PENYISIHAN KADMIUM DALAM AIR DENGAN MENGGUNAKAN ADSORBEN BATANG JERAMI Ratni Dewi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe, PO Box 90 Lhokseumawe Email :
[email protected]
ABSTRACT The presence of heavy metals in industrial waste can pose problems for the environment, especially aquatic life. To overcome this processing needs to be done before discharge into water bodies. One method of treatment is through the adsorption process. This study aims to determine the ability of straw to eliminate cadmium (Cd) in water. The method used is the batch system, using adsorption column. Before it is used as adsorbent, straw activated with HCl to a solvent concentration of 0.25 N. Time variation of the adsorption column efuent sampling performed every 30 minutes for four hours. From the results obtained, without activation of straw, has a better adsorption capacity that is the removal efficiency of 84.4%. Key words: Adsorption, activators, adsorbents, cadmium, straw
PENDAHULUAN Pencemaran lingkungan perairan yang disebabkan oleh logam-logam berat yang berasal dari limbah industri sudah lama diketahui. Limbah cair yang mengandung logam berat menjadi masalah yang serius karena persenyawaan logam di perairan sulit diuraikan oleh mikroorganisme. Senyawa kimia yang sangat beracun bagi organisme hidup dan manusia adalah yang mempunyai bahan aktif dari logam-logam berat. Daya racun yang dimiliki oleh bahan aktif logam berat akan bekerja sebagai penghalang kerja enzim dalam proses fisiologis atau metabolisme tubuh, sehingga proses metabolisme terputus. Salah satu logam berat tersebut adalah kadmium. Kadmium merupakan salah satu jenis logam berat yang berbahaya karena elemen ini beresiko tinggi terhadap pembuluh darah. Kadmium berpengaruh terhadap manusia dalam jangka waktu
panjang dan dapat terakumulasi pada tubuh khususnya hati dan ginjal. Keracunan kadmium dapat bersifat akut dan kronis. Efek keracunan yang dapat ditimbulkannya berupa penyakit paru-paru, hati, tekanan darah tinggi, gangguan pada sistem ginjal dan kanker. Kadmium dalam air berasal dari pembuangan industri dan limbah pertambangan. Logam ini sering digunakan sebagai pigmen pada keramik, dalam penyepuhan listrik, pada pembuatan alloy, dan baterai alkali. Mengingat akibat yang ditimbulkan oleh air limbah cair yang mengandung logam berat cukup berbahaya, maka pengolahan air limbah sebelum dibuang ke lingkungan harus dilakukan secara baik. Pengolahan limbah pada umumnya memerlukan biaya yang mahal, oleh karena itu perlu dicari metode pengolahan yang sederhana, aman dan murah. Penggunaan biomateria limbah pertanian dan perkebunan merupakan salah satu teknologi yang dapat dipertimbangkan,
mengingat materialnya mudah di dapatkan dan membutuhkan biaya yang relatif murah. Beberapa material seperti serbuk gergaji, daun teh, residu wortel, tempurung kelapa dan sekam padi telah digunakan sebagai bahan penyerap logam berat dalam air. Pada penelitian ini akan diteliti penggunaan batang jerami sebagai adsorben. Batang jerami merupakan salah satu limbah dari hasil pengolahan padi yang banyak terdapat di Indonesia. Untuk hasil panen padi di Aceh Utara saja diperkirakan rata-rata 5 s/d 6 ton/hektar, sehingga batang jerami sangat murah dan mudah untuk didapatkan. Pemanfaatan batang jerami padi masih belum optimal, umumnya digunakan sebagai pakan ternak, pembuatan pupuk kompos, media tumbuh jamur merah dan lain sebagainya. Sedangkan penggunaannya sebagai absorben belum banyak dilakukan. Kajian tentang penyisihan logam berat telah dilakukan oleh beberapa peneliti sebelumnya [1, 2, 3, 4]. Penelitian penyisihan Nikel dan Kadmium pernah dilakukan dengan menggunakan karbon aktif yang
terbuat dari limbah pertanian seperti ampas tebu, jerami padi dsb, dimana kandungan utama limbah pertanian tersebut adalah selulosa adalah lignin [3]. Begitu pula penggunaan batang jerami sebagai penyerap pestisida dan zat warna [4, 5]. Atas dasar pertimbangan di atas, maka pada penelitian ini akan dikaji lebih mendalam kemampuan batang jerami sebagai adsorben dalam penyisihan ion kadmium dalam air. METODE Bahan dan Peralatan Penelitian Bahan yang digunakan adalah batang jerami, kristal CdSO4.H2O, HCl 0,25 M dan aquades. Sedangkan peralatan yang digunakan adalah ayakan 35 mesh, erlenmeyer 125 ml, neraca analitik, pipet 1ml dan 5 ml, gelas Ukur 25 dan 50 ml, kertas saring whatman, beaker glass 250 ml, oven, Spektrofotometer Serapan Atom (AAS), pH meter, kolom adsorpsi dengan ukuran : Tinggi kolom (H) = 1,5 m, diameter (D) = 3 inc (terbuat dari PVC), dan pompa centrifugal.
1 4
Kolom Adosorpsi
Keterangan : [1] Kolom Adsorpsi : H = 1,5 m, D = 3 inc, tinggi unggun = 70 cm, terbuat dari pipa PVC . [2] Tangki Limbah influen Terbuat dari PVC, kapasitas 30 liter. [3] Pompa Centrifugal [4] Pipa distribusi limbah : PVC ukuran ¼ inc
Tangki limbah influen
2
3
Efluen dianalisa kadar kadmium
Gambar 1. Skema Peralatan Kolom Adsorpsi
Tahap Pelaksanaan a. Perlakuan Pendahuluan terhadap Batang Jerami Tahapan ini dimaksudkan untuk mempersiapkan batang jerami agar dapat digunakan dalam pengoperasian, yaitu sesuai dengan ukuran yang diinginkan. Tahapannya sebagai berikut : mula-mula batang jerami dibersihkan (dicuci), kemudian dipotong dengan ukuran 5 cm. Selanjutnya dikeringkan dalam oven pada temperatur 105oC selama 1 jam, dengan tujuan untuk menghilangkan kadar air dalam batang jerami. Batang Jerami yang telah kering dihaluskan dan diayak pada ukuran 35 mesh. Dilanjutkan dengan tahap aktivasi, yaitu perendaman dengan larutan HCl 0.25 M selama 1 jam, disaring dan dikeringkan. Batang jerami tersebut kemudian dicuci dengan aquades hingga pH netral. Batang jerami ini akan digunakan sebagai adsorben untuk penyisihan kadmium. b. Pembuatan Larutan CdSO4.8H2O 50 ppm (larutan Stok) Ditimbang kristal CdSO4.8H2O sebanyak 156,75 mg, kemudian dimasukkan ke dalam labu takar 1 liter dan tambahkan aquades hingga tanda batas. Larutan ini digunakan sebagai limbah artifisial. c. Pelaksanaan Proses Adsorpsi. Pertama-tama adsorben batang jerami diisi ke dalam kolom adsorpsi dengan ketinggian 70 cm. Kemudian limbah yang berisi ion kadmium dialirkan melalui bagian atas kolom adsorpsi dengan kecepatan tetap. Selanjutnya efluen dari kolom adsorpsi dikembalikan ke tangki air limbah dan dianalisa setiap 30 menit sekali hingga dicapai waktu jenuh, yaitu pada saat konsentrasi efluen = konsentrasi influen.
d. Variabel Penelitian Variabel tetap pada penelitian ini adalah kecepatan (laju alir) limbah, tinggi unggun batang jerami 70 cm, massa batang jerami, ukuran adsorben batang jerami 35 mesh, konsentrasi limbah 6 mg/L, waktu aktivasi 1 jam, dan jenis pelarut aktivasi HCl 0,25 N. Sedangkan variabel bebas adalah kondisi adsorben yakni dengan aktivasi dan tanpa aktivasi serta waktu pengambilan sampel yaitu 30 menit, 60 menit, 90 menit, 120 menit dan 150 menit. Adapun variabel terikat adalah konsentrasi ion kadmium dalam air setelah melewati kolom adsorpsi. HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian ini dilaksanakan di laboratorium Kimia Dasar dan Satuan Operasi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe. Proses Adsorpsi dilakukan dengan cara batch, dengan menggunakan kolom adsorpsi dengan tinggi 1,5 m yang terbuat dari PVC dan diisi adsorben batang jerami setinggi 70 cm. Proses Adsorpsi dengan Adsorben Tanpa Aktivasi Dari proses adsorpsi, diperoleh hasil seperti pada Gambar 2. Dari Gambar tersebut terlihat bahwa semakin lama waktu kontak yang diberikan, efisiensi penyisihan ion kadmium yang diperoleh semakin kecil, dimana pada waktu 30 menit memberikan persen penyisihan yang paling besar, yakni 84,8 %. Tetapi kondisi ini lama kelamaan mulai menurun sejalan dengan kondisi adsorben yang mulai jenuh oleh adsorbat. Pada waktu kontak 240 menit atau sekitar 4 jam, efisiensi penyisihan menurun dan hanya sebesar 48,3 %. Tapi kondisi adsorben belum mencapai kondisi jenuh, sehingga dari trend data yang diperoleh menunjukkan waktu jenuh adsorben masih jauh di atas 240 menit. Kemampuan adsorben jerami untuk menjerap ion kadmium cukup besar pada
waktu 30 menit – 150 menit. Hal ini dikarenakan kemampuan serat jerami untuk mempertukarkan kation dan membentuk senyawa kelat pada masing-masing gugus fungsinya masih aktif, tetapi bersamaan lamanya waktu pengambilan sampel, pada waktu 210 menit dan 240 menit daya sorpsi adsorben mulai menurun, yang ditunjukkan oleh kenaikan konsentrasi kadium. 90
% Removal
80 70 60 50 40 30 0
100
200
300
Waktu (Menit)
Gambar 2. Persen penyisihan kadmium berdasarkan waktu dengan adsorben jerami (tanpa aktivasi) Proses penyerapan yang menggunakan material biologi (biomaterial) sebagai sorben disebut biosorpsi. Biomaterial yang digunakan sebagai penyerap disebut biosorben. Penyerapan dapat melalui pengikatan aktif dan pasif. Pengikatan aktif melibatkan reaksi metabolisme terjadi pada biomaterial yang hidup sedangkan pengikatan pasif hanya terjadi pada biomaterial yang telah mati, pada penelitian ini termasuk pengikatan pasif. Pada pengikatan pasif, penyerapan terjadi pada permukaan dinding sel dan permukaan eksternal lainnya melalui mekanisme kimia dan fisika seperti pertukaran ion, pembentukan kompleks, dan adsorpsi secara keseluruhan. Jerami padi padi mengandung
senyawa-senyawa selulosa, lignin, lemak dan protein, dengan komnponen utamanya adalah selulosa. Selulosa merupakan polisakarida dengan rumus molekul (C6H10O5)n dan merupakan jaringan berserat dalam tumbuhan. Selulosa tersusun atas rantairantai panjang sejajar yang terikat satu sama lin oleh ikatan hidrogen sehingga membentuk struktur seperti anyaman yang disebut fibril. Dengan struktur seperti ini yang menyebabkan selulosa mampu menjerap ion logam secara fisika [6]. Penangkapan logam-logam oleh biomaterial terjadi melalui proses penyerapan yang melibatkan gugus-gugus fungsional yang terikat pada makromolekul permukaan sel seperti : protein, polisakarida, lignin, chitin, chitosan, dan biopolymer lain yang terdapat dalam dinding sel biomaterial tersebut. Gugus fungsional dimaksud meliputi gugus-gugus karboksilat, hidroksil, imidazol, sulfohidril, dan fosfat. Pembentukan kompleks bergantung pada kemampuan berinteraksi beberapa gugus dalam makromolekul yang berfungsi sebagai ligan untuk membentuk khelat dengan ion logam dan daya mempolarisasi ion logam yang bersangkutan. Daya mempolarisasi ditentukan oleh perbandingan antara muatan dan jari-jari ion lo gam tersebut. Suatu kation dengan daya mempolarisasi yang tinggi disenangi oleh ligan sebagai pusat muatan positif berkerapatan tinggi, sehingga menghasilkan interaksi yang kuat. Proses adsorpsi ion kadmium secara kimia melalui interaksi gugus karbonil (CO) dan hidroksidanya (OH). Gugus-gugus ini dapat mengikat ion Cd2+ melalui ikatan ion atau ion-polar (Mamari, 1997 dalam Setyawan, 2006). Hal ini sesuai dengan penelitian sebelumnya [7] yang menyatakan bahwa selulosa dan lignin memegang peranan yang sangat penting
dalam proses adsorpsi ion logam berat, karena terjadinya ikatan kovalen termasuk juga dengan gugus karbonil. Proses adsorpsi ion Cd2+ oleh batang jerami ini terjadi melalui ikatan koordinasi antara kation Cd2+ yang bertindak sebagai ion pusat dan selulosa serta lignin sebagai ligan.
Proses Adsorpsi Menggunakan Adsorben yang diaktivasi Hasil proses adsorpsi dengan menggunakan adsorben yang diaktivasi ditunjukkan pada grambar 3. 50 40 % Removal
Pearson dalam Sukarta (2008) mengemukakan suatu prinsip yang disebut Hard and Soft Acid Base (HSAB). Liganligan dengan atom yang sangat elektronegatif dan berukuran kecil merupakan basa keras, sedangkan ligan-ligan dengan atom yang elektron terluarnya mudah terpolarisasi akibat pengaruh ion dari luar merupakan basa lemah. Sedangkan ion-ion logam yang berukuran kecil namun bermuatan positip besar, elektron terluarnya tidak mudah dipengaruhi oleh ion dari luar, ini dikelompokkan ke dalam asam keras, sedangkan ion-ion logam yang berukuran besar dan bermuatan kecil atau nol, elektron terluarnya mudah dipengaruhi oleh ion lain, dikelompokkan ke dalam asam lemah. Menurut prinsip HSAB, asam keras akan berinteraksi dengan basa keras untuk membentuk kompleks, begitu juga asam lemah dengan basa lemah. Interaksi asam keras dengan basa keras merupakan interaksi ionik, sedangkan interaksi asam lemah dengan basa lemah, interaksinya lebih bersifat kovalen. Ion kadmium (Cd2+) merupakan ion yang bersifat asam lemah, sehingga akan membentuk ikatan kovalen yang mudah lepas. Dari data yang ada menunjukkan mula-mula kadmium diadsorpsi secara fisika melalui fibril, kemudian dilanjutkan dengan adsorpsi kimia yang membentuk ikatan kovalen yang lemah. Ikatan ini sangat mudah terdegradasi, sehingga peristiwa desorpsi sangat cepat terjadi.
30 20 10 0 0
100
200
300
Waktu (Menit)
Gambar 3. Persen penyisihan kadmium berdasarkan waktu dengan adsorben jerami yang diaktivasi Dari gambar tersebut terlihat bahwa semakin lama waktu kontak yang diberikan, efisiensi penyisihan ion kadmium yang diperoleh semakin kecil, dimana pada waktu 30 menit memberikan persen penyisihan yang paling besar, yakni sebesar 40%. Bila dibandingkan dengan gambar 2, dengan waktu yang sama memberikan efisiensi yang jauh berbeda. Tetapi kondisi ini lama kelamaan mulai menurun sejalan dengan kondisi adsorben yang mulai jenuh oleh adsorbat. Pada waktu kontak 240 menit atau sekitar 4 jam, efisiensi penyisihan menurun dan hanya sebesar 6,9 %. Hal ini ditandai dengan konsentrasi akhir pada waktu 4 jam mendekati konsentrasi awal kadmium, yakni sebesar 6 mg/L. Dari gambar 3 di atas, penggunaan aktivasi asam mengakibatkan penurunan daya jerap jerami terhadap ion Cd. Hal ini diduga terjadi karena pada saat penambahan asam pada jerami tersebut, ada sebagian
% Removal
selulosa terurai menjadi turunannya yaitu DGlukosa yang larut dalam air. Akibat kelarutan tersebut, kandungan selulosa dalam jerami menjadi turun, sehingga penjerapan ion kadmium juga tidak tercapai seperti yang diharapkan ( D-Glukosa tidak dapat menjerap ion logam). Tingkat penyisihan kadmium yang diperoleh antara kedua perlakuan, yakni antara aktivasi dan tanpa aktivasi diperlihatkan pada Gambar 4. 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Tanpa Aktivasi Aktivasi
0
100
200
300
Waktu (Menit)
Gambar 4. Perbandingan persen penyerapan kadmium berdasarkan variasi perlakuan adsorben Jerami padi mempunyai mempunyai kemampuan untuk menjerap ion kadmium karena dalam jerami padi terdapat komponen selulosa, dimana kemungkinan proses penjerapannya adalah dengan terjadi pertukaran ion antara ion hidrogen dari gugus OH- selulosa dengan ion kadmium (penjerapan kimia). Selain penjerapan kimia, kemungkinan penjerapan yang terjadi pada penelitian ini adalah penjerapan secara fisika (adsorpsi Van der Waals). Hal ini dapat terjadi karena kondensasi molekuler pada kapiler zat padat. Gaya Van der Waals terjadi karena adanya keseimbangan antara gaya tolak dan gaya tarik dalam molekul. Seperti pada pembahasan di atas telah diketahui
bahwa selulosa mempunyai struktur yang disebut fibril. Dengan struktur yang demikian ini mempermudah logam berat untuk terjerap dalam anyaman tersebut. Dari gambar 4, menunjukkan penyisihan ion kadmium dalam air dipengaruhi pH larutan, karena pH mempengaruhi permukaan adsorben (jerami) untuk mempertukarkan ion. Pada pH 6-7 (pencucian dengan akuades), menunjukkan tingkat penyisihan yang sangat baik, berbeda dengan penggunaan pelarut HCl, pada pH yang rendah mempengaruhi pertukaran ion Hidrogen (H+) dengan ion kadmium. Pada larutan dengan pH rendah mengandung konsentrasi ion Hidrogen (H+) yang tinggi, dimana ion ini akan bereaksi dengan group OH- yang ada pada gugus jerami dan membentuk OH2+. Akibat dari reaksi ini akan mengurangi tingkat kenegatifan yang ada pada permukaan serat jerami, sehingga pertukaran kation (ion Kadmium) menjadi berkurang [9]. Disisi lain, penambahan pH larutan akan mengurangi konsentrasi ion Hidrogen (H+) dalam air dan meningkatkan ionisasi grup ion OH-. Hal ini mendukung hasil yang di dapat pada peneliti sebelumnya. Pada penelitian sebelumnya [9], telah meneliti pengaruh pH [2, 7, dan 10] terhadap penyisihan ion Fe, Zn, dan Mg dengan menggunakan selulosa yang diaktivasi asam Thioglicholic (HSCH2COOH). Hasil yang didapat menunjukkan tingkat penyisihan yang paling besar untuk ketiga logam di dapat pada pH 6, yaitu 83,6 % (Fe), 75,6% (Zn) dan 50,8 % untuk Mg. Begitu juga [9], yang meneliti penggunaan batang cemara untuk menyisihkan ion kadmium. Hasil yang di dapat juga menunjukkan pada pH 7 daya sorpsi yang di dapat juga cukup tinggi.
KESIMPULAN Dari hasil penelitian diperoleh kesimpulan bahwa adsorben yang tidak diaktifasi mampu menyerap ion kadmium lebih banyak dibandingkan yang diaktifasi dengan pelarut HCl dengan efisiensi sebesar 84,8 % dan waktu kontak 3 jam. Pelarut HCl sebagai aktivator, tidak cocok untuk digunakan pada proses adsorpsi ion logam, khususnya logam kadmium. Sedangkan waktu jenuh adsorben batang jerami tanpa aktifasi lebih lama dibandingkan yang diaktifasi. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terima kasih kepada Politeknik Negeri Lhokseumawe, yang telah mendanai penelitian ini melalui dana DIPA PNL tahun 2011. DAFTAR PUSTAKA [1] Dhir, B et al, 2010, Adsorption of Heavy Metal By Salvina Biomass and Agricultur Residues, Journal Environmental Resources, 427-432. [2] El-Sayed et al, 2010, Biosorption of Ni (II) and Cd (II) Ions From Aqueous Solutions Onto Rice Straw, Chemical Science Journal, CSJ-9. [3] Indrajati Kohar et al, 2007, Adsorption Of Cadmium (II) and Lead (II) By Agricultural Wastes, Jurnal Purifikasi, Vol. 8 No. 2, Desember, 103-108. [4] Ken Lin-Chang et al, 2011, Adsorption Studies On Removal of Pesticides (Carbofuran) Using Activated Carbon From Rice Straw Agricultural Waste, World Academic of Science, Engineering and Technology. [5] Hendra Kurniawan, 2010, Penggunaan Jerami Padi Untuk Menyisihkan Warna Limbah Industri Tekstil Color Index Reactive Orange
84, Tesis Magister Program , ITB, Bandung. [6] Erenon, Paul, 2011, Adsorption Studies On Cellulose Surface by Combination of Interfacial Techniques, Doctoral Dissertations, Aalto University, School of Chemical Technology, Department of Forest Technology. [7] Setyawan, Muh Ibnu Budi, 2006. Pengaruh Penambahan Serbuk Gergaji Kayu Jati Pada Mortar Semen Ditinjau Dari Kuat Tekan, Kuat Tarik Dan Daya Serap Air.skripsi, ITS Surabaya. [8] Sukarta, I Nyoman, 2008, Adsorpsi ion Cr3+ Oleh Serbuk Gergaji Kayu Albizia (Albiss Falcata), Tesis Program Magister, IPB Bogor. [9] J.O Akaninwor et al , 2007, Removal of Iron, Zinc and Magnesium from Polluted Water Samples Using Thioglycolic Modified Oil-Palm Fibre, African Journal of Biochemistry Research Vol. 1 (2), pp.011-013. [10] H. Izanloo et al, 2005, Cadmium Removal From Aqueous Solution by Ground Pine Cone, Iranian Journal Environmental Science Engineering, Vo.2 No.1, pp.32-42
