BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Mineral lempung merupakan salah satu kekayaan Indonesia yang berlimpah dan

belum dimanfaatkan secara optimal. Tanah lempung secara geolois adalah mineral alam dari

keluarga silikat yang berbentuk kristal dengan struktur berlapis (Karna, 2002). Bentonit

merupakan salah satu jenis lempung yang banyak terdapat di beberapa wilayah Indonesia

diantaranya terdapat di sebagian besar daerah Nusa Tenggara, Sulawesi, Jawa Barat, Jawa

Tengah, Yogyakarta, Jawa Timur, Sumatera Selatan, Jambi, dan Sumatera Utara (Soedjoko,

1987).

Bentonit mempunyai kemampuan daya koloid yang kuat, bila bercampur dengan air

maka dapat mengembang. Prinsip mengubah permukaan dan pori – pori bentonit adalah

dengan melarutkan logam – logam yang terdapat pada pori – pori menjadi lebih luas (Supeno,

M dan Sembiring, S. B, 2007).

Lempung bentonit sangat menarik untuk diteliti karena lempung ini mempunyai

struktur berlapis dengan kemampuan mengembang (swelling) dan memiliki kation-kation

yang dapat ditukarkan. Meskipun lempung bentonit sangat berguna untuk adsorpsi, namun

kemampuan adsorpsinya terbatas. Kelemahan tersebut dapat diatasi melalui proses aktivasi

menggunakan asam (HCl, H2SO4 dan HNO3) sehingga dihasilkan lempung dengan

kemampuan adsorpsi yang lebih tinggi. Asam sulfat merupakan asam yang memiliki bilangan

ekivalen H+ lebih tinggi dibanding dengan asam klorida ataupun asam nitrat. Aktivasi

lempung menggunakan asam akan menghasilkan lempung dengan situs aktif lebih besar dan

keasamaan permukan yang lebih besar, sehingga akan dihasilkan lempung dengan

kemampuan adsorpsi yang lebih tinggi dibandingkan sebelum diaktivasi. (Suarya, P, 2008).

Ada beberapa faktor yang menentukan keberhasilan aktivasi lempung menggunakan

H2SO4, salah satunya adalah konsentrasi asamnya. Konsentrasi yang terlalu rendah

menyebabkan tidak sempurnanya pembentukan situs aktif, sebaliknya rasio yang terlalu besar

akan menyebabkan rusaknya struktur lempung (Johnson and Maxwell, 1981).

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tanah Lempung

Tanah lempung dan mineral lempung adalah tanah yang memiliki partikel partikel

mineral tertentu yang “menghasilkan sifat-sifat plastis pada tanah bila dicampur dengna air”

(Grim, 1953). Partikel-partikel tanah berukuran yang lebih kecil dari 2 mikron (=2μ), atau <5

mikron menurut sistem klasifikasi yang lain, disebut saja sebagai partikel berukuran lempung

daripada disebut lempung saja. Partikel-partikel dari mineral lempung umumnya berukuran

koloid (<1μ) dan ukuran 2μ merupakan batas atas (paling besar) dari ukuran partikel mineral

lempung. Untuk menentukan jenis lempung tidak cukup hanya dilihat dari ukuran butirannya

saja tetapi perlu diketahui mineral yang terkandung didalamnya.

Sifat-sifat yang dimiliki tanah lempung (Hardiyatmo, 1999) adalah sebagai berikut:

1. Ukuran butir halus, kurang dari 0,002 mm

2. Permeabilitas rendah

3. Kenaikan air kapiler tinggi

4. Bersifat sangat kohesif

5. Kadar kembang susut yang tinggi

6. Proses konsolidasi lambat.

Kebanyakan jenis tanah terdiri dari banyak campuran atau lebih dari satu macam

ukuran partikel. Tanah lempung belum tentu terdiri dari partikel lempung saja, akan tetapi

dapat bercampur butir-butiran ukuran lanau maupun pasir dan mungkin juga terdapat

campuran bahan organik.

2.2 Karakteristik Fisik Tanah Lempung Lunak

Menurut Bowles (1989), mineral-mineral pada tanah lempung umumnya memiliki sifat-sifat:

1. Hidrasi.

Partikel mineral lempung biasanya bermuatan negatif sehingga partikel lempung

hampir selalu mengalami hidrasi, yaitu dikelilingi oleh lapisanlapisan molekul air yang

disebut sebagai air teradsorbsi. Lapisan ini pada umumnya mempunyai tebal dua molekul

karena itu disebut sebagai lapisan difusi ganda atau lapisan ganda. Lapisan difusi ganda

adalah lapisan yang dapat menarik molekul air atau kation disekitarnya. Lapisan ini akan

hilang pada temperatur yang lebih tinggi dari 600 sampai 1000C dan akan mengurangi

plasitisitas alamiah, tetapi sebagian air juga dapat menghilang cukup dengan pengeringan

udara saja.

2. Aktivitas.

Hasil pengujian index properties dapat digunakan untuk mengidentifikasi tanah

ekspansif. Hardiyatmo (2006) merujuk pada Skempton (1953) mendefinisikan aktivitas tanah

lempung sebagai perbandingan antara Indeks Plastisitas (IP) dengan prosentase butiran yang

lebih kecil dari 0,002 mm yang dinotasikan dengan huruf C, disederhanakan dalam

persamaan:

Untuk nilai A>1,25 digolongkan aktif dan sifatnya ekspansif. Nilai A 1,25<A<A<0,75

digolongkan normal sedangkan nilai A<0,75 digolongkan tidak aktif. Aktivitas juga

berhubungan dengan kadar air potensial relatif. Nilainilai khas dari aktivitas dapat dilihat

pada Tabel 2.1.

3. Flokulasi dan Dispersi.

Apabila mineral lempung terkontaminasi dengan substansi yang tidak mempunyai

bentuk tertentu atau tidak berkristal maka daya negatif netto, ion- ion H+ dari air gaya Van

der Waals dan partikel berukuran kecil akan bersama-sama tertarik dan bersinggungan atau

bertabrakan di dalam larutan tanah dan air. Beberapa partikel yang tertarik akan membentuk

flok (flock) yang berorientasi secara acak atau struktur yang berukuran lebih besar akan turun

dari larutan itu dengan cepatnya membentuk sedimen yang lepas. Flokulasi adalah peristiwa

penggumpalan partikel lempung di dalam larutan air akibat mineral lempung umumnya

mempunyai pH>7. Flokulasi larutan dapat dinetralisir dengan menambahkan bahan-bahan

yang mengandung asam (ion H+), sedangkan penambahan bahan-bahan alkali akan

mempercepat flokulasi. Untuk menghindari flokulasi larutan air dapat ditambahkan zat asam.

4. Pengaruh Zat cair

Fase air yang berada di dalam struktur tanah lempung adalah air yang tidak murni secara

kimiawi. Pada pengujian di laboratorium untuk batas Atterberg, ASTM menentukan bahwa

air suling ditambahkan sesuai dengan keperluan. Pemakaian air suling yang relatif bebas ion

dapat membuat hasil yang cukup berbeda dari apa yang didapatkan dari tanah di lapangan

dengan air yang telah terkontaminasi.

Air yang berfungsi sebagai penentu sifat plastisitas dari lempung. Satu molekul air memiliki

muatan positif dan muatan negative pada ujung yang berbeda (dipolar). Fenomena hanya

terjadi pada air yang molekulnya dipolar dan tidak terjadi pada cairan yang tidak dipolar

seperti karbon tetrakolrida (Ccl4) yang jika dicampur lempung tidak akan terjadi apapun.

5. Sifat kembang susut (swelling potensial)

Plastisitas yang tinggi terjadi akibat adanya perubahan syistem tanah dengan air yang

mengakibatkan terganggunya keseimbangan gaya-gaya didalam struktur tanah. Gaya tarik

yang bekerja pada partikel yang berdekatan yang terdiri dari gaya elektrostatis yang

bergantung pada komposisi mineral, serta gaya van der Walls yang bergantung pada jarak

antar permukaan partikel. Partikel lempung pada umumnya berbentuk pelat pipih dengan

permukaan bermuatan likstik negatif dan ujung-ujungnya bermuatan posistif. Muatan negatif

ini diseimbangkan oleh kation air tanah yang terikat pada permukaan pelat oleh suatu gaya

listrik. Sistem gaya internal kimia-listrik ini harus dalam keadaan seimbang antara gaya luar

dan hisapan matrik. Apabila susunan kimia air tanah berubah sebagai akibat adanya

perubahan komposisi maupun keluar masuknya air tanah, keseimbangan gaya–gaya dan jarak

antar partikel akan membentuk keseimbangna baru. Perubahan jarak antar partikel ini disebut

sebagai proses kembang susut.

2.3 Struktur Komposisi Mineral Lempung

Mineral lempung merupakan pelapukan akibat reaksi kimia yang menghasilkan

susunan kelompok partikel berukuran koloid dengan diameter butiran lebih kecil dari 0,002

mm. Menurut Holtz & Kovacs (1981) satuan struktur dasar dari mineral lempung terdiri dari

Silica Tetrahedron dan Alumina Oktahedron. Satuan-satuan dasar tersebut bersatu

membentuk struktur lembaran . Jenis-jenis mineral lempung tergantung dari kombinasi

susunan satuan struktur dasar atau tumpukan lembaran serta macam ikatan antara masing-

masing lembaran.

Susunan pada kebanyakan tanah lempung terdiri dari silika tetrahedra dan alumunium

okthedra (Gambar 2-7). Silika Tetrahedron pada dasarnya merupakan kombinasi dari satuan

Silika Tetrahedron yang terdiri dari satu atom silicon yang dikelilingi pada sudutnya oleh

empat buah atom Oksigen. Sedangkan Aluminium Oktahedron merupakan kombinasi dari

satuan yang terdiri dari satu atom Alumina yang dikelilingi oleh atom Hidroksil pada keenam

sisinya.

Silika dan aluminium secara parsial dapat digantikan oleh elemen yang lain dalam

kesatuannya, keadaan ini dikenal sebagai substansi isomorf. Kombinasi dari susunan

kesatuan dalam bentuk susunan lempeng terbentuk oleh kombinasi tumpukan dari susunan

lempeng dasarnya dengan bentuk yang berbeda-beda.

Kaolinite merupakan mineral dari kelompok kaolin, terdiri dari susunan satu lembaran

silika tetrahedra dengan lembaran aluminium oktahedra, dengan satuan susunan setebal 7,2 Å

(Gambar 2-7a). Kedua lembaran terikat bersama-sama, sedemikian rupa sehingga ujung dari

lembaran silika dan satu dari lepisan lembaran oktahedra membentuk sebuah lapisan tunggal.

Dalam kombinasi lembaran silika dan aluminium, keduanya terikat oleh ikatan hidrogen

(Gambar 2-7b). Pada keadaan tertentu, partikel kaolinite mungkin lebih dari seratus

tumpukan yang sukar dipisahkan. Karena itu, mineral ini stabil dan air tidak dapat masuk di

antara lempengannya untuk menghasilkan pengembangan atau penyusutan pada sel

satuannya.

(b) Struktur atom kaolinite (Grim, 1959)

Halloysite, hampir sama dengan kaolinite, tetapi kesatuan yang berturutan lebih acak

ikatannya dan dapat dipisahkan oleh lapisan tunggal molekul air. Jika lapisan tunggal air

menghilang oleh karena proses penguapan, mineral ini akan berkelakuan lain. Maka, sifat

tanah berbutir halus yang mengandung halloysite akan berubah secara tajam jika tanah

dipanasi sampai menghilangkan lapisan tunggal molekul airnya. Sifat khusus lainnya adalah

bahwa bentuk partikelnya menyerupai silinder-silinder memanjang, tidak seperti kaolinite

yang berbentuk pelat-pelat.

Montmorillonite, disebut juga dengan smectit, adalah mineral yang dibentuk oleh dua

buah lembaran silika dan satu lembaran aluminium (gibbsite) (Gambar2.8a). lembaran

oktahedra terletak di antara dua lembaran silika dengan ujung tetrahedra tercampur dengan

hidroksil dari lembaran oktahedra untuk membentuk satu lapisan tunggal (Gambar 2.8b).

Dalam lembaran oktahedra terdapat substitusi parsial aluminium oleh magnesium. Karena

adanya gaya ikatan van der Waals yang lemah di antara ujung lembaran silica dan terdapat

kekurangan muatan negatif dalam lembaran oktahedra, air dan ion-ion yang berpindah-

pindah dapat masuk dan memisahkan lapisannya. Jadi, kristal montmorillonite sangat kecil,

tapi pada waktu tertentu mempunyai gaya tarik yang kuat terhadap air. Tanah-tanah yang

mengandung montmorillonite sangat mudah mengembang oleh tambahan kadar air, yang

selanjutnya tekanan pengembangannya dapat merusak struktur ringan dan perkerasan jalan

raya.

Illite adalah bentuk mineral lempung yang terdiri dari mineral-mineral kelompok

illite. Bentuk susunan dasarnya terdiri dari sebuah lembaran aluminium oktahedra yang

terikat di antara dua lembaran silika tetrahedra. Dalam lembaran oktahedra, terdapat

substitusi parsial aluminium oleh magnesium dan besi, dan dalam lembaran tetrahedra

terdapat pula substitusi silikon oleh aluminium (Gambar 2-9). Lembaran-lembaran terikat

besamasama oleh ikatan lemah ion-ion kalium yang terdapat di antara lembaranlembarannya.

Ikatan-ikatan dengan ion kalium (K+) lebih lemah daripada ikatan hidrogen yang mengikat

satuan kristal kaolinite, tapi sangat lebih kuat daripada ikatan ionik yang membentuk kristal

montmorillonite. Susunan Illite tidak mengembang oleh gerakan air di antara lembaran-

lembarannya.

Air biasanya tidak banyak mempengaruhi kelakuan tanah nonkohesif. Sebagai contoh,

kuat geser tanah pasir mendekati sama pada kondisi kering maupun jenuh air. Tetapi, jika air

berada pada lapisan pasir yang tidak padat, beban dinamis seperti gempa bumi dan getaran

lainnya sangat mempengaruhi kuat gesernya. Sebaliknya, tanah butiran halus khususnya

tanah lempung akan banyak dipengaruhi oleh air. Karena pada tanah berbutir halus, luas

permukaan spesifik menjadi lebih besar, variasi kadar air akan mempengaruhi plastisitas

tanahnya. Distribusi ukuran butiran jarang-jarang sebagai faktor yang mempengaruhi

kelakuan tanah butiran halus. Batas-batas Atterberg digunakan untuk keperluan identifikasi

tanah ini.

2.4 Logam yang dapat di absorbsi oleh lempung

Secara alami, lempung telah berperan dalam mengikat polutan-polutan yang dibawa

oleh air di permukaan atau di dalam tanah. Peran tersebut terjadi melalui peristiwa adsorpsi

dan/atau pertukaran ion (Bhattacharyya & Gupta, 2007) . Ini ditunjang oleh struktur berlapis

yang dapat bersifat netral atau bermuatan listrik, disamping adanya ruang-ruang di antara

lapisan yang ditempati oleh molekul air dan ion di dalam lempung. Oleh karena itu pula

lempung selalu digunakan untuk melepaskan ion-ion logam atau senyawa organik yang tidak

berguna dari dalam air. Beberapa diantaranya adalah adsorpsi kation Pb(II), Cd(II) dan Ni(II)

oleh lempung kaolinit dan montmorilonit (Gupta & Bhattacharyya, 2008), Cu(II) oleh

bentonit alam dan aktif (Eren & Afsin, 2008), menghilangkan zat warna oleh lempung

sepiolit (Eren & Afsin, 2007) dan nano-lempung (Liu & Zhang, 2007) serta menghilangkan

kontaminan biologi, organik dan anorganik dalam air minum oleh lempung alam dan

kompositnya (Srinivasan, 2011). Lempung alam Cengar dijumpai di tepi anak sungai

Kuantan di Desa Cengar Kuansing Propinsi Riau. Di anak sungai ini mengalir air yang jernih,

tidak sebagaimana biasanya air di batang sungai Kuantan, sebagai sungai induk yang keruh.

Penelitian ini mencoba mengamati kebolehan lempung alam Cengar sebagai adsorben logam

berat (khususnya kation dari logam Co) dari dalam air dengan memfokuskan kajian pada

aspek mekanisme, keseimbangan dan termodinamika proses adsorpsi.

2. Adsorpsi

Adsorpsi adalah peristiwa penyerapan suatu zat pada permukaan zat lain. Zat yang

diserap disebut adsorbat (fase terserap), sedangkan zat yang menyerap disebut adsorber.

Adsorpsi juga didefinisikan sebagai gejala yang ditimbulkan pada permukaan. Dengan

demikian, banyak sedikitnya zat yang dapat diadsorpsi tergantung pada luas permukaan zat

pengadsorpsi, dimana semakin besar luas permukaan, maka semakin banyak zat yang diserap.

Berdasarkan pada interaksi yang terjadi antara adsorber dengan adsorbat, adsorpsi

dibedakan menjadi tiga macam yaitu: adsorpsi fisika, adsorpsi kimia dan adsorpsi pertukaran.

(a) Adsorpsi Fisika; Adsorpsi fisika disebabkan oleh gaya Van der Walls yang ada pada

permukaan adsorben. Panas adsorpsi biasanya rendah dan lapisan yang terjadi pada

permukaan adsorben biasanya lebih dari satu molekul, (b) Adsorpsi Kimia; Adsorpsi kimia

disebabkan oleh adanya reaksi antara zat yang diserap dengan adsorber. Lapisan molekul

pada adsorber hanya satu lapis dan panas adsorpsi yang menyertai adsorpsi kimia relatif

tinggi. Adsorpsi ini biasanya terjadi secara irreversible, dan (c) Adsorpsi pertukaran;

Adsorpsi pertukaran adalah adsorpsi yang terjadi karena gaya tarik listrik antara adsorbat dan

permukaan adsorber. Adsorpsi pertukaran anion dan pertukaran kation termasuk dalam

kelompok ini. Adsorpsi bersifat selektif, karena yang diadsorpsi hanya zat terlarut atau

pelarut. Jumlah zat yang diadsorpsi oleh adsorber bergantung pada konsentrasi zat terlarut.

Namun demikian, bila adsorber sudah jenuh, konsentrasi tidak lagi berpengaruh.

Kebergantungan jumlah zat yang diadsorpsi pada konsentrasi kesetimbangan disebut isoterm

adsorpsi. Persamaan Freundlich dan Langmuir sering digunakan untuk menentukan isoterm

adsorpsi. Freundlich mengajukan suatu isoterm yang dapat dikembangkan secara empiris.

Isoterm adsorpsi dalam banyak larutan encer dirumuskan oleh Freundlich

2. Aktivasi Lempung

Menurut Andhika, O. (2005), lempung yang diaktivasi dengan asam kuat HCl pada

rentang 1 sampai 12 M pada temperatur kalsinasi 500 sampai 600 0C, proses aktivasi mampu

meningkatkan luas permukaan spesifik dan volume pori lempung. Peningkatan konsentrasi

HCl menambah kapasitas adsorpsi, sedangkan peningkatan temperatur kalsinasi menurunkan

kapasitas adsorpsi. Hal yang sama juga dikemukakan oleh Ramlawati (2006), Zeolit yang

diaktivasi pada suhu 350 0C selama 4 jam memiliki daya adsorpsi maksimum terhadap ion

Cu2+, sedangkan pada suhu aktivasi diatas 350 0C menurunkan daya adsorpsi terhadap ion

Cu2+. Aktivasi lempung bentonit dilakukan untuk menaikkan kapasitas adsorbsi dan

mendapatkan sifat bentonit yang diinginkan. Aktivasi bentonit dipengaruhi oleh konsentrasi

asam, biasanya dipakai asam sulfat. Selain itu, perlu diperhatikan sifat dasar, distribusi

ukuran pori, keasaman dan nilai SiO2, atau Al2O3 dalam bentonit (Anonim, 2005).

2. METODE PENELITIAN

Penelitian ini menggunakan sampel lempung alam dari.........................berukuran 100 s/d 200

mesh. Adapun prosedur penelitiannya adalah sebagai berikut:

A. Prosedur Kerja

1. Preparasi Lempung

Tanah lempung yang diperoleh dari Kabupaten ............ memiliki komposisi kimia yang

terdiri dari SiO2 72,125%, CaO 0,17%, MgO 0,32%, Al2O3 13,15%, Fe2O3 8,45%, H2O

1,55%, LOI 3,55% (Dinas Pertambangan dan Energi SUL-SEL, 2002). Bongkahan lempung

alam digerus, kemudian diayak dengan ukuran -100 s/d +200 mesh. Lempung yang

berukuran -100 s/d +200 mesh dipanaskan dalam tanur (aktivasi fisika) pada suhu 350 oC

selama 3 jam.

2. Penentuan kapasitas adsorpsi lempung

a. Penentuan Waktu Kontak Optimum

Sebanyak 1 gram lempung aktif dimasukkan ke dalam gelas Erlenmeyer 250 mL yang berisi

50 mL larutan fosfat dengan konsentrasi 20 ppm. Suspensi dikocok dengan rotary shaker 140

rpm dengan variasi waktu kontak 1; 3; 7; 8; 9; 10; dan 11 jam pada suhu kamar. Suspensi

disaring dengan kertas saring Whatman No.42, dicuci dan dicukupkan volumenya dalam labu

ukur 100 mL sampai tanda tera. Filtrat diukur absorbansinya dengan menggunakan

Spektrofotometer UV-Vis pada λ 890 nm.

b. Penentuan Kapasitas Adsorpsi

50 ml larutan fosfat dengan konsentrasi 10, 20, 30, 40 dan 50 ppm. Masing-masing

ditambahkan lempung aktif sebanyak 1 gram. Suspensi dikocok dengan rotary shaker 140

rpm selama waktu optimum pada suhu kamar. Suspensi disaring dengan kertas saring

whatman No. 42, dicuci dan dicukupkan volumenya dalam labu ukur 100 mL sampai tanda

tera. Filtrat diukur absorbansinya dengan Spektrofotometer UV-Vis λ 890 nm.

c. Analisis Ion Fosfat dengan Spektrofotometer UV-Vis

Sebanyak 50 mL filtrat masing-masing suspensi dimasukkan ke dalam Erlenmeyer 250 mL. 1

tetes indikator fenolftalin ditambahkan ke dalam larutan. Jika terbentuk warna merah muda,

ditambahkan tetes demi tetes H2SO4 5 N sampai warna hilang. Sebanyak 8 mL larutan

campuran ditambahkan ke dalam larutan dan dihomogenkan, kemudian didiamkan selama 30

menit. Larutan diukur absorbansinya dengan spektrofotometer UV-Vis pada λ 890 nm

kemudian dibuat grafik antara konsentrasi dan absorbansi lalu grafik diplotkan pad kurva

larutan standar.