BIOSORPSI ION LOGAM BERAT Cu2+ MENGGUNAKAN SELULOSA DARI LIMBAH KUBIS (Brassica oleracea var. capitata L.) TERAKTIVASI NaOH
Disusun Oleh :
WIRENI M0311072 SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains dalam bidang ilmu kimia
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2015
i
Kepala
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “BIOSORPSI ION LOGAM BERAT Cu2+ MENGGUNAKAN SELULOSA DARI LIMBAH KUBIS (Brassica oleracea var. capitata L.) TERAKTIVASI NaOH” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, November 2015
WIRENI
iii
BIOSORPSI ION LOGAM BERAT Cu2+ MENGGUNAKAN SELULOSA DARI LIMBAH KUBIS (Brassica oleracea var. capitata L.) TERAKTIVASI NaOH
WIRENI Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK Biosorpsi ion Cu2+ dalam larutan menggunakan selulosa dari limbah kubis telah dipelajari. Biosorben diaktivasi dengan NaOH pada konsentrasi 0,01; 0,1; 1 dan 2 M. Kondisi optimum biosorpsi dipelajari dengan pH awal (2-8), dosis biosorben (0,005-0,025) g, waktu kontak (15-90) menit, dan konsentrasi ion logam (10-100) ppm dengan metode batch. Konsentrasi ion Cu2+ dianalisis menggunakan Atomic Absorption Spectroscopy (AAS). Biosorben dikarakterisasi menggunakan Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Surface Area Analyzer (SAA), dan Scanning Electron Microscopy (SEM). Data eksperimental dianalisis dalam dua model kinetik seperti pseudo orde satu dan pseudo orde dua. Model isoterm Langmuir dan Freundlich diterapkan untuk menggambarkan proses biosorpsi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa biosorben limbah kubis yang diaktivasi menggunakan NaOH 0,1 M meningkatkan efisiensi biosorpsi sebesar 19,674% dengan kapasitas biosorpsi 12,260 mg/g pada kondisi optimum pH 5, dosis biosorben 0,02 g/ 25 mL Cu2+ 10 ppm, dan waktu kontak 75 menit. Kinetika biosorpsi telah ditentukan sesuai dengan model pseudo orde dua dengan konstanta laju 0,091 g/mg.min dan isoterm biosorpsi digambarkan dengan baik oleh model isoterm Langmuir dengan kapasitas biosorpsi maksimum sebesar 37,037 mg/g dan energi biosorpsi sebesar 25,865 kJ/mol pada 302 K. Desorpsi terpisah dilakukan dengan menggunakan akuades, CH3COONH4, HCl, dan Na2EDTA. Persentase desorpsi terbesar diperoleh dengan menggunakan Na2EDTA yaitu sebesar 85,324%. Hasil desorpsi terpisah menunjukkan bahwa interaksi antara Cu2+ dengan selulosa dari limbah kubis teraktivasi merupakan interaksi yang kuat dan didominasi oleh pembentukan kompleks. Kata kunci : biosorpsi, ion Cu2+, limbah kubis, selulosa
iv
BIOSORPTION OF HEAVY METAL IONS Cu2+ BY CELLULOSE FROM NaOH-ACTIVATED CABBAGE (Brassica oleracea var. capitata L.) WASTE
WIRENI Departement of Chemsitry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Sebelas Maret University
ABSTRACT The biosorption of Cu2+ ions from aqueous solutions using cellulose from cabbage waste has been studied. Biosorbent was activated by NaOH at concentrations of 0.01; 0.1; 1 and 2 M. The biosorption optimum conditions were studied with initial pH (2-10), biosorbent dosage (0.005-0.025) g, contact time (15-90) minutes, and metal ion concentrations (10-100) ppm in batch method. Concentrations of Cu2+ ions was analyzed using Atomic Absorption Spectroscopy (AAS). Biosorbent was characterized using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Surface Area Analyzer (SAA) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Experimental data were analyzed in terms of two kinetic models such as pseudo-first order and pseudo-second order. Langmuir and Freundlich isoterm models were applied to describe the biosorption prossess. The results showed that biosorbent of cabbage waste activated by 0.1 M NaOH enhanced biosorption efficiency of Cu2+ of 19.674% with biosorption capacity of 12.260 mg/g at optimum condition of pH 5, biosorbent dosage 0.02 g/ 25 mL Cu2+ 10 ppm and contact time 75 minutes. The kinetic biosorption was determined to be appropriate to the pseudo-second order model with biosorption constant rate of 0.091 g/mg.min and isoterm biosorption was described well by the Langmuir isotherm model with maximum biosorption capacity of 37.037 mg/g and the biosorption energy of 25.865 kJ/mol at 302 K. The Separated desorption by using distilled water, CH3COONH4, HCl, and Na2EDTA has been done. The highest desorption percentage was obtained using Na2EDTA of 85.324%. The separated desorption result showed that the interaction between Cu2+ with cellulose from activated cabbage waste was strongly interaction and dominated by complex formation. Keyword : biosorption, cabbage waste, cellulose, Cu2+ ions
v
MOTTO
“Hai orang-orang yang beriman, jadikanlah sabar dan shalatmu sebagai penolongmu, sesungguhnya Allah beserta orang-orang yang sabar” (Al-Baqarah : 153)
“Knowlage is something extraordinary in case someone does not have to spend his life on it” (Albert Einstein)
“Reasearch is what I’m doing when I don’t know what I’m doing” (Warnher von Braun)
vi
PERSEMBAHAN
Karya ini kupersembahkan untuk : 1. Kedua orang tuaku bapak dan mamah 2. Kakak-kakakku 3. Teman terdekatku depi, depe, lani, shanti, mayul, wiek, asit, muti, jule 4. Teman-teman jurusan kimia angkatan 2011
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT karena atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Sholawat serta salam tak lupa penulis haturkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SWA sebagai pembimbing umat manusia. Skripsi ini dapat terselesaikan karena adanya bantuan, petunjuk, dan bimbingan dari berbagi pihak baik berupa moril maupun materiil. Oleh karena itu, penulis menyampaikan terima kasih kepada : 1. Ibu Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si selaku kepala program studi kimia FMIPA UNS. 2. Bapak Dr. Eddy Heraldy, M.Si selaku pembimbing I sekaligus dosen pembimbing akademis. 3. Ibu Dr.rer.nat Witri Wahyu Lestari, M.Sc selaku pembimbing II. 4. Bapak dan Ibu Dosen program studi kimia FMIPA UNS atas ilmu yang telah diberikan. 5. Kedua orang tua dan kakak-kakaku yang selalu memberikan dukungan serta doa bagi penulis. 6. Teman-teman seperjuangan angkatan 2011 yang saling menyemangati dan saling mendoakan. 7. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah membantu dalam penyusunan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih banyak kekurangan. Harapan penulis semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca dan pihak yang membutuhkan.
Surakarta, November 2015
Penulis
viii
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL.....................................................................................
i
HALAMAN PENGESAHAN.......................................................................
ii
HALAMAN PERNYATAAN ......................................................................
iii
HALAMAN ABSTRAK...............................................................................
iv
HALAMAN ABSTRACT ............................................................................
v
HALAMAN MOTTO ...................................................................................
vi
PERSEMBAHAN .........................................................................................
vii
KATA PENGANTAR ..................................................................................
viii
DAFTAR ISI .................................................................................................
ix
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................
xiii
DAFTAR TABEL .........................................................................................
xiv
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................
xv
BAB I PENDAHULUAN .............................................................................
1
1.1 Latar Belakang Masalah ....................................................................
1
1.2 Perumusan Masalah ..........................................................................
3
1.2.1 Identifikasi Masalah .................................................................
3
1.2.2 Batasan Masalah ......................................................................
5
1.2.3 Rumusan Masalah ....................................................................
6
1.3 Tujuan dan Manfaat ..........................................................................
6
1.3.1 Tujuan Penelitian .....................................................................
6
1.3.2 Manfaat Penelitian ...................................................................
6
BAB II LANDASAN TEORI .......................................................................
7
2.1 Tinjauan Pustaka ...............................................................................
7
2.1.1 Potensi Limbah Kubis (Brassica oleracea var. capitata L.) Sebagai Sumber Material Lignoselulosa .....................................
7
2.1.2 Lignoselulosa ...........................................................................
8
2.1.3 Aktivasi Biosorben Menggunakan NaOH ...............................
12
ix
2.1.4 Adsorpsi Cu2+ Menggunakan Biosorben ................................
13
2.1.5 Analisis Instrumentasi..............................................................
16
2.1.6 Penentuan Kinetika Adsorpsi dan Isoterm Adsorpsi ..............
19
2.2 Kerangka Pemikiran ..........................................................................
21
2.3 Hipotesis ............................................................................................
23
BAB III METODOLOGI ..............................................................................
25
3.1 Metode Penelitian ..............................................................................
25
3.2 Tempat dan Waktu Penelitian ...........................................................
25
3.3 Alat dan Bahan Penelitian .................................................................
25
3.3.1 Alat...........................................................................................
25
3.3.2 Bahan .......................................................................................
26
3.4 Prosedur Penelitian ............................................................................
26
3.4.1 Pembuatan Biosoben................................................................
26
3.4.2 Pembuatan Larutan Induk ........................................................
26
3.4.3 Pembuatan Kurva Kalibrasi .....................................................
27
3.4.4 Penentuan Konsentrasi Optimum NaOH .................................
27
3.4.5 Optimasi Biosorpsi ..................................................................
27
3.4.6 Uji Efektivitas Biosorben ........................................................
28
3.4.7 Karakterisasi Biosorben ...........................................................
28
3.4.8 Desorpsi ...................................................................................
29
3.5 Teknik Pengumpulan Data ................................................................
29
3.6 Teknik Analisis Data .........................................................................
29
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................
32
4.1 Karakterisasi Biosorben Awal ...........................................................
32
4.2 Aktivasi Biosorben Limbah Kubis dengan NaOH ...........................
34
4.3 Studi Biosorpsi Cu2+ Menggunakan Biosorben Limbah Kubis Teraktivasi .........................................................................................
39
4.3.1 Pengaruh pH Terhadap Biosorpsi Cu2+....................................
39
4.3.2 Pengaruh Dosisi Biosorben Terhadap Biosorpsi Cu2+ .............
40
4.3.3 Pengaruh Waktu Kontak Terhadap Biosorpsi Cu2+ .................
42
x
4.3.4 Pengaruh Konsentrasi Awal Ion Cu2+ ...................................... 2+
43
4.4 Karakterisasi Biosorben Setelah Biosorpsi Cu ...............................
44
4.4.1 Analisis Gugus Fungsi .............................................................
44
4.4.2 Analisis Morfologi Permukaan ................................................
46
4.5 Penentuan Kinetika Biosorpsi ...........................................................
47
4.6 Penentuan Isoterm Biosorpsi .............................................................
49
4.7 Kajian Interaksi Cu2+ dengan Biosorben ...........................................
51
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN........................................................
54
5.1 Kesimpulan........................................................................................
54
5.2 Saran .................................................................................................
54
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................
55
LAMPIRAN .................................................................................................
62
xi
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 1.
Limbah kubis pasca panen ........................................................
8
Gambar 2.
Struktur lignin, selulosa dan hemiselulosa pada tanaman .......
9
Gambar 3.
Struktur unit-unit penyusun lignin ...........................................
10
Gambar 4.
Struktur hemiselulosa (a) xilan (homopolimer) dan (b) glukomannan (heteropolimer) ...........................................
10
Gambar 5.
Struktur selulosa ......................................................................
11
Gambar 6.
Spektra FTIR tandan kosong kelapa sawit (a) sebelum dan setelah adsorpsi (b) Cu2+ (c) Pb2+ (d) Zn2+ .............................
Gambar 7.
18
Morfologi SEM serbuk gergaji (a) sebelum dan (b) setelah adsorpsi Cu2+ pada perbesaran 10.000x ...................................
19
Gambar 8.
Spektra FTIR biosorben limbah kubis .....................................
32
Gambar 9.
Mekanisme delignifikasi .........................................................
35
Gambar 10. Efektivitas biosorben ..............................................................
36
Gambar 11. Spektra FTIR (a) biosorben limbah kubis dan (b) biosorben limbah kubis teraktivasi ...........................................................
37
Gambar 12. Pengaruh pH terhadap kapasitas biosorpsi .............................
39
Gambar 13. Pengaruh dosis biosorben terhadap (a) efisiensi biosorpsi dan (b) kapasitas biosorpsi .......................................................
41
Gambar 14. Pengaruh waktu kontak terhadap kapasitas biosorpsi .............
42
Gambar 15. Pengaruh konsentrasi awal Cu2+ terhadap (a) efisiensi biosorpsi dan (b) kapasitas biosorpsi .......................................................
43
Gambar 16. Spektra FTIR biosorben limbah kubis teraktivasi (a) sebelum dan (b) setelah biosorpsi Cu2+ ..................................................
45
Gambar 17. Morfologi biosorben limbah kubis teraktivasi (a) sebelum dan (b) setelah biosorpsi Cu2+ pada perbesaran 5000x ...........
47
Gambar 18. Grafik (a) pseudo orde satu dan (b) pseudo orde dua .............
48
Gambar 19. Grafik isoterm biosorpsi (a) Langmuir dan (b) Freundlich ....
50
2+
Gambar 20. Desorpsi Cu oleh reagen pendesorpsi ...................................
xii
51
Gambar 21. Reaksi pembentukan kompleks Cu-selulosa............................ 2+
Gambar 22. Reaksi desorpsi Cu dengan Na2EDTA .................................
xiii
52 52
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 1. Jumlah produksi kubis di Indonesia .............................................
7
Tabel 2. Kandungan lignoselulosa kubis kering .........................................
8
Tabel 3. Serapan khas material lignoselulosa .............................................
17
Tabel 4. Serapan FTIR biosorben limbah kubis ........................................
33
Tabel 5. Data analisis permukaan biosorben ..............................................
36
Tabel 6. Perbandingan serapan FTIR biosorben limbah kubis sebelum dan setelah aktivasi ......................................................................
38
Tabel 7. Perbandingan serapan FTIR biosorben limbah kubis teraktivasi sebelum dan setelah biosorpsi Cu2+ ..............................................
45
Tabel 8. Parameter kinetika biosorpsi ........................................................
48
Tabel 9. Parameter isoterm biosorpsi .........................................................
50
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1. Data penentuan konsentrasi NaOH optimum ...................
62
Lampiran 2. Data penentuan pH optimum ............................................
62
Lampiran 3. Data penentuan dosis optimum .........................................
63
Lampiran 4. Data penentuan waktu kontak optimum ...........................
63
2+
Lampiran 5. Data variasi konsentrasi awal Cu ...................................
64
Lampiran 6. Data efektivitas biosorben ................................................
64
Lampiran 7. Data penentuan kinetika biosorpsi ....................................
65
Lampiran 8. Data penentuan isoterm biosorpsi .....................................
66
Lampiran 9. Data desorpsi ....................................................................
67
Lampiran 10. Gambar biosorben kubis limbah sebelum dan setelah aktivasi .............................................................................
69
Lampiran 11. Spektra FTIR biosorben limbah kubis ..............................
70
Lampiran 12. Spektra FTIR biosorben limbah kubis teraktivasi NaOH 0,1 M ....................................................................
71
Lampiran 13. Spektra FTIR biosorben limbah kubis teraktivasi setelah biosorbsi Cu2+ ...................................................................
72
Lampiran 14. Karakterisasi SAA ............................................................
73
xv
