1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Air merupakan kebutuhan mendasar bagi makhluk hidup. Namun, kualitas air terus menurun karena pertumbuhan penduduk maupun industrialisasi yang menghasilkan polutan organik, anorganik, dan biologis. Air tidak dapat diperbaharui, dan juga belum dapat diciptakan dalam jumlah yang besar, sehingga ini menjadi tantangan tersendiri untuk menciptakan teknologi yang dapat menghilangkan kandungan polutan dalam air secara cepat dan efisien dengan biaya yang rendah. Logam berat adalah polutan anorganik yang sangat berbahaya bagi kesehatan manusia karena tidak dapat terurai secara alami. Banyak ion logam berat yang bersifat toxic dan memicu kanker. Logam berat yang terakumulasi dalam tubuh manusia dapat menghambat pertumbuhan dan perkembangan tubuh. Logam berat beracun yang banyak ditemukan sebagai limbah industri antara lain zinc, tembaga, nikel, merkuri, cadmium, timah dan kromium(fu dan Wang, 2011). Ada banyak metode yang digunakan untuk menjernihkankan air yang telah terkontaminasi logam berat, seperti presipitasi, solvent extraction, ion exchange, adsorpsi, membrane flitration, coagulation-flocculation, flotation, dan metode elektrokimia. Pemilihan metode yang paling cocok untuk penjernihan air mempertimbangkan beberapa hal seperti jenis limbah, konsentrasi limbah logam, biaya operasional, kemudahan proses, reliabilitas, dan dampak terhadap lingkungan (Fu dan Wang, 2011). Metode adsorpsi dan presipitasi merupakan metode yang banyak digunakan dalam berbagai penelitian penjernihan air. Kelebihan metode adsorpsi yakni mudah dalam proses pengerjaannya serta murah dari sisi biaya operasional. Adsorpsi adalah proses di mana polutan terjerap pada permukaan zat adsorben (Ali, 2012). Peneliti dibidang nanoteknologi mengembangkan material berukuran nanometer yang diaplikasikan untuk menjernihkan air yang telah terkontaminasi 1
2 polutan. Pada dasarnya terdapat empat kelas bahan nano yang telah dievaluasi sebagai bahan fungsional untuk pemurnian air yaitu nanopartikel magnetik, nanomaterial karbon, zeolit dan dendrimers (Tiwari dkk, 2008). Nanofibers juga dapat digunakan untuk pemurnian air. Adsorben nanomaterial karbon yaitu activated carbon dan karbon nanotube (CNTs) merupakan jenis adsorben yang telah lama diteliti dan digunakan secara komersil. Akan tetapi, biaya operasionalnya mahal dan adsorben tidak dapat diregenerasi (Prados dan Cervello, 2009). Penggunaan nanopartikel sebagai adsorben memiliki kelebihan pada proses adsorpsi karena memiliki luas permukaan partikel yang lebih besar dibandingkan material bulk pada volum yang sama, sehingga akan lebih banyak adsorbat yang menempel pada adsorben. Selain itu, permukaan nanopartikel dapat difungsionalisasikan dengan senyawa kimia lain untuk memperbesar affinitas terhadap adsorbat. Penelitian terkait penjernihan air menggunakan nanopartikel telah banyak dilakukan seperti, Shen dkk (2009) menjernihkan air yang terkontaminasi oleh logam berat Ni(II), Cu(II), Cd(II) dan Cr(IV) dengan menggunakan Fe 3 O 4. Beberapa contoh nanopartikel yang digunakan untuk water treatment antara lain alumina, cobalt ferrite, copper oxide, maghemite, iron oxide, nickel oxide, silica, stannous oxide, titanium oxide, zinc sulfide, zinc oxide dan jenis alloy (Ali, 2012). Nanopartikel magnesium ferrite dapat diaplikasikan secara luas dalam teknologi misalnya untuk sensor kelembaban, high density information storage, dan magnetic resonance imaging contrast agents (Franco dan silva, 2011). Nanopartikel magnetik MgFe 2 O 4 dengan struktur kubik spinel termasuk jenis soft magnetic. Salah satu keunggulan soft magnetic yaitu memiliki magnetisasi saturasi yang tinggi. MgFe 2 O 4 dapat juga digunakan sebagai adsorben logam (Hu dkk, 2007). MgFe 2 O 4 dapat bersifat superparamagnetik yang menjadikannya lebih responsif terhadap medan magnet luar, sehingga proses pemisahan endapan hasil adsorpsi lebih mudah dilakukan. Selain itu, MgFe 2 O 4 dapat diregenerasi melalui proses desorpsi dan digunakan lagi sebagai adsorben (Tang dkk, 2013).
3 MgFe 2 O 4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi cenderung mengalami aglomerasi. Salah satu cara untuk mengatasi aglomerasi adalah dengan pelapisan menggunakan silika atau PEG. Akan tetapi, pelapisan adsorben dengan silika akan merubah morfologi permukaan, ukuran partikel maupun sifat kemagnetannya yang diprediksi akan berdampak pada adsorpsi logam di permukaan adsorben (Axe dan Xu, 2005). Penjernihan air menggunakan metode adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti parameter adsorpsi (suhu, ph, dl), karakteristik adsorbat dan karakteristik adsorben. Berbagai penelitian telah dilakukan terkait pengaruh faktor parameter penjernihan, namun belum banyak yang mengkaji pengaruh karakteristik adsorben MgFe 2 O 4 yaitu ukuran partikel dan sifat kemagnetan terhadap kapasitas adsorpsi. Pemisahan endapan juga mempengaruhi hasil penjernihan air. Endapan nanopartikel harus seluruhnya dipisahkan dari air. Pemisahan endapan dilakukan dengan menggunakan medan magnet, sehingga diprediksi bahwa sifat kemagnetan adsorben akan mempengaruhi penurunan kadar limbah logam. Selain menggunakan magnet permanen dan kertas saring, pemisahan endapan dapat memanfaatkan sistem High gradient magnetic separation (HGMS). Sistem HGMS memungkinkan pemisahan partikel magnetik lemah dari non-magnetik yang tidak dapat dipisahkan dengan pemisah magnetik konvensional. Berdasarkan pertimbangan tersebut, maka pada penelitian ini telah dilakukan penjernihan limbah cair yang mengandung logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) menggunakan adsorben MgFe 2 O 4 untuk melihat pengaruh ukuran partikel, sifat kemagnetan, dan pelapisan adsorben dengan silika serta penggunaan HGMS terhadap adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II).
4 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang penelitian ini, maka dapat diajukan beberapa rumusan masalah sebagai berikut: a. Bagaimanakah pengaruh ukuran partikel dan magnetisasi saturasi MgFe 2 O 4 terhadap adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II)? b. Bagaimanakah pengaruh pelapisan adsorben MgFe 2 O 4 dengan Na 2 SiO 3 terhadap adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II)? c. Bagaimanakah perbandingan adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) oleh nanopartikel MgFe 2 O 4 dengan nanopartikel CoFe 2 O 4 dan Fe 3 O 4? d. Bagaimanakah pengaruh penggunaan sistem penyaring HGMS terhadap penurunan kadar logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II)? 1.3 Batasan Masalah Lingkup bahasan penelitian ini mencakup studi tentang pengaruh ukuran partikel, nilai magnetisasi saturasi, pelapisan adsorben MgFe 2 O 4 dengan silika (konsentrasi 50%) terhadap adsorpsi Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) dalam limbah cair buatan. Selain itu, membandingkan hasil adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) menggunakan nanopartikel MgFe 2 O 4 dengan nanopartikel CoFe 2 O 4 dan Fe 3 O 4. Penyaringan dengan sistem HGMS menggunakan variasi medan magnet luar 65,5 G, 327 G dan 653 G. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah : a. Menentukan pengaruh ukuran partikel dan magnetisasi saturasi MgFe 2 O 4 terhadap adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II). b. Menentukan pengaruh pelapisan adsorben MgFe 2 O 4 dengan Na 2 SiO 3 terhadap adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II). c. Membandingkan hasil adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) menggunakan nanopartikel MgFe 2 O 4 dengan nanopartikel CoFe 2 O 4 dan Fe 3 O 4
5 d. Menentukan pengaruh penggunaan sistem penyaring HGMS terhadap penurunan kadar logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II). 1.5 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat untuk: a. Memberikan informasi terkait pengaruh ukuran partikel dan magnetisasi saturasi adsorben MgFe 2 O 4 terhadap adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II), b. memberikan informasi terkait pengaruh pelapisan adsorben MgFe 2 O 4 dengan silika terhadap adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II), c. serta memberikan informasi terkait pengaruh penggunaan sistem HGMS terhadap penurunan kadar logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II), sehingga hasil penelitian tersebut dapat dimanfaatkan sebagai acuan bagi penelitian selanjutnya. 1.6 Sistematika Penulisan Tesis ditulis dengan sistematika sebagai berikut : a. Bab I menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai penggunaan nanopartikel magnetik MgFe 2 O 4 sebagai adsorben untuk menyerap logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II), rumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. b. Bab II berisikan tinjauan pustaka yang menjelaskan berbagai penelitian terdahulu mengenai MgFe 2 O 4, dan aplikasinya sebagai adsorben dalam mengatasi permasalahan pencemaran air oleh logam berat. c. Bab III menjelaskan teori dasar mengenai konsep kemagnetan, ferromagnetik, superparamagnetik, domain magnetik dan kurva histeresis, nanopartikel magnetik MgFe 2 O 4, metode kopresipitasi, pelapisan dengan silika, metode adsorpsi, sistem HGMS, logam tembaga, logam besi dan logam nikel, teknik karakterisasi nanopartikel magnetik MgFe 2 O 4 dengan XRD, VSM, TEM, serta Spektrometer serapan atom.
6 d. Bab IV menjelaskan alat dan bahan yang akan digunakan dalam penelitian, prosedur penelitian, dan teknik pengolahan data. e. Bab V menjelaskan tentang hasil penelitian dan pembahasan. f. Bab VI menjelaskan kesimpulan dan saran penelitian 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.