POTENSI ARANG AKTIF CANGKANG BUNGA PINUS SEBAGAI ADSORBEN ION KADMIUM (II) DAN TIMBAL (II) DENGAN AKTIVATOR H2SO4 DALAM LARUTAN Stefani Agnessia Manullang1, Subardi Bali2, Itnawita2 1Mahasiswa
Program Studi S1 Kimia Kimia Analitik Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia
[email protected] 2Bidang
ABSTRACT Pine cone activated carbon has been used as an adsorbent to remove cadmium ions (II) and lead (II) in solution; it was made from carbonization and activation process using H2SO4 with variation concentration of 2.5, 5.0 and 7.5%. The characterization result showed that pine cone activated carbon using H2SO4 7.5% had 3.74% of moisture contain, 0.58% of ash content, 261.67 mg/g of iodine adsorption and 18.04 m2/g of surface area. Absorption ability of the activated carbon was analyzed in variation concentration of cadmium and lead solution for 24 hours and measured using Atomic Absorption of Spectrophotometer (AAS). The result showed that adsorption efficiency of unactivated pine was better i.e., 99.25% at concentration of 2.52 ppm for cadmium (II) ion and 100% at concentration of 1.53 ppm for lead (II) ion. Keywords : activated carbon, adsorption, sulfuric acid, and pine cone. ABSTRAK Arang cangkang bunga pinus yang diperoleh melalui proses karbonisasi dan diaktivasi menggunakan aktivator H2SO4 dengan variasi konsentrasi 2,5%; 5% dan 7,5% digunakan sebagai adsorben untuk menjerap ion kadmium (II) dan timbal (II) dalam larutan. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa H2SO4 dengan konsentrasi 7,5% memberikan kualitas karakterisasi yang terbaik dibandingkan dengan konsentrasi lainnya dengan kandungan air 3,74%; kandungan abu 0,58%; adsorpsi iodium 261,67 mg/g; dan luas permukaan 18,04 m2/g. Arang aktif cangkang bunga pinus tersebut diuji kemampuan adsorpsinya terhadap variasi konsentrasi larutan kadmium dan timbal selama 24 jam dan dianalisis menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom (SSA). Dari hasil penelitian, efisiensi adsorpsi optimum terhadap ion kadmium dan timbal terbaik ditunjukkan oleh arang aktif cangkang bunga pinus tanpa aktivasi yaitu sebesar 99,25% pada konsentrasi 2,52 ppm untuk kadmium, sedangkan untuk ion timbal sebesar 100% pada konsentrasi 1,53 ppm. Kata kunci : arang aktif, adsorpsi, asam sulfat, cangkang bunga pinus.
Repository FMIPA
1
PENDAHULUAN Pinus termasuk dalam salah satu jenis pohon serba guna, yang terusmenerus dikembangkan dan diperluas penanamannya. Salah satu varietas aslinya yang tumbuh di Indonesia adalah Pinus merkusii. Sebaran alaminya di Sumatra adalah Aceh, Tapanuli, dan Kerinci (Cooling dan Gaussen, 1968). Hampir setiap bagian pohonnya dapat dimanfaatkan, antara lain getah, kayu, kulit kayu, biji, dan bunga. Pemanfaatan cangkang bunga pinus di Indonesia masih sangat terbatas dengan hanya dijadikan sebagai kerajinan tangan, seperti gantungan kunci dan hiasan pohon Natal. Sementara itu, cangkang bunga pinus yang dihasilkan cukup banyak, dan jika bisa dikonversikan menjadi arang aktif yang digunakan sebagai adsorben, maka dapat menaikkan nilai ekonomisnya. Hal ini dikarenakan cangkang bunga pinus banyak mengandung karbon yang terdiri dari selulosa dan senyawa organik lainnya sehingga dapat dimanfaatkan sebagai bahan dasar pembuatan arang aktif. Maka melalui penelitian ini ingin diketahui potensi arang aktif cangkang bunga pinus menggunakan aktivator H2SO4 dengan variasi konsentrasi 2,5; 5,0 dan 7,5% sebagai adsorben ion kadmium (II) dan timbal (II) dalam larutan, mengingat bahwa ion-ion logam berat tersebut banyak dijumpai pada lingkungan perairan khususnya perairan yang terletak di sekitar daerah industri. Kadmium merupakan salah satu jenis logam berat yang berbahaya. Apabila logam ini terakumulasi di dalam tubuh dalam kadar yang tinggi akan menyebabkan kerusakan pada organ ginjal dan paru-paru. Kadmium banyak digunakan dalam berbagai kegiatan Repository FMIPA
industri seperti industri pelapisan logam, industri baterai nikel-kadmium, industri cat, industri PVC atau plastik dan industri lainnya (Darmono, 2001). Timbal merupakan salah satu jenis logam berat yang memiliki tingkat toksisitas tinggi. Sumber utama timbal yang masuk ke lingkungan dapat berasal dari limbah industri seperti industri baterai, industri bahan bakar, industri kabel dan industri cat (Palar, 2004). METODE PENELITIAN a. Pengambilan Sampel Sampel yang digunakan dalam penelitian ini adalah cangkang bunga pinus yang diambil di hutan pinus daerah Sipintu-pintu, Kabupaten Tapanuli Utara, Sumatra Utara. b. Persiapan Arang Aktif Cangkang Bunga Pinus Sampel cangkang bunga pinus dibersihkan terlebih dahulu, kemudian dipotong-potong menjadi ukuran kecil. Setelah itu, dicuci dengan akuades hingga bersih dan dikeringkan di bawah sinar matahari selama ± 1 hari. c. Proses Karbonisasi Cangkang bunga pinus dikarbonisasi dalam furnace pada suhu 400oC selama ± 2 jam, kemudian disimpan di dalam desikator. Arang cangkang bunga pinus yang dihasilkan digerus dan dihaluskan, kemudian diayak bertingkat ukuran 100 dan 200 mesh. Setelah itu, dicuci dengan NaHCO3 1% dan dikeringkan di oven pada suhu 105°C.
2
d. Aktivasi Arang Cangkang Bunga Pinus
2. Kandungan abu (SNI 06-42531996)
Arang cangkang bunga pinus masing-masing sebanyak 20 gram diaktivasi menggunakan 200 mL larutan H2SO4 dengan variasi konsentrasi 2,5; 5,0 dan 7,5% (v/v) kemudian diaduk dengan pengaduk magnet selama 5 menit dan didiamkan selama 24 jam. Arang aktif tersebut kemudian disaring dan dicuci dengan akuades hingga netral. Kemudian arang aktif dikeringkan dalam oven pada suhu 115oC lalu disimpan dalam desikator. Arang aktif cangkang bunga pinus dilakukan karakterisasi menggunakan FTIR sebelum dan sesudah proses aktivasi.
Cawan krusibel kosong dicari berat konstannya dengan pemanasan pada suhu 115oC selama 30 menit kemudian disimpan dalam desikator selama 15 menit dan ditimbang hingga konstan. Krusibel yang telah diketahui beratnya diisi dengan masing-masing 0,5 g arang aktif cangkang bunga pinus. Kemudian dipanaskan dalam furnace pada suhu 650oC selama 3 jam. Setelah menjadi abu, kemudian disimpan dalam desikator, lalu ditimbang hingga konstan. Kandungan abu (%) = w1 -w2 ×100% wo
e. Karakterisasi Arang Cangkang Bunga Pinus
Aktif
1. Kandungan air (SNI 06-4253-1996) Arang aktif cangkang bunga pinus ditimbang sebanyak 0,5 gram. Arang aktif tersebut dimasukkan ke dalam wadah yang sudah diketahui beratnya. Lalu wadah tersebut dimasukkan ke dalam oven suhu 115oC selama 30 menit. Setelah itu disimpan dalam desikator selama 15 menit lalu ditimbang hingga konstan. w -w Kandungan air (%) = 1w 2 ×100% o
Keterangan : w1= Berat sampel dan wadah sebelum pemanasan (g) w2 = Berat sampel dan wadah setelah pemanasan (g) wo = Berat sampel (g)
Repository FMIPA
Keterangan : w1= Berat sampel setelah pemanasan (g) w2 = Berat krusibel kosong (g) wo = Berat sampel (g) 3. Adsorpsi terhadap iodium (SNI 064253-1996) Arang aktif cangkang bunga pinus dipanaskan dalam oven pada suhu 115oC selama 1 jam. Lalu disimpan dalam desikator selama 30 menit. Sebanyak 0,5 g arang aktif tersebut ditambahkan 50 mL larutan iodium 0,1 N, diaduk selama 15 menit dan didiamkan selama 1 jam. Kemudian diambil 5 mL larutan jernih, dititrasi dengan Na2S2O3 0,1 N. Bila warna kuning dari larutan telah samar, selanjutnya ditambah 1 mL larutan amilum 1%. Titrasi kembali secara teratur hingga warna biru hilang. ( ) x 126,9 x fp Adsorpsi I2 (mg/g)= Keterangan : V1 = Larutan iodium yang dianalisis (mL) 3
V2 = Larutan natrium tiosulftat yang diperlukan (mL) N1 = Normalitas iodium N2 = Normalitas natrium tiosulfat W = Berat sampel (g) 4. Adsorpsi metilen biru (SNI-064253-1996) Arang aktif cangkang bunga pinus dipanaskan dalam oven pada suhu 115oC selama 1 jam dan disimpan di dalam desikator selama 30 menit, kemudian sebanyak 0,5 g dari masing – masing arang dimasukkan ke dalam Erlenmeyer. Sebanyak 50 mL metilen biru 250 ppm ditambah ke dalam setiap arang, kemudian diaduk dengan pengaduk magnetik selama 15 menit, didiamkan selama 5 menit dan sentrifugasi 10 menit. Larutan jernih diukur absorbansinya pada panjang gelombang optimum. Luas permukaan (
m2 g
)=
X m ×N×A
2. Daya jerap arang aktif cangkang bunga pinus terhadap ion Pb (II) Sebanyak 0,1 g arang aktif tanpa aktivasi dan aktivasi masing-masing dimasukkan ke dalam gelas piala, kemudian ditambahkan 50 mL larutan timbal dengan konsentrasi 1,44; 1,53 dan 2,09 ppm. Campuran distirer selama 15 menit dan didiamkan selama 24 jam, kemudian diambil bagian larutan jernih dan dianalisis dengan SSA-nyala pada panjang gelombang 283,3 nm
Bm
Keterangan : Xm = Jumlah metilen biru yang terserap tiap gram adsorben N = Bilangan Avogadro (6,02x1023 molekul/mol) A = Luas permukaan metilen biru (197,197x10-20 m2/mol) BM = Berat molekul metilen biru (319,86 g/mol) f. Penentuan Daya Adsorpsi Arang Aktif Cangkang Bunga Pinus Dengan Aktivator H2SO4 7,5% Terhadap Ion Cd (II) dan Pb (II) Berdasarkan Variasi Konsentrasi Larutan 1. Daya adsorpsi arang aktif cangkang bunga pinus terhadap ion Cd (II) Repository FMIPA
Sebanyak 0,1 g arang aktif tanpa aktivasi dan aktivasi masing-masing dimasukkan ke dalam gelas piala, kemudian ditambahkan 50 mL larutan kadmium dengan konsentrasi 0,71; 2,52 dan 4,16 ppm. Campuran distirer selama 15 menit dan didiamkan selama 24 jam, kemudian diambil bagian larutan jernih dan dianalisis dengan SSA-nyala pada panjang gelombang 228,8 nm.
g. Analisis Data Analisis data dari penjerapan arang aktif cangkang bunga pinus sebagai adsorben ion kadmium dan timbal disajikan dalam bentuk tabel, grafik dan kurva kalibrasi. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Proses karbonisasi dan aktivasi arang cangkang bunga pinus Proses karbonisasi dilakukan untuk memecahkan senyawa organik menjadi karbon sederhana tanpa adanya oksigen dan penambahan zat kimia lainnya dengan proses pemanasan pada suhu 400 – 800oC (Tryana dan Sarma, 2003). Arang yang dihasilkan kemudian digerus dan diayak lolos 100 mesh dan 4
tertahan di 200 mesh yang bertujuan agar arang mempunyai ukuran partikel yang seragam yaitu mempunyai luas permukaan per satuan luas yang tetap. Secara teoritis, efisiensi adsorpsi akan semakin meningkat dengan semakin kecilnya ukuran partikel (Nurhasni dkk, 2010). Hal ini disebabkan karena efisiensi adsorpsi adsorben terhadap adsorbat sangat dipengaruhi oleh ukuran partikel adsorben. Untuk mengoptimalkan daya adsorpsi dari arang maka dilakukan proses aktivasi secara kimia yaitu dengan penambahan zat aktivator yang berfungsi untuk mengikat senyawa-senyawa yang masih tertinggal dalam arang setelah proses karbonisasi. Pada penelitian ini, zat aktivator yang digunakan adalah H2SO4. Pemilihan H2SO4 sebagai aktivator didasarkan karena selain mudah didapat, asam sulfat memiliki sifat dehydrating agent yaitu dapat mengikat air dari molekul yang terikat padanya, hal ini karena asam sulfat memiliki afinitas yang besar terhadap air, sehingga dengan sifatnya tersebut maka proses aktivasi dapat menyebabkan pori-pori pada arang terbuka. Selain itu asam sulfat dapat melarutkan dan mengoksidasi senyawasenyawa organik yang menutupi permukaan arang sehingga pori-pori menjadi lebih terbuka. Proses aktivasi dilakukan dengan menvariasikan konsentrasi aktivator H2SO4 yaitu 2,5%; 5,0% dan 7,5% dengan proses perendaman selama 24 jam. Arang yang sudah diaktivasi, kemudian dicuci dengan akuades sampai pH arang sama dengan pH akuades sehingga ketika dikontakkan dengan logam pH tidak mempengaruhi selama proses adsorpsi arang aktif.
Repository FMIPA
2. Karakterisasi arang aktif Karakterisasi yang dilakukan adalah penentuan kandungan air, kandungan abu, adsorpsi terhadap iodium dan adsorpsi terhadap metilen biru. Secara keseluruhan, penggunaan aktivator larutan H2SO4 dengan konsentrasi 7,5% untuk aktivasi arang cangkang bunga pinus ternyata memberikan kualitas karakterisasi yang terbaik dibandingkan dengan konsentrasi lainnya, hal ini terlihat dari nilai kandungan air dan kandungan abu yang rendah serta daya serap iodium dan luas permukaan yang tinggi. Data pada Tabel 1. menunjukkan nilai kadar air terendah sebesar 3,74%. Kandungan air dan abu dari arang menurun seiring meningkatnya konsentrasi H2SO4 menunjukkan sifat higroskopis dari aktivator yang dapat menurunkan kandungan air (Pari, 2004) dan aktivator asam dapat melarutkan oksida-oksida logam (Chang, 2005) Rendahnya kandungan air dan abu sebesar 3,74% dan 0,58% tidak melebihi batas maksimal kandunga air dan abu menurut SNI 06-4253-1996 yaitu maksimal 5%. Hasil karakterisasi kandungan air dan kandungan abu didukung oleh tingginya daya adsorpsi arang cangkang bunga pinus yang diaktivasi dengan aktivator larutan H2SO4 7,5% terhadap iodium 261,67 mg/g dan luas permukaan 18,04 m2/g seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Bila dikonversikan ke mg/kg, daya adsorpsi terhadap iodium dan metilen biru arang cangkang bunga pinus yang diaktivasi memenuhi persyaratan SNI-06-4253-1996 (minimal 1000 dan 110 mg/kg) yaitu sebesar 261670 dan 4862 mg/k
5
Tabel 1. Karakterisasi arang aktif cangkang bunga pinus dengan variasi konsentrasi
H2SO4 Konsentrasi H2SO4 (%)
Kandungan Air (%)
Kandungan Abu (%)
2,5 5,0 7,5
6,00 4,38 3,74
1,54 0,68 0,58
Luas permukaan (m2/g)
197,96 245,55 261,67
9,48 11,62 18,04
3. Adsorpsi arang aktif cangkang bunga pinus terhadap ion kadmium (II) dan timbal (II) Efisiensi adsorpsi arang tanpa aktivasi maupun aktivasi dengan aktivator H2SO4 7,5% diaplikasikan terhadap ion kadmium (II) dengan variasi konsentrasi 0,72; 2,52 dan 4,16 ppm dengan waktu kontak 24 jam dapat dilihat pada Gambar 2. Efisiensi adsorpsi optimum arang cangkang bunga pinus yang diaktivasi terhadap ion kadmium (II) adalah 92,90% pada konsentrasi 0,72 ppm, sedangkan untuk arang tanpa aktivasi sebesar 99,25% pada konsentrasi 2,52 ppm. 100 Efisiensi Penjerapan (%)
Besarnya daya adsorpsi terhadap iodium juga menunjukkan banyaknya struktur mikropori yang terbentuk pada arang aktif (Pari, 1999). Selain itu, arang aktif yang kita dapatkan masih mengandung senyawa organik yang mengandung gugus C=C yang ditegaskan melalui analisa IR pada bilangan gelombang 1585,55 cm-1 seperti ditunjukkan pada Gambar 1. juga dapat meningkatkan nilai daya adsorpsi terhadap iodium. Daya adsorpsi terhadap metilen biru digunakan untuk menentukan kemampuan dari arang aktif cangkang bunga pinus dalam mengadsorpsi larutan berwarna dengan ukuran molekul kurang dari 15 Å dan menentukan luas permukaan arang aktif (Prasetyo dkk, 2011).
Adsorpsi Iodium (mg/g)
80 60
Aktivasi
40
Tanpa Aktivasi
20 0 0
5
10
Konsentrasi (ppm)
Gambar 1. Karakterisasi gugus fungsi pada arang sebelum dan sesudah aktivasi H2SO4 2,5; 5,0 dan 7,5%
Repository FMIPA
Gambar 2. Efisiensi penyerapan arang aktif cangkang bunga pinus dengan aktivasi dan tanpa aktivasi berdasarkan variasi konsentrasi ion kadmium (II).
6
Efisiensi Penyerapan (%)
Efisiensi adsorpsi arang tanpa aktivasi maupun aktivasi dengan aktivator H2SO4 7,5% juga diaplikasikan terhadap ion timbal dengan variasi konsentrasi 1,44; 1,53 dan 2,09 ppm dengan waktu kontak 24 jam dapat terlihat pada Gambar 3. Berdasarkan gambar tersebut, dapat dilihat bahwa efisiensi adsorpsi optimum arang aktif cangkang bunga pinus yang diaktivasi terhadap ion timbal (II) adalah 97,38% pada konsentrasi 1,44 ppm, sedangkan untuk arang tanpa aktivasi sebesar 100% pada konsentrasi 1,53 ppm. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Aktivasi Tanpa Aktivasi
0
10
20
30
Konsentrasi (ppm)
Gambar 3.
Grafik daya adsorpsi arang aktif cangkang bunga pinus dengan aktivasi dan tanpa aktivasi berdasarkan variasi konsentrasi ion timbal (II)
Adanya kemampuan arang aktif untuk menjerap ion Cd (II) dan Pb (II) karena adanya beda potensial antara arang aktif yang bermuatan negatif dengan ion Pb maupun Cd yang bermuatan positif. Negatifnya muatan arang aktif disebabkan oleh adanya gugus fungsi dalam arang cangkang bunga pinus seperti O-H pada bilangan gelombang 3447,91 cm-1, C-H pada bilangan gelombang 2859,59 cm-1, dan C-N pada bilangan gelombang 1066,68 cm-1 seperti yang ditunjukkan spektrum Repository FMIPA
IR pada Gambar 1. Adanya gugus-gugus yang masih menempel pada permukaan arang aktif mengakibatkan rendahnya daya adsorpsi arang aktif terhadap ion kadmium dan timbal. Pada proses aktivasi, zat aktivator kurang mempengaruhi kadar gugus aktif pada arang aktif, karena reaksi ion exchange antara ion sulfat yang menempel pada arang aktif tidak digantikan oleh gugus OH saat pencucian menggunakan akuades. Arang aktif mempunyai daya adsorpsi yang tinggi karena pori-pori arang yang sebelumnya masih tertutup dengan kandungan senyawa organik arang itu sendiri telah terbuka dengan adanya proses aktivasi, sehingga luas permukaan semakin besar. Akan tetapi, dari hasil penelitian ini, dapat dilihat bahwa efisiensi adsorpsi arang tanpa aktivasi lebih tinggi daripada arang yang telah diaktivasi. Rendahnya efisiensi adsorpsi arang yang telah diaktivasi menunjukkan bahwa aktivator H2SO4 tidak begitu mempengaruhi kemampuan adsorpsi arang terhadap ion kadmium maupun timbal (II). Hal ini kemungkinan disebabkan karena masih adanya ion-ion sulfat pada arang aktif dari proses aktivasi yang mengendap di permukaan adsorben dan menyebabkan tertutupnya pori-pori arang aktif dan menurunkan kemampuan adsorpsinya, sehingga pada saat pengontakan dengan ion kadmium maupun timbal cenderung untuk membentuk kadmium sulfat dan timbal sulfat yang kelarutannya besar dan baik di dalam air. Oleh karena itu, konsentrasi kadmium dan timbal akan meningkat dalam larutan. sehingga meningkatkan konsentrasi kadmium dan timbal dalam larutan.
7
Commonwealth Institute, Oxford.
KESIMPULAN Berdasarkan hasil karakterisasi, konsentrasi aktivator H2SO4 7,5% terbaik dibandingkan aktivator lainnya dengan kandungan air 3,74%, kandungan abu 0,58%, adsorpsi iodium 261,67 mg/g dan luas permukaan 18,04 m2/g dan sesuai dengan syarat mutu arang aktif SNI-06-4253-1996. Akan tetapi, efisiensi adsorpsi arang aktif cangkang bunga pinus terhadap ion kadmium dan timbal maksimum ditunjukkan oleh arang aktif cangkang bunga pinus tanpa aktivasi yaitu sebesar 99,25% pada konsentrasi 2,52 ppm untuk kadmium (II), sedangkan untuk ion timbal (II) sebesar 100% pada konsentrasi 1,53 ppm. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Bapak Drs. Subardi Bali, M.Farm dan Ibu Dra. Hj. Itnawita, M.Si yang telah memberikan bimbingan, arahan serta saran dalam proses penyusunan hasil penelitian ini. Selain itu penulis juga mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan yang telah memberikan bantuan, dukungan dan masukan kepada penulis. DAFTAR PUSTAKA Atmosuseno, B.S dan Khaerudin, D. 1996. Kayu Komersial. Penebar Swadaya, Jakarta. Chang, R. 2005. Kimia Dasar: Konsepkonsep Inti Jilid I. Erlangga, Jakarta. Cooling, E.N. 1968. Pinus merkusii. Fast Growing Timber Trees of the Lowland Tropics. Repository FMIPA
Forestry
Darmono. 2001. Logam Berat Dalam Sistem Biologi Makhluk Hidup. UI-Press, Jakarta. Nurhasni., Hendrawati dan Saniyyah, N. 2010. Penyerapan Ion Logam Cd dan Cr dalam Air Limbah Menggunakan Sekam Padi. Jurnal Penelitian. UIN Syarif Hidayatullah, Jakarta. Palar,
H. 2004. Pencemaran dan Toksikologi Logam Berat. Rineka Cipta, Jakarta.
Pari, G., Widayati, D.T dan Yoshida, M. 1999. Karakteristik Arang Aktif dari Arang Serbuk Gergajian Sengon Dengan Bahan pengaktif NH4HCO3. Jurnal Penelitian Hasil Hutan 17 (2) : 89-100. Pari, G. 2004. Kajian Struktur Arang Aktif dari Serbuk Gergaji Kayu sebagai Adsorben Emisi Formaldehida Kayu Lapis. Disertasi. Pascasarjana IPB, Bogor. Prasetyo, A., Yudi, A dan Astuti, R.N. 2011. Adsorpsi Metilen Blue Pada Karbon Aktif Dari Ban Bekas Dengan Variasi Konsentrasi NaCl Pada Suhu Pengaktifan 600 oC dan 650 oC. Jurnal Penelitian. Universitas Islam Negeri Maulana Malik Ibrahim, Malang. Tryana, M.S dan Sarma, T.S. 2003. Arang Aktif. Universitas Sumatera Utara, Medan.
8
