Eka Putri [PDF]

Citation preview

TA/TL-USU/2019/126



PENGARUH WAKTU KONTAK, pH DAN DOSIS ADSORBEN DALAM PENURUNAN KADAR Pb DAN Cd MENGGUNAKAN ADSORBEN DARI KULIT PISANG



TUGAS AKHIR



Oleh



EKA PUTRI SIRINGO-RINGO 140407050



Pembimbing Prof. Dr. Ir. Muhammad Turmuzi, M.S



PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2019



Universitas Sumatera Utara



PENGARUH WAKTU KONTAK, pH DAN DOSIS ADSORBEN DALAM PENURUNAN KADAR Pb DAN Cd MENGGUNAKAN ADSORBEN DARI KULIT PISANG



TUGAS AKHIR



Oleh



EKA PUTRI SIRINGO-RINGO 140407050



TUGAS AKHIR INI DIAJUKAN UNTUK MELENGKAPI SEBAGIAN PERSYARATAN MENJADI SARJANA TEKNIK



PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2019



Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



Universitas Sumatera Utara



KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan penyertaan-Nya penulis mampu menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul “Pengaruh Waktu Kontak, pH dan Dosis Adsorben Dalam Penurunan Kadar Pb Dan Cd Menggunakan Adsorben Dari Kulit Pisang” sebagai persyaratan kelulusan sarjana pada Program Studi Teknik Lingkungan Universitas Sumatera Utara. Penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada seluruh pihak yang telah membantu serta memberikan dukungan dari awal sampai akhir proses pembuatan Tugas Akhir, khususnya kepada : 1.



Bapak Prof. Dr. Ir. Muhammad Turmuzi, MS selaku dosen pembimbing, yang telah memberikan bimbingan, ilmu, masukan, dukungan, waktu, serta bantuan kepada penulis selama pengerjaan Tugas Akhir ini.



2.



Ibu Ir. Netti Herlina, MT. selaku Ketua Program Studi Teknik Lingkungan USU, atas segala bimbingan dan bantuan yang telah diberikan.



3.



Bapak Dr. Amir Husin, S.T., M.T. selaku Sekertaris Jurusan Program Studi Teknik Lingkungan USU.



4.



Ibu Isra’ Suryati, S.T., M.Si. selaku koordinator Tugas Akhir, atas segala bimbingan dan bantuan yang telah diberikan.



5.



Ibu Pono dan Ibu Gesti selaku staf tata usaha Teknik Lingkungan yang telah membantu dalam pengurusan surat administrasi dalam penyelesaian tugas akhir ini.



6.



Semua dosen Teknik Lingkungan yang telah memberikan ilmu-ilmu dan saran dalam penyelesaian tugas akhir ini.



7.



Saudari Devi selaku koordinator Laboratorium Penelitian Fakultas Farmasi USU yang telah membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini.



8.



Staf Laboratorium Beton Jurusan Teknik Sipil Fakultas Teknik USU yang telah membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini.



9.



Staf Laboratorium Ekologi dan Laboratorium Operasi Teknik Kimia USU yang telah membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini.



10. Saudara Juna selaku wakil dekan Politeknik Kimia Industri yang telah membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 11. Semua pihak yang turut membantu penyelesaian Proposal Tugas Akhir ini. Penulis menyadari bahwa penyusunan laporan Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, segala kritik, saran dan masukan yang membangun dari semua pihak sangat i Universitas Sumatera Utara



diharapkan agar di masa yang akan datang laporan ini lebih sempurna. Akhir kata, penulis berharap semoga Tugas Akhir dapat memberikan manfaat bagi kita semua.



Medan,



April 2019



Penulis



ii Universitas Sumatera Utara



ABSTRAK



Logam berat dalam air limbah menimbulkan masalah yang sangat besar bagi organisme dan lingkungan hidup karena memiliki toksisitas yang tinggi dan bersifat non-biodegradability. Salah satu cara untuk mengatasi masalah pencemaran logam berat adalah dengan menggunakan proses adsorpsi dari kulit pisang yang merupakan hasil buangan pertanian. Kulit pisang secara kimia diaktivasi dengan aktivator asam fosfat (H3PO4), dipirolisis dan digunakan untuk mengolah limbah logam di dalam air. Logam berat yang digunakan adalah logam timbal dan kadmium. Karakteristik biosorben dan karbon aktif diuji menggunakan SEM, EDS, Uji Iodin dan FT-IR. Faktor yang mempengaruhi daya serap adsorben dalam penelitian ini adalah variasi waktu kontak, pH dan dosis adsorben. Analisa Kinetika didasarkan pada pseudo orde pertama dan pseudo orde kedua. Persamaan yang digunakan dalam proses adsorpsi adalah persamaan adsorpsi isoterm Langmuir dan Freundlich. Waktu optimum adsorpsi adalah 15 menit dan 60 menit, pH 6 dan pH 4 masing-masing untuk biosorben dan karbon aktif serta dosis optimum untuk keduanya adalah sama sebesar 0,25 gram. Analisa kinetika adsorpsi logam timbal dan kadmium yang sesuai ditunjukkan oleh pseudo orde kedua. Model isoterm adsorpsi yang sesuai ditunjukkan pada model Isoterm Langmuir Kata kunci: Adsorpsi, timbal, kadmium, kulit pisang, asam fosfat.



iii Universitas Sumatera Utara



ABSTRACT Heavy metals in wastewater pose a very big problem for organisms and the environment because they have high toxicity and are non-biodegradability. The way to solve the problem of heavy metal pollution is to use the adsorption process from banana peel which is the result of agricultural waste. Banana skin is chemically activated with phosphoric acid activator (H3PO4), hydrolyzed and used to treat metal wastes in water. Heavy metals used are metal lead and cadmium. Biosorbent and activated carbon characteristics were tested using SEM, EDS, Iodine Test and FT-IR. The factors that influence adsorbent absorption in this study are variations in contact time, pH and adsorbent dose. Kinetics analysis is based on first-order pseudo and second-order pseudo. The equation used in the adsorption process is the Langmuir and Freundlich isotherm adsorption equation. The optimum adsorption time is 15 minutes and 60 minutes, pH 6 and pH 4 for biosorbent and activated carbon respectively and the optimum dose for both is equal to 0.25 grams. Analysis for the appropriate adsorption of lead and cadmium metal kinetics is shown by second-order pseudo. The appropriate adsorption isotherm model is shown in the Langmuir Isotherm model Keywords: Adsorption, lead, cadmium, banana peels, phosphoric acid.



iv Universitas Sumatera Utara



DAFTAR ISI KATA PENGANTAR .................................................................................................... i ABSTRAK ....................................................................................................................... iii ABSTRACT .................................................................................................................... iv DAFTAR ISI ................................................................................................................... v DAFTAR TABEL ........................................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... ix DAFTAR RUMUS ......................................................................................................... x BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................... I - 1 1.1 Latar Belakang ................................................................................................... I - 1 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................. I - 3 1.3 Tujuan Penelitian ............................................................................................... I - 4 1.4 Ruang Lingkup Penelitian ................................................................................. I - 4 1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................................. I - 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................... II - 1 2.1 Logam Berat ....................................................................................................... II - 1 2.1.1 Timbal ....................................................................................................... II - 1 2.1.2 Kadmium ................................................................................................... II - 1 2.2 Kulit Pisang ........................................................................................................ II - 2 2.3 Teknologi Penyisihan Logam Berat .................................................................... II – 2 2.4 Karbon Aktif........................................................................................................ II – 2 2.4.1 Aktivasi ..................................................................................................... II – 3 2.4.1.1 Aktivasi Secara Kimia ............................................................................ II - 3 2.4.1.2 Aktivasi Secara Fisika ............................................................................ II - 3 2.5 Adsorpsi............................................................................................................... II - 4 2.5.1 Adsorpsi Fisika (Physical Adsorption)...................................................... II – 4 2.5.2 Adsorpsi Kimia (Chemical Adsorption) .................................................... II – 4 2.5.3 Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi ........................................... II - 5 2.6 Pemodelan Batch Adsorpsi.................................................................................. II - 6 2.6.1 Model Kinetika Adsorpsi .......................................................................... II - 7 v Universitas Sumatera Utara



2.6.1.1 Pesudo Orde Pertama .................................................................... II - 7 2.6.1.2 PseudoOrde Kedua........................................................................ II - 8 2.6.2 Model Kesetimbangan Isotherm................................................................ II - 8 2.6.2.1 Isotherm Freundlich ...................................................................... II - 9 2.6.2.2 Isotherm Langmuir ........................................................................ II - 9 2.7 Pengujian Karakteristik Adsorben ....................................................................... II - 10 2.7.1 Scanning Electron Microscope (SEM) dan Energy Dispersion Spectrometry (EDS) .................................................................................. II - 10 2.7.2 Uji Daya Serap Iodium .............................................................................. II – 10 2.7.3 FT-IR (Fourier Transform Infra Red) ....................................................... II - 11 BAB III METODE PENELITIAN................................................................................ III - 1 3.1 Lokasi Penelitian ............................................................................................... III - 1 3.2 Waktu Penelitian ............................................................................................... III - 1 3.3 Jenis Penelitian .................................................................................................. III - 1 3.4 Variabel Penelitian ............................................................................................ III - 1 3.5 Pengumpulan Data............................................................................................. III - 2 3.6 Kerangka Penelitian........................................................................................... III - 2 3.7. Langkah Percobaan............................................................................................ III - 2 3.7.1 Pembuatan Air Limbah Sintetik ................................................................ III - 2 3.7.2 Reaktor Penelitian ..................................................................................... III - 4 3.8. Prosedur Percobaan ........................................................................................... III - 4 3.8.1 Pembuatan Adsorben ................................................................................. III - 4 3.8.2 Proses Percobaan Pada Reaktor Batch ...................................................... III - 6 3.8.3 Scanning Electron Microscopy – Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDS)



III - 7



3.8.4 Uji Daya Serap Iodin ................................................................................. III - 7 3.8.5 Fourtier Transform Infrared (FT-IR)



III - 8



3.9. Analisa Data ..................................................................................................... III - 8 3.9.1 Efisiensi Penyisihan (%RE) .................................................................... III – 8



vi Universitas Sumatera Utara



BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................ IV – 1 4.1. Hasil Scanning Electron Microscope (SEM) dan Energy Dispersion Spectrometry (EDS) Permukaan Biosorben dan Karbon Aktif Kulit Pisang IV - 1 4.2. Hasil Uji Iodin Biosorben Dan Karbon Aktif Kulit Pisang ............................... IV – 4 4.3. FT-IR (Fourier Transform Infra Red) ............................................................... IV - 4 4.4. Pengaruh Waktu Kontak Terhadap Adsorpsi Logam Timbal Dan Kadmium ... IV – 6 4.4.1 Pengaruh Waktu Kontak Terhadap Adsorpsi Logam Timbal ................... IV – 6 4.4.2 Pengaruh Waktu Kontak Terhadap Adsorpsi Logam Kadmium ............... IV - 8 4.5. Pengaruh pH Terhadap Adsorpsi Logam Timbal dan Kadmium ...................... IV - 9 4.5.1 Pengaruh pH Terhadap Adsorpsi Logam Timbal ....................................... IV - 10 4.5.2 Pengaruh pH Terhadap Adsorpsi Logam Kadmium ................................. IV - 11 4.6. Pengaruh Dosis Adsorben Terhadap Adsorpsi Logam Timbal Dan Kadmium IV – 13 4.6.1 Pengaruh Dosis Adsorben Terhadap Adsorpsi Logam Timbal .................. IV – 13 4.6.2 Pengaruh Dosis Adsorben Terhadap Adsorpsi Logam Kadmium.............. IV - 15 4.7. Kinetika Adsorpsi .............................................................................................. IV - 17 4.8. Isoterm Adsorpsi ............................................................................................... IV - 20 BAB V PENUTUP .......................................................................................................... V – 1 5.1 Kesimpulan ........................................................................................................ V – 1 5.2 Saran .................................................................................................................. V - 2 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN



vii Universitas Sumatera Utara



DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Karakterisitik Timbal Secara Kimia ............................................................... II - 1 Tabel 2.2 Karakterisitik Kadmium Secara Kimia........................................................... II - 2 Tabel 4.1 Hasil Analisa Daya Serap Iodin Berdasarkan SNI 06-3730-1995



IV - 4



Tabel 4.2 Persaman dan Nilai Koefisien Korelasi Kinetika



IV – 19



Tabel 4.3 Parameter Model Kinetik Adsorpsi Logam Timbal dan Kadmium



IV – 20



Tabel 4.4 Persaman dan Nilai Koefisien Korelasi Isoterm



IV – 22



Tabel 4.5 Parameter Isoterm Adsorpsi Logam Timbal Dan Kadmium



IV - 23



viii Universitas Sumatera Utara



DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Plot Konsentrasi Dan Log Konsentrasi Terhadap Waktu ........................... II - 8 Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian .............................................................................. III - 3 Gambar 3.2 Flowchart Pembuatan Sampel Air Limbah Sintetik ................................... III - 4 Gambar 3.3 Sistem Batch ............................................................................................... III - 4 Gambar 3.4 Flowchart Proses Pembuatan Biosorben .................................................... III - 5 Gambar 3.5 Flowchart Proses Pembuatan Karbon Aktif ............................................... III – 6 Gambar 4.1 Uji SEM Pembesaran 3000x Pada (a) Biosorben Kulit Pisang (b) Karbon Aktif Kulit Pisang...................................................................................... IV - 2 Gambar 4.2 Uji EDS Pada Permukaan Adsorben (a) Biosorben Kulit Pisang (b) Karbon IV – 3



Aktif Kulit Pisang



Gambar 4.3 FT-IR Biosorben dan Karbon Aktif ............................................................ IV - 5 Gambar 4.4 Grafik Pengaruh Waktu Kontak Terhadap Adsorpsi Logam Timbal ......... IV - 7 Gambar 4.5 Grafik Pengaruh Waktu Kontak Terhadap Adsorpsi Logam Kadmium ..... IV - 9 Gambar 4.6 Grafik Pengaruh pH Terhadap Adsorpsi Logam Timbal ............................ IV - 11 Gambar 4.7 Grafik Pengaruh pH Terhadap Adsorpsi Logam Kadmium ....................... IV - 13 Gambar 4.8 Grafik (a) Pengaruh Dosis Adsorben Terhadap Adsorpsi Logam Timbal (b) Pengaruh Dosis Adsorben Terhadap Kapasitas Adsorpsi



IV - 14



Gambar 4.9 Grafik Pengaruh Dosis Adsorben Terhadap Adsorpsi Logam Kadmium (b) Pengaruh Dosis Adsorben Terhadap Kapasitas Adsorpsi



IV - 16



Gambar 4.10 Grafik Kinetika Adsorpsi Logam Timbal (a) Pseudo Orde Pertama (b) Pseudo Orde Kedua



IV - 18



Gambar 4.11 Grafik Kinetika Adsorpsi Logam Kadmium (a) Pseudo Orde Pertama (b) Pseudo Orde Kedua



IV - 18



Gambar 4.12 Grafik Isoterm Adsorpsi Logam Timbal (a) Langmuir (b) Freundlich



IV - 21



Gambar 4.13 Grafik Isoterm Adsorpsi Logam Kadmium (a) Langmuir (b) Freundlich IV - 22



ix Universitas Sumatera Utara



DAFTAR RUMUS Persamaan 2.1 Kapasitas Adsorpsi ................................................................................. II - 5 Persamaan 2.2 Efisiensi Penyisihan (%) ........................................................................ II - 5 Persamaan 2.3 Persamaan Orde Pertama........................................................................ II - 7 Persamaan 2.4 Persaman Orde Kedua ............................................................................ II - 8 Persamaan 2.5 Rumus qe ................................................................................................ II - 8 Persamaan 2.6 Konstanta Distribusi ............................................................................... II - 8 Persamaan 2.7 Persamaan Freundlich ............................................................................ II - 9 Persamaan 2.8 Persamaan Langmuir .............................................................................. II - 9 Persamaan 2.9 Persamaan Langmuir .............................................................................. II - 9 Persamaan 2.10 Rumus RL ............................................................................................ II - 9 Persamaan 3.1 Efisiensi Penyisihan (%RE) ................................................................... III - 8 Persamaan 4.1 Pseudo Orde Pertama ............................................................................. IV - 17 Persamaan 4.2 Pseudo Orde Kedua ................................................................................ IV - 17 Persamaan 4.3 Isotherm Langmuir ................................................................................. IV - 21 Persamaan 4.4 Isotherm Freundlich ............................................................................... IV - 21



x Universitas Sumatera Utara



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sektor industri di Indonesia semakin lama semakin berkembang dan dengan meningkatnya aktivitas industri saat ini menimbulkan masalah penting bagi masyarakat. Dampak positif dari pembangunan industri akan meningkatkan kualitas hidup manusia dengan meningkatnya pendapatan masyarakat sedangkan dampak negatif dari pembangunan dapat menurunkan kesehatan masyarakat yang disebabkan oleh pencemaran yang berasal dari limbah industri. Sumber ion-ion logam berat dalam air limbah mencakup pertambangan dan industri-industri seperti kertas, tekstil dan sebainya (Suherni, 2010). Kehadiran ion-ion logam berat dalam air limbah menimbulkan masalah yang sangat besar bagi organisme dan lingkungan hidup karena memiliki toksisitas yang tinggi dan bersifat non-biodegradability (Pratomo, dkk. 2017). Logam berat dapat merusak ekosistem pada lingkungan dan menimbulkan penyakit yang resikonya sangat berbahaya (Islam et al., 2007). Timbal dan kadmium adalah komponen logam berat. Timbal merupakan logam berat yang sering ditemukan dalam air limbah industri dan pembuangannya ke dalam lingkungan menyebabkan ancaman serius karena bersifat toksisitas. Timbal terdapat pada golongan IV dalam tabel periodik (Kumari, 2017). Kadmium pada manusia dapat mengakibatkan kerusakan tubular dan glomerulus, penyebab proteinurea, dan anemia (Michael dan Ayebaemi, 2005). Kehadiran ion kadmium di lingkungan menjadi ancaman potensial bagi tanaman, hewan dan manusia karena kecenderungan bioakumulasi dan toksisitas sehingga limbah perlu dilakukan pengolan terlebih dahulu sebelum dibuang ke sungai alami (Schiewer dan Santosh 2007 ). Air limbah yang tercemar oleh logam berat perlu dilakukan pengolahan terlebih dahulu. Pengolahan air limbah yang mengandung logam berat harus memenuhi baku mutu yang telah di tetapkan. Berdasarkan Peraturan Menteri Lingkungan Hidup Republik Indonesia Nomor 5 Tahun 2014 Tentang Baku Mutu Air Limbah pada lampiran XLVII menetapkan kadar maksimum timbal yaitu 0,1 mg/l dan kadmium 0,05 mg/l. Menurut World Health Organization tingkat yang diperbolehkan untuk timbal di dalam air minum yaitu 0,01 mg/l, dan kadmium 0,003 mg/l.



Universitas Sumatera Utara



Kadar logam berat dapat disisihkan dari air limbah dengan teknik pertukaran ion, pengendapan, phytoextraction, ultrafiltrasi, reserve osmisis, elektrodialisasi dan adsorpsi (Mier, et al., 2000). Proses adsorpsi sering dilakukan karena lebih murah dalam segi biaya, desain yang sederhana, dan mudah di aplikasikan (Milmile et al., 2011; Shahmoradi et al., 2015). Proses adsorpsi menggunakan adsorben karbon aktif paling banyak digunakan untuk menghilangkan logam berat (Thuan, et al., 2016). Adsorben karbon aktif memiliki memiliki permukaan yang luas, struktur pori yang kecil, dan kapasitas adsorpsi yang tinggi (Anirudhan dan Sreekumari, 2011). Karbon akif merupakan suatu padatan yang berpori yang mengandung 85-95% karbon yang dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon dengan pemanasan pada suhu tinggi sehingga diperoleh luas permukaan adsorben yang besar, luas permukaan yang besar disebabkan oelh struktur pori-pori karbon aktif mampu menyerap (Kirk, R. E dan Othmer, D.F., 1992; Masrianti, Rully). Mouni et al (2011) dalam penelitiannya mengatakan bahwa adsorben dari limbah pertanian dapat menyisihkan zat-zat kimia dan logam organik dalam air limbah. Adsorben dari limbah padat pertanian mengandung senyawa polimer seperti selulosa, hemiseluosa, pektin, lignin dan protein sebagai pusat aktif untuk penyerapan logam (Anwar et al., 2010). Beberapa penelitian adsoropsi logam berat dengan adsorben yang murah misalnya sekam padi dan abu dapat digunakan mengadsorpsi Fe, Pb, Ni, Cu dan Cd. Eceng gondok dan kulit kelapa dapat mengadsorpsi Pb. Kulit pisang, ampas tebu dan kulit semangka mengadsorpsi Cu (Correia, et al., 2018). Dari berbagai adsorben, kulit pisang merupakan salah satu adsorben yang baik dan dapat digunakan sebagai bahan berharga untuk membersihkan air. Bioadsorben yang terbuat dari kulit pisang telah diuji dapat menghilangkan kromium, kadmium dan tembaga ion dari larutan (Abbas, et al., 2013). Dalam peneltian Castro et al. (2011) membuktikan bahwa kulit pisang memiliki gugus fungsi yang berperan dalam pengikatan ion logam. Pisang (Musa Paradisiaca) merupakan tanaman yang banyak manfaatnya, mulai dari buah, daun, bonggol hingga kulitnya. Tanaman pisang termasuk komoditas buah unggulan di Indonesia. Menurut Direktoral Jendral Hortikultura Republik Indonesia, produksi buah pisang pada tahun 2014 di Indonesia sebesar 6.862.558 ton dan limbah kulit pisang pada tahun 1999 di Indonesia mencapai 8,27 kg/kapita/tahun sedangkan pada tahun 2002 meningkat menjadi 4.384.384 ton. Komposisi kulit pisang mentah berdasarkan analisis



I-2 Universitas Sumatera Utara



dinding sel (% berat kering) yaitu: 37,52% hemiselulosa, 12,06% selulosa, 7,04% lignin (Robertson, 1993). Pada penelitian ini, kulit pisang yang digunakan adalah jenis kulit pisang nangka. Pemilihan jenis kulit pisang didasari oleh jumlah limbah kulit pisang yang dihasilkan perharinya, pemanfaatan limbah kulit pisang yang kurang dan harga yang murah. Sumber dari limbah kulit pisang nangka yaitu dari pembuatan keripik kulit pisang, penjual gorengan dan olahan pisang lainnya. Pisang nangka banyak digunakan karna harganya yang relatif rendah dari jenis pisang lainnya. Mutu permukaan karbon aktif yang dihasilkan sangat bergantung pada bahan baku, bahan pengaktif, suhu dan cara pengaktifannya (Bonelli et al., 2001; Bansode et al., 2003; Ismadji et al., 2005; Yuningsih et al., 2016). Pada pembuatan karbon aktif terdapat dua cara yaitu melalui aktivasi secara fisik dan kimia. Aktivasi fisik dilakukan dalam dua tahap, tahap pertama karbonisasi dan kedua aktivas, sedangkan aktivasi secara kimia, bahan diimpregnasi terlebih dahulu dengan bahan pengaktif kemudian dikarbonisasi (Hayashi et al., 2002; Yuningsih et al., 2016). Beberapa jenis activation agent yang digunakan yaitu : K2CO3 (Gomes, et al.,2017), KOH (Lu, et al., 2017). Pada proses aktivasi secara kimia karbonasi dan aktivasi dilakukan dengan bahan kimia tertentu seperti ZnCl2, NH4Cl, BaCl2, MgCl2, NaOH, KOH, K2CO3, K2HPO4 dan H3PO4 (Namasivayam dan Sangeetha, 2004; Anirudhan dan Sreekumari, 2011). Atas dasar penelitian yang telah dikemukakan sebelumnya, maka penulis ingin melakukan studi penelitian penyisihan logam berat timbal dan kadmium dengan metode adsorpsi menggunakan biosorben dan karbon aktif dari kulit pisang yang diaktivasi oleh H3PO4 dalam sistem batch. Selanjutnya, pada penelitian ini akan dilihat kinerja pengadsorpsian dari variabel pengaruh waktu kontak, pH dan dosis adsorben dan model kinetik adsorpsi (Model Pseudo-first Order dan Pseudo-second Order) dan penggunaan model isotherm adsorpsi (Model Langmuir dan Freundlich). 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan uraian latar belakang permasalahan diatas, maka dapat diperoleh rumusan masalah dari penelitian tugas akhir ini adalah untuk mengetahui efektivitas penyisihan logam berat timbal dan kadmium dengan menggunaan metode adsorpsi dari kulit pisang dengan dua perlakuan. Penelitian ini diarahkan kepada efektivitas penyisihan logam berat timbal dan kadmium yang dilihat dari beberapa parameter seperti waktu kontak, pH dan I-3 Universitas Sumatera Utara



dosis adsorben dalam sistem batch yang menggunakan adsorben dari kulit pisang (Musasapientum). 1.3 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian dari tugas akhir ini, yaitu : 1.



Mengetahui pengaruh variasi variabel waktu kontak, pH dan dosis adsorben terhadap tingkat efisiensi penyisihan logam timbal dan kadmium dengan menggunakan bisorben (tanpa perlakuan) dan karbon aktif dari kulit pisang dalam sistem batch.



2.



Memperoleh kinetika adsorpsi dan model isotherm yang sesuai.



1.4 Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup penelitian ini, yaitu : 1.



Limbah yang digunakan dalam penelitian ini adalah air limbah yang berasal dari limbah sintetik dengan melarutkan beberapa jumlah garam timbal Pb(NO3)2 dan Cd(SO4) dalam air suling (aquadest).



2.



Parameter yang akan diteliti adalah kandungan timbal dan kadmium.



3.



Proses pengolahan limbah cair dilakukan dengan metode adsorpsi menggunakan sistem batch dengan bahan karbon aktif dari kulit pisang.



4.



Percobaan ini dilakukan dengan beberapa variasi variabel bebas yaitu: a.



Waktu kontak (menit) : 0, 5, 15, 30, 60, dan 90



b.



pH



: 3, 4, 5 dan 6



c.



Dosis adsorben (g/l)



: 0; 1,25 ; 2,5; 3,75; 5 dan 6,25



1.5 Manfaat Penelitian Manfaat penelitian dari tugas akhir ini, yaitu : 1. Dapat memberikan informasi tingkat efisiensi adsorpsi penyisihan timbal dan kadmium dalam sistem batch dengan menggunakan adsorben dari kulit pisang dengan dua perlakuan yaitu biosorben dan karbon aktif di aktivasi dengan H3PO4 kemudian di pirolisis 2. Dapat memberikan informasi tentang pengaruh variasi waktu kontak, pH dan dosis adsorben terhadap tingkat penyisihan timbal dan kadmium dengan menggunakan adsorben dari kulit pisang dalam sistem batch.



I-4 Universitas Sumatera Utara



3. Dapat memberikan informasi tentang kesetimbangan adsorpsi (Model Langmuir dan Freundlich) dan model kinetik adsorpsi (Model Pseudo-first Order dan Pseudo-second Order) dengan menggunakan adsorben dari kulit pisang dalam sistem batch 4. Memberikan salah satu alternatif teknologi pengolahan air limbah yang lebih efektif, efisien, dan ramah lingkungan. 5. Sebagai referensi dan bahan kajian terhadap penelitian berikutnya agar mencoba berbagai variasi percobaan sehingga diperoleh data yang lebih lengkap mengenai kemampuan karbon aktif dalam menurunkan kandungan timbal dan kadmium pada sumber air limbah.



I-5 Universitas Sumatera Utara



BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Logam Berat Logam berat merupakan zat yang beracun dan umumnya bersifat karsidogenik (Purnama, dkk., 2015). Ion logam berat merupakan jenis pencemar yang sangat berbahaya dalam sistem lingkungan hidup karena bersifat tak dapat terbiodegradasi, toksik, serta mampu mengalami biokumulasi dalam rantai makanan (Anis dan Guzrizal., 2006). Logam berat memiliki sifat terakumulatif sehingga akan selalu bertambah dan dapat mengurangi jumlah air bersih dan keberadaan logam berat dapat merusak ekosistem pada lingkungan dan menimbulkan penyakit yang resikonya sangat berbahaya (Islam et al., 2007). Pencemaran logam berat disebabkan oleh pembuangan air limbah sembarangan tanpa diolah terlebih dahulu (Chen, et al., 2017). Penyisihan logam berat dalam air limbah sangat penting untuk kesehatan manusia dan lingkungan (Kizilkaya., et al.,2010). 2.1.1. Timbal Menurut Chemical dan Physical Information, timbal (Pb) merupakan unsur alami dan bagian dari golongan IVA di dalam tabel periodik. Di alam timbal sering ditemukan dalam bentuk Pb (II) dan Pb (IV). Untuk mengetahui karakteristik timbal secara kimia dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tabel 2.1 Karakteristik Timbal Secara Kimia Karakteristik



Pb



Nama



Logam timbal ; plumbum ; pigmen logam



Rumus Kimia



Pb



Struktur Kimia



Pb



Berat Atom



207.2



Sumber: Chemical And Physical Information



2.1.2. Kadmium Berdasarkan tabel periodik, kadmium adalah logam transisi yang terdapat di golongan XII. Untuk karakteristik logam kadmium dapat dilihat pada Tabel 2.2.



Universitas Sumatera Utara



Tabel 2.2 Karakteristik Kadmium Secara Kimia Karakteristik



Ni



Nama



Colloiddal cadmium



Rumus Kimia



Cdb



Struktur Kimia



Cdb



Berat Atom



112.41



Sumber: Chemical And Physical Information



2.2. Kulit Pisang Robetson (1993), menganalisis komposisi kulit pisang mentah berdasarkan analisis dinding sel (% berat kering) yaitu: 37,52% hemiselulosa, 12,06% selulosa, 7,04% lignin. Lignoselulosa terdiri dari selulosa, hemiselulosa, dan lignin (Gomez et al, 2008). Lignoselulosa mengandung selulosa sekitar 35-50%, hemiselulosa 20–35% dan lignin 10-25% (Saha, 2004). Menurut Castro et al (2011), kulit pisang memiliki kemampuan dalam mengikat ion logam berat karena dalam kulit pisang terdapat berbagai gugus fungsi yang berperan sebagai gugus aktif seperti gugus



hidroksil



(-OH),



gugus



karboksilat



(-COOH), dan gugus amina (-NH2).



Pemanfaatkan kulit pisang untuk proses adsorpsi telah banyak dilakukan, antara lain penggunakan kulit pisang sebagai adsorben untuk menghilangkan ion logam Cd2+ dari larutan (Kaewsam et al., 2008), penggunaan kulit pisang untuk penyisihan logam Pb(II), Cu2+, Zn2+ dan Ni2+ dengan sistem batch pada kondisi yang terkontrol dengan perlakuan system logam tunggal dan sistem logam ganda (Ashraf et al., 2011). 2.3. Teknologi Penyisihan Logam Berat Terdapat beberapa teknologi untuk penyisihan logam berat di dalam air, seperiti pertukaran ion, filtrasi membran, ekstraksi pelarut, ultra filtrasi, reverse osmosis dan adsorpsi (Kizilkaya, 2010). Teknik lain untuk menyisihkan logam berat yaitu koagulasi-flokulasi-sedimentasi (CFS) (Chen, et al., 2017). Antara beberapa teknologi tersebut yang telah digunakan untuk pengolahan air, proses adsorpsi lebih murah dalam segi biaya, desain yang sederhana dan dikenal sebagai teknik yang mudah di aplikasikan (Milmile, et al., 2011; Shahmoradi, et al., 2015). 2.4. Karbon Aktif Karbon aktif merupakan senyawa amorf yang dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon atau arang yang diperlukan secara khusus untuk mendapatkan daya adsorpsi yang tinggi. Karbon aktif dapat mengadsorpsi gas dan senyawa-senyawa kimia tertentu atau bersifat



II - 2 Universitas Sumatera Utara



selektif, tergantung pada besar volume pori-pori dan luas permukaan. Karbon aktif dengan daya adsorpsi yang besar dapat dihasilakan dengan proses aktivasi (Hassler, 1951) Proses pembuatan karbon aktif : 2.4.1. Aktivasi Aktivasi adalah suatu perlakuan terhadap arang yang bertujuan untuk memperbesar pori-pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekul-molekul permukaan sehingga arang mengalami perubahan sifat baik fisika maupun kimia yaitu luas permukaan bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya serap adsorpsi (Sembiring, 2003). 2.4.1.1.



Aktivasi Secara Kimia



Aktivasi secara kimia biasanya menggunakan bahan pengaktif dengan metode impregnasi. Impregnasi adalah suatu proses pemasukan material tertentu kedalam pori-pori karbon dengan adanya hubungan interaksi fisika antara pori material dan impregnan. Terdapat dua cara impregnasi yaitu dengan pembasahan dan dengan perendaman (Susilorini, 2007). Berdasarkan pada beberapa penelitian lainnya, diketahui bahwa karbon aktif yang digunakan untuk menyisihkan logam berat diaktivasi dengan activation agent atau bahan pengaktivasi yang berbeda-beda. Beberapa jenis activation agent yang digunakan yaitu : K2CO3 (Gomez, et al.,2017), KOH (Lu, et al.,2017). Pada proses aktivasi secara kimia karbonasi dan aktivasi dilakukan dengan bahan kimia tertentu seperti ZnCl2, NH4Cl, BaCl2, MgCl2, NaOH, KOH, K2CO3, K2HPO4 dan H3PO4 (Namasivayam dan Sangeetha, 2004; Anirudhan dan Sreekumari, 2011). Diantara beberapa jenis aktivasi, pada penelitian ini menggunakan H3PO4 karena permukaan adsorben yang dihasilkan luas dan memiliki pori-pori yang besar (Marina, 2010) dan paling efektif (Ismail, et al., 2010) sedangkan H2SO4 menghasilkan lebih sedikit pori karena dinding sel dari karbon menjadi rusak atau destruktif, HCl menghasilkan pori-pori yang kecil dan ZnCl2 dapat mencemari lingkungan. 2.4.1.2.



Aktivasi Secara Fisika



Tujuan dari proses aktivasi secara fisika adalah mempertinggi volume, memperluas diameter pori. Aktivasisi fisika dalam penelitian ini yaitu dengan metode pirolisis. Pirolisis adalah proses dekomposisi suatu bahan pada suhu yang tinggi tanpa adanya oksigen/udara atau dengan udara



II - 3 Universitas Sumatera Utara



yang terbatas. Proses pirolisis menghasilkan padat, cair dan gas. Dan pada umumnya berlangsung pada rentang suhu 300ºC sampai 600ºC (Basu, 2010) 2.5. Adsorpsi Adsorpsi adalah proses permukaan untuk menghilangkan polutan organik dan anorganik. Ketika terjadi kontak antara larutan yang mengandung zat terlarut dengan zat padat yang sangat berpori, maka gaya tarik antar molekul cair-padat menyebabkan beberapa molekul zat terlarut dari larutan akan terkonsentrasi atau disimpan di permukaan zat padat. Zat terlarut yang tertahan pada permukaan zat padat dala proses adsorpsi disebut adsorbat sedangkan tempat dimana larutan tertahan disebut adsorben. Peristiwa akumulasi partikel dari larutan pada permukaan adsorben inilah yang disebut sebagai adsorpsi (Rashed, 2013). Menurut Michelcic (1999) adsorpsi yang terjadi secara fisika dan kimia dimana suatu zat terlarut dalam suatu larutan menempel, terikat atau terserap, dan terakumulasi pada permukaan.Adsorpsi yang terjadi antara adsorben dengan adsorbat dapat dibedakan dengan adsorpsi fisika (physisorption) dan adsorpsi kimia (chemisorption). Jika adsorbat dan permukaan adsorben berinteraksi hanya dengan gaya Van der Waals, maka yang terjadi adalah adsorpsi fisika. Molekul yang teradsorpsi terikat secara lemah pada permukaan dan panas adsorpsi rendah sehingga naiknya temperatur ditandai dengan turunnya jumlah adsorpsi. Dalam adsorpsi kimia partikel molekulnya pada permukaan dan membentuk ikatan kimia kovalen (Mc Cash, 2001). 2.5.1. Adsorpsi Fisika (Physical Adsorption) Adsorpsi yang terjadi karena adanya gaya tarik Van der walls, gaya tarik antara larutan dengan permukaan adsorben lebih besar daripada gaya tarik antara zat terlarut dengan larutan, maka zat terlarut akan di adsorpsi oleh permukaan adsorben. Adsorpsi fisika memilki gaya tarik Van der walls yang relatif kecil. Molekul yang terikat sangat lemah dan energi yang dilepaskan pada adsorpsi fisika relatif lebih rendah sekitar 20 kJ/mol. 2.5.2. Adsorpsi Kimia (Chemical Adsorption) Adsorpsi Kimia (Chemical Adsorption) Adsorpsi kimia terjadi ketika terbentuknya ikatan kimia antara zat terlarut dalam larutan dengan molekul yang berada dalam adsorben. Adsorpsi kimia terjadi diawali dengan adsorpsi fisika dimana partikel-partikel adsorbat mendekat pada permukaan adsorben melalui gaya Van der walls atau melalui ikatan hidrogen. Pada adsropsi kimia partikel terikat pada permukaan adsorben dengan membentuk ikatan kimia (ikatan



II - 4 Universitas Sumatera Utara



kovalen). Terjadinya ikatan kimia akan membentuk suatu lapisan monolayer pada permukaan adsorben. Adsorpsi merupakan metode yang paling umum dipakai diantara metode-metode tersebut karena memiliki konsep yang lebih sederhana, tidak menimbulkan efek samping yang beracun, dapat diregenerasi, serta ekonomis (Darmayanti et al., 2012; Arninda, et al., 2014). Adapun kapasitas adsorpsi pada waktu t, qe (mg/g) diberikan pada persamaan berikut (Kumari, 2017) qe =



(𝐶0 −𝐶𝑒 )𝑉



(2.1)



𝑚



Keterangan : Co = Konsentrasi timbal dan kadmium mula-mula dalam fase cair (mg/l) Ce = Konsentrasi timbal dan kadmium pada waktu t dalam fase cair (mg/l) V = Volume larutan (L) m = Massa adsorben dari kulit pisang (g) Untuk efisiensi penyisihan diberikan pada persamaan berikut (Kumari, 2017) : 𝐸𝑓𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑃𝑒𝑛𝑦𝑖𝑠𝑖ℎ𝑎𝑛 (%) =



(𝐶0 −𝐶𝑒 ) 𝐶0



𝑥 100%



(2.2)



2.5.3. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi Adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu: 1.



Jenis adsorbat, terdiri dari ukuran molekul adsorbat dan kepolaran adsorbat. Ukuran molekul yang sesuai penting untuk terjadinya proses adsorpsi karena molekul-molekul yang dapat diadsorpsi adalah molekul-molekul yang diameternya lebih kecil atau sama dengan diameter pori adsorben. Serta kepolaran zat, jika molekul lebih polar maka akan molekul-molekul akan lebih cepat teradsorpsi (Bahl et al., 1997; Suryawan Bambang 2004).



2.



Karakteristik adsorben, terdiri dari luas permukaan dan volume pori adsorben. Jumlah molekul adsorbat yang teradsorpsi akan meningkat dengan bertambahnya luas permukaan dan volume pori (Bahl et al., 1997; Suryawan Bambang 2004).



3.



Tekanan (P), tekanan yang dimaksud adalah tekanan adsorbat. Kenaikan tekanan adsorbat dapat menaikan jumlah yang diadsorpsi (Bahl et al., 1997; Suryawan Bambang 2004).



4.



Temperatur absolut (T), yang dimaksud adalah temperatur dari adsorbat. Pada saat molekul-molekul gas atau adsorbat melekat pada permukaan adsorben akan terjadi II - 5 Universitas Sumatera Utara



pembebasan sejumlah energi yang dinamakan peristiwa exothermic. Berkurangnya temperatur akan menambah jumlah adsorbat yang teradsorpsi (Bahl et al., 1997; Suryawan Bambang 2004). 5.



Waktu pengadukan, berdasarkan penelitian Hanafi dan Sami (2016), pada saat waktu pengadukan meningkat maka penyisihan anion pada awalnya juga meningkat, kemudian secara bertahap akan mendekati nilai konstan atau kesetimbangan.



6.



pH, berdasarkan penelitian Ciopec et al., (2012), ph juga berpengaruh terhadap adsorpsi. Pada penelitian didapatkan pH antara 1-3 untuk penyisihan logam yang optimum, dan pada saat pH melebihi 3 kapasitas adsorpsi menurun.



7.



Sifat adsorben, efisiensi penyerapan (adsorpsi) bergantung pada sifat fisikokimia, terutama luas permukaan, porositas, dan ukuran partikel dari adsorben. Pada umumnya kapasitas adsorpsi akan meningkat dengan berkurangnya ukuran partikel karena proses difusi larutan pada permukaan adsorben akan meningkat pada partikel yang lebih kecil. Ukuran pori juga sanga mempengaruhi laju adsorpsi yang memungkinkan perpindahan adsorbat pada permukaan dalam adsorben, dengan bertambahnya ukuran pori maka laju adsorpsi akan meningkat (Sidik, 2012).



8.



Sifat adsorbat Adsorpsi dalam larutan dipengaruhi oleh beberapa sifat dari adsorbat seperti kelarutan, berat molekul dan ukuran molekul adsorbat. Kelarutan merupakan sifat yang paling berpengaruh pada kapasitas adsorpsi. Kelarutan yang tinggi mengindikasikan interaksi zat terlarut dan pelarut yang kuat. Kemudian peningkatan kapasitas adsorpsi terjadi karena peningkatan hidropobisitas dengan menurunnya kelarutan maka akan meningkatkan hidropobisitas (Sidik, 2012).



2.6. Pemodelan Batch Adsorpsi Sistem batch digunakan untuk perbandingan kapasitas adsorpsi antara adsorben (karbon aktif dari kulit pisang) dengan variasi waktu dan variasi larutan pada adsorpsi (Nur et al., 2014). Isotherm adsorpsi adalah hubungan kesetimbangan antara konsentrasi adsorbat yang dikontakkan pada permukaan adsorben (Mohammad, et al., 2015). Tujuan isotherm adsorpsi yaitu menentukan kapasitas adsorpsi pada adsorben, interaksi lautan zat terlarut dan kadar akumulasi adsorben (Anirudhan. 2011). Persamaan yang sering digunakan pada suatu percobaan yaitu Freundlich, Langmuir dan Dubinin – Radushkevich, model persamaan tersebut digunakan untuk menggambarkan karakteristik isotherm adsorpsi pada adsorben pada air limbah (Hannachi. 2014). Proses II - 6 Universitas Sumatera Utara



adsorpsi dikarakteristikan ke dalam dua bagian yaitu (i) kesetimbangan adsorpsi, dan (ii) adsorpsi kinetik. 2.6.1. Model Kinetika Adsorpsi Kinetika kimia mencakup suatu pembahasan tentang kecepatan (laju) reaksi dan bagaimana proses reaksi berlangsung. Definisi tentang laju reaksi adalah suatu perubahan konsentrasi pereaksi maupun produk dalam satuan waktu (Keenan,1984). Analisa kinetika didasarkan pada kinetika reaksi terutama pseudo orde pertama atau mekanisme pseudo pertama bertingkat. Untuk meneliti mekanisme adsorpsi, konstanta kecepatan reaksi adsorpsi kimia untuk ion-ion logam, digunakan persamaan sistem pseudo orde pertama dan sistem pseudo orde kedua (Buhani et al., 2010). Model persamaan orde pertama dan orde kedua digunakan pada data kinetika adsorpsi pertukaran ion dalam studi batch. Adapun kedua persamannya adalah sebagai berikut : 2.6.1.1. Pseudo Orde Pertama Persaman pseudo orde pertama adalah salah suatu persamaan yang paling banyak digunakan untuk mengadsorpsi zat terlarut dari suatu larutan. Reaksi orde satu adalah suatu reaksi yang kecepatannya bergantung hanyalah pada salah satu zat yang bereaksi atau sebanding dengan salah satu pangkat pereaktannya (Bulut et al., 2008; Sanjaya dan Agustine 2015). Adapun persamaan orde pertama yaitu (Mohammad, et al., 2017) : log(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡 ) = log(𝑞𝑒 ) −



𝐾1 2.303



(𝑡)



(2.3)



Keterangan : qe dan qt = Kapasitas adsorpsi pada waktu t (mg N/g) dan pada waktu kesetimbangan K1



= Konstanta laju kesetimbangan adsorpsi pada orde pertama (1/menit)



II - 7 Universitas Sumatera Utara



Gambar 2.1 Plot Konsentrasi Dan Log Konsentrasi Terhadap Waktu 2.6.1.2. Pseudo Orde Kedua Model kinetika orde semu kedua umumnya sangat sesuai untuk waktu interaksi yang panjang dan untuk sistem adsorpsi larutan pada permukaan adsorben zat padat, dimana adsorpsi kedua rekatan (adsorben dan adsorbat) saling memberikan pengaruh (Sari dan Amaria. 2013). Adapun persamaan orde kedua yaitu (Mohammad, et al., 2017) : 𝑡 𝑞𝑡



=



1 𝐾2 𝑞𝑒2



+



1



(2.4)



𝑞𝑒



Keterangan : qt dan qe = Jumlah yang terserap pada waktu t (mg N/g) dan pada waktu kesetimbangan K2



= Konstanta laju kesetimbangan adsorpsi pada orde kedua (g/mg menit)



2.6.2. Model Isotherm Adsorpsi Jumlah adsorpsi pada saat kesetimbangan qe, dapat dihitung dengan persamaan berikut : 𝑞𝑒 =



(𝐶𝑜 −𝐶𝑒 )𝑉



(2.5)



𝑚



Dimana Ce merupakan konsentrasi logam awal pada saat kesetimbangan (mg/l) Konstanta distribusi Kd dapat dilihat pada persaman berikut : 𝐾𝑑 =



𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑙𝑜𝑔𝑎𝑚 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑟𝑏𝑒𝑛 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑙𝑜𝑔𝑎𝑚 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑙𝑎𝑟𝑢𝑡𝑎𝑛



𝑥



𝑉 𝑚



(2.6)



II - 8 Universitas Sumatera Utara



2.6.2.1. Isotherm Freundlich Model Isotherm Freundlich merupakan model empiris dan dapat diterapkan pada adsorpsi multilayer dengan distribusi adsorpsi, panas dan afinitas yang tidak seram pada heterogen surface dengan persamaan (Hannachi. 2014) : log 𝑞𝑒 = log 𝐾𝑓 +



1 𝑛



log 𝐶𝑒



(2.7)



Keterangan : Ce = Konsentrasi logam pada saat kesetimbangan (mg N/L) qe = Jumlah logam yang terserap per satuan massa adsorben pada saat kesetimbangan (mgN/g) Kf = Konstanta isotherm adsorpsi Freundlich yang berkaitan dengan tingkat kapasitas adsorpsi Intensitas adsorpsi yang baik (n) pada nilai n = 2-10, n = 1-2 untuk adsorpsi sedang dan n 0,99) dan nilai qe teoritis dan eksperimen menunjukkan kesesuaian (Farghali, et al., 2013). Kinetika adsorpsi pseudo orde kedua diasumsikan bahwa interaksi yang terjadi secara kemisorpsi (kimia) (Mouni, et al., 2011). Proses interaksi secara kemisorpsi melibatkan kekuatan valensi untuk pertukaran electron (Bhattacharyya dan Sharma, 2005; Pathania, et al., 2013). Tabel 4.3 Parameter Model Kinetik Adsorpsi Logam Timbal dan Kadmium



Adsorben



Konstanta Laju



Konstanta Laju



Adsorpsi



Kesetimbangan Adsorpsi



Kesetimbangan Adsorpsi



/qe



Pada Pseudo Orde



Pada Pseudo Orde



(mg/g)



Pertama/K1 (l/min)



Kedua/K2 (l/min)



Pseudo Orde Pertama



28,58



0,25



-



Pseudo Orde Kedua



78,74



-



0,17



Pseudo Orde Pertama



6,14



0,043



-



Pseudo Orde Kedua



79,36



-



5,29



Pseudo Orde Pertama



33,48



0,30



-



Pseudo Orde Kedua



76,33



-



0,0059



Pseudo Orde Pertama



13,35



0,11



-



Pseudo Orde Kedua



77,51



-



5,54



Logam



Biosorben Timbal Karbon Aktif



Biosorben Kadmium Karbon Aktif



Jumlah Model



Nilai k menunjukkan cepat lambatnya proses adsorpsi, semakin besar nilai k maka semakin cepat pula proses adsorpsi berlangsung (Riyanti. 2016). Berdasarkan model kinetika pseudo orde kedua pada Tabel 4.3 didapatkan bahwa nilai konstanta biosorben dan karbon aktif laju adsorpsi timbal yaitu 0,17 l/min dan 5,29 l/min. Laju adsorpsi kadmium menggunakan biosorben dan karbon aktif diperoleh 0,0059 L/min dan 5,54 L/min. Harga konstanta laju adsorpsi untuk karbon aktif lebih meningkat dari pada laju adsorpsi biosorben.. Peningkatan harga konstanta karbon aktif dari kulit pisang terjadi disebabkan oleh karena karbon aktif dari kulit pisang telah di aktivasi, sehingga kecepatan laju adsorpsi semakin besar. 4.8. Isoterm Adsorpsi Perubahan konsentrasi adsorbat oleh proses adsorpsi sesuai dengan mekanisme adsorpsinya dapat dipelajari melalui penentuan isoterm adsorpsi. Isoterm yang biasa digunakan adalah isoterm langmuir dan freundlich. Isoterm adsorpsi merupakan indikasi distribusi antara larutan



IV - 20 Universitas Sumatera Utara



dengan adsorben pada kesetimbangan proses adsorpsi, yang ditunjukkan dengan hubungan antara dosis adsorben per gram (Jena dan Sahoo., 2017). Penentuan isoterm adsorpsi dilakukan dengan merubah persaman isoterm Langmuir dan Freundlich menjadi kurva kesetimbangan garis lurus. Penentuan model kesetimbangan bergantung pada harga koefisien determinan (R2) dengan harga yang tinggi atau mendekati angka satu. Untuk isoterm adsorpsi digunakan pemodelan Langmuir (Pers 4.3) dan Freundlich (Pers 4.4), yang disajikan pada Gambar 4.12 dan Gambar 4.13 dalam bentuk grafik linearitas. 𝑞𝑒 𝐶𝑒



= 𝐾𝑎 𝑞𝑚 + 𝐾𝑎 𝑞𝑒



(4.3)



Keterangan : Ce = Konsentrasi logam pada saat kesetimbangan (mg N/L) qe = Jumlah logam yang terserap per satuan massa adsorben pada saat kesetimbangan (mg N/g) qm = Jumlah maksimum logam yang terserap per satuan massa adsorben (mg N/g) Ka = konstanta afinitas Langmuir yang berhubungan dengan energi sorpsi desorpsi (L/mg) log 𝑞𝑒 = log 𝐾𝑓 +



1 𝑛



log 𝐶𝑒



(4.4)



Keterangan : Ce = Konsentrasi logam pada saat kesetimbangan (mg N/L) qe = Jumlah logam yang terserap per satuan massa adsorben pada saat kesetimbangan (mgN/g) Kf = Konstanta isotherm adsorpsi Freundlich yang berkaitan dengan tingkat kapasitas adsorpsi



y = 0,3162x + 2,4718 R² = 0,9797



30



2



25



Linear (Biosorben)



15 10 y = 0,218x + 1,0075 R² = 0,9938



5



Linear (Karbon Aktif)



Log qe



20 qe/ce



y = 4,6183x - 1,2798 R² = 0,3415



1,8 1,6 1,4



Linear (Biosorben)



1,2



Linear (Karbon Aktif)



1



0 0



50 qe



100



y = 2,4605x + 0,5121 R² = 0,4228 0



0,5



1



Log Ce



(a)



(b)



Gambar 4.12 Grafik Isoterm Adsorpsi Logam Timbal (a) Langmuir (b) Freundlich



IV - 21 Universitas Sumatera Utara



25



2 y = 0,2703x + 2,3907 R² = 0,9737



15 Linear (Biosorben)



10 y = 0,1878x + 0,963 R² = 0,9941



5



y = 4,9598x - 1,7692 R² = 0,4702



1,8 Log qe



qe/ce



20



Linear (Karbon Aktif)



1,6 Linear (Biosorben)



1,4



Linear (Karbon Aktif)



1,2 y = 2,3203x + 0,4336 R² = 0,4681



0 0



20



40



60



1



80



0



qe



0,5 Log Ce



(a)



1



(b)



Gambar 4.13 Grafik Isoterm Adsorpsi Logam Kadmium (a) Langmuir (b) Freundlich Tabel 4.4 Persaman dan Nilai Koefisien Korelasi Isoterm Isoterm Adsorben Biosorben Karbon Aktif Biosorben Karbon Aktif



Logam



Timbal Kadmium



Langmuir



Freundlich



Persamaan



R²



Persamaan



R²



y = 0,218x + 1,0075



0,9938



y = 4,6183x - 1,2798



0,3415



y = 0,3162x + 2,4718



0,9797



y = 2,4605x + 0,5121



0,4228



y = 0,2703x + 2,3907



0,9941



y = 4,9598x - 1,7692



0,4702



y = 0,1878x + 0,963



0,9737



y = 2,3203x + 0,4336



0,4681



Dari Gambar 4.12 dan Gambar 4.13 di dapat persamaan dan nilai koefisien korelasi masingmasing model isoterm yang dapat dilihat pada Tabel 4.4. Pada Gambar 4.12 (a) biosorben yang mengadsorpsi logam timbal disajikan kurva pola adsorpsi Langmuir dengan persamaan garis lurus y = 0,218x + 1,0075 dan yang memiliki gradien KL = 0,218 dan garis ini memotong sumbu Kaqm = 1,0075 dengan menghasilkan nilai regresi (R2) sebesar 0,9938 dengan kapasitas adsorpsi maksimum (qmax)= 4,2615 mg/g untuk kurva pola adsorpsi Freundlich pada Gambar 4.12 (b) dengan persamaan garis lurus y = 4,6183x - 1,2798 yang memiliki gradien 1/n = 4,6183 dan memotong log qe = 1,2798 sehingga diperoleh nilai regresi (R2) sebesar 0,3415 dengan konstanta Freundlich diperoleh 19,04 L/mg. Gambar 4.12 (a) dengan karbon aktif untuk adsorpsi logam timbal disajikan kurva Langmuir dengan persamaan garis lurus y = 0,3162x + 2,4718 dengan menghasilkan nilai regresi (R2) sebesar 0,9797 dan untuk kurva Freundlich pada Gambar 4.12 (b) yaitu y = 2,4605x + 0,5121 dengan menghasilkan nilai regresi (R2) sebesar 0,4228.



IV - 22 Universitas Sumatera Utara



Dan pada Gambar 4.13 (a) dan pada Tabel 4.4 isoterm adsorpsi Langmuir logam kadmium dengan biosorben diperoleh persamaan garis lurus y = 0,2703x + 2,3907 dengan menghasilkan nilai regresi (R2) sebesar 0,9941 dan untuk isoterm Freundlich pada Gambar 4.13 (b) persaman garis lurus y = 4,9598x - 1,7692 dengan menghasilkan nilai regresi (R2) sebesar 0,4702. Sedangkan untuk isoterm Langmuir adsorpsi dengan karbon aktif pada Gambar 4.13 (a) diperoleh y = 0,1878x + 0,963 dengan menghasilkan nilai regresi (R2) sebesar 0,9737 dan Freundlich pada gambar 4.13 (b) yaitu y = 2,3203x + 0,4336 dengan menghasilkan nilai regresi (R2) sebesar 0,4681. Hasil analisa didapatkan bahwa pola isoterm untuk biosorben kulit pisang dan karbon aktif dari kulit pisang menunjukkan pada pola Isoterm Langmuir, dimana nilai regresi (R2) yang didapatkan mendekati angka satu atau lebih besar dibandingkan Isoterm Langmuir. Dimana isoterm adsorpsi didasarkan pada asumsi bahwa adsorpsi monoloayer terjadi pada permukaan adsorben yang homogen dengan jumlah situs adsorpsi yang terbatas dan interaksi timbal balik yang tidak menguntungkan (Thuan, et al. 2016) dan pola Isoterm Langmuir menyatakan bahwa situs-situs aktif pada permukaan adsorben bersifat homogen (Atkins, 1990; Renni, dkk., 2018). Jenis adsorpsi adalah kemisorpsi artinya adsorpsi terjadi secara kimia yang menunjukkan terbentuknya ikatan yang lebih kuat antara adsorbat dan adsorben berupa ikatan kovalen dan ikatan hidorgen (Jasmal dan Ramlawati, 2015). Sedangkan isoterm adsorpsi Freundlich memiliki beberapa asumsi yaitu adsorben mempunyai permukan yang heterogen (Purnama, dkk., 2015) Setiap molekul adsorben mempunyai potensi penyerapan yang berbeda-beda (multilayer), teori isoterm adsorpsi Freundlich ini berlaku untuk adsorpsi fisika yaitu membentuk lapisan multilayer (Kriswiyanti dan Danarto, 2007; Purnama, dkk., 2015). Tabel 4.5 Parameter Isoterm Adsorpsi Logam Timbal Dan Kadmium Adsorben



Logam



(mg g )



Isoterm Langmuir KL RL R2 (L/mg)



(L/mg)



4,2615



0,218



0,04



0,9938



7,817



0,3162



0,03



5,1277



0,1878



8,84



0,2703



qmax -1



Biosorben Karbon Aktif Biosorben Karbon Aktif



Timbal Kadmium



Isoterm Freundlich Kf



1/n



n



R2



19,04



4,6183



0,21



0,3415



0,9797



3,25



2,4605



0,4



0,4228



0,05



0,9941



58,77



4,9598



0,2



0,4702



0,036



0,9737



2,71



2,3203



0,43



0,4681



Nilai parameter adsorpsi logam timbal dan kadmium dengan pemodelan isoterm adsopsi untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 4.5. Kapasitas maksimum tertinggi isoterm Langmuir untuk penyisihan logam timbal dan kadmium terjadi pada karbon aktif dari kulit pisang yang IV - 23 Universitas Sumatera Utara



telah di aktivasi oleh H3PO4 70% dengan nilai masing-masing 7,817 mg/g dan 8,84 mg/g sedangkan untuk biosorben diperoleh kapasitas maksimumnya sebesar 4,2615 mg/g dan 5,1277 mg/g. Kapasitas maksimum karbon aktif lebih tinggi dari pada biosorben disebabkan oleh aktivasi permukaan adsorben sehingga muncul situs-situs aktif yang baru. Untuk isoterm Langmuir dapat dilihat dari ciri pentingnya yaitu RL (dimensi kuantitas adsorpsi) dengan rumus : 𝑅𝐿 =



1



(4.5)



1+𝐾𝑙 𝐶𝑜



Nilai RL yaitu 0