Upload
trinhdang
View
240
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
L A P O R A N P E N E L I T I A N F U N D A M E N T A L
Kinetika Adsorpsi Ion Hg 2+ pada Elektroda Pasta Carbon Termodifikasi Bentonite; Studi Eksplorasi Dasar Kerja Sensor Amperometrik Ion Merkuri
Oleh : Dr. rar. Net. Asep Supriatna. M.Si
Dr. Agus Setiabudi, M.Si Drs A l i Kusrijadi, M.Si
D I B 1 A Y A I P R O * ' E K P E N F L I T L A . N I L M U P E N G E T A H U A N D A S A R D E N G A N S U R A T P E R J A N J I A K F E L A K S A N A A N P E N E L I T I A N N O M O R 0t4/PP2M/II72006 D I R E K T O R A T P E M B I N A A N P E N E L I T I A N DAN T E N G A B D I A N K E P A D A M A S Y A R A K A T
D I R E K T O R A T J E N D R A L P E N D I D I K A N T I N G G I D E P A R T E M E N P E N D I D I K A N N A S I O N A L
F A K U L T A S P E N D I D I K A N M A T E M A T I K A DAN I L M U P E N G E T A H U A N A L A M U N T V E R S I T A S P E N D I D I K A N I N D O N E S I A
2006
1. Judu l : K i n e t i k a Adsorps i Ion H g pada Elekt roda Pasta Carbon Termodif ikas i Bentonite; Studi Eksplorasi Dasar Kerja Sensor Amperometrik Ion Merkuri
2. Ke tua Penelit i
a. Nama Lengkap
b. Jenis Kelamin
c. N I P d. Pangkat/Golongan e. Jabatan Fungsional f. Fakultas/Jurusan g. Perguruan Tinggi h. Pusat Penelitian
3. Jumlah T i m Peneliti 4. Lokasi Penelitian
5. Kerjasama dengan Institusi Lain a. Nama Instansi b. Alamat
6. Masa Penelitian
7. Biaya yang diperlukan
Dr. rer. nat. Asep Supriatna, M.S i
Laki- laki 131911642
Hid Lektor F P M I P A / Kimia Universitas Pendidikan Indonesia ( U P I ) Lemlit U P I , J1. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154 3 Orang Lab. Penelitian K imia U P I , Lab. Kimia B 4 T
10 bulan, mulai dari tgl. 1 Februari 2006 Sampai dengan 31 November 2006 Ro. 39.000.000,00 (Tiga P U I J I I Sembilan Juta Rupiah)
^Menwahu' > r f K * i k t a a s P M I P a
f * 7 ^©^^QT^ar ilendayana M . S c )
^ N I P T I 30^608 529
Bandung, lONovembei 2006 Ketua Peneliti
(Dr. rer. nat. Asep Supriatna. M . S i ) NIP . 131 911 642
Menyetujui Ketua Lembaga Penelitian U P I
ft
(Furqon,,phD) N I P : 131,627 889
D A F T A R I S I
L E M B A R I D E N T I T A S D A N P E N G E S A H A N i i R I N G K A S A N i " P R A K A T A iv D A F T A R T A B E L v D A F T A R G A M B A R v i D A F T A R L A M P I R A N v i i i
L P E N D A H U L U A N
1.1 L a t a r Belakang Masalah 1
1.2 Rumusan Masalah 2
I I . T I N J A U A N P U S T A K A 3
2 . 1 . T e k n i k Anal isa logam M e r k u r i 3
2.2. Sensor K i m i a dan Sensor E l e k t r o k i m i a 4
2.2.1 Sensor Amperometr ik 4
2.2.2 Elektroda Tasta K a r b o n ( E P K ) 6
2 3 . Bentonit 6
23 .1 S t ruk tu r Bentonit 6
23 .2 Sifat F is ik dan K i m i a Bentonit
2.4. Adsorpsi °
2.5 Adsorpsi Isotherm "
EU T U J U A N D A N M A N F A A T P E N E L I T I A N 11
I V . M E T O D E P E N E L I T I A N 12
4.1 Desain Penelitian 12
4.2 Tahapan Pelaksanaan 13
4.2.1 Tahap Preparasi 13
4.2.1.1 Preparasi E P K dan E P K T B 13
4.2.1.2 Pernbuatan La ru t an Model C d 2 + 15
4.2.13 Pembuatan Laru tan Model H g 2 + 15
4.2.2 Uj i kinerja E P K dan E P K T B 16
4 3 Instrumen pelaksanaan 16
V . I 1 A S I L D A N P E M B A H A S A N 18
5 .1 . K ine r j a E P K T B terhadap La ru t an Model Cd2+ 18
5 3 . A p l i k a s i E P K T B pada Prekonsentrasi L a r u t a n Model H g 2 + 20
5 3 . K i n e t i k a Adsorpsi H g 2 + p a d a E P K T B 24
V I . K E S I M P U L A N 2 9
V I I . D A F T A R P U S T A K A 3 0
R I N G K A S A N
Studi tentang kinetika adsorpsi ion H g 2 + pada elektroda pasta karbon termodifikasi bentonit ( E P K T B ) yang didasarkan pada kerja sensor amperometrik, dilakukan melalui dua tahap kegiatan yaitu pembuatan dan uji kinerja E P K T B dan uji analisis terhadap larutan ion H g 2 + sebagai dasar kajian terhadap kinetika adsorpsi ion H g 2 + dalam E P K T B .
Kajian data optimasi penggunaan E P K T B terhadap larutan C d 2 + memperlihatkan tegangan listrik optimunv^ebesar 0,6 volt dan waktu kontak yang dibutuhkan sebesar 360 detik. Respon arus yang diberikan E P K T B terhadap larutan model meunjukkan peningkatan dengan bertambahnya konsentrasi larutan.
Penggunaan E P K T B pada larutan uji H g 2 + memperlihatkan respon arus menurun sejalan dengan lamanya waktu interaksi E P K T B dengan larutan uji. Hal ini menunjukkan lambatnya terjadi kesetimbangan proses adsorpsi dan reduksi dari analit. Waktu optimum yang diperlukan pada analisis larutan uji sebesar 30 detik dengan batas konsentrasi analisis 4 ppm Didasarkan pada perbandingan kadar Karbon-Bentonit dalam E P K T B , menunjukkan semakin besar perbandingan kadar Bentonit terhadap karbon semakin tinggi daya adsorpsi E P K T B .
Kajian kinetika adsorpsi H g 2 + oleh E P K T B mengikuti model Freuniich, hal ini sesuai dengan karakter situs pengadsorps yang tidak seragam dalam E P K T B dan interaksi yang diramalkan berupa adsorpsi kimia dan fisik.
in
P R A K A T A
Rasa syukur kami ucapkan ke hadirat Al lah S W T . Yang telah memberikan bimbingan
dan hidayahnya hingga kami dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul "Kinetika
Adsorpsi Ion Hg 2+ pada Elektroda Pasta Carbon Termodifikasi Bentonite; Studi Eksplorasi
Dasar Kerja Sensor Amperometrik Ion Merkuri".
Penelitian ini ditujukan untuk mengekplorasi ilmu dasar dan aplikasinya sehingga
diharapkan terjadinya sinergi pengembangan keilmuan teoritis dan aplikasinya pada kasus
nyata. Hal yang diharapkan dapat disumbangkan dari penelitian ini baik hasil kajian teoritis
mengenai kinetika adsorpsi maupun pengembangan instrumentasi yang bersifat aplikatif.
Penulis menyadari masih banyaknya hal yang perlu ditindaklanjuti dari penelitian ini,
semcga hasil penelitian dapat dijadikan sumbangsih dalam pengembangan ilmu dan
teknologi di Negara tercinia, sebagai modal dasar mensejajarkan diri dengan bangsa lain.
Pada kesempatan ini kami ucapkan terima kasih kepada:
1 Direktur Pembinaan Penelitian dan Per.gabdian kepada Masyarakat Direktorat Jendral
Pendidikan Tinggi Depdiknas, yang telah membiayai penelitian ini.
2. Ketua Lembaga Penelitian U P I , yang telah membantu hingga terlaksananya
penelitian.
3. Ketua Jurusan Pendidikan Kimia FPM1PA U P I yang telah mengijinkan penggunaan
fasilitas laboratorium sebagai tempat melaksanakan penelitian.
4. semua fihak yang telah membantu terselesaikannya penelitian ini.
Bandung, l-November-2006
Penyusun
iv
D A F T A R T A B E L
T a b e l 5.1 Rangkuman proses adsorpsi dan reduksi (prekonsentrasi) pada
E P K T B
Tab le 5.2 Kritena statistik dan parameter yang dihasilkan pada pengujian model adsorpsi terhadap data eksperimen adsorpsi Hg2+ pada berbagai konsentrasi berdasarkan model adsorpsi Langmuir, Freundlich, Tempkin dan Sigmoid
D A F T A R G A M B A R
G a m ba r 2.1 Diagram blok komponen ( a ) SensorAmperometrik,
(b) Voltameri strippin 5
G a m bar 2.2. Sketsa diagramatis struktur montmorillonite menurut Hofmann.. Endell, dan W i l m (1933); Marshal (1935); Hendricks (1942) 7
G a m ba r 4 .1 . Skema Stwjli Mekanisme Adsorpsi pada EKPTB dalam
Kondisi Aplikasi 13
G a m b a r 4.2. Bagian - bagian batang elektroda dalam pembuatan E P K
dan E P K T B 14
G a m b a r 4 3 . Bagan kerja preparasi pasta karbon 14
G a m b a r 4.4. Bagan kerja preparasi Pasta Karbon Termodifikasi Bentonit .... 15
G a m b a r 4.5. Rangkaian Sel Elektrokimia Sensor Amperometrik 17
G a m b a r 5 .1 . Respon arus pada proses prekonsentrasi larutan C d S 0 4 4, 22 ppm pada beda poiensial 0,6 volt, 1 volt, 1,5 volt dan 5 volt mengunakan E P K T B - 19
G a m b a r 5.2. Konsentrasi C d 2 + teradsorpsi dan larutan CdSCb 4,22 ppm pada beda poiensial 0,6 volt, 1 volt dengan rentang waktu 0 - 6 0 detik menggunakan E P K T B 20
Gambar . 5 3 . Respon arus pada pioses prekonsenirasi 1 menii larutan H g ' 0,1 dan 1 ppm pada beda potensial 0,6 volt mengunakan E P K T B 21
Gain bar 5.4. Kapasitas adsorpsi E P K T B terhadap larutan 3,872 ppm H g 2 +
pada berbagai waktu prekonsentrasi 22
G a m b a r 5.5. Kapasitas adsorpsi E P K T B terhadap larutan 1,2975 ppm H g 2 +
pada berbagai waktu prekonsentrasi 23
G a m b a r 5.6. Kapasitas adsorpsi E P K T B terhadap larutan analit mode! H g 2 +
sebagai fungsi konsentrasi 24
G a m b a r 5.7. Kurva fitting nonlinier terhadap data eksperimen adsorpsi Hg2 + pada berbagai konsentrasi berdasarkan model adsorpsi Langmuir, Freundlich, Tempkin dan persamaan matematis bentuk sigmoid .... 27
vi
L P E N D A H U L U A N
1.1 La ta r Belakang Masalah
Merkuri (Hg) merupakan salah satu logam berat yang dikelompokan sebagai
pencemar lingkungan k'arena sifatnya yang dapat menghambat kerja enzim dan afinitasnya
terhadap gugus tiol Karena itu monitoring ion merkuri di lingkungan (deteksi dan
penentuan kadar) merupakan aktivitas yang sangat penting. Terdapat berbagai teknik yang
dapat dilakukan untuk mendeteksi merkuri dalam media air, misalnya: teknik spektroskopi
serapan atom ( A A S ) , spektrometri massa (MS) , dan sepktrometn plasma induktif (1CP-
A E S ) . Teknik-teknik standar tersebut diakui menunjukkan sensitivitas, seiektivitas dan
rentang linieritas yang baik. Walau demikian pengerjaan analisis dengan teknik tersebut
tidak bisa dilakukan sccara on-site, membutuhkan rangkaian pekeijaan yang panjang. dan
harga peralatan rehtif mahal.
Metode deteksi ion logam lainya adalah dengan menggunakan perangkat sensor
amperometrik. Untuk keperluan sensor ion logam dengan cara elcktrokimia diperlukan
perangkat eiekauda yang dimodifikasi secara Kimi?. Elektroda Tenriodifikasi Kimia
( E T K ) berperan sebagai lapisan sensitif dan reager. tak bergerok . Prosedur zmalisri dengan
menggunakan F.TK biasany3 dikombinasi aengan telmik prekonsentrasi. Fada teknik ini,
analit diakumulasi pada modifier E T K sclanjutnya diieduksi atau dioksidasi melalui
peningkatan potensial. Modifier dalam E T K biasanya berperan sebagai adsorben untuk
akumulasi analit pada tahap prekonsentrasi tersebut.
Electroda pasta karbon ( E P K ) merupakan elektroda yang relatif mudah dimodifaksi
secara Kimia dengan wilayah aplikasi yang luas. E P K adalah campuran serbuk grafit
dengan cairan pemasta dan modifier. Salah satu material yang dapat digunakan sebagai
modifier adalah lempung Bentonite. Bentonit menuniukan sifat adsorpsi yang baik
terhadap ion-ion logam beret. Sifat adsorpsi ini disebabkan oleh adanya kandungen
montmorillonit dalam bentonite; yaitu sekitar (60%). Montmorillonite, yang tergolong
lempung kationik, memiliki struktur berlapis dengan ion positif pada fasa inter-layer.
Kation interlayer inilah yang menjadikan montmorillonite memiliki sifat adsorpsi.
Beberapa studi tentang sifat adsorpsi bentonite dan zeolit teiah dilakukan oleh
pengusul dan kelompok peneliti pengusul. Studi tersebut adalah: studi adsorpsi limbah
vinase pada bentonit (Supriatna, 2005), adsorpsi pengotor dalam Crude Palm Oil..(CFO)
dan Coconut Oil (CNO) oleh bleching earth bentonit teraktivasi (Supriatna, 2005),
adsorpsi pengotor dalam air buah-buahan (apel dan nenas) oleh bentonit (Yeni 2004)
adsorpsi ion H g 2 + telah banyak dilakukan pada berbagai adsorben, tetapi tanpa perlakuan
beda potensial, misalnya pada material sitosan (Kim, 2004). Pengkajian kapasitas
pertukaran ion dan kinetika adsorpsi lempung terhadap ion Pb2*, menunjukkan
kecenderungan terjadinya adsorpsi isotermis model Langmuir dengan tingkatan kapasitas
adsorpsi optimum sebesar 80 % (Degsy, 2006) Adsorpsi ion Hg2* pada Elektroda Pasta
Karbon Teimodinkasi Bentonite ( E P K T B ) , merupakan proses yang penting j ika elektroda
tersebut digunakan sebagai komponen peralatan sensor Hg2*. Pengetahuan tentang kinetika
adsorpsi ion oieh elektroda Pasta Karbon dapat memberikan infoitnasi tentang batas
kinerja E P K T B sebaga' sensor Hg2*. Batas kinerja dimaksud, mLclnya,: Potensial
piekonsentras1 optimum konsentrasi maksi'im dan waktu.
1.2 Rumusan Masalah
Masalah utama pada penelitian ini adalah: "Bagaimanakah kinetika adsorpsi ion
Hg2* pada Elektroda Pasta Karbon Termodifikasi Bentonite ( E P K T B ) ? " . Berdasarkan
vaiiabel yang akan diteliti, masalah operasional penelitian ini adalah:
1. Bagaimanakah kinerja E P K T B terhadap laju adsorpsi ion logam Cd 2 * sebagai
larutan model ?
2. Bagaimanakah pengaruh variasi konsentrasi ion analit (Hg2*) terhadap laju adsorpsi
ion H g 2 + pada E P K T B ?
3. Bagaimanakah pengaruh waktu prekonsentrasi ion analit (Hg2*) terhadap laju
adsorpsi ion H g 2 > pada E P K T B ?
4 Bagaimanakah model kinetika adsorpsi ion Hg 2 + pada E P K T B ?
2
I I . T I N J A U A N P U S T A K A
2.1. Teknik Ana Lisa logam Merkuri
Merkuri (Hg) merupakan salah satu logam berat yang dikelornpokan sebagai
pcncemar lingkungan karefia sifatnya yang dapat menghambat kerja enzim dan afinitasnya
terhadap gugus tiol [1]. Karena itu monitoring ion merkuri di lingkungan (deteksi dan
penentuan kadar) mempakan aktivitas yang sangat penting. Terdapat berbagai teknik yang
dapat dilakukan untuk mendeteksi merkuri dalam media air, misalnya: teknik spektroskopi
serapan atom ( A ^ S ) , spektrometri massa ( M S ) , dan sepktrometri -plasma induktif ( ICP-
A E S ) [2]. Teknik-teknik standar tersebut diakui menunjukkan sensitivitas, selektivitas dan
rentang linieritas yang baik. Walau demikian pengerjaan analisis dengan teknik tersebut
tidak bisa dilakukan secara on-site, membutuhkan rangkaian pekerjaan yang panjang, dan
harga peralatan relatif mahal
Me»ode deieksi ion logam lainya adalah dengan menggunakan perangkat sensor
amperometrik. Untuk keperluan sensor ion iogam dengan cara elektrokimia diperlukan
perangkat elektroda yang dimodifikasi secara Kimia. Elektroda Termodifikasi Kimia
( E T K ) berperan sebagai lapisan sensitif dan reagen tak bergerak . Prosedur analisis dengan
mengguiiakan E T K biasanya dikombinasi dengan teknik prekonsentrasi. Pane teknik ini,
analit diakumulasi pada modifier E T K selanjutnya direduksi atau dioksidasi ir.elalui
peningkatan potensial. Modifier dalam E T K b'asanya berperan sebagai adsorbed untuk
akumulasi analit pada tahap prekonsentrasi tersebut.
Elecmoda pasta kaibon ( E P K , merupakan elektroda yang relatif mudah dimodifaksi
secara Kimia dengan wilayah aplikasi yang luas. E P K adalah carripuran serbuk grafit
dengan cairan pemasta dan modifier. Salah satu material yang dapat digunakan sebagai
modifier adalah lempung Bentonite. dilaporkan dalam literatur menunjukan sifat adsorpsi
yang baik terhadap ion-ion logam berat. Sifat adsorpsi ini disebabkan oleh adanya
kandungan montmorillonit dalam bentonite; yaitu sekitar (60%). Montmorillonite, yang
tergolong lempung kationik, memiliki struktur berlapis dengan ion positif pada fasa inter-
layer. Kation interlayer inilah yang menjadikan montmorillonite memiliki sifat adsorpsi.
3
2.2. Sensor Kimia dan Sensor Elektrokimia
Sensor kimia adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur sesuatu
yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, pan as, sinar, dan kimia
menjadi beda potensial dan arus listrik (Petruzella, 2002). Sensor terdiri dari transduser
dengan atau tanpa penguat/pengolah sinyal yang terbentuk dalam satu sistem pengindera.
Transduser merupakan alat yang dapat mengubah suatu energi dari satu bentuk ke bentuk
lain. Secara umum transduser dibedakan atas dua prinsip kerja yaitu: pertama, transduser
input yaitu transduser yang mengubah energi non listrik menjadi energi listrik. Kedua,
transduser output yaitu transduser yang mengubah energi listrik ke bentuk energi non
listrik.
Dalam lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan
yang menyerupai mata, pendengaran, hidung, dan lidah yang kemudian akan diolah oleh
pengontrol sebagai otaknya.
Dalam sensor terdapat bagian yang disebut aktuator (penggerak). Adapun aktuator
merupakan alat yang dapat menguoah sinyal listrik menjadi gerakan mekanis. Aktuator
teisebut digunakan dalam proses pcr.golahan da«a yang dihasilkan oleh suatu sensor atau
kontrolcr.
Sensor kimia merupakan mmiatur perlengkapan analitis yang dapat memberikan
infonnasi adanya senyawa atau ion tertemu dalam suatu sampel. Biasanya proses
pengenalan terhadap anali; dengan cara mengubah infonnasi kimia ke dalam sinyal listrik
atau smyal optik. Sensor kimia dapat juga digunakan sebagai sensor elektroaktif yang
menimbulkan sifat selektif dan spesifik terhadap suatu analit tertentu.
Sensor elektrokimia pada dasamya suatu sel elektrokimia yang terdiri dari
sepasang elektroda yang dicelupkan ke dalam suatu lelehan atau larutan ion dan
dihubungkan dengan penghantar logam pada rangkaian luar. Sel elektrokimia dapat berupa
sel galvani dan sel elektrolisis.
Sel galvani atau sel voita adalah sel elektrokimia yang dapat menghasilkan energi
listrik yang disebabkan oleh terjadinya reaksi redoks yang spontan, sedangkan sel
elektrolisis adalah sel elektrokimia yang menyebabkan terjadinya reaksi redoks yang
semula tidak spontan dengan adanya energi listnk dari luar (Mulyani dkk., 2003).
2.2.1 Sensor Amperometrik
Sensor kimia telah digunakan dalam berbagai aplikasi seperti dalam proses-proses
kimia, industri makanan, pengawasan lingkungan dan aplikasi biomedis (Gellings dan
4
Bouwmeester, 1997). Sensor kimia sendiri adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu
infonnasi mengenai zat kimia, baik kualitatif maupun kuantitatif menjadi signal-signal
analitis, sebagai hasil dari interaksi kimia (Stetter et al, 2003).
Sensor amperometrik dan sensor potensiometrik adalah bagian dari sensor
elektrokimia, yaitu sensor yang prinsip kcrjanya didasarkan pada reaksi elektrokimia.
Biasanya sensor jenis ini memiliki tiga buah elektroda yaitu sensing electrode, working
electrode dan reference: electrode. Sensor amperometrik mengukur arus yang dihasilkan
dari reaksi elektrokimia yang melibatkan analit dimana arus ini sebanding dengan
konsentrasi analit. Sedangkan sensor potensiometri mengukur konsentrasi analit dengan
cara mengukur potensial yang dihasilkan dari reaksi elektrokimia yang melibatkan analit.
Pcrbedaan rangkaian sensor amperometrik dengan voltametri stripping
dipresentasikan dalam gambar 2.1 di bawah ini:
Power supply
Elektroda Pemband ing
Amperemeter Elekhodo kerja
Sel Elektrokimia
Konverter
Etektroda Pembaixing
Potensiosrat \ Elektrola counter
Konverter Elektroda kerja
Sel Elektiokimia
Komputer
(b)
G a m b a r 2.1 Diagram blok komponen (a) SensorAmperometrik. (b) Voltameri
stripping
2.2.2 Elektroda Pasta Karbon ( E P K )
Elektroda Pasta Karbon merupakan suatu elektroda yang dapat dimodifikasi dengan
zat/senyawa tertentu yang berguna untuk mendeteksi kation logam dalam suatu sampel.
Hal itu dikarenakan karbon memiliki sifat sebagai adsorben yang bisa dimanfaatkan
sebagai zat penangkap logam seperti kadmium atau zat berbahaya tertentu. Elektroda Pasta
Karbon biasanya dibuaf dengan mencampurkan serbuk grafit/karbon dengan diluen
hidrofobik seperti paraffin, nujol, karet silikon, resin epoksi, teflon, dan lain-lain.
Elektroda Pasta Karbon juga dapat dijadikan alternatif sebagai elektroda kerja dalam sel
elektrokimia (Pauliukaite, 2002).
Elektroda Pasta Karbon ( E P K ) dimodifikasi bentonit digunakan sebagai elektroda
kerja pada metode sel voltametri yang kemudian disebut Elektroda Pasta Karbon
rmodifikasi Bentonit ( E P K T B ) .
2 3 . Bentonit
Bentonit merupakan mineral nonlogam terbidrasi dan bersifat koloidal dari grup
smectite dioktahedral, sub kelas phyllosilikat, kelas silikat. Bentcnit sebagian besar
tersusun atas mineral monmorillonUe. Kemomian bentonit didasarkan pada kandungan
monmoiillonite. Bentonit yang murni bisa mengandung lebih dari 90% monmcrillon'tc,
sementara sebagian besar cadangan bentonit di dunia n.engandung 70°o-80%
montmori'ionite, sehingga dapat dikatakan bahwa bentonit adalah nama komersial dan
mineral monmorillonite. Selain monmohllonite, kandungan mineral lain dalam bentonit
antara lain beiupa mineral kaolinit, illite, kuarsa, plagioklas, knstobalit dan lain sebagainya
(Pramono, 2004).
23 .1 Struktur Bentonit
Struktur mineral montmorillonite yang dapat diterima saat ini adalali struktur yang
disarankan periama kali oleh Hofmann, Endel dan Wil (1933), dimodifikasi kemudian oleh
Marshal (1935), Maegdefrau dan Hofmann (1937) dan Hendricks (1942). Menurut konsep
ini montmorillonite terdiri atas unit yang disusun oleh dua lapis (sheet) tetrahedral silika
dengan pusatnya lapisan oktahedral alumina (2:1).
6
Gambar 2.2. Sketsa diagiamatis struktur montmorillonite menurut Hofmann, Endell, dan Wflm (1933); Marshal (1935); Hendncks (1942)
Unsur-unsur kimia yang terkandung dalam bentonit aniara lain : S i 0 2 , AI2O3- CaO,
MgO, Na 2 G, F e 2 0 3 , H 2 0 , dan lain-lain. Rumus teoritis untuk moiimonllonite adalah
(OH)4SisAM02an(inteilayer)H20 dmgan komposisi teontis tanpa materi mterlayer adaiah
66 7% S?G2 ; 28,3% A J 2 0 3 , 5% H 2 0 . Rumus montmonllonite sdalu berbeda dengan minus
tecrit's di atas karena terjadinya substitusi logam dalam Kisi-kisi kiistalnya. Menurut Ross
dan Hendncks, rumus montmori'ionite adalah (OH)/Si8(Al3i34Mgn,6o)02o atau Mg diganti
dengan Na<,.66 Hampir serupa, Pironcov, Soev at. al. (1991) rr.enyatakan bahwa mmus
kimia montmorillonite yang ideal adalah [Sig(Al3 v i M g o ^ ^ o ^ H ^ J M c ^ n H 2 0 , dimana
ion M dapat berupa Na, Ca dan Mg.
23.2 Sifat Fisik dan Kimia Bentonit
Montmonllonite memiliki struktur kristalin berupa partike! flake" yang mirip
dengan com flake. I-lake ini sangat kecil dengan ukuran 10-0,01 mikrometer. Satu gram
montmorillonite memiliki luas permukaan 750 m2/gram, hampir seluas butiran karbon aktif
teraktifasi yang terbaik. Dalam keadaan kering bentonit memiliki sifat fisik sebagai
berikut: wama bervariasi dari krem sampai kuning kehijauae, memiliki berat jenis 2,2-2,8
g/L, indeks bias 1,547-1,557 dan titik lebur 1330-1430°C. Partikel bentonit bennuatan
negatif yang diimbangi dengan kation yang dapat dipertukarkan. Hal ini memungkinkan
7
bentonit memisahkan logam berat dari air dan memisahkan senyawa organik kationik
melalui mekanisme pertukaran ion.
2.4. Adsorpsi
Adsorpsi periama kali digunakan oleh Lowitz pada tahun 1785 dan segera setelali
itu diaplikasikan untuk menghilangkan warna pada proses pemurnian gula (Hassler,1974).
Kemudian pada pertengalfan abad 19, penyaring arang kayu {charcoal) digunakan pada
instaiasi pengolahan air di Amerika Serikat (AS) (Croes, 1883). Selama Perang Dunia 1,
karbon aktif granular ( G A C ) diproduksi dalam skala besar untuk keperluan pembuatan
pelindung gas (gas masks). Karbon aktif serbuk (PAC) digunakan di Chicago, A S . pada
tahun 1920-an untuk mengendalikan rasa dan menghilangkan bau pada cadangan aityang
terkontaminasi klorofencl (Baylis, 1929). Selama pertengahan tahun 1970-an, proses
adsorpsi untuk menghilangkan zat-zal organik dari air minum masyarakat semakin menjadi
perhatian yang serius, karena sumher air yang terkontaminasi oleh limbah industri, bahan-
bahan kimia pertanian, dan pembuangan kotoran. Adsorpsi adalah proses penyerapan suatu
zat (adsorbat) pada permukaan suatu bahan penyerap (adscrbenV Beidasarkan
mekanismenya, adsorpsi dibagi dua jenis, yaitu:
1) . Adsorpsi secara fisika
interaksi antara aascrben dengan adsorbat pada prinsipnya adaiah gaya
elektrostatik, termasuk interaksi dipol-dipol, interaksi dispersi, dan ik3tan hidrogen.
Adsorbat dapat diserap karena adanya gaya tarik menarik yang relatif lemah dengan
permukaan adsorben. Adsorbat tidal: tertarik secaia kuat sehingga adsorbat dapat bergerak
dari suatu oagian permukaan ke bagian permukaan lain. Adsorpsi ini ber'angsung cepat,
reversibel, dan kalor adsorpsinya rendali.
2) . Adsorpsi secara kimia
Pada adsorpsi secara kimia pendekatannya adalah atraksi antara adsorben dengan
adsorbat ikatan kimia kovalen atau elektrostatik antara atom-atom yang memiliki ikatan
yang lebih pendek dengan ikatan yang berenergi lebih tinggi. Adsorpsi secara kimia tidak
reversibel, terjadi pada suhu tinggi, dan kalor adsorpsinya juga tinggi. Faktor-faktor yang
mempengaruhi penyerapan adalah:
1). Pengadukan {agitation)
Laju penyerapan dikendalikan oleh difusi film atau difusi pori tergantung pada
pengadukan. Pada pengadukan yang relatif tidak lama, partikel dari larutan akan
mengelilingi permukaan film adsorben dan kemungkinan besar j i ka batasan lajunya
terpenuhi akan terjadi difusi film. Jika pengadukan memadai, laju difusi film akan
meningkat dan terjadi difusi pori pada batasan laju yang cukup. Menurut Weber
(1972), pada umumnya batasan laju penyerapan difusi pori pada pengadukan yang
tinggi.
2. ) Karakteristik adsorben (sifat fisika dan kimia)
Luas permukaan, ukuran pori-pori, dan komposisi kimia dari adsorben mernpengaruhi
penyerapan. Seperti karbon aktif, karbon dalam bentuk serbuk lebih cepat laju
penyerapannya dibanoingkan karbon dalam bentuk granular
3. ) Kelarutan adsorbat
Senyawa-senyawa terlarut yang mempunyai afinitas tinggi dengan pelarutnya akan
lebih sulit untuk diserap.
Mekanisme Adsorpsi
Mekanisme terserapnya adsorbat pada adsorben terjadi melalui empat tahap, yaitu:
1. 3erpinriahnya solut dari larutan menuju lapisan sekitar adsorben {bulk transport).
2. Solut terdifusi melalui lapisan bpis {film diffusion).
3. Difusi solut melalui pori atau kapiler menujtl sisi adsorben {diffusion pore).
4. Penyerapan solut pada permukaan adsorben.
2.5 Adsorpsi Isotherm
1 erdapa; beberapa jenis model adsorpsi isotheim yang dihubungkan dengan jenis
adscrpsi yang terjadi.
Langmuir Kemisorpsi pada permukaan ideal
Fieundlich Kemisorpsi dan adsorpsi fisik
Temkin Kemisorpsi
Brunauer-Emmett-Teller Adsorpsi fisik multilayer
Persamaan adsorpsi Model Langmuir adalah sebagai berikut
(I+ATC)
0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang tetutupi adsorbat
K = konstanta yang sebanding dengan kadAdcs dan tergantung pada temperatur
C = konsentrasi adsorbat dalam larutan
Penggunaan Model adsorpsi Langmuir didasarkan pada beberap asumsi:
a. Situs adsorpsi bersifat eqivalen
b. Interaksi antara molekul yang terikat dengan situs pengadsorp kuat
c. Hanya satu molekul adsorbat yang dapat terikat pada satu situs pengadsorp
Oleh karena itu model ini bersifat ideal dan jenis adsorpsinya didasarkan pada interaksi
kimiawi antara adsorbat dan pengadsorp.
Persamaan adsorpsi Model Adsorpsi Freunlich adalah sebagai berikut
6=aCb
0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang tetutupi adsorbat
a, b = konstenta
C = konsentrasi adsorbat dalam larutan
Model adsorpsi Freunlich lebih sesuai dengan situs aktif pengadsorp dari
permukaan yang tidak seragam. Oleh karea itu. interaksi material pengadsorps dengan zat
adsorbat dapat bersifat interaksi kimiawi maupun fisik.
Persamaan adsoiDsi Model Adsoprsi Tempkin adalan sebagai berikut
0 = r\nsC
0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang temtupi adsorbat
r, s = kcnstama
C = konsentrasi adsorbat dalam larutan
Mode! adsoipsi Tempkin lebih sesuai dengan situs aktif pengadsorp dari permukaan yang
tidak seragam. Nair.un interaksi material pengadsorps dengan zat adsorbat hanya bersifat
interaksi k imiawi .
10
I l l T U J U A N DAN MANFAAT P E N E L I T I A N
3.1. Tujuan Penelitian
Penelitian ini diharapkan akan diperoleh informasi tentang mutu kinerja E P K T B
sebagai salah satu alternative sensor amperometrik ion logam yang murah dan efisien
mekanisme dan laju adsorpsi ion Hg2* pada E P K T B . Dari data kinetika tersebut dapat
diperoleh informasi tentang variabel dan kondisi yang beipengaruh pada pengukuran
konsentrasi ion Hg2* sebagai sensor amperometrik seperti:
a. Nilai potensial pre konsentrasi yang harus diterapkan
b. Rentang konsentrasi analit yang dapat terukur
c. Waktu optium pengukuran
3.2. Manfaat Penelitian
Kegunaan penelitian ini diarahkan untuk memberikan informasi awal peluang
penggunaan teknologi alternatif yang ekonomis dalam penanganan dan pemeriksaaij
limbah industn yang mengandung icgam berat merkuri. dengan proses adsorpsi
menggunakan elektroda karbon pasta termodifikasi bentonit alam melalui sensor
elektrokimia
11
IV. M E T O D E P E N E L I T I A N
4.1 Desain Penelitian
Penelitian ini diawali dengan pembuatan E P K dan E P K T B dari karbon yang
dipastakan dan dicampur dengan mineral bentonit. Selanjutnya dilakukan uji kinerja E P K
dan E P K T B dengan larutan model C d 2 + , dengan aplikasi penggunaan E P K T B terhadap
larutan Hg2*data yang dihasilkan digunakan untuk mengkaji mekanisme dan kinetika
adsorpsi H g 2 + oleh E P K T B .
Preparasi EPKTB;
Elektrode karbon pasta termodifikasi bentonit akan dibuat, secara home-made,
dengan cara mencampurkan bentonit dengan serbuk grafit sebelum pen cam pur an dengan
paraffin sesuai dengan prosedur yang sedang dikembangkan di kelcmpok penelitian
pengusul dan literatur ( Huang, 2002 ) .
Studi Mekanisme Adsorpsi pada EKPTB terhadap model larutan Cd *
Larutan analit, E K P T B dan Elektioda referensi (Calomel atau Ag/AgCI akan
dirangkai menjadi sel elektrokimia):
E K P T 3 | C d 2 ^ ICalo.nel
Ion analit selaiijumya diakumulasi pada E K P T B dengan cara mcnerapkan potensial
negatif. Variasi kondisi prekonsentrasi yang di terapkan adalah beda potensial
prekonsentrasi, konsentrasi ion analit dan waktu adsorpsi. Informasi kemainpuan adsorpsi
yang diharapkan dapat tergali dari variasi kondisi tersebut dapat dijadikan data awal untuk
digunakan dalam pengukuran analit ion raksa ( I I )
Studi Mekanisme Adsorpsi pada EKPTB dalam Kondisi Aplikasi
Larutan analit, E K P T B dan Elektroda referensi (Calomel atau Ag/AgCI akan
dirangkai menjadi sel elektrokimia):
E K P T B | H g 2 + ICalomel
Ion analit selanjutnya diakumulasi pada E K P T B dengan cara menerapkan potensial
negatif. Variasi kondisi prekonsentrasi yang di terapkan adalah beda potensial
prekonsentrasi, konsentrasi ion analit (Hg 2 + ) , waktu adsorpsi, dan perbandingan kadar
karbon-bentonit. Informasi dan aspek kinetika adsorpsi yang diharapkan dapat tergali dari
variasi kondisi tersebut ditunjukan pada Gambar 1.
12
Konsentrasi analit yang terserap akan ditentukan dengan membandmgkan
konsentrasi analit awal ( H g 2 + ) dibandingkan setelah penyerapan. Metode standar A AS
akan digunakan pada prosedur penentuan konsentrasi Hg + tersebut.
Berdasarkan data tentang kapasitas serapan pada berbagai konsentrasi, model
isoterm adsorpsi ion H g 2 + pada E P K T B akan ditentukan. Sebagai rujukan data yang
diperoleh akan di uji berdasarkan persamaan isoterm Langmuir, Freundlich, dan Tempkin
Variabel Experimen
Informasi yg. Dihasilkan
Aspek Kinetika yang dapal dikaji dan Luar an Data
Beda Potensial Prekonsentrasi
Pengaruh potensial thd kapasitas serapan
Laju adsorpsi rata -rata
Potensial optimum
Konsentrasi Ion Analit
Waktu prekonsentrasi
Perbandingan kadar C-Bentonit
Kapasitas serapan E P K T B sebagai fungsi konsentrasi
Kapasitas serapan E P K T B sebagai fungsi konsentrasi
Rentang konsentrasi adsorpsi oleh E P K T B
Model Isoterm adsorpsi
Waktu optimum proses prekonsentrasi
Laju adsorpsi dengan perbedaan perbandingan Karbon - ben'onit
Gambar 4 . 1 . S k e m a Studi Mekanisme Adsorpsi pada EKPTB dalam Kondisi Aplikasi
4.2 Tahapan Pelaksanaan
4.2.1 Tahap Preparasi
4.2.1.1 Preparasi E P K dan E P K T B
Pipa gelas yang memiliki panjang 5 cm dan diameter 0,5 cm disambungkan dengan
lem kaca ( S T E A L A N T ) pada suatu pipa plastik yang memiliki panjang 12 cm dan
diameter 1,3 cm. Bagian ini disebut batang elektroda. Pada bagian tengah dalam pipa
plastik dimasukkan kawat Ag. Ujung kawat Ag dihubungkan dengan suatu kabel
penghantar listrik yang memiliki panjang 45 cm. Rangkaian alat diperlihatkan dalam
gambar 3.1 di bawah i n i :
13
Gambar 4.2. Bagian - bagian batang elektroda dalam pembuatan E P K dan E P K T B
> Pasta Karbon
Pembuatan pasta karbon dilakukan melalui prosedur sebagai berikut. Serbuk grafit
ditimbang sebanyak 14,4 g kemudian ditambahkan 96 tetes miiiyak paiaffin ( + 4,8 m L )
dicampurkan dalam lumpang alu. Selanjutnya Karbon Pasta yang teiah dibnat dimasukkan
sebanyak 0,4 g dan dipress ke dalam batang elektroda yang telah dibuat. Selaiijutnya
disebut Elektroda Pas'a Karbon ( E P K ) dengan perbandingan grafit dan bentonit adalah 6 :
0. Bagan kerja dapat aihhat pada gambar 3.2
Serbuk grafit
Paraffin
•
Pasta Karbon
Gambar 4.3. Bagan kerja preparasi pasta karbon
14
> Pasta Karbon Termodifikasi Bentonit
Untuk pembuatan pasta karbon termodifikasi bentonit prosedur yang dilakukan
adalah sebagai berikut. Serbuk grafit ditimbang sebanyak 9,6 g dan serbuk bentonit
sebanyak 4,8 g dicampurkan kemudian ditambahkan % tetes minyak paraffin ( + 4,8 m L )
dicampurkan dalam lumpang alu. Seianjumya Karbon Pasta Termodifikasi Bentonit yang
telah dibuat dimasukkan sebanyak 0,4 g dan dipress ke dalam batang elektroda yang telah
dibuat. Selanjutnya dis6but Elektroda Pasta Karbon Termodifikasi Bentonit ( E P K T B )
dengan memiliki perbandingan massa grafit dan bentonit adalah 4 : 2. Bagan kerja
preparasi Pasta Karbon Termodifikasi Bentonit dapat dilihat pada gambar 4.3.
Serbuk grafit + bentonit
•
digervs
Campuran 1 1
grafit-bentonit |
+ paraffin
Pacta Kerbcn Termodifikasi bentonit
Gambar 4.4. Bagan keija preparasi Pasta Karbon rermodifikasi Bentonit
4.2.1.2 Pembuacan Larutan Model Cd A *
Padatan C d S 0 4 ditimbang sebanyak 0,1042 g, lain dilaiutkan dalam aquadest
kemudian diencerkan hingga volume 100 mL da'am labu ukur untuk mendapatkan larutan
C d S G 4 5 x 10 * mol/L. Pipet 10 mL dari labu ukui pertama, kemudian diencerkan dengan
aquadest hingga volumenya 1 liter untuk mendapatkan larutan C d S 0 4 5 x 10" mol/L dan
diaduk agar homogen.
4.2.1.3 Pembuatan Larutan Model Hg2*
Padatan Hg(N03)2 ditimbang sebanyak 0,1708 g, lalu dilarutkan dalam aquadest
dan ditambah sedikit asam nitrat pekat kemudian diencerkan hingga volume 1000 mL
dalam labu ukur untuk mendapatkan larutan induk Hg2* 1000 ppm. Larutan induk tersebut
dipakai untuk membuat larutan Hg 2 *0, l ; I ; dan 10 ppm.
15
4 3 3 Uji kinerja E P K dan E P K T B
Rangkaian sel yang telah dibuat diuji pada larutan model CdS04. Proses pengujian
merupakan tahap serupa dengan proses yang disebut prekonsentrasi. Proses prekonsentrasi
adalah tahap dalam analisis ion logam secara amperometrik berupa pengendapan ion
logam melalui penerapan beda potensial sebelum diberi beda potensial negatif untuk
melepaskan kembali ion logam.
Pada tahap ini tSrhadap masing-masing 20 mL larutan model diterapkan variabel
beda potensial dan waktu prekonsentrasi dengan cara: kedua elektroda yaitu E P K / E P K T B
sebagai katoda dan Elektroda Kalomel jenuh ( E K J ) sebagai anoda uicelunkan pada gelas
kimia 100 mL berisi larutan model 20 mL. Pada semua variabel waktu prekonsentrasi
E P I C / E P K T B dan E K J dicelupkan selama + 3 menit sebelum diterapkan variabel beda
potensial luar
4 3 Instrumen pelaksanaan
> A l a i
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah power supply, multimeter,
Elektroda kalomel, buret, A AS. dan alat-alat gelas lain serta ahi-aiat penunjang
laboraterium lainnya.
> Bahan
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Bentonit tonsil, C d S 0 4 ,
Hg(N03)2, asam nitrat, parafin, grafit, dan aquadest.
Rangkaian Sel Elektrokimia dengan E P K dan E P K T B
E P K atau E P K T B dihubungkan pada kutub negatif (-) power supply sebagai
katoda. Elektroda Kalomel Jenuh dihubungkan dengan kutub positif (+) power supply
sebagai anoda. E P K atau E P K T B dihubungkan dengan multimeter untuk mengukur nilai
respon arus dari rangkaian sel elektrokimia ini. Rangkaian sel dipresentasikan pada gambar
4.4 di bawah ini :
16
Gambar 4.5. Rangkaian Sel Elektrokimia Sensor Amperometrik
17
V. H A S I L DAN PEMBAHASAN
Pada bagian ini ditampilkan hasil pengujian terhadap kinerja elektroda pasta karbon
termodifikasi bentonite ( E P K T B ) pada proses prekonsentrasi yang merupakan tahap awal
dari anabsa ion logam dengan cara stripping voltametri. Uji kinerja pada proses
prekonsentrasi telah dilakukan pada larutan model C d 2 + dan selanjutnya diaplikasikan pada
larutan Hg 2 + . Kinerja E P K T B yang diukur adalah respond arus elektroda pada proses
prekonsentrasi, kapasitas adsorpsi elektroda pada berbagai waktu prekonsentrasi, dan
kapasitas adsorpri elektroda pada berbagai konsentrasi larutan analit model. Pengujian
kinerja dilakukan terhadap ion C d 2 + dimaksudkan untuk mempelajari perilaku elektroda
secara umum sebagai dasar studi kelayakan aplikasi E P K T B pada studi kinetika.
Data kapasitas adsorpsi yang diuji pada berbagai kondisi, selanjutnya digunakan
sabagai dasar studi kinetika adsoipsi ion Hg 2 + oleh E P K T B pada tahap prekonsentrasi.
Pada bagian akliir dibahas perilaku kinetika adsorpsi ion Hg 2 + pada elektroda berdasarkan
basii eksperimen yang diperoleh.
A. Kinerja E P K T B terhadap Larutan Model Cd2+
L Respon Arus padc Prekonsentrasi dengan E P K T B
Gambar 5 1 mempeiiihatkan respon arus yang terca'at pada prekonsentrasi larutan
C d S 0 4 A2l ppm pada potensial 0,6; 1; 1,5; dan 5 volt dengan menggunakan E P K T B . Pada
beda potensial prekonsentrasi 0,6 dan 1 volt dengan rentang waktu prekonsentrasi 5 - 360
d:tik, iampak bahwa respon arus terukur cenderung meningkat sejalan dengan waktu
prekonsentrasi.
Pada potensial prekonsentrasi 1,5 volt, rentang waktu 360 - 960 detik ( 6 - 1 6
menit), kenaikan respon arus diikuti dengan penurunan. Gejala ini dapat dijelaskan sebagai
berikut. Dibandingkan dengan menggunakan elektroda pasta karbon saja, penambahan
bentonit pada elektroda pasta karbon mengubah mekanisme proses prekonsentrasi. Pada
E P K T B adsorpsi ion C d 2 + pada elektroda selain terjadi karena faktor beda potensial juga
terjadi karena faktor adsorpsi oleh modifier bentonit.
IS
16 -J
14
0 500 1000 1500 2000 j i
Waktu Prekonsentrasi (detik)
Gambar 5.1. Respon arus pada proses prekonsentrasi larutan C d S 0 4 4,22 ppm pada beda potensial 0,6 volt, 1 volt, 1,5 volt dan 5 volt mengunakan E P K T B .
Pada awal tahap prekonsentrasi, adsorpsi berlangsung secara relatif cepat sehingga
jumlah ion C d 2 + tereduksi semakin banyak dan menghasilkan arus yang besar. Akan leiapi,
pada waktu piekonsentrasi yang lebih lama sudah terdapat Cd hasil reduksi pada elektroda
sehingga adsorpsi ion C d 2 + bam semakin berkurang. akibatnya jumlah arus semakin
menurun. Pada waktu prekonsentrasi 1 - 6 menit dengan beda potensial 1,5 volt adsorpsi
ion C d 2 + tenadi secara cepat menuju E P K T B dan terjadi prcses reduksi sehmgga jumlah
C d 2 + elektroda semakin banyak dan semakin bertumpuk menyebabkan migrasi ion C d 2 +
yang tersisa menuju E P K T B menjadi lambai. Hal ini ditunjukkan pada waktu
prekonsentrasi 6 - 1 6 menit respon arus cenderung semakin menurun kemudian pada
waktu 1 6 - 2 4 menit menunjukkan respon arus yang konstan pada 4,1 \jA. Percobaan ini
menunjukkan bahwa informasi tentang respond arus saja belum dapat digunakan untuk
menenentukan kelayakan penggunaan E P K T B .
2. Kapasitas Adsorpsi Sebagai Fungsi Waktu Prekonsentrasi E P K T B
Gambar 5.2 memperlihatkan konsentrasi C d 2 + yang teradsorpsi dari larutan C d S 0 4
4,22 ppm pada potensial 0,6 dan 1; volt dengan menggunakan E P K T B . Rentang
konsentrasi C d 2 + yang teradsorpsi pada rentang waktu prekonsentrasi 0 - 6 0 detik adalah
0,40 - 0,65 ppm untuk potensial prekonsentrasi 0,6 volt, dan 0,80 - 1,87 ppm untuk
potensial prekonsentrasi 1 volt, 1,45 - 1,56 ppm. Penerapan tegangan sebesar 1 volt
temyata tidak menghasilkan respond C d 2 + teradsorpsi yang stabil. Fluktiasi nilai Cd2+
19
teradsorpsi terjadi sampai waktu prekonsentrasi 60 detik. Karena itu, diperkirakan
tegangan prekonsentrasi yang baik adalah 0.6 volt.
1 2 n
0 0 » -0
Tegangan prekonsentrasi = 1 volt
X Tegangan prekonsentrasi = 0 6 volt
20 40
W a k t u p rekonsent ras i (detik)
GO
Gambar 5.2. Konsentrasi C d 2 + teradsorpsi dari larutan C d S 0 4 4,22 ppm pada beda potensial 0,6 volt, l volt dengan rentang waktu 0 - 6C detik menggunakan E P K T B .
Sifat adsopsi ion C d 2 , oleh modifier bentonite da'am E P K T B ditunjukkan oleh
percobaan prekonsentrasi tanpa menerapkan beda potensial Hasil analisis dengan A A S
menunjukkan baliwa jumiah C d ' ' teradsorpsi pada percobaan mi sebanyak 0,02 ppm. Data
ini menunjukkan bahwa mekanisme adsorpsi ion Cd2+ oleli E P K T B didahului dengan
adsorpsi oleh bentonite. Penerapan beda potensial akan diikuti oleh reduksi ior. Cd2+
terserap dan memungkinkan adsorpsi ion Cd2-t- selanjutnya dan laiutan.
5.2. Aplikasi E P K T B pada Prekonsentrasi Larutan Model Hg2*
1. Respon Arus
Gambar 5.3 menunjukkan respon arus yang terukur pada saat prekonsentrasi
larutan Hg2* 0,1 ppm dan 1 ppm selama 30 detik dengan potensial prekonsentrasi 0,6 volt.
Pada semua perlakuan waktu dan 0 hingga 3 menit respon anis belum stabil hingga waktu
30 detik, dapat dilihat dari penurunan arus terukur yang relatif tajam. Gejala ini terjadi,
baik pada sampel larutan analit model 1 ppm maupun 0,1 ppm. Hal ini disebabkan karena
20
transfer elektron dari proses reduksi belum konstan, sebanding dengan jumlah Hg2* yang
tereduksi menjadi Hg.
a;
0.5 -
0.0 , • 1 0 20 40 60
Waktu piekonsentrasi (aetik)
Gambar. 5 3 . Respon arus pada proses prekonsentrasi 1 menit larutan Hg2* 0,1 dan 1 ppm cads beda potensiai 0,6 volt mengunakan E F K T 3 .
2. Kapasitas Adsorpsi Hg2+ Sebagai Fungsi Waktu dengan E P K T B pada Qua
komposisi Karbon-Bentonitc
Konsentrasi ion Cd2* teradsorpsi pada potensial 0.6 volt dengan konsentrasi awa'
Hg2* sebesar 3,872 ppm dan komposisi karton-ben»onit 4:2 dan 5:1, diamati pada waktu
prekonsentrasi 3G sampai dengan 360 detik di tunjukkan pada pada Gambar 5.4.
Komposisi bentonite pada elektroda sangat berpengaruh terhadap kapasitas adsorpsinya.
Elektroda dengan komposisi karbon-bentonit 4:2 memiliki kapasitas adsorpsi sekitar 1,5
kali kapasitas adsorpsi elektroda dengan komposisi karbon-bentonit 5:1. Hasil pengujian
ini menunjukkan bahwa adsorpsi berlangsung melalui interaksi ion Hg2+ dengan
bentonite. Laju adsorpsi ion Hg2* oleh elektroda berlangsung secara cepat pada awal proses
prekonsentrasi. Setelah sejumlah Hg terdeposisi pada elektroda adsorpsi semakin lambat.
Disamping karena jumlah Hg2+ dalam larutan sudah berkurang, situs-situs adsorbat sudah
ditempati oleh Hg yang tereduksi. Nilai maksimum kapasitas adsorpsi lebih cepat dicapai
oleh elektroda dengan komposisi bentonite yang lebih banyak. Data ini mengindikasikan
21
bahwa mekanisme adsorpsi oleh bentonite lebih mendominasi dibandingkan mekanisme
adsorpsi yang disebabkan perbedaan potensial prekonsentrasi yang diterapkan.
4 n
3
400
Waktu pre konsentrasi (detik)
Gambar 5.4. KapasUas adsorpsi E P K T B terhadap larutan 3,S72 ppm H g 2 + pada berbagat
waktu prekonsentrasi.
Pengujian kapasitas adsorpsi terhaoap iarotan Hg2* yang lebih rendali (1,2975 ppm,
menunjukkan bahwa setelah tahap prekonsentrasi, keseluruah ion Hg2+ yang terdapai
dalam larut3n seluruhnya terserap. Hasil pengujian ini ditunjukkan pada Gambar 5 5. Data
ini mengindikasikan bahwa, kapasitas adsorpsi elektroda masih di atas nilai konsenttasi
analit. Akan tetapi, karena analisa dengan cara snipping voltametri di'akukan setelah tahap
prekonsentrasi berdasarkan nilai arus yang dilepas ketika Hg yang terdeposisi dioksidasi
kembali, maka data ini tidak menunjukkan batas konsentrasi analisis.
22
07 -
0.0 :s , , . 0 20 40 60
Waktu prekonsentrasi (detik)
Gambar 5.5. Kapasitas adsorpsi E P K T B terhadap larutan 1,2975 ppm Hg2* pada berbagai waktu prekonsentrasi.
2. Kapasitas Adsorpsi EFKTB sebagai Fungsi Konsentrasi
E P K T B hasil prepares' temyala memiliki kapasitas adsorpsi yang terbatas.
Walaupun konsentrasi larutan Hg2* model yang digunakan ditingkatkan, ternyata seteian
konsentrasi larutan model Hg2* mencapai konsentrasi 4 ppm jumlah konsentrasi yang
terserap tidak mengalami peningkatan yang berarti. Jumlah pasta carbon-bentonite
sebanyak 2 gram diperkirakan maksimum mengurangi konsentrasi sebesar 3.5 ppm dari 20
mL larutan awal dengan konsentrasi sekitar 4.8 ppm. Dengan menganggap kapasitas
adsorpsi maksimum sebesar 3,26 gram, berdasarkan percobaan ini, dilakukan analisa
perilaku kinetika adsorpsi oleh elektroda Data ini juga mengindikasikan bahwa pada
konsentrasi analit 4 ppm dan konsentrasi yang lebih tinggi, elektroda akan mengadsorpsi
ion Hg2* dalam jumlah yang relatif sama. Dengan demikian j ika dilakukan proses stripping
voltametri, lautan Hg 2 + 4 ppm tidak dapat dibedakan dengan larutan pada konsentrasi
diatasnya. Pada komposisi karbon bentonite seperti ini, konsentrasi Hg2* 4 ppm merupakan
batas maksimum analisis.
23
0 1 2 3 4 5 6
Konsentrasi Hg 2 + larutan model (ppm)
Gambar 5.6. Kapasitas adsorpsi F P K T B terhadap larutan analit model H g 2 + sebagai
fungsi konsentrasi.
3. Pengaruh pH
Pcnrntnau pengaruh pH terhadap kapasitas adsorpsi oleh elektroda telah dilakukan
pada nilai pi I - 1,3; 4, dan 5 Sebagaimana telah diperkirakan bahwa ion Hg2+ akan
mengendap pada p l l yang tinggi. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa pengendapan
terjadi pada j#H 3. Dengan demikian pengujian pengaruh pH tidak dapat dilanjutkan.
5 3 . Kinetika Adsorpsi H g 2 + pada E P K T B
a. Mekanisme adsorpsi ion Hg2* pada EPKTB
Berdasarkan sifat-sifat material yang digunakan sebagai elektroda dan perilaku
adsorpsi yang ditunjukkan secara experimen (Gambar 5.4-Gambar 5.6), adsorpsi Hg 2 + oleh
E P K T B pada proses prekonsentrasi diperkirakan berlangsung melalui mekanisme
sebagaimana diuraikan sebagai berikut. Ion H g 2 + akan teradsorpsi secara kimia pada
material bentonite. Adsorpsi mula-mula terjadi pada permukaan elektroda dilanjutkan
dengan difusi ion dalam struktur internal elektroda. Pada komposisi bentonite yang tinggi
(seperti pada perbandingan karbon bentonite = 4: 2), adsorpsi pada permukaan akan
berlangsung secara cepat sebagaimana ditunjukkan oleh tingginya pengurangan kadar
24
Hg2* dari larutan model. Adsorpsi pada pada permukaan elektroda oleh kompinen bentonit
tidak periu menerapkan arus listrik/beda potensial. Ion Hg2* teradsorpsi akan tereduksi
menjadi bentuk logamnya setelah diterapkan arus listrik/beda potensial. Proses ini dapat
dirangkum dalam Table 5.1.
Tabel 5.1
Rangkumali proses adsorpsi dan reduksi (prekonsentrasi) pada E P K T B
Tahapan/Reaksi Kondisi Laju
•"" J-Adsorpsi ion Hg pada B permukaan: C3—2Na* + Hg2 ' -> C B — H g 2 ' + 2Na*
Adsorpsi kimia tanpa penerapan arus/beda potensial
Cepat
Reduksi ion Hg2"
C B — H g 2 * + 2e" -> C B — H g
Reduksi dengan penerapan arus/beda potesial
Lam bat
Difusi internal Hg ' ke dalam B non permukaan
CBCBtNa ) C B C B — r i g + Hg2 -» C B C B C B C B — H g + Na*
Menggunakan potensial prekonsentrasi sebagai driving force
Lambal
tig2"
Menggunakan potensial prekonsentrasi sebagai driving force
— I ' ' . — i
Reduksi Hg teradsorpsi internal
C B C B C B C B — H g + 2e -» C B C B C B C B — H g
Reduksi dengan penerapan arus/beda potesial
Cepat
Hg2" Hg
Reduksi dengan penerapan arus/beda potesial
Keterangan:
C = Karbon, B = Bentonite, Hg2+ teradsorpsi melalui mekasnisme ion exchange
menggardikan Na+ yang terkar.dung dalam bentonite (montmonlomte).
b. Model Adsorpsi ion Hg2* pada EPKTB
Untuk memperkirakan jenis adsorpsi yang terjadi (mono/multi layer, adsorpsi
kimia/fisika, adsorpsi permukaan/intemal), data kapasitas adsorpsi sebagai ftingsi
konsentrasi dianalisis berdasarkan model-model adsorpsi yang berlaku dalam adsorpsi gas
dan larutan pada adsorben. Model adsorpsi yang digunakan adalah model Langmuir,
Freunlich dan Tempkin. Metode analisis yang digunakan adalah iterasi nonlinier curve
fitting, menggunakan program Sigma Plot 10. Selain itu, iterasi nonlinier curve fitting juga
dilakukan dengan menggunakan persamaan matematis standar yang mungkin, yaitu
persamaan yang menghasilkan bentuk kurva Sigmoid. Persamaan ini dipilih karena bentuk
kurva eksperimen sangat mirip dengan bentuk persamaan ini.
25
Persamaan model adsorpsi yang digunakan adalah sebagai berikut
Model Langmuir:
{\+KC)
0 = ffaksi permukaan <£PKTB) yang tetutupi adsorbat
K = konstanta yang sebanding dengan kadj/k^ dan tergantung pada temperatur
C = konsentrasi adsorbat dalam larutan
Model Adsorpsi Freunlich:
6=aCh
0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang tetutupi adsorbat
a, b = konstanta
C = konsentrasi adsorbat dalam larutan
Model Adsoprsi Tempkin:
0 = r\nsC
0 = ffaksi permukaan ( E P K T B ) yang tetutupi adsorbat
r, s = konstanta
C = konsentrasi adsorbat dalam larutan
Persamaan mctemads standi, r (bentuk kurva sigmoid):
0 = - ^ -( !+(£)*)
X = C
Kurva hasil fiting data experimen terhadap persamaan model ditunjukkan pada
Gambar 5.7. Sedangkan hasil kriteria statistik dari iterasi nonlinier curve fitting ini
ditunjukkan pada Tabel 5.2. Kurva hasil fiting data experimen terhadap persamaan model
Tempkin tidak ditampilkan karena syarat parameter statistik tidak terpenuhi (tidak
konvergen). Hasil ini bersesuaian dengan yang dilaporkan pada literatur yang
menunjukkan bahwa adsorpsi ion logam (Cd2+) pada serbuk bentonit memenuhi
persamaan isotherm adsorpsi Freundlich (Marchal, 1999). Perbedaan antara kondisi
eksperimen dengan literatur adalah sebagai berikut. Adsorpsi ion Hg2+ oleh E P K T B
memiliki dua driving force, konsentrasi ion Hg2+ dan potensial yang diterapkan.
Sedangkan pada adsorpsi ion Cd2+ sebagaimana pada (Marchal 1999), hanya memiliki
26
konsentrasi sebagai driving force. Disamping itu morfologi material bentonite pada
E P K T B berupa campuran dengan material karbon berbeda denga morfologi serbuk
bentonite yang dilaporkan pada literatur. Walaupun demikian karena adsorpsi ion lebih
didominasi oleh proses kimia, maka keberadaan arus listrik tidak mempengaruhi model
adsorpsinya.
Konsentrcs i lerutan model K g 2 * (ppm)
Gambar 5.7. Kurva fining nonlinier terhadap data ekspcrimen adsorpsi Hg2+ pada berbagai konsentrasi berdasaikan model adsorpsi Langmuir, Freundlich, Tempkin dan persamaan matematis bentuk sigmoid
Table 5.2 Kriteria statistik dan parameter yang dihasilkan pada pengujian model adsorpsi terhadap data eksperimen adsorpsi Hg2+ pada berbagai konsentrasi berdasarkan model adsorpsi Langmuir, Freundlich, Tempkin dan Sigmoid
Model R ( S t d Error) Parameter (Std error)
Langmuir 0 9378 (0.1621) a 1.0000 (0.4948
Freundlich 0 9945 (0.0601) a 0.3176 (0.0577)
b 0.7390 (0.1274)
Tempkin
Persamaan Sigmoid 1.000 (0.00) a =1.0120 b =-2 7621 Xg* 1.6074
27
Berdasarkan model yang ada, hasil fitting nonlinier data experimen menunjukkan
bahwa adsorpsi ion Hg2+ pada E P K T B lebih cocok/memenuhi model Freundlich. Model
ini menunjukkan terjadinya proses Chemisorption dan physical adsorption yang terjadi
pada permukaan E P K T B , model Freundlich ini dapat berlaku untuk adsorpsi solut dalam
larutan pada adsorben (Gates, 1991)
28
V L K E S I M P U L A N
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut
1. Hasil uji kinerja E P K T B terhadap larutan model Cd 2 * memperlihatkan data
optimasi variabel voltase sebesar 0,6 volt dan waktu yang diperlukan untuk
mendapatkan respon arus optimal sebesar 360 detik.
2. Penggunaan E P K T B terhadap larutan H g 2 + menunjukkan waktu optimal yang
dibutuhkan sebesar 30 detik dengan batas konsentrasi analit 4 ppm.
3. Peningkatan kadar bentonit dalam perbandingan karbon-bentonit E P K T B
meningkatkan daya adsorpsi E P K T B terhadap ion Hg2*
4 Model kinetika adsorpsi Hg2* dalam E P K T B mengikuti model Freundlich. Model
ini menunjukkan terjadinya proses Chemisorpticn dan physical adsorption yang
terjadi pada permukaan E P K T B .
29
V I I . D A F T A R PUSTAKA
Anderson, Mark R(2000) . Polarography - Voltarn metry System with PC support, [online]. Tersedia: http://wwA/.chem.\d.edu/chero-ed/echem/npp.html (12/12/2005)
Anonim.(2004). Bahaya Cemaran Logam Berat. [online]. Tersedia: Republika Online -http://www.republika.co.id (6 Oktober 2005)
Anonim. ( ). Bentonite. Online : http://www.imana.org/abotit industrial minerals/bentonite.asp
Anonim. ( ). Bentonite : a mineral for one thousand uses. Online : http://www.ima-eu.org/en/usestext.htm
Bereket G. Aro g az A.Z. ; Ozel M.Z. (1977). Removal of Pb(II), Cd(II) , Cu( I l ) , and Zn(II) from Aqueous Solutions by Adsorption on Bentonite. Journal of Colloid and Interface Science Volume 187, Number 2, March 1997, pp. 338-343(6): Academic Press
Colli 'a, MontseTat; Darder, Margarita.(2005). Amperometric Sensors Based on MercaptopyrydineMontmorillorite lnterca'ation Compound. Journal of American Chemical Society.
Decs Y . S . : Tutunji M. F . ; Baker H. M. Isothermal and kinetic adsorption behaviour of Pb[2 r] ions on natural silicate minerals. Online hrtp:/./cat.iiiist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=l 5352365
Gates. Bruce C. (1991). Catalytic Chemistry. New York : John Willey and Sons, inc
H. Willard, Hobart; L . Merritt, Lynne(1988). Instrumental Methods of Analysis (seventh edition). California: Wadsworth Publishing Company.
Huang, W.,Yang, C , Zhang, S., (2002). Anodic Stripping Voltammetric Determination of Mercury by use of a Sodium Montmorillonite-Modified Carbon-paste Electrode. Anal Bioanal Chem 374: 998-1001.
Huheey, James E . , Keiter, Ellen A. , Keiter, Richard R. (1993). Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity .California: Harper Collins Brace College Publishers.
Kunrat, T . S. (1994). Prospek Usaha Pertambangan Bentonit. Laporan Ekonomi Bahan Galian No. 128. Bandung: Puslitbang Teknologi Mineral dan Batubara.
30
M.A. Brett, Christhopher and Anna Maria(1993). Electrochemistry (principles, methods, and aplications). Oxford University Press.
Marchal, V . Barbier F. , Plassard, F . , Faure, R , Vittory, 0. , (1999), Determination of Cadmium in Bentonite clay mineral using Carbon Paste Electrode, Frensenius' Journal of Analytical Chemistry 363, 710-712
Mousty C , (2004), Sensor and Biosensores based on clay-modifies electrodes-new trends. Applied Clay Science, 27 (2004) 159-177
Muhammad, M., Suharman., (1995). Analisis Instrumental. Airlangga University Press.
Mulyani, Sri.(2003). Common Textbook Kimia Fisik II. Jurusan Kimia FPMIPA Universitas Pendidikan Indonesia
Khopkar, S.M. Saptoraharjo (penerjemah).(1990). Konsep Dasar Kimia Analitik. Universitas Indonesia Press.
Pauliukaite, Rase.(2002). Carbon paste electrodes modified with B13O3 as sensors for the determinating of Cd and Pb. Journal of Anal Bioancl Chem.
Petrazella, Frank D. Mengenal Sensor dan Actuator, [online]. Tersedia: http://www.caltron.co.id/modules php?name=News&file=anicie<£isid=l i (lOCktobei 2005)
Skoog, Douglas A., Leary, James J.( 1991). Principles of Instrumental Analysis. Philadelphia. Harcourt Brace College Publisher.
Soebagio.(2003). Common Textbook Kimia Analitik II. Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Malang.
31
CURRICULUM VITAE
Dr . re r . na t . A s e p S u p r i a t n a , MSi .
NIP : 131 911 642 Temnat Tannnal Lahir : Ciamis, 2 Mei 1966 Kantor/Unit Kerja : Jurusan Kimia F P M I P A U P I Alamat kantor/Unit kerja J l . Setiabudi No. 229 Bandung-40150 Tip . /Faximile/E-mail : (022)2000579 Alamat Rumah : JL H. Mukti I I No. 39 Cihanjuang - Cimahi Tip. :081320718595 Bidang Keahlian : K i m i a Anorganik
Riwayat Pendidikan:
0 Tempat Pendidikan Kota /Nega r a T a h u n L u l u s bidang Studi S - l . I K I P Bandung Bandung 1989 Pend. K i m i a S-2, UGiM Yogyakaria Yogyakarta 1996 Kimia Anorganik S-3, Technische Universitat Bergakademie Freiberg
Freiberg, Jerman 2002 K i m i a
Pengalaman Penelitian :
No J U D U L R I S E T T a h u n 1 Aktivasi dan Uji Kinerja Bentonit sebagai Penjernih (Bleaching)
Minvak dan Minuman 2002
2 Sintesis dan Karakterisasi Zeolit X I 3 Sebagai Bahan Pembangun Dcterjen
2003
3. Inovasi Pembelajaran Matakuliah Kimia Anorganik I Berdasarkan Konstruktivisme Melalui Revitalisasi Common Text Book dan Pengembangan Transparansi
2003
4. Peranan Hypertext C D dalam Meningkatkan Pelaksanaan T P B untuk Menangani Konsep-konsep Rumit pada Perrkuliahan dan Praktikum Kimia Dasar I di Jurusan Pendidikan Kimia
2003
Daftar Publikasi:
1. The Production of Alka l i Earth Metall Chlorate via the Double Conversion, I S S M Europa, 2002
2. Zur Herstellung der Erdalkaliearthmetallchlorate und zu den Loesungsgleichgewichten in den reziproken Salzpaaren M C E + 2NaC10 3 = M ( C 1 0 3 ) 2
+ 2 N a C l / H 2 0 , Dissertasi T U Freiberg Jerman, 2002
Sintesis dan Karakterisasi Zeolit 13X Sebagai Pembangun Deterjen, Pustek M I R A , Proceding, 2003
C U R R I C U L U M V I T A E
Drs . AM K u s r i j a d i , M.Si .
: 131 993
: I I I / c -
: Jurusan
: J L Dr.
Telp/Fax.
: K imia
Riwayai Pendidikan:
No. institusi Jenjang Cidang Tahun Lulus 1. I K I P Bdg. S - l Pendidikan K i m i a 1991 2. U G M S-2 Kimia Anorganik 1998
Pengalaman Penelitian lima tahun terakhir:
1. Sintesis H P M S P Sebagai Ekstraktan dan Aplikasinya Pada Ekstraksi ion Logam C u
dan Ag ,Tes i s , 1998.
2. Kajian Biosorpsi dan Bioakumulasi ion Logam C d pada Algae Tetrcelmis C H U I l ,
Penelitian Dasar, 1998.
3. Kajian Kinetika Biosorpsi Logam Cd oleh Te t r ace lmi sCHUII secara Laboratonum
dan Komputasi, Hibah Bersaing, 1999.
Tempat /tanggal Lahir
Tasikmalaya, 29 Juni 1967
NIP.
866
Golongan/Pangkat/Jabatan
Penata - Lektor
Unit Kerja
K imia F P M I P A U P I
Alamat Unit Kerja
Setiabud' 229 Bandung
022-2000579
Bidar.g Keahiian
Anorganik
4. Sintesis H P M S P dan Aplikasinya pada Ekstraksi ion Logam Bivalen, Penelitian
Dosen Muda, 1999.
5. Kajian Phytoremediasi Logam C d dengan Tumbuhan Sawi Putih, Penelitian Dasar,
2003.
6. Inovasi Pembelajaran K i m i a Anorganik I Melalui Revitalisasi Buku Ajar dan
pembuatan Transparansi, Hibah Pembelajaran D U E - L i k e , 2003.
7. Inovasi Pembelajaran K i m i a Anorganik I I Berdasarkan Metoda Pembelajaran
Pemecahan Masalah Berbasis Konsep, Hibah Pembelajaran D U E - L i k e , 2003.
8. Revitalisasi Pembelajaran K i m i a Dasar, Semi Que, 1999.
9. Pengembangan praktikum mikrobiologi berwawasan keterampilan siap guna, SP4
2005
10 Peningkatan performa Bleaching Earth 1 sebagai penjemih Crude Palm Oi l ( C P O ) ,
SP4 ,2005
Publikasi ilmiati l«ma tahun t e rakh i r :
1. Sintesis H P M S P dan Aplikasinya pada Ekstraksi ion Logam Bivalen, Mimbar Penelitian M1PA E d . I I , 2003.
Pelatihan
1. Toxicology and standard methode , L I P I dan B S N , 2003 2 Pelatihan Dosep Audit iir.gkungan, I P B , 2004 3. Pelatihan Piaktikum Mikrobiologi, I T B , 2005