Hibah Monodisiplin
LAPORAN Perancangan Kolom Adsorpsi Karbon Aktif untuk Pengolahan Limbah Kromium Heksavalen
disusun oleh: Dr. Tedi Hudaya, ST, MengSc (Ketua Peneliti) I Gede Pandega Wiratama, ST, MT (Anggota)
Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Katolik Parahyangan November 2016
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ..................................................................................................................... i ABSTRAK ......................................................................................................................iii BAB I ................................................................................................................................ 1 PENDAHULUAN............................................................................................................ 1 1.1 Latar Belakang Masalah .......................................................................................... 1 1.2 Tujuan Penelitian .................................................................................................... 2 1.3 Urgensi Penelitian ................................................................................................... 3 1.4 Luaran Penelitian ..................................................................................................... 4 BAB II .............................................................................................................................. 4 TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................................. 4 2.1 Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3) ...................................................... 4 2.1.1 Identifikasi Limbah Berbahaya dan Beracun ................................................ 5 2.1.2 Kriteria Limbah Berbahaya dan Beracun ...................................................... 6 2.1.2.1 Ignitability (Dapat Menyala) .................................................................. 6 2.1.2.2 Corrosivity (Korosivitas) ........................................................................ 6 2.1.2.3 Reactivity (Reaktivitas) .......................................................................... 7 2.1.2.4 Toxicity (Sifat Beracun) .......................................................................... 8 2.2 Karakteristik Limbah Cair Industri Electroplating.............................................. 8 2.2.1 Logam Berat Cr6+ ........................................................................................ 11 2.3 Adsorpsi ............................................................................................................. 11 2.3.1 Tipe-Tipe Adsorpsi ..................................................................................... 12 2.3.1.1 Adsorpsi Fisika (Physical Adsorption)................................................. 12 2.3.1.2 Adsorpsi Kimia (Chemisorption) ......................................................... 12 2.3.2 Adsorben ..................................................................................................... 13 2.3.2.1 Granular Activated Carbon (GAC) ...................................................... 14 2.3.3 Kesetimbangan Adsorpsi ............................................................................ 16 2.4 Perancangan Fixed Bed Adsorbers. ................................................................... 19 2.4.1 Proses Adsorpsi di dalam Fixed Bed Adsorbers ......................................... 21 i
2.4.2 Laju adsorpsi pada Fixed Bed Adsorbers .................................................... 23 BAB III ........................................................................................................................... 29 METODE PENELITIAN ............................................................................................. 29 3.1 Tahap-Tahap Penelitian ..................................................................................... 29 3.1.1 Perancangan dan Pemodelan Scale-Up Kolom Adsorpsi ........................... 29 3.1.2 Tahap Operasi Skala Laboratorium ............................................................ 31 3.2 Alat dan Bahan Penelitian.................................................................................. 31 BAB IV ........................................................................................................................... 33 PEMBAHASAN ............................................................................................................ 33 4.1 Eksperimen Skala Laboratorium ........................................................................... 33 4.1.1 Kurva Standar Cr6+ ...................................................................................... 33 4.1.2 Kesetimbangan Adsorpsi ............................................................................ 34 4.1.3 Adsorpsi Kolom Karbon Aktif Kontinu ...................................................... 38 4.2 Scale-Up Kolom Adsorpsi dengan Menggunakan Metode Length of Unused Bed. ..................................................................................................................................... 39 BAB V............................................................................................................................. 40 KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................................................... 40 DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................... 41 LAMPIRAN: PROSEDUR KERJA DAN ANALISA DALAM PENELITIAN ..... 43
ii
ABSTRAK
Pencemaran sumber air, baik air tanah maupun permukaan, oleh limbah cair industri yang mengandung logam berat merupakan masalah lingkungan yang serius. Hal ini disebabkan karena logam berat bersifat beracun dan tidak dapat diuraikan seperti limbah organik. Oleh karena itu, limbah cair yang mengandung logam berat harus diolah secara hati-hati dan juga efektif menggunakan metode yang tepat. Industri pelapisan logam (electroplating) merupakan salah satu industri yang menghasilkan limbah cair yang mengandung ion logam berat seperti Cr6+, Cu2+, Zn2+, dan lain-lain. Proses pelapisan logam adalah proses pelapisan logam dengan bantuan arus listrik searah pada logam yang dilapisi di dalam cairan elektrolit (biasanya mengandung ion logam berat) sehingga diperoleh karakteristik tertentu pada permukaan logam yang dilapis. Di Indonesia, industri pelapisan logam skala kecil (tradisional) masih banyak yang kesulitan atau tidak mengolah limbahnya dengan baik. Akibatnya, limbah dari proses pencelupan tersebut seringkali hanya dibuang ke sungai, sehingga menyebabkan polusi logam berat. Tujuan dari penelitian ini adalah mengkaji dan merancang kolom adsorpsi karbon aktif untuk pengolahan limbah cair industri kecil yang mengandung kromium heksavalen Cr6+, karena logam krom merupakan logam yang paling banyak/umum digunakan untuk keperluan pelapisan logam. Penelitian ini dibagi dua tahap, yaitu untuk tahap pertama akan dilakukan prosedur Scale-Up perancangan kolom karbon aktif sehingga dapat diaplikasikan pada industri. Tahap kedua adalah melakukan eksperimen dalam skala laboratorium untuk mencari dan menentukan faktor-faktor yang dibutuhkan untuk prosedur Scale-Up. Pada penelitian ini diperoleh kurva kesetimbangan untuk adsorpsi Cr (VI) pada pH 1,7 dengan rentang konsentrasi awal Cr (VI) sebagai K 2 Cr 2 O 7 antara 10 – 60 ppm adalah Y = 7,042 x10-4 X. Percobaan kolom adsorpsi kontinu dilakukan pada kolom kaca dengan diameter dalam 6 cm dengan tinggi karbon 12 cm. Karbon aktif komersial yang digunakan berbahan baku Bituminous Coal dengan merek Jacobi Aquasorb® 2000. Laju alir volumetrik umpan pada 100 mL / min dengan konsentrasi awal K 2 Cr 2 O 7 10, 20, dan 30 ppm. Kurva Breaktrough yang didapat dari hasil penelitian ini tidak terlampau ideal karena ketidakseragaman permukaan dan aliran pada unggun adsorben. Berdasarkan perhitungan scale-up dengan menggunakan metode Length of Unused Bed, diperoleh spesifikasi kolom dengan diameter 0,66 m dengan tinggi 1,97 m dapat mengolah limbah Cr (VI) setara dengan 10 ppm K 2 Cr 2 O 7 dengan Gs sebesar 400 kg m-2 h-1 dan waktu breaktrough selama 3 bulan.
iii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Di era industrialisasi dan urbanisasi sekarang ini, sejumlah logam berat dalam limbah cair industri dilepaskan ke lingkungan sehingga memberikan permasalahan yang serius bagi masyarakat. Logam berat berupa ion terlarut seperti Cr6+, Cu2+, Zn2+, Ag+, dan lain-lain memiliki sifat mencemarkan lingkungan karena sifatnya yang beracun dan juga tidak dapat diuraikan secara alamiah. Pencemaran logam berat biasa ditemukan di perairan sekitar industri, terutama pada industri pelapisan logam, pada daerah pertambangan, industri chlor alkali, industri baterai dan radiator. Pada penelitian ini, limbah cair yang akan ditinjau adalah yang mengandung ion kromium heksavalen (Cr6+) yang berasal dari industri electroplating atau pelapisan logam, karena logam krom merupakan logam yang paling banyak/umum digunakan untuk keperluan pelapisan logam seperti untuk kursi, komponen otomotif, peralatan rumah tangga, dan lain-lain. Proses electroplating adalah merupakan proses pelapisan logam dengan mengalirkan listrik searah pada logam yang dilapisi di dalam cairan elektrolit (mengandung ion logam berat) sehingga menciptakan karakteristik permukaan logam yang baru.
Berdasarkan literatur, limbah cair yang mengandung Cr6+ yang
dihasilkan oleh industri electroplating biasanya berkirsar pada rentang konsentrasi 1-40 ppm (atau mg/L) sebelum mengalami pengolahan. [1] Limbah cair hasil industri electroplating harus memenuhi baku mutu industri limbah cair yang ditentukan oleh Kementrian Lingkungan Hidup Indonesia berdasarkan Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup No : KEP-51/MENLH/10/1995. Tabel 1.1 menyajikan baku mutu limbah cair untuk industri pelapisan logam.
1
Tabel 1.1 Baku Mutu Limbah Cair untuk Industri Pelapisan Logam . [2] Parameter
Satuan
Kadar Maksimum
TSS (Total Solid Suspension)
mg/L
20
Sianida Total (CN) tersisa
mg/L
0.2
Krom Total (Cr)
mg/L
0.5
Krom Heksavalen (Cr+6)
mg/L
0.1
Tembaga (Cu)
mg/L
0.6
Seng (Zn)
mg/L
1.0
pH
mg/L
6.0-9.0
Nikel (Ni)
mg/L
1.0
Kadmium (Cd)
mg/L
0.05
Timbal (Pb)
mg/L
0.1
L/ m3 produk
20
Debit Limbah Maksimum
pelapisan logam
Berdasarkan baku mutu diatas, maka limbah cair hasil dari industri pelapisan logam sebelum dibuang ke lingkungan harus memenuhi kriteria diatas. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk menyediakan teknologi pengolahan limbah yang relatif murah dan juga sederhana sehingga cocok untuk diaplikasikan pada industri skala kecil atau tradisional. Adsorpsi dengan karbon aktif sebagai adsorben merupakan teknik / metode yang selain sederhana dan murah, juga memiliki efektivitas tinggi untuk menghilangkan ion logam berat dari limbah cair [3]. 1.2 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah menghasilkan teknologi tepat guna yaitu berupa kolom adsorpsi karbon aktif untuk pengolahan limbah cair mengandung ion logam Cr6+
2
untuk industri penyepuhan logan skala kecil yang sederhana dengan biaya yang relatif terjangkau. Sedangkan, tujuan khusus dari penelitian ini adalah: a) Membuat model untuk perhitungan scale-up kolom adsorpsi sehingga dapat digunakan pada skala industri kecil. b) Mempelajari karakteristik karbon aktif sebagai adsorben untuk logam berat Cr6+. c) Merancang, membuat, dan mengkaji efektivitas penghilangan logam berat Cr6+ dengan menggunakan kolom adsorpsi dalam skala laboratorium. d) Melalui eksperimen skala laboratorium menentukan data-data dan parameterparameter model yang dibutuhkan untuk scale-up. 1.3 Urgensi Penelitian Penelitian ini merupakan upaya untuk mengurangi dampak pencemaran lingkungan yang terjadi akibat logam berat. Penelitian ini diharapkan memiliki manfaat jangka panjang bagi masyarakat, khususnya untuk industri pelapisan logam skala kecil. Industri pelapisan logam di Indonesia masih banyak yang beroperasi secara tradisional, sehingga limbah yang dihasilkan hanya dibuang ke sungai. Selain itu, kesadaran dari pihak industri tradisional dan masyarakat masih rendah mengenai dampak kerusakan lingkungan yang diakibatkan dengan membuang limbah ke lingkungan. Strategi penelitian yang akan dilakukan adalah dengan membuat model scaleup dan merancang kolom adsorpsi karbon aktif disertai dengan serangkaian percobaan. Penelitian ini akan dibagi kedalam dua tahap, yaitu untuk tahap pertama akan dilakukan pemodelan scale-up perancangan kolom karbon aktif sehingga dapat diaplikasikan pada industri. Tahap kedua adalah melakukan eksperimen dalam skala laboratorium untuk mencari dan menentukan data-data dan parameter-parameter yang dibutuhkan untuk scale-up. 1.4 Luaran Penelitian Penelitian ini ditargetkan menghasilkan teknologi tepat guna berupa model dan prosedur scale-up yang bisa digunakan untuk perancangan kolom karbon aktif yang dapat diaplikasikan langsung ke industri pelapisan logam kromium skala kecil.
3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Dalam tinjaun pustaka ini, akan dijelaskan karakteristik limbah B3 (bahan berbahaya dan beracun) secara umum termasuk limbah logam berat dari industri penyepuhan logam. Selain itu hal-hal yang berkaitan dengan proses adsorpsi, karbon aktif sebagai adsorben, dan aspek pemodelan serta perancangan kolom adsorpsi akan dibahas secara rinci. 2.1 Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3) Limbah berbahaya memiliki definisi yang berbeda-beda, dari satu negara dan negara lainnya. Salah satu definisi yang sering digunakan, yaitu merupakan definisi yang berasal dari U.S Resource Conservation and Recovery Act (RCRA) pada tahun 1976, dimana limbah berbahaya dan atau beracun adalah limbah yang menyebabkan atau secara signifikan memberikan kontribusi terhadap kasus kematian, kecacatan, atau memberikan potensi bahaya bagi kesehatan manusia dan lingkungan sekitar, ketika limbah tersebut tidak dikelola secara benar. [4] Sedangkan di Indonesia, berdasarkan Undang-Undang Negara Republik Indonesia No. 32 Tahun 2009, Limbah merupakan sisa dari suatu usaha dan atau kegiatan. Limbah berbahaya B3 adalah zat energi, dan/atau komponen lain yang karena sifat, konsentrasi, dan/atau jumlahnya, baik secara langsung maupun tidak langsung, dapat mencemarkan dan/atau merusak lingkungan hidup, dan/atau membahayakan lingkungan hidup, kesehatan, serta kelangsungan hidup manusia dan makhluk hidup lain. Limbah logam berat termasuk di dalam golongan limbah B3. [5] Sedangkan berdasarkan literatur, tedapat dua kata kunci sering digunakan, yang pertama adalah “toxic” atau bahan beracun, dan yang kedua adalah “hazardous” atau bahan berbahaya. Toxic atau bahan beracun biasanya dapat diartikan dengan zat-zat beracun yang menyebabkan kematian atau cedera serius baik terhadap manusia ataupun binatang dengan cara menggangu fisiologi tubuh normal. Bahan beracun merupakan istilah yang mengarah untuk zat-zat kimia baik yang telah menjadi limbah atau belum (misalnya “toxic substance” yaitu zat-zat beracun, atau “toxic chemical” yaitu zat kimia 4
beracun) . Kata “toxic” dapat diberlakukan secara intristik pada hakikatnya. Sedangkan Hazardous atau bahan berbahaya merupakan istilah yang lebih luas, yang mengacu pada semua limbah yang berbahaya untuk alasan apapun, termasuk zat-zat beracun (Toxic), misalnya mudah terbakar, mudah meledak, atau reaktif [4]. Berikut merupakan contoh-contoh limbah berbahaya yang sering ditemukan : (a) limbah logam berat (b) pelarut organik dan bahan pengencer (c) asam dan basa (d) limbah cat beracun/mudah terbakar (e) nitrat, perklorat, dan peroksida (f) pestisida (g) limbah cair pengolahan lumpur . Sedangkan berikut merupakan limbah berbahaya khusus, yaitu : (a) limbah industri mengandung polutan prioritas yang didefinisikan oleh USEPA (United States Environmental Protection Agency) (b) limbah medis infeksius (c) limbah militer yang mudah meledak (d) limbah radioaktif [6] Terdapat dua jenis limbah berbahaya yang dapat ditangani karena karakteristik limbah telah diketahui : a. Designated hazardous waste: merupakan limbah yang terdaftar secara spesifik pada daftar pemerintah sebagai limbah berbahaya (contoh: USEPA di negara Amerika Serikat). b. Characteristic hazardous waste : merupakan limbah yang memenuhi karakteristik ignitability (kemudahan terbakar), corrosiveness (sifat korosif), reactivity (reaktifitas), dan toxicity (sifat racun) yang akan dijelaskan pada bagian 2.1.2. [6] 2.1.1 Identifikasi Limbah Berbahaya dan Beracun Regulasi RCRA atau (40 CFR 261 dan 262) menspesifikasikan / mengidentifikasi limbah yang berbahaya jika limbah tersebut memenuhi beberapa kriteria : a. Menunjukkan salah satu karakteristik limbah berbahaya b. Telah di cantumkan sebagai limbah berbahaya dan telah terdaftar pada beberapa regulasi yang berlaku. c. Merupakan campuran yang mengandung limbah berbahaya yang terdaftar dan limbah yang tidak berbahaya.
5
d. Merupakan limbah yang terbentuk dari pengolahan, penyimpanan, dan pembuangan dari limbah berbahaya yang terdaftar. [4] 2.1.2 Kriteria Limbah Berbahaya dan Beracun Limbah berbahaya mungkin terdaftar pada daftar kimia yang dibuang (discarded chemical), atau merupakan sebuah produk yang tidak dispesifikasikan, atau pelepasan bahan kimia secara tidak sengaja, dan residu baik cair atau padat dari sebuah proses operasi, yang memenuhi karakteristik berikut : [6] 2.1.2.1 Ignitability (Dapat Menyala) Merupakan bahan kimia yang sangat mudah tersulut api, umumnya yang memiliki flash point (titik flash) dibawah 140°F. [6] Berikut merupakan karakteristik limbah berbahaya berdasarkan kemampuan untuk menyala (Ignitability) berdasarkan 40 CFR 261.21 , D001: a. Merupakan limbah berfasa cair, kecuali campuran aqueous yang mengandung alkohol dibawah 24% yang memiliki flashpoint dibawah 60°C (140°F). b. Merupakan nonliquid capable, yang pada keadaan normal dapat terbakar secara spontan. c. Merupakan gas mudah terbakar jika dikompresi, dan diawasi oleh regulasi DOT. d. Merupakan pengoksidasi, dan diawasi oleh regulasi DOT.
Tujuan USEPA menjadikan Ignitability sebagai karakteristik limbah berbahaya adalah untuk mengidentifikasi limbah yang dapat menyebabkan kebakaran selama distribusi, penyimpanan dan pembuangan. Banyak dari pelarut di identifikasikan sebagai limbah yang mudah menyala/terbakar. 2.1.2.2 Corrosivity (Korosivitas) Merupakan material yang bersifat korosif, dapat mengkorosi baik material maupun jaringan hidup manusia, biasanya bersifat sangat asam atau basa, dengan rentang pH dibawah 2 atau diatas 12.5. [6] Berikut merupakan karakteristik limbah 6
berbahaya berdasarkan kemampuan untuk mengkorosi (Corrosivity) berdasarkan 40 CFR 261.22 , D002 : a. Merupakan larutan yang memiliki pH dibawah 2, atau lebih besar sama dengan 12.5. b. Merupakan larutan yang mengkorosi baja pada laju lebih besar dari pada 0.25 inci per tahun pada temperatur 55°C (130°F) Tujuan USEPA menjadikan pH sebagai indikator dari kategori Corrosivity adalah karena limbah dengan pH yang terlalu tinggi atau rendah dapat bereaksi dengan limbah lainnya atau kontaminan beracun lainnya. Parameter yang dipilih USEPA adalah korosi baja karena limbah dapat mengkorosi baja sehingga dapat keluar dari tempat penyimpanannya, dan dapat membebaskan limbah lain ke lingkungan. Salah satu contoh dari limbah korosif adalah limbah asam yang digunakan untuk pembuatan acar (pickle liquor). 2.1.2.3 Reactivity (Reaktivitas) Merupakan limbah yang dapat bersifat eksplosif (mudah meledak), dan dapat menghasilkan gas beracun ketika di campur dengan air atau asam. Berikut merupakan karakteristik limbah berbahaya berdasarkan kemampuan untuk bereaksi (Reactivity) berdasarkan 40 CFR 261.23 , D003 : a. Merupakan bahan kimia atau limbah yang tidak stabil, dan biasa dapat bereaksi secara keras tanpa detonator (diaktifkan) terlebih dahulu. b. Merupakan limbah yang dapat bereaksi secara keras dengan air. c. Merupakan limbah yang dapat membentuk campuran yang mudah meledak dengan air. d. Merupakan limbah yang dapat menghasilkan gas beracun, uap atau bau jika dicampur dengan air. e. Merupakan limbah yang mengandung sianida atau sulfida dan menghasilkan gas beracun, uap, atau bau pada pH diantara 2-12.5. f. Merupakan limbah yang mudah meledak jika dipanaskan pada ruang tertutup atau dapat menjadi sumber ledakan besar.
7
g. Merupakan bahan yang mudah meledak pada temperatur dan tekanan ruang. h. Terdaftar pada DOT pada klasifikasi A atau B bahan mudah meledak. 2.1.2.4 Toxicity (Sifat Beracun) Merupakan limbah yang dapat melepaskan bahan kimia beracun yang telah ditentukan dari sejumlah tes. The Toxicity Charactetristic Leaching Procedure (TCLP) telah dirancang untuk menganalisa cairan yang dihasilkan pada pembuangan akhir. Ekstrak dari cairan tersebut kemudian di analisa untuk mengukur kontaminan beracun yang terdaftar pada hukum yang berlaku di negara tersebut. Sifat beracun dari suatu bahan juga dapat di deklarasikan oleh perusahaan yang memproduksi bahan tersebut berdasarkan informasi yang didapatksn dari proses produksi bahan tersebut. [4] 2.2 Karakteristik Limbah Cair Industri Electroplating Secara umum, limbah cair industri kimia terdapat beberapa polutan utama, diantaranya yaitu logam, pestisida (PCBs), organik semivolatil, organik volatil, dan bahan kimia lainnya. Analisis yang biasa digunakan untuk mengidentifikasi konsentrasi logam adalah Atomic Adsorption (AA) Analysis dan Inductively Coupled Plasma (ICP). Sedangkan metode yang biasa digunakan untuk menganalisa zat organik volatil dan semivolatil umumnya digunakan teknik kombinasi antara gas kromatografi dan spektofotometer massa, atau biasa disebut sebagai “GC-Mass Spec”. [7] Proses electroplating adalah proses pelapisan logam dengan mengalirkan listrik pada logam yang dilapisi di dalam cairan elektrolit (biasanya mengandung logam berat) sehingga menciptakan karakteristik permukaan logam yang baru. Pada beberapa industri, setelah proses pelapisan logam setelah itu diselesaikan dengan pencelupan pada cat [8]. Skema proses electroplating secara ringkas disajikan pada Gambar 2.1 di bawah ini . [1]
8
Gambar 2.1 Skema Proses Electroplating Limbah cair yang mengandung logam berat berasal dari salah satu proses tersebut. Berikut merupakan beberapa aplikasi dari industri electroplating, diantaranya : a. dekorasi : beberapa perhiasan yang berbahan dasar besi, kuningan, tembaga, atau alumunium paduan akan lebih indah jika dilapisi dengan krom, atau lebih bernilai jika dilapisi suatu logam mulia seperti emas, atau perak. b. melindungi logam utama : salah satu fungsi dari pelapisan logam adalah untuk menghindari bahan dari korosi dan meningkatkan ketahanan / kekuatan fisik. Biasanya logam dasar berupa paduan besi (baja) dapat dilapisi oleh seng, kadmium, nikel, krom, tembaga, dsb. c. beberapa aplikasi lainnya seperti untuk mengubah karakteristik permukaan logam dan untuk memperoleh sifat mekanis tertentu [9] Berdasarkan literatur, telah diketahui bahwa konsentrasi logam berat ion Cr6+ yang terkandung di dalam limbah cair industri electroplating adalah dalam rentang 1-40 ppm (mg/L). Sedangkan di Indonesia, Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup Nomor : KEP-51/MENLH/10/1995 tentang Baku Mutu Limbah Cair Bagi Kegiatan Industri. Baku Mutu Limbah Cair Industri telah menetapkan batas maksimum limbah cair yang diperbolehkan dibuang ke lingkungan, seperti yang disajikan dalam Tabel 2.1 berikut ini.
9
Tabel 2.1 Baku Mutu Limbah Cair untuk Industri Pelapisan Logam. [2] Parameter
Satuan
Kadar Maksimum
TSS (Total Solid Suspension)
mg/L
20
Sianida Total (CN) tersisa
mg/L
0.2
Krom Total (Cr)
mg/L
0.5
Krom Heksavalen (Cr+6)
mg/L
0.1
Tembaga (Cu)
mg/L
0.6
Seng (Zn)
mg/L
1.0
Nikel (Ni)
mg/L
1.0
Kadmium (Cd)
mg/L
0.05
Timbal (Pb)
mg/L
0.1
pH
mg/L
6.0-9.0
L/ m3 produk pelapisan logam
20
Debit Limbah Maksimum
Berdasarkan baku mutu diatas, maka dapat diambil kesimpulan bahwa keluaran dari limbah industri electroplating memiliki kandungan Cr6+ sebesar 10 – 400 kali lipat lebih tinggi sehingga perlu diolah untuk memenuhi kriteria baku mutu limbah cair diatas. Terdapat beberapa metode pengolahan limbah ion logam berat seperti reaksi pengendapan (presipitasi), filtrasi membran, penukar-ion, dan adsorpsi. Namun, banyak studi yang telah mempelajari tentang keluaran limbah yang membawa logam berat telah menunjukkan bahwa adsorpsi merupakan teknik yang memiliki efektivitas tinggi untuk menghilangkan logam berat dari aliran limbah cair dan karbon aktif sering digunakan sebagai adsorben [3].
Selain sederhana, faktor biaya yang relatif terjangkau
menyebabkan teknologi ini lebih cocok untuk diterapkan dalam industri skala kecil.
10
2.2.1 Logam Berat Cr6+ Untuk menghasilkan larutan yang mengandung ion logam berat Cr6+, garam K 2 Cr 2 O 7 dilarutkan dalam air. Larutan yang mengandung ion logam berat Cr6+ dapat menyebabkan iritasi bahkan dapat menyebabkan kerusakan ginjal dan hati jika kontak dengan kulit. Kontak dengan mata dapat menyebabkan iritasi, merah dan hingga kebutaan. Selain itu, larutan ini juga bersifat karsinogenik. Senyawa K 2 Cr 2 O 7 merupakan senyawa pengoksidasi yang sangat kuat. Dalam larutan, senyawa K 2 Cr 2 O 7 akan membentuk reaksi kesetimbangan antara senyawa CrO 4 2- dengan Cr 2 O 7 2- dimana reaksi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut : Cr 2 O 7 2- + 2OH- ↔ H 2 O + 2CrO 4 2Dari reaksi ini, dapat disimpulkan bahwa jika garam K 2 Cr 2 O 7 dilarutkan pada keadaan basa, maka ion yang dominan adalah CrO 4 2- yang berwarna kuning. Sedangkan jika garam K 2 Cr 2 O 7 dilarutkan dalam keadaan asam, maka reaksi kesetimbangan akan bergeser ke arah ion yang dominan yaitu ion Cr 2 O 7 2- yang berwarna oranye. Pada reaksi reduksi-oksidasi, kedua ion tersebut tetap memiliki ion kromium bervalensi 6+ atau ion Cr6+ atau biasa dikenal dengan ion kromium heksavalen [10]. 2.3 Adsorpsi Proses adsorpsi dioperasikan berdasarkan kemampuan suatu padatan (adsorben) untuk mengkonsentrasikan suatu zat tertentu (adsorbat atau solute) dari suatu campuran (larutan atau gas) pada pada permukaannya. Oleh karena itu, secara umum proses adsorpsi merupakan peristiwa perpindahan suatu zat dari fasa fluida ke fasa padatan. Fluida yang terlibat dalam proses adorpsi dapat berupa gas ataupun cairan. Contoh-contoh yang merupakan beberapa proses pemisahan adsorbat dalam larutan diantaranya adalah penghilangan air pada minyak bumi, penghilangan warna pada minyak goreng, penghilangan bau dan rasa pada air, dan fraksionisasi campuran aromatik dari hidrokarbon parafinik. Skala dari operasi ini bervariasi tergantung pada banyak adsorben yang digunakan, skala operasi adsorpsi bervariasi dari skala lab hingga skala industri yang mengunakan adsorben dalam jumlah besar (ratusan bahkan ribuan kilogram) [11]. 11
2.3.1 Tipe-Tipe Adsorpsi Terdapat dua jenis adsorpsi, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia, dan berikut adalah penjelasan lanjut tentang adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia : 2.3.1.1 Adsorpsi Fisika (Physical Adsorption) Adsorpsi fisika, atau biasa juga diketahui sebagai adsorpsi van deer Waals, merupakan adsorpsi yang dapat berlangsung secara reversibel (bolak-balik), hal ini disebabkan karena gaya intermolekular yang terjadi antara molekul adsorbat dan permukaan adsorben [11]. Pada adsorpsi fisika fasa gas, dapat dikatakan bahwa proses ini mirip dengan kondensasi. Gaya menarik dari molekul pada fluida ke permukaan relatif lemah, dan kalor yang terlibat selama proses adsorpsi eksotermal sama besar dengan kalor untuk kondensasi yaitu sekitar 0.5-5 kkal g-1 mol-1. Kesetimbangan antara permukaan adsorben dan zat terlarut akan sangat mudah dicapai, karena energi yang terlibat kecil. Untuk reaksi dari atom atau radikal bebas biasanya melibatkan energi aktivasi yang kecil, sehingga yang berperan adalah adsorpsi fisika. Adsorpsi fisika juga berfungsi untuk mengkonsentrasikan suatu zat pada permukaan suatu padatan [12]. 2.3.1.2 Adsorpsi Kimia (Chemisorption) Adsorpsi kimia atau biasa dikenal dengan chemisorption, merupakan hasil dari interaksi (ikatan) kimia antara adsorben dengan adsorbat. Kekuatan pada ikatan kimia biasanya bervariasi, akan tetapi ikatan kimia pada permukaan biasanya jauh lebih kuat daripada yang terjadi pada adsorpsi fisika. Kalor yang dilibatkan pada proses adsorpsi kimia juga biasanya besar. Proses adsorpsi kimia biasanya berlangsung secara irreversible, dan proses desorpsi dari komponen sebenarnya seringkali terjadi setelah mengalami perubahan (reaksi) kimia. Bahan yang sama pada temperatur rendah umumnya hanya akan menjalani adsorpsi fisika pada adsorben, namun terkadang ketika pada temperatur tinggi akan terjadi proses adsorpsi kimia, dan kedua fenomena tersebut dapat berjalan bersamaan. Proses adsorpsi kimia merupakan hal yang sangat penting di dalam reaksi menggunakan katalis, dan oleh karena itu proses adsorpsi kimia tidak akan dibahas pada penelitian ini [11]. Tabel 2.2 di bawah ini memberikan perbandingan antara adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia. 12
Tabel 2.2 Perbandingan Adsorpsi Fisika dengan Adsorpsi Kimia. [12] Parameter
Adsorpsi Fisika
Adsorben
Semua berfasa padat
Adsorbat
Semua
gas
Adsorpsi Kimia Beberapa berfasa padat
dibawah Beberapa gas yang bereaksi
temperatur kritik
secara kimia
Temperatur
Temperatur rendah
Biasanya temperatur tinggi
Kalor Adsorpsi
Rendah
Orde
tinggi
dari
kalor
reaksi Laju, Energi Aktivasi
Sangat cepat, energi rendah
Tidak teraktivasi, energi aktivasi
rendah,
energi
tinggi Jangkauan
Kemungkinan multilayer
Monolayer
Reversibility
Sangat mudah direversibel
Jarang direversibel
Importance
Untuk
penentuan
permukaan
dan
pori.
luas Untuk penentuan sisi aktif ukuran dan
kinetika
rekasi
permukaan.
2.3.2 Adsorben Agar dapat berfungsi secara efisien pada proses pemisahan secara komersial, baik untuk pemisahan pada fasa bulk atau untuk proses pemurnian, material adsorben harus memiliki volume internal (pori-pori) yang tinggi yang dapat diakses oleh komponen yang ingin dihilangkan (diserap) dari fluida sehingga akan membuat kapasitas adsorpsi semakin tinggi.
Adsorben juga harus memiliki sifat fisik mekanik
seperti kekuatan dan resisten, dan selain itu harus memiliki kinetika adsorpsi yang relatif cepat yang akan menunjukkan kemampuan adsorben tersebut mengikat adsorbat. Pada aplikasinya, adsorben yang digunakan dapat diregenasi kembali setelah digunakan, namun harus diperhatikan bahwa proses regenerasi tidak boleh merusak adsorben. Dalam pembuatan adsorben harus diperhatikan harga bahan baku dan metode untuk 13
menghasilkan adsorben yang relatif murah / ekonomis. Gambar 2.2 menggambarkan struktur adsorben secara umum dalam adsorpsi fasa gas, namun secara umum adsorpsi gas dan cair merupakan proses yang sama.
Gambar 2.2 Struktur Adsorben Secara Umum. 2.3.2.1 Granular Activated Carbon (GAC) Adsorben biasanya berbentuk granular, dengan variasi ukuran diameter dari 50 µm – 12 mm. Adsorben tersebut harus memenuhi beberapa kriteria operasi, tergantung pada aplikasi pengunaanya. Jika adsorben yang akan digunakan untuk operasi pada fixed bed adsorbers, maka adsorben tersebut tidak boleh memberikan pressure drop yang besar agar konsumsi energi aliran dapat dijaga rendan dan fluida dapat mengalir / lewat dengan mudah. Adsorben tersebut juga harus memiliki kekuatan dan kekerasan yang memadai. Kekuatan yang memadai akan mencegah ukuran partikel berubah, agar tidak hancur ketika mempertahankan beban adsorben tersebut sehingga dapat mempertahankan ketinggian unggun. Ini merupakan beberapa kriteria yang harus diperhatikan pada perancangan fixed bed adsorbers [11]. Selain itu, adsorben yang mengandung pori-pori yang banyak lebih disukai karena kemampuan mengakumulasi adsorbat pada permukaan pori adsorben akan lebih besar per satuan massa adsorben. [13]. Ukuran pori adsorben juga penting untuk diperhatikan agar dapat memberikan luas permukaan yang besar sekaligus memberikan laju adsorpsi yang optimal. Salah satu adsorben serba guna yang cukup luas digunakan adalah karbon aktif (activated Carbon) karena selain murah dan mudah didapat, juga aman / tidak beracun. Bahan baku yang digunakan untuk pembuatan karbon aktif antara lain sisa-sisa kayu, 14
sekam padi, residu dari pengilangan minyak, lignin, batu bara, dan tempurung kelapa. Terdapat dua jenis proses produksi karbon aktif, yang pertama yang melibatkan aktivasi gas dan yang kedua yang melibatkan aktivasi kimia. Aktivasi dengan menggunakan gas pertama-tama dengan memanaskan bahan dengan udara pada suhu 400-500°C untuk menghilangan material organik volatil yang menyumbat pori-pori bahan, dan setelah itu proses dilanjutkan dengan memanaskan bahan antara 800-1000°C. Selain udara, gas karbon dioksida atau gas buang pembakaran (gas cerobong) juga dapat digunakan. Sedangkan untuk aktivasi secara kimia biasanya digunakan larutan seng klorida (zinc chloride) atau asam fosfat (phosphoric acid) yang dikontakkan langsung dengan bahan baku.
Pori-pori yang dihasilkan melalui aktivasi gas lebih besar daripada aktivasi
kimia. Rentang ukuran pori-pori karbon aktif yang umum disajikan dalam Tabel 2.3 berikut ini. Tabel 2.3 Ukuran Pori-Pori Karbon Aktif Secara Umum. [14] Micropores
Mesopores or transitional pores
Macropores
Diameter (nm)
<2
2-50
>50
Pore volume (cm3/g)
0.15-0.5
0.02-0.1
0.2-0.5
Surface area (m2/g)
100-1000
10-100
0.5-2
(Particle density 0.6-0.9 g/cm3 ; porosity 0.4-0.6) Adsorben Granular Activated Carbon (GAC) dapat berasal dari tempurung kelapa. Ukuran partikel GAC yang biasa digunakan untuk Packed Bed (Fixed Bed) Adsorbers biasanya memiliki rentang diameter 0.4 - 2.4 mm [15]. Partikel adsorben memiliki kapasitas yang terbatas untuk adsorpsi molekul pada fasa cair, sehingga kontak dengan umpan akan mengarah pada kesetimbangan termodinamika antara fasa padat dan fasa cair. Pada keadaan kesetimbangan, laju adsorpsi dan desorpsi akan sama cepatnya sehingga proses adsorpsi akan terhenti secara makroskopik. Pada saat itu, maka akan dibutuhkan upaya untuk meregenerasi adsorben tersebut atau adsorben tersebut dapat dibuang jika adsorbat berupa limbah yang harus 15
dihilangkan dari proses. Dalam penelitian ini, adsorben yang telah digunakan akan dibuang sebagai limbah padat B3 dan akan diolah oleh pihak ketiga [14]. 2.3.3 Kesetimbangan Adsorpsi Adsorpsi merupakan fenomena terjadinya akumulasi suatu zat di permukaan padatan yang disebabkan daya tarik antara adsorbat (pada campuran gas maupun cair) dan permukaan adsorben. Untuk mengetahui keadaan kesetimbangan sebuah adsorben, maka perlu dipelajari kesetimbangan adsorpsi yang akan dijelaskan di bawah ini [14]. Banyak jenis persamaan kesetimbangan adsorpsi, atau yang biasa dikenal dengan isoterm. Persamaan-persamaan tersebut biasa dimodelkan berdasarkan suatu pendekatan empiris dari percobaan kesetimbangan adsorpsi. Pada penelitian ini, pembuatan data kesetimbangan adsorpsi akan diukur pada pH 1.5 yang merupakan pH optimum untuk adsorpsi ion logam berat Cr6+ pada permukaan karbon aktif [16]. Beberapa isoterm yang paling sering digunakan pada adsorpsi fasa cair akan diuraikan di bawah ini. Gambar
2.3
menampilkan
beberapa
isoterm
adsorpsi
yang
umum
dipergunakan. Pada kondisi setimbang, konsentrasi adsorbat yang diserap pada permukaan adsorben dapat didefinisikan sebagai q dengan satuan kg adsorbat/kg adsorben, sedangkan konsentrasinya dalam fasa fluida (gas atau cair) dinyatakan dengan c dengan satuan kg adsorbat/m3 fluida. Dari gambar tersebut juga dapat disimpulkan bahwa isoterm adsorpsi yang paling dianjurkan untuk sistem fasa cair adalah isoterm Langmuir [17] - [18].
Gambar 2.3 Kurva Isoterm Adsorpsi. 16
a. Linear - Hukum Henry Hukum Henry atau Henry’s Law memberikan hubungan isoterm adsorpsi berupa garis linear seperti pada gambar 2.3 diatas. Biasanya, hukum Henry bisa digunakan untuk pendekatan awal karena bentuknya yang linear dan mudah untuk diolah. Berikut merupakan persamaan isoterm untuk hukum henry: 𝑞=𝐾𝑐
(2.1)
Dimana q dengan satuan kg adsorbat/kg adsorben, pada fasa fluida (gas atau cair) c dengan satuan kg adsorbat/m3 fluida, dan K merupakan konstanta yang ditetapkan secara experimen dengan satuan m3/
kg
adsorbent.
Persamaan
ini
bisa
digunakan
sebagai
pernghampiran data untuk berbagai sistem. Namun, persamaan ini jarang digunakan karena tidak terlalu akurat.
b. Isoterm Langmuir Isoterm ini membahas tentang sistem adsorbat-adsorben dimana mempelajari tingkat cakupan adsorbat yang terbatas pada satu lapis molekular pada saat atau sebelum tekanan relatif dicapai. Isoterm ini lebih cocok untuk mendiskripsikan tentang adsorpsi kimia (ketika terdapat ikatan kimia ionik atau kovalen yang terbentuk antar adsorbat dan adsorben), dan persamaan ini merupakan persamaan yang sangat cocok untuk mendeskripsikan perilaku dari sistem biner. Isoterm ini disusun dengan basis kesetimbangan dinamik diantara fasa adsorben dan fasa gas atau fasa uap [14]. Secara matematis Isoterm Langmuir dapat dituliskan sebagai berikut :
𝑞=
17
𝑞𝑜 𝑐
𝐾+𝑐
(2.2)
dimana q (kg adsorbat/kg adsorben) dan c (kg adsorbat/m3) adalah konsentrasi
adsorbat
saat
kesetimbangan,
sementara
𝑞𝑜 adalah
kapasitas adsorben (kg adsorbat/kg adsorben) dan K adalah konstanta (bersatuan kg/m3). Dengan membuat kurva antara 1/ 𝑞 terhadap 1/ 𝑐
maka akan diperoleh slope 𝐾 /𝑞𝑜 dan dengan intercept 1/𝑞𝑜 [17].
Persamaan ini diturunkan dengan beberapa asumsi sebagai berikut : i. Kalor adsorpsi diasumsikan konstan dan merupakan fungsi independen. (sebagai akibat dari tidak ada interaksi antara sesama molekul adsorbat) ii. Setiap molekul adsorbat hanya memiliki satu sisi aktif iii. Adsorpsi yang terjadi lokal (molekul adsorbat tetap pada sisi pori adsorben sampai terjadi proses desorpsi) [14].
c. Isoterm Freundlich Terdapat banyak bukti yang membuktikan untuk kebanyakan sistem, kalor
adsorpsi
akan
menurun
seiring
dengan
meningkatnya
kemampuan untuk mengadsorpsi. Jika penuruan kalor adsorpsi merupakan fungsi dari logaritmik, maka ini menunjukan bahwa sisi adsorpsi terdistribusi secara eksponensial yang menunjukan posisi adsorpsi yang berbeda-beda. Asumsi ini dibuat oleh Zeldowitch pada awal 1935 dengan penurunan yang sekarang dikenal dengan isoterm klasik yang menunjukan variasi dari kalor adsorpsi. Persamaan ini juga dikenal dengan Isoterm Freundlich, yang sebelumnya diketahui sebagai isoterm empiris [14]. Berikut ini merupakan persamaan dari Isoterm Freundlich :
𝑞 = 𝐾 𝑐𝑛
(2.3)
dimana q (kg adsorbat/kg adsorben) dan c (kg adsorbat/m3) adalah konsentrasi adsorbat saat kesetimbangan, sementara K merupakan konstanta yang ditetapkan secara eksperimen. Jika dibuat plot antara 18
log q terhadap log c maka akan diperoleh slope yang merupakan angka tidak berdimensi (bersatuan) n, sedangkan dimensi dari K bergantung pada nilai n [17].
d. Terdapat beberapa isoterm lainnya seperti : persamaan BrunauerEmmet-Teller (BET), isoterm Temkin, teori potensial Polanyi, isoterm adsorpsi Gibbs, dan model statistik termodinamika yang biasanya digunakan untuk adsorpsi gas. Persamaan-persamaan isoterm tersebut lebih rumit/kompleks dan biasanya baru digunakan jika proses kesetimbangan adsorpsi tidak dapat digambarkan dengan baik oleh model Langmuir atau Freundlich. 2.4 Perancangan Fixed Bed Adsorbers. Perancangan untuk sistem fixed bed adsorbers berdasarkan beberapa prinsip adsorpsi. Pertama adalah pengetahuan tentang kesetimbangan adsorpsi, antara adsorbat dalam fasa cair dengan adsorbat yang terakumulasi pada permukaan adsorben. Selain itu, pemilihan material adsorben yang karakteristiknya seperti kapasitas dan selektifitas telah diketahui merupakan hal yang utama dalam perancangan fixed bed adsorbers. Kedua, karena operasi adsorpsi biasanya menggunakan sistem batch, fixed bed atau pada simulating moving beds, proses adsorpsi biasanya memiliki karakter dinamik (dynamical characters). Proses pada fixed bed adsorbers biasanya didekati dengan tahap periodik (periodic state) atau tahap siklik tunak (cyclic steady state) dengan laju umpan yang berbeda yang mengikuti suatu siklus, baik tahap periodik atau tahap siklik tunak. Sehingga pengetahuan tentang transisi pada unggun diperlukan. Gambar 2.4 menyajikan skema alat kolom adsorbsi fixed bed .
19
Bypass Gate Valve
Sampling Area F Globe Valve Flowmeter
Storage Tank
Centrifugal Pump Outlet Tank
Gambar 2.4 Skema Alat Fixed Bed Adsorbers.
Berikut beberapa keuntungan dari Fixed Bed Adsorbers : (a) alat ini sederhana dan biaya investasinya murah (b) ketika adsorben berada dalam keadaan diam, maka gesekan yang terjadi antar adsorben akan berada pada kondisi minimal, namun harus diperhatikan gesekan yang terjadi dalam fixed bed adsorbers bukan berasal dari adsorben itu sendiri, melainkan dari tekanan dan arah aliran fluida. Teknik adsorpsi dengan menggunakan fixed bed adsorbers banyak diaplikasikan di dalam industri, seperti untuk pengurangan kadar air dalam gas atau campuran cair, untuk memurnikan gas, untuk penghilangan warna dan mineral dari minyak nabati, untuk mengkonsentrasikan zat terlarut yang berharga di dalam campuran cair, dan sebagainya [11].
20
2.4.1 Proses Adsorpsi di dalam Fixed Bed Adsorbers Seiring dengan meningkatnya jumlah fluida yang dilewatkan pada kolom adsorpsi, adsorben akan mengikat zat terlarut (adsorbat) yang terdapat pada fluida tersebut, dan proses adsorpsi ini menjadi tidak tunak karena terdapat adsorbat yang terakumulasi di dalam adsorben. Untuk penelitian ini, terdapat campuran biner, yaitu ion logam berat Cr6+ dengan air, dimana logam berat merupakan solut atau adsorbat yang memiliki konsentrasi awal di umpan masuk sebesar C 0 . Larutan tersebut kemudian dialirkan secara kontinu melewati kolom adsorben yang awalnya bebas dari adsorbat dari atas ke bawah. Bagian atas unggun adsorben yang kontak pertama kali dengan campuran adsorbat berkonsentrasi tinggi, akan dengan sangat cepat dan efektif menyerap solut yang terdapat pada fluida tersebut, dan adorbat yang lolos akan diserap oleh bagian unggun selanjutnya. Keluaran dari kolom ini bisa dikatakan bebas adsorbat dengan konsentrasi C a (mendekati nol) seperti yang dapat dilihat pada kolom (a) pada Gambar 2.5. Selanjutnya distribusi adsorbat dalam kolom adsorben dapat terlihat pada Gambar 2.5 (b) – (d). Seiring dengan bagian atas kolom adsorben hampir jenuh dan selagi fluida terus bergerak, maka zona daerah adsorpsi akan bergerak ke bawah, pada laju yang lebih rendah daripada kecepatan linear fluida yang melewati kolom adsorben. Pada akhirnya, setengah dari kolom adsorben akan jenuh seperti yang ditunjukkan pada (b). Pada kolom (b), keluarannya memiliki konsentrasi C b yang secara substansial masih mendekati 0. Pada kolom (c) di gambar 2.5, dapat dilihat bahwa zona daerah adsorpsi telah mendekati bagian bawah kolom adsorben, dan konsentrasi dari adsorbat pada keluaran akan perlahan meningkat hingga mencapai konsentrasi C c (5% dari C 0 ) untuk pertama kalinya. Sistem ini dapat dikatakan telah mencapai breakpoint. Setelah itu konsentrasi adsorbat pada keluaran akan meningkat secara sangat cepat ketika zona adsorpsi telah mencapai bagian bawah dari kolom adsorben, dan kolom (d) pada gambar 2.5 telah menunjukkan bahwa keluaran telah hampir mencapai konsentrasi awal yaitu C 0 . Kurva konsentrasi keluaran antara kolom (c) dan (d) dapat dikatakan sebagai kurva breakthrough.
21
Gambar 2.5 Profil Konsentrasi Adsorbat pada Kolom dan Kurva Breakthrough [11].
22
2.4.2 Laju adsorpsi pada Fixed Bed Adsorbers Pada adsorpsi di Fixed Bed Adsorbers, perpindahan massa terjadi secara tidak tunak. Hal ini dapat menyebabkan beberapa faktor harus dikomputasikan dan menjadi sangat sulit. Berikut ini merupakan pendekatan yang telah disederhanakan, namun hanya terbatas untuk adsorpsi isotermal dari umpan yang berupa campuran yang encer. Pendekatan tersebut diterapkan dalam adsorpsi fasa gas, namun juga dapat diaplikasikan dalam sistem fasa cair karena prinsip adsorpsi yang sama berlaku baik di fasa gas maupun cair. Gambar 2.6 merupakan kurva breaktrough yang ideal. Kurva breaktrough tersebut merupakan hasil eksperimen menggunakan laju superficial gas G s (massa.luas-1 .waktu-1), yang masuk kedalam kolom adsorpsi dengan konsentrasi Y o (massa zat terlarut / massa pelarut). Akumulasi dari aliran keluaran yang bebas dari adsorbat setelah waktu tertentu adalah w (massa aliran keluar / luas permukaan adsorben). Kurva breaktrough pada Gambar 2.6 berbentuk curam, dan konsentrasi pada keluaran meningkat dengan sangat cepat dari nol hingga ke konsentrasi awal pada umpan. Sebuah titik dengan konsentrasi Y B , dipilih sebagai konsentrasi breakpoint, dan adsorben mulai jenuh ketika konsentrasi keluaran mulai naik hingga Y E ≈ Y o (konsentrasi umpan).
Jumlah keluaran pada breakpoint adalah w B , dan kurva
breakthrough terdapat diantara w B dan w E . Total keluaran yang terakumulasi pada kurva breakthrough adalah w a = w E – w B .
Gambar 2.6 Kurva Breakthrough. [11]
23
Zona adsorpsi memiliki ketinggian Z a , dimana Z a merupakan bagian dari unggun (Gambar 2.7 – a) dan akan mengalami perubahan konsentrasi adsorbat antara Y B dan Y E. Waktu yang dibutuhkan zona tersebut mengalami perubahan konsentrasi dari Y B menjadi Y E adalah θ a , yang dapat didefinisikan sebagai berikut :
𝜃𝑎 =
𝑤𝑎
(2.4)
𝐺𝑠
Saat keadaan dimana unggun sudah tidak terdapat lagi zona adsorpsi (jenuh), maka waktu θ E dapat didefinisikan sebagai berikut :
𝜃𝐸 =
𝑤𝐸
(2.5)
𝐺𝑠
Jika tinggi unggun adsorben total dapat didefinisikan sebagai Z, dan θ F merupakan waktu yang dibutuhkan untuk pembentukan zona adsorpsi, maka dapat didefinisikan sbb :
𝑍𝑎 = 𝑍
𝜃𝑎
(2.6)
𝜃𝐸 − 𝜃𝐹
Jumlah zat terlarut yang dihilangkan dari pelarut pada zona adsorpsi yang membentuk kurva breaktrough hingga kejenuhan adsorben adalah U dengan satuan massa zat terlarut/ luas permukaan unggun adsorben. U dapat dilihat pada gambar 2.6 pada bagian yang diarsir, dan dapat didefinisikan sbb : 𝑤
𝑈 = ∫𝑤 𝐸(𝑌𝑜 − 𝑌) 𝑑𝑤 𝐵
(2.7)
Namun jika zona adsorpsi telah jenuh dengan zat terlarut, maka zona tersebut mengandung
𝑌𝑜 𝑤𝑎 massa zat terlarut/luas permukaan adsorben. Pada keadaan
breakpoint, ketika zona adsoprsi masih di dalam kolom, kemampuan fraksional dari adsorben pada zona tersebut untuk mengadsorp adsorbat adalah :
𝑓=
𝑈
𝑌𝑜 𝑤𝑎
=
𝑤
∫𝑤 𝐸(𝑌𝑜 −𝑌) 𝑑𝑤 𝐵
𝑌𝑜 𝑤𝑎
(2.8)
Jika f = 0, maka adsorben pada zona adsorpsi tersebut sudah jenuh, pada waktu pembentukan zona pada atas unggun θ F secara substansial sama dengan θ a yang 24
merupakan waktu yang dibutuhkan untuk menempuh jarak yang sama dengan tinggi Z a . Namun jika f = 1.0, maka adsorben pada zona tersebut tidak mengandung adsorbat sama sekali, dan waktu pembentukan zona adsorpsi 𝜃𝐹 mendekati 0. Kondisi batas ini
dapat di deskripsikan sbb :
𝜃𝐹 = (1 − 𝑓) 𝜃𝑎
(2.9)
Maka, berdasarkan kondisi diatas, persamaan (2.6) dan persamaan (2.9) akan menghasilkan :
𝑍𝑎 = 𝑍
𝜃𝑎
𝜃𝐸 − (1−𝑓) 𝜃𝑎
=𝑍
𝑤𝑎
𝑤𝐸 − (1−𝑓) 𝑤𝑎
(2.10)
Pada kolom adsorpsi setinggi Z dan per m2 luas penampang kolom terdapat massa adsorben sebanyak Z ρ s dimana ρ s merupakan bulk density adsorben pada unggun. Pada keadaan dimana adsorben berada dalam keadaan setimbang dengan gas yang masuk kolom (konsentrasi adsorbat X T ), maka massa adsorbat yang sudah diserap adalah Zρ s X T . Pada titik breakpoint, pada saat zona adsorpsi Z a masih berada di bawah kolom, dan bagian lain dari kolom yang memiliki tinggi Z – Z a telah jenuh. Pada saat breakpoint, adsorbat yang teradsorpsi pada adsorben adalah (Z – Z a ) ρ s X T + Z a ρ s (1 –
f ) XT
. Sehingga, pendekatan fraksional untuk kejenuhan pada kolom di
breakpoint (derajat kejenuhan) adalah : 𝐷𝑒𝑔𝑟𝑒𝑒 𝑜𝑓 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 =
( 𝑍− 𝑍𝑎 )𝜌𝑠 𝑋𝑇 + 𝑍𝑎 𝜌𝑠 (1−𝑓)𝑋𝑇 𝑍𝜌𝑠 𝑋𝑇
=
𝑍−𝑓𝑍𝑎 𝑍
(2.11)
Pada fixed bed adsorber, zona dari adsorpsi pada kenyataannya berpindah ke
bagian bawah kolom. Bayangkan jika unggun adsorben bergerak ke atas cukup cepat melalui kolom dan cairan bergerak ke bawah sehingga dapat dikatakan sebagai aliran dua arah (countercurrent) yang memiliki zona adsorpsi yang tetap di dalam kolom. Pada gambar 2.7a, adsorben yang meninggalkan kolom dalam keadaan setimbang dengan gas, dan semua adsorbat telah diadsorpsi seluruhnya oleh adsorben, sehingga tidak mengandung adsorbat pada keluaran. Hal ini tentu membutuhkan kolom yang sangat tinggi, namun kajian kita adalah konsentrasi yang berada pada ketinggian tetap di dalam zona adsorpsi. Garis operasi untuk keseluruhan kolom adalah :
𝐺𝑠 ( 𝑌𝑜 − 0) = 𝑆𝑠 (𝑋𝑇 − 0) 25
(2.12)
Atau dapat dituliskan kembali menjadi : 𝑆𝑠
𝐺𝑠
𝑌𝑜
=
(2.13)
𝑋𝑇
Gambar 2.7 (a) Kolom Adsorpsi (b) Kurva Kesetimbangan dan Garis Operasi [11] Garis operasi berada di atas kurva kesetimbangan pada gambar 2.7b, pada semua ketinggian kolom, konsentrasi dari solut pada gas Y dan adsorbat X dapat ditulis sebagai persamaan berikut :
𝐺𝑠 𝑌 = 𝑆𝑠 𝑋
Pada ketinggian dZ, berlaku :
(2.14)
𝐺𝑠 𝑑𝑌 = 𝐾𝑌 𝑎𝑝 (𝑌 − 𝑌 ∗ ) 𝑑𝑍
(2.15)
Sehingga zona adsorpsi memiliki NTU (Number of Transfer Units) : 𝑌
𝑑𝑌
𝑁𝑇𝑈 = ∫𝑌 𝐸 = (𝑌− 𝑌 ∗ ) 𝐵
26
𝑍𝑎
𝐻𝑇𝑈
=
𝑍𝑎
𝐺𝑠 / 𝐾𝑌 𝑎𝑝
(2.16)
Pada kondisi dimana Z < Z a ,dan dengan asumsi bahwa HTU (Height of Transfer Unit) konstan seiring dengan perubahan konsentrasi, maka : 𝑍 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑌 𝑍𝑎
=
𝑤− 𝑤𝐵 𝑤𝑎
=
𝑌
𝑑𝑌
∫𝑌 (𝑌− 𝑌∗ ) 𝐵 𝑌
𝑑𝑌
∫𝑌 𝐸 (𝑌− 𝑌∗ ) 𝐵
(2.17)
Persamaan 2.17 memungkinkan untuk penggambaran kurva breaktrough diperoleh dengan integrasi. Persamaan ini mengikuti kondisi batas yang telah diuraikan di awal, dan persamaan ini akan berlaku jika 𝐾𝑌 𝑎𝑝 atau HTU yang konstan dalam
batas-batas konsentrasi adsorbat pada zona adsorpsi. Hal ini tentu saja akan bergantung apakah resistensi perpindahan massa pada fluida dan pada pori di adsorben konstan atau tidak. Pada gambar 2.8, jika laju perpindahan massa sangat cepat, maka kurva breaktrough (Idealized) dapat didekati menjadi garis lurus θ s , yang memiliki luas area sebelah kiri dan kanan sama. Dengan demikian, Z a pada Gambar 2.7 dapat dianggap sebuah bidang datar berjarak Z s dari puncak kolom, dimana Z s adalah batas ketinggian zona adsorben yang telah jenuh. Sementara itu, bagian adsorben di bawahnya sepanjang Z-Z s adalah sama dengan LUB (Length of Unused Bed). Dengan demikian, tinggi dari unggun merupakan hasil jumlah dari LUB dan panjang dari unggun adsorben yang telah jenuh oleh adsorbat. Jika V merupakan kecepatan peningkatan bidang adsorpsi jenuh dimana Zs = Vθ dan pada θ s (time for saturation) adalah Z=V θ s dan pada saat breakpoint Z s =V θ B maka :
𝐿𝑈𝐵 = 𝑍 − 𝑍𝑠 = 𝑉(𝜃𝑠 − 𝜃𝐵 ) =
Neraca solut dapat dituliskan sebagai berikut :
𝑍
𝜃𝑠
(𝜃𝑠 − 𝜃𝐵 )
𝐺𝑠 (𝑌0 − 𝑌0∗ )𝜃 = 𝑍𝑠 𝜌𝑠 (𝑋𝑇 − 𝑋0 )
(2.18)
(2.19)
Dimana 𝑌0∗ merupakan konsentrasi solut pada kesetimbangan dengan X 0.
27
Gambar 2.8 Kurva Breaktrough Idealized. [11] Pada eksperimen di laboratorium, pada G s yang sama untuk digunakan dalam skala besar, maka θ s dapat dicari dari kurva breaktrough hasil pengukuran dengan luas kiri dan 𝜃𝑠
yang sama. Dengan asumsi tidak terjadi channeling dan proses
pencampuran radial yang diabaikan, persamaan LUB dapat diturunkan sbb :
𝐿𝑈𝐵 = 𝑍 −
𝐺𝑠 𝜃𝐵 (𝑌0 − 𝑌0∗ ) 𝜌𝑠 (𝑋𝑇 − 𝑋0 )
(2.20)
Sehingga, tinggi kolom pada skala industri akan diperoleh dengan menjumlahkan LUB (tinggi kolom yang tidak terpakai) yang dapat dilihat dari persamaan (2.18) dengan Z s
(zona ketinggian adsorben jenuh) dimana Zs dapat
didefinisikan sebagai berikut:
𝑍𝑠 =
𝐺𝑠 𝜃𝐵 (𝑌0 − 𝑌0∗ ) 𝜌𝑠 (𝑋𝑇 − 𝑋0 )
(2.21)
Dengan asumsi seluruh adsorbat terserap sempurna sebelum keadaan jenuh yang dapat ∗ ditulisan 𝑌0 ≈ 0 dan konsentrasi adsorbat pada adsorben pada awal dianggap Xo ≈ 0,
maka tinggi kolom sesungguhnya adalah :
𝑍 = 𝐿𝑈𝐵 + 28
𝐺𝑠 𝜃𝐵 (𝑌0 ) 𝜌𝑠 (𝑋𝑇 )
(2.22)
BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tahap-Tahap Penelitian Penelitian ini akan dibagi menjadi 2 tahap utama, yaitu tahap pertama perancangan kolom dan pemodelan scale-up dan tahap kedua adalah tahap eksperimen skala laboratorium dalam rangka mencari data-data dan penentuan parameter-parameter yang mendukung penelitian ini. Berikut merupakan penjelasan tentang tahapan-tahapan yang akan dilakukan pada penelitian ini. 3.1.1 Perancangan dan Pemodelan Scale-Up Kolom Adsorpsi. Pada tahap ini, data-data yang dibutuhkan untuk perancangan kolom seperti laju alir superficial, spesifikasi kolom, volume bed akan ditentukan. Hal-hal teknis tersebut akan dirancang sesuai dengan tinjauan pustaka pada bab sebelumnya. Secara singkat, berikut Tabel 3.1 menjelaskan tentang Rule-of-Thumb Perancangan Kolom Adsorpsi. Tabel 3.1 Rule-of-Thumb Perancangan Kolom Adsorpsi No
Rule-of-Thumb
Referensi
1
Gs = 5 – 10 gpm/sqft
Wallas, et al. [19]
2
L/D ratio = 3
Dengan menggunakan aturan dalam Tabel 3.1, Flow Rate yang akan digunakan pada penelitian ini dapat dihitung. Perlu diketahui bahwa untuk tahap Scale-Up kolom adsorpsi, dibutuhkan flow rate superficial yang sama antara skala laboratorium dengan skala industri. Sehingga, dari flow rate tersebut, kita bisa menentukan set-point berupa luas permukaan kolom. Tabel 3.2 merangkum data-data yang dibutuhkan untuk perancangan kolom adsorpsi.
29
Tabel 3.2 Data-data yang dibutuhkan untuk perancangan kolom No
Data yang diperlukan
Asal Data
1
Gs
Literatur (Rule-of-Thumb)
2
A kolom → D kolom → L/D ratio → Lkolom
Set-point
3
D partikel
Analisa Ayakan (mesh)
Berdasarkan persamaan – persamaan diatas, maka spesifikasi kolom akan diperoleh setelah melakukan perhitungan perancangan kolom. Kemudian, setelah spesifikasi kolom telah diperoleh maka akan dilanjutkan dengan penyusunan model scaleup kolom adsorpsi. Tabel 3.4 menjelaskan persamaan-persamaan yang digunakan untuk perhitungan scale-up kolom adsorpsi.
Tabel 3.3 Persamaan Scale-Up Kolom Adsorpsi No
Persamaan
No Persamaan
𝑆𝑠 𝑌𝑜 = 𝐺𝑠 𝑋𝑇
(2.13)
Treyball, et al. [11]
(2.18)
Treyball, et al. [11]
𝐺𝑠 𝜃𝐵 (𝑌0 − 𝑌0∗ ) 𝑍 (𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒 𝑢𝑝) = 𝐿𝑈𝐵 + 𝜌𝑠 (𝑋𝑇 − 𝑋0 )
(2.20)
Treyball, et al. [11]
1 2 3
𝐿𝑈𝐵 =
𝑍 (𝑠𝑘𝑎𝑙𝑎 𝑙𝑎𝑏) (𝜃𝑠 − 𝜃𝐵 ) 𝜃𝑠
Referensi
Tabel 3.3 merupakan tabel yang menjelaskan persamaan yang dibutuhkan pada prosedur perhitungan scale-up kolom adsorpsi. Kebutuhan adsorben (S s – laju adsorben) akan diperoleh dari perhitungan. Berikut disertakan Tabel 3.4 merupakan data-data yang dibutuhkan untuk menyelesaikan persamaan-persamaan diatas.
30
Tabel 3.4 Data-data yang dibutuhkan untuk Scale-Up. No
Data-data yang dibutuhkan
Asal data
1
XT
Penentuan
Kesetimbangan
Adsorpsi
(Lampiran) 2
Z (tinggi kolom)
Perancangan Kolom
3
X0 ~ 0
Literatur
4
ρ s (bulk density)
Penentuan Bulk Density (Lampiran)
5
Konsentrasi keluaran vs waktu
Tahap Eksperimen Kurva Breakthrough (Lampiran)
3.1.2 Tahap Operasi Skala Laboratorium Pada tahap ini, data-data penunjang yang dibutuhkan diatas (pada Tabel 3.2 dan Tabel 3.4) akan ditentukan. Pada penelitian ini, digunakan limbah sintesis kromium heksavalen dengan cara melarutkan garam K 2 Cr 2 O 7 dengan air demineralisasi.
3.2 Alat dan Bahan Penelitian Gambar 3.1 merupakan sketsa peralatan yang akan di buat pada penelitian ini. Pada penelitian ini akan digunakan kolom adsorpsi karbon aktif untuk skala laboratorium. Aliran fluida pada kolom karbon aktif dari atas ke bawah (downflow). Larutan Cr6+ dialirkan dari tangki penampungan dengan bantuan pompa. Keluaran dari kolom adsorpsi ini akan dianalisa dengan menggunakan metode spektrofotometri UV-Vis dan AAS. Sedangkan daftar bahan yang akan digunakan pada penelitian ini disajikan dalam Tabel 3.5.
31
Bypass Gate Valve
Sampling Area F Globe Valve Flowmeter
Storage Tank
Centrifugal Pump Outlet Tank
Gambar 3.1 Skema Alat Kolom Adsorpsi Skala Laboratorium. Tabel 3.5 Bahan yang Digunakan pada Penelitian. Bahan
Grade
Kegunaan
1,5-diphenylcarbazide
Pro Analysis Grade
Untuk menganalisa kandungan Cr6+
Acetone
Pro Analysis Grade
Sebagai pelarut 1,5diphenylcarbazide
Garam K 2 Cr 2 O 7
Teknis
Sebagai larutan limbah sintesis
Air demineralisasi
Teknis
Sebagai pelarut garam K 2 Cr 2 O 7
H 2 SO 4 98%-b
Teknis
Untuk menciptakan kondisi asam pada larutan Cr6+
Karbon Aktif Granular
Teknis
Sebagai adsorben Cr6+
32
BAB IV PEMBAHASAN 4.1 Eksperimen Skala Laboratorium Dalam bagian ini akan dibahas tentang seluruh eksperimen skala laboratorium untuk memperoleh data-data yang dibutuhkan pada perhitungan scale-up.
Pada
eksperimen skala laboratorium dilakukan dua percobaan utama, yaitu percobaan kesetimbangan adsorpsi dan adsorpsi kontinu dalam kolom adsorpsi untuk menentukan beberapa data yang dibutuhkan dalam rangka scale-up. 4.1.1 Kurva Standar Cr6+ Kurva standar untuk menentukan konsentrasi Cr6+ dengan metode kompleksasi DPC menggunakan alat spektrofotometer perlu dibuat sebelum percobaan adsorpsi dilakukan. Penentuan kurva standar dilakukan pada panjang gelombang 542 nm. Gambar 4.1 merupakan kurva standar untuk senyawa kompleks Cr6+ dengan 1,5-diphenylcarbazide (DPC) pada konsentrasi 0, 1, 2, 3, 4 dan 5 ppm.
Gambar 4.1 Kurva Standar Cr6+ sebagai K 2 Cr 2 O 7 Dari kurva standar tersebut diperoleh persamaan y = 0,0126 x dengan R2 = 0,9913 yang menunjukkan kurva standar tersebut sudah sangat baik dan dengan demikian dapat dikatakan bahwa absorbansi pada spektofotometer berbanding lurus dengan konsentrasi larutan Cr6+ sebagai K 2 Cr 2 O 7 .
33
4.1.2 Kesetimbangan Adsorpsi Pada penelitian ini digunakan adsorben Jacobi Aquasorb 2000® yang biasa digunakan pada industri-industri sebagai pengolahan limbah akhir. Karbon aktif yang dipilih merupakan karbon aktif yang memiliki kapasitas yang paling tinggi dibandingkan dengan karbon aktif lokal, dimana karbon aktif ini merupakan produk impor yang diproduksi di Swedia dan berbahan baku batubara bituminuous. Karbon aktif tersebut memiliki spesifikasi sebagai berikut. Tabel 4.1 Tabel Spesifikasi C Aktif Jacobi Aquasorb 2000® SPECIFICATION Iodine Adsorption
ket min.
Moisture content, as packed max. Total Ash Content max. Wetability min. Ball Pan hardness Mesh TYPICAL PROPERTIES Surface Area Methylene Blue Adsorption Total Pore Volume Water Soluble Ash pH
nilai
unit
1000 mg/g 5 13 97 95 +8 – 30 nilai 1050 280 1.04 0.2 8-11
% % % % mesh unit m2/g mg/g cm3/g %
Kesetimbangan adsorpsi dilakukan dengan 6 konsentrasi awal yang berbeda yaitu 10, 20, 30, 40, 50, dan 60 ppm. Ion Cr (VI) cenderung memiliki bentuk ion yang berbedabeda pada kondisi asam, diantaranya yaitu Cr 2 O 7 2- , HCrO 4 -, Cr 3 O 10 2-, dan Cr 4 O 13 2dimana HCrO 4 - merupakan bentuk yang paling dominan, HCrO 4 - merupakan bentuk dari kesetimbangan Cr 2 O 7 2- yang dapat dilihat pada reaksi berikut [20] : HCrO 4 - + HCrO 4 - ↔ Cr 2 O 7 2- + H 2 O pH merupakan faktor yang sangat mempengaruhi pada kapasitas adsorpsi sebuah adsorben untuk mengadsorpsi logam berat pada fasa cair [14]. Hal ini disebabkan pH dapat mempengaruhi bentuk ion logam dalam larutan serta mempengaruhi muatan pada permukaan adsorben selama adsorpsi berlangsung. Berdasarkan literatur [16], adsorpsi Cr6+ memiliki kondisi adsorpsi optimum pada pH = 1,7. Oleh karena itu, sebelum proses
34
adsorpsi dilakukan larutan terlebih dulu ditambahkan H 2 SO 4 hingga pH mencapai 1,7. Adsorben C aktif memiliki pH 8-11 yang merupakan pH basa (mengacu pada Tabel 4.1 di atas). Dengan demikian, maka dapat dikatakan bahwa titik isoelektrik C aktif berada pada rentang basa.
Titik isoelektrik merupakan pH dimana tidak terdapat muatan pada
permukaan C aktif atau bersifat netral [21]. Sedangkan, dalam percobaan adsorpsi yang dilakukan pada pH = 1,7 permukaan C aktif akan memiliki muatan positif, dan karenanya akan menjadi sangat baik untuk mengadsorpsi senyawa HCrO 4 - yang bermuatan negatif. Berikut merupakan kurva kesetimbangan yang dialurkan berdasarkan Isoterm Langmuir (Gambar 4.2) dan Isoterm Freundlich (Gambar 4.3).
Isoterm Langmuir 140 y = 450,11x + 17,312 R² = 0,9077
120
1 / qeq
100 80 60 40 20 0 0
0,05
0,1
0,15
1 / Ceq
Gambar 4.2 Kurva Isoterm Langmuir
35
0,2
0,25
Isoterm Freundlich 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
-1 y = 0,7645x - 5,928 R² = 0,8237
ln qeq
-2 -3 -4 -5 -6
ln Ceq
Gambar 4.3 Kurva Isoterm Freundlich Berdasarkan kedua gambar tersebut, maka berdasarkan hasil regresi linier diperoleh persamaan y = 450,11 x + 17, 312 dengan R2 = 0,9077 untuk Isoterm Langmuir dan persamaan y = 0,7645 x – 5,928 dengan R2 = 0,8237 untuk Isoterm Freundlich. Berdasarkan dari nilai R2 yang diperoleh, maka model isoterm yang cocok terhadap penelitian ini adalah model Isoterm Langmuir sesuai dengan yang umumnya ditemukan dalam literatur untuk adsorpsi fasa cair dengan C aktif. Selain kedua isoterm diatas, untuk perhitungan scale-up agar diperoleh dimensi kolom skala industri, dibutuhkan juga kurva kesetimbangan (Gambar 4.4) yang dibuat berdasarkan persamaan berikut:
𝑿=
(𝑪𝒐 −𝑪𝒆) 𝑽𝒐𝒍 𝒎𝒌𝒂𝒓𝒃𝒐𝒏
36
dan 𝒀 =
𝑪𝒆
𝝆𝒂𝒊𝒓
Kurva Kesetimbangan Adsorpsi Y = kg adsorbat / kg solvent
0,000035 y = 0,0007x R² = 0,8172
0,00003 0,000025 0,00002 0,000015 0,00001 0,000005 0 0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,035
0,04
0,045
X = Kg adsorbat / kg adsorben
Gambar 4.4 Kurva Kesetimbangan Adsorpsi Kurva kesetimbangan tersebut menunjukkan bahwa hubungan antara konsentrasi adsorbat Cr (VI) di fasa larutan pada kesetimbangan hampir berbanding lurus dengan konsentrasi adosorbat di fasa C aktif. Hal ini disebabkan kesetimbangan adsorpsi yang diperoleh pada konsentrasi yang rendah tersebut mendekati Isoterm Langmuir sehingga masih merupakan hubungan yang linear.
Isoterm Langmuir mengasumsikan bahwa
permukaan adosrben yang homogen dan adsorpsi berlangsung secara monolayer. Dalam kenyataannya, permukaan C aktif tidak 100% homogen [14], sehingga terdapat perbedaan sifat permukaan terhadap kesetimbangan adsorpsi yang dapat menjelaskan hubungan di atas. Jika konsentrasi adsorbat dalam fasa cair cukup besar / tinggi, maka hubungan linear ini (Isoterm Langmuir ideal) tidak akan berlaku lagi melainkan akan mencapai konsentrasi adsorbat di fasa padat yang hampir konstan (plateau) sesuai dengan persamaan Isoterm Langmuir. Ion HCrO 4 - juga dapat membentuk kompleks dengan H 2 SO 4 yang dapat dilihat pada reaksi berikut [22] : CrO 3 (OH)- + HSO 4 - → CrO 3 (OSO 3 )2- + H 2 O dimana senyawa kompleks tersebut berbentuk tetrahedral. Namun demikian, karena kompleks Cr dengan HSO 4 - di atas bermuatan listrik 2- sementara permukaan C aktif bermuatan positif maka adsorpsi kompleks tersebut dapat terjadi dengan lebih mudah dibandingkan dengan adsorpsi HCrO 4 - sebagai species yang dominan dalam larutan. Oleh 37
karena itu, hubungan linear kesetimbangan adsorpsi sedikit dipengaruhi adanya kompleksasi sebagian ion Cr (VI) dengan HSO 4 -. 4.1.3 Adsorpsi Kolom Karbon Aktif Kontinu Sama seperti pada percobaan isoterm, dalam percobaan adsorpsi kontinu larutan K 2 Cr 2 O 7 dikondisikan terlebih dahulu hingga pH = 1,7 dengan penambahan H 2 SO 4 . Kemudian 3 buah percobaan dilakukan dengan konsentrasi awal K 2 Cr 2 O 7 yang berbeda yaitu 10 (RUN 1), 20 (RUN 2), dan 30 (RUN 3) ppm. Gambar 4.5 di bawah merupakan kurva breaktrough dari ketiga percobaan ini.
Konsentrasi Cr (ppm)
Kurva Breaktrough 40 35 30 25 20 15 10 5 0
RUN 1 RUN 2 RUN 3 0
100
200
300
400
waktu (min)
Gambar 4.5. Kurva Breaktrough Bentuk kurva breaktrough dalam penelitian ini dapat dikatakan tidak terlalu ideal, hal ini karena bentuk kurva tersebut tidak curam. Hal ini merupakan indikasi bahwa zona adsorpsi dalam kolom cukup lebar sehingga peningkatan konsentrasi Cr (VI) setelah breakpoint (di mana C/Co = 0,05) terjadi secara perlahan-lahan.
Beberapa hal yang
diduga menjadi penyebab adalah ion Cr (VI) cenderung memiliki bentuk ion yang berbedabeda pada kondisi asam, diantaranya yaitu Cr 2 O 7 2- , HCrO 4 -, Cr 3 O 10 2-, dan Cr 4 O 13 2dimana HCrO 4 - merupakan bentuk yang paling dominan sehingga adsorpsi ion Cr (VI) tidak seragam di seluruh permukaan C aktif. Selain itu, ketidakseragaman aliran dalam unggun, walaupun sudah diminimalkan dengan distributor cairan di puncak kolom, juga merupakan faktor lain yang dapat berkontribusi pada ketidakidealan kurva breakthrough tersebut. Pengolahan limbah pada RUN 2 & 3 tidak mencapai baku mutu dapat disebabkan tinggi unggun adsorben yang terlampau pendek (12 cm) sehingga zona adsorpsi telah 38
mencapai dasar kolom sebelum semua Cr (VI) dapat diserap oleh unggun C aktif. Sedangkan pada RUN 1 bisa dikatakan kolom C aktif telah dapat menyerap limbah sampai mencapai titik breakpoint di sekitar 90 menit. 4.2 Scale-Up Kolom Adsorpsi dengan Menggunakan Metode Length of Unused Bed. Langkah-langkah perhitungan scale-up kolom adsorpsi karbon aktif dibagi menjadi 4 bagian, antara lain langkah 1 mencari nilai Yo (Y umpan), Yb (Y pada saat breakthrough) dan Ye (Y pada saat kolom jenuh / exhausted). Langkah ke 2 adalah membuat basis perhitungan yang juga akan digunakan pada skala besar, dimana pada penelitian ini Gs diatur sebesar 400 kg m-2 h-1 dengan waktu breaktrough 3 bulan. Langkah ke 3 adalah menghitung LUB dengan persamaan 2.18 pada skala laboratorium, kemudian dilanjutkan dengan langkah ke 4 yaitu menghitung scale-up kolom adsorpsi. Pada langkah ke-4, perhitungan dimulai dengan persamaan 2.19 dengan mencari nilai Xt (mg K 2 Cr 2 O 7 / mg AC) dengan menggunakan persamaan kesetimbangan adsorpsi pada saat Y=Yo, kemudian dilanjutkan dengan mencari Zs (tinggi unggun jenuh), kemudian penentuan Z (tinggi unggun skala industri) dan spesifikasi kolom berdasarkan rule of thumb. Tabel 4.2 berikut ini memuat rangkuman hasil perhitungan scale up. Tabel 4.2 Spesifikasi Kolom Scale-Up RUN 1. Keterangan Zs = Z D kolom = L kolom = A pmukaan kolom = Laju alir (massa) Laju alir (volumetrik)
Nilai
Satuan
1.24067 1.31357 0.65678 1.97035 0.33862 135.449 0.13585
m m m m m2 kg/h m3/h
135.846
L/h
Pada penelitian ini dapat dikatakan bahwa seluruh kolom masih dalam spesifikasi yang sesuai dengan rule of thumb yang telah dihimpun dari tinjauan pustaka [19].
39
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan dari penelitian “Perancangan Kolom Adsorpsi Karbon Aktif untuk Pengolahan Limbah Kromium Heksavalen” adalah : 1.
Karbon Aktif Granular dengan merek dagang Jacobi Aquasorb® dapat mengadsorpsi Cr6+ dengan cukup baik.
2.
Persamaan kesetimbangan adsorpsi untuk adsorpsi Cr (VI) pada pH 1,7 dengan rentang konsentrasi awal Cr (VI) sebagai K 2 Cr 2 O 7 antara 10 – 60 ppm adalah Y = 7,042 x10-4 X.
3.
Kurva Breaktrough yang didapat dari hasil penelitian ini tidak terlampau ideal karena ketidakseragaman permukaan dan aliran pada unggun adsorben.
4.
Berdasarkan hasil perhitungan Scale-Up kolom karbon aktif dengan menggunakan metode Length of Unused Bed, diperoleh spesifikasi kolom dengan diameter 0,66 m dengan tinggi 1,97 m dapat mengolah limbah Cr (VI) setara dengan 10 ppm K 2 Cr 2 O 7 dengan Gs sebesar 400 kg m-2 h-1 dan waktu breaktrough selama 3 bulan.
40
DAFTAR PUSTAKA
[1] H. Chiu, K. Tsang and R. Lee, “Treatment of Electroplating Wastes,” 1987. [2] K. L. H. N. R. Indonesia, Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup No : KEP51/MENLH/10/1995, DKI Jakarta, Indonesia: Negara Republik Indonesia, 1995. [3] H. A. Hegazi, “Removal of Heavy Metals from Wastewater Using Agricultural and Industrial Wastes as Adsorbents,” vol. 9, no. 276-282, 2013. [4] W. C. Blackman, Bazic Hazardous Waste Management 3rd Edition, New York, United States of America: CRC Press LLC, 2001. [5] Undang Undang Negara Republik Indonesia No. 32 Tahun 2009, Jakarta, Indonesia: Kementrian Lingkungan Hidup, 2009. [6] L. K. Wang, Y.-T. Hung, H. H. Lo dan C. Yapijakis, Hazardous Industrial Waste Treatment, New York, U.S.A: CRC Taylor & Francis Press, 2007. [7] I. Woodard Curran, Industrial Waste Treatment Handbook, United States of America: Elsevier/Butterworth-Heinemann, 2006. [8] E. P. Agency, “Compiation of Air Pollutant Emission Factors, Vol I,” dalam Stationary Point and Area Sources AP-42, USA, U.S. Environmental Protection Agency, 1995. [9] A. Husain, I. Javed dan N. A. Khan, “Characterization and treatment of electroplating industry wastewater using Fenton's reagent,” 2014 . [10] R. Chang, Essential Chemistry, Second Edition., Boston, USA: McGraw-Hill, 2000. [11] R. E. Treybal, Mass Transfer Operations, Singapore: Mc Graw-Hill, 1981. [12] J. Smith, “Chemical Engineering Kinetics, Third Edition.,” vol. III, 1981. [13] M. D. Levan dan C. Giorgio, Perry's Chemical Engineering Handbook, USA: McGraw-Hill , 2008. [14] W. J. Thomas dan B. Crittenden, Adsorption Technology & Design, Lymington, GB: Elsevier/ Butterworth-Heinemann, 1998. [15] F. Cecen dan O. Aktas, Activated Carbon for Water and Wastewater Treatment: Integration of Adsorption and Biological Treatment, Weinheim: Wiley-VCH, 2011.
41
[16] A. Attia, S. Khedr dan S. Elkholy, “Adsorption of Chromium Ion (VI) By Acid Activated Carbon,” Brazilian Journal of Chemical Engineering, vol. 27, no. 1, pp. 183-193, 2010. [17] C. Geankoplis, Transport Processes and Separation Process Principles (Includes Unit Operations), Fourth Edition., New Jersey, U.S.A.: Pearson Prentice Hall, 2003. [18] B. E., A. Jimoh dan J. Odigure, “Heavy Metals Removal from Industrial Wastewater by Activated Carbon Prepared from Coconut Shell,” vol. 3, no. 8, 2013. [19] S. M. Wallas, Chemical Process Equipment, Selection and Design, Washington, DC.: Butterworth-Heinemann, 1990.
[20] C. D. Palmer dan R. Puls, Natural Attenuation of Hexavalent Chromium in Groundwater and Soils, EPA/540/5-94/505, New York: United States Environmental Protection Agency, 1994. [21]
A. D. McNaught dan A. Wilkinson, IUPAC. Compendium of Chemical
Terminology, 2nd ed. (the " Gold Book"), Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997. [22] F. Cotton dan G. Wilkinson, Advanced Inorganic Chemistry, New York: John Wiley & Sons, 1972.
42
LAMPIRAN PROSEDUR KERJA DAN ANALISA DALAM PENELITIAN
Prosedur Kerja Secara Umum (Menyeluruh)
Percobaan Pendahuluan
Prosedur Perhitungan Perancangan Kolom Adsorpsi
Metode Analisa
Tahap Percobaan Skala Laboratorium
Pengolahan Data Pengamatan
43
Percobaan Pendahuluan
Percobaan Pendahuluan dilakukan untuk mengetahui variabel-variabel yang dibutuhkan dalam perancangan kolom adsorpsi karbon aktif. Berikut merupakan langkah-langkah yang akan dilakukan pada percobaan pendahuluan.
A. Penentuan Bulk Density
1. Gelas Ukur 1000mL ditimbang pada neraca analitik. 2. Karbon aktif granular yang telah diayak dengan mesh 35 dimasukkan ke gelas ukur 3. Gelas ukur yang berisi karbon aktif granular ditimbang pada neraca analitik.
B. Pencarian rasio Diameter partikel/Diameter Kolom (Dp/Dk)
1. Larutan K 2 Cr 2 O 7 disiapkan dengan melarutkan garam K 2 Cr 2 O 7 pada air demineralisasi. 2. H 2 SO 4 pekat ditambahkan pada larutan K 2 Cr 2 O 7 hingga pH=1,7. 3. Larutan tersebut kemudian di alirkan melalui kolom berbagai ukuran yang berisi karbon aktif. 4. Keluaran kolom tersebut ditampung pada interval waktu tertentu 5. Sampel dianalisa dengan menggunakan metode analisa.
44
Prosedur Perhitungan Perancangan Kolom Adsorpsi Setelah variabel yang dibutuhkan telah diperoleh, maka penelitian ini masuk ke tahap kerja berikutnya, yaitu perhitungan perancangan kolom adsorpsi. Berikut merupakan prosedur perhitungan perancangan kolom adsorpsi. 1. Nilai G s ditentukan sebesar 7.5 gpm/sqft. 2. Dengan diameter partikel mesh 35, akan didapat Dk yang didapat dari percobaan pendahuluan. 3. Hitung volume kolom dengan rasio L/Dk. Kemudian tentukan berat adsorben karbon aktif dengan menggunakan data dari penentuan bulk density pada percobaan pendahuluan.
Prosedur Tahap Percobaan Skala Laboratorium Pada tahap ini akan dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu tahap kesetimbangan adsorpsi, pre treatment larutan kromium heksavalen, tahap operasi dan prosedur perhitungan scale up. Berikut merupakan prosedur yang akan dilakukan pada tahap ini:
A. Kesetimbangan Adsorpsi
1. Larutan K 2 Cr 2 O 7 dengan konsentrasi bervariasi (8 konsentrasi) disiapkan dalam 100 mL dengan labu ukur. Kemudian ditambahkan H 2 SO 4 98%-b hingga pH = 1,7 2. Larutan tersebut dimasukkan pada Erlenmeyer 250mL, kemudian ditambahkan Karbon Aktif Granular sebanyak 10g dan magnetic stirrer. 3. Erlenmeyer diletakkan pada hotplate dengan suhu ruang, magnetic stirrer dinyalakan dengan rpm yang menyesuaikan. 4. Sample diambil sebanyak 15 mL setiap 30 menit hingga data konstan sebanyak 4 titik 5. Sample dianalisa dengan metode analisa. 45
B. Pre-Treatment Larutan Kromium Heksavalen
1. Padatan garam K 2 Cr 2 O 7 dilarutkan pada air demineralisasi dengan konsentrasi tertentu (sesuai dengan variasi konsentrasi) dan volume tertentu. 2. Larutan K 2 Cr 2 O 7 ditambahkan Larutan H 2 SO 4 98%-b hingga pH = 1,7 3. Larutan dimasukkan ke tangki penampungan (storage tank)
C. Tahap Eksperimen Kurva Breakthrough
1. Kolom adsorpsi diisi dengan karbon aktif granular sesuai dengan ketinggian yang diperoleh dari spesifikasi kolom 2. Larutan umpan dimasukkan pada storage tank (setelah di pretreatment) 3. Pompa dinyalakan dan laju alir diatur 4. Stopwatch dinyalakan ketika umpan kontak dengan karbon aktif 5. Pengambilan sampel (20 mL) dilakukan setiap interval waktu tertentu, hingga konsentrasi keluaran sama dengan konsentrasi umpan. 6. Sampel dianalisa dengan menggunakan metode analisa.
D. Perhitungan Scale-Up 1. Data yang diperoleh pada tahap operasi dihitung fraksi massanya (Y) 2. Plot Y terhadap waktu, tentukan waktu breaktough dan waktu kejenuhan pada grafik tersebut. 3. Hitung LUB skala laboratorium dengan persamaan 2.18 4. Pada skala industri dengan kondisi Gs, Yo, dan Xo yang sama dengan skala lab, kemudian waktu breaktrough ditentukan sesuai dengan yang diinginkan, sehingga tinggi kolom pada skala industri 46
akan didapat dengan persamaan 2.20 dengan LUB yang sama dengan skala laboratorium.
Metode Analisa Senyawa 1.5-diphenylcarbazide akan digunakan pada penelitian ini. Untuk mendapatkan konsentrasi yang akurat pada penelitian ini, maka larutan ini harus dibuat pada awal penelitian agar konsentrasi yang diperoleh homogen. Analisa yang digunakan disini adalah dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visible dan AAS (Atomic Absorption Spectroscopy). Berikut merupakan langkah-langkah metode analisa dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visible: A. Pembuatan Larutan 1.5-diphenylcarbazide
1. Padatan 1.5-diphenylcarbazide dilarutkan pada Acetone dengan konsentrasi 5000ppm pada labu ukur 2. Larutan dikocok hingga homogen dan disimpan pada wadah gelap dan tertutup rapat.
B. Pembuatan Larutan Sampel Spektrofotometri
1. Larutan sampel yang telah disaring diambil sebanyak 15 mL 2. Lautan sampel ditambahkan larutan 1.5-diphenylcarbazide sebanyak 100µL dengan menggunakan mikropipet 3. Larutan
didiamkan
spektrofotometri.
47
selama
5-20
menit
kemudian
di
