ADSORPSI KIMIA FISIK II

ADSORPSI

KIMIA FISIK II

I.                   PENDAHULUAN

Latar Belakang

Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Seperti halnya kinetika kimia, kinetika adsorpsi juga berhubungan dengan laju reaksi. Hanya saja, kinetika adsorpsi lebih khusus, yang hanya membahas sifat penting dari permukaan zat. Adsorpsi digunakan untuk menyatakan bahwa zat lain yang terserap pada zat itu, misalnya karbon aktif dapat menyerap molekul asam asetat dalam larutannya. Tiap partikel adsorban dikelilingi oleh molekul yang diserap karena terjadi interaksi tarik-menarik. Zat-zat yang terlarut dapat diadsorpsi oleh zat padat, misalnya CH₃COOH oleh karbon aktif, NH₃ oleh karbon aktif, fenolftalein dari larutan asam atau basa oleh karbon aktif, Ag⁺ atau Cl^- oleh AgCl. C lebih baik menyerap non elektrolit dan makin besar BM semakin baik. Zat anorganik lebih baik menyerap elektrolit. Adanya pemilihan zat yang diserap menyebabkan timbulnya adsorpsi negatif. Dalam larutan KCl, H₂O diserap oleh arang darah, hingga konsentrasi naik.

Partikel sol padat ditempatkan dalam zat cair atau gas, maka partikel zat cair atau gas akan terakumulasi. Fenomena ini juga disebut adsorpsi. Jadi sdsorpsi terkait dengan penyerapan partikel pada permukaan zat. Partikel koloid sol memiliki kemampuan untuk mengadsorpsi partikel pendispersi pada permukaanya. Daya adsorpsi partikel koloid tergolong besar Karena partikelnya memberikan sesuatu permukaan yang luas. Sifat ini telah digunakan dalam berbagai proses seperti penjernihan air.

Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik cairan maupun gas) pada proses adsorpsi. Adsorben yang paling banyak dipakai untuk menyerap zat-zat dalam larutan adalah arang. Zat ini banyak dipakai di pabrik untuk menghilangkan zat-zat warna dalam larutan. Penyerapan bersifat selektif, yang diserap hanya zat terlarut atau pelarut sangat mirip dengan penyerapan gas oleh zat padat. Ketika pelarut yang mengandung zat terlarut tersebut kontak dengan adsorben, terjadi perpindahan massa zat terlarut dari pelarut ke permukaan adsorben, sehingga konsentrasi zat terlarut di dalam cairan dan di dalam padatan akan berubah terhadap waktu dan posisinya dalam kolom adsorpsi.

Rumusan Masalah

Berdasarkan uraian pada latar belakang, maka perumusan masalah dalam makalah ini adalah :

1. Apakah adsorpsi itu?
2. Apa yang mempengaruhi besar kecilnya adsorpsi?
3. Bagaimana proses adsorpsi arang aktif?

II.                PEMBAHASAN

Adsorpsi

Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat pada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi dimana fluida terserap oleh fluida lainnya dengan membentuk suatu larutan.

Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut (soluble) yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penyerap, dimana terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penyerapnya.

Definisi lain menyatakan adsorpsi sebagai suatu peristiwa penyerapan pada lapisan permukaan atau antar fasa, dimana molekul dari suatu materi terkumpul pada bahan pengadsorpsi atau adsorben.

Adsorpsi adalah pengumpulan dari adsorbat diatas permukaan adsorben, sedang absorpsi adalah penyerapan dari adsorbat kedalam adsorben dimana disebut dengan fenomena sorption. Materi atau partikel yang diadsorpsi disebut adsorbat, sedang bahan yang berfungsi sebagai pengadsorpsi disebut adsorben.

Adsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika (disebabkan oleh gaya Van Der Waals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk cairan) yang ada pada permukaan adsorbens) dan adsorpsi kimia (terjadi reaksi antara zat yang diserap dengan adsorben, banyaknya zat yang teradsorbsi tergantung pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan suhu)

1.Adsorpsi fisika

Berhubungan dengan gaya Van der Waals. Apabila daya tarik menarik antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar dari daya tarik menarik antara zat terlarut dengan pelarutnya, maka zat yang terlarut akan diadsorpsi pada permukaan adsorben. Adsorpsi ini mirip dengan proses kondensasi dan biasanya terjadi pada temperatur rendah pada proses ini gaya yang menahan molekul fluida pada permukaan solid relatif lemah, dan besarnya sama dengan gaya kohesi molekul pada fase cair (gaya van der waals) mempunyai derajat yang sama dengan panas kondensasi dari gas menjadi cair, yaitu sekitar 2.19-21.9 kg/mol. Keseimbangan antara permukaan solid dengan molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat reversibel.

2.            Adsorpsi Kimia

Yaitu reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat terlarut yang teradsorpsi. Adsorpsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang jauh lebih besar daripada Adsorpsi fisika. Panas yang dilibatkan adalah sama dengan panas reaksi kimia. Menurut Langmuir, molekul teradsorpsi ditahan pada permukaan oleh gaya valensi yang tipenya sama dengan yang terjadi antara atom-atom dalam molekul. Karena adanya ikatan kimia maka pada permukaan adsorbent akan terbentuk suatu lapisan atau layer, dimana terbentuknya lapisan tersebut akan menghambat proses penyerapan selanjutnya oleh batuan adsorbent sehingga efektifitasnya berkurang.

2.2 Kinetika Adsorpsi

Seperti halnya kinetika kimia, kinetika adsorpsi juga berhubungan dengan laju reaksi. Hanya saja, kinetika adsorpsi lebih khusus, yang hanya membahas sifat penting dari permukaan zat. Kinetika adsorpsi yaitu laju penyerapan suatu fluida oleh adsorben dalam suatu jangka waktu tertentu. Kinetika adsorpsi suatu zat dapat diketahui dengan mengukur perubahan konsentrasi zat teradsorpsi tersebut, dan menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta memplotkannya pada grafik. Kinetika adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan adsorpsi. Kecepatan adsorpsi dapat didefinisikan sebagai banyaknya zat yang teradsorpsi per satuan waktu. Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya :

·         Macam adsorben

·         Macam zat yang diadsorpsi (adsorbate)

·         Luas permukaan adsorben

·         Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate)

·         Temperatur

2.3 Adsorben

Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik cairan maupun gas) pada proses adsorpsi. Umumnya adsorben bersifat spesifik, hanya menyerap zat tertentu. Dalam memilih jenis adsorben pada proses adsorpsi, disesuaikan dengan sifat dan keadaan zat yang akan diadsorpsi. Adsorben yang paling banyak dipakai untuk menyerap zat-zat dalam larutan adalah arang. Karbon aktif yang merupakan contoh dari adsorpsi, yang biasanya dibuat dengan cara membakar tempurung kelapa atau kayu dengan persediaan udara (oksigen) yang terbatas. Tiap partikel adsorben dikelilingi oleh molekul yang diserap karena terjadi interaksi tarik menarik. Zat ini banyak dipakai di pabrik untuk menghilangkan zat-zat warna dalam larutan. Penyerapan bersifat selektif, yang diserap hanya zat terlarut atau pelarut sangat mirip dengan penyerapan gas oleh zat padat. Beberapa jenis adsorben yang biasa digunakan yaitu :

a. Karbon aktif/ arang aktif/ norit

Sejak perang dunia pertama arang aktif produksi dari peruraian kayu sudah dikenal sebagai adsorben atau penyerap yang afektif sehingga banyak dipakai sebagai adsorben pada topeng gas Arang aktif adalah bahan berupa karbon bebas yang masing-masing berikatan secara kovalen atau arang yang telah dibuat dan diolah secara khusus melalui proses aktifasi, sehingga pori-porinya terbuka dan dengan demikian mempunyai daya serap yang besar terhadap zat-zat lainnya, baik dalam fase cair maupun dalam fase gas. Dengan demikian, permukaan arang aktif bersifat non-polar. Struktur pori berhubungan dengan luas permukaan, dimana semakin kecil pori-pori arang aktif, mengakibatkan luas permukaan semakin besar. Dengan demikian kecepatan adsorpsi bertambah. Untuk meningkatkan kecepatan adsorpsi, dianjurkan menggunakan arang aktif yang telah dihaluskan. Karbon aktif ini cocok digunakan untuk mengadsorpsi zat-zat organik. Komposisi arang aktif terdiri dari silika (SiO2), karbon, kadar air dan kadar debu. Unsur silika merupakan kadar bahan yang keras dan tidak mudah larut dalam air, maka khususnya silika yang bersifat sebagai pembersih partikel yang terkandung dalam air keruh dapat dibersihkan sehingga diperoleh air yang jernih.

Bahan baku yang berasal dari hewan, tumbuh-tumbuhan, limbah maupun mineral yang mengandung karbon dapat dibuat menjadi arang aktif yaitu dibuat melalui proses pembakaran secara karbonisasi (aktifasi) dari semua bahan yang mengandung unsur karbon dalam tempat tertutup dan dioksidasi/ diaktifkan dengan udara atau uap untuk menghilangkan hidrokarbon yang akan menghalangi/ mengganggu penyerapan zat organik Bahan tersebut antar lain tulang, kayu lunak maupun keras, sekam, tongkol jagung, tempurung kelapa, ampas penggilingan tebu, ampas pembuatan kertas, serbuk gergaji, dan batubara.

Ø  Pembuatan arang aktif

Secara umum dan sederhana, proses pembuatan arang aktif terdiri dari 3 tahap, yaitu :

1.      Dehidrasi : proses penghilangan air dimana bahan baku dipanaskan sampai temperatur 170°C.

2.      Karbonisasi : pemecahan bahan-bahan organik menjadi karbon. Suhu diatas 170°C akan menghasilkan CO dan CO₂. Pada suhu 275°C, dekomposisi menghasilkan “tar”, methanol dan hasil samping lainnya. Pembentukan karbon terjadi pada temperatur 400-600°C.

3.      Aktifasi : dekomposisi tar dan perluasan pori-pori. Dapat dilakukan dengan uap atau CO₂ sebagai aktifator.

Yang dimaksud dengan aktifasi adalah suatu perlakuan terhadap arang yang bertujuan untuk memperbesar pori yaitu dengan cara memecahkan ikatan hidrokarbon atau mengoksidasi molekul-molekul permukaan sehingga arang mengalami perubahan sifat, baik fisika maupun kimia, yaitu luas permukaannya bertambah besar dan berpengaruh terhadap daya adsorpsi.

Arang aktif mempunyai warna hitam, tidak berasa dan tidak berbau, berbentuk bubuk dan granular, mempunyai daya serap yang jauh lebih besar dibandingkan dengan arang yang belum mengalami proses aktifasi, mempunyai bentuk amorf yang terdiri dari plat-plat dasar dan disusun oleh atom-atom karbon C yang terikat secara kovalen dalam suatu kisi yang heksagon. Plat-plat ini bertumpuk satu sama lain membentuk kristal-kristal dengan sisa-sisa hidrokarbon yang tertinggal pada permukaan. Dengan menghilangkan hidrokarbon tersebut melalui proses aktifasi, akan didapatkan suatu arang atau karbon yang membentuk struktur jaringan yang sangat halus atau porous sehingga permukaan adsorpsi atau penyerapan yang besar dimana luas permukaan adsorpsi dapat mencapai 300-3500 cm2/gram.

Proses pembuatan arang aktif dibagi menjadi 2, yaitu :

1)      Proses Kimia

Bahan baku dicampur dengan bahan-bahan kimia tertentu, kemudian dibuat padat. Selanjutnya padatan tersebut dibentuk menjadi batangan dan dikeringkan serta dipotong-potong. Aktifasi dilakukan pada temperatur 100°C. Arang aktif yang dihasilkan dicuci dengan air selanjutnya dikeringkan pada temperatur 300°C. Dengan proses kimia, bahan baku dapat dikarbonisasi terlebih dahulu, kemudian dicampur dengan bahan-bahan kimia.

2)      Proses Fisika

Bahan baku terlebih dahulu dibuat arang. Selanjutnya arang tersebut digiling, diayak untuk selanjutnya diaktifasi dengan cara pemanasan pada temperatur 1000°C yang disertai pengaliran uap.

Ø  Penyerapan Bahan - bahan Terlarut Dengan Arang Aktif
Sifat arang aktif yang paling penting adalah daya serap. Untuk menghilangkan bahan-bahan terlarut dalam air, biasa menggunakan arang aktif dengan mengubah sifat permukaan partikel karbon melalui proses oksidasi. Partikel ini akan menyerap bahan-bahan organik dan akan terakomulasi pada bidang permukaannya. Pada umumnya ion organik dapat diturunkan dengan arang aktif.

Adsorpsi oleh arang aktif akan melepaskan gas, cairan dan zat padat dari larutan dimana kecepatan reaksi dan kesempurnaan pelepasan tergantung pada pH, suhu, konsentrasi awal, ukuran molekul, berat molekul dan struktur molekul. Penyerapan terbesar adalah pada pH rendah. Dalam Laboratorium Manual disebutkan bahwa pada umumnya kapasitas penyerapan arang aktif akan meningkat dengan turunnya pH dan suhu air. Pada pH rendah aktifitas dari bahan larut dengan larutan meningkat sehingga bahan-bahan larut untuk tertahan pada arang aktif lebih rendah.

Proses adsorpsi arang aktif dapat digambarkan sebagai molekul yang meninggalkan zat pengencer yang terjadi pada permukaan zat padat melalui ikatan kimia maupun fisika. Molekul tersebut digunakan sebagai adsorbat dan zat padat disebut adsorben arang aktif. Adapun adsorpsi yang terjadi pada arang aktif dapat bersifat :

1. Adsorpsi Fisika

Adsorpsi fisika terjadi berdasarkan ikatan fisika antara zat-zat dengan arang aktif dalam keadaan suhu rendah dengan penyerapan relative kecil.

2. Adsorpsi Kimia

Adsorpsi kimia terjadi berdasarkan ikatan kimia antara adsorben (arang aktif) dengan zat-zat teradsopsi. Dijelaskan pula bahwa bahan dalam larutan yang bersifat elektrolit akan diserap lebih efektif dalam suasana basa oleh arang aktif. Sedangkan bahan dalam larutan yang bersifat non elektrolit penyerapan arang aktif tidak dipengaruhi oleh sifat keasaman atau sifat kebasaan larutan.

Dalam hal ini, ada beberapa faktor yang mempengaruhi daya serap adsorpsi, yaitu:

·         Sifat serapan

banyak senyawa yang dapat diadsorpsi oleh arang aktif, tetapi kemampuannya untuk mengadsorpsi berbeda untuk masing-masing senyawa. Adsorpsi akan bertambah besar sesuai dengan bertambahnya ukuran molekul serapan dari struktur yang sama, seperti dalam deret homolog. Adsorpsi juga dipengaruhi oleh gugus fungsi, posisi gugus fungsi, ikatan rangkap, dan struktur rantai dari senyawa serapan.

·         Temperatur

Dalam pemakaian arang aktif dianjurkan untuk mengamati temperatur pada saat berlangsungnya proses. Faktor yang mempengaruhi temperatur proses adsorpsi adalah viskositas dan stabilitas senyawa serapan.  Jika pemanasan tidak mempengaruhi sifat-sifat senyawa serapan, seperti terjadi perubahan warna maupun dekomposisi, maka perlakuan dilakukan pada titik didihnya. Untuk senyawa volatil, adsorpsi dilakukan pada temperatur kamar atau bila memungkinkan pada temperatur yang lebih rendah.

·         pH (derajat keasaman)

Untuk asam-asam organik, adsorpsi akan meningkat bila pH diturunkan, yaitu dengan penambahan asam-asam mineral. Ini disebabkan karena kemampuan asam mineral untuk mengurangi ionisasi asam organik tersebut. Sebaliknya apabila pH asam organik dinaikkan yaitu dengan penambahan alkali, adsorpsi akan berkurang sebagai akibat terbentuknya garam.

·         Waktu singgung

Bila arang aktif ditambahkan dalam suatu cairan, dibutuhkan waktu untuk mencapai kesetimbangan. Waktu yang dibutuhkan berbanding terbalik dengan jumlah arang yang digunakan.

Selisih ditentukan oleh dosis arang aktif, pengadukan juga mempengaruhi waktu singgung. Pengadukan dimaksudkan untuk memberi kesempatan pada partikel arang aktif untuk bersinggungan dengan senyawa serapan.

Secara garis besar penyerapan arang aktif terhadap zat yang terlarut adalah:

1. Zat teradsorpsi berpindah dari larutannya menuju lapisan luar dari adsorben (arang).
2. Zat teradsorpsi diserap oleh permukaan arang aktif.
3. Zat teradsorpsi akhirnya diserap oleh permukaan dalam atau permukaan porous arang.

Adapun secara umum faktor yang menyebabkan adanya daya serap dari arang aktif adalah :

1. Adanya pori-pori mikro yang jumlahnya besar pada arang aktif sehingga menimbulkan gejala kapiler yang menyebabkan adanya daya serap.
2. Adanya permukaan yang luas (300 – 3500 cm2/gram) pada arang aktif sehingga mempunyai kemampuan daya serap yang besar.

Menurut SII No.0258-79, arang aktif yang baik mempunyai persyaratan seperti yang tercantum pada tabel dibawah ini :

Tabel1. Spesifikasi karbon aktif

JENIS	PERSYARATAN
Bagian yang hilang pada pemanasan 950°C	Maks. 15%
Air	Maks. 10%
Abu	Maks. 2,5%
Bagian yang tidak diperarang	Tidak nyata
Daya serap terhadap larutan	Min. 20%

b.      Gel Silika

Merupakan bahan yang terbuat dari add treatment dari larutan sodium silikat yang dikeringkan. Luas permukaanya 600-800 m²/g dengan diameter pori antara 20-50Á. Gel silika cocok digunakan untuk mengadsorpsi gas dehidrat dan untuk memisahkan hidrokarbon.

c.       Alumina Aktif

Alumina aktif cocok digunakan untuk mengadsorpsi gas kering dan Liquid. Luas permukaannya 200-500 m²/g dan diameter porinya 20-140Á.

III.             KESIMPULAN

Salah satu sifat penting dari permukaan zat adalah adsorpsi. Adsorpsi adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida (cairan maupun gas) terikat pada suatu padatan dan akhirnya membentuk suatu film (lapisan tipis) pada permukaan padatan tersebut. Berbeda dengan absorpsi dimana fluida terserap oleh fluida lainnya dengan membentuk suatu larutan.

Kinetika adsorpsi yaitu laju penyerapan suatu fluida oleh adsorben dalam suatu jangka waktu tertentu. Kinetika adsorpsi suatu zat dapat diketahui dengan mengukur perubahan konsentrasi zat teradsorpsi tersebut, dan menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta memplotkannya pada grafik. Kinetika adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan adsorpsi. Kecepatan adsorpsi dapat didefinisikan sebagai banyaknya zat yang teradsorpsi per satuan waktu. Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya macam adsorben dan zat yang diadsorpsi (adsorbate), luas permukaan adsorben, konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate), dan temperatur.

Adsorben ialah zat yang melakukan penyerapan terhadap zat lain (baik cairan maupun gas) pada proses adsorpsi. Umumnya adsorben bersifat spesifik, hanya menyerap zat tertentu. Karbon aktif yang merupakan contoh dari adsorpsi, yang biasanya dibuat dengan cara membakar tempurung kelapa atau kayu dengan persediaan udara (oksigen) yang terbatas. Tiap partikel adsorben dikelilingi oleh molekul yang diserap karena terjadi interaksi tarik menarik.

DAFTAR PUSTAKA

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

Brady, James, 1999, Kimia Untuk Universitas, Erlangga, Jakarta.