ISOTERMA DAN TERMODINAMIKA ADSORPSI KATION PLUMBUM(II) PADA LEMPUNG CENGAR TERAKTIVASI ASAM SULFAT A. Johan1, Muhdarina2, T. A. Amri2 1
Mahasiswa Program Studi S1 Kimia Bidang Kimia Fisika Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Binawidya Pekanbaru, 28293, Indonesia 2
[email protected] ABSTRACT This research studied isotherm and thermodynamic adsorption of Pb(II) on sulfuric acid activated Cengar clay. Cengar clay was activated by various moles of sulfuric acid (0.2, 0.4 and 0.6 mol). The adsorption process of Pb(II) on the sulfuric acid activated Cengar clay was observed under batch system at various of Pb(II) concentration and temperature for 90 minutes. The observed data was analyzed with isotherm and thermodynamic. The research results showed the adsorption model of Pb(II) on all of the sulfuric acid activated Cengar clay accordance with Freundlich isotherm. Furthermore, adsorption process of Pb(II) on the Cengar clay activated by 0.2 moles of sulfuric acid occurs with endothermic, where ∆H 29,672 kJ/mol, ∆S 116,063 J/molK and ∆G - 5,784 kJ/mol, respectively. Keywords : Sulfuric acid, Isotherm, Thermodynamic. ABSTRAK Penelitian ini mempelajari isoterma dan termodinamika adsorpsi kation Pb(II) pada lempung Cengar teraktivasi asam sulfat. Lempung Cengar telah diaktifkan dengan variasi mol asam sulfat (0,2 , 0,4 dan 0,6 mol). Proses adsorpsi Pb(II) pada lempung Cengar teraktivasi berlangsung secara batch di bawah pengaruh konsentrasi ion dan temperatur proses pada waktu kontak 90 menit. Data adsorpsi yang diperoleh dianalisis secara isoterma dan termodinamika. Hasil analisis menunjukkan bahwa model adsorpsi Pb(II) pada semua lempung Cengar teraktivasi asam sulfat sesuai dengan isoterma Freundlich. Selain itu, proses adsorpsi Pb(II) pada lempung Cengar teraktivasi oleh 0,2 mol asam sulfat berlangsung secara endotermis dengan panas adsorpsi, ∆H 29,672 kJ/mol, ∆S 116,0634 J/molK dan ∆G - 5,7842 kJ/mol. Kata kunci : Asam sulfat, Isoterma, Termodinamika
1
PENDAHULUAN Provinsi Riau memiliki banyak potensi sumber daya alam yang belum dikelola dengan baik, salah satunya lempung. Lempung masih jarang dimanfaatkan sebagai produk yang dapat bermanfaat besar bagi masyarakat. Seiring berkembangnya penelitian, lempung semakin banyak diteliti karena material ini memiliki potensi yang cukup besar, salah satunya kemampuan untuk melepaskan kontaminan logam berat dari dalam air. Banyak metoda yang telah digunakan untuk melepaskan kontaminan logam berat dari dalam air, seperti penjerapan, penyerapan, pengendapan, pengomplekan, oksidasi-reduksi, osmosis terbalik atau elektrolisis (Bahri, dkk, 2008). Namun metoda adsorpsi atau penjerapan terbukti sebagai metoda yang lebih efektif untuk melepaskan polutan logam berat mulai dari konsentrasi rendah sampai sedang (Manohar dkk, 2006). Proses adsorpsi menggunakan lempung tergolong proses berbiaya murah, karena bahan adsorben lempung dijumpai melimpah di alam. Kalalagh (2011) telah membuktikan hal ini dengan menggunakan lempung kaolinit sebagai adsorben logam Pb, Zn dan Cu. Lempung alam memiliki daya adsorpsi relatif rendah, karena itu pemanfaatannya harus didahului oleh langkah modifikasi lempung alam baik secara kimia atau fisika maupun gabungan keduanya. Bhattacharyya & Gupta (2008) telah membuktikan lempung kaolinit dan monmorilonit yang diaktivasi dengan H2SO4 dapat menjerap logam Ni dan Cu dari dalam air, karena aktivator asam tersebut dapat meningkatkan luas permukaan dan volume pori lempung, sehingga kapasitas adsorpsinya juga meningkat. Yulis (2012) menunjukkan kondisi optimum untuk penjerapan ion Pb2+ oleh lempung Desa Talanai yang diaktivasi dengan NaOH didapat pada waktu kontak 60 menit, konsentrasi 20 ppm, temperatur 300C dan pH 6 dengan persentase jerapan 99,377%. Di sisi lain, pencemaran lingkungan oleh logam berat menjadi masalah yang cukup serius seiring dengan penggunaan logam berat dalam bidang industri yang semakin meningkat. Efek logam berat dapat berpengaruh langsung hingga terakumulasi pada rantai makanan walaupun pada konsentrasi yang sangat rendah. Logam berat tersebut dapat ditransfer dalam jangkauan yang sangat jauh sehingga akhirnya berpengaruh terhadap kesehatan manusia walaupun dalam jangka waktu yang cukup lama (Purwaningsih, 2009). Hal ini harus ditanggulangi agar dampak pencemaran dapat ditekan. Potensi lempung Cengar telah dikaji dari berbagai aspek. Nasution (2009) telah mengaktivasi lempung alam Cengar dengan tiga jenis modifier (CH3COONH4, CH3COONa dan NH4Cl). Hasil penelitian tersebut mendapatkan bahwa daya jerap lempung terhadap kation Cu2+ dengan modifier NH4Cl lebih besar dari modifier lain (CH3COONH4 dan CH3COONa) yaitu sebesar 0,7085 mg/g lempung pada waktu 60 menit. Lempung Cengar yang mengandung mineral kaolinit dan muskovit mampu menjerap kation Co(II) menurut isoterma Langmuir (Muhdarina dkk, 2010). Penelitian ini difokuskan pada kajian isoterma dan termodinamika proses adsorpsi Pb(II) pada lempung Cengar teraktivasi asam sulfat. Lempung ini diketahui mempunyai kapasitas tukar kation yang cukup tinggi, untuk LC0,2 , LC0,4 dan LC0,6 berturut-turut yaitu sebesar 295,14 , 356,69 dan 362,48 meq/100 g (Nurpiyenti, 2013).
2
METODE PENELITIAN a. Persiapan sampel Sampel lempung yang digunakan adalah lempung Cengar teraktivasi asam sulfat dengan variasi mol (0,2 , 0,4 dan 0,6) menurut Nurpiyenti (2013). Sebelum digunakan, sampel lempung Cengar teraktivasi asam sulfat terlebih dahulu diuapkan dalam oven pada suhu 1050C sampai diperoleh berat konstan, kemudian lempung dikalsinasi pada 2300C selama 5 jam. Adapun 3 jenis sampel adsorben lempung teraktivasi asam sulfat masing-masing disimbolkan sebagai LC0,2 (aktivator 0,2 mol H2SO4), LC0,4 (aktivator 0,4 mol H2SO4) dan LC0,6 (aktivator 0,6 mol H2SO4), b. Uji daya jerap lempung teraktivasi asam sulfat terhadap logam Pb(II) Uji daya jerap lempung teraktivasi asam sulfat menggunakan dua parameter, yaitu konsentrasi adsorbat dan temperatur. Untuk parameter konsentrasi pengontakan sampel dilakukan selama 90 menit pada temperatur 300C dengan kecepatan pengadukan dalam shaker waterbath 120 rpm. Variasi konsentrasi (ppm) yang digunakan adalah 25, 30, 35, 40, 55, 130, 165, 220, 265 dan 300. Untuk parameter temperatur (0C) 25, 30, 35 dan 40, adsorpsi dilakukan terhadap adsorben dengan kapasitas adsorpsi optimum pada pengamatan variabel konsentrasi. Pekerjaan dilakukan pada waktu kontak dan kecepatan pengadukan yang sama seperti sebelumnya. c. Analisis data Data yang diperoleh dari hasil penelitian digunakan untuk menentukan model kesetimbangan yang sesuai. Dalam penelitian ini digunakan model kesetimbangan Freundlich yang dianggap sesuai untuk data penelitian ini. Data yang diperoleh dari plot lnKd versus 1/T digunakan untuk menentukan nilai parameter termodinamika.
HASIL DAN PEMBAHASAN a. Hasil uji daya jerap lempung teraktivasi asam sulfat terhadap logam Pb(II) Meskipun jumlah Pb(II) yang terjerap pada adsorben terus meningkat dengan penambahan konsentrasi awal, namun derajat adsorpsinya menunjukkan tercapainya kesetimbangan untuk LC0,2 pada konsentrasi 220 ppm (98,60%), LC0,4 pada konsentrasi 265 ppm (98,20%) dan LC0,6 pada konsentrasi 300 ppm (98,42%). Hal ini didukung oleh kapasitas tukar kation yang dimiliki oleh setiap jenis adsorben (Nurpiyenti, 2013). Tampak pada Gambar 1, % adsorpsi Pb(II) pada setiap konsentrasi adsorbat pada LC0,2 umumnya lebih besar dari 2 lempung lainnya (LC0,4 dan LC0,6). Oleh karena itu adsorben yang didapat melalui aktivasi dengan 0,2 mol asam sulfat lebih dipilih untuk pengamatan selanjutnya. Fakta dari Gambar 1 pada LC0,4 dan LC0,6 memperlihatkan pola adsorpsi yang sangat variatif. Heterogenitas permukaan lempung merupakan penyebabnya, karena jumlah dan distribusi situs adsorpsi di dalam lempung tidak merata pada setiap titik sampel (Muhdarina, 2011).
3
100
adsorpsi, %
98 96 LC0,2 94
LC0,4
92
LC0,6
90 0
50
100
150
200
250
300
Konsentrasi, mg/L
Gambar 1. Efektivitas adsorpsi lempung aktivasi terhadap Pb(II) berdasarkan pengaruh konsentrasi adsorbat Pengamatan berdasarkan parameter temperatur untuk LC0,2 menggunakan konsentrasi 100 dan 200 ppm dapat dilihat pada Gambar 2. Dari Gambar tersebut terlihat bahwa pola adsorpsi Pb(II) pada lempung teraktivasi asam sulfat LC0,2 terdapat sedikit peningkatan kapasitas adsorpsi pada kedua konsentrasi yang digunakan, jadi dapat dikatakan pada proses ini terjadi penyerapan panas (endotermis). Menurut Bahri dkk (2011), panas yang diberikan kepada sistem menyebabkan kenaikan energi kinetik kation-kation di dalam larutan, sehingga mempermudah pergerakan kation menuju situs adsorpsi. Gupta dan Bhatacharyya (2008), menyebutkan bahwa diperlukan sejumlah energi atau panas agar partikel adsorbat dapat meresap ke dalam pori-pori adsorben dan teradsorpsi disana.
adsorpsi, %
100
99 100 ppm 98
200 ppm
97 0
10
20 Temperatur,
30
40
0C
Gambar 2. Efektivitas adsorpsi lempung aktivasi LC0,2 terhadap Pb(II) berdasarkan pengaruh temperatur pada konsentrasi adsorbat 100 dan 200 ppm.
4
b. Analisis data Penelitian ini mengikuti model isoterm Freundlich (Gambar 3) yang dilihat dari 2 nilai R (Tabel 1) untuk LC0,2, LC0,4 dan LC0,6 berturut-turut adalah 0,862, 0,887 dan 0,735. Kesesuaian dengan model Freundlich menyatakan bahwa sistem adsorpsi Pb(II) pada ketiga lempung Cengar teraktivasi asam sulfat tejadi secara fisika (fisisorpsi). 1.8
y = 1,403x + 0,418 R² = 0,862
1.5 y = 1,377x + 0,308 R² = 0,887 y = 0.9907x + 0.5134 R² = 0.735 LC0,2
log qe
1.2 0.9
LC0,4 0.6
LC0,6
0.3 0 -0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
log Ce
Gambar 3. Model isoterm Freundlich adsorpsi Pb(II) pada lempung Cengar teraktivasi asam sulfat (T=300C, w= 0,1 g, v= 10 mL, R= 120 rpm
Sampel LC0,2 LC0,4 LC0,6
Tabel 1. Nilai parameter isoterm Freundlich Freundlich 1/n KF 1,403 2,618 1,377 2,032 0,990 3,258
R2 0,862 0,887 0,735
Nilai parameter termodinamika untuk adsorpsi Pb(II) diperoleh dengan memplot ln Kd versus 1/T (Gambar 4). Dari gambar tersebut diperoleh harga entalpi (∆H), entropi (∆S) dan energi bebas Gibbs (∆G). Pada penelitian ini diperoleh nilai ∆H= 29,672 kJ/mol, ∆S= 116,0634 J/molK dan nilai rata-rata ∆G= -5,7842 kJ/mol (Tabel 2). Untuk nilai ∆H -4 sampai -40 kJ/mol dikatakan adsorpsi terjadi secara fisik (fisisorpsi) sedangkan ∆H -40 sampai -800 kJ/mol dikatakan adsorpsi terjadi secara kimia (kemisorpsi) (Andriyani, 2010). Nilai ∆H yang diperoleh dari penelitian ini menyatakan bahwa adsorpsi Pb(II) pada LC0,2 terjadi secara fisik (fisisorpsi). Hal ini didukung oleh pemenuhan sistim adsorpsi dengan model Freundlich.
5
3 y = -3.5694x + 13.966 R² = 0.8329
2.5
ln Kd
2 1.5
y = -3.8422x + 14.512 R² = 0.2398
1
100 ppm 200 ppm
0.5 0 3.15
3.2
3.25 1/T ×
3.3
3.35
3.4
10-3
Gambar 4. Plot ln Kd versus 1/T untuk adsorpsi Pb(II) pada LC0,2 Tabel 2. Nilai parameter termodinamika untik adsorpsi Pb(II) pada LC0,2 Temperatur Entalpi, ∆H Entropi, ∆S Energi bebas, ∆G R2 (K) (kJ/mol) (J/molK) (kJ/mol) 298 -4,914 303 29,672 116,0634 -5,494 0,832 308 -6,074 313 -6,655
KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil penelitian didapatkan penjerapan ion Pb(II) oleh lempung Cengar teraktivasi asam sulfat pada konsentrasi 300 mg/L berturut-turut untuk LC0,2 sebesar 29,278 mg/g (97,64%); LC0,4 29,418 mg/g (98,10%) dan LC0,6 29,513 mg/g (98,42%) pada temperatur 300C. Adsorben LC0,2 menjerap ion Pb(II) pada temperatur optimum adalah 350C dengan konsentrasi 100 dan 200 ppm. Model kesetimbangan adsorpsi Freundlich lebih sesuai diaplikasikan pada lempung Cengar teraktivasi asam sulfat. Proses adsorpsi Pb(II) terjadi secara endotermis dengan ∆H 29,672 kJ/mol, sedangkan parameter termodinamika yang lain, ∆S 116,0634 J/molK dan ∆G - 5,7842 kJ/mol. Dari hasil penelitian ini dianggap perlu dilakukan penelitian yang lebih lanjut dengan metode yang sama namun dengan variasi konsentrasi yang lebih tinggi untuk mendapatkan konsentrasi yang paling optimal. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada staf laboratorium yang terlibat dalam penelitian ini, Laboratorium UPT Dinas Pekerjaan Umum Pekanbaru.
6
DAFTAR PUSTAKA Andriyani, F. 2010. Studi Kesetimbangan Adsorpsi Cu(II) Pada Lempung Keggin Terpilar. Skripsi Jurusan Kimia FMIPA. Universitas Riau, Pekanbaru. Bahri, S., Muhdarina., Nurhayati dan Andiyani, F. 2011. Isoterma dan Termodinamika Adsorpsi Kation Cu2+ Fasa Berair Pada Lempung Cengar Terpilar. Jurnal Natur Indonesia 14(1): 7-13. Bhattacharyya, K. G and Gupta, S. S. 2008. Influence of Acid Activation on Adsorption of Ni(II) and Cu(II) on Kaolinite and Montmorillonite: Kinetic and Thermodynamic Study. Chemical Engineering Journal, 136: 1–13. Kalalagh, S. S., Babazadeh, H., Nazemi, A. H and Manshouri, M. 2011. Isotherm and Kinetic Studies on Adsorption of Pb, Zn and Cu by Kaolinite. Caspian Journal of Environmental Sciences, 9 (2): 243-255. Manohar, D. M., Noeline, B. F., and Anirudhan. T. S. 2006. Adsorption Performance of Al-Pillared Bentonite Clay For The Removal of Cobalt(II) From Aqueous Phase, Applied Clay Science, 31: 194-206. Muhdarina., 2011. Pencirian Lempung Cengar Asli Dan Berpilar Serta Sifat Penjerapannya Terhadap Logam Berat. Disertasi. Universiti Kebangsaan Malaysia. Muhdarina., Mohammad, A. W., dan Muchtar, A. 2010. Prospektif Lempung Alam Cengar Sebagai Adsorben Polutan Anorganik di Dalam Air: Kajian Kinetika Adsorpsi Kation Co(II). Reaktor, 13 (2): 81-88. Nasution, R. 2009. Kinetika Adsorpsi Kation Cu2+ Oleh Lempung Alam Yang Dimodifikasi. Skripsi Jurusan Kimia FMIPA. Universitas Riau, Pekanbaru. Nurpiyenti, 2013. Karakterisasi Lempung Cengar Teraktivasi Asam Sulfat. Skripsi Jurusan Kimia FMIPA. Universitas Riau, Pekanbaru. Purwaningsih, D. 2009. Adsorpsi Multi Logam Ag(I), Pb(II), Cr(III), Cu(II) dan Ni(II) Pada Hibrida Etilendiamino-Silika Dari Abu Sekam Padi. Jurnal Penelitian Saintek, 14 (1): 59-76. Yulis, A. 2012. Kesetimbangan Adsorpsi Pb(II) pada Lempung Alam Desa Talanai Kabupaten Kampar yang Diaktivasi Dengan NaOH. Skripsi Jurusan Kimia FMIPA. Universitas Riau, Pekanbaru.
7
