5 Bab II Tinjauan Pustaka II.1 Air Gambut II.1.1 Karakteristik Air Gambut Air gambut adalah air permukaan yang banyak terdapat di daerah berawa atau dataran rendah terutama di Sumatera dan Kalimantan, yang mempunyai ciri-ciri sebagai berikut 1 : Intensitas warna yang tinggi (berwarna coklat kemerahan) ph yang rendah Kandungan zat organik yang tinggi Kekeruhan dan kandungan partikel tersuspensi yang rendah Kandungan kation yang rendah. Warna coklat kemerahan pada air gambut merupakan akibat dari tingginya kandungan zat organik (bahan humus) terlarut terutama dalam bentuk asam humus dan turunannya. Asam humus tersebut berasal dari dekomposisi bahan organik seperti daun, pohon atau kayu dengan berbagai tingkat dekomposisi 1. Berdasarkan kelarutannya dalam alkali dan asam, asam humus dibagi dalam tiga fraksi utama 16 : Asam humat Bersifat larut dalam larutan alkali tetapi tidak larut pada ph < 2 (terjadi presipitasi). Asam humat ini bersifat heterogen yang memiliki komponen aromatik dan alifatik serta mengandung tiga gugus fungsi yaitu karboksil (-COOH), alkohol fenolik (-OH), dan metoksi karbonil (C=O) Asam fulvat Bersifat larut baik pada kondisi asam maupun basa dan memiliki berat molekul yang lebih kecil Humin Tidak dapat diekstrak oleh asam maupun basa.
6 Residu organik Debris Humus Senyawa non-humat Senyawa humat Polimer berwarna Asam fulvat Asam humat Asam krenat Asam apokrenat Asam humat coklat Asam humat abu-abu Gambar II. 1 Klasifikasi dan sifat kimia kelompok senyawa humat (Stevenson dan Elliot 1989) 16.
7 Senyawa organik tanah Organisme hidup Bahan organik tanah Pengendapan dalam alkali Fragmen humus yang larut dalam alkali Residu tidak larut HUMIN Pengendapan dalam asam Residu tidak larut ASAM HUMAT Bagian dapat larut ASAM FULVAT Gambar II. 2 Skema pembagian senyawa humus berdasarkan kelarutannya 17. Struktur ketiga jenis fraksi asam humus ini hampir sama satu dengan lainnya, hanya berbeda berat molekul dan kandungan gugus fungsionalnya. Asam fulvat memiliki berat molekul lebih rendah daripada asam humus dan fraksi humin. Asam humus merupakan senyawa organik yang sangat kompleks, yang secara umum memiliki ikatan aromatik yang panjang dan nonbiodegradable yang merupakan hasil oksidasi dari senyawa lignin (gugus fenolik) 5.
8 Gambar II. 3 Model struktur asam humat berdasarkan Stevenson (1982); R dapat berupa alkil, aril, atau aralkil 17. Gambar II. 4 Model struktur asam fulvat berdasarkan Buffle et al. (1977) 17. Dalam berbagai kasus, intensitas warna akan semakin tinggi karena adanya logam besi yang terikat oleh asam-asam organik yang terlarut pada air tersebut. Kelima ciri yang telah disebutkan di atas ternyata mempunyai hubungan satu dengan lainnya. ph yang rendah juga disebabkan oleh kandungan kation yang rendah, kehadiran zat organik dalam bentuk asam, dan sedikitnya kation dan partikel tersuspensi. Hal ini yang menyebabkan kurangnya proses koagulasi secara alami. Karakteristik air gambut bersifat spesifik, tergantung pada lokasi ataupun dari segi vegetasi, jenis tanah dimana air gambut itu berada, ketebalan gambut, usia gambut, dan cuaca 1. Kualitas air gambut di beberapa lokasi di Kalimantan dan Sumatera dirangkum pada Tabel II.1 1 :
9 Tabel II. 1 Kualitas air gambut dari beberapa lokasi di Kalimantan dan Sumatera. No. Parameter Satuan Air Gambut Syarat Air Kalsel Kalbar Kalteng Sumsel Riau Minum 1. Warna Pt-Co 753 527 725 1315 1125 15 2. Zat Organik mg/l KMnO4 278,8 193,7 172,4 290 243,4 10 3. ph - 4,1 3,94 3,62 6,01 4 6,5-8,5 4. DHL µs/cm - 30 50 760 75-5. Kekeruhan mg/l SiO2 32 0 0,5 5 9 5 6. Besi mg/l negatif negatif negatif negatif 0 0,3 7. Mangan mg/l negatif negatif negatif - 0 0,1 8. Kesadahan - 2,05 0,48-5,51 1,44 500 9. Kalsium mg/l negatif negatif - 4,54 0 200 10. Magnesium mg/l 8,83 2,06-20,9 6,19 150 II.1.2 Prospek Pengolahan Karakteristik air gambut relatif kurang menguntungkan untuk penyediaan air minum. Kondisi yang kurang menguntungkan dari segi kesehatan adalah sebagai berikut 4 : Kadar keasaman (ph) yang rendah dapat menyebabkan kerusakan gigi dan sakit perut Kandungan organik yang tinggi dapat menjadi sumber makanan bagi mikroorganisme dalam air, sehingga dapat menimbulkan bau apabila bahan organik tersebut terurai secara biologi Apabila pada pengolahan air gambut tersebut digunakan klor sebagai desinfektan, akan terbentuk trihalometan (THM) seperti senyawa organoklor yang dapat bersifat karsinogenik Ikatannya yang kuat dengan logam (besi dan mangan) menyebabkan kandungan logam dalam air tinggi dan dapat menimbulkan kematian jika dikonsumsi secara terus-menerus.
10 II.1.3 Alternatif Proses Pengolahan Air Gambut Berdasarkan pada pengetahuan terhadap penyebab dan kandungan warna pada air dan sifat-sifatnya, maka proses dan metode pengolahan yang dapat diterapkan untuk mengolah jenis air berwarna alami adalah 1 : Proses oksidasi Proses adsorpsi Flokulasi koagulasi Proses pemisahan dengan filtrasi membran. Ozon dan peroksida dikenal sebagai oksidator kuat yang dapat digunakan dalam pengolahan air karena tidak menghasilkan senyawa berbahaya. Apabila oksidasinya sempurna akan menghasilkan CO 2 dan H 2 O. Namun pada aplikasinya biaya operasi relatif mahal dan perlu digunakan unit peralatan penghasil ozon 1. Pengolahan air gambut juga dapat dilakukan melalui proses adsorpsi. Adsorpsi merupakan fenomena fisika dimana molekul-molekul bahan yang diadsorpsi tertarik pada permukaan bidang padat yang bertindak sebagai adsorben. Ditinjau dari segi derajat adsorpsi pada suatu jenis adsorben pada umumnya mengikuti aturan berikut 1 : Adsorpsi berlangsung sedikit terhadap semua senyawa organik, kecuali senyawa berhalogen Adsorpsi berlangsung baik terhadap semua senyawa berhalogen dan senyawa alifatik Adsorpsi berlangsung sangat baik terhadap semua senyawa aromatik. Makin banyak kandungan inti benzennya semakin baik adsorpsinya. Berdasarkan kriteria tersebut maka pengolahan air berwarna (air gambut) dapat dilakukan dengan proses adsorpsi, karena asam humus mempunyai senyawa gugus aromatik.
11 II.2 Cangkang Telur Cangkang telur adalah bagian luar dari telur yang sering disebut sebagai kulit telur. Terdapat tiga fungsi dasar cangkang telur, yaitu: (a) melindungi bagian dalam telur dari lingkungan fisik dan mikroba; (b) mengontrol pertukaran air dan udara melalui pori-pori selama pertumbuhan embrio; dan (c) menyuplai (sebagai cadangan) kalsium untuk pertumbuhan embrio pada saat persediaan kalsium di kuning telur habis 18. Untuk kepentingan di atas, maka cangkang telur harus berupa material keramik berpori yang semaksimal mungkin bisa tembus cahaya dan memiliki keseimbangan antara kekuatan untuk perlindungan dari lingkungan (termasuk predator) dengan kemudahan bagi embrio untuk memecah cangkang agar bisa keluar. Berdasarkan strukturnya, cangkang telur terdiri dari bagian cangkang yang terkalsinasi dan membran yang terdiri dari membran dalam dan membran luar 7. Membran dalam dengan ketebalan sekitar 20 µm langsung berhubungan dengan albumen. Membran luar dengan ketebalan sekitar 50µm terletak antara membran dalam dan cangkang yang terkalsinasi. Kedua membran ini terbuat dari serat organik 8. Secara umum, struktur cangkang telur pada dasarnya sama untuk semua jenis burung (avian) 18.
12 GambarII.5 Foto SEM (Scanning Electron Micrographs) cangkang telur; (a) potongan melintang cangkang telur memperlihatkan membran cangkang, lapisan kerucut, lapisan palisade, dan kutikula; (b) membran cangkang dalam memperlihatkan jaringan serat; (c) potongan melintang pada lapisan kerucut memperlihatkan penempatan serat ke dalam ujung kerucut; (d) lapisan kristal vertikal pada bagian paling atas dari lapisan palisade dan kutikula yang menutupi cangkang termineralisasi 8. Cangkang telur terbuat dari matriks organik (3,5%), terdiri dari membran cangkang dan beberapa konstituen yang melekat di lapisan kalsium karbonat (95%) dalam bentuk kalsit 8. Senyawa organik yang terdapat pada cangkang telur masih terus diteliti. Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan, diketahui bahwa cangkang telur mengandung karbohidrat yaitu glycosaminoglycans (termasuk asam uronat dan chondroitin sulfat) 7,19, asam sialat 7, dan galactosaminoglycans 20. Tabel II.2 dan II.3 menyajikan komposisi cangkang telur dari beberapa penelitian:
13 Tabel II. 2 Analisis cangkang telur dekalsinasi dan membran cangkang 7. Senyawa Organik Cangkang Telur Dekalsinasi Membran Cangkang Dalam Membran Cangkang Luar Asam Uronat 6.34 ± 0.20 1.30 ± 0.10 1.15 ± 0.18 Asam Sialat 4.83 ± 0.56 1.70 ± 0.07 0.48 ± 0.04 Nitrogen 127.1 ± 6.9 150.4 ± 2.4 149.8 ± 1.4 Tabel II. 3 Komposisi asam amino cangkang telur dekalsinasi dan membran cangkang 7. Asam Amino Cangkang Telur Dekalsinasi Membran Cangkang Dalam Membran Cangkang Luar Asx 8.1 ± 0.1 8.4 ± 0.4 8.8 ± 0.1 Thr 6.2 ± 0.1 6.9 ± 0.0 6.9 ± 0.2 Ser 9.7 ± 0.1 9.2 ± 0.2 9.2 ± 0.0 Glx 11.8 ± 0.2 11.1 ± 0.4 11.9 ± 0.3 Gly 13.0 ± 0.3 11.1 ± 0.2 10.6 ± 0.2 Ala 6.9 ± 0.4 4.6 ± 0.2 4.1 ± 0.2 Val 7.3 ± 0.1 7.2 ± 0.2 7.9 ± 0.1 Met 2.0 ± 0.2 2.3 ± 1.0 2.3 ± 1.0 Ile 2.6 ± 0.1 3.3 ± 0.4 3.4 ± 0.1 Leu 6.1 ± 0.2 5.6 ± 0.5 4.8 ± 0.2 Tyr 1.8 ± 0.1 2.2 ± 0.1 1.7 ± 0.3 Phe 2.1 ± 0.1 1.6 ± 0.1 1.5 ± 0.1 His 4.2 ± 0.1 4.1 ± 0.4 4.3 ± 0.4 Lys 3.6 ± 0.1 3.6 ± 0.2 3.4 ± 0.2 Arg 5.9 ± 0.1 5.7 ± 0.3 5.8 ± 0.2 Pro 8.3 ± 0.5 11.6 ± 0.7 12.0 ± 0.9 Hyp 0.3 ± 0.1 1.5 ± 0.3 1.4 ±.0.4
14 Semua cangkang telur burung (avian) mangandung komponen mineral kalsium karbonat (CaCO 3 ) yang dikenal sebagai kalsit dan stabil pada suhu kamar 18. Komposisi mineral pada cangkang telur ditunjukkan dalam Tabel II.4 12 : Tabel II. 4 Komposisi mineral cangkang telur. Komponen % berat CaCO 3 96,48 S 3,59 Mg 0.440 P 0.469 Sr 0.0734 II.3 Adsorpsi Adsorpsi pada permukaan padat dapat diklasifikasikan ke dalam dua bagian 21, yaitu: Kemisorpsi Adsorpsi melalui pembentukan ikatan kimia antara molekul substrat dengan permukaan padat Fisisorpsi Adsorpsi dengan pembentukan gaya yang mirip dengan gaya van der Waals yang relatif lemah. Fenomena adsorpsi ini dapat dijelaskan oleh persamaan (isoterm) sebagai suatu fungsi yang berhubungan dengan jumlah adsorbat dan adsorben terhadap tekanan atau konsentrasi. Isoterm Freundlich menghubungkan massa adsorben dengan berat material yang diadsorpsi melalui persamaan (II.1 ) berikut 12, 22 : x 1 / n = K f C e (II.1) m
15 Keterangan: x/m = jumlah warna terserap per massa partikel C e = konsentrasi warna sampel pada kesetimbangan N, K f = konstanta Freundlich Dalam bentuk eksponensialnya, persamaan (II.1) di atas dapat diubah menjadi persamaan (II.2) sebagai berikut 12, 22 : x 1 log = logc e + log K f... (II.2) m n Bentuk isoterm adsorpsi yang lain adalah isoterm Langmuir yang bisa digunakan untuk hampir semua jenis kemisorpsi. Bentuk persamaan garis lurusnya dapat dilihat pada persamaan (II.3) yaitu 22 : x m 1 1 = + (II.3) abc b e dimana, x/m = jumlah warna terserap per massa partikel C e = konsentrasi warna sampel pada kesetimbagan X m, b = konstanta Langmuir Melalui isoterm Langmuir dapat ditentukan nilai parameter kesetimbangan (R L ) seperti terlihat pada persamaan (II.4) berikut ini 22 : R L 1 = 1 + ac o (II.4) Nilai R L berfungsi untuk menentukan sifat dari proses adsorpsi. Berikut ini merupakan kriteria proses adsorpsi berdasarkan nilai R 22 L :
16 Tabel II. 5 Sifat proses adsorpsi berdasarkan nilai R L. Nilai R L Sifat Proses R L > 1 Tidak disukai (unfavourable) R L = 1 Linier 0 < R L < 1 Disukai (favourable) R L = 0 Irreversibel II.4 Spektrofotometri Sinar Tampak Konsentrasi suatu larutan A berwarna dapat diketahui dengan membandingkan warna larutan tersebut dengan larutan A yang diketahui konsentrasinya. Metode pembandingan warna ini dikenal dengan kolorimetri 23. Salah satu metode kolorimetri yang dikenal saat ini adalah metode spektrofotometeri. Prinsip metode ini adalah pengurangan intensitas sinar sebelum dan sesudah melewati sampel pada suatu alat spektrofotometer. Beer dan Lambert mengkaji efek konsentrasi penyusun warna dalam larutan terhadap transmisi maupun absorpsi cahaya, yaitu intensitas berkas cahaya monokromatik berkurang secara eksponensial dengan bertambahnya konsentrasi zat penyerap secara linier. Bentuk persamaan yang umum untuk pernyataan tersebut dapat dilihat pada persamaan II.5 berikut 23 : I 1 A = ε cl = log 0 = log = logt II.5 I T t Penentuan konsentrasi warna air gambut dapat ditentukan berdasarkan standar warna Pt-Co pada panjang gelombang maksimumnya.
17 II.5 Problem-Based Learning Problem-Based Learning (PBL) adalah suatu metode pengajaran yang banyak diterapkan pada bidang sains. Pada awal kemunculannya PBL merupakan kurikulum yang diterapkan di sekolah-sekolah medis. PBL pertama kali diterapkan pada tahun 1969 di sekolah medis Universitas McMaster dalam kurikulumnya. Awal tahun 1980 kurikulum ini mulai diadopsi oleh sekolah-sekolah medis lainnya 24. Kurikulum ini mulai mengalami banyak penyesuaian dan diterapkan di lebih dari 60 sekolah medis. Selanjutnya model ini diadopsi secara besar-besaran oleh bidang lain seperti sekolah bisnis, sekolah pendidikan, arsitektur, hukum, teknik, kerja sosial, dan sekolah menengah 25. PBL menggunakan masalah dunia nyata yang kompleks sebagai suatu stimulus dan kerangka belajar. Hal ini didasari oleh pemikiran bahwa siswa akan termotivasi untuk ingin tahu dan memecahkan suatu masalah karena masalah tersebut terdapat pada konteks situasi dunia nyata. Pada saat siswa ikut serta dalam memecahkan suatu masalah, mereka sekaligus membangun pemikiran yang kritis dan melatih keahlian, dimana kedua hal ini (mempelajari materi dan keahlian) sama-sama dibutuhkan 24. Menurut Preetha Ram 26, jika kita memberikan siswa suatu tantangan yang membutuhkan peran serta siswa, mereka akan belajar untuk memecahkan permasalahan tersebut dan juga akan memperoleh sendiri pengetahuan yang lengkap dalam pemecahan masalah itu. Pembelajaran yang mereka peroleh akan lebih dalam dan lebih berarti serta akan lebih lama diingat. Hal ini karena pengetahuan tersebut mereka peroleh dengan cara mengonsepkannya sendiri, menghubungkan antara konteks, dan sebagai reaksi akan suatu kebutuhan. Pada kelas PBL disusun suatu aktivitas penelitian untuk memecahkan suatu masalah bersama-sama yang menjamin konteks dalam belajar dan menemukan. Tanggung jawab belajar dalam hal ini terletak pada siswa, bukan pada guru. Guru hanya bertindak sebagai fasilitator 26.
18 Hal-hal berikut perlu diperhatikan untuk menjadikan PBL suatu pembelajaran yang efektif 24 : 1. Pembelajaran berpusat pada siswa Siswa didorong untuk menjadi partisipan yang aktif pada proses kerja dan bertanggung jawab tidak hanya pada diri sendiri, tetapi juga pada kelompok. 2. Pembelajaran berlangsung dalam lingkungan kerja sama Siswa belajar dalam kelompok yang terdiri dari 5 10 orang dan membangun kerja sama tim untuk menyelesaikan masalah bersama. 3. Guru berperan sebagai fasilitator (disebut tutor) Guru tidak memberikan materi pelajaran, tetapi hanya membimbing dalam proses pemeriksaan, penelitian, analisis, dan pelaporan. 4. Masalah yang diajukan dapat dijadikan stimulus dalam proses pembelajaran dan sarana untuk membangun keahlian dalam memecahkan masalah. Permasalahan tidak hanya memiliki satu jawaban benar, siswa belajar untuk mencoba memecahkan masalah yang diajukan. Dalam mendesain masalah pada PBL terdapat beberapa hal yang harus diperhatikan 26 : 1. Masalah harus berdasarkan situasi dunia nyata 2. Masalah dapat menimbulkan hipotesis yang bervariasi 3. Masalah dapat melatih keahlian dalam memecahkannya dan menghasilkan pemikiran yang kreatif 4. Dapat menghasilkan pengetahuan dan keahlian yang objektif 5. Dapat berintegrasi dan berisi lebih dari satu disiplin ilmu. Pada pelaksanaannya terdapat 5 tahap dalam proses PBL, yaitu 26 : 1. Tahap Perkenalan Pada tahap ini siswa dikenalkan dengan suatu permasalahan yang sesuai dengan tingkatannya.
19 2. Tahap pemeriksaan Pada tahap ini fasilitator membimbing proses pemeriksaan sehingga siswa memperoleh data tentang permasalahan yang diajukan, juga dalam mencari informasi tambahan yang berguna dan menulis topik yang akan dikerjakan. Fasilitator mendemonstrasikan cara memecahkan masalah hingga langkah-langkah kerja. Informasi-informasi yang diperoleh dari diskusi selama proses dijadikan acuan untuk mengajukan suatu hipotesis. 3. Tahap membangun hipotesis Dari beberapa hipotesis yang diajukan siswa memutuskan hipotesis mana yang akan dipakai. 4. Tahap belajar mandiri Setelah memutuskan hipotesis dan permasalahan yang akan dipecahkan, siswa mencari informasi dari sumber-sumber yang berbeda (dengan sedikit bimbingan). 5. Tahap evaluasi mandiri. Selama tahap ini, siswa diminta untuk mengevaluasi kerjanya dan kerja timnya melalui diskusi kelompok. Selama pelaksanaan tahap-tahap di atas, tutor harus selalu mendengarkan, mengawasi diskusi kelompok dan menilai tingkat pemahaman mereka, dan menjadi penengah yang tepat pada saat mereka menerapkan pengetahuannya. Secara umum ciri-ciri PBL menurut Tan sebagai berikut 27 : 1. Ada masalah yang dijadikan titik awal pembelajaran 2. Masalah harus merupakan masalah dunia nyata dan tidak terstruktur 3. Masalah dapat menimbulkan bermacam pendapat dan dapat diterapkan pada pengetahuan interdisiplin 4. Masalah menantang siswa untuk mengidentifikasian kebutuhan pembelajarannya dan merupakan hal baru 5. Pembelajaran mandiri adalah yang utama dan siswa harus menerima tanggung jawab besar untuk mencari informasi dan pengetahuan
20 6. Memanfaatkan, menggunakan dan mengevaluasi sumber informasi dan pengetahuan yang esensial 7. Pembelajaran dilakukan dalam bentuk kerja sama, komunikasi dan gotong royong. Siswa bekerja dalam kelompok kecil dengan tingkat interaksi yang tinggi pada setiap bahasan, pembelajaran, dan presentasi 8. Penyelidikan dan keahlian memecahkan masalah harus dibangun. Tutor memfasilitasi dan melatih dengan cara mengajukan pertanyaan melatih kesadaran 9. Akhir dari PBL terdiri dari sintesis dan integrasi pembelajaran 10. PBL diakhiri dengan evaluasi dan review pengalaman dan proses belajar. Untuk menjadikan kerja memecahkan masalah lebih terstruktur, dapat digunakan tabel yang dikenal dengan tabel KND (Know, Need, Do). Pengisian tabel KND akan lebih mengarahkan siswa agar pekerjaan dapat diorganisasikan dengan baik, juga sangat membantu dalam penulisan laporan. Tabel II.6 memberikan contoh tabel KND 28 : Tabel II. 6 Tabel KND (Know, Need, Do) What do we know? Baca dan identifikasi informasi yang relevan (dokumen). Ingat kembali pengetahuan sebelumnya yang relevan untuk situsasi ini. What do we need to know? Gali pertanyaan dan informasi yang dibutuhkan untuk memperoleh pandangan yang jelas tentang permasalahan. Kelompokkan dan buat prioritas pada informasi yang dibutuhkan. What do we need to do? Identifikasi informasi mana yang butuh diverifikasi. Diskusikan teori atau ide lain yang muncul di kelompok.