Isoterm Adsorpsi Zat warna Oleh Karbon Aktif

ISOTERM ADSORPSI ZAT WARNA OLEH KARBON AKTIF

A.Tujuan

            Menentukan model yang sesuai untuk adsorpsi zat warna oleh karbon aktif dan menghitung  kapasitansi adsorpsi oleh karbon aktif

B.Dasar Teori

Isoterm adsorpsi adalah hubungan yang menunjukan distribusi adsorben antara fasa teradsorpsi pada permukaan adsorben dengan fasa ruah saat kesetimbangan pada suhu tertentu. Karbon aktif merupakan senyawa karbon amorf dan berpori yang mengandung 85-95% karbon yang dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon (batubara, kulit kelapa dan sebagainya) atau dari karbon yang diperlakukan dengan cara khusus baik aktivasi kimia maupun fisika untuk mendapatkan permukaan yang lebih luas.(Atkins,1997)

Energi yang dihasilkan seperti ikatan hidrogen dan gaya Van Der Waals menyebabkan bahan yang teradsorpsi berkumpul pada permukaan penjerap. Bila reaksi dibalik, molekul yang terjerap akan terus berkumpul pada permukaan karbon aktif sehingga jumlah zat diruas kanan reaksi sama dengan jumlah zat pada ruas kiri. Apabila kesetimbangan telah tercapai, maka proses adsorpsi telah selesai.Gas bebas dan gas teradsorpsi berada dalam keseimbangan dinamika, dan penutupan terfraksi permukaan, bergantung pada tekanan gas pelapis. Ketergantungan θ pada tekanandan temperatur tertentu, disebut isoterm adsorpsi (Atkins, 1997).

Telah diketahui bahwa beberapa jenis arang dapat menyerap sejumlah tertentu gas atau menyerap zat-zat warna dari larutan. Peristiwa penyerapan suatu zat pada permukaan zat lain semacam ini disebut adsorpsi. Zat yang diserap disebut fase terserap sedang zat yang menyerap disebut adsorbens. Adsorben dapat berupa zat padat maupun zat cair, oleh karena itu adsorpsi dapat terjadi antara zat padat dan zat cair, zat padat dan gas atau gas dengan zat cair (Sukardjo, 1984).

Adsorpsi menggunakan istilah adsorban dan adsorben, dimana adsorben adalah merupakan suatu penyerap yang dalam hal ini berupa senyawa karbon, sedangkan adsorban adalah merupakan suatu media yang diserap. Pada air buangan proses adsorbsi adalah merupakan gabungan antara adsorbsi secara fisika dan kimia yang sulit dibedakan, namun tidak akan mempengaruhi analisa pada proses adsorbsi. Absorpsi adalah proses adhesi yang terjadi pada permukaan suatu zat padat atau cair yang berkontak dengan media lainnya, sehingga menghasilkan akumulasi atau bertambahnya konsentrasi molekul – molekul (Anonim, 2008).

Ada empat tipe persamaan yang digunakan untuk menguraikan penjerapan isoterm yaitu:

1.                  Persamaan Langmuir

2.                  Persamaan Freundlich

3.                  Persamaan BET (Brunauer, Emmet dan Teller)

4.                  Persamaan Gibbs

Namun perhitungan penjerapan dari larutan digunakan persamaan Langmuir dan Freundlich karena persamaan BET dan Gibbs berlaku untuk proses penjerapan terhadap gas (Anonim, 1999).

Gaya yang berperan dalam adsorpsi tergantung pada sifat dasar kimia permukaan dan struktur spesies teradsorpsi. Suatu efek elektrostatik yang dapat dilihat engan jelas juga terlibat dalam adsorpsi ion-ion keatas permukaan zat padat ionik (Day dan Underwood, 2002).

Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan subtansi terlarut yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penyerap, dimana terjadi suatu ikatan kimia fisika antara subtansi dengan penyerapannya. Adsorbsi dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu (Anonim, 2008):

1.                  Adsorpsi fisik, yaitu berhubungan dengan gaya Van der Waals dan merupakan suatu proses bolak – balik apabila daya tarik menarik antara zat terlarut dan adsorben lebih besar daya tarik menarik antara zat terlarut dengan pelarutnya maka zat yang terlarut akan diadsorpsi pada permukaan adsorben.

2.                  Adsorpsi kimia, yaitu reaksi yang terjadi antara zat padat dan zat terlarut yang teradsorpsi.

  Peristiwa adsorpsi disebabkan oleh gaya tarik molekul-molekul dipermukaan adsorbens. Adsorpsi berbeda dengan absorpsi,  karena pada absorpsi zat yang diserap masuk kedalam absorbens, misalnya absorpsi air oleh sponge atau uap air oleh CaCl₂ anhidrous. Pada adsorpsi zat terlarut oleh zat padat, arang merupakan absorbens yang paling banyak digunakan untuk menyerap zat-zat dalam larutan. Zat ini banyak dipakai di pabrik untuk menghasilkan zat-zat warna dalam larutan. Penyerapan zat dalam larutan, mirip dengan penyerapan gas oleh zat padat. Penyerapan bersifat selektif, yang diserap hanya zat terlarut bukan pelarut. Bila dalam larutan ada dua zat atau lebih, zat yang satu akan diserap lebih kuat dari zat yang lain. Zat-zat yang dapat menurunkan tegangan muka antara, lebih kuat diserap. Makin kompleks zat yang terlarut, makin kuat diserap oleh adsorbens (Sukardjo, 1984).

Isoterm yang menggambarkan suatu keseimbangan adsorpsi biasanya tidak linier. Banyak sistem mengikuti persamaan Freundlich, sekurang-kurangnya jika konsentrasinya tidak terlalu tinggi. Persamaan Freundlich dapat diberikan dalam bentuk  C_s = K C_L^1/n.  Dimana C_S merupakan konsentrasi zat terlarut yang teradsorpsi pada suatu fasa padat yang berkestimbangan dengan suatu larutan dengan konsentrasi zat terlarut C_L. Satuan yang biasanya dipakai untuk C_S adalah milimol zat terlarut per gram adsorben, dan untuk C_L, molaritas; k dan n adalah konstanta. Terlihat bahwa jika n=1, persamaan Freundlich direduksi ke bentuk pernyataan kesetimbangan lain seperti hukum Henry atau hukum distribusi Nernst untuk zat terlarut di dalam ekstraksi pelarut. Umumnya n>1 dan karena itu grafik CS  vs  CL (disebut isotherm adsorpsi). Untuk  mengevaluasi  k  dan n,  kita dapat mengambil logaritma dari kedua ruas persamaan Freundlich, menghasilkan

            log C_S = log k + (1/n) log C_L

Konstanta k dan n adalah hanya untuk sistem yang diketahui dan tentu saja, hanya untuk temperatur yang ditetapkan saja (Day dan Underwood, 2002).

              Jumlah zat yang dapat diserap oleh setiap berat adsorbens, tergantung konsentrasi dari zat terlarut. Namun demikian, bila adsorbens sudah jenuh, konsentrasi tidak lagi berpengaruh. Persamaan Freundlich dan Langmuir juga berlaku untuk larutan, hanya tekanan gas diganti konsentrasi (Sukardjo, 1984):

            x/m         =  K . C^b

            log x/m   =  log k + b log C

            C/y         = 1/a + C/b.

Persamaan Langmuir berlaku untuk penjerapan lapisan tunggal (monolayer) pada permukaan zat homogen. Persamaan ini menganggap terjadinya suatu kesetimbangan antara molekul yang dijerap dengan molekul yang masih bebas. Persamaan Langmuir dapat dituliskan sebagai berikut:

Menurut Freundlich, banyaknya zat padat yang dijerap oleh sejumlah tertentu penjerap relatif bertambah cepat dengan bertambahnya konsentrasi, kemudian menjadi lambat jika permukaan penjerap tertutup oleh molekul gas yang terdapat dalam larutan. Persamaan Freundlich dapat dituliskan sebagai berikut (Anonim, 1999):

Karbon aktif merupakan senyawa karbon amorf dan berpori yang mengandung 85-95% karbon yang dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon (batubara, kulit kelapa dan sebagainya) atau dari karbon yang diperlakukan dengan cara khusus baik aktivasi kimia maupun fisika untuk mendapatkan permukaan yang lebih luas. Karbon aktif dapat mengadsorpsi gas dan senyawa-senyawa kimia tertentu atau sifat adsorpsinya selektif, tergantung pada besar atau volume pori-pori dan luas permukaan. Daya serap karbon aktif sangat besar, yaitu 25- 1000% terhadap berat karbon aktif. Karena hal tersebut maka karbon aktif banyak digunakan oleh kalangan industri. Dalam satu gram karbon aktif, pada umumnya memiliki luas permukaan seluas 500-1500 m², sehingga sangat efektif dalam menangkap partikel-partikel yang sangat halus berukuran 0.01-0.0000001 mm. Karbon aktif bersifat sangat aktif dan akan menyerap apa saja yang kontak dengan karbon tersebut. Dalam waktu 60 jam biasanya karbon aktif tersebut manjadi jenuh dan tidak aktif lagi. Oleh karena itu biasanya karbon aktif dikemas dalam kemasan yang kedap udara (Admin, 2008).

Spektrofotometer sesuai dengan namanya adalah alat yang terdiri dari spektrometer dan fotometer. Spektrometer menghasilkan sinar dari spektrum dengan panjang gelombang tertentu dan fotometer adalah alat pengukur intensitas cahaya yang ditransmisikan atau yang diabsorpsi. Jadi spektrofotometer digunakan untuk mengukur energi secara relatif jika energi tersebut ditransmisikan, direfleksikan atau diemisikan. Suatu spektrofotometer tersusun dari sumber spektrum tampak yang kontinu, monokromator, sel pengabsorpsi untuk  larutan  sampel  atau  blanko  dan  suatu  alat   untuk  mengukur  perbedaan absorpsi antara sampel ataupun pembanding (Khopkar, 1990).

Langmuir Isotherm: Langmuir (Langmuir 1918) proposed a theory to describe the adsorption of gas molecules onto metal surfaces. Langmuir’s model of adsorption depends on the assumption that intermolecular forces decrease rapidly with distance and consequently predicts the existence of monolayer coverage of the adsorbate at the outer surface of the adsorbent. The saturated or monolayer (as Ct ) capacity can be represented by the expression:

                        q_e =    K_L.C_e

                     1+a_L.C_e

where qe is solid phase sorbate concentration at equilibrium (mmol/g), Ce is aqueous phase sorbate concentration at equilibrium (mmol/L), KL is Langmuir isotherm constant (L/g), a_L is Langmuir isotherm constant (L/mmol) and KL/aL gives the theoretical monolayer saturation capacity, Q₀. The Langmuir equation is applicable to homogeneous sorption where the sorption of each sorbate molecule onto the surface has equal sorption activation energy (Chan, dkk., 2010).

Freundlich Isotherm: The Freundlich (Freundlich 1906) equation is an empirical equation employed to describe heterogeneous systems, in which it is characterized by the heterogeneity factor 1/n. When n=1/n, the Freundlich equation reduces to Henry’s Law. Hence, the empirical equation can be written:

            qe = K_F. C_e^1/n

where qe is solid phase sorbate concentration in equilibrium (mmol/g), Ce is liquid phase sorbate concentration in equilibrium (mmol/L), KF is Freundlich constant (L/mg1-1/n/g) and 1/n is the heterogeneity factor. This isotherm is another form of the Langmuir approach for adsorption on an “amorphous” surface. The amount adsorbed material is the summation of adsorption on all sites. The Freundlich isotherm is derived by assuming an exponential decay energy distribution function inserted in to the Langmuir equation. It describes reversible adsorption and is not restricted to the formation of the monolayer (Chan, dkk., 2010).

Isoterm Langmuir: Langmuir (Langmuir 1918) mengusulkan teori untuk menjelaskan adsorpsi molekul gas ke permukaan logam. Model adsorpsi Langmuir tergantung pada asumsi bahwa gaya antarmolekul menurun cepat dengan jarak, akibatnya menimbulkan adanya cakupan adsorbansi monolayer pada luar permukaan adsorben. Monolayer jenuh (seperti Ct) kapasitas dapat ditentukan dengan persamaan:

            q_e  =     K_L.C_e

          1+a_L.C_e

dimana qe merupakan konsentrasi sorbat fase padat pada kesetimbangan (mmol / g), Ce adalah fase konsentrasi sorbat air pada kesetimbangan (mmol/L), K_L adalah konstanta isoterm Langmuir (L/g), a_L Langmuir isoterm konstan (L/mmol) dan K_L /A_L memberikan saturasi kapasitas monolayer teoritis, Q₀. Persamaan Langmuir berlaku untuk penyerapan homogen di mana serapan dari masing-masing molekul sorbat ke permukaan memiliki penyerapan energi aktivasi yang sama (Chan, dkk., 2010).

Isoterm Freundlich: Persamaan Freundlich (Freundlich 1906) merupakan persamaan empiris digunakan untuk menjelaskan sistem heterogen, di mana ia dicirikan oleh faktor heterogenitas 1/n. Ketika n = 1/n, persamaan Freundlich menggeser  hukum Henry. Oleh karena itu, persamaan empiris dapat ditulis:

            qe = K_F. C_e^1/n

dimana qe, konsentrasi sorbat fase padat dalam kesetimbangan (mmol/g), Ce adalah konsentrasi sorbat fase cair dalam kesetimbangan (mmol/L), K_F adalah Freundlich konstan (L/mg1-1/n/g) dan 1/n adalah faktor heterogenitas. isoterm Ini merupakan bentuk lain dari pendekatan Langmuir untuk adsorpsi pada permukaan yang tak berbentuk. Jumlah material terserap merupakan penjumlahan adsorpsi. Isoterm Freundlich diperoleh dengan mengasumsikan suatu energi peluruhan fungsi distribusi eksponensial yang dimasukkan kedalam persamaan Langmuir. Hal ini menggambarkan adsorpsi reversibel dan tidak terbatas hanya pada pembentukan monolayer (Chan, dkk., 2010).

C.Alat dan bahan

1.Alat

Dalam percobaan ini alat-alat yangi digunakan antara lain Erlenmeyer 250 mL,Labu takar 250 mL,Pipet volum 10 mL,Batang pengaduk,Shaker,gelas beker 250 mL,Kuvet,Corong,dan Gelas arloji

2.Bahan

Bahan-bahan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain Zat warna,Karbon aktif,Kertas saring,Aluminium foil,dan Sprektonik 2D

D.Cara Kerja

1.Pembuatan kurva kalibrasi

Dibuat Larutan zat warna 10 ppm kemudian dibuat larutan standar dengan konsentasi 0,5 ppm, 1 ppm, 2 ppm, 4 ppm, dan 8 ppm masing-masing 50 mL dengan mengencerkan larutan zat warna 10 ppm setelah itu ditentukan absorbansinya pada panjang gelombang (λ) yang sesuai dengan zat warna

2.Adsorpsi isothermal

Dibuat larutan zat warna 100 ppm dengan mengencerkan zat warna 100 ppm,dibuat larutan dengan konsentrasi 5 ppm, 10 ppm, 15 ppm, 20 ppm, dan 25 ppm masing-masing 100 mL dibersihkan dan dikeringkan 5 buah erlemeyer 250 mL,kemudian masing-masing dimasukkan 1 g karbon aktif ditambahkan 100 mL larutan zat warna dengan konsentrasi 5, 10, 15, 20 dan 25 ppm.

Kelima erlemeyer ditutup menggunakan aluminium foil,kemudian diaduk menggunakan shaker selama 30 menit Larutan kemudian disaring menggunakan mengunakan kertas saring untuk memisahkan karbon aktofnya Kemudian diukur absorbansi larutan pada panjang gelombang (λ) zat warna.

E.Hasil Pengamatan

            Dari hasil pengamatan dapat disajikan data sebagai berikut :

           

1.        Tabel A
konsentrasi	Absorbansi
0,5	0,011
1	0,017
2	0,023
4	0,067
8	0,111

konsentrasi	Absorbansi
5	0,098
10	0,121
15	0,198
20	0,247
25	0,364

3.Tabel C
Massa	Konsentrasi	Absorbansi
1	5	0,098
1	10	0,121
1	15	0,198
1	20	0,247
1	25	0,364

2.Tabel B

4. Isoterm Langmuir
Co	Ce	Qe	Ce/Qe
5	6,89	0,189	36,45
10	8,55	0,145	58,96
15	14,13	0,087	162,41
20	17,68	0,232	76,2
25	26,16	0,116	225,51

5. Isoterm Freundlich
Log Ce	Log Qe
0,83	-0,72
0,93	-0,83
1,15	-1,06
1,24	-0,63
1,41	-0,93

6. Kurva Langmuir
Ce	Ce/Qe	Qe	KA
6,89	36,45	0,189	72.46
8,55	58,96	0,145
14,13	162,41	0,087
17,68	76,2	0,232
26,16	225,51	0,116

7. Kurva Freundlich
Log Ce	Log Qe	KA
0,83	-0,72	0.24
0,93	-0,83
1,15	-1,06
1,24	-0,63
1,41	-0,93

8.Grafik C vs A

9.Grafik Ce vs Ce/Qe

10.Grafik Log Ce Vs log Qe

F.Pembahasan

Percobaan yang berjudul “Isotherm Adsorpsi Zat Warna oleh Karbon Aktif” ini mempunyai tujuan menentukan model yang sesuai untuk adsorpsi zat warna oleh karbon aktif dan menghitung kapasitas adsorpsi oleh karbon aktif. Prinsip percobaan adsorpsi isoterm didasarkan pada teori freundlich, yaitu banyaknya zat yang diadsorpsi pada temperatur tetap oleh suatu adsorbanpada percobaan ini tergantung dari konsentrasi dan kereaktifan adsorbat mengadsorpsi zat-zat tertentu. Percobaan ini menggunakan adsorpsi fisika karena adanya gaya van der waals antara adsorben dengan adsorbat yang digunakan sehingga proses adsorpsi hanya terjadi ada permukaan larutan.

Pertama adalah pembuatan kurva kalibrasi dengan konsentrasi yang bervariasi yaitu; 0,5 ppm, 1 ppm, 2 ppm, 4 ppm, dan 8 ppm  dan didapatkan nilai adsorbansi berturut-turut sebesar 0.011A,0.017A, 0.023, 0.067A, dan 0.111A. Dari sini kita bisa membuat kurva kalibrasi yaitu hubungan selanjutnya antara konsentrasi dan absorbansi. Dan pada percobaan ini persamaan yang didapat ialah  y = 0.0132x + 0.0082 Kemudian langkah selanjutnya ialah isotermal adsorpsi dengan konsentrasi yang bervariasi yaitu 5, 10, 15, 20 dan 25 ppm. Kemudian ditambahkan karbon aktif dan zat warna dengan konsentrasi berturut-turut 5, 10, 15, 20 dan 25 ppm, lalu diukur absorbansinya.

Pada percobaa ini menggunakan arang aktif karena arang aktif berfungsi sebagai absorben pengotor-pengotor pada larutan tersebut. Proses adsorpsi dilakukan pada keadaan isoterm (temperatur tetap) karena temperatur juga dapat berpengaruh dalam adsorpsi, sehingga untuk memudahkan analisis maka temperatur dibuat tetap. Larutan pada erlenmeyer di aduk menggunakan shaker agar terjadi pencampuran yang merata sehingga membantu dalam proses adsorpsi, dengan kata lain, adsorpsi dapat berjalan lebih cepat.

Campuran yang terbentuk kemudian disaring dengan kertas saring dengan cara didekantir. Dekantir adalah suatu metode untuk memisahkan campuran yang penyusunnya berupa cairan dan padatan. Untuk memudahkan proses dekantir ini digunakan pengaduk saat menuang cairan. Dengan demikian, cairan tidak mengalir di luar wadah dan dapat terpisah dari padatan dengan baik. Filtrat yang dihasilkan dari pemisahan inilah yang merupakan larutan asam asetat murni tanpa pengotor.

Dari hasil percobaan yang tertera dalam tabel hasil percobaan, dapat dilihat bahwa semakin besar konsetrasi zat terlarut, semakin besar pula zat terlarut yang dapat teradsorpsi. Zat terlarut yang teradsorpsi merupakan hasil pengurangan dari larutan asam asetat mula-mula dan larutan asam asetat setelah ditambah adsorben. Hal ini dapat dilihat dari perhitungan berat teradsorpnya. Dari hasil percobaan tersebut kemudian direpresentasikan dalam bentuk grafik. Grafik yang dibuat adalah grafik isoterm Freundlich dan grafik isoterm Langmuir. Grafik isoterm Freundlich menggambarkan hubungan logaritmik antara berat adsorbat dalam adsorben dengan konsentrasi larutan asam asetat setelah peristiwa adsorpsi. Dari grafik yang telah digambar, diketahui bahwa kurva menunjukkan model linier dengan nilai linieritas R² = 0.076. Hal ini sesuai dengan teori yang dikemukakan oleh Freundlich mengenai nilai K yang mengindikasikan kapasitas serapan. Semakin besar luas permukaan suatu adsorben, maka semakin besar pula harga intersep K. Dilihat dari nilai R² yang dihasilkan menunjukan nilai yang kurang/mendekati 1, maka itu menunjukkan bahwa percobaan ini sudah mendekati dengan teori.

Grafik yang kedua adalah grafik isoterm Langmuir yang menggambarkan hubungan konsentrasi larutan terhadap adsorpsi. Dari grafik yang telah digambar, diketahui bahwa kurva menunjukkan model linier dengan nilai linieritas R² =0.980 . Hal ini sesuai dengan teori yang dikemukakan pada teori adsorpsi isoterm Langmuir yang menggambarkan bahwa pada permukaan adsorben terdapat sejumlah situs aktif yang sebanding dengan luas permukaan adsorben. Artinya, semakin besar permukaan adsorbennya, maka akan semakin besar daya adsorpsinya. Dilihat dari nilai R² yang dihasilkan menunjukan nilai yang kurang/mendekati 1, maka itu menunjukkan bahwa percobaan ini sudah mendekati dengan teori.

G.Kesimpulan

Dari percobaan yang telah dilakukan dapat di simpulkan bahwa model yang paling sesuai untuk adsorpsi zat warna dari karbon aktif adalah model adsorpsi Langmuir di karnakan nilainya yang paling mendekati angka 1 di bandingkan dengan adsorpsi Freundlich dan kapasitas adsorpsi Freundlich ,KA=0.24 dan kapasitas adsorpsi langmuir ,KA=.72.46

      

           

DAFTAR PUSTAKA

Anonim,  1999,  Bab   II    Tinjauan    Pustaka(online),   http://digilib.ubaya.ac.id/

skripsi/farmasi/F_639_1920036/F_639_Bab%20II.pdf, diakses pada tanggal 22 Oktober 21.00 wita.

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

Chan, L. S.,  Cheung, W. H.,  Allen, S. J. dan  Mckay,  G. 2010 . Adsorption   Of   Basic  Dyes By Activated Carbon From Waste Bamboo(online), http://archivos.labcontrol.cl/wcce8/offline/techsched/manuscripts%5Cl4iuz8.pdf, diakses pada tanggal 19 Oktober 2010 pukul 20.23 wita.

Day, R. A. dan Underwood, A. L. 2002. Analisis Kimia Kuantitatif.  Erlangga:Jakarta.

Khopkar, S. M.1990. Konsep Dasar Kimia Analitik. UI-Press:Jakarta.

Sukardjo.1984. Kimia Anorganik. Bina aksara:Yogyakarta.

Taba, P. Zakir, M. dan Fauziah, S. 2009. Penuntun Praktikum Kimia Fisika., Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Hasanuddin. Makassar.