Disetujui: 2 September 2020
Jl. Gegerkalong Hilir, Ciwaruga, Bandung Barat, Indonesia
© 2020 Politeknik Negeri Malang
Email : alfiana.adhitasari@polban.ac.id

## Pemodelan Kesetimbangan Massa pada Keadaan
Tunak ( Steady ) sebagai Penentuan Konsentrasi Optimum Tawas ( Alumunium Sulfate ) pada Proses Penurunan Kadar Fe pada Sumber Air Tercemar
Alfiana Adhitasari 1,* , Eko Andrijanto 2
1 Program Studi Teknik Kimia Produksi Bersih, Politeknik Negeri Bandung, Jl. Gegerkalong Hilir, Ciwaruga, Kabupaten Bandung Barat, Jawa Barat, 40559, Indonesia
2 Program Studi Analis Kimia, Politeknik Negeri Bandung, Jl. Gegerkalong Hilir, Ciwaruga, Kabupaten Bandung Barat, Jawa Barat, 40559, Indonesia
*E-mail: alfiana.adhitasari@polban.ac.id

## ABSTRAK
Air tanah merupakan andalan sumber mata air bagi masyarakat pada umumnya, beberapa sumber air tanah sering dijumpai air yang masih terkandung Fe, hal tersebut berdampak buruk bagi kesehatan oleh karena itu perlu dilakukan penuruan kadar Fe pada air sebelum digunakan. Beberapa metode yang umum dilakukan untuk menghilangkan kandungan Fe pada air adalah dengan cara koagulasi oleh tawas. Penelitian ini akan memodelkan sebuah persamaan matematika yang dapat mengkuantifikasi penurunan kadar Fe pada setiap fungsi kosentrasi tawas yang ditambahkan. Model matematika pada penelitian menggunakan penurunan rumus dari kesetimbangan masa. Dari hasil perbandingan data percobaan dengan data perhitungan didapat konstanta penurunan Fe (k F ) pada fungsi konsentrasi tawas sebesar 1.8/mg tawas dan nilai konstanta R 2 sebesar 0.935, dari data tersebut maka  model  matematika  yang dibuat dapat  mewakili fenomena proses penurunan Fe di lapangan.
Kata kunci : alumunium sulfat, besi, penurunan kadar Fe, tawas.

## ABSTRACT
In  general  groundwater  is  relied  as  source  water  but  somtimes  we  found  precense  of  Fe  in  some  of groundwater products that could harm our health due to its toxicity, therefore it is necessary to reduce Fe content as pretreatment process. Some common methods to reduce Fe content in water are coagulation by alum. This study will build a mathematical equation to quantify the reduction of Fe content in function of alum concentration. In this study the equations were derive from mass balance equation. By comparing the experimental data with calculated data, we obtained k F (The constant of consuming Fe) = 1.8 / mg alum and for R 2 constant we obtained  0.935, from these result we conclude our derived equation can represent the phenomenon of alum-Fe reduction phenomena in the field.
Keywords : alumunium sulfate ferric, reduction of Fe content, alum.

## 1.  PENDAHULUAN
Air tanah merupakan andalan sumber mata air untuk kebutuhan rumah tangga sehari- hari selain itu tubuh kita juga membutuhkan Fe sebesar 10 sampai 50 mg per  hari  [1-2],  namun  dari  beberapa sumber air tanah sering dijumpai air tanah yang  masih  mengandung  Fe  (besi)  diatas ambang batas yang diijinkan yaitu 0.3 ppm
[3]. Konsumsi air tanah yang mengandung Fe diatas ambang batas dapat menyebabkan permasalahan serius seperti anemia  dan  penurunan  fungsi  syaraf  [4] dan dampak buruk lainnya [5-6].
Besi  dari  dalam  air  tanah  berupa  larutan ion  Fe 2+ ( ferrous ),  saat  air  menuju permukaan  ion  Fe 2+ tersebut  teroksidasi dengan  oksigen  membentuk  ion  Fe 3+
( ferric )  kemudian  ion  tersebut  juga bereaksi  dengan  gugus  OH - (hidroksida) membentuk  padatan  tak  larut  dengan rumus  kimia  Fe(OH) 3 atau  disebut  besi (iii) oksida-hidroksida [7–11].
Di  Indonesia  cara  yang  umum  dilakukan untuk mengurangi kadar besi dari air tanah adalah metode penjernihan air menggunakan  tawas,  alasannya  karena tawas  mudah  didapat,  murah  dan  dapat mengendapkan zat-zat organik lebih cepat dibanding  koagulan Poly  Alumunium Chloride [12-13].
Namun  selama  proses  koagulasi  perlu diperhatikan  keefektifan  penuruan  kadar Fe  pada  fungsi  konsentrasi  tawas,  oleh karena itu perlu dibangun model matematika  berdasarkan  kesetimbangan massa  antara alumunium  sulfate dengan nilai  konsentrasi  Fe  didalam  larutan cairan.

## 2.  METODE PENELITIAN
Metode penelitian meliputi alat, persiapan bahan, tahapan dan pelaksanaan penelitian.

## 2.1.  ALAT
Proses koagulasi larutan Fe dengan tawas dilakukan  di  dalam  reaktor  gelas  beker  1 L,  proses  koagulasi  dilakukan  dengan pengadukan,  reaktor  juga  dilengkapi termometer untuk memantau suhu larutan.

## 2.2.  BAHAN
Pada  penelitian  ini  digunakan  larutan standar Fe sebagai sampel yang mewakili air  tanah  terkandung  Fe.  Larutan  standar dibuat  dengan  melarutkan  sekian  gram Fe(SO) 4 dengan  kemurnian  minimum 99% kedalam aquades.

## 2.3. MODEL MATEMATIKA
Model  persamaan  penurunan  konsentrasi Fe dalam penelitian ini diturunkan dari:
Atau dapat disederhanakan menjadi: 6𝐴 + 3𝐵 + 12𝐶 + 12𝐷 → 8𝐶 + 12𝐷 + 4𝐸
Maka  laju  pengurangan  ion  dapat dinyatakan dalam :
𝑑𝐶 𝐼 𝑑𝑪 𝑨 = −𝑘 𝐼 𝐶 𝐼 (1)
Jika persamaan 1 dikali oleh 𝐶 𝐴10 𝐶 𝐶0 , maka persamaan 1 menjadi:
𝑑( 𝐶𝐶 𝐶𝐶0 ) 𝑑𝑪 𝑨 = −𝑘 𝐴 ( 𝐶 𝐶 𝐶 𝐶0 ) (2)
Atau dapat ditulis sebagai berikut:
𝑑𝑥 𝐶 𝑑𝐶 𝐴 = −𝑘 𝐴 𝑥 𝐶 (3)
Dimana 𝑥 𝐶 adalah  Cc  dalam  satuan  tak berdimensi  atau 𝑥 𝐶 = 𝐶 𝐶 𝐶 𝐶0 , 𝐶 𝐴10 adalah konsentrasi tawas maksimum 10.000 ppm dan C A adalah  konsentrasi  tawas  tak berdimensi.  Dengan  penyelesaian  umum persamaan 3 dapat ditulis:
𝑥 𝐶 = 𝑒 −𝑘 𝐴 𝑪 𝑨 (4)

## 2.4.  TAHAPAN PENELITIAN
Tahapan  penelitian  dilakukan  dengan urutan sebagai berikut : pembuatan larutan srandar  Fe,  persiapan  bahan  baku,  proses koagulasi dan pengukuran konsentrasi ion Fe. Lalu dari hasil pengamatan konsentrasi Fe  dilakukan curve  fitting konsentrasi  Fe hitung  dari  persamaan  (4).  Untuk  dicari nilai konstanta k F .

## 2.4.1.  PEMBUATAN LARUTAN STANDAR FE
Larutan  standar  Fe  dibuat  dengan  cara melarutkan  100  mg  Fe(SO) 4 kedalam  1 Liter  aquades.  Fe(SO) 4 yang  digunakan berbentuk  padatan  dengan  kemurnian minimum 99%.

## 2.4.2. PERSIAPAN BAHAN BAKU
Larutan  standar  Fe  dimasukan  kedalam reaktor yang berisi aquades 1 Liter hingga seluruh  padatan  Fe(SO) 4 lalu  diaduk menggunakan  magnetic  stirrer  hingga seluruh padatan Fe(SO) 4 melarut semua.

## 2.4.3. PROSES KOAGULASI
Koagulan  tawas  dilarutkan  kedalam reaktor dengan suhu larutan sekitar 26 o C dan ph 7, larutan lalu diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 10 menit  agar seluruh padatan tawas  terlarut setelah  itu  pengaduk  dimatikan  lalu larutan  yang  berisi  campuran  tawas  dan larutan  Fe  didiamkan  selama  30  menit. Tabel  1  menunjukkan  penggunaan  5 variasi  konsentrasi  tawas  pada  penelitian ini.
Tabel  1. Variasi Konsentrasi Tawas No Konsentrasi Tawas (mg/L) 1 0 2 200 3 410 4 620 5 1000

## 2.4.4. ANALISIS KONSENTRASI Fe
Larutan yang sudah mengalami koagulasi selama 30 menit diambil sampel sebesar 5 mL  untuk  dilakukan  analisis  konsentrasi Fe  dalam  larutan  menggunakan  analisis Atomic  Absorption  Spectrophotometry (AAS)  digunakan  untuk  menganalisis logam  Fe  yang  terlarut,  alasan  memilih AAS  sebagai  metode  analisis  konsentrasi logam  Fe  adalah  kepekaan  AAS  yang tinggi (mampu dibawah 1 ppm) [14].

## 3.  HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1  PENGARUH  KADAR  TAWAS TERHADAP KONSENTRASI ION Fe
Proses  koagulasi  dijalankan  pada run 1 hingga run 5 dengan variasi kadar tawas 0, 200,  410,  620  dan  1000  mg,  sedangkan konsentrasi  ion  Fe  dibuat  tetap  yaitu  100 mg/L.  Suhu  larutan  standar  26 o C  dan waktu reaksi 30 menit. Persen penurunan kadar Fe dapat dilihat pada Gambar 1. Hubungan  antara  konsentrasi  Fe  dengan konsentrasi  tawas  adalah  semakin  tinggi kadar  tawas  (dari  0  mg/L  hingga  1000
mg/L),  maka  persen  penurunan  Fe semakin tinggi. Berdasarkan grafik diatas kadar Fe terus menurun untuk konsentrasi tawas  yang  semakin  tinggi,  karena affinitas  dari  Al  (OH) 3 yang  mampu menarik ion Fe sehingga semakin banyak tawas  yang  dilarutkan  maka  semakin banyak  Al  (OH) 3 yang  terbentuk,  maka semakin  banyak  ion  Fe  yang  terikat  oleh afinitas Al (OH) 3 .
Gambar  1. Grafik  Hubungan  Persen Penurunan Fe terhadap Konsentrasi Tawas
Penurunan konsentrasi Fe tidak disebabkan  oleh  pengendapan  Fe  akibat reaksi dengan  O 2 dan  OH yang membentuk Fe (OH) 3 melainkan disebabkan  oleh  reaksi  terhadap  Al(OH) 3 yang dibuktikan dengan adanya perubahan konsentrasi  Al(OH) 3 pada  setiap  variasi konsentrasi tawas.

## 3.2  UJI  MODEL  MATEMATIKA LAJU PENURUNAN ION Fe
Pengaruh  laju  penurunan  konsentrasi  Fe digunakan untuk memperoleh nilai konstanta  reaksi  k.  Pengukuran  kadar  Fe yang  tersisa  diambil  setiap  proses koagulasi pada konsentrasi tawas tertentu. Seluruh  hasil  pengukuran  dan  hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 2. Berdasarkan Tabel 2., dapat dihitung nilai konstanta  penurunan  konsentrasi  Fe  ( k ) dengan persamaan 6 yaitu: 𝑥 𝐹 = 𝑒 −𝑘 𝐹 𝑪 𝑨 . Didapat  nilai  k F sebesar  1.8.  Hasil  yang diperoleh  ditunjukkan  pada  Gambar  2. sebagai berikut:
0 5 10 15 20 0 200 400 600 800 1000 Per sen Penuru nan F e Konsentrasi Tawas (mg/L)
Tabel 2. Tabel Hasil Curve Fitting No X (konsentrasi tawas tak berdimensi) Konsentrasi Fe (mg/L) Y data (konsentrasi Fe tak berdimensi) Y hitung Selisih 1 0.000 13.37 1.000 1.000 0.00 2 0.020 12.69 0.949 0.965 1.59 3 0.041 12.08 0.903 0.929 2.57 4 0.062 11.92 0.892 0.894 0.27 5 0.100 11.43 0.855 0.835 1.94 6.38 Gambar  2 .  Hasil Fitting Hubungan Persen  Penurunan  Fe  vs  Konsentrasi Tawas
Dari  uji crossplot menggunakan  metode R-Squared [15] antara hasil perhitungan vs data  didapat  nilai  koefisien  R 2 sebesar
0.931 yang menandakan model matematika  yang  telah  dibuat  dapat mewakili  fenomena  reaksi  pengurangan kadar tawas pada percobaan di laboratorium.  Hasil  analisis crossplot dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar  3 .  Hasil  Uji crossplot antara persen  penurunan  Fe  (data)  vs  persen penurunan Fe (hitung)

## 4.  KESIMPULAN
Model matematika penurunan konsentrasi Fe  dapat  digunakan  untuk  mengestimasi laju penurunan Fe dengan nilai  konstanta R 2 sebesar  0.9351.  Nilai  konstanta  yang diperoleh pada percobaan ini meliputi nilai k F sebesar 1.8 𝑔𝑟𝑎𝑚 𝑡𝑎𝑤𝑎𝑠 dan nilai 𝐶 𝐴10 sebesar 10.000 yang berarti persamaan  ini  dapat  digunakan  untuk konsentrasi tawas maksimum 10.000 ppm. Penurunan  nilai  Fe  disebabkan  oleh penyerapan  Al  (OH) 3 karena  pada  setiap peningkatan  Al  (OH) 3 menyebabkan penurunan nilai konsentrasi ion Fe dalam air.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] M.  Kumar,  A.  Puri,  A  review  of permissible  limits  of  drinking water, Indian  J.  Occup.  Environ.
Med. ,  vol.  16,  no.  1.  hal.  40–44, 2012.
[2] B.  Gassmann,  Requirements  of
Vitamin  A,  Iron,  Folate  and Vitamin  B12.  Report  of  Joint FAO/WHO  Expert  Consultation.
107  Seiten,  5  Abb.,  24  Tab.  Food and Agriculture Organization of the United  Nations;  Rome  1988.,
Nahrung , 1991.
[3] Permenkes No. 492/Th.2010,
Persyaratan  Kualitas  Air  Minum,
0 5 10 15 20 0 200 400 600 800 1000 Per sen Penuru nan F e Konsentrasi Tawas (mg/L) Persen penurunan Fe (Data) Persen penurunan Fe (Hitung) R² = 0.9351 0 5 10 15 0 5 10 15 P er sen P enuru nan F e (Hitun g) Persen Penurunan Fe (Data) Fitting R
Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia , 2010.
[4] N.  Abbaspour,  R.  Hurrell,  R. Kelishadi,  Review  on  iron  and  its importance for human health, J Res Med  Sci. ,  vol.  19,  no.  2,  hal.  164- 174, 2014.
[5] J. L. K. Bacon, Bruce R., Stanley L.
Schrier,  Treatment  of  hereditary hemochromatosis, artikel UpToDate, 2011. [6] World Health Organization, Iron in drinking-water.  WHO  Guidelines for drinking-water quality, Who/Sde/Wsh/03.04/08 , 2003.
[7] W. Stumm, G. F. Lee, Oxygenation of  ferrous  iron, Ind.  Eng.  Chem. , vol. 53, no. 2, hal. 143-146, 1961.
[8] E.  J.  Roekens,  R.  Van  Grieken, Kinetics  of  iron(II)  oxidation  in seawater  of  various  pH, Mar. Chem. , vol. 13, no. 3, hal. 195-202, 1983.
[9] J.  M.  Trapp,  F.  J.  Millero,  The oxidation of iron(II) with oxygen in NaCl brines, J. Solution Chem. , vol. 36, hal. 1479-1493, 2007.
[10]  G. R. Watzlaf, K. T. Schroeder, C. L.  Kairies,  Modeling  of  iron oxidation  in  a  passive  treatment system, in: 18th Annual Meeting of
the ASSMR, New Mexico, June 3-
7, 2001.
[11]  B. Morgan, O. Lahav, The effect of pH  on  the  kinetics  of  spontaneous Fe(II)  oxidation  by  O 2 in  aqueous solution  -  basic  principles  and  a simple heuristic description, Chemosphere ,  vol.  68,  no.  11,  hal.
2080-2084, 2007.
[12]  D.  Sianita,  I.  Nurchahyati,  Kajian pengolahan  limbah  cair  industri batik,  kombinasi  aerob  –  anaerob dan  penggunaan  koagulan,  in: Seminar  Penelitian  S1  Jurusan Teknik Kimia UNDIP 2009, Jurusan  Teknik  Kimia  Universitas Diponegoro, 2009.
[13]  R.  Raimon,  M.  Said,  Laboratory effluent Treatment by using coagulant  alum  sulphate  and  poly aluminium chloride (PAC), Indones.  J.  Fundam.  Appl.  Chem. , vol. 2, no. 2, hal. 47-51, 2017.
[14]  W.  Jackaman,  Regional  stream sediment  and  water  geochemical data; Terrace & Prince Rupert (NTS 103I  &  103J),  British  Columbia, Geosci. bc Rep. , 2008.
[15]  C.  Watson,  How  to  Calculate  R2 Excel, 11-09-2019 . [Online]. Available:www.techwalla.com/arti cles/how-to-calculate-r2-excel.
-