5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Polimer Organik Polimer atau kadang-kadang disebut sebagai makromolekul. Polimer adalah molekul besar yang dibangun dari pengulangan kesatuan-kesatuan kimia yang kecil dan sederhana (monomer) (Firman, 1991). Berdasarkan asal polimer, dikenal polimer alami dan polimer sintetik. Polimer alami (organik) adalah polimer yang tersedia bebas di alam dan diderivasi dari hewan dan tumbuhan. Contoh dari polimer alami yang sudah digunakan sejak dulu adalah tumbuhan hijau, kayu, karet, kapas, wool, kulit dan sutera. Adapun jenis polimer alami lainnya seperti protein, enzim, tepung, dan selulosa sangat penting dalam proses biologi dan fisiologi tumbuhan dan hewan. Reaksi Polimerisasi adalah reaksi penggabungan molekul-molekul kecil (monomer) yang membentuk molekul yang besar. Ada dua jenis reaksi polimerisasi, yaitu : polimerisasi adisi dan polimerisasi kondensasi. Polimerisasi Adisi terjadi pada monomer yang mempunyai ikatan tak jenuh yaitu ikatan rangkap dengan melakukan reaksi dengan cara membuka ikatan rangkap dan menghasilkan senyawa polimer dengan ikatan jenuh, seperti Gambar 2.1.
Atau dapat dituliskan dengan :
Gambar 2.1 Mekanisme reaksi polimer adisi. [Sumber : http://www.academia.edu/7401894/7._Polymer. Diakses pada tanggal 8 mei 2015]
5
6
Polimerisasi kondensasi adalah reaksi yang terjadi antara dua molekul bergugus fungsi banyak yang menghasilkan molekul besar dengan disertai pelepasan molekul kecil seperti air melalui reaksi kondensasi (Cowd, 1991). Contoh reaksi polimer kondensasi seperti Gambar 2.2 :
Gambar 2.2 Mekanisme reaksi polimer kondensasi. [Sumber : http://www.digilib.unail.ac.id./1969/2/pdf.Polymer. Diakses pada tanggal 7 Januari 2016]
2.1.1 Serabut kelapa Kelapa adalah salah satu jenis polimer alami. Di dalam kelapa (Cocos nucefera L) dikenal dua varietas utama yaitu varietas dalam (tall variety) dan varietas genjah (drawf variety). Kelapa varietas genjah adalah jenis kelapa yang mempunyai ciri-ciri sebagai berikut : 1.
Bentuk batang ramping dari pangkal sampai ke ujung
2.
Tinggi batang mencapai 5 meter atau lebih
3.
Mulai berbuah cepat (3-4 tahun setelah tanam) dan dapat mencapai umur lebih dari 50 tahun.
Salah satu contoh varietas genjah adalah genjah kuning atau kelapa gading. Adapun bagian dari buah kelapa genjah kuning atau kelapa gading seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.3 :
7
(a)
(b) Gambar 2.3 (a) Pohon kelapa gading, (b) Bagian dari buah kelapa gading.
Serabut kelapa merupakan bagian tengah buah kelapa. Ketebalan sabut kelapa berkisar 5-6 cm yang terdiri atas lapisan terluar (exocarpium) dan lapisan dalam (endocarpium). Endocarpium mengandung serat halus sebagai bahan pembuat tali, karpet, sikat, keset, filter dan lainnya (Zainal M dan Yulius, 2005). 2.2 Immobilisasi Ion Immobilisasai ion dibagi menjadi tiga yaitu : 1. Adsorbsi 2. Kompleksasi 3. Pertukaran ion 2.2.1 Adsorbsi Adsorbsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat pada suatu padatan dan akhirnya membentuk lapisan tipis pada permukaan
8
padatan tersebut. Materi atau partikel-partikel yang diadsorbsi disebut adsorbat dan bahan yang mengadsorbsi disebut adsorben. Pada umumnya, adsorben bersifat spesifik yaitu hanya menyerap zat tertentu. Dalam memilih jenis adsorben pada proses adsorpsi, disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang akan diadsorbsi. Adsorbsi berbeda dengan absorbsi karena pengikatan molekul dilakukan pada permukaan adsorben. Adsorbsi dibedakan menjadi dua yaitu adsorbsi fisika yang disebabkan oleh gaya Van Der Waals dan adsorbsi kimia yang terjadi reaksi antara zat yang diserap (adsorbat) dengan adsorben. Adsorbsi fisika berhubungan dengan gaya Van Der Waals. Apabila daya tarikmenarik antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar dari daya tarik-menarik antara zat terlarut dengan pelarutnya, maka zat yang terlarut akan diadsorbsi pada permukaan adsorben. Adsorbsi ini mirip dengan proses kondensasi (perubahan wujud benda ke wujud yang lebih padat, misalnya gas (uap) menjadi cairan) dan biasanya terjadi pada temperatur rendah (Agustiningrum, 2012). Pada proses ini gaya yang menahan molekul fluida pada permukaan padat relatif lemah, dan besarnya sama dengan gaya kohesi (gaya tarik-menarik antar molekul yang sejenis) molekul pada fase cair (gaya Van Der Waals) sehingga hanya padatan saja yang mampu di adsorbsi oleh adsorben. Adsorbsi kimia merupakan reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat terlarut yang teradsorbsi. Adsorbsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang jauh lebih besar daripada adsorbsi fisika. Menurut Langmuir, molekul teradsorbsi ditahan pada permukaan oleh gaya valensi yang tipenya sama dengan yang terjadi antara atom-atom dalam molekul. Karena adanya ikatan kimia, maka pada permukaan adsorben akan terbentuk suatu lapisan dan akan menghambat proses penyerapan selanjutnya oleh batuan adsorben yang menyebabkan efektifitasnya menurun (Agustiningrum, 2012). Pada proses adsorbsi, terdapat juga laju penyerapan suatu fluida oleh adsorben dalam jangka waktu tertentu yang disebut kinetika adsorbsi. Kinetika adsorbsi suatu zat dapat diketahui dengan cara mengukur perubahan konsentrasi zat teradsorbsi dan menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta memplotnya pada grafik. Besar kecilnya adsorbsi dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya: a. Macam adsorben b. Macam zat yang diadsorbsi c. Luas permukaan adsorben
9
d. Konsentrasi zat yang diadsorben e. Temperatur Pada dasarnya adsorben merupakan komponen yang paling penting dalam proses adsorbsi. Umumnya adsorben bersifat spesifik, yaitu hanya menyerap zat tertentu. Dalam memilih jenis adsorben, harus disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang akan diadsorbsi. 2.2.2 Kompleksasi Kompleksasi atau senyawa koordinasi menurut definisi klasik diakibatkan dari mekanisme donor-akseptor atau reaksi asam-basa lewis antara dua atau lebih konstituen kimia yang berbeda. Setiap atom atau ion nonlogam, apakah bebas atau berada dalam molekul netral atau dalam senyawa ionik yang dapat menyumbangkan satu pasang elektron, dapat bertindak sebagai donor. Akseptor atau konstituen yang ambil bagian dalam pasangan elektron, seringkali berupa ion logam, walaupun dapat juga atom netral. 2.2.3 Pertukaran ion Pertukaran ion merupakan suatu metode yang digunakan untuk memisahkan ionion yang tidak dikehendaki berada dalam larutan untuk dipindahkan ke dalam media padat yang disebut dengan media penukaran ion, dimana media penukaran ion ini melepaskan ion lain kedalam larutan. Mekanisme pertukaran ion yaitu jika suatu larutan yang mengandung anion atau kation dikontakkan dengan media penukaran ion, maka akan terjadi pertukaran anion dengan mekanisme reaksi sebagai berikut : Mekanisme pertukaran anion : A+ + R+ B- = => B- + R+ AMekanisme pertukaran kation : A+ + R- B+ = => B+ + R- A+ Keterangan : A = ion yang akan dipisahkan (pada larutan) B = ion yang menggantikan ion A (pada padatan/media penukar ion) R = bagian ionik/gugus fungsional pada penukar ion.
10
2.3 Interaksi Laser dengan Bahan 2.3.1 Laser LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulation Emission of Radiation, yang artinya penguatan intensitas cahaya oleh emisi terangsang. Kata kuncinya adalah “penguatan” dan “emisi terangsang”. Laser merupakan cahaya yang monokromatik, koheren dan menuju satu arah yang sama sehingga cahayanya menjadi sangat kuat dan terkordinasi. Prinsip pembangkit laser menggunakan teori tentang atom. Sebuah atom terdiri dari inti atom yang disebut nukleus (berisi proton dan netron) dan elektron. Ilustrasi sederhana sebuah atom ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Ilustrasi sederhana sebuah atom. [Sumber : http://www.yohanessurya.com/ download/penulis/Teknologi_18.pdf. Diakses pada tanggal 24 Maret 2015]
Elektron-elektron dalam atom selalu berputar mengelilingi inti atom pada orbit tertentu sesuai dengan tingkat energinya. Keadaan energi yang paling rendah disebut dengan keadaan dasar (ground state). Orbit elektron yang memiliki tingkat energi paling rendah adalah yang paling dekat dengan inti. Dengan persamaan energi menurut model atom Bohr yaitu (Krane, 1992) :
Dengan : E = energi orbit (eV) n = tingkat energi atau kulit orbit ke (1, 2, 3....) Tanda (-) menandakan energi elektron masih dipengaruhi oleh inti atom. Semakin jauh letak elektron dari inti, semakin tinggi tingkat energinya. Artinya, apabila atom diberikan tambahan energi berupa energi panas, listrik ataupun energi cahaya, maka elektron yang berada di tingkat energi dasar atau ground state dapat berpindah ke tingkat energi yang lebih tinggi dan disebut atom tereksitasi (excited stated) seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5.
11
Gambar 2.5 Eksitasi elektron ke tingkat energi yang lebi tinggi. [Sumber : http://www.yohanes surya.com/ download/penulis/Teknologi_18.pdf. Diakses pada tanggal 24 Maret 2015]
Elektron yang teriksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi berada dalam keadaan tidak stabil dan akan selalu berusaha untuk kembali ke keadaan awalnya (ground state) atau keadaan metastabil dengan cara melepaskan kelebihan energi tersebut, dalam bentuk foton atau energi cahaya yang mempunyai panjang gelombang tertentu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Kembalinya elektron ke tingkat energi semula disertai emisi cahaya. [Sumber : http://www.yohanessurya.com/download/penulis/Teknologi_18.pdf. Diakses pada tanggal 24 Maret 2014]
Foton ini akan menstimulasi atau merangsang elektron lain yang berada pada keadan metastabil sehingga akan mengemisikan foton yang identik dalam hal energi, panjang gelombang dan frekuensi serta merambat ke arah yang sama sehingga mempunyai phase yang sama pula. Kejadian ini disebut stimulated emission of radiation, yang mendasari terjadinya laser. 2.3.2 Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) adalah metode spektroskopi untuk analisis kuantitatif dan kualitatif unsur yang terkandung dalam sebuah bahan. Teknik ini didasarkan pada analisis emisi plasma yang dihasilkan dengan cara memfokuskan laser pulsa berdaya tinggi pada sampel pada kondisi tekanan atmosfer.
12
Skema komponen utama secara sederhana untuk LIBS seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7, laser difokuskan ke permukaan sampel melalui lensa bikonvek. Sebagian kecil sampel (~ 0,01 mg) dengan kecepatan tinggi dan terjadi kompresi adiabatis dengan gas udara dilingkungan dan terbentuk gelombang kejut (shockwave). Energi gelombang kejut ini diserap oleh partikel-partikel yang terablasi dan digunakan untuk mengeksitasikan elektron-elektron dalam atom ke energi yang lebih tinggi. Elektronelektron dalam atom-atom yang tereksitasi kembali ke keadaan dasar (ground state) sambil memancarkan atau mengemisikan foton dengan panjang gelombang sesuai jenis unsurnya. Emisi ini selanjutnya diolah oleh spektrometer dan selanjutnya ditampilkan dikomputer sebagai grafik intensitas fungsi panjang gelombang.
Gambar 2.7 Skema sederhana komponen utama LIBS.
2.3.3 Metode deteksi plasma menggunakan LIBS Interaksi laser dengan sampel akan menghasilkan plasma yang mengemisikan foton dengan panjang gelombang sesuai unsurnya dan ditangkap oleh spektrometer serta ditampilkan dalam spektrum intensitas panjang gelombang. Hasil spektrum emisi ini salah satunya bergantung pada waktu deteksi untuk menangkap emisi. Ada dua jenis variabel waktu yaitu waktu tunggu deteksi , tt (delay time detection) dan waktu lama pendeteksian, tg (gate time) seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.8
13
(a) Intensitas Emisi Unsur Zn (a.u)
1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 465
470
475 480 Panjang Gelombang (nm)
485
490
485
490
(b) Intensitas Emisi Unsur Zn (a.u)
500 400 300 200 100 0 465
470
475 480 Panjang Gelombang (nm)
(c) Gambar 2.8 (a) Metode deteksi plasma pada LIBS, (b) spektrum dengan sinyal latar (sinyal latar tinggi), (c) spektrum tanpa sinyal latar (sinyal latar rendah).
Gambar 2.8(a) menunjukkan perjalanan umur plasma. Pada saat laser difokuskan pada sampel, terbentuk plasma primer dengan kerapatan partikel yang sangat tinggi
14
(~10 ns). Kondisi ini menyebabkan ion-ion berekombinasi dengan elektron-elektron dan elektron melepaskan energi dalam bentuk foton dengan panjang gelombang kontinyu. Selain itu, pada plasma primer juga terjadi tumbukan bebas antara elektron dengan elektron (Bremsstrahlung). Hal ini juga mengakibatkan elektron mengemisikan foton dengan panjang gelombang lebar/kontinyu. Emisi kontinyu inilah yang menyebabkan spektrum terangkat atau sinyal latar (background) tinggi seperti ditunjukkan pada gambar 2.8(b). Proses Bremsstrahlung dan rekombinasi ion berlangsung sangat cepat (~10 ns atau selebar pulsa laser). Oleh sebab itu pendeteksian emisi sebaiknya dilakukan setelah 1 s dari ablasi laser dan waktu inilah yang disebut dengan waktu tunggu (delay time). Nilai waktu tunggu ini bervariasi tergantung jenis unsurnya, tetapi hampir semua unsur memiliki waktu emisi lebih dari 1 s. Spektrum yang dihasilkan dengan delay time
setelah 1s ditunjukkan oleh gambar 2.8(c) yang mana
backgroundnya sangat rendah. 2.4 Karakteristik Unsur Pb Unsur kimia atau sering disebut unsur merupakan zat kimia yang tidak dapat dibagi lagi menjadi zat yang lebih kecil. Partikel terkecil dari unsur yaitu atom. Perbedaan paling mencolok dari suatu unsur dengan lainnya adalah jumlah proton. Jumlah proton pada sebuah atom dikenal dengan istilah nomor atom (Z). Selain itu, terdapat berat atom (A) sebuah unsur yang merupakan massa rata-rata atom suatu unsur pada alam. 2.4.1 Unsur timbal/plumbum (Pb) Unsur timbal (Pb) lebih dikenal dengan sebutan timah hitam. Timbal dan persenyawaannya dapat berada di perairan secara alamiah dan sebagai dampak dari aktivitas manusia. Timbal dapat masuk ke perairan melalui pengkristalan di udara dengan bantuan air hujan. Aktivitas manusia yang menyebabkan pencemaran timbal diantaranya air limbah dari industri yang berkaitan dengan timbal, air pembuangan dari penambangan bijih timah hitam, buangan sisa industri baterai, dll. Timbal merupakan logam dari unsur golongan yang bersifat racun. Keracunan itu terjadi karena persenyawaan logam timbal masuk ke dalam tubuh. Organ-organ tubuh yang banyak menjadi sasaran timbal adalah sistem syaraf, ginjal, reproduksi, endokrin dan jantung. Selain itu, timbal juga dapat terakumulasi pada tulang. Logam ini dalam
15
bentuk ion (Pb2+) mampu menggantikan keberadaan ion Ca2+ yang terdapat dalam jaringan tulang. 2.4.2 Karakteristik unsur Pb Logam ini berada pada golongan IVA pada tabel periodik unsur kimia. Timbal mempunyai nomor atom (Z) 82 dengan berat atom (A) 207,2. Uraian mengenai unsur timbal seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1. Tabel 2.1 Karakteristik unsur Pb. [Sumber: http://chemistry.about.com/od/elementfacts/a/ lead.htm. Diakses pada tanggal 20 Maret 2015]
Klasifikasi
uraian Lead/Plumbum (Pb)
Klasifikasi unsur
Logam transisi
Nomor atom
82
Berat atom
207,2
Kerapatan
11,35
Titik lebur
600,65 K
Titik didih
2013 K
Penampilan
Lunak, mudah dibentuk, logam putih kebiruan
Volume atom
18,3
Jari-jari atom
175 pm
Jari-jari kovalen
147 pm : 84 Å ; Pb
Jari-jari ion
: 120 Å
@20oC
Panas spesifik
0,159
Panas fusi
4,77
Panas penguapan
177,8
Energi ionisasi pertama
715,2
Temperatur Debye
88 K
Struktur kisi
Face-Centred Cubic
Konstanta kisi
4,950 Å
Penentuan panjang gelombang unsur berdasarkan perumusan dari (NIST, 2005) :
16
Dengan:
E2 = Tingkat energi awal (cm-1) E1 = Tingkat energi akhir (cm-1) = Panjang gelombang (nm)
Probabilitas elektron berpindah dari konfigurasi j=2 atau tingkat 10650,3 cm-1 ke konfigurasi j=1 atau pada tingkat 35287,2 cm-1 dengan mengemisikan foton yang mempunyai panjang gelombang 4057,81 Ǻ (NIST, 2005). 2.5 Konsentrasi Larutan Konsentrasi larutan menyatakan banyaknya zat terlarut dalam sejumlah tertentu larutan. Secara fisika, konsentrasi dapat dinyatakan dalam % (persen) atau ppm (part per million)/bagian per juta. Penentuan konsentrasi larutan jika dihitung dalam satuan volume disebut molaritas (M). Molaritas menyatakan jumlah mol zat terlarut dalam setiap liter larutan sesuai dengan Persamaan 2.3.
Perhitungan pengenceran konsentrasi suatu larutan menggunakan Persamaan 2.4. M1.V1 = M2.V2 Dengan :
M1= Molaritas larutan ke-1 (mol/Liter) M2= Molaritas larutan ke-2 (mol/Liter) V1 = Volume larutan ke-1 (Liter) V2 = Volume larutan ke-2 (Liter)
