5. Untuk menentukan daya adsorb dari suatu padatan atau cairan, biasanya dilakukan penelitian dengan cara mengukur volume dari gas yang teradsorb pada suhu tetap, sehingga dikenal istilah adsorbsi isotermis. Data hasil percobaan ini kemudian dibuat dalam bentuk kurva. Diketahui bahwa ada 5 tipe kurva adsorpsi isotermis, jelaskan kelima tipe kurva tersebut dan berikan contoh (beserta kurvanya). Jawab Brunaeur mengklasifikasikan adsorpsi isotermis ke dalam lima jenis kurva seperti gambar berikut
Gambar 2.1 Kurva Adsorpsi Isotermis Langmuir dan BET a. Tipe I Jenis ini disebut Langmuir Isoterm menggambarkan adsorpsi satu lapis (monolayer). Jumlah molekul adsorbat mendekati harga pembatas saat P/P0 mendekati satu. Jenis ini biasanya diperoleh dari adsorben berpori kecil (mikropori) kurang dari 2 nm dan luas area eksternal yang sangat sedikit. Kurva jenis ini biasanya diperoleh dari adsorben karbon aktif dan zeolit molecular sieve. Persamaan umum yang digunakan pada Langmuir adalah
dimana: ω = jumlah mol gas teradsorpsi per satuan massa adsorben θ = fraksi luas permukaan yang tertutup oleh lapisan monolayer B = konstanta adsorpsi Langmuir yang besarnya bergantung pada temperatur P = tekanan adsorpsi L = maksimum kapasitas adsorpsi pada model Langmuir dan Model BET Pada tekanan rendah, persamaan isoterm dapat disederhanakan menjadi bentuk linier mengikuti hukum Henry’s sebagai berikut :
θ = B
P Parameter B dinamakan konstanta afinitas atau konstanta Langmuir. Parameter B mengukur seberapa besar molekul adsorbat yang terserap ke permukaan. Parameter B ini berhubungan dengan kalor adsorpsi (Q ), dengan persamaan sebagai berikut:
b =
√
dengan: α = koefisien nonperfect sticking kd∞ = koefisien kecepatan desorpsi pada temperatur tak terhingga Persamaan Langmuir diatas didasarkan pada asumsi: • Adsorben dilapisi satu lapisan molekul gas adsorbat (unimolekular atau monolayer) • Molekul teradsorpsi tidak bebas bergerak pada permukaan • Tidak ada interaksi lateral di antara molekul-molekul adsorbat • Entalpi adsorpsi sama untuk semua molekul b. Tipe II Jenis ini adalah bentuk normal isoterm pada adsorben tak berpori (nonpori) atau padatan berpori besar (macropores) dengan ukuran lebih besar dari 50 nm yang menunjukkan adsorpsi monolayer - multilayer. Titik B yang ditunjukkan pada gambar menunjukkan kondisi awal tahap linier dari isoterm, biasanya digunakan untuk mengindikasikan tekanan relatif saat pelapisan monolayer selesai.
Isotermal Brunauer-Emmett-Teller atau BET merupakan persamaan teoritikal yang banyak diaplikasikan dalam sistem keseimbangan gas-solid. Model ini merupakan lanjutan dari model isotermal Langmuir yang dikembangkan untuk menjelaskan adsorpsi multilayer. Pada lapisan pertama, kecepatan kondensasi (adsorpsi) dari bagian permukaan adsorben yang kosong sama dengan kecepatan evaporasi (desorpsi) bagian yang tertutupi oleh hanya satu molekul adsorbat. Keseimbangan ini juga terjadi pada semua lapisan berikutnya. Asumsi penting yang kemudian dapat dibuat pada model isotermal ini adalah bahwa panas adsorpsi diluar lapisan pertama adalah konstan dan sama dengan panas pencairan. Model persamaan isotermal dari BET adalah dapat ditulis sebagai berikut
() * ( ) + dimana: ω = jumlah mol gas teradsorpsi per satuan unit massa adsorben L = maksimum kapasitas adsorpsi pada model Langmuir dan Model BET P = tekanan gas saat teradsorpsi Ps = tekanan jenuh adsorbat gas hingga mencapai kapasitas maksimum adsorpsi C = parameter adsorpsi isotermis model BET c. Tipe III Jenis ini menunjukkan 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). d. Tipe IV Jenis ini hampir sama dengan tipe II pada rentang tekanan relatif rendah sampai menegah. Volume terbesar adsorbat yang teradsorpsi dapat dihitung dari capillary condensation yang telah sempurna mengisi pori. Kurva jenis ini dihasilkan dari padatan adsorben berukuran mesopore (2-50 nm).
e. Tipe V Jenis ini hampir sama dengan tipe III, dihasilkan dari interaksi yang rendah antara adsorben dengan adsorbat. Tipe V ini juga ditunjukkan oleh pori dengan ukuran sama seperti tipe IV. http://lontar.ui.ac.id/file?file=digital/133521-T%2027896-Studi%20kapasitasTinjauan%20literatur.pdf
6. Ada lima tipe isoterm adsorbsi fisika. Tipe yang pertama berhubungan dengan pembentukan adsorpsi monlayer, sedangkan tipe dua sampai lima adalah adsorpsi multilayer. Seorang peneliti ingin membuktikan bahwa adsorbsi gas N 2 pada peermukaan suatu padatan merupakan isoterm adsorpsi tipe II. Dia melakukan penelitian pada suhu 90,1 K dan data yang dia peroleh adalah sebagai berikut :
P/Po V (cc)
0,05 51,3
0,10 58,8
0,15 64,0
0,20 68,9
0,25 74,2
Pertanyaan :
Buktikan bahwa data tersebut mengikuti kurva isotermadsopsi tipe II, sesuai dengan hipotesis dari si peneliti. Tentukan nilai υm dan c.
Jawab Langkah pertama yang dilakukan ialah melakukan perhitunagn dengan metode least square dengan memplot P/Po sebagai sumbu x dan
( )
sebagai sumbu y.
X
Y
X
Y
XY
0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
51,3 58,8 64 68,9 74,2
0,0025
2631,69
2,565
0,01
3457,44
5,88
0,0225
4096
9,6
0,04
4747,21
13,78
0,0625
5505,64
18,55
0,75
317,2
0,1375
20437,98
50,375
Berikut hasil kurvanya :
Kurva adsorpsi isotermis tipe II dari literatur :
Sekilas, kurva yang dihasilkan tidak begitu mirip dengan kurva tipe II literatur Hal ini disebabkan hanya 5 data yang digunakan. Namun, data dalam tabel mengikuti kurva adsorpsi isotermis tipe II dan persamaan BET karena nilai P/Po nya berkisar antara 0.05-0.30. Selanjutnya, dari grafik di atas dan dengan menggunakan metode least square didapatlah nilai gradien sebesar 0.0120356
dan nilai intercept sebsear 0.00045878.
dengan s adalah slope kurva dan i adalah y-intercept. Kemudian untuk mencari nilai c dapat digunakan persamaan :
()
+
dengan X adalah P/Po. X yang digunakan adalah X rata-rata yaitu 0.15, V yang digunakan juga V rata-rata yaitu 63.44.
() http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/17135/4/Chapter%20II.pdf
8. Mengapa kaca/cermin yang dilapisis TiO2 tidak nampak berkabut ? Struktur anatase merupakan bentuk yang paling aktif untuk proses fotokatalis. Sementara itu, dari hasil penelitian yang sudah dilakukan oleh para ahli, ternyata fase kristal dari TiO2 yang lain, rutile, juga dapat digunakan untuk mengadsorp gas nitrogen. Salah seorang peneliti keudian mencoba melakukan penelitian mengenai adsorpsi gas nitrogen pada fase rutil TiO2 ini. Percobaan dilakukan pada suhu 75 K. Data yang diperoleh dari peecobaan adalah sebagai berikut. P x 10 (atm) V x 10 (cm3)
1,58
18,42
60,26
115,13
168,03
216,32
269,34
6,01
7,20
8,22
8,35
10,46
11,46
12,54
Untuk membuktikan lapisan apakah yang terbentuk pada peristiwa adsorpsi ini, peneliti tersebut mencocokkan data yang diperoleh dari percobaan dengan persamaan isoterm Langmuir dan persamaan isoterm BET, yang diturunkan oleh Brunauer, Emmet, dan Teller, dari konsep monolayer isoterm Langmuir. Jelaskan perbedaan antara kedua persamaan isoterm tersebut. Jelaskan juga perbedaannya dengan adsorbsi isotermis Freundlich. Diketahui bahwa pada 75 K, tekanan kondensasi gas adalah 0,75 atm. Berdasarkan data hasil penelitian di atas, kesimpulan apakah yang diperoleh oleh peneliti tersebut ? Kemudian tentukan harga volume untuk membentuk satu lapisan tunggal dan nilai konstansta C, jika yang terbentuk adalah multilayer. Jawab Semikonduktor fotokatalis TiO 2 memiliki sifat hidrofilik yang dapat dimanfaatkan untuk aplikasi antikabut di material tertentu, seperti plastik dan kaca. Sifat hidrofilik dari TiO2 menyebabkan air yang berada di permukaan tersebar merata dan tidak membentuk butiran 9dropleta0. Hasilnya material yang terlapisi oleh fil TiO2 akan bersifat antikabut Isoterm Langmuir berdasarkan asumsi bahwa : a. Adsorben mempunyai permukaan yang homogen dan hanyadapat mengadsorbsi satu molekul untuk setiap molekul adsorbennya. Tidak ada interaksi antara molekul-molekul yang terserap. b. Semua proses adsorbsi dilakukan dengan mekanisme yang sama. c. Hanya terbentuk satu lapisan tunggal saat adsorbsi maksimum.
Isoterm BET berdasar asumsi bahwa adsorben mempunyai nilai permukaan yang homogen. Perbedaan isoterm ini dengan Langmuir adalah BET berasumsi bahwa molekul-molekul adsorbat bisa membentuk lebih dari satu lapisan adsorbat dipermukaannya. Pada isoterm ini, mekanisme adsopsi untuk setiap proses adsorpsi berbeda-beda. Mekanisme yang diajukan dalam isoterm ini adalah :Isoterm Langmuir biasanya lebih baik apabila diterapkan untuk adsorpsi kimia, sedangkan isoterm BET akan lebih baik daripada isoterm Langmuir bila diterapkan untuk adsorpsi fisik. Untuk rentang konsentrasi yang kecil dan campuran yang cair, isoterm adsorpsi dapat digambarkan dengan persamaan empirik yang dikemukakan oleh Freundlich. Isoterm ini berdasarkan asumsi bahwa adsorben mempunyai permukaan yang heterogen dan tiap molekul mempunyai potensi penyerapan yang berbeda-beda. . Dari isoterm ini, akan diketahui kapasitas adsorben dalam menyerap air. Isoterm ini akan digunakan dalam penelitian yang akan dilakukan, karena dengan isoterm ini dapat ditentukan efisisensi dari suatu adsorben Salah satu kelemahan dari isoterm Freundlich adalah bahwa ia gagal pada tekanan tinggi gas. Irving langmuir pada 1916 berasal isoterm adsorbsi sederhana pada pertimbangan teoritis berdasarkan teori kinetika gas. Ini disebut sebagai adsorpsi isoterm Langmuir.
9. Untuk mengatasi limbah asam asetat dari pabrik parasetamol, suatu penelitian dilakukan dengan menguji kemampuan daya adsorps karbon aktif terhadap asam asetat teresbut. Penelitian dilakukan pada suhu 25 o C, dan data yang diperoleh dapat ditabelkan seperti berikut ini.
[acid] / (mol dm-3) W a/g
0,05
0,1
0,5
1
1,5
0,04
0,06
0,12
0,16
0,19
Dengan W a adalah massa asam asetat yang teradsorp per-massa karbon aktif. Ujilah, apakah data tersebut mengikuti isoterm Freundlich ? Jika iya, tentukan parameter – parameter yang ada dalam persamaan isoterm tersebut dan jelaskan secara singkat.
10. Dua persamaan (model) sebelum, yaitu Freundlich dan Sips mempunyai batasan. Persamaan Freundlich tidak berlaku pada tekanan rendah dan titik tekanan yang tinggi, dan persamaan Sips tidak berlaku pada tekanan rendah. Persamaan Toth menjelaskan beberapa sistem dengan submonolayer. Tuliskan dan jelskan persamaan Sips (Langmuir – Freundlich), persamaan Toth dan model adsorpsi Dubinin – Radushkevich ? Jawab Model Isoterm Sips Model Isoterm Sips merupakan persamaan empirik yang disusun berdasarkan asumsi adsorpsi terjadi secara kimiawi dengan tingkat energi yang heterogen (Al-Duri, 1995). Persamaan Sips sama seperti equation Freundlich, teta pi persamaan ini punya batasan tekanan yang cukup tinggi. Persamaan model isoterm Sips adalah :
qmaks, kS dan m merupakan konstanta Sips. kS merupakan fungsi suhu dengan persamaan :
dengan kS,0 dan kS,∞ adalah konstanta. Model IsotermToth Persamaan Toth memiliki kelebihan ketimbang persamaan Sips karena dapat diaplikasikan pada p → 0 dan p →∞. Persamaan tersebut ialah :
Dengan n ialah jumlah mol yang teradsorpsi pada tekanan tert entu, nm ialah jumlah mol yang terserap pada kondisi jenuh, p adalah tekanan, dan k serta m ialah konstanta. Parameter k dan m bersifat spesifik untuk setiap pasangan adsorben – adsorbat, dan m bernilai kurang 1 untuk adsorben yang heterogen. Apabila nilai m tersebut bernilai 1, maka persamaan Toth berubah menjadi persamaan Sips.
Model Isoterm Dubinin – Radushkevich Isoterm Dubinin – Radushkevich secara umum diaplikasikan untuk mengekspresikan mekanisme adsorbsi dengan distribusi energi Gaussian kepada permukaan heterogen. Persamaan ini cocok untuk aktivitas zat terlarut yang tinggi serta untuk data konsentrasi dengan rentangan yang sedang.
Dengan qe, jumlah di dalam pada adsorben pada kondisi ekuilibrium; q s, kapasitas jenuh isoterm teoritis; K ad = konstanta isoterm Dubinin – Radushkevich ; serta ε, konstanta isoterm Dubinin – Radushkevich. Pendekatan ini biasanya diguakan untuk membedakan adsorbsi kimia dan fisika dari ion metal dengan energi bebasnya, E per molekul adsorbat :
dengan BDR merupakan konstanta isoterm. Salah satu keunikan dari persamaan Dubinin – Radushkevich ialah ia bergantung pada temperaur, dimana ketika data adsorbsi pada temperatur yang berbeda diplot sebagai fungsi logaritma dari jumlah 2
yang teradsorbsi vs ε , seluruh data akan berada pada kurva yang sama.
http://www.iosrjournals.org/iosr-jac/papers/vol3-issue1/J0313845.pdf
