128
Dewi Setiawati / Pengaruh Ukuran Partikel dan Enkapsulasi Nanopartikel Magnesium Ferrite (MgFe 2O4) pada Adsorpsi Logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) dalam Limbah Cair
Pengaruh Ukuran Partikel dan Enkapsulasi Nanopartikel Magnesium Ferrite (MgFe2O4) pada Adsorpsi Logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) dalam Limbah Cair Dewi Setiawati, Tika Erna Putri, Edi Suharyadi* Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia *Corresponding Author :
[email protected]
Abstrak- Nanopartikel magnesium ferrite telah disintesis dengan metode kopresipitasi dan digunakan sebagai adsorben untuk menurunkan kadar logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) dalam limbah cair buatan. Struktur dan sifat kemagnetan MgFe2O4 dikarakterisasi menggunakan X-ray diffractometer (XRD), transmission electron microscopy (TEM), fourier transform infra red (FTIR) dan vibrating sample magnetometer (VSM). Pada penelitian ini, dianalisis pengaruh ukuran partikel dan pelapisan MgFe2O4 menggunakan silika terhadap adsorpsi logam. MgFe2O4 dengan ukuran partikel yang kecil (2,2 nm) mengadsorpsi logam Cu(II) lebih banyak dibandingkan MgFe2O4 yang berukuran lebih besar (8 nm dan 11 nm). Persentase adsorpsi logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) menggunakan adsorben ukuran partikel 2 nm yaitu 99,15%, 100%, dan 99,23%. MgFe2O4 yang terlapisi silika dapat mengadsorpsi logam Cu(II) hingga 99,95%. Penelitian juga membandingkan adsorpsi logam oleh MgFe2O4 dan Fe3O4. Hasil penelitian ini mengindikasikan bahwa nanopartikel MgFe2O4 dapat digunakan sebagai adsorben yang efektif untuk logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II). Kata kunci: Nanopartikel, Magnesium ferrite, Adsorpsi, Ion logam. Abstract – Magnesium ferrite (MgFe2O4) nanoparticles have been synthesized by coprecipitation method and used for removal metal ions Cu(II), Fe(II) and Ni(II). Structure and magnetic properties of MgFe2O4 were characterized by X-ray diffractometer (XRD), transmission electron microscopy (TEM), fourier transform infra red (FTIR) and vibrating sample magnetometer (VSM). Factors affecting adsorption include particle sizes and by addition of silica as coating agent adsorbent MgFe2O4 were investigated. It is found that the adsorption of Cu(II) metal ions increasing with decreasing of particle size. The adsorption of Cu, Fe, Ni by using MgFe2O4 with particle size 2 nm are 99,15%, 100 %, and 99,23% respectively. MgFe2O4 coated silica can adsorb almost all of Cu(II) with percentage 99,95%. The removal performance of MgFe2O4 was compared with Fe3O4. The results indicate that MgFe2O4 nanoparticles may be used as an effective adsorbent for removal Cu(II), Fe(II) and Ni(II) from wastewater. Keywords: Nanoparticles, Adsorption, Metal ions, Magnesium ferrite.
I. PENDAHULUAN Logam berat yang berasal dari limbah industri misalnya tembaga, nikel, merkuri, besi, timah, dan kromium, ditemukan banyak mencemari lingkungan khususnya air. Logam tersebut apabila dalam jumlah yang melebihi batas konsentrasi maksimum akan bersifat sangat toksik dan memicu kanker. Ada banyak metode yang digunakan untuk menjernihkankan air yang telah terkontaminasi logam berat, seperti presipitasi, solvent extraction, ion exchange, membrane flitration, coagulation-flocculation, flotation. Pemilihan metode yang paling cocok untuk penjernihan air mempertimbangkan jenis limbah, konsentrasi limbah logam, biaya operasional, kemudahan proses, reliabilitas, dan dampak terhadap lingkungan [1]. Metode adsorpsi merupakan salah satu metode yang banyak digunakan untuk penjernihan air. Kelebihan metode adsorpsi yakni proses pengerjaannya mudah serta biaya operasional yang murah. Selain itu, proses adsorpsi bersifat reversible sehingga adsorben dapat diregenerasi dengan proses desorpsi yang sesuai. Adsorpsi adalah proses di mana polutan terjerap pada permukaan adsorben [2]. Selama beberapa dekade, peneliti di bidang nanoteknologi mengembangkan material untuk aplikasi
penjernihan air. Penggunaan nanopartikel sebagai adsorben memiliki kelebihan yaitu luas permukaan partikel yang lebih besar sehingga kapasitas adsorpsi logam menjadi lebih besar. Nanopartikel dapat difungsionalisasikan dengan senyawa kimia lain untuk memperbesar affinitas terhadap adsorbat. Selain itu, beberapa jenis nanopartikel dapat diregenerasi melalui proses desorpsi [3]. Magnesium ferrite telah diaplikasikan secara luas dalam teknologi karena sifat kemagnetannya misalnya untuk sensor kelembaban, high density information storage,dan magnetic resonance imaging contrast agents [4]. Nanopartikel MgFe2O4 yang berukuran kurang dari 30 nm akan bersifat superparamagnetik [5]. Sifat superparamagnetik MgFe2O4 menjadikannya lebih responsif terhadap medan magnet eksternal, sehingga proses pemisahan sedimen hasil adsorpsi lebih mudah dilakukan. Penggunaan MgFe2O4 sebagai adsorben antara lain telah dilakukan untuk mengadsorpsi logam Cr(VI) [5], As(III,V)[6], SO2[7] dan Pb(II)[8]. Pada penelitian ini dilakukan proses adsorpsi ion logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) menggunakan nanopartikel Magnesium ferrite dengan variasi ukuran partikel dan enkapsulasi adsorben menggunakan silika.
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015 ISSN : 0853-0823
Dewi Setiawati / Pengaruh Ukuran Partikel dan Enkapsulasi Nanopartikel Magnesium Ferrite (MgFe2O4) pada Adsorpsi Logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) dalam Limbah Cair
440
511
*
G
400
311
A D A
(A) Intensitas(a.u)
C. Pembuatan Limbah Cair Logam Fe, Ni dan Cu Pembuatan artificial limbah logam Fe, Ni, dan Cu menggunakan bahan FeSO4.7H2O, NiSO4.6H2O, dan CuSO4.5H2O dengan perbandingan 1:1:1 masing-masing sebanyak 15 gram. Kemudian bahan tersebut dilarutkan dalam 1000 ml aquades dan ditambahkan 20 tetes HCl. Larutan diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 4 jam pada pada suhu ruang.
KadarAwal kadarAkhir 100% KadarAwal
III. HASIL DAN PEMBAHASAN A. Karakterisasi Nanopartikel Magnetik Data hasil XRD diolah menggunakan Software Origin8. Hasil analisa dari pola spektrum (Gambar 1) terlihat munculnya puncak-puncak bidang difraksi (220), (311), (400), (511) dan (440). Puncak-puncak tersebut merupakan ciri dari fasa MgFe2O4 dengan struktur kristal kubik spinel. Nilai parameter kisi yang diestimasi menggunakan persamaan bragg dari puncak utama bidang (311) untuk sampel A, D, G adalah 8,57 Å, 8,58 Å dan 8,67 Å. Nilai parameter kisi ini mendekati dengan nilai parameter kisi pada MgFe2O4 ukuran bulk yaitu 8,4 Å [9]. Pada sampel muncul fasa lain yang diberi tanda(*) yaitu α-Fe2O3. Ukuran partikel dihitung menggunakan persamaan Scherer untuk sampel G, D, A dan A dilapisi silika berurutan adalah 8nm, 2 nm, 11 nm dan 18 nm. Gambar 2 merupakan hasil TEM untuk sampel A. Pola cincin difraksi terlihat adanya garis diskrit yang mewakili bidang kristal (440), (511), (311), dan (220). Hasil tersebut sesuai dengan data XRD. Pada gambar tampak bahwa ukuran dan bentuk partikel tidak seragam. Sampel yang terbentuk memiliki kecenderungan teraglomerasi. Hal ini diprediksi terjadi karena adanya interaksi magnetik antara butir partikel.
220
B. Pelapisan MgFe2O4 dengan Sodium Silicate (Na2SiO3) Proses pelapisan MgFe2O4 menggunakan sodium silicate dengan perbandingan massa 1:1 yaitu melarutkan 15 ml Na2SiO3 ke dalam 15 ml aquades. Larutan diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 30 menit. Kemudian, tambahkan 0.6 gram nanopartikel MgFe2O4. Aduk larutan tersebut selama 5 jam. Selanjutnya, pencucian sampel menggunakan aquades sebanyak 5 kali.
% Penurunan
222
II. METODE PENELITIAN A. Sintesis Adsorben Proses sintesis nanopartikel MgFe2O4 dilakukan dengan melarutkan FeCl3.6H2O (2,703g) dan MgCl2.6H2O(1,016g) ke dalam 25 ml aquades. Selanjutnya, larutan tersebut ditambahkan 3,37 ml HCl. Kemudian, larutan diteteskan ke dalam larutan NaOH secara perlahan dan diaduk diatas magnetik stirrer selama 60 menit pada suhu 90 οC dengan kecepatan aduknya 1000 rpm. Setelah itu, MgFe2O4 dicuci sebanyak 6 kali menggunakan aquades. Proses pengendapan MgFe2O4 menggunakan magnet permanen. Sampel MgFe2O4 yang telah dicuci kemudian dikeringkan di dalam furnace pada suhu 95 οC selama 4 jam. Sampel yang kering dianalisis ukuran butir, struktur kristal, gugus ikatan dan sifat kemagnetannya menggunakan transmission electron microscopy (TEM), X-Ray diffractometer (XRD), fourier transform infra red (FTIR) dan vibrating sample magnetometer (VSM). Ukuran partikel MgFe2O4 divariasi dengan mengubah konsentrasi NaOH, suhu, dan waktu pengadukan.
129
(G)
(D)
D. Serapan Logam Cu, Fe dan Ni Proses adsorpsi logam dalam limbah dilakukan dengan melarutkan 0,4 gram MgFe2O4 ke dalam 80 ml limbah cair kemudian diaduk menggunakan magnetic stirrer. Proses dilakukan pada kondisi basa yaitu pH 9. Pengaturan pH dengan cara menambahkan NH4OH. Larutan yang terbentuk diaduk menggunakan magnetic stirrer dengan waktu pengadukan 2 jam dan suhu ruang. Kecepatan pengadukan 1000 rpm. Setelah proses pengadukan selesai, larutan diendapkan dengan magnet permanen sebanyak 2 kali selama @30 menit. Pengendapan bertujuan untuk memisahkan larutan dari sedimennya. Larutan yang telah dipisahkan dari endapan disaring dengan kertas saring, kemudian dianalisa kadar ion logam Ni, Fe dan Cu yang terkandung di dalamnya menggunakan atomic absorption spectroscopy (AAS). Persen penurunan kadar logam dihitung meggunakan rumus berikut
20
30
40
50
2
60
70
derajat)
Gambar 1. Hasil pengujian XRD sampel MgFe2O4
Gambar 2. Hasil TEM nanopartikel MgFe2O4 sampel A Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, 25 April 2015 ISSN : 0853-0823
Dewi Setiawati / Pengaruh Ukuran Partikel dan Enkapsulasi Nanopartikel Magnesium Ferrite (MgFe 2O4) pada Adsorpsi Logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) dalam Limbah Cair
130
VSM digunakan untuk mengetahui sifat kemagnetan material (Tabel 1). Pelapisan silika pada permukaan sampel A menyebabkan magnetisasinya turun yang semula 2,70 emu/gram menjadi 2,4 emu/gram. Hal ini diperkirakan karena silika merupakan bahan non magnetik. Pada Gambar 3 terlihat bahwa semua sampel memiliki medan koersivitas dan magnetisasi remanen kecil. Pada spektrum hasil FTIR nanopartikel MgFe2O4 (Gambar 4) muncul puncak-puncak gugus serapan sampel yang merupakan karakter dari adanya vibrasi molekul dalam sampel. Spektrum sampel MgFe2O4 murni tampak adanya puncak di sekitar panjang gelombang 316,33 cm-1 yang mengindikasikan Streching Fe-Otet. Pada panjang gelombang 578,64 cm-1 menunjukkan adanya Streching M-Ooct. Puncak di sekitar panjang gelombang 1627,92 cm-1 dan 3425,58 cm-1 merupakan puncak yang diakibatkan oleh adanya ikatan O-H. Tabel 1. Hasil pengamatan VSM No Nama Magnetisasi Sampel saturasi 1 2 3
G D A
koersivitas
123,18 133,99 130,37
6,15 5,33 2,70
G D A
8
Pada sampel MgFe2O4 yang terlapisi silika, muncul puncak baru di 455,2 cm-1 dan 779,24 cm-1 yang merupakan gugus siloksan serta puncak di 894,97 cm-1 dan 1041,56 cm-1 merupakan gugus silanol. Keberadaan gugus silanol dan siloksan membuktikan bahwa sampel MgFe2O4 telah terlapisi silika. B. Pengaruh Ukuran Partikel Penelitian ini menggunakan 3 variasi ukuran partikel yaitu 11 nm, 8 nm dan 2 nm. Tabel 2 menunjukkan persentase penurunan kadar ion logam pada variasi ukuran partikel. Adsorpsi logam Cu(II) didapati meningkat seiring dengan penurunan ukuran partikel. Ukuran partikel yang kecil memiliki permukaan kontak yang lebih luas dibandingkan partikel yang besar, sehingga lebih banyak ion logam yang teradsorpsi. Adsorpsi maksimum Fe (II) yaitu 100% telah terjadi ketika menggunakan MgFe2O4 ukuran partikel 11 nm, sehingga berkurangnya ukuran partikel tidak lagi menyebabkan perubahan persentase adsorpsi. Pada penelitian ini, didapati bahwa urutan ion yang terserap lebih kuat oleh adsorben MgFe2O4 adalah Fe(II)>Ni(II)>Cu(II) Tabel 2. Pengaruh ukuran partikel N O
Parameter
Raw limbah
1
Cu
413
2
Fe
345
3
Ni
390
4 2 0 -2
11
8
2
rata-rata
7.309
6.18
3.5
Penurunan(%)
97.84
98.5
99.15
rata-rata
ttd
Ttd
Ttd
Penurunan(%)
100
100
100
rata-rata
0.901
2.658
3.012
Penurunan(%)
99.74
99.32
99.23
-4 -6 -8 -15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
H(oersted)
Gambar 3. Kurva histeresis magnetik MgFe2O4 MgFe2O4 coated silika MgFe2O4
%ransmitansi
magnetisasi(emu/gram)
6
Ukuran Partikel (nm)
coated
silika
4000
3000
2000
1000
0
bilangan gelombang (1/cm)
Gambar 4. Hasil FTIR nanopartikel MgFe2O4
C. Pengaruh Pelapisan Adsorben dengan Silika Silika biasa digunakan melapisi permukaan adsorben untuk mencegah terjadinya aglomerasi serta meningkatkan dispersibilitas dalam medium cair. Silika bersifat biokompatibel dan non-toksik sehingga relatif aman digunakan untuk penjernihan air. Silika membungkus nanopartikel secara berkoloni dan menyebabkan ukuran partikel yang dilapisi oleh silika membesar. Perubahan ukuran tersebut menyebabkan kapasitas adsorpsi menurun karena ukuran partikel yang besar memiliki permukaan kontak yang lebih kecil. Pada penelitian ini, ukuran partikel yang telah terlapisi silikadalah 18 nm sedangkan ukuran semula yaitu 11 nm. Meskipun demikian, pelapisan dengan silika juga dapat mengurangi aglomerasi, yang berarti bertambahnya permukaan kontak. Selain itu, silika memberikan tambahan sisi aktif berupa gugus silanol dan siloksan pada permukaan adsorben. Tabel 3 menunjukkan pengaruh pelapisan silika terhadap adsorpsi logam. Peningkatan penyerapan terjadi pada logam Cu, yang semula 97,84% menjadi 99, 95% sedangkan logam Ni mengalami penurunan serapan dari 99,74% menjadi 96,29%. Hal ini diprediksi karena gugus silanol dan siloksan lebih kuat mengadsorpsi logam Cu(II). Ion-ion
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015 ISSN : 0853-0823
Dewi Setiawati / Pengaruh Ukuran Partikel dan Enkapsulasi Nanopartikel Magnesium Ferrite (MgFe2O4) pada Adsorpsi Logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) dalam Limbah Cair
logam yang tercampur pada limbah berkompetisi untuk menempel pada site aktif permukaan adsorben. Disisi lain, luas permukaan kontak yang tersedia lebih kecil . Oleh karena itu, logam Cu terserap lebih banyak dibandingkan logam Ni pada permukaan adsorben yang terlapisi silika. D. Perbandingan Adsorpsi MgFe2O4 dan Fe3O4 Penelitian ini menggunakan nanopartikel magnetik Fe3O4 sebagai adsorben yang bertujuan membandingkan efektifitas adsorpsi oleh Fe3O4 dengan adsorpsi MgFe2O4 terhadap logam Cu(II), Fe(II), Ni(II). Ukuran partikel adsorben yaitu ±11 nm. Tabel 4 merupakan perbandingan hasil adsorpsi MgFe2O4 dan Fe3O4.. Magnetite (Fe3O4) mengadsorpsi logam Ni(II) lebih banyak dibandingkan MgFe2O4. Tabel 3. Perbandingan pengaruh pelapisan adsorben dengan silika HASIL ParaMeter
Raw Limbah
1
Cu
413
2
Fe
3
Ni
No
MgFe2O4
MgFe2O4 coated silika
rata-rata Penurunan(%)
7.309
0.19
97.84
99.95
rata-rata Penurunan(%)
ttd
ttd
345
100%
100
rata-rata Penurunan(%)
0.901
14.47
390
99.74
96.29
Tabel 4. Perbandingan adsorpsi MgFe2O4 dan Fe3O4 Parameter
Raw Limbah
1
Cu
413
2
Fe
3
Ni
no
HASIL MgFe2O4
Fe3O4
rata-rata Penurunan(%)
7.309
0.787
97.84
99.81
rata-rata Penurunan(%)
ttd
ttd
345
100
100
rata-rata Penurunan(%)
0.901
49.36
390
99.74
87.35
Adsorpsi Cu(II) lebih tinggi oleh MgFe2O4 dibandingkan Fe3O4. Persentase penurunan kadar logam Fe(II) menggunakan adsorben MgFe2O4 dan Fe3O4 yaitu sebesar 100%. IV. KESIMPULAN Nanopartikel magnesium ferrite (MgFe2O4) efektif digunakan sebagai adsorben ion logam Cu(II), Fe(II), dan Ni(II) dalam limbah cair. Adsorpsi Cu(II) meningkat seiring penurunan ukuran partikel. Ion logam Fe(II) teradsorpsi 100% untuk semua variasi ukuran partikel adsorben. Pelapisan adsorben dengan silika menyebabkan
131
peningkatan adsorpsi logam Cu(II), yang semula 97,84% menjadi 99,95% sedangkan logam Ni(II) mengalami penurunan serapan dari 99,74% menjadi 96,29%. UCAPAN TERIMA KASIH 1. Nano-Fabrication Consortium of Nagoya University, Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT) Nano-Project Platform, Japan, 2012 – 2017. 2. Hibah Penelitian Kompetensi (HiKom) Dikti,Kementrian Pendidikan Nasional, 2015 – 2016. PUSTAKA [1] F. Fu and Q. Wang, Removal of Heavy Metal Ions from Waste Water: A Review. Journal of enviromental Management, vol. 92, 2011, pp. 407408. [2] I. Ali, New Generation Adsorbents for Water Treatment. Chemical Review, vol. 112, 2012, pp. 5073−5091. [3] K. D. Tiwari, J. Behari, and P. Sen, Aplication of Nanoparticle in Waste Water Treatment, World Applied Science Journal, vol 3, 2008, pp. 417-433 [4] Jr. A. Franco, and M. S. Silva, High Temperature Magnetic Properties of Magnesium Ferrite Nanoparticles, Journal Of Applied Physics, vol 109, 2011, pp. 100-105. [5] J. Hu, M. C. L. Irene, and G. Chen, Comparative Study of Various Magnetic Nanoparticles for Cr(VI) Removal, Journal Separation and Purification Technology Vol 56 , 2007, pp. 249– 256. [6] W. Tang, Y. Su, Q. Li, S. Gao, and J. Shang, Superparamagnetic Magnesium Ferrite Nanoadsorbent for Effective Arsenic (III, V) Removal and Easy Magnetic Separation, Water Research Journal, vol. 47 , 2013, pp. 3624-3643. [7] L. Zhao, X. Li and G. Chen, Syntesis, Characterization and Adsorptive performance of MgFe2O4 nanosphere for SO2 Removal, Journal of Hazardous Materials. Vol 184, 2010, pp 704-709. [8] D. Kang, X. Yu, M. Ge, and W. Song, One-step fabrication and characterization of hierarchical MgFe2O4 microspheres and their application for lead removal. Journal Microporous and Mesoporous Materials vol. 207, 2015, pp. 170-178. [9] I. M. Mohamed and A. A.Y. Elbadawi, Synthesis and Structural Properties of MgFe2O4 ferrite Nanoparticles, Journal of Applied and industrial Science: 2013. pp. 20-23 TANYA JAWAB Subaer, Universitas Negeri Makasar ?Apakah bahan dasar MgFe2O4 disintesis sendiri atau konvensional? ?Limbah cair yang digunakan berupa limbah cair sintesis atau diperoleh langsung dari lapangan?
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, 25 April 2015 ISSN : 0853-0823
132
Dewi Setiawati / Pengaruh Ukuran Partikel dan Enkapsulasi Nanopartikel Magnesium Ferrite (MgFe 2O4) pada Adsorpsi Logam Cu(II), Fe(II) dan Ni(II) dalam Limbah Cair
Dewi Setiawati, UGM @Disintesis sendiri @Limbah yang digunakan adalah limbah sintesis (buatan)
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIX HFI Jateng & DIY, Yogyakarta 25 April 2015 ISSN : 0853-0823
