BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pencemaran logam berat sangat berbahaya bagi lingkungan. Banyak laporan yang memberikan fakta betapa berbahayanya pencemaran lingkungan terutama oleh logam berat pada kawasan perairan, baik akibat penggunaan airnya untuk konsumsi sehari-hari maupun ketika mengkonsumsi biota air tawar yang hidup di perairan tercemar tersebut (USDA NRCS, 2000). Kasus yang dilaporkan pertama kali di Jepang pada tahun 1953 yaitu timbulnya penyakit minamata yang menyebabkan para nelayan dan keluarganya terkena keracunan kronis akibat logam berat Metyl-Merkuri yang mencemari teluk Minamata dan mengakibatkan kematian. Biro lingkungan hidup Jepang mencatat terdapat 987 korban meninggal dan 2.900 penderita penyakit Minamata yang masih hidup. Sebagai konsekuensinya pemerintah Jepang memerlukan waktu 15 tahun untuk membersihkan dan mereklamasi perairan dari logam berat tersebut (Takizawa, 2001). Sejak kasus Minamata yang secara intensif dilaporkan, isu pencemaran logam berat meningkat sejalan dengan pengembangan berbagai penelitian yang mulai diarahkan pada berbagai aplikasi teknologi untuk menangani pencemaran lingkungan, khususnya pencemaran air yang disebabkan oleh logam berat. Setidaknya terdapat lebih dari 185 publikasi internasional yang diterbitkan antara tahun 1988 hingga 2010 yang mempelajari metode yang digunakan untuk mengatasi pencemaran logam berat pada limbah cair. Beberapa metode yang telah dikembangkan tersebut antara lain metode presipitasi kimia, adsorpsi, filtrasi membran, koagulasi-flokulasi, flotasi dan elektro kimia (Fengliang dan Wang, 2011). Salah satu metode yang efektif untuk mengatasi masalah pencemaran air oleh logam berat yang sudah sejak lama dikenal secara luas yaitu adsorpsi. Metode adsorpsi bergantung pada kemampuan permukaan adsorben untuk menarik molekul- 1
2 molekul gas, uap atau cairan. Oleh karena itu, secara prinsip metode adsorpsi dapat digunakan untuk mengatasi pencemaran air oleh logam berat (Moreno dkk., 2010). Berbagai jenis adsorben karbon aktif telah berhasil dikembangkan dan terbukti mampu mengadsorpsi ion logam berat antara lain zeolit dan karbon aktif hanya saja masih tergolong mahal dan sulit untuk diproduksi (Dhermendra dan Tiwari, 2008). Untuk itu, selama sepuluh tahun terakhir penelitian secara ekstensif diarahkan untuk mencari jenis adsorben yang relatif lebih murah dan mudah didapatkan. Peneliti di bidang lingkungan khususnya untuk menanggulangi pencemaran logam berat menaruh perhatian besar pada adsorben berbasis nanopartikel. Adsorben berbasis nanopartikel adalah adsorben yang memiliki partikel yang ukurannya lebih kecil dari 1 mikron dan berpotensi sekecil atom dengan panjang molekul sekitar 0,2 nm. Adsorben nanopartikel dapat berbentuk amorfus atau berbentuk kristal dan permukaannya dapat bertindak sebagai pembawa tetesan cairan atau gas (Buzeal dkk., 2007). Adsorben berbasis nanopartikel memiliki fungsionalisasi permukaan yang besar, yang mampu mengikat, menyerap dan membawa senyawa lain seperti obat, probe, protein dan senyawa lainnya. Reaktivitas permukaan berasal dari fenomena kuantum yang dapat menjadikan nanopartikel tidak terduga. Selain itu, permukaan adsorben berbasis nanopartikel dapat diubah tergantung pada kehadiran reaktan dan senyawa yang terserap (Abhilash, 2010). Salah satu adsorben nanopartikel yang menjadi fokus dalam menangani masalah pencemaran air oleh logam berat adalah nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 (magnetit). Magnetit dipilih karena memiliki sifat magnetik yang kuat sehingga proses pemisahan sedimen hasil adsorpsi dengan menggunakan adsorben nanopartikel magnetit lebih mudah dilakukan. Sifat magnetik adsorben Fe 3 O 4 sebagian besar dipengaruhi oleh morfologi, ukuran dan karakteristik fisika dari partikel tunggal, dan interaksi antarmuka. Untuk partikel dengan ukuran kurang dari 30 nm, Fe 3 O 4 menunjukkan sifat-sifat
3 superparamagnetik. Selain itu luas permukaan partikel yang besar juga menjadi salah satu keunggulan nanopartikel Fe 3 O 4 sehingga memiliki kapasitas besar untuk mengadsorpsi ion logam berat (Carlos dkk., 2013). Fe 3 O 4 juga memiliki beberapa kelemahan diantaranya sangat mudah teroksidasi dengan adanya oksigen bebas, mudah beragregasi, dan tidak stabil terhadap termal maupun asam. Hal ini juga mengakibatkan berkurangnya sifat kemagnetan yang dimiliki magnetit. Karena itu material perlu dimodifikasi dengan pelapisan agar substansi menjadi biokampatible, meningkatkan stabilitas termal, mekanik dan kimia, memperpanjang waktu pakai (lifetime), menghambat korosi serta dapat mengubah keseluruhan sifat fisiokimia dan biologis dari magnetit (Carlos dkk., 2013). Material yang sering digunakan untuk pelapisan Fe 3 O 4, salah satunya adalah silika (Larraza dkk., 2012). Silika yang melapisi permukaan magnetit dapat mengurangi tarikan dipolar antar magnetit dan melindungi magnetit dari leaching atau pelarutan dalam kondisi asam (Deng dkk., 2005). Selain itu magnetit yang telah dilapisi dengan silika memiliki sifat ferromagnetik yang lebih tinggi serta memiliki magnetic anisotropy yang lebih rendah (Lu dkk., 2007). Metode dalam sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 diantaranya adalah hidrolisis, mikroemulsi dan kopresipitasi. Metode ini merupakan salah satu metode sintesis senyawa anorganik yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama-sama ketika melewati titik jenuhnya. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode kopresipitasi karena metode kopresipitasi menggunakan suhu kamar dan mudah mengontrol ukuran partikel sehingga waktu yang dibutuhkan relatif lebih singkat (Fernandez, 2011). Sedangkan untuk karakterisasi nanopartikel magnetit menggunakan Transmission Electron Microscopy (TEM), X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infra Red (FTIR) dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Beberapa logam berat yang telah banyak diteliti antara lain logam Cr, Hg, As, Sb, Se, dan V dan sebagian besar fokus pada mekanisme (interaksi oksidasi-reduksi)
4 pada permukaan Fe 3 O 4 (Wang dkk., 2011). Sedangkan logam yang umum lainnya seperti Cu, Mn dan Ni sangat sedikit diteliti sehingga sangat sulit ditemukan diberbagai literatur. Logam Cu(II), Mn(II) dan Ni(II) termasuk logam trace essensial yang ditemukan mencemari lingkungan khususnya air akibat penggunaan pestisida atau dari limbah industri besi dan baja. Ketiganya merupakan jenis logam yang pada jumlah tertentu dibutuhkan oleh tubuh namun pada jumlah yang berlebihan logamlogam tersebut bersifat sangat toksik. Sifat toksik mungkin disebabkan dalam bentuk ion logam bebas Cu +2, Mn +2, dan Ni +2 membentuk senyawa kompleks dengan ligan pada permukaan membran sel makhluk hidup (Moreno dkk., 2010). Pada penelitian ini dilakukan studi adsorpsi logam Cu(II), Mn(II), dan Ni(II) menggunakan adsorben nanopartikel magnetit untuk melihat efektifitas penggunaan nanopartikel magnetit dalam mengadsorpsi ion logam tersebut dibawah pengaruh variasi suhu selama proses adsorpsi, konsentrasi adsorben magnetit, ukuran partikel adsorben magnetit, readsorpsi, reuse (penggunaan kembali adsorben) dan pengaruh pelapisan adsorben magnetit dengan silika (konsentrasi 50%). 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan pada latar belakang yang telah dipaparkan di atas, maka rumusan masalah dalam penelitian ini ialah sebagai berikut: 1. Bagaimanakah efektifitas penggunaan adsorben nanopartikel Fe 3 O 4 dalam mengadsorpsi logam Cu(II), Mn(II), dan Ni(II) dalam artificial limbah cair? 2. Bagaimanakah pengaruh variasi suhu, konsentrasi, ukuran partikel, readsorpsi, reuse dan pelapisan adsorben dengan silika (konsentrasi 50%) terhadap penurunan kadar logam Cu(II), Mn(II), dan Ni(II) dalam artificial limbah cair? 3. Bagaimanakah tingkat efektifitas penurunan kadar logam berat dalam limbah cair dengan metode adsorpsi?
5 1.3 Batasan Masalah Pembahasan dalam penelitian ini dibatasi hanya pada pengkajian penurunan kadar logam Cu(II), Mn(II), dan Ni(II) dalam artificial limbah cair di bawah pengaruh variasi suhu, konsentrasi adsorben, ukuran partikel, readsorpsi, reuse dan pelapisan adsorben dengan silika (konsentrasi 50%). 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini ialah : 1. Menghitung penurunan kadar logam Cu(II), Mn(II), dan Ni(II) dalam artificial limbah cair yang diadsorpsi dengan menggunakan adsorben nanopartikel Fe 3 O 4. 2. Mempelajari pengaruh variasi suhu adsorpsi, konsentrasi adsorben, ukuran partikel adsorben, readsorpsi, reuse dan pelapisan adsorben dengan silika (konsentrasi 50%) terhadap penurunan kadar logam Cu(II), Mn(II), dan Ni(II) dalam artificial limbah cair. 3. Mengukur tingkat efektifitas penurunan kadar logam berat dengan metode adsorpsi. 1.5 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi terkait kemampuan nanopartikel Fe 3 O 4 sebagai adsorben dalam menyerap dan menurunkan kadar logam Cu(II), Mn(II), dan Ni(II) yang terlarut dalam limbah cair. Sehingga hasil tersebut dapat digunakan sebagai salah satu solusi alternatif untuk menanggulangi pencemaran limbah cair oleh logam berat dan dijadikan acuan bagi penelitian selanjutnya dalam mengembangkan nanopartikel Fe 3 O 4 sebagai adsorben magnetik untuk mengadsorpsi jenis ion logam berat lainnya yang belum pernah diteliti sebelumnya.
6 1.6 Sistematika Penulisan Tesis ini ditulis dengan sistematika sebagai berikut : 1. Bab I menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai penggunaan nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 sebagai adsorben untuk menyerap logam Cu(II), Mn(II), dan Ni(II), rumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. 2. Bab II berisikan tinjauan pustaka yang menjelaskan berbagai penelitian terdahulu mengenai metode adsorpsi, Fe 3 O 4 dan aplikasinya sebagai adsorben dalam mengatasi permasalahan pencemaran air oleh logam berat. 3. Bab III menjelaskan teori dasar mengenai terminologi magnetik, jenis-jenis magnetik, domain magnetik, metode kopresipitasi, nanopartikel magnetik Fe 3 O 4, teknik karakterisasi nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 dengan XRD, TEM, FTIR dan VSM, adsorben magnetik, pelapisan Fe 3 O 4 dengan silika, metode adsorpsi, logam berat, logam tembaga, logam mangan dan logam nikel serta perhitungan prosentase penurunan kadar logam dalam limbah cair. 4. Bab IV menjelaskan alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian, prosedur penelitian, dan teknik pengolahan data. 5. Bab V memuat pembahasan hasil penelitian yang telah dilakukan. 6. Bab VI menunjukkan kesimpulan dari hasil eksperimen dan saran untuk penelitian dimasa mendatang. Daftar pustaka mencantumkan seluruh pustaka yang diacu dan lampiran berisi data data yang diperoleh dalam penelitian, dokumentasi dan publikasi yang disajikan dalam jurnal nasional maupun jurnal internasional.