Adsorpsi

Pertanyaan

Bagian C

1. Dalam adsorpsi isotherm, terdapat 5 tipe yang biasanya digambarkan dalan grafik, yang

memperlihatkan apakah adsorpsi yang terjadi pada suhu konstan tersebut monolayer atau

multilayer. Jelaskan pengertian dari adsorpsi isotherm dan jelaskan 5 tipe yang dimaksud.

Dalam model adsorpsi isotherm kita diperkenalkan dengan model adsorpsi isotherm

Langmuir, Freundlich, dan BET. Jelaskan perbedaan antara ketiga model tersebut. Berikan

masing-masing satu contoh penggunaan persamaannya. Dapatkah kita menentukan efisiensi

kapasitas adsorpsi dari model yang diberikan? Jelaskan!

Ada 3 model adsorpsi isoterm:

a. Adsorpsi isotherm Langmuir

Isotherm ini berdasarkan asumsi bahwa:

Adsorben mempunyai permukaan yang homogen dan hanya dapat mengadsorpsi satu

molekul adsorbat untuk setiap molekul adsorbennya. Tidak ada interaksi antara

molekul-molekul yang terserap.

Semua proses adsorpsi dilakukan dengan mekanisme yang sama.

Hanya terbentuk satu lapisan tunggal saat adsorpsi maksimum.

Isoterm jenis ini biasanya berlaku pada adsorpsi kimia, tekanan rendah, dan temperatur

tinggi.

Hubungan matematis Langmuir:

θ= KP1+KP

Di mana θ = fraksi permukaan yang tertutupi molekul gas

K = konstatnta kesetimbangan untuk distribusi adsorbat antara permukaan dan fasa gas

P = tekanan

Pada tekanan rendah, nilai KP sangat kecil, sehingga (1+KP) mendekati 1, maka:

θ=KP

Pada tekanan tinggi, nilai KP sangat besar, sehingga nilai (1+KP) mendekati KP, maka:

θ=KPKP

=1

Contoh:

Data berikut adalah adsorpsi dari CO dalam arang pada suhu 273 K. pastikan bahwa data

berikut mengikuti persamaan isoterm Langmuir, dan carilah nilai konstanta K dan volume

pada saat seluruh permukaan tertutupi. Pada setiap kasus V, tekanannya 1,00 atm (101,325

kPa).

p/kPa 13,3 26,7 40,0 53,3 66,7 88,0 93,3V/cm3 10,2 18,6 25,5 31,5 36,9 41,6 46,1

Persamaan Langmuir:

adalah volume pada saat seluruh permukaan tertutupi.

Persamaan di atas dapat ditulis menjadi:

Lalu, plot hubungan di atas yang menyatakan hubungan p/V terhadap p, dengan gradien 1/

.

p/kPa 13,3 26,7 40,0 53,3 66,7 80,0 93,3(p/kPa)/(V/cm3) 1,30 1,44 1,57 1,69 1,81 1,92 2,02

Melalui metode Least Square, diperoleh grafik sebagai berikut:

Dari grafik, kita memperoleh nilai graden sebesar 0,00900, maka nilai =111 cm3.

Perpotongan dengan sumbu y pada p=0 adalah 1,20. Maka, nilai K dapat diperoleh sebesar

K= 1

(111cm3 )(1,20 kPa . cm−3)=7,51 ×10−3 kPa−1

b. Adsorpsi isotherm Ferundlich

Isoterm ini berdasarkan asumsi bahwa adsorben mempunyai permukaan yang heterogen

dan tiap molekul mempunyai potensi penyerapan yang berbeda-beda. 

xm

=k P1n

Untuk mendapatkan nilai k dan n, kedua ruas di-log menjadi,

log( xm)=log k+ 1

nlog P

dimana, 

x = banyaknya zat terlarut yang teradsorpsi (mg)

m = massa dari adsorben (mg)

C = konsentrasi dari adsorbat yang tersisa dalam kesetimbangan

k,n,= konstanta adsorben

c. Adsopsi isotherm 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 adsoprsi untuk setiap proses adsorpsi berbeda-beda dan lebih baik jika

diterapkan pada adsorpsi fisik, tekanan tinggi, dan temperatur rendah.

V total=V mono C ( P

P0)

(1− PP0

)(1+CPP0

− PP0

)

PV total ( P−P0 )

=1

V mono C+

C−1V mono C ( P

P0)

denganC=K1

KL

Di mana Vmono= volum gas teradsorpsi pada tekanan tinggi

K1= konstanta kesetimbangan ketika satu molekul terserap per permukaan kosong

KL= konstanta kesetimbangan ketika mencapai kesetimbangan uap jenuh

Contoh:

Data berikut adalah adsorpsi dari N2 dalam rutile (TiO2) pada suhu 75 K. pastikan bahwa

data berikut mengikuti persamaan isoterm BET pada tekanan yang tertera, dan carilah nilai

Vmono dan c. Pada 75 K, p*=76,0 kPa. Volumenya diubah disesuaikan pada 1,00 atm dan

273 K dan mengacu pad 1,00 g substrat.

p/kPa 0,160 1,87 6,11 11,67 17,02 21,92 27,29V/mm3 601 720 822 935 1046 1146 1254

z(1−z )V

= 1c V mono

+(c−1 ) zcV mono

Dari persamaan di atas, diplot grafik z/(1-z)V terhadap z,dengan (c-1)/cVmono sebagai

gradiennya.

p/kPa 0,160 1,87 6,11 11,67 17,02 21,92 27,29103z 2,11 24,6 80,4 154 224 288 359104z/(1-z)(V/mm3) 0,035 0,350 1,06 1,95 2,76 3,53 4,47Dari data di atas, diperoleh grafik sebagai berikut:

Dari grafik diperoleh nilai perpotongan dengan sumbu y pada saat z=0 adalah 0,0398,

maka

1cV mono

=3,98 ×10−6mm−3

Gradie dari garis tersebut adalah 1,23 x 10-2, maka

c−1cV mono

=(1,23 ×10−2 )× 103× 10−4 mm−3=1,23 ×10−3mm−3

Maka solusinya adalah c= 310 dan Vmono= 811 mm3. Pada 1,00 atm dan 273 K, 811 mm3

yang berkorespondensi dengan 3,6x10-5 mol atau 2,2x1019 atom. Karena tiap atom

menutupi daerah sekita 0,16 nm2, maka luar permukaan sampel sekitar 3,5 m2.

2. Teknologi adsorpsi dikenal paling ekonomis. Bagaimana menurut Anda? Berikan contoh

kasus untuk proses adsorpsi terutama kasus untuk penghilangan merkuri dalam hidrokarbon

cair! Tuliskan referensi yang anda gunakan!

Ya, saya setuju. Teknik adsorpsi ekonomis karena adsorben yang telah mengandung

adsorbat dapat diolah lagi. Pengolahannya dapat memisahkan adsorben dengan zat yang

diadsorpsi. Sehingga, adsorbennya dapat digunakan kembali dan adsorbatnya dapat diolah

menjadi bahan lain.

Salah satu industry yang banyak menggunakan adsorben adalah industry gas alam. Pada

industry ini gas alam perlu dibersihkan dari kandungan merkuri. Hal ini dilakukan karena

merkuri dapat merusak alat produksi dan berbahaya bagi pekerja. Awalnya industry

menggunakan adsorben Sulphur Impregnated Activated Carbon (karbon aktif yang

mengandung sulfur 12%). Namun dari satu literatur, ditemukan metode lain yang lebih

efektif dalam menghilangkan merkuri dari hidrokarbon cair, yaitu dengan menggunakan

silver-promoted molecular sieve adsorbents dan juga metal (copper) oxides and sulphides.

Metode ini memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan karbon aktif, seperti

membutuhkan alat yang lebih kecil, menghasilkan perbedaan tekanan yang kecil, hasil yang

lebih stabil, serta hasilnya dapat didaur ulang menjadi senyawa yang berguna.

(Sumber: UOP Advanced Mercury Removal Technologies. [ONLINE] Available at:

http://www.uop.com/wp-content/uploads/2011/01/UOP-Advanced-Mercury-Removal-

Technologies-tech-paper.pdf )

3. Karbon aktif, zeolit, clay, kitosan dan sebagainya telah dimanfaatkan sebagai adsorben

untuk mengadsorp logam berat seperti merkuri. Dapatkah Anda menjelaskan konsep

adsorpsi dengan berbagai jenis adsorben tersebut? Apa yang membedakan, sehingga

efisiensi kapasitas adsorpsi itu berbeda? Faktor apa sajakah yang dapat berpengaruh

dalam proses adsorpsi logam berat, jelaskan secara umum!

Ada beberapa macam adsorben yang dapat digunakan, beberapa di antaranya adalah:

Karbon aktif

Karbon aktif adalah senyawa karbon yang memiliki daya adsorpsi tinggi karena

mengalami proses aktivasi kimia atau aktivasi uap di mana saat proses aktivasi tersebut

gas hydrogen, gas-gas lain, dan kandungan uap airnya terlepas dari permukaan material

karbon aktif. Setelah gas dan uap air hilang, karbon aktif memiliki daya adsorpsi (daya

serap) yang sangat tinggi. Rata-rata karbn aktif memiliki luas permukaan 500-2000

m2/g. kita juga mengetahui bahwa semakin luas permukaannya, maka semakin banyak

partikel yang bisa diserap oleh karbon aktif.

Cara kerja karbon aktif adalah dengan menarik molekul-molekul zat yang berada di fase

gas/cair kemudian mengikatnya ke permukaan pori karbon aktif.

Zeolit

Zeolit adalah mineral yang memiliki sifat adsorpsi yang baik. Zeolit memiliki sifat

dehidrasi yaitu kemampuan untuk melepaskan molekul H2O bila dipanaskan. Pada

umumnya struktur kerangka zeolit akan menyusut. Tetapi kerangka dasarnya tidak

mengalami perubahan secara nyata. Molekul H2O dapat dikeluarkan secara reversibel.

Pada pori-porinya terdapat kation-kation dan atau molekul air. Bila kation-kation dan

atau molekul air tersebut dikeluarkan dari pori dengan perlakuan tertentu maka zeolit

akan meninggalkan pori yang kosong.

Secara alami pori-pori  Zeolite yang belum diolah akan mengandung sejumlah molekul

air dan alkali atau alkali tanah hidrat. Proses pemanasan pada temperature 300 – 400

celcius dapat  menghilangkan kandungan air dan hidrat pada alkali atau alkali tanah

hidrat. Zeolit yang sudah mengalami pemanasan ini disebut Zeolite Teraktivasi Fisika

artinya Zeolite terdehidrasi atau Zeolityang kehilangan air.

Pemanasan Zeolit Terhidrasi  Untuk Menjadikan Zeolit  Terdehidrasi

Zeolit mempunyai kapasitas yang tinggi sebagai penjerap (adsorben). Mekanisme

adsorpsi yang mungkin terjadi adalah adsorpsi fisika (melibatkan gaya Van der Walls),

adsorpsi kimia (melibatkan gaya elektrostatik), ikatan hidrogen dan pembentukan

kompleks koordinasi. Molekul atau zat yang dijerap akan menempati posisi pori.

Daya serap (absorbansi) zeolit tergantung dari jumlah pori dan luas permukaan.

Molekul-molekul dengan ukuran lebih kecil dari pori yang mampu terjerap oleh zeolit.

Zeolit Sebagai Absorben

Zeolit juga memiliki sifat pertukaran ion. Kation-kation pada pori berperan sebagai

penetral muatan zeolit. Kation-kation ini dapat bergerak bebas sehingga dapat dengan

mudah terjadi pertukaran ion. Mekanisme pertukaran kation tergantung pada ukuran,

muatan dan jenis zeolitnya.

Pertukaran Ion Pada Zeolit

Clay (lempung)

Clay atau lempung atau tanah liat terbagi menjadi beberapa jenis . salah satunya adlah

bentonit, yang memiliki kemampuang mengadsorpsi. Bentonit adalah suatu istilah nama

dalam dunia perdagangan yang sejenis lempung plastis yang mempunyai kandungan

mineral montmorilonit lebih dari 85%.

Bentonit dapat dibagi menjadi 2 golongan berdasarkan kandungan alumunium

silikat hydrous, yaitu:

- Actinated clay adalah lempung yang kurang memiliki daya pemucat, tetapi daya

pemucatnya dapat ditingkatkan melalui pengolahan tertentu.

- Fuller’s earth digunakan di dalam fulling atau pembersih bahan wool dari lemak

Sifat daya jerap yang terdapat dalam bentonit terjadi karena adanya ruang pori-pori

antar ikatan mineral lempung serta ketidakseimbangan antar muatan listrik dalam ion-

ionnya. Daya serap tersebut umumnya berada pada ujung permukaan kristal serta

diameter ikatan mineral lempung. Hal ini menyebabkan bentonit banyak digunakan

sebagai bahan penyerap dalam berbagai keperluan baik dalam bentuk basah (suspensi)

maupun dalam bentuk kering (serbuk). Semakin besar luas permukaannya maka

semakin besar pula zat-zat yang terbawa atau melekat pada bentonit. Bentonit juga

memiliki kemampuan mengembang dan mengkerut yang menyebabkan clay ini dapat

menerima dan menyerap ion-ion logam dan senyara organic.

Kitosan

Kitosan banyak digunakan dalan pengolahan air limbah industry. Hal ini disebabkan

Karena kitosan mampu menyerap ion-ion logam pada air limbah dan dapat digunakan

kembali melalui proses desorpsi dengan cara pembakaran.

Kemampuan kitosan untuk mengikat logam dengan cara pengkelat adalah dihubungkan

dengan kadar nitrogen yang tinggi pada rantai polimernya. Kitosan mempunyai satu

kumpulan amino linier bagi setiat unit glukosa. Kumpulan amino ini mempunyai

sepasang elektron yang dapat berkoordinat atau membentuk ikatan-ikatan aktif dengan

kation-kation logam. Unsur nitrogen pada setiap monomer kitosan dikatakan sebagai

gugus yang aktif berkoordinat dengan kation logam.

Interaksi kitosan dengan ion logam terjadi karena proses pengkompleksan dimana

penukaran ion, penyerapan dan pengkhelatan terjadi selama proses berlangsung. Ketiga

– tiga proses tersebut tergantung dari ion logam masing – masing seperti penukaran ion

logam masing-masing seperti penukaran ion pada logam Ca. kitosan menunjukkan

affinitas yang tinggi pada logam transisi golongan 3, begitu pula pada logam yang

bukan golongan alkali dengan konsentrasi rendah.

Pada umumnya mekanisme serapan kitosan terhadap logam dapat dirumuskan pada tiga

cara, yaitu : Secara pengkelatan, dimana terbentuknya ikatan aktif antara nitrogen

kitosan dengan kation logam, dalam hal ini nitrogen dari kitosan bertindak sebagai basa

lewis yang menyumbangkan sepasang electron untuk berkoordinat dengan logam.

Secara pertukaran ion yaitu berlaku pertukaran antara proton dari kitosan dengan kation

logam. Secara memperangkap, dimana ion logam terperangkap dalam lingkaran rantai

polimer kitosan.

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi

Jenis adsorben dan adsorbat : Apabila adsorbennya bersifat polar, maka komponen

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

polar.

Luas permukaan adsorben : Adsorben dengan luas permukaan kontak yang lebih

besar akan meningkatkan jumlah adsorbat yang teradsorpsi.

Konsentrasi zat terlarut : Senyawa terlarut memiliki gaya tarik-menarik yang kuat

terhadap pelarutnya sehingga lebih sulit diadsorbsi dibandingkan senyawa tidak larut.

Temperatur : Tingkat adsorbsi naik diikuti dengan kenaikan temperatur dan turun

diikuti dengan penurunan temperatur.

Waktu kontak adsorben dengan adsorbat. Semakin lama waktu kontak dengan

adsorbat, maka semakin besar adsorpsinya.

Karakteristik adsorbat seperti densitas, berat molekul, ukuran, bentuk molekul,

tekanan uap molekul, konsentrasi molekul, polaritas, reaktivitas, dan keberadaan

senyawa lain sebagai competitor.

4. Untuk dapat mengetahui regenerasi penggunaan adsorben setelah digunakan, perlu

dilakukan proses-proses desorpsi, jelaskan bagaimana caranya!

Desorpsi atau proses regenerasi adsorben merupakan kebalikan dari proses adsorpsi. Karena

alasan ekonomis, adsorben yang biasanya berharga mahal harus diregenerasi dan bahan-

bahan yang teradsorpsi, misalnya ion logam berat harus dipisahkan dari adsorben agar dapat

diolah lebih lanjut. Desorpsi terjadi seiring berjalannya adsorpsi, ketika kesetimbangan

terjadi, laju adsorpsi sama dengan laju desorpsi. Usaha untuk mendapatkan kembali

adsorben adalah memberi gangguan kesetimbangan agar kesetimbangan bergeser ke arah

terjadinya desorpsi. Contoh desorpsi adalah pelepasan uap air dari permukaan silica gel.

Proses yang terjadi adalah sebagai berikut. Proses dari kiri ke kanan adalah proses adsorpsi,

sedangkan proses dari kanan ke kiri adalah proses desorpsi atau regenerasi adsorben.

Metode-metode yang dapat digunakan untuk mendukung terjadinya desorpsi antara lain

dengan metode termal atau penambahan panas, penyinaran sinar inframerah, x-ray, dengan

bantuan analisa spektroskopi massa, laser, dialirkan arus listrik dan sebagainya. Energi

tambahan yang diberikan tersebut memberikan energi tambahan bagi molekul gas atau

cairan teradsorpsi untuk melepaskan diri dari adsorben.

Gambar . Adsorpsi dan Desorpsi

Referensi:

Adsorption Solutions. 2015. Adsorption Solutions | Mercury Removal. [ONLINE] Available

at:http://www.adsorptionsolutions.com/mercury.php. [Accessed 06 November 2015].

Anonym. 2015. Proses Penyerapan Karbon Aktif. [ONLINE] Available

at:http://www.karbonaktif.org/2013/05/proses-penyerapan-karbon-aktif.html. [Accessed 06

November 2015].

Chemistry Learning. 2015. Adsorption Isotherm and its Types | Chemistry Learning. [ONLINE]

Available at:http://www.chemistrylearning.com/adsorption-isotherm/. [Accessed 06

November 2015].

Kurniawan, Danar. 2008. Modifikasi Bentonit. FMIPA UI.

P.W. Atkins. 2006. Physical Chemistry 8th Edition. Great Britain: Oxford University Press.

UOP Honeywell. Nd. UOP Advanced Mercury Removal Technologies. [ONLINE] Available at:

http://www.uop.com/wp-content/uploads/2011/01/UOP-Advanced-Mercury-Removal-

Technologies-tech-paper.pdf [Accessed 06 November 2015].