BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Logam Berat Istilah "logam berat" didefinisikan secara umum bagi logam yang memiliki berat spesifik lebih dari 5g/cm 3. Logam berat dimasukkan dalam kategori pencemar lingkungan karena pengaruh dari racunnya terhadap tanaman, manusia dan makanan. Beberapa logam berat yaitu arsen (As), kadmium (Cd), timbal (Pb), merkuri (Hg) merupakan racun yang berakumulasi. Logam berat ini menumpuk dan tidak dapat dimetabolisme menjadi senyawa antara dan tidak mudah diuraikan dilingkungan. Logam ini terakumulasi dalam rantai makanan melalui penyerapan di tingkat produsen primer dan melalui konsumsi di tingkat konsumen. Logam memasuki tubuh manusia baik melalui pernafasan atau suntikan [8]. Polutan adalah zat yang terdapat pada lingkungan yang menyebabkan efek buruk, merusak kesejahteraan lingkungan, mengurangi kualitas hidup dan pada akhirnya dapat menyebabkan kematian. Suatu zat yang berada di lingkungan melebihi batas aturan atau toleransi, yang mana merupakan batas yang diinginkan atau diterima. Tabel-1 menyajikan batas-batas logam berat yang menjadi beracun bila berlebihan di lingkungan. Pencemaran lingkungan adalah kehadiran polutan dalam lingkungan; udara, air dan tanah, yang mungkin beracun atau beracun dan akan membahayakan makhluk hidup di lingkungan yang terkena polusi [2]. Logam berat dapat diklasifikasikan menjadi empat kelompok berdasarkan kegunaannya bagi kesehatan, yaitu [8]: Esensial : Cu, Zn, Co, Cr, Mn dan Fe, logam ini juga disebut mikronutrien (zat yang diperlukan tubuh tetapi dalam jumlah yang sangat kecil) dan beracun jika diminum melebihi persyaratan. Non esensial : Ba dan Zr. Rendah racun : Sn dan Al. Sangat beracun : Hg, Pb dan Cd. 7
Tabel 2.1 Ambang Batas Racun Yang Ditoleransi / Asupan Aman Logam Berat Logam Asupan yang Disarankan / Asupan Batas Beracun Berat Aman Arsen 3 mg/hari selama 2-3 minggu 15-25 μg/hari (dewasa) Kadmium 200 μg/kg berat basah 15-50 μg/hari dewasa, 2-25 μg/hari anak Timbal >= 500 μg/l (Darah) 20-280 μg/hari dewasa, 10-275 μg/hari anak Seng 150 μg/hari 15 μg/hari [8] 2.2 Logam Kadmium (Cd) Kadmium murni merupakan logam lembut berwarna perak keputih-putihan. Ciri-ciri fisik dari kadmium adalah nomor atom 48, atom berat 112.411, elektronegatif 1.5 kristal ionik radius (kepala negara valence) 0,97, potensi ionisasi 8.993, pada keadaan oksidasi +2, elektron konfigurasi Kr 4d1 5S2, densitas 8,64 g/cm3, titik leleh 320.9 C dan titik didih 765 C pada 100 kpa. Biasanya ditemukan dalam bentuk mineral yang dikombinasikan dengan unsur-unsur lain seperti oksigen (kadmium oksida), klorin (kadmium klorida) atau belerang (kadmium sulfat, kadmium sulfida). Kadmium dapat bersifat racun hampir ke setiap sistem tubuh hewan. Zat ini hampir tidak ditemukan dalam tubuh manusia sejak lahir, namun terakumulasi dengan bertambahnya usia. Rata-rata 30 mg kadmium terakumulasi dalam tubuh laki-laki pada usia 50 tahun. Makanan olahan, makanan yang berasal dari perairan, pipa air, kopi, teh, pembakaran batubara dan rokok merupakan sumber Cd yang utama. Cd berkisar antara 40-50 μg / hari. Kadmium terakumulasi dalam ginjal dan hati dalam waktu yang lama. Hal ini berhubungan dengan jumlah mineral terutama Zn, Fe, Cu dan Se karena persamaan kimianya dan persaingan untuk mengikat unsur. Juga dinyatakan bahwa Cd dapat mempengaruhi Ca, P dan metabolisme tulang dalam industri apapun dan orang yang terkena kepada Cd pada lingkungan secara umum [8]. 8
2.3 Adsorpsi Adsorpsi adalah proses di mana suatu zat (adsorbat), dalam fasa gas ataupun cair, terakumulasi pada permukaan padat. Ada dua jenis adsorpsi, yaitu: Adsorpsi Fisik Adsorpsi fisik diperoleh dari gaya Van der Waals, interaksi dipol, dan pengikatan hidrogen. Tidak ada pertukaran elektron antara adsorben dan adsorbat. Karena tidak ada energi aktivasi yang diperlukan untuk adsorpsi fisik, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keseimbangan sangat singkat. Adsorpsi fisik merupakan proses non-spesifik dan reversibel. Adsorpsi Kimia Adsorpsi kimia merupakan ikatan kimia antara adsorben dan molekul adsorbat, sehingga spesifik serta tidak dapat diubah dan kimia serta sifat elektronik adsorben berubah. Ikatan antara adsorben dan adsorbat oleh ikatan kovalen disebut adsorpsi kimia lemah, sebaliknya ikatan ion disebut adsorpsi kimia kuat. [9]. Adsorpsi merupakan bagian terpenting dari pembagian yang luas dari fisik, biologi, dan operasi dan proses kimia di bidang lingkungan hidup. Pemurnian gas dengan adsorpsi telah memainkan peran utama dalam pengendalian pencemaran udara, dan adsorpsi kotoran terlarut dari larutan telah banyak digunakan untuk pemurnian air. Adsorpsi sekarang dipandang sebagai metode yang superior untuk pengolahan air limbah dan pembaharuan air [10]. Aplikasi adsorpsi untuk pengolahan kimia. pengendalian pencemaran udara. dan pengolahan air sudah dikenal; aplikasi dalam pengolahan air limbah dan pengendalian pencemaran air pada umumnya tidak diketahui, ataupun dipahami. Proses ini telah dibuktikan secara luas, efektif untuk menghapus zat organik terlarut dari air limbah, tetapi seharusnya tidak dipandang sebagai pengolahan limbah yang utama, ataupun penerapannya dilakukan dengan cara empiris [10]. 9
2.4. Mekanisme Adsorpsi Proses adsorpsi molekul adsorbat dari fasa cair ke permukaan adsorben melibatkan tahapan sebagai berikut: Transfer massa molekul adsorbat ke seluruh lapisan batas eksternal dari partikel padat. Transportasi molekul adsorbat dari permukaan partikel ke dalam bagian aktif dengan difusi dalam pori berisi cairan dan berpindah keseluruh permukaan padat dari pori-pori. Adsorpsi molekul terlarut pada bagian aktif pada permukaan bagian dalam dari pori-pori. Setelah molekul terserap, dapat berpindah ke permukaan pori melalui difusi permukaan. [9]. 2.5 Pasir Partikel pasir dibentuk dari pecahan kristal magma beku dan batuan metamorf atau dari batu pasir yang sudah ada. Berdasarkan kandungan mineralnya, pasir umumnya terdiri dari kuarsa, Feldspar, Mika dan kapur (kalsit, dolomit dll). Klasifikasi dari mineral partikel dapat disebut pasir berdasarkan ukurannya. Menurut skema klasifikasi United States Department of Agriculture (USDA), partikel pasir berada pada rentang diameter antara 0,05-2.0 mm. Dengan demikian, bahan mineral yang disebut pasir dapat bervariasi tergantung pada skema klasifikasi yang digunakan [11]. Juga ada, subkategori partikel pasir terutama untuk skema USDA, yaitu pasir sangat halus berkisar 0,05-0,1 mm, pasir halus berkisar dari 0,1-0.25 mm, pasir sedang (medium) berkisar 0.25-0.5 mm, pasir kasar berkisar dari 0,5-1,0 mm, dan pasir sangat kasar berkisar 1.0-2,0 mm [11]. 10
Gambar 2.1 Pasir Hitam Untuk memahami tentang tren adsorpsi logam dengan menggunakan pasir, pertimbangan hubungan antara jenis ion logam yang akan diserap dengan silika dan feldspar (komponen pasir) akan sangat membantu. Silika (SiO2) memiliki struktur yang terdiri dari tiga rangkaian dimensi tetrahedron yang tidak terbatas. Setiap atom silikon membentuk empat ikatan tunggal dengan empat atom oksigen yang terletak di empat penjuru tetrahedron [12]. Permukaan kelompok fungsional dari silikat memainkan peran penting dalam proses adsorpsi. Pada bagian ini atom oksigen terikat pada lapisan silika tetrahedral dan kelompok hidroksil berkaitan pada tepi tiap unit dari struktur silikat. Kelompok fungsional ini mendukung bagian permukaan untuk melakukan adsorpsi kimia terhadap logam transisi dan logam berat. Permukaan kelompok fungsional ini dapat direpresentasikan sebagai berikut[12]: Dimana S merupakan atom pusat (Si atau Al) pada penyerapan yang dilakukan oleh permukaan silikat [12]. Permukaan kelompok hidroksil berdisosiasi dalam air yang mana akan melepaskan satu atom H sehingga bermuatan negatif dan berfungsi sebagai basa Lewis terhadap kation logam (M n+ ). Seperti bagian terdeprotonasinya (satu atau mungkin dua) yang membentuk senyawa kompleks dengan ion logam berat sebagai berikut [12]: 11
Jika satu kation logam M n+ berikatan dengan satu gugus SiO3 - maka muatan senyawa kompleks menjadi (n+) + (-1) = (n+) 1= (n-1)+, tanda muatan ditentukan oleh jumah muatan yg paling besar. Dengan cara yang sama bila satu kation logam M n+ berikatan dengan 2SiO3 -, maka untuk senyawa kompleksnya menjadi (n+) + (-2) = (n+) 2 = (n-2)+ [12]. 2.6 Kinetika Adsorpsi Jumlah adsorbat yang diserap dalam mg/g pada waktu t dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: q t = (C o+c t )V m Dimana Co dan Ct masing-masing adalah konsentrasi adsorbat mula-mula dan pada waktu t tertentu dalam mg/l. V adalah volume larutan adsorbat dalam ml dan m adalah massa adsorben dalam mg [6]. [6] 2.7 Atomic Adsorption Spectrofotometry (AAS) Atomic Adsorption Spectrofotometry (AAS), merupakan metode yang digunakan untuk menentukan konsentrasi suatu sampel dengan cara mengukur daya penyerapan radiasi pada uap atom yang dihasilkan dari sampel pada panjang gelombang yang spesifik dan karakteristik dari elemen dalam proses pertimbangan [13]. Ada tiga komponen dasar untuk setiap AAS [14]: 1. Sumber cahaya - Hal ini dirancang untuk memancarkan spektrum atom dari elemen tertentu. Lampu tertentu dipilih sesuai dengan elemen yang akan ditentukan. Lampu katoda berongga atau lampu tidak berelektoda yang biasanya banyak digunakan. 2. Sampel sel - Dimana uap sampel atom dihasilkan dalam berkas cahaya dari sumber. Hal ini biasanya dilakukan dengan menambahkan sampel ke dalam 12
sistem pembakaran (api AAS) atau tungku pemanas elektrik atau platform, selaras dalam jalur optik dari spektrofotometer. 3. Pengukuran cahaya khusus - Termasuk beberapa komponen: a) monokromator untuk memdispersi beberapa panjang gelombang yang dipancarkan dari suatu cahaya untuk mengisolasi garis tertentu yang dicari, b) detektor untuk menghasilkan arus listrik yang tergantung pada intensitas cahaya. Arus listrik ini diperkuat dan diproses oleh alat elektronik untuk menghasilkan sinyal, yang merupakan ukuran dari pelemahan cahaya yang terjadi dalam sel sampel dan, c) sinyal ini diproses lebih lanjut untuk menghasilkan pembacaan dari instrumen dalam satuan konsentrasi. Gambar 2.2 Diagram skematik yang menunjukkan persyaratan penting untuk Atomic Adsorption Spectrofotometry (AAS) [14] 13