Adsorbsi isotermis ITS

BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Tujuan Percobaan

Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengamati peristiwa

adsorbsi dari larutan asam asetat pada karbon aktif pada suhu konstan dan

menghitung luasan adsorbs dari karbon aktif granula maupun serbuk serta

membandingkannya.

I.2. Dasar Teori

Dalam kehidupan sehari-hari kita mengenal dua istilah yang

hampir sama tetapi sebenarnya mempunyai pengertian yang sedikit berbeda,

yaitu istilah absorbsi dan adsorbsi. Istilah adsorbsi dan absorbsi biasanya

disamakan, padahal tidak. Absorbsi merupakan proses dimana substansi

tidak hanya terikat pada permukaan saja tetapi menembus permukaan dan

terdistribusi ke bagian-bagian dalam dari komponen yang mengabsorbsi,

solid atau liquid. Sebagai contoh air terabsorbsi oleh spons, uap air

terabsorpsi oleh anhidrat CaCl2. Sedangkan pengertian adsorbsi adalah

peristiwa penyerapan molekul-molekul cairan atau gas pada permukaan

adsorban, hingga terjadi perubahan konsentrasi pada cairan atau gas

tersebut. Zat yang diserap disebut adsorbat, sedangkan zat yang menyerap

disebut adsorban. Contoh dari peristiwa adsorbsi adalah larutan asam asetat

diadsorbsi oleh karbon.

Pada peristiwa adsorbsi ini, bila konsentrasi zat pada bidang batas

menjadi lebih besar daripada konsentrasi medan salah satu fase adsorbsi

maka disebut adsorbsi positif, demikian juga sebaliknya, apabila konsentrasi

zat pada bidang batas menjadi lebih kecil daripada konsentrasi medan salah

satu fase adsorbsi maka disebut adsorbsi negatif.

Peristiwa adsorbsi dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor. Yang

mempengaruhi jumlah dari molekul yang teradsorbsi, antara lain adalah

sifat-sifat dari adsorban dan adsorbat itu sendiri, luas permukaan total

Laporan Resmi Percobaan Adsorbsi Isotermis2

adsorban, suhu proses dan tekanan jika pada adsorbsi tersebut terdiri dari

gas. Substansi yang tertarik pada permukaan disebut adsorbat, sementara

substansi yang menarik disebut adsorban.

Ada dua tipe adsorbsi, dimana perbedaan antara kedua tipe

adsorbsi ini ditentukan oleh panas reaksi yang terlibat dalam proses adsorbsi

tersebut. Kedua tipe reaksi tersebut antara lain :

1. Adsorbsi secara fisika, dimana berkarakteristik sebagai berikut :

a. Ikatan yang terbentuk adalah ikatan fisik dan prosesnya disebut

adsorbsi Van der Wall, seperti dispersi atau interaksi dipolar antara

adsorbat dan substrat. Interaksi van der Waals mempunyai jarak jauh,

tetapi lemah. Molekul yang melambung pada permukaan akan

kehilangan energinya secara perlahan dan teradsorbsi pada permukaan

itu dan prosesnya disebut dengan akomodasi.

b. Hanya dipengaruhi oleh gaya mekanik.

c. Dalam adsorbsinya bisa terbentuk monolayer maupun multilayer.

d. Memiliki harga aktifasi energi yang kecil.

e. Adsorbsinya terjadi pada suhu rendah atau berada dibawah titik didih

adsorbatnya.

f. Adsorbat yang terserap membentuk atom geometrik pada permukaan

partikel adsorben.

g. Tidak melibatkan reaksi dalam proses adsorbsinya.

h. Panas adsorbsinya kecil dan memiliki nilai yang sama dengan panas

vaporasinya.

i. Adsorbat yang telah terikat dapat dilepaskan dari adsorbennya tanpa

melibatkan reaksi.

j. Adsorbsinya bersifat reversibel.

k. Kuantitas yang diadsorbsi per massa adsorben tinggi.

2. Adsorbsi secara kimia, dimana berkarakteristik sebagai berikut :

a. Ikatan yang terbentuk adalah ikatan kimia dan prosesnya disebut

adsorbsi aktif. Partikel melekat pada permukaan dan cenderung

Laboratorium Kimia Fisika

Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS

2011


mencari tempat yang memaksimumkan bilangan koordinasinya

dengan substrat.

b. Adsorbsinya tidak hanya dipengaruhi oleh gaya mekanik.

c. Dalam adsorbsinya hanya terbentuk monolayer.

d. Memiliki harga aktifasi energi yang besar.

e. Adsorbsi ini bisa terjadi pada suhu yang rendah ataupun pada suhu

sangat tinggi.

f. Adsorbat yang teradsorbsi membentuk kesatuan kristal yang

bervariasi dengan partikel adsorben.

g. Melibatkan reaksi dalam proses adsorbsinya.

h. Panas adsorbsinya besar atau berkisar 50 sampai 100 Kcal/mol. Sisi

aktif dapat diasumsikan berada dalam adsorben dan ditempati oleh

adisi pertama gas, ikatan berikutnya akan terjadi pada sisi yang kurang

aktif dan kekuatan ikatan menurun. Ikatan gas ke padatan dapat terjadi

dengan elektron-elektron yang diberikan ke padatan oleh molekul

teradsorbsi. Ketika proses terus-menerus berlangsung, padatan mulai

enggan untuk memperoleh atau melepas elektron-elektronnya. Gaya

saling menguntungkan dari molekul teradsorbsi, khususnya ketika ia

membutuhkan muatan ketika mereka menyerap.

i. Adsorbat yang telah terikat dapat dilepaskan dari adsorbennya dengan

melibatkan reaksi.

j. Bersifat irreversibel.

k. Kuantitas yang diadsorbsi per massa adsorben rendah.

(Atkins, hal 320)

Bekerja dengan chemisorption telah berhubungan dengan

kesetimbangan dan dengan laju. Jumlah dari gas yang diadsorpsi setelah

kesetimbangan tercapai tergantung pada bermacam-macam faktor termasuk

sifat dari permukaan dan sifat dari substansi yang diadsorpsi, temperatur,

dan tekanan. Jika untuk sistem yang diberikan salah satunya

mempertahankan temperaturnya konstan dan mempelajari jumlah dari



2011


adsorpsi sebagai fungsi dari tekanan, hubungan yang dihasilkan diketahui

sebagai adsorpsi isothermal. Jumlah dari isoterm telah ditemukan, beberapa

bersifat empirik dan yang lain diperoleh diperoleh secara teori. Dari

persamaan secara teori yang paling sederhana adalah persamaan dari

Langmuir yang isotherm mempunyai pengaruh yang khusus dari salah satu

yang diterapkan pada kasus ideal dari chemisorption pada permukaan yang

rata sempurna tanpa adanya interaksi antara molekul yang diadsorpsi.

Langmuir isoterm mempunyai hal yang penting dalam teori adsorpsi yang

sama dengan hukum ideal gas dan pantas untuk mengatakan bahwa adsorpsi

yang memenuhi persamaan Langmuir sebagai ideal adsorption.

Adsorpsi isotermis adalah hubungan yang menunjukkan distribusi

adsorben antara fasa teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah

saat kesetimbangan pada temperatur tertentu. Ada tiga jenis hubungan

matematik yang umumnya digunakan untuk menjelaskan isoterm adsorpsi.

1. Isoterm Langmuir, isoterm ini berdasarkan asumsi bahwa :

a. Adsorben mempunyai permukaan yang homogen dan hanya dapat

mengadsorpsi satu molekul adsorbat untuk setiap molekul

adsorbennya. Tidak ada interaksi antara molekul-molekul yang

terserap.

b. Semua proses adsorpsi dilakukan dengan mekanisme yang sama.

c. Hanya terbentuk satu lapisan tunggal saat adsorpsi maksimum.

Namun, biasanya asumsi-asumsi sulit diterapkan karena selalu ada

ketidaksempurnaan pada permukaan, molekul teradsorpsi tidak inert

dan mekanisme adsorpsi pada molekul pertama sangat berbeda dengan

mekanisme pada molekul terakhir yang teradsorpsi.

Lebih jauh lagi, Langmuir menggambarkan bahwa proses adsorpsi

terdiri dari dua reaksi yang berlawanan, kondensasi dari molekul dari

fase gas pada permukaan dan evaporasi dari permukaan kembali pada

gas. Saat adsorpsi pertama kali berlangsung, setiap molekul yang

bertumbukan dengan permukaan dapat mengalami kondensasi pada



2011


permukaan tersebut. Bagaimanapun, saat adsorpsi berlangsung pada

molekul-molekul tersebut dapat diharapkan untuk diadsorpsi yang

menyerang permukaan yang belum terlingkupi oleh molekul yang

teradsorpsi. Hasilnya adalah laju awal kondensasi dari molekul pada

permukaan adalah yang tertinggi dan turun pada daerah permukaan

dimana adsorpsi menurun. Dengan kata lain, molekul yang teradsorpsi

pada permukaan, akan menjadi keluar dari permukaan dan akan menuju

gas.

Ide ini dapat dinyatakan secara matematika. Bila kita ambil

sebagai fraksi dari permukaan total yang terlingkupi oleh molekul yang

teradsorpsi, kemudian fraksi dari permukaan dan yang berlaku untuk

adsorpsi adalah (1- ). Karena berdasarkan teori kinetik, laju pada saat

molekul menyerang daerah permukaan adalah sebanding dengan tekanan

dari gas, laju dari kondensasi dari molekul seharusnya ditentukan oleh

tekanan dan fraksi dari permukaan atau

Laju kondensasi = k1(1 - )P

dimana k1 adalah konstanta proporsionalitas. Dengan kata lain, jika kita

ambil k2 menjadi laju dimana molekul terevaporasi dari permukaan saat

permukaan terlingkupi semuanya, kemudian untuk fraksi dari

permukaan yang terlingkupi oleh laju evaporasi akan menjadi

Laju evaporasi = - k2

untuk kesetimbangan adsorpsi laju ini harus sama. untuk itu

k1(1 - )P = k2

=

dimana b=k1/k2. Sekarang jumlah dari gas yang diadsorpsi per unit area

atau per unit massa dari adsorben, y, harus sebanding dengan fraksi

permukaan yang terlingkupi dan



2011


y = k

=

dimana konstanta a telah ditulis untuk produk kb.

2. Isoterm Brunauer, Emmet, and Teller (BET)

Isoterm ini berdasar asumsi bahwa adsorben mempunyai permukaan

yang homogen. Perbedaan isoterm ini dengan Langmuir adalah BET

berasumsi bahwa molekul-molekul adsorbat bisa membentuk lebih dari

satu lapisan adsorbat di permukaannya. Pada isoterm ini, mekanisme

adsorbsi untuk setiap proses adsorbsi berbeda-beda. Isoterm Langmuir

biasanya lebih baik apabila diterapkan untuk adsorbsi kimia sedangkan

isoterm BET akan lebih baik daripada isoterm Langmuir bila diterapkan

untuk adsorbsi fisik.

3. Isoterm Freundlich

Untuk rentang konsentrasi yang kecil dan campuran yang cair, isoterm

adsorpsi dapat digambarkan dengan persamaan empirik yang

dikemukakan oleh Freundlich. Isoterm ini berdasarkan asumsi bahwa

adsorben mempunyai permukaan yang heterogen dan tiap molekul

mempunyai potensi penyerapan yang berbeda-beda. Persamaan ini

merupakan persamaan yang paling banyak digunakan saat ini.

Persamaannya adalah

x/m = kC1/n

dengan x = banyaknya zat terlarut yang teradsorpsi (miligram)

m = massa dari adsorben (miligram)

C = konsentrasi dari adsorbat yang tersisa

k,n = konstanta adsorben

log ( x/m) = log ( k cn )

log ( x/m ) = log k + log ( kcn ) { log ab = b log a }

log ( x/m ) = log k + (n) log c



2011


Dari persamaan tersebut, jika konstentrasi larutan dalam

kesetimbangan diplot sebagai ordinat dan konsentrasi adsorbat dalam

adsorben sebagai absis pada koordinat logaritmik, akan diperoleh gradien

n dan intersep k. Isoterm adsorpsi Freudlinch memiliki kelemahan dalam

proses adsorpsi gas pada permukaan padat. Adsorpsi isotermis Freudlinch

untuk gas tidak dapat dilakukan pada tekanan tinggi.

Pada tekanan sedang, isoterm adsorpsi Freudlinch lebih akurat bila

dibandingkan dengan isoterm adsorpsi Langmuir. Pengukuran untuk

adsorpsi isotermis Freudlinch untuk adsorpsi gas pada perumukaan zat

padat kurang memuaskan dibandingkan dengan isoterm adsorpsi

Langmuir karena isoterm adsorpsi Freundlich mempunyai keakuratan

yang rendah pada tekanan tinggi karena dapat mengadsorpsi gas

berapapun tekanannya, tanpa batas jenuh

Hal-hal yang dapat dilihat dari kurva isoterm adalah sebagai

berikut :

1. Kurva isoterm yang cenderung datar artinya isoterm yang digunakan

menyerap pada kapasitas konstan melebihi daerah kesetimbangan.

2. Kurva isoterm yang curam artinya kapasitas adsorbsi meningkat seiring

dengan meningkatnya konsentrasi kesetimbangan.

Lima perbedaan tipe dari adsorbsi isotermis dan masing-masing

karakteristiknya adalah sebagai berikut :

1. Tipe I



2011


Grafik di atas menggambarkan adsorbsi monolayer. Grafik ini dapat

dengan mudah dijelaskan dengan Langmuir Adsorption Isotherm. Jika

dalam persamaan BET, saat P/P0<<1 dan c>>1, diperoleh formasi

monolayer. Contohnya ialah adsorpsi nitrogen (N2) atau hidrogen (H2)

dalam karbon pada temperatur sampai -180°C.

2. Tipe II

Menunjukkan deviasi besar dari model Langmuir. Daerah bagian tengah

grafik menunjukkan bentuk monolayer. Dalam persamaan BET, nilai C

haruslah sangat besar sampai perbandingan 1. dimana panas

adsorbsi lebih besar daripada panas liquifaction. Contohnya ialah

nitrogen, N2(g), diserap dalam -195°C dalam katalis besi dan nitrogen,

N2(g), diadsorbsi pada -95°C dalam silika gel.

3. Tipe III



2011


Menunjukkan deviasi besar dari Langmuir. Dalam persamaan BET, akan

terbentuk bila nilai C <<< 1 dimana dimana panas liquifaction lebih

besar daripada panas adsorbsi. Isoterm ini menjelaskan bentuk dari

multilayer. Tidak ada bentuk datar dalam kurva ini yang menunjukkan

bahwa tidak ada bentuk monolayer. Contohnya ialah bromin (Br2) pada

79°C pada silika gel atau iodine (I2) pada 79°C dalam silika gel.

4. Tipe IV

Pada tekanan rendah, bentuk ini hampir sama dengan tipe II. Hal ini

menunjukkan bentuk dari monolayer yang diikuti bentuk multilayer.

Saturation mencapai tekanan di bawah tekanan uap jenuh. dimana panas

adsorbsi lebih besar daripada panas liquifaction. Contohnya ialah

adsorbsi dari benzene dalam besi (III) oksida (Fe2O3) pada 50°C dan

adsorbsi dari benzene dalam silika gel pada 50°C.

5. Tipe V



2011


Panas liquifaction lebih besar daripada panas adsorbsi. Contohnya ialah

air pada 100°C dalam karbon.

(Maron Lando, hal 756)

Peristiwa adsorbsi adsorbat oleh adsorbennya tergantung dari

beberapa faktor, yaitu :

1. Luas permukaan dari adsorben.

a. Kelajuan adsorbsi bertambah seiring bertambahnya luas permukaan

dari adsorben.

b. Kelajuan adsorbsi berbanding terbalik terhadap diameter adsorben.

c. Kelajuan adsorbsi berbanding terbalik terhadap ukuran granular dari

adsorben.

d. pH, tergantung dari sistem yang digunakan.

2. Sifat dari larutan.

a. Kelajuan adsorbsi berbanding terbalik terhadap solubility adsorbat

dalam solven.

b. Kelajuan adsorbsi berbanding terbalik terbalik terhadap panjang

diameter partikel adsorbat.

c. Kelajuan adsorbsi berbanding lurus terhadap fraksi mol partikel

adsorbat dalam solven.

d. Kelajuan adsorbsi berbanding terbalik terhadap konstanta disosiasi

dari adsorbat.

3. Tekanan permukaan dari solven, tergantung dari fraksi mol solven dan

konsentrasi solvent pada permukaan larutan

(http://www.sciencedirect.com)

Adsorpsi isotermis memiliki aplikasi yang cukup besar di dalam

industri. Berbagai contoh aplikasi adsorpsi isotermis dalam industri ialah :

1. Untuk menurunkan kerusakan air dalam proses fotokimia. Dengan

menggunakan membran PCM, partikel dan gelembung-gelembung kecil

akan dipindahkan. Dengan lebar 0,02 mikron, permukaan hidrofilik PCM

akan menurunkan sisi nukleasi dalam proses pembentukan partikel kecil



2011


dengan mengeliminasi noda hidrofobik dalam membran. PCM juga dapat

membantu menurunkan defek microbridges akibat ketidakmurnian

molekul dengan prinsip adsorpsi isotermis.

2. Untuk memisahkan hidrogen dari senyawa-senyawa lainnya dalam

perusahaan petrokimia dan kilang minyak. Alat yang digunakan ialah

PSA (Pressure Swing Adsorption). Sebelum penggunaaan PSA sebagai

alat pemisah, pemisahan hidrogen menggunakan destilasi kriogenik.

Dengan penggantian alat destilasi kriogenik dengan PSA, perusahaan

perminyakan dan petrokimia dapat menghemat biaya produksi

pemisahan hidrogen hingga 60-90%.

3. Untuk memurnikan dan mendaur ulang SO2. Alat yang digunakan ialah

Sulfur Dioxide Recovery System (SDRS). Dalam contoh ini, SDRS

menggunakan teknik PSA yang memungkinkan proses pemurnian dan

pendaurulangan SO2 lebih dari 98% dalam kotak dingin. SO2 yang

dihasillkan dapat digunakan untuk membungkus logam. Dengan

menggunakan SDRS, biaya produksi bisa dihemat hingga 40%..

Properties karbon aktif

Gambar 1.2.1 Karbon aktif

Satu gram karbon aktif mempunyai luas permukaan kira-kira 500

m2. Di bawah mikroskop elektron, struktur karbon aktif terlihat kecil seperti

pita atau lembaran kertas yang menggumpal bercampur dengan chips.

Secara fisika, karbon aktif mengikat material dengan gaya van der Waals,

khususnya gaya dispersi London. Karbon aktif tidak berikatan dengan baik



2011

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Activated_Carbon.jpg


dengan zat kimia tertentu, misalnya litium, alkohol, glikol, amonia, asam

kuat dan basa kuat, logam dan mineral anorganik.

Karbon aktif dapat diklasifikasikan berdasarkan karakter fisiknya :

1. Powdered activated carbon atau serbuk.

2. Granulated activated carbon dimana ukurannya lebih besar bila

dibandingkan dengan serbuk. Digunakan untuk pengolahan air atau water

treatment, pemisahan komponen dari aliran sistem, dan deodorisasi.

3. Spherical activated carbon.

( http://wikipedia.org/activatedcarbon)



2011

Documents

Adsorbsi isotermis ITS