BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Polimer Organik Polimer atau

5
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Polimer Organik
Polimer atau kadang-kadang disebut sebagai makromolekul. Polimer adalah
molekul besar yang dibangun dari pengulangan kesatuan-kesatuan kimia yang kecil dan
sederhana (monomer) (Firman, 1991). Berdasarkan asal polimer, dikenal polimer alami
dan polimer sintetik. Polimer alami (organik) adalah polimer yang tersedia bebas di
alam dan diderivasi dari hewan dan tumbuhan. Contoh dari polimer alami yang sudah
digunakan sejak dulu adalah tumbuhan hijau, kayu, karet, kapas, wool, kulit dan sutera.
Adapun jenis polimer alami lainnya seperti protein, enzim, tepung, dan selulosa sangat
penting dalam proses biologi dan fisiologi tumbuhan dan hewan.
Reaksi Polimerisasi adalah reaksi penggabungan molekul-molekul kecil
(monomer) yang membentuk molekul yang besar. Ada dua jenis reaksi polimerisasi,
yaitu : polimerisasi adisi dan polimerisasi kondensasi.
Polimerisasi Adisi terjadi pada monomer yang mempunyai ikatan tak jenuh yaitu
ikatan rangkap dengan melakukan reaksi dengan cara membuka ikatan rangkap dan
menghasilkan senyawa polimer dengan ikatan jenuh, seperti Gambar 2.1.
Atau dapat dituliskan dengan :
Gambar 2.1 Mekanisme reaksi polimer adisi. [Sumber :
http://www.academia.edu/7401894/7._Polymer. Diakses pada tanggal 8 mei 2015]
5
6
Polimerisasi kondensasi adalah reaksi yang terjadi antara dua molekul bergugus
fungsi banyak yang menghasilkan molekul besar dengan disertai pelepasan molekul
kecil seperti air melalui reaksi kondensasi (Cowd, 1991). Contoh reaksi polimer
kondensasi seperti Gambar 2.2 :
Gambar 2.2 Mekanisme reaksi polimer kondensasi. [Sumber :
http://www.digilib.unail.ac.id./1969/2/pdf.Polymer. Diakses pada tanggal 7 Januari 2016]
2.1.1 Serabut kelapa
Kelapa adalah salah satu jenis polimer alami. Di dalam kelapa (Cocos nucefera
L) dikenal dua varietas utama yaitu varietas dalam (tall variety) dan varietas genjah
(drawf variety). Kelapa varietas genjah adalah jenis kelapa yang mempunyai ciri-ciri
sebagai berikut :
1.
Bentuk batang ramping dari pangkal sampai ke ujung
2.
Tinggi batang mencapai 5 meter atau lebih
3.
Mulai berbuah cepat (3-4 tahun setelah tanam) dan dapat mencapai umur lebih
dari 50 tahun.
Salah satu contoh varietas genjah adalah genjah kuning atau kelapa gading. Adapun
bagian dari buah kelapa genjah kuning atau kelapa gading seperti yang diperlihatkan
pada Gambar 2.3 :
7
(a)
(b)
Gambar 2.3 (a) Pohon kelapa gading, (b) Bagian dari buah kelapa gading.
Serabut kelapa merupakan bagian tengah buah kelapa. Ketebalan sabut kelapa
berkisar 5-6 cm yang terdiri atas lapisan terluar (exocarpium) dan lapisan dalam
(endocarpium). Endocarpium mengandung serat halus sebagai bahan pembuat tali,
karpet, sikat, keset, filter dan lainnya (Zainal M dan Yulius, 2005).
2.2 Immobilisasi Ion
Immobilisasai ion dibagi menjadi tiga yaitu :
1. Adsorbsi
2. Kompleksasi
3. Pertukaran ion
2.2.1 Adsorbsi
Adsorbsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas)
terikat pada suatu padatan dan akhirnya membentuk lapisan tipis pada permukaan
8
padatan tersebut. Materi atau partikel-partikel yang diadsorbsi disebut adsorbat dan
bahan yang mengadsorbsi disebut adsorben. Pada umumnya, adsorben bersifat spesifik
yaitu hanya menyerap zat tertentu. Dalam memilih jenis adsorben pada proses adsorpsi,
disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang akan diadsorbsi. Adsorbsi berbeda
dengan absorbsi karena pengikatan molekul dilakukan pada permukaan adsorben.
Adsorbsi dibedakan menjadi dua yaitu adsorbsi fisika yang disebabkan oleh gaya Van
Der Waals dan adsorbsi kimia yang terjadi reaksi antara zat yang diserap (adsorbat)
dengan adsorben.
Adsorbsi fisika berhubungan dengan gaya Van Der Waals. Apabila daya tarikmenarik antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar dari daya tarik-menarik antara
zat terlarut dengan pelarutnya, maka zat yang terlarut akan diadsorbsi pada permukaan
adsorben. Adsorbsi ini mirip dengan proses kondensasi (perubahan wujud benda ke
wujud yang lebih padat, misalnya gas (uap) menjadi cairan) dan biasanya terjadi pada
temperatur rendah (Agustiningrum, 2012). Pada proses ini gaya yang menahan molekul
fluida pada permukaan padat relatif lemah, dan besarnya sama dengan gaya kohesi
(gaya tarik-menarik antar molekul yang sejenis) molekul pada fase cair (gaya Van Der
Waals) sehingga hanya padatan saja yang mampu di adsorbsi oleh adsorben.
Adsorbsi kimia merupakan reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat terlarut
yang teradsorbsi. Adsorbsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang jauh lebih
besar daripada adsorbsi fisika. Menurut Langmuir, molekul teradsorbsi ditahan pada
permukaan oleh gaya valensi yang tipenya sama dengan yang terjadi antara atom-atom
dalam molekul. Karena adanya ikatan kimia, maka pada permukaan adsorben akan
terbentuk suatu lapisan dan akan menghambat proses penyerapan selanjutnya oleh
batuan adsorben yang menyebabkan efektifitasnya menurun (Agustiningrum, 2012).
Pada proses adsorbsi, terdapat juga laju penyerapan suatu fluida oleh adsorben
dalam jangka waktu tertentu yang disebut kinetika adsorbsi. Kinetika adsorbsi suatu zat
dapat diketahui dengan cara mengukur perubahan konsentrasi zat teradsorbsi dan
menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta memplotnya pada grafik. Besar
kecilnya adsorbsi dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya:
a. Macam adsorben
b. Macam zat yang diadsorbsi
c. Luas permukaan adsorben
9
d. Konsentrasi zat yang diadsorben
e. Temperatur
Pada dasarnya adsorben merupakan komponen yang paling penting dalam proses
adsorbsi. Umumnya adsorben bersifat spesifik, yaitu hanya menyerap zat tertentu.
Dalam memilih jenis adsorben, harus disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang
akan diadsorbsi.
2.2.2 Kompleksasi
Kompleksasi atau senyawa koordinasi menurut definisi klasik diakibatkan dari
mekanisme donor-akseptor atau reaksi asam-basa lewis antara dua atau lebih konstituen
kimia yang berbeda. Setiap atom atau ion nonlogam, apakah bebas atau berada dalam
molekul netral atau dalam senyawa ionik yang dapat menyumbangkan satu pasang
elektron, dapat bertindak sebagai donor. Akseptor atau konstituen yang ambil bagian
dalam pasangan elektron, seringkali berupa ion logam, walaupun dapat juga atom
netral.
2.2.3 Pertukaran ion
Pertukaran ion merupakan suatu metode yang digunakan untuk memisahkan ionion yang tidak dikehendaki berada dalam larutan untuk dipindahkan ke dalam media
padat yang disebut dengan media penukaran ion, dimana media penukaran ion ini
melepaskan ion lain kedalam larutan.
Mekanisme pertukaran ion yaitu jika suatu larutan yang mengandung anion atau
kation dikontakkan dengan media penukaran ion, maka akan terjadi pertukaran anion
dengan mekanisme reaksi sebagai berikut :
Mekanisme pertukaran anion :
A+ + R+ B- = => B- + R+ AMekanisme pertukaran kation :
A+ + R- B+ = => B+ + R- A+
Keterangan :
A = ion yang akan dipisahkan (pada larutan)
B = ion yang menggantikan ion A (pada padatan/media penukar ion)
R = bagian ionik/gugus fungsional pada penukar ion.
10
2.3 Interaksi Laser dengan Bahan
2.3.1 Laser
LASER adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulation Emission of
Radiation, yang artinya penguatan intensitas cahaya oleh emisi terangsang. Kata
kuncinya adalah “penguatan” dan “emisi terangsang”. Laser merupakan cahaya yang
monokromatik, koheren dan menuju satu arah yang sama sehingga cahayanya menjadi
sangat kuat dan terkordinasi.
Prinsip pembangkit laser menggunakan teori tentang atom. Sebuah atom terdiri
dari inti atom yang disebut nukleus (berisi proton dan netron) dan elektron. Ilustrasi
sederhana sebuah atom ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Ilustrasi sederhana sebuah atom. [Sumber : http://www.yohanessurya.com/
download/penulis/Teknologi_18.pdf. Diakses pada tanggal 24 Maret 2015]
Elektron-elektron dalam atom selalu berputar mengelilingi inti atom pada orbit
tertentu sesuai dengan tingkat energinya. Keadaan energi yang paling rendah disebut
dengan keadaan dasar (ground state). Orbit elektron yang memiliki tingkat energi
paling rendah adalah yang paling dekat dengan inti. Dengan persamaan energi menurut
model atom Bohr yaitu (Krane, 1992) :
Dengan : E = energi orbit (eV)
n = tingkat energi atau kulit orbit ke (1, 2, 3....)
Tanda (-) menandakan energi elektron masih dipengaruhi oleh inti atom. Semakin
jauh letak elektron dari inti, semakin tinggi tingkat energinya. Artinya, apabila atom
diberikan tambahan energi berupa energi panas, listrik ataupun energi cahaya, maka
elektron yang berada di tingkat energi dasar atau ground state dapat berpindah ke
tingkat energi yang lebih tinggi dan disebut atom tereksitasi (excited stated) seperti
ditunjukkan pada Gambar 2.5.
11
Gambar 2.5 Eksitasi elektron ke tingkat energi yang lebi tinggi. [Sumber : http://www.yohanes
surya.com/ download/penulis/Teknologi_18.pdf. Diakses pada tanggal 24 Maret 2015]
Elektron yang teriksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi berada dalam
keadaan tidak stabil dan akan selalu berusaha untuk kembali ke keadaan awalnya
(ground state) atau keadaan metastabil dengan cara melepaskan kelebihan energi
tersebut, dalam bentuk foton atau energi cahaya yang mempunyai panjang gelombang
tertentu seperti ditunjukkan pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Kembalinya elektron ke tingkat energi semula disertai emisi cahaya. [Sumber :
http://www.yohanessurya.com/download/penulis/Teknologi_18.pdf. Diakses
pada tanggal 24 Maret 2014]
Foton ini akan menstimulasi atau merangsang elektron lain yang berada pada
keadan metastabil sehingga akan mengemisikan foton yang identik dalam hal energi,
panjang gelombang dan frekuensi serta merambat ke arah yang sama sehingga
mempunyai phase yang sama pula. Kejadian ini disebut stimulated emission of
radiation, yang mendasari terjadinya laser.
2.3.2 Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) adalah metode spektroskopi untuk
analisis kuantitatif dan kualitatif unsur yang terkandung dalam sebuah bahan. Teknik ini
didasarkan pada analisis emisi plasma yang dihasilkan dengan cara memfokuskan laser
pulsa berdaya tinggi pada sampel pada kondisi tekanan atmosfer.
12
Skema komponen utama secara sederhana untuk LIBS seperti ditunjukkan pada
Gambar 2.7, laser difokuskan ke permukaan sampel melalui lensa bikonvek. Sebagian
kecil sampel (~ 0,01 mg) dengan kecepatan tinggi dan terjadi kompresi adiabatis dengan
gas udara dilingkungan dan terbentuk gelombang kejut (shockwave). Energi gelombang
kejut ini diserap oleh partikel-partikel yang terablasi dan digunakan untuk
mengeksitasikan elektron-elektron dalam atom ke energi yang lebih tinggi. Elektronelektron dalam atom-atom yang tereksitasi kembali ke keadaan dasar (ground state)
sambil memancarkan atau mengemisikan foton dengan panjang gelombang sesuai jenis
unsurnya. Emisi ini selanjutnya diolah oleh spektrometer dan selanjutnya ditampilkan
dikomputer sebagai grafik intensitas fungsi panjang gelombang.
Gambar 2.7 Skema sederhana komponen utama LIBS.
2.3.3 Metode deteksi plasma menggunakan LIBS
Interaksi laser dengan sampel akan menghasilkan plasma yang mengemisikan
foton dengan panjang gelombang sesuai unsurnya dan ditangkap oleh spektrometer
serta ditampilkan dalam spektrum intensitas panjang gelombang. Hasil spektrum emisi
ini salah satunya bergantung pada waktu deteksi untuk menangkap emisi. Ada dua jenis
variabel waktu yaitu waktu tunggu deteksi , tt (delay time detection) dan waktu lama
pendeteksian, tg (gate time) seperti yang ditunjukan pada Gambar 2.8
13
(a)
Intensitas Emisi Unsur Zn
(a.u)
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
465
470
475
480
Panjang Gelombang (nm)
485
490
485
490
(b)
Intensitas Emisi Unsur Zn
(a.u)
500
400
300
200
100
0
465
470
475
480
Panjang Gelombang (nm)
(c)
Gambar 2.8 (a) Metode deteksi plasma pada LIBS, (b) spektrum dengan sinyal latar (sinyal latar
tinggi), (c) spektrum tanpa sinyal latar (sinyal latar rendah).
Gambar 2.8(a) menunjukkan perjalanan umur plasma. Pada saat laser difokuskan
pada sampel, terbentuk plasma primer dengan kerapatan partikel yang sangat tinggi
14
(~10 ns). Kondisi ini menyebabkan ion-ion berekombinasi dengan elektron-elektron dan
elektron melepaskan energi dalam bentuk foton dengan panjang gelombang kontinyu.
Selain itu, pada plasma primer juga terjadi tumbukan bebas antara elektron dengan
elektron (Bremsstrahlung). Hal ini juga mengakibatkan elektron mengemisikan foton
dengan panjang gelombang lebar/kontinyu. Emisi kontinyu inilah yang menyebabkan
spektrum terangkat atau sinyal latar (background) tinggi seperti ditunjukkan pada
gambar 2.8(b). Proses Bremsstrahlung dan rekombinasi ion berlangsung sangat cepat
(~10 ns atau selebar pulsa laser). Oleh sebab itu pendeteksian emisi sebaiknya
dilakukan setelah 1 s dari ablasi laser dan waktu inilah yang disebut dengan waktu
tunggu (delay time). Nilai waktu tunggu ini bervariasi tergantung jenis unsurnya, tetapi
hampir semua unsur memiliki waktu emisi lebih dari 1 s. Spektrum yang dihasilkan
dengan delay time
setelah 1s ditunjukkan oleh gambar 2.8(c) yang mana
backgroundnya sangat rendah.
2.4 Karakteristik Unsur Pb
Unsur kimia atau sering disebut unsur merupakan zat kimia yang tidak dapat
dibagi lagi menjadi zat yang lebih kecil. Partikel terkecil dari unsur yaitu atom.
Perbedaan paling mencolok dari suatu unsur dengan lainnya adalah jumlah proton.
Jumlah proton pada sebuah atom dikenal dengan istilah nomor atom (Z). Selain itu,
terdapat berat atom (A) sebuah unsur yang merupakan massa rata-rata atom suatu unsur
pada alam.
2.4.1 Unsur timbal/plumbum (Pb)
Unsur timbal (Pb) lebih dikenal dengan sebutan timah hitam. Timbal dan
persenyawaannya dapat berada di perairan secara alamiah dan sebagai dampak dari
aktivitas manusia. Timbal dapat masuk ke perairan melalui pengkristalan di udara
dengan bantuan air hujan. Aktivitas manusia yang menyebabkan pencemaran timbal
diantaranya air limbah dari industri yang berkaitan dengan timbal, air pembuangan dari
penambangan bijih timah hitam, buangan sisa industri baterai, dll.
Timbal merupakan logam dari unsur golongan yang bersifat racun. Keracunan itu
terjadi karena persenyawaan logam timbal masuk ke dalam tubuh. Organ-organ tubuh
yang banyak menjadi sasaran timbal adalah sistem syaraf, ginjal, reproduksi, endokrin
dan jantung. Selain itu, timbal juga dapat terakumulasi pada tulang. Logam ini dalam
15
bentuk ion (Pb2+) mampu menggantikan keberadaan ion Ca2+ yang terdapat dalam
jaringan tulang.
2.4.2 Karakteristik unsur Pb
Logam ini berada pada golongan IVA pada tabel periodik unsur kimia. Timbal
mempunyai nomor atom (Z) 82 dengan berat atom (A) 207,2. Uraian mengenai unsur
timbal seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Karakteristik unsur Pb. [Sumber: http://chemistry.about.com/od/elementfacts/a/ lead.htm.
Diakses pada tanggal 20 Maret 2015]
Klasifikasi
uraian Lead/Plumbum (Pb)
Klasifikasi unsur
Logam transisi
Nomor atom
82
Berat atom
207,2
Kerapatan
11,35
Titik lebur
600,65 K
Titik didih
2013 K
Penampilan
Lunak, mudah dibentuk, logam putih kebiruan
Volume atom
18,3
Jari-jari atom
175 pm
Jari-jari kovalen
147 pm
: 84 Å ; Pb
Jari-jari ion
: 120 Å
@20oC
Panas spesifik
0,159
Panas fusi
4,77
Panas penguapan
177,8
Energi ionisasi pertama
715,2
Temperatur Debye
88 K
Struktur kisi
Face-Centred Cubic
Konstanta kisi
4,950 Å
Penentuan panjang gelombang unsur berdasarkan perumusan dari (NIST, 2005) :
16
Dengan:
E2 = Tingkat energi awal (cm-1)
E1 = Tingkat energi akhir (cm-1)
= Panjang gelombang (nm)
Probabilitas elektron berpindah dari konfigurasi j=2 atau tingkat 10650,3 cm-1 ke
konfigurasi j=1 atau pada tingkat 35287,2 cm-1 dengan mengemisikan foton yang
mempunyai panjang gelombang 4057,81 Ǻ (NIST, 2005).
2.5 Konsentrasi Larutan
Konsentrasi larutan menyatakan banyaknya zat terlarut dalam sejumlah tertentu
larutan. Secara fisika, konsentrasi dapat dinyatakan dalam % (persen) atau ppm (part
per million)/bagian per juta. Penentuan konsentrasi larutan jika dihitung dalam satuan
volume disebut molaritas (M). Molaritas menyatakan jumlah mol zat terlarut dalam
setiap liter larutan sesuai dengan Persamaan 2.3.
Perhitungan pengenceran konsentrasi suatu larutan menggunakan Persamaan 2.4.
M1.V1 = M2.V2
Dengan :
M1= Molaritas larutan ke-1 (mol/Liter)
M2= Molaritas larutan ke-2 (mol/Liter)
V1 = Volume larutan ke-1 (Liter)
V2 = Volume larutan ke-2 (Liter)