PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta,
28 Agustus 2008
PENENTUAN LOGAM MAYOR (Fe, Ti DAN Ca) DALAM SEDIMEN SUNGAI GAJAHWONG Mulyono, Sukadi, Suhardi Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan - BATAN
ABSTRAK PENENTUAN LOGAM MA YOR (Fe, Ti DAN Cay DALAM SEDIMEN SUNGAI GAJAHWONG. Telah dilakukan analisis unsur mayor dalam sedimen sungai Gajahwong Jogjakarta. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui kandungan unsur mayor dalam sedimen sungai Gajahwong dari hulu ke hi/ir. Alat yang digunakan adalah pendar sinar-X dengan detektor Si(Li) pencacahan salur ganda (MCA) dan sebagai sumber sinar-X untuk eksitasi digunakan Am-241 dan Fe-55. Hasi/ analisis kuantitatif diketahui bahwa unsur-unsur mayor adalah Fe (0,92 - 14,64) %, Ca (0,563,52) % dan Ti (0,211- 0,38) %. Kata Kunci : sedimen, mayor, pendar sinar-X
ABSRACT DETERMINA TION OF MAJOR (Fe, Ti AND Cay ELEMENTS IN RIVER SEDIMENT OF GAJAHWONG JOGJARKA. Analysis of major elements in river sediment of Gajahwong has been performed The aim of this research to know concentration of major (Fe, Ti dan Cay elements in river sediments of Gajahwong from upstream till downstream. The instruments used x-ray f10uresence with Si(Li} detector, and Am-241 and Fe-55 used as X-ray source for excitation. The results show that mayor elements was Fe (0.92 - 14.64) %, Ca (0.56 -3.52) % and Ti (0.211 - 0.38) %. Key word: sediment, mayor element, x-ray f10uresence
PENDAHULUAN
S
ungai merupakan di daratan yang perairan aimya terbuka mengalir yang dariberada hulu (tempat yang tinggi) menuju tempat yang lebih rendah. Fungsi sungai am at beragam dari yang menguntungkan sampai yang merugikan. Hal· ini tergantung pada pola pikir masyarakat dan lingkungan sekitar sungai. Fungsi sungai antara lain: sumber air minum, keperluan sehari-hari, irigasi, transportasi dan lain sebagainya. Pembuangan limbah ke sungai sangat membahayakan kelestarian organisme dan lingkungan itu sendirj
sampel yang dianalisis, jumlah cuplikan yang dibutuhkan relatif kecil, cepat, seksama serta bisa menganalisa sampel padat maupun cair. Spektroskopi pendar sinar X merupakan cara analisis terhadap cuplikan berdasarkan pengukuran tenaga dan intensitas sinar X suatu unsur dalam cuplikan hasil eksitasi radioisotop. Tenaga sinar X dari cuplikan yang terukur digunakan sebagai dasar analisis kuantitatif. Teknik analisa dengan spektrometri pendar sinar X lebih banyak digunakan dari pada analisa secara konvensional seperti po Iarografi dan gravimetrik(3,4). Keunggulan dari metode ini yaitu waktunya analisis cepat, tidak merusak cuplikan, seksama, dapat digunakan untuk variasi sampel baik bubuk, cair, padatan, dan lumpuran. Kelebihan yang lain yaitu mampu menganalisa aliansi atau campuran yang sukar dipisahkan dengan cara analisa biasa, ketelitian tinggi dan sam pel yang dibutuhkan sedikit. Tujuan penelitian adalah, menentukan konsentrasi unsur-unsur mayor yaitu yang
ISSN 1410 - 8178
Mulyono, dkk
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
mempunyai kadar atau konsentrasi diatas 1000 ppm atau (0, I %) unsur yang dianalisis adalah Fe, Ti dan Ca dalam endapan atau sedimen sungai Gajahwong dalam musim penghujan dan kemarau. Komponen spektrometri pendar sinar X tersusun atas 3 komponen utama yaitu:: I. Sumber radioisotop Sumber radiosotop digunakan sebagai sumber pengeksitasi maupun penghasil sinar x primer(2). Sumber ini dibungkus dengan timbal agar penyebaran radiasi terhadap lingkungan dapat dicegah. Syarat yang harus dipenuhi dalam memilih sumber radioisotop antara lain: proses peluruhan radioaktif memancarkan sinar IX, ~, dan y, tenaga radiasi yang dipancarkan I-50 keY, aktivitas sumber radioisotop 1-5 mCi, dan juga memiliki waktu paruh. 2. Detektor Spektrometri pendar sinar X menggunakan detektor Si(Li). Alat ini dimasukkan ke dalam dewar N2 cair yang disebut cryostat. Hal ini dilakukan untuk mengatasi arus bocor bolakbalik yang disebabkan oleh termal sehingga detektor ini harus dioperasikan dalam suhu rendah (70 K) dengan menggunakan N2 sebagai pendingin. 3. Unit Pemrosesan Data Unit pemrosesan data dalam spektrometri pendar sinar X meliputi preamplifier, linier amplifier, counter, timer, penganalisis salur ganda (MCA). Alat-alat ukur ini dibutuhkan dalam mengolah pulsa out put oleh suatu detektor. Preamplifier berfungsi sebagai pembentukan pulsa dengan rise time yang pendek. Keluaran pulsa detektor tidak dapat dihubungkan secara langsung dengan preamplifier, karenak dapat mengakibatkan noise. TAT A KER.JA Bahan Sumber eksitasi radionuklida Am-241 dan Fe-55. Sedimen standar yang mengandung Fe, Ca dan Ti, serta sedimen dari sungai Gajahwong pada musim penghujan dan kemarau, sedimen diambil pada tanggal 26 Februari 2007 (penghujan) dan 16 Juli 2007 (kemarau) Lokasi sampling I) Jembatan Tanen (Hargobinangun), 2) Ring Road Utara, 3) Jembatan jalan Solo (UIN), 4) SGM, 5) Pertigaan Jalan Pramuka, 6) Jembatan Rejowinangun, 7) Jembatan Winong, 8) Ring Road Selatan dan 9) Kanggotan (W onokromo) Alat
Mulyono, dkk.
Peralatan sampling, ayakan 100 mesh, neraca analitik Ohauus 410 GT, plastik klip, nampan plastik, lumpang tahan karat, vial pencacahan, Spex X Rsy Cell film (Millar #3517). Seperangkat XRF yang terdiri dari: Detektor Si(Li), Power Supply Canberra, Spektroskopi Amplyfier, Biass Suply, Multy Chane I Analizer, Stabilizer. Cara Kerja I. Preparasi sampel a. Sampel berupa sedimen dari masing-masimg lokasi ditempatkan pada nampan yang berbeda dan diberi label waktu pengambilan b. Sedimen sungai dikeringkan pada suhu kamar lalu dipisahkan dari kotoran dan dimasukkan dalam plastik berlabel c. Sedimen lumpur yang kering ditumbuk dalam lumpang baja sampai halus lalu diayak d. Hasil penumbukan diayakan kasar, kemudian diulangi lagi dengan ayakan lolos 100 mesh e. Sedimen halus 100 mesh ditimbang sampai 4 gram dengan neraca analitis lalu dimasukkan dalam vial berlabel yang berbeda. 4. Kalibrasi Alat XRF a. Menghidupkan XRF dengan hati-hati sesuai prosedur yang tertera lalu diamkan se\ama setengah jam b. Meletakkan sumber pengeksitasi diatas detektor Li(Si) lalu dianalisis untuk logam Sr, Cd dan Sm dengan sumber Am-24], sedangkan logam Ca dan Ti menggunakan sumber Fe-55, sesuai dengan tenaga masingmasing dan mengatur waktu pencacahan sampel selama 1000 detik c. Mencatat hasil kalibrasi berupa nomor salur dan tenaga dari masing-masing unsur lalu dibuat persamaan regresinya 5. Pencacahan Cuplikan a. Meletakkan sampel yang telah diberi kode diatas detektor. Untuk analisa logam Fe menggunakan sumber eksitasi 241Am untuk sedangkan untuk Ca dan Ti menggunakan sumber eksitasi 55Fe b. Mengalisa berapa intensitas masing-masing unsur dan energi compton yang tertera pada layar XRF dengan memberi tanda batas kiri dan kanan masing-masing kurva dari tiap unsur c. Pencacahan masing-masing sam pel sedimen dua kali dengan waktu cacah 1000 detik. d. Dengan cara yang sarna dilakukan pencacahan untuk sedimen standar sekunder dan cacah latar dan mencatat hasil pencacahan berupa intensitas dan tenaga compton semua unsur yang dianalisis.
ISSN 1410 - 8178
335
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008 6. Analisa Data a. Menghitung nilai intensitas per compton untuk masing-masing unsur tiap konsentrasi dari pencacahan standar sekunder b. Membuat persamaan regresi masing-masing unsur di mana sumbu x menunjukkan konsentrasi (%) dari unsur logam dan sumbu y menunjukkan intensitas per compton c. Mensubtitusikan nilai intensitas per compton dari pencacahan sampel didapatkan konsentrasi dari masing-masing sampel d. Mencari nilai ketidak pastian atau sering disebut juga deviasi dari masing konsentrasi dari unsur-unsur setelah dirata-rata, perhitungan deviasi dilakukan dengan bantuan komputer HASIL DAN PEMBAHASAN Kalibrasi tenaga eksitasi Am-241
menggunakan
sumber
Sebelum alat digunakan untuk operasi pencacahan maka harus dikalibrasi tenaga terlebih dahulu dengan menggunakan bahan berbeda sesuai dengan sumner eksitasi yang digunakan agar diperoleh hubungan garis lurus antara tenaga dan nomor salur, kemudian dibuat kurva kalibrasi tenaga dan persamaan liniemya. Untuk membuat persamaan kalibrasi digunakan data pad a Tabel I, yang merupakan data nomor salur (Y) terhadap tenaga (X), menggunakan unsur-unsur Sr, Cd dan Sm, yang masing-masing mempunyai dua tenaga. Kurva kalibrasi tenaga ini dapat dilihat pad a Gambar I, yaitu kalibrasi tenaga menggunakan sumber eksitasi Am-241. ZVI •• E 0(;
:;
400
lurus tersebut didapat suatu persamaan garis lurus yaitu:Y=37,I]X+2,959 (I) Setelah dilakukan kalibrasi tenaga maka dilakukan pencacahan standar sekunder dengan berbagai konsentrasi dan AI203 sebagai pengencer. Pada Tabel 2, merupakan hasil pencacahan standar sekunder unsur Fe dengan pengulangan pencacahan 2 kali. Hasil intensitas standar (I) dan intensitas compton (C) dengan konsentrasi 2; 4; 6; 8 dan 10 %. Dari data Tabel 2 dibuat kurva standar sekunder dan dapat menghasilkan persamaan standar sekunder unsur Fe. Kurva standardisasi dibuat dengan memplotkan hubungan an tara intensitas bersih per intensitas compton dan konsentrasi logam. Gambar 2, merupakan kurva standar berbagai konsentrasi logam Fe. Standar untuk logam Fe dan Ca dapat dilihat pada gambar 4 dan 5 pada lampiran Selanjutnya dibuat persamaan garis singgung dengan memasukan data Tabel 2, di mana sebagai absis sumbu x yaitu konsentrasi (%) dan sebagai ordinat adalah sumbu y yaitu I reratiC rerata. Maka diperoleh persamaan garis singgung seperti Gambar 2 dibawah ini. Dengan mengetahui persamaan garis lurus yang ada dapat menghitung konsentrasi atau konsentrasi Fe dalam sedimen yang dianalisis dengan metoda pendar sinar-X. Dengan bantuan komputer program Excel! didapat suatu persamaan: Y = 0,002X + 0,0 I7 (2)
500 2000 1200 IS 1600 10
p
37.11 •• 2.959 RJ= 1
20
Gambar 2. Kurva persamaan garis pada unsur Fe untuk sedimen standar sekunder (deret standar Fe)
2~ 30 3S Tenaga keY
-
40
4S
so
I-'---'-'--"
1689 2778 1836 Gambar I. Kalibrasi tenaga dengan sumber eksitasi 1Am-241.(%) 2 45 3
Tabel I. Kalibrasi tenaga menggunakan Sm dengan eksitasi Am-24 I 26.09 ]469 961 1690 519 58] 850 45,40 40,12 23,17 Y.(nomor 14,16 salur) Unsur 15,83 X. (tenaga ke V)
Tabel 2. Hasil perhitungan unsur Fe pada sedimen standar sekunder. 55755 10 428 6 Irata-fatalC Konsentrasi 61655 54583 54643 59193 IrerataC 1467 53405 2439 63608 59578 58665 61677 Crerata 0,04173 0,04598 0,0351 0,0238 0,0299 1363 ~ 2822 1415 58160 159385,5 618 862 53994 57210 I 2613.5 62631,5 No 2630.5
ratHata
Sr, Cd dan
Dari data diatas Tabel I, dengan bantuan komputer dapat dibuat suatu kurva garis lurus dari tenaga (keY) terhadap nomor salur, dan dari garis
336
ISSN 1410 - 8178
Mulyana, dkk
-
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKA T NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, Analisis secara kualitatif meliputi pembacaan spektrum sinar X dalam cuplikan, identifikasi puncak-puncak, hingga klasifikasi setiap unsur sebagai penyusun mayor berdasarkan intensitas puncaknya. Pada spektrum pendar sinarX standar, menggambarkan adanya puncak sinar-X karakteristik pada energi 3,668 keY; 4,505 keY dan 7,057 keY, hal ini menunjukkan spektrum logamlogam Ca, Ti dan Fe. 190
y" 40.051<·3.403 ..
~ 180 ~ ~
R'" 0.996
200 HOw j
__
M •••••••••••••••••••••••••••••••• M •••••••••
.
-.-
••••----~
160 150 140
3.5
3 75
4
4.25
4.5
4.75
5
Tenaga (keV)
Gambar 3. Kalihrasi tenaga sumber umber Fe-55 0.13
0.1'1
~1S
o
~11 c:
~
I•
•.•0.07 E 0.03
1500
3000
4500
Konsentrasi
6000
11(ppm)
Gambar 4. Kurva standar sekunder logam Ti 0.04 II>
Q,
E
o..•
0.03
.•... II>
~ .!:
y" 4e.OO" + 0.011 R'=0.9n
0.01 0.01
1500
3000
Konsentrasi
4500
6000
Ca (ppml
Gambar 5. Kurva standar sekunder logam Ca Analisis Kuantitatif, salah satu yang digunakan dalam analisis secara kuantitatif dan adalah metode kalibrasi standar yaitu membandingkan intensitas garis spektra yang terdapat dalam cuplikan dengan standar. Standar yang digunakan harus mempunyai bentuk yang mirip dengan cuplikan dan konsentrasi unsur maupun matrik sedapat mungkin sarna. Intensitas garis spektrum logam dalam cuplikan diintcrpolasikan ke dalam kurva kalibrasi standar untuk un sur Fe pada Gambar 2. Perhitungan kadar atau konsentrasi diambil contoh lokasi sampling 1 konsentrasi diperoleh dengan mensubtitusikan nilai IIC ke persamaan garis lurus (persamaan 2) diatas, sehingga diperoleh: Mulyono, dkk.
28 Agustus 2008 y = 0,002x + 0,017 masukkan harga 'y' yaitu 0,00299 0,00299 = 0,002 x + 0,017 x =
0,0299-0,017 0,002
= 645%
'
Dan harga x ke 2 =8,38 % Konsentrasl . rerata = ---6,45+8,35 2
= 7,41 0Yo
Dengan cara yang sarna berlaku semua perhitungan untuk unsur yang lainnya (unsur Ca dan Ti). Berikut ini hasil rekapan konsentrasi masing-masing unsur pada musim penghujan disajikan dalam Tabel 3 berikut dan musim kemarauTabel 4. Pada kedua tabel terlihat bahwa konsentrasi Fe merupakan konsentrasi yang tertingi dan ketiga unsur yang diperhatikan sedangkan un sur terkecil konsentrasi adalah logam Ti. Dari ketiga unsur mayor yang dianalis terlihat bahwa unsur yang mempunyai konsentrasi terbesar berturut-turut adalah unsur Fe, Ca dan Ti. Pada umumnya sedimen mengandung pasir terikut arus air yang mengalir maupun sudah ada pada dasar sungai tersebut, dimana pasir yang ada dalam sedimen tentunya mengadung besi (Fe) yang terbanyak konsentrasinya. Untuk logam Ca biasanya sedimen mengandung kapur yang lumayan banyak sehingga logam Ca banyak terdapat dalam sedimen. Pada umumnya Ti bersama-sama terdapat dalam pasir yang terkandung dalam sedimen, dimana ada logam Fe dapat dipastikan Ti terdapat juga disitu, dan pada umumnya kandungan Ti masih pasti dibawah kandungan logam Fe. Dalam analisis kandungan sedimen sudah pasti logam Fe paling banyak konsentrasinya, sedangkan logam Ca kebetulan diatas konsentrasi logam Ti. Dari hasil perhitungan diperoleh konsentrasi unsur besi (Fe) dari lokasi 1 sampai dengan 9 pada musim penghujan pada Tabel 3 bekisar 0,92±o,03 % di lokasi 4 sampai dengan 14,64 % di lokasi 2. Sedangkan pada musim kemarau pada Tabel4 di dapatkan konsentrasi bekisar 7,95±o,1 % di lokasi 7 sampai dengan 14,54±1,1 % di lokasi sampling I. Kandungan logam Fe pada musim kemarau pada umumnya lebih besar daripada musim penghujan, konsentrasi logam ini dapat dilihat pada Tabel 3 musim penghujan dan Tabel 4 pada musim kemarau. Hal ini bisa terjadi pada musim penghujan logam-Iogam Fe yang ada dalam pasir yang terkandung dalam sedimen akan terikut arus air yang mengalir ke hilir dan setiap aliran arus air yang terjadi cukup deras, sedangkan pada musim kemarau pada umumnya arus air akan lebih lambat, sehingga apa yang terendapkan dalam sedimen tidak akan terikut arus air yang mengalir sangat lamban.
ISSN 1410 - 8178
337
PROSIDING SEMINAR PENELITIAN DAN PENGELOLAAN PERANGKAT NUKLIR Pusat Teknologi Akselerator Dan Proses Bahan Yogyakarta, 28 Agustus 2008
Tabel 3. Konsentrasi sedimen un sur Fe, Ca dan Ti saat penghujan Konsentrasi Dada musim penghuian (%) Ca Ti 3,14±o,11 0,38±o,03 2,09±o,0 0,32±o,06 3,] 0,33±o,02 1±o,OIII 0,26±o,02 1,58±o,01 0,25±o,02 2,57±o,02 0,24±o,04 3,52±o,03 0,2I±o,04 3,03±o,02 0,34±o,04 ]2,56±o,0 ,69±o,0 7,41±0,8 14,64± 1,4 1,42±0,1 0,92±o,03 0,98±o,07 1,05±o,07 1,22±o,15 ]1,32±o,09 ,26±o,04 0,2I±o,01 Lokasi Fe
Konsentrasi un sur Kalsium (Ca) pada hasil pencacahan dengan XRF pada dari lokasi I sampai dengan lokasi 9 pad a musim penghujan bekisar I ,58±o,0] % yaitu pad a lokasi 4 sampai dengan 3,52±o,03 % di lokasi 7 dan pad a musim kemarau berkisar 0,58±o,003 % di lokasi 6 sampai dengan konsentrasi 2,64±o,0 I % di lokasi 3. Logam Ca yang terdeteksi dalam sedimen pada umumnya terdapat batuan kapur yang terdapat dalam sedimen, batuan kapur yang terikut arus air yang mengalir pad a musim penghujan kebetulan konsentrasinya lebih besar, sehingga pada saat dilakukan analisis meng-gunakan pendar sinar-X kandungannya yang terdeteksi lebih beasar musim penghujan daripada musim kemarau. Konsentrasi unsur Titanium (Ti) hasil pencacahan dengan XRF dari lokasi I sampai dengan 9 pada musim penghujan berkisar (0,2I±o,O Isampai dengan 0,38±o,03) % terdapat dilokasi 8 dan ] sedangkai1 pada musim kemarau konsentrasinya berkisar 0,2] ±o,03 % di lokasi I sampai dengan konsentrasi 0,38±o,03% dilokasi 4 Tabel 4. Konsentrasi sedimen unsur Fe, Ca dan Ti saat kemarau Konsentrasi pada musim kemarau 1,0I±o,007 0,27±o,0 0,58±o,003 0,34±o,03 2,64±o,0 0,38±o,03 0,33±o,03 1,79±o,0] 0,28±o,03 10,25±o,02 ,25±o,] 2,07±o,0] 0,2] ±o,03I I 0,27±o,02 1,85±0,03 0,3I±o,02 7,86±o,1 8,87±o,8 9,52±o,8 14,54+1,1 12,05±1,0 12,57+] 8,02±o,2 2,23±o,0] ,2 13,89±0,3 I,58±0,0 7,95±o, I (%) Ca Ti(%) Lokasi Fe (%)
KESIMPULAN I. Metode analisis menggunakan spektrometer pendar sinar X (XRF) baik dan efektif dalam menganalisa unsur-unsur (Fe, Ca dan Ti) dalam sam pel sedimen Sungai Gajahwong baik secara kuantitatif maupun kualitatif. 7. Dari ketiga unsur mayor yang dianalis terlihat bahwa unsur yang mempunyai konsentrasi terbesar berturut-turut adalah unsur Fe, Ca dan Ti, hasil analisis kuantitatif diketahui bahwa unsur-unsur mayor adalah Fe (0,92 - ]4,64) % pada musim penghujan dan (]6,46 - 23,89) % pada musim kemarau, Ca (1,69 - 3,52) % pada musim penghujan dan (0,58 % - 2,64) % pad a musim kemarau dan unsur Ti (0,206 - 0,378) % pada musim penghujan dan (0,21 - 0,38) % pada musim kemarau. DAFTAR PUSTAKA I. WARDANA.W.A., Dampak Pencemaran Lingkungan. Andi Offset. Yogyakarta (1995) 2. EUGENE.B.P., Introduction to X-Ray Spectrometry Analysis, Plenum Press, New York (1978) 3. DIXIT.R.M. AND DESHPANDE S.S., 1985, XRay Florescence Detrmination of Pr, Nd, Gd, Tb, Dy and Y In High Purity Europium Oxide., Bhabha Atomic Research Centre, Bombay India. 4. SUKIRNO., Taftazani.A., SUMINING., "Evaluasi Presisi dan Akurasi Hasil Analisis Fe, Ti dan Ce dengan Metoda XRF". Prosiding Seminar Nasional VI., Kimia dalam Lingkungan, Jasakiai., Jogjakarta (2003)
TANYA JAWAB
Suhardi ~ Apakah penentuan Fe, Ti, Ca dapat ditentukan dengan alat lain selain XRF ? Sukadi, AMa . Selain dengan alat XRF dapat ditentukan dengan alat lain misal : metode AAN, AAS, dan sebagainya. Tetapi dengan alat XRF dapat dilakukan dengan metode yang sederhana. dan tidak merusak bahan serta hasi! dapat diketahui dengan cepat. ..¢>-
338
ISSN 1410 - 8178
Mulyono, dkk
