http://journal2.um.ac.id/index.php/jpse EISSN: 2541-2485

## JPSE
(Journal of Physical Science and Engineering)
Studi  Penyerapan  Logam  Berat  Pb  Menggunakan Nanopartikel Fe 3 O 4
Received
15 November 2018
Revised
07 August 2019
Accepted for Publication 05 May 2020
Published 15 June 2020 D Sartika 1* , E Malis 2 , dan A S Lestari 2
1. Jurusan Teknik mesin, Fakultas Teknik, Universitas PGRI Banyuwangi, Jl. Ikan Tongkol No. 01, Banyuwangi, 68416, Indonesia.
2. Jurusan  Kimia,  Fakultas  MIPA,  Universitas  PGRI  Banyuwangi,  Jl.  Ikan  Tongkol  No.  01, Banyuwangi, 68416, Indonesia.
*E-mail: boyle.tika@gmail.com
This work is licensed under a Creative
Commons Attribution-
ShareAlike 4.0
International License

## Abstract
Heavy metals have become a major concern for the community and government. These heavy metals are dangerous substances due on there big effect to human, plants, and farm health. In this research,  we focused on Lead (Pb) as the heavy metal sample. Pb ions were absorbed using magnetic nanoparticle Fe 3 O 4 material. Magnetic properties and nanosize of the nanoparticles have been confirmed to absorb heavy metal. Fe 3 O 4 nanoparticle can adsorb Pb heavy metal up to reach 99.98% on concentration mass absorbant variation of 0.56 gram to 0.70 gram.
Keywords: Fe 3 O 4 , heavy metal Pb, nanoparticle.

## Abstrak
Logam berat saat ini telah menjadi perhatian besar bagi masyarakat maupun pemerintah. Logam berat tersebut merupakan zat yang berbahaya karena membawa dampak besar pada kesehatan manusia, tanaman, maupun peternakan. Penelitian ini difokuskan pada  Timbal (Pb) sebagai sampel logam berat. Sifat magnetik dan ukuran nanopartikel dalam orde nano telah dikonfirmasi mampu menyerap logam berat. Dari hasil percobaan, diketahui bahwa nanopartikel Fe 3 O 4 yang dihasilkan mampu menyerap logam berat Pb hingga mencapai 99,98% pada variasi konsentrasi masa adsorben 0,56 gram hingga 0,70 gram.
Kata Kunci : Fe 3 O 4 , logam berat Pb , dan nanopartikel.

## 1. Pendahuluan
Nanopartikel  magnetik  merupakan  salah  satu  cabang  ilmu  material  dan  teknologi  yang  tengah berkembang pesat saat ini [1]. Nanopartikel magnetik memiliki kegunaan dalam menghilangkan limbah dari larutan cair [2,3]. Nanopartikel magnetik telah dipelajari untuk menghilangkan ion logam beracun dari  air  karena  memiliki  sifat  magnet,  stabilitas  kimia  yang  tinggi,  kemudahan  dalam  sintesis,  dan memiliki kemampuan daur ulang yang baik [4].  Salah satu material nanopartikel magnetik adalah Fe 3 O 4 ( ferrite ).  Material  Fe 3 O 4 memiliki  sifat  fisik,  diantaranya:  berwarna  hitam,  kilaunya  seperti  logam, biasanya  ditemukan  dalam  bentuk  butiran  kecil  dan  besar  [5].  Senyawa  ini  memiliki  rumus  umum α(β) 2 O 4 dari kelompok spinel , dimana α adalah ion logam dengan bilangan oksidasi +2 (seperti Fe, Mg, Ni, dan Zn), sedangkan β adalah ion Fe 3+ yang terdapat dalam dua keadaan spesifik pada struktur kristal. Penyusunan ini menyebabkan transfer elektron antara ion-ion yang berbeda [6].
Material  Fe 3 O 4 dapat  digunakan  untuk  mengadsorpsi logam  beracun  seperti  Pb  dan  Cd  [7]. Penelitian lebih lanjut mengenai investigasi logam beracun Cr (VI) dan Ni (II) dari limbah cair dengan sintesis ferrite menggunakan reaksi hidrotermal dan didapatkan kondisi reaksi optimum pada pH 9 dan suhu 70 o C [8]. Analisis logam berat buatan dalam larutan yang tercampur dengan nanopartikel ferrite juga  telah  dilakukan  dengan  pengukuran  yang  berbeda  berdasarkan  partikel,  magnet  murni,  magnet yang  didoping  dengan  ion  kalsium,  kobalt,  mangan,  dan  nikel.  Selain  itu,  permukaan ferrite dimodifikasi dengan phthalic anhydride (PA), succini anhydride (SA), acetic anhydride (AA) untuk membandingkan kemampuan adsorpsi dari logam berat Cd, Cu, dan Pb [9]. Selain ferrite , nanopartikel
CuFe 2 O 4 dan NiFe 2 O 4 juga digunakan sebagai adsorben penghilang logam berat zinc , nikel, dan copper dari limbah sintetis. Nanopartikel nikel dan copper ferrite (CuFe 2 O 4 dan NiFe 2 O 4 ) dihasilkan dengan metode  hidrotermal  dibantu  dengan  PEG.  Pengukuran  diulang  beberapa  waktu  dengan  sampel  yang sama dan hasil yang didapatkan tiap waktu hampir sama [10].
Berdasarkan  beberapa  penelitian  sebelumnya  mengenai  nanopartikel  Fe 3 O 4 sebagai  adsorben logam berat, maka perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk mengetahui tingkat penurunan kadar logam  berat  timbal  (Pb)  menggunakan  nanopartikel  Fe 3 O 4 .  Pada  penelitian  ini,  Fe 3 O 4 disintesis mengggunakan metode kopresipitasi. Metode kopresipitasi dipilih karena lebih ekonomis, efisien, dan metode yang paling sederhana [11–13]. Pemilihan metode adsorpsi nanopartikel Fe 3 O 4 didasarkan pada efektivitas kemampuan penyerapan logam berat, biaya yang terjangkau, serta tidak menghasilkan efek samping dari zat beracun [14].

## 2. Metode Penelitian
Penelitian ini diarahkan pada penyerapan logam berat timbal (Pb). Beberapa langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut.
2.1. Sintesis Adsorben Nanopartikel Magnetik Fe 3 O 4 Sintesis nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 menggunakan metode kopresipitasi. Bahan-bahan kimia untuk menyintesis material adalah FeSO 4 .7H 2 O dan FeCl 3 .6H 2 O dengan massa masing-masing sampel adalah 4,170  gram  dan  8,109  gram.  Keduanya  dimasukkan  dalam  30  ml  akuades.  Larutan  tersebut ditambahkan dengan larutan NH 4 OH 10% sebanyak 60 ml dan dilakukan pengadukan di atas magnetic stirrer pada  suhu  60 o C  selama  150    menit.  Selanjutnya  dilakukan  proses  pencucian  dengan menggunakan akuades sampai bau NH 4 OH dan diendapkan menggunakan  magnet permanen. Hasil endapan kemudian disaring dan dikeringkan dengan oven pada suhu 80 o C selama 2 jam. Hasil dari sintesis nanopartikel berwarna hitam pekat seperti pada Gambar 1.

## 2.2. Adsorpsi Logam Berat Pb dengan Adsorben Fe 3 O 4
Tahap awal yaitu dengan menimbang 0,4 gram Pb(C 2 H 3 O 2 ) 2 yang kemudian dilarutkan dalam 1000 ml akuades  untuk  menghasilkan  konsentrasi  larutan  sebesar  400  ppm.  Selanjutnya  500  ml  larutan Pb(C 2 H 3 O 2 ) 2 dicampur dengan 150 ml sampel air laut. Kedua larutan dicampur hingga homogen dengan menggunakan  alat magnetic  stirrer .  Selanjutnya  dilakukan  proses  purifikasi.  Proses  purifikasi dilakukan  dengan  mencampurkan  adsorben  Fe 3 O 4 dengan  variasi  konsentrasi  massa  adsorben  0,35 gram; 0,42 gram; 0,56 gram; dan 0,70 gram; dan larutan Pb(C 2 H 3 O 2 ) 2 sebanyak 70 ml. Larutan yang telah dicampur adsorben Fe 3 O 4 diletakkan di atas magnetic stirrer dengan suhu kamar selama 3 jam dan menambahkan beberapa tetes larutan NH 4 OH 10% hingga pH 9. Setelah 3 jam, larutan diendapkan di atas magnet permanen selama 30 menit  untuk memisahkan larutan dari endapannya.  Selanjutnya larutan diendapkan lagi di atas magnet permanen selama 30 menit dan disaring. Hasil larutan yang telah disaring dilakukan karakterisasi AAS ( Atomic Absorption Spectroscopy ).
Gambar 1. Hasil sintesis nanopartikel  Fe 3 O 4 .
(a)
(b) (c)
Gambar 2. Hasil karakterisasi Fe 3 O 4 (a) sampel 1; (b) sampel 2; (c) sampel 3; dengan menggunakan TEM.
Hasil dari karakterisasi AAS dihitung dengan rumus berikut
% 100 %    awal kadar akhir kadar awal kadar Penurunan (1)
Kadar  awal  merupakan  kadar  sebelum  dilakukan  proses  adsorpsi  menggunakan  adsorben  Fe 3 O 4 . Sedangkan  kadar  akhir  merupakan  kadar  setelah  dilakukan  proses  adsorpsi  menggunakan  adsorben Fe 3 O 4 .

## 3. Hasil dan Pembahasan
Penelitian ini dilakukan melalui tiga tahap, yaitu: sintesis nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 , karakterisasi Fe 3 O 4 dengan TEM ( Transmission Electron Microscopy ), dan adsorpsi logam berat Pb dengan adsorben Fe 3 O 4 .
3.1. Sintesis Nanopartikel Magnetik Fe 3 O 4 Bahan FeCl 3 .6H 2 O dan FeSO 4 .7H 2 O dilarutkan ke dalam akuades, sehingga menghasilkan suatu larutan yang mengandung ion-ion Fe 2+ dan Fe 3+ . Ion-ion Fe 2+ dan Fe 3+ merupakan bahan dasar pembentukan nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 yang  kemudian  ditambahkan  dengan  larutan  pengendap  NH 4 OH. Selanjutnya  diikuti  dengan  molekul  air  yang  terhidrolisis  menjadi  ion  H + dan  OH - .  Berikut  reaksi pembentukan nanopartikel magnetik Fe 3 O 4
FeSO 4 .7H 2 O(s) + 2FeCl 3 .6H 2 O(s) + H 2 O(l) + 8NH 4 OH(aq) + (NH 4 )SO 4 (Aq)
6NH 4 Cl(aq) + (NH 4 ) 2 SO 4 (aq) + Fe 3 O 4 (s) + 18H 2 O(l)
3.2. Karakterisasi Fe 3 O 4 dengan TEM (Transmission Electron Microscopy) Hasil  sintesis  Fe 3 O 4 kemudian  dikarakterisasi  dengan  TEM  untuk  mengetahui  bahwa  ukuran  yang terbentuk adalah berorde nano. Melalui pengukuran masing-masing diameter butir diperoleh ukuran partikel sebesar 14,33 nm. Hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 2. Berdasarkan nilai ukuran partikel  sampel,  pembuatan  adsorben  Fe 3 O 4 berukuran  nanometer  telah  berhasil  dilakukan  sesuai dengan  tujuan.  Sehingga  adsorben  nanopartikel  Fe 3 O 4 dapat  digunakan  untuk  mengadsorpsi  logam berat.
3.3. Adsorpsi Logam Berat Pb dengan Adsorben Fe 3 O 4 Adsorpsi  logam  berat  Pb  dilakukan  dengan  menggunakan  karakterisasi  AAS  ( Atomic  Absorption Spectroscopy ). Karakterisasi AAS bertujuan untuk mengetahui kadar atau konsentrasi ion logam Pb yang telah dilakukan proses adsorpsi [15,16]. Hasil dari adsorpsi ion logam Pb dengan adsorben Fe 3 O 4 ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil dari adsorpsi ion logam Pb dengan adsorben Fe 3 O 4 Variasi Adsorben (gram) Konsentrasi Awal (ppm) Konsentrasi Akhir (ppm) Penurunan (%) 0,35 400 0,06 99,95 0,42 400 0,04 99,95 0,56 400 0,06 99,98 0,70 400 0,03 99,98
Gambar 3. Grafik persentase penurunan kadar logam berat Pb
Adsorpsi  logam  berat  Pb  dengan  variasi  konsentrasi  massa  adsorben  terhadap  persentase penurunan kadar logam Pb dapat dilihat pada Gambar 3. Semakin tinggi konsentrasi massa adsorben, persentase  penyerapan  logam  berat  Pb  semakin  besar.  Hal  ini  selaras  dengan  beberapa  penelitian sebelumnya  [17–19].  Kondisi  ini  disebabkan  karena  terdapat  jumlah  sisi  aktif  yang  terdapat  pada permukaan  adsorben  Fe 3 O 4 .  Bila  jumlah  sisi  aktif  cukup  besar  dibanding  jumlah  ion  logam,  maka persentase  teradsorpsi  akan  tinggi  sampai  pada  jumlah  sisi  aktif  sama  dengan  ion  logam  [20,21]. Adapun pada konsentrasi massa adsorben 0,56 gram hingga 0,70 gram cenderung meningkat. Hal itu disebabkan  karena  terjadi  kejenuhan  pada  material  adsorben  akibat  kontak  antara    Fe 3 O 4 sebagai adsorben  (penyerap)  dan  larutan  Pb  sebagai  adsorbet  (yang  diserap)  yang  telah  mengalami kesetimbangan.

## 4. Kesimpulan dan Saran
Berdasarkan hasil  yang  telah  didapatkan,  dapat  disimpulkan  bahwa  nanopartikel  Fe 3 O 4 mampu mengadsorpi  logam  berat Pb  hingga  mencapai 99,98%  pada  variasi  konsentrasi  masa  adsorben  0,56 gram  hingga  0,70  gram.  Hasil  karakterisasi TEM  menunjukkan  ukuran pertikel dari  adsorben  Fe 3 O 4 sebesar 14,33 nm.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis menyampaikan  terima  kasih  kepada  dosen  penerima  hibah  Penelitian  Dosen  Pemula  (PDP) tahun anggaran 2018.

## Daftar Rujukan
[1] M. Amjadi, A. Samadi, and J. L. Manzhori, “A Composite Prepared from Halloysite Nanotubes and Magnetite (Fe 3 O 4 ) as A New Magnetic Sorbent for The Preconcentration of Cadmium (II) Prior to Its Determination by Flame Atomic Absorption Spectrometry”, Microchimia Acta , vol. 182, no. 9–10, pp. 1627–1633, 2015.
[2] M. K. Rofouei et al. , “A Bucky Gel Consisting of Fe 3 O 4 Nanoparticles, Graphene Oxide and Ionic Liquid as An Efficient Sorbent for Extraction of Heavy Metal Ions from Water Prior to Their Determination by ICP-OES”, Microchimia Acta , vol. 184, no. 9, pp. 3425–3432, 2017.
[3] X.  Xin et  al. ,  “Highly  Efficient  Removal  of  Heavy  Metal  Ions  by  Amine-Functionalized Mesoporous Fe 3 O 4 Nanoparticles”, Chemical Eng. J. , vol. 184, pp. 132–140, 2012.
[4] M. C. Chattopadhyaya et al., Heavy Metals in Water: Presence, Removal, and Safety , London: Royal Society of Chemistry, 2014.
[5] Y. Tan, M. Chen, and H. Yongmei, “High Efficient Removal of Pb (II) by Amino-Functionalized Fe 3 O 4 Magnetic Nano-Particles”, Chemical Engineering J. , vol 191, pp. 104–111, 2012.
[6] M. Kumari, J. C. U. Pittman, and M. Dinesh, “Heavy Metals [Chromium (VI) and Lead  (II)] Removal  from  Water  Using  Mesoporous  Magnetite  (Fe 3 O 4 )  Nanospheres”, J.  of  Colloid  and Interface Sci. , vol. 442, pp. 120–132, 2015.
[7] G. K. Salman, A. J. Bohan, and G. M. Jaed, “Use of Nano-Magnetic Material for Removal of Heavy Metals from Wastewater”, J. Eng. And Tech. , vol. 35, no. 9, pp. 903 – 908, 2017.
[8] X.  San et  al. ,  “Removal  of  Heavy  Metals  by  the  Ferrite  Process”,  in Conference  on Environmental Pollution and Public Health, pp. 1030-1032, 2010.
[9] S. Rajput, J. C. U. Pittman, M. Dines, “Magnetic Magnetite (Fe 3 O 4 ) Nanoparticle Synthesis and Applications  for  Lead  (Pb 2+ )  and  Chromium  (Cr 6+ )  Removal  from  Water”, J.  of  Colloid  and Interface Sci. , vol. 468, pp. 334–346, 2016.
[10] U. Klekotka et al. , “Heavy Metal Detectors Based on Modified Ferrite Nanoparticles”, Beilstein J. of Nanotechnology , vol. 9, no. 1, pp. 762–770, 2018.
[11] N.  Sezgini et  al., “Synthesis,  Characterization  and,  the  Heavy  Metal  Removal  Efficiency  of MFe 2 O 4 (M=Ni, Cu) Nanoparticle”, Ekoloji , vol. 22, no. 89, pp. 89–96, 2013.
[12] T.  Saragi et  al. ,  “Sintesis  Nanopartikel  Magnetik  dengan  Metode  Kopresipitasi”, J.  Material Energi Indo. , vol. 7, no. 2, pp. 17–20, 2017.
[13] S. Merdekani and F. J. K. U. Jatinangor, “Sintesis Partikel Nanokomposit Fe 3 O 4 /SiO 2 dengan Metode Kopresipitasi”, Pros. Sem. Nas. Sains dan Tekno. PTNBRBATAN , 2013.
[14] N. R. Yuliani, S. Arief, and U. Septiani, “Penggunaan Reduktor Organik dan Anorganik pada Proses Sintesis Fe 3 O 4 dengan Metode Kopresipitasi”, J. Kim. Unand , vol. 2, no.1, pp. 93–97, 2013.
[15] W.  Slavin,  “Atomic  Absorption  Spectroscopy:  Why  Has  It  Become  Successful”, Analytical Chemistry , vol. 63, no. 21, pp. 1033A–1038A, 1991.
[16] S. Akram, “Determination of Heavy Metal Contents by Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) in Some Medicinal Plants from Pakistani and Malaysian Origin”, Pakistan J. of Pharmaceutical Sci. , vol. 28, no. 5, pp. 1781–1787, 2015.
[17] A.  A.  Aqadami et  al. ,  “Efficient  Removal  of  Toxic  Metal  Ions  from  Wastewater  Using  A Recyclable Nanocomposite: A Study of Adsorption Parameters and Interaction Mechanism”, J. of Cleaner Prod. , vol. 156, pp. 426–436, 2017.
[18] Y. Bagbi et al. , “Lead and Chromium Adsorption from Water Using L-Cysteine Functionalized Magnetite (Fe 3 O 4 ) Nanoparticles”, Scientific Reports , vol. 7, no. 1, pp. 1–15, 2017.
[19] T.  Liu et  al. ,  “Magnetic  Chitosan/Anaerobic  Granular  Sludge  Composite:  Synthesis, Characterization and Application in Heavy Metal Ions Removal”, J. of Colloid and Interface Sci. , vol. 508, pp. 405–414, 2017.
[20] K.  Kalantari et  al. ,  “Rapid  and  High  Capacity  Adsorption  of  Heavy  Metals  by Fe 3 O 4 /Montmorillonite  Nanocomposite  Using  Response  Surface  Methodology:  Preparation, Characterization, Optimization, Equilibrium Isotherms, and Adsorption Kinetic Study”, J. of The Taiwan Inst. of Chem. Eng. , vol. 49, pp. 192–198, 2015.
[21] G. D. Tarigh and F. Shemirani, “Magnetic Multi-Wall Carbon Nanotube Nanocomposite as An Adsorbent for Preconcentration and Determination of Lead (II) and Manganese (II) in Various Matrices”, Talanta , vol. 115, pp. 744–750, 2013.