DAFTAR ISI. HALAMAN JUDUL... i. LEMBAR PENGESAHAN... ii. TEAM PENGUJI SIDANG SKRIPSI... iii. ABSTRAK... iv. ABSTRACK... v. KATA PENGANTAR...

Transkripsi

1 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN JUDUL... i LEMBAR PENGESAHAN... ii TEAM PENGUJI SIDANG SKRIPSI... iii ABSTRAK... iv ABSTRACK... v KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Manfaat Penelitian... 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Tanaman Gumitir Arang Aktif Pembuatan Arang Aktif Proses karbonisasi Proses aktivasi Karakterisasi Arang Aktif Adsorben viii

2 2.6 Adsorpsi Adsorpsi fisika (fisisorpsi) Adsorpsi kimia (kemisorpsi) Isoterm adsorpsi Logam Berat Timbal (Pb) Kadmium (Cd) Spektrofotometer FTIR Spektrofotometer Uv-Vis Atomic Absorpstion Spectrometry (AAS) BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tempat Penelitian Alat dan Bahan Peralatan penelitian Bahan penelitian Prosedur Kerja Pengambilan sampel batang gumitir Penyiapan bahan Pembuatan arang gumitir secara pirolisis Aktivasi arang Karakterisasi arang dan diaktivasi Pembuatan larutan Penentuan kurva kalibrasi larutan Pb(II) dan Cd(II) Penuntuan keasaman permukaan arang aktif batang ix

3 gumitir Penentuan waktu setimbang, pengaruh ph, isoterm adsorpsi, dan kapasitas adsorpsi terhadap Pb(II) dan Cd(II) BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Pembuatan Arang dari Batang Tanaman Gumitir (Tagetes erecta) Aktivasi Arang dengan NaOH 2,5% Karakterisasi Arang Aktif Identifikasi gugus fungsi Daya serap terhadap metilen biru dan luas permukaam adsorben Daya serap terhadap iodin Keasaman Permukaan Penentuan Waktu Optimum Penentuan ph Optimum Penentuan Isoterm Adsorpsi BAB V SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan Saran Daftar Pustaka Lampiran x

4 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Tanaman Gumitir Gambar 2.2 Ilustrasi Adsorpsi dengan Persamaan Langmuir Gambar 4.1 Spektra Arang Tanpa Aktivasi, Arang Aktif KA 1, dan KA Gambar 4.2 Waktu Kontak terhadap Ion Pb(II) oleh Arang Aktif KA Gambar 4.3 Waktu Kontak terhadap Ion Cd(II) oleh Arang Aktif KA Gambar 4.4 Nilai ph Optimum terhadap Ion Pb(II) oleh Arang Aktif KA Gambar 4.5 Nilai ph Optimum terhadap Ion Cd(II) oleh Arang Aktif KA Gambar 4.6 Konsentrasi Pb(II) yang Terserap oleh Arang Aktif KA Gambar 4.7 Konsentrasi Cd(II) yang Terserap oleh Arang Aktif KA Gambar 4.8 Pola Isoterm Adsorpsi Langmuir Ion Pb(II) dari Arang Aktif KA Gambar 4.9 Pola Isoterm Adsorpsi Freundlich Ion Pb(II) dari Arang Aktif KA Gambar 4.10 Pola Isoterm Adsorpsi Langmuir Ion Cd(II) dari Arang Aktif KA Gambar 4.11 Pola Isoterm Adsorpsi Freundlich Ion Pb(II) dari Arang Aktif KA xi

5 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Pemanfaatan Arang Aktif dalam Berbagai Bidang Aplikasi Tabel 2.2 Standar Kualitas Arang Aktif menurut SNI Tabel 2.3 Kadar Normal dan Maksimum Logam Berat yang Masuk ke Lingkungan Laut Tabel 4.1 Rendemen Arang Aktif dengan Aktivasi NaOH 2,5% Tabel 4.2 Karakteristik Arang tanpa Aktivasi, Arang Aktif tanpa Pemanasan, dan dengan Pemanasan Tabel 4.3 Data Spektroskopi IR Aarang Tanpa Aktivasi, Arang Aktif KA 1, dan KA Tabel 4.4 Daya Serap terhadap Metilen Biru dan Luas Permukaan Tabel 4.5 Daya Serap terhadap Iodin xii

6 ABSTRAK Batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) merupakan limbah pertanian yang dapat dimanfaatkan sebagai arang aktif, karena memiliki kandungan selulosa, hemiselulosa, dan lignin yang cukup tinggi. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui perbedaan karakteristik antara arang tanpa aktivasi dengan arang yang diaktivasi, pengaruh waktu kontak dan ph, serta kapasitas dan energi adsorpsi dari arang aktif batang gumitir. Arang yang dihasilkan diaktivasi dengan NaOH dan selanjutnya diaplikasikan sebagai adsorben untuk penyerapan ion Pb(II) dan Cd(II). Semua arang dikarakterisasi, luas permukaan dilakukan dengan metode metilen biru, dan analisis spektra secara FTIR. Parameter adsorpsi seperti waktu kontak, ph, dan kapasitas adsorpsi ditentukan dengan metode spektrofotometer serapan atom (AAS). Karakteristik dari arang tanpa pemanasan sebelum aktivasi (arang aktif KA 1 ) yang terpenuhi meliputi kadar air, zat mudah menguap, abu total, dan kadar karbon terikat memenuhi baku mutu sesuai dengan standar SNI Arang aktif KA 1 memiliki luas permukaan dan bilangan iodin paling tinggi yaitu 1816,16 m 2 /g dan 1227,21 mg/g. Hasil identifikasi dengan spektrofotometer FTIR menunjukkan bahwa arang aktif KA 1 mengandung gugus fungsi OH, COOH, C O, dan CH 3. Dengan demikian KA 1 dipilih sebagai adsorben yang memiliki jumlah situs aktifnya sebesar 17,14x10 20 molekul/g. Waktu dan ph optimum adsorpsi adalah 120 menit pada ph 5 untuk Pb (II) dan 60 menit pada ph 7 untuk Cd (II) dan mengikuti pola isoterm Freundlich. Kapasitas adsorpsi dan energi adsorpsi KA 1 untuk ion Pb adalah mg/g dan KJ/mol, sedangkan untuk ion Cd masing-masing adalah mg/g dan KJ/mol. Kata kunci : Gumitir, arang aktif, adsorben, logam berat xiii

7 ABSTRACT Marigold plant stems (Tagetes erecta) which are one of an agricultural waste can be utilized as activated carbon, because they contain high value of cellulose, hemicellulose, and lignin. This study was aimed to determine the characteristic differences between carbon without activation and activation one, the effects of contact time and ph, as well as the capacity and energy of adsorption of the activated carbon. The carbon produced from those substances was activated by NaOH and then applied as adsorbent for the adsorption of Pb(II) and Cd(II) ions. All carbon were characterized, a specific surface area with methylene blue adsorption method, and the analysis of FTIR spectra. Adsorption parameters such as contact time, ph, and the adsorption capacity was determined by the method of atomic absorption spectrophotometer (AAS). The characteristics of carbon with no heating before activating (activated carbon of KA 1 ) including the contents of water, volatile substances, total ash, and bonded carbon was in accordance with the quality standards of SNI The activated carbon of KA 1 had the highest surface area and iodine number was 1816,16 m 2 /g and was 1227,21 mg/g. The FTIR identification showed that the activated carbon f KA 1 contains the functional groups of OH, COOH, C O, and CH 3. Therefore, the activated carbon of KA 1 was selected as adsorbent having the active sites number of 17,14x10 20 molecule/g. Time and ph optimums of adsorption were 120 minutes at ph 5 for Pb(II) ions and 60 minutes at ph 7 for Cd(II) ions and the patterns followed the Freundlich isotherm. The adsorption capacity and adsorption energy of KA 1 for Pb ions was 4,6548 mg/g and 3,8358 KJ/mol respectively, while for Cd ion was 6,7422 mg/g and 4,7599 KJ/mol respectively. Keywords: Marigold, activated carbon, adsorbent, heavy metals xiv

8 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tanaman gumitir (Tagetes erecta) merupakan tanaman yang memiliki bau yang menyengat, bunga berwarna kuning atau oranye, bentuk daun menyirip menyerupai daun majemuk, dan banyak di budidayakan di Indonesia, khususnya di pulau Bali. Gumitir termasuk ke dalam keluarga Compositae (Asteraceae) dan mempunyai 59 species. Tanaman ini merupakan salah satu herba hias yang biasa digunakan sebagai tanaman pagar dan pembatas. Tanaman gumitir ini sudah banyak dibudidayakan hampir diseluruh kebupaten di seluruh Bali. Tanaman gumitir banyak dimanfaatkan oleh masyarakat, khususnya bagian bunga dan daunnya yang digunakan untuk persembahyangan, sebagai obat seperti mengobati infeksi saluran pernafasan, mengencerkan dahak, anti radang, obat untuk luka, anemia, anti jamur dan penangkal serangga (Deperindus, 1989). Budidaya tanaman gumitir memiliki banyak keuntungan dari segi ekonomi dan manfaat yang dihasilkan, namun setelah masa panen selesai, limbah padat yang dihasilkan juga sangat banyak yaitu batang tanaman gumitir yang belum dimanfaatkan secara maksimal. Limbah padat yang dihasilkan biasanya dibakar begitu saja sehingga dapat mencemari udara dan dalam jumlah sedikit digunakan sebagai campuran pakan ternak. Limbah batang gumitir ini merupakan suatu biomassa yang dapat dimanfaatkan sebagai dasar pembuatan arang aktif. Pemanfaatan batang gumitir sebagai arang aktif memiliki dampak positif dalam pengurangan limbah pertanian, bernilai ekonomi dan mudah didapat. Secara umum, bahan pembuatan arang seperti kayu dan batang dengan kadar karbon 1

9 2 yang tinggi (kadar selulosa dan lignin), kadar abu dan banyak mengandung pori, cenderung akan menghasilkan arang aktif berkualitas tinggi (Sudrajat dan Pari, 2011). Kandungan selulosa dan hemiselulosa pada batang tanaman gumitir yaitu sekitar 40-50%, kandungan lignin sekitar 30%, kadar abu sekitar 0,35%, dan kemampuan daya serap arang aktif batang gumitir yaitu sekitar % (Dietmar et al., 2002). Telah dilaporkan bahwa, kandungan karbon pada tanaman gumitir juga dipengaruhi oleh perbedaan suhu didaerah penanamannya. Pada daerah tumbuh dengan suhu 20 0 C memiliki kandungan karbon yang lebih tinggi daripada tanaman yang tumbuh pada suhu 30 0 C. kandungan karbon pada daerah tumbuh dengan suhu 20 0 C yaitu 437 mg g -1 sedangkan pada suhu 30 0 C yaitu 417 mg g -1 (Lerser, 2006). Arang merupakan produk dari proses karbonisasi kayu yang sebagian besar komponennya merupakan karbon, sedangkan arang aktif merupakan arang yang telah mengalami pemrosesan secara lanjut dengan pemanasan tinggi atau dengan menggunakan bahan-bahan kimia, sehingga pori-pori yang dimiliki arang menjadi terbuka dan mampu menjadi adsorben. Adsorben adalah zat padat yang dapat menyerap komponen tertentu dari suatu fase fluida dalam proses adsorpsi (Saragih, 2008). Adsorben biasanya menggunakan bahan-bahan yang berpori, sehingga proses adsorpsi berlangsung pada dinding pori. Pori-pori pada adsorben biasanya sangat kecil dan luas permukaannya lebih besar daripada permukaan luar, bisa mencapai 2000 m 2 /g (Prawira, 2008). Proses adsorpsi terjadi karena perbedaan bobot molekul dan perbedaan polaritas (Nasrudin, 2005). Daya serap

10 3 arang aktif terjadi karena adanya pori-pori berukuran mikro yang jumlahnya banyak dan memiliki luas permukaan sangat tinggi yaitu di atas 600 m 2 /g (Yustinah, 2011). Pembuatan arang aktif dilakukan melalui proses karbonisasi yang dilanjutkan dengan proses aktivasi. Hal yang perlu diperhatikan dalam pembuatan arang aktif yaitu bahan baku dan proses aktivasinya, karena turut berpengaruh dalam pembuatan arang aktif. Aktivasi arang aktif dapat dilakukan melalui proses aktivasi secara fisik dan proses kimia. Proses aktivasi secara fisik dapat dilakukan dengan pemberian uap air atau gas CO 2, sedangkan secara kimia dilakukan dengan penambahan zat kimia tertentu (Jamilatun et al., 2014). Penambahan bahan kimia tersebut dilakukan dengan cara perendaman arang dalam larutan aktivator. Aktivasi kimia dapat menggunakan asam, basa, dan garam seperti H 2 SO 4, H 3 PO 4, NaOH, KOH, NaCl, CaCl 2, dan ZnCl 2. Telah dilaporkan bahwa, beberapa aktivator seperti ZnCl 2, NaOH, dan H 3 PO 4 merupakan bahan kimia yang cukup baik untuk digunakan dalam aktivasi arang (Sudradjat dan Pari, 2011). Pemilihan H 3 PO 4 dan ZnCl 2 sebagai aktivator, karena keduanya bersifat asam yang dapat bereaksi dengan oksigen melalui gugus fungsi yang terikat pada material karbon aktif (Teng, 2000). Selain itu kedua aktivator tersebut merupakan oksidator yang mampu mengoksidasi dan mengikis permukaan karbon aktif, sehingga dapat membuka pori yang mula-mula tertutup serta memperbesar pori yang ada pada karbon aktif (Allwar et al., 2008). Penelitian Gultom dan Lubis (2014) tentang aplikasi karbon aktif dari cangkang kelapa sawit dengan aktivator

11 4 H 3 PO 4 untuk penyerapan logam berat Cd dan Pb menyatakan bahwa daya serap logam berat Cd dan Pb mencapai 84,61 % dan 80,13 %. Ini didasarkan atas hasil Rika (2011) telah melakukan penelitian mengenai pengaruh waktu aktivasi dalam aktivator kimia H 3 PO 4 dan NaOH terhadap kualitas karbon aktif dari cangkang kopi. Penggunaan aktivator NaOH selain dapat mengikat air, aktivator ini juga termasuk zat kimia yang harganya terjangkau dan mudah didapat. Arang aktif yang diperoleh mempunyai kadar air sebesar 2.5%, kadar abu 7.6%, kadar zat terbang 16.29%, kadar karbon terikat 73.61%, dan bilangan iodin % yang sesuai dengan syarat mutu dari karbon aktif. Telah dilaporkan bahwa arang aktif dari tempurung kelapa dengan menggunakan aktivator NaOH dapat menurunkan kadar air karena sifatnya yang higrokopis sehingga menyebabkan pori-pori arang semakin besar dengan kemampuan daya serap terhadap logam Cu maksimum sebesar 80,87% (Wulandari dan Budi, 2015). Disamping ukuran pori, waktu kontak dan ph juga dapat mempengaruhi proses adsorpsi arang. Waktu kontak untuk mencapai keadaan setimbang pada proses serapan logam oleh adsorben berkisar antara beberapa menit hingga beberapa jam. Waktu kontak yang lebih lama memungkinkan proses difusi dan penempelan molekul adsorben berlangsung lebih cepat (Bernasconi et al., 1995). Pengaruh ph pada proses adsorpsi sangat besar karena ph menentukan tingkat ionisasi larutan. Asam organik dapat diadsorpsi dengan mudah pada ph rendah, sebaliknya basa organik dapat diadsorpsi pada ph tinggi. Pada umumnya, adsorpsi bahan organik dari air limbah meningkat seiring dengan menurunnya ph

12 5 (Culp dan Culp 1978). Pada ph rendah, jumlah ion H + lebih besar. Ion H + tersebut akan menetralisasi permukaan karbon aktif yang bermuatan negatif, sehingga dapat mengurangi halangan untuk terjadinya difusi organik pada ph yang lebih tinggi. Sebaliknya, pada ph tinggi, jumlah ion OH - berlimpah, sehingga menyebabkan proses difusi bahan-bahan organik menjadi terhalang. Arang aktif pada dunia industri sangat diperlukan karena dapat mengadsorpsi bau, warna, gas, dan logam. Pada umumnya arang aktif dapat dipergunakan untuk kebutuhan berbagai industri, antara lain yaitu industri obatobatan, makanan, minuman, dan pengolahan air (penjernihan air). Air merupakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui, namun di bumi, air jarang ditemukan dalam bentuk murni karena air mudah terkontaminasi oleh aktivitas manusia (Darmono, 1995). Kegiatan industri, merupakan penghasil limbah cair yang paling banyak. Limbah cair memiliki komponen-komponen anorganik, di antaranya logam-logam berat, yang keberadaannya di dalam air telah melebihi ambang batas dan berbahaya bagi kehidupan (Wisnu, 1995). Logam berat merupakan zat yang baracun dan umumnya bersifat karsinogenik. Pencemaran air oleh timbal (Pb) dan kadmium (Cd) dapat merusak kehidupan air dan mahkluk hidup lainnya seperti membunuh mikroorganisme, mengganggu kesehatan selama masa ketegangan (stres), menyebabkan penyakit syaraf, gangguan pada ginjal dan hati serta penyakit tulang (Sunu, 2001). Logam Pb umumnya digunakan dalam industri baterai, cat tembok, pertambangan, dan bahan bakar bensin, sedangkan logam Cd banyak digunakan dalam industri plastik dan electroplating, industri baterai, dan industri pencelupan (Pallar, 1994).

13 6 Berdasarkan uraian di atas, dipandang perlu untuk melakukan penelitian tentang pemanfaatan batang tanaman gumitir (Tagetes erecta) menjadi arang yang di aktivasi dengan NaOH dan dimanfaatkan sebagai adsorben logam berat Pb(II) dan Cd(II). Arang batang gumitir yang dihasilkan, kemudian dibagi menjadi 3 perlakuan yaitu arang tanpa aktivasi, arang tanpa pemanasan sebelum aktivasi (arang aktif KA 1 ), dan arang dengan pemanasan sebelum aktivasi (arang aktif KA 2 ), dimana arang terbaik yang dipilih dan diproses lebih lanjut menjadi adsorben. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan sebagai berikut : 1. Bagaimana perbedaan karakteristik arang tanpa aktivasi dan diaktivasi? 2. Bagaimana pengaruh waktu dan ph terhadap kemampuan arang aktif batang gumitir dalam menyerap logam Pb(II) dan Cd(II)? 3. Berapa kapasitas adsorpsi dan energi adsorpsi arang aktif batang gumitir dalam menyerap logam Pb(II) dan Cd(II)? 1.3 Tujuan Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu : 1. Mengetahui perbedaan karakteristik arang tanpa aktivasi dan diaktivasi 2. Mengetahui pengaruh waktu dan ph terhadap kemampuan arang aktif batang gumitir dalam menyerap logam Pb(II) dan Cd(II)

14 3. Mengetahui kapasitas adsorpsi dan energi adsorpsi arang aktif batang gumitir dalam menyerap logam Pb(II) dan Cd(II) Manfaat penelitian Dari penelitian yang dilakukan dapat diperoleh informasi ilmiah mengenai penggunaan limbah batang gumitir sebagai arang aktif yang diaktivasi dengan NaOH serta pemanfaatan arang aktif batang gumitir sebagai adsorben yang dapat menyerap logam berat pencemar air, khususnya Pb dan Cd dan bermanfaat positif dalam mengurangi limbah industri dan pertanian.