Volume XLVITI, No.3, November 2011, pp 58-65
FLOKULASI
Flokulasi Suspensi kaolin Tanah Liat dengan Modifikasi Hidrofobik Kopolimer Akrilamida Kationik
SUSPENSI KAOLIN TANAH LIAT DENGAN MODIFIKASI HIDROFOBIK KOPOLIMER AKRILAMIDA KATIONIK
*)Rumintang Rusllnda PanJaltan Terjemahan darl: (Flocculation Of Kaolin Clay Suspension by Hydrophoblcally Modified Cationic Acry/amlde Copollmers) **)Khal Em Lee, Norhashlmah Morad, Bang Telk Poh, TJoon Tow Teng
ABSTRAK Flokulasi suspensi kaolin menggunakan modifikasi hidrofobik kopolimer akrilamida kationik telah diteliti. Kelompok hidrofobik dimasukkan kedalam molekul hidrofllik untuk meningkatkan adsorbsi kaolin pada permukaan. Dalam studi ini, modifikasi hidrofobik kopolimer akrilamida kationik disintetis dengan larutan kopolimer akrilamida dengan modifikasi hidrofobik komonomer kationik 3-akrilamida-2-hidroksipropiltridosil ammonium klorida (AHPTDAC) menggunakan kalium persulfat sebagai inisiator. Karakteristik kopolimer dilakukan dengan berbagai mol rasio dari komonomer kationik dan akrilamida selama kopolimerisasi untuk memperoleh muatan densitas yang berbeda dan berat molekul. Penghilangan kekeruhan adalah parameter untuk mengevaluasi kinerja dari modifikasi hidrofobik kopolimer dalam flokulasi suspensi kaolin. Perbandingan rasio yang berbeda dari kinerja flokulasi kopotimer dilakukan. Modifikasi hidrofobik kopotimer dengan monomer kationiklrasio akrilamida dari 45:55 dengan berat molekul tertinggi menunjukkan aktivitas flokulasi terbaik dengan penghilangan kekeruhan ~90,O% pada dosis 4 mg/L. Pengaruh densitas muatan dan berat molekul pada aktivitas flokulasi suspensi kaolin teJah dipelajari. Kopolimer berat molekul lebih tinggi dan densitas muatan ditemukan menjadi sistem terbaik dalam flokulan suspensi kaolin. Bridging ditemukan menjadi mekanisme yang dominan dalam flokulasi suspensi kaolin dibandingkan dengan densitas muatan. Transmisi Elektron Mikrograf(TEM) dilakukan untuk mempelajari pembentukan flokulan suspensi kaolin.
Kata kunci: Modifikasi hidrofobik Berat molekul, flokulasi.
kopolimer akrilamlda kationik, Densitas muatan,
ABSTRACT
--.
.
Flocculation of kaolin suspension using hydrophobically modified cationic acrylamide copolymers has been investigated. A Hydrophobic group was incorporated into the hydrophilic molecules to enhance the adsorption ability at the kaolin interface. In this study, hydrophobically modified cationic acrylamide copolymers wem synthesized by solution copolymerizing acrylamide with hydrophobically modified cationic comonomer 3-acrylamido2-hydroxypropyltridodecylammonium chloride (AHPTDAC) using potassium persulphate as the initiator. The characteristics of the copolymers wel9 tuned by varying the mole ratios of cationic comonomers and acrylamide during copolymerization to obtain diffel9nt charge densities and molecular weights. Turbidity remove; was the parameter used to evaluate the performance of the hydrophobica"y modified copOlymers in f/occulating kaolin suspension. Comparison of diffel9nt ratios of copolymers' flocculation performance was done. Hydrophobically modified copOlymerswith a cationic monomer/acrylamide ratio of 45:55 with the highest molecular weight showed the best flocculation activity with turbidity I9moval ~90.0% at a dosage of 4 mg/L. Effects of charge density and molecular weight on kaolin Berita Litbang Industri
58
Volume XLVln, No.3, November 201 1, pp 58-65
Flokulasi Suspensi kaolin Tanah Liat dengan Modifikasi Hidrofobik Kopolimer Akrilamida Kationik
f/occulation activity of. the kaolin suspension were studied. Higher molecular weight and m~de:ate charge density was found to.be the best s~ste~ in f/occulating kaolin suspension. Bndgmg was found to be the dommant mechamsm m f/occulating kaolin suspension compared to charge density. A Transmission Electron Micrograph (TEM) was done to study the formation of the f/occulatedkaolin suspension. Keywords: Hydrophobically modified cationic acrylamide copolymers, Charge density, Molecular weight, Flocculation *)Peneliti pada Baristand Industri Surabaya -) Universiti Sains Malaysia, 11800 Minden, Penang, Malaysia International Conference on Environmental Research and Technology (leERT 2008)
PENDAHULUAN
Pada Industri mineral dan pengolahan kertas, limbah residu yang dihasilkan harus dibuang dengan cara yang ramah lingkungan. Limbah-limbah industri tersebut mengandung kaolin yang menghadapi kesulitan dalam proses pengendapan dan konsolidasi karena ukuran partikelnya kecil dan sifat-sifatnya dalam media air. Oleh karena itu menghilangkan kekeruhan kaolin dari limbah sebelum mengalir ke lingkungan menjadi masalah yang dihadapi oleh industri pengolahan tanah liat(Divakaran & Pillai, 2001, Nasser & James, 2006). Koagulasi-flokulasi merupakan metode penting dalam agregasi suspensi koloid dalam pengolahan limbah cair(Runkana et aI., 2006). Koagulan anorganik seperti tawas, polialuminium klorida, besi klorida, besi sulfat dan magnesium klorida digunakan dalam koagulasi partikel koloid.Namun, sejumlah besar lumpur logarri hidroksida yang dihasilkan sebagai konsekuensi dari proses koagulasi tidak diinginkan dalam pembuangan limbah. Polimer dengan berat molekul tinggi digunakan sebagai koagulan-flokulan untuk membantu pemisahan sistem padat/air. Oleh karena itu,· polielektrolit kationik digunakan sebagai alternatip untuk koagulan anorganik karena solusi cepat dan produksi lumpur berkurang. Penambahan ftokulan kationik berperan dalam menetralkan muatan permukaan dan menghilangkan tolakan elektrik antara Berita Litbang Industri
partikel(Arrifin et al.,2003). Kinerja f10kulasi dari partikel halus sangat tergantung pada sifat fisiokimia dari pada flokulan polimer termasuk berat molekul, muatan densitas, hidrofobik, kepadatan absorbs dan konformasi f10kulan teradsorbsi (Besra et al.,2006). Akrilamida berbasis polielektrik kationik sebagian besar telah digunakan datam industri, karena polimer yang ekonomis, larut air dan berat molekul tinggi. Dalam studi ini, modifikasi hidrofobik kopolimer akrilamida kationik dengan muatan densitas dan molekular yang berbeda disintesis oleh larutan akrilamida kopolimerisasi dengan modifikasi hidrofobik komonomer kation 3akrilamida 2-hidroksi propiltridodesil ammonium klorida (AHPTDAC) menggunakan kalium persulfat sebagai inisiator. Kopolimer yang diperoleh diterapkan dalam f10kulansuspensi kaolin __.untuk menyelidiki ~inerja flokutasi dari modifikasi hidrofobik kopolimer akrilamida kationik. BAHAN DAN METODA
Epiklorohidrin dan tridodesilamina (kemurnian>95%) diperoleh dari perusahaan Merck, sedangkan kalium persulfat p a dan akrilamida p a disuplai dari R&M Bahan Kimia. Perak nitrat p cl dan kalium kromat digunakan dalam penentuan densitas. Kaolin diperoleh dari Ajax Finechem. Air deionisasi digunakan selama percobaan. 59
Flokulasi Suspensi kaolin Tanah Liat dengan Modifikasi Hidrofobik Kopolimer Akrilamida Kationik
Volume XLVIll, No.3, November 2011, pp S8-6S
basis yang didinginkan sampai suhu kamar. Mannich basis kemudian ditambahkan secara bertahap ke tridodesiJamina dalam labu reaksi pada SOoCselama 40 menit untuk menghasilkan monomer kationik ammonium kwartener 3·akrilamida-2-hidroksipropiltridodesil ammonium klorida. Persamaan sintetis ditunjukkan pada gambar 1.
Sintetis Kopollmer Alur sintetis modifikasi hidrofobik kopolimer akrilamida . kationik telah dijelaskan(Lee et al.,2008}. Larutan akrilamida disiapkan dalam air deionisasi. . Larutan akrilamida kemudian direaksikan dengan epiklorohidrin dalam labu leher tiga yang sudah dilengkapi dengan kondensor, pengaduk mekanik, tutup karet dan terrnometer. Reaksi dilakukan pada 7SoC selama 6 jam untuk memperoleh Mannich
CHi=CH
---+~
OH
I
I
O=C-NHAkrilamida
Epiklorohldrin
CH2 ~H
~H2CI
Mannlch Basis
Gambar 1 Sintetis monomer kationik ammonium kwartener 3-akrilamida-2-hidroksipropil tridodesil ammonium klorida (AHPTDAC)
Akrilamida dan AHPTDAC kemudian dikopolimerisasi menggunakan polimerisasi larutan radikal bebas. Berbagai mol rasio antara akrilamida dan AHPTDAC digunakan untuk mempersiapkan karakteristik yang berbeda dari kopolimer kationik. Campuraan akrilamida dan AHPTDAC diaduk dengan balk dalam media berair.
Berita Litbang Industri
Reaktor dibersihkan dengan gas nitrogen untuk mengisap oksigen dari campuran reaksi. Larutan K2S20e disuntikkan kedalam sistem untuk memulai polimerisasi. Proses kopolimerisasi dilakukan selama 6 jam pada 60°C dalam kondisi asam. Mekanisme kopolimerisasi ditunjukkan pada gambar 2.
60
Volume XL VIn, No.3, November 2011, pp 58-65
Flokulasi Suspensi kaolin Tanah Liat dengan Modifikasi Hidrofobik Kopolimer Akrilamida Kationik
Akrilamida
Modifikasi hidrofobik Kopolimer Akrilamida Kationik. Gambar 2. Sintetis kopolimer akrilamida kationik.
Flokulasi Kaolin Kopoljmer dan rasio yang berbeda yang diperoleh digunakan dalam suspensi flokulan kaolin. Kaolin suspensi disiapkan dengan air deionisasi den disesuaikan dekat dengan pH netral 7,5. Flokulasi dilakukan dengan menggunakan standar alat uji Jar. Suspensi kaolin dimasukkan kedalam gelas piala dan larutan kopolimer ditambahkan. Suspensi kaolin dicampur pada kecepatan 200 rpm selama 3 menit dan 100 rpm selama 6 men it, flok dibentuk
dan dibiarkan selama 2 jam. Kekeruhan diukur dengan turbidimeter HAeH 21OOP. HASIL DAN DISKUSI Sifat-sifat kopolimer bervariasi dengan mengatur rasio dari reaksi monomer. Gambar 3 menunjukkan sifat-sifat
kOpOIiMei'. Modifikasi hidrofobik kopOIiMer dengan rasio 45:55 antara monomer kationik : akrilamida dicapai berat molekul tertinggi, sedangkan kopolimer dengan rasio 20:80 memberikan densitas muatan tertinggi . .........
Sarita Litbang Jndustri
61
Flokulasi Suspensi kaolin Tanah Liat dengan Modifikasi Hidrofobik Kopolimer Akriiamida Kationik
Volume XLVIII, No.3, November 2011, pp 58-65
8erat MoJekuJ -+- Densitas muatan
1
2
3
4
5
I 6 100
100000
f:g i
i
I
90000
90
80000 70000
80 70
60000
60
50000 40000
50 40
30000
30
20000
20
10000
10
0
•...
~
1:I =
E
14 ~
0 1
2
3
4
5
Modifikasi hidrofobik kopolimer akrilamida
6 kationik
Gambar 3 Berat molekul dan densitas dari kopolimer. Efisiensi penghilangan kekeruhan suspensi kaolin ditunjukkan pada gambar 4. Secara umum, penghilangan kekeruhan meningkat dengan meningkatnya dosis. Penghilangan kekeruhan ditemukan menjadi konstan setetah mencapai dosis optimal. Kopolimer dengan rasio 45:55 dengan berat molekul tertinggi terbukti menjadi sistem yang terbaik dari f10kulan suspensi kaolin. Penghilangan kekeruhan >90% dicapai dengan dosis 4mg/Ls Penghilangan kekeruhan kopolimer meningkat dalam urutan rasio s,ebagai berikut 100:0 < 33:67 < 20:80 < 75:25 < 60:40 <45:55. Persentase kehilangan
Berita Litbang Industri
kekeruhan meningkat dengan berat kopolimer menunjukkan bahwa mekanisme transisi adalah mekanisme dominan dalam f10kulan suspensi Kaolin. Sebaliknya, kine~a tertinggi densitas kopolimer dengan rasio 20:80 tidak se efisien kopolimer dengan rasio 45:55 yang menunjukkan bahwa mekanisme netralisasi menjadi kurang penting dalam flokulan suspensi kaolin. Penghilangan kekeruhan kopolimer dengan ra$jo 100.:9 lebih rendah diantara rasio yang lain karena sifat hidrofobiknya yang mencegah pendekatan rantai dan kontak partikel kaolin.
62
Flokulasi Suspensi kaolin Tanah Liat dengan Modiflkasi Hidrofobik Kopolimer Akrilamida Kationik
Volume XLVIll, NoJ, November 2011, pp 58-65
120·
100
"0' ill:
I
i
80
_M20:A~~
60
_M33:A~M671 M45:AM55 __ M60:AM40 -.-
M75:AM25
_M100:AII/K)
40
20
0 2
3
4
5
6
7
8
9
10
Dosls(mg/L)
Gambar 4 Penghilangan kekeruhan suspensi kaolindengan perbedaan kopolimer dan dosis.
Gambar 5 menunjukkan gambaran TEM dari kopolimer sebelum flokulasi dan setelah f1okulasi.Molekul monoton dengan berat molekul tertinggi modifikasi hidrofobik kopolimeT akrilamida kationik (rasio 45:55) tampaknya menjadi panjang, tipis, struktur molekul bercabang. Kopolimer telechelic dengan kelompok hidrofobik pada molekul polimer ditarik dan diperbesar bentuk struktumya. Gaya tolak dalam kelompok rantai hidrofobik tinggi mencegah ikatan rantai. Oleh karena itu, gabungan kelompok hidrofobik menjadi regang dan tipis(Ren et al., 2007). Rantai kopolimer diamati mengikat partikel kaolin dan membentuk agregat.
Berita Litbang Industri
Sebelum Flokulasi
63
Flokulasi Suspensi kaolin Tanah Liat dengan Modiflkasi Hidrofobik Kopolimer Akrilamida Kationik
Volume XL VIn, No.3, November 2011, pp 58-65
-M·
Setelah Flokulasi
Gambar 5 Gambaran TEM rantai kopolimer monoton dan partikel flokulasi kaolin dengan kopolimer KESIMPULAN
Modifikasi hidrofobik kopolimer akrilamida kationik dengan berbagai densitas dan berat molekul telah disintesis. Kopolimer dengan rasio 45:55 dicapai berat molekul tertinggi sedangkan kopolimer dengan rasio 20:80 memiliki densitas tertinggi. Kopolimer rasio 45:55 menunjukkan penghilangan kekeruhan tertinggi dibandingkan rasio lainnya dari kopolimer. Bridging ditemukan menjadi mekanisme yang dominan dalam suspensi flokulasi kaolin. DAFTAR PUSTAKA
1. Ariffin, A, Raid S. A Shatat. and Mohd Omar A K. 2003. The Effect of Different Charge Densities and Different Molecular Weights Cationic Polyacrylamides on Palm Oil Mill Effluent (POME) Treatment. Proceedings: Environment 2003 Conference. Universiti Sains Malaysia. Berita Litbang Industri
2. Besra, L., D. K. Sengupta, S. K. Roy. 2006. Influence of Unadsorbed and Weakly Adsorbed Flocculants on Separation Properties of Kaolin Suspensions. International Journal of Mineral Processing 78: 101-109. 3. Divakaran, R. and V. N. S. Pillai. 2001. FloccuJation of KaoJinite Suspensions in Water by Chitosan. Water Research 35(16}: 3904-3908. 4. Lee, K. E., B. T. Poh, M. NOrhashimah, T. T.. Teng. (2008). Synthesis and -.... Characterization of Hydrophobically Modified Cationic Acrylamide Copolymer. International Journal of Polymer Analysis and Characterization. (Accepted for Publication). 5. Nasser, M. S. and A E. James. 2006. The Effect of Polyacrylamide Charge Density and Molecular Weight on the Flocculation and Sedimentation Behaviour of Kaolinite Suspensions.
Sepetation
ana
PUfification
Technology52: 241-252. 6. Ren, Haijing., Wenna Chen, Yunfei Zhen, Zhaokun Luan. 2007. effect of Hydrophobically Group on Flocculation 54
Volume XLVIll, No.3, November 2011, pp S8-6S
Flokulasi Suspensi kaolin Tanah Liat dengan Modiflkasi Hidrofobilt Kopolimer Akrilamida Kationik
Properties of Cationic Acrylamide Copolvmers. Reactive & Functional Polymers 67: 601-608. 7.
Runkana, Venkataramana,
P.
Somasundaran, P. C. Kapur. 2006. A Population Balance Model for Flocculatlon of Colloidal Suspensions by Polymer Bridging. Chemical Engineering Science 61: 182-191.
8erita Utbang Industri
65
