LAPORAN PENELITIAN FUNDAMENTAL
Kinetika Adsorpsi Ion Hg 2+ pada Elektroda Pasta Carbon Termodifikasi Bentonite; Studi Eksplorasi Dasar Kerja Sensor Amperometrik Ion Merkuri
Oleh : Dr. rar. Net. Asep Supriatna. M . S i Dr. Agus Setiabudi, M . S i Drs A l i Kusrijadi, M . S i
DIB1AYAI P R O * ' E K PENFLITLA.N I L M U P E N G E T A H U A N DASAR D E N G A N S U R A T P E R J A N J I A K F E L A K S A N A A N P E N E L I T I A N N O M O R 0t4/PP2M/II72006 D I R E K T O R A T P E M B I N A A N P E N E L I T I A N DAN T E N G A B D I A N K E P A D A M A S Y A R A K A T D I R E K T O R A T JENDRAL PENDIDIKAN TINGGI DEPARTEMEN PENDIDIKAN NASIONAL
F A K U L T A S P E N D I D I K A N M A T E M A T I K A DAN I L M U P E N G E T A H U A N A L A M UNTVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA 2006
1. J u d u l : K i n e t i k a A d s o r p s i Ion H g pada E l e k t r o d a Pasta C a r b o n T e r m o d i f i k a s i Bentonite; Studi Eksplorasi Dasar Kerja Sensor Amperometrik Ion Merkuri 2. K e t u a Peneliti a. Nama Lengkap
Dr. rer. nat. Asep Supriatna, M . S i
b. Jenis K e l a m i n
Laki-laki
c. N I P
131911642
d. Pangkat/Golongan
Hid
e. Jabatan Fungsional
Lektor
f. Fakultas/Jurusan
FPMIPA/ Kimia
g. Perguruan Tinggi
Universitas Pendidikan Indonesia ( U P I )
h. Pusat Penelitian
Lemlit U P I , J1. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154 3 Orang Lab. Penelitian K i m i a U P I , Lab. K i m i a B 4 T
3. Jumlah T i m Peneliti 4. Lokasi Penelitian 5. Kerjasama dengan Institusi L a i n a. Nama Instansi b. Alamat 6. Masa Penelitian 7. Biaya yang diperlukan
Bandung, lONovembei 2006 Ketua Peneliti
^Menwahu'
>rfK*iktaas
f
10 bulan, mulai dari tgl. 1 Februari 2006 Sampai dengan 31 November 2006 Ro. 39.000.000,00 (Tiga P U I J I I Sembilan Juta Rupiah)
PMIPa
*7
^ © ^ ^ Q T ^ a r ilendayana M . S c ) ^ N I P T I 30^608 529
(Dr. rer. nat. Asep Supriatna. M . S i ) N I P . 131 911 642
Menyetujui Ketua Lembaga Penelitian U P I
ft (Furqon,,phD) N I P : 131,627 889
DAFTARISI L E M B A R I D E N T I T A S DANPENGESAHAN RINGKASAN PRAKATA DAFTAR TABEL DAFTAR GAMBAR DAFTAR LAMPIRAN
ii i" iv v vi viii
LPENDAHULUAN 1.1
L a t a r Belakang Masalah
1
1.2
Rumusan Masalah
2
II. TINJAUAN PUSTAKA
3
2 . 1 . T e k n i k A n a l i s a logam M e r k u r i
3
2.2.
Sensor K i m i a dan Sensor E l e k t r o k i m i a
4
2.2.1
4
Sensor A m p e r o m e t r i k
2.2.2 E l e k t r o d a Tasta K a r b o n ( E P K ) 23.
6
Bentonit
6
23.1
S t r u k t u r Bentonit
6
23.2
Sifat F i s i k dan K i m i a Bentonit
2.4.
Adsorpsi
°
2.5
A d s o r p s i Isotherm
"
EU
TUJUAN DAN MANFAAT P E N E L I T I A N
11
IV. M E T O D E P E N E L I T I A N
12
4.1 Desain Penelitian
12
4.2
T a h a p a n Pelaksanaan
13
4.2.1
Tahap Preparasi
13
4.2.1.1 P r e p a r a s i E P K dan E P K T B
13
4.2.2 43
4.2.1.2 Pernbuatan L a r u t a n Model C d 2 +
15
4.2.13 Pembuatan L a r u t a n Model H g 2 +
15
U j i k i n e r j a E P K dan E P K T B
Instrumen pelaksanaan
16 16
V. I1ASIL DAN P E M B A H A S A N
18
5.1.
18
K i n e r j a E P K T B terhadap L a r u t a n Model C d 2 +
53.
A p l i k a s i E P K T B pada P r e k o n s e n t r a s i L a r u t a n M o d e l H g 2 +
20
53
. Kinetika Adsorpsi H g 2 + p a d a E P K T B
24
VI. KESIMPULAN
2 9
VII. DAFTAR PUSTAKA
3 0
RINGKASAN
Studi tentang kinetika adsorpsi ion H g 2 + pada elektroda pasta karbon termodifikasi bentonit ( E P K T B ) yang didasarkan pada kerja sensor amperometrik, dilakukan melalui dua tahap kegiatan yaitu pembuatan dan uji kinerja E P K T B dan uji analisis terhadap larutan ion H g 2 + sebagai dasar kajian terhadap kinetika adsorpsi ion H g 2 + dalam E P K T B . Kajian data optimasi penggunaan E P K T B terhadap larutan C d 2 + memperlihatkan tegangan listrik optimunv^ebesar 0,6 volt dan waktu kontak yang dibutuhkan sebesar 360 detik. Respon arus yang diberikan E P K T B terhadap larutan model meunjukkan peningkatan dengan bertambahnya konsentrasi larutan. Penggunaan E P K T B pada larutan uji H g 2 + memperlihatkan respon arus menurun sejalan dengan lamanya waktu interaksi E P K T B dengan larutan uji. H a l ini menunjukkan lambatnya terjadi kesetimbangan proses adsorpsi dan reduksi dari analit. Waktu optimum yang diperlukan pada analisis larutan uji sebesar 30 detik dengan batas konsentrasi analisis 4 ppm Didasarkan pada perbandingan kadar Karbon-Bentonit dalam E P K T B , menunjukkan semakin besar perbandingan kadar Bentonit terhadap karbon semakin tinggi daya adsorpsi EPKTB. Kajian kinetika adsorpsi H g 2 + oleh E P K T B mengikuti model Freuniich, hal ini sesuai dengan karakter situs pengadsorps yang tidak seragam dalam E P K T B dan interaksi yang diramalkan berupa adsorpsi kimia dan fisik.
in
PRAKATA R a s a syukur kami ucapkan ke hadirat Allah S W T . Y a n g telah memberikan bimbingan dan hidayahnya hingga kami dapat
menyelesaikan penelitian yang berjudul "Kinetika
Adsorpsi Ion H g 2+ pada Elektroda Pasta Carbon Termodifikasi Bentonite; Studi Eksplorasi Dasar Kerja Sensor Amperometrik Ion Merkuri". Penelitian ini ditujukan untuk mengekplorasi ilmu dasar dan aplikasinya sehingga diharapkan terjadinya sinergi pengembangan keilmuan teoritis dan aplikasinya pada kasus nyata. Hal yang diharapkan dapat disumbangkan dari penelitian ini baik hasil kajian teoritis mengenai kinetika adsorpsi maupun pengembangan instrumentasi yang bersifat aplikatif. Penulis menyadari masih banyaknya hal yang perlu ditindaklanjuti dari penelitian ini, semcga
hasil penelitian
dapat dijadikan sumbangsih
dalam
pengembangan ilmu
dan
teknologi di Negara tercinia, sebagai modal dasar mensejajarkan diri dengan bangsa lain. Pada kesempatan ini kami ucapkan terima kasih kepada: 1
Direktur Pembinaan Penelitian dan Per.gabdian kepada Masyarakat Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi Depdiknas, yang telah membiayai penelitian ini.
2.
Ketua
Lembaga
Penelitian
U P I , yang
telah
membantu
hingga
terlaksananya
penelitian. 3.
Ketua Jurusan Pendidikan K i m i a FPM1PA U P I yang telah mengijinkan penggunaan fasilitas laboratorium sebagai tempat melaksanakan penelitian.
4.
semua fihak yang telah membantu terselesaikannya penelitian ini.
Bandung, Penyusun
iv
l-November-2006
DAFTAR TABEL
T a b e l 5.1 Rangkuman proses adsorpsi dan reduksi (prekonsentrasi) pada EPKTB T a b l e 5.2 Kritena statistik dan parameter yang dihasilkan pada pengujian model adsorpsi terhadap data eksperimen adsorpsi Hg2+ pada berbagai konsentrasi berdasarkan model adsorpsi Langmuir, Freundlich, Tempkin dan Sigmoid
DAFTAR GAMBAR G a m b a r 2 . 1 D i a g r a m blok komponen ( a ) SensorAmperometrik, (b) V o l t a m e r i strippin
5
G a m b a r 2.2. Sketsa diagramatis struktur montmorillonite menurut Hofmann.. Endell, dan W i l m (1933); Marshal (1935); Hendricks (1942) G a m ba r 4 . 1 . Skema Stwjli Mekanisme Adsorpsi pada EKPTB dalam
7
Kondisi Aplikasi
13
G a m b a r 4.2. Bagian - bagian batang elektroda dalam pembuatan E P K dan E P K T B
14
G a m b a r 4 3 . Bagan kerja preparasi pasta karbon G a m b a r 4.4. Bagan kerja preparasi Pasta Karbon Termodifikasi Bentonit
14 ....
G a m b a r 4.5. Rangkaian Sel Elektrokimia Sensor Amperometrik
15 17
G a m b a r 5.1. Respon arus pada proses prekonsentrasi larutan C d S 0 4 4, 22 ppm pada beda poiensial 0,6 volt, 1 volt, 1,5 volt dan 5 volt mengunakan E P K T B 2+ G a m b a r 5.2. Konsentrasi C d teradsorpsi dan larutan CdSCb 4,22 ppm pada beda poiensial 0,6 volt, 1 volt dengan rentang waktu 0 - 6 0 detik menggunakan E P K T B G a m b a r . 5 3 . Respon arus pada pioses prekonsenirasi 1 menii larutan H g ' 0,1 dan 1 ppm pada beda potensial 0,6 volt mengunakan EPKTB G a i n b a r 5.4. Kapasitas adsorpsi E P K T B terhadap larutan 3,872 ppm H g 2 +
19
20
21
pada berbagai waktu prekonsentrasi
22
G a m b a r 5.5. Kapasitas adsorpsi E P K T B terhadap larutan 1,2975 ppm H g 2 + pada berbagai waktu prekonsentrasi
23
G a m b a r 5.6. Kapasitas adsorpsi E P K T B terhadap larutan analit mode! H g 2 + sebagai fungsi konsentrasi
24
G a m b a r 5.7. K u r v a fitting nonlinier terhadap data eksperimen adsorpsi Hg2 + pada berbagai konsentrasi berdasarkan model adsorpsi Langmuir, Freundlich, Tempkin dan persamaan matematis bentuk sigmoid
vi
....
27
L PENDAHULUAN
1.1
L a t a r Belakang Masalah
Merkuri (Hg) merupakan salah satu logam berat yang dikelompokan
sebagai
pencemar lingkungan k'arena sifatnya yang dapat menghambat kerja enzim dan afinitasnya terhadap gugus tiol
Karena itu monitoring ion merkuri di lingkungan (deteksi dan
penentuan kadar) merupakan aktivitas yang sangat penting. Terdapat berbagai teknik yang dapat dilakukan untuk mendeteksi merkuri dalam media air, misalnya: teknik spektroskopi serapan atom ( A A S ) , spektrometri massa ( M S ) , dan sepktrometn plasma induktif (1CPA E S ) . Teknik-teknik standar tersebut diakui menunjukkan sensitivitas, seiektivitas dan rentang linieritas yang baik. Walau demikian pengerjaan analisis dengan teknik tersebut tidak bisa dilakukan sccara on-site, membutuhkan rangkaian pekeijaan yang panjang. dan harga peralatan rehtif mahal. Metode deteksi ion logam lainya adalah dengan menggunakan perangkat sensor amperometrik.
Untuk keperluan sensor ion logam dengan cara elcktrokimia diperlukan
perangkat eiekauda yang dimodifikasi secara Kimi?. Elektroda Tenriodifikasi Kimia ( E T K ) berperan sebagai lapisan sensitif dan reager. tak bergerok . Prosedur zmalisri dengan menggunakan F.TK biasany3 dikombinasi aengan telmik prekonsentrasi. Fada teknik ini, analit diakumulasi pada modifier E T K sclanjutnya diieduksi atau dioksidasi melalui peningkatan potensial. Modifier dalam E T K biasanya berperan sebagai adsorben untuk akumulasi analit pada tahap prekonsentrasi tersebut. Electroda pasta karbon ( E P K ) merupakan elektroda yang relatif mudah dimodifaksi secara Kimia dengan wilayah aplikasi yang luas. E P K adalah campuran serbuk grafit dengan cairan pemasta dan modifier. Salah satu material yang dapat digunakan sebagai modifier adalah lempung
Bentonite. Bentonit menuniukan
sifat adsorpsi yang baik
terhadap ion-ion logam beret. Sifat adsorpsi ini disebabkan oleh adanya kandungen montmorillonit dalam bentonite; yaitu sekitar (60%).
Montmorillonite, yang tergolong
lempung kationik, memiliki struktur berlapis dengan ion positif pada fasa inter-layer. Kation interlayer inilah yang menjadikan montmorillonite memiliki sifat adsorpsi.
Beberapa studi tentang sifat adsorpsi bentonite dan zeolit teiah dilakukan oleh pengusul dan kelompok peneliti pengusul. Studi tersebut adalah: studi adsorpsi limbah vinase pada bentonit (Supriatna, 2005), adsorpsi pengotor dalam Crude Palm dan Coconut Oil
Oil..(CFO)
( C N O ) oleh bleching earth bentonit teraktivasi (Supriatna, 2005),
adsorpsi pengotor dalam air buah-buahan (apel dan nenas)
oleh bentonit (Yeni 2004)
adsorpsi ion H g 2 + telah banyak dilakukan pada berbagai adsorben, tetapi tanpa perlakuan beda potensial, misalnya pada material sitosan ( K i m , 2004). Pengkajian kapasitas pertukaran
ion dan
kinetika adsorpsi
lempung terhadap
ion Pb 2 *, menunjukkan
kecenderungan terjadinya adsorpsi isotermis model Langmuir dengan tingkatan kapasitas adsorpsi optimum sebesar 80 % (Degsy, 2006) Adsorpsi ion Hg 2 * pada Elektroda Pasta Karbon Teimodinkasi Bentonite ( E P K T B ) , merupakan proses yang penting j i k a elektroda tersebut digunakan sebagai komponen peralatan sensor Hg 2 *. Pengetahuan tentang kinetika adsorpsi ion oieh elektroda Pasta Karbon dapat memberikan infoitnasi tentang batas kinerja E P K T B sebaga' sensor Hg 2 *. piekonsentras1 optimum
1.2
Batas kinerja dimaksud, mLclnya,: Potensial
konsentrasi maksi'im dan waktu.
Rumusan Masalah
Masalah utama pada penelitian ini adalah: "Bagaimanakah kinetika adsorpsi ion 2
Hg * pada Elektroda Pasta Karbon Termodifikasi Bentonite ( E P K T B ) ? " . Berdasarkan vaiiabel yang akan diteliti, masalah operasional penelitian ini adalah: 1.
Bagaimanakah kinerja E P K T B terhadap laju adsorpsi ion logam C d 2 * sebagai larutan model ?
2.
Bagaimanakah pengaruh variasi konsentrasi ion analit (Hg 2 *) terhadap laju adsorpsi ion H g 2 + pada E P K T B ?
3.
Bagaimanakah pengaruh waktu prekonsentrasi ion analit (Hg 2 *) terhadap laju adsorpsi ion H g 2 > pada E P K T B ?
4
Bagaimanakah model kinetika adsorpsi ion H g 2 + pada E P K T B ?
2
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1. T e k n i k Ana Lisa logam M e r k u r i Merkuri (Hg) merupakan salah satu logam berat yang dikelornpokan sebagai pcncemar lingkungan karefia sifatnya yang dapat menghambat kerja enzim dan afinitasnya terhadap gugus tiol [1]. Karena itu monitoring ion merkuri di lingkungan (deteksi dan penentuan kadar) mempakan aktivitas yang sangat penting. Terdapat berbagai teknik yang dapat dilakukan untuk mendeteksi merkuri dalam media air, misalnya: teknik spektroskopi serapan atom ( A ^ S ) , spektrometri massa ( M S ) , dan sepktrometri -plasma induktif ( I C P A E S ) [2]. Teknik-teknik standar tersebut diakui menunjukkan sensitivitas, selektivitas dan rentang linieritas yang baik. Walau demikian pengerjaan analisis dengan teknik tersebut tidak bisa dilakukan secara on-site, membutuhkan rangkaian pekerjaan yang panjang, dan harga peralatan relatif mahal Me»ode deieksi ion logam lainya adalah dengan menggunakan perangkat sensor amperometrik.
Untuk keperluan sensor ion iogam dengan cara elektrokimia diperlukan
perangkat elektroda yang dimodifikasi secara Kimia. Elektroda Termodifikasi Kimia ( E T K ) berperan sebagai lapisan sensitif dan reagen tak bergerak . Prosedur analisis dengan mengguiiakan E T K biasanya dikombinasi dengan teknik prekonsentrasi. Pane teknik ini, analit diakumulasi pada modifier E T K selanjutnya direduksi atau dioksidasi ir.elalui peningkatan potensial. Modifier dalam E T K b'asanya berperan sebagai adsorbed untuk akumulasi analit pada tahap prekonsentrasi tersebut. Elecmoda pasta kaibon ( E P K , merupakan elektroda yang relatif mudah dimodifaksi secara Kimia dengan wilayah aplikasi yang luas. E P K adalah carripuran serbuk grafit dengan cairan pemasta dan modifier. Salah satu material yang dapat digunakan sebagai modifier adalah lempung Bentonite. dilaporkan dalam literatur menunjukan sifat adsorpsi yang baik terhadap ion-ion logam berat. Sifat adsorpsi ini disebabkan oleh adanya kandungan montmorillonit dalam bentonite; yaitu sekitar (60%).
Montmorillonite, yang
tergolong lempung kationik, memiliki struktur berlapis dengan ion positif pada fasa interlayer. Kation interlayer inilah yang menjadikan montmorillonite memiliki sifat adsorpsi.
3
2.2.
Sensor K i m i a dan Sensor Elektrokimia Sensor kimia adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur sesuatu
yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, pan as, sinar, dan kimia menjadi beda potensial dan arus listrik (Petruzella, 2002). Sensor terdiri dari transduser dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera. Transduser merupakan alat yang dapat mengubah suatu energi dari satu bentuk ke bentuk lain. Secara umum transduser dibedakan atas dua prinsip kerja yaitu: pertama, transduser input yaitu transduser yang mengubah energi non listrik menjadi energi listrik. Kedua, transduser output yaitu transduser yang mengubah energi listrik ke bentuk energi non listrik. Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai mata, pendengaran, hidung, dan lidah yang kemudian akan diolah oleh pengontrol sebagai otaknya. Dalam sensor terdapat bagian yang disebut aktuator (penggerak). Adapun aktuator merupakan alat yang dapat menguoah sinyal listrik menjadi gerakan mekanis. Aktuator teisebut digunakan dalam proses pcr.golahan da«a yang dihasilkan oleh suatu sensor atau kontrolcr. Sensor kimia merupakan mmiatur perlengkapan analitis yang dapat memberikan infonnasi adanya senyawa atau ion tertemu dalam suatu sampel. Biasanya proses pengenalan terhadap anali; dengan cara mengubah infonnasi kimia ke dalam sinyal listrik atau smyal optik. Sensor kimia dapat juga digunakan sebagai sensor elektroaktif yang menimbulkan sifat selektif dan spesifik terhadap suatu analit tertentu. Sensor elektrokimia pada dasamya suatu sel elektrokimia yang terdiri dari sepasang elektroda yang dicelupkan ke dalam suatu lelehan atau larutan ion dan dihubungkan dengan penghantar logam pada rangkaian luar. Sel elektrokimia dapat berupa sel galvani dan sel elektrolisis. Sel galvani atau sel voita adalah sel elektrokimia yang dapat menghasilkan energi listrik yang disebabkan oleh terjadinya reaksi redoks yang spontan, sedangkan sel elektrolisis adalah sel elektrokimia yang menyebabkan terjadinya reaksi redoks yang semula tidak spontan dengan adanya energi listnk dari luar
2.2.1
(Mulyani dkk., 2003).
Sensor Amperometrik Sensor kimia telah digunakan dalam berbagai aplikasi seperti dalam proses-proses
kimia, industri makanan, pengawasan lingkungan dan aplikasi biomedis (Gellings dan
4
Bouwmeester, 1997). Sensor kimia sendiri adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu infonnasi mengenai zat kimia, baik kualitatif maupun kuantitatif menjadi signal-signal analitis, sebagai hasil dari interaksi kimia (Stetter et al, 2003). Sensor amperometrik
dan sensor potensiometrik
adalah bagian
dari sensor
elektrokimia, yaitu sensor yang prinsip kcrjanya didasarkan pada reaksi elektrokimia. Biasanya sensor jenis ini memiliki tiga buah elektroda yaitu sensing electrode,
working
electrode dan reference: electrode. Sensor amperometrik mengukur arus yang dihasilkan dari reaksi elektrokimia yang melibatkan analit dimana arus ini sebanding dengan konsentrasi analit. Sedangkan sensor potensiometri mengukur konsentrasi analit dengan cara mengukur potensial yang dihasilkan dari reaksi elektrokimia yang melibatkan analit. Pcrbedaan
rangkaian
sensor
amperometrik
dengan
voltametri
stripping
dipresentasikan dalam gambar 2.1 di bawah ini:
Elektroda Pembanding
Power supply
Amperemeter
Elekhodo kerja
Sel Elektrokimia Etektroda Pembaixing
Konverter Potensiosrat
\ Elektrola counter
Elektroda kerja
Konverter
Sel Elektiokimia
Komputer (b) G a m b a r 2.1 Diagram blok komponen (a) SensorAmperometrik. (b) Voltameri
stripping
2.2.2 Elektroda Pasta Karbon ( E P K ) Elektroda Pasta Karbon merupakan suatu elektroda yang dapat dimodifikasi dengan zat/senyawa tertentu yang berguna untuk mendeteksi kation logam dalam suatu sampel. Hal itu dikarenakan karbon memiliki sifat sebagai adsorben yang bisa dimanfaatkan sebagai zat penangkap logam seperti kadmium atau zat berbahaya tertentu. Elektroda Pasta Karbon biasanya dibuaf dengan mencampurkan hidrofobik seperti paraffin,
serbuk grafit/karbon dengan diluen
nujol, karet silikon, resin epoksi, teflon, dan lain-lain.
Elektroda Pasta Karbon juga dapat dijadikan alternatif sebagai elektroda kerja dalam sel elektrokimia (Pauliukaite, 2002). Elektroda Pasta Karbon ( E P K ) dimodifikasi bentonit digunakan sebagai elektroda kerja pada metode sel voltametri yang kemudian disebut
Elektroda Pasta Karbon
rmodifikasi Bentonit ( E P K T B ) .
23.
Bentonit Bentonit merupakan mineral nonlogam terbidrasi dan bersifat koloidal dari grup
smectite dioktahedral, sub kelas phyllosilikat, kelas silikat. Bentcnit sebagian besar tersusun atas mineral monmorillonUe. Kemomian bentonit didasarkan pada kandungan monmoiillonite. sementara
Bentonit yang murni bisa mengandung lebih dari 90%
sebagian
montmori'ionite,
besar
cadangan
bentonit
di
dunia
monmcrillon'tc,
n.engandung
70°o-80%
sehingga dapat dikatakan bahwa bentonit adalah nama komersial dan
mineral monmorillonite.
Selain monmohllonite,
kandungan mineral lain dalam bentonit
antara lain beiupa mineral kaolinit, illite, kuarsa, plagioklas, knstobalit dan lain sebagainya (Pramono, 2004).
23.1
Struktur Bentonit Struktur mineral montmorillonite yang dapat diterima saat ini adalali struktur yang
disarankan periama kali oleh Hofmann, Endel dan Wil (1933), dimodifikasi kemudian oleh Marshal (1935), Maegdefrau dan Hofmann (1937) dan Hendricks (1942). Menurut konsep ini montmorillonite terdiri atas unit yang disusun oleh dua lapis (sheet) tetrahedral silika dengan pusatnya lapisan oktahedral alumina (2:1).
6
G a m b a r 2.2. Sketsa diagiamatis struktur montmorillonite menurut Hofmann, Endell, dan Wflm (1933); Marshal (1935); Hendncks (1942)
Unsur-unsur kimia yang terkandung dalam bentonit aniara lain : S i 0 2 , AI2O3- CaO, MgO, N a 2 G , F e 2 0 3 , H 2 0 , dan lain-lain. Rumus teoritis untuk moiimonllonite
adalah
(OH)4SisAM0 2 an(inteilayer)H 2 0 dmgan komposisi teontis tanpa materi mterlayer adaiah 66 7% S?G 2 ; 28,3% A J 2 0 3 , 5% H 2 0 . Rumus montmonllonite sdalu berbeda dengan minus tecrit's di atas karena terjadinya substitusi logam dalam Kisi-kisi kiistalnya. Menurut Ross dan Hendncks, rumus montmori'ionite adalah (OH)/Si8(Al 3i34 Mgn,6o)02o atau Mg diganti dengan Na<,.66 Hampir serupa, Pironcov, Soev at. al. (1991) rr.enyatakan bahwa mmus kimia montmorillonite yang ideal adalah [Sig(Al 3 v i M g o ^ ^ o ^ H ^ J M c ^ n H 2 0 , dimana ion M dapat berupa Na, Ca dan Mg.
23.2
Sifat Fisik dan K i m i a Bentonit Montmonllonite memiliki struktur kristalin berupa partike! flake"
yang mirip
dengan com flake. I-lake ini sangat kecil dengan ukuran 10-0,01 mikrometer. Satu gram montmorillonite memiliki luas permukaan 750 m 2 /gram, hampir seluas butiran karbon aktif teraktifasi yang terbaik. Dalam keadaan kering bentonit memiliki sifat fisik sebagai berikut: wama bervariasi dari krem sampai kuning kehijauae, memiliki berat jenis 2,2-2,8 g/L, indeks bias 1,547-1,557 dan titik lebur 1330-1430°C. Partikel bentonit bennuatan negatif yang diimbangi dengan kation yang dapat dipertukarkan. Hal ini memungkinkan
7
bentonit memisahkan logam berat dari air dan memisahkan senyawa organik kationik melalui mekanisme pertukaran ion.
2.4.
Adsorpsi Adsorpsi periama kali digunakan oleh Lowitz pada tahun 1785 dan segera setelali
itu diaplikasikan untuk menghilangkan warna pada proses pemurnian gula (Hassler,1974). Kemudian pada pertengalfan abad 19, penyaring arang kayu {charcoal)
digunakan pada
instaiasi pengolahan air di Amerika Serikat ( A S ) (Croes, 1883). Selama Perang Dunia 1, karbon aktif granular ( G A C ) diproduksi dalam skala besar untuk keperluan pembuatan pelindung gas (gas masks). Karbon aktif serbuk ( P A C ) digunakan di Chicago, A S . pada tahun 1920-an untuk mengendalikan rasa dan menghilangkan bau pada cadangan aityang terkontaminasi klorofencl (Baylis, 1929). Selama pertengahan tahun 1970-an, proses adsorpsi untuk menghilangkan zat-zal organik dari air minum masyarakat semakin menjadi perhatian yang serius, karena sumher air yang terkontaminasi oleh limbah industri, bahanbahan kimia pertanian, dan pembuangan kotoran. Adsorpsi adalah proses penyerapan suatu zat
(adsorbat)
pada
permukaan
suatu
bahan
penyerap
(adscrbenV
Beidasarkan
mekanismenya, adsorpsi dibagi dua jenis, yaitu:
1) .
Adsorpsi secara fisika interaksi
antara
aascrben
dengan
adsorbat
pada
prinsipnya
elektrostatik, termasuk interaksi dipol-dipol, interaksi dispersi, dan
adaiah
ik3tan
gaya
hidrogen.
Adsorbat dapat diserap karena adanya gaya tarik menarik yang relatif lemah dengan permukaan adsorben. Adsorbat tidal: tertarik secaia kuat sehingga adsorbat dapat bergerak dari suatu oagian permukaan ke bagian permukaan lain. Adsorpsi ini ber'angsung cepat, reversibel, dan kalor adsorpsinya rendali. 2) .
Adsorpsi secara kimia Pada adsorpsi secara kimia pendekatannya adalah atraksi antara adsorben dengan
adsorbat ikatan kimia kovalen atau elektrostatik antara atom-atom yang memiliki ikatan yang lebih pendek dengan ikatan yang berenergi lebih tinggi. Adsorpsi secara kimia tidak reversibel, terjadi pada suhu tinggi, dan kalor adsorpsinya juga tinggi. Faktor-faktor yang mempengaruhi penyerapan adalah: 1). Pengadukan {agitation) Laju penyerapan dikendalikan oleh difusi film atau difusi pori tergantung
pada
pengadukan. Pada pengadukan yang relatif tidak lama, partikel dari larutan akan
mengelilingi permukaan film adsorben dan kemungkinan besar j i k a batasan lajunya terpenuhi akan terjadi difusi film. Jika pengadukan memadai, laju difusi film akan meningkat dan terjadi difusi pori pada batasan laju yang cukup. Menurut Weber (1972), pada umumnya batasan laju penyerapan difusi pori pada pengadukan yang tinggi. 2. ) Karakteristik adsorben (sifat fisika dan kimia) Luas permukaan, ukuran pori-pori, dan komposisi kimia dari adsorben mernpengaruhi penyerapan. Seperti karbon aktif, karbon dalam bentuk serbuk lebih cepat laju penyerapannya dibanoingkan karbon dalam bentuk granular 3. ) Kelarutan adsorbat Senyawa-senyawa terlarut yang mempunyai afinitas tinggi dengan pelarutnya akan lebih sulit untuk diserap. Mekanisme Adsorpsi Mekanisme terserapnya adsorbat pada adsorben terjadi melalui empat tahap, yaitu: 1. 3erpinriahnya solut dari larutan menuju lapisan sekitar adsorben {bulk 2. Solut terdifusi melalui lapisan bpis {film
transport).
diffusion).
3. Difusi solut melalui pori atau kapiler menujtl sisi adsorben {diffusion
pore).
4. Penyerapan solut pada permukaan adsorben.
2.5 Adsorpsi Isotherm 1 erdapa; beberapa jenis model adsorpsi isotheim yang dihubungkan dengan jenis adscrpsi yang terjadi. Langmuir
Kemisorpsi pada permukaan ideal
Fieundlich
Kemisorpsi dan adsorpsi fisik
Temkin
Kemisorpsi
Brunauer-Emmett-Teller
Adsorpsi fisik multilayer
Persamaan adsorpsi Model Langmuir adalah sebagai berikut
(I+ATC) 0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang tetutupi adsorbat K = konstanta yang sebanding dengan kadAdcs dan tergantung pada temperatur C = konsentrasi adsorbat dalam larutan
Penggunaan Model adsorpsi Langmuir didasarkan pada beberap asumsi: a.
Situs adsorpsi bersifat eqivalen
b.
Interaksi antara molekul yang terikat dengan situs pengadsorp kuat
c.
Hanya satu molekul adsorbat yang dapat terikat pada satu situs pengadsorp
Oleh karena itu model ini bersifat ideal dan jenis adsorpsinya didasarkan pada interaksi kimiawi antara adsorbat dan pengadsorp.
Persamaan adsorpsi Model Adsorpsi Freunlich
adalah sebagai berikut
6=aCb 0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang tetutupi adsorbat a, b = konstenta C = konsentrasi adsorbat dalam larutan Model adsorpsi
Freunlich lebih sesuai dengan
situs aktif pengadsorp dari
permukaan yang tidak seragam. Oleh karea itu. interaksi material pengadsorps dengan zat adsorbat dapat bersifat interaksi kimiawi maupun fisik.
Persamaan adsoiDsi Model Adsoprsi Tempkin adalan sebagai berikut 0 = r\nsC 0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang temtupi adsorbat r, s = kcnstama C = konsentrasi adsorbat dalam larutan Mode! adsoipsi Tempkin lebih sesuai dengan situs aktif pengadsorp dari permukaan yang tidak seragam. Nair.un interaksi material pengadsorps dengan zat adsorbat hanya bersifat interaksi k i m i a w i .
10
Ill
T U J U A N DAN M A N F A A T P E N E L I T I A N
3.1. Tujuan Penelitian
Penelitian ini diharapkan akan diperoleh informasi tentang mutu kinerja
EPKTB
sebagai salah satu alternative sensor amperometrik ion logam yang murah dan efisien mekanisme dan laju adsorpsi ion Hg 2 * pada E P K T B . Dari data kinetika tersebut dapat diperoleh informasi tentang variabel dan kondisi yang beipengaruh pada pengukuran konsentrasi ion Hg 2 * sebagai sensor amperometrik seperti: a.
Nilai potensial pre konsentrasi yang harus diterapkan
b.
Rentang konsentrasi analit yang dapat terukur
c.
Waktu optium pengukuran
3.2. Manfaat Penelitian
Kegunaan penelitian ini diarahkan untuk memberikan informasi awal peluang penggunaan limbah
teknologi alternatif yang ekonomis dalam penanganan dan pemeriksaaij
industn
menggunakan
yang
mengandung
icgam berat
merkuri. dengan
elektroda karbon pasta termodifikasi bentonit
elektrokimia
11
proses
adsorpsi
alam melalui sensor
IV. M E T O D E
PENELITIAN
4.1 Desain Penelitian Penelitian ini diawali dengan pembuatan E P K dan E P K T B dari karbon yang dipastakan dan dicampur dengan mineral bentonit. Selanjutnya dilakukan uji kinerja E P K dan E P K T B dengan larutan model C d 2 + , dengan aplikasi penggunaan E P K T B terhadap Hg2*data yang dihasilkan digunakan untuk mengkaji mekanisme dan kinetika
larutan
adsorpsi H g 2 + oleh E P K T B . Preparasi
EPKTB;
Elektrode karbon pasta termodifikasi bentonit akan dibuat, secara home-made, dengan cara mencampurkan bentonit dengan serbuk grafit sebelum pen cam pur an dengan paraffin sesuai dengan prosedur yang sedang dikembangkan di kelcmpok penelitian pengusul dan literatur ( Huang, 2002 ) . Studi Mekanisme Adsorpsi pada EKPTB
terhadap model larutan Cd *
Larutan analit, E K P T B dan Elektioda referensi (Calomel atau Ag/AgCI akan dirangkai menjadi sel elektrokimia): E K P T 3 | C d 2 ^ ICalo.nel Ion analit selaiijumya diakumulasi pada E K P T B dengan cara mcnerapkan potensial negatif.
Variasi
kondisi prekonsentrasi
yang
di
terapkan
adalah
beda
potensial
prekonsentrasi, konsentrasi ion analit dan waktu adsorpsi. Informasi kemainpuan adsorpsi yang diharapkan dapat tergali dari variasi kondisi tersebut dapat dijadikan data awal untuk digunakan dalam pengukuran analit ion raksa ( I I ) Studi Mekanisme Adsorpsi pada EKPTB
dalam Kondisi Aplikasi
Larutan analit, E K P T B dan Elektroda referensi (Calomel atau Ag/AgCI akan dirangkai menjadi sel elektrokimia): E K P T B | H g 2 + ICalomel Ion analit selanjutnya diakumulasi pada E K P T B dengan cara menerapkan potensial negatif.
Variasi
kondisi
prekonsentrasi
yang
di
terapkan
adalah
beda
potensial
prekonsentrasi, konsentrasi ion analit ( H g 2 + ) , waktu adsorpsi, dan perbandingan
kadar
karbon-bentonit. Informasi dan aspek kinetika adsorpsi yang diharapkan dapat tergali dari variasi kondisi tersebut ditunjukan pada Gambar 1.
12
Konsentrasi
analit yang
terserap akan ditentukan
dengan
membandmgkan
konsentrasi analit awal ( H g 2 + ) dibandingkan setelah penyerapan. Metode standar A AS akan digunakan pada prosedur penentuan konsentrasi Hg + tersebut. Berdasarkan data tentang kapasitas serapan pada berbagai konsentrasi, model isoterm adsorpsi ion H g 2 + pada E P K T B akan ditentukan. Sebagai rujukan data yang diperoleh akan di uji berdasarkan persamaan isoterm Langmuir, Freundlich, dan Tempkin
Variabel Experimen
Informasi yg. Dihasilkan
Beda Potensial Prekonsentrasi
Pengaruh potensial thd kapasitas serapan
Konsentrasi Ion Analit
Kapasitas serapan E P K T B sebagai fungsi konsentrasi
Aspek Kinetika yang dapal dikaji dan Luar an Data
Laju adsorpsi rata -rata Potensial optimum
Rentang konsentrasi adsorpsi oleh E P K T B Model Isoterm adsorpsi
Waktu prekonsentrasi
Kapasitas serapan E P K T B sebagai fungsi konsentrasi
Waktu optimum proses prekonsentrasi
Perbandingan kadar C-Bentonit
Laju adsorpsi dengan perbedaan perbandingan Karbon - ben'onit
G a m b a r 4 . 1 . S k e m a Studi Mekanisme Adsorpsi pada EKPTB
4.2
dalam Kondisi Aplikasi
Tahapan Pelaksanaan
4.2.1 Tahap Preparasi 4.2.1.1 Preparasi E P K dan E P K T B Pipa gelas yang memiliki panjang 5 cm dan diameter 0,5 cm disambungkan dengan lem kaca ( S T E A L A N T ) pada suatu pipa plastik yang memiliki panjang 12 cm dan diameter 1,3 cm. Bagian ini disebut batang elektroda. Pada bagian tengah dalam pipa plastik dimasukkan kawat Ag. Ujung kawat Ag dihubungkan
dengan suatu kabel
penghantar listrik yang memiliki panjang 45 cm. Rangkaian alat diperlihatkan dalam gambar 3.1 di bawah i n i :
13
G a m b a r 4.2. Bagian - bagian batang elektroda dalam pembuatan E P K dan E P K T B
>
Pasta Karbon Pembuatan pasta karbon dilakukan melalui prosedur sebagai berikut. Serbuk grafit
ditimbang sebanyak 14,4 g kemudian ditambahkan 96 tetes miiiyak paiaffin ( + 4,8 m L ) dicampurkan dalam lumpang alu. Selanjutnya Karbon Pasta yang teiah dibnat dimasukkan sebanyak 0,4 g dan dipress ke dalam batang elektroda yang telah dibuat. Selaiijutnya disebut Elektroda Pas'a Karbon ( E P K ) dengan perbandingan grafit dan bentonit adalah 6 : 0. Bagan kerja dapat aihhat pada gambar 3.2
Serbuk grafit
Paraffin
•
Pasta Karbon
Gambar 4.3. Bagan kerja preparasi pasta karbon
14
>
Pasta Karbon Termodifikasi Bentonit Untuk pembuatan pasta karbon termodifikasi bentonit prosedur yang dilakukan
adalah sebagai berikut. Serbuk grafit ditimbang sebanyak 9,6 g dan serbuk bentonit sebanyak 4,8 g dicampurkan kemudian ditambahkan % tetes minyak paraffin ( + 4,8 m L ) dicampurkan dalam lumpang alu. Seianjumya Karbon Pasta Termodifikasi Bentonit yang telah dibuat dimasukkan sebanyak 0,4 g dan dipress ke dalam batang elektroda yang telah dibuat. Selanjutnya dis6but Elektroda Pasta Karbon Termodifikasi Bentonit ( E P K T B ) dengan memiliki perbandingan
massa grafit dan bentonit adalah 4 : 2. Bagan kerja
preparasi Pasta Karbon Termodifikasi Bentonit dapat dilihat pada gambar 4.3. Serbuk grafit + bentonit
digervs •
1
Campuran grafit-bentonit 1
|
+ paraffin
Pacta Kerbcn Termodifikasi bentonit Gambar 4.4. Bagan keija preparasi Pasta Karbon rermodifikasi Bentonit
4.2.1.2 Pembuacan Larutan Model C d A * Padatan C d S 0 4 ditimbang sebanyak 0,1042 g, lain dilaiutkan dalam aquadest kemudian diencerkan hingga volume 100 m L da'am labu ukur untuk mendapatkan larutan C d S G 4 5 x 10 * mol/L. Pipet 10 m L dari labu ukui pertama, kemudian diencerkan dengan aquadest hingga volumenya 1 liter untuk mendapatkan larutan C d S 0 4 5 x 10" mol/L dan diaduk agar homogen. 4.2.1.3 Pembuatan Larutan Model Hg 2 * Padatan Hg(N0 3 )2 ditimbang sebanyak 0,1708 g, lalu dilarutkan dalam aquadest dan ditambah sedikit asam nitrat pekat kemudian diencerkan hingga volume 1000 mL dalam labu ukur untuk mendapatkan larutan induk Hg 2 * 1000 ppm. Larutan induk tersebut dipakai untuk membuat larutan H g 2 * 0 , l ; I ; dan 10 ppm.
15
4 3 3 Uji kinerja E P K dan E P K T B Rangkaian sel yang telah dibuat diuji pada larutan model CdS04. Proses pengujian merupakan tahap serupa dengan proses yang disebut prekonsentrasi. Proses prekonsentrasi adalah tahap dalam analisis ion logam secara amperometrik berupa pengendapan ion logam melalui penerapan beda potensial sebelum diberi beda potensial negatif untuk melepaskan kembali ion logam. Pada tahap ini tSrhadap masing-masing 20 mL larutan model diterapkan variabel beda potensial dan waktu prekonsentrasi dengan cara: kedua elektroda yaitu E P K / E P K T B sebagai katoda dan Elektroda Kalomel jenuh ( E K J ) sebagai anoda uicelunkan pada gelas kimia 100 m L berisi larutan model 20 mL. Pada semua variabel waktu prekonsentrasi E P I C / E P K T B dan E K J dicelupkan selama + 3 menit sebelum diterapkan variabel beda potensial luar
43
Instrumen pelaksanaan >
Alai Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah power supply, multimeter, Elektroda kalomel, buret, A AS. dan alat-alat gelas lain serta ahi-aiat penunjang laboraterium lainnya.
>
Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Bentonit tonsil, C d S 0 4 , Hg(N0 3 )2, asam nitrat, parafin, grafit, dan aquadest.
Rangkaian Sel Elektrokimia dengan E P K dan E P K T B E P K atau E P K T B dihubungkan pada kutub negatif (-) power supply sebagai katoda. Elektroda Kalomel Jenuh dihubungkan dengan kutub positif (+) power supply sebagai anoda. E P K atau E P K T B dihubungkan dengan multimeter untuk mengukur nilai respon arus dari rangkaian sel elektrokimia ini. Rangkaian sel dipresentasikan pada gambar 4.4 di bawah ini :
16
G a m b a r 4.5. Rangkaian Sel Elektrokimia Sensor Amperometrik
17
V. H A S I L DAN P E M B A H A S A N
Pada bagian ini ditampilkan hasil pengujian terhadap kinerja elektroda pasta karbon termodifikasi bentonite ( E P K T B ) pada proses prekonsentrasi yang merupakan tahap awal dari anabsa ion logam dengan cara stripping voltametri. Uji kinerja pada prekonsentrasi telah dilakukan pada larutan model C d
2+
proses
dan selanjutnya diaplikasikan pada
larutan H g 2 + . Kinerja E P K T B yang diukur adalah respond arus elektroda pada proses prekonsentrasi, kapasitas adsorpsi elektroda pada berbagai waktu prekonsentrasi, dan kapasitas adsorpri elektroda pada berbagai konsentrasi larutan analit model. Pengujian kinerja dilakukan terhadap ion C d 2 + dimaksudkan untuk mempelajari perilaku elektroda secara umum sebagai dasar studi kelayakan aplikasi E P K T B pada studi kinetika. Data kapasitas adsorpsi yang diuji pada berbagai kondisi, selanjutnya digunakan sabagai dasar studi kinetika adsoipsi ion H g 2 + oleh E P K T B Pada bagian akliir dibahas perilaku kinetika adsorpsi ion H g
2+
pada tahap prekonsentrasi. pada elektroda berdasarkan
basii eksperimen yang diperoleh.
A . Kinerja E P K T B terhadap L a r u t a n Model Cd2+ L Respon A r u s padc Prekonsentrasi dengan E P K T B Gambar 5 1 mempeiiihatkan respon arus yang terca'at pada prekonsentrasi larutan C d S 0 4 A2l
ppm pada potensial 0,6; 1; 1,5; dan 5 volt dengan menggunakan E P K T B . Pada
beda potensial prekonsentrasi 0,6 dan 1 volt dengan rentang waktu prekonsentrasi 5 - 360 d:tik, iampak bahwa respon arus terukur cenderung meningkat sejalan dengan waktu prekonsentrasi. Pada potensial prekonsentrasi 1,5 volt, rentang waktu 360 - 960 detik ( 6 - 1 6 menit), kenaikan respon arus diikuti dengan penurunan. Gejala ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Dibandingkan dengan menggunakan elektroda pasta karbon saja, penambahan bentonit pada elektroda pasta karbon mengubah mekanisme proses prekonsentrasi. Pada E P K T B adsorpsi ion C d 2 + pada elektroda selain terjadi karena faktor beda potensial juga terjadi karena faktor adsorpsi oleh modifier bentonit.
IS
16 -J 14
0
500
1000
1500
2000
j i
Waktu Prekonsentrasi (detik)
G a m b a r 5.1. Respon arus pada proses prekonsentrasi larutan C d S 0 4 4,22 ppm pada beda potensial 0,6 volt, 1 volt, 1,5 volt dan 5 volt mengunakan E P K T B . Pada awal tahap prekonsentrasi, adsorpsi berlangsung secara relatif cepat sehingga jumlah ion C d 2 + tereduksi semakin banyak dan menghasilkan arus yang besar. Akan leiapi, pada waktu piekonsentrasi yang lebih lama sudah terdapat Cd hasil reduksi pada elektroda sehingga adsorpsi ion C d 2 + bam semakin berkurang. akibatnya jumlah arus semakin menurun. Pada waktu prekonsentrasi 1 - 6 menit dengan beda potensial 1,5 volt adsorpsi ion C d 2 + tenadi secara cepat menuju E P K T B dan terjadi prcses reduksi sehmgga jumlah C d 2 + elektroda semakin banyak dan semakin bertumpuk menyebabkan migrasi ion C d 2 + yang tersisa
menuju
EPKTB
menjadi
lambai. Hal ini ditunjukkan
pada
waktu
prekonsentrasi 6 - 1 6 menit respon arus cenderung semakin menurun kemudian pada waktu 1 6 - 2 4 menit menunjukkan respon arus yang konstan pada 4,1 \jA. Percobaan ini menunjukkan bahwa informasi tentang respond arus saja belum dapat digunakan untuk menenentukan kelayakan penggunaan E P K T B .
2.
Kapasitas Adsorpsi Sebagai Fungsi Waktu Prekonsentrasi E P K T B G a m b a r 5.2 memperlihatkan konsentrasi C d 2 + yang teradsorpsi dari larutan C d S 0 4
4,22
ppm pada potensial 0,6 dan 1; volt dengan menggunakan
EPKTB.
Rentang
konsentrasi C d 2 + yang teradsorpsi pada rentang waktu prekonsentrasi 0 - 6 0 detik adalah 0,40 - 0,65
ppm untuk potensial prekonsentrasi 0,6 volt, dan 0,80 - 1,87 ppm untuk
potensial prekonsentrasi 1 volt, 1,45 - 1,56 ppm. Penerapan tegangan sebesar 1 volt temyata tidak menghasilkan respond C d 2 + teradsorpsi yang stabil. Fluktiasi nilai Cd2+
19
teradsorpsi terjadi sampai waktu prekonsentrasi 60 detik. Karena itu, diperkirakan tegangan prekonsentrasi yang baik adalah 0.6 volt. 12 n
Tegangan prekonsentrasi = 1 volt
X
00
»0
Tegangan prekonsentrasi = 0 6 volt
20
40
GO
W a k t u p r e k o n s e n t r a s i (detik)
G a m b a r 5.2. Konsentrasi C d 2 + teradsorpsi dari larutan C d S 0 4 4,22 ppm pada beda potensial 0,6 volt, l volt dengan rentang waktu 0 - 6C detik menggunakan EPKTB. Sifat adsopsi ion C d 2 , oleh modifier bentonite da'am E P K T B ditunjukkan oleh percobaan prekonsentrasi tanpa menerapkan beda potensial Hasil analisis dengan A A S menunjukkan baliwa jumiah C d ' ' teradsorpsi pada percobaan mi sebanyak 0,02 ppm. Data ini menunjukkan bahwa mekanisme adsorpsi ion Cd2+ oleli E P K T B didahului dengan adsorpsi oleh bentonite. Penerapan beda potensial akan diikuti oleh reduksi ior. Cd2+ terserap dan memungkinkan adsorpsi ion Cd2-t- selanjutnya dan laiutan.
5.2.
Aplikasi E P K T B pada Prekonsentrasi Larutan Model Hg 2 *
1. Respon A r u s Gambar 5.3 menunjukkan respon arus yang terukur pada saat prekonsentrasi larutan Hg 2 * 0,1 ppm dan 1 ppm selama 30 detik dengan potensial prekonsentrasi 0,6 volt. Pada semua perlakuan waktu dan 0 hingga 3 menit respon anis belum stabil hingga waktu 30 detik, dapat dilihat dari penurunan arus terukur yang relatif tajam. Gejala ini terjadi, baik pada sampel larutan analit model 1 ppm maupun 0,1 ppm. Hal ini disebabkan karena
20
transfer elektron dari proses reduksi belum konstan, sebanding dengan jumlah Hg 2 * yang tereduksi menjadi Hg.
a;
0.5 -
0.0
, 20
0
• 40
1
60
Waktu piekonsentrasi (aetik)
G a m b a r . 5 3 . Respon arus pada proses prekonsentrasi 1 menit larutan Hg 2 * 0,1 dan 1 ppm cads beda potensiai 0,6 volt mengunakan E F K T 3 .
2. Kapasitas Adsorpsi Hg2+
Sebagai Fungsi W a k t u dengan E P K T B pada Qua
komposisi Karbon-Bentonitc Konsentrasi ion Cd 2 * teradsorpsi pada potensial 0.6 volt dengan konsentrasi awa' Hg 2 * sebesar 3,872 ppm dan komposisi karton-ben»onit 4:2 dan 5:1, diamati pada waktu prekonsentrasi 3G sampai dengan 360 detik di tunjukkan pada pada Gambar 5.4. Komposisi bentonite pada elektroda sangat berpengaruh terhadap kapasitas adsorpsinya. Elektroda dengan komposisi karbon-bentonit 4:2 memiliki kapasitas adsorpsi sekitar 1,5 kali kapasitas adsorpsi elektroda dengan komposisi karbon-bentonit 5:1. Hasil pengujian ini menunjukkan
bahwa adsorpsi berlangsung melalui interaksi ion Hg2+ dengan
bentonite. Laju adsorpsi ion Hg 2 * oleh elektroda berlangsung secara cepat pada awal proses prekonsentrasi. Setelah sejumlah Hg terdeposisi pada elektroda adsorpsi semakin lambat. Disamping karena jumlah Hg2+ dalam larutan sudah berkurang, situs-situs adsorbat sudah ditempati oleh H g yang tereduksi. Nilai maksimum kapasitas adsorpsi lebih cepat dicapai oleh elektroda dengan komposisi bentonite yang lebih banyak. Data ini mengindikasikan
21
bahwa mekanisme adsorpsi oleh bentonite lebih mendominasi dibandingkan mekanisme adsorpsi yang disebabkan perbedaan potensial prekonsentrasi yang diterapkan. 4n
3
400
Waktu pre konsentrasi (detik)
G a m b a r 5.4. KapasUas adsorpsi E P K T B terhadap larutan 3,S72 ppm H g 2 + pada berbagat waktu prekonsentrasi.
Pengujian kapasitas adsorpsi terhaoap iarotan Hg 2 * yang lebih rendali (1,2975 ppm, menunjukkan bahwa setelah tahap prekonsentrasi, keseluruah ion Hg2+ yang terdapai dalam larut3n seluruhnya terserap. Hasil pengujian ini ditunjukkan pada Gambar 5 5. Data ini mengindikasikan bahwa, kapasitas adsorpsi elektroda masih di atas nilai konsenttasi analit. Akan tetapi, karena analisa dengan cara snipping voltametri di'akukan setelah tahap prekonsentrasi berdasarkan nilai arus yang dilepas ketika Hg yang terdeposisi dioksidasi kembali, maka data ini tidak menunjukkan batas konsentrasi analisis.
22
07 0.0 :s 0
, 20
, 40
. 60
Waktu prekonsentrasi (detik)
G a m b a r 5.5. Kapasitas adsorpsi E P K T B terhadap larutan 1,2975 ppm Hg 2 * pada berbagai waktu prekonsentrasi.
2. Kapasitas Adsorpsi EFKTB EPKTB
sebagai Fungsi
hasil prepares'
Konsentrasi
temyala memiliki kapasitas adsorpsi yang terbatas.
Walaupun konsentrasi larutan Hg 2 * model yang digunakan ditingkatkan, ternyata seteian konsentrasi larutan model Hg 2 * mencapai konsentrasi 4 ppm jumlah konsentrasi yang terserap tidak mengalami peningkatan yang berarti.
Jumlah pasta carbon-bentonite
sebanyak 2 gram diperkirakan maksimum mengurangi konsentrasi sebesar 3.5 ppm dari 20 m L larutan awal dengan konsentrasi sekitar 4.8 ppm. Dengan menganggap kapasitas adsorpsi maksimum sebesar 3,26 gram, berdasarkan percobaan ini, dilakukan analisa perilaku kinetika adsorpsi oleh elektroda
Data ini juga mengindikasikan bahwa pada
konsentrasi analit 4 ppm dan konsentrasi yang lebih tinggi, elektroda akan mengadsorpsi ion Hg 2 * dalam jumlah yang relatif sama. Dengan demikian j i k a dilakukan proses stripping voltametri, lautan H g 2 + 4 ppm tidak dapat dibedakan dengan larutan pada konsentrasi diatasnya. Pada komposisi karbon bentonite seperti ini, konsentrasi Hg 2 * 4 ppm merupakan batas maksimum analisis.
23
0
1
2
3
Konsentrasi H g
2+
4
5
6
larutan model (ppm)
G a m b a r 5.6. Kapasitas adsorpsi F P K T B terhadap larutan analit model H g 2 + sebagai fungsi konsentrasi.
3. Pengaruh pH Pcnrntnau pengaruh pH terhadap kapasitas adsorpsi oleh elektroda telah dilakukan pada nilai pi I - 1,3; 4, dan 5 Sebagaimana telah diperkirakan bahwa ion Hg2+ akan mengendap pada p l l yang tinggi. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa pengendapan terjadi pada j#H 3. Dengan demikian pengujian pengaruh pH tidak dapat dilanjutkan.
53
. Kinetika Adsorpsi H g 2 + pada
a. Mekanisme adsorpsi ion Hg2* pada
EPKTB EPKTB
Berdasarkan sifat-sifat material yang digunakan sebagai elektroda dan perilaku adsorpsi yang ditunjukkan secara experimen (Gambar 5.4-Gambar 5.6), adsorpsi H g 2 + oleh EPKTB
pada
proses prekonsentrasi
diperkirakan
berlangsung
melalui
mekanisme
sebagaimana diuraikan sebagai berikut. Ion H g 2 + akan teradsorpsi secara kimia pada material bentonite. Adsorpsi mula-mula terjadi pada permukaan elektroda dilanjutkan dengan difusi ion dalam struktur internal elektroda. Pada komposisi bentonite yang tinggi (seperti pada perbandingan
karbon bentonite = 4: 2), adsorpsi pada permukaan akan
berlangsung secara cepat sebagaimana ditunjukkan oleh tingginya 24
pengurangan kadar
Hg 2 * dari larutan model. Adsorpsi pada pada permukaan elektroda oleh kompinen bentonit tidak periu menerapkan arus listrik/beda potensial. Ion Hg 2 * teradsorpsi akan tereduksi menjadi bentuk logamnya setelah diterapkan arus listrik/beda potensial. Proses ini dapat dirangkum dalam Table 5.1.
Tabel 5.1 Rangkumali proses adsorpsi dan reduksi (prekonsentrasi) pada E P K T B
Tahapan/Reaksi
Kondisi
Laju
•"" JAdsorpsi ion Hg pada B permukaan: C3—2Na* + Hg 2 ' -> CB—Hg2'
Adsorpsi kimia tanpa penerapan arus/beda potensial Reduksi dengan penerapan arus/beda potesial Menggunakan potensial prekonsentrasi sebagai driving force
Cepat
Reduksi dengan penerapan arus/beda potesial
Cepat
+ 2Na*
2
Reduksi ion Hg " 2
CB—Hg *
+ 2e" -> C B — H g
Difusi internal Hg ' ke dalam B non permukaan CBCBtNa )CBCB—rig
+ Hg 2
-» C B C B C B C B — H g + Na*
tig2" —
I
Reduksi Hg
'
'.—i
teradsorpsi internal
CBCBCBCB—Hg
+
2e
2
Hg "
-» C B C B C B C B — H g
Lam bat
Lambal
Hg
Keterangan: C = Karbon, B = Bentonite, Hg2+ teradsorpsi melalui mekasnisme ion exchange menggardikan Na+ yang terkar.dung dalam bentonite (montmonlomte).
b. Model Adsorpsi ion Hg2* pada
EPKTB
Untuk memperkirakan jenis adsorpsi yang terjadi (mono/multi layer, adsorpsi kimia/fisika,
adsorpsi
permukaan/intemal), data
kapasitas adsorpsi
sebagai
ftingsi
konsentrasi dianalisis berdasarkan model-model adsorpsi yang berlaku dalam adsorpsi gas dan larutan pada adsorben. Model adsorpsi yang digunakan adalah model Langmuir, Freunlich dan Tempkin. Metode analisis yang digunakan adalah iterasi nonlinier curve fitting, menggunakan program Sigma Plot 10. Selain itu, iterasi nonlinier curve fitting juga dilakukan dengan menggunakan persamaan matematis standar yang mungkin, yaitu persamaan yang menghasilkan bentuk kurva Sigmoid. Persamaan ini dipilih karena bentuk kurva eksperimen sangat mirip dengan bentuk persamaan ini.
25
Persamaan model adsorpsi yang digunakan adalah sebagai berikut Model
Langmuir:
{\+KC) 0 = ffaksi permukaan <£PKTB) yang tetutupi adsorbat K = konstanta yang sebanding dengan kadj/k^ dan tergantung pada temperatur C = konsentrasi adsorbat dalam larutan Model Adsorpsi
Freunlich:
6=aCh 0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang tetutupi adsorbat a, b = konstanta C = konsentrasi adsorbat dalam larutan Model Adsoprsi
Tempkin:
0 = r\nsC 0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang tetutupi adsorbat r, s = konstanta C = konsentrasi adsorbat dalam larutan Persamaan mctemads standi, r (bentuk kurva sigmoid): 0 =
- ^ (!+(£)*)
X =C Kurva hasil fiting data experimen terhadap persamaan model ditunjukkan pada Gambar 5.7. Sedangkan hasil kriteria statistik dari iterasi nonlinier curve fitting ini ditunjukkan pada Tabel 5.2. Kurva hasil fiting data experimen terhadap persamaan model Tempkin tidak ditampilkan karena syarat parameter statistik tidak terpenuhi (tidak konvergen).
Hasil
ini bersesuaian
dengan
yang dilaporkan pada
literatur yang
menunjukkan
bahwa adsorpsi ion logam (Cd2+) pada serbuk bentonit
memenuhi
persamaan isotherm adsorpsi Freundlich (Marchal, 1999). Perbedaan antara kondisi eksperimen dengan literatur adalah sebagai berikut. Adsorpsi ion Hg2+ oleh E P K T B memiliki dua driving force, konsentrasi ion Hg2+ dan potensial yang diterapkan. Sedangkan pada adsorpsi ion Cd2+ sebagaimana pada (Marchal 1999), hanya memiliki
26
konsentrasi sebagai driving force. Disamping itu morfologi material bentonite pada E P K T B berupa campuran dengan material karbon berbeda denga morfologi serbuk bentonite yang dilaporkan pada literatur. Walaupun demikian karena adsorpsi ion lebih didominasi oleh proses kimia, maka keberadaan arus listrik tidak mempengaruhi model adsorpsinya.
Konsentrcsi lerutan model K g 2 * (ppm)
G a m b a r 5.7. Kurva fining nonlinier terhadap data ekspcrimen adsorpsi Hg2+ pada berbagai konsentrasi berdasaikan model adsorpsi Langmuir, Freundlich, Tempkin dan persamaan matematis bentuk sigmoid
Table 5.2 Kriteria statistik dan parameter yang dihasilkan pada pengujian model adsorpsi terhadap data eksperimen adsorpsi Hg2+ pada berbagai konsentrasi berdasarkan model adsorpsi Langmuir, Freundlich, Tempkin dan Sigmoid Model
R ( S t d Error)
Parameter (Std error)
Langmuir
0 9378 (0.1621)
a
1.0000
(0.4948
Freundlich
0 9945 (0.0601)
a
0.3176
(0.0577)
b 0.7390
(0.1274)
Tempkin Persamaan Sigmoid
a =1.0120 b =-2 7621 Xg* 1.6074
1.000 (0.00)
27
Berdasarkan model yang ada, hasil fitting nonlinier data experimen menunjukkan bahwa adsorpsi ion Hg2+ pada E P K T B lebih cocok/memenuhi model Freundlich. Model ini
menunjukkan terjadinya proses Chemisorption dan physical adsorption yang terjadi
pada permukaan E P K T B , model Freundlich ini dapat berlaku untuk adsorpsi solut dalam larutan pada adsorben (Gates, 1991)
28
VL KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut
1. Hasil uji kinerja E P K T B terhadap larutan model C d 2 * memperlihatkan data optimasi variabel voltase sebesar 0,6 volt dan waktu yang diperlukan untuk mendapatkan respon arus optimal sebesar 360 detik. 2.
Penggunaan E P K T B terhadap larutan H g 2 + menunjukkan waktu optimal yang dibutuhkan sebesar 30 detik dengan batas konsentrasi analit 4 ppm.
3.
Peningkatan
kadar
bentonit dalam
perbandingan
karbon-bentonit
EPKTB
meningkatkan daya adsorpsi E P K T B terhadap ion Hg 2 * 4
Model kinetika adsorpsi Hg 2 * dalam E P K T B mengikuti model Freundlich. Model ini menunjukkan terjadinya proses Chemisorpticn dan physical adsorption yang terjadi pada permukaan E P K T B .
29
VII. DAFTAR PUSTAKA
Anderson, Mark R ( 2 0 0 0 ) . Polarography - Voltarn metry System with PC support, [online]. Tersedia: http://wwA/.chem.\d.edu/chero-ed/echem/npp.html (12/12/2005)
Anonim.(2004). Bahaya Cemaran Logam Berat. [online]. Tersedia: Republika Online http://www.republika.co.id (6 Oktober 2005)
Anonim. ( ). Bentonite. Online : http://www.imana.org/abotit
industrial minerals/bentonite.asp
Anonim. ( ). Bentonite : a mineral for one thousand uses. Online : http://www.imaeu.org/en/usestext.htm
Bereket G. Aro g az A.Z.; Ozel M.Z. (1977). Removal of Pb(II), Cd(II), C u ( I l ) , and Zn(II) from Aqueous Solutions by Adsorption on Bentonite. Journal of Colloid and Interface Science Volume 187, Number 2, March 1997, pp. 338-343(6): Academic Press
Colli'a, MontseTat; Darder, Margarita.(2005). Amperometric Sensors Based on MercaptopyrydineMontmorillorite lnterca'ation Compound. Journal of American Chemical Society. Decs Y . S . : Tutunji M . F . ; Baker H. M. Isothermal and kinetic adsorption behaviour of Pb[2 r] ions on natural silicate minerals. Online hrtp:/./cat.iiiist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=l 5352365 Gates. Bruce C . (1991). Catalytic Chemistry. New York : John Willey and Sons, inc H. Willard, Hobart; L . Merritt, Lynne(1988). Instrumental Methods of Analysis (seventh edition). California: Wadsworth Publishing Company.
Huang, W.,Yang, C , Zhang, S., (2002). Anodic Stripping Voltammetric Determination of Mercury by use of a Sodium Montmorillonite-Modified Carbon-paste Electrode. Anal Bioanal Chem 374: 998-1001.
Huheey, James E . , Keiter, Ellen A . , Keiter, Richard R. (1993). Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity .California: Harper Collins Brace College Publishers. Kunrat, T . S. (1994). Prospek Usaha Pertambangan Bentonit. Laporan Ekonomi Bahan Galian No. 128. Bandung: Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara.
30
M.A. Brett, Christhopher and Anna Maria(1993). Electrochemistry and aplications). Oxford University Press.
(principles, methods,
Marchal, V . Barbier F., Plassard, F . , Faure, R , Vittory, 0 . , (1999), Determination of Cadmium in Bentonite clay mineral using Carbon Paste Electrode, Frensenius' Journal of Analytical Chemistry 363, 710-712
Mousty C , (2004), Sensor and Biosensores based on clay-modifies electrodes-new Applied Clay Science, 27 (2004) 159-177
trends.
Muhammad, M . , Suharman., (1995). Analisis Instrumental. Airlangga University Press.
Mulyani, Sri.(2003). Common Textbook Kimia Fisik II. Jurusan Kimia F P M I P A Universitas Pendidikan Indonesia
Khopkar, S.M. Saptoraharjo (penerjemah).(1990). Konsep Dasar Kimia Analitik. Universitas Indonesia Press.
Pauliukaite, Rase.(2002). Carbon paste electrodes modified with B13O3 as sensors for the determinating of Cd and Pb. Journal of Anal Bioancl Chem.
Petrazella, Frank D. Mengenal Sensor dan Actuator, [online]. Tersedia: http://www.caltron.co.id/modules php?name=News&file=anicie<£isid=l i (lOCktobei 2005)
Skoog, Douglas A., Leary, James J.( 1991). Principles of Instrumental Philadelphia. Harcourt Brace College Publisher.
Analysis.
Soebagio.(2003). Common Textbook Kimia Analitik II. Jurusan Kimia F M I P A Universitas Negeri Malang.
31
CURRICULUM VITAE
Dr.rer.nat. A s e p Supriatna, MSi. NIP Temnat Tannnal Lahir 1966 Kantor/Unit Kerja FPMIPA UPI Alamat kantor/Unit kerja No. 229 B a n d u n g - 4 0 1 5 0 Tip. /Faximile/E-mail Alamat Rumah No. 39 Cihanjuang - Cimahi Tip. Bidang Keahlian Anorganik
: 131 911 642 : Ciamis, 2 Mei : Jurusan K i m i a Jl.
Setiabudi
:(022)2000579 : J L H . Mukti I I :081320718595 : Kimia
R i w a y a t Pendidikan: 0
T e m p a t Pendidikan S - l . I K I P Bandung S-2, UGiM Yogyakaria S-3, Technische Universitat Bergakademie Freiberg
Kota/Negara Bandung Yogyakarta Freiberg, Jerman
Tahun Lulus 1989 1996 2002
bidang Studi Pend. K i m i a K i m i a Anorganik Kimia
Pengalaman Penelitian : No 1 2 3.
4.
JUDUL RISET Aktivasi dan Uji Kinerja Bentonit sebagai Penjernih (Bleaching) Minvak dan Minuman Sintesis dan Karakterisasi Zeolit X I 3 Sebagai Bahan Pembangun Dcterjen Inovasi Pembelajaran Matakuliah K i m i a Anorganik I Berdasarkan Konstruktivisme Melalui Revitalisasi Common Text Book dan Pengembangan Transparansi Peranan Hypertext C D dalam Meningkatkan Pelaksanaan T P B untuk Menangani Konsep-konsep Rumit pada Perrkuliahan dan Praktikum K i m i a Dasar I di Jurusan Pendidikan K i m i a
Tahun 2002 2003 2003
2003
Daftar Publikasi: 1. The Production of A l k a l i Earth Metall Chlorate v i a the Double Conversion, I S S M Europa, 2002 2.
Zur Herstellung der Erdalkaliearthmetallchlorate und zu den Loesungsgleichgewichten in den reziproken Salzpaaren M C E + 2 N a C 1 0 3 = M ( C 1 0 3 ) 2 + 2 N a C l / H 2 0 , Dissertasi T U Freiberg Jerman, 2002 Sintesis dan Karakterisasi Zeolit 13X Sebagai Pembangun Deterjen, Pustek M I R A , Proceding, 2003
CURRICULUM VITAE
D r s . AM K u s r i j a d i , M . S i . Tempat /tanggal Lahir Tasikmalaya, 29 Juni 1967 : 131 993
NIP. 866 Golongan/Pangkat/Jabatan
: III/c-
Penata - Lektor Unit Kerja
: Jurusan
Kimia FPMIPA UPI Alamat Unit Kerja
: J L Dr.
Setiabud' 229 Bandung Telp/Fax. 022-2000579 : Kimia
Bidar.g Keahiian Anorganik
Riwayai Pendidikan: No. 1. 2.
institusi I K I P Bdg. UGM
Jenjang S-l S-2
Cidang Pendidikan K i m i a K i m i a Anorganik
T a h u n Lulus 1991 1998
Pengalaman Penelitian lima tahun terakhir: 1.
Sintesis H P M S P Sebagai Ekstraktan dan Aplikasinya Pada Ekstraksi ion Logam C u dan A g , T e s i s , 1998.
2.
Kajian Biosorpsi dan Bioakumulasi ion Logam C d pada Algae Tetrcelmis C H U I l , Penelitian Dasar, 1998.
3.
Kajian Kinetika Biosorpsi Logam C d oleh T e t r a c e l m i s C H U I I secara Laboratonum dan Komputasi, Hibah Bersaing, 1999.
4.
Sintesis H P M S P dan A p l i k a s i n y a pada Ekstraksi ion Logam Bivalen, Penelitian Dosen Muda, 1999.
5.
Kajian Phytoremediasi Logam C d dengan Tumbuhan S a w i Putih, Penelitian Dasar, 2003.
6.
Inovasi Pembelajaran K i m i a Anorganik I Melalui Revitalisasi Buku Ajar dan pembuatan Transparansi, Hibah Pembelajaran D U E - L i k e , 2003.
7.
Inovasi Pembelajaran K i m i a Anorganik I I Berdasarkan Metoda Pembelajaran Pemecahan Masalah Berbasis Konsep, Hibah Pembelajaran D U E - L i k e , 2003.
8.
Revitalisasi Pembelajaran K i m i a Dasar, Semi Que, 1999.
9.
Pengembangan praktikum mikrobiologi berwawasan keterampilan siap guna, SP4 2005
10
Peningkatan performa Bleaching Earth 1 sebagai penjemih Crude Palm O i l ( C P O ) , SP4 , 2 0 0 5
Publikasi ilmiati l«ma tahun t e r a k h i r : 1.
Sintesis H P M S P dan Aplikasinya pada Ekstraksi ion Logam Bivalen, Mimbar Penelitian M1PA E d . I I , 2003.
Pelatihan 1. Toxicology and standard methode , L I P I dan B S N , 2003 2 Pelatihan Dosep Audit iir.gkungan, I P B , 2004 3. Pelatihan Piaktikum Mikrobiologi, I T B , 2005