KOEP-ISIEN TRANSFER MASSA ADSORPSILOGAM BERAT Cr DAN Zn DENGAN PASIR

BERLAPIS BESI OKSIDA (Fe203)YC. Danarto*,SurhanKurniawan~ danAgungPrasetyo"*) Staf Pengajar Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNS**) Mahasiswa Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik UNS

Abstract: Sorption into iron-oxide coated sand is promising technology for removal of thedissolved heavy metal fraction in the heavy metal solution. The objective of this researchwas-to study the effect of temperature upon to mass transfer coefficient of heavy metalsin solution to adsorben (kca). The experiment was carried out in a stirred batch flask. lron-oxide coated sand was contacted with heavy metal solution (Zn and CrY at constanttemperature. Samples was drawn at certain times and the remaining heavy metalcontentration was measured by Atomic Absorption Spectrophotometer (AAS). The resultsshowed that the temperature had significant effect to the mass-transfer coefficient andcould be expressed as :

kea = 1O69.34.ex{ - 33~1.9)for Cr solutions

.1 2443.6)kea = 133. 18.ex1.. - T for Zn solutions

The relative errors were 10.49 % and 4.88 %, respectively.

Keywords: iron oxide coated sand, adsorption, mass-transfer coefficient

PENDAHUlUAN

Dengan semakinberkembangnya industri, seperti industrikertas, tekstil, penyamak kulit dansebagainya, semakin banyak pulalegam berat yang dibuang sebagailimbah. Logam yang dimaksud adalahtimbai (Pb), kromium (Cr), tembaga(Cu), kadmium (Cd), nikel (Ni), dan sellg(Zn). Umball ini akan menyebabkanpencemaran serius terhadap lingkunganjika kandungan logam berat yangterdapat di dalamnya melebihi ambangbatas dan akan menyebabkan penyakitserius bagi manusia apabilaterakumulasi di dalam tubuh. Beberapametode kimia maupun bi%gis telahdicoba untuk mengambi! logam beratyang terdapat di dalam limbah,diantaranya adsorpsi, pertukaran ion,pemisahan dengan membran, dan yang/ainnya. Proses adsorpsi lebih banyakdipakai dalam industri karena lebihekonomis.

Kebanyakan adsorben yangdigunakan dalam proses adsorpsiadalah alumina, karbon aktif, silica gel,den zeolit. Adsorban tersebut

26

mempunyai kemampuan adsorpsi yangbaik tetapi tidak ekonomis. Dewasa Inisedang digalakkan penelitian mengenaipenggunaan adsorben.alternatif yangberasal dari a/am, dimana selainmemiliki kemampuan adsorpsi yang baikjuga ekonomis.

Salah satu adsorben alternatifyang menjanjikan adalah pasir karel1adisamping tersedia luas di hampir setiaptempat juga harganya yang relatifmurah. Penelitian Muhammad et al(1997 and 1998) menunjukkan bahwapasir mempunyai kemampuanmenyerap logam Cu, Cr, Cd dan Pb.Adsorpsi tersebut menggunakan alatslow sand filtration. Untuk meningkatk;:mefisiel1si penyerapan, M011eret al (2002)dan Benjamin et al (1993 and 1996)menggunakan pasir yang dilapisi besioksida. M011er et al (2002) jugamenggunakan pasir yang telah dilapisibesi oksida untuk mengurangi kadarlagam \ berat.Hasil penelitianmenunjukkan bahwa pelapisan pasirdengan besi oksida akan meningkatkanluas pori-pori adsorben.

'"

Ekuilibrium, Vol 4, No 1, 2005: 26 - 30

Kebanyakan penelitian mengenaiadsoprsi logam berat menggunakanpendekatan kesetimbangan adsorpsisaja padahal menurut Volensky (2000)transfer massa logam berat dalamcairan ke adsorben sangatmempengaruhi kecepatan adsorpsisecara keseluruhan.

Penelitian ini bertujuanmempelajari pengaruh suhu terhadapnilai koefisien transfer massa logamberat dalam larutan ke adsorben.

DASAR TEORIProses adsorpsi terjadi pada

permukaan pori-pori dalam adsorben,sehingga untuk bisa teradsorpsi, logamdalam cairan mengalami proses-prosesserisebagaiberikut:1. Perpindahan massa logam dari

cairan ke permukaan adsorben2. Difusi dari perrnukaan adsorben ke

da!am adsorben melalui pori3. Perpindahan massa logam dari

caiian dalam pori ke dinding poriadsorben

4. Adsorpsi logam pada dinding poriadsorben

Perpindahan masse logam dari cairandalam pori ke dinding pori adsorben danadsorpsi pada dinding pori adsorbenumumnya berlangsung sangat cepatsehingga proses ini tidak mengontrolkecep~tan adsorpsi secara keseluruhan.Akibatnya yang mengontrol adalahperpindahan massa dari cairan kepermukaan butir atau difusi daripermukaan adsorben ke dalamadsorben melalui pori. ( Sediawan danPrasetya, 1997 )

Pada penelitian ini, adsorbenyang digunakan berukuran sangat kecilsehingga difusi dari permukaanadsorben ke dalam adsorben dapatdiabaikan. Jadi yang mengontrol prosesadsorpsi secara keseluruhan adalahperpindahan massa dari cairan kepermukaan butir adsorben.

Neraca massa logam pada fasecair,

- kp (CL - C*).v = V dCL. dt(1 )

Gambar '1. Transfer massa antar fasacair-padat

Neraca massa logam pada fasepadat,

~ dCkeG(CL - C )V = M E...dt

Karena luas transfer massa antar fasesukar untuk diketahui, maka digunakanfaktor a yang nlenunjukkan luas mukatransfer massa antar permukaanpersatuan volume total.

Hubungan kesetimbanganadsorpsi mengikuti persamaan yangmirip hukum Henry,

Cp=KH.C'

(2)

"

(3)

Persamaan empiris yangmenyatakan hubungan koefisientransfer massa kCaterhadap sLihu yangberlaku pada jenjang suhu yang tidakbegitu lebar dapat dinyatakan denganhybungan (00,1998):

_. Eo

keG= kco.eRT (4)Pengaruh suhu terhadap nilai

konstanta Henry H pada adsorpsi logamberat dapat dihubungkan denganpersamaan van't Hoff, (00,1998):

NiO

KH = KHo.e RT (5)

METODOLOGI PENELITIANBahan dan Alat

Bahan yang digunakan padapenelitian ini adalah :- Larutan ZnCI2.- Larut(~m K2Cr206- Pasir yang dilapisi besi oksida.

Rangkaian alat yang digunakanpada penelitian ini dapat dilihat padagambar 2.

Koefisien Transfer Massa Adsorpsi Logam Berat Cr dan Zn dengan PasirBerlapis Besi Oksida (Fe203J( YC. Danarto, Burhan K., dan Agung P.)

27

I

CL :CI

I

I

L--Larutan I

logam beratI CpII

I ...NA

I

"

Keterangan gambar :1. water bath2. labu leher tiga3. thermometer

4. penyangga

5. motor listrik6. pengaduk

Gamba.. 2. Rangkaian alat adsorpsi

Langkah PenelitianPembuatan pasir yang dilapisi besioksida

Menyaring 200 gr pasir denganmenggunakan saringan 40-50 mesh.Membuat larutan FeCI3 dengan pH 10sebanyak 100 ml denganmenambahkan larutan NaOH. Setelahitu mencampur 100 ml larutan FeCI3dengan 200 gr pasir. Memanaskancampuran tersebut pada suhu 100°Cdan mengaduknyasarnpai :t 2 jam.Mencuci pasir dengan aquades dankemudian di keringkan dalam oven padasuhu 100°C selama :t 4 jam (sampaikering). (Benjamin. 1996)

Percobaan adsorpsiPenelitian dimulai dengan

memasukkan pasir besi yang dilapisibesi oks:da sebanyak 35 9 ke dalamlabu lehsr tiga yang telah berisi larutanlogam berat (Zn atau Cr) '350 mLdengan Kadar 3 ppm. Proses adsorpsidilakukan pada suhu konstan. Tiapselang 10 menit selama 1 jam, sampeldiambil untuk diketahui kadar logamberatnya menggunakan "AS.

Percobaan dilakukan untuksuhu 27°C. 35°C, 45°C. dan 55°C

28

----

=-~~~- - ~-~--~~~=~

HASIL DAN PEMBAHASANData penelitian hubungan

konsentrasi logam berat Zn dan Cr padaberbagai waktu dan suhu dapat dilihatpadatabel I danll.

Tabel I. Konsentrasi logam berat Crpad a berbagai suhu ( konsentrasilogam berat~~'!!: 3 ppm}

Tabel II. Konsentrasi logam berat Znpada berbagai suhu ( konsentrasilogam bc!~t ~1,V<i'-:~PP!!11

Dari tabel I dan II diperolehkecendeiUngan yang sama, yaituterdapat penurunan konsentrasi logamberat dalam larutan seiring denganbertambahnya waktu. Hal ini karenasemakin lama waktu adsorpsi makasemakin banyak logam berat yangterjerap dalam adsorben.

Dari tabel I didapatkan bahwaefisiensi penJerapan pasir berlapis besioksida terhadap logam berat Cr sebesar28,34% pada suhu 27°C dan meningkatdengan kenaikan suhu sehinggamencapai 47,35% pada suhu 55°C.Sedangkan pada tabel II didapatkanbahwa efisiensi penjerapan pasirberlapis besi oksida terhadap logamberat Zn sebesar 67,43% pada suhu27°C dan meningkat dengan kenaikan

Ekuilibrium, Vo/4, No 1, 2005: 26 - 30

Waktu Ko';;;';trasi (oom) oada Suhu

(menit) i 27°C 35°C 45°C 55°C0 ! 3,0000 3,0000 3,0000 3,000010 2,6558 2,4803 2,3656 2,245420 2,3995 2,2219 1,9851 1,756030 2,3452 2,1538 1,9941 1,569440 2,2432 2,1135 1,9941 1,590850 2,1532 2,0697 1,9762 1,574360 2,1498 2,0105 1,9583 1,5794

-Waktu-'- Ko;etasi (ppm) pad a Suhu(menit) 27°C 35°C 45°C 55°C

0 3,0000 3,0000 3,0000 3,000010 2,1793 1,9799 1,8144 1,5020 1,5701 1,3711 1,2263 0,987930 1,2706 1,0220 0,9640 0,744040 1,0540 0,9811 0,8194 0,703850 0,9873 0,9578 0,7726 0,697260 0,9772 0,9553 0,7699 0,7075

suhu sehingga mencapai 76,42% padasunu 55°C.

Pengaruh suhu terhadap nilaikca dan I<tJpada adsorpsi logamberatCr dan Zn dapat dilihat pada tabel IIIdanlV

Tabellll. Nilai kca pada berbagai suhupada adsorpsi logam berat Cr~:.

TabellV. Nilai kca pada berbagai suhupada adsorpsi logam berat Zn

Pada tabel III dan IV terlihatbahwa nilai kca semakin besar seiringdengan bertambahnya suhu. Hal inikemungkinan berkaitan dengan semakinaktifnya gerakan ion-ion logam beratkarena bertambahnya suhu sehinggapel-pindahanmassa ion logam berat daricairan ke permukaan adsorben semakinmudah.

-2

0.~03.2.5

0.0032 O.OD34

~'" -3t)

.:.::

c- -3.5

-4

. 0

. Zn-Un." 10)- Un." IZn) .

.

-4.51fT (1/K)

Gambar 3. Grafik hubungan In kcadengan 1fT

Pengaruh suhu terhadap nilaikca logam berat Cr dan Zn berturuI-turutdapat dinyatakan dengan persamaanberikut,

1 3331,9)keG= 1O69,34.ex~- T (6)

1 2443,6)keG= 133,18.ex~ - T (7)

dengan kesalahan relatif masing-masingadalah 10,94 % dan 4,88 %.

Pada tabel III dan IV jugaterlihat bahwa nilai KH semakin turunseiring dengan bertambahnya suhu. Halini disebabkan dengan bertambahnyC1suhu adsorpsi maka energi untukdesorpsi semakin meningkat sehinggalebih banyak jumlah ion logam beratyang terlepas dari adsorbendibandingkan dengan jumlah ion logamberat yang terjerap dalam adsorben. .,

:I:x::

-~.d03 0.0032 0

1

0 34

~A~

-2~ ------. I .Q IA . Zn

- -linear (ZnJ-linear(Q)

-3

-------------

-4

1fT (ilK)

Gambar 4. Grafik hubungan In KHdengan 1fT

pengaruh suhu terhadap nilaiKHpada adsorpsi logam berat Cr dan Znmasing-masing dapat dinyatakandengan persamaan berikut,

-

[2784,9

]KH =2,73 x 10 5.exp - T (8)

-

[

98857

]KH=1,43x1O3.exp-; (9)

Panas adsorpsi logam berat Cr dan Znmasing-masing adalah 23,15 kJ/mol dan8,22 kJ/mol. Kesalahan relatif masing-masing adalah 17,22 % dan 1,55 %.

Koefisien Transfer Massa Adsorpsi Logam Berat Cr dan Zn dengan PasirBerlapis Besi Oksida (Fe203)( YC. Danarto, Burhan K., dan Agung P.)

29

Suhu kcaKH

(°C) (1/menit)

27 1,4747.10-':: 0,2341

35 2,4816.10.':: 0,2125

45 3,7651.10.':: 0,1871

55 4,0953.10-':: 0,1041

Suhu kcaKH

(°C) (1/menit)

27 3,7864.1 O-L 3,8623.10.L

35 5,1017.10-':: 3,3522.10.'::

45 5,6728.10-':: 3,1746.10.'::

55 7,9872.10.':: 2,9169.10.'::

KES'MPULAN1. Pemodelan matematis yang

diajukan dapat mewakili peristiwatransfer massa logam berat kedalam pasir yang dilapisi besioksida.

2. Semakin tinggi suhu maka nilaikoefisien transfer massa (kca)semakin besar.

3. Semakin tinggi suhu maka nilaikonstanta kesetimbangan adsorpsimenurut hukum Henry (~) semakinkecil.

DAFTAR DAN ART' LAMBANGCL = konsentrasi logam berat dalam

cairan (mg/L)C? = konsentrasi logam berat dalam

padatan (mg/g)C* = konsentrasi logam berat da/am

cairan yang setimbang cenganpadatan (mg/L)

Eo: = energi aktivasi, kJ/molkca = koefisien transfer massa A. (1/mnt)

kco = faktor pre-eksponensialI(H = konstanta kesetimbangan

adsorpsi menurut hukum HenryKHo = faktor pre-eksponensialM = berat adsorben (g)R = konstanta gas urnurn (kJ/moI.K)T = suhu adsorpsi (K)V = volume farutan (L)bW = entalpi adsorpsi, kJ/mol

DAFTAR PUSTAKABenjamin, M.M., 1996, "Sorption and

Filtration of using Iron OxideCoated Sand", Water ScienceTechnology, 2609-2620

30

Benjamin, M.M., Chang, Y.J., Li, C.W.,and Korshin, G., 1993, "NOMAdsorption onto Iron-oxide CoatedSand", AWWA ResearchFoundation, Order No. 90632

Benjamin, M.M. and Li, C.W., 1996,"Adsorption and Filtration StudiesUsing Iron-oxide Coated Olivine",AWWA Research Foundation,Order No. 90679

M011er,J., Ledin, A, and Mikkelsen,P.S., 2002, "Removal of DissolvedHeavy Metals from Pre-settledStormwate,' Runoff by Iron-oxideCoated Sand", Ramb011,Water andWastewater, Denmark

Muhammad, N., Parr, J., Smith, M.D.,and Wheatley AD., 1997,"Removal of Heavy Metals by SlowSand Filtration", . 23rd WEDCConference: Water and Sanitationfor All, Partnerships andInnovations, 167-170

Muhammad, N., Parr, J., Smith, M.D.,and Wheatley, AD., 1998,"Adsorption of Heavy Metals bySlow Sand Filters", 24th WEDCConference: Water and Sanitationtor All, 346-349

Sediawan, W.B. dan Prasetya, A, 1997,"Pemodelan Matematis d:mPenyelesaian Numeris dafamTeknik Kimia denganpemrograman Bahasa Basic danFortran", Andi, Yogyakarta

Volesl<y, B., 2000, "Biosorption:Application Aspects-ProcessSimulation Tools", Department ofChemical Engineering, McGillUniversity, Mont;-eal

Ekufflbrium, Vo/4,No1, 2005:26-30