Hibah Monodisiplin

LAPORAN

Perancangan Kolom Adsorpsi Karbon Aktif

untuk Pengolahan Limbah Kromium Heksavalen

disusun oleh:

Dr. Tedi Hudaya, ST, MengSc (Ketua Peneliti) I Gede Pandega Wiratama, ST, MT (Anggota)

Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Katolik Parahyangan

November 2016

i

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI ..................................................................................................................... i

ABSTRAK ...................................................................................................................... iii

BAB I ................................................................................................................................ 1

PENDAHULUAN ............................................................................................................ 1

1.1 Latar Belakang Masalah .......................................................................................... 1

1.2 Tujuan Penelitian .................................................................................................... 2

1.3 Urgensi Penelitian ................................................................................................... 3

1.4 Luaran Penelitian ..................................................................................................... 4

BAB II .............................................................................................................................. 4

TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................................. 4

2.1 Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3) ...................................................... 4

2.1.1 Identifikasi Limbah Berbahaya dan Beracun ................................................ 5

2.1.2 Kriteria Limbah Berbahaya dan Beracun ...................................................... 6

2.1.2.1 Ignitability (Dapat Menyala) .................................................................. 6

2.1.2.2 Corrosivity (Korosivitas) ........................................................................ 6

2.1.2.3 Reactivity (Reaktivitas) .......................................................................... 7

2.1.2.4 Toxicity (Sifat Beracun) .......................................................................... 8

2.2 Karakteristik Limbah Cair Industri Electroplating .............................................. 8

2.2.1 Logam Berat Cr6+ ........................................................................................ 11

2.3 Adsorpsi ............................................................................................................. 11

2.3.1 Tipe-Tipe Adsorpsi ..................................................................................... 12

2.3.1.1 Adsorpsi Fisika (Physical Adsorption) ................................................. 12

2.3.1.2 Adsorpsi Kimia (Chemisorption) ......................................................... 12

2.3.2 Adsorben ..................................................................................................... 13

2.3.2.1 Granular Activated Carbon (GAC) ...................................................... 14

2.3.3 Kesetimbangan Adsorpsi ............................................................................ 16

2.4 Perancangan Fixed Bed Adsorbers. ................................................................... 19

2.4.1 Proses Adsorpsi di dalam Fixed Bed Adsorbers ......................................... 21

ii

2.4.2 Laju adsorpsi pada Fixed Bed Adsorbers .................................................... 23

BAB III ........................................................................................................................... 29

METODE PENELITIAN ............................................................................................. 29

3.1 Tahap-Tahap Penelitian ..................................................................................... 29

3.1.1 Perancangan dan Pemodelan Scale-Up Kolom Adsorpsi ........................... 29

3.1.2 Tahap Operasi Skala Laboratorium ............................................................ 31

3.2 Alat dan Bahan Penelitian.................................................................................. 31

BAB IV ........................................................................................................................... 33

PEMBAHASAN ............................................................................................................ 33

4.1 Eksperimen Skala Laboratorium ........................................................................... 33

4.1.1 Kurva Standar Cr6+ ...................................................................................... 33

4.1.2 Kesetimbangan Adsorpsi ............................................................................ 34

4.1.3 Adsorpsi Kolom Karbon Aktif Kontinu ...................................................... 38

4.2 Scale-Up Kolom Adsorpsi dengan Menggunakan Metode Length of Unused Bed. ..................................................................................................................................... 39

BAB V ............................................................................................................................. 40

KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................................................... 40

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................... 41

LAMPIRAN: PROSEDUR KERJA DAN ANALISA DALAM PENELITIAN ..... 43

iii

ABSTRAK

Pencemaran sumber air, baik air tanah maupun permukaan, oleh limbah cair

industri yang mengandung logam berat merupakan masalah lingkungan yang serius. Hal ini disebabkan karena logam berat bersifat beracun dan tidak dapat diuraikan seperti limbah organik. Oleh karena itu, limbah cair yang mengandung logam berat harus diolah secara hati-hati dan juga efektif menggunakan metode yang tepat. Industri pelapisan logam (electroplating) merupakan salah satu industri yang menghasilkan limbah cair yang mengandung ion logam berat seperti Cr6+, Cu2+, Zn2+, dan lain-lain.

Proses pelapisan logam adalah proses pelapisan logam dengan bantuan arus listrik searah pada logam yang dilapisi di dalam cairan elektrolit (biasanya mengandung ion logam berat) sehingga diperoleh karakteristik tertentu pada permukaan logam yang dilapis. Di Indonesia, industri pelapisan logam skala kecil (tradisional) masih banyak yang kesulitan atau tidak mengolah limbahnya dengan baik. Akibatnya, limbah dari proses pencelupan tersebut seringkali hanya dibuang ke sungai, sehingga menyebabkan polusi logam berat.

Tujuan dari penelitian ini adalah mengkaji dan merancang kolom adsorpsi karbon aktif untuk pengolahan limbah cair industri kecil yang mengandung kromium heksavalen Cr6+, karena logam krom merupakan logam yang paling banyak/umum digunakan untuk keperluan pelapisan logam. Penelitian ini dibagi dua tahap, yaitu untuk tahap pertama akan dilakukan prosedur Scale-Up perancangan kolom karbon aktif sehingga dapat diaplikasikan pada industri. Tahap kedua adalah melakukan eksperimen dalam skala laboratorium untuk mencari dan menentukan faktor-faktor yang dibutuhkan untuk prosedur Scale-Up.

Pada penelitian ini diperoleh kurva kesetimbangan untuk adsorpsi Cr (VI) pada pH 1,7 dengan rentang konsentrasi awal Cr (VI) sebagai K2Cr2O7 antara 10 – 60 ppm adalah Y = 7,042 x10-4 X. Percobaan kolom adsorpsi kontinu dilakukan pada kolom kaca dengan diameter dalam 6 cm dengan tinggi karbon 12 cm. Karbon aktif komersial yang digunakan berbahan baku Bituminous Coal dengan merek Jacobi Aquasorb® 2000. Laju alir volumetrik umpan pada 100 mL / min dengan konsentrasi awal K2Cr2O7 10, 20, dan 30 ppm. Kurva Breaktrough yang didapat dari hasil penelitian ini tidak terlampau ideal karena ketidakseragaman permukaan dan aliran pada unggun adsorben. Berdasarkan perhitungan scale-up dengan menggunakan metode Length of Unused Bed, diperoleh spesifikasi kolom dengan diameter 0,66 m dengan tinggi 1,97 m dapat mengolah limbah Cr (VI) setara dengan 10 ppm K2Cr2O7 dengan Gs sebesar 400 kg m-2 h-1 dan waktu breaktrough selama 3 bulan.

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Di era industrialisasi dan urbanisasi sekarang ini, sejumlah logam berat dalam

limbah cair industri dilepaskan ke lingkungan sehingga memberikan permasalahan yang

serius bagi masyarakat. Logam berat berupa ion terlarut seperti Cr6+, Cu2+, Zn2+, Ag+,

dan lain-lain memiliki sifat mencemarkan lingkungan karena sifatnya yang beracun dan

juga tidak dapat diuraikan secara alamiah. Pencemaran logam berat biasa ditemukan di

perairan sekitar industri, terutama pada industri pelapisan logam, pada daerah

pertambangan, industri chlor alkali, industri baterai dan radiator.

Pada penelitian ini, limbah cair yang akan ditinjau adalah yang mengandung

ion kromium heksavalen (Cr6+) yang berasal dari industri electroplating atau pelapisan

logam, karena logam krom merupakan logam yang paling banyak/umum digunakan

untuk keperluan pelapisan logam seperti untuk kursi, komponen otomotif, peralatan

rumah tangga, dan lain-lain. Proses electroplating adalah merupakan proses pelapisan

logam dengan mengalirkan listrik searah pada logam yang dilapisi di dalam cairan

elektrolit (mengandung ion logam berat) sehingga menciptakan karakteristik permukaan

logam yang baru. Berdasarkan literatur, limbah cair yang mengandung Cr6+ yang

dihasilkan oleh industri electroplating biasanya berkirsar pada rentang konsentrasi 1-40

ppm (atau mg/L) sebelum mengalami pengolahan. [1]

Limbah cair hasil industri electroplating harus memenuhi baku mutu industri

limbah cair yang ditentukan oleh Kementrian Lingkungan Hidup Indonesia berdasarkan

Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup No : KEP-51/MENLH/10/1995. Tabel

1.1 menyajikan baku mutu limbah cair untuk industri pelapisan logam.

2

Tabel 1.1 Baku Mutu Limbah Cair untuk Industri Pelapisan Logam . [2]

Parameter Satuan Kadar Maksimum

TSS (Total Solid Suspension) mg/L 20

Sianida Total (CN) tersisa mg/L 0.2

Krom Total (Cr) mg/L 0.5

Krom Heksavalen (Cr+6) mg/L 0.1

Tembaga (Cu) mg/L 0.6

Seng (Zn) mg/L 1.0

pH mg/L 6.0-9.0

Nikel (Ni) mg/L 1.0

Kadmium (Cd) mg/L 0.05

Timbal (Pb) mg/L 0.1

Debit Limbah Maksimum L/ m3 produk

pelapisan logam

20

Berdasarkan baku mutu diatas, maka limbah cair hasil dari industri pelapisan

logam sebelum dibuang ke lingkungan harus memenuhi kriteria diatas. Oleh karena itu,

penelitian ini bertujuan untuk menyediakan teknologi pengolahan limbah yang relatif

murah dan juga sederhana sehingga cocok untuk diaplikasikan pada industri skala kecil

atau tradisional. Adsorpsi dengan karbon aktif sebagai adsorben merupakan teknik /

metode yang selain sederhana dan murah, juga memiliki efektivitas tinggi untuk

menghilangkan ion logam berat dari limbah cair [3].

1.2 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah menghasilkan teknologi tepat guna yaitu berupa

kolom adsorpsi karbon aktif untuk pengolahan limbah cair mengandung ion logam Cr6+

3

untuk industri penyepuhan logan skala kecil yang sederhana dengan biaya yang relatif

terjangkau. Sedangkan, tujuan khusus dari penelitian ini adalah:

a) Membuat model untuk perhitungan scale-up kolom adsorpsi sehingga dapat

digunakan pada skala industri kecil.

b) Mempelajari karakteristik karbon aktif sebagai adsorben untuk logam berat Cr6+.

c) Merancang, membuat, dan mengkaji efektivitas penghilangan logam berat

Cr6+ dengan menggunakan kolom adsorpsi dalam skala laboratorium.

d) Melalui eksperimen skala laboratorium menentukan data-data dan parameter-

parameter model yang dibutuhkan untuk scale-up.

1.3 Urgensi Penelitian

Penelitian ini merupakan upaya untuk mengurangi dampak pencemaran

lingkungan yang terjadi akibat logam berat. Penelitian ini diharapkan memiliki manfaat

jangka panjang bagi masyarakat, khususnya untuk industri pelapisan logam skala kecil.

Industri pelapisan logam di Indonesia masih banyak yang beroperasi secara tradisional,

sehingga limbah yang dihasilkan hanya dibuang ke sungai. Selain itu, kesadaran dari

pihak industri tradisional dan masyarakat masih rendah mengenai dampak kerusakan

lingkungan yang diakibatkan dengan membuang limbah ke lingkungan.

Strategi penelitian yang akan dilakukan adalah dengan membuat model scale-

up dan merancang kolom adsorpsi karbon aktif disertai dengan serangkaian percobaan.

Penelitian ini akan dibagi kedalam dua tahap, yaitu untuk tahap pertama akan dilakukan

pemodelan scale-up perancangan kolom karbon aktif sehingga dapat diaplikasikan pada

industri. Tahap kedua adalah melakukan eksperimen dalam skala laboratorium untuk

mencari dan menentukan data-data dan parameter-parameter yang dibutuhkan untuk

scale-up.

1.4 Luaran Penelitian

Penelitian ini ditargetkan menghasilkan teknologi tepat guna berupa model dan

prosedur scale-up yang bisa digunakan untuk perancangan kolom karbon aktif yang

dapat diaplikasikan langsung ke industri pelapisan logam kromium skala kecil.

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Dalam tinjaun pustaka ini, akan dijelaskan karakteristik limbah B3 (bahan

berbahaya dan beracun) secara umum termasuk limbah logam berat dari industri

penyepuhan logam. Selain itu hal-hal yang berkaitan dengan proses adsorpsi, karbon

aktif sebagai adsorben, dan aspek pemodelan serta perancangan kolom adsorpsi akan

dibahas secara rinci.

2.1 Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun (B3)

Limbah berbahaya memiliki definisi yang berbeda-beda, dari satu negara dan

negara lainnya. Salah satu definisi yang sering digunakan, yaitu merupakan definisi

yang berasal dari U.S Resource Conservation and Recovery Act (RCRA) pada tahun

1976, dimana limbah berbahaya dan atau beracun adalah limbah yang menyebabkan

atau secara signifikan memberikan kontribusi terhadap kasus kematian, kecacatan, atau

memberikan potensi bahaya bagi kesehatan manusia dan lingkungan sekitar, ketika

limbah tersebut tidak dikelola secara benar. [4]

Sedangkan di Indonesia, berdasarkan Undang-Undang Negara Republik

Indonesia No. 32 Tahun 2009, Limbah merupakan sisa dari suatu usaha dan atau

kegiatan. Limbah berbahaya B3 adalah zat energi, dan/atau komponen lain yang karena

sifat, konsentrasi, dan/atau jumlahnya, baik secara langsung maupun tidak langsung,

dapat mencemarkan dan/atau merusak lingkungan hidup, dan/atau membahayakan

lingkungan hidup, kesehatan, serta kelangsungan hidup manusia dan makhluk hidup

lain. Limbah logam berat termasuk di dalam golongan limbah B3. [5]

Sedangkan berdasarkan literatur, tedapat dua kata kunci sering digunakan,

yang pertama adalah “toxic” atau bahan beracun, dan yang kedua adalah “hazardous”

atau bahan berbahaya. Toxic atau bahan beracun biasanya dapat diartikan dengan zat-zat

beracun yang menyebabkan kematian atau cedera serius baik terhadap manusia ataupun

binatang dengan cara menggangu fisiologi tubuh normal. Bahan beracun merupakan

istilah yang mengarah untuk zat-zat kimia baik yang telah menjadi limbah atau belum

(misalnya “toxic substance” yaitu zat-zat beracun, atau “toxic chemical” yaitu zat kimia

5

beracun) . Kata “toxic” dapat diberlakukan secara intristik pada hakikatnya. Sedangkan

Hazardous atau bahan berbahaya merupakan istilah yang lebih luas, yang mengacu pada

semua limbah yang berbahaya untuk alasan apapun, termasuk zat-zat beracun (Toxic),

misalnya mudah terbakar, mudah meledak, atau reaktif [4].

Berikut merupakan contoh-contoh limbah berbahaya yang sering ditemukan :

(a) limbah logam berat (b) pelarut organik dan bahan pengencer (c) asam dan basa (d)

limbah cat beracun/mudah terbakar (e) nitrat, perklorat, dan peroksida (f) pestisida (g)

limbah cair pengolahan lumpur . Sedangkan berikut merupakan limbah berbahaya

khusus, yaitu : (a) limbah industri mengandung polutan prioritas yang didefinisikan oleh

USEPA (United States Environmental Protection Agency) (b) limbah medis infeksius

(c) limbah militer yang mudah meledak (d) limbah radioaktif [6]

Terdapat dua jenis limbah berbahaya yang dapat ditangani karena karakteristik

limbah telah diketahui :

a. Designated hazardous waste: merupakan limbah yang terdaftar secara

spesifik pada daftar pemerintah sebagai limbah berbahaya (contoh:

USEPA di negara Amerika Serikat).

b. Characteristic hazardous waste : merupakan limbah yang memenuhi

karakteristik ignitability (kemudahan terbakar), corrosiveness (sifat

korosif), reactivity (reaktifitas), dan toxicity (sifat racun) yang akan

dijelaskan pada bagian 2.1.2. [6]

2.1.1 Identifikasi Limbah Berbahaya dan Beracun

Regulasi RCRA atau (40 CFR 261 dan 262) menspesifikasikan /

mengidentifikasi limbah yang berbahaya jika limbah tersebut memenuhi beberapa

kriteria :

a. Menunjukkan salah satu karakteristik limbah berbahaya

b. Telah di cantumkan sebagai limbah berbahaya dan telah terdaftar pada beberapa

regulasi yang berlaku.

c. Merupakan campuran yang mengandung limbah berbahaya yang terdaftar dan

limbah yang tidak berbahaya.

6

d. Merupakan limbah yang terbentuk dari pengolahan, penyimpanan, dan

pembuangan dari limbah berbahaya yang terdaftar. [4]

2.1.2 Kriteria Limbah Berbahaya dan Beracun

Limbah berbahaya mungkin terdaftar pada daftar kimia yang dibuang

(discarded chemical), atau merupakan sebuah produk yang tidak dispesifikasikan, atau

pelepasan bahan kimia secara tidak sengaja, dan residu baik cair atau padat dari sebuah

proses operasi, yang memenuhi karakteristik berikut : [6]

2.1.2.1 Ignitability (Dapat Menyala)

Merupakan bahan kimia yang sangat mudah tersulut api, umumnya yang

memiliki flash point (titik flash) dibawah 140°F. [6] Berikut merupakan karakteristik

limbah berbahaya berdasarkan kemampuan untuk menyala (Ignitability) berdasarkan 40

CFR 261.21 , D001:

a. Merupakan limbah berfasa cair, kecuali campuran aqueous yang

mengandung alkohol dibawah 24% yang memiliki flashpoint dibawah

60°C (140°F).

b. Merupakan nonliquid capable, yang pada keadaan normal dapat

terbakar secara spontan.

c. Merupakan gas mudah terbakar jika dikompresi, dan diawasi oleh

regulasi DOT.

d. Merupakan pengoksidasi, dan diawasi oleh regulasi DOT.

Tujuan USEPA menjadikan Ignitability sebagai karakteristik limbah berbahaya

adalah untuk mengidentifikasi limbah yang dapat menyebabkan kebakaran selama

distribusi, penyimpanan dan pembuangan. Banyak dari pelarut di identifikasikan

sebagai limbah yang mudah menyala/terbakar.

2.1.2.2 Corrosivity (Korosivitas)

Merupakan material yang bersifat korosif, dapat mengkorosi baik material

maupun jaringan hidup manusia, biasanya bersifat sangat asam atau basa, dengan

rentang pH dibawah 2 atau diatas 12.5. [6] Berikut merupakan karakteristik limbah

7

berbahaya berdasarkan kemampuan untuk mengkorosi (Corrosivity) berdasarkan 40

CFR 261.22 , D002 :

a. Merupakan larutan yang memiliki pH dibawah 2, atau lebih besar sama

dengan 12.5.

b. Merupakan larutan yang mengkorosi baja pada laju lebih besar dari

pada 0.25 inci per tahun pada temperatur 55°C (130°F)

Tujuan USEPA menjadikan pH sebagai indikator dari kategori Corrosivity

adalah karena limbah dengan pH yang terlalu tinggi atau rendah dapat bereaksi dengan

limbah lainnya atau kontaminan beracun lainnya. Parameter yang dipilih USEPA adalah

korosi baja karena limbah dapat mengkorosi baja sehingga dapat keluar dari tempat

penyimpanannya, dan dapat membebaskan limbah lain ke lingkungan. Salah satu

contoh dari limbah korosif adalah limbah asam yang digunakan untuk pembuatan acar

(pickle liquor).

2.1.2.3 Reactivity (Reaktivitas)

Merupakan limbah yang dapat bersifat eksplosif (mudah meledak), dan dapat

menghasilkan gas beracun ketika di campur dengan air atau asam. Berikut merupakan

karakteristik limbah berbahaya berdasarkan kemampuan untuk bereaksi (Reactivity)

berdasarkan 40 CFR 261.23 , D003 :

a. Merupakan bahan kimia atau limbah yang tidak stabil, dan biasa dapat

bereaksi secara keras tanpa detonator (diaktifkan) terlebih dahulu.

b. Merupakan limbah yang dapat bereaksi secara keras dengan air.

c. Merupakan limbah yang dapat membentuk campuran yang mudah

meledak dengan air.

d. Merupakan limbah yang dapat menghasilkan gas beracun, uap atau bau

jika dicampur dengan air.

e. Merupakan limbah yang mengandung sianida atau sulfida dan

menghasilkan gas beracun, uap, atau bau pada pH diantara 2-12.5.

f. Merupakan limbah yang mudah meledak jika dipanaskan pada ruang

tertutup atau dapat menjadi sumber ledakan besar.

8

g. Merupakan bahan yang mudah meledak pada temperatur dan tekanan

ruang.

h. Terdaftar pada DOT pada klasifikasi A atau B bahan mudah meledak.

2.1.2.4 Toxicity (Sifat Beracun)

Merupakan limbah yang dapat melepaskan bahan kimia beracun yang telah

ditentukan dari sejumlah tes. The Toxicity Charactetristic Leaching Procedure (TCLP)

telah dirancang untuk menganalisa cairan yang dihasilkan pada pembuangan akhir.

Ekstrak dari cairan tersebut kemudian di analisa untuk mengukur kontaminan beracun

yang terdaftar pada hukum yang berlaku di negara tersebut. Sifat beracun dari suatu

bahan juga dapat di deklarasikan oleh perusahaan yang memproduksi bahan tersebut

berdasarkan informasi yang didapatksn dari proses produksi bahan tersebut. [4]

2.2 Karakteristik Limbah Cair Industri Electroplating

Secara umum, limbah cair industri kimia terdapat beberapa polutan utama,

diantaranya yaitu logam, pestisida (PCBs), organik semivolatil, organik volatil, dan

bahan kimia lainnya. Analisis yang biasa digunakan untuk mengidentifikasi konsentrasi

logam adalah Atomic Adsorption (AA) Analysis dan Inductively Coupled Plasma (ICP).

Sedangkan metode yang biasa digunakan untuk menganalisa zat organik volatil dan

semivolatil umumnya digunakan teknik kombinasi antara gas kromatografi dan

spektofotometer massa, atau biasa disebut sebagai “GC-Mass Spec”. [7]

Proses electroplating adalah proses pelapisan logam dengan mengalirkan listrik

pada logam yang dilapisi di dalam cairan elektrolit (biasanya mengandung logam berat)

sehingga menciptakan karakteristik permukaan logam yang baru. Pada beberapa

industri, setelah proses pelapisan logam setelah itu diselesaikan dengan pencelupan

pada cat [8]. Skema proses electroplating secara ringkas disajikan pada Gambar 2.1 di

bawah ini . [1]

9

Gambar 2.1 Skema Proses Electroplating

Limbah cair yang mengandung logam berat berasal dari salah satu proses

tersebut. Berikut merupakan beberapa aplikasi dari industri electroplating, diantaranya :

a. dekorasi : beberapa perhiasan yang berbahan dasar besi, kuningan,

tembaga, atau alumunium paduan akan lebih indah jika dilapisi dengan

krom, atau lebih bernilai jika dilapisi suatu logam mulia seperti emas,

atau perak.

b. melindungi logam utama : salah satu fungsi dari pelapisan logam adalah

untuk menghindari bahan dari korosi dan meningkatkan ketahanan /

kekuatan fisik. Biasanya logam dasar berupa paduan besi (baja) dapat

dilapisi oleh seng, kadmium, nikel, krom, tembaga, dsb.

c. beberapa aplikasi lainnya seperti untuk mengubah karakteristik

permukaan logam dan untuk memperoleh sifat mekanis tertentu [9]

Berdasarkan literatur, telah diketahui bahwa konsentrasi logam berat ion

Cr6+ yang terkandung di dalam limbah cair industri electroplating adalah dalam rentang

1-40 ppm (mg/L). Sedangkan di Indonesia, Keputusan Menteri Negara Lingkungan

Hidup Nomor : KEP-51/MENLH/10/1995 tentang Baku Mutu Limbah Cair Bagi

Kegiatan Industri. Baku Mutu Limbah Cair Industri telah menetapkan batas maksimum

limbah cair yang diperbolehkan dibuang ke lingkungan, seperti yang disajikan dalam

Tabel 2.1 berikut ini.

10

Tabel 2.1 Baku Mutu Limbah Cair untuk Industri Pelapisan Logam. [2]

Parameter Satuan Kadar Maksimum

TSS (Total Solid Suspension) mg/L 20

Sianida Total (CN) tersisa mg/L 0.2

Krom Total (Cr) mg/L 0.5

Krom Heksavalen (Cr+6) mg/L 0.1

Tembaga (Cu) mg/L 0.6

Seng (Zn) mg/L 1.0

Nikel (Ni) mg/L 1.0

Kadmium (Cd) mg/L 0.05

Timbal (Pb) mg/L 0.1

pH mg/L 6.0-9.0

Debit Limbah Maksimum L/ m3 produk pelapisan logam 20

Berdasarkan baku mutu diatas, maka dapat diambil kesimpulan bahwa keluaran

dari limbah industri electroplating memiliki kandungan Cr6+ sebesar 10 – 400 kali lipat

lebih tinggi sehingga perlu diolah untuk memenuhi kriteria baku mutu limbah cair

diatas. Terdapat beberapa metode pengolahan limbah ion logam berat seperti reaksi

pengendapan (presipitasi), filtrasi membran, penukar-ion, dan adsorpsi. Namun, banyak

studi yang telah mempelajari tentang keluaran limbah yang membawa logam berat telah

menunjukkan bahwa adsorpsi merupakan teknik yang memiliki efektivitas tinggi untuk

menghilangkan logam berat dari aliran limbah cair dan karbon aktif sering digunakan

sebagai adsorben [3]. Selain sederhana, faktor biaya yang relatif terjangkau

menyebabkan teknologi ini lebih cocok untuk diterapkan dalam industri skala kecil.

11

2.2.1 Logam Berat Cr6+

Untuk menghasilkan larutan yang mengandung ion logam berat Cr6+, garam

K2Cr2O7 dilarutkan dalam air. Larutan yang mengandung ion logam berat Cr6+ dapat

menyebabkan iritasi bahkan dapat menyebabkan kerusakan ginjal dan hati jika kontak

dengan kulit. Kontak dengan mata dapat menyebabkan iritasi, merah dan hingga

kebutaan. Selain itu, larutan ini juga bersifat karsinogenik.

Senyawa K2Cr2O7 merupakan senyawa pengoksidasi yang sangat kuat. Dalam

larutan, senyawa K2Cr2O7 akan membentuk reaksi kesetimbangan antara senyawa

CrO42- dengan Cr2O7

2- dimana reaksi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut :

Cr2O72- + 2OH- ↔ H2O + 2CrO4

2-

Dari reaksi ini, dapat disimpulkan bahwa jika garam K2Cr2O7 dilarutkan pada

keadaan basa, maka ion yang dominan adalah CrO42- yang berwarna kuning. Sedangkan

jika garam K2Cr2O7 dilarutkan dalam keadaan asam, maka reaksi kesetimbangan akan

bergeser ke arah ion yang dominan yaitu ion Cr2O72- yang berwarna oranye. Pada

reaksi reduksi-oksidasi, kedua ion tersebut tetap memiliki ion kromium bervalensi 6+

atau ion Cr6+ atau biasa dikenal dengan ion kromium heksavalen [10].

2.3 Adsorpsi

Proses adsorpsi dioperasikan berdasarkan kemampuan suatu padatan

(adsorben) untuk mengkonsentrasikan suatu zat tertentu (adsorbat atau solute) dari suatu

campuran (larutan atau gas) pada pada permukaannya. Oleh karena itu, secara umum

proses adsorpsi merupakan peristiwa perpindahan suatu zat dari fasa fluida ke fasa

padatan. Fluida yang terlibat dalam proses adorpsi dapat berupa gas ataupun cairan.

Contoh-contoh yang merupakan beberapa proses pemisahan adsorbat dalam

larutan diantaranya adalah penghilangan air pada minyak bumi, penghilangan warna

pada minyak goreng, penghilangan bau dan rasa pada air, dan fraksionisasi campuran

aromatik dari hidrokarbon parafinik. Skala dari operasi ini bervariasi tergantung pada

banyak adsorben yang digunakan, skala operasi adsorpsi bervariasi dari skala lab hingga

skala industri yang mengunakan adsorben dalam jumlah besar (ratusan bahkan ribuan

kilogram) [11].

12

2.3.1 Tipe-Tipe Adsorpsi

Terdapat dua jenis adsorpsi, yaitu adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia, dan

berikut adalah penjelasan lanjut tentang adsorpsi fisika dan adsorpsi kimia :

2.3.1.1 Adsorpsi Fisika (Physical Adsorption)

Adsorpsi fisika, atau biasa juga diketahui sebagai adsorpsi van deer Waals,

merupakan adsorpsi yang dapat berlangsung secara reversibel (bolak-balik), hal ini

disebabkan karena gaya intermolekular yang terjadi antara molekul adsorbat dan

permukaan adsorben [11]. Pada adsorpsi fisika fasa gas, dapat dikatakan bahwa proses

ini mirip dengan kondensasi. Gaya menarik dari molekul pada fluida ke permukaan

relatif lemah, dan kalor yang terlibat selama proses adsorpsi eksotermal sama besar

dengan kalor untuk kondensasi yaitu sekitar 0.5-5 kkal g-1 mol-1. Kesetimbangan antara

permukaan adsorben dan zat terlarut akan sangat mudah dicapai, karena energi yang

terlibat kecil. Untuk reaksi dari atom atau radikal bebas biasanya melibatkan energi

aktivasi yang kecil, sehingga yang berperan adalah adsorpsi fisika. Adsorpsi fisika juga

berfungsi untuk mengkonsentrasikan suatu zat pada permukaan suatu padatan [12].

2.3.1.2 Adsorpsi Kimia (Chemisorption)

Adsorpsi kimia atau biasa dikenal dengan chemisorption, merupakan hasil dari

interaksi (ikatan) kimia antara adsorben dengan adsorbat. Kekuatan pada ikatan kimia

biasanya bervariasi, akan tetapi ikatan kimia pada permukaan biasanya jauh lebih kuat

daripada yang terjadi pada adsorpsi fisika. Kalor yang dilibatkan pada proses adsorpsi

kimia juga biasanya besar. Proses adsorpsi kimia biasanya berlangsung secara

irreversible, dan proses desorpsi dari komponen sebenarnya seringkali terjadi setelah

mengalami perubahan (reaksi) kimia. Bahan yang sama pada temperatur rendah

umumnya hanya akan menjalani adsorpsi fisika pada adsorben, namun terkadang ketika

pada temperatur tinggi akan terjadi proses adsorpsi kimia, dan kedua fenomena tersebut

dapat berjalan bersamaan. Proses adsorpsi kimia merupakan hal yang sangat penting di

dalam reaksi menggunakan katalis, dan oleh karena itu proses adsorpsi kimia tidak akan

dibahas pada penelitian ini [11].

Tabel 2.2 di bawah ini memberikan perbandingan antara adsorpsi fisika dan

adsorpsi kimia.

13

Tabel 2.2 Perbandingan Adsorpsi Fisika dengan Adsorpsi Kimia. [12]

Parameter Adsorpsi Fisika Adsorpsi Kimia

Adsorben Semua berfasa padat Beberapa berfasa padat

Adsorbat Semua gas dibawah

temperatur kritik

Beberapa gas yang bereaksi

secara kimia

Temperatur Temperatur rendah Biasanya temperatur tinggi

Kalor Adsorpsi Rendah Orde tinggi dari kalor

reaksi

Laju, Energi Aktivasi Sangat cepat, energi rendah Tidak teraktivasi, energi

aktivasi rendah, energi

tinggi

Jangkauan Kemungkinan multilayer Monolayer

Reversibility Sangat mudah direversibel Jarang direversibel

Importance Untuk penentuan luas

permukaan dan ukuran

pori.

Untuk penentuan sisi aktif

dan kinetika rekasi

permukaan.

2.3.2 Adsorben

Agar dapat berfungsi secara efisien pada proses pemisahan secara komersial,

baik untuk pemisahan pada fasa bulk atau untuk proses pemurnian, material adsorben

harus memiliki volume internal (pori-pori) yang tinggi yang dapat diakses oleh

komponen yang ingin dihilangkan (diserap) dari fluida sehingga akan membuat

kapasitas adsorpsi semakin tinggi. Adsorben juga harus memiliki sifat fisik mekanik

seperti kekuatan dan resisten, dan selain itu harus memiliki kinetika adsorpsi yang

relatif cepat yang akan menunjukkan kemampuan adsorben tersebut mengikat adsorbat.

Pada aplikasinya, adsorben yang digunakan dapat diregenasi kembali setelah digunakan,

namun harus diperhatikan bahwa proses regenerasi tidak boleh merusak adsorben.

Dalam pembuatan adsorben harus diperhatikan harga bahan baku dan metode untuk

14

menghasilkan adsorben yang relatif murah / ekonomis. Gambar 2.2 menggambarkan

struktur adsorben secara umum dalam adsorpsi fasa gas, namun secara umum adsorpsi

gas dan cair merupakan proses yang sama.

Gambar 2.2 Struktur Adsorben Secara Umum.

2.3.2.1 Granular Activated Carbon (GAC)

Adsorben biasanya berbentuk granular, dengan variasi ukuran diameter dari 50

µm – 12 mm. Adsorben tersebut harus memenuhi beberapa kriteria operasi, tergantung

pada aplikasi pengunaanya. Jika adsorben yang akan digunakan untuk operasi pada

fixed bed adsorbers, maka adsorben tersebut tidak boleh memberikan pressure drop

yang besar agar konsumsi energi aliran dapat dijaga rendan dan fluida dapat mengalir /

lewat dengan mudah. Adsorben tersebut juga harus memiliki kekuatan dan kekerasan

yang memadai. Kekuatan yang memadai akan mencegah ukuran partikel berubah, agar

tidak hancur ketika mempertahankan beban adsorben tersebut sehingga dapat

mempertahankan ketinggian unggun. Ini merupakan beberapa kriteria yang harus

diperhatikan pada perancangan fixed bed adsorbers [11]. Selain itu, adsorben yang

mengandung pori-pori yang banyak lebih disukai karena kemampuan mengakumulasi

adsorbat pada permukaan pori adsorben akan lebih besar per satuan massa adsorben.

[13]. Ukuran pori adsorben juga penting untuk diperhatikan agar dapat memberikan

luas permukaan yang besar sekaligus memberikan laju adsorpsi yang optimal.

Salah satu adsorben serba guna yang cukup luas digunakan adalah karbon aktif

(activated Carbon) karena selain murah dan mudah didapat, juga aman / tidak beracun.

Bahan baku yang digunakan untuk pembuatan karbon aktif antara lain sisa-sisa kayu,

15

sekam padi, residu dari pengilangan minyak, lignin, batu bara, dan tempurung kelapa.

Terdapat dua jenis proses produksi karbon aktif, yang pertama yang melibatkan aktivasi

gas dan yang kedua yang melibatkan aktivasi kimia. Aktivasi dengan menggunakan gas

pertama-tama dengan memanaskan bahan dengan udara pada suhu 400-500°C untuk

menghilangan material organik volatil yang menyumbat pori-pori bahan, dan setelah itu

proses dilanjutkan dengan memanaskan bahan antara 800-1000°C. Selain udara, gas

karbon dioksida atau gas buang pembakaran (gas cerobong) juga dapat digunakan.

Sedangkan untuk aktivasi secara kimia biasanya digunakan larutan seng klorida (zinc

chloride) atau asam fosfat (phosphoric acid) yang dikontakkan langsung dengan bahan

baku. Pori-pori yang dihasilkan melalui aktivasi gas lebih besar daripada aktivasi

kimia. Rentang ukuran pori-pori karbon aktif yang umum disajikan dalam Tabel 2.3

berikut ini.

Tabel 2.3 Ukuran Pori-Pori Karbon Aktif Secara Umum. [14]

Micropores Mesopores or transitional pores Macropores

Diameter (nm) <2 2-50 >50

Pore volume (cm3/g) 0.15-0.5 0.02-0.1 0.2-0.5

Surface area (m2/g) 100-1000 10-100 0.5-2

(Particle density 0.6-0.9 g/cm3 ; porosity 0.4-0.6)

Adsorben Granular Activated Carbon (GAC) dapat berasal dari tempurung

kelapa. Ukuran partikel GAC yang biasa digunakan untuk Packed Bed (Fixed Bed)

Adsorbers biasanya memiliki rentang diameter 0.4 - 2.4 mm [15].

Partikel adsorben memiliki kapasitas yang terbatas untuk adsorpsi molekul

pada fasa cair, sehingga kontak dengan umpan akan mengarah pada kesetimbangan

termodinamika antara fasa padat dan fasa cair. Pada keadaan kesetimbangan, laju

adsorpsi dan desorpsi akan sama cepatnya sehingga proses adsorpsi akan terhenti secara

makroskopik. Pada saat itu, maka akan dibutuhkan upaya untuk meregenerasi adsorben

tersebut atau adsorben tersebut dapat dibuang jika adsorbat berupa limbah yang harus

16

dihilangkan dari proses. Dalam penelitian ini, adsorben yang telah digunakan akan

dibuang sebagai limbah padat B3 dan akan diolah oleh pihak ketiga [14].

2.3.3 Kesetimbangan Adsorpsi

Adsorpsi merupakan fenomena terjadinya akumulasi suatu zat di permukaan

padatan yang disebabkan daya tarik antara adsorbat (pada campuran gas maupun cair)

dan permukaan adsorben. Untuk mengetahui keadaan kesetimbangan sebuah adsorben,

maka perlu dipelajari kesetimbangan adsorpsi yang akan dijelaskan di bawah ini [14].

Banyak jenis persamaan kesetimbangan adsorpsi, atau yang biasa dikenal

dengan isoterm. Persamaan-persamaan tersebut biasa dimodelkan berdasarkan suatu

pendekatan empiris dari percobaan kesetimbangan adsorpsi. Pada penelitian ini,

pembuatan data kesetimbangan adsorpsi akan diukur pada pH 1.5 yang merupakan pH

optimum untuk adsorpsi ion logam berat Cr6+ pada permukaan karbon aktif [16].

Beberapa isoterm yang paling sering digunakan pada adsorpsi fasa cair akan diuraikan

di bawah ini.

Gambar 2.3 menampilkan beberapa isoterm adsorpsi yang umum

dipergunakan. Pada kondisi setimbang, konsentrasi adsorbat yang diserap pada

permukaan adsorben dapat didefinisikan sebagai q dengan satuan kg adsorbat/kg

adsorben, sedangkan konsentrasinya dalam fasa fluida (gas atau cair) dinyatakan dengan

c dengan satuan kg adsorbat/m3 fluida. Dari gambar tersebut juga dapat disimpulkan

bahwa isoterm adsorpsi yang paling dianjurkan untuk sistem fasa cair adalah isoterm

Langmuir [17] - [18].

Gambar 2.3 Kurva Isoterm Adsorpsi.

17

a. Linear - Hukum Henry

Hukum Henry atau Henry’s Law memberikan hubungan isoterm

adsorpsi berupa garis linear seperti pada gambar 2.3 diatas. Biasanya,

hukum Henry bisa digunakan untuk pendekatan awal karena bentuknya

yang linear dan mudah untuk diolah. Berikut merupakan persamaan

isoterm untuk hukum henry:

𝑞 = 𝐾 𝑐 (2.1)

Dimana q dengan satuan kg adsorbat/kg adsorben, pada fasa fluida

(gas atau cair) c dengan satuan kg adsorbat/m3 fluida, dan K

merupakan konstanta yang ditetapkan secara experimen dengan satuan

m3/ kg adsorbent. Persamaan ini bisa digunakan sebagai

pernghampiran data untuk berbagai sistem. Namun, persamaan ini

jarang digunakan karena tidak terlalu akurat.

b. Isoterm Langmuir

Isoterm ini membahas tentang sistem adsorbat-adsorben dimana

mempelajari tingkat cakupan adsorbat yang terbatas pada satu lapis

molekular pada saat atau sebelum tekanan relatif dicapai. Isoterm ini

lebih cocok untuk mendiskripsikan tentang adsorpsi kimia (ketika

terdapat ikatan kimia ionik atau kovalen yang terbentuk antar adsorbat

dan adsorben), dan persamaan ini merupakan persamaan yang sangat

cocok untuk mendeskripsikan perilaku dari sistem biner. Isoterm ini

disusun dengan basis kesetimbangan dinamik diantara fasa adsorben

dan fasa gas atau fasa uap [14]. Secara matematis Isoterm Langmuir

dapat dituliskan sebagai berikut :

𝑞 = 𝑞𝑜 𝑐𝐾+𝑐

(2.2)

18

dimana q (kg adsorbat/kg adsorben) dan c (kg adsorbat/m3) adalah

konsentrasi adsorbat saat kesetimbangan, sementara 𝑞𝑜 adalah

kapasitas adsorben (kg adsorbat/kg adsorben) dan K adalah konstanta

(bersatuan kg/m3). Dengan membuat kurva antara 1/ 𝑞 terhadap 1/ 𝑐

maka akan diperoleh slope 𝐾 /𝑞𝑜 dan dengan intercept 1/𝑞𝑜 [17].

Persamaan ini diturunkan dengan beberapa asumsi sebagai berikut :

i. Kalor adsorpsi diasumsikan konstan dan merupakan fungsi

independen. (sebagai akibat dari tidak ada interaksi antara sesama

molekul adsorbat)

ii. Setiap molekul adsorbat hanya memiliki satu sisi aktif

iii. Adsorpsi yang terjadi lokal (molekul adsorbat tetap pada sisi pori

adsorben sampai terjadi proses desorpsi) [14].

c. Isoterm Freundlich

Terdapat banyak bukti yang membuktikan untuk kebanyakan sistem,

kalor adsorpsi akan menurun seiring dengan meningkatnya

kemampuan untuk mengadsorpsi. Jika penuruan kalor adsorpsi

merupakan fungsi dari logaritmik, maka ini menunjukan bahwa sisi

adsorpsi terdistribusi secara eksponensial yang menunjukan posisi

adsorpsi yang berbeda-beda. Asumsi ini dibuat oleh Zeldowitch pada

awal 1935 dengan penurunan yang sekarang dikenal dengan isoterm

klasik yang menunjukan variasi dari kalor adsorpsi. Persamaan ini juga

dikenal dengan Isoterm Freundlich, yang sebelumnya diketahui

sebagai isoterm empiris [14]. Berikut ini merupakan persamaan dari

Isoterm Freundlich :

𝑞 = 𝐾 𝑐𝑛 (2.3)

dimana q (kg adsorbat/kg adsorben) dan c (kg adsorbat/m3) adalah

konsentrasi adsorbat saat kesetimbangan, sementara K merupakan

konstanta yang ditetapkan secara eksperimen. Jika dibuat plot antara

19

log q terhadap log c maka akan diperoleh slope yang merupakan angka

tidak berdimensi (bersatuan) n, sedangkan dimensi dari K bergantung

pada nilai n [17].

d. Terdapat beberapa isoterm lainnya seperti : persamaan Brunauer-

Emmet-Teller (BET), isoterm Temkin, teori potensial Polanyi, isoterm

adsorpsi Gibbs, dan model statistik termodinamika yang biasanya

digunakan untuk adsorpsi gas. Persamaan-persamaan isoterm tersebut

lebih rumit/kompleks dan biasanya baru digunakan jika proses

kesetimbangan adsorpsi tidak dapat digambarkan dengan baik oleh

model Langmuir atau Freundlich.

2.4 Perancangan Fixed Bed Adsorbers.

Perancangan untuk sistem fixed bed adsorbers berdasarkan beberapa prinsip

adsorpsi. Pertama adalah pengetahuan tentang kesetimbangan adsorpsi, antara adsorbat

dalam fasa cair dengan adsorbat yang terakumulasi pada permukaan adsorben. Selain

itu, pemilihan material adsorben yang karakteristiknya seperti kapasitas dan selektifitas

telah diketahui merupakan hal yang utama dalam perancangan fixed bed adsorbers.

Kedua, karena operasi adsorpsi biasanya menggunakan sistem batch, fixed bed atau

pada simulating moving beds, proses adsorpsi biasanya memiliki karakter dinamik

(dynamical characters). Proses pada fixed bed adsorbers biasanya didekati dengan

tahap periodik (periodic state) atau tahap siklik tunak (cyclic steady state) dengan laju

umpan yang berbeda yang mengikuti suatu siklus, baik tahap periodik atau tahap siklik

tunak. Sehingga pengetahuan tentang transisi pada unggun diperlukan. Gambar 2.4

menyajikan skema alat kolom adsorbsi fixed bed .

20

Storage TankCentrifugal Pump

Bypass

F

Flowmeter

Gate Valve

Sampling Area

Outlet Tank

Globe Valve

Gambar 2.4 Skema Alat Fixed Bed Adsorbers.

Berikut beberapa keuntungan dari Fixed Bed Adsorbers : (a) alat ini sederhana

dan biaya investasinya murah (b) ketika adsorben berada dalam keadaan diam, maka

gesekan yang terjadi antar adsorben akan berada pada kondisi minimal, namun harus

diperhatikan gesekan yang terjadi dalam fixed bed adsorbers bukan berasal dari

adsorben itu sendiri, melainkan dari tekanan dan arah aliran fluida.

Teknik adsorpsi dengan menggunakan fixed bed adsorbers banyak

diaplikasikan di dalam industri, seperti untuk pengurangan kadar air dalam gas atau

campuran cair, untuk memurnikan gas, untuk penghilangan warna dan mineral dari

minyak nabati, untuk mengkonsentrasikan zat terlarut yang berharga di dalam campuran

cair, dan sebagainya [11].

21

2.4.1 Proses Adsorpsi di dalam Fixed Bed Adsorbers

Seiring dengan meningkatnya jumlah fluida yang dilewatkan pada kolom

adsorpsi, adsorben akan mengikat zat terlarut (adsorbat) yang terdapat pada fluida

tersebut, dan proses adsorpsi ini menjadi tidak tunak karena terdapat adsorbat yang

terakumulasi di dalam adsorben. Untuk penelitian ini, terdapat campuran biner, yaitu

ion logam berat Cr6+ dengan air, dimana logam berat merupakan solut atau adsorbat

yang memiliki konsentrasi awal di umpan masuk sebesar C0. Larutan tersebut kemudian

dialirkan secara kontinu melewati kolom adsorben yang awalnya bebas dari adsorbat

dari atas ke bawah. Bagian atas unggun adsorben yang kontak pertama kali dengan

campuran adsorbat berkonsentrasi tinggi, akan dengan sangat cepat dan efektif

menyerap solut yang terdapat pada fluida tersebut, dan adorbat yang lolos akan diserap

oleh bagian unggun selanjutnya. Keluaran dari kolom ini bisa dikatakan bebas adsorbat

dengan konsentrasi Ca (mendekati nol) seperti yang dapat dilihat pada kolom (a) pada

Gambar 2.5.

Selanjutnya distribusi adsorbat dalam kolom adsorben dapat terlihat pada

Gambar 2.5 (b) – (d). Seiring dengan bagian atas kolom adsorben hampir jenuh dan

selagi fluida terus bergerak, maka zona daerah adsorpsi akan bergerak ke bawah, pada

laju yang lebih rendah daripada kecepatan linear fluida yang melewati kolom adsorben.

Pada akhirnya, setengah dari kolom adsorben akan jenuh seperti yang ditunjukkan pada

(b). Pada kolom (b), keluarannya memiliki konsentrasi Cb yang secara substansial masih

mendekati 0. Pada kolom (c) di gambar 2.5, dapat dilihat bahwa zona daerah adsorpsi

telah mendekati bagian bawah kolom adsorben, dan konsentrasi dari adsorbat pada

keluaran akan perlahan meningkat hingga mencapai konsentrasi Cc (5% dari C0) untuk

pertama kalinya. Sistem ini dapat dikatakan telah mencapai breakpoint. Setelah itu

konsentrasi adsorbat pada keluaran akan meningkat secara sangat cepat ketika zona

adsorpsi telah mencapai bagian bawah dari kolom adsorben, dan kolom (d) pada gambar

2.5 telah menunjukkan bahwa keluaran telah hampir mencapai konsentrasi awal yaitu

C0. Kurva konsentrasi keluaran antara kolom (c) dan (d) dapat dikatakan sebagai kurva

breakthrough.

22

Gambar 2.5 Profil Konsentrasi Adsorbat pada Kolom dan Kurva Breakthrough

[11].

23

2.4.2 Laju adsorpsi pada Fixed Bed Adsorbers

Pada adsorpsi di Fixed Bed Adsorbers, perpindahan massa terjadi secara tidak

tunak. Hal ini dapat menyebabkan beberapa faktor harus dikomputasikan dan menjadi

sangat sulit. Berikut ini merupakan pendekatan yang telah disederhanakan, namun

hanya terbatas untuk adsorpsi isotermal dari umpan yang berupa campuran yang encer.

Pendekatan tersebut diterapkan dalam adsorpsi fasa gas, namun juga dapat diaplikasikan

dalam sistem fasa cair karena prinsip adsorpsi yang sama berlaku baik di fasa gas

maupun cair.

Gambar 2.6 merupakan kurva breaktrough yang ideal. Kurva breaktrough

tersebut merupakan hasil eksperimen menggunakan laju superficial gas Gs (massa.luas-1

.waktu-1), yang masuk kedalam kolom adsorpsi dengan konsentrasi Yo (massa zat

terlarut / massa pelarut). Akumulasi dari aliran keluaran yang bebas dari adsorbat

setelah waktu tertentu adalah w (massa aliran keluar / luas permukaan adsorben). Kurva

breaktrough pada Gambar 2.6 berbentuk curam, dan konsentrasi pada keluaran

meningkat dengan sangat cepat dari nol hingga ke konsentrasi awal pada umpan.

Sebuah titik dengan konsentrasi YB , dipilih sebagai konsentrasi breakpoint, dan

adsorben mulai jenuh ketika konsentrasi keluaran mulai naik hingga YE ≈ Yo

(konsentrasi umpan). Jumlah keluaran pada breakpoint adalah wB , dan kurva

breakthrough terdapat diantara wB dan wE . Total keluaran yang terakumulasi pada

kurva breakthrough adalah wa = wE – wB.

Gambar 2.6 Kurva Breakthrough. [11]

24

Zona adsorpsi memiliki ketinggian Za, dimana Za merupakan bagian dari

unggun (Gambar 2.7 – a) dan akan mengalami perubahan konsentrasi adsorbat antara

YB dan YE. Waktu yang dibutuhkan zona tersebut mengalami perubahan konsentrasi dari

YB menjadi YE adalah θa , yang dapat didefinisikan sebagai berikut :

𝜃𝑎 = 𝑤𝑎𝐺𝑠

(2.4)

Saat keadaan dimana unggun sudah tidak terdapat lagi zona adsorpsi (jenuh),

maka waktu θE dapat didefinisikan sebagai berikut :

𝜃𝐸 = 𝑤𝐸𝐺𝑠

(2.5)

Jika tinggi unggun adsorben total dapat didefinisikan sebagai Z, dan θF

merupakan waktu yang dibutuhkan untuk pembentukan zona adsorpsi, maka dapat

didefinisikan sbb :

𝑍𝑎 = 𝑍 𝜃𝑎𝜃𝐸− 𝜃𝐹

(2.6)

Jumlah zat terlarut yang dihilangkan dari pelarut pada zona adsorpsi yang

membentuk kurva breaktrough hingga kejenuhan adsorben adalah U dengan satuan

massa zat terlarut/ luas permukaan unggun adsorben. U dapat dilihat pada gambar 2.6

pada bagian yang diarsir, dan dapat didefinisikan sbb :

𝑈 = ∫ (𝑌𝑜 − 𝑌) 𝑑𝑤𝑤𝐸𝑤𝐵

(2.7)

Namun jika zona adsorpsi telah jenuh dengan zat terlarut, maka zona tersebut

mengandung 𝑌𝑜 𝑤𝑎 massa zat terlarut/luas permukaan adsorben. Pada keadaan

breakpoint, ketika zona adsoprsi masih di dalam kolom, kemampuan fraksional dari

adsorben pada zona tersebut untuk mengadsorp adsorbat adalah :

𝑓 = 𝑈 𝑌𝑜 𝑤𝑎

= ∫ (𝑌𝑜−𝑌) 𝑑𝑤𝑤𝐸𝑤𝐵

𝑌𝑜 𝑤𝑎 (2.8)

Jika f = 0, maka adsorben pada zona adsorpsi tersebut sudah jenuh, pada

waktu pembentukan zona pada atas unggun θF secara substansial sama dengan θa yang

25

merupakan waktu yang dibutuhkan untuk menempuh jarak yang sama dengan tinggi Za.

Namun jika f = 1.0, maka adsorben pada zona tersebut tidak mengandung adsorbat

sama sekali, dan waktu pembentukan zona adsorpsi 𝜃𝐹 mendekati 0. Kondisi batas ini

dapat di deskripsikan sbb :

𝜃𝐹 = (1 − 𝑓) 𝜃𝑎 (2.9)

Maka, berdasarkan kondisi diatas, persamaan (2.6) dan persamaan (2.9) akan

menghasilkan :

𝑍𝑎 = 𝑍 𝜃𝑎𝜃𝐸− (1−𝑓) 𝜃𝑎

= 𝑍 𝑤𝑎𝑤𝐸− (1−𝑓) 𝑤𝑎

(2.10)

Pada kolom adsorpsi setinggi Z dan per m2 luas penampang kolom terdapat

massa adsorben sebanyak Z ρs dimana ρs merupakan bulk density adsorben pada

unggun. Pada keadaan dimana adsorben berada dalam keadaan setimbang dengan gas

yang masuk kolom (konsentrasi adsorbat XT ), maka massa adsorbat yang sudah diserap

adalah Zρs XT . Pada titik breakpoint, pada saat zona adsorpsi Za masih berada di

bawah kolom, dan bagian lain dari kolom yang memiliki tinggi Z – Za telah jenuh. Pada

saat breakpoint, adsorbat yang teradsorpsi pada adsorben adalah (Z – Za) ρs XT + Za ρs

(1 – f ) XT . Sehingga, pendekatan fraksional untuk kejenuhan pada kolom di

breakpoint (derajat kejenuhan) adalah :

𝐷𝑒𝑔𝑟𝑒𝑒 𝑜𝑓 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 = ( 𝑍− 𝑍𝑎)𝜌𝑠 𝑋𝑇+ 𝑍𝑎 𝜌𝑠 (1−𝑓)𝑋𝑇 𝑍𝜌𝑠 𝑋𝑇

= 𝑍−𝑓𝑍𝑎𝑍

(2.11)

Pada fixed bed adsorber, zona dari adsorpsi pada kenyataannya berpindah ke

bagian bawah kolom. Bayangkan jika unggun adsorben bergerak ke atas cukup cepat

melalui kolom dan cairan bergerak ke bawah sehingga dapat dikatakan sebagai aliran

dua arah (countercurrent) yang memiliki zona adsorpsi yang tetap di dalam kolom.

Pada gambar 2.7a, adsorben yang meninggalkan kolom dalam keadaan setimbang

dengan gas, dan semua adsorbat telah diadsorpsi seluruhnya oleh adsorben, sehingga

tidak mengandung adsorbat pada keluaran. Hal ini tentu membutuhkan kolom yang

sangat tinggi, namun kajian kita adalah konsentrasi yang berada pada ketinggian tetap di

dalam zona adsorpsi. Garis operasi untuk keseluruhan kolom adalah :

𝐺𝑠 ( 𝑌𝑜 − 0) = 𝑆𝑠 (𝑋𝑇 − 0) (2.12)

26

Atau dapat dituliskan kembali menjadi :

𝑆𝑠𝐺𝑠

= 𝑌𝑜𝑋𝑇

(2.13)

Gambar 2.7 (a) Kolom Adsorpsi (b) Kurva Kesetimbangan dan Garis Operasi [11]

Garis operasi berada di atas kurva kesetimbangan pada gambar 2.7b, pada

semua ketinggian kolom, konsentrasi dari solut pada gas Y dan adsorbat X dapat ditulis

sebagai persamaan berikut :

𝐺𝑠 𝑌 = 𝑆𝑠 𝑋 (2.14)

Pada ketinggian dZ, berlaku :

𝐺𝑠 𝑑𝑌 = 𝐾𝑌 𝑎𝑝 (𝑌 − 𝑌∗) 𝑑𝑍 (2.15)

Sehingga zona adsorpsi memiliki NTU (Number of Transfer Units) :

𝑁𝑇𝑈 = ∫ 𝑑𝑌(𝑌− 𝑌∗)

= 𝑍𝑎𝐻𝑇𝑈

= 𝑍𝑎𝐺𝑠 / 𝐾𝑌 𝑎𝑝

𝑌𝐸𝑌𝐵

(2.16)

27

Pada kondisi dimana Z < Za ,dan dengan asumsi bahwa HTU (Height of

Transfer Unit) konstan seiring dengan perubahan konsentrasi, maka :

𝑍 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑌

𝑍𝑎= 𝑤− 𝑤𝐵

𝑤𝑎=

∫ 𝑑𝑌(𝑌− 𝑌∗)

𝑌𝑌𝐵

∫ 𝑑𝑌(𝑌− 𝑌∗)

𝑌𝐸𝑌𝐵

(2.17)

Persamaan 2.17 memungkinkan untuk penggambaran kurva breaktrough

diperoleh dengan integrasi. Persamaan ini mengikuti kondisi batas yang telah diuraikan

di awal, dan persamaan ini akan berlaku jika 𝐾𝑌 𝑎𝑝 atau HTU yang konstan dalam

batas-batas konsentrasi adsorbat pada zona adsorpsi. Hal ini tentu saja akan bergantung

apakah resistensi perpindahan massa pada fluida dan pada pori di adsorben konstan atau

tidak.

Pada gambar 2.8, jika laju perpindahan massa sangat cepat, maka kurva

breaktrough (Idealized) dapat didekati menjadi garis lurus θs , yang memiliki luas area

sebelah kiri dan kanan sama. Dengan demikian, Za pada Gambar 2.7 dapat dianggap

sebuah bidang datar berjarak Zs dari puncak kolom, dimana Zs adalah batas ketinggian

zona adsorben yang telah jenuh. Sementara itu, bagian adsorben di bawahnya sepanjang

Z-Zs adalah sama dengan LUB (Length of Unused Bed). Dengan demikian, tinggi dari

unggun merupakan hasil jumlah dari LUB dan panjang dari unggun adsorben yang telah

jenuh oleh adsorbat. Jika V merupakan kecepatan peningkatan bidang adsorpsi jenuh

dimana Zs = Vθ dan pada θs (time for saturation) adalah Z=V θs dan pada saat

breakpoint Zs=V θB maka :

𝐿𝑈𝐵 = 𝑍 − 𝑍𝑠 = 𝑉(𝜃𝑠 − 𝜃𝐵) = 𝑍𝜃𝑠

(𝜃𝑠 − 𝜃𝐵) (2.18)

Neraca solut dapat dituliskan sebagai berikut :

𝐺𝑠 (𝑌0 − 𝑌0∗)𝜃 = 𝑍𝑠 𝜌𝑠 (𝑋𝑇 − 𝑋0 ) (2.19)

Dimana 𝑌0∗ merupakan konsentrasi solut pada kesetimbangan dengan X0.

28

Gambar 2.8 Kurva Breaktrough Idealized. [11]

Pada eksperimen di laboratorium, pada Gs yang sama untuk digunakan dalam

skala besar, maka θs dapat dicari dari kurva breaktrough hasil pengukuran dengan luas

kiri dan 𝜃𝑠 yang sama. Dengan asumsi tidak terjadi channeling dan proses

pencampuran radial yang diabaikan, persamaan LUB dapat diturunkan sbb :

𝐿𝑈𝐵 = 𝑍 − 𝐺𝑠 𝜃𝐵(𝑌0− 𝑌0∗) 𝜌𝑠 (𝑋𝑇− 𝑋0 )

(2.20)

Sehingga, tinggi kolom pada skala industri akan diperoleh dengan

menjumlahkan LUB (tinggi kolom yang tidak terpakai) yang dapat dilihat dari

persamaan (2.18) dengan Zs (zona ketinggian adsorben jenuh) dimana Zs dapat

didefinisikan sebagai berikut:

𝑍𝑠 = 𝐺𝑠 𝜃𝐵(𝑌0− 𝑌0∗) 𝜌𝑠 (𝑋𝑇− 𝑋0 )

(2.21)

Dengan asumsi seluruh adsorbat terserap sempurna sebelum keadaan jenuh yang dapat

ditulisan 𝑌0∗ ≈ 0 dan konsentrasi adsorbat pada adsorben pada awal dianggap Xo ≈ 0,

maka tinggi kolom sesungguhnya adalah :

𝑍 = 𝐿𝑈𝐵 + 𝐺𝑠 𝜃𝐵(𝑌0) 𝜌𝑠 (𝑋𝑇 ) (2.22)

29

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tahap-Tahap Penelitian

Penelitian ini akan dibagi menjadi 2 tahap utama, yaitu tahap pertama

perancangan kolom dan pemodelan scale-up dan tahap kedua adalah tahap eksperimen

skala laboratorium dalam rangka mencari data-data dan penentuan parameter-parameter

yang mendukung penelitian ini. Berikut merupakan penjelasan tentang tahapan-tahapan

yang akan dilakukan pada penelitian ini.

3.1.1 Perancangan dan Pemodelan Scale-Up Kolom Adsorpsi.

Pada tahap ini, data-data yang dibutuhkan untuk perancangan kolom seperti laju

alir superficial, spesifikasi kolom, volume bed akan ditentukan. Hal-hal teknis tersebut

akan dirancang sesuai dengan tinjauan pustaka pada bab sebelumnya. Secara singkat,

berikut Tabel 3.1 menjelaskan tentang Rule-of-Thumb Perancangan Kolom Adsorpsi.

Tabel 3.1 Rule-of-Thumb Perancangan Kolom Adsorpsi

No Rule-of-Thumb Referensi

1 Gs = 5 – 10 gpm/sqft Wallas, et al. [19]

2 L/D ratio = 3

Dengan menggunakan aturan dalam Tabel 3.1, Flow Rate yang akan digunakan

pada penelitian ini dapat dihitung. Perlu diketahui bahwa untuk tahap Scale-Up kolom

adsorpsi, dibutuhkan flow rate superficial yang sama antara skala laboratorium dengan

skala industri. Sehingga, dari flow rate tersebut, kita bisa menentukan set-point berupa luas

permukaan kolom.

Tabel 3.2 merangkum data-data yang dibutuhkan untuk perancangan kolom

adsorpsi.

30

Tabel 3.2 Data-data yang dibutuhkan untuk perancangan kolom

No Data yang diperlukan Asal Data

1 Gs Literatur (Rule-of-Thumb)

2 Akolom → Dkolom → L/D ratio → Lkolom Set-point

3 Dpartikel Analisa Ayakan (mesh)

Berdasarkan persamaan – persamaan diatas, maka spesifikasi kolom akan

diperoleh setelah melakukan perhitungan perancangan kolom. Kemudian, setelah

spesifikasi kolom telah diperoleh maka akan dilanjutkan dengan penyusunan model scale-

up kolom adsorpsi. Tabel 3.4 menjelaskan persamaan-persamaan yang digunakan untuk

perhitungan scale-up kolom adsorpsi.

Tabel 3.3 Persamaan Scale-Up Kolom Adsorpsi

No Persamaan No Persamaan Referensi

1 𝑆𝑠𝐺𝑠

= 𝑌𝑜𝑋𝑇

(2.13) Treyball, et al.

[11]

2 𝐿𝑈𝐵 =

𝑍 (𝑠𝑘𝑎𝑙𝑎 𝑙𝑎𝑏)𝜃𝑠

(𝜃𝑠 − 𝜃𝐵) (2.18) Treyball, et al.

[11]

3 𝑍 (𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒 𝑢𝑝) = 𝐿𝑈𝐵 +

𝐺𝑠 𝜃𝐵(𝑌0 − 𝑌0∗) 𝜌𝑠 (𝑋𝑇 − 𝑋0 )

(2.20) Treyball, et al.

[11]

Tabel 3.3 merupakan tabel yang menjelaskan persamaan yang dibutuhkan pada

prosedur perhitungan scale-up kolom adsorpsi. Kebutuhan adsorben (Ss – laju adsorben)

akan diperoleh dari perhitungan. Berikut disertakan Tabel 3.4 merupakan data-data yang

dibutuhkan untuk menyelesaikan persamaan-persamaan diatas.

31

Tabel 3.4 Data-data yang dibutuhkan untuk Scale-Up.

No Data-data yang dibutuhkan Asal data

1 XT Penentuan Kesetimbangan Adsorpsi

(Lampiran)

2 Z (tinggi kolom) Perancangan Kolom

3 X0 ~ 0 Literatur

4 ρs (bulk density) Penentuan Bulk Density (Lampiran)

5 Konsentrasi keluaran vs waktu Tahap Eksperimen Kurva Breakthrough

(Lampiran)

3.1.2 Tahap Operasi Skala Laboratorium

Pada tahap ini, data-data penunjang yang dibutuhkan diatas (pada Tabel 3.2 dan

Tabel 3.4) akan ditentukan. Pada penelitian ini, digunakan limbah sintesis kromium

heksavalen dengan cara melarutkan garam K2Cr2O7 dengan air demineralisasi.

3.2 Alat dan Bahan Penelitian

Gambar 3.1 merupakan sketsa peralatan yang akan di buat pada penelitian ini.

Pada penelitian ini akan digunakan kolom adsorpsi karbon aktif untuk skala laboratorium.

Aliran fluida pada kolom karbon aktif dari atas ke bawah (downflow). Larutan

Cr6+ dialirkan dari tangki penampungan dengan bantuan pompa. Keluaran dari kolom

adsorpsi ini akan dianalisa dengan menggunakan metode spektrofotometri UV-Vis dan

AAS. Sedangkan daftar bahan yang akan digunakan pada penelitian ini disajikan dalam

Tabel 3.5.

32

Storage TankCentrifugal Pump

Bypass

F

Flowmeter

Gate Valve

Sampling Area

Outlet Tank

Globe Valve

Gambar 3.1 Skema Alat Kolom Adsorpsi Skala Laboratorium.

Tabel 3.5 Bahan yang Digunakan pada Penelitian.

Bahan Grade Kegunaan

1,5-diphenylcarbazide Pro Analysis Grade Untuk menganalisa kandungan Cr6+

Acetone Pro Analysis Grade Sebagai pelarut 1,5-diphenylcarbazide

Garam K2Cr2O7 Teknis Sebagai larutan limbah sintesis

Air demineralisasi Teknis Sebagai pelarut garam K2Cr2O7

H2SO4 98%-b Teknis Untuk menciptakan kondisi asam pada larutan Cr6+

Karbon Aktif Granular Teknis Sebagai adsorben Cr6+

33

BAB IV

PEMBAHASAN

4.1 Eksperimen Skala Laboratorium

Dalam bagian ini akan dibahas tentang seluruh eksperimen skala laboratorium

untuk memperoleh data-data yang dibutuhkan pada perhitungan scale-up. Pada

eksperimen skala laboratorium dilakukan dua percobaan utama, yaitu percobaan

kesetimbangan adsorpsi dan adsorpsi kontinu dalam kolom adsorpsi untuk menentukan

beberapa data yang dibutuhkan dalam rangka scale-up.

4.1.1 Kurva Standar Cr6+

Kurva standar untuk menentukan konsentrasi Cr6+ dengan metode kompleksasi

DPC menggunakan alat spektrofotometer perlu dibuat sebelum percobaan adsorpsi

dilakukan. Penentuan kurva standar dilakukan pada panjang gelombang 542 nm. Gambar

4.1 merupakan kurva standar untuk senyawa kompleks Cr6+ dengan 1,5-diphenylcarbazide

(DPC) pada konsentrasi 0, 1, 2, 3, 4 dan 5 ppm.

Gambar 4.1 Kurva Standar Cr6+ sebagai K2Cr2O7

Dari kurva standar tersebut diperoleh persamaan y = 0,0126 x dengan R2 = 0,9913

yang menunjukkan kurva standar tersebut sudah sangat baik dan dengan demikian dapat

dikatakan bahwa absorbansi pada spektofotometer berbanding lurus dengan konsentrasi

larutan Cr6+ sebagai K2Cr2O7.

34

4.1.2 Kesetimbangan Adsorpsi

Pada penelitian ini digunakan adsorben Jacobi Aquasorb 2000® yang biasa

digunakan pada industri-industri sebagai pengolahan limbah akhir. Karbon aktif yang

dipilih merupakan karbon aktif yang memiliki kapasitas yang paling tinggi dibandingkan

dengan karbon aktif lokal, dimana karbon aktif ini merupakan produk impor yang

diproduksi di Swedia dan berbahan baku batubara bituminuous. Karbon aktif tersebut

memiliki spesifikasi sebagai berikut.

Tabel 4.1 Tabel Spesifikasi C Aktif Jacobi Aquasorb 2000®

SPECIFICATION ket nilai unit Iodine Adsorption

min. 1000 mg/g Moisture content, as packed max. 5 % Total Ash Content max. 13 % Wetability min. 97 % Ball Pan hardness 95 % Mesh +8 – 30 mesh TYPICAL PROPERTIES nilai unit Surface Area 1050 m2/g

Methylene Blue Adsorption 280 mg/g Total Pore Volume 1.04 cm3/g Water Soluble Ash 0.2 % pH 8-11

Kesetimbangan adsorpsi dilakukan dengan 6 konsentrasi awal yang berbeda yaitu

10, 20, 30, 40, 50, dan 60 ppm. Ion Cr (VI) cenderung memiliki bentuk ion yang berbeda-

beda pada kondisi asam, diantaranya yaitu Cr2O72- , HCrO4

-, Cr3O102-, dan Cr4O13

2-

dimana HCrO4- merupakan bentuk yang paling dominan, HCrO4

- merupakan bentuk dari

kesetimbangan Cr2O72- yang dapat dilihat pada reaksi berikut [20] :

HCrO4- + HCrO4

- ↔ Cr2O72- + H2O

pH merupakan faktor yang sangat mempengaruhi pada kapasitas adsorpsi sebuah

adsorben untuk mengadsorpsi logam berat pada fasa cair [14]. Hal ini disebabkan pH

dapat mempengaruhi bentuk ion logam dalam larutan serta mempengaruhi muatan pada

permukaan adsorben selama adsorpsi berlangsung. Berdasarkan literatur [16], adsorpsi

Cr6+ memiliki kondisi adsorpsi optimum pada pH = 1,7. Oleh karena itu, sebelum proses

35

adsorpsi dilakukan larutan terlebih dulu ditambahkan H2SO4 hingga pH mencapai 1,7.

Adsorben C aktif memiliki pH 8-11 yang merupakan pH basa (mengacu pada Tabel 4.1 di

atas). Dengan demikian, maka dapat dikatakan bahwa titik isoelektrik C aktif berada pada

rentang basa. Titik isoelektrik merupakan pH dimana tidak terdapat muatan pada

permukaan C aktif atau bersifat netral [21]. Sedangkan, dalam percobaan adsorpsi yang

dilakukan pada pH = 1,7 permukaan C aktif akan memiliki muatan positif, dan karenanya

akan menjadi sangat baik untuk mengadsorpsi senyawa HCrO4- yang bermuatan negatif.

Berikut merupakan kurva kesetimbangan yang dialurkan berdasarkan Isoterm

Langmuir (Gambar 4.2) dan Isoterm Freundlich (Gambar 4.3).

Gambar 4.2 Kurva Isoterm Langmuir

y = 450,11x + 17,312 R² = 0,9077

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

1 / q

eq

1 / Ceq

Isoterm Langmuir

36

Gambar 4.3 Kurva Isoterm Freundlich

Berdasarkan kedua gambar tersebut, maka berdasarkan hasil regresi linier diperoleh

persamaan y = 450,11 x + 17, 312 dengan R2 = 0,9077 untuk Isoterm Langmuir dan

persamaan y = 0,7645 x – 5,928 dengan R2 = 0,8237 untuk Isoterm Freundlich.

Berdasarkan dari nilai R2 yang diperoleh, maka model isoterm yang cocok terhadap

penelitian ini adalah model Isoterm Langmuir sesuai dengan yang umumnya ditemukan

dalam literatur untuk adsorpsi fasa cair dengan C aktif.

Selain kedua isoterm diatas, untuk perhitungan scale-up agar diperoleh dimensi

kolom skala industri, dibutuhkan juga kurva kesetimbangan (Gambar 4.4) yang dibuat

berdasarkan persamaan berikut:

𝑿 = (𝑪𝒐 −𝑪𝒆) 𝑽𝒐𝒍𝒎𝒌𝒂𝒓𝒃𝒐𝒏

dan 𝒀 = 𝑪𝒆𝝆𝒂𝒊𝒓

y = 0,7645x - 5,928 R² = 0,8237

-6

-5

-4

-3

-2

-1

00 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

ln q

eq

ln Ceq

Isoterm Freundlich

37

Gambar 4.4 Kurva Kesetimbangan Adsorpsi

Kurva kesetimbangan tersebut menunjukkan bahwa hubungan antara konsentrasi

adsorbat Cr (VI) di fasa larutan pada kesetimbangan hampir berbanding lurus dengan

konsentrasi adosorbat di fasa C aktif. Hal ini disebabkan kesetimbangan adsorpsi yang

diperoleh pada konsentrasi yang rendah tersebut mendekati Isoterm Langmuir sehingga

masih merupakan hubungan yang linear. Isoterm Langmuir mengasumsikan bahwa

permukaan adosrben yang homogen dan adsorpsi berlangsung secara monolayer. Dalam

kenyataannya, permukaan C aktif tidak 100% homogen [14], sehingga terdapat perbedaan

sifat permukaan terhadap kesetimbangan adsorpsi yang dapat menjelaskan hubungan di

atas. Jika konsentrasi adsorbat dalam fasa cair cukup besar / tinggi, maka hubungan linear

ini (Isoterm Langmuir ideal) tidak akan berlaku lagi melainkan akan mencapai konsentrasi

adsorbat di fasa padat yang hampir konstan (plateau) sesuai dengan persamaan Isoterm

Langmuir.

Ion HCrO4- juga dapat membentuk kompleks dengan H2SO4 yang dapat dilihat

pada reaksi berikut [22] :

CrO3(OH)- + HSO4- → CrO3(OSO3)2- + H2O

dimana senyawa kompleks tersebut berbentuk tetrahedral. Namun demikian, karena

kompleks Cr dengan HSO4- di atas bermuatan listrik 2- sementara permukaan C aktif

bermuatan positif maka adsorpsi kompleks tersebut dapat terjadi dengan lebih mudah

dibandingkan dengan adsorpsi HCrO4- sebagai species yang dominan dalam larutan. Oleh

y = 0,0007x R² = 0,8172

0

0,000005

0,00001

0,000015

0,00002

0,000025

0,00003

0,000035

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045

Y =

kg a

dsor

bat /

kg

solv

ent

X = Kg adsorbat / kg adsorben

Kurva Kesetimbangan Adsorpsi

38

karena itu, hubungan linear kesetimbangan adsorpsi sedikit dipengaruhi adanya

kompleksasi sebagian ion Cr (VI) dengan HSO4-.

4.1.3 Adsorpsi Kolom Karbon Aktif Kontinu

Sama seperti pada percobaan isoterm, dalam percobaan adsorpsi kontinu larutan

K2Cr2O7 dikondisikan terlebih dahulu hingga pH = 1,7 dengan penambahan H2SO4.

Kemudian 3 buah percobaan dilakukan dengan konsentrasi awal K2Cr2O7 yang berbeda

yaitu 10 (RUN 1), 20 (RUN 2), dan 30 (RUN 3) ppm. Gambar 4.5 di bawah merupakan

kurva breaktrough dari ketiga percobaan ini.

Gambar 4.5. Kurva Breaktrough

Bentuk kurva breaktrough dalam penelitian ini dapat dikatakan tidak terlalu ideal,

hal ini karena bentuk kurva tersebut tidak curam. Hal ini merupakan indikasi bahwa zona

adsorpsi dalam kolom cukup lebar sehingga peningkatan konsentrasi Cr (VI) setelah

breakpoint (di mana C/Co = 0,05) terjadi secara perlahan-lahan. Beberapa hal yang

diduga menjadi penyebab adalah ion Cr (VI) cenderung memiliki bentuk ion yang berbeda-

beda pada kondisi asam, diantaranya yaitu Cr2O72- , HCrO4

-, Cr3O102-, dan Cr4O13

2-

dimana HCrO4- merupakan bentuk yang paling dominan sehingga adsorpsi ion Cr (VI)

tidak seragam di seluruh permukaan C aktif. Selain itu, ketidakseragaman aliran dalam

unggun, walaupun sudah diminimalkan dengan distributor cairan di puncak kolom, juga

merupakan faktor lain yang dapat berkontribusi pada ketidakidealan kurva breakthrough

tersebut.

Pengolahan limbah pada RUN 2 & 3 tidak mencapai baku mutu dapat disebabkan

tinggi unggun adsorben yang terlampau pendek (12 cm) sehingga zona adsorpsi telah

05

10152025303540

0 100 200 300 400

Kons

entr

asi C

r (pp

m)

waktu (min)

Kurva Breaktrough

RUN 1

RUN 2

RUN 3

39

mencapai dasar kolom sebelum semua Cr (VI) dapat diserap oleh unggun C aktif.

Sedangkan pada RUN 1 bisa dikatakan kolom C aktif telah dapat menyerap limbah sampai

mencapai titik breakpoint di sekitar 90 menit.

4.2 Scale-Up Kolom Adsorpsi dengan Menggunakan Metode Length of Unused Bed.

Langkah-langkah perhitungan scale-up kolom adsorpsi karbon aktif dibagi menjadi

4 bagian, antara lain langkah 1 mencari nilai Yo (Y umpan), Yb (Y pada saat

breakthrough) dan Ye (Y pada saat kolom jenuh / exhausted). Langkah ke 2 adalah

membuat basis perhitungan yang juga akan digunakan pada skala besar, dimana pada

penelitian ini Gs diatur sebesar 400 kg m-2 h-1 dengan waktu breaktrough 3 bulan. Langkah

ke 3 adalah menghitung LUB dengan persamaan 2.18 pada skala laboratorium, kemudian

dilanjutkan dengan langkah ke 4 yaitu menghitung scale-up kolom adsorpsi.

Pada langkah ke-4, perhitungan dimulai dengan persamaan 2.19 dengan mencari

nilai Xt (mg K2Cr2O7 / mg AC) dengan menggunakan persamaan kesetimbangan adsorpsi

pada saat Y=Yo, kemudian dilanjutkan dengan mencari Zs (tinggi unggun jenuh),

kemudian penentuan Z (tinggi unggun skala industri) dan spesifikasi kolom berdasarkan

rule of thumb. Tabel 4.2 berikut ini memuat rangkuman hasil perhitungan scale up.

Tabel 4.2 Spesifikasi Kolom Scale-Up RUN 1.

Keterangan Nilai Satuan Zs = 1.24067 m Z 1.31357 m D kolom = 0.65678 m L kolom = 1.97035 m A pmukaan kolom = 0.33862 m2 Laju alir (massa) 135.449 kg/h

Laju alir (volumetrik) 0.13585 m3/h 135.846 L/h

Pada penelitian ini dapat dikatakan bahwa seluruh kolom masih dalam spesifikasi

yang sesuai dengan rule of thumb yang telah dihimpun dari tinjauan pustaka [19].

40

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan dari penelitian “Perancangan Kolom Adsorpsi Karbon Aktif untuk

Pengolahan Limbah Kromium Heksavalen” adalah :

1. Karbon Aktif Granular dengan merek dagang Jacobi Aquasorb®

dapat mengadsorpsi Cr6+ dengan cukup baik.

2. Persamaan kesetimbangan adsorpsi untuk adsorpsi Cr (VI) pada pH

1,7 dengan rentang konsentrasi awal Cr (VI) sebagai K2Cr2O7 antara

10 – 60 ppm adalah Y = 7,042 x10-4 X.

3. Kurva Breaktrough yang didapat dari hasil penelitian ini tidak

terlampau ideal karena ketidakseragaman permukaan dan aliran pada

unggun adsorben.

4. Berdasarkan hasil perhitungan Scale-Up kolom karbon aktif dengan

menggunakan metode Length of Unused Bed, diperoleh spesifikasi

kolom dengan diameter 0,66 m dengan tinggi 1,97 m dapat mengolah

limbah Cr (VI) setara dengan 10 ppm K2Cr2O7 dengan Gs sebesar

400 kg m-2 h-1 dan waktu breaktrough selama 3 bulan.

41

DAFTAR PUSTAKA

[1] H. Chiu, K. Tsang and R. Lee, “Treatment of Electroplating Wastes,” 1987.

[2] K. L. H. N. R. Indonesia, Keputusan Menteri Negara Lingkungan Hidup No : KEP-51/MENLH/10/1995, DKI Jakarta, Indonesia: Negara Republik Indonesia, 1995.

[3] H. A. Hegazi, “Removal of Heavy Metals from Wastewater Using Agricultural and Industrial Wastes as Adsorbents,” vol. 9, no. 276-282, 2013.

[4] W. C. Blackman, Bazic Hazardous Waste Management 3rd Edition, New York, United States of America: CRC Press LLC, 2001.

[5] Undang Undang Negara Republik Indonesia No. 32 Tahun 2009, Jakarta, Indonesia: Kementrian Lingkungan Hidup, 2009.

[6] L. K. Wang, Y.-T. Hung, H. H. Lo dan C. Yapijakis, Hazardous Industrial Waste Treatment, New York, U.S.A: CRC Taylor & Francis Press, 2007.

[7] I. Woodard Curran, Industrial Waste Treatment Handbook, United States of America: Elsevier/Butterworth-Heinemann, 2006.

[8] E. P. Agency, “Compiation of Air Pollutant Emission Factors, Vol I,” dalam Stationary Point and Area Sources AP-42, USA, U.S. Environmental Protection Agency, 1995.

[9] A. Husain, I. Javed dan N. A. Khan, “Characterization and treatment of electroplating industry wastewater using Fenton's reagent,” 2014 .

[10] R. Chang, Essential Chemistry, Second Edition., Boston, USA: McGraw-Hill, 2000.

[11] R. E. Treybal, Mass Transfer Operations, Singapore: Mc Graw-Hill, 1981.

[12] J. Smith, “Chemical Engineering Kinetics, Third Edition.,” vol. III, 1981.

[13] M. D. Levan dan C. Giorgio, Perry's Chemical Engineering Handbook, USA: McGraw-Hill , 2008.

[14] W. J. Thomas dan B. Crittenden, Adsorption Technology & Design, Lymington, GB: Elsevier/ Butterworth-Heinemann, 1998.

[15] F. Cecen dan O. Aktas, Activated Carbon for Water and Wastewater Treatment: Integration of Adsorption and Biological Treatment, Weinheim: Wiley-VCH, 2011.

42

[16] A. Attia, S. Khedr dan S. Elkholy, “Adsorption of Chromium Ion (VI) By Acid Activated Carbon,” Brazilian Journal of Chemical Engineering, vol. 27, no. 1, pp. 183-193, 2010.

[17] C. Geankoplis, Transport Processes and Separation Process Principles (Includes Unit Operations), Fourth Edition., New Jersey, U.S.A.: Pearson Prentice Hall, 2003.

[18] B. E., A. Jimoh dan J. Odigure, “Heavy Metals Removal from Industrial Wastewater by Activated Carbon Prepared from Coconut Shell,” vol. 3, no. 8, 2013.

[19] S. M. Wallas, Chemical Process Equipment, Selection and Design, Washington, DC.: Butterworth-Heinemann, 1990.

[20] C. D. Palmer dan R. Puls, Natural Attenuation of Hexavalent Chromium in

Groundwater and Soils, EPA/540/5-94/505, New York: United States Environmental

Protection Agency, 1994.

[21] A. D. McNaught dan A. Wilkinson, IUPAC. Compendium of Chemical

Terminology, 2nd ed. (the " Gold Book"), Oxford: Blackwell Scientific Publications,

1997.

[22] F. Cotton dan G. Wilkinson, Advanced Inorganic Chemistry, New York: John

Wiley & Sons, 1972.

43

LAMPIRAN

PROSEDUR KERJA DAN ANALISA DALAM PENELITIAN

Prosedur Kerja Secara Umum (Menyeluruh)

Percobaan Pendahuluan

Prosedur Perhitungan Perancangan Kolom Adsorpsi

Tahap Percobaan Skala Laboratorium

Metode Analisa

Pengolahan Data Pengamatan

44

Percobaan Pendahuluan

Percobaan Pendahuluan dilakukan untuk mengetahui variabel-variabel yang

dibutuhkan dalam perancangan kolom adsorpsi karbon aktif. Berikut merupakan

langkah-langkah yang akan dilakukan pada percobaan pendahuluan.

A. Penentuan Bulk Density

1. Gelas Ukur 1000mL ditimbang pada neraca analitik.

2. Karbon aktif granular yang telah diayak dengan mesh 35

dimasukkan ke gelas ukur

3. Gelas ukur yang berisi karbon aktif granular ditimbang pada neraca

analitik.

B. Pencarian rasio Diameter partikel/Diameter Kolom (Dp/Dk)

1. Larutan K2Cr2O7 disiapkan dengan melarutkan garam K2Cr2O7

pada air demineralisasi.

2. H2SO4 pekat ditambahkan pada larutan K2Cr2O7 hingga pH=1,7.

3. Larutan tersebut kemudian di alirkan melalui kolom berbagai

ukuran yang berisi karbon aktif.

4. Keluaran kolom tersebut ditampung pada interval waktu tertentu

5. Sampel dianalisa dengan menggunakan metode analisa.

45

Prosedur Perhitungan Perancangan Kolom Adsorpsi

Setelah variabel yang dibutuhkan telah diperoleh, maka penelitian ini masuk ke

tahap kerja berikutnya, yaitu perhitungan perancangan kolom adsorpsi. Berikut

merupakan prosedur perhitungan perancangan kolom adsorpsi.

1. Nilai Gs ditentukan sebesar 7.5 gpm/sqft.

2. Dengan diameter partikel mesh 35, akan didapat Dk yang didapat dari

percobaan pendahuluan.

3. Hitung volume kolom dengan rasio L/Dk. Kemudian tentukan berat

adsorben karbon aktif dengan menggunakan data dari penentuan bulk

density pada percobaan pendahuluan.

Prosedur Tahap Percobaan Skala Laboratorium

Pada tahap ini akan dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu tahap

kesetimbangan adsorpsi, pre treatment larutan kromium heksavalen, tahap operasi dan

prosedur perhitungan scale up. Berikut merupakan prosedur yang akan dilakukan pada

tahap ini:

A. Kesetimbangan Adsorpsi

1. Larutan K2Cr2O7 dengan konsentrasi bervariasi (8 konsentrasi)

disiapkan dalam 100 mL dengan labu ukur. Kemudian ditambahkan

H2SO4 98%-b hingga pH = 1,7

2. Larutan tersebut dimasukkan pada Erlenmeyer 250mL, kemudian

ditambahkan Karbon Aktif Granular sebanyak 10g dan magnetic

stirrer.

3. Erlenmeyer diletakkan pada hotplate dengan suhu ruang, magnetic

stirrer dinyalakan dengan rpm yang menyesuaikan.

4. Sample diambil sebanyak 15 mL setiap 30 menit hingga data

konstan sebanyak 4 titik

5. Sample dianalisa dengan metode analisa.

46

B. Pre-Treatment Larutan Kromium Heksavalen

1. Padatan garam K2Cr2O7 dilarutkan pada air demineralisasi dengan

konsentrasi tertentu (sesuai dengan variasi konsentrasi) dan volume

tertentu.

2. Larutan K2Cr2O7 ditambahkan Larutan H2SO4 98%-b hingga pH =

1,7

3. Larutan dimasukkan ke tangki penampungan (storage tank)

C. Tahap Eksperimen Kurva Breakthrough

1. Kolom adsorpsi diisi dengan karbon aktif granular sesuai dengan

ketinggian yang diperoleh dari spesifikasi kolom

2. Larutan umpan dimasukkan pada storage tank (setelah di pre-

treatment)

3. Pompa dinyalakan dan laju alir diatur

4. Stopwatch dinyalakan ketika umpan kontak dengan karbon aktif

5. Pengambilan sampel (20 mL) dilakukan setiap interval waktu

tertentu, hingga konsentrasi keluaran sama dengan konsentrasi

umpan.

6. Sampel dianalisa dengan menggunakan metode analisa.

D. Perhitungan Scale-Up

1. Data yang diperoleh pada tahap operasi dihitung fraksi massanya

(Y)

2. Plot Y terhadap waktu, tentukan waktu breaktough dan waktu

kejenuhan pada grafik tersebut.

3. Hitung LUB skala laboratorium dengan persamaan 2.18

4. Pada skala industri dengan kondisi Gs, Yo, dan Xo yang sama

dengan skala lab, kemudian waktu breaktrough ditentukan sesuai

dengan yang diinginkan, sehingga tinggi kolom pada skala industri

47

akan didapat dengan persamaan 2.20 dengan LUB yang sama

dengan skala laboratorium.

Metode Analisa

Senyawa 1.5-diphenylcarbazide akan digunakan pada penelitian ini. Untuk

mendapatkan konsentrasi yang akurat pada penelitian ini, maka larutan ini harus dibuat

pada awal penelitian agar konsentrasi yang diperoleh homogen. Analisa yang digunakan

disini adalah dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visible dan AAS (Atomic

Absorption Spectroscopy). Berikut merupakan langkah-langkah metode analisa dengan

menggunakan spektrofotometer UV-Visible:

A. Pembuatan Larutan 1.5-diphenylcarbazide

1. Padatan 1.5-diphenylcarbazide dilarutkan pada Acetone dengan

konsentrasi 5000ppm pada labu ukur

2. Larutan dikocok hingga homogen dan disimpan pada wadah

gelap dan tertutup rapat.

B. Pembuatan Larutan Sampel Spektrofotometri

1. Larutan sampel yang telah disaring diambil sebanyak 15 mL

2. Lautan sampel ditambahkan larutan 1.5-diphenylcarbazide

sebanyak 100µL dengan menggunakan mikropipet

3. Larutan didiamkan selama 5-20 menit kemudian di

spektrofotometri.