e6338-1.-Adsorpsi-Zn...-Nuryono-

J.Alchemy, Vol. 5, No. 2 (September 2006), 1-12

ISSN 1412-4092

ADSORPSI Zn(II) DAN Cd(II) PADA HIBRIDA AMINO-SILIKA DARI ABU SEKAM PADI 1

Nuryono dan Narsito

1

1

Jurusan Kimia FMIPA Universtas Gadjah Mada, Sekip Utara Yogyakarta 55281

ABSTRAK

Dalam penelitian ini telah dilakukan kajian adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) dalam larutan oleh adsorben hibrida amino-silika (HAS) yang disintesis dari abu sekam padi melalui proses sol-gel. Penelitian diawali dengan pembuatan larutan natrium silikat dari abu sekam padi. Pengabuan sekam dilakukan pada temperatur 700 ºC selama 4 jam. Abu sekam dilebur dengan NaOH pada temperatur 500 ºC selama 30 menit. Hasil peleburan dilarutkan dalam akuades sehingga diperoleh larutan natrium silikat (Na 2SiO3). Pembuatan HAS dilakukan dengan menambahkan (3-aminopropil)-trimetoksisilan dan larutan asam sitrat 1 M ke dalam larutan natrium silikat Na 2SiO3 sampai pH 7. Karakterisasi hasil dilakukan dengan spektroskopi inframerah (FTIR) dan difraktometri sinar-X (XRD). Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) dilakukan dalam sistem batch selama satu jam dengan memvariasi konsentrasi ion logam dan memvariasi waktu kontak pada kosentrasi ion logam tetap. Ion logam yang teradsopsi secara kuantitatif dihitung berdasarkan konsentrasi ion logam dalam larutan setelah adsorpsi yang ditentukan dengan metode AAS. Data yang diperoleh digunakan untuk mengevaluasi kinetika dan termodinamika adsorpsi. Hasil karakterisasi dengan FTIR menunjukkan bahwa HAS telah dapat disintesis yaitu dengan munculnya serapan yang khas dari gugus fungsional siloksan (≡Si– O –Si≡), silanol (≡Si– OH) OH) dan rantai alifatik – CH ( – CH2 – ). ). Dari data XRD diketahui bahwa HAS dan silika gel (SG) yang terbentuk mempunyai struktur amorf. Hasil kajian termodinamika adsorpsi menunjukkan bahwa HAS mempunyai kapasitas adsorpsi terhadap Zn(II) maupun Cd(II) lebih besar (526,3 μmol/g dan 135,1 μmol/g) daripada silika gel (SG) (277,8 μmol/g dan 117,6 μmol/g). Energi yang menyertai adsorpsi Zn(II) pada HAS dan SG berkisar 16 kJ sedangkan energi adsorpsi Cd(II) pada HAS dan SG berkisar 18 kJ yang menunjukkan interaksi terjadi melalui fisisorpsi. Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada HAS menghasilkan tetapan laju adsorpsi yang lebih besar dibandingkan adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada SG. Adsorpsi ion logam pada HAS berlangsung melalui dua tahap yaitu cepat dan lambat dengan urutan tetapan laju adsorpsi Zn(II)>Cd(II). Kata kunci: abu sekam padi, sol-gel, silika, adsorpsi, ion logam

I. PENDAHULUAN

Dewasa ini modifikasi permukaan silika gel (SG) banyak dilakukan untuk meningkatkan kinerja bahan anorganik itu sesuai dengan keperluannya.

organometalik atau oksida logam (Jal dkk, dkk,

2004).

Modifikasi SG dapat dilakukan melalui interaksi fisik dan kimiawi. Modifikasi secara fisik suatu senyawa pada SG

Berdasarkan jenis senyawa yang digunakan modifikasi

dapat dilakukan

permukaan SG dapat dibedakan menjadi 2 jenis, j enis, yaitu

(1983) telah melakukan impregnasi pada padatan

fungsionalisasi organik di mana agen pemodifikasi

pendukung SG,

berupa gugus organik dan fungsionalisasi anorganik di

kloroetilen menggunakan bahan – bahan impregnan 2,5-

mana gugus pemodifikasi dapat berupa senyawa

dimerkapto-1,3,4-tiadiazol (DMT), 2-merkaptobenzo

Korespondensi : Nuryono Jurusan Kimia FMIPA Universitas Gadjah Mada Sekip Utara, BLS 21 Yogyakarta Email : [email protected] nuryono_ [email protected] .id Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II )…(Nuryono dan Narsito)

melalui impregnasi. Terrada dkk karbon aktif

dan politrifluoro

tiazol (MBT) dan 2-merkaptobenzimidazol (MBI) untuk adsorpsi Cu(II) dalam medium air. Dilaporkan

1

bahwa adsorpsi hanya efektif pada pH tertentu untuk

{2-{3-(trimetoksisilil)-propilamino}-etiltio}etanatiol

tiap jenis ligan. Kelemahan modifikasi secara fisik

(NSSH). Hibrida silika yang dihasilkan digunakan

antara lain interaksi yang terjadi relatif lemah atau

untuk adsorpsi logam divalen. Cestari dkk (2000) telah

mudah lepas sehingpga tidak dapat digunakan secara

melakukan imobilisasi ethilendiamin pada permukaan

berulang-ulang.

SG melalui proses sol-gel dan digunakan sebagai

Modifikasi SG secara kimia dapat dilakukan

adsorben untuk adsorpsi ion logam Cu(II), Hg(II) dan

dengan dua teknik, yaitu imobilisasi reagen silan dan

Co(II). Nuryono dkk (2005) melaporkan pembuatan

melalui proses sol-gel. Teknik konvensional untuk

hibrida merkapto-silika melalui proses sol-gel dengan

memodifikasi permukaan SG secara kimia dilakukan

prekursor natrium

silikat

yang dihasilkan dari

dengan mengembangkan reaksi antara gugus silanol

pengolahan

sekam

padi

dengan reagen silan yang berfungsi sebagai prekursor

menunjukkan bahwa modifikasi merkapto pada silika

untuk immobilisasi molekul organik. Pada umumnya,

mampu meningkatkan kemampuan adsorpsi terdapat

reagen silan bereaksi dengan permukaan gugus silanol

ion logam Zn(II) dan Cd(II).

dalam

satu

langkah

sehingga

abu

(ASP).

Hasil

memungkinkan

Dalam makalah ini dilaporkan modifikasi SG

pengikatan gugus fungsional terminal yang diinginkan

dengan senyawa aminopropil melalui proses sol-gel

pada permukaan (Jal dkk, 2004). Fahmiati (2006) telah

menggunakan

memodifikasi permukaan SG secara impregnasi tidak

pengolahan ASP. Produk yang dihasilkan digunakan

langsung

-

sebagai adsorben untuk ion logam Zn(II) dan Cd(II)

glisidoksipropiltrimetoksisilan (GPS) untuk adsorpsi

dalam larutan. Beberapa parameter termodinamika dan

ion logam Cd(II), Ni(II) dan Mg(II). Hasil yang

kinetika adsorpsi juga dihitung dan dievaluasi.

menggunakan

bahan

penghubung

prekursor

natrium

silikat

hasil

diperoleh menunjukkan laju adsorpsi ion logam dengan urutan Cd(II)>Mg(II)>Ni(II) dengan aplikasi

II. METODE PENELITIAN

isoterm Langmuir diperoleh tetapan kesetimbangan

Bahan. Sampel sekam padi yang digunakan

adsorpsi ( K ) untuk ion logam Cd(II), Ni(II) dan Mg(II)

sebagai sumber silika berasal dari tempat penggilingan

berturut – turut 9,28 x 10 2, 14,56 x 10 2 dan 1,79 x 10 2.

gabah di daerah Wates, Kulon Progo, Yogyakarta.

Kelemahan dari modifikasi melalui imobilisasi adalah

Bahan kimia berupa larutan H 2SO4 5 %, natrium

rendahnya efektivitas pengikatan senyawa pada

EDTA 0,01 M digunakan untuk pencucian abu sekam

permukaan SG.

padi. Untuk pembuatan adsorben digunakan padatan

Proses sol – gel telah banyak dikembangkan

NaOH (Merck), asam sitrat, C6H8O7.H2O, (Merck),

terutama untuk pembuatan hibrida, kombinasi oksida

dan (3-amminpropil)-trimetoksisilan, APTS (Aldrich).

anorganik (terutama silika) dengan alkoksisilan.

Larutan logam diperoleh dengan melarutkan garam

Pengunaan proses sol – gel untuk sintesis beberapa

klorida dari logam Zn(II) dan Cd(II) yang dibeli dari

bahan

Merck dalam akuades sesuai keperluan.

hibrida

anorganik – organik

telah

banyak

dilaporkan. Metode pembuatan hibrida silika melalui

Peralatan. Peralatan yang digunakan meliputi

proses sol gel untuk tujuan adsorpsi telah dilakukan

alat preparasi larutan natrium silikat dari abu sekam

oleh

Mereka

padi, yaitu tungku pemanas (Charbolite), pompa

menggunakan tetraetoksisilan (TEOS) sebagai bahan

vakum (Buchi VacR V-500”), dan ayakan ukuran 200

dasar yang dicampur dengan senyawa organik aktif 2-

mesh (Fischer). Untuk identifikasi gugus fungsional

2

Airoldi

dan

Arakaki

(2001).


adsorben digunakan spektrofotometer inframerah

asam sitrat 1M tetes demi tetes sampai terbentuk gel

(Shimadzu FTIR-8201PC), sedangkan untuk adsorpsi

dan diteruskan hingga pH 7. Gel yang terbentuk

digunakan alat sentrifius (Centrifig 228) dan pengaduk

didiamkan semalam, disaring dan dicuci dengan

magnet dan spektrometer serapan atom (AAS)

akuades hingga netral terhadap indikator universal,

(Hitachi Z-8000) untuk analisis logam.

kemudian dikeringkan dalam oven pada temperatur 70

Cara Kerja

ºC dengan pengurangan tekanan. Setelah kering (HAS)

Pembuatan larutan natrium silikat dari abu

digerus dan diayak dengan ayakan 200 mesh.

sekam padi. Dalam penelitian ini, sampel sekam padi

Pembentukan gel dilakukan dengan cara yang sama

diambil dari daerah Wates, Kulon Progo, Yogyakarta.

tanpa penambahan APTS untuk mendapatkan silika

Sekam padi dibersihkan dari tanah, kerikil dan kotoran

gel (SG). HAS dan SG dikarakterisasi dengan FTIR

lainnya kemudian dicuci dengan air dan dibilas dengan

untuk mengidentifikasi gugus fungsional yang ada.

akuades lalu dikeringkan dalam oven. Sekam padi

Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II). HAS (100 mg)

bersih dan kering dibakar dengan nyala api sehingga

ditempatkan dalam wadah plastik. Adsorpsi dilakukan

diperoleh arang sekam yang berwarna hitam. Arang

dalam sistem batch dengan cara menambahkan larutan

kemudian diabukan pada suhu 700 ºC selama 4 jam

Zn (II) (50 mL ) dengan variasi konsentrasi 10, 20, 40,

dalam tungku. Abu sekam yang diperoleh berwarna

80, 150, 200, 300 mg/L dan distirer selama 1 jam.

putih kemudian digerus dan diayak sehingga diperoleh

Selanjutnya larutan disentrifius dengan kecepatan

abu yang lolos pada ayakan 200 mesh. Selanjutnya,

2000 rpm untuk memisahkan supernatan dengan

sampel abu sekam (5 gram) dicuci dengan H 2SO4 5%

adsorben. Masing-masing supernatan dianalisis dengan

(10 mL), dinetralkan dengan akuades, dicuci lagi

AAS untuk menentukan jumlah ion logam yang

dengan Na2EDTA (0,05 M, 20 mL) dan dinetralkan

teradsorpsi. Hal yang sama dilakukan untuk logam

kembali dengan akuades. Abu hasil pencucian

Cd(II). Adsorpsi yang sama juga dilakukan terhadap

dikeringkan dalam oven. Abu sekam hasil pencucian

SG.

dimasukkan dalam krus porselin, ditambah NaOH (8 gram ) dan dilebur pada 500 ºC selama 30 menit.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Setelah dingin ditambahkan akuades (50 mL) dan

Silika Gel dan Hibrida Amino Silika

dibiarkan semalam kemudian disaring dengan kertas saring.

Pembuatan SG dilakukan dengan menggunakan

Filtrat yang dihasilkan merupakan larutan

natrium silikat (Na2SiO3) hasil peleburan abu sekam

natrium silikat ditampung dalam gelas plastik. Kadar

padi. Na2SiO3 yang dilarutkan dalam akuades

Si dalam larutan natrium silikat hasil peleburan abu

menghasilkan sistem larutan silikat yaitu hidrosol

sekam ditentukan dengan spektrometer serapan atom

Na2SiO3. Pada sistem ini, terdapat anion silikat (≡Si–

(AAS).

O-) sebagai gugus reaktif dengan ion natrium sebagai adsorben

penyeimbang muatan. Pembentukan gel dari larutan

hibrida amino-silika (HAS). Larutan natrium silikat

silikat dilakukan dengan menurunkan pH larutan

(20 mL) hasil dari peleburan abu sekam padi

melalui penambahan asam, dalam penelitian ini

dimasukkan ke dalam gelas plastik dan ditambahkan

digunakan asam sitrat 1M. Penambahan asam sitrat

(3-aminopropil)-trimetoksisilan (2 mL) sambil diaduk

1M pada 20 mL larutan Na 2SiO3 dilakukan tetes demi

dengan pengaduk magnet. Selanjutnya ditambahkan

tetes sampai pH 7. Gel yang terbentuk didiamkan satu

Pembuatan

dan

karakterisasi

Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II )…(Nuryono dan Narsito)

3

malam agar pembentukan gel sempurna kemudian dicuci dengan akuades untuk menghilangkan garam sisa, lalu dikeringkan pada temperatur 120 ºC selama satu jam. Gel kering yang diperoleh disebut xerogel . Xerogel yang berwarna putih ini kemudian digerus dan

diayak

dengan

ayakan

200

mesh

untuk

menghomogenkan ukurannya. Pembuatan

HAS

dilakukan

dengan

penambahan senyawa organik aktif (3-aminopropil)trimetoksisilan (APTS) pada larutan Na2SiO3 sebelum ditambah asam sitrat untuk pembentukan gel. Hasil pembuatan SG dan HAS dengan tiga kali pengulangan (n = 3) ditampilkan dalam Tabel 1. Berat HAS yang dihasilkan lebih banyak daripada SG. Hal ini disebabkan

adanya

pembuatan

HAS

penambahan yang

APTS

mengakibatkan

Gambar 1. Spektra inframerah (a) SG Kiesel gel 60

pada adanya

Si.

tipe G, Merck; (b) SG hasil sintesis dari abu sekam padi; (c) dan HAS Vibrasi ulur simetris Si – O dari Si – O – Si

penggantian gugus silanol oleh merkapato propilsilan

ditunjukkan

yang memiliki berat molekul lebih besar.

gelombang 800,4 cm-1. Pita serapan pada 974,0 cm -1

pita

serapan

pada

bilangan

menunjukkan vibrasi ulur Si – O dari Si – OH. Pita

Tabel 1. Berat SG dan HAS yang dihasilkan

serapan yang kuat pada bilangan gelombang 1101,3

Berat (gram)

Nama

oleh

APTS yang ditambahkan -

Produk yang dihasilkan 1,85 ± 0,05

cm-1 merupakan vibrasi ulur asimetris Si – O dari Si – O –

SG

ASP yang digunakan 2,00

HAS

2,00

2,054

2,70 ± 0,07

Si – OH. Adanya pita serapan pada 1629,7 cm -1

Produk

Si sedangkan pita lebar pada bilangan gelombang 3448,5 cm-1 menunjukkan vibrasi ulur gugus OH dari

Karakteristik SG dan HAS

menunjukkan vibrasi dari molekul air yang terikat

Spektr a inf ramerah.

(William, 1998).

Spektroskopi inframerah digunakan untuk

Gambar 1(b) merupakan spektra inframerah SG

yang

hasil sintesis dari larutan natrium silikat hasil

terdapat pada SG dan HAS. Setiap gugus fungsi

peleburan abu sekam padi. Hasil spektra yang

mempunyai serapan inframerah yang karakteristik

diperoleh menunjukkan kemiripan dengan spektra SG

pada bilangan gelombang tertentu sehingga secara

pembanding Kiesel gel 60 di mana terdapat pita-pita

kualitatif dapat diidentifikasi. Pola serapan inframerah

serapan pada bilangan gelombang yang hampir sama.

SG dan HAS ditampilkan dalam Gambar 1.

Secara umum gugus fungsional yang terdapat pada SG

mengidentifikasi

gugus-gugus

fungsional

Gambar 1 (a) merupakan spektra inframerah

adalah gugus siloksan dan gugus silanol. Dengan

60 tipe G) yang

kemiripan pola serapan pada spektra SG hasil sintesis

digunakan sebagai pembanding spektra padatan hasil

(b) dan Kiesel gel 60 (a) yaitu adanya serapan-serapan

sintesis. Pita serapan pada bilangan gelombang 472,5

yang karakteristik untuk gugus siloksan dan silanol

cm-1 menunjukkan vibrasi tekuk gugus siloksan Si – O –

maka dapat disimpulkan bahwa SG hasil sintesis

SG produksi Merck (Kiesel Gel

4


memiliki kemiripan gugus fungsional dengan Kiesel

gugus OH dari Si – OH pada bilangan gelombang

gel 60. Perbedaan terletak pada kuantitas gugus yang

3415,7 cm-1. Munculnya serapan baru tersebut

ada. Gugus silanol pada SG lebih sedikit dibandingkan

didukung dengan terjadinya pergeseran serapan dari

dengan gugus silanol pada Kiesel Gel 60 yang

gugus siloksan. Serapan pada bilangan gelombang

ditunjukkan rendahnya intensitas serapan sekitar 3400

462,9 cm-1 merupakan vibrasi tekuk Si – O – Si, vibrasi

cm-1.

ulur simetri Si – O dari Si – O – Si muncul pada bilangan Pada Gambar 1(c) yang merupakan spektra

gelombang 792,7 cm -1 dan pita kuat pada 1074,3 cm -1

HAS terlihat adanya perubahan pola serapan. Pita

merupakan vibrasi ulur asimetris Si – O dari Si – O – Si.

serapan pada bilangan gelombang 3415,7 cm -1 yang

Semua bergeser ke bilangan gelombang yang lebih

merupakan vibrasi ulur gugus OH dari Si – OH

rendah dibanding serapan pada SG hasil sintesis (b)

mengalami penurunan intensitas serapan yang cukup

yang menunjukkan adanya perubahan di lingkungan

besar dibandingkan spektra SG hasil sintesis, begitu

Si – O – Si akibat pembentukan HAS.

juga pita serapan pada bilangan gelombang 964,3 cm -1

Mekanisme

reaksi

pembentukan

HAS

yang merupakan vibrasi ulur Si – O dari Si – OH.

mengikuti mekanisme kondisi basa dan diperkirakan

Penurunan

menunjukkan

seperti yang ditampilkan pada Gambar 2. Pada saat

berkurangnya jumlah gugus silanol akibat terjadinya

penambahan asam sitrat, terjadi proses pembentukan

kondensasi dengan senyawa APTS pada proses transisi

gel yang diduga diawali dengan protonasi terhadap

sol-gel. Munculnya pita serapan baru pada bilangan

atom oksigen pada gugus metoksi (-OCH 3) dalam

gelombang 2933,5 cm -1 yang merupakan serapan

senyawa APTS dan dilanjutkan dengan serangan anion

rantai

ulur – CH2 – juga

silikat (≡Si– O ) terhadap atom Si dalam senyawa

menunjukkan bahwa HAS telah berhasil dibuat.

APTS melalui mekanisme reaksi S N2. Dengan adanya

Vibrasi ulur N – H ditunjukkan oleh serapan pada

protonasi atom oksigen dari gugus metoksi yang

bilangan gelombang 3500-3100 cm-1 Serapan gugus

terikat pada atom Si tersebut menyebabkan atom Si

N – H ini mungkin tumpang tindih dengan serapan

semakin terpolarisasi positif sehingga mempunyai

intensitas

alifatik

serapan

akibat

ini

vibrasi

-

H OCH3 H2 N

Si

+ OCH3 +

+

H

H2 N

(1)

Si

H H2 N

+ OCH3

H H2 N

Si

+

Si

O

+ OCH3 H2 N

Si Si

(2)

A -

O - Si

O - Si

+

CH3OH

Gambar 2. Model mekanisme reaksi pembentukan dimer siloksan pada pembuatan HAS


5

kecenderungan besar untuk diserang oleh spesies yang

reaksi selanjutnya menghasilkan C akan tetapi dapat

bermuatan negatif yaitu anion silikat dan membentuk

terhenti hanya pada persamaan (2) menghasilkan A,

ikatan siloksan (≡Si– O –Si≡) dengan melepas metanol.

demikian juga reaksi dapat terhenti pada persamaan

Reaksi tersebut masih dapat berlanjut karena

(3) menghasilkan B sehingga setelah HAS terbentuk

masih terdapat gugus metoksi yang memungkinkan

berbagai variasi permukaan seperti yang dimodelkan

untuk terkondensasi dengan anion silikat yang lain.

pada Gambar 4 mungkin terjadi.

Secara sederhana reaksi tahapan proses sol-gel selanjutnya ditampilkan dalam Gambar 3. Proses

reaksi

kondensasi

Dari Gambar 4 tersebut terlihat bahwa A1 dan B1 masih

yang

dapat

mengalami

reaksi

hidrolisis

disertai

menghasilkan hibrida masing-masing A 2 dan B2. Pada

pelepasan metanol tersebut tidak selalu berlanjut pada

hibrida A2, transisi sol-gel yang terjadi melibatkan

SiO -

Si

SiO

+

+H

O

+

H3CO

NH2

Si

SiO

NH 2

Si

(3)

-CH3OH H3CO

H3CO

SiO

SiO

+

+H -

Si

O

+

SiO

NH 2

Si

B

SiO

NH 2

Si

(4)

-CH3OH H3CO

SiO

C

Gambar 3 Model reaksi pembentukan HAS

OCH3

OH +

Si

O

Si

NH2

n(H /H2O)

Si

O

OCH3

O

OCH3 +

Si

Si

Si

O

Si

O

Si

n(H /H2O)

Si

O

nCH3OH

NH2

+

nCH3OH

OH Si

Si

(B1)

O

+

(A2)

NH2

O

Si

NH2

OH

(A1)

Si

Si

O

(B2)

NH2

(C)

Gambar 4. Berbagai model ikatan di permukaan HAS

6


-

kondensasi satu gugus ≡Si– O dan gugus metoksi

dengan membuat kurva jumlah ion logam teradsorpsi

menghasilkan dua gugus silanol dan satu gugus amino

tiap gram adsorben terhadap ion logam pada

sehingga menambah jenis dan jumlah situs aktif pada

kesetimbangan yang ditampilkan pada Gambar 5.

HAS

B2

Model isoterm adsorpsi Langmuir mengasumsikan

tidak

bahwa permukaan adsorben mempunyai sejumlah

mempengaruhi jumlah situs aktif yang ada, tetapi

tertentu situs adsorpsi yang sebanding dengan luas

hanya memvariasi jenis dari situs aktif tersebut

permukaan adsorben. Masing-masing situs aktif

sedangkan pada hibrida C transisi sol-gel justru akan

adsorben hanya dapat mengadsorpsi satu molekul

mengurangi jumlah situs aktif yang ada.

adsorbat sehingga yang terbentuk adalah lapisan

relatif

menunjukkan

Selain

terhadap bahwa

reaksi

SG.

Pada

transisi

hibrida

sol-gel

pada

adsorpsi monomolekuler. Apabila situs aktif adsorpsi

pembentukan gel hibrida ini juga terjadi kondensasi

belum jenuh dengan molekul adsorbat, maka kenaikan

antara anion silikat dan gugus silanol yang terbentuk

konsentrasi adsorbat selalu disertai dengan naiknya

dari protonasi anion silikat karena penambahan asam

jumlah ion logam yang teradsorpsi. Sebaliknya, bila

menghasilkan ikatan siloksan yang membentuk

situs aktif adsorpsi sudah jenuh dengan molekul

jaringan

reaksi

adsorbat maka kenaikan konsentrasi adsorbat relatif

kondensasi terus berlangsung membentuk trimer,

tidak meningkatkan jumlah logam yang teradsorpsi

tetramer, oligomer dan akhirnya membentuk bola-bola

(Oscik, 1982).

kerangka

kondensasi

gel.

tersebut,

Masing-masing

polimer. Bola-bola polimer baik yang berasal dari reaksi

kondensasi

Pada gambar 5 nampak bahwa pola isoterm

(3-aminopropil)-trimetoksisilan

adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) cenderung mengikuti pola

dengan anion silikat maupun dari reaksi kondensasi

isoterm adsorpsi Langmuir, di mana pada kisaran

anion silikat dan silanol akan saling bergabung melalui

konsentrasi

reaksi kondensasi lebih lanjut membentuk gel hibrida.

kesetimbangan Zn(II) dan Cd(II) diikuti dengan

Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II)

kenaikan jumlah ion yang teradsorpsi dan pada

Termodinamik a adsorpsi.

Kajian

rendah

kenaikan

konsentrasi

konsentrasi kesetimbangan yang tinggi jumlah ion

termodinamika adsorpsi dipelajari dengan membuat

teradsorpsi cenderung konstan. Oleh karena itu

seri konsentrasi awal logam Zn(II) dan Cd(II) yang

penentuan nilai kapasitas adsorpsi dan tetapan

diinteraksikan dengan adsorben selama 60 menit pada

kesetimbangan adsorpsi digunakan persamaan isoterm

temperatur kamar. Pola isoterm adsorpsi ditunjukkan

Langmuir: 0.12

0.3

g / l o 0.2 m m , i s 0.2 p r o s d 0.1 a r e t ) I I ( 0.1 n Z

SG HAS

g / l o m m0.08 , i s p r o s d a r e 0.04 t ) I I ( d C

SG HAS

0.00

0.0 0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

C, mmol/L

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

C, mmol/L

Gambar 5. Kurva hubungan jumlah logam teradsorpsi pada adsorben; (a) Zn(II) dan (b) Cd(II)


7

C m

1 

bK

1 

SG tanpa modifikasi dapat mengadsorpsi ion logam

C

Zn(II) dan Cd(II) karena adanya gugus fungsional

b

di mana C adalah konsentrasi kesetimbangan,

silanol (Si – OH) dan siloksan (Si – O – Si) setelah

m adalah jumlah zat yang teradsorpsi per gram

dilakukan modifikasi melalui proses sol-gel menjadi

adsorben, b adalah kapasitas adsorpsi dan K adalah

HAS ternyata jumlah ion logam yang teradsorpsi baik

tetapan kesetimbangan. Jika data yang diperoleh dari

Zn(II) maupun Cd(II) meningkat.

penelitian memenuhi persamaan tersebut maka plot

Jika dibandingkan dengan imobilisasi gugus

C/m terhadap C akan menghasilkan garis lurus dengan

merkapto (-SH) sebagaimana dilaporkan oleh Nuryono

slope 1/b dan intersep 1/ bK. Dari grafik C/m versus C

dkk (2005) terjadi perbedaan sifat adsorpsi. Imobilisasi

dapat ditentukan parameter-parameter isoterm adsorpsi

merkapto menyebabkan peningkatan kemampuan

Langmuir. Energi total adsorpsi per mol dapat dihitung

adsorpsi Cd(II) 3,4 kali lebih besar daripada silika gel,

dari persamaan berikut:

sedangkan untuk Zn(II) kemampuan adsorpsi justru

E ads = - ∆G˚ ads = RT ln K

menurun

(7

%

lebih

rendah).

Fenomena

ini

K adalah tetapan kesetimbangan adsorpsi yang

menunjukkan bahwa gugus merkapto (basa lunak)

diperoleh dari persamaan Langmuir dan energi total

pada

adsorpsi ekuivalen dengan perubahan energi bebas

mengadsorpsi ion Zn(II) yang termasuk asam keras.

Gibbs standar, ∆G˚ .

Dengan kata lain, adsorpsi Zn(II) bergantung pada

Data dari perhitungan menunjukkan adanya

permukaan

keberadaan

gugus

silika

gel

silanol.

kurang

Penambahan

efektif

gugus

kesesuaian dengan persamaan Langmuir di mana

merkapto dapat mengurangi jumlah gugus silanol

diperoleh garis lurus untuk grafik C/m versus C .

sehingga menurunkan kemampuan adsorpsi terhadap

Parameter-parameter isoterm adsorpsi Langmuir yang

Zn(II). Sebaliknya, kemampuan adsorpsi terhadap

diperoleh ditampilkan dalam Tabel 2. Dari Tabel 2

Cd(II) meningkat dengan keberadaan gugus merkapto

terlihat bahwa kapasitas adsorpsi HAS terhadap kedua

akibat interaksi efektif antara Cd(II), asam lunak, dan

ion logam cenderung lebih besar dibanding adsorben

– SH, basa lunak.

SG.

Berdasarkan

hasil

perhitungan,

HAS

Peningkatan kapasitas adsorpsi ini diduga

mempunyai nilai tetapan kesetimbangan adsorpsi ( K )

disebabkan oleh bertambahnya jenis dan jumlah situs

dan energi adsorpsi, baik Zn(II) maupun Cd(II) tidak

aktif yang berperan dalam adsorpsi setelah modifikasi.

berbeda secara signifikan dibandingkan dengan SG.

Selain terdapat gugus Si – OH dan Si – O – Si seperti pada

Adanya gugus – NH2 yang secara teori bersifat lebih

SG, juga terdapat gugus aktif baru yaitu gugus – NH2.

basa daripada silanol dan siloksan pada HAS ternyata

Tabel 2 Parameter isoterm adsorpsi Langmuir

Adsorben

SG HAS

8

Parameter isoterm adsorpsi Langmuir Ion logam

(μmol/g)

b

K (L/mol)

E (kJ/mol)

R 2

Zn(II)

257,95

722,43

16,42

0,9185

Cd(II)

117,65

1582,16

18,37

0,9538

Zn(II)

310,17

673,01

16,23

0,9001

Cd(II)

135,14

1349,92

17,98

0,9705


tidak memberikan peningkatan terhadap kemampuan

yang lebih kecil ini menyebabkan jumlah Zn(II) yang

adsorpsinya. Hal ini menunjukkan bahwa sifat

tertampung di permukaan adsorben lebih banyak

kebasaan adsorben bukan merupakan satu-satunya

daripada [Cd(H2O)6]2+ yang mempunyai ukuran lebih

faktor yang dominan dalam proses adsorpsi.

besar.

Nilai energi adsorpsi yang diperoleh masih

Ki netika A dsorpsi.

tergolong rendah untuk adsorpsi kimia. Energi

Kajian kinetika adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada

adsorpsi Zn(II) pada adsorben SG dan HAS berkisar

adsorben SG dan HAS dipelajari didasarkan pada

16 kJ/mol, sedangkan untuk logam Cd(II) berkisar 18

proses adsorpsi ion logam dalam sistem batch pada

kJ. Rendahnya energi adsorpsi ini mengindikasikan

variasi waktu kontak. Laju adsorpsi dari ion logam

bahwa interaksi antara adsorben dengan ion logam

yang dikaji dari kurva hubungan antara jumlah ion

bukan merupakan ikatan kimia dan langsung antara

logam yang teradsorpsi terhadap waktu adsorpsi

ion logam dengan atom dari situs aktif adsorben tetapi

ditunjukkan Gambar 6.

diduga melalui jembatan molekul dan membentuk

Nuryono dkk (2003) membagi kinetika adsorpsi

ikatan hidrogen. Penggantian gugus silanol oleh amino

ion logam pada adsorben menjadi tiga, yakni: (a)

dari SG ke HAS berakibat pada lemahnya ikatan

adsorpsi berlangsung dalam satu tahap cepat kemudian

hidrogen dan energi adsorpsi lebih rendah.

mencapai kesetimbangan. Pada adsorpsi jenis ini, laju

Dari data kapasitas adsorpsi (Tabel 2) diketahui

desorpsi relatif lambat dan dapat diabaikan (b)

bahwa kapasitas adsorpsi terhadap Zn(II) lebih tinggi

adsorpsi berlangsung lambat kemudian mencapai

dibandingkan Cd(II) baik untuk SG maupun HAS. Hal

kesetimbangan. Pada adsorpsi ini laju desorpsi relatif

tersebut dapat dijelaskan melalui pendekatan jejari

cepat dan tidak dapat diabaikan dengan adorpsi yang

hidrasi. Proses adsorpsi dilakukan dalam media air, di

berlangsung secara reversibel seperti yang ditunjukkan

mana dalam larutan kedua ion tersebut membentuk

Tabel 3, adsorpsi berlangsung dalam dua tahap, tahap

kompleks dengan molekul air yaitu kompleks akuo

cepat dan lambat kemudian mencapai kesetimbangan.

oktrahedral

[M(H2O)6]2+.

dan

Pada Gambar 6 terlihat bahwa adsorpsi Zn(II)

jejari

dan Cd(II) pada SG maupun HAS termasuk jenis

kompleks lebih kecil (1,09 Å) jika dibanding dengan

adsorpsi ketiga yaitu adsorpsi berlangsung 2 tahap

jejarai Cd(II) (2,30 Å). Karena ukuran [Zn(H2O)6]2+

yaitu

Hancock

(1996)

logam

Menurut Zn(II)

Martell

memiliki

cepat

dan

lambat

kemudian

mencapai

0.05

0.06

g / l o m m , i s p r o s d a r e t ) I I ( n Z

0.05

0.04 SG 0.03

HAS

0.02

0.01

0

g / l 0.04 o m m , i s 0.03 p r o s d a r 0.02 e t ) I I ( d C 0.01

SG HAS

0

0

50

100

150

200

t, menit

0

50

100

150

200

t, menit

Gambar 6. Kurva hubungan antara jumlah ion logam teradsorpsi dengan waktu interaksi, (a) Zn(II) dan (b)

Cd(II). Konsentrasi awal Zn(II) = 0,72 mmol/L dan Cd(II) = 0,42 mmol/L Adsorpsi Zn(II) dan Cd(II )…(Nuryono dan Narsito)

9

kesetimbangan. Dengan menggunakan asumsi bahwa

dengan ion-ion logam. Tahap lambat diduga terjadi

proses mengikuti order 1, adsorpsi dapat dinyatakan

antara ion-ion logam dengan gugus siloksan karena

dengan persamaan reaksi:

atom O pada gugus siloksan kurang mampu

M

M

+

k c

Ad c

silanol dan juga letaknya cenderung agak ke dalam dibandingkan gugus silanol sehingga memerlukan

k 1

Ad 1

+

mendonorkan elektronnya relatif dibandingkan O pada

MAd c

k' 1

MAd 1

waktu yang lebih lama bagi ion logam untuk mencapai

M adalah ion logam (adsorbat), Ad c dan Ad 1

gugus-gugus tersebut. Pada HAS tahap cepat diduga terjadi antara

adalah situs aktif adsorben reaksi cepat dan lambat, Mad c dan Mad 1 merupakan adsorben yang telah

ion-ion logam dengan gugus-gugus  NH2 dan tahap

mengadsorpsi logam M , k c merupakan tetapan laju

lambat terjadi antara ion-ion logam dengan gugus-

adsorpsi cepat sedangkan k 1 merupakan tetapan laju

gugus silanol (Si-OH) yang masih terdapat pada HAS

adsorpsi

antara

dan juga gugus siloksan. Hal ini disebabkan atom N

ln([M]o /[M]) versus t diperoleh slop (s) yang

pada gugus  NH2 dalam HAS bersifat lebih basa dari

merupakan harga tetapan laju adsorpsi tahap cepat ( k c).

atom O pada gugus hidroksi (-OH) silanol. Sehingga

Setelah tahap cepat selesai, proses lambat adalah

gugus-gugus

proses

dan

mendonorkan pasangan elektronnya menyebabkan

diasumsikan berlangsung secara reversibel. Dari kurva

interaksinya dengan ion logam akan lebih efektif

hubungan ln{([M]0 – [M]e ) / ([M] – [M]e )} versus t

relatif terhadap gugus hidroksi. Karena interaksi ion

akan diperoleh slope yang merupakan k 1+k’ 1, k 1 dan

logam dengan gugus-gugus  NH2 lebih efektif maka

k’ 1

ion-ion logam akan terlebih dahulu berinteraksi

lambat.

yang

Dari

kurva

menentukan

hubungan

laju

adsorpsi

dapat dihitung. Tetapan kesetimbangan (K 1)

 NH2

akan

lebih

siap

dalam

dengan gugus-gugus  NH2 daripada dengan gugus-

diperoleh dari k 1 /k’ 1. Proses adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada SG

gugus hidroksi (-OH) walaupun keduanya sama-sama

maupun HAS tersebut melalui 2 proses, yaitu proses

terletak di permukaan. Sedangkan gugus siloksan

cepat dan selanjutnya diikuti oleh proses lambat. Dua

cenderung berperan pada proses adsorpsi tahap lambat

tahapan adsorpsi ini diduga terjadi pada gugus yang

karena selain kurang efektif dalam mendonorkan

berbeda. Pada SG tahap cepat terjadi antara ion-ion

elektronnya relatif terhadap gugus – NH2 maupun O

logam dengan gugus silanol, karena gugus silanol

pada silanol, keberadaannya relatif lebih di dalam

terletak lebih di luar maka mudah terjangkau oleh ion-

sehingga ion logam memerlukan waktu lebih lama

ion logam dan gugus ini akan bereaksi terlebih dahulu

untuk mencapainya.

Tabel 3 Parameter kinetika laju adsorpsi tahap lambat

1

10

SG

HAS

k c

Zn(II) 8.31 x 10 -3

Cd(II) 7.66 x 10 -3

Zn(II) 21 x 10-3

Cd(II) 8.12 x10-3

k 1

2,65 x 10 -5

1,22 x 10 -9

2,2 x 10-3

2,0 x 10-3

k' 1

3,06 x 10 -3

4,35 x 10 -8

46 x 10-3

15 x 10-3

K

8.67 x 10 -3

0,028

0,048

0,14


Pada tahap cepat laju adsorpsi untuk Zn(II) dan

lebih besar relatif terhadap SG.

Cd(II) lebih besar apabila digunakan adsorben HAS

Dari Tabel 3 terlihat pula bahwa nilai tetapan

dibandingkan SG. Hal ini dapat dijelaskan sebagai

laju adsorpsi pada SG maupun HAS untuk Zn(II) lebih

berikut : pada hibrida gugus yang berperan pada

tinggi daripada Cd(II). Sebagaimana diuraikan di

adsorpsi tahap cepat adalah gugus-gugus

 NH2

muka bahwa ion logam Zn(II) dan Cd(II) akan

sedangkan pada SG adalah gugus-gugus hidroksi (-

membentuk kompleks dengan molekul air menjadi

OH). Gugus  NH2 bersifat lebih basa daripada gugus

[Zn(H2O)6]2+ dan [Cd(H2O)6]2+. Karena ukuran Zn(II)

NH2 akan lebih – OH pada SG. Oleh karena itu gugus –

yang lebih kecil maka mobilitasnya dalam larutan akan

efektif dalam mendonorkan pasangan elektronnya

lebih cepat daripada Cd(II) sehingga mempercepat

daripada

pula

gugus

hidroksi

( – OH).

Hal

tersebut

interaksi

dengan

gugus

fungsional

pada

mengakibatkan HAS akan lebih efektif mengadsorpsi

permukaan SG maupun HAS dan akan meningkatkan

Zn(II) dan Cd(II) dibadingkan SG tanpa gugus – NH2.

laju adsorpsi.

Karena interaksi yang lebih efektif antara ion logam dengan gugus-gugus – NH2 dibandingkan dengan gugus-gugus hidroksi maka adsorpsi ion logam dengan

IV. KESIMPULAN

Adsorben hibrida amino-silika telah berhasil dibuat melalui proses sol-gel dengan menggunakan

HAS akan lebih cepat daripada dengan SG. Pada tahap cepat, peningkatan laju adsorpsi

prekursor natrium silika dari abu sekam padi.

untuk Cd(II) pada HAS tidak begitu nyata terlihat

Hibridisasi dengan gugus amino mampu meningkatkan

dibandingkan untuk Zn(II). Hal ini menyatakan bahwa

kapasitas dan laju adsorpsi terhadap Zn(II) dan Cd(II).

keberadaan gugus – NH2 tidak begitu mempengaruhi

Proses adsorpsi Zn(II) dan Cd(II) pada hibrida amino-

adsorpsi Cd(II). Kemungkinan hal tersebut terjadi

silika diduga terjadi melalui ikatan hidrogen antara

karena Cd(II) mempunyai ukuran yang besar dan

molekul air yang terhidrat pada ion logam dengan

polarizabilitas

NH2 –

atom O dan N pada gugus fungsional adsorben. Laju

mempunyai sifat yang tidak berbeda jauh dari OH

adsorpsi ion logam pada silika gel maupun hibrida

yaitu ukuran kecil dan polarizabilitas rendah sehingga

aminosilika diperoleh urutan laju reaksi Zn(II) >

interaksinya dengan Cd(II) kurang begitu efektif.

Cd(II). Meskipun hibridisasi silika gel dengan gugus

yang

tinggi

sedangkan

Seperti pada tahap cepat untuk tahap lambat

amino mampu meningkatkan kapasitas adsorpsi

laju adsorpsi untuk Zn(II) dan Cd(II) juga relatif lebih

Zn(II), peningkatannya masih rendah, yaitu hanya

besar apabila digunakan adsorben HAS dibandingkan

20%. Untuk itu perlu adanya penelitian lanjutan, yaitu

SG. Gugus-gugus yang berperan pada tahap lambat

mengganti

untuk HAS adalah gugus-gugus hidroksi pada silanol

diharapkan lebih efektif seperti diamino dan triamino.

gugus

amino

dengan

gugus

yang

(Si-OH) dan siloksan sedangkan pada SG hanya gugus-gugus siloksan (Si-O-Si). Pada HAS terdapat 2

UCAPAN TERIMAKASIH

situs aktif yang mempengaruhi adsorpsi sehingga

Penulis mengucapkan terima kasih kepada

proses adsorpsi cenderung akan lebih cepat karena

Direktor Jenderal Pendidikan Tinggi atas bantuan dana

terdapat 2 situs yang siap berinteraksi dengan ion

untuk penelitian ini melalui Program Penelitian

logam. Berdasarkan hal tersebut maka dapat dipahami

Fundamental tahun anggaran 2006 dan L. Dewi, M.R.

laju adsorpsi ion logam apabila digunakan HAS akan

Kurniasari atas bantuan dalam pengumpulan data


11

penelitian.

Martel, A.E., dan Hancock, R.D., 1996, Metal Complexes in Aqueous solution, Plenum Press, New York.

V. DAFTAR PUSTAKA

Airoldi, C., dan Arakaki, L.N.N., 2001, Immobilization of Ethylenesulfide on Silica Surface Through Sol-Gel Process and Some Thermodynamic Data of Divalent Cation Interaction, Polyhedron, 20, 929-936. Cestari, A.R., Viera, E.F.S., Simoni, J.D.A, dan Airoldi, C., 2000, Thermochemical Investigation on The Adsorption of some Divalent Cations on Modified silicas Obtained from Sol-Gel Process, Thermochemica Acta , 348, 25-31 Fahmiati, Nuryono dan Narsito, 2006, Thermodinamics adsorpstion of Cd(II), Ni(II) and Mg(II) on 3-Mercapto-1,2,4-Triazole Immobilized Silica Gel, Indo. J. Chem., 6(1), 52-55 Jal, P.K., Patel, S., dan Misrha, B.K., 2004, Chemical Modification of Silica by immobilization of Fungsional Groups for Extractive Concentration of Metal Ions, Talanta, 62, 1005-1028.

12

Nuryono, V.V.H. susanti, dan Narsito, 2003, Kinetic Study on Adsorption of Chromium(III) to Diatomaceous Earth Pre-treated with Sulfuric and Hydrochloric Acids, Indo. J. Chem., 3(1), 32-38 Nuryono, Suyanta, dan Narsito, 2005, Kinetics of Zn(II) and Cd(II) Adsorption on Mercaptopropyl-Silica Hybrid Synthesized from Rice Husk Ash, Presented in the second

International Seminar on Environmental Chemistry and Toxicology (InSECT) in Yogyakarta, Indonesia, April 26-27, 2005 Oscik, J., 1982, Adsorption, Ellis Horwood Limited, England. Terrada, K., Matsumoto, K., dan Kimora, H., 1983, Sorption of Copper(II) by Some Complexing Agents Loaded on Various Support, Anal. Chim. Acta, 153, 237-247. William, T., 1998, Stuctural Study of Xerogel , Departement Engineering, the University of Quensland, Australia.


e6338-1.-Adsorpsi-Zn...-Nuryono-

Recommend Documents