5 TIPE KURVA ADSORPSI ISOTERMIS LANGMUIR DAN BET Kurva isoterm adsorpsi TIPE I Jenis ini disebut Langmuir Isoterm yang menggambarkan adsorpsi satu lapis (monolayer). Kurva ini biasanya diperoleh dari adsorben karbon aktif dan zeolit molecular sieve. 1. Jumlah adsorbat meningkat relatif cepat, semakin besar tekanannya maka semakin meningkat jumlah adsorbatnya. 2. Tetapi ketika permukaan telah tertutupi oleh molekul adsorbat maka jumlah adsorbatnya akan menjadi lebih lambat.
TIPE II Jenis ini adalah bentuk normal isoterm pada adsorben tak berpori atau padatan berpori besar (macropores) dengan ukuran lebih besar dari 50 nm yang menunjukkan adsorpsi monolayer-multilayer.
B
Titik B pada gambar menunjukkan kondisi awal tahap linier dari isoterm, biasanya digunakan untuk mengindikasikan tekanan relatif saat pelapisan monolayer selesai.
TIPE III Jenis ini menunjukan tipe kuantitas adsorben semakin tinggi saat tekanan relatif bertambah. Tidak adanya titik B seperti pada jenis kedua disebabkan karena interaksi adsorbat-adsorbat yang lebih kuat dibanding adsorben-adsorben. Sama seperti tipe II, jumlah lapisan pada permukaan adsorben tidak terbatas (multilayer).
TIPE IV Jenis ini hampir sama dengan tipe II pada rentang tekanan relatif rendah sampai menengah. Volume terbesar adsorbat teradsorpsi dapat dihitung dari capillary condensation yang telah sempurna mengisi pori. Kurva jenis ini dihasilkan dari padatan adsorben berukuran mesopore (250 nm).
TIPE V Jenis ini hampir sama dengan tipe III, dihasilkan dari interaksi yang rendah antara adsorben dengan adsorbat. Tipe ini juga ditunjukkan oleh pori dengan ukuran sama seperti tipe IV.
Contoh dari masing-masing kurva adsorpsi isotermis :
TIPE I TIPE II TIPE III TIPE IV TIPE V
= Adsorpsi N2 atau H2 pada arang pada suhu sekitar -1800ºC = Adsorpsi N2 pada besi (Fe) pada suhu sekitar -1950ºC = Adsorpsi Br2 pada slica gel pada suhu sekitar 720ºC = Adsorpsi benzena pada besi oksida (Fe2O3) pada suhu 500ºC = Adsorpsi uap air pada permukaan arang pada 100ºC.
(prasodjo prolessara, 2010, “ Studi Kapasitas”, FT UI)
KLASIFIKASI ISOTERM ADSORPSI
1. Isoterm Adsorpsi Langmuir Pada tahun 1918, Langmuir menurunkan teori isotherm adsorpsi dengan menggunakan model sederhana berupa padatan yang mengadsorpsi gas pada permukaannya. Pendekatan Langmuir meliputi lima asumsi mutlak, yaitu: Gas yang teradsorpsi berkelakuan ideal dalam fasa uap. Gas yang teradsorpsi dibatasi sampai lapisan monolayer. Permukaan adsorbat homogen, artinya afinitas setiap kedudukan ikatan untuk molekul gas sama atau energi adsorpsi konstan di semua sisi. Tidak ada antaraksi lateral antar molekul adsorbat. Molekul gas yang teradsorpsi terlokalisasi, artinya mereka tidak bergerak pada permukaan. Setiap sisi adsorben hanya bisa menyerap satu molekul adsorbate. Lapisan adsorbat
adsorba
Pada kesetimbangan, laju adsorpsi dan desorpsi gas adalah sama. Bila θ menyatakan fraksi yang ditempati oleh adsorbat dan P menyatakan tekanan gas yang teradsorpsi, maka k1 θ = k2 P (1-θ)
dengan k1 dan k2 masing–masing merupakan tetapan laju adsorpsi dan desorpsi. Jika didefinisikan a = k1/ k2 ,maka
Pada adsorpsi monolayer, jumlah gas yang teradsorpsi pada tekanan P (y) dan gas yang diperlukan untuk membentuk lapisan monolayer dihubungkan dengan θ melalui persamaan
Teori isotherm adsorpsi Langmuir berlaku untuk adsorpsi kimia, dimana reaksi yang terjadi adalah spesifik dan umumnya membentuk lapisan monolayer. Namun isoterm adsorpsi Langmuir ini memiliki kelemahan yaitu adsorpsi dengan model Langmuir sangat menimpang pada beberapa kasus karena model ini gagal untuk menghitung kekesatan dari permukaan adsorbat. Permukaan yang memiliki kekesatan yang berbeda mempunyai banyak jenis tempat untuk terjadinya adsorbsi dan beberapa parameter berubah-ubah dari satu tempat ke tempat lain, contoh pada panas yang diserap. Model Langmuir juga mengabaikan interaksi dari adsorbat. Melalui percobaan dapat diketahui bukti yang nyata bahwa terjadi interaksi antara adsorbat pada data percobaan panas yang diserap. Terdapat dua macam interaksi adsorbat, yaitu secara langsung atau tidak langsung. Interaksi secara langsung terjadi pada batas molekul yang diserap, sehingga dapat menyebabkan penyerapan dekat dengan adsorbat lain dapat berlangsung lebih cepat atau lambat. Pada interaksi langsung, adsorbat mengubah permukaan di sekitar tempat yang diserap, sehingga mempengaruhi penyerapan dari molekul adsorbate didekatnya.
2. Isoterm Adsorpsi BET Teori isotherm adsorpsi BET merupakan hasil kerja dari S. Brunauer, P.H.Emmet, dan E. Teller. Teori ini menganggap bahwa adsorpsi juga dapat terjadi diatas lapisan adsorbat monolayer. Sehingga, isotherm adsorpsi BET dapat diaplikasikan untuk adsorpsi multilayer. Keseluruhan proses adsorpsi dapat digambarkan sebagai :
Penempelan molekul pada permukaan padatan (adsorban) membentuk lapisan monolayer. Penempelan molekul pada lapisan monolayer membentuk lapisan multilayer.
lapisan adsorbat multilayer
adsorb
Adsorban dan pada lapisan adsorbat monolayer didefinisikan sebagai konstanta c. Lapisan adsorbat akan terbentuk sampai tekanan uapnya mendekati tekanan uap dari gas yang teradsorpsi. Pada tahap ini, permukaan dapat dikatakan ”basah (wet )”. Bila V menyatakan volume gas teradsorpsi, V m menyatakan volume gas yang diperlukan untuk membentuk lapisan monolayer, dan x adalah P/P*, maka isotherm adsorpsi BET dapat dinyatakan sebagai
Kesetimbangan antara fasa gas dan senyawa yang teradsorpsi dapat dibandingkan dengan kesetimbangan antara fasa gas dan cairan dari suatu senyawa. Dengan menggunakan analogi persamaan Clausius– Clapeyron, maka
ΔHads adalah entalpi adsorpsi. Sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa tekanan kesetimbangan dari gas teradsorpsi bergantung pada permukaan dan entalpi adsorpsi. Model BET memiliki kelebihan yaitu dapat digunakan untuk adsorpsi gas secara multilayer, tetapi juga memiliki kelemahan jika digunakan untuk merepresentasikan data adsorpsi gas pada tekanan tinggi. Hal ini disebabkan model adsorpsi BET merupakan adsorpsi absolut yaitu suatu angka hipotesis yang tidak pernah dapat terukur secara percobaan karena yang terukur dari suatu percobaan sebenarnya adalah apa yang disebut sebagai “adsorpsi Gibbs”. Data adsorpsi Gibbs seiring dengan kenaikkan tekanan akan menunjukkan kenaikkan dari jumlah zat yang teradsorpsi sampai pada titik tekanan tertentu (maksimum) kemudian saat tekanan terus dinaikkan akan mengalami penurunan jumlah zat teradsorpsi sedangkan model BET nilainya akan terus naik. Perbedaan ini menggambarkan bahwa model BET merupakan kondisi yang nyata (absolut) sedangkan model Gibbs merupakan kondisi yang ideal dari eksperimen Untuk mengatasi permasalahan tersebut, kita memerlukan modifikasi pada model BET. Hasil Penelitian menunjukkan bahwa model modifikasi BET dapat merepresentasikan data eksperimen adsorpsi gas pada tekanan tinggi dengan lebih baik dibandingkan dengan model BET. Hal ini dapat diketahui dari nilai Average Absolute Percent Deviation (AAPD) yang dihasilkan dari model modifikasi BET nilainya lebih kecil dibandingkan dengan nilai AAPD dari model BET. Hasil pengolahan data dari eksperimen adsorpsi gas dengan menggunakan adsorben karbon aktif, zeolit, batu bara, dan silika gel masing-masing diperoleh nilai AAPD untuk model modifikasi BET adalah 1,98 %; 1.00 %; 3,12 %; dan 3,38 % sedangkan model BET adalah 2,48 %; 2,02 %; 3,29 %; dan 3,36 %.
3. Isoterm Adsorpsi Freundlich Isoterm ini berdasarkan asumsi bahwa adsorben mempunyai permukaan yang heterogen dan tiap molekul mempunyai potensi penyerapan yang berbeda-beda. Adsorpsi zat terlarut (dari suatu larutan) pada padatan adsorban merupakan hal yang penting. Aplikasi penggunaan prinsip ini antara lain penghilangan warna larutan (decolorizing) dengan menggunakan batu apung (charcoal) dan proses pemisahan dengan menggunakan teknik kromatografi. Pendekatan isotherm adsorpsi yang cukup memuaskan dijelaskan oleh H.Freundlich. Menurut Freundlich, jika y adalah berat zat terlarut per gram adsorban dan c adalah konsentrasi zat terlarut dalam larutan, maka
Dimana k dan n adalah konstanta empiris. Plot log y terhadap log c atau log P menghasilkan kurva linier. Dengan menggunakan kurva tersebut, maka nilai k dan n dapat ditentukan. Salah satu kelemahan dari isoterm Freundlich adalah bahwa ia gagal pada tekanan tiggi gas.
