J.Tek.Ling
Vol .7
No. 3
Hal. 258-265
Jakarta, Sept. 2006
ISSN 1441 – 318X
UJI PENYISIHAN KADMIUM (Cd) DARI PASIR TERKONTAMINASI (ARTIFICIAL CONTAMINATED SAND) Wahyu Purwanta Peneliti Pada Pusat Teknologi Lingkungan Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Abstract The experiment is trying to apply an alternatif method in remediation electrokinetic by inserting conductive solution between cathode and treated soil. This is purposed in keeping the pH in low condition and preventing the precipitation of heavy metals in the soil adjacent to the cathode that often happen in the previous electrokinetic methods. Concentration of Cd (C0), period (t), concentration of conductive solution were selected as parameters, with artificially contaminated sand. The experiment with sand/ soil C0 = 100 ppm gave lower efficiency at 15,98% when it compares with C0 = 400ppm in the same condition and 24 hours period at 44,18%. Concentration of KCl also influenced the performance of system which was shown by the increasing in removal efficiency as refer to the previous experiment. Teoritically as pH of soil decreases the mobility of Cd is increases. This is due to Cd desorption is higher in the low pH. The alternatif method here have to deep in search if would application in the natural soil. Key words : Contaminated soil, Cadmium (Cd), Electromigration
1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pembangunan diberbagai sektor baik industri, pertanian, pertambangan dan perikanan telah berubah meningkatkan pertumbuhan ekonomi, meskipun disisi lain memberi dampak bagi kualitas lingkungan akibat limbah yang tidak dikelola baik perairan dan daratan. Pencemaran ke perairan sudah banyak mendapatkan perhatian bahkan dari segi legal, tetapi pada kasus-kasus pencemaran tanah, dirasa kan masih tertinggal karena belum mendapat perhatian serius termasuk sisi hukum dan
258
peraturannya. Masuknya polutan maupun kontaminan ke dalam tanah berwujud kontaminan anorganik, organik, material radioaktif dan mikroorganisme. Khusus yang termasuk dalam golongan anorganik antara lain garam-garaman, senyawa nitrat, fosfat, dan trace element, (1) termasuk logam dan non-logam Sejauh ini aspek hukum yang mengatur kualitas tanah di Indonesia belum ada, yang ada adalah peraturan pemerintah mengenai limbah padat yang boleh dibuang ditempat pembuangan limbah B3. Sedangkan mengenai kualitas air tanah, secara implisit termasuk dalam
Purwanta, W.,. 2006
penggunaan atau peruntukannya, seperti misalnya untuk air minum atau untuk keperluan spesifik lainnya. Tanah yang terkontaminasi logam berat, merupakan masalah lingkungan yang serius, sayangnya sampai saat ini belum banyak tersedia suatu teknologi pembersihan yang efektif. Sekarang sedang berkembang suatu teknik baru yakni remediasi elektrokinetika. Teknik ini cukup mudah dalam aplikasinya dan minim menggunakan bahan-bahan kimia sehingga cukup prospektif dalam pengembangannya. Dalam metode ini suatu arus searah (DC) dilewatkan tanah terkontaminasi sehingga menyebabkan logam kontaminan bergerak pindah kearah elektroda meninggalkan tanah. Beberapa kontaminan yang pernah diteliti (2) antara lain Cd, Cr dan Cd , Zn dan (3) 4) (5) Cd . Cd dan Hg( serta Cd semua dalam skala laboratorium serta skala (6) lapangan utk Asam Asetat dan Phenol . Dalam teknik elektrokinetika konvensional, elektroda disisipkan secara langsung ke dalam tanah yang diolah, akibatnya hidroksil yang timbul di katoda bergerak ke tanah yang mengakibatkan naiknya pH dekat/ sekitar katoda. Karena logam berat terpresipitasi pada pH tinggi dan lebih jauh lagi suatu pH tinggi mendorong/ kondusif bagi sorpsi logam berat di atas permukaan tanah, maka logam berat terbanyak akan ditemui di tanah dekat katoda setelah proses remediasi. Disinilah letak permasalahan/ kelemahan metode terdahulu. Melalui metode ini suatu larutan penghantar (elektrolit) disisipkan diantara katoda dengan tanah yang diolah. Dengan cara ini logam berat dapat berpindah keluar dari tanah sebelum terpresipitasi sebagai hidroksida. Untuk mempelajari kinetika dari metoda ini,
sejumlah percobaan dengan berbagai kondisi telah dilakukan dengan menggunakan Kadmium (Cd) sebagai kontaminan serta pasir (artificial contaminated sand) sebagai model tanah tercemar dan KCl sebagai larutan penghantar dan simulasi air tanah. 1.2. Dasar Teori Kadmium (Cd) adalah logam yang lunak dengan berat atom 112,40. Umumnya ditemukan dalam kondisi stabil pada valensi II, seperti misalnya CdS. Logam ini mampu membentuk ion dalam senyawa kompleks atau hidroksidanya, seperti misalnya dengan ammonia, 43Cd(NH3)6 , dan sianida Cd (CN)4 . Cd juga mampu membentuk senyawa chelate.Ion Cd yang insoluble (tidak larut) dapat tejadi bila terhidrasi oleh karbonat, arsenate, atau fosfat. Dalam tanah Cd ditemukan dalam bentuk dan spesies, seperti misalnya (Fetter, 1999): •
•
• • • •
Spesies yang dapat dipertukarkan, seperti misalnya bila teradsorpsi karena gaya elektrostatis pada permukaan lempung atau organic particulate. Fase yang dapat tereduksi (reducible hydrous-oxide phase), misalnya bila teradsorpsi atau kompresipitasi dengan oksida, hidroksida dari Fe dan Mn atau Al yang melapisi mineral lempung. Spesies karbonat, bila mengalami presipitasi bersama karbonat dalam kondisi pH tinggi. Spesies organik, bila terkompleksasi dengan zat organik. Lattice fase, bila terfiksasi dalam struktur kristal mineral. Spesies sulfida, bila bereaksi membentuk senyawa insoluble yang sangat stabil.
Cd berada pada larutan tanah dalam bentuk ion ataupun dalam senyawa kompleks dengan zat organik.
Uji Pemisahan Kadmium.....J. Tek. Ling. PTL-BPPT. 7(2): 258-265
259
-2
-1
-1
……….....……
Kadmium merupakan logam yang sangat beracun bagi manusia. Selain diduga karsinogenik, logam ini dapat menyebabkan gangguan pada pencernaan, ginjal, dan kerusakan tulang.
J = fluks bahan (mol m dt ) dan i adalah -2 rapat arus (Amp m ) maka,
Dalam teknik penyisihan suatu logam berat dengan prinsip elektrokinetika, pemahaman akan proses-proses elektrokimia menjadi penting. Seperti diketahui bahwa reaksi elektrokimia merupakan reaksi-reaksi elektroda yang digerakan oleh arus listrik yang mengalir diantara anoda dan katoda. Pada reaksi elektrolisis air, reaksi-reaksi yang terjadi adalah;
Fluks bahan (J) akan terkait dengan perpindahan massa.
+
Anoda : H2O ? 2H + ½ O2 ? + 2e -
Katoda : 2H2O + 2e ? 2OH + H2 ? Dalam reaksi ini anoda menghasilkan ion-ion hidrogen, sedangkan katoda menghasilkan ion-ion hidroksil yang masing-masing menghasilkan pemukaan (6) asam dan basa disekitarnya . Menurut prinsip hukum Faraday, arus adalah fungsi perpindahan sejumlah muatan (Q) per satuan waktu (t) atau lebih sederhananya berupa jumlah elektron yang berpindah selama proses elektrolisis yang dinyatakan dengan;
J =
i nF
dQ dM = nF …..…….………… (2) dt dt jika
260
dM dQ = J dan = i dimana dt dt
(3)
Dalam praktek aplikasi prinsip elektrolisis untuk penyisihan kontaminan dari tanah di bawah pengaruh medan listrik, dikenal 3 mekanisme utama, yakni elektroosmotik, elektroporesis dan elektromigrasi. Elektromigrasi merupakan perpindahan suatu ion bermuatan dalam suatu larutan, sedangkan pada elektro osmotik suatu larutan yang mengandung ion bergerak relatif terhadap suatu permukaan bermuatan yang stationer. Elektroporesis kebalikan dari elektroosmotik, dimana partikel bermuatan bergerak relatif (3) terhadap cairan yang stationer Mempertimbangkan kondisi percobaan dalam penelitian ini maka elektroosmosis dapat dieliminir dan hanya mempertimbangkan proses elektromigrasi saja. Laju fluks massa seperti diuraikan dalam persamaan (3) diatas sebenarnya juga menggambarkan laju reaksi elektroda (rmt ) yang terjadi dimana,
Q = n.F.M (coulomb) …..….....…. (1) Q merupakan muatan yang terbentuk 2+ akibat ionisasi M mol bahan (misal Cd , dll) sehingga;
-2
mol m det
rmt =
I -2 -1 mol cm det .............. (4) nFA
Persamaan lengkap satu dimensi untuk transfer massa dalam proses elektromigrasi tersebut diatas diformulasikan oleh dan dikenal dengan persamaan Nernst-Planck sbb;
Ji(x) = −Di
Purwanta, W.,. 2006
∂Ci(x) ni F ∂φ(x) − DiCj +CiV(x) ……(5) ∂x RT ∂x
dimana, J i(x) = fluks massa unsur –i (mol -2 -1 2 m det ; Di = koefisien difusi unsur –i (m -1 dt ); ni = jumlah muatan ion; Ci = -3 konsentrasi unsur –i (mol m ) dan V(x) = -1 kecepatan fluida (m dt ). Dalam banyak penelitian elektromigrasi (termasuk penelitian ini), faktor Ci V(x) atau adveksi sering (4) ditiadakan . Dalam pemahaman (1) persamaan (5), Bard . menyatakan bahwa arah dan besarnya arus (kontribusi) akibat difusi (id) dan migrasi (i m) akan berbeda disetiap lokasi dan waktu tertentu. Di dekat elektroda arus bisa disebabkan oleh keduanya sementara di ruah larutan mungkin difusi menjadi lebih kecil dibanding migrasinya. Arah id dan i m akan sangat tergantung pada arah medan listrik dan muatan listrik ion yang bersangkutan. Secara lebih sederhana fenomena perpindahan massa pada proses berdasar elektrolisis ini dapat ditunjukkan oleh suatu koefisien transport (7) massa KL sebagai berikut, i = n. F. KL. C
atau
I = n. F. KL. C. A ......................... (6)
1.3. Metodologi Penelitian Dalam penelitian ini akan dilakukan percobaan dalam media pasir (artificial contaminated sand) dimana Cd sengaja dipaparkan pada media pasir seragam pada konsentrasi C0 = 100, 400, 900 ppm, waktu percobaan t = 8, 24, 48 jam serta KCl 0,01 M. a.
Peralatan dan Bahan • • • • • • • • • • •
b.
Tabung flexyglass 1 meter dan Ø 5 cm Elektroda karbon tebal 0,75 cm, Ø 5 cm Sumber arus (DC) 30 – 70 V Multimeter Conductivity meter AAS Pasir (silika) Ø 0,15-0,2 mm Kadmium Nitrat [ Cd(NO3)2] Asam Nitrat [ HNO3] Asam Khlorida [HCl] Asam demineral
Prosedur Percobaan
Secara diagramatis, penelitian dilakukan sesuai gambar 1, dimana penyiapan masing-masing langkah penelitian adalah sbb;
-2
dimana, i = rapat arus (Amp m ), KL = -1 koefisien transpor massa ( m dt ), I = kuat arus (Amp), n = jumlah muatan elektron, C = konsentrasi larutan (mol m 3 ), F = konstanta Faraday, A = luas 2 elektroda (m ).
Dengan mengacu pada persamaan (6) dimana I yang digunakan adalah total I yang terbaca melalui alat ukur sedangkan C adalah konsentrasi ion Cd yang tersisihkan, maka KL berma kna sebagai koefisien transfer massa ion Cd dalam percobaan baik akibat arus migrasi ionik maupun arus akibat difusi.
Sampel pasir
-
-
-
Sampel pasir sebanyak 0,69 kg untuk tiap percobaan dan Cd(NO3)2 sebesar masing-masing 145,11mg, 580 mg dan 1306 mg agar diperoleh C0 = 100 ppm, 400 ppm dan 900 ppm
per berat kering pasir. Penyiapan larutan KCl 0,01 M. Mencampurkan masing-masing takaran berat Cd(NO 3)2 ke dalam pasir dan aduk rata. Memasukan larutan KCl ke dalam tabung flexyglass secara vertikal. Memasukan pasir yang telah tercampur timbal nitrat ke dalam
Uji Pemisahan Kadmium.....J. Tek. Ling. PTL-BPPT. 7(2): 258-265
261
tabung, tunggu sampai gelembung udara keluar semua lalu disisipkan filterglass. -
Memasukan sisa larutan KCl sampai penuh seluruh tabung lalu ditutup dengan elektroda karbon dan hubungan dengan sumber arus.
-
Pengamatan dilakukan tiap 1 jam terhadap besaran arus dan pH baik di titik dengan anoda (pH1), katoda (pH2 )dan dekat filterglass (pH3).
pH point
Anoda
2. HASIL DAN PEMBAHASAN Secara teoritis, konduktivitas sistem sangat menentukan dalam pencapaian hasil akhir seluruh percobaan elektromigrasi ini. Pengukuran terhadap pH di titik dekat katoda menunjukkan nilai rendah (asam) pada awal pengukuran dan naik tajam setelah 8 jam. Ini menunjukan perbedaan pH yang tajam (pH jump) terjadi di sekitar / dekat katoda di awal percobaan. pH jump akan bergerak ke arah anoda seiring terdesaknya permukaan asam oleh permukaan basa yang dihasilkan di anoda.
Katoda
Pasir + Cd(NO 3) 2
Pada awal tiap percobaan ion OH yang dihasilkan katoda, digunakan untuk pembentukan presipitat oleh logam (Cd) atau oleh kation-kation lain yang mungkin ada di tanah serta telah melampaui tetapan kelarutan standardnya. Hal ini menyebabkan pH jump masih berada dekat katoda.
KCL 0,01 M
Am
DC
Gambar 1. Rangkaian Percobaan
Adapun kondisi percobaan keseluruhan adalah sbb:
secara
Gambar 2 menunjukan pola kecenderungan perubahan pH baik pada media pasir dan pada berbagai konsentrasi Cd, dimana diukur pada titik 10 cm kaearah cairan dari filterglass. Sementara Gambar 3 memperlihatkan gambaran perubahan pH pada ke tiga titik tinjau dalam kurun 48 jam.
Tabel 1. Kondisi /Variasi Percobaan [Cd] (ppm)
KCl
T
DC
[M]
(jam)
(V)
Pasir
100
0,01
8
40
2
Pasir
400
0,01
24
40
3
Pasir
900
0,01
48
40
4
Pasir
100
0,01
8
40
5 6
Pasir Pasir
400 900
0,01 0,01
24 48
40 40
7
Pasir
100
0,01
8
40
8
Pasir
400
0,01
24
40
9
Pasir
900
0,01
48
40
No.
Media
1
262
Anoda yang terus menerus + menghasilkan ion H akan ditarik kearah permukaan partikel tanah yang bermuatan negatip, akibatnya + konsentrasi ion H yang bergerak kearah katoda sangat terbatas serta mobilitasnya berkurang akibat keberadaan butiran tanah. Dengan kata lain pergerakan ion + H menjadi lebih lambat bila dibandingkan ion OH yang dihasilkan di katoda. Pada percobaan ini KCl ditambahkan guna mendapatkan suatu larutan yang konduktif.
Purwanta, W.,. 2006
12
7
10
6 i (A/m2)
pH
8 6
4 3 2
4
1
2
0
0
0 0
6
Cd 100
12
18
24
30
Cd 400
36 Cd 900
42
48
Gambar 4.
Hasil percobaan yang mengacu pada kondisi percobaan sesuai Tabel 1 memperlihatkan adanya perbedaan pola rapat arus (i). Gambar 4 memperlihatkan secara umum perbedaan pola rapat arus yang dimaksud dalam skala waktu 48 jam pada konsentrasi KCl 0, 01 M.
14 12 0 jam
10
2 jam
8
4 jam
6
8 jam 24 ja m
4
48 jam 2 0 10
50
4
8
100ppm
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 400ppm
900ppm
t (jam)
t (jam)
Gambar 2. pH dititik tinjau
pH
5
100
Jarak dari Anoda (cm)
Gambar 3. Kecenderungan pH selama 48 Jam
Dengan potensial tegangan sel yang tetap, pada media pasir arus meningkat di awal percobaan (+/- 8 jam) kemudian menurun sepanjang sisa waktu 48 jam dan ada kecenderungan konstan pada tingkat arus yang rendah. Naiknya arus di awal percobaan disebabkan oleh meningkatnya konsentrasi ion Cd akibat proses desorpsi dari permukaan tanah dan disolusi presipitat pada daerah pH rendah (sekitar anoda). Konduktivitas “sistem” tercermin dalam pola arus yang terjadi sebagaimana dinyatakan dalam persamaan (6) diatas.
Perbedaan pola rapat arus pada konsentrasi KCl 0, 01 M.
Hasil penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa pada konsentrasi Cd yang lebih tinggi, akan membangkitkan arus awal (saat t ˜ 0 ) yang juga lebih tinggi bila dibandingkan pada konsentrasi Cd yang lebih rendah (Probstein, 1993). Pada konsentrasi tinggi arus dibangkitkan akibat kontrol kinetika yang berlangsung lebih cepat bila dibandingkan pada konsentrasi yang lebih rendah. Fluks (J) merupakan fungsi dari konsentrasi ion Cd yang bermigrasi (C), serta besarnya beda potensial listrik (? ) sesuai persamaan (5). Nilai fluks Cd yang terus meningkat berlawanan dengan arus total yang terukur yang justru terus menurun. Ini bisa diartikan peran ion Cd dalam arus total terus meningkat seiring waktu percobaan. Dengan kata lain di awal percobaan arus lebih banyak dibangkitkan oleh ion-ion lain selain ion Cd. Turunnya arus seiring waktu bisa diartikan sebagai mulai lambatnya laju reaksi di elektroda. Diduga telah terjadi deteriorasi di elektroda karbon (perlu penelitian lebih dalam) yang menyebabkan menurunnya luas permukaan efektif elektroda. Selain itu juga diperkirakan telah terjadi kejenuhan ion disekitar elektroda sehingga hanya sedikit sekali ion yang masih tetap bergerak dan terpindahkan ke elektroda pada saat periode percobaan diatas 48
Uji Pemisahan Kadmium.....J. Tek. Ling. PTL-BPPT. 7(2): 258-265
263
jam. Kemungkinan lain yang turut menyebabkan turunnya arus adalah terjadinya fouling di elektroda (masih harus dibuktikan) sehingga menghambat transfer elektron ke elektroda.
Efisiensi (%)
100 80 60 40 20 0 8 100 ppm
24 400 ppm
48 900 ppm t (jam)
Gambar 5. Efisiensi Arus selama 48 jam
Seperti telah diuraikan sebelumnya bahwa proses transfer massa yang terjadi dalam proses elektrokinetik sistem batch ini adalah migrasi dan difusi ionik sebagaimana persamaan (5). Apabila J i(x) adalah fluks yang besarnya adalah i/nF, maka dapat dipastikan bahwa arus yang terjadi selama proses elektromigrasi adalah arus akibat migrasi ionik (im ) dan arus akibat difusi (id). Dalam suatu reaktor besarnya perbandingan antara im dan id pada suatu lokasi dan waktu tertentu akan sangat bervariasi (Bard dkk, 1980).
yang turut mempengaruhi transfer massa seperti model sorpsi kontaminan dengan media pasir dapat dimasukkan sebagai koefisien transfer massa (KL). Nilai-nilai KL akan sangat bervariasi tergantung kondisi percobaan, atau sangat spesifik untuk suatu keadaan tertentu. Dari tabel L.3 terlihat bahwa koefisien transfer massa (KL) untuk -4 konsentrasi Cd 100 ppm = 4,16 x 10 m/dt (24 jam) yang lebih tinggi dari Cd -5 900 ppm sebesar 1,58 x 10 m/dt. Besaran koefisien transfer massa ini berbanding terbalik dengan rapat arus yang dibangkitkan dari kedua konsentrasi Cd diatas. Pada Cd 100 ppm rapat arus 2 sebesar 4,27 A/m sedangkan pada Cd 2 900 ppm rapat arus sebesar 5,73 A/m . Nilai rapat arus bila dibandingkan dengan Cd yang berhasil disisihkan dari pasir, yakni untuk Cd 100 ppm tersisihkan 8,95 ppm (8,95%) dan Cd 900 ppm tersisihkan sebesar 350,55 ppm (38,95%). Ini memperlihatkan bahwa semakin tinggi konsentrasi semakin besar arus yang dibangkitkan dan ketersisihan juga meningkat. Nilai Cd tersisihkan, rapat arus dan koefisien transfer massa dapat dilihat selengkapnya di Lampiran. 3. KESIMPULAN
Dengan persamaan (5) fluks yang sebenarnya dari ion Cd akan dapat dihitung apabila diketahui diffusivity (D) dan mobility (µ) dari ion Cd. Dalam persamaan (5), mobility (µ) merupakan fungsi dari (nF/RT) Di. Guna keperluan praktis seperti aplikasi di lapangan maka persamaan (6) lebih mudah digunakan, yang formulasinya bisa disusun lagi menjadi; J i = K LCi Dengan persamaan ini semua penyimpangan yang terjadi antara nilai D dan µ teoritis dengan yang terjadi di dalam reaktor maupun faktor-faktor lain
264
Dengan metode elektromigrasi yang diterapkan, Cd dapat tersisihkan dimana konsentrasi awal Cd dalam media (C0), periode percobaan (t), konsentrasi larutan elektrolit (KCl), serta kuat arus (I) mempengaruhi tingkat efisiensi penyisihan dan koefisien transfer massa (KL) Cd dalam sistem. Pada media percobaan dengan periose 24 jam, Cd 100 ppm diperoleh KL -4 = 4,16 x 10 m/det dimana efisiensi penyisihan Cd mencapai 15,98%. Pada Cd 400 ppm dengan periose sama -5 diperoleh harga KL = 4,03 x 10 m/det dengan efisiensi penyisihan sebesar
Purwanta, W.,. 2006
44,18% atau lebih besar. Sementara hasil penyisihan yang lebih besar lagi diperoleh pada Cd 900 ppm dimana KL = -5 1,58 x 10 m/det dengan efisiensi 78,74%. Dari percobaan juga terlihat bahwa Cd yang tersisihkan akan lebih banyak didapati di sekitar katoda bila dibandingkan di larutan. Sedangkan semakin rendah pH pasir maka mobilitas Cd makin tinggi, hal ini berkaitan dengan tingkat desorpsi Cd yang tinggi pada pH rendah. Dari percobaan terlihat bahwa karena sistem tertutup, maka proses penyisihan Cd dapat dilakukan dengan elektromigrasi itu sendiri, sementara proses seperti elektroosmosis dapat diabaikan. Karena ion Cd terpresipitasi di luar tanah, maka porositas dan tortuositas media padat diharapkan tidak banyak berubah. Penurunan konduktivitas terjadi akibat berubahnya atau menurunnya aktivitas dan mobilitas ion serta meningkatnya resistensi sistem.
DAFTAR PUSTAKA 1.
2.
3.
4.
5.
6.
Bard, A.J & Faulkner, L.R, 1980, Electrochemical Methods – Fundamentals and Applications, New York, John Wiley & Sons. Goodridge, 1995, Electrochemical Process Engineering – A guide to design of lectrolytic plant, New York, Plenum Press Harrison, R.M & Laxen, D.P, 1984, Lead Pollution – causes and control, London, Chapman & Hall. Li, Z., Ji Wei Yu, Neretnieks, 1997, Removal of Cd (II), Cd (II), and Cr (II) from sand by electromigration, Journal of Hazardous Materials, 55 (295-304) Probstein, R & Hicks, E., 1993, Removal of Contaminants from Soils by Electric Fields, Science Vol 260. Purwanta, W., 2005, Penyisihan Timbal (Pb) dari Tanah Terkontaminasi Dengan Proses Elektromigrasi, JTL Vol 6., No. 3, September 2005. Suprihanto, N. 2005, Pencemaran Tanah dan Air Tanah, Penerbit ITB
Uji Pemisahan Kadmium.....J. Tek. Ling. PTL-BPPT. 7(2): 258-265
265
