UJIAN TESIS

STUDI ADSORPSI-DESORPSI ION URANIUM DENGAN IMMOBILISASI EXTRACELLULARY POLYMERIC SUBSTANCES (EPS) MENGGUNAKAN

RESPONSE SURFACE METHODOLOGY (RSM)

Junaidi: 3309 201 004

Program Magister Teknik LingkunganFakultas Teknik Sipil dan PerencanaanInstitut Teknologi Sepuluh Nopember

2011

LATAR BELAKANGIPAL lumpur aktif menghasilkan

lumpur biologi.Lumpur mengandung EPS

(Extracellulary Polymeric Substances).EPS mampu mengadsorpsi logam,

warna dan senyawa organik Lainnya.EPS dimanfaatkan sebagai

biosorben ion Uranium

LATAR BELAKANG

Potensi lumpur IPAL cukup besar,sebagai gambaran lumpur aktifyang mengolah air limbah dengandebit 1500 m3/hari danmenyisihkan BOD 1000 mg/literdapat menghasilkan lumpurlebih dari 500 kg/hari

PERUMUSAN MASALAH

Menganalisis kapasitas biosorpsiEPS-Ca. alginat menggunakanmodel adsorpsi isothermFreundlich, Langmuir dan BET.Menganalisis kondisi optimum

adsorpsi-desorpsi ion U pada EPS-Ca. alginat.

TUJUAN PENELITIANUntuk mengetahui kapasitas

biosorpsi EPS dan EPS-Ca. alginatberdasarkan model isotherm yangsesuai dengan data penelitian.Untuk mengetahui kondisi optimum

proses adsorpsi-desorpsi ion U padaEPS-Ca. alginat.

MANFAAT PENELITIANSebagai tambahan informasi

dalam hal pemanfaatan buanganlumpur sebagai sumber adsorben

LANDASAN TEORIPrimary Effluent(Qo,So,X,)

Sludge Waste(Qw,Xu)

Sludge return(Qr,Xu)

Sludge underflow(Qu,Xu)

Reactor(V,X,S)

Secondary clarifier

Effluent(Q-Qw,Xe,S)Qo+Qr,X,S

Gambar Diagram Alir Proses Lumpur Aktif

EPSEPS dihasilkan dari seksresi bakteri,

pembelahan sel dan senyawaorganik dalam air limbah (Yu, 2008).EPS tersusun dari campuran

polisakarida dan protein dengankomposisi Polisakarida (40-95 %total EPS), protein (1-60%), asamnukleat (1-10%), lipid (1-10%) dansisanya polimer yang terdiri atasasam amino dan senyawa lain (Yu,2008)

Peranan EPS

EPS merupakan senyawa yang penting dalam proses adsorpsi.Bioflokulasi Biomassa

mengendapMelindungi sel dari pengaruh

lingkungan yang berbahaya, misalnya adanya logam berat dan zattoksik lainnya.Cadangan makanan.

Gambaran EPS

METODOLOGI PENELITIANPenelitian ini dibagi atas 3 tahapan,

yaitu tahapan ekstraksi EPS,immobilisasi EPS dalam Ca.Alginatdan tahapan biosorpsi U dandesorpsinya.Rancangan penelitian menggunakan

disain eksperimen Box-Behnkencentral composite design (CCD) danResponse Susface Methodology (RSM)

Variabel Penelitian1. Variabel bebas Biosorpsi kolom kontinyu:a. Konsentrasi U (mg/L): Level konsentrasi U adalah 50, 100

dan 150 mg/L.b. Beban U (mg/jam): Level beban adalah 9, 18 dan 27

mg/jam.c. pH: Level pH adalah 4, 6, dan 8.

2. Variabel bebas untuk regenerasi EPS-Ca. alginat secara batch adalah:

a. pH: Level pH adalah 3, 5 dan 7b. konsentrasi Na2CO3: Level konsentrasi Na2CO3 adalah 0,

0,05 dan 0,10 M c. Konsentrasi EDTA adalah 0 %, 2 % dan 4 %

Variabel Penelitian

Variabel terikat:1.Variabel terikat biosorpsi U kolom

kontinyu adalah:a. Waktu paruh (menit): t0,5 = Ce/Co = 0,5

2. Variabel terikat untuk regenerasiEPS-Ca. alginat adalah:

a. Desorpsi U (mg/g)

Pelaksanaan Penelitian

Tempat: Laboratorium PTLR (Pusat TeknologiLimbah Radioaktif) BATAN (Badan Tenaga NuklirNasional) Puspiptek Serpong, Tangerang.

Analisis: Di laboratorium BATAN dan LIPI Limbah: Digunakan limbah U artifisial dengan

aktifitas rendah.

Ekstraksi EPSEkstraksi EPS dari lumpur aktif dilakukan dengan metodefisika, yaitu pemanasan dan sentrifugasi. Pelaksanaanekstraksi sebagai berikut (Comte dkk, 2006b, Comte dkk, 2006c dan Comte dkk, 2007):

Lumpur dianalisis TSS dan VSS Lumpur sentrifuge pada kecepatan 4300 rpm selama 10 menit Residu/cake dibilas dengan air bides 2 kali Ceke diresuspensi dengan perbandingan lumpur : air = 5:1 Selanjutnya lumpur dipanaskan pada suhu 80 oC selama 10

menit Setelah dingin disentrifuge pada 10.000 rpm selama 20 menit Supernatan yang mengandung EPS dipisahkan Kemudian EPS dianalisis karakteristiknya (berat kering pada

suhu 105 oC dan berat kering volatil pada 550 oC), Analisiskomposisi (protein, polisakarida dan lemak) dan analisis gugusfungsi (karbonil, karboksil, amin, posfat dan lain-lain) menggunakan spektrometer FTIR

Immobilisasi EPS-Ca. alginatImmobilisasi EPS dilakukan dengan entrapment EPS dalam kalsium alginat dengan cara berikut (Kacar dkk, 2002 dan Ozdemir dkk, 2005):

Calsium alginate: Larutan natrium alginate 2 % (w/v = 2 gr/100 ml) diteteskan ke dalam larutan CaCl2 5 % (w/v) pada suhu 4-7 oC sambil diaduk pada 500 rpm terusmenerus selama 2 jam, butiran kalsium alginat yang terbentuk difiltrasi dan dicuci dengan aquades 3 kali dan simpan di larutan CaCl2 2 % (w/v) pada 4 oC

EPS-Kalsium alginate (EPS-Ca. alginat): Sama dengan diatas tetapi natrium alginate diganti dengan campuran1,5 % natrium alginate + 0,5 % EPS

Media dengan diameter 1-5 mm dianalisis beratkeringnya pada suhu 50 oC sebelum digunakan dananalisis SEM.

Adsorpsi dan Desorpsi

Disain penelitian Box-Behnkendengan 3 variabel bebas makadiperlukan percobaan sebanyak:

N = k2 + k + cp = 15 set percobaanN : jumlah percobaanK : jumlah variabel bebasCp : 3 ulangan central point

Variabel bebas dan levelnya(Adsorpsi)

Variabel Bebas Kode level

-1 0 +1

Konsentrasi U (mg/L) 50 100 150

Beban U (mg/jam) 9 18 27

pH 4 6 8

Percobaan AdsorpsiRunning

Variabel Bebas (Kode) Bariabel BebasKonsentrasi U

(mg/L)Beban U(mg/jam)

pH Konsentrasi U (mg/L)

Beban U(mg/jam)

pH

1 -1 -1 0 50 9 62 -1 1 0 50 18 63 1 -1 0 150 9 64 1 1 0 150 18 65 0 -1 -1 100 9 46 0 -1 1 100 9 87 0 1 -1 100 18 48 0 1 1 100 18 89 -1 0 -1 50 27 4

10 1 0 -1 150 27 411 -1 0 1 50 27 812 1 0 1 150 27 813 0 0 0 100 18 614 0 0 0 100 18 615 0 0 0 100 18 6

Variabel Bebas dan Levelnya(Desorpsi)

Variabel Bebas

Kode level

-1 0 +1

pH 3 5 7

Konsentrasi Na2CO3 (M) 0 0.05 0,1

Konsentrasi EDTA (%) 0 2 4

Percobaan DesorpsiRunning

Variabel Bebas (kode) Variabel BebaspH Konsentrasi

Na2CO3 (M)Konsentrasi EDTA (%)

pH Konsentrasi Na2CO3 (M)

Konsentrasi EDTA (%)

1 -1 -1 0 3 0 22 -1 1 0 3 0,1 23 1 -1 0 7 0 24 1 1 0 7 0,1 25 0 -1 -1 5 0 06 0 -1 1 5 0 47 0 1 -1 5 0,1 08 0 1 1 5 0,1 49 -1 0 -1 3 0,05 0

10 1 0 -1 7 0,05 011 -1 0 1 3 0,05 412 1 0 1 7 0,05 413 0 0 0 5 0,05 214 0 0 0 5 0,05 215 0 0 0 5 0,05 2

HASIL DAN PEMBAHASAN

Karakteristik

Parameter Penelitian ini

Comte, dkk

(2006a)

Comte, dkk

(2006b)

Comte, dkk

(2008)

Guibaud, dkk

(2006)

Lumpur TSS (g/L) 341,9 - 4,6-5,6 - -VSS (g/L) 297,7 - 3,1-4,0 - -

EPSDW (g/L) 5,2 - - 0,56 -VDW (g/L) 4,1 - - 0,49 -VDW/DW (%) 78,8 69-70 89-91 87,5 56-88Yield (% = g DW/g TSS) 1,52 - 3,6-4,1 - -

Yield (% = g VDW/g VSS) 1.38 0,9-3,6 - - -

KomposisiEPS

Polisakarida (mg/g DW) 321,2 - 166-183 - 70-199

Polisakarida (mg/g VDW) 407,3 149-162 - 143-158 -

Protein (mg/g DW) 282,7 - 296-378 - 95-343

Protein (mg/g VDW) 358,5 365-381 - 350-391 -

Protein/Polisakarida 0,9 2,4 1,6-2,3 2,4-2,5 1,4-1,7

Karakteristik dan Komposisi EPS

Spektrum FTIR EPS

Spektrum FTIR U-EPS

No Wave number (cm-1) Tipe vibrasi Tipe Gugus Fungsi

A. EPS

1 < 1000 Pita cahaya tampak Posfat dan sulfur

2 1145,51 Vibrasi ikatan C-O-C Polisakarida

3 1421,28 Vibrasi C=O Karboksilat

4 1540,55-1579,41 Vibrasi C-N dan N-H (Amida II) Protein

5 1641,13 Vibrasi C=O dan C-N (Amida I) Protein

6 1720-1730 Vibrasi C=O (Shoulder) Asam karboksilat

7 3380,6-3394,1 Vibrasi OH OH pada senyawa polimer

B. EPS-U

1 943,06 O=U=O U-posfat

2 1384,64 dan 1519,63 Vibrasi C-U, U=O U-organik

3 1635,34 Vibrasi H-O-H OH ikatan Hidrogen

Identifikasi Gugus Fungsi EPS dan U-EPS

Butiran Ca. Alginat 3-5 mm

SEM Ca. Alginat dan EPS-Ca. Alginat100x

SEM Ca. Alginat dan EPS-Ca. Alginat1000x

Biosorben BET Konstanta Freundlich Konstanta Langmuir

kB qm R2 KF n R2 Q

(mg/g)

b

(L/mg)

R2

EPS -2,58 10,23 0,712 31,35 4,32 0,802 93,46 0,1099 0,988

Ca. alginat -26,9 0,81 0,963 0,48 2,96 0,888 65,28 0,0023 0,946

EPS-Ca.

alginat

38,5 3,37 0,997 0,46 1,59 0.989 118,69 0,0028 0.997

Perbandingan Nilai Konstanta Isotherm

Persamaan Kuadrat Adsorpsi

Y = -188,750 + 1,916 X1 - 1,204 X2 + 58,312 X3 + 0,311 X2

2 - 0,135 X32 - 0,061 X1X2 - 0,027 X1X3 - 1,917 X2X3

Dimana:Y : Waktu paruh (t0,5) (Menit)X1 : Konsentrasi ion U (mg/L)X2 : Beban ion U (mg/jam)X3 : pH

Contour Plot Y - VS - X1, X2, X3

Konsentrasi U (mg/L)

pH

140

115

90

65

40

140

115

90

65

401501251007550

8

7

6

5

4

Hold ValuesBeban U 18

T1/2

140165

406590

115

Contour Plot of T1/2 vs pH, Konsentrasi U

Beban U (mg/jam)

pH

170

130

90

50

170

130

90

50262422201816141210

8

7

6

5

4

Hold ValuesKonsentrasi U 100

T1/2

210250

5090

130170

Contour Plot of T1/2 vs pH, Beban U

Konsentrasi U (mg/L)

Beb

an U

(m

g/ja

m)

210

170

130

9050

210

170

130

9050

1501251007550

26

24

22

20

18

16

14

12

10

Hold ValuespH 6

T1/2

210250

5090

130170

Contour Plot of T0,5 vs Beban U, Konsentrasi U

Surface plot Y - VS - X1, X2, X3

25

T1/2 (menit)

2060

120

180

240

15Beban U (mg/jam)5010100

150

Konsentrasi U (mg/L)

Hold ValuespH 6

Surface Plot of T1/2 vs Beban U, Konsentrasi U

8

T1/2 (menit)

0

50

6

100

pH

150

50100 4

150

Konsentrasi U (mg/L)

Hold ValuesBeban U 18

Surface Plot of T1/2 vs pH, Konsentrasi U

8

T1/2 (menit)

606

120

180

pH

240

816 424

Beban U (mg/jam)

Hold ValuesKonsentrasi U 100

Surface Plot of T1/2 vs pH, Beban U

Y = -35,26 + 23,65 X1 + 98,67 X2 + 14,66 X3 - 2,10 X12 -

2167,17 X22 - 2,98 X3

2 + 17,05 X1X2 + 0,18 X1X3 - 3,55 X2X3

Dimana:Y : Jumlah ion U terdesorpsi (mg/g)X1 : pHX2 : Konsentrasi Na2CO3 (M)X3 : Konsentrasi EDTA (%)

Persamaan Kuadrat Desorpsi

pH

Kon

s. N

aCO

3 (M

)

53

48

43

38 53

48

43

38

76543

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00

Hold ValuesKons. EDTA (%) 2

Desorpsi

4853

28333843

Contour Plot of Desorpsi vs Kons. NaCO3 (M), pH

pH

Kon

s. E

DTA

(%

) 54

48

42

3630

54

48

42

363076543

4

3

2

1

0

Hold ValuesKons. NaCO3 (M) 0.05

Desorpsi

4854

24303642

Contour Plot of Desorpsi vs Kons. EDTA (%), pH

Kons. NaCO3 (M)

Kons

. EDT

A (%

) 53

48 43

38

53

48 43

380.100.080.060.040.020.00

4

3

2

1

0

Hold ValuespH 5

Desorpsi

4853

28333843

Contour Plot of Desorpsi vs Kons. EDTA (%), Kons. NaCO3 (M)

Contour Plot Y - VS - X1, X2, X3

0.10

Desorpsi

30

0.05

40

50

3.0 Kons. NaCO3 (M)4.5 0.006.0 7.5pH

Hold ValuesKons. EDTA (%) 2

Surface Plot of Desorpsi vs Kons. NaCO3 (M), pH

4.53.0

Desorpsi

20

30

40

50

1.5 Kons. EDTA (%)3.0 4.5 0.06.0 7.5pH

Hold ValuesKons. NaCO3 (M) 0.05

Surface Plot of Desorpsi vs Kons. EDTA (%), pH

4.53.0

Desorpsi

30

40

50

1.5 Kons. EDTA (%)0.000.05 0.0

0.10

Kons. NaCO3 (M)

Hold ValuespH 5

Surface Plot of Desorpsi vs Kons. EDTA (%), Kons. NaCO3 (M)

Surface plot Y - VS - X1, X2, X3

KESIMPULAN Percobaan adsorpsi U secara batch menunjukkan bahwa

hasil percobaan lebih sesuai dengan persamaan isothermLangmuir dibandingkan BET dan Freundlich dengan nilaiR2 lebih dari 0,9. Kapasitas adsorpsinya untuk EPS 93,46mg/g, Ca. alginat 65,28 mg/g dan EPS-Ca. alginat 118,69mg/g.

Dari hasil percobaan adsorpsi U secara kontinyu menggunakanEPS-Ca. alginat diperoleh kondisi optimum untuk biosorpsi Upada pH lebih dari 6,5, konsentrasi U lebih dari 100 mg/L danbeban U kurang dari 12 mg/jam. Sementara pada percobaandesorpsi U diperoleh bahwa kondisi optimum untuk prosesdesorpsi adalah pada rentang pH antara 5-7, konsentrasiNa2CO3 antara 0,02-0,06 M dan konsentrasi EDTA antara 2-3%.

SARAN1. Pada penelitian ini matriks padat Ca. alginat

yang terbentuk untuk mengimobilisasi EPSkurang padat. Hal ini karena rendahnyakelarutan natrium alginat dalam air sehinggadiperlukan pelarut yang lain, misalnya pelarutorganik.

2. Pada percobaan adsorpsi secara kontinyubelum ditemukan kondisi optimumsebagaimana percobaan desorpsi. Biladilakukan penelitian lanjutan maka rentanginterval variabel bebasnya perlu diperbesarlagi agar bisa diperoleh titik optimumnya

Terima kasih