Bagian Pendahuluan "Penurunan Konsentrasi Tembaga dan Asam asetat dalam Limbah Laboratorium Kimia Universitas Padjadjaran dengan Penggunaan Ampas Teh"

Limbah cair laboratorium yang mengandung logam berat dan zat-zat berbahaya yang bersifat toksik  dapat menjadi polutan lingkungan. Jika limbah tersebut langsung dibuang ke perairan tanpa diolah terlebih dahulu, akan mengakibatkan perubahan karakter fisik dan kimia dari air tersebut. Agar limbah cair tersebut tidak memberi dampak buruk, maka harus diolah terlebih dahulu dan hasil pengolahan limbah tersebut dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan air bersih yang setiap tahunnya akan semakin meningkat.

     Beberapa teknik pengolahan yang tersedia untuk mengurangi konsentrasi logam berat dan senyawa lain dalam limbah, antara lain metode curah hujan, flotasi, pertukaran ion, ekstraksi pelarut, adsorpsi, pengolahan membran dan elektrolit (Oteroa et al., 2009). Adsorpsi merupakan salah satu teknik pemisahan yang efektif yang digunakan dalam industri terutama dalam pengolahan limbah. Biaya merupakan parameter penting untuk membandingkan bahan adsorben. Karbon aktif merupakan bahan yang efektif untuk pengolahan limbah tersebut tetapi biaya yang dibutuhkan untuk pengadaan karbon aktif tersebut cukup mahal dikarenakan proses pembuatannya membutuhkan banyak bahan kimia dan energi yang cukup tinggi. Melalui pendekatan potensial akhirnya digunakan ampas teh, karena teh adalah salah satu minuman yang paling populer dan sekitar 3,5 juta ton teh dikonsumsi setiap tahun di dunia (Boonamnuayvitaya et al., 2004), sedangkan pemanfaatannya masih terbatas antara lain untuk pakan ternak dan campuran pupuk kompos. Padahal ampas teh memiliki potensi untuk dijadikan adsorben karena mengandung selulosa yang cukup tinggi yaitu 33,54% (Nurcahyani dkk., 2006).

Beberapa penelitian tentang penggunaan ampas teh sebagai adsorben telah dilakukan. Tharkur dan Pharmar (2013), melaporkan hasil penelitiannya mengenai adsorpsi logam dengan menggunakan ampas teh dengan efisiensi adsorpsi mencapai 89% untuk tembaga, 94% untuk nikel, dan 91% untuk seng. Tetapi pada beberapa penelitian yang sudah dilakukan, preparasi adsorben ampas teh masih menggunakan bahan kimia cukup banyak dan hanya mengolah limbah dengan konsentrasi logam yang tidak terlalu tinggi yaitu maksimal 100 ppm. Sedangkan konsentrasi logam dalam limbah laboratorium kimia lebih dari 100 ppm. Sehingga pada penelitian ini dikembangkan metode preparasi adsorben sehingga dapat meningkatkan kualitas adsorben dan meminimalisir penggunaan bahan kimia dalam aktivasinya serta dapat mengadsorpsi limbah dengan konsentrasi logam yang cukup tinggi. Selain itu, penelitian ini juga mengembangkan penggunaan adsorben ampas teh lainnya, yaitu untuk mengadsorpsi limbah yang mengandung bahan organik yang dalam penelitian ini adalah asam asetat serta mengamati perubahan pH dan konduktivitas limbah setelah adsorpsi.

Dalam penelitian ini mengkaji sejauh mana ampas teh dapat digunakan sebagai adsorben yang efektif dengan harga ekonomis pengganti karbon aktif untuk mengurangi konsentrasi tembaga dan asam asetat dalam limbah laboratorium Kimia Unpad serta menentukan keadaan optimum adsorpsi yang ditinjau dari waktu kontak dan jumlah adsorben sehingga nantinya limbah cair yang telah diadsorpsi ini dapat digunakan untuk penyiraman tanaman di sekitar Departemen Kimia Unpad.

oleh: Nina Andhini Pratiwi

Ampas Teh sebagai Adsorben

2.1             Teh

Teh (Camellia sinensis L.) adalah tanaman yang tumbuh baik di daerah dingin dengan ketinggian di atas 1000 meter dpl. Tinggi tanaman teh bisa mencapai 10 meter.

Klasifikasi tanaman teh (Namita, 2012):

Kingdom    Plantae

Ordo           Ericales

Family        Theaceae

Genus         Camellia

Species       C. Sinensis

Senyawa yang ada dalam teh antara lain polifenol, kafein, gula, getah, asam amino, teobromin, mineral dan abu. Selain itu, terdapat juga serat kasar, selulosa, lignin, pati, pektin, lemak dan protein (Suranto, 2004).

1.    Selulosa

Selulosa adalah suatu polimer yang tidak bercabang dari glukosa yang dihubungkan melalui ikatan 1,4-glikosida dan merupakan penyusun utama dinding sel tanaman yang berbentuk serat dan berwarna putih dengan rumus molekul (C₆H₁₀O₅)_n dimana n adalah derajat polimerisasi.

2.    Lignin

Lignin adalah bagian dari tumbuhan yang terdapat dalam lamelar tengah dan dinding sel serta berfungsi sebagai perekat antar sel.. Jumlah kandungannya dalam kayu antara 20- 35% sedangkan dalam tanaman bukan kayu kandungan lignin akan lebih tinggi.

Komposisi kimia ampas teh secara jelas dapat dilihat pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Komposisi kimia ampas teh

Zat Gizi	Kandungan/ %
Bahan Kering Abu Lemak Kasar Protein Kasar Serat Kasar Tanin Hemiselulosa Selulosa Lignin Silika	90,24 5,00 0,42 18,40 21,73 2,98 8,70 33,54 8,41 1,61

 (Nurcahyani et al., 2006).

2.1              Limbah Cair

     Limbah adalah zat atau komponen lain yang dikeluarkan atau dibuang akibat sesuatu kegiatan baik industri maupun non-industri. Limbah cair terdiri dari berbagai zat organik maupun anorganik. Pada dasarnya limbah cair tidak memberikan efek pencemaran sepanjang kandungannya tidak membawa senyawa-senyawa yang membahayakan ataupun bahan-bahan endapan. Apabila limbah cair tidak melalui pengolahan dan dibuang langsung ke lingkungan perairan maka akan berdampak negatif pada lingkungan tersebut karena polutan di dalam air menjadi semakin tinggi (Kaneco, 2000).

Limbah cair mengakibatkan lahan penampungan menjadi kotor dan senyawa-senyawa pencemar yang terkandung dapat membahayakan lingkungan. Air dikatakan tercemar bila salah satu atau lebih kondisi berikut ini terpenuhi yaitu (Ginting, 2008):

a.    Keasaman air berubah

b.      Terjadi perubahan sifat fisik air misalnya terjadi perubahan warna, air menjadi keruh, berbau dan perubahan suhu air

c.       Permukaan air tertutup oleh lapisan terapung, berupa minyak, lemak dan bahan padat lainnya

d.      Terjadi peningkatan kandungan bahan-bahan organik maupun dan organik dalam air

e.       Zat-zat tersuspensi dalam air meningkat.

2    Klasifikasi Kualitas Air

     Tingkatan mutu air dari setiap kelas disusun berdasarkan kemungkinan kegunaannya bagi suatu peruntukan. Kriteria mutu air merupakan tolok ukur mutu air untuk setiap kelas air. Definisi pada Pasal 8 PP No.82/2001 adalah sebagai berikut (Kementerian Lingkungan Hidup, 2012) :

a. Kelas satu, air yang dapat digunakan untuk air baku air minum, dan peruntukkan lain dengan syarat kualitas yang sama.

b. Kelas dua, air yang dapat digunakan untuk prasarana/sarana rekreasi air, pembudidayaan ikan air tawar, peternakan, pertanaman, dan peruntukkan lain dengan syarat kualitas yang sama

c. Kelas tiga, air yang dapat digunakan untuk pembudidayaan ikan air tawar, peternakan, pertanaman, dan peruntukkan lain dengan syarat kualitas yang sama

d. Kelas empat, air yang dapat digunakan untuk mengairi pertanaman dan peruntukkan lain dengan syarat kualitas yang sama.

3    Karakteristik Limbah Cair

Karakteristik dari limbah cair, diklasifikasikan menjadi karakteristik fisika, kimia dan biologi.

1.    Karakteristik fisika

a.       Suhu

Kenaikan suhu dapat dipengaruhi oleh kondisi udara di sekitarnya. Kondisi ini sangat mempengaruhi kehidupan biologis organisme dalam air, kelarutan oksigen, kerapatan air dan tekanan permukaan.

b.      Kekeruhan

Adanya koloid, bahan pencemar, plankton serta beberapa jenis mineral akan menyebabkan kekeruhan pada air. Kondisi ini sangat mengganggu kejernihan air dan kehidupan biologis organisme yang ada dalam limbah.

c.       Bau

Timbulnya bau pada air lingkungan merupakan indikasi kuat bahwa air telah tercemar. Bau yang keluar dari dalam air dapat langsung berasal dari limbah industri atau dari hasil degradasi oleh mikroba yang hidup dalam air. Mikroba yang hidup di dalam air akan mendegradasi polutan organik terutama gugus protein, menjadi bahan yang mudah menguap dan berbau.

d.   Rasa

Bau yang tidak normal pada air, umumnya mempunyai rasa yang tidak normal pula. Pelarutan ion-ion logam dapat mengubah konsentrasi ion hidrogen dalam air dan dapat menimbulkan rasa pada air. Adanya rasa pada air pada umumnya terjadi karena perubahan pH air dari kondisi normal.

e.       Warna

Limbah cair yang mengandung bahan organik dan anorganik seringkali merugikan lingkungan di dalam air sehingga air menjadi berwarna keruh (Sunu, 2011).

2.        Karakteristik kimia

Kandungan bahan kimia yang terdapat dalam air limbah dapat merugikan lingkungan melalui berbagai cara. Adapun bahan kimia pada limbah yang berbahaya antara lain:

a.     Bahan Organik

Bahan organik yang banyak dalam air limbah akan mempersulit dalam pengolahan air limbah sebab terdapat beberapa zat yang tidak dapat diuraikan oleh mikroorganise.

b.    Protein

Protein sangat kompleks dalam struktur kimianya dan bersifat tidak stabil.. Seluruh protein mengandung atom karbon, hidrogen dan oksigen. Protein merupakan penyebab utama terjadinya bau karena proses pembusukkan dan penguraian.

c.     Karbohidrat

Karbohidrat terdiri atas atom karbon, hidrogen dan oksigen. Karbohoidrat merupakan gabungan dari polihidroksilat seperti gula dan selulosa.

d.    pH

Limbah cair yang belum terolah dan dibuang langsung ke badan air akan mengubah pH air. Hal tersebut dapat mengganggu kehidupan organisme di dalam badan air. Air limbah dengan pH yang tidak netral akan menyulitkan proses biologis, sehingga mengganggu proses penjernihan. Adapun pH yang baik bagi air minum dan limbah cair adalah netral.

e.     Fenol

Fenol merupakan penyebab timbulnya rasa pada air. Fenol dapat dihasilkan dari proses industri dan masih dapat dioksidasi melalui proses biologi apabila konsentrasi mencapai 500 mg/L, namun akan sulit penguraiannya apabila telah mencapai kadar yang melebihi 500 mg/L.

f.     Logam Berat

Keberadaan logam berat seperti nikel (Ni), magnesium (Mg), timbal (Pb), kromium (Cr), Seng (Zn), tembaga (Cu), besi (Fe), dan air raksa (Hg) dalam limbah perlu diawasi karena mempunyai sifat toksik (Sunu, 2001).

3.    Karakteristik Biologi

Karakteristik biologis pada limbah cair menggambarkan apakah terdapat bakteri-bakteri patogen dalam limbah cair. Kelompok bakteri tersebut dibedakan dalam beberapa jenis yaitu jamur, ganggang, protozoa, virus dan sebagainya. Bakteri yang terdapat di dalam air limbah akan mengoksidasi air limbah terutama bahan organiknya. Konsentrasi bahan organik yang ada dalam air limbah dinyatakan dalam banyaknya jumlah oksigen yang dibutuhkan untuk oksidasi. Kebutuhan oksigen dinyatakan dalam bentuk BOD (Biological Oxygen Demand) dan COD (Chemical Oxygen Demand). BOD (Biological Oxygen Demand) adalah jumlah oksigen yang dibutuhkan mikroorganisme di dalam air lingkungan untuk mendegradasi bahan buangan organik yang ada di dalam sistem air lingkungan. Sedangkan COD (Chemical Oxygen Demand) adalah jumlah oksigen yang diperlukan agar bahan buangan yang ada di dalam air dapat teroksidasi melalui reaksi kimia. Kekuatan air limbah seringkali ditentukan oleh nilai BOD atau COD (Sunu, 2011).

2.4              Limbah Logam

a.     Tembaga

Pencemaran lingkungan akibat tembaga disebabkan oleh pertambangan, metalurgi, produksi serat, korosi pipa dan industri pencetakan logam (Beliles, 1979). Industri utama lainnya yang memakai tembaga antara lain kertas, pulp, pemurnian minyak bumi, perawatan kayu, sumber pertanian seperti pupuk, semprotan fungisida dan limbah hewan (Parker, 1980). Tembaga dapat ditemukan sebagai kontaminan dalam makanan, terutama kerang, hati, jamur, kacang-kacangan dan cokelat. Setiap wadah kemasan yang menggunakan bahan tembaga dapat mencemari produk seperti makanan dan minuman. Tembaga telah dilaporkan menyebabkan neurotoksisitas umumnya dikenal sebagai "penyakit Wilson" karena endapan tembaga dalam inti lenticular otak dan gagal ginjal (Sitting, 1976). Dalam beberapa kasus, masuknya tembaga dalam tubuh mengakibatkan penyakit kuning dan pembesaran hati. Selain itu, semprotan inhalasi secara terus menerus yang mengandung tembaga menyebabkan peningkatan kanker paru-paru di kalangan pekerja.

b.      Nikel

Elektroplating merupakan salah satu proses penting yang terlibat dalam finishing  dan pengendapan logam agar hasil yang lebih baik pada peralatan rumah tangga. Meskipun beberapa logam dapat digunakan untuk elektroplating, nikel, tembaga, seng dan kromium adalah logam yang paling umum digunakan (Malkoc and Nuhoglu, 2005). Nikel juga hadir dalam limbah kilang perak, pengecoran dasar seng dan industri baterai (Kuyucak and Volesky, 1998). Jika pada manusia dan hewan logam Nikel terakumulasi dalam tubuh manusia dapat menyebabkan kanker paru-paru, hidung dan tulang, sakit kepala, pusing, mual dan muntah, nyeri dada, sesak dada, batuk kering dan sesak napas, pernapasan cepat, sianosis dan kelemahan ekstrim (Mahvi et al., 2005).

c.       Seng

Karena sifat ketahanan yang luar biasa terhadap korosi, seng umumnya digunakan untuk melindungi besi dari karat, dalam proses yang disebut galvanisasi. Seng banyak digunakan untuk pembuatan paduan warna putih dan seng juga berguna untuk menghasilkan kuningan, perak Jerman, logam delta, untuk pembuatan emas dan perak dalam metode sianida, dan sebagai bahan anoda di sel galvanik. Berbagai garam seng digunakan industri pengawet kayu, katalis, kertas foto, akselerator vulkanisasi karet untuk, keramik, tekstil, pupuk, pigmen, produksi baja dan baterai (Kuyucak and Volesky, 1998) . Toksisitas dari konsumsi seng berlebihan jarang terjadi tetapi apabila terjadi dapat menyebabkan gangguan pencernaan dan diare (Babel and Kurniawan, 2003).

            

Tabel Beberapa komposisi standar logam berat

Logam Berat	W.H.O Air minum / ppm	U.S.E.P.A. Limbah/ ppm	C.P.C.B. Limbah/ ppm
Cu	0,05	1,3	1,5
Ni	0,05	1	0,05
Zn	5	5	15,0

(Liu et al., 2009)

1.    Aplikasi Ampas Teh terhadap Pengolahan Limbah

              Sampai saat ini penelitian mengenai pemanfaatan ampas teh sebagai adsorben terus dikembangkan. Mulai dari perlakuan terhadap adsorben maupun penelitian dengan berbagai macam jenis limbah. Jenis limbah yang sering digunakan untuk uji adsorben dari ampas teh ditunjukan pada Tabel 3.1

Tabel. Beberapa penelitian pengolahan limbah logam dengan ampas teh

Referensi	Logam	Waktu Kontak/ menit	Konsentrasi Logam/ ppm	Jumlah adsorben/ g
Cay et al.	Cu, Cd	60	5	0,02-0,4 g
Mahvi et al., 2005	Cd, Ni, Pb	60	5, 10, 15, 30, 100	0,5-1,5 g
Malkoc and Nuhoglu	Ni	120	200	0,5-1,5 g
Amarasinghe and Williams	Cu, Pb	90	100-200	0,125-0,75 g
Wasewar at al.	Zn	240	50	0,12-2,0 g
Thakur and Parmar	Cu, Ni, Zn	30, 60, 120, 180	5, 10, 15, 30, 100	0,5, 1,0, 1,5

Dari semua penelitian yang telah dilakukan, konsep yang terjadi pada adsorpsi hampir sama. Efektivitas adsorpsinya dipengaruhi beberapa faktor diantaranya jenis logam, waktu kontak adsorpsi, konsentrasi awal logam dan jumlah adsorben

2  Metode Persiapan dan Penggunaan Adsorben Ampas Teh

a.       Persiapan dan penggunaan adsorben ampas teh (Thakur dan Parmar, 2013)

Limbah teh yang dikumpulkan dari warung teh dan restoran dicuci dan direndam dengan air panas (T= 85°C) sampai zat warna pada teh menghilang. Setelah zat warna hilang, dikeringkan menggunakana oven (T= 105 °C) selama 12 jam. Selanjutnya ampas teh diubah bentuknya menjadi bubuk dengan mixer penggiling dan disaring dengan ukuran 120 mesh. Selanjutnya dikeringkan kembali (T= 105°C) selama 6 jam dan kemudian disimpan dalam kantong plastik pada suhu kamar.

Adsorben ampas teh variasi massa (misalnya 0,5 g adsorben) ditambahkan 100 mL larutan logam (Tembaga, nikel, seng) variasi konsentrasi (10, 20, 50 dan 100 ppm) dalam 12 tutup botol kaca pada suhu tetap (30⁰ C). Dengan variasi waktu kontak (30, 60, 120 dan 180 menit). Setelah itu disaring menggunakan kertas saring Whatman nomor satu. Konsentrasi ion logam berat yang tersisa dalam larutan diukur dengan spektrofotometer UV-visible pada 312 nm untuk logam tembaga. Konsentrasi residu nikel dan seng ditentukan pada panjang gelombang masing-masing pada 392 nm dan 310 nm. Pengaruh beberapa parameter, seperti konsentrasi, waktu kontak dan jumlah adsorben pada adsorpsi diamati. Hasil penelitian ini digunakan untuk mendapatkan kondisi optimum penghilangan logam berat pada limbah. Persentase kehilangan logam berat dihitung dengan menggunakan Persamaan.

Persentase kehilangan ion logam (%) =  × 100

Keterangan:

C o: konsentrasi ion logam awal larutan uji/ ppm

C e:  konsentrasi akhir larutan uji/ ppm

b.      Persiapan dan penggunaan adsorben ampas teh (Mahvi et al., 2005)

Ampas teh dicuci dan kemudian dibilas dengan air suling. Setelah itu dikeringkan pada suhu 100⁰C dan kemudian disaring menggunakan ayakan berukuran 10 mesh. Setelah itu dituangkan dalam wadah plsatik dan disimpan dalam desikator.

Setelah itu dibuat campuran larutan nikel, timbal dan kadmium dengan variasi konsentrasi (5, 10, 15, 30 dan 100 ppm). Hal ini untuk mengetahui efisiensi ampas teh dalam variasi konsentrasi limbah logam dan digunakan juga variasi dari adsorben (0,5, 1 dan 1,5 gram) dalam larutan logam tunggal. Pertama, disiapkan 15 botol yang berisi 0,5 gram adsorben dan 100 mL larutan timbal yang sudah diketahui masing-masing konsentrasinya. Masing-masing variasi konsentrasi timbal dilakukan pengulangan dengan variasi massa adsorben yang berbeda. Kemudian dikocok dengan kecepatan 120-130 rpm. Setelah satu jam, larutan disaring menggunakan kertas saring Whatman nomor 40. Kemudian filtrat dari larutan timbal tersebut ditentukan konsentrasinya menggunakan Spektrofofometer Serapan Atom (AAS). Dilakukan prosedur yang sama untuk larutan Kadmium dan Nikel.

KESIMPULAN

1    Ampas teh adalah adsorben yang murah untuk menghilangkan ion Cu, Zn dan Ni dari air limbah tanpa memerlukan pretreatment apapun. Hasil eksperimen Thakur (2013), menunjukkan bahwa persentasetase kehilangan maksimum ion nikel oleh ampas teh pada kondisi optimum (pH 5, waktu kontak selama 120 menit., jumlah adsorben 0.5g/100 mL dan konsentrasi 20 ppm) adalah 94% dan untuk tembaga dan ion seng adalah 89% dan 91% masing-masing pada kondisi optimum (pH 5, waktu kontak 120 menit dan jumlah adsorben 0.5g/100 mL adsorben, konsentrasi 10 ppm). 

2    Penelitian Mahvi (2005), menunjukkan bahwa ampas teh dapat digunakan dalam pengolahan logam berat dan efisiensinya bisa mencapai 100 %  dengan jumlah adsorben yang tepat. Konsentrasi Logam berat juga memiliki pengaruh yang penting pada hasil pengolahan ini. Sementara itu, sangat mungkin meningkatkan efisiensi adsorben ampas teh dengan melakukan perlakuan awal pada ampas teh, misalnya menggunakan beberapa larutan asam, basa dan deterjen.

Koefisien Distribusi

HUKUM  DISTRIBUSI NERNST

Jika zat pelarut ditambahkan ke dalam campuran dari dua cairan tidak bercampur, zat itu akan terdistribusi diantara kedua fase sehingga perbandingan konsentrasinya adalah tetap.

Jika zat terlarut ditambahkan ke dalam pelarut tidak tercampur dalam jumlah yang tidak cukup untuk menjenuhkan larutan, maka zat tersebut tetap berdistribusi di antara kedua lapisan dengan perbandingan konsentrasi tertentu.

Jika C_o dan C_a adalah konsentrasi kesetimbangan zat dalam pelarut organik dan pelarut air, persamaan kesetimbangan menjadi :

                                   

Tetapan kesetimbangan dikenal sebagai perbandingan distribusi, koefisien distribusi atau koefisien partisi. Persamaan yang dikenal   dengan hukum distribusi. Hukum tersebut berlaku untuk suatu ekstraksi yang tidak dipengaruhi oleh adanya reaksi asosiasi maupun disosiasi.

faktor-faktor yang mempengaruhi koefisien distribusi :

¢  Suhu

¢  Jenis pelarut

¢  Jenis terlarut

¢  Konsentrasi

Hukum distribusi adalah suatu metode yang digunakan untuk menentukan aktivitas zat terlarut dalam satu pelarut jika aktivitas zat terlarut dalam pelarut lain diketahui, asalkan kedua pelarut tidak tercampur sempurna satu sama lain. Faktor-faktor yang mempengaruhi koefisien distribusi diantaranya:
1.Temperatur yang digunakan.
Semakin tinggi suhu maka reaksi semakin cepat sehingga volume titrasi menjadi kecil, akibatnya berpengaruh terhadap nilai k.
2. Jenis pelarut.
Apabila pelarut yang digunakan adalah zat yang mudah menguap maka akan sangat mempengaruhi volume titrasi, akibatnya berpengaruh pada perhitungan nilai k.
3. Jenis terlarut.
Apabila zat akan dilarutkan adalah zat yang mudah menguap atau higroskopis, maka akan mempengaruhi normalitas (konsentrasi zat tersebut), akibatnya mempengaruhi harga k.
4. Konsentrasi
Makin besar konsentrasi zat terlarut makin besar pula harga k.Harga K berubah dengan naiknya konsentrasi dan temperatur. Harga k tergantung jenis pelarutnya dan zat terlarut. Menurut Walter Nersnt, hukum diatas hanya berlaku bila zat terlarut tidak mengalami disosiasi atau asosiasi, hukum di atas hanya berlaku untuk komponen yang sama. 

( Himaki , 2012 )

Distilasi Uap

Distilasi merupakan salah satu teknik utama untuk memurnikan cairan yang mudah menguap (volatil). Teknik ini yaitu pemanasan suatu bahan hingga menguap, kemudian uap didinginkan kembali menjadi cairan disebut distilat (Horwood et al, 2000).

            Distilasi uap terdiri dari campuran air dan senyawa yang tidak larut atau sedikit larut dalam air. Keuntungan dari distilasi uap adalah campuran dapat didistilasi pada temperatur dibawah titik didihnya. Biasanya distilasi ini digunakan untuk campuran dimana salah satu komponennya memiliki tekanan yang cukup besar pada temperatur 100^o C, sedangkan tekanan uap komponen lain dapat diabaikan karena sangat kecil (Willcox & Willcox, 1995).

            Distilasi uap pada umumnya digunakan untuk memurnikan senyawa organik yang volatil, tidak tercampur dengan air, mempunyai tekanan uap yang tinggi pada 100^o C dan mengandung pengotor-pengotor yang non volatil. Adapun zat yang digunakan pada distilasi uap harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut (Sukardjo, 1999) :

1.      Tidak tercampur dengan H₂O, tetapi dapat terbawa oleh uap H₂O

2.      Selama distilasi zat tidak terdekomposisi atau terurai

3.      Memiliki massa molekul yang besar

4.      Pada suhu sekitar titik didih campuran memiliki tekanan uap yang cukup besar

Hukum fase Gibs, J. Willard Gibs pada tahun 1876 mendapatkan hubungan antara jumlah derajat kebebasan (F), jumlah komponen (C) dan jumlah fase (P) dengan persamaan:

F = C – P + 2

Derajat kebebasan merupakan jumlah terkecil variabel bebas (temperatur, tekanan, atau konsentrasi) (Willcox & Willcox, 1995).

            Distilat murni ditampung pada saat termometer suhu dalam telah konstan. Sebab pada saat temperatur konstan terjadi kesetimbangan antara fase cair dan fase gas. Menurut aturan fase Gibs kesetimbangan terjadi apabila derajat kebebasan (F) sama dengan nol. Komponen yang ada pada sistem ada dua yaitu air dan sampel, sedangkan fase ada tiga yaitu cair (air), cair (sampel), dan uap (uap air dan sampel). Karena tekanannya konstan maka variabel yang mempengaruhi hanya satu, sehingga persamaan untuk derajat kebebasannya yaitu: 

F = C – P + 1

F = 2 – 3 + 1 = 0

(Yustiani, 2012).

Azeotrop

Azeotrop merupakan campuran dari dua atau lebih larutan (kimia) dengan perbandingan tertentu , dimana komposisi ini tetap / tidak bisa diubah lagi dengan cara destilasi sederhana. Kondisi ini terjadi karena ketika azeotrop di didihkan, uap yang dihasilkan juga memiliki perbandingan konsentrasi  yang sama dengan larutannya semula akibat ikatan antar molekul pada kedua larutannya (Supriyono, 2011).   

Azeotrop positif
 Jika titik didih campuran azeotrop kurang dari titik didih salah satu larutan konstituennya, contoh campuran 95,63 etanol dan 4,37 % air, etanol mendidih pada suhu  78,4 ^OC sedangkan air mendidih pada suhu 100 ^OC, tetapi campurannya/azeotropnya mendidih pada suhu 78,2 ^OC (Supriyono, 2011).

Azeotrop Negatif
 Jika titik didih campuran azeotrop lebih dari titik didih konstituennya atau salah satu konstituennya. Contoh campuran asam klorida pada konsentrasi 20,2 % dan 79,8 % air. Asam klorida (murni) mendidih pada suhu -84^OC, tetapi campuran azeotropnya memiliki titik didih 110^OC (Supriyono, 2011).

 

1.      Pemisahan Senyawa Azeotrop dengan Teknik Pervaporasi

Pervaporasi adalah proses pemisahan menggunakan membran dimana suatu campuran cairan (umpan) yang kontak dengan membran  yang berada dalam tekanan atmosfer dan dimana permeatnya diubah menjadi uap karena tekanan rendah yang diberikan pada permeat (Mulder, 1996).

•      perubahan fase permeat dari cair menjadi uap selama perpindahan bahan. Umpan dalam proses pervaporasi berfase cair (Rautenbach & Albercht, 1989).

•      Penerapan pervaporasi adalah sebagai berikut  (Seader & Henley, 2006):

(a)  dehidrasi etanol,

(b)  dehidrasi alkohol organik, keton, dan ester,

(c)  pemisahan dari campuran organik dari a

Parameter – parameter yang mempengaruhi kinerja pervaporasi yaitu:

1.      Tekanan atas (upstream pressure)

Tekanan atas berhubungan dengan mekanisme transpor massa melalui membrane antarmuka. Hal ini akan mempengaruhi kondisi laju permeasi suatu tekanan uap jenuh (Huang & Feng, 1997).

2.      Tekanan bawah (downstream pressure)

Pengaruh tekanan bawah pada sisi permeat terhadap selektivitas tidak berubah secara signifikan oleh kenaikan tekanan bawah.

3.       Suhu
Selektivitas bergantung pada suhu umpan, selektivitas menurun dengan meningkatnya suhu (Smitha et al., 2004).

4.      Ketebalan lapisan

Menurut pernyataan sebelumnya, jika terjadi difusi umpan melalui membran merupakan tahap penentuan laju transfer.

Keunggulan

a.       Hemat energi dan dapat memisahkan campuran azeotrop dengan mudah

b.      Memungkinkan untuk dapat diaplikasikan untuk berbagai tujuan pemisahan

c.       Menghasilkan produk yang bebas kontaminan

d.      Tidak mencemari lingkungan

e.       Proses pengoperasian mudah

f.       Menghemat tempat

g.      Mudah untuk diinstalasi dalam pabrik

Contoh Teknologi Pervaporasi Untuk Dehidrasi Etanol Menggunakan Membran Zeolit NaA

Pervaporasi merupakan suatu proses pemisahan berbasiskan membran dimana pemisahan berdasarkan perbedaan afinitas komponen-komponen campuran terhadap membran. Pervaporasi efektif digunakan untuk memisahkan campuran azeotrop karena pemisahan tidak berdasarkan kesetimbangan uap-cair. Pada pervaporasi etanol-air, membran yang digunakan harus bersifat hidrofilik dan selektif. Saat ini membran zeolit banyak digunakan untuk pervaporasi etanol-air karena sifat hidrofilisitas dan daya tahannya yang baik (Permata, 2012)

Penelitian ini memiliki tujuan untuk memperoleh membran Zeolit NaA yang dapat digunakan untuk pervaporasi etanol-air. Selain itu, dari penelitian ini diharapkan dapat diketahui kinerja dari membran Zeolit NaA yang diperoleh dalam pemisahan campuran etanol-air. Membran zeolit dibuat dengan proses sintesis hidrotermal dimana bahan baku zeolit yang berupa jel dikontakan dengan permukaan support dan dipanaskan. Parameter yang divariasikan antara lain adalah konsentrasi jel, metode sintesis, dan kondisi pervaporasi yaitu laju alir pada 300, 1000, dan 1500 cm3/menit serta temperatur pada 25, 40, dan 60 derajat C (Permata, 2012)

Pada percobaan ini dihasilkan membran zeolit NaA yang dapat digunakan untuk pervaporasi. Namun kinerja dan stabilitas membran belum memuaskan. Fluks dan selektivitas pervaporasi etanol dipengaruhi oleh laju alir dan temperatur operasi.

Pervaporasi adalah salah satu proses pemisahan dengan membran yang dapat dijadikan alternatif untuk meningkatkan kemurnian alkohol dari komposisi azeotropnya dengan kebutuhan energi yang rendah. Prinsip pemisahan pada pervaporasi adalah dengan memanfaatkan perbedaan solubilitas dan difusivitas komponen. Unjuk kerja pervaporasi diukur dengan fluks permeat dan selektivitas pemisahan.Membran yang digunakan pada proses pervaporasi alkohol-air adalah membran yang bersifat hidrofilik. Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa membran CA/zeolit dapat digunakan sebagai membran pada proses pervaporasi campuran etanol-air dengan unjuk kerja yang baik. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kinerja membran CA/zeolit dalam pemisahan campuran akohol-air dan mempelajari pengaruh temperatur operasi terhadap kinerja membran (Permata, 2012).

Percobaan yang dilakukan meliputi pembuatan membran, karakterisasi membran, dan proses pervaporasi. Larutan yang akan dipisahkan adalah campuran etanol-air, isopropanol-air, dan 2-butanol-air pada komposisi azeotrop. Komposisi etanol-air divariasikan pada 85%-v, azeotrop, dan 98%-v. Temperatur umpan pervaporasi berada pada rentang 40-60°C dengan tekanan pada sisi permeat sebesar 200 mbar. Polimer yang digunakan adalah selulosa asetat (CA). Modifikasi membran dilakukan dengan penambahan zeolit alam Malang sebesar 20%-b CA. Hasil percobaan menunjukkan bahwa penambahan zeolit alam Malang ke dalam membran CA dapat meningkatkan fluks sebesar 1,35-1,4 kali dan selektivitas sebesar 3,5-8,2 kali dibandingkan dengan membran CA homogen. Senyawa 2-butanol memiliki nilai selektivitas terbesar diikuti dengan isopropanol dan etanol (Permata, 2012).

2.      Pemisahan Senyawa Azeotrop dengan Metode Lain

Metode  Pemisahan  Komponen  Azeotrop dapat dipisahkan dengan beberapa metode, antara lain adalah:

1 . Pressure Swing Distillation

2.Extractive  Distillation

3. Penambahan zat ketiga

1.      Pressure Swing Distillation

Dalam pemisahan campuran propanol-ethyl acetate, digunakan metode pressure swing distillation. Prinsip yang digunakan pada metode ini yaitu pada tekanan yang berbeda, komposisi azeotrop suatu campuran akan berbeda pula. Berdasarkan prinsip tersebut, distilasi dilakukan bertahapmenggunakan 2 kolom distilasi yang beroperasi pada tekanan yang berbeda. Kolom distilasi pertama memiliki tekanan operasi yang lebih tinggi dari kolom distilasi kedua. Produk bawah kolom pertama menghasilkan ethyl acetate murni sedangkan produk atasnya ialah campuran propanol-ethyl acetate yang komposisinya mendekati komposisi azeotropnya.

Produk atas kolom pertama tersebut kemudian didistilasi kembali pada kolom yang bertekanan lebih rendah (kolom kedua).Produk bawah kolom kedua menghasilkan propanol murni sedangkan produk atasnya merupakancampuranpropanol-ethyl acetate yang komposisinya mendekati komposisi azeotropnya.

Berikut ini gambar kurva kesetimbangan uap cair campuran propanol-ethyl acetate pada tekanan tinggi dan rendah. Bawah kolom kedua menghasilkan propanol murni sedangkan produk atasnya merupakan campuran propanol-ethyl acetate yang komposisinya mendekati komposisi azeotropnya. Berikut ini gambar kurva kesetimbangan uap cair campuran propanol-ethyl acetate pada tekanan tinggi dan rendah.Dari gambar pertama dapat dilihat bahwa feed masuk kolom pada temperatur 108,2 ⁰C dengan komposisi propanol 0,33. Pada kolom pertama (P=2,8 atm), komposisi azeotrop yaitu sebesar 0,5 sehingga distilat yang diperoleh berkisar pada nilai tersebut sedangkan bottom yang diperolehberupa ethyl acetate murni.

Untuk memperoleh propanol murni, distilat kemudian didistilasi lagi pada kolom kedua (P=1,25atm). Distilat ini memasuki kolom kedua pada temperatur 82,6⁰C. Komposisi azeotrop pada kolom kedua yaitu 0,38 sehingga kandungan propanol pada distilat berkisar pada nilai tersebut. Bottom yang diperoleh pada kolom kedua ini berupa propanol murni. Bila diperhatikan, titik azeotrop campuran bergeser dari 0,5%-mol propanol menjadi 0,38%-mol propanol. Jadi, dengan metode pressure swing distillation ini, dapat diperoleh propanol dan ethyl acetate dengan kemurnian  yang tinggi. Dan untuk lebih mengoptimasi proses, distilat keluaran kolom 2 dapat direcycle dan dicampur dengan aliran umpan untuk didistilasi kembali. 

2.      Extractive Distillation

Distilasi ekstraktif didefinisikan sebagai distilasi dalam kehadiran miscible, mendidih tinggi,komponen yang relatif non-volatile, pelarut, bahwa tidak ada bentuk azeotrop dengan komponenlain dalam campuran. Metode yang digunakan untuk campuran memiliki nilai volatilitas relatif rendah, mendekati kesatuan. Campuran tersebut tidak dapat dipisahkan dengan penyulingansederhana, karena volatilitas dari dua komponen dalam campuran adalah hampir sama, membuat mereka menguap pada suhu yang sama hampir pada tingkat yang sama, membuat penyulingannormal tidak praktis.Metode penyulingan ekstraktif menggunakan pemisahan pelarut, yang umumnya nonvolatil, memiliki titik didih tinggi dan miscible dengan campuran, namun tidak merupakan campuranazeotrop. Berinteraksi pelarut berbeda dengan komponen campuran  sehingga menyebabkan volatilitas relatif mereka untuk berubah. Hal ini memungkinkan campuran tiga bagian baru yang dipisahkan oleh distilasi normal. Komponen asli dengan volatilitas terbesar memisahkan keluarsebagai produk atas.

Produk bawah terdiri dari campuran pelarut dan komponen lainnya, yang sekali lagi dapat dipisahkan dengan mudah karena pelarut tidak membentuk sebuah azeotrop dengan itu. Produk bawah dapat dipisahkan oleh salah satu metode yang tersedia. Sangat penting untuk memilih pemisahan pelarut yang cocok untuk jenis distilasi.

Pelarut harus mengubah volatilitas relatif dengan selisih yang cukup lebar untuk hasil yang sukses. Kuantitas, biaya dan ketersediaan pelarut harus dipertimbangkan. Pelarut harus mudah dapat dipisahkan dari produk dasar, dan tidak harus bereaksi secara kimia dengan komponen atau campuran, atau menyebab korosi di dalam peralatan. Sebuah contoh klasik yang akan dikutip di sini adalah pemisahancampuran azeotrop benzena dan cyclohexane, di mana anilina adalah salah satu pelarut  yang cocok.