S_PKIM_046057_BAB II

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kadmium
Kadmium banyak terdapat pada kerak bumi dan biasanya bergabung
dengan seng. Kadmium dapat berasal dari pelapukan batu yang larut dalam air
sungai juga kebakaran hutan dan letusan gunung berapi yang dilepaskan ke udara.
Selain itu kadmium juga berasal dari berbagai industri. Kadmium banyak
digunakan dalam industri pembuatan plat, batere dan plastik.
Unsur ini lebih mudah diakumulasi oleh tanaman dibandingkan dengan
ion logam berat lainnya seperti timbal. Logam berat ini bergabung bersama timbal
dan salah satu dari the big three heavy metal yang memiliki tingkat bahaya
tertinggi pada kesehatan manusia. Menurut badan dunia FAO/WHO, konsumsi
per minggu yang diperbolehkan bagi manusia adalah 400-500 µg per orang atau
7 µg per kg berat badan.
Meningkatnya kadar kadmium dalam tubuh manusia banyak disebabkan
oleh makanan yang kaya kadmium. Hati, jamur, bubuk coklat dan rumput laut
kering merupakan makanan yang kaya kadmium. Selain karena makanan, hal ini
juga disebabkan karena merokok. Rokok meningkatkan kadar kadmium dalam
tubuh lewat paru-paru lalu disebarkan oleh darah ke seluruh tubuh. Kadar
kadmium juga dapat meningkat jika kita tinggal di daerah pabrik atau tempat
pembuangan limbah berbahaya. Jika kadmium terhisap dapat merusak paru-paru.
7
Berlebihnya kadar kadmium dalam tubuh sangat berbahaya bagi
kesehatan. Beberapa penyakit yang ditimbulkan yaitu kerusakan ginjal, diare,
kemandulan, kerusakan tulang, kerusakan sistem kekebalan tubuh, kerusakan
DNA bahkan kanker.
2.2 Seng
Seng adalah salah satu unsur yang banyak terdapat di kerak bumi. Unsur
ini dapat ditemukan di udara, tanah, air bahkan hampir pada setiap makanan. Seng
merupakan unsur yang penting bagi kesehatan manusia bila dalam jumlah sedikit
dan dalam batas normal, kekurangan atau kelebihan unsur ini tidak baik untuk
kesehatan.
Unsur ini berperan penting dalam pertumbuhan sel dan metabolisme. Jika
kekurangan unsur ini maka dapat menyebabkan nafsu makan berkurang,
berkurangnya fungsi indera perasa, kerusakan kulit, gizi buruk, terganggunya
pertumbuhan janin dan berkurangnya kesuburan (fertilitas). Kelebihan unsur ini
pun dapat menyebabkan kram perut, muntah-muntah, anemia hingga kerusakan
pankreas. Kadar seng yang diperbolehkan yaitu 12 mg/hari untuk wanita dewasa
dan 15 mg/hari untuk pria dewasa (International Zinc Association, 1997).
Seng banyak digunakan dalam industri, seperti industri keramik, cat putih,
karet, obat-obatan, sampo anti ketombe dan deodorant. Banyaknya penggunaan
seng dalam industri menyebabkan kadarnya berlimpah di alam. Selain akibat
perindustrian, meningkatnya kadar seng di alam juga disebabkan oleh
penambangan, pemurnian seng, produksi baja, pembakaran batubara dan
8
pembakaran
sampah.
Meskipun
demikian
hujan
dan
salju
membantu
menguranginya dengan membawanya kealiran sungai yang kemudian mengendap
di dasar sungai.
2.3 Elektroda Pasta Karbon
Elektroda Pasta Karbon (EPK) merupakan suatu elektroda yang dapat
dimodifikasi dengan zat/senyawa tertentu, yang berguna untuk mendeteksi kation
logam dalam suatu sampel. Hal ini disebabkan karena karbon memiliki sifat
sebagai adsorben yang bisa dimanfaatkan untuk menangkap logam seperti
kadmium dan seng. Elektroda ini biasanya dibuat dengan mencampurkan serbuk
karbon dengan cairan pemasta seperti paraffin. EPK ini sangat mudah untuk
dibuat dan menawarkan solusi yang menarik bagi pertukaran ion pada
permukaannya. Selain itu EPK dapat digunakan sebagai alternatif elektroda kerja
dalam sel elektrokimia.
Secara umum EPK sangat terkenal karena serbuk karbonnya yang mudah
didapat juga murah. Setelah dimodifikasi dengan material yang tepat, maka
elektroda jenis ini akan sangat efektif untuk diterapkan dalam pengukuran bidang
kimia organik maupun anorganik.
Elektroda Pasta Karbon dimodifikasi bentonit digunakan sebagai elektroda
kerja pada metode sel voltametri yang kemudian disebut Elektroda Pasta Karbon
Termodifikasi Bentonit (EPKTB).
9
2.4 Bentonit
Pada umumnya orang mengenal lempung sebagai benda yang tidak
bernilai. Padahal lempung memiliki banyak kegunaan, salah satunya adalah
sebagai adsorben. Dengan kemampuannya tersebut lempung dapat digunakan
sebagai alternatif untuk mengatasi permasalahan limbah, terutama logam berat
(Sunarso, 2007).
Bentonit merupakan mineral yang digunakan para ilmuwan untuk
mencegah pergerakan polutan logam di alam (Marchal et. Al, 1998). Bentonit
sebagian besar tersusun atas mineral montmorilonit. Kemurnian bentonit
didasarkan
pada
kandungan
montmorillonit.
Menurut
Pramono,
selain
montmorillonit, kandungan mineral lain dalam bentonit yaitu kaolit, illit, kuarsa,
plagioklas, kristobalit dan lain sebagainya (Deni, 2007).
Lempung bentonit terdiri dari dua tipe, yaitu tipe Na-bentonit (bentonit
yang dapat mengembang) dan Ca-bentonit (bentonit yang tidak mengembang).
Na-bentonit terdiri dari satu lapis dan memiliki daya mengembang hingga delapan
kali apabila dicelupkan ke dalam air, dan tetap terdispersi beberapa waktu di
dalam air. Dalam keadaan kering berwarna putih atau krem, pada keadaan basah
dan terkena sinar matahari akan berwarna mengkilap. Perbandingan soda dan
kapur tinggi, suspensi koloidal mempunyai pH: 8,5-9,8, tidak dapat diaktifkan,
posisi pertukaran diduduki oleh ion-ion natrium Na(I). Sedangkan tipe Cabentonit ini kurang mengembang apabila dicelupkan ke dalam air, dan tetap
terdispersi di dalam air, tetapi secara alami atau setelah diaktifkan mempunyai
sifat menghisap yang baik. Perbandingan kandungan Na dan Ca rendah, suspensi
10
koloidal memiliki pH: 4-7. Posisi pertukaran ion lebih banyak diduduki oleh ionion kalsium dan magnesium. Dalam keadaan kering berwarna abu-abu, biru,
kuning, merah dan coklat. Penggunaan bentonit ini dalam proses pemurnian
minyak goreng perlu aktivasi terlebih dahulu.
Na-bentonit dimanfaatkan sebagai bahan perekat, pengisi (filler) lumpur
bor, sesuai sifatnya mampu membentuk suspensi kental setelah bercampur dengan
air. Sedangkan Ca-bentonit banyak dipakai sebagai bahan penyerap.
2.4.1 Struktur Bentonit
Struktur mineral bentonit atau montmorillonit yang dapat diterima saat ini
adalah yang disarankan pertama kali oleh Hofmann, Endel, dan Wilm (1933),
dimodifikasi kemudian oleh Marshall (1935), Maegdefrau dan Hoffmann (1937)
dan Hendricks (1942). Menurut konsep ini, montmorillonit terdiri atas unit yang
disusun oleh dua lapis tetrahedral silika dengan pusatnya lapisan oktahedral
alumina (2:1).
11
Gambar 2.1 Sketsa diagmatis struktur montmorillonit menurut Hofmann, Endell dan
Wilm (1933); Marshal (1935); Hendicks (1942)
Unsur-unsur kimia yang terkandung dalam bentonit antara lain : SiO2,
Al2O3, CaO, MgO, Na2O, Fe2O3, H2O dan
lain-lain. Rumus teoritis untuk
montmorillonit adalah (OH)4Si8Al4O20n(interlayer)H2O dengan komposisi teoritis
tanpa material interlayer adalah 66,% SiO2; 28,3% Al2O3; 5% H2O. Rumus
montmorillonit selalu berbeda dengan rumus teoritis di atas karena terjadi
substitusi logam dalam kisi-kisi kristalnya. Menurut Ross dan Hendricks, rumus
montmorillonit adalah (OH)4Si8(Al3,34Mg0,66)O20 atau Mg diganti dengan Na0,66.
Hampir serupa, Pironcov, Soev et. al. (1991) menyatakan bahwa rumus kimia
montmorillonit yang ideal adalah [Si(Al3,34Mg0,66)O20(OH)4]M0,66nH2O, dimana
ion M dapat berupa Na, Ca dan Mg.
12
2.4.2 Sifat Fisika dan Sifat Kimia
Satu gram montmorillonit memiliki luas permukaan 750 m2/g. Dalam
keadaan kering bentonit memiliki sifat fisik sebagai berikut : warna bervariasi dari
krem sampai kuning kehijauan, memiliki berat jenis 2,2-2,8 g/L, indeks bias
1,547-1,557 dan titik lebur 1330-14300C. Partikel bentonit bermuatan negatif
yang diimbangi dengan kation yang dapat dipertukarkan. Hal ini memungkinkan
bentonit memisahkan logam berat dari air dan memisahkan senyawa organik
kationik melalui mekanisme pertukaran ion.
2.5 Sel Elektrolisis
Sel elektrolisis adalah sel elektrokimia yang menimbulkan terjadinya
reaksi redoks secara tak spontan dengan adanya energi listrik dari luar. Contohnya
adalah elektrolisis larutan CdSO4. Larutan CdSO4 ditempatkan dalam rangkaian
sel seperti ditunjukkan gambar dengan menggunakan elektroda karbon (EK) dan
elektroda kalomel jenuh (EKJ) sebagai elektroda pembanding.
13
Gambar 2.2. Rangkaian sel elektrolisis larutan CdSO4 dengan EK dan EKJ
Elektroda yang dihubungkan dengan kutub negatif sumber arus searah
akan menjadi kutub negatif sel dan elektroda yang dihubungkan dengan kutub
positif sumber arus searah akan menjadi kutub positif dari sel. ion-ion Cd2+ akan
bergerak menuju kutub negatif dan pada elektroda tersebut terjadi reaksi
Cd2+(aq) + 2e- → Cd(s)
(reduksi) Eosel = -0,430 volt
Ion-ion SO42- bergerak menuju elektroda positif dan pada elektroda kalomel jenuh
terjadi reaksi
2Hg2+(l) + 2Cl-(aq) → Hg2Cl2(s) + 2e- (oksidasi) Eosel = 0.2680 volt
Jadi reaksi keseluruhannya yaitu :
Cd2+(aq) + 2Hg2+(l) + 2Cl-(aq) →
Cd(s) + Hg2Cl2(s)
14
Karena pada elektroda negatif terjadi reaksi reduksi maka elektroda tersebut
merupakan katoda. Pada elektroda positif terjadi reaksi oksidasi. Oleh karena itu
elektroda tersebut merupakan anoda.
Menurut Anderson dalam Ariea (2009), kelebihan dari teknik ini adalah
memiliki sensitifitas yang tinggi, menjangkau penentuan logam dalam batas
konsentrasi yang rendah dan dapat digunakan untuk melakukan deteksi beberapa
unsur secara serentak.
2.6 Voltametri Stripping
Pada metode voltametri, penentuan konsentrasi ion yang terdapat dalam
larutan didasarkan kepada hubungan antara aliran arus listrik sebagai fungsi dari
beda potensial pada saat terjadi polarisasi ion di sekitar elektroda.
Beda potensial ini digunakan untuk melakukan transfer muatan listrik
kemudian dilakukan pengukuran terhadap arus yang dihasilkan, mirip dengan
pengukuran panjang gelombang pada metode spektrofotometri.
Kelebihan metode ini diantaranya hasil analisa dengan sensitifitas yang
tinggi untuk unsur yang elektroaktif, biaya pembuatan instrumen relatif murah,
dapat digunakan untuk melakukan pengukuran banyak unsur dan dapat digunakan
untuk analisa di tempat.
Pada umumnya metode pengujian dan perangkat yang digunakan adalah
Atomic Absorption Spectrophotometry (AAS), Mass Spectrophotometry (MS),
dan Inductively Coupled Plasma – Atomic Emission Spectrophotometry
15
(ICP-AES). Meskipun memiliki kelebihan seperti sensitivitas sangat tinggi,
selektivitasnya baik dan memiliki rentang linieritas yang lebar namun metodemetode ini memiliki kekurangan seperti waktu analisa yang panjang dan harga
alat yang sangat mahal. Selain itu metode-metode tersebut tidak dapat dilakukan
untuk pengujian di tempat (di lapangan).
Salah satu metode dalam voltametri adalah voltametri stripping. Metode
ini dikembangkan dari metode voltametri yang didasarkan pada hubungan arus (I)
dan potensial (E) dengan jumlah dan jenis komponen dalam analit.
Teknik ini meliputi dua tahap, Pertama. Tahap analit dipekatkan pada
elektroda (tahap prekonsentrasi). Dengan menggunakan sel elektrolisis, analit
mula-mula diendapkan pada katoda (reduksi) dengan diberi beda potensial
tertentu selama jangka waktu tertentu.
Mn+ + ne- →
M
Untuk menghitung konsentrasi logam dapat digunakan hukum Faraday :
iLtd
CM =
nFVHg
di mana :
iL
: Batas arus yang diperlukan untuk mengendapkan logam
td
: Faraday
F
: Volume Elektroda Raksa
VHg
: Waktu pengendapan
Untuk endapan logam yang tidak bereaksi dengan elektroda (inert), maka jumlah
deposit logam (M) pada permukaan elektroda adalah :
16
iLtd
M =
nF
M
: Jumlah deposit logam dalam satuan mol
Kedua. Tahap stripping dengan mengaplikasikan potensial sweep (linier atau
denyut). Kemudian analit dioksidasi secara selektif (stripped) selama potensial
yang diberikan dalam arah anoda.
M
→
Mn+ + ne- ← diukur sebagai arus puncak (Ip)
Arus puncak stripping (dan muatan) sebanding dengan konsentrasi logam dalam
larutan model (yang diuji). Puncak potensial menunjukkan jenis ion logam dalam
larutan.
n2F2y1/2AlCA
Ip = kCA =
2,7 RT
di mana :
A
: Area
l
: Ketebalan
CA
: Konsentrasi
Y
: Laju scan
Ip
: Arus Puncak
k
: Konstanta, k = n2F2y1/2Al
2,7 RT
Susunan alat voltametri stripping rakitan yang digunakan terdiri atas sel
voltametri, IC-Regulator dan multimeter. Bagian sel voltametri terdiri dari
17
elektroda pembanding, yaitu elektroda kalomel jenuh, serta elektroda kerja, yaitu
elektroda pasta karbon.
Gambar 2.3 Rangkaian alat voltametri stripping rakitan
Hasil analisis dari pengukuran menggunakan rangkaian alat ini berupa
kurva hubungan antara arus dan potensial sweep, sebagaimana ditunjukkan pada
Gambar 2.3 di bawah ini:
Gambar 2.4. Kurva hubungan arus dan potensial sweep pada voltametri stripping
(a) menggunakan EPK dan (b) menggunakan EPKTB
18
2.7 Sensor Kimia
Menurut Stetter et.al dalam Zainussalam (2006) sensor kimia adalah suatu
alat yang dapat mengubah suatu informasi mengenai zat kimia, baik kualitatif
maupun kuantitatif, menjadi sinyal-sinyal analitis, sebagai hasil dari interaksi
kimia. Sensor kimia telah digunakan dalam berbagai aplikasi seperti dalam
proses-proses kimia, industri makanan, pengawasan lingkungan dan aplikasi
biomedis.
Sensor amperometrik dan sensor potensiometrik termasuk dalam sensor
elektrokimia, yaitu sensor yang prinsip kerjanya didasarkan pada reaksi
elektrokimia. Sensor amperometrik mengukur arus yang dihasilkan dari reaksi
elektrokimia yang melibatkan analit, arus yang dihasilkan sebanding dengan
konsentrasi analit. Sedangkan sensor potensiometrik mengukur konsentrasi analit
dengan cara mengukur potensial analit yang dihasilkan dari reaksi yang sama.
Perbedaan rangkaian sensor amperometrik dan voltametri stripping
dipresentasikan dalam gambar 2.5.
(a)
19
(b)
Gambar 2.5 Diagram blok komponen (a) sensor amperometrik (b) sensor potensiometrik
2.8 Adsorpsi
Adsorpsi pertama kali digunakan oleh Lowitz pada tahun 1785 dan segera
setelah itu diaplikasikan untuk menghilangkan warna pada proses pemurnian gula
(Hassler, 1974). Kemudian pada pertengahan abad 19, penyaring arang kayu
(charcoal) digunakan pada instalansi pengolahan air di Amerika Serikat (Croes,
1983). Selama perang dunia I, karbon aktif granuler (GAC) diproduksi dalam
skala besar untuk keperluan pembuatan pelindung gas (Gas Mask). Karbon aktif
serbuk (PAC) digunakan di Chicago, AS pada tahun 1920-an untuk
mengendalikan rasa dan menghilangkan bau pada cadangan air yang
terkontaminasi klorofenol (Zainussalam, 2006).
Selama pertengahan tahun 1970-an, proses adsorbsi untuk menghilangkan
zat-zat organik dari air minum masyarakat semakin menjadi perhatian yang serius,
karena sumber air yang terkontaminasi oleh limbah industri, bahan-bahan
pertanian, dan pembuangan kotoran. adsorpsi adalah proses penyerapan suatu zat
20
(adsorbat) pada permukaan suatu bahan penyerap (adsorben). Berdasarkan
mekanismenya, adsorpsi dibagi 2 jenis, yaitu :
a. Adsorpsi secara fisika
Interaksi antara adsorben dengan adsorbat pada prinsipnya adalah gaya
elektrostatik, termasuk interaksi dipol-dipol, interaksi dispersi dan ikatan
hidrogen. adsorbat dapat diserap karena adanya gaya tarik menarik yang relatif
lemah dengan permukaan asorben. Adsorbat tidak tertarik secara kuat sehingga
adsorbat dapat bergerak dari suatu bagian permukaan ke bagian permukaan lain.
Adsorpsi ini berlangsung cepat, reversibel, dan kalor adsorpsinya rendah.
b. Adsorpsi secara kimia
Pada adsorpsi secara kimia pendekatannya adalah atraksi antara adsorben
dengan adsorbat ikatan kimia kovalen atau elektrostatik antara atom-atom yang
memiliki ikatan yang lebih pendek dengan ikatan yang berenergi lebih tinggi.
Adsorpsi secara kimia tidak reversibel, terjadi pada suhu tinggi, dan kalor
adsorpsinya juga tinggi. Faktor-faktor yang mempengaruhi penyerapan adalah:
1. Pengadukan
Laju penyerapan dikendalikan oleh difusi film atau difusi pori tergantung pada
pengadukan. Pada pengadukan yang relatif tidak lama, partikel dari larutan akan
mengelilingi permukaan film adsorben dan kemungkinan besar jika batasan
lajunya terpenuhi akan terjadi difusi film. Jika pengadukan memadai, laju difusi
film akan meningkat dan terjadi difusi pori pada batasan laju yang cukup.
21
Menurut Weber, pada umumnya batasan laju penyerapan difusi pori pada
pengadukan yang tinggi.
2. Karakteristik adsorben (sifat fisika dan kimia)
Luas permukaan, ukuran pori-pori, dan komposisi kimia dari adsorben
mempengaruhi penyerapan. Seperti karbon aktif, karbon dalam bentuk serbuk
lebih cepat laju penyerapannya daripada karbon dalam bentuk granular.
3. Kelarutan adsorbat
Senyawa-senyawa terlarut yang mempunyai afinitas tinggi dengan pelarutnya
akan lebih sulit untuk diserap.
Mekanisme terserapnya adsorbat pada adsorben terjadi melaui 4 tahap, yaitu :
1. Berpindahnya solid dari larutan menuju lapisan sekitar adsorben (bulk
transport)
2. Solut terdifusi melalui lapisan tipis (film diffusion)
3. Difusi solut melalui pori atau kapiler menuju sisi adsorben (diffussion pore)
4. Penyerapan solut pada permukaan adsorben
22