PENGHILANGAN KESADAHAN AIR YANG MENGANDUNG ION Ca 2+ DENGAN MENGGUNAKAN ZEOLIT ALAM LAMPUNG SEBAGAI PENUKAR KATION Atastina S.B, Praswasti P.D.K. Wulan, dan Syarifudin Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus Baru UI, Depok 16424 Abstrak Pemanfaatan zeolit sebagai media filter sekaligus media adsorbsi merupakan terobosan baru karena sumber daya alam Indonesia memiliki kandungan zeolit yang banyak. Uji adsorbsi ion kalsium pada zeolit menghasilkan kurva terobosan yang mengikuti S-Shape. Dari kurva terobosan tersebut dapat dilihat zeolit mampu mengadsorbsi ion kalsium dari 12 ppm hingga di bawah 5 ppm. Zeolit dengan unggun 5 cm mampu mengadsorbsi hingga 5 ppm, zeolit dengan mampu mengadsorbsi hingga 3 ppm, dan zeolit dengan mampu mengadsorbsi hingga 2 ppm. Dari kurva terobosan dapat ditentukan kemampuan adsorbsi zeolit. Zeolit dengan mampu mengadsorbsi sebesar 1,83 mg ion Ca/gr zeolit. Untuk zeolit dengan mampu mengadsorbsi ion Ca sebesar 6,25 mg ion Ca/gr zeolit dan untuk zeolit dengan mampu mengadsorsi sebesar 3,61 mg ion Ca/gr zeolit. Kapasitas adsorbsi tergantung pada jumlah massa zeolit dan temperatur adsorbsi. Zeolit dengan unggun 5cm (3 gr) memiliki kapasitas yang lebih tinggi daripada zeolit dengan (6 gr) dan zeolit dengan (9gr) walaupun pada awal reaksi unggun zeolit 15 cm mampu mengadsorbsi sampai 2 ppm. Abstract The use of zeolite for medium of filtration and adsorption became interesting because of the large amount of zeolite in Indonesia. The adsorption performance of zeolite was indicated by the breakthrough curve for each concentration of ion calcium. It was show that zeolite could adsorb ion calcium concentration from 12 ppm to 5 ppm. Zeolit with 5 cm bed level could reach 5 ppm maximum of adsorption, meanwhile the 1 cm bed of zeolite could reach 3 ppm dan the 15 cm could reach 2 ppm. As many as 1,83 mg of Ca ion/gr zeolite could be adsorbed by 5 cm bed of zeolite. With 1 cm bed level, zeolite could adsorb 6,25 mg of Ca ion/gr zeolite. With 15 cm bed level, zeolite could adsorb 3,61 mg of Ca ion/gr zeolite.the adsorption capacity of zeolite depended on its mass and the adsorption temperature. 5 cm bed of zeolit with 3 gr mass had higher capacity than the 1 cm (6 gr of mass zeolite) and 15 cm ones (9 gr of mass zeolite), although in the first reaction as many as 2 ppm could be adsorbed by 15 cm bed of zeolite. PENDAHULUAN A i r m e r u p a k a n u n s u r p e n t i n g d a l a m kehidupan. Hampir seluruh kehidupan di dunia i n i t i d a k t e r l e p a s d a r i a d a n y a u n s u r a i r i n i. Sumber utama air yang mendukung kehidupan di b u m i i n i a d a l a h l a u t, d a n s e m u a a i r a k h i r n y a akan kembali ke laut yang bertindak s e b a g a i reservoir atau penampung. Air dapat m e n g a l a m i d a u r h i d r o l o g i. S e l a m a m e n j a l a n i d a u r i t u a i r s e l a l u m e n y e r a p z a t -zat yang m e n y e b a b k a n a i r i t u t i d a k l a g i m u r n i. O l e h karena itu, pada hakekatnya tidak ada air yang b e t u l -b e t u l m u r n i. Zat-z a t y a n g d i s erap oleh air alam dapat d i k l a s i f i k a s i k a n s e b a g a i p a d a t a n t e r l a r u t, g a s t e r l a r u t d a n p a d a t a n t e r s u s p e n s i. P a d a u m u m n y a, jenis zat pengotor yang terkandung dalam air bergantung pada jenis bahan yang berkontak d e n g a n a i r i t u, s e d a n g k a n b a n y a k n y a z a t p e n g o t o r b e r g a n t u n g p a d a w a k t u k o n t a k n y a. Bahan-b a h a n m i n e r a l y a n g d a p a t t e r k a n d u n g dalam air karena kontaknya dengan batu-batuan terutama terdiri dari : kalsium karbonat (CaCO 3 ), magnesium karbonat (MgCO 3 ), kalsium sulfat (CaSO 4 ), magnesium sulfat (MgSO 4 ), dan s e b againya. A i r yang banyak mengandung mineral k a l s i u m d a n m a g n e s i u m d i k e n a l s e b a g a i a i r sadah, atau air yang sukar untuk dipakai mencuci. Senyawa kalsium dan magnesium bereaksi dengan sabun membentuk endapan dan m e n c e g a h t e r j a d i n y a b u s a d a l a m a i r. O l e h k a rena senyawa -s e n y a w a k a l s i u m d a n m a g n e s i u m r e l a t i f sukar larut dalam air, maka senyawa-s e n y a w a i t u c e n d e r u n g u n t u k m e m i s a h d a r i l a r u t a n d a l a m bentuk endapan atau presipitat yang akhirnya menjadi kerak.
Dengan cara-cara pengolahan yang khusus, persediaan ai r t a w a r j u g a d a p a t d i a m b i l d a r i a i r l a u t a t a u a i r p a y a u (brackish water ). Perbedaan utama antara air laut dan air tawar adalah kadar garamnya. Air laut mengandung s e k i t a r 3 5. m g m i n e r a l p e r k g a i r, s e d a n g k a n k a d a r m a k s i m u m k a l s i u m d a l a m a i r t a w a r a d a l a h 1 m g p e r k g a i r. O l e h k a r e n a i t u p e n g o l a h a n a i r l a u t d a p a t l e b i h k o m p l e k s d a n l e b i h m a h a l. Untuk memperoleh air bersih yang l a y a k k o n s u m s i d i p e r l u k a n s u a t u c a r a y a n g l e b i h b a i k. S a l a h s a t u m e t o d e y a n g b a n y a k d i g u n a k a n adalah filtrasi (penyaringan). Met o d e i n i d a p a t d i t e r a p k a n d i d a e r a h p e d e s a a n y a n g b e r a d a d i t e p i s u n g a i a t a u p u n s u m b e r a i r l a i n. M e d i a f i l t e r y a n g b i a s a d i g u n a k a n a d a l a h p a s i r, k e r i k i l, i j u k, a r a n g d a n z e o l i t. D i I n d o n e s i a z e o l i t t a m p a k n y a b e l u m m e n d a p a t perhatian yang memadai sebagai medi a f i l t r a s i a i r b e r s i h. P a d a h a l I n d o n e s i a s e c a r a g e o g r a f i s terletak pada jalur gunung berapi memiliki potensi zeolit yang cukup besar. Akan tetapi tidak semua zeolit dapat digunakan sebagai media filter. Zeolit alam Lampung yang m e r u p a k a n j e n i s z e o l i t k l i noptilolit cocok digunakan sebagai media filter. Zeolit alam lampung yang telah dipreparasi dengan perlakuan tertentu dapat menyerap ion Ca 2 + penyebab kesadahan dalam air. PENELITIAN Prosedur Preparasi Zeolit Untuk memperoleh zeolit alam L a m p u n g d e n g a n komposisi kimia didominasi oleh kation Na + d i l a k u k a n p r o s e s p e m a n a s a n, prosedurnya adalah: 1. S e r p i h a n z e o l i t d i a y a k d e n g a n siever b e r u k u r a n k u r a n g l e b i h 2-3 m e s h, u n t u k memperoleh butiran zeolit berukuran seragam. 2. T i m b a n g z e o l i t y a n g t e l a h d i a y a k m a s i n g- m a sing 8 gr 3. Siapkan larutan garam NaCl 3 M sebanyak 16 ml, sesuai dengan perbandingan solid : l i q u i d ( z e o l i t : l a r u t a n g a r a m ) y a i t u 1 : 2 [ g r : m l ] 4. Bahan-bahan yang telah disiapkan, d i p a n a s k a n p a d a t e m p e r a t u r y a n g d i u s a h a k a n k o n s t a n 1 o C s e l a m a 4 j a m, di s e r t a i d e n g a n p e n g a d u k a n. 5. S e t e l a h 4 j a m, t u a n g z e o l i t y a n g t e l a h d i p a n a s k a n k e c o r o n g-corong yang dilapisi kertas saring. Penyaringan dilakukan secara g r a v i m e t r i c. 6. K e m u d i a n b i l a s d e n g a n a q u a d e s. P e m b i l a s a n d i l a k u k a n s a m p a i a i r b i l a s a n y a n g t e r a k h i r m e n e t es dari mulut corong terbukti bebas ion Cl -, menggunakan indikator AgNO 3. 7. p e n g e r i n g a n s a m p e l y a n g t e l a h b e b a s i o n C l - d i f u r n a c e p a d a t e m p e r a t u r 1 1 o C s e l a m a 2 j a m. 8. S a m p e l s i a p d i g u n a k a n s e b a g a i u n g g u n filtrasi. Pelaksanaan Penelitian Kesadahan air dibuat d e n g a n m e l a r u t k a n C a C l 2 sebanyak 12 gram ke dalam air 1 liter. Dalam air CaCl 2 akan terionisasi menjadi Ca 2 + dan Cl -. Ion Ca 2+ inilah yang akan dikurangi konsentrasinya dalam air keluaran. D e n g a n l a j u a l i r t e t a p s e b e s a r 3 l t / j a m, k e t i n g g i a n u n g g u n z e o l i t 2-3 m e s h d i v a r i a s i k a n 5 c m, 1 c m, 1 5 c m. S e l a m a 1 j a m air sadah dialirkan dan setiap 1 menit diambil sampelnya untuk dianalisa dengan AAS di Lab. T E L J u r u s a n T G P U I. D a l a m p e n e l i t i a n i n i t i d a k d i l a k u k a n r e g e n e r a s i z e o l i t. Pertukaran ion dapat ditul iskan sebagai berikut: NaZ + CaCl 2 CaZ + 2 NaCl NaZ = Natrium -Zeolit CaZ = Calsium -Z e o l i t Proses pertukaran ion berlangsung secara kontinyu dengan model aliran upflow (dari atas ke bawah). HASIL DAN PEMBAHASAN Kurva terobosan B e n t u k k h a s h a s i l a d sorbsi dengan menggunakan unggun tetap beraliran kntinyu adalah berupa kurva terobosan. Kurva terobosan adalah kurva yang menunjukkan hubungan a n t a r a k o n s e n t r a s i a d s o r b a t k e l u a r a n k o l o m a d s o r b s i t e r h a d a p w a k t u a d s o r b s i. W a k t u adsorbsi disini adalah waktu ya n g d i u k u r p a d a i n t e r v a l t e r t e n t u s e l a m a t e r j a d i n y a k o n t a k a n t a r a adorbat dengan zeolit yang berlangsung secara k o n t i n y u. K u r v a t e r o b o s a n a d s o r b s i i o n C a 2 + hasil penelitian dapat dilihat pada gambar 1
konsentrasi (ppm) 14 12 1 8 6 4 2 2 4 6 waktu (menit) G a m b a r 1. K u r v a t e r o b o s a n i o n C a D a r i g a m b a r d i a t a s n a m p a k p e r b e d a a n k u r v a p e n y e r a p a n i o n C a 2+. Proses adsorbsi yang paling baik terjadi pada zeolit dengan unggun 15 cm yang mencapai 2 ppm. Zeolit dengan u n g g u n 1 c m m e n c a p a i 3 p p m, s e d a n g k a n zeolit dengan hanya mencapai 5 p p m. D a r i si n i t e r l i h a t s e m a k i n t i n g g i u n g g u n z e o l i t m a k i n r e n d a h k o n s e n t r a s i i o n C a 2+. A k a n t e t a p i l a j u p e n i n g k a t a n i o n C a 2 + yang terendah adalah zeolit dengan. Seharusnya laju peningkatan yang terendah terjadi pada u n g g u n z e o l i t 1 5 c m. H a l i n i d a p a t t e rjadi disebabkan oleh perubahan laju alir ketika mengoperasikan percobaan pada unggun zeolit 1 5 c m, d i m a n a l a j u a l i r t e l a h b e r k u r a n g k a r e n a j u m l a h a i r p a d a r a w w a t e r b e r k u r a n g s e h i n g g a tekanan airnya juga berkurang. D a l a m l i t e r a t u r e t e n t a n g a d s o r b s i ( S u n d strom,1979), konsentrasi suatu spesi yang d i a d s o r b d a l a m e f f l u e n t s e l a m a b e b e r a p a w a k t u pertama menunjukkan kecenderungan konstan. S e t e l a h u n g g u n m u l a i j e n u h b a r u l a h k o n s e n t r a s i spesi tersebut meningkat tajam. Pada kondisi ini kurva yang terjadi berbentuk huruf S. titik d i m a n a k o n s e n t r a s i d a l a m e f f l u e n t m u l a i m e n i n g k a t d i s e b u t t i t i k t e m b u s (break point ) s e d a n g k a n k u r v a n y a d i n a m a k a n k u r v a t e r o b o s a n (breakthrough curve ). Dalam percobaan ini terjadi kurva terobosan titik tembusnya. D a r i f e n o m e n a y a n g a d a, d a l am penelitian ini adsorbsi yang terjadi adalah adsorbsi fisika di mana ion Ca 2 + yang telah t e r a d s o r b d a p a t m e n g i k a t i o n N a +. Dengan d e m i k i a n t e r j a d i p e r t u k a r a n i o n a n t a r a i o n N a + d a r i z e o l i t d a n i o n C a 2+ dari air. Kapasitas Adsorbsi ion Ca terhadap waktu adsorbsi Dari hasil kurva terobosan yang t e r b e n t u k p a d a g a m b a r 1 d i b u a t s u a t u g r a f i k y a n g m e n y a t a k a n h u b u n g a n a n t a r a j u m l a h adsorbat yang terasorbsi (q) oleh zeolit terhadap w a k t u a d s o r b s i. G r a f i k h u b u n g a n q v s t u n t u k a d s o r b s i ion Ca 2 + menggunakan zeolit disajikan dalam g a m b a r 2. q (mg ion Ca/gr zeolit) 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 unggun zeolit 5 cm waktu (menit) G a m b a r 2. K a p a s i t a s a d s o r b s i i o n C a p a d a z e o l i t. D a r i g a m b a r 2 t e r l i h a t p a d a k u r v a s e m a k i n l a m a s e m a k i n m e n i n g k a t. S e h a r u s n y a kapasitas adsorbsi pada rentang waktu tertentu a w a l n y a m e n i n g k a t d a n s e l a nj u t n y a m e n c a p a i k e s e t i m b a n g a n ( k o n s t a n ). H a l i n i d i s e b a b k a n p e n g a m b i l a n s a m p e l d i d a s a r k a n p a d a w a k t u s e l a m a 6 m e n i t s e h i n g g a t i d a k d a p a t d i k e t a h u i sampai seberapa lama kondisi unggun akan j e n u h. A k a n t e t a p i d a r i h a s i l k u r v a t e r o b o s a n dapat dilihat perkiraan kondisi unggun yang m e n c a p a i k e j e n u h a n. P e r b e d a a n i n i d i s e b a b k a n p a d a p e r h i t u n g a n k a p a s i t a s a d s o r b s i m e n g g u n a k a n s a t u a n m g i o n C a / g r z e o l i t. Berdasarkan hal tersebut maka dimungkinkan untuk dengan berat 3 gram m e m i l i k i k a p a s i t a s t e r b e s a r z eolit dengan unggun 15 cm dengan berat 9 gram memiliki kapasitas a d s o r b s i t e r k e c i l. H a s i l p e r h i t u n g a n k a p a s i t a s a d s o r b s i p a d a k e t i g a j e n i s u n g g u n z e o l i t d i s a j i k a n d a l a m t a b e l b e r i k u t. Tabel 1. Kapasitas adsorbsi ion Ca pada zeolit zeolit C* (mg/lt) q* (mg ion Ca/gr zeolit) 6 1,83 9 43,33 12 15,83 13 193,33 6 6,25 9 22,5 11 5,83 12 91,25 5 3,61 8 13,33 1 3,56 11 55,28
Penentuan Konstanta Freundlich dan Langmuir Un tuk melihat apakah adsorbsi ion ca mengikuti isoterm adsorbsi model Freundlich a t a u l a n g m u i r, m a k a d a p a t d i b u k t i k a n m e l a l u i k o e f i s i e n d e t e r m i n a s i ( R 2 ) yang ditunjukkan oleh grafik linierisasi kedua model tersebut. K o n s t a n t a F r e u n d l i c h ( K f d a n n ) d a p a t d i c ari d e n g a n m e n g g u n a k a n p e r s a m a a n s e b a g a i b e r i k u t : Log q = log Kf + 1/n log C D e n g a n m e n g g a m b a r k a n g r a f i k l i n i e i s a s i a n t a r a l o g C v s l o g q, m a k a K F d a n n dapat ditentukan. Sedangkan konstanta Langmuir (K A d a n q m ) d a p a t d i c a r i d e n g a n m e n g g u n a k a n p e r s a m a a n dengan menggambarkan grafik linierisasi antara 1/C vs 1/q maka K A dan qm dapat diketahui. log q Gambar 3. Grafik linierisasi isoterm freundlich 1/q Grafik Linierisasi Isoterm Freundlich 2,5 2 1,5 1,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3 3,1 log c 3,E-1 2,5E-1 2,E-1 1,5E-1 1,E-1 5,E-2 Grafik Linierisasi Isoterm Langmuir,E+,5,1,15,2,25 1/C Gambar 4. Grafik linierisasi isoterm Langmuir Dari gambar 3 dan 4 dapat dilihat b a h w a p e n g u j i a n d a t a-data dengan menggunakan isoterm model Freundlich dan Langmuir menunjukkan grafik linierisasi yang baik untuk adsorbsi yang menggunakan zeolit. Hal ini ditunjukkan oleh nilai determinasi berkisar,98 -,99 (hampir mendekati 1). Nilai koefisien d e t e r m i n a s i ( R 2 ) y a n g h a m pir sama dari setiap adsorben untuk ketiga jenis unggun m e n u n j u k k a n b a h w a a d s o r b s i m e n g i k u t i k e d u a model isoterm Freundlich dan Langmuir. T a b e l 2. H a r g a K o n s t a n t a F r e u n d l i c h d a n L a n g m u i r Tipe isoterm Parameter Unggun Unggun Unggun isoterm 5 cm 1 cm 15 cm Freundlich K F 1.339 2.479 3.417 n,287,268,3 Langmuir K A 7,62E-1 8,7E+ 8,7E-4 KESIMPULAN q m 134.48 68.27 47.59 1. Z e o l i t a l a m L a m p u n g d e n g a n u k u ra n 2-3 mesh memiliki kemampuan yang besar dalam menyerap ion Ca2+. 2. Zeolit alam Lampung dengan variasi tinggi, 1 cm dan 15 cm memiliki k e c e n d e r u n g a n y a n g b e r b e d a -b e d a. T i n g g i mampu menurunkan hingga 5 ppm, ketinggian 1 cm mampu m e n u r u n k a n h i n g g a 3 p p m, s e d a n g k a n k e t i n g g i a n 1 5 c m m a m p u m e n u r u n k a n h i n g g a 2 p p m. 3. Zeolit dengan tinggi memiliki kecenderungan yang lebih baik pada awal r e a k s i d a l a m m e n g a d s o r b s i i o n C a 2 + s a m p a i 2 p p m. H a l i n i d i s e b a b k a n s e m a k i n t i nggi u n g g u n s e m a k i n l u a s z o n a a d s o r b s i. 4. Operasi dilaksanakan pada tekanan udara 1 a t m d a n s u h u k a m a r ( 2 5 o C). Pada kondisi ini t e r j a d i p e r t u k a r a n i o n a n t a r a i o n N a + dari z e o l i t d e n g a n i o n C a 2 + dari air sadah ( t e r b e n t u k i k a t a n k i m i a a n t a r a N a + dan Cl - ). 5. A d s o r b s i i s o t e r m i o n C a d a p a t m e n g i k u t i kedua model adsorbsi isoterm baik model Freundlich maupun Langmuir. Daftar Pustaka 1. A u s t i n, G e o r g e T.,Shreve s Chemical Process Industries, edisi kelima, Mc-G r a w H i l l B o o k C o m p a n y, 1 9 8 5. 2. A r f a n d y, M u n s i r, Teknik Penyediaan Air Bersih untuk Daerah Pedesaan Skala Prioritas Pemilihan Sumber Air, Makalah d a l a m P r o c e e d i n g K u r s u s P e n y e d i a a n A i r d i P e d e s a a n, B a n d u n g, 1 9 8 3. 3. C h e r e m i s i n o f f, P a u l N., Handbook of Water and Wastwater Treatment Technology, Marcel Decker Inc., New Yorl,1995. 4. D j a n n a h, P a t h u l, Pengaruh Panas Terhadap Ketahanan Zeolit Alam dan Pembuatan H- Zeolit dengan Larutan Amonium Asetat dan
Amonium Hidroksida, Skripsi TGP F T U I, 1 9 9 7. 5. Sundstrom, Donald W., et.al., Wastwater Treatment, Prentice Hall, Englewood Clifts,1979. 6. S u t a r t i, M u r s i e t. a l., Zeolit, Tinjauan Literatur, Pusat Dokumentasi dan Informasi L I P I, 1 9 9 4. 7. Y a n t i, E v i, Pengaruh Ukuran Zeolit dan Konsentrasi awal Amonia terhadap Adsorbsi Amonia secara Batch oleh Zeolit Alam Lampung, S e m i n a r T G P F T U I, 1 9 9 7 8. Y o e d i artini, Dessy, Studi Literatur Tentang Modifikasi dan Karakterisasi Zeolit Alam Lampung untuk Aplikasi Adsorben, Seminar T G P F T U I, 1 9 9 6. 9. E n c y c l o p e d i a o f C h e m i c a l T e c h n o l o g y