MEKANISME DAN SELEKTIVITAS PADA PEMISAHAN EMAS DENGAN METODE AGREGASI HIDROFOBIK
ABSTRAK DISERTASI
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dalam Bidang Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam dari Institut Teknologi Bandung Dipertahankan pada Sidang Terbuka Komisi Program Doktor Program Pascasarjana Institut Teknologi Bandung Tanggal 27 September 2000
Oleh Suharta
Promotor Ko-promotor
: Prof. Dr. Noer Mandsjoeriah Surdia, M.Sc. : Dr. Buchari Dr. Djulia Onggo
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2000
ABSTRAK DISERTASI Metode agregasi hidrofobik merupakan metode pemisahan yang relatif baru bila dibandingkan dengan metode pemisahan yang lain, seperti ekstraksi dan kromatografi. Metode ini pertama kali diperkenalkan pada tahun 1975 oleh Warren, dan semenjak saat itu terus mengalami perkembangan baik dari segi teori maupun dari segi penerapannya. Sampai saat ini, pemisahan zat dengan metode agregasi hidrofobik selalu diawali dari partikel koloid. Mekanisme pemisahan yang terjadi ada dua tahap. Pertama, adsorpsi surfaktan ke permukaan partikel koloid. Kedua, terbentuknya agregat akibat tumbukan antar partikel hidrofobik setelah diagitasi dengan kecepatan yang relatif tinggi. Salah satu kelemahan dari teknik ini terutama terletak pada faktor selektivitas pemisahan. Hal ini disebabkan, partikel koloid tersebut diperoleh dengan cara dispersi. Di samping itu, untuk mendapatkan serbuk halus dengan ukuran partikel koloid tanpa terkotori oleh zat lain, merupakan pekerjaan yang tidak mudah. Hal ini merupakan masalah lain yang dihadapi dalam proses pemisahan zat dengan metode agregasi hidrofobik yang dimulai dari partikel koloid. Penelitian ini bertujuan mengembangkan metode agregasi hidrofobik yang dimulai dari sistem larutan. Kajian utama dari penelitian ini terfokus pada masalah mekanisme dan selektivitas pemisahan. Sampel penelitian yang dipilih dalam upaya mengembangkan metode tersebut adalah emas, yang dalam bentuk larutan berupa kompleks [AuCl4]-. Pereaksi yang digunakan untuk mengikat kompleks [AuCl4]- adalah surfaktan amonium kuatemer yang bersifat kationik. Pada reaksi antara larutan [AuC14]- dengan larutan surfaktan amonium kuaterner, terbentuk partikel primer. Partikel primer yang terbentuk, jika diagitasi dengan kecepatan yang relatif tinggi dapat terjadi interaksi sesama partikel primer dan terbentuk agregat yang stabil sehingga emas dapat terpisah dari campurannya. Dalam bijih emas, di samping mengandung emas, pada umumnya juga terdapat perak dan tembaga. Di samping itu, ada beberapa logam lain yang sering ditemukan dalam bijih emas antara lain, besi, seng, dan timbal, Pada penelitian ini telah dilakukan uji selektivitas untuk mengetahui kemampuan metode ini dalam memisahkan emas dari pengaruh logam-logam pengganggu tersebut. Dalam diagram spesiasi kompleks, keberadaan masing-masing spesies ion kompleks dari berbagai jenis logam merupakan fungsi pH. Dengan mengatur harga pH larutan, dapat dikondisikan bahwa hanya spesies ion logam tertentu yang dapat berinteraksi dengan surfaktan kationik amonium
kuaterner, sedangkan spesies ion logam lain yang tidak dikehendaki dapat terpisah. Asumsi dasar inilah yang digunakan dalam mengembangkan selektivitas pemisahan dalam penelitian ini. Metode penelitian yang dilakukan menggunakan pendekatan penelitian laboratorium. Semua data diperoleh berdasarkan pengamatan di laboratorium dengan menggunakan berbagai macam peralatan laboratorium yang cukup mutakhir. Mekanisme pemisahan dipelajari dengan menggunakan spektroskopi UV-Vis, FTIR (Fourier Transform Infrared), dan spektrometri ESMS (Electrospray Mass Spectrometry). Keberadaan dari agregat emas diamati dengan foto SEM (Scanning Electron Microscopy) dan diperkuat dengan uji EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Selektivitas pemisahan emas terhadap logam-logam pengganggu ditentukan berdasarkan harga koefisien selektivitasnya (α). Hasil penelitian menunjukkan bahwa partikel primer hanya dapat terbentuk dari reaksi antara kompleks [AuC14]- dengan surfaktan yang bersifat kationik. Hasil pengamatan spektrum FTIR terhadap surfaktan amonium kuaterner baik sebelum dan sesudah berinteraksi dengan kompleks [AuC14]- menunjukkan bahwa serapan yang disebabkan oleh gugus -(CH2)m CH3 yang merupakan gugus hidrofob dari surfaktan amonium kuaterner adalah tetap. Di samping itu, terjadi perubahan serapan yang diakibatkan oleh gugus (CH3)3N+ yang merupakan bagian kepala dari surfaktan amonium kuaterner. Hal ini membuktikan bahwa interaksi antara ligan Cl- dalam kompleks [AuC14]- dengan kation R-(CH2)m(R')3N+ dari surfaktan amonium kuaterner dalam membentuk partikel primer adalah melalui mekanisme pasangan ion. Hasil pengamatan spektrum massa memperkuat bukti tersebut. Hal ini ditunjukkan oleh fragmen hasil peruraian partikel primer yang mempunyai puncak dasar pada m/z = 284,4. Puncak dasar ini berasal dari ion CH3(CH2)15(CH3)3N+ yang bersumber dari surfaktan amonium kuaterner, sedangkan puncak dengan m/z = 338,8 berasal dari radikal [AuC141. Dari pengamatan spektrum UV-Vis larutan [AuC14]- pada saat sebelum dan sesudah penambahan larutan surfaktan amonium kuaterner diperoleh hasil bahwa terjadinya interaksi antara ligan Cldengan kation R-(CH2)m(R)3N+, mempengaruhi besarnya pemecahan medan kristal dari orbital d. Hal ini dibuktikan dengan munculnya serapan baru pada daerah sinar tampak dengan panjang gelombang yang semakin besar. Hasil penelitian menunjukkan bahwa interaksi antara ligan Cldalam kompleks [AuC14]- dengan kation R-(CH2)m(R')3N+ dari surfaktan amonium kuaterner, menyebabkan pergeseran tingkat energi orbital molekul (terutama orbital molekul b1g dan b2g) dan berakibat pada penurunan selisih tingkat energi elektronik molekul (∆Em).
Hasil pengamatan foto SEM dari agregat emas yang diperkuat oleh data spektrum EDS menunjukkan bahwa agregat terbentuk dari partikel primer dengan mekanisme interaksi hidrofobik. Hasil uji selektivitas pemisahan emas terhadap ion logam pengganggu menunjukkan bahwa selektivitas pemisahan emas dipengaruhi oleh konsentrasi masing-masing ion logam pengganggu yang ada dalam sampel penelitian. Semakin besar konsentrasi ion logam pengganggu maka selektivitas pemisahannya mengalami penurunan. Di samping itu, selektivitas pemisahan emas terhadap ion logam pengganggu juga dipengaruhi oleh pH larutan. Kesimpulan dari penelitian ini dapat dirumuskan bahwa, mekanisme pemisahan emas dengan metode agregasi hidrofobik yang dimulai dari sistem larutan terdiri atas empat tahap yaitu: (a) tahap inisiasi, (b) tahap pembentukan partikel primer, (c) tahap inhibisi, dan (d) tahap terminasi. Mekanisme interaksi antara ligan C1- dalam kompleks [AuC14]- dengan kation R-(CH2)m(R’)3N+ dari surfaktan amonium kuaterner dalam membentuk partikel primer adalah melalui mekanisme pasangan ion. Pembentukan agregat emas dari partikel primer adalah melalui mekanisme interaksi hidrofobik. Setiap ion [AuC14]- dapat berikatan dengan satu sampai dengan empat kation R(CH2)m(R')3N+ dalam membentuk partikel primer. Interaksi antara ligan Cl- dalam kompleks [AuCl]-dengan kation R-(CH2)m(R')3N+ dari surfaktan amonium kuaterner, menyebabkan pergeseran tingkat energi orbital molekul (terutama orbital molelcul big dan b2g) dan berakibat pada penurunan selisih tingkat energi elektronik molekul (∆Em). Uji selektivitas pemisahan emas terhadap ion logam pengganggu dengan sampel bijih emas menunjukkan bahwa selektivitas pemisahan emas terhadap ion logam Ag(I), Cu(II), Fe(III), dan Pb(II) adalah baik, sedangkan selektivitas pemisahan emas terhadap ion logam Zn(II) adalah sangat baik. Metode agregasi hidrofobik yang dikembangkan ini dapat memisahkan emas dalam waktu yang relatif singkat yaitu 44 menit (dalam bijih dengan kandungan emas 12,14 mg/kg). Metode ini mempunyai selektivitas yang baik (α < 0, 1), dan bersifat ramah lingkungan. Rekoveri akhir yang diperoleh dalam sampel artifisial adalah sebesar 92,60 + 0,89 %, dan dalam sampel bijih emas sebesar 80,10 + 1,25 %. Surfaktan DTMAB merupakan surfaktan yang paling efektif di antara ketiga jenis surfaktan yang diuji dalam penelitian ini. Kondisi optimum penelitian adalah sebagai berikut: (a) perbandingan konsentrasi antara [AuC14]- dengan surfaktan DTMAB adalah 1:4 (b) pH optimum larutan sebesar 2,0 (c) kecepatan agitasi sebesar 1800 rpm (d) lama waktu agitasi 9 menit, dan (e) waktu tinggal 3 5 menit.
ABSTRACT of DISSERTATION The hydrophobic aggregation method is a relatively new separation method compared to extraction and chromatography. This method had been introduced by Warren in 1975, and after that it had been developed from the theoretical and application part. So far, the separation of substances using the hydrophobic aggregation method has always started with colloidal particles. There are two stages in, the separation mechanism. First, the adsorption of surfactant to the surface of the colloidal particles. Second, the formation of aggregates as a result of collision among hydrophobic particles after being agitated with relatively high speed. One of the weaknesses of this technique is mainly in the selectivity of separation. This is due the fact that the colloidal particles are obtained by dispersion. Furthermore, to get a powder of very fine colloidal particles without being polluted by other substances is not an easy job. This is a problem in the process of separating substance by using hydrophobic aggregation method starting with colloidal particles. This research is intended to develop the hydrophobic aggregation method from a solution system. The main study of this research is focused on the mechanism and the selectivity of separation. The sample chosen to be developed by this method is gold in solution form, which is a complex of [AuC14]-. Reagents used to bind the complex of [AuCl4]- is a cationic quaternary ammonium surfactant. The interaction between [AuCl4]- complex and the R-(CH2)m(R')3N+ cation of the quaternary ammonium surfactant form primary particles. The primary particles formed, when agitated with relatively high speed caused interactions among the primary particles and form stable aggregates so that gold can be separated from other substances. The gold ore contains gold as well as silver and copper. In addition, other metals often found in the gold ores are such as iron, zinc, and lead. A selectivity test was done to know the selectivity of separating gold from those metals. In the complex speciation diagram, the existences of the complex ion species of various kinds of metals are the function of pH solution. By controlling the pH value of the solution, it is determined that only the species of certain metal ions can interact with cationic quaternary ammonium surfactant, while the species of unwanted metals ions can be separated. It is this basic assumption, which is used to develop the selectivity of separation in this research.
The research method used is the laboratory research approach. The data were obtained based on the observation in the laboratory using various kinds of modern laboratory instruments. The separation mechanism was studies by using the Ultraviolet-Visible Spectroscopy, Fourier Transform Infrared (FTIR), and Electrospray Mass Spectrometry (ESMS). The existence of gold aggregates were observed using Scanning Electron Microscopy (SEM) photographs and was reinforced by the Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) test. The selectivity of separating gold from other metals was done based on the coefficient value of the selectivity (α). The results of the research revealed that the primary particles can only be formed from the reaction between the [AuC14]- complex and cationic surfactant. The results of observation on FTIR spectrum against the quaternary ammonium surfactant before and after the interaction with the [AuC14]complex shows that the absorption caused by -(CH2)m-CH3 group, the hydrophobic group of the quaternary ammonium surfactant, is constant. Furthermore, there is a change in absorption caused by (CH3)3N+ group, which is the head of the quaternary ammonium surfactant. This proves that the interaction between Cl- ligand of the [AuC14]- complex and the R-(CH2)m(R')3N+ cation of the quaternary ammonium surfactant in forming the primary, particles is through the ion pairing mechanism. The results of the observation on the mass spectrum supports this evidence. This is shown by the fragments as a result of the primary particles decomposition having the base peak on m/z = 284.4. This peak is from CH3(CH2)15(CH3)3N+ ion originated from the cation of quaternary ammonium surfactant, while the peak with m/z = 338.8 is from the [AuCl4]- radical. From the observation on the ultraviolet-visible spectrum of the solution [AuC14]- complex before and after the addition of the quaternary ammonium surfactant solution it is shown that the interaction between Cl- ligands and the R-(CH2)m(R')3N+ cation, influences the size of the crystal field splitting of d orbital. This is shown by the appearance of a new peak on the visible region with longer wavelengths. The results of the research revealed that interaction between Cl- ligands of the [AuC14]- complex and the R-(CH2)m(R')3N+ cation of the quaternary ammonium surfactant caused a shift of molecular orbitals energy level (especially molecular orbitals of b1g and b2g) and results in the decrease of the difference in the molecular electronic energy level (∆Em). The results of the observation on the SEM photographs of the gold aggregates reinforced by the EDS spectrum data shows that aggregates are formed from the primary particles with the hydrophobic interaction mechanism.
The results of selectivity test in separating gold from other metals ions shows that the selectivity of separating gold is affected by the concentration of each metal ions in the samples. The higher of concentrations of the impurities, the lower of the separation selectivity. Besides, the selectivity of separating gold from ion metal impurities is also affected by the pH of the solution. The conclusion of this research is that the mechanism of separating gold using the hydrophobic aggregation method started with the solution system consists of four stages: (a) initiation stage, (b) formation of the primary particles stage, (c) inhibition stage, and (d) termination stage. The mechanism of the interaction between Cl- ligands of the [AuCl4]- complex and the R-(CH2)m(R')3N+ cation of the quaternary ammonium surfactant in forming the primary particles is through ion pairing mechanism. The formation of gold aggregates from primary particles is through the hydrophobic interaction mechanism. Each ion of the [AuCl4]- complex can bind one to four cations of R-(CH2)m(R')3N+ in forming the primary particles. Interaction between Cl- ligands of the [AuCl4]complex and the R-(CH2)m(R')3N+ cation of the quaternary ammonium surfactant caused a shift of molecular orbitals energy level (especially molecular orbitals of b1g and b2g) and results in the decrease of the difference in the molecular electronic energy level (∆Em). The results of selectivity test in separating gold from other metals ions shows that the selectivity of separating gold from Ag(I), Cu(II), Fe(III) and Pb(II) ions is quite good, while that from Zn(II) ions is very good. The hydrophobic aggregation method, which has been developed in this research, can be used to separate gold within a relatively short time (44 minutes in ore with a gold concentration of 12.14 mg/kg). The method has a good selectivity (α < 0.1), and the process is an environmental friendly solution. The final gold recovery obtained from artificial samples is 92.60 t 0.89 %, and from gold ores is 80.10 + 1.25 %. DTMAB surfactant gives the most effective recovery and separation time among the three surfactants used in this research. The optimum conditions of the research are (a) ratio of [AuC4]- concentration to DTMAB concentration at 1:4, (b) value of the optimum pH is 2.0, (c) speed of agitation is 1800 rotation per minute, (d) length of time taken for the agitation is 9 minutes, and (e) residence time is 35 minutes.
