SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176
ADSORPSI Fe DAN Mn DALAM LIMBAH CAIR DENGAN ZEOLIT ALAM Noor Anis Kundari, Apri Susanto, Maria Christina Prihatiningsih Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-Badan Tenaga Nuklir Nasional Jl. Babarsari P.O.Box 6101 YKBB Yogyakarta 55281 Telp: (0274)48085,489716 ; Fax: (0274)489715 E-mail:
[email protected]
Abstrak ADSORPSI Fe DAN Mn DALAM LIMBAH DENGAN ZEOLIT ALAM. Zeolit alam mempunyai potensi sebagai penjerap logam berat dalam pengolahan limbah cair yang disebabkan oleh kapasitas penjerapan dan selektivitas tinggi, berumur panjang, dan jumlahnya melimpah di Indonesia. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui keefektifan bila zeolit alam sebagai adsorben limbah Fe dan Mn. Penelitian dilakukan secara batch. Variabel yang diteliti adalah konsentrasi awal limbah. Analisis dilakukan menggunakan Spektrometer Serapan Atom (SSA). Hasil penelitian menunjukkan bahwa reaksi pada komponen tunggal dapat diwakili dengan model persamaan kesetimbangan adsorpsi Langmuir yaitu untuk Fe2+ adalah qe =1,0281 Ce/(0,7536Ce+1) dan untuk Mn2+ adalah qe = 0,6281 Ce/)1,0099Ce+1). Hasil penelitian menunjukkan bahwa model persamaan kesetimbangan pada adsorpsi multi komponen mengikuti model Langmuir kompetitif menurut persamaan:
qeFe
q o Fe .2700 .Ce Fe 1 2700 .Ce Fe 0,001.Ce Mn
dengan nilai persentase kesalahan relatif rata-rata sebesar 0,06 %. Nilai Faktor daya pisah rerata (α) pada adsorpsi ion Fe terhadap ion Mn pada sistem biner dengan zeolit alam dipeeroleh sebesar 4,17. Kata kunci : zeolit, limbah Fe dan Mn, kesetimbangan adsorpsi
Abstract THE ADSORPTION OF FE AND MN IN WASTE WITH NATURAL ZEOLITE. Natural zeolite has a potential as heavy metal adsorbent in processing liquid waste caused by adsorbent capacity and high selectivity, long life, and the abundance in Indonesia. The purpose of this research is to know whether natural zeolite is effective as an adsorbent of Fe and Mn waste and find the adsorption model. The research is conducted at batch system. The analysis was conducted by using Atomic Absorption Spectrometer (AAS). The result of the research shows that the adsorption obey the Langmuir model with equation for Fe2+ was qe =1.0281 2+ Ce/(0.7536Ce+1) and for Mn was qe = 0.6281 Ce/(1.0099Ce+1). For binary component the adsorption follow competitive Langmuir model was
qeFe
q o Fe .2700.Ce Fe 1 2700.Ce Fe 0. 001.Ce Mn ;
for temperature of 30 oC. Percentage value of average Sum Square of Error was 0.06 and average separation ability factor (α) at the adsorption of Fe ion towards Mn ion in binary system with natural zeolite is 4.17. Keywords : natural zeolite, Fe and Mn waste, adsorption equation Noor Anis Kundari, dkk
705
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176
PENDAHULUAN Semakin pesatnya aktivitas perindustrian dewasa ini, berbagai jenis limbah organik dan limbah logam berat yang dihasilkan dapat menjadi permasalahan serius bagi kesehatan dan lingkungan. Limbah logam berat Fe dan Mn, yang merupakan dua jenis limbah berbahaya, yang banyak terdapat berasal dari industri pencucian batubara dan industri lain yang menggunakan bahan baku batubara. Besi terdapat di alam dalam dua bentuk, yaitu Fe(II) dan Fe(III) (www.wikipedia.org/wiki/besi, 2010). [1] Dalam proses pencucian industrti batubara, volume dan kapasitas yang sangat besar sehingga berpotensi menghasilkan limbah dalam volume yang banyak pula. Limbah cair ini banyak mengandung senyawa Fe dan Mn. Untuk itu dilakukan tindakan pengolahan limbah sebelum dibuang ke lingkungan sesuai dengan Keputusan Menteri Lingkungan Hidup Nomor 113 tahun 2003 (Kepmen Lingkungan Hidup No. 113, 2003). [2] Berdasarkan keputusan Menteri Lingkungan Hidup Nomor 113 tahun 2003 tentang Baku Mutu Air Limbah bagi Usaha dan atau Kegiatan Pertambangan Batubara bahwa kandungan Fe dan Mn total di dalam limbah cair dibatasi yaitu masing-masing adalah 7 mg/L dan 4 mg/L (Kepmen Lingkungan Hidup No. 113, 2003). [2] Adsorpsi adalah proses penjerapan molekul (gas atau cair) oleh permukaan (padatan). Definisi tersebut digunakan untuk menjelaskan terjadinya akumulasi molekul-molekul gas pada permukaan padatan. Adsorpsi dapat terjadi karena interaksi gaya elektrostatik atau van der Waals antar molekul (physisorption/ fisisorpsi) maupun oleh adanya interaksi kimiawi antar molekul (chemisorption/ kimisorpsi) (Aji, 2009). [3] Zeolit alam merupakan mineral yang banyak dimanfaatkan sebagai penukar ion, katalis pada industri petrokimia. Zeolit sebagai katalis akan menyebabkan reaksi menjadi lebih cepat, lebih efisien, serta mengurangi biaya kebutuhan energi dan pengolahan limbahnya. Zeolit juga dapat digunakan sebagai bahan baku detergen karena zeolit dapat mengurangi kesadahan air dengan cara menukar ion-ion penyebab air sadah. Pada penelitian ini dilakukan untuk mengetahui apakah zeolit alam efektif bila dimanfaatkan sebagai adsorben limbah Fe dan Mn (Sutarti, 1994). [4] Dalam penelitian ini akan digunakan 2 model kesetimbangan yaitu model Langmuir dan Freundlich sebagai pendekatan untuk menggambarkan perilaku kesetimbangan adsorpsi ion Fe2+ dan Mn2+ dalam limbah proses pencucian batubara dengan Zeolit alam. Langmuir mengembangkan suatu model
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
706
kuantitatif untuk menjelaskan fenomena isoterm adsorpsi dengan pendekatan kinetika. Langmuir memisalkan bahwa pada permukaan adsorben terdapat situs-situs aktif yang proporsional dengan luas permukaan (Kundari. 2008). [6] Penurunan persamaan isoterm adsorpsi Langmuir sistem cair-padat didasarkan pada kesetimbangan proses adsorpsi dan desorpsi adsorbat dipermukaan padatan sebagai berikut.[5] r adsorpsi = r desorpsi (1)
qe
q o KCe KCe 1
(2)
dengan : qe : jumlah adsorbat terjerap/berat adsorben pada kesetimbangan (mek/g) qo : kapasitas penjerap maksimum pada permukaan/berat padatan (mek/g) K : konstanta kesetimbangan (L/mek) Ce : konsentrasi pada kesetimbangan (mek/L) Dalam bentuk persamaan linier,
Ce/qe 1(q o K) Ce/q o
(3) Jika Ce/qe dijadikan sumbu Y, 1(qoK) = A, Ce/qo = B, dan Ce dijadikan sumbu X, maka Persamaan (3) dapat ditulis dengan Persamaan (4). Y A BX (4) Boudecker pada tahun 1895 mengusulkan suatu persamaan empiris untuk peristiwa isoterm adsorpsi berbentuk (Do.Duong D. 1998).[5]
qe K f Ce n
(5) dengan Kf dan n adalah suatu tetapan. Persamaan ini dikenal dengan persamaan isoterm adsorpsi Freundlich (Do.Duong D. 1998). Tetapan Kf dan n dapat diperoleh berdasarkan hubungan linier logaritmik sesuai dengan Persamaan (6). log qe = log Kf + n log Ce (6) Jika dilakukan percobaan dengan variasi konsentrasi awal Fe dan Mn terhadap waktu, maka akan diperoleh Ce, qo, dan qe sehingga dapat dibuat kurva kesetimbangan yaitu hubungan antara qe dan Ce pada berbagai suhu. Kesetimbangan dengan multi komponen digunakan model kompetitif Langmuir seperti pada persamaan berikut. [5]
q e,i
q 0i K i Ce i N
(7)
1 K k Ce k K 1
dengan : qe : jumlah adsorbat terjerap/berat adsorben pada kesetimbangan (mek/g) qo : kapasitas penjerap maksimum pada permukaan/berat padatan (mek/g) Noor Anis Kundari, dkk
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 K : konstanta kesetimbangan (L/mek) Ce : konsentrasi pada kesetimbangan (mek/L) i : komponen ke-i Optimasi tercapai pada nilai Sum of Squared Error (SSE) minimum.
SSE εq e,hitung q e, data
2
(8)
dengan : qe, hitung : jumlah adsorbat terjerap/berat adsorben pada kesetimbangan pada perhitungan (mek/g) qe, data : jumlah adsorbat terjerap/berat adsorben pada kesetimbangan pada data (mek/g) Persentase kesalahan relatif rata-rata untuk N data dapat ditentukan berdasarkan persamaan % kesalahan relatif rata-rata=
1 N q e,data q e,hitung N i 1 q e,data
100%
(9)
dengan : qe, hitung : jumlah adsorbat terjerap/berat adsorben pada kesetimbangan pada perhitungan (mek/g); qe, : jumlah adsorbat terjerap/berat adsorben pada data kesetimbangan pada data (mek/g); i: komponen kei. Nilai α tingkat daya pisah (faktor pisah) dihitung dengan persamaan[5].
α
qe/CeFe (qe/Ce) Mn
(10)
Sehingga dapat diketahui daya pisah adsorbent zeolit terhadap sistem adsorpsi campuran Fe dan Mn pada berbagai suhu.
Analisis kadar logam Fe dan Mn dilakukan dengan spektrofotometer serapan atom (SSA). Alat ini mampu menganalisis suatu unsur dengan sangat cepat (hanya beberapa detik), dan akurat. METODE Bahan Penelitian ini menggunakan bahan simulasi limbah cair Fe dan Mn yang berasal dari FeSO4.7H2O dan MnSO4. Simulasi limbah cair dibuat dengan variasi konsentrasi awal sesuai dengan kebutuhan. Zeolit alam jenis modernit dihaluskan dengan ayakan ukuran -80+120 kemudian ditimbang 40 gram dicuci dengan aquadest dan dikeringkan dengan sinar matahari sampai berat tetap. Larutan H2SO4
Noor Anis Kundari, dkk
707
diperlukan untuk menyiapkan larutan Fe agar lebih stabil dan sesuai dengan limbah yang sebenarnya, sedangkan aquades digunakan untuk mengencerkan larutan. Alat Peralatan yang digunakan adalah erlenmeyer, penangas air, dan alat pndukung lainny. Analisis hasil dilakukan dengan spektrofotometri serapan atom Atom Solaar series S design features of flame Atomic System. Cara kerja Mula-mula dilakukan penelitian dengan larutan limbah yang berisi komponen tunggal Fe atau Mn dibuat dengan konsentrasi awal 500 ppm kemudian diambil 100 mL untuk dimasukkan ke dalam erlenmeyer 7 buah dan dilakukan adsorpsi dengan zeolit 0,3 gram. Proses adsorpsi dilakukan pada variasi waktu yaitu : 15 menit, 30 menit, 45 menit, 60 menit, 75 menit, 90 menit, 105 menit, 120 menit, 240 menit dan 360 menit. Selanjutnya dianalisis dengan Spektrometer erapan Atom Solaar series S design features of flame Atomic System untuk menentukan waktu kesetimbangan. Berdasarkan waktu kesetimbangan ini dilakukan penelitian dengan variasi konsentrasi awal limbah pada komponen tunggal Fe dan Mn simulasi dari larutan induk diencerkan sehingga memiliki konsentrasi 10 ppm; 20 ppm; 30 ppm; 100 ppm; 200 ppm; 500 ppm; 1000 ppm; dan 2000 ppm. Masing-masing konsentrasi diambil 100 mL dan dimasukkan ke dalam erlenmeyer 100 mL kemudian dimasukkan 0,3 gr zeolit pada erlenmeyer yang berbeda pada satu konsentrasi yang sama kemudian erlenmeyer itu didiamkan pada water bath diatur pada suhu kamar 30oC . Setelah mencapai kesetimbangan larutan tersebut diambil filtratnya dan dianalisis dengan AAS. Pada Penentuan kesetimbangan isotermis adsorpsi pada multi komponen masingmasing larutan Fe dan Mn diambil 100 ml dan dimasukkan ke dalam erlenmeyer 100 mL dan masing-masing ditambah 0,3 gr zeolit lalu erlenmeyer itu didiamkan sampai setimbang pada berbagai suhu 30oC. Setelah setimbang larutan tersebut diambil filtratnya dan dianalisis dengan AAS. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil percobaan untuk menentukan waktu kesetimbangan yang dilakukan dengan cara menjerap larutan yang mengandung ion Fe dan ion Mn dengan sejumlah zeolit, lalu dianalisis secara
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 periodik dapat dilihat pada Gambar 1. 400
380
360
Ce, Mek/L
340
Fe Mn Line Fe Line Mn
320
300
280
260
240
220
200 0
50
100
150
200
250
300
Waktu kontak, menit
Gambar 1. Grafik Hubungan Antara Ce, mg/L dengan Waktu Kontak
Pada Gambar 1., hubungan antara konsentrasi akhir atau kesetimbangan dengan waktu kontak penjerapan mengalami penurunan pada menit pertama dan selanjutnya pada menit ke-120 baik pada kurva Fe dan Mn mengalami kestabilan pada nilai konsentrasi akhir setelah dilakukan penjerapan dengan zeolit. Waktu inilah yang kemudian digunakan untuk percobaan kesetimbangan dengan variasi konssentrasi awal. Bedasarkan Gambar 1. disimpulkan bahwa
untuk mencapai kesetimbangan diperlukan waktu 120 menit. Maka penelitian yang selanjutnya dilakukan percobaan kesetimbangan dengan waktu kontak selama 120 menit dengan variasi konsentrasi awal. Nilai E dapat dihitung dengan persamaan
E
Co Ce 100% ,.Hasil percobaan dapat Co
dilihat pada Gambar 2.
60
50
40
E, %
Fe Mn 30
20
10
0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Co, mg/L
Gambar 2. Grafik Hubungan Antara Efektifitas dengan Kosentrasi Awal, mg/L Berdasarkan Gambar 2. dapat dilihat hubungan antara Efektivitas dengan konsentrasi awal
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
708
penjerapan nilai tertinggi efektivitas yaitu diantara 100 mg/L sampai dengan 200 mg/L. Akan tetapi
Noor Anis Kundari, dkk
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 efektivitas semakin menurun dengan bertambahnya nilai konsentrasi awal solut dalam limbah, fenomena ini dapat dilihat pada data konsentrasi awal diatas 200 mg/L. Penentuan kesetimbangan adsorpsi dibuat hubungan persamaan Langmuir dan Freundlich yang sesuai, maka diperoleh nilai qo dan nilai K
pada persamaan Langmuir dan nilai n dan nilai Kf pada persamaan Freundlich. Jika dibuat grafik hubungan antara konsentrasi larutan pada kesetimbangan Ce, Mek/L (Sumbu x) dengan Ce/qe, g/L (sumbu y), sesuai model Langmuir diperoleh Gambar 3.
70
y = 3,7582x + 4,987 2 R = 0,9727 60
Ce/qe, g/L
50
Fe 40
Mn Linear (Fe) 30
Linear (Mn)
y = 1,6079x + 1,5922 2 R = 0,8274 20
10
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Ce, Mek/L
Gambar 3. Grafik Hubungan Antara Ce/qe, g/L Persamaan Langmuir kesetimbangan, log Ce, mek/L (sumbu x) terhadap Berdasarkan Gambar 3. diperoleh grafik linier log jumlah adsorbat terjerap per berat padatan pada dengan persamaan Y = A + BX dengan nilai kesetimbangan log qe, mek/g (sumbu y) [6], sesuai 2 koefisien korelasi (R ) mendekati 1 untuk kedua dengan model kesetimbangan ‘Freundlich’ maka komponen yang berbeda, sehingga dapat dikatakan diperoleh hasil yang ditunjukkan pada Gambar 4. bahwa data-data yang diperoleh dari penelitian Berdasarkan Gambar 4, diketahui bahwa sesuai dengan model kesetimbangan adsorpsi nilai R2 jauh dari angka 1, yang berarti bahwa Langmuir. Berdasarkan persamaan pada Gambar 3, adsorpsi Fe dan Mn dengan zeolit alam tidak sesuai juga dapat diketahui nilai A dan B sehingga dapat dengan model Freunlich, melainkan mengikuti dihitung konstanta kesetimbangan persamaan model Langmuir, Langmuir dan kapasitas adsorbat maksimum untuk Pada adsorpsi 2 komponen digunakan komponen tunggal yang terjerap per berat padatan persamaan Langmuir multikomponen kompetitif, o (q , mek/g), dalam penelitian ini adalah kapasitas diperoleh persamaan (13).[7] jerap maksimum 1g zeolit terhadap ion Fe2+ dan Mn2+ mengikuti model kesetimbangan Langmuir. q o Fe .2700 .Ce Fe Persamaan qe untuk Fe2+ adalah:
1,0281Ce qe 0,7536Ce 1 Persamaan untuk nilai qe pada Mn2+ adalah:
qeFe
1 2700 .Ce Fe 0,001.Ce Mn (13)
(11)
0.6281Ce qe 1.0099Ce 1
(12) Jika data yang didapat dibuat grafik hubungan antara log konsentrasi larutan pada
Noor Anis Kundari, dkk
709
Berdasarkan perhitungan diperoleh Faktor daya pisah rerata (α) pada adsorpsi ion Fe terhadap ion Mn pada sistem biner dengan zeolit alam sebesar 4,17. dengan nilai persentase kesalahan relatif rata-rata sebesar 0,0551.
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 0 0
0,2
0,4
0,6
-0,1
0,8
1
1,2
1,4
y = 0,3317x - 0,5088 R2 = 0,3269
-0,2
L og qe, Mek/g
-0,3
Fe
-0,4
y = 0,1842x - 0,8218 R 2 = 0,8945 -0,5
Mn Linear (Fe) Linear (Mn)
-0,6
-0,7
-0,8
-0,9 Log Ce, Mek/L
Gambar 4. Grafik Hubungan Antara Log qe, mek/g dengan log Ce, mek/L pada Persamaan Freundlich
KESIMPULAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut. 1. Limbah cair yang mengandung logam besi dan mangan dapat diolah dengan menggunakan zeolit alam. 2. Model kesetimbangan adsorpsi Langmuir dengan persamaan kesetimbangan untuk komponen tunggal adalah: Fe2+ adalah
qe
1,0281Ce 0,7536Ce 1
dan untuk Mn:
qe 3.
Model adsorpsi 2 komponen Fe dan Mn sesuai dengan persamaan:
qeFe 4.
0,6281Ce 1,0099Ce 1
[2] Kepmen Lingkungan Hidup No. 113, 2003. Tentang Baku Mutu Air Limbah Bagi Usaha Dan Atau Kegiatan Pertambangan Batubara. [3] Aji, Barito Sabani. 2009. Adsorpsi Zeolit Terhadap Nikel(II).Yogyakarta: SMTI. [4] Sutarti, M dan Rahmawati, M., 1994, Zeolit. Tinjauan Literatur Pusat Dokumentasi dan Informasi Ilmiah LIPI, Jakarta. [5] Do, D., 1998. Adsorption Analysis: Equilibrium and Kinetics. Series Chemical Engineering Vol 2. Queensland. [6] Kundari N. A. dan Wiyuniati, S. 2008. Tinjauan Kesetimbangan Adsorpsi Tembaga dalam Limbah Pencuci PCB dengan Zeolit, Seminar nasional IV SDM Teknologi nuklir Yogyakarta, 25-26 Agustus 2008. [7] Amri, A. 2004. Kesetimbangan Adsorpsi Optional Campuran Biner Cd(II) dan Cr(III) dengan Zeolit Alam Terimpregnasi 2merkaptobenzotiazol, Jurnal Natur Indonesia. Pekanbaru.
q o Fe .2700.Ce Fe 1 2700.Ce Fe 0,001 .Ce Mn
Faktor daya pisah rerata (α) pada adsorpsi ion Fe terhadap ion Mn pada sistem biner dengan zeolit alam sebesar 4,174.
DAFTAR PUSTAKA [1] www.wikipedia.org/wiki/besi. Februari 10th. 20.00 WIB. STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
710
Noor Anis Kundari, dkk
