## PEMAKAIAN REAKTOR ADSORPSI MENGGUNAKAN ADSORBEN LIMBAH LAS KARBID UNTUK MENGOLAH CO 2

## UTILIZATION OF ADSORBER USING CARBIDE WELDING WASTE’S ADSORBENT TO REMOVE CO 2
Ulfi Perdanawati 1 and Kania Dewi 2
Environmental Engineering Departement, Faculty of Civil and Environmental Engineering
Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha 10, Bandung, 40132
1 ulfi.perdanawati@gmail.com and 2 kanci_dewi@yahoo.com
Abstrak: Adsorpsi  merupakan  proses  penyerapan  fluida  tertentu  pada  permukaan  solid.  Aplikasi adsorpsi  banyak  digunakan  dalam  pengendalian  pencemaran  udara.  Pemilihan  adsorben  merupakan faktor yang penting dalam desain unit adsorpsi. Adsorben yang digunakan selain mampu mereduksi zat pencemar, diharapkan juga memiliki nilai ekonomi rendah dan pada kondisi jenuh tidak berbahaya bagi lingkungan. Limbah las karbid merupakan produk samping dari pengelasan menggunakan gas asetilen. Dalam  United  States  Patent  nomor  5997833,  disebutkan  bahwa  slurry  limbah  las  karbid  mengandung Ca(OH)2,  senyawa  alkali  hidroksida  yang  dapat  dimanfaatkan  untuk  mengolah  CO2  melalui  proses karbonatasi mineral. Pada penelitian ini digunakan reaktor adsorpsi dengan adsorben limbah las karbid dalam  dua  variasi  bentuk  dan  empat  variasi  massa  digunakan  untuk  mereduksi  CO2.  Penentuan kapasitas  adsorpsi  CO2  dilihat  menggunakan  persamaan  isotherm  Linear,  Freundlich,  dan  Langmuir. Selain  itu  juga  ditentukan  kesetimbangan  massa  antara  adsorbat  dan  adsorben,  sehingga  dapat diketahui, penyisihan CO2 yang terjadi merupakan hasil reaksi adsorpsi. Dari hasil penelitian diketahui bahwa  efisiensi  penyishian  CO2  berbeda  pada  kedua  bentuk  adsorben,  di  mana  adsorben  serbuk memiliki  efisiensi  penyisihan  terbesar.  Hasil  analisis  isotherm  membuktikan  proses  adsorpsi  terjadi mengikuti  isotherm  Langmuir.  Analisis  kesetimbangan  massa  menunjukkan  bahwa  reaksi  yang  terjadi merupakan reaksi antara Ca(OH)2 dengan CO2 menghasilkan CaCO3.
Kata kunci: adsorpsi, Isotherm Linear, Isotherm Freundlich, Isotherm Langmuir, limbah las karbid

## 1. PENDAHULUAN
Adsorpsi  adalah  proses  pengumpulan  suatu  material  pada  permukaan  adsorben solid (Reynolds, 1982). Reaksi ini merupakan reaksi permukaan yang dipengaruhi oleh gaya-gaya  fisik  dan  ikatan  kimia  antara  material  yang  diserap  (adsorbat)  dengan material  penyerap  (adsorben).  Jika  gaya-gaya  fisik  lebih  dominan,  maka  yang  terjadi adalah  adsorpsi  fisik,  sedangkan  jika  yang  terjadi  adalah  ikatan  kimia  antara  adsorbat dan  adsorben,  maka  akan  terjadi  adsorpsi  kimia.  Aplikasi  adsorpsi  banyak  digunakan dalam pengendalian pencemaran udara.
Dalam desain unit adsorpsi, pemilihan adsorben merupakan faktor yang penting. Selain  diharapkan  dapat  mereduksi  polutan,  adsorben  yang  digunakan  hendaknya memiliki  nilai  ekonomi  rendah,  mudah  didapatkan,  dan  tidak  membahayakan lingkungan  pada  kondisi  jenuh. United  States  Patent  number 5997833,  limbah  las karbid  sebagai  produk  samping  pengelasan  menggunakan  gas  asetilen,  mengandung Ca(OH) 2 80.5%, (Bunger, et al, 1999) yang dapat dimanfaatkan untuk mereduksi Karbondioksida  (CO 2 )  melalui  proses  karbonatasi  mineral.  Karbondioksida (CO 2 ) merupakan gas rumah kaca yang diemisikan secara bebas ke atmosfer dari sektor industri  dan  transportasi.  Dengan  konsentrasi  alami  360  ppm v di  atmosfer (Brimblecombe, 1996), emisi  ini mempengaruhi  kesetimbangan  gas alami di  atmosfer. Emisi  CO 2 mengalami  peningkatan  dari  tahun  ke  tahun.  Pada  tahun  1971,  total  emisi
CO 2 14.1 GtCO 2 per tahun, namun pada tahun 2007, jumlah ini meningkat dua kali lipat, dengan  94%  dari  total  emisi  tersebut  berasal  dari  sektor  energi  (International  Energy Agency,  2009).  Terkait  dengan  dampaknya  terhadap  pemanasan  global,  pengendalian emisi CO 2 merupakan hal yang penting. Banyak  metode  pengendalian  CO 2 yang  telah  dikembangkan.  Sebelum  CO2 dapat  diolah,  dibutuhkan  teknologi  untuk  meningkatkan  konsentrasi  CO2  (Chaffee,  et al,  2007).  Dua  metode  pengendalian  CO 2 dari  sumber  emisi  potensial  seperti pembangkit listrik adalah adsorpsi kimia dan adsorpsi fisik (Zhijian Liang, et al, 2009). Teknologi  pemisahan  dan  pemurnian  gas  dengan  metode  adsorpsi  telah  menjadi teknologi utama di industri minyak dan petrokimia (Cavenetti et al, 2004).
Namun,  belum  ada  yang  melakukan  penelitian  mengenai  adsorpsi  CO 2 memanfaatkan  senyawa  alkali  dalam  limbah  las  karbid.  Reaksi  yang  terjadi  dalam reaksi adsorpsi ini adalah:
Ca(OH) 2 + CO 2 → CaCO 3 +H 2 O Selain  dapat  mereduksi  CO 2 ,  keuntungan  lain  dari  proses  ini  adalah  mengurangi pencemaran  limbah  alkali  dari  pengelasan  menggunakan  gas  asetilen.  CaCO 3 yang dihasilkan  dari  reaksi  ini  relatif  lebih  stabil  dan  dapat  dimanfaatkan  sebagai  material konstruksi.

## 2. METODOLOGI
Penelitian  ini  dilakukan  di  laboratorium  menggunakan  reaktor batch semi kontiniu  berbentuk  bulat  dari  bahan flexy  glass dengan  diameter  12  cm  dan  tinggi  50 cm. Seperti terlihat pada Gambar 1 , reaktor ini memiliki inlet pada bagian bawah, dan outlet  pada  bagian  atas.  Sebelum  penelitian  dijalankan,  pertama  kali  dilakukan persiapan  adorben  dan  adsorbat  yang  akan  digunakan.  Sebelum  digunakan,  komposisi limbah las karbid ditentukan dengan analisis AAS ( Atomic Absorption Spectrophotometry )  dan  XRD  ( X-Ray  Diffraction ).  Variasi  adsorben  dilakukan  pada bentuk dan massa, yaitu bentuk bulat dan serbuk, dengan masing-masing empat variasi massa,  yaitu  20  gram,  40  gram,  60  gram,  dan  80  gram.  Setelah  adsorben AP1-3 direaksikan dengan adsorben di dalam reaktor, komposisi akhir adsorben ditentukan lagi dengan analisis AAS dan XRD
Gambar 1. Reaktor Adsorpsi

## 2.1  Pembuatan Adsorben
Adsorben  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  limbah  las  karbid  dalam  fasa solid  kering.  Limbah  las  karbid  hasil  pengelasan  berbentuk slurry ,  sehingga  sebelum digunakan  sebagai  adsorben  harus  dikeringkan  dulu  pada  temperatur  80°C.  Adsorben disiapkan  dalam  dua  bentuk  sebagai  variasi  luas  permukaan,  yaitu  bentuk  bulatan  dengan diameter 0.8 cm dan bentuk serbuk. Proses pembuatan adsorben dapat dilihat pada Gambar 2 .
(a)
(b)
Gambar 2. Proses Pembuatan Adsorben
(a) Adsorben Bulatan (b) Adsorben Serbuk

## 2.2 Persiapan Adsorbat
Dalam  penelitian  ini,  CO2  merupakan  adsorbat  yang  akan  disisihkan  melalui  proses adsorpsi.  CO2  yang  digunakan  berasal  dari  reaksi  eksotermis  CaCO3  dengan  H2SO4  dalam Kipp Equipment yang dapat dilihat pada Gambar 3 . Reaksi yang terjadi adalah:
CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + CO2 + H2O
CO2 yang dihasilkan memiliki konsentrasi mendekati 100%, sehingga perlu diencerkan hingga 19% agar sesuai dengan kapasitas pengukuran maksimum Auto Emission Analyzer .
( a) (b)
Gambar 3. Kipp Equipment
(a) Kipp Equipment (b) Reaksi Eksotermis CaCO3 dengan H2SO4
2.3   Running Reaktor
Penelitian dilakukan pada empat variasi massa adsorben terhadap dua bentuk, yaitu bulatan dan serbuk. Variasi massa yang digunakan adalah 10 gram, 20 gram, 30 gram, dan 40  gram.  Reaktor  adsorpsi  dijalankan  pada  konsentrasi  CO2  sekitar  19%  dan  adsorben dengan massa tertentu ditempatkan di dalam reaktor. Konsentrasi CO2 tiap 0.5 menit diukur secara kontiniu dengan Auto- Emission Analyzer . Analisis AAS dan XRD
Analisis  AAS  dan  XRD  dilakukan  untuk  mengetahui  komposisi  kimia  limbah  las karbid.  Analisis  ini  dilakukan  pada  adsorben  baru  dan  adsorben  yang  sudah  direaksikan dengan CO2 di dalam reaktor.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1  Komposisi Adsorben
Adsorben  yang  digunakan  adalah  limbah  las  karbid.  Komposisi  limbah  las  karbid ditentukan dari analisis AAS dan XRD, untuk mengetahui kandungan mineral kalsium (Ca)
dalam  limbah  las  karbid.  Komposisi  kimia  limbah  las  karbid  yang  digunakan  sebagai adsorben  dapat  dilihat  pada Tabel.  1 .  Dari  hasil  analisis,  diketahui  bahwa  proses  adsorpsi CO2 yang terjadi memanfaatkan Ca(OH)2, dan menghasilkan CaCO3 melalui reaksi:
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + H2O
Sampel awal merupakan limbah las karbid baru yang belum dipakai. merupakan
Tabel 1. Hasil Analisis AAS dan XRD

## 3.2 Pengaruh Bentuk Adsorben
Bentuk adsorben mempengaruhi efisiensi penyerapan CO 2 dalam reaktor adsorpsi. Pada Gambar 4 dapat dilihat bahwa efisiensi penyisihan CO2 lebih besar terdapat pada adsorben serbuk.
Gambar 4. Pengaruh Bentuk Adsorben terhadap Efisiensi Penyisihan
(a) massa 10 gram (b) massa 20 gram (c) massa 30 gram (d) massa 40 gram
Perbedaan  efisiensi  penyisihan  CO2  pada  adsorben  serbuk  dan  bulatan  terjadi  karena perbedaan  diameter  adsorben  mempengaruhi  efisiensi  penyisihan  CO2  melalui  proses adsorpsi. Memperkecil diameter adsorben akan menghasilkan luas pemukaan yang lebih besar.  Adsorpsi  adalah  fenomena  permukaan,  sehingga  semakin  luas  permukaan adsorben, efisiensi penyisihan CO2 akan semakin besar. Namun, hasil ini tidak berlaku pada  penelitian  untuk  massa  adsorben  lebih  besar  dari  40  gram.  Seperti  terlihat  pada Gambar  3 ,  efisiensi  penyisihan  pada  adsorben  bulatan  jauh  lebih  besar  dibanding adsorben serbuk. Hal ini dipengaruhi kondisi operasional reaktor, karena semakin besar massa  adsorben,  area  kontak  antara  adsorben  serbuk  dengan  adsorbat  semakin  kecil, karena  terjadinya  penumpukan.  Pada  adsorben  bulatan,  peningkatan  massa  tidak mempersempit area kontak, karena masih terdapat area kosong antar bulatan adsorben.

## 3.3   Pengaruh Massa Adsorben
Efisiensi  penyisihan  CO 2 ditentukan  dari  hasil  running  penelitian  untuk  tiap variasi bentuk dan massa adsorben. Dari Gambar 5 dan Gambar 6 dapat dilihat bahwa efisiensi  penyisihan  CO 2 berubah  terhadap  waktu  dan  massa  adsorben.  Penentuan efisiensi  penyisihan  pada  keempat  variasi  massa  dilakukan  pada  waktu  running  10 menit, mengingat waktu running untuk adsorben dengan massa 20 gram yang hanya 10 menit.  Dari  hasil  penelitian,  untuk  adsorben  serbuk  dan  bulatan,  dapat  dilihat  bahwa efisiensi  penyisihan  paling  besar  terdapat  pada  massa  adsorben  80  gram,  dan  semakin menurun hingga pada massa 20 gram. Efisiensi penyisihan paling rendah terdapat pada adsorben dengan massa 20 gram.
Gambar 5. Efisiensi Penyisihan CO2 pada Empat Variasi Massa Adsorben Serbuk
3.4   Isotherm Reaksi Adsorpsi
Isotherm  reaksi  digunakan  untuk  mengevaluasi  kapasitas  adsorpsi  dan  parameter termodinamik,  seperti  energi  adsorpsi  (Memon,  et al,  2007).  Pada  penelitian  ini,  kapasitas adsorpsi  dianalisis  menggunakan  Isotherm  Linear,  Freundlich,  dan  Langmuir. Isotherm Linear
Isotherm  ini  merupakan  isotherm  yang  sederhana,  dan  umumnya  berlaku  untuk adsorpsi  gas  dalam  larutan  dan  padatan. Persamaan  (1) menggambarkan  isotherm linear.
Di mana:
S= K d C e (1)
S  =  Massa  kontaminan  yang  teradsorpsi  per  satuan  berat  massa  adsorben  (mg/gram adsorben)
C e = Konsentrasi  kontaminan  dalam  kondisi  setimbang  setelah  kontak  dengan adsorben (mg/l)
K d = Koefisien  distribusi,  yaitu  koefisien  yang  menggambarkan  banyaknya permukaan adsorben aktif dalam bentuk fraksi terhadap permukaan partikel
Gambar 6 . Efisiensi Penyisihan CO2 pada Empat Variasi Massa Adsorben Bulatan
Gambar 7. Isotherm Linear untuk Adsorben Serbuk Persamaan isotherm linear yang diperoleh adalah S � 0,023 Ce. Nilai Kd diperoleh dari  kemiringan  grafik,  yaitu  0,023.  Kd  merupakan  konstanta  yang  menggambarkan banyaknya  permukaan  aktif  adsorben  yang  dapat  mengikat  adsorben.  dengan  nilai  0,023, dapat  disimpulkan  bahwa  berdasarkan  isotherm  linear,  permukaan  adsorben  memilki
permukaan aktif yang rendah sehingga penyerapan adsorben relatif rendah. Grafik isotherm linear untuk adsorben serbuk dapat dilihat pada Gambar 7 .
Gambar 8. Isotherm Linear untuk Adsorben Bulatan
Grafik  isotherm  linear  untuk  adsorben  bulatan  dapat  dilihat  pada Gambar  8 .  pada adsorben bulatan, nilai koefisien korelasi R2 = -0,54, sehingga grafik yang diperoleh tidak memenuhi  persamaan  linear.  Oleh  karena  itu,  asumsi-asumsi  pada  isotherm  linear  tidak dapat digunakan untuk menggambarkan adsorpsi antara adsorben limbah las karbid dengan CO2.
Isotherm  Freundlich Isotherm  Freundlich  digunakan  untuk  adsorpsi  fase  cair  dan gas  dengan  asumsi  adsorpsi  hanya  terjadi  pada  lapisan  permukaan  pertama  adsorbat ( monolayer ). Persamaan isotherm Freundlich dapat dilihat pada Persamaan (2) :
S= K f C e n (2)
Dengan
S =  Massa kontaminan yang teradsorpsi per satuan berat massa adsorben (mg/gram adsorben)
Kf = Konstanta yang menyatakan kapasitas adsorpsi
n   =  Konstanta yang berhubungan dengn energi adsorpsi terhadap heterogenitas situs adsorben.
Ce=Konsentrasi  kontaminan  dalam  kondisi  setimbang  setelah  kontak  dengan adsorben (mg/l)
Pada Gambar 9 dan Gambar 10 dapat diketahui kesesuaian adsorpsi CO2 dengan adsorben limbah las karbid. Nilai konstanta k dan n untuk masing-masing variasi bentuk adsorben dapat dilihat pada Tabel 2 . Nilai n menandakan gaya yang bekerja selama proses adsorpsi pada permukaan adsorben (Bamgbose, et.al 2008).
Gambar 3. Isotherm Freundlich untuk Adsorben Serbuk
Gambar 4. Isotherm Freundlich untuk Adsorben Bulatan

## 3.5 Isotherm Langmuir
Langmuir  menggambarkan  hubungan  antara  situs  aktif  permukaan  yang  mengalami adsorpsi terhadap tekanan. Persamaan (3) merupakan persamaan Isotherm Langmuir.
Dengan x = massa gas yang diadsorpsi (gram) m = massa adsorben (gram) a l = konstanta yang menunjukkan energi ikatan antara adsorbat dan adsorben b l = konstanta yang menunjukkan massa adsorbat yang teradsorpsi (g/g)
Dari Persamaan (3) dilakukan linearisasi, sehingga menghasilkan Persamaan (4) yang merupakan linearisasi dari persamaan Isotherm Langmuir.
Pada Gambar 11 dan Gambar 12 dapat dilihat hubungan linear antara 1 𝑠 dengan 1 𝐶𝑒 . Dari grafik tersebut dapat ditentukan konsntanta a l dan b l . Hasil perhitungan konstanta ini dapat dilihat pada Tabel 2 .
Gambar 5. Isotherm Langmuir untuk Adsorben Serbuk
Gambar 62. Isotherm Langmuir untuk Adsorben Bulatan

## Tabel 2. Rekapitulasi Nilai Konstanta Isotherm
Isotherm Linear Adsorben Serbuk K d = 0,023 R 2 = ‐0,15 Adsorben Bulatan K d = 0,025 R 2 = ‐0,54 Isotherm Freundlich Adsorben Serbuk n = 0,764 mg/gram R 2 = 0,942 Adsorben Bulatan n = 0,462 mg/gram R 2 = 0,928 Isotherm Langmuir Adsorben Serbuk b l = 89,29mg/gram R 2 = 0,932 a l = 2,4x10 ‐4 Adsorben Bulatan b l = 10,204 mg/gram R 2 = 0,959 a l = 5,73 x10 ‐3
Berdasarkan hasil perhitungan, dapat disimpulkan bahwa adsorpsi CO2 pada limbah las  karbid  sesuai  dengan  isotherm  Langmuir.  Isotherm  Langmuir  menggambarkan  sistem adsorbat-adsorben,  di  mana  perluasan  jangkauan  adsorbate  terbatas  pada  lapisan  pertama dari  adsorben.  Isotherm  Langmuir  menggambarkan  bahwa  adsorpsi  yang  terjadi  adalah adsorpsi  kimia  ( chemisorption) ,  yaitu  terbentuknya  ikatan  kimia  antara  adsorben  dan adsorbat. Kapasitas adsorpsi pada adsorben serbuk (89,29 mg/gram) lebih besar dibanding adsorben bulatan (10,204 mg/gram). Hasil ini membuktikan bahwa pada adsorben serbuk, jumlah CO2 yang terserap jauh  lebih  besar,  pada  jumlah  adsorben  yang  sama.  Dari  persamaan  isotherm  Langmuir, selain  diperoleh  besaran  kapasitas  adsorpsi,  juga  dapat  ditentukan  energi  ikatan  antara adsorbat  dan  adsorben.  Pada  adsorben  serbuk,  energi  ikatan  adsorbatadsorben  adalah 2,4x10-4, sedangkan pada adsorben bulatan, energi ikatannya sebesar 5,73x10-3.
Berdasarkan  hasil  perhitungan  isotherm,  isotherm  Freundlich  memiliki  nilai  R2 mendekati  1.  Namun,  hasil  perhitungan  isotherm  Freundlich  tidak  dapat  digunakan  untuk menggambarkan adsorpsi pada adsorben limbah las karbid. Dari persamaan isotherm yang diperoleh,  nilai  Kf  yang  menyatakan  kapasitas  adsorpsi  tidak  dapat  dihitung.  Akibatnya, tidak  dapat  dibandingkan  kapasitas  adsorpsi  dari  hasil  penelitian  dengan  perhitungan menggunakan isotherm Freundlich.

## 4. KESIMPULAN
Adsorpsi  CO2  menggunakan  limbah  las  karbid  dalam  suatu  reaktor batch semi kontiniu mampu mereduksi CO2 dengan efisiensi yang menurun terhadap waktu, dan waktu operasional yang meningkat berdasarkan penambahan massa adsorben.
Kapasitas penyerapan adsorben limbah las karbid ditentukan dengan menggunakan tiga  isotherm;  Isotherm  Linear,  Isotherm  Freundlich,  dan  Isotherm  Langmuir.  Dari  ketiga isotherm ini, yang mendekati isotherm adsorpsi CO2 pada penelitian yang dilakukan adalah Isotherm  Langmuir.  Isotherm  Langmuir  menggambarkan  sistem  adsorbat-adsorben,  di mana perluasan jangkauan adsorbate terbatas pada lapisan pertama dari adsorben. Isotherm Langmuir  menggambarkan  bahwa  adsorpsi  yang  terjadi  adalah  adsorpsi  kimia ( chemisorption) , yaitu terbentuknya ikatan kimia antara adsorben dan adsorbat. Bentuk dan variasi massa adsorben mempengaruhi efisiensi dan kapasitas penyerapan adsorben,di mana bentuk adsorben serbuk dan massa 80 gram memiliki efisiensi penyisihan yang lebih besar.

## DAFTAR PUSTAKA
Brimblecombe, Peter . 1996. Air Composition and Chemistry . Great Britain: Cambridge University Press.
Bunger, James W., Don Cogswell, Jerald W. Wiser . 1999. Apparatus and process for purifying highly impure calcium hydroxide and for producing high-value AP1-12 precipitated calcium carbonate and other calcium products .United States Patent nomor  5997833.  Available  from: http://www.patentstorm.us.[Diakses tanggal 11/12/2009].
Chaffe,  Alan  L,  Gregory  P.  Knowles,  Zhijian  Liang,  Jun  Zang,  Penny  Xiao  and Paul  A. Webley. 2007. CO2  Capture  by  Adsorption:  Materials  and  Process Development. International Journal of Greenhouse Gas Control I (2007) 11-18. Caveneti,  Simone,  Carlos  A.  Grande,  and  Alirio  E.  Rodrigues. 2004. Adsorption Equilibrium of Methane, Carbon Dioxide, and Nitrogen on Zeolite 13X at high Pressure . J. Chem. Eng. Data 2004, 49, 1095-1101.
International  Energy  Agency. 2009. CO2  Emission  from  Fuel  Combustion J.  T, Bamgbose,  Adewuyi  S,  and  Adetoye  A.  A,  2008. Adsorption  Kinetics  of Cadmium and Lead by Chitosan. African Journal of Biotechnology Vol. 9 (17), pp. 2560-2565, 26 April, 2010.
Liang,  Zhijian,  Bandar  Fadhel,  Caspar  J.  Schneider,  Alan  L.  Chaffe. 2009. Adsorption of CO2 on mesocellular siliceous foam iteratively functinalized with dendrimers. Adsorption  (2009)  15:429-437.  Adsoprtion  (2009)  15:  429-437,
Springer Science.
Menon, G. Zuhra, M. I Bhanger, Mubeena Akhtar, Farah N. Talpur, Jamil R. Memon. 2007. Adsorption of Methyl Parathion Pesticide from Water Using Watermelonn Peels as a Low Cost Adsorbent. Chemical Engineering Journal 138 (2008) 612- 621.