Laporan Praktikum Kimia Fisika II (isoterm adsorpsi zat warna oleh karbon aktif)

LAPORAN RESMI

PRAKTIKUM KIMIA FISIKA II

ISOTERM ADSORPSI ZAT WARNA OLEH KARBON AKTIF

1. Tujuan  Percobaan

1.      Menentukan model yang sesuai untuk adsorpsi zat warna oleh karbon aktif

2.      Menghitung kapasitas adsorpsi oleh karbon aktif

2. Dasar Percobaan

1.      Adsorpsi

Adsorpsi adalah peristiwa penyerapan molekul-molekul cairan atau gas pada permukaan adsorban, hingga terjadi perubahan konsentrasi pada cairan atau gas tersebut. Zat yang diserap disebut adsorbat, sedangkan zat yang menyerap disebut adsorban contoh dari peristiwa adsorpsi adalah larutan asam asetat diadsorbsi oleh karbon. Ada dua tipe adsorpsi, dimana perbedaan antara kedua tipe adsorpsi ini ditentukan oelh panas reaksi yang terlibat dalam proses adsorpsi tersebut (Sukardjo, 1990). Kedua tipe reaksi tersebut adalah :

a.       Adsorpsi secara fisika : adsorpsi secara fisika ini mempunyai karakteristik antara lain panas reaksi yang rendah yaitu 10000 kal/mol atau kurang. Hal ini disebabkan oleh ikatan yang terlibat dalam adsorbs itu ikatan yang lemah, yakni gaya Van der Waals.

b.      Asorpsi secara kimia : adsorpsi secara kimia ini melibatkan panas adsorpsi yang cukup besar yaitu antara 10000 kal/mol sampai 20000 kal/mol. Hal ini disebabkan adanya reaksi kimia yang biasanya terjadi dan menyebabkan adanya ikatan antara adsorban dan adsorbat menjadi lebih kuat.

Faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas adsorpsi antara lain, luas permukaan adsorben, ukuran pori adsorben, kelarutan zat terlarut, PH dan temperature (Castellan, 1982).

2.      Isoterm adsorpsi

Hubungan antara jumlah substansi yang diserap oleh adsorban dan tekanan atau konsentrasi pada kesetimbangan pada suhu konstan disebut adsorbs isothermis. Teori Langmuir dan Freundlich yaitu dimana banyaknya zat yang diadsorpsi pada temperatur tetap oleh suatu adsorban tergantung dari konsentrasi dan keaktifan adsorbat untuk mengadsorpsi zat-zat tertentu. Hubungan dari jumlah zat teradsorpsi persatuan luas atau satuan massa dan tekanan dinyatakan dengan persamaan Freundlich :

y = k P^1/n………………………(1)

(Attkins, 1997)

Dimana : y = berat atau volume zat yang teradsorbsi persatuan luas atau massa adsorban. P = tekanan saat kesetimbangan tercapai k, n = konstanta. Untuk adsorbs solute yang tidak melibatkan gas maka persamaan Freundlich menjadi :

y = k C^1/n……………………..(2)

dimana : C adalah konsentrasi solute saat kesetimbangan. Dikemukakan oleh Freundlich bahwa isotherm ini pada adsorben mempunyai permukaan yang heterogen dan tiap molekul mempunyai potensi penyerapan yang berbeda-beda. Persamaan (2) dapat dituliskan dalam bentuk logaritma :

log₁₀ y = 1og₁₀ k + 1/n log₁₀C (3)

jika kemudian dibuat plot log₁₀ C maka akan diperoleh garis lurus yang mempunyai slope sebesar 1/n dan  nilai tercepatnya sebesar log₁₀k. Disamping persamaan Freundlich terdapat persamaan yang lebih baik untuk menyatakan adsorbs isothermis yaitu persamaan Langmuir. Langmuir berpendapat bahwa gas diadsorbsi pada permukaan solid dan membentuk tidak lebih dari satu lapis ketebalannya. Pada adsorbsi isothermis ini, persamaan-persamaan yang digunakan dalam perhitungan diturunkan dari teori Langmuir, dengan asumsi-asumsi :

a.       Seluruh permukaan adsorban memilki aktivitas adsorbsi yang sama atau seragam

b.      Tidak terjadi interaksi antara molekul-molekul adsorbat.

c.       Mekanisme adsorbs yang terjadi seluruhnya sama

d.      Hanya terbentuk satu lapisan adsorbat yang sempurna di permukaan adsorban.

Teori Langmuir menggambarkan proses adsorbs terdiri dari dua proses berlawanan, yaitu kondensasi molekul-molekul fase teradsorbsi menuju permukaan dan evaporasi/ penguapan molekul-molekul dari permukaan kembali kedalam larutan (Oscik, 1993).

Isoterm Branauer, Emmet and Teller (BET), isoterm ini berdasarkan asumsi menyatakan bahwa absorben mempunyai nilai permukaan yang homogen.Perbedaan isoterm ini dengan Langmuir adalah BET berasumsi bahwa molekul-molekul adsorbat bias membentuk lebih dari satu lapisan adsorbat dipermukaannya. Pada isoterm ini, mekanisme adsorpsi 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 (Castellan, 1982).

3.      Karbon aktif

Karbon aktif merupakan senyawa karbon amorph dan berpori yang mengandung 85-95% karbon yang dihasilkan dari bahan-bahan yang mengandung karbon (batubara, kulit kelapa dan sebagainya) atau dari karbon yang diperlukan dengan cara khusus baik aktivitas kimia maupun fisika untuk mendapatkan permukaan yang lebih luas. Karbon aktif dapat mengadsorpsi gas dari senawa-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% terhdap berat karbon aktif. Karena hal tersebut maka karbon aktif banyak digunakan oleh kalangan industry. Hampir 60% produksi karbon aktif didunia ini dimanfaatkan oleh industri-industri gula dan pembersihan minyak dan lemak, kimia dan farmasi (Sembiring, 2003)

Karbon aktif dalam satu gram, 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 menjadi jenuh dan tidak aktif lagi. Oleh karena itu, biasanya karbon aktif di kemas dalam kemasan yang kedap udara. Sampai tahap tertentu beberapa jenis karbon aktif dapat direaktivasi kembali, meskipun demikian tidak jarang yang disarankan untuk sekali pakai. Reaktifasi karbon aktif sangat tergantung dari metode aktivasi sebelumnya, oleh karena itu perlu diperhatikan keterangan pada kemasan produk tersebut. (Chang, 2010)

4.      Zat warna

Zat warna merupakan suatu zat yang dapat menyerap suatu partikel warna dan lalu memantulkannya kembali atau meneruskan warnanya dengan panjang gelombang tertentu sehingga mempunyai warna yang khas. Zat-zat warna dapat diperoleh dari tanaman maupun hewan tetapi ada pula yang dapat disintesis. Banyak sekali zat-zat warna yang biasa digunakan dalam kehidupan kita sehari-hari, misalnya pada industry tekstil, kertas, plastik, makanan, kosmetik dan sebagainya, dan salah satu contoh zat warnanya adalah rhodamin B (http://sci-crime.com, 2010).

Zat-zat warna tersebut dapat diabsorpsi untuk menjelaskan bahwa ada konsentrasi yang lebih besar dari molekul yang teradsorpsi pada permukaan padatan daripada dalam fase gas atau dalam badan larutan. Beberapa contoh adsorben yang umum digunakan adalah karbon aktif, silica gel, alumina, zeolite dan penyaring molekul. Limbah zat warna yang dibuang kesungai akan sangat mengganggu aktivitas biologi yang ada, kualitas air tanah juga akan terpengaruh karena adanya zat warna. Adsorpsi zat warna oleh adsorben telah banyak dilakukan dalam kehidupan sehari-hari misalnya saja dalam penanganan limbah cair yang mengandung zat warna berbahaya dan besifat karsinogenik (http://sci-crime.com, 2010).

Rhodamin B adalah pewarna sintetis yang digunakan pada industri tekstil dan kertas Rhodamin B berbentuk serbuk kristal merah keunguan dan dalam larutan akan berwarna merah terang berpendar. Zat itu sangat berbahaya jika terhirup, mengenai kulit, mengenai mata dan tertelan. Dampak yang terjadi dapat berupa iritasi pada saluran pernapasan, iritasi pada kulit, iritasi pada mata, iritasi pada saluran pencernaan dan bahaya kanker hati. Apabila tertelan dapat menimbulkan iritasi pada saluran pencernaan dan air seni akan berwarna merah atau merah muda. Penyebarannya dapat menyebabkan gangguan fungsi hati dan kanker hati. Penyalahgunaan rhodamin B untuk pewarna makanan telah ditemukan untuk beberapa jenis pangan seperti kerupuk, terasi dan jajananyang berwarna merah terang. Ciri-ciri makanan yang mengandung pewarna rhodamin B antara lain makanan berwarna merah mencolok dan cenderung berpendar serta banyak memberikan titik-titik warna karena tidak homogen. (http://sci-crime.com, 2012)

3. Alat dan Bahan

Alat yang digunakan dalam percobaan ini antara lain: kuvet spektronik, Erlenmeyer 125 ml, labu ukur 50 ml, labu ukur 100ml, gelas piala 50ml, corong gelas kecil, gelas arloji, pipet ukur 10ml, bola hisap, rak kuvet, aluminium foil, kertas saring, botol aquades, sendok ungu, label, spatula, pipet ukur 25ml, spektronik 20D, shaker dan gelas beker 150ml.

Bahan yang digunakan dalam percobaan ini antara lain: zat warna, karbon aktif dan aquades.

4. Cara Kerja

Langkah pertama dari adsorpsi isothermal ini adalah pengenceran 0,01 gram azt warna ke dalam labu ukur 100 ml untuk konsentrasi 100 ppm, yang akan diambil 5 ml, 10 ml, 15 ml, 20 ml dan 25 ml, dimana dari pengambilan tersebut akan diencerkan kembali ke dalam labu ukur 100 ml untuk konsentrasi 5 ppm, 10 ppm, 15 ppm, 20 ppm dan 25 ppm. Larutan dari ke-lima konsentrasi dimasukkan karbon aktif masing-masing sebanyak 1 gram. Larutan kemudian diaduk dengan alat shaker selama 30 menit. Baru kemudian larutan disaring dengan kertas saring, hasil saringan dimasukan ke dalam kuvet untuk dihitung nilai adsobansi dari masing-masing konsentrasi dengan menggunakan panjang gelombang yang dimiliki zat warna. Setiap pengukuran adsorbansi dari masing-masing konsentrasi, selalu digunakan blanko terlebih dahulu.

Langkah kedua pada pembuatan kurva kalibrasi ini adalah dengan pengambilan larutan 10 ml dari sisa larutan labu ukur 100 ml untuk konsentrasi 100 ppm di atas. Larutan 10 ml diencerkan ke dalam labu ukur 100 untuk konsentrasi 10 ppm. Konsentrasi 10 ppm dari labu ukur 100 ml ini diambil sebanyak 2,5 ml, 5 ml, 10 ml, 20 ml dan 40 ml yang akan diencerkan ke dalam labu ukur 50 ml untuk mendapatkan konsentrasi 0,5 ppm, 1 ppm, 2 ppm, 4 ppm dan 8 ppm. Ke lima konsentrasi tersebut yang telah siap, diukur nilai absorbansinya. Setiap pengukuran absorbansi dari masing-masing konsentrasi, selalu digunakan larutan blanko terlebih dahulu.

5. Data Pengamatan

1.      Tabel

a.       Tabel 1. Kurva kalibrasi

No.	Konsentrasi (ppm)	Absorbansi
1	0,5	0,004
2	1	0,01
3	2	0,028
4	4	0,053
5	8	0,105

b.      Tabel 2. Absorpsi isothermal

No.	Massa Absorban (g)	Konsentrasi awal (ppm)	Absorbansi
1	1	5	0,066
2	1	10	0,128
3	1	15	0,185
4	1	20	0,276
5	1	25	0,305

c.       Tabel 3. Isoterm langmuer

No.	Konsentrasi awal (Co)	Konsentrasi sampel (Ce)	Qe	Ce/Qe
1	5	5,153846154	0,015384615	335
2	10	9,923076923	0,007692308	1290
3	15	14,30769231	0,069230769	206,6667
4	20	21,30769231	0,130769231	162,9412
5	25	23,53846154	0,146153846	161,0526

d.      Tabel 4. Isoterm Freundlich

No.	Konsentrasi (ppm)	Absorbansi
1	0,71213145	-1,812913357
2	0,996646358	-2,113943352
3	1,155569592	-1,159700843
4	1,328536417	-0,883494431
5	1,371778074	-0,835189751

2.      Grafik

a.       Grafik 1. Kalibrasi table 1a. Konsentrasi vs Absorbansi

b.      Grafik 2. Langmuer table 3. Ce vs Ce/Qe

 

c.       Grafik 3. Freundlich table 4. Log Ce vs Log Qe

6. Pembahasan

Percobaan kali ini berjudul isoterm adsorpsi zat warna oleh karbon aktif yang bertujuan dalam menentukan model yang sesuai untuk adsorpsi zat warna oleh karbon aktif dan untuk menghitung kapasitansi adsorbs oleh karbon aktif. Pembahasan kali ini berkaitan dengan pembuatan kurva kalibrasi dengan model adsorpsi yang sesuai bagi zat warna menggunakan karbon aktif.

Reaksi adsorpsi yang dilakukan dalam pembuatan kurva kalibrasi untuk konsentrasi 0,5, 1, 2 dan 4 ppm digunakan sebagai larutan standar yang berfungsi untuk perbandingan adsorbansi dari larutan contoh dengan konsentrasi 1, 5, 10, 15 dan 20 ppm yang berwarna merah. Pengenceran larutan dimulai dari konsentrasi yang lebih rendah ke konsentrasi yang lebih tinggi agar konsentrasi yang sebenarnya dari larutan tidak jauh atau melenceng dari konsentrasi yang diinginkan, apabila dimulai dari konsentrasi yang lebih besar dikhawatirkan dapat mempengaruhi konsentrasi yang lebih kecil karena sesungguhnya prinsip dari pengenceran adalah ketelitian, begitu juga dengan pemasukan larutan dalam kuvet untuk perhitungan nilai adsorbansi yang dilakukan secara bergantian yang dimulai dari konsentrasi lebih rendah terlebih dahulu. Penimbangan karbon aktif dibungkus dengan aluminium foil yang bertujuan agar karbon aktif tidak menyerap zat lain yang dapat mempengaruhi perubahan massa dari zat yang diserap nantinya. Karbon aktif dimasukan ke dalam masing-masing Erlenmeyer dan dikocok dengan alat shaker secara bersamaan selama 30 menit yang bertujuan untuk mengetahui daya adsorpsi dari karbon aktif terhadap zat warna pada waktu yang sama, sehingga daya adsorpsi pada konsentrasi yang bervariasi dapat dibandingkan yang selanjutnya ditentukan metode yang sesuai dari percobaan ini. Saat pengocokan dengan alat shaker Erlenmeyer ditutup dengan aluminium foil yang bertujuan agar tidak ada larutan yang keluar pada saat pengadukan.

Sementara menunggu larutan contoh, adsorbansi larutan standar yang telah diencerkan sesuai dengan konsentrasi masing-masing diukur nilai adsorbansinya dengan alat spektronik 20D, dengan didahului larutan blanko berupa larutan aquades. Larutan blanko ini berfungsi sebagai penstabil dengan angka nol atau alat pengkalibrasi pada pengukuran panjang gelombang, panjang gelombang yang digunakan pada spektronik 20D ini sebesar 510nm. Panjang gelombang ini sesuai dengan panjang gelombang zat warna yang pakai. Saat pemasukan kuvet dianjurkan kuvet dilap dengan tisu agar tidak ada bekas jari yang menempel pada dinding luar kuvet. Hal ini dapat menyebabkan kesalahan pada pembacaan pada panjang gelombang pada spektronik 20D. Data table 1a diperoleh hasil bahwa pada konsentrasi 0,5, 1, 2 dan 4 ppm ini terjadi peningkatan nilai adsorbansi, yang sesuai dengan pernyataan yaitu semakin besar konsetrasinya maka nilai adsorbansinya juga semakin besar.

Larutan contoh setelah dihentikan pengadukan dan larutan didiamkan sebentar agar karbon aktif pada larutan dapat mengendap pada dasar Erlenmeyer. Sehingga apabila larutan disaring dengan kertas saring karbon aktif tidak ikut tersaring. Larutan kemudian disaring menggunakan kertas saring, alasan menggunakan kertas saring daripada corong bucher, supaya warna karbon aktif tidak ikut tersaring. Selain itu kertas saringan dari larutan harus dibuang untuk menghindari penyerapan zat warna pada kertas saring. Pengukuran yang telah dilakukan diperoleh data dengan adsorbansi yang meningkat sesuai dengan peningkatan konsentrasi dari konsentrasi 1, 5, 10, 15, 20 dan 25 ppm yang dapat dilihat pada table 1b.

Kurva kalibrasi yang telah dibuat dari larutan standar dapat dilihat pada grafik 2a. Grafik tersebut memiliki persamaan garis y = 0,013x – 0,001, dari persamaan ini dapat dihitung konsentrasi larutan adsorbansi yang dilambangkan dengan simbol Ce. Selain itu efektifitas adsorpsi juga dapat dihitung dengan dilambangkan symbol (Qe), dapat dilihat pada table 1c. Tabel 1c dapat dibuat grafik hubungan Ce vs Ce/Qe berupa grafik isothermal Langmuer. Grafik tersebut mempunyai persamaan yaitu y = -30,77x + 888,0 dengan R² = 0,237. Baru kemudian data table 1c dapat digunakan untuk menghitung log Ce dan log Qe yang dapat dilihat pada table 1d. Tabel 1d selanjutnya digunakan untuk membuat grafik isothermal Freundlich, sehingga grafik tersebut mempunyai persamaan y = 1,783x – 3,346 dengan R² = 0,699 yang dapat dilihat pada grafik 2c.

Data dari kedua grafik isotermal di atas, didapatkan hasil perhitungan kapasitas adsorpsi pada isothermal langmuer dengan nilai yang lebih kecil daripada isothermal freundlich yaitu sebesar -0,0325 mg/g dan 4,51 x 10^-4 mg/g. Selain itu nilai R² = 0,699 untuk isothermal freundlich lebih besar daripada nilai R²=0,237 untuk isothermal langmuer. Sehingga dapat diketahui bahwa model freundlich adalah model yang sesuai untuk adsorpsi zat merah tersebut, yang menyatakan bahwa adsorben setiap permukaan yang heterogen dan tiap molekul mempunyai potensi penyerap yang berbeda-beda.

7. Kesimpulan

Pembahasan di atas dapat diambil kesimpulan bahwa :

1.      Model yang sesuai untuk adsorpsi zat warna merah oleh karbon aktif adalah model isoterm freundlich

2.      Kapasitas adsorpsi isothermal langmuer dan isothermal freundlich adalah sebesar -0,0325 mg/g dan 4,51 x 10^-4 mg/g

8. Daftar Pustaka

Attkins. 1997. Kimia Fisika Jilid 2. Jakarta : Erlangga.

Chan, dkk. 2010. Adsorption of Basic Dyes By Activated Carbon From Waste Bambo. http://archivos.Labcontrol.cl/wcce8/offline/techsched/manuscript%5C14iuz8.pdf, diakses pada tanggal 18 Maret 2013.

Castellan. 1982. Physical Chemestry Edisi Ketiga. Addison-Wesley: Publishing Company.

Osick, J. 1983. Adsorpsion. England : Ellis Hardwood Ltd. Chicester.

Sembiring, dkk. 2003. Isoterm Adsorpsi ion Cr₃ + oleh abu sekam padi varietas IR 64. Skripsi. Jurusan Pendidikan Kimia FPMIPA Undiksha.

Sukardjo, 1990. Kimia Anorganik. Jakarta : Rineka Cipta.

http://sci-crime.com/2012/10/10/adsorpsi-zat-warna-oleh-karbon-aktif, diakses tanggal 18 Maret 2013.