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 โ 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 Aquasorbยฎ 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 โtoxicโ atau bahan beracun, dan yang kedua adalah โhazardousโ
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 โtoxic substanceโ yaitu zat-zat beracun, atau โtoxic chemicalโ yaitu zat kimia
5
beracun) . Kata โtoxicโ 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 140ยฐF. [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
60ยฐC (140ยฐF).
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 55ยฐC (130ยฐF)
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 โGC-Mass Specโ. [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 โ 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- โ 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
ยตm โ 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 400-500ยฐC untuk
menghilangan material organik volatil yang menyumbat pori-pori bahan, dan setelah itu
proses dilanjutkan dengan memanaskan bahan antara 800-1000ยฐC. 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 Henryโs 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:
๐ = ๐พ ๐ (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 :
๐ = ๐๐ ๐๐พ+๐
(2.2)
18
dimana q (kg adsorbat/kg adsorben) dan c (kg adsorbat/m3) adalah
konsentrasi adsorbat saat kesetimbangan, sementara ๐๐ adalah
kapasitas adsorben (kg adsorbat/kg adsorben) dan K adalah konstanta
(bersatuan kg/m3). Dengan membuat kurva antara 1/ ๐ terhadap 1/ ๐
maka akan diperoleh slope ๐พ /๐๐ dan dengan intercept 1/๐๐ [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 :
๐ = ๐พ ๐๐ (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) โ (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 โ 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 โ wB.
Gambar 2.6 Kurva Breakthrough. [11]
24
Zona adsorpsi memiliki ketinggian Za, dimana Za merupakan bagian dari
unggun (Gambar 2.7 โ a) dan akan mengalami perubahan konsentrasi adsorbat antara
YB dan YE. Waktu yang dibutuhkan zona tersebut mengalami perubahan konsentrasi dari
YB menjadi YE adalah ฮธa , yang dapat didefinisikan sebagai berikut :
๐๐ = ๐ค๐๐บ๐
(2.4)
Saat keadaan dimana unggun sudah tidak terdapat lagi zona adsorpsi (jenuh),
maka waktu ฮธE dapat didefinisikan sebagai berikut :
๐๐ธ = ๐ค๐ธ๐บ๐
(2.5)
Jika tinggi unggun adsorben total dapat didefinisikan sebagai Z, dan ฮธF
merupakan waktu yang dibutuhkan untuk pembentukan zona adsorpsi, maka dapat
didefinisikan sbb :
๐๐ = ๐ ๐๐๐๐ธโ ๐๐น
(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 :
๐ = โซ (๐๐ โ ๐) ๐๐ค๐ค๐ธ๐ค๐ต
(2.7)
Namun jika zona adsorpsi telah jenuh dengan zat terlarut, maka zona tersebut
mengandung ๐๐ ๐ค๐ 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 :
๐ = ๐ ๐๐ ๐ค๐
= โซ (๐๐โ๐) ๐๐ค๐ค๐ธ๐ค๐ต
๐๐ ๐ค๐ (2.8)
Jika f = 0, maka adsorben pada zona adsorpsi tersebut sudah jenuh, pada
waktu pembentukan zona pada atas unggun ฮธF secara substansial sama dengan ฮธa 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 ๐๐น mendekati 0. Kondisi batas ini
dapat di deskripsikan sbb :
๐๐น = (1 โ ๐) ๐๐ (2.9)
Maka, berdasarkan kondisi diatas, persamaan (2.6) dan persamaan (2.9) akan
menghasilkan :
๐๐ = ๐ ๐๐๐๐ธโ (1โ๐) ๐๐
= ๐ ๐ค๐๐ค๐ธโ (1โ๐) ๐ค๐
(2.10)
Pada kolom adsorpsi setinggi Z dan per m2 luas penampang kolom terdapat
massa adsorben sebanyak Z ฯs dimana ฯs 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 Zฯs XT . Pada titik breakpoint, pada saat zona adsorpsi Za masih berada di
bawah kolom, dan bagian lain dari kolom yang memiliki tinggi Z โ Za telah jenuh. Pada
saat breakpoint, adsorbat yang teradsorpsi pada adsorben adalah (Z โ Za) ฯs XT + Za ฯs
(1 โ f ) XT . Sehingga, pendekatan fraksional untuk kejenuhan pada kolom di
breakpoint (derajat kejenuhan) adalah :
๐ท๐๐๐๐๐ ๐๐ ๐๐๐ก๐ข๐๐๐ก๐๐๐ = ( ๐โ ๐๐)๐๐ ๐๐+ ๐๐ ๐๐ (1โ๐)๐๐ ๐๐๐ ๐๐
= ๐โ๐๐๐๐
(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 :
๐บ๐ ( ๐๐ โ 0) = ๐๐ (๐๐ โ 0) (2.12)
26
Atau dapat dituliskan kembali menjadi :
๐๐ ๐บ๐
= ๐๐๐๐
(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 :
๐บ๐ ๐ = ๐๐ ๐ (2.14)
Pada ketinggian dZ, berlaku :
๐บ๐ ๐๐ = ๐พ๐ ๐๐ (๐ โ ๐โ) ๐๐ (2.15)
Sehingga zona adsorpsi memiliki NTU (Number of Transfer Units) :
๐๐๐ = โซ ๐๐(๐โ ๐โ)
= ๐๐๐ป๐๐
= ๐๐๐บ๐ / ๐พ๐ ๐๐
๐๐ธ๐๐ต
(2.16)
27
Pada kondisi dimana Z < Za ,dan dengan asumsi bahwa HTU (Height of
Transfer Unit) konstan seiring dengan perubahan konsentrasi, maka :
๐ ๐๐๐๐ ๐
๐๐= ๐คโ ๐ค๐ต
๐ค๐=
โซ ๐๐(๐โ ๐โ)
๐๐๐ต
โซ ๐๐(๐โ ๐โ)
๐๐ธ๐๐ต
(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 ๐พ๐ ๐๐ 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 ฮธs , 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 = Vฮธ dan pada ฮธs (time for saturation) adalah Z=V ฮธs dan pada saat
breakpoint Zs=V ฮธB maka :
๐ฟ๐๐ต = ๐ โ ๐๐ = ๐(๐๐ โ ๐๐ต) = ๐๐๐
(๐๐ โ ๐๐ต) (2.18)
Neraca solut dapat dituliskan sebagai berikut :
๐บ๐ (๐0 โ ๐0โ)๐ = ๐๐ ๐๐ (๐๐ โ ๐0 ) (2.19)
Dimana ๐0โ 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 ฮธs dapat dicari dari kurva breaktrough hasil pengukuran dengan luas
kiri dan ๐๐ yang sama. Dengan asumsi tidak terjadi channeling dan proses
pencampuran radial yang diabaikan, persamaan LUB dapat diturunkan sbb :
๐ฟ๐๐ต = ๐ โ ๐บ๐ ๐๐ต(๐0โ ๐0โ) ๐๐ (๐๐โ ๐0 )
(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:
๐๐ = ๐บ๐ ๐๐ต(๐0โ ๐0โ) ๐๐ (๐๐โ ๐0 )
(2.21)
Dengan asumsi seluruh adsorbat terserap sempurna sebelum keadaan jenuh yang dapat
ditulisan ๐0โ โ 0 dan konsentrasi adsorbat pada adsorben pada awal dianggap Xo โ 0,
maka tinggi kolom sesungguhnya adalah :
๐ = ๐ฟ๐๐ต + ๐บ๐ ๐๐ต(๐0) ๐๐ (๐๐ ) (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 โ 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 โ Dkolom โ L/D ratio โ Lkolom Set-point
3 Dpartikel Analisa Ayakan (mesh)
Berdasarkan persamaan โ 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 ๐๐ ๐บ๐
= ๐๐๐๐
(2.13) Treyball, et al.
[11]
2 ๐ฟ๐๐ต =
๐ (๐ ๐๐๐๐ ๐๐๐)๐๐
(๐๐ โ ๐๐ต) (2.18) Treyball, et al.
[11]
3 ๐ (๐ ๐๐๐๐ ๐ข๐) = ๐ฟ๐๐ต +
๐บ๐ ๐๐ต(๐0 โ ๐0โ) ๐๐ (๐๐ โ ๐0 )
(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 โ 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 ฯs (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 2000ยฎ 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 2000ยฎ
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 โ 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
- โ 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 Rยฒ = 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 โ 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:
๐ฟ = (๐ช๐ โ๐ช๐) ๐ฝ๐๐๐๐๐๐๐๐๐
dan ๐ = ๐ช๐๐๐๐๐
y = 0,7645x - 5,928 Rยฒ = 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- โ 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 Rยฒ = 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 โPerancangan Kolom Adsorpsi Karbon Aktif untuk
Pengolahan Limbah Kromium Heksavalenโ adalah :
1. Karbon Aktif Granular dengan merek dagang Jacobi Aquasorbยฎ
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 โ 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, โTreatment of Electroplating Wastes,โ 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, โRemoval of Heavy Metals from Wastewater Using Agricultural and Industrial Wastes as Adsorbents,โ 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, โCompiation of Air Pollutant Emission Factors, Vol I,โ dalam Stationary Point and Area Sources AP-42, USA, U.S. Environmental Protection Agency, 1995.
[9] A. Husain, I. Javed dan N. A. Khan, โCharacterization and treatment of electroplating industry wastewater using Fenton's reagent,โ 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, โChemical Engineering Kinetics, Third Edition.,โ 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, โAdsorption of Chromium Ion (VI) By Acid Activated Carbon,โ 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, โHeavy Metals Removal from Industrial Wastewater by Activated Carbon Prepared from Coconut Shell,โ 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 100ยตL dengan menggunakan mikropipet
3. Larutan didiamkan selama 5-20 menit kemudian di
spektrofotometri.
Top Related