5~1
~ Prosi,ingPertemuan danPresentasi IImiah P3TM-BA TAN,Yogyakarta 14-15 Juli1999
KINETIKA
REAKSI
31
BukuII
PROSES ADSORPSI
ION LOGAM DALAM
ASAM HUMA T Muzakky, Dwi Biantoro, Imam Prayogo, Muhadi AW P3TM -Batan, Jl. BabarsariKotakPas 1008,Yogyakarta55010
ABSTRAK KINETIKA REAKSI PROSES ADSORPSI ION LOGAM DALAM ASAM HUMA T. Telah dipelajari kinatika reaksi proses adsorpsi logam dB/am asam humat. Pene/itian ini bertujuan untuk mendapatkan data kecepatan /aju reaksi proses adsorpsi ion /ogam Cr(///), Cuff/), Cd(//) dB/am asam humat. Pene/itian kinetika ini di/akukan memakai "ripe reaktor batch" dan kondisi isotenna/ dibuat pada 2SOC. Teknik pencup/ikan di/akukan sebagai fungsi waktu (samp/e hasi/ reaksi diambi/ pada volume tertentu secara periodik) di/akukan pada kondisi pH 5 dengan kuat ion 1.10-3 mol/l Ca(NO3)2. Eva/uasi hasi/ kinetika reaksi proses adsorpsi di/akukan memakai pendekatan "Langmuir-Hinshe/wood", dan hasi/ akhir pene/itian baik dB/am kondisi tungga/ maupun banyak adsorpsi /ogam dibufjt dB/am bentuk lampi/an kurva yang dibuat me/a/ui penye/esaian numerik. Pene/itian yang di/akukan dengan konsentrasi awa/ ion /ogam 4.10-3 mo/ll dB/am asam humat sebanyak 150 mgll, pH. 5, dan kekuatan ion 0.1 M. Ca(NO3)2 didapatkan bahwa kecepatan reaksi untuk Cr(///), Cd(//) dan Cu(//) tungga/ kondisi masing-masing ada/ah sebesar 2,16.10-3, 4.5 10-4 dan 1,4. 10-4 mo//menit. Sedang pada kankondisi banyak adsorsi kecepatan reaksi Cr (III) menjadi 2,3..10-3 mo//menit, sedangkan pada kondisi ini Cu(//) dan Cd(//) dipastikan tidak teradsorpsi keda/am asam humat.
ABSTRACT THE REACTION KINETIC OF ADSORPTION PROCESS OF ION METAL IN THE HUMIC ACID. A kinetic reaction study on the sorption process of metal in the humic acid has been done. The study of sorption rates of metal Cr(lll), Cu(II), and Cd(ll) in the humic acid has been camed out purpose. A kinetic experiment was camed out isothem7ally at the temperature of 25 :t 0,01oC using a batch-type reactor. A sequential sampling procedure (specific volume of samples periodically taken from the bulk reaction volume) was done at initial pH of 5 and the ionic strength of 1x10-3 molA calcium concentration. The Langmuir-Hinshelwood (LH) kinetic approach was used to evaluate the reaction kinetics of sorption process study and numeric solution was used to curve the experimental results of analyses in both single and multiple metal sorption condition. The sorption rates of single ion metal Cr(III), Cd(ll) and Cu(ll) were in order of 2, 16 x 10-3; 4.5 X 10-4; and 1,4 x. 10-4 mol/minute, with initial condition of experiment at 4.0 x 10-3 mollT of ion metal, 150 mgIT of humic acid, pH at 5, and 0.1 M. Ca(NO3)2. The multiple ion metal sorption of Cr(lll) was of 2.3 x.10-3 mol/minute, where as Cu(ll) and Cd(ll) were unable to be adsorbed in the humic acid.
sepertiphenomenatransport,transformasi,interaksi clan akumulasi polutan tersebut di alam A sam humat merupakan senyawa alam Iyang lingkungan(2,3). Informasi ini sangatberguna bagi penting di alam, bahan ini tersebar luas di pengambil keputusan terhadap kemungkinan dalam tanah, sedimen, air sungai, laut, dan danau terjadinya kontaminasi ataupun kerusakan sertaair dalam ataupun,air pennukaan.Senyawaini lingkunganyang disebabkanoleh polutan tersebut merupakan hasil proses dekomposisi akhir sisa dapatdicegah sedini mungkin, sehinggakebijakan tananam dengan bantuan mikroba(I). Untuk penguasadalam penyelamatanatau remediasialam mengetahuibagaimanaperananmekanismekinetika lingkungan dapat dilakukan dengan tepat, tanpa reaksi proses adsorpsi asam humat tersebut, menimbulkandampaknegatif lain bagi kehidupan khususnyadenganpolutan anorganiksepertilogam manusia. Cr,Cu, dan Cd yang bertujuan untuk kelestarian Pada percobaanini dipilih logam Cr, Cu alam sangat menarik untuk dipelajari. Dengan daDCd karenatoksitasnyaterhadapbiota perairan, dikuasainya pengetahuantentang kinetika reaksi tanamanpangan,sertadampakkeracunanyang akut tersebutakanbanYakmemberikaninfonnasipenting daDkronis bagi manusia sangatnyata(4).Menurut
PENDAHULUAN
Muzakky, dkk
Kimia Nuklir
ISSN 0216-3128
Nriagu dan Pacynayang dikutip oleh Ross.,8.M (5) terdapat dua sumber penyebabutama pencemar logam toksik tersebut kedalam tanah yaitu 1). pembakaranbatubarasebesar34,2 % logam Cd, 2). hasil pembuanganlimbah komersial sebesar47% logam Cr dan 55,8% logam Cu. Dalam persoalan penanggulanganataupunpenyelamatanlingkungan, peranansenyawahumatdalammengikat(pengkelat) species polutan tersebut yang menyebabkan penurunan derajat toksisitasnya sangat menarik untuk dipelari. Kemampuan pengkelat ini dimullgkinkan karena asam humat secara kimia berupamakromolekulyang sangatbesarberdemensi tiga, terdiri daTi banyak gugus fungsional seperti karboksil daDhidroksiphenolik. Untuk mencapai tujuan diatas, pada penelitian ini akan dipelajari kinetika proses adsorpsi tunggal logam daD kompetisi beberapa logam kedalam asam humat. Data eksperimen proses adsorpsi yang diperoleh akan di evaluasi dengan model kinetik nonlinier "LangmuirHinshelwood". model ini dipilih karena keunggulannyadalam meneran~anprosesadsorpsi logamberatkedalamasamhumat(3).
TEOR! Untuk menerangkanperanan bagaimana asam humat dalam mengadsorpsi ion logam, pendekatan model nonlinier "LangmuirHinshelwood" (LH) dapat dimulal dengan reaksi kesetimbngan sbb:
Y, adalah konstante integral, hila CA = Co pada t = 0 didapat Y = In Co + ko Co kemudian substitusi Y ke persamaan(6) diperoleh : InCA+koCA =-kit+lnCo+koCo
(7)
penjabaran persamaan(7) lebih lanjut akan didapat :
(
In- Co
_~l+ko Co-CA
=
kl.t
,-, (R\
Co-CA
Hila kita membuat kurva antara [In(CJ C~]/(CJCA) lawan t/(CJCA), akan didapat persamaan garis lurus dengan k1 dan ko sebagai slope dan intersep dan kecepatan reaksi dapat dihitung.
TATAKERJA Bahan-bahan: Asam humat, yang diperoleh dari basil isolasi tanah gambut yang diperoleh dari Sumatra Barat. Isolasi dilakukan dengan menggunakan metode"Scnitzer"(6), Larutan penyangga, diperoleh dari Fisher Scientific Co, Garam nitrat, Cr(NO3)3, Cd(NO3)2, CU(NO3)2 clan Ca(NO3)2.dari Merck Co Inc, Air deionsasi (qualiti >18.0 megaohm-cm), Asam Nitrat (99,99%) clan Sodium hiroksida (reagent grade) dari Merck Co Inc, Filter membrane 0,20-mikrometer, dari Schicher & Schuell Inc.
Alat-alat: Reaktor batch, pada labu leher 3 yang berkapasitas300 mI, yang dilengkapi water bath untuk menjaga temperaturterjaga 25 ::!: O,OloC, Siringe, pH meter, Wadah cupIikan dari pIastik dengankapasitas60 mI, AIat-aIatgelasIaboratorium lain, Seperangkatalat AAS, besertaIampu katoda buatan"Simatshu",PC komputer,yang diIengkapi perangkatlunak"Matlab" version4. Carakerja :
atau-dCA + kOdCA = -kldt CA atau InCA + kOCA = -kit + Y
ISSN 0216-3128
(5) (6)
Kedalamreaktorbatchdimasukansuspensi asamhumatsebanyak150 mg/I, dan diaduk dengan kecepatan konstan. Kemudian kedalamnya di masukkanion logam yang akan di adsorpsidengan konsentrasi awal reaksi 4.10-3 mol/I. Kedalam sistemtersebutsetelahvolume akhir 200 ml, dibuat sedemikianrupa sehinggapH = 5, dan kekuatanion larutan menjadi 1.10-3moI/l Ca(NO3)2.Padaselang waktu tertentusecaraperiodik diambil sebanyak10 ml basil reaksidengansiringe,kemudianpindahkan kedalam beaker plastik dan saringlah dengan membrane filter 0,2 urn. Hasil saringan yang mengandungCr(IIl), Cu(II) atau Cd(II) yang tidak ter adsorsioleh asamhumat atau konsentrasiakhir
Kimia Nuklir
Muzakky,dkk
.-D.--
Prosiding Perlemuan denPresentasi /Imiah P3TM-BATAN, Yogyakarla14-15Juli1999
Buku II
reaksi dianalisis dengan alat AAS. Cuplikan dan blanglo diperlakukc:n dengan kondisi yang sarna, dan setiap pengukuran dikerjakan dengan ulangan triplo. Aktivitas ion hidrogen [H+] diukur dengan alat pH meter, yang sebelumnya telah dikalibrasi dengan larutan penyangga pada pH 4,7 dan 10.
33
mekanisme reaksi dari order Dol kedalam order 1, terjadi pada saat CA = liko, daD besarnya basil konsentrasi tersebut dapat digrafikan seperti pada gambar2.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil plot antara [In(CJ C~]/( CJ C~ lawan t/(CJ CA) untuk kondisi tunggal ion loganl Cr(III), Cu(II) atau Cd(II) yang direaksikan dengan asanl humat dapat dilihat pada gambar I, sedangkan untuk kondisi banyak ke tiga loganl yang dicanlpur bersama-sama dapat dilihat pada gambar 4.
Adsorpsitunggalionlogam. r.r(II)
Seperti yang diperlihatkan pada garnbar 1, bahwa semua hasil kurva berbentuk garis rums. Hal adsorpsi ion logarn tersebut kedalarn asarn hum at tidak menyalahi model non linier LH tersebut diatas. Jadi dalarn kondisi tunggal kenetika reaksi proses adsorpsi, ion logarn Cr(llI), Cu(II) atau Cd(II) dapat teradsorpsi aktip ke dalarn asarn humat denganbaik. 8 ()
~ ::~====~~~
c.d"II)
Gambar2. Hasil perhitungan slope (kJ, intersep (k,J,kecepatanreaksi (r), dan LIto pada tunggaladsorpsiion.foagam.
tersebut berarti bahwa kinetika reaksi proses
8 ~ 86 m
(:.~II.I
~
Cu(lI)
Cr(lll) 04
~
-'
;I
-0
Cd(lI)
50
100 t/(Co-Ca)
150
200
Gambar1. Kurva kinetik LH tunggal ion logam Cr(J/I), Cu(lI) atau Cd(II) yang teradsorpsi ke dalam asam humat denganpersamaan (8). Adapun basil perhitungan slope dan intersep sebagaiharga kl, ko,kecepatan reaksi (kIf ko atau rA ) dan perubahan order reaksi (liko) dapat dilihat pacta garnbar 2. Dari garnbar tersebut dapat evaluasi, bahwa pacta spesies ion logarn dengan muatan lebih besar atau kerapatan elektron densitas yang tinggi akan cenderung mempunyai harga kl, ko, dan rAbesar, dengan urutan Cr(III»Cu(lI}>Cd(II}, Bila basil eksperimen kl dan ko garnbar 2, ketiga ion logarn di atas yang telah di reaksikan dengan asarn humat, kita subtitusikan kedalarn perasarnaan (2) kemudian solusinya dapat kita lakukan dengan cara numerik(7), maka pola adsorpsinya dapat diperlihatkan pactagarnbar 3. Dari garnbar 3, temyata dengan solusi numerik dapat diprediksikan bahwa sebelum titik belok phenomena kinetika reaksi adsorsi akan terjadi pacta order nol kemudian akan dilanjutkan order satu. Menurut Jin et.al(3) perubahan Muzakky. dkk
Adsorpsi banyak ion logam. Sebagaimanagambar 1 daD 2, basil eksperimenuntuk banyak ion logam tersebutdiatas dapatdilihat pactagambardibawahini,
Kimia Nuklir
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN. Yogyakarta 14-15Juli 1999
Buku II
34
50
150
200
Gambar 4. Kurva kinetik LH banyak ion logam Cr(lII), Cu(II) atau Cd(II) yang teradsorpsi kedalam asam humat dengan persamaan ( 8). Dari gambar 4, dapat diperkirakan bahwa pada keadaan adsorpsi banyak Cr(III) akan lebih dominan teradsorpsi kedalam asam humat dari pada Cu(II) dan Cd(II). Hal ini dapat dilihat p~da gambar 4, bahwa basil plot antara [In(CJ CA)] I( CJ CA) lawan t/(CJ C~ untuk Cu(II) dan Cd(II) tampak mendatar. Perkiraan ini lebih diperkuat lagi oleh basil perhitungan slope dan intersep atauharga kl, ko yang ditampilkan dalam bentuk graflk pada gambar 5. Temyata harga kl untuk ion logam Cu(II) dan Cd(II) menghasilkan nilai negatip, hal ini berarti kemungkinan besar pada keadaan banyak/campuran tiga logam tersebut tidak teradsorsi kedalam asam humat. Akibatkan adsorpsi ion logam Cu(II) dan Cd(II) ini harga kecepatan reaksi (kllko atau rA ) akan berharga negatip dan tidak mempunyai perubahan order reaksi (l/ko). 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001
Gambar 6. Kinetik banyak adsorpsi ion logam Cr(III), Cu(II) atau Cd(II) yang teradsorpsi ke dalam asam humat dengan persamaan (2). Seperti halnya gambar 3, temyata pada gambar 6 dengan solusi numerik dapat diprediksikan bahwa sebelum titik belok phenomena kinetika reaksi adsorsi ion logam Cr (III) akan terjadi pacta order nol kemudian akan dilanjutkan order satu. Sedangkanharga perubahan order reaksi (liko) tersebut dari order 0 ke order 1 pacta konsentrasi ion logam Cr(lII) dalam larutan sebesar 5xlO-4 mom atau kira-kira 1800 menit. Sedangkan ion logam Cu(II) dan Cd(lI) yang mempunyai harga k1 nilai negatip tidak teradsorpsi kedalam asam humat.
Phenomenakompetisi ke tiga ion logam tersebut pada adsorpsi banyak tersebut dapat diterangkandenganprincip reaktivitas ion logam "Pearson's hard soft nucleophile electrophile" yang dikutip oleh Ian Fleming(8).Ditnana Person meng klasifIkasikan Cr(lII) ke dalam "hard nucleophile", Cu(lI) "Borderline" dan Cd(lI) termasuk "soft nucleophile". Sifat dari "hard nucleophile" lebih reaktip sehinggakemungkinan besarakan bereaksidenganasamhumat lebih cepat dibandingkandengan "soft nucleophile" maupun "Borderline".
KESIMP UIAN -0,001 CrOll)
Cu(1I)
Cd(ll)
Gambar5. Hasil perhitungan slope (kJ, intersep (k,J, kecepatanreaksi (r), dan l/ko pada banyakadsorpsiion loagam. Hila basil eksperimenk1 daDko garnbar5, ketiga ion logarn diatas,kita subtitusikankedalarn perasamaan(2) dan solusinya dapat kita lakukan dengan cara numerik(7),maka pola adsorpsinya dapatdiperlihatkanpadagarnbar6.
ISSN 0216-3128
Dari hasil Penelitian yang dilakukan dengan konsentrasi awal ion logam 4.10-3 molll dalam asam humat sebanyak 150 mgil, pH larutan 5, kekuatan ion 0.1 M. Ca(NO3h didapatkan bahwa laju reaksi untuk Cr(III), Cd (II) clan Cu(II) tunggal kondisi masing-masing adalah sebesar2,16.10-3, 4.5 10-4 , clan 1,4. 10-4 mollmenit Kecepatan adsorsi tunggal logam tersebut menurun dengan urutan Cr(III»Cu(II»Cd(II), sesuai dengan kerapatan elektron densitinya. Sedang pada kondisi banyak adsorsi kecepatan reaksi Cr (III) menjadi 2,3.10-3 mollmenit, sedangkan pada kondisi ini Cu(II) dan' Cd(II) dipastikan tidak teradsorpsi kedalam asam humat. Hal ini disebabkan oleh kompetisi antar ion
Kimia Nuklir
Muzakky, dkk
Prosiding Pertemuan danPrese.'1tasi lImiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
Hukzi II
35
~ Mohon dijelaskan reaksi adsorpsi sehingga diperolehorderreaksiCr (III) 0 & 1. ~ BagaimanapengaruhpH padareaksiadsorpsi?
logam Cr(III), Cu(lI) dan Cd(lI) dalam banyak adsorpsi yang sesuai dengan prinsip reaktivitas"Pearson's hard soft nucleophile electrophile".
Muzakky -<:>Konsentrasilogam 4.10-3 Jllogam dan 150 mgil supaya mudah dianalisis dengan AAS, pH=5 merupakan kondisi optimal pH adsorpsi asam humat untuk menyerap logam. -<:>Dari persamaan 8. -<:>Sangat berpengaruh pada pH 2 -3,5 logam tidak teradsorpsi, pH 4- 5,5 optimal, pH > 5 terjadi endapan OF dari logam-logam.
DAFfAR PUSTAKA :
1. ANONIM., "Sciences of Soil", Soil humic subtances., home pge,http://www.hintze online.comlsos/index.html, September,1997 2. SHONOOR,J.L., "Environmental Modeling" Fate and Transportof Pollutantsin Water, air, and Soil.,.p. 414~423.,John Wiley & Sons.Inc., Kris Tri Basuki New York., 1996. ~ Mengapaandasudahmendetinisikanorde Dol? 3. JIN.X., at aI, "Kinetics of Single and Multiple ion Sorption Processeson Humic Subtances"., ~ Bagaimanafenomena "Hard soft nucleophile Soil Science,Vol.161-no.8., p.509-520,1996. electrophile"? 4. PALAR,H., "Pencemaran& tosikologi logam Muzakky berat".,PT.RinekaCipta,Jakarta,April 1994. -<:>a. Dari literatur. 5. ROSS,S.M., "Toxic metal in Soil_Plant b. Pada dasarnya semua reaksi akan Systems"., John Wiley &Sons., New York, diawali dengan orde nol, karena cepatnya 1994. laju reaksi pada orde nol sehingga sulit 6. STEVENSON.F.J., "Humus Ch~mistry , dideteksi. Genesis,Composition,,Reaction.,JohnWiley & c. Dari solusi numerik setelah dihitung No. Son, Inc, New York, 1994. 2 ke depan grafik 3 dan 6, laju reaksi 7. LITTLEFffiLD.B., at al., "The studentedition mula-mula linier kemudian dilanjutkan of Matlab"., Version 4., Prentice Hall., asimtotik EnglewoodCliffs, NJ 07632.,N. York., 1995. -<:>Fenomena ini mengklasifikasikan beberapa 8. FLEMING.I., "Frontier Orbital and Organic logam ke dalam "hard; bandevile, dan soft Chemical Reactions,p.34-37., Johm Wiley & nucleovile" yang berdasarkan reaktivitas Son; Chichester,New York., 1994 logam satu terhadap yang lain sehingga didapat deret tersebut. Susanna }> Mohon penjelasan yang dirnaksud dengan kondisi tunggal dan kondisi banyak adsorpsi. }> Mekanisme reaksi ion logam tersebut deI1gan asam humat. Peristiwa adsorpsi yang terjadi bersifat fisis atau kimia, mohon dijelaskan.
TANYAJAWAB Ngasifudin );;- Mohon dijelaskan prose pembuatangambar 3. Muzakky -
gamin ~ MengapakonsentrasiIogamawaI4.IO-31.1, asam humat150 fig/I, pH=5?
Muzakky,dkk
Kimia Nuklir
Muzakky -
ISSN 0216-3128
