EKUILIBRIUM Vol. 9. No. 1. Halaman : 35 – 40
ISSN : 1412-9124 Januari 2010
TRANSFER MASSA PADA ADSORBSI LOGAM KHROM DARI LIMBAH ELEKTROPLATING MENGGUNAKAN ECENG GONDOK SEBAGAI ADSORBEN Endang Kwartiningsih*, Novi Anitra, Putukeda Pungky T. Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sebelas Maret *Email :
[email protected] Abstract : Nowadays, industrial waste causes pollution to the environment, especially river stream. For example, the waste of electroplating industries is still containing chrome metal above the concentration’s limit. Eceng gondok (Eichhornia crassipes) can reduce chrome concentration by adsorption method. The purpose of this research was to know volumetric mass transfer coefficient (kca) value of chrome adsorption. This research had been done in a stirrer tank using eceng gondok as adsorbent. Every 30 minutes, the liquid waste from the stirrer tank was analyzed using AAS, so we knew how much chrome concentration after adsorption process. By comparing chrome concentration of experiment and calculation, volumetric mass transfer coeficient value (kca) value can be obtained. The higher flow rate of agitation, the higher value of volumetric mass transfer coefficient. From analysis of dimension, the correlation of rate of agitation and kca was : 1.342
kca di 2 N di 2 0 . 0105 DL
Keywords : adsorption, chrome, Eichhornia crassipes, volumetric mass transfer coefficient, waste of electroplating industry. PENDAHULUAN Perkembangan teknologi yang pesat mendorong pertumbuhan industri yang memiliki andil besar pada pencemaran lingkungan. Salah satunya yaitu industri elektroplating, kegiatan elektroplating selain menghasilkan produk yang berguna, juga menghasilkan limbah cair. Limbah cair industri elektroplating mengandung zat-zat kimia maupun logam-logam berat berbahaya, Limbah cair industri elektroplating mengandung zat-zat kimia maupun logam-logam berat berbahaya. Hasil analisa pada sisa pembilasan terakhir salah satu industri elektroplating di Surakarta masih mengandung logam khrom 1,7957 mg/L, logam nikel 0,783 mg/L, dan logam tembaga kurang dari 0,004 mg/L. Logam khrom dapat menyebabkan iritasi pada kulit, asma, gangguan ginjal, dan jantung jika terakumulasi dalam tubuh. Limbah tersebut harus diolah terlebih dahulu sebelum dibuang ke lingkungan agar kandungan logam khrom di dalamnya berkurang dan tidak mencemari lingkungan. Menurut PERDA Jawa Tengah No 10 Tahun 2004 Tentang Baku Mutu Air Limbah ambang batas untuk logam khrom di perairan adalah 0,1 mg/L. Untuk mengurangi kandungan logam khrom dalam limbah elektroplating yang
melebihi ambang batas tersebut maka perlu diadakan suatu penelitian yaitu dengan proses adsorpsi yang memanfaatkan eceng gondok sebagai adsorbennya. Walaupun eceng gondok dianggap sebagai gulma di perairan, tetapi sebenarnya ia berperan dalam menangkap polutan logam berat, karena akar eceng gondok dapat membentuk suatu zat khelat yaitu fitosidorof. Zat inilah yang akan mengikat logam dan kemudian membawanya ke dalam sel akar. Tujuan penelitian ini adalah untuk memanfaatkan eceng gondok sebagai adsorben logam khrom dari limbah industri electroplating dan menentukan koefisien transfer massa (kca) pada variasi kecepatan pengadukan. LANDASAN TEORI Eceng gondok (Latin: Eichhornia crassipes) adalah salah satu jenis tumbuhan air mengapung dan kadang-kadang berakar dalam tanah. Eceng Gondok pada mulanya hanya dikenal sebagai tanaman gulma air karena pada musim kemarau eceng gondok mampu menyusutkan air 3 sampai 4 kali lebih cepat dibanding jika tidak ada eceng gondoknya sehingga perairan akan menjadi lebih cepat dangkal, sedangkan pada musim penghujan perkembangan eceng gondok sangat cepat
35
menyebabkan eceng gondok dapat menutupi seluruh permukaan air dan dapat menyumbat saluran-saluran air. Akar eceng gondok merupakan akar serabut yang berfungsi sebagai organ penyerap dan penyalur unsur-unsur hara ke bagian yang lain. Sesuai dengan fungsinya, maka akar akan banyak menyerap unsur hara sehingga akumulasi logam akan lebih tinggi di akar dibandingkan dengan batang dan daun (Mukti A.M, 2008). Pada akar Eceng gondok dapat membentuk suatu zat khelat yaitu fitosidorof. Zat inilah yang akan mengikat logam dan kemudian membawanya ke dalam sel akar. Dengan adanya pembentukan zat khelat akan mempermudah logam melintasi epidermis akar dan masuk kedalam sel-sel akar, sehingga mengakibatkan logam yang terakumulasi juga tinggi (Nda, 2002). Elektroplating adalah proses pelapisan dengan menggunakan arus listrik dalam suatu larutan elektrolit. Logam yang akan dilapiskan bertindak sebagai anoda yang dihubungkan dengan kutub positif dari sumber tegangan, dibenamkan ke dalam larurtam elektrolit. Logam yang akan dilapisi (benda kerja) berlaku sebagai katoda dan dihubungkan dengan kutub negatif dari sumber tegangan. Jika sumber tegangan dinyalakan maka arus akan mengalir melalui larutan elektrolit, sehingga menyebabkan anoda melarut dan selanjutnya menempel pada katoda membentuk suatu lapisam logam.
n+
M merupakan ion logam yang dihasilkan dan terlarut dalam larutan elektrolit, sedangkan reaksi yang terjadi pada anoda (logam pelapis) M ne- + M n+ Adsorpsi adalah terserapnya atau terikatnya suatu substansi (adsorbat) pada permukaan yang dapat menyerap (adsorben). Adsorpsi dapat terjadi antara zat padat dan zat cair ( Negi A.S, 2007). Proses adsorpsi terjadi pada permukaan pori-pori dalam butir adsorben, sehingga untuk bisa teradsorpsi, khrom dari cairan mengalami proses seri sebagai berikut: 1. Perpindahan massa khrom dari cairan ke permukaan butir melalui lapisan film 2. Difusi dari permukaan butir ke dalam butir melalui pori 3. Perpindahan massa dari cairan dalam pori ke dinding pori 4. Adsorpsi pada dinding pori N CCr
Cair
padat
C* Cr
C Cr
Interface
Sumber Anoda
Perpindahan Ion
Tegangan
Gambar 2. Peristiwa Transfer Massa Padatan ke Cairan
Katoda
Laru tan Elektrolit
Gambar 1. Pelapisan logam secara listrik (elektroplating)
Pelapisan logam khrom dapat dilakukan dengan diawali proses pelapisan perantara setelah benda kerja dibersihkan dan dibilas. Pertama, dilakukan pelapisan tembaga, pelapisan kedua yaitu pelapisan nikel, Selanjutnya, pelapisan khrom dilakukan dengan menggunakan timbal sebagai anodanya dan larutan elektrolitnya terdiri dari Cromic acid (H2CrO4), asam sulfat dan air. Reaksi yang berlaku pada katoda : Mn+ + ne- M (logam yang dilapisi)
36
Perpindahan massa dari cairan dalam pori ke dinding pori (proses 3) umumnya berlangsung sangat cepat sehingga tidak mengontrol. Adsorpsi pada dinding pori (proses 4) umumnya berlangsung relative sangat cepat, sehingga tidak mengontrol juga. Jadi yang umumnya mengontrol kecepatan proses adsorpsi adalah proses 1 atau proses 2 atau keduanya. Butir-butir sangat kecil sehingga difusi dari permukaan kedalam butir (proses 2) berlangsung relative sangat cepat sehingga tidak mengontrol. Akibatnya yang mengontrol adalah perpindahan massa dari khrom dari cairan ke permukaan butir melalui permukaan film yang kecepatannya dapat didekati dengan persamaan : g Ncr kc a Ccr Ccr * ..(1) waktu.volumcairan
E K U I L I B R I U M Vol. 9. No. 1. Januari 2010 : 35 - 40
Misal hubungan kesetimbangan adsorbsi dapat didekati dengan persamaan hukum Henry. Ccr*=H.Xcr ……….…………….....................(2) untuk menghitung kadar CCr dalam limbah industri elektroplating di dalam tangki berpengaduk, serta kadar CCr yang terserap oleh adsorben pada berbagai variasi berat dan kecepatan pengadukan. Neraca massa khrom dalam fase cair adalah : rate of input – rate of output = rate of accumulation d (Ccr.V ) ...................................(3) 0 Ncr.V dt Karena volume larutan tetap maka, : d (Ccr ) ...........................................(4) Ncr dt Kemudian persamaan (1) disubstitusi ke persamaan (4) sehingga diperoleh : kca Ccr Ccr * = d (Ccr) ……....…............(5) dt
Dan persamaaan (2) disubsbtitusi ke persamaan (5), maka : d Ccr .............................(6) kc a .dt Ccr H .Xcr
percobaan dengan Ccr hasil perhitungan yang memberikan nilai jumlah kuadrat kesalahan (Sum of Squares of Error) minimum untuk mengecek kesesuaian model matematis yang diajukan. SSE minimum = ∑ (Ccr data – Ccr hitung)
2
Hubungan antara kecepatan pengadukan dan kca dapat dinyatakan dalam persamaan Kelompok Tak Berdimensi berikut ini : kca di 2 N di 2 K DL
C
METODOLOGI PENELITIAN Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah limbah cair industri elektroplating dan eceng gondok. Alat 3 1
2 4
Neraca Massa Total khrom : Massa awal Cr di adsorben + Massa awal Cr di larutan bulk = Massa akhir Cr di adsorben + Massa akhir Cr di larutan bulk W.Xcr,0 + V.Ccr,0 = W. Xcr +V.Ccr ...........(7) Pada saat kondisi awal adsorben tidak mengandung Cr, maka Xcr,0=0 0 + V.Ccr,0 = W. Xcr +V.Ccr .....................(8) V.Ccr,0 - V.Ccr = W.Xcr ..............................(9) V (Ccr,0 -.Ccr) = W. Xcr ............................(10) Xcr = V/W.(Ccr,0 -.Ccr) ............................(11) Persamaan (11) disubstitusi ke persamaan (6) dan di dapatkan : d Ccr …..……...……...…(12) Ccr H . Xcr d Ccr …....(13) kc a .dt Ccr H .(V / W ).(Ccr , 0 Ccr ) d Ccr kca .Ccr H .(V / W ).(Ccr,0 Ccr) ...(14) dt Kemudian dengan program Matlab, penyelesaian numeris dari persamaan diferensial tersebut dapat diselesaikan. Dengan program matlab tersebut dapat dihitung harga kca pada berbagai kecepatan pengadukan. Harga kca optimum dapat ditentukan dengan membuat selisih kuadrat antara Ccr data kca .dt
5
Keterangan : 1. Klem 2. Statif 3. Motor Pengaduk 4. Pengaduk 5. Gelas Beaker Gambar 3. Rangkaian Alat Adsorbsi
Serbuk eceng gondok disiapkan, kemudian bahan baku(CCr0) (limbah cair industri elektroplating) dianalisa kadar khrom mengguanakan AAS. Penentuan konstanta Henry dilakukan dengan cara menimbang adsorben (eceng gondok) sebanyak 3 gram dan memasukkannya ke dalam beaker glass dan di tambahkan cairan limbah sebanyak 200 mL seperti pada gambar 3. Setelah itu, cairan dalam beaker glass tersebut diambil sampelnya tiap 30 menit dan dianalisa dengan AAS sampai diperoleh konsetrasi yang konstan (CCr*) dan mengulanginya untuk variasi berat adsorben 3gram, 5gram, 7gram, 9gram dan 11gram dan
Transfer Massa pada Adsorbsi Logam Khrom dari Limbah Elektroplating Menggunakan Eceng Gondok Sebagai Adsorben (Endang Kwartiningsih, Novi Anitra, Putukeda Pungky T)
37
13 gram. Harga konsentrasi adsorbat dalam adsorben (XCr) dihitung dengan menggunakan rumus : XCr = (CCr0-CCr*).(V/W) Sedangkan harga konstanta Henry diperoleh dengan membuat grafik hubungan antara XCr dan CCr*. Setelah diperoleh berat optimum kemudian melakukan adsorbsi pada berbagai variasi kecepatan pengadukan yaitu dengan cara dengan memasukkan adsorben ke dalam beaker glass, kemudian dalam beaker glass ditambahkan cairan limbah sebanyak 200 mL dengan kecepatan putar 100 rpm. Setelah 30 menit sampel diambil dan dianalisa dengan AAS. Langkah-langkah di atas diulangi untuk kecepatan putar 200 rpm, 300 rpm, 400 rpm, dan 500 rpm. Kemudian sampel-sampel tersebut diukur konsentrasinya dengan AAS.
Berdasarkan gambar grafik di atas, diperoleh persamaan garis kesetimbangan sebagai berikut Ccr* = 5715.Xcr Hasil percobaan pada berbagai kecepatan pengadukan dapat di lihat dalam tabel 2.
Tabel 2. Konsentrasi Akhir Cairan Limbah pada Berbagai Variasi Kecepatan Pengadukan dengan Berat Adsorben 11gram dan Volume Cairan Limbah 200 mL
Waktu (menit)
Konsentrasi akhir (ppm)
0
1,7957
30
0,2012
60
0,1795
90
0,1702
120
0,1887
0
1,7957
30
0,1605
60
0,1451
90
0,1719
0
1,7957
30
0,1420
-5
60
0,1229
-5
90
0,0976
-5
0
1,7957
30
0,0935
60
0,0864
90
0,0881
0
1,7957
30
0,0806
60
0,0687
90
0,0786
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil perhitungan dalam menentukan persamaan kesetimbangan Henry disajikan dalam Tabel 1. Tabel 1. Harga Konsentrasi Hasil Percobaan pada Keadaan Kesetimbangan
Kecepatan Pengadukan (rpm)
100
200
Berat adsorben (gram)
Ccr * (ppm)
Xcr (mgr Cr/mgr adsorben)
0
0
0
3
0,4435
9,01467x10
5
0,4051
5,56240x10
7
0,299
4,27629x10
9
0,1989
3,54844 x10
11
0,1516
2,98927x10
-5
-5
300
400
500
Dari data percobaan yang telah didapat, harga kca diperoleh dengan penyelesaian program matlab. Hasil percobaan dan perhitungan harga konsentrasi logam khrom pada suatu waktu dapat dilihat dalam bentuk grafik pada gambar 5 berikut ini : Gambar 4. Grafik Hubungan Konsentrasi Adsorbat pada Cairan Limbah dalam Keadaan Setimbang dan Konsentrasi Adsorbat dalam Adsorben
38
E K U I L I B R I U M Vol. 9. No. 1. Januari 2010 : 35 - 40
Hubungan antara kecepatan pengadukan dan kca dapat dicari dengan cara regresi linier yang dapat dilihat pada gambar 6. Dari perhitungan tersebut diperoleh harga K = 0,0105 a = 1,342 Sehingga persamaan kelompok tak berdimensi yang diperoleh adalah sebagai berikut : 1, 342
kca di 2 N di 2 0 , 0105 DL Gambar 5. Grafik Hubungan Konsentrasi Khrom Pada Cairan Limbah dari Data Percobaan dan Perhitungan dengan Kecepatan Pengadukan 100 rpm, 200 rpm, 300 rpm, 400 rpm, 500 rpm
Dari hasil perhitungan dengan menggunakan program Matlab maka diperoleh nilai SSE dan kca optimum pada berbagai variasi kecepatan pengadukan seperti pada Tabel 3 berikut : Tabel 3. Harga SSE dan kca optimum pada variasi kecepatan pengadukan 100 rpm, 200 rpm, 300 rpm, 400 rpm, 500 rpm Variasi Kecepatan
kca optimum
SSE
(1/menit)
Pengadukan 100 rpm
-9
0,0334
-12
0,0638
-3
0,1749
-3
0,2333
-3
0,2352
6,3 x 10
200 rpm
5,2 x 10
300 rpm
4,9 x 10
400 rpm
6,5 x10
500 rpm
8,2 x 10
Dari hasil perhitungan di atas, dapat dilihat bahwa kecepatan pengadukan berbanding lurus dengan harga kca. Semakin besar kecepatan pengadukan semakin besar pula harga kca yang didapat, begitu juga sebaliknya. Hal tersebut disebabkan karena pada kecepatan pengadukan yang besar maka bilangan Reynolds yang didapat juga besar, bilangan Reynolds yang besar menunjukkan bahwa turbulensi cairan yang terjadi juga besar. Adanya turbulensi yang besar tersebut dapat menyebabkan transfer massa yang terjadi juga akan semakin cepat. KESIMPULAN Eceng gondok dapat dimanfaatkan sebagai adsorben logam khrom dari limbah industri electroplating. Hubungan antara koefisien transfer massa dengan variabel – variabel yang mempengaruhinya adalah sebagai berikut: 1, 342 kca di 2 N di 2 0,0105 DL SARAN Perlu diteliti lagi proses adsorbsi logam khrom menggunakan adsorben eceng gondok ini dalam kolom fixed bed, sehingga proses bisa kontinyu.
Gambar 6. Grafik Hubungan Konsentrasi Koefisien Transfer Massa dengan Kecepatan Pengadukan
DAFTAR DAN ARTI LAMBANG Ccr,0 = Konsentrasi logam Cr awaldalam limbah, mg/L Ccr = Konsentrasi logam Cr akhir dalam limbah (setelah proses adsorbsi), mg/L Xcr = Konsentrasi logam Cr akhir dalam adsorben (konsentrasi logam Cr yang terjerap dalam adsorben), mg Cr teradsorbsi/mg adsorben Ccr* = Konsentrasi logam Cr akhir dalam limbah pada keadaan setimbang, mg Cr teradsorbsi/mg adsorben
Transfer Massa pada Adsorbsi Logam Khrom dari Limbah Elektroplating Menggunakan Eceng Gondok Sebagai Adsorben (Endang Kwartiningsih, Novi Anitra, Putukeda Pungky T)
39
V W NCr kca H DL µ ρ db di N VL
= Volume limbah, L = Berat adsorben yang digunakan untuk mengadsorbsi, mg = Fluks massa tiap satuan volume pelarut, g/L.menit = Koefisien transfer massa volumetric, 1/menit = Konstanta Henry, g adsorben/L pelarut = Diffusivitas solut dalam cairan, 2 cm /s = Viskositas cairan, cp 3 = Massa jenis cairan, gram/cm = Diameter butir, mm = Diameter impeller, cm = Kecepatan pengaduk, rpm = Volume cairan, L
DAFTAR PUSTAKA Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1991, “Chemical Engineering – Particle Technology and Separation Process”, vol. 2, 4th edition, Pergamon Press, Oxford. Gude, Das, S.M., 2008, ”Adsorption of Chromium(VI) from Aqueous Solutions by Chemically Treated Water Hyacinth Eichornia crassipes”, Indian Journal of Chemical Technology, volume 15(1). Hendro M. K. dan Sulastiningrum R., 2005, “Pemisahan Khrom dan Nikel dari Limbah Cair Elektropating”, www.makalah_UF.pdf.
40
Kumar, R., 2008, “Biosorption of Chromium(VI) from Aqueous Solution and Electroplating Wastewater Using Fungal Biomass”, Chemical Engineering Journal, volume 135, issue 3. Mohanty, K., 2006, “Biosorption of Cr(VI) from Aqueous Solutions by Eichhornia crassipes”, Chemical Engineering Journal, volume 117, issue 1. Mukti
A.M., 2008, ”Penggunaan Tanaman Eceng Gondok Sebagai Pre-treatment Pengolahan Air Minum”, www.arc.uii.ac.id. Nda, 2002, “Menyerap Logam Berat dengan Tanaman Air”, www.mediaindo.co.id. Negi A.S., 2007, ”A Textbook of Physical Chemistry”, New Age International, Ltd: New Delhi Perry, R. H., 1997, “Perry's Chemical Engineers Handbook”, McGraw Hill, New York. Shofiyani, A., Gusrizal, G., 2006, “Determination of pH Effect and Capacity Heavy Metals Adsorption Bay Water Hyacinth (Eichhornia crassipes) Biomass”, Indonesian Journal of Chemistry, Vol 6, No 1. Welty, J.R., Wicks, C.E., Wilson, R.E., 2004, ”Dasar-Dasar Fenomena Transport”, edisi ke-4, Erlangga, Jakarta
E K U I L I B R I U M Vol. 9. No. 1. Januari 2010 : 35 - 40
