17
3
METODOLOGI
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian dilaksanakan pada bulan Maret hingga Juli 2012. Karakterisasi limbah padat agar, pembuatan serta karakterisasi karbon aktif dilakukan di Laboratorium Karakterisasi Bahan Baku Hasil Perairan, Laboratorium Biokimia Hasil Perairan, Departemen Teknologi Hasil Perairan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan. Pengujian serat kasar dilakukan di Laboratorium Analisis Pangan, Departemen Ilmu dan Teknologi Pangan, Fakultas Teknologi Pertanian. Pengujian logam dilakukan di Laboratorium Bersama, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, sedangkan pengujian BOD dan COD dilakukan di Laboratorium Produktivitas dan Lingkungan Perairan, Departemen Manajemen Sumberdaya Perairan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan, Institut Pertanian Bogor.
3.2 Bahan dan Alat Bahan utama yang digunakan pada penelitian ini adalah limbah padat agaragar yang berasal dari perusahaan agar yang berlokasi di Tangerang serta limbah cair dari industri tekstil di daerah Bogor. Bahan yang digunakan untuk pengujian meliputi H3PO4 4 M; KOH 4 M; ZnCl2 4 M; Iodium 0,1 N; Na2S2O3 0,1 N; indikator pati 2 %; HCl 0,1 N; NaOH 40 %; H3BO3 2 %; H2SO4 pekat, NaOH; K2SO4 10 %; alkohol 95 %; MgSO4.7H2O; CaCl2; FeCl3.6H2O; MnSO4; Ag2SO4; larutan AIA, pelarut heksan, tablet selenium, buffer fosfat, larutan pencerna, dan akuades. Alat yang digunakan terdiri atas berbagai alat gelas, buret, cawan porselen, tabung soxhlet, tabung kjeldahl, timbangan analitik, kompor listrik, kertas saring, kertas saring Whattman no. 42, orbital shaker, magnetic stirrer, desikator, kertas pH, pH meter merk Eutech Instrumen pH5+, oven merk Yamato DV41, tanur merk Yamato FM38, pencatat waktu, botol winkler, seperangkat alat Atomic Absorption Spectrophotometer (AAS) merk Shimadzu AA-7000 untuk uji logam dan Spektrofotometer UV-Vis merk HACH DR 5000 untuk uji Chemical Oxygen Demand (COD).
18
3.3 Tahapan Penelitian Penelitian ini dilakukan melalui lima tahapan, yaitu karakterisasi limbah padat agar, karakterisasi limbah industri tekstil, pembuatan karbon aktif serta karakterisasi karbon aktif yang dihasilkan. Tahapan selanjutnya yaitu aplikasi karbon aktif sebagai adsorben limbah industri tekstil dengan lama periode kontak dan pH berbeda yang dilanjutkan dengan analisis logam berat, BOD dan COD. 3.3.1 Karakterisasi limbah padat agar-agar Karakterisasi limbah padat agar-agar meliputi analisis kadar air, kadar abu, kadar protein, kadar lemak, serat kasar dan karbohidrat. Prosedur masing-masing analisis dapat dilihat di bawah ini. 1) Analisis kadar air (AOAC 2005) Penentuan kadar air didasarkan pada berat contoh sebelum dan sesudah dikeringkan. Cawan kosong dikeringkan di dalam oven selama ± 30 menit pada suhu 105 oC, lalu dimasukkan ke dalam desikator selama 15 menit kemudian ditimbang. Sampel sebanyak 5 g dimasukkan ke dalam cawan lalu dikeringkan di dalam oven pada suhu 105 oC selama 6 jam kemudian cawan dimasukkan ke dalam desikator selama 30 menit dan selanjutnya ditimbang kembali. Kadar air ditentukan dengan rumus:
Keterangan:
A = Berat cawan kosong (g) B = Berat cawan dengan sampel (g) C = Berat cawan dengan sampel setelah dikeringkan (g)
2) Analisis kadar abu (AOAC 2005) Cawan dibersihkan dan dikeringkan di dalam oven selama 30 menit dengan suhu 105 oC, lalu dimasukkan ke dalam desikator dan kemudian ditimbang. Sampel sebanyak 5 g ditimbang lalu dimasukkan ke dalam cawan dan kemudian dibakar di atas kompor listrik (diarangkan) sampai tidak berasap lagi dan selanjutnya dimasukkan ke dalam tanur pengabuan (600 oC) selama 6 jam. Cawan dimasukkan ke dalam desikator lalu ditimbang. Kadar abu ditentukan dengan rumus:
19
3) Analisis kadar protein (AOAC 2005) Analisis kadar protein terdiri dari tiga tahap, yaitu destruksi, destilasi, dan titrasi. Pengukuran ini dilakukan dengan metode kjeldahl. Sampel ditimbang sebanyak 1 g, kemudian dimasukkan ke dalam labu kjeldahl 50 mℓ, lalu ditambahkan setengah tablet kjeldahl dan 10 mℓ H2SO4 pekat ke dalam tabung kjeldahl dan didiamkan selama 10 menit di ruang asam. Sampel didestruksi pada suhu 400 oC selama kurang lebih 1 jam atau sampai cairan berwarna hijau bening. Labu kjeldahl dicuci dengan aquades 100 mℓ, kemudian 10 mℓ sampel dimasukkan ke dalam alat destilasi. Destilasi dilakukan dengan menambahkan larutan NaOH 40 % sebanyak 50 mℓ ke dalam alat destilasi hingga tertampung destilat di dalam erlenmeyer yang berisi 25 mℓ asam borat (H3BO3) 4% yang mengandung indikator bromcherosol green 0,1% dan methyl red 0,1%. Uap nitrogen yang tertangkap menyebabkan asam borat berubah warna menjadi hijau. Lalu destilat dititrasi dengan HCL 0,1446 N sampai terjadi perubahan warna merah muda yang pertama kalinya. Volume titran dibaca dan dicatat. Kadar protein dihitung dengan rumus sebagai berikut :
4) Analisis kadar lemak (AOAC 2005) Sampel seberat 5 g (W1) diletakkan di atas kapas bebas lemak lalu dimasukkan ke dalam kertas saring dan selanjutnya dimasukkan ke dalam selongsong lemak, kemudian dimasukkan ke dalam labu lemak yang sudah ditimbang berat kosongnya (W2) dan disambungkan dengan tabung soxhlet. Selongsong lemak dimasukkan ke dalam ruang ekstraktor tabung soxhlet dan disiram dengan pelarut lemak (n-heksana). Tabung ekstraksi dipasang pada alat destilasi soxhlet lalu dipanaskan pada suhu 40 oC dengan menggunakan pemanas listrik dan direfluks selama 6 jam. Pelarut lemak yang ada dalam labu lemak didestilasi hingga semua pelarut lemak menguap. Pada saat destilasi pelarut akan tertampung di ruang ekstraktor, pelarut dikeluarkan sehingga tidak kembali ke dalam labu lemak, selanjutnya labu lemak dikeringkan dalam oven pada suhu
20
105 oC, setelah itu labu dimasukkan ke dalam desikator hingga beratnya konstan lalu ditimbang (W3). Kadar lemak ditentukan dengan rumus:
Keterangan:
W1 = Berat sampel (g) W2 = Berat labu lemak tanpa lemak (g) W3 = Berat labu lemak dengan lemak (g)
5) Analisis kadar serat kasar (Van Soest 1963) Sebanyak 2 g sampel (W1) dimasukkan ke dalam erlenmayer 500 mℓ. Sampel ditambahkan dengan 200 mℓ larutan H2SO4 mendidih kemudian ditutup dengan pendingin balik dan dididihkan selama 30 menit. Sampel disaring dengan menggunakan kertas saring (W2) kemudian residu yang tertinggal dicuci dengan air mendidih. Residu yang tertinggal dipindahkan ke dalam erlenmayer kemudian dicuci dengan 200 mℓ larutan NaOH. Erlemnayer ditutup dengan penutup balik kemudian sampel dididihkan selama 30 menit. Sampel kembali disaring menggunakan kertas saring yang telah diketahui beratnya. Sampel dicuci dengan larutan K2SO4 10% kemudian dicuci lagi menggunakan air mendidih lalu dengan alkohol 95% sebanyak 15 mℓ. Kertas saring dan residu (W3) dikeringkan menggunakan oven dengan suhu 105 oC hingga berat konstan (1-2 jam). Sampel kemudian didinginkan dalam desikator lalu ditimbang. Kadar serat diperoleh dari perhitungan berikut:
Keterangan
: W1 = Berat sampel (g) W2 = Berat kertas saring (g) W3 = Berat kertas saring dengan residu serat (g)
3.3.2 Karakterisasi limbah industri tekstil Limbah cair industri tekstil berasal dari inlet Instalasi Pengolahan Air Limbah (IPAL) perusahaan tekstil yang berlokasi di Bogor. Karakterisasi limbah meliputi kandungan logam berat, Biological Oxygen Demand (BOD), Chemical Oxygen Demand (COD) dan pH. Prosedur masing-masing analisis dapat dilihat di bawah ini.
21
1) Analisis kandungan logam berat (SNI 2004) Pengujian logam awal limbah cair industri tekstil dilakukan dengan menggunakan Atomic Absorption Spechtrophotometer. Konsentrasi logam berat dalam sampel dapat dihitung dengan persamaan:
Keterangan : Ac = Absorban contoh Ab = Absorban blanko a = Intercept dari persamaan regresi standar b = Slope dari persamaan regresi standar W = Berat contoh (g) 2) Analisis Biological Oxygen Demand (BOD) (APHA 5210-B-2005) Prinsip pengukuran BOD yaitu mengukur kandungan oksigen terlarut awal (DO0), kemudian mengukur kandungan oksigen terlarut pada sampel yang telah diinkubasi selama 5 hari pada kondisi gelap dan suhu tetap (20 oC) yang disebut DO5. Selisih DO0 dan DO5 merupakan nilai BOD (mg/ℓ). Analisis BOD dilakukan menggunakan metode titrimetri. Pertama-tama sebanyak 1 ℓ aquades dimasukkan ke dalam erlenmayer 1 ℓ lalu ditambahkan nutrien-nutrien yang terdiri dari buffer fosfat, MgSO4.7H2O; CaCl2; dan FeCl3.6H2O. Campuran nutrien diaerasi selama 1 jam. Sampel air limbah dimasukkan ke dalam botol winkler kemudian ditambahkan larutan nutrien. Sebanyak 1 mℓ MnSO4 dan larutan AIA (campuran NaOH dan KI) ditambahkan ke dalam sampel. Larutan sampel diaduk kemudian didiamkan selama 10 menit hingga terbentuk endapan. Tahap selanjutnya adalah penambahan H2SO4 sebanyak 1 mℓ kemudian diaduk hingga endapan terlarut sempurna. Sebanyak 50 mℓ larutan sampel dititrasi dengan larutan Na 2SO2O3 kemudian ditambahkan indikator kanji dan dititrasi kembali hingga tidak berwarna. Hasil titrasi tersebut akan menghasilkan nilai DO0, sedangkan nilai DO5 didapat dengan prosedur yang sama setelah 5 hari inkubasi. Perhitungan nilai DO dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Keterangan: N Na2S2O3 BE O2
= 0,0241 N =8
22
3) Analisis COD (APHA 5220-C-2005) Chemical Oxygen Demand menggambarkan banyaknya oksigen yang diperlukan untuk menguraikan seluruh bahan organik yang terkandung di dalam sampel. Analisis COD dilakukan menggunakan metode dikromat refluks-tertutup. Sebanyak 2,5 mℓ sampel limbah dimasukkan ke dalam botol reaksi. Sampel ditambahkan 1,5 mℓ larutan pencerna serta 3,5 mℓ campuran Ag2SO4 dan H2SO4. Sampel dipanaskan pada suhu 150 oC selama 2 jam kemudian didinginkan. Sampel kemudian diukur absorbansinya pada panjang gelombang 600 nm. Konversi nilai absorbansi menjadi nilai COD didapat melalui persamaan regresi kurva standar. Nilai COD dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:
4) Nilai pH Nilai pH dari limbah industri tekstil diukur dengan alat pH meter. Alat ini dikalibrasi terlebih dahulu sebelum digunakan.
3.3.3 Pembuatan karbon aktif (Budiono et al. 2009) Limbah padat agar-agar yang telah kering kering dikarbonisasi hingga didapatkan arang. Sebanyak 50 g arang ditambah aktivator berbeda, yaitu H3PO4, KOH, dan ZnCl2. Volume aktivator yang digunakan yaitu 100 mℓ dengan konsentrasi masing-masing 4 M. Campuran sampel dengan aktivator kemudian direndam selama 10 jam dengan pengadukan (agitasi) menggunakan magnetic stirrer. Sampel kemudian disaring menggunakan kertas saring dan diambil residunya. Residu dicuci berulang-ulang menggunakan akuades hingga pH netral. Sampel dikeringkan selama 3 jam di dalam oven dengan suhu 105 oC. Setelah itu, sampel didinginkan di dalam desikator. Karbon aktif yang dihasilkan dikarakteriasi dan selanjutnya diaplikasikan sebagai adsorben limbah industri tekstil. Diagram alir pembuatan karbon aktif dari limbah padat agar-agar disajikan pada Gambar 5.
23
50 gram limbah agar
Analisis kadar air, abu, lemak, protein dan serat kasar
Pengarangan/ karbonisasi
Penambahan 100 mℓ H3PO4 4 M
Penambahan 100 mℓ KOH 4 M
Penambahan 100 mℓ ZnCl2 4 M
Pengadukan selama 10 jam
Penyaringan dengan kertas saring
Pencucian residu hingga pH netral
Pengeringan dalam oven 105 oC selama 3 jam
Pendinginan dalam desikator
Karbon aktif
Karakterisasi dan aplikasi karbon aktif sebagai adsorben
Gambar 5 Diagram alir pembuatan karbon aktif dari limbah padat agar-agar 3.3.4 Karakterisasi karbon aktif Karbon aktif yang diekstraksi dari limbah padat agar dikarakterisasi sesuai dengan persyaratan SNI-06-3730-1995 meliputi perhitungan rendemen, kadar air, kadar abu, bagian kadar zat mudah menguap, kadar karbon aktif murni serta pengujian daya serap terhadap larutan iodium. Prosedur analisis kadar air dan
24
kadar abu sama seperti pada karakterisasi limbah padat agar, sedangkan prosedur analisis lain dapat dilihat di bawah ini. 1) Rendemen (SNI 1995) Rendemen karbon aktif merupakan bobot karbon aktif yang dihasilkan dibandingkan dengan total bahan baku. Perhitungan rendemen karbon aktif dilakukan menggunakan persamaan:
2) Kadar zat mudah menguap (ASTM 1999) Sebanyak 1 g sampel dimasukkan ke dalam cawan porselen yang telah diketahui bobot keringnya. Sampel kemudian dipanaskan dalam tanur 950 oC selama 10 menit. Cawan ditutup serapat mungkin. Perhitungan kadar zat mudah menguap menggunakan persamaan:
Keterangan:
A = Berat cawan kosong (g) B = Berat cawan dengan sampel (g) C = Berat cawan dengan sampel setelah dipanaskan (g)
3) Kadar karbon aktif murni (SNI 1995) Karbon dalam arang adalah zat yang terdapat pada fraksi padat hasil pirolisis, selain abu (zat anorganik) dan zat atsiri yang masih terdapat pada poripori arang. Perhitungan kadar karbon aktif murni menggunakan persamaan:
Keterangan:
b = kadar zat mudah menguap (%) c = kadar abu (%)
4) Penentuan daya serap terhadap iod (ASTM 1999) Sampel karbon aktif sebanyak 0,2 g dimasukkan ke dalam erlenmeyer. Sampel ditambahkan 25 mℓ larutan iodium 0,1 N dan dikocok selama 15 menit pada suhu ruang, larutan langsung disaring. Selanjutnya, 10 mℓ sampel diambil dan dititrasi dengan larutan Na2S2O3 0,1 N sampai didapatkan larutan berwarna kuning muda lalu ditambahkan beberapa tetes larutan kanji 1 % sebagai indikator.
25
Kemudian titrasi kembali sampai warna biru tepat hilang. Perhitungan daya serap iodium menggunakan persamaan:
Keterangan: a = volume Na2S2O3 yang digunakan untuk titrasi larutan sampel (mℓ) b = volume Na2S2O3 yang digunakan untuk titrasi larutan blanko (mℓ) N = Normalitas Na2S2O3 fp = faktor pengenceran S = bobot arang aktif (g) BE I2 = 126,93 3.3.5 Aplikasi karbon aktif sebagai adsorben Karbon aktif yang dihasilkan diaplikasikan sebagai adsorben logam berat pada limbah industri tekstil. Aplikasi ini dilakukan untuk mengetahui kondisi optimum dan efektivitas adsorbsi karbon aktif. Penentuan kondisi optimum karbon aktif meliputi penentuan lama periode kontak dan pH terbaik. Aplikasi karbon aktif ini dilakukan pada lima jenis logam berat yang paling banyak terdapat dalam limbah tekstil. 1) Penentuan lama periode kontak (Sulistyawati 2008) Sebanyak 5 g karbon aktif dimasukkan ke dalam 500 mℓ limbah tekstil kemudian dikocok dengan shaker. Adsorpsi dilakukan dengan ragam periode kontak 0,5; 1; 1,5; dan 2 jam. Setelah itu sampel disaring lalu dilakukan pengujian meliputi uji logam, BOD dan COD. Waktu optimum dapat dilihat dari persentase penyerapan tertinggi yang dihitung dengan persamaan:
Keterangan : Co = konsentrasi awal larutan (ppm) Ca = konsentrasi akhir larutan (ppm) 2) Penentuan pH optimum (Sulistyawati 2008) Sebanyak 5 g karbon aktif dimasukkan ke dalam 500 mℓ limbah tekstil dengan pH 5,0; 5,5; 6,0; dan 6,5. Adsorpsi dilakukan selama waktu optimum. Setelah itu sampel disaring lalu dilakukan pengujian meliputi uji logam, BOD dan COD. Penentuan pH optimum diketahui setelah perhitungan kapasitas absorspi.
26
Perhitungan persentase penyerapan karbon aktif sama seperti perhitungan sebelumnya. 3.4 Rancangan Percobaan dan Analisis Data Rancangan percobaan yang digunakan untuk menguji pengaruh perbedaan larutan aktivator terhadap karakteristik karbon aktif yang dihasilkan adalah metode rancangan acak lengkap (RAL) dengan satu faktor dan 3 taraf, yaitu H3PO4, KOH dan ZnCl2. Data dianalisis dengan ANOVA (Analysis of Variance) menggunakan uji F. Hipotesis terhadap karakteristik karbon aktif dengan larutan aktivator yang berbeda adalah sebagai berikut: H0 = Perbedaan larutan aktivator
tidak memberikan pengaruh
terhadap
karakteristik karbon aktif yang dihasilkan H1 = Perbedaan larutan aktivator memberikan pengaruh terhadap karakteristik karbon aktif yang dihasilkan. Rancangan percobaan juga dilakukan untuk menguji pengaruh perbedaan periode kontak dan pH terhadap persentase penyerapan logam berat. Metode rancangan percobaan yang digunakan adalah RAL. Faktor dalam percobaan ini ialah waktu kontak, dengan taraf 0; 0,5; 1,0; 1,5; dan 2 jam serta nilai pH dengan taraf 5,0; 5,5; 6,0; dan 6,5. Hipotesis terhadap persentase penyerapan logam pada periode kontak yang berbeda adalah sebagai berikut: H0 = Perbedaan periode kontak tidak memberikan pengaruh terhadap persentase penyerapan karbon aktif yang dihasilkan H1= Perbedaan periode kontak memberikan pengaruh terhadap karakteristik karbon aktif yang dihasilkan. Hipotesis terhadap persentase penyerapan logam pada nilai pH yang berbeda adalah sebagai berikut: H0 = Perbedaan nilai pH tidak memberikan pengaruh terhadap persentase penyerapan logam berat H1 = Perbedaan nilai pH memberikan pengaruh terhadap persentase penyerapan logam berat
Model rancangan penelitian ini adalah sebagai berikut:
27
yij = µ +
i
+ έij
Keterangan: yij = Nilai pengamatan pada taraf ke-i dan ulangan ke-j (j = 1, 2, 3) µ = Nilai tengah atau rataan umum pengamatan = Pengaruh perbedaan larutan aktivator pada taraf ke-i (i = 1, 2, 3) i έij = Galat atau sisa pengamatan taraf ke-i dengan ulangan ke-j Jika uji F pada ANOVA memberikan pengaruh yang berbeda nyata terhadap karakteristik karbon aktif yang dihasilkan, maka dilanjutkan dengan uji lanjut Duncan dengan rumus sebagai berikut: Duncan = t α/2; dbs Keterangan : KTS = Kuadrat tengah sisa dbs = Derajat bebas sisa r = Banyaknya ulangan
