5
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1. Zeolit Sejarah perkembangan zeolit dimulai dari penemuan seorang ahli mineral dari Swedia bernama Cronstedt pada tahun 1756, dia menyebutkan zeolit merupakan mineral yang terdiri dari hidrat aluminosilikat dari alkali dan alkali tanah. Karena Kristal yang berubah jika dipanaskan. Zeolit berasal dari dua kata Yunanai ‘zeo’ dan ‘lithos’ artinya dipanaskan dan batu. Kemudian banyak penelitian yang dilakukan untuk mengetahui sifat dari zeolit. Apa yang membuat zeolit sangat spesial, pertanyaan kenapa sangat spesial karena jika dibandingakan dengan crystalline inorganic oxide-material, bisa dijawab dengan kombinasi sifat yang dimiliki seperti; karakter
microporous, yang memungkinkan molekul
hidrokarbon masuk ke dalam kristal zeolit. Sifat penukar ion yang dimiliki, memungkinkan terjadinya pertukaran ion. Dengan meningkatkan keasaman sehingga bisa digunakan untuk bahan katalis organik. Zeolit adalah kristal aluminosilikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensi. Kerangka dasar sturuktur zeolit terdiri dari unit tetrahedral AlO2 dan SiO2 yang saling berhubungan melalui atom O, sehingga zeolit mempunyai rumus empiris sebagai berikut x/n Mn+[(AlO2)x(SiO2)y]⋅zH2O. Komponen pertama Mn+ adalah sumber kation yang dapat bergerak bebas dan dapat dipertukarkan secara sebagian atau secara sempurna oleh kation lain. Zeolit mempunyai sifat yang dikenal sebagai penukar kation, penyerap dan penyaring
5
6
molekul serta sebagai katalis. Selain mengandung alkali dan alkali tanah, zeolit alam juga mengandung mineral lain seperti feldspar, kuarsa dan lainnya. Perbedaan jenis zeolit adalah mempunyai daya jerap (adsorption) molekul yang berbeda-beda secara selektif. Keselektifan ini tergantung dari struktur masingmasing jenis zeolit, sehingga zeolit dapat digunakan sebagai (Bekkum dkk, 1991): a. Penyaring ion, molekul atau sebagai katalis, Zeolit dapat menyaring ion, molekul, maupun atom karena mempunyai saluran (channel) dan rongga (cavity) dalam struktur zeolit bila oxygen window dari saluran atau rongga lebih kecil dari ion, molekul, atau atom. Zeolit mempunyai pori sehingga juga dapat digunakan sebagai katalis untuk mempercepat reaksi dalam proses kimia. b. Bahan penjerap, Bila zeolit dipanaskan pada suhu tinggi maka akan terjadi dehidrasi, penguapan yang dikandungnya sehingga menyebabkan zeolit akan selektif dalam menyerap molekul-molekul seperti He, N2, O2, CO2, SO2, Ar, dan Kr. Proses penyerapan molekul oleh zeolit terjadi karena strukturnya juga mempunyai polaritas yang tinggi. c. Penukar ion, Pertukaran ion pada dasarnya terjadi dalam suatu cairan yang mengandung anion, kation, dan molekul air dimana salah satu atau sebagian ion yang terikat pada matriks mikropori berfase padat. Molekul air dapat berada dalam mikropori bersama ion (kation, anion) dengan muatan yang berlawanan dengan ion matriks sehingga terjadi kesetimbangan muatan untuk mencapai kedaan
netral, sehingga ion
yang berada dalam cairan dapat bergerak bebas di dalam matriks
7
mikropori. Ikatan kation dan anion pada Kristal zeolit berupa ikatan kovalen,ikatan ion dan juga ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen adalah ikatan yang melibatkan hidrogen. Ikatan kovalen adalah ikatan antara ion positif dan negative karena partikel yang muatan yang berlawanan saling tarik menarik, ikatan ion adalah ikatan pada atom dengan pemakaian bersama sepasang electron atau lebih ( Sukri, 1999 ), ikatan ion akan terbentuk dengan mudah jika atom yang bersangkutan mudah membentuk kation ( Sukarja, 1989 ). Pada zeolit terjadi proses pertukaran ion antara molekul zeolit seperti Si dan Al dengan molekum logam pada limbah logam cair yang berasal dari limbah industry, seperti limbah nikel pada proses electroplating nikel, berdasarkan selektifitas dari pertukaran kation berdasarkan deret Al3+ > Ba2+ > Pb2+> Ca2+ > Ni2+ > Cd2+ > Cu2+ > Co2+ > Zn2+ > Mg2+ > Ag2+ > K+ > NH4+ > Na+ > H+ > Li+ , Al memiliki selektifitas yang tinggi ( Harvey, 2000), jika dilihat antara Ni dan H, selektifitas Ni lebih tinggi, sehingga kecendrungan Ni lebih kuat menggantikan H pada proses penjerapan limbah nikel. Pada saat zeolit diaktifasi dengan pemanasan molekul hydrogen yang berikatan dengan SiO2 akan lepas sehingga muatan negatif berada pada unsur O. Nikel yang berada pada limbah cair yang bermuatan 2 + jika diinteraksikan dengan zeolit maka Ni yang ada akan tertarik dan berikatan dengan O. dengan adanya ikatan yang lepas dari limbah menuju zeolit maka kandungan zeolit yang ada pada limbah akan berkurang.
8
Energy,aktifasi dengan pemanasan
O Si
H
O
2+
Si2+ O
H
O
H O
Ni2+
O
Si2+
H
H O
O O
( Zeolit aktif )
Ni2+
O
H
H
O
H
( Proses Penjerapan )
O H
H
Gambar 2.1 Gambar Pertukaran Ion Dalam Proses Penjerapan
Sekitar 190 tipe rangka dari zeolit telah diketahui, secara nyata hanya 10 tipe yang telah diaplikasikan, karena sifat termal, dan kesetabilan mekanis yang dimilikinya, zeolit sintetis memerlukan banyak biaya untuk membuatnya, dan banyak tipe yang tidak tersedia secara komersial. Yang digunakan secara komersial adalah seperti dalam tabel 2.1 dibawah ini, selain zeolit alami (Niwa dkk.,2010), Ada tiga tipe zeolite (Chester dkk., 2001) diklasifikasikan
zeolit yang memiliki
porositas kecil, sedang dan besar. Zeolit dengan porositas kecil biasa digunakan untuk menjerap n-paraffins, zeolit yang memiliki porositas yang lebih besar digunakan untuk menjerap branched paraffins.
9
Tabel 2.1. Zeolit Yang Digunakan Dalam Industri (Niwa dkk,2010)
Zeolite dengan porositas sedang atau menengah hanya digunakan untuk paraffin rantai bercabang, tetapi yang tidak terlalu tinggi dapat terjerap. Zeolite yang memiliki porositas yang besar, dipakai sebagai molecular sieves, yang bisa memisahkan molekul yang memiliki struktur yang berbeda. Mekanisme yang terjadi selama hidrotermal, diantaranya meliputi: terlarutnya sedikit padatan dalam air, difusi zat terlarut dan timbulnya senyawa yang berbeda dari padatan terlarut, yang terjadi pada suhu cukup rendah (100-300oC), pada autoclave di atas 100oC. Proses ini meliputi modifikasi tekstur atau struktur pada suatu padatan yang mengikuti hukum termodinamika dan proses ini mengurangi energi bebas pada sistem. Perubahan pada tekstur murni akan menyebabkan reduksi pada luas permukaan dan meningkatkan ukuran partikel dan pori (Jumaeri dkk,. 2007). Proses aktifasi juga berujuan untuk menghilangkan unsur-unsur pengotor dan menguapkan air yang terperangkap dalam pori-pori kristal zeolit (Supriono dan Pujiastuti, 2003 ). Ada dua tipe proses yang digunakan dalam penelitian, yaitu
10
type batch dan type columm. Type batch digunakan untuk mengetahui pengaruh pH, Suhu Proses, sedangkan type columm digunakan untuk mengetahui pengaruh laju aliran terhadap penjerapan limbah (Malcok dkk,.2006).
2.2. Penggunaan Zeolit Ada beberapa fungsi utama dari penggunaan zeolit antara lain : pertama sebagai media penjerap,misalnya diaplikasikan sebagai media pengering pada proses pemurnian gas, sebagai separator dalam proses pemisahan n-paraffins dari branched paraffins, p-xylene dari isomers. Yang kedua adalah sebagai katalis dalam proses pemurnian bahan bakar, pembuatan bahan bakar sintetik. Yang ketiga adalah digunakan sebagai detergent atau bahan baku sabun, sebagai pengganti penggunaan phospat. Yang keempat adalah digunakan sebagai bermacam-macam hal seperti pada proses pengolahan limbah air, makanan tambahan pada makanan ternak, juga sebagai pembenah tanah di bidang pertanian (Bekkum dkk., 1991). Dapat digunakan sebagai banyak hal seperti yang telah dijabarkan di atas, ini karena zeolit memiliki sifat yang dimiliki, antara lain (Ribeiro dkk., 1995): 1. Memiliki struktur porositas mikro (microporous) yang unik, sehingga memiliki sifat molecular sieving yang baik, sehingga banyak digunakan sebagai katalis. 2. Struktur yang bervariasi, mulai dari dengan porositas rendah, sampai dengan yang memiliki porositas yang tinggi, sehingga cukup untuk memproses molekul yang berat.
11
3. Kemungkinan untuk kontrol dengan cara yang bervariasi, tidak hanya geometri, tetapi juga komposisinya. 4. Kemampuan zeolit sebagai media penjerap, media lain yang memiliki sifat katalis , seperti ion logam, gugus logam kecil atau transisi logam kompleks. Zeolit sudah dapat digunakan untuk menjerap limbah, untuk meningkatkan kemampuan zeolit maka dilakukan aktifasi, aktifasi secara kimia dan fisika, aktifasi secara fisik akan meningkatkan luas permukaan pori zeolit dan akan meningkatkan porositasnya. Aktifasi ada dua yaitu (Ahmadi, 1997): 1.
Fisika dilakukan dengan melakukan pemanasan pada temperatur tertentu untuk mengurangi kandungan air, dan meningkatkan porositas dari zeolit,
2.
Kimiawi yaitu dengan menggunakan bahan kimia tertentu yang berfungsi mengikat dan membuang senyawa pengotor dan mengatur kembali letak atom yang dapat dipertukarkan. Bahan kimia yang digunakan untuk aktifasi antara lain asam sulfat
2.3. Standar Baku air Penetapan baku mutu air selain didasarkan pada peruntukan (designated beneficial water uses), juga didasarkan pada kondisi nyata kualitas air yang mungkin berada antara satu daerah dengan daerah lainnya. Setiap komunitas atau perkumpulan akan menghasilkan limbah padatan dan cairan.
12
Tabel 2.1 Baku Mutu Air Limbah Bagi Usaha Dan/Kegiatan Pertambangan Bijih Nikel Peraturan Menteri Negara Lingkungan Hidup No 09 Tahun 2006 (Anonim,2006)
Limbah cair, atau cairan yang sudah pernah digunakan untuk berbagai keperluan. Dari sumbernya limbah cair dapat dikatagorikan bagian dari cairan atau air pembawa limbah, dari perumahan, institusi, dan industri, yang tercampur dengan air tanah, air permukaan, atau air hujan ( George dkk., 2004). Setiap limbah harus dianalisa apakah sudah sesuai dengan standar yang telah ditentukan. Dalam tabel 2.1 dapat dilihat batas untuk logam berat dalam air. Di tabel untuk kandungan cemaran nikel 0,5 mg/l.
2.4. Elektroplating Nikel Industri elektroplating juga termasuk salah satu indstri yang berpeluang besar
sebagai
penghasil
limbah
logam
nikel.
Elektroplating
adalah
elektrodeposisi logam pelapis yang melekat ke elektroda untuk menjaga substrat dengan memberikan permukaan dengan sifat dan dimensi berbeda
13
dari pada logam basisnya memperbaiki penampilan, kekuatan dan ketahanan terhadap korosi. Proses melekatnya logam pelapais merupakan kebalikan dari proses korosi, dimana logam yang lebih mulia sebagai anoda yang akan teroksidasi, dipaksa untuk melepaskan ion dengan cara memberi muatan listrik dari sumber luar, dan ion yang lepas akan menempel pada k atoda, dan melapisi pemukaan katoda (Lowenheim, 1978). Pada proses permulaanya banyak dilakukan proses pengikisan logam, atau permukaan benda kerja, dan pada proses pelapisan pada saat slesai dilapisi, dilakukan pencucian benda kerja dari sisa larutan yang masih menempel pada permukaan benda kerja, dan ini akan terbawa oleh air cucian sebagai limbah logam dan hanyut ke lingkungan . Larutan yang digunakan adalah larutan dari type Watts (Lowenheim,1978) Nikel sulfate,NiSO 4 6H2 O
330 g/L
Nikel clorida,NiCL 2 6H 2 O
45 g/L
Asam borak,H 3 BO3
38 g/L
Temperatur
55
PH
1,5
Rapat arus
250
s
s
/d
/d s
/d
60 o C 4,5 1000 A/m2 .
2.5 Statistik Untuk Penelitian Dalam penelitian ini perlu dilakukan uji statistik,uji hipotesa untuk mengetahui apakah signifikan perubahan porositas yang terjadi, antara suhu aktifasi yang dilakukan. ( Sugiono, 2010.)
14
Varian untuk Variabel populasi ∑(𝑥𝑖 −𝑥̅ )2
𝜎2 =
𝑛
(2.1)
Standar deviasi untuk variable populasi 𝜎= √
∑(𝑥𝑖 −𝑥̅ )2 𝑛
(2.2)
Varian untuk data sampel 𝑠2 =
∑(𝑥𝑖 −𝑥̅ )2
(2.3)
(𝑛−1)
Standar deviasi untuk data sampel
𝑠= √
∑(𝑥𝑖−𝑥̅ )2 (𝑛−1)
(2.4)
Nilai korelasi
𝑟𝑥𝑦 =
∑𝑥𝑦 √( ∑𝑥 2 )( ∑𝑦 2 )
(2.5)
Rumus t tes kerhubungan, digunakan untuk mengetahui hubungan antara dua data sampel.
𝑡=
𝑥̅ 1 −𝑥̅2 𝑠2 𝑠2 𝑠 𝑠 √ 1 + 2 −2𝑟( 1 )( 2 ) 𝑛1 𝑛2 √𝑛1 √𝑛2
Keterangan : 𝑥̅1 :
rata-rata sampel 1
𝑥̅ 2 :
rata-rata sampel 2
(2.6)
15
S1
:
simpangan baku sampel 1
S2
:
simpangan baku sampel 2
S1 2 :
varian sampel 1
S2 2 :
varian sampel 2
r
korelasi antara data dua kelompok.
:
Nilai t hasil perhitungan akan dibandingakan dengan nilai t pada tabel, untuk mendapatkan adanya hubungan antara masing-masing sampel. 2.6. Faktor Kebulatan Dari Ukuran Butiran Zeolit Dilambangkan dengan 𝜓
atau 𝜙 aadalah menyatakan seberapa bulat
partikel zeolit yang telah diayak mempengaruhi luas permukaan dari zeolit yang akan menjerap limbah elektroplating nikel. Kebulatan partikel bervariasi dari bulat dan tidak bulat, menurut Wadell pada tahun 1933, untuk mengetahui faktor kebulatan dapat dicari dengan rasio luas permukaan bola pada volume yang sama dengan luas permukaan dari partikel, karena sulitnya melakukan pengukuran volume untuk partikel yang kecil ( Smith dkk.,2001), dan berkembang cara yang lebih mudah, dengan mencari rasio dari diameter lingkaran yang ada pada proyeksi gambar partikel dengan diameter dari lingkaran pada circumscribing pada partikel yang akan dicari kebulatannya (Willard & Margaret, 1943). Diameter partikel didapat dengan mengukur luas dari partikel dengan menggunakan
program
ImageJ,
dari
luas
tersebut
dicari
diameternya
menggunakan rumus luas lingkaran. Lingkaran circumscribing juga dibuat dengan program ImageJ.
16
Luas partikel (A1)
Luas circumscribing (A2)
Gambar 2.2 Ilustrasi Pengukuran Diameter Partikel Dari luas partikel (A1) dan Luas circumscribing (A2) dapat dicari diameter dari keduanya
𝐴1 = 𝜋𝑟 2 , 𝐴2 = 𝜋𝑟 2
𝑟1 = √𝐴⁄𝜋
; 𝑑1 = 2𝑟1 , 𝑟2 = √𝐴⁄𝜋
( 2.7 )
; 𝑑2 = 2𝑟2
( 2.8 )
Setelah didapat diameter dari partikel dan circumscribing, kemudian factor kebolaan dapat dicari dengan persamaan berikut:
𝜓=
𝑑1 𝑑2
( 2.9 )
Dari sumber lain kebolaan dicarai dengan cara seperti di bawah ini ( Basu & Fraser., 1991 ) Dv = [(6/π) x Volume partikel](1/3) = [(6V/π)](1/3)
( 2.10 )
Dv (volume diameter ) adalah diameter dari bola yang memiliki volume yang sama dengan partikel.
17
ds = [ luas permukaan partikel /π](1/2)
( 2.11 )
ds ( diameter Permukaan ) adalah diameter dari bola yang memiliki permukaan luar seperti partikel dsv = 6V/S
( 2.12 )
dsv ( diameter volume-permukaan) adalah diameter dari bola yang memiliki rasio volume permukaan yang sama dengan partikel kebolaan ( 𝜙) adalah luas permukaan sebuah bola dengan volume yang sama dengan partikel dibagi luas permukaan sebenarnya dari partikel
𝜙 = πdv2 / S
( 2.13 )
Dengan eleminasi persamaan (2.10), (2.12), dan (2.13) akan menjadi dsv = 𝜙 dv ,sehingga 𝜙 = dsv / dv
( 2.14 )
hubungan antara semua diameter di atas dengan ukuran ayakan ( d p ) dapat ditentukan dengan cara penelitian dan perhitungan geometri partikel, sebuah pendekatan untuk batuan pecahan didapat seperti : dv ≈ 1.13 dp
( 2.15 )
dsv ≈ 0.773 dp
( 2.16 )
dsv ≈ 0.87 dp
( 2.17 )
18
Gambar 2.3 Ilustrasi Pengukuran Diameter Partikel ( Basu & Fraser., 1991 )
Gambar 2.4 skema aliran limbah
Pada aliran limbah cair di dalam tabung yang telah diisi zeolit, jika memiliki kebulatan yang bagus akan memudahkan cairan mengalir dan kontak dengan permukaan juga semakin banyak, dibandingkan jika butiran zeolit berbentuk kubus, atau dengan kata lain faktor kebulatan mendekati bentuk kubus.
