APLIKASI NANOPARTIKEL Fe3O4 (MAGNETITE) HASIL SINTESIS SECARA ELEKTROKIMIA SEBAGAI ADSORBEN ION KADMIUM (II) Dwi Wahyu Ningsih, Fauziatul Fajaroh, Surjani Wonorahardjo Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang ABSTRAK: Penelitian bertujuan untuk mensintesis nanopartikel magnetite dengan metode elektrokimia secara elektro-oksidasi besi dalam air dengan voltase tinggi, mengetahui pengaruh jarak antar elektrode terhadap karakter partikel yang dihasilkan dan pengaruh pH, waktu kontak dan konsentrasi larutan terhadap persentase ion kadmium (II) teradsorpsi sehingga diperoleh kondisi optimum. Tahap awal yaitu sintesis nanopartikel magnetite secara elektrokimia, diikuti tahap karakterisasi dengan XRD, FTIR, SEM, dan BET. Tahap akhir yaitu proses adsorpsi ion kadmium (II). Instrumen yang digunakan untuk mengetahui persen ion kadmium (II) oleh magnetite hasil sintesis. Instrumen yang digunakan untuk mengetahui persen ion kadmium (II) teradsorpsi adalah AAS. Hasil penelitian adalah (a) nanopartikel magnetite dapat disintesis dengan metode elektrokimia secara elektro-oksidasi besi dalam air pada voltase tinggi (70 V), (b) makin besar jarak antar elektrode makin kecil diameter partikel magnetite yang dihasilkan, dan (c) dengan pH dan waktu kontak optimum, yaitu pH 8 selama 30 menit, sebanyak 96,37 % Cd(II) dapat teradsorpsi oleh 50 mg magnetite dari larutan Cd(NO3)2 3 ppm. Kata kunci: Nanopartikel, magnetite, elektrokimia, adsorpsi, kadmium (II) ABSTRACT: The purpose of this study was to synthesis magnetite nanoparticles by electro-oxidation of iron in water with high voltage in various inter-electrodes distance, to determine optimum condition of the percentage of cadmium (II) ions adsorbed by the particles in various pH, contact time and concentration. Initial stages starting from the electrochemical synthesis of magnetite nanoparticles, followed by characterization of XRD, FTIR, SEM, and BET. The final stage was the adsorption process of cadmium (II) ion using magnetite nanoparticles as adsorbent. Instrument that was used to determine the percent of adsorbed cadmium (II) ions was AAS. The result of this research: (a) magnetite nanoparticles can be synthesized electro-oxidation of iron in water at high voltage (70 V), (b) the greater the distance between electrode the smaller particles size, and (c) the optimum pH and contact times obtained when the adsorption conducted at pH 8 for contact time 30 minutes, where 96.37% Cd(II) can be adsorbed from a solution of Cd(NO3)2 3 ppm by 50 mg magnetite.
Nanoteknologi merupakan teknologi berbasis pengelolaan materi yang berukuran nanometer atau satu per miliar meter. Perkembangan nanoteknologi menyebabkan berkembang pula penelitian tentang partikel berukuran nanometer atau disebut dengan nanopartikel. Partikel dalam ukuran nanometer memiliki luas permukaan yang besar dengan mengecilnya ukuran (Abdullah & Khairurijal, 2010: 1-3). Salah satu nanopartikel yang telah banyak digunakan dan dikembangkan oleh ilmuwan adalah magnetite (Fe3O4). Magnetite dikenal juga sebagai black iron oxide, magnetic iron ore, loadstone, ferrous ferrit, atau hercules stone yang menunjukkan kemagnetan paling kuat di antara oksida-oksida logam transisi (Teja & Koh, 2009). Beberapa metode sintesis nanopartikel magnetite adalah metode aerosol, pengendapan dan elektrokimia. Sintesis dengan metode aerosol pada dasarnya
melibatkan reaksi-reaksi dalam fasa gas. Sintesis dengan metode pengendapan melibatkan reaksi kimia spontan di fasa cair. Sedangkan sintesis dengan metode elektrokimia melibatkan reaksi redoks dalam sel elektrokimia. Sintesis dengan metode elektrokimia memiliki keunggulan yaitu berprinsip sederhana, dapat dilakukan pada suhu kamar dan mudah dikontrol, seperti ukuran partikel yang dapat dikontrol melalui pengaturan rapat arus atau voltase dan jarak antar elektrode. Tahap sintesis dilakukan sesuai dengan metode elektrokimia yang dikembangkan oleh Fajaroh, dkk. (2012) yang diawali dengan preparasi anode melalui elektroplating sehingga diperoleh besi murni yang selanjutnya diaplikasikan sebagai sumber besi dalam sintesis nanopartikel magnetite. Sintesis dilakukan dengan menggunakan rapat arus yang bervariasi (0,175 A/dm2; 0,25 A/dm2; 0,325 A/dm2) pada suhu kamar. Beberapa aspek yang belum dipelajari dalam Fajaroh, dkk. (2012) adalah aspek penggunaan voltase tinggi, pengaruh jarak antar elektrode pada sintesis dengan voltase tinggi terhadap karakter partikel yang dihasilkan, serta aplikasi dari nanopartikel magnetite hasil sintesis . Material dalam ukuran nanometer tersebut mempunyai luas permukaan yang sangat besar. Karakter inilah yang dapat diunggulkan dalam banyak aplikasi, salah satu di antaranya sebagai adsorben logam berat. Daya adsorpsi terhadap logam berat termasuk salah satu karakter penting dari material tersebut, mengingat lingkungan dan kehidupan di bumi saat ini menghadapi ancaman yang serius dari pencemaran logam berat akibat meningkatnya populasi dan industri di dunia. Kadmium merupakan salah satu logam berat yang terkandung dalam limbah industri pelapisan logam (Der, 2012). Kadmium dapat menimbulkan ancaman serius di lingkungan karena bersifat non-biodegradabel dan toksik walaupun dalam konsentrasi rendah yaitu 0,0001 mg/L ( Feng dkk, 2010). Adsorpsi merupakan salah satu metode yang paling populer dan efektif untuk menanggulangi pencemaran logam berat, karena proses adsorpsi menawarkan fleksibilitas dalam desain dan operasinya ( Pang dkk, 2011). Proses adsorpsi dengan nanopartikel magnetite sebagai adsorben dimungkinkan, karena atom-atom oksigen di permukaan magnetite berpotensi mengikat ion-ion logam berat, sehingga dapat menurunkan kadar logam berat dalam air atau pun limbah cair. Tahap adsorpsi berdasarkan pada penelitian Bahrami, dkk. (2012) menggunakan nanopartikel magnetite termodifikasi sebagai adsorben untuk menghilangkan kadmium dalam air limbah. Berdasarkan uraian di atas, maka peneliti memiliki ketertarikan untuk melakukan penelitian “Aplikasi Nanopartikel Fe3O4 (Magnetite) Hasil Sintesis secara Elektrokimia sebagai Adsorben Ion Kadmium (II)” METODE PENELITIAN Pelapisan Besi Langkah pertama yang dilakukan adalah menyusun rangkaian alat yang terdiri atas bejana kaca berukuran 10 x 12 x 16 cm, kemudian mengisi bejana dengan 500 mL FeSO4.7H2O dalam aquades dengan konsentrasi 0,02 mol/L. Pembuatan larutan elektrolit tersebut dilakukan dengan cara menimbang padatan FeSO4.7H2O sebanyak 2,78 gram dan dilarutkan sampai 500 mL dengan aquades. Lempeng besi yang akan dilapisi ditempatkan sebagai katoda sedangkan untuk anodanya menggunakan elektroda grafit lalu diatur jarak antar elektrode 2 cm.
Bejana yang sudah tersusun rangkaian elektrolisis dan terisi larutan elektrolit kemudian diletakkan di atas pengaduk magnet agar pengadukan konstan lalu dialirkan arus DC dari power supply dengan tegangan 20 volt. Elektroplating besi dilakukan selama 3 jam. Setelah proses dihentikan, diperoleh produk berupa lempeng besi yang telah terlapisi besi murni. Sintesis Fe3O4 dan Karakterisasinya Tahap sintesis diawali dengan menyusun alat elektrolisis dan menyiapkan elektrode lempeng besi terlapisi besi murni sebagai anode dan besi komersil sebagai katode. Setelah itu dialirkan arus listrik dari power supply DC 70 V dengan variasi jarak antar elektrode 2, 3 dan 4 cm. Percobaan ini dilakukan selama 4 jam, setelah itu produk yang dihasilkan dipisahkan dan dikeringkan. Proses pengeringan endapan dilakukan dengan oven yang bersuhu 40-60°C selama 1 jam. Hasil yang diperoleh kemudian dikarakterisasi dengan XRD untuk identifikasi fasa, FTIR untuk identifikasi jenis ikatan, SEM untuk penentuan morfologi, rerata ukuran dan distribusi ukuran partikel, serta BET untuk pengukuran diameter partikel rata-rata dari nanopartikel magnetite. Aplikasi Fe3O4 sebagai Adsorben Ion Kadmium (II) Langkah awal yang dilakukan adalah membuat larutan induk Cd(II) 1000 ppm dengan cara melarutkan 2,772 gram Cd(NO3)2.4H2O dengan aquades dalam gelas beaker sampai semua padatan larut lalu dimasukkan larutan ke dalam labu ukur 1000 mL dan ditambahkan aquades sampai tanda batas. Setelah itu dikocokkocok hingga homogen. Langkah kedua membuat larutan standar 1, 2, 3, dan 4 ppm dengan cara mengambil 4 buah labu takar 100 mL, masing-masing diisi 0,1; 0,2; 0,3; dan 0,4 mL larutan induk Cd2+ 1000 ppm, kemudian ditambah aquades sampai tanda batas lalu dikocok hingga homogen. Pembuatan larutan standar ini bertujuan untuk membuat kurva kalibrasi dengan menggunakan AAS. Pembuatan kurva kalibrasi ini dapat dilakukan dengan cara mengukur larutan standar pada berbagai variasi dengan menggunakan alat tersebut, kemudian dibuat kurva dengan konsentrasi sebagai sumbu X dan absorbansi sebagai sumbu Y. Langkah ketiga yaitu membuat larutan sampel diawali pada pengaruh variasi pH (2, 4, 6, dan 8) yang dilakukan dengan cara mengambil 5 Erlenmeyer, masing-masing diisi 25 mL larutan Cd(NO3)2 3 ppm dan diatur variasi pH dengan cara penambahan HNO3 untuk suasana asam dan NaOH untuk suasana basa. Larutan-larutan tersebut kemudian diukur absorbansinya sebagai absorbansi awal. Setelah itu sebanyak 0,05 gram magnetite yang disintesis dengan jarak antar elektrode 4 cm dan voltase 70 V dimasukkan ke dalam masing-masing Erlenmeyer. Kemudian masing-masing larutan dikocok dengan menggunakan shaker dengan kecepatan 250 rpm selama 60 menit. Setelah itu larutan disentrifugasi pada 2500 rpm selama 30 menit untuk memisahkan supernatan dengan residu. Supernatan akan diukur absorbansinya dengan AAS untuk menentukan kadar ion logam Cd(II) dalam larutan setelah adsorpsi. Langkah keempat yaitu membuat larutan sampel pada pengaruh variasi waktu kontak (2, 5, 10, 15, 30, dan 60) menit yang dilakukan dengan cara mengambil 6 Erlenmeyer, masing-masing diisi 25 mL larutan Cd(NO3)2 3 ppm dengan pH 8. Pengaturan suasana basa dengan mengisi 10 mL larutan Cd(NO3)2 yang dilakukan dengan menambahkan NaOH lalu diisi larutan kembali sebelum 25 mL dan pHnya dicek kembali. Larutan-larutan tersebut kemudian diukur
absorbansinya sebagai absorbansi awal. Setelah itu sebanyak 0,05 gram magnetite yang disintesis dengan jarak antar elektrode 4 cm dan voltase 70 V dimasukkan ke dalam masing-masing Erlenmeyer. Kemudian masing-masing larutan dikocok dengan menggunakan shaker dengan kecepatan 250 rpm selama (2, 5, 10, 15, 30, dan 60) menit. Setelah itu larutan disentrifugasi pada 2500 rpm selama 30 menit untuk memisahkan supernatan dengan residu. Supernatan akan diukur absorbansinya dengan AAS untuk menentukan kadar ion logam Cd(II) dalam larutan setlah adsorpsi. Langkah kelima yaitu membuat larutan sampel pada pengaruh variasi konsentrasi (1, 2, 3, dan 4) ppm yang dilakukan dengan cara mengambil 4 Erlenmeyer, masing-masing diisi 25 mL larutan Cd(NO3)2 lalu diatur variasi konsentrasinya dan pHnya (pH 8). Setelah itu sebanyak 0,05 gram magnetite yang disintesis dengan jarak antar elektrode 4 cm dan voltase 70 V dimasukkan ke dalam masing-masing Erlenmeyer. Kemudian masing-masing larutan dikocok dengan menggunakan shaker dengan kecepatan 250 rpm selama 30 menit. Setelah itu larutan disentrifugasi pada 2500 rpm selama 30 menit untuk memisahkan supernatan dengan residu. Supernatan diukur absorbansinya dengan AAS untuk menentukan kadar ion logam Cd(II) dalam larutan setelah adsorpsi. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Sintesis Nanopartikel Magnetite dan Karakterisasinya Produk hasil elektrolisis berupa serbuk berwarna hitam dan dapat ditarik oleh magnet. Hasil XRD seperti tampak pada Gambar 1 bersesuaian dengan pola XRD standar magnetite (JCPDS card no 19-629) yakni adanya puncak-puncak pada sudut 30,5; 35,9; 37; 43,4; 53,6; 57,3; dan 63,1. Analisis dengan FTIR sebagaimana tampak pada Gambar 2 yang menunjukkan adanya ikatan Fe-O pada bilangan gelombang 416 dan 549,71 cm-1 menguatkan hasil XRD di atas.
Gambar 1. Hasil XRD Magnetite Hasil Sintesis
Gambar 2. Spektrum Magnetite Fe3O4
Karakterisasi berikutnya adalah karakterisasi SEM yang bertujuan untuk menentukan morfologi partikel magnetite yang dihasilkan. Foto SEM untuk produk magnetite yang dihasilkan pada voltase 70 V dan jarak antar electrode 4 cm dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Foto Scanning Electron Microscopy (SEM) Fe3O4 dengan Perbesaran 100.000 kali
Nanopartikel magnetite hasil analisis dengan SEM menunjukkan morfologi sferik dan masih teraglomerasi. Ditinjau dari rerata ukuran partikel diperoleh ukuran 26,23 - 40,48 nm. Hasil karakterisasi ini menunjukkan bahwa magnetite telah berukuran nanopartikel dan dapat disintesis dengan metode elektrokimia. Karakterisasi terakhir yang dilakukan adalah karakterisasi BET (Brunauer Emmett Teller) yang bertujuan untuk penentuan diameter partikel ratarata. Hasil karakterisasi didapatkan luas permukaan spesifik sehingga dapat dihitung diameter partikel rata-rata menggunakan rumus sebagai berikut: 6 Diameter partikel rata − rata (nm) =
Densitas (ρ) magnetite adalah 5,18 g/cm3, sehingga didapatkan diameter partikel rata-rata masing-masing sampel seperti pada Tabel 1.
Tabel 1. Besar Luas Permukaan Spesifik (m2/g) dan Diameter Partikel Rata-rata (nm) dari Nanopartikel Magnetite Hasil Sintesis Voltase (V)
Jarak antar electrode (cm)
70 70 70
Luas permukaan spesifik (m2/g)
4 3 2
Diameter partikel rata-rata (nm)
67,428 39,200 27,997
17,18 29,47 41,37
Tampak dalam Tabel 1 bahwa diameter partikel rata-rata dari masingmasing sampel dengan jarak antar elektrode 2, 3 dan 4 cm pada voltase tetap 70 V menunjukkan perbedaan nilai diameternya yaitu 41,37 nm , 29,47 nm dan 17,18 nm. Hal ini menunjukkan bahwa magnetite yang disintesis telah memiliki ukuran nanometer. Dari ketiga sampel dapat disimpulkan bahwa semakin dekat jarak antar elektrodenya maka semakin kecil luas permukaan spesifik dan semakin besar diameter partikel rata-rata yang dihasilkan, dan juga sebaliknya. Adsorpsi Ion Cd2+oleh Magnetite pada Berbagai Kondisi Pengaruh Variasi pH Penelitian ini menggunakan nanopartikel magnetite hasil sintesis yang ukuran partikelnya telah di atur dengan pengaruh jarak antar elektrode dan pengaruh voltase tinggi (70V) sehingga diperoleh partikel yang berukuran nano dan dapat diaplikasikan dengan baik sebagai adsorben. Berikut ini merupakan kurva adsorpsi ion Cd(II) oleh nanopartikel magnetite terhadap pengaruh variasi pH yaitu 2, 4, 6 dan 8 yang ditunjukkan pada Gambar 4. 120
%teradsorpsi
100 80 60 40 20 0 -20 0
2
4
6
8
10
12
pH Gambar 4. Kurva Adsorpsi Ion Cd2+ oleh Serbuk Magnetite dengan Variasi pH padaWaktu Kontak 60 menit
Kurva tersebut menunjukkan bahwa persentase adsorpsi antara pH 2-6 rendah. Kemudian terjadi peningkatan yang signifikan, sehingga tercapai titik optimum pada pH 8. Di atas pH 8, kembali terjadi penurunan secara perlahan. Fakta ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Pada pH rendah, adsorben (magnetite) larut perlahan, selain itu pada pH rendah terjadi persaingan antara ion Cd2+ dan ion H+ dalam memperebutkan tempat di permukaan adsorben sehingga
%teradsorpsi
menyebabkan persentase ion Cd2+ yang teradsorpsi menurun. Pada pH 8 terjadi kenaikan persen teradsorpsi sebesar 93,61%. Kenaikan terjadi karena pada pH tersebut ion OH- mulai terbentuk, sehingga permukaan magnetite dikelilingi oleh muatan negatif dan terjadi tarik menarik dengan adsorbat yang bermuatan positif sehingga meningkatkan penyerapan ion Cd(II). Penurunan perlahan persentase adsorbat pada pH>8, disebabkan karena konsentrasi OH- yang berlebih menyebabkan Cd(II) terendapkan sebagai hidroksidanya. Pengaruh Variasi Waktu Kontak Berikut ini merupakan kurva adsorpsi ion Cd(II) oleh nanopartikel magnetite terhadap pengaruh variasi waktu kontak yaitu 2, 5, 10, 15, 30 dan 60 menit yang ditunjukkan pada Gambar 5. 99.8 99.6 99.4 99.2 99 98.8 98.6 98.4 0
10
20
30
40
50
60
70
waktu (menit) Gambar 5. Kurva Adsorpsi Ion Cd2+ oleh Serbuk Magnetite dengan Variasi Waktu Kontak pada pH 8
Kurva tersebut menunjukkan bahwa pada waktu kontak 2-30 menit terjadi kenaikan persen teradsorpsi ion Cd2+ secara signifikan, hal ini disebabkan belum terjadi kesetimbangan adsorpsi. Semakin lama waktu kontak antara adsorben magnetite dengan adsorbat, maka daya adsorpsi magnetite terhadap ion Cd2+ pada adsorbat akan semakin bertambah besar. Waktu kontak yang semakin lama akan memberikan kesempatan bagi adsorben untuk kontak dengan ion-ion dalam adsorbat. Pada waktu kontak 30 menit telah terjadi kesetimbangan adsorpsi, hal ini ditunjukkan pada waktu lebih dari 30 menit yaitu 60 menit persen keterserapannya mempunyai nilai yang sama yaitu sebesar 99,51%. Pengaruh Variasi Konsentrasi Berikut ini merupakan kurva adsorpsi ion Cd(II) oleh nanopartikel magnetite terhadap pengaruh variasi konsentrasi yaitu 1, 2, 3 dan 4 ppm yang ditunjukkan pada Gambar 6.
97
%teradsorpsi
96 95 94 93 92 91 90 0
1
2
3
4
5
konsentrasi (ppm) Gambar 6. Kurva Adsorpsi Ion Cd2+ oleh Serbuk Magnetite dengan Variasi Konsentrasi pada pH 8 dan Waktu Kontak 30 menit
Berdasarkan kurva tersebut diketahui bahwa pada konsentrasi 1-3 ppm terjadi peningkatan persen teradsorpsi, hal ini terjadi karena saat terjadi adsorpsi, ion Cd2+ yang terserap pada magnetite melakukan kesetimbangan dengan ion Cd2+ yang terdapat dalam air sehingga makin besar konsentrasi ion Cd2+ yang terlarut dalam larutan maka semakin banyak jumlah konsentrasi ion Cd2+ yang teradsorpsi pada permukaan adsorben. Penurunan persen teradsorpsi terjadi saat ditambahkan konsentrasi menjadi 4 ppm, jika penurunan ini terjadi terus menerus serta tidak mengalami kenaikan maka sistem dikatakan telah jenuh dan tidak dapat mengalami proses adsorpsi lagi, selain itu penurunan persen teradsorpsi juga disebabkan karena telah terjadi superdifusi partikel-partikel adsorbat yang dapat menghalangi partikel adsorbat lain untuk melakukan interaksi dengan permukaan adsorben karena terjadi tumbukan. Tumbukan yang terjadi menyebabkan partikelpartikel adsorbat yang menempel pada permukaan adsorben dapat mengalami desorpsi (Kimmich, 2002). PENUTUP Kesimpulan Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa Nanopartikel magnetite dapat disintesis dengan metode elektrokimia secara elektro-oksidasi besi dalam air pada voltase tinggi (70 V). Makin besar jarak antar elektrode makin kecil diameter partikel magnetite yang dihasilkan. Faktor pH, waktu kontak dan konsentrasi mempengaruhi adsorpsi ion Cd(II) oleh magnetite. Dengan pH dan waktu kontak optimum, yaitu pH 8 selama 30 menit, sebanyak 96,37% Cd(II) dapat teradsorpsi oleh 50 mg magnetite dari larutan Cd(NO3)2 3 ppm. Saran Berdasarkan kesimpulan hasil penelitian, maka saran yang dapat diberikan yaitu perlu dilakukan penelitian sintesis nanopartikel magnetite dengan variasi lain yaitu rapat arus, Adsorben magnetite bisa dimanfaatkan untuk menyerap logamlogam berat lain dalam proses pemurnian air minum, dan perlu adanya penelitian
mengenai pengaruh variabel yang lain terhadap adsorpsi ion Cd2+ dengan menggunakan metode yang sama. DAFTAR RUJUKAN Abdullah, M Abdullah, M &Khairurijal. 2010. Karakterisasi Nanomaterial, Teori, Penerapandan Pengolahan Data. Bandung: CV. Rezeki Putra Bandung Bahrami, M., Saeed, B., Kashkuli, H.A., Firoozi, A.F. &Babaei, A. 2012. Removal of Cd(II) from Aquoeous Solution Using Modified Fe3O4 Nanoparticles. Journal of Sciencepub, 4: 31-39. Der, V.P. 2012.Removal of Metal Ions from Synthetic and Galvanic Wastewater by Their Incorporation into Ferrites.DisertasiDiterbitkan. Hamburg: Thecnischen University of Hamburg. Fajaroh, F., Setyawan, H., Widiyastuti, W. &Winardi, S. 2012. Synthesis of Magnetite Nanoparticles by Surfactant-free electrochemical method in an Aqueous System.Journal of Advance Powder Technology, 23: 328. Feng, Y., Gong, J.L., Zeng, G.M., Niu, Q.Y., Zhang, H.Y., Deng, J.H. & Yan, Ming. 2010. Adsorption Of Cd (II) and Zn (II) From Aqueous Solutions Using Magnetic Hydroxyapatite Nanoparticles as Adsorbents. Chemical Engineering Journal, 162: 487. Kimmich, R. 2002. Strange Kinetics, Porous Media, and NMR. Chemical Physic,(284):253-285. Pang, Y., Zeng, G., Tang, L., Zhang, Y., Liu, Y., Lei, X., Li, Z. &Xie, G. 2011.PEI- Grafted Magnetic Porous Powder for Highly Effective Adsorption of Heavy Metals Ions.Journal of ScienceDirect, 281: 278. Teja, A.S. &Koh, P. 2009. Synthesis, properties , and application of magnetic iron oxide nanoparticles. Progress in crystal growth and characterization of materials, 55: 22.
