Jurnal Gradien Vol.1 No.1 Januari 2005 : 38-42
Studi penurunan salinitas air dengan menggunakan Zeolit alam yang berasal dari bengkulu Irfan Gustian dan Totok E. Suharto Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Bengkulu, Indonesia Diterima 1 Nopember 2004; direvisi 1 Januari 2005; disetujui 28 Januari 2005
Abstrak - Penelitian ini telah dilakukan untuk memodifikasi zeolit alam menjadi bahan adsorben atau penukar kation alternatif untuk menurunkan kadar garam dalam air. Untuk mengaktifkan zeolit, sampel serbuk zeolit alam dimodofikasi dengan cara penukaran kation dengan larutan ammonium nitrat dan diikuti dengan kalsinasi dalam oven pada suhu 450oC – 550 oC selama 4 jam. Variabel dalam proses aktivasi zeolit alam meliputi ukuran partikel, konsentrasi larutan ammonium nitrat dan suhu kalsinasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa serbuk zeolit alam yang telah diaktifkan dapat menurunkan kadar garam NaCl sampai 80%. Zeolit alam yang tidak direndam dalam larutan ammonium nitrat dan hanya dikalsinasi juga dapat menurunkan kadar garam, tetapi hanya mencapai 30%. Salinitas air dapat semakin berkurang, jika zeolit yang digunakan telah diaktifkan dengan larutan ammonium nitart berkonsentrasi minimal 2 M, telah dikalsinasi pada suhu 500OC selama 4 jam dengan ukuran partikel 180 – 250 mikron. Kata Kunci: Zeolit; Aktivasi; Kadar garam.
1. Pendahuluan Air yang digunakan sebagai bahan baku air minum dapat berasal dari air tanah, air sungai, air danau atau air rawa. Gangguan alam dan pencemaran lingkungan telah menyebabkan jumlah dan mutu cadangan air permukaan semakin rendah. Air dari berbagai sumber alam ini, apalagi yang sudah tercemar, perlu diolah dahulu sebelum dapat digunakan sebagai bahan baku air minum. Masalah kekeruhan air dapat dihilangkan dengan cara pengendapan, baik dengan teknik gravitasi, penyaringan maupun penambahan tawas Al2(SO4)3. Melalui pengendapan dan penyaringan, air yang keruh diubah menjadi air yang jernih. Mikroorganisme patogen yang mungkin ada dalam air dapat dimatikan dengan penambahan kaporit. Namun demikian, masalah bau dan kandungan beberapa jenis garam terlarut, yang tidak dikehendaki dan dapat menurunkan mutu bahan baku air minum, sampai sekarang belum dapat diatasi. Adanya
Korespondensi Penulis. e-mail:
[email protected]
beberapa jenis garam dalam air dapat berasal dari mineral tanah/batuan yang terlarut dalam air atau peresapan (instrusi) air laut ke daratan. Hasil studi awal menunjukkan, bahwa sumber air tanah pada kawasan pesisir di Bengkulu mempunyai tingkat salinitas tinggi [13] sehingga air tersebut tidak memenuhi syarat sebagai air minum. Menurut hasil-hasil penelitian terdahulu [1][13], zeolit alam yang telah diaktivasi dapat digunakan sebagai adsorben untuk menyerap beberapa jenis ion dan menyerap zat warna karoten. [13] telah berhasill mengaktifkan zeolit alam dan menggunakan sebagai adsorben untuk mengurangi bau amoniak dalam air. Tingkat keasaman (pH) dan warna limbah cair industri kain batik besurek dapat dikurangi melalui pengolahan limbah dengan adsorben zeolit alam yang telah diaktifkan [14]. Pengolahan air dengan menggunakan adsorben zeolit juga dapat mengurangi secara nyata kadar ion-ion Fe dan Mn dalam air [14]. Namun demikian, pertanyaan: apakah zeolit juga
Irfan Gustian / Jurnal Gradien Vol.1 No.1 Januari 2005 (38-42)
dapat mengurangi kadar jenis garam lain yang tidak diinginkan ada dalam air, sampai sekarang belum terjawab berdasarkan hasil penelitian. Oleh karena itu, penelitian pada aktivasi zeolit alam dan penggunaannya sebagai adsorben untuk mengurangi kadar garam dalam air perlu dilakukan untuk mempelajari berapa besar penurunan kadar garam dalam air setelah diadsorbsi dengan zeolit? dan bagaimana pengaruh cara aktivasi zeolit alam terhadap kapasitas mengikat ion-ion penyusun garam dalam air? 2. Metode penelitian Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah beaker gelas 200 mL, hotplate, erlenmeyer 250 mL, gelas ukur, pipet volume, labu ukur, konduktometer, pH-meter. Bahan yang digunakan: zeolit alam, ammonium nitart, aquadest, kertas saring, Asam klorida. 1. Pengambilan zeolit alam Sampel zeolit alam diambil dari deposit yang terdapat di daerah Taba Penanjung Bengkulu Utara dan dari daerah Ipuh Bengkulu Selatan. Sampel diambil dengan cara menggali deposit zeolit alam yang terdapat pada permukaan tanah dan berwarna abu-abu kekuningan. Kedalaman galian tidak perlu diperhatikan. Sampel dibersihkan dengan cara memisahkannya dari tanah, pasir, kerikil atau sisasisa tumbuhan. Sampel yang bersih dibungkus dengan kemasan plastik berwarna hitam. Dalam pengambilan sampel zeolit dan transportasi ke laboratorium tidak memerlukan perlakuan khusus. 2. Pembuatan adsorben dari zeolit alam Sampel zeolit alam berupa bongkahan yang sudah dibersihkan ditumbuk dengan mortir porselin sampai menjadi serbuk halus. Serbuk zeolit alam ini diaktivasi dengan larutan pengaktif, yaitu amonium nitrat dan asam sulfat. Aktivasi dilakukan dengan cara merendam 100 g serbuk zeolit dalam 100 ml
39
masing-masing larutan diikuti dengan pengadukan terus menerus. Konsentrasi larutan pengaktif dibuat bervariasi antara 1 M dan 3 M. Campuran diaduk terus-menerus selama 10 jam dan 24 jam. Campuran kemudian dipisahkan dengan cara menyaring dan mencuci dengan akuades, sehingga diperoleh residu padat. Residu padat ini kemudian dipanaskan pada oven pada suhu 110°C selama 4 jam. Setelah itu padatan zeolit yang diperoleh dikalsinasi dalam oven pada suhu 400°C dan 500°C selama 4 jam. Setelah suhu dibiarkan mencapai suhu kamar, sampel zeolit dikemas dengan botol plastik yang tertutup rapat. Variabel yang perlu diteliti dalam aktivasi meliputi jenis larutan pengaktif, konsentrasi larutan pengaktif dan suhu kalsinasi. Percobaan modifikasi zeolit alam untuk memperbaiki strukturnya dilakukan dengan cara menyisipkan spesies aluminium ke dalam kerangka struktur zeolit. Ke dalam larutan aluminium klorida atau larutan aluminium nitrat dicampurkan serbuk zeolit alam. Campuran diaduk secara teratur selama 4 jam, kemudian disaring dan dikeringkan dalam oven pada suhu 120°C. Setelah itu sampel zeolit yang telah dimodifikasi ini diaktivasi dengan larutan amonium nitrat dengan cara yang sama seperti di atas. 3.
Pengujian zeolit alam untuk menurunkan kadar garam dalam air.
Pengujian aktivitas zeolit alam yang telah diaktifkan dilakukan untuk menurunkan kadar garam dalam air. Sebagai model air yang mengandung garam, dalam penelitian ini pertama-tama digunakan model larutan NaCl, dengan konsentrasi 0,1 molar, baik secara terpisah setiap jenis larutan maupun dalam campuran ketiga jenis larutan tersebut. Percobaan dilakukan dengan cara pencampuran langsung dan cara aliran dalam kolom. Selain dengan model larutan garam, pada tahap percobaan lain juga digunakan air tanah dan permukaan yang sesungguhnya sebagai sampel. Dengan menggunakan model larutan garam dan melalui pencampuran langsung, ke dalam 20 ml larutan NaCl dimasukkan 2 g serbuk zeolit kering yang telah diaktifkan, diaduk selama 2 jam dan disaring untuk memisahkan zeolit dari larutan.
Irfan Gustian / Jurnal Gradien Vol.1 No.1 Januari 2005 (38-42)
Penurunan kadar ion Na+ dan kadar ion Cl- dalam air filtrat ditentukan dengan metode gravimetri dan spektrofotometri, misalnya x molar. Persentase penurunan salinitas air adalah (0,1 - x)/(0,1) %. Dengan cara yang sama percobaan juga dilakukan dengan menggunakan model larutan NaCl. Untuk menentukan penurunan kadar NaCl ditentukan dengan cara. Pada percobaan dengan metode aliran dalam kolom, sampel zeolit kering yang telah diaktifkan diletakkan pada sebuah batch kapas dalam sebuah kolom gelas berdiameter 1 cm dan panjang 75 cm (terbuat dari gelas buret). Larutan garam NaCl kemudian dialirkan ke dalam kolom. Air yang keluar dari kolom ditampung dan kemudian dianalisis kandungan ion-ion Na+ dan Cl-. Jumlah ion-ion garam yang diadsorbsi dan diiikat oleh zeolit diukur berdasarkan perbedaan kadar garam NaCl sebelum dan sesudah melewati kolom. sehingga pengurangan kadar garam dapat ditentukan dengan hitungan yang sama seperti diuraikan di atas. Variabel yang ingin diamati dalam semua percobaan di atas adalah berat adsorben zeolit yang digunakan per satuan volume sampel larutan garam atau air (5%, 10% dan 20%), ukuran butir zeolit yang digunakan (250 mikrometer dan kasar), dan suhu sampel larutan garam atau air (suhu kamar dan 100°C). Hubungan antara variabel-variabel ini dan penurunan kadar garam dalam air serta tingkat salinitas air dianalisis dengan metode deskriptif grafik non-statistik.
Penurunan kadar garam dengan zeolit yang tidak diaktifkan Zeolit alam yang tidak diaktifkan dan hanya dikeringkan pada suhu 110oC sudah dapat mengurangi kadar garam sebesar 4%. Kalsinasi Zeolit alam yang tidak diaktifkan dapat memperbesar penurunan kadar garam, ini semakin baik bila ke dalam larutan garam ditambahkan serbuk zeolit yang telah dikalsinasi pada suhu tinggi. Pada gambar 2. terlihat hubungan antara penurunan kadar garam dengan suhu kalsinasi zeolit untuk dua macam ukuran. Kenaikan suhu kalsinasi zeolit ternyata dapat berakibat daya serap zeolit terhadap kadar garam dapat menurun, hal ini mungkin disebabkan adanya gangguan struktur kristal zeolit akibat suhu yang terlalu tinggi.
Daya hantar
40
16 14 12 10 8 6 4 2 0
13.5 0.08 0.06 0.04 0.02
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
Konsentrasi (M)
Gambar 1. Kurva kalibrasi konduktimeter yang menunjukkan hubungan linear antara daya hantar dan konsentrasi larutan garam.
3. Hasil dan pembahasan Daya hantar listrik larutan sebanding dengan konsentrasi larutan garam, oleh karena itu berdasarkan daya hantar larutan garam dapat ditentukan konsentrasi larutan gram. Daya hantar larutan garam diukur dengan alat konduktimeter, dimana sebelumnya alat ini dikalibrasi dengan mengukur daya hantar larutan garam NaCl standar pada berbagai konsentrasi. Pada gambar 1. terlihat kurva kalibrasi yang menunjukkan hubungan yang linear antara konduktivitas dan konsentrasi larutan garam.
Penurunan kadar garam (%)
1 8 0 m ik r o n 35
450
2 5 0 m ik r o n
500
30
550
25 500
20 15 10 5
550
450 110 110
0 110
450
500 550o S u h u k a ls in a s i C
Gambar 2. Penurunan kadar garam dalam air dengan zeolit alam yang hanya dikalsinasi.
Irfan Gustian / Jurnal Gradien Vol.1 No.1 Januari 2005 (38-42)
Dibandingkan dengan zeolit yang tidak diaktifkan hanya dikalsinasi, zeolit yang diaktifkan dengan larutan pengaktif larutan ammonium nitrat dan dikalsinasi dapat menurunkan kadar garam dalam air jauh lebih besar. Perbedaan konsentrasi larutan pengaktif mempunyai pengaruh yang nyata terhadap aktivitas zeolit dalam menurunkan kadar garam dalam air. Pada penggunaan larutan pengaktif ammonium nitrat 2 M dengan suhu kalsinasi 500oC dapat mengurangi kadar garam dalam air 65 –84% dan untuk larutan pengaktif ammonium nitrat 1 M pada suhu yang sama hanya mencapai 37 – 46%, disajikan pada gambar 3. Berdasarkan ini dapat dikatakan bahwa kenaikan konsentrasi larutan pengaktif sebesar dua kali lipat dapat menyebabkan peningkatan aktivitas zeolit dalam menurunkan salinitas air sebesar dua kali. Ini dapat dijelaskan bahwa larutan pengaktif dengan konsentrasi tinggi dapat menyediakan lebih banyak ion ammonium yang dapat mengganti ion-ion logam alkali/alkali tanah pada permukaan zeolit alam sehingga diduga semakin banyak ion alkali/alkali tanah pada zeolit alam yang diganti atau dilepaskan. Melalui kalsinasi pada suhu tinggi, ion-ion ammonium yang sudah terikat pada permukaan zeolit terurai dan yang tinggal adalah zeolit yang mengikat ion-ion
90 Penurunan kadar garam (%)
Penurunan kadar garam dengan zeolit yang diaktifkan
hydrogen.Dalam aktivasi zeolit alam dengan larutan ammonium nitrat yang konsentrasinya lebih rendah, maka hanya sebagian ion-ion logam alkali/alkali tanah pada permukaan zeolit yang diganti oleh ion ammonium. Setelah dikalsinasi, pada permukaan zeolit masih ada sebagian ion logam alkali./alkali tanah semula disamping ion-ion hydrogen sebagai hasil peruraian ion ammonium. Ion-ion hydrogen yang terikat pada zeolit aktif ini dapat kembali ditukar dengan kation logam natrium pada saat zeolit aktif dicampur dengan laritan natrium klorida dalam air sehingga kadar garam dalam air menurun dan ini lebih besar bila ke dalamnya dicampurkan zeolit aktif yang sudah lebih banyak mengikat ion hidrogen.
80
180
70
250
60
kasar
50 40 30 20 10 0 1M
2M Kons. Lar. Pengaktif
Gambar 3. Pengaruh konsentrasi larutan ammonium nitrat dalam aktivitas terhadap penurunan kadar garam dalam air.
80 Penurunan kadar garam (%)
Untuk pengaruh ukuran butir serbuk zeolit yang tidak diaktifkan terhadap penurunan kadar garam yang dilakukan pada suhu 500oC dengan ukuran butir 180, 250mikron dan kasar menunjukan bahwa penurunan kadar garam semakin besar jika dalam perlakuan adsorpsi digunakan serbuk zeolit yang ukurannya semakin kecil. Ini didukung oleh teori bahwa semakin kecil ukuran partikel padatan berarti semakin luas permukaannya dimana padatan dengan luas permukaan yang besar mempunyai daya serap yang besar pula. Selain itu zeolit yang digunakan pada prosese ini tidak hanya berfungsi sebagai adsorben, melainkan juga sebagai penukar ion garam dalam air, maka semakin besar luas permukaan zeolit dapat juga diartikan semakin banyak sisi-sisi pada permukaan zeolit yang dapat berfungsi sebagai penukar ion-ion garam.
41
70
1M
60
2M
50 40 30 20 10 0 450
500
550 o
Suhu Kalsinasi C
Gambar 4. Pengaruh suhu Kalsinasi terhadap aktivitas zeolit untuk menurunkan kadar garam
Irfan Gustian / Jurnal Gradien Vol.1 No.1 Januari 2005 (38-42)
42
Kenaikan suhu kalsinasi sampai 550oC dapat meningkatkan aktivitas zeolit yang diperoleh dalam penurunan kadar garam, jika suhu kalsinasi dinaikan menjadi 550oC maka aktivitas zeolit dalam penurunan kadar garam ternyata sedikit menurun. Dengan demikian dapat dinyatakan bahwa suhu kalsinasi zeolit yang optimum adalah sekitar 550oC agar dihasilkan bahan zeolit yang mempunyai aktivitas tinggi untuk menurunkan kadar garam dalam. Pengaruh suhu kalsinasi zeolit terhadap aktivitas zeolit dalam menurunkan kadar garam terlihat pada gambar 4. 4. 1.
2.
3.
4.
5.
Kesimpulan
Serbuk zeolit alam yang dikalsinasi pada suhu 450 – 550 0C tanpa diaktifkan dengan larutan pengaktif dapat digunakan untuk mengurangi kadar garam NaCl dalam air sampai 30% Proses aktivasi serbuk zeolit alam dengan larutan ammonium nitrat dan kalsinasi pada suhu 450 – 550oC dapat meningkatkan aktovitas zeolit untuk menurunkan kadar garam NaCl dalam air sampai 80%. Serbuk zeolit yang diaktivasi dengan larutan ammonium nitrat 2 M ternyata lebih aktif dalam penurunan kadar garam daripada zeolit yang diaktivasi dengan larutan ammonium nitrat 1 M. Semakin kecil ukuran partikel zeolit yang digunakan, semakin besar aktivasi zeolit dalam menurunkan kadar garam dalam air. Kalsinasi pada suhu 550oC selama 4 jam merupakan kondisi optimum untuk memperoleh bahan zeolit untuk menurunkan salinitas air. Daftar pustaka
[1] Bambang Setiaji, A.H., Zeolit: Material Masa Depan, 1996, Paper Seminar PS Kimia-HEDS Project.
[2] Berth, P., Jakobi, J., Schmadel, E., Schwager, M.J., Krauch, C.H., Angew, 1975, Chem. 87, 115; Angew. Chem. internat. Edit. 14, 94 (1975), [3] Hölderich, W. in P.A. Jacobs and R.A. van santen (Eds.), Zeolites: Facts, Figures, Future, 1991, Elsevier Sci. Publ., Amsterdam, pp. 69-73. [4] Huheey, J.A., The Elements of Inorganic Chemistry, 1995, Oxford Univ. Press, London, pp. 245. [5] Kanwil Deptamben Bengkulu, Laporan Pemetaan Hasil Galian Tambang Golongan C, 1990, hal. 25. [6] Kleeberg, K., Catatan diskusi di PDAM Bengkulu., 1997 [7] Munson, R.A., Sheppard, R.A., Miner, 1974, Sci.Eng. 6, 19. [8] Müller, U., -, 1990, PhD-Dissertation, University of Mainz, Germany. [9] Rabo, J.A., Angell, C.L., Kasai, P.H., Shomaker, V., 1996, Discuss. Faraday Soc. 41, 328 [10] Setiaji, A.H.B., Zeolit: Material Masa Depan, 1995, Paper Seminar PS Kimia-HEDS Project. [11] Setiaji, A.H.B.dan Triono, Penggunaan Zeolit Alam Yang Telah Diaktifkan untuk Memisahkan Ion Chrom dalam Limbah Industri Penyamakan Kulit, 1996, DP3M Depdikbud Jakarta. [12] Suharto, T.E., Penggunaan Zeolit Alam sebagai Bahan Adsorben dalam Proses Pemucatan (Bleaching) Minyak Sawit Kasar (CPO), 1997, Prosiding Seminar Agribisnis Kelapa Sawit, Universitas Bengkulu pada 2 Desember 1997, hal. 2334. [13] Suharto, T.E., Sutanto, T.D., Widiyati, E., Mekanisme Reaksi Penyerapan Amoniak pada Zeolit, 1998, Laporan Penelitian DIKS UNIB 1998/1999, Lembaga Penelitian, Universitas Bengkulu. [14] Sutanto, T.D., Suharto, T.E., Pemisahan Ion-Ion Besi dan Mangan dalam Air dengan Zeolit Alam yang Telah Diaktifkan, 1999, Laporan Penelitian, DIKS UNIB 1998/1999, Lembaga Penelitian, Universitas Bengkulu. [15] Unger, K.K., Müller, U., Danner, A., Polanek, P., Girrbach, U., Symposium on Innovation in Zeolite Materials Science, Nieupoort, 13.-17 Sept. 1987, preprints, p. 80.
