ADSORPSIKIMIA FISIK II

JURUSAN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG

2008

I. PENDAHULUAN

Latar Belakang

Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Seperti halnya

kinetika kimia, kinetika adsorpsi juga berhubungan dengan laju reaksi. Hanya

saja, kinetika adsorpsi lebih khusus, yang hanya membahas sifat penting dari

permukaan zat. Adsorpsi digunakan untuk menyatakan bahwa zat lain yang

terserap pada zat itu, misalnya karbon aktif dapat menyerap molekul asam

asetat dalam larutannya. Tiap partikel adsorban dikelilingi oleh molekul yang

diserap karena terjadi interaksi tarik-menarik. Zat-zat yang terlarut dapat

diadsorpsi oleh zat padat, misalnya CH3COOH oleh karbon aktif, NH3 oleh

karbon aktif, fenolftalein dari larutan asam atau basa oleh karbon aktif, Ag+

atau Cl- oleh AgCl. C lebih baik menyerap non elektrolit dan makin besar BM

semakin baik. Zat anorganik lebih baik menyerap elektrolit. Adanya pemilihan

zat yang diserap menyebabkan timbulnya adsorpsi negatif. Dalam larutan

KCl, H2O diserap oleh arang darah, hingga konsentrasi naik.

Partikel sol padat ditempatkan dalam zat cair atau gas, maka partikel zat cair

atau gas akan terakumulasi. Fenomena ini juga disebut adsorpsi. Jadi sdsorpsi

terkait dengan penyerapan partikel pada permukaan zat. Partikel koloid sol

memiliki kemampuan untuk mengadsorpsi partikel pendispersi pada

permukaanya. Daya adsorpsi partikel koloid tergolong besar Karena

partikelnya memberikan sesuatu permukaan yang luas. Sifat ini telah

digunakan dalam berbagai proses seperti penjernihan air.

Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik cairan

maupun gas) pada proses adsorpsi. Adsorben yang paling banyak dipakai

untuk menyerap zat-zat dalam larutan adalah arang. Zat ini banyak dipakai di

pabrik untuk menghilangkan zat-zat warna dalam larutan. Penyerapan bersifat

selektif, yang diserap hanya zat terlarut atau pelarut sangat mirip dengan

penyerapan gas oleh zat padat. Ketika pelarut yang mengandung zat terlarut

tersebut kontak dengan adsorben, terjadi perpindahan massa zat terlarut dari

pelarut ke permukaan adsorben, sehingga konsentrasi zat terlarut di dalam

cairan dan di dalam padatan akan berubah terhadap waktu dan posisinya

dalam kolom adsorpsi.

Rumusan Masalah

Berdasarkan uraian pada latar belakang, maka perumusan masalah dalam

makalah ini adalah :

1. Apakah adsorpsi itu?

2. Apa yang mempengaruhi besar kecilnya adsorpsi?

3. Bagaimana proses adsorpsi arang aktif?

II. PEMBAHASAN

Adsorpsi

Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Adsorpsi adalah

suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat pada

suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada

permukaan padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi dimana fluida terserap

oleh fluida lainnya dengan membentuk suatu larutan.

Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut

(soluble) yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penyerap,

dimana terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penyerapnya.

Definisi lain menyatakan adsorpsi sebagai suatu peristiwa penyerapan pada

lapisan permukaan atau antar fasa, dimana molekul dari suatu materi

terkumpul pada bahan pengadsorpsi atau adsorben.

Adsorpsi adalah pengumpulan dari adsorbat diatas permukaan adsorben,

sedang absorpsi adalah penyerapan dari adsorbat kedalam adsorben dimana

disebut dengan fenomena sorption. Materi atau partikel yang diadsorpsi

disebut adsorbat, sedang bahan yang berfungsi sebagai pengadsorpsi disebut

adsorben.

Adsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika (disebabkan oleh

gaya Van Der Waals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk

cairan) yang ada pada permukaan adsorbens) dan adsorpsi kimia (terjadi

reaksi antara zat yang diserap dengan adsorben, banyaknya zat yang

teradsorbsi tergantung pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi

tekanan dan suhu)

1. Adsorpsi fisika

Berhubungan dengan gaya Van der Waals. Apabila daya tarik menarik

antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar dari daya tarik menarik

antara zat terlarut dengan pelarutnya, maka zat yang terlarut akan

diadsorpsi pada permukaan adsorben. Adsorpsi ini mirip dengan

proses kondensasi dan biasanya terjadi pada temperatur rendah pada

proses ini gaya yang menahan molekul fluida pada permukaan solid

relatif lemah, dan besarnya sama dengan gaya kohesi molekul pada

fase cair (gaya van der waals) mempunyai derajat yang sama dengan

panas kondensasi dari gas menjadi cair, yaitu sekitar 2.19-21.9 kg/mol.

Keseimbangan antara permukaan solid dengan molekul fluida biasanya

cepat tercapai dan bersifat reversibel.

2. Adsorpsi Kimia

Yaitu reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat terlarut yang

teradsorpsi. Adsorpsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang

jauh lebih besar daripada Adsorpsi fisika. Panas yang dilibatkan adalah

sama dengan panas reaksi kimia. Menurut Langmuir, molekul

teradsorpsi ditahan pada permukaan oleh gaya valensi yang tipenya

sama dengan yang terjadi antara atom-atom dalam molekul. Karena

adanya ikatan kimia maka pada permukaan adsorbent akan terbentuk

suatu lapisan atau layer, dimana terbentuknya lapisan tersebut akan

menghambat proses penyerapan selanjutnya oleh batuan adsorbent

sehingga efektifitasnya berkurang.

2.2 Kinetika Adsorpsi

Seperti halnya kinetika kimia, kinetika adsorpsi juga berhubungan dengan laju

reaksi. Hanya saja, kinetika adsorpsi lebih khusus, yang hanya membahas sifat

penting dari permukaan zat. Kinetika adsorpsi yaitu laju penyerapan suatu

fluida oleh adsorben dalam suatu jangka waktu tertentu. Kinetika adsorpsi

suatu zat dapat diketahui dengan mengukur perubahan konsentrasi zat

teradsorpsi tersebut, dan menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta

memplotkannya pada grafik. Kinetika adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan

adsorpsi. Kecepatan adsorpsi dapat didefinisikan sebagai banyaknya zat yang

teradsorpsi per satuan waktu. Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi

dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya :

Macam adsorben

Macam zat yang diadsorpsi (adsorbate)

Luas permukaan adsorben

Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate)

Temperatur

2.3 Adsorben

Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik cairan

maupun gas) pada proses adsorpsi. Umumnya adsorben bersifat spesifik,

hanya menyerap zat tertentu. Dalam memilih jenis adsorben pada proses

adsorpsi, disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang akan diadsorpsi.

Adsorben yang paling banyak dipakai untuk menyerap zat-zat dalam larutan

adalah arang. Karbon aktif yang merupakan contoh dari adsorpsi, yang

biasanya dibuat dengan cara membakar tempurung kelapa atau kayu dengan

persediaan udara (oksigen) yang terbatas. Tiap partikel adsorben dikelilingi

oleh molekul yang diserap karena terjadi interaksi tarik menarik. Zat ini

banyak dipakai di pabrik untuk menghilangkan zat-zat warna dalam larutan.

Penyerapan bersifat selektif, yang diserap hanya zat terlarut atau pelarut

sangat mirip dengan penyerapan gas oleh zat padat. Beberapa jenis adsorben

yang biasa digunakan yaitu :

a. Karbon aktif/ arang aktif/ norit

Sejak perang dunia pertama arang aktif produksi dari peruraian kayu sudah

dikenal sebagai adsorben atau penyerap yang afektif sehingga banyak dipakai

sebagai adsorben pada topeng gas Arang aktif adalah bahan berupa karbon

bebas yang masing-masing berikatan secara kovalen atau arang yang telah

dibuat dan diolah secara khusus melalui proses aktifasi, sehingga pori-porinya

terbuka dan dengan demikian mempunyai daya serap yang besar terhadap zat-

zat lainnya, baik dalam fase cair maupun dalam fase gas. Dengan demikian,

permukaan arang aktif bersifat non-polar. Struktur pori berhubungan dengan

luas permukaan, dimana semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan

luas permukaan semakin besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi

bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi, dianjurkan

menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Karbon aktif ini cocok

digunakan untuk mengadsorpsi zat-zat organik. Komposisi arang aktif terdiri

dari silika (SiO2), karbon, kadar air dan kadar debu. Unsur silika merupakan

kadar bahan yang keras dan tidak mudah larut dalam air, maka khususnya

silika yang bersifat sebagai pembersih partikel yang terkandung dalam air

keruh dapat dibersihkan sehingga diperoleh air yang jernih.

Bahan baku yang berasal dari hewan, tumbuh-tumbuhan, limbah maupun

mineral yang mengandung karbon dapat dibuat menjadi arang aktif yaitu

dibuat melalui proses pembakaran secara karbonisasi (aktifasi) dari semua

bahan yang mengandung unsur karbon dalam tempat tertutup dan dioksidasi/

diaktifkan dengan udara atau uap untuk menghilangkan hidrokarbon yang

akan menghalangi/ mengganggu penyerapan zat organik Bahan tersebut antar

lain tulang, kayu lunak maupun keras, sekam, tongkol jagung, tempurung

kelapa, ampas penggilingan tebu, ampas pembuatan kertas, serbuk gergaji, dan

batubara.

Pembuatan arang aktif

Secara umum dan sederhana, proses pembuatan arang aktif terdiri dari 3 tahap,

yaitu :

1. Dehidrasi : proses penghilangan air dimana bahan baku dipanaskan

sampai temperatur 170°C.

2. Karbonisasi : pemecahan bahan-bahan organik menjadi karbon.

Suhu diatas 170°C akan menghasilkan CO dan CO2. Pada suhu 275°C,

dekomposisi menghasilkan “tar”, methanol dan hasil samping lainnya.

Pembentukan karbon terjadi pada temperatur 400-600°C.

3. Aktifasi : dekomposisi tar dan perluasan pori-pori. Dapat dilakukan

dengan uap atau CO2 sebagai aktifator.

Yang dimaksud dengan aktifasi adalah suatu perlakuan terhadap arang yang

bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan

hidrokarbon atau mengoksidasi molekul-molekul permukaan sehingga arang

mengalami perubahan sifat, baik fisika maupun kimia, yaitu luas

permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi.

Arang aktif mempunyai warna hitam, tidak berasa dan tidak berbau, berbentuk

bubuk dan granular, mempunyai daya serap yang jauh lebih besar

dibandingkan dengan arang yang belum mengalami proses aktifasi,

mempunyai bentuk amorf yang terdiri dari plat-plat dasar dan disusun oleh

atom-atom karbon C yang terikat secara kovalen dalam suatu kisi yang

heksagon. Plat-plat ini bertumpuk satu sama lain membentuk kristal-kristal

dengan sisa-sisa hidrokarbon yang tertinggal pada permukaan. Dengan

menghilangkan hidrokarbon tersebut melalui proses aktifasi, akan didapatkan

suatu arang atau karbon yang membentuk struktur jaringan yang sangat halus

atau porous sehingga permukaan adsorpsi atau penyerapan yang besar dimana

luas permukaan adsorpsi dapat mencapai 300-3500 cm2/gram.

Proses pembuatan arang aktif dibagi menjadi 2, yaitu :

1) Proses Kimia

Bahan baku dicampur dengan bahan-bahan kimia tertentu, kemudian

dibuat padat. Selanjutnya padatan tersebut dibentuk menjadi batangan dan

dikeringkan serta dipotong-potong. Aktifasi dilakukan pada temperatur

100°C. Arang aktif yang dihasilkan dicuci dengan air selanjutnya

dikeringkan pada temperatur 300°C. Dengan proses kimia, bahan baku

dapat dikarbonisasi terlebih dahulu, kemudian dicampur dengan bahan-

bahan kimia.

2) Proses Fisika

Bahan baku terlebih dahulu dibuat arang. Selanjutnya arang tersebut

digiling, diayak untuk selanjutnya diaktifasi dengan cara pemanasan pada

temperatur 1000°C yang disertai pengaliran uap.

Penyerapan Bahan - bahan Terlarut Dengan Arang Aktif

Sifat arang aktif yang paling penting adalah daya serap. Untuk menghilangkan

bahan-bahan terlarut dalam air, biasa menggunakan arang aktif dengan

mengubah sifat permukaan partikel karbon melalui proses oksidasi. Partikel

ini akan menyerap bahan-bahan organik dan akan terakomulasi pada bidang

permukaannya. Pada umumnya ion organik dapat diturunkan dengan arang

aktif.

Adsorpsi oleh arang aktif akan melepaskan gas, cairan dan zat padat dari

larutan dimana kecepatan reaksi dan kesempurnaan pelepasan tergantung pada

pH, suhu, konsentrasi awal, ukuran molekul, berat molekul dan struktur

molekul. Penyerapan terbesar adalah pada pH rendah. Dalam Laboratorium

Manual disebutkan bahwa pada umumnya kapasitas penyerapan arang aktif

akan meningkat dengan turunnya pH dan suhu air. Pada pH rendah aktifitas

dari bahan larut dengan larutan meningkat sehingga bahan-bahan larut untuk

tertahan pada arang aktif lebih rendah.

Proses adsorpsi arang aktif dapat digambarkan sebagai molekul yang

meninggalkan zat pengencer yang terjadi pada permukaan zat padat melalui

ikatan kimia maupun fisika. Molekul tersebut digunakan sebagai adsorbat dan

zat padat disebut adsorben arang aktif. Adapun adsorpsi yang terjadi pada

arang aktif dapat bersifat :

1. Adsorpsi Fisika

Adsorpsi fisika terjadi berdasarkan ikatan fisika antara zat-zat dengan

arang aktif dalam keadaan suhu rendah dengan penyerapan relative kecil.

2. Adsorpsi Kimia

Adsorpsi kimia terjadi berdasarkan ikatan kimia antara adsorben (arang

aktif) dengan zat-zat teradsopsi. Dijelaskan pula bahwa bahan dalam

larutan yang bersifat elektrolit akan diserap lebih efektif dalam suasana

basa oleh arang aktif. Sedangkan bahan dalam larutan yang bersifat non

elektrolit penyerapan arang aktif tidak dipengaruhi oleh sifat keasaman

atau sifat kebasaan larutan.

Dalam hal ini, ada beberapa faktor yang mempengaruhi daya serap adsorpsi,

yaitu:

Sifat serapan

banyak senyawa yang dapat diadsorpsi oleh arang aktif, tetapi

kemampuannya untuk mengadsorpsi berbeda untuk masing-masing

senyawa. Adsorpsi akan bertambah besar sesuai dengan bertambahnya

ukuran molekul serapan dari struktur yang sama, seperti dalam deret

homolog. Adsorpsi juga dipengaruhi oleh gugus fungsi, posisi gugus

fungsi, ikatan rangkap, dan struktur rantai dari senyawa serapan.

Temperatur

Dalam pemakaian arang aktif dianjurkan untuk mengamati temperatur

pada saat berlangsungnya proses. Faktor yang mempengaruhi

temperatur proses adsorpsi adalah viskositas dan stabilitas senyawa

serapan. Jika pemanasan tidak mempengaruhi sifat-sifat senyawa

serapan, seperti terjadi perubahan warna maupun dekomposisi, maka

perlakuan dilakukan pada titik didihnya. Untuk senyawa volatil,

adsorpsi dilakukan pada temperatur kamar atau bila memungkinkan

pada temperatur yang lebih rendah.

pH (derajat keasaman)

Untuk asam-asam organik, adsorpsi akan meningkat bila pH

diturunkan, yaitu dengan penambahan asam-asam mineral. Ini

disebabkan karena kemampuan asam mineral untuk mengurangi

ionisasi asam organik tersebut. Sebaliknya apabila pH asam organik

dinaikkan yaitu dengan penambahan alkali, adsorpsi akan berkurang

sebagai akibat terbentuknya garam.

Waktu singgung

Bila arang aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu

untuk mencapai kesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding

terbalik dengan jumlah arang yang digunakan.

Selisih ditentukan oleh dosis arang aktif, pengadukan juga

mempengaruhi waktu singgung. Pengadukan dimaksudkan untuk

memberi kesempatan pada partikel arang aktif untuk bersinggungan

dengan senyawa serapan.

Secara garis besar penyerapan arang aktif terhadap zat yang terlarut adalah:

1. Zat teradsorpsi berpindah dari larutannya menuju lapisan luar dari

adsorben (arang).

2. Zat teradsorpsi diserap oleh permukaan arang aktif.

3. Zat teradsorpsi akhirnya diserap oleh permukaan dalam atau permukaan

porous arang.

Adapun secara umum faktor yang menyebabkan adanya daya serap dari arang

aktif adalah :

1. Adanya pori-pori mikro yang jumlahnya besar pada arang aktif sehingga

menimbulkan gejala kapiler yang menyebabkan adanya daya serap.

2. Adanya permukaan yang luas (300 – 3500 cm2/gram) pada arang aktif

sehingga mempunyai kemampuan daya serap yang besar.

Menurut SII No.0258-79, arang aktif yang baik mempunyai persyaratan

seperti yang tercantum pada tabel dibawah ini :

Tabel1. Spesifikasi karbon aktif

JENIS PERSYARATAN

Bagian yang hilang pada pemanasan 950°C Maks. 15%

Air Maks. 10%

Abu Maks. 2,5%

Bagian yang tidak diperarang Tidak nyata

Daya serap terhadap larutan Min. 20%

b. Gel Silika

Merupakan bahan yang terbuat dari add treatment dari larutan sodium silikat

yang dikeringkan. Luas permukaanya 600-800 m2/g dengan diameter pori

antara 20-50Á. Gel silika cocok digunakan untuk mengadsorpsi gas dehidrat

dan untuk memisahkan hidrokarbon.

c. Alumina Aktif

Alumina aktif cocok digunakan untuk mengadsorpsi gas kering dan Liquid.

Luas permukaannya 200-500 m2/g dan diameter porinya 20-140Á.

III. KESIMPULAN

Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Adsorpsi adalah

suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat pada

suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada

permukaan padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi dimana fluida terserap

oleh fluida lainnya dengan membentuk suatu larutan.

Kinetika adsorpsi yaitu laju penyerapan suatu fluida oleh adsorben dalam

suatu jangka waktu tertentu. Kinetika adsorpsi suatu zat dapat diketahui

dengan mengukur perubahan konsentrasi zat teradsorpsi tersebut, dan

menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta memplotkannya pada

grafik. Kinetika adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan adsorpsi. Kecepatan

adsorpsi dapat didefinisikan sebagai banyaknya zat yang teradsorpsi per

satuan waktu. Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi dipengaruhi oleh

beberapa hal, diantaranya macam adsorben dan zat yang diadsorpsi

(adsorbate), luas permukaan adsorben, konsentrasi zat yang diadsorpsi

(adsorbate), dan temperatur.

Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik cairan

maupun gas) pada proses adsorpsi. Umumnya adsorben bersifat spesifik,

hanya menyerap zat tertentu. Karbon aktif yang merupakan contoh dari

adsorpsi, yang biasanya dibuat dengan cara membakar tempurung kelapa atau

kayu dengan persediaan udara (oksigen) yang terbatas. Tiap partikel adsorben

dikelilingi oleh molekul yang diserap karena terjadi interaksi tarik menarik.

DAFTAR PUSTAKA

Atkins, P.W., 1997, Kimia Fisika Jilid 2, Erlangga, Jakarta.

Brady, James, 1999, Kimia Untuk Universitas, Erlangga, Jakarta.