1. Definisi Adsorbsi

Adsorpsi adalah proses penyerapan molekul (gas atau cair) oleh

permukaan (padatan). Definisi tersebut digunakan untuk menjelaskan terjadinya

akumulasi molekul-molekul gas pada permukaan padatan. Adsorpsi dapat terjadi

karena interaksi gaya elektrostatik atau van der Waals antar molekul

(physisorption/fisisorpsi) maupun oleh adanya interaksi kimiawi antar molekul

(chemisorption/kimisorpsi). Kimisorpsi atau fisisorpsi biasa dinyatakan oleh

besarnya energi adsorpsi. Fisisorpsi memiliki energi adsorpsi sebesar 5-10 kJ/mol,

lebih rendah dibandingkan dengan kimisorpsi dengan energi adsorpsi sebesar 30-

70 kJ/mol untuk molekul dan 100-400 kJ/mol untuk atom. Adsorpsi adalah

peristiwa kesetimbangan kimia. Oleh karenanya, berkurangnya kadar zat yang

teradsorpsi (adsorbat) oleh material pengadsorpsi (adsorben) terjadi secara

kesetimbangan, sehingga secara teoritis, tidak dapat terjadi penyerapan sempurna

adsorbat oleh adsorben. Jika pada proses adsorpsi ditemukan fenomena reduksi

adsorbat hingga 100%, hal itu dimungkinkan oleh sensitifitas pengukuran

konsentrasi adsorbat semata. Besarnya konsentrasi adsorbat oleh proses adsorpsi

tergantung pada mekanisme adsorpsi, konsentrasi awal adsorbat, temperatur, dosis

adsorben, dll sehingga membandingkan kemampuan suatu adsorben dari besarnya

reduksi setelah adsorpsi bisa menjadi bias. Karenanya, untuk menguji kuat-

lemahnya adsorpsi, yang dibutuhkan adalah besaran energi adsorpsi (E ads) yang

dapat diperoleh dari evaluasi nilai konstanta adsorpsi-desorpsi ( K) sebagai fungsi

temperatur.

1

2. Interaksi Adsorbat dan Adsorben

Kekuatan interaksi adsorbat dengan adsorben dipengaruhi oleh sifat dari

adsorbat maupun adsorbennya. Gejala yang umum dipakai untuk meramalkan

komponen mana yang diadsorpsi lebih kuat adalah kepolaran adsorben dengan

adsorbatnya. Apabila adsorbennya bersifat polar, maka komponen yang bersifat

polar akan terikat lebih kuat dibandingkan dengan komponen yang kurang polar.

Kekuatan interaksi juga dipengaruhi oleh sifat keras-lemahnya dari adsorbat

maupun adsorben. Sifat keras untuk kation dihubungkan dengan istilah polarizing

power cation, yaitu kemampuan suatu kation untuk mempolarisasi anion dalam

suatu ikatan. Kation yang mempunyai polarizing power cation besar cenderung

bersifat keras. Sifat polarizing power cation yang besar dimiliki oleh ion-ion

logam dengan ukuran (jari-jari) kecil dan muatan yang besar. Sebaliknya sifat

polarizing power cation yang rendah dimiliki oleh ion-ion logam dengan ukuran

besar namun muatannya kecil, sehingga diklasifikasikan ion lemah. Sedangkan

pengertian keras untuk anion dihubungkan dengan istilah polarisabilitas anion

yaitu, kemampuan suatu anion untuk mengalami polarisasi akibat medan listrik

dari kation. Anion bersifat keras adalah anion berukuran kecil, muatan besar dan

elektronegativitas tinggi, sebaliknya anion lemah dimiliki oleh anion dengan

ukuran besar, muatan kecil dan elektronegatifitas yang rendah. Ion logam keras

berikatan kuat dengan anion keras dan ion logam lemah berikatan kuat dengan

anion lemah (Atkins at al. 1990).

Pearson (1963) mengklasifikasikan asam-basa Lewis menurut sifat keras

dan lemahnya. Menurut Pearson, situs aktif pada permukaan padatan dapat

dianggap sebagai ligan yang dapat mengikat logam secara selektif. Logam dan

ligan dikelompokkan menurut sifat keras dan lemahnya berdasarkan pada

polarisabilitas unsur. Pearson (1963) mengemukakan suatu prinsip yang disebut

Hard and Soft Acid Base (HSAB). Ligan-ligan 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

2

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. Pengelompokan

asam-basa menurut prinsip HSAB Pearson dapat dilihat pada Tabel 1. 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 krom (Cr3+)

merupakan kation yang bersifat asam keras, sehingga akan berinteraksi secara

kuat dengan anion-anion yang bersifat basa keras seperti dengan OH-. Selulosa

mempunyai banyak gugus -OH, dengan demikian selulosa akan mengikat ion

krom secara kuat. Ikatan antara ion Cr3+ dengan -OH pada selulosa melalui

pembentukan ikatan koordinasi, di mana pasangan elektron bebas dari O pada -

OH akan menempati orbital kosong yang dimiliki oleh Cr3+, sehingga terbentuk

kompleks terkoordinasi. Berikut adalah tabel asam dan basa beberapa senyawa

dan ion menurut prinsip HSAB dari Pearson.

3

Porositas adsorben juga mempengaruhi daya adsorpsi dari suatu adsorben.

Adsorben dengan porositas yang besar mempunyai kemampuan menjerap yang

lebih tinggi dibandingkan dengan adsorben yang memilki porositas kecil. Untuk

meningkatkan porositas dapat dilakukan dengan mengaktivasi secara fisika seperti

mengalirkan uap air panas ke dalam pori-pori adsorben, atau mengaktivasi secara

kimia. Salah satu cara mengaktivasi adsorben secara kimia adalah aktivasi

selulosa melalui penggantian gugus aktif -OH pada selulosa dengan gugus HSO3

melalui proses sulfonasi. Selulosa yang teraktivasi dengan cara sulfonasi

memberikan daya adsorpsi yang meningkat dua kali lipat dibandingkan daya

adsorpsi selulosa yang tidak diaktivasi (Setiawan et al. 2004). Jumlah zat yang

diadsorpsi pada permukaan adsorben merupakan proses berkesetimbangan, sebab

laju peristiwa adsorpsi disertai dengan terjadinya desorpsi. Pada awal reaksi,

peristiwa adsorpsi lebih dominan dibandingkan dengan peristiwa desorpsi,

sehingga adsorpsi berlangsung cepat. Pada waktu tertentu peristiwa adsorpsi

cendung berlangsung lambat, dan sebaliknya laju desorpsi cendrung meningkat.

Waktu ketika laju adsorpsi adalah sama dengan laju desorpsi sering disebut

sebagai keadaan berkesetimbangan. Pada keadaan berkesetimbangan tidak

teramati perubahan secara makroskopis. Waktu tercapainya keadaan setimbang

pada proses adsorpsi adalah berbeda-beda, Hal ini dipengaruhi oleh jenis interaksi

yang terjadi antara adsorben dengan adsorbat. Secara umum waktu tercapainya

kesetimbangan adsorpsi melalui mekanisme fisika (fisisorpsi) lebih cepat

dibandingkan dengan melalui mekanisme kimia atau kemisorpsi (Castellans

1982).

Adsorpsi juga dibedakan menjadi tiga macam yaitu :

a. Chemisorption, terjadi karena ikatan kimia (chemical bonding) antara molekul

zat terlarut (solute) dengan molekul adsorban. Adsorpsi ini bersifat sangat

eksotermis dan tidak dapat berbalik (irreversible). Adsorpsi kimia terjadi karena

adanya rekasi kimia antara zat padat dengan adsorbat larut dan reaksi ini tidak

berlangsung bolak-balik. Interaksi suatu senyawa organik dan permukaan

adsorben dapt terjadi melauli tarikan elektrostatik atau pembentukan ikatan kimia

4

yang spesifik misalnya ikatan kovalen. Sifat-sifat molekul organik seperti

struktur, gugus fungsional dan sifat hidrofobik berpengaruh pada sifat-sifat

adsorpsi. 

b. Adsorpsi fisika (physical adsorption, terjadi karena gaya tarik molekul oleh

gaya van der Waals dan biasanya adsorpsi ini berlangsung secara bolak-balik.

Ketika gaya tarik-menarik molekul antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar

dari gaya tarik-menarik zat terlarut dengan pelarut, maka zat terlarut akan

cenderugn teradsorpsi pada permukaan adsorben.

c. Ion exchange (pertukaran ion), terjadi karena gaya elektrostatis.

3. Penentuan Adsorbsi Isoterm

Perubahan konsentrasi adsorbat oleh proses adsorpsi sesuai dengan

mekanisme adsorpsinya dapat dipelajari melalui penentuan isoterm adsorpsi yang

sesuai. Isoterm Langmuir dan Isoterm BET adalah dua diantara isoterm-isoterm

adsorpsi yang dipelajari:

a.IsothermLangmuir.

Meskipun terminology adsorpsi pertama kali diperkenalkan oleh Kayser

(1853-1940), penemu teori adsorpsi adalah Irving Langmuir (1881-1957), Nobel

laureate in Chemistry (1932). Isoterm adsorpsi Langmuir didasarkan atas

beberapa asumsi,yaitu :

(1) Adsorpsi hanya terjadi pada lapisan tunggal (monolayer),

(2) Panas adsorpsi tidak tergantung pada penutupan permukaan, dan

(3) Semua situs dan permukaannya

Persamaan isoterm adsorpsi Langmuir dapat diturunkan secara teoritis

dengan menganggap terjadinya kesetimbangan antara molekul-molekul zat yang

diadsorpsi pada permukaan adsorben dengan molekulmolekul zat yang tidak

teradsorpsi. Persamaan isoterm adsorpsi Langmuir dapat dituliskan sebagai

berikut :

5

C merupakan konsentrasi adsorbat dalam larutan, x/m adalah konsentrasi adsorbat

yang terjerap per gram adsorben, k adalah konstanta yang berhubungan dengan

afinitas adsorpsi dan (x/m)mak adalah kapasitas adsorpsi maksimum dari

adsorben. Kurva isoterm adsorpsi Langmuir dapat disajikan seperti pada Gambar

1.

b. Persamaan Isoterm Adsorpsi FreundlichPersamaan isoterm adsorpsi Freundlich didasarkan atas terbentuknya

lapisan monolayer dari molekul-molekul adsorbat pada permukaan adsorben.

Namun pada adsorpsi Freundlich situs-situs aktif pada permukaan adsorben

bersifat heterogen. Persamaan isoterm adsorpsi Freundlich dapat dituliskan

sebagai berikut.

Log (x/m) = log k + 1/n log c.................................................................(2),

sedangkan kurva isoterm adsorpsinya disajikan pada Gambar 2.

6

4. Faktor- faktor yang Mempengaruhi Efektifitas Adsorbsi

(1) Jenis adsorban, apakah berupa arang batok, batubara (antrasit), sekam, dll;

(2) Temperatur lingkungan (udara, air, cairan): proses adsorpsi makin baik jika

temperaturnya makin rendah;

(3) Jenis adsorbat, bergantung pada bangun molekul zat, kelarutan zat (makin

mudah larut, makin sulit diadsorpsi), taraf ionisasi (zat organik yang tidak

terionisasi lebih mudah diadsorpsi).

Berdasarkan jenis adsorbatnya, tingkat adsorpsi digolongkan menjadi tiga,

yaitu :

1. Adsorbsi Lemah (weak), terjadi pada zat anorganik kecuali golongan halogen

(salah satunya adalah klor).

2. Adsorpsi menengah (medium), terjadi pada zat organik alifatik dan

3. Adsorpsi kuat (strong) terjadi pada senyawa aromatik (zat organik yang berbau

(aroma) dengan struktur benzena, C6H6). 

5. Proses Adsorbsi

7

Proses adsorpsi mempunyai empat tahapan antara lain:

1.Transfer molekul-molekul adsorbat menuju lapisan film yang mengelilingi

adsorben. 

2.Difusi adsorbat melalui lapisan film (film diffusion process). 

3.Difusi adsorbat melalui kapiler atau pori-pori dalam adsorben (proses adsorpsi

sebenarnya). 

4.Adsorpsi adsorbat pada dinding kapiler atau permukaan adsorben (proses

adsorpsi sebenarnya).

5.Adsorpsi dibatasi terutama oleh proses film diffusion dan pore diffusion, hal ini

tergantung oleh besarnya pergolakan dalam system. Jika pergolakan antar partikel

karbon dan fluida relative kecil, maka lapisan film disekeliling partikel akan tebal

sehingga adsorpsi berlangsung lambat. Apabila dilakukan pengadukan yang

cukup maka kecepatan difusi film akan meningkat. 

6. Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Adsobsi

Ada beberapa factor yang mempengaruhi kemampuan adsorpsi suatu

adsorben diantaranya adalah sebagai berikut:

1. Luas permukaan adsorben

Semakin luas permukaan adsorben, semakin banyak asorbat yang diserap,

sehingga proses adsorpsi dapat semakin efektif. Semaki kecil ukuran diameter

partikel maka semakin luas permukaan adsorben. 

2. Ukuran partikel

Makin kecil ukuran partikel yang digunakan maka semakin besar kecepatan

adsorpsinya. Ukuran diameter dalam bentuk butir adalah lebih dari 0.1 mm,

sedangkan ukuran diameter dalam bentuk serbuk adalah 200 mesh. 

3. Waktu kontak

8

Semakin lama waktu kontak dapat memungkinkan proses difusi dan penempelan

molekul adsorbat berlangsung lebih baik. KOnsentrasi zat-zat organic akan turun

apabila kontaknya cukup dan waktu kontak biasanya sekitar 10-15 menit. 

4. Distribusi ukuran pori

Distribusi pori akan mempengaruhi distribusi ukuran molekul adsorbat yang

masuk kedalam partikel adsorben. Kebanyakan zat pengasorpsi atau adsorben

merupakan bahan yang sangat berpori dan adsorpsi berlangsung terutama pada

dinding-dinding pori atau letak-letak tertentu didalam partikel tersebut. 

6. Karbon Aktif

Salah satu adsorban yang biasa diterapkan dalam pengolahan air minum

(juga air limbah) adalah karbon aktif atau arang aktif. Arang ini digunakan untuk

menghilangkan bau, warna, dan rasa air termasuk ion-ion logam berat. Karena

merupakan fenomena permukaan maka semakin luas permukaan kontaknya makin

tinggilah efisiensi pengolahannya. Syarat ini dapat dipenuhi oleh arang yang

sudah diaktifkan sehingga menjadi porus dan kaya saluran kapiler. Yang belum

aktif, ruang kapilernya masih ditutupi oleh pengotor berupa zat organik dan

anorganik. proses pembuatannya yaitu :

1. Membuat arang misalnya dari tempurung kelapa (arang batok, Cocos nucifera),

kayu, batubara, merang, sekam, atau serbuk gergaji.

2. Arang ini kemudian diaktifkan dengan cara pemanasan pada kondisi sedikit

oksigen agar hidrokarbonnya lepas. Hasilnya berupa arang yang sangat porus

sehingga luas permukaannya besar.

3. Barulah digunakan untuk mengolah air minum atau air buangan, misalnya

memisahkan pencemar organik dan inorganik seperti air raksa, krom, atau untuk

deklorinasi (pengurangan klor di dalam air). 

9

Relatif mudah membuat filter arang aktif ini. Penjual filter skala rumah

tangga di kota dan desa sudah biasa membuatnya bahkan tanpa berlatar

pendidikan teknik. Hanya perlu keterampilan dan tahu sedikit tentang fungsi

arang aktif dan kapan harus diganti. Bahkan penjual filter ini bisa memiliki

pelanggan setia untuk reparasi dan perawatan filter yang dibeli oleh warga. Selain

menggunakan arang butir (granular) berdiameter 0,3 - 0,5 mm atau 1 – 2 mm,

arang bubuk, serbuk atau tepung (powder) pun dapat diterapkan. 

Dari evaluasi beberapa teknik pengolahan logam berat

dengan  mempertimbangkan akan kemudahan sistem aplikasi lapangan dan

sumber daya yang melimpah, maka diperoleh suatu metode yang lebih

representatif dalam mengolah logam berat timbal dan kadmium. Metode tersebut

adalah adsorpsi dengan media karbon aktif. Karbon aktif memiliki ruang pori

sangat banyak dengan ukuran tertentu.  Pori-pori ini dapat menangkap partikel-

partikel sangat halus (molekul) terutama logam berat dan menjebaknya

disana. Penyerapan menggunakan karbon aktif adalah efektif untuk

menghilangkan logam berat. Ion logam berat ditarik oleh karbon aktif dan melekat

pada permukaannya dengan kombinasi dari daya fisik kompleks dan reaksi kimia.

Karbon aktif memiliki jaringan porous (berlubang) yang sangat luas yang

berubah-ubah bentuknya untuk menerima molekul pengotor baik besar maupun

kecil. Efektifitas adsorpsi karbon aktif terhadap logam timbal Pb2+ telah

ditunjukkan pada sertifikat NSF (National Sanitation Foundation)

yang merefleksikan isotherm Langmuir dimana adsorbsi logam berat Pb akan

berlangsung sampai mencapai titik keseimbangan dimana proses adsorbsi tidak

akan berjalan lagi atau berhenti meskipun dosis karbon aktif diperbesar.

Kecepatan penyerapan ini tergantung dari sifat adsorbsi, temperatur, pH, dan

waktu singgung karbon aktif dengan Pb. Sedangkan penyerapan Cd relatif

merefleksikan isotherm Freundlich.

Proses eliminasi logam berat Pb dan Cd dengan karbon aktif akan semakin

efektif dimana selain sebagai adsorben karbon aktif secara simultan juga bertindak

sebagai pemberat (weighing agent) demikian pula jikaberbagai metode

10

pengolahan digabung misalnya metode adsorbsi karbon aktif dengan metode

konvensional (koagulasi, flokulasi, sedimentasi,  filtrasi dan

khlorinasi). Penyerapan karbon aktif bubuk dapat digunakan pada instalasi

pengolahan di hampir seluruh tempat/titik pembubuhan. Pembubuhan karbon aktif

dapat dilakukan dengan sistem kering maupun basah. Titik pembubuhan ini

tentunya mempunyai kelebihan dan kekurangan masing – masing. Untuk

meningkatkan kecepatan adsorpsi, dianjurkan agar menggunakan arang aktif yang

telah dihaluskan.

Aplikasi sistem ini sangat cocok diterapkan dalam industri – industri

pengolahan yang menghasilkan limbah cair yang relatif banyak dan sangat

dianjurkan terutama pada Instalasi Pengolahan Air Bersih atau Air Minum

(IPAM). Dalam perspektif  yang lebih luas, aplikasi teknologi karbon aktif ini

dapat digunakan tidak hanya untuk mengolah logam berat Cd dan Pb tetapi juga

pada unsur pecemar lainnya.

11