Uji Kinerja Ekstraktan Cyanex 272® dalam Me-recovery Logam Nikel dari Limbah Ni-Cd dengan Metode Ekstraksi Cair-Cair Ir.Rita Arbianti,Msi, Ir.Yuliusman,MEng, dan Hendra Syaifuddin Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus UI Depok, Depok 16424 E-mail :
[email protected] Abstrak Metode ekstraksi cair-cair dapat digunakan untuk pemisahan logam nikel dari limbah Ni-Cd, yang salah satunya berasal dari baterai Ni-Cd. Metode pemisahan ini berdasarkan pada perbedaan koefisien distribusi zat terlarut dalam dua larutan yang berbeda fasa (fasa akuatik dan organik) dan tidak saling bercampur. Ekstraktan yang dipilih adalah Cyanex®272 yang merupakan suatu senyawa bis (2,4,4,-trimethylpentyl) phosphinic acid. Larutan model Ni-Cd dalam suasana asam sulfat dengan perbandingan tertentu digunakan untuk merepresentasikan limbah baterai Ni-Cd setelah melalui proses leaching dengan menggunakan H2SO4. Dalam proses ekstraksi ini, dilakukan analisis terhadap variabel-variabel konsentrasi ekstraktan, waktu ekstraksi, suhu, dan pH larutan sehingga dapat dinilai selektivitas dari ekstraktan Cyanex®272 terhadap nikel dan yield yang diperoleh. Setelah proses ekstraksi dilanjutkan dengan proses stripping menggunakan larutan asam sulfat berkonsentrasi rendah dan analisis dilakukan terhadap konsentrasi stripper yang dibutuhkan. Proses analisis kuantitatif dari seluruh tahapan proses dilakukan dengan menggunakan instrumen AAS (atomic absorption spectroscopy). Dari hasil uji diperoleh nilai optimumnya pada pH sistem sebesar 6, konsentrasi ekstraktan 100 ppm, suhu ekstraksi 50oC, waktu ekstraksi 10 menit dan persentase nikel yang diperoleh sebesar 89,547%. Sedangkan persentase stripping nikel terbesar yang diperoleh dengan menggunakan H2SO4 3M sebagai larutan stripping adalah 86,373%. Abstract Liquid-liquid extraction method can be use for separation process of nickel from Ni-Cd waste, which is coming from Ni-Cd batteries. This method based on the differences of distribution coefficient from solute in two differences phases solution (aquatic phase and organic phase) and immiscible. Extractant that will be use is Cyanex®272, which is a compound of bis (2,4,4,trimethylpentyl) phosphinic acid. Model solution of Ni-Cd in sulfate condition with specific ratio is being used to represent Ni-Cd batteries waste after leaching process using H2SO4. In this extraction process, analysis is conducted on extractant concentration, extraction time, temperature, and pH solution so value of selectivity for nickel and yield can be gain. After exctraction, the process is continue with stripping process using sulfate acid in low concentration and analysis is conducted on stripper concentration. Quantitative analysis from all stage of the processes is conducted using AAS (atomic absorption spectroscopy) instrument. From experiment, result show that optimum value gain at pH system 6, extractant concentration 100 ppm, extraction temperature 50oC, extraction time 10 minutes, and nickel percentage as 89.547%. Nickel percentage from stripping process using H2SO4 3M = 86.373%. 1. Pendahuluan Perkembangan pesat dalam penggunaan alat-alat elektronik portable di masa sekarang ini telah mengakibatkan berkembangnya penggunaan baterai isi ulang (rechargeable batteries) yang dinilai praktis. Pada saat ini, limbah nikel dan kadmium dari baterai isi ulang ini telah dapat didaur ulang seperti yang dilakukan oleh perusahaan Saft di negara Swedia, Accurec di negara Jerman, SNAM di negara Perancis dan Inmetco di negara Amerika. Keseluruhan perusahaan diatas menggunakan proses daur ulang yang sama dimana persentase dari kadmium yang dapat di-recovery dengan menggunakan proses tersebut bisa mencapai 99,95 % namun biaya daur ulang ini amat tinggi karena melibatkan proses pemanasan sampai suhu 400oC seperti proses pirolisis dan proses distilasi (
[email protected]). Sebenarnya selain metode diatas, pemisahan logam nikel dari limbah Ni-Cd dapat dilakukan dengan menerapkan metode ekstraksi cair-cair. Metode ini berdasarkan pada perbedaan koefisien distribusi zat terlarut dalam dua larutan yang berbeda fasa dan tidak saling bercampur. Atas dasar pertimbangan beberapa faktor, yaitu
kemudahan dan kecepatan proses, kemurnian produk yang tinggi, rendah polusi, kebutuhan me-recovery logam dari larutannya, efektifitas dan selektifitas yang tinggi maka metode ekstraksi cair-cair semakin bersaing dengan metode pemisahan lainnya. Salah satu kelebihan dari metode ekstraksi cair-cair ini adalah dapat dilakukan dalam kondisi tekanan dan temperatur operasi yang relatif jauh lebih rendah dibandingkan dengan metode pemisahan yang diterapkan selama ini sehingga diharapkan dengan menerapkan metode ekstraksi cair-cair ini maka biaya untuk proses daur ulang dapat lebih murah (Bukhari,2002). Pada metode ekstraksi ini digunakan ekstraktan yang berfungsi untuk mengikat logam nikel dan pemilihan ekstraktan yang paling tepat harus memenuhi beberapa kriteria sebagai berikut: mempunyai solubilitas rendah dalam fasa akuatik dan mempunyai stabilitas yang baik, tidak akan membentuk emulsi stabil dengan fasa akuatik ketika diaduk, mempunyai kapasitas loading logam yang tinggi, bahannya tidak terbakar, tidak menguap, relatif murah, sangat larut dalam pelarut organik, mempunyai kinetika ekstraksi yang baik. Ekstraktan Cyanex®272 dipilih sebagai ekstraktan karena dapat memenuhi kriteria diatas. Cyanex®272 merupakan suatu senyawa bis (2,4,4,-trimethylpenthyl) phosphinic acid dan merupakan suatu reagen yang sering digunakan untuk pemisahan nikel dari media sulfat atau klorida dengan metode ekstraksi cair-cair. Selain itu ekstraktan Cyanex®272 dapat me-recovery logam nikel sampai 92,8% dari limbah Ni-Cd dengan kondisi proses optimum (Cytec Corp). Aplikasi dari penggunaan metode ekstraksi cair-cair dapat diterapkan untuk limbah dari baterai Ni-Cd. Lebih dari 50% dari penggunaan baterai isi ulang untuk aplikasi portable menggunakan baterai Ni-Cd. 2. Metode Penelitian 2.1. Pembuatan larutan murni Ni-Cd dalam suasana asam sulfat. Pada penelitian ini larutan Ni dalam suasana asam sulfat dibuat dengan melarutkan Ni(NO3)2.6H2O ke dalam H2SO4 (pH 4), begitu pula dengan larutan Cd dimana Cd(NO3)2.4H2O dilarutkan ke dalam H2SO4 (pH 4). Nilai pH 4 diperlukan dalam pelarutan logam Ni dan Cd adalah untuk memudahkan pada saat pengujian pengaruh pH terhadap selektivitas ekstraktan. Pencampuran kedua larutan tersebut dibuat dalam perbandingan 1:1 (% volum). 2.2. Proses Esktraksi Cair-Cair Proses ini dilakukan dengan mengontakkan fasa organik (ekstraktan dilarutkan ke dalam kerosin sampai konsentrasi tertentu) dengan fasa akuatik (larutan model). Dalam proses ekstraksi, dilakukan 4 kali percobaan secara seri (berturut-turut) dengan tujuan untuk mengetahui pengaruh variabel-variabel dan nilai optimalnya berdasarkan persentase ekstraksi tertinggi. Variabel-variabel tersebut ialah konsentrasi ekstraktan, suhu, waktu ekstraksi, pH sistem. Nilai-nilai optimum yang digunakan sebagai dasar percobaan adalah sebagai berikut (Nogueria,1999): suhu sistem diatur konstan pada 50oC, waktu ekstraksi konstan pada 30 menit, pH larutan konstan (pH 4). 2.3. Proses Stripping Proses stripping merupakan proses perolehan logam murni dari logam kompleks hasil proses ekstraksi dengan penambahan larutan stripping yang bersifat akuatik, biasanya berupa larutan asam. Logam akan berpindah dari fasa organik ke fasa akuatik (Bayu,2002). Variasi yang diuji dalam proses stripping adalah konsentrasi stripper. Konsentrasi larutan stripper divariasikan dari 0,5 mol/L sampai 2 mol/L H2SO4. 2.4. Uji AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) Uji AAS bertujuan untuk menganalisa kandungan logam pada fasa akuatik dari setiap percobaan. Data hasil uji AAS diolah untuk mendapatkan nilai persentase ekstraksi dan stripping. Instrumen AAS yang digunakan adalah Atomic Absorption & Flame Emission Spectrophotometer AA-782 dan Lampu yang digunakan adalah Intrensitron Lamp keluaran Perkin Elmer.
% Ekstraksi
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan 3.1 Pengaruh Konsentrasi Ekstraktan terhadap Persentase Ekstraksi Nikel dan Kadmium Pengaruh konsentrasi ekstraktan terhadap persentase ekstraksi logam ditunjukkan oleh Gambar 1. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Ni Cd
0
50
100
150
Konsentrasi Ekstraktan (ppm)
Gambar 1. Pengaruh konsentrasi ekstraktan terhadap ekstraksi nikel dan kadmium (untuk pH larutan Ni-Cd awal sebesar 4) Gambar 1 memperlihatkan bahwa semakin besar konsentrasi larutan ekstraktan maka semakin besar pula persentase ekstraksi nikel dan kadmium yang diperoleh. Persentase ekstraksi logam mencapai titik optimumnya (dengan pH awal larutan Ni-Cd sebesar 4) pada saat konsentrasi ekstraktan yang digunakan sebesar 100 ppm dimana 26,875% nikel dan 69,613% kadmium terekstrak. Perlu diketahui bahwa untuk mengikat satu ion logam, baik Ni2+ atau Cd2+ diperlukan dua molekul bis (2,4,4,-trimethylpenthyl) phosphinic acid sesuai dengan mekanisme reaksi yang dapat dilihat pada Gambar 2 (Ritcey,1984). O
O 2+
M
(R)2
2 (R)2 P
+
P O
OH
M
+
2H+
O (R)2 P O
Gambar 2. Mekanisme reaksi ekstraksi
% Ekstraksi
3.2 Pengaruh Suhu Ekstraksi terhadap Persentase Ekstraksi Nikel dan Kadmium Pengaruh suhu ekstraksi terhadap persentase ekstraksi logam ditunjukkan pada Gambar 3. Suhu reaksi divariasikan dengan rentang 27oC - 60oC. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 Ni Cd
20
40
60
80
Suhu (C)
Gambar 3. Pengaruh suhu ekstraksi terhadap persentase ekstraksi nikel dan kadmium (untuk pH larutan Ni-Cd awal sebesar 4) Pada Gambar 3 terlihat bahwa persentase ekstraksi logam optimum (dengan pH awal larutan Ni-Cd sebesar 4) diperoleh pada suhu 50oC dengan 27,381% nikel dan 70,621% kadmium terekstrak. Nilai suhu sebesar 50oC juga digunakan oleh Salgado dalam me-recovery logam Zn dengan menggunakan Cyanex®272 (Salgado,2002).
Pada suhu diatas 50oC, persentase ekstraksi akan mengalami penurunan seperti yang ditunjukkan pada suhu 60oC dimana persentase nikel yang terekstrak hanya sebesar 23,872% sedangkan persentase kadmium yang terekstrak sebesar 64,608%.
% Ekstraksi
3.3 Pengaruh Waktu Ekstraksi terhadap Persentase Ekstraksi Nikel dan Kadmium Kenaikan waktu ekstraksi memperbesar kemungkinan untuk terjadinya ikatan antara ekstraktan dengan ion logam. Semakin lama waktu ekstraksi maka semakin banyak jumlah ikatan yang terbentuk antara ekstraktan dengan ion logam. Pengaruh waktu ekstraksi terhadap persentase ekstraksi logam ditunjukkan di dalam Gambar 4. Waktu ekstraksi divariasikan dengan rentang waktu yaitu 5 menit sampai 30 menit. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
10
Ni
20
30
40
Waktu (menit)
Cd
Gambar 2. Pengaruh waktu ekstraksi terhadap persentase ekstraksi nikel dan kadmium (untuk pH larutan Ni-Cd awal sebesar 4) Pada Gambar 4 terlihat bahwa persentase ekstraksi logam optimum (dengan pH awal larutan Ni-Cd sebesar 4) diperoleh pada waktu reaksi sebesar 10 menit dengan 27,157% nikel dan 70,226% kadmium yang terekstrak. Waktu reaksi ini dinilai cukup baik bila dibandingkan dengan hasil kerja Salgado yang menggunakan waktu ekstraksi sebesar 15 menit dalam me-recovery logam Zn dengan menggunakan Cyanex®272 (Salgado,2002). Walaupun persentase ekstraksi logam mempunyai kecenderungan untuk tetap naik setelah 10 menit namun kenaikan tersebut relatif kecil yaitu sekitar 1,096% untuk waktu ekstraksi 15 menit. 3.4 Pengaruh pH sistem terhadap Persentase Ekstraksi Nikel dan Kadmium pH sistem merupakan variabel yang sangat berpengaruh terhadap proses ekstraksi. Pengaruh pH sistem terhadap persentase ekstraksi logam ditunjukkan pada Gambar 5. pH sistem divariasikan dengan rentang pH 4 8.
% E kstraksi
100 80 60 40 20 0 3 Ni
4
5
6
7
8
pH kesetimbangan
Cd
Gambar 3. Pengaruh pH sistem terhadap persentase ekstraksi nikel dan kadmium (untuk pH larutan Ni-Cd awal sebesar 4, konsentrasi ekstraktan 100ppm, suhu 50oC, waktu ekstraksi 10 menit) Alasan dipilih rentang pH 4 - 8 di dalam percobaan adalah karena dalam suatu percobaan recovery logam dari baterai Ni-Cd didapatkan bahwa pH optimum untuk logam Ni dengan ekstraktan Cyanex®272 didapatkan sebesar 5.5 (Al-Mansi,2002). Seperti yang terlihat pada Gambar 5, pH optimum untuk mengekstrak logam nikel terdapat pada sekitar pH 6 dimana pada pH tersebut 89,547% nikel dan 2,439% kadmium terekstrak. Perlu diketahui bahwa pH 6 merupakan pH optimum hanya untuk kondisi proses ekstraksi ini, karena sedikit saja perubahan pada kondisi proses akan menyebabkan pergeseran dari nilai pH optimum (Ritcey,1984). Salah satu kondisi operasi yang
% Ekstraksi
penting adalah suasana sulfat dimana proses ekstraksi ini berlangsung karena nilai pH optimum akan berbeda bila digunakan suasana lainnya. Gambar 5 juga menunjukkan bahwa kenaikan pH sistem menyebabkan kenaikan persentase ekstraksi nikel sampai pada pH sistem tertentu. Setelah itu, dengan penambahan pH, persentase ekstraksi nikel mengalami penurunan. pH sistem mempengaruhi ion nikel dan ekstraktan. Jika pH rendah, logam nikel yang diekstrak berkurang disebabkan oleh terjadinya protonasi pada ekstraktan sehingga ekstraktan sulit untuk terionisasi dan berikatan dengan ion Ni2+. Jika pH tinggi, nikel akan terhidrolisis dan sulit terekstrak (Ritcey,1984). 3.5 Pengaruh Konsentrasi Ekstraktan terhadap Persentase Ekstraksi Nikel dan Kadmium (pada pH optimum) Pengaruh konsentrasi ekstraktan Cyanex®272 terhadap persentase ekstraksi logam yang dilakukan pada pH optimum ditunjukkan Gambar 6. Konsentrasi Cyanex®272 divariasikan dengan rentang konsentrasi yaitu 25 ppm – 125 ppm.
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 20
40
Ni
60
80
100
120
Konsentrasi Ekstraktan (ppm)
Cd
Gambar 6. Pengaruh konsentrasi ekstraktan terhadap ekstraksi nikel dan kadmium (untuk pH larutan Ni-Cd awal sebesar 6) Gambar 6 memperlihatkan bahwa semakin besar konsentrasi larutan ekstraktan maka semakin besar pula persentase ekstraksi nikel dan kadmium yang diperoleh. Persentase ekstraksi logam mencapai titik optimumnya (dengan pH awal larutan Ni-Cd sebesar 6) pada saat konsentrasi ekstraktan yang digunakan sebesar 100 ppm dimana 83,638% nikel dan 1,418% kadmium terekstrak. Penggunaan konsentrasi ekstraktan dibawah 100 ppm kurang optimal karena persentase ekstraksi logam nikel yang diperoleh masih rendah sedangkan penggunaan konsentrasi ekstraktan diatas 100 ppm juga kurang optimal karena persentase ekstraksi logam kadmium yang diperoleh mencapai dua kalinya (sebesar 3,435%) dibandingkan pada saat konsentrasi ekstraktan sebesar 100 ppm. 3.6 Pengaruh konsentrasi H2SO4 terhadap Persentase Stripping Nikel dan Kadmium Pengaruh konsentrasi H2SO4 terhadap persentase stripping logam ditunjukkan oleh Gambar 7. Konsentrasi H2SO4 divariasikan dengan rentang konsentrasi yaitu 0,5 – 3 M. 100
% Stripping
90 80 70 60 50 40 30 0 Ni
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Konsentrasi H2SO4 (M)
Cd
Gambar7. Pengaruh konsentrasi H2SO4 terhadap persentase stripping (untuk pH larutan Ni-Cd awal sebesar 6) Gambar 7 menunjukkan bahwa larutan H2SO4 dengan rentang konsentrasi 0,5 - 3 M dapat digunakan untuk men-stripping logam hasil ekstraksi. H2SO4 dapat menarik kembali nikel dan kadmium yang telah terekstrak dalam fasa organik kembali ke fasa akuatik. Persentase stripping nikel terbesar yang diperoleh dengan menggunakan H2SO4 3M sebagai larutan stripping adalah 86,373%. 4. Kesimpulan Metode ekstraksi cair-cair dapat digunakan untuk mengekstrak logam nikel dimana Cyanex®272 dipilih sebagai ekstraktan dan kerosin sebagai pelarut organik dimana proses ekstraksi nikel dengan larutan Ni-Cd
mencapai nilai optimumnya pada pH sistem sebesar 6 dengan konsentrasi ekstraktan 100 ppm, suhu ekstraksi 50oC, waktu ekstraksi 10 menit dan persentase nikel yang diperoleh sebesar 89,547% sedangkan persentase stripping nikel terbesar yang diperoleh dengan menggunakan H2SO4 3M sebagai larutan stripping adalah 86,373%. Daftar Pustaka 1. Al-Mansi, N.M dan Monem, N.M. Abdel, (2002), “Recovery of Nickel Oxide from Spent Catalyst”, Pergamon,Waste Management 22 (2002), hal 85-90 2. Bayu, Agung, (2002), “Recovery Logam Nikel dari Limbah Padat Eletroplating Nickel-Krom Industri Kendaraan Bermotor”, Skripsi Mahasiswa Jurusan Teknik Kimia FTUI 3. Bukhari, Luthfi, (2002), “Ekstraksi Perak dari Limbah Fotografi”, Skripsi Mahasiswa Jurusan Teknik Kimia FTUI 4. Cytec corp.Cyanex®272 Extractant Brochure 5. Nogueria, C.A dan Delmas, F., (1999), “New Flowsheet for the Recovery of Cadmium, Cobalt and Nickel from Spent Ni-Cd Batteries by Solvent Extraction”, Elsevier 6. Ritcey, G.M dan Ashbrook, A.W, (1984), “Solvent Extraction, Principle & Application to Process Metallurgy”, New York:Elsevier 7. Salgado, Aline L et al. (2002), “Recovery of Zinc and Manganese from Spent Alkaline Batteries by LiquidLiquid Extraction With Cyanex 272”, Elsevier 8.
[email protected]
