## KAJIAN KINETIKA ADSORPSI Mg(II) PADA SILIKA GEL

## TERMODIFIKASI GUGUS SULFONAT

## Choiril Azmiyawati
Laboratorium Kimia Anorganik Jurusan Kimia FMIPA Universitas Diponegoro

## ABSTRAK
Dalam penelitian ini telah dikaji pengaruh perlakuan silika  gel  dengan  γ- glisidoksipropiltrimetoksisilan  (γ-GPS)  dan  garam  mononatrium  asam  4-amino-5-hidroksi-2,7- naftalenadisulfonat (C 10 H 8 NNaO 7 S 2 ) sebagai perlakuan awal, terhadap kinetika adsorpsi magnesium, Mg(II)  dalam  larutan.  Perlakuan  dikerjakan  dengan  mereaksikan  silika  gel  dan  γ-GPS  membentuk senyawa Si-Ep yang berfungsi sebagai senyawa perantara dalam pembuatan silika gel termodifikasi gugus  sulfonat.  Si-Ep  selanjutnya  direaksikan  dengan  garam  sulfonat  sehingga  diperoleh  Si-SO 3 H (silika  sulfonat)  yang  berupa  padatan.  Padatan  (adsorben)  digunakan  untuk  mengadsorpsi  Mg(II) dalam  larutan  dengan  variasi  waktu  kontak.  Jumlah  logam  yang  teradsorpsi  ditentukan  dengan menganalisis  larutan/filtrat  menggunakan  metoda  spektroskopi  serapan  atom  (AAS).  Pengaruh perlakuan  terhadap  kinetika  dievaluasi  berdasarkan  parameter  kinetika,  yaitu  laju  adsorpsi  dengan model kinetika Langmuir Hinshelwood (LH). Kajian kinetika adsorpsi Mg(II) dengan model kinetika LH memberikan tetapan laju adsorpsi, k = 3 x 10-5 menit-1. Berdasarkan nilai perubahan energi bebas Gibbs  adsorpsi  standar  (-ΔG˚=  19,3886  J/mol)  menunjukkan  bahwa  adsorpsi  berlangsung  melalui interaksi fisik.
Kata kunci: silika sufonat, adsorpsi, magnesium,Langmuir-Hinshelwood.

## KINETIC STUDY ON ADSORPTION OF MAGNESIUM(II) TO SILICA GEL MODIFIED SULFONIC GROUP

## ABSTRACK
In this research, the effect of silica gel pre-treatment with γ-glicydoxypropiltrimethoxysilane (γ- GPS)  and  4-amino-5-hydroxy-2,7-naphtalenadisulfonic  acid  monosodium  salt  on  the  kinetic  of adsorption  for  Mg(II)  in  aquaeous  solution  has  been  studied.  The  research  has  been  carried  out  by mixing an amount of silica gel and γ-GPS produced Si-Ep that used as intermediet compound in made silica gel modified sulfonic group. The result then was interacted with sulfonic salt for produced silica sulfonic  (Si-SO 3 H).  the  result  then  was used  as  adsorbent.  Adsorption  was  carried  out by  mixing an amount of adsorbent with Mg(II) solution in various contact times. Ion adsorbed was determined by analyzing filtrate using atomic absorption spectrophotometry. The effect of pre-treatment on adsorption kinetics was evaluated based on kinetic parameters, i.e. constant of adsorption rate by using Langmuir- Hinshelwood  kinetics.  Results  of  kinetics  study  approached  using  Langmuir-Hinshelwood  kinetics showed that rate constant adsorption of Mg(II), k = 3 x 10-5 minutes-1. Based on the Gibbs energy change (-ΔG˚= 19,3886 J/mol) showed that adsorption involved physical interaction. Keywords: Silica sulfonic, adsorption, magnesium,Langmuir-Hinshelwood.

## PENDAHULUAN
Silika gel adalah suatu bentuk amorf dari silikon dioksida, yang diproduksi secara sintesis dalam bentuk butiran-butiran kecil yang keras. Struktur mikropori silika gel memberikan luas permukaan  yang  sangat  tinggi  (800  m 2 per gram).  Struktur  ini  yang  membuat  silika  gel
banyak digunakan sebagai desikan berkapasitas tinggi.  Molekul  air  dapat  melekat  pada permukaan  silika  gel  karena  tekanan  uap  air lebih rendah daripada udara di sekitarnya. Ketika kesetimbangan  tekanan  tercapai,  tidak  terjadi adsorpsi  lagi.  Kelebihan  dari  silika  gel  sebagai desikan  adalah  adsorpsi  uap  air  terjadi  secara
fisik yaitu melalui pori-pori internalnya. Dalam hal ini tidak ada reaksi kimia, tidak oleh produk yang  dihasilkan  maupun  efek  sampingnya.
Sehingga,  penampilan  silika  gel  ketika  jenuh dengan  uap  air  masih  sama  bentuknya  dengan produk kering.
Selain  sebagai  desikan,  silika  gel  banyak digunakan  sebagai  adsorben  maupun  padatan pendukung  pada  pembuatan  adsorben.  Hal  ini tidak terlepas dari sifat silika gel yang memiliki sisi aktif pada permukaan, seperti adanya gugus silanol,  siloksan,  dan  struktur  mikropori  yang memberikan luas permukaan yang besar. Silika gel yang memiliki gugus silanol bebas dan gugus siloksan  diketahui  mampu  mengadsorpsi  ion logam  keras,  seperti  Na + ,  Mg 2+ ,  Ca 2+ ,  dan  Fe 3+
(Jansen, 1992). Meskipun demikian,
kemampuan  gugus  silanol  mengikat  ion  logam relatif  kecil,  sehingga  kurang  efektif  bila digunakan  sebagai  adsorben  logam  alkali  dan alkali tanah. Oleh karena itu, untuk meningkatkan  efektivitasnya  silika  gel  perlu dimodifikasi.  Misalnya  dengan  mengikatkan gugus  sulfonat  pada  silika  gel.  Modifikasi sulfonat  ini  akan  memperbanyak  sisi  aktif permukaan  silika  gel  yang  berupa  gugus  O-. Berdasarkan prinsip HSAB ( Hard and Soft Acids and  Bases )  dari  Pearson  (1963),  gugus  O- merupakan basa keras. Oleh karena itu, adsorben ini  lebih  mampu  mengikat  logam  yang  bersifat sebagai asam-asam keras seperti Mg(II).
Kajian kinetika adsorpsi Mg(II) dilakukan untuk mengetahui  tetapan  laju  reaksi  dan  besarnya perubahan  energi  bebas  Gibbs  berdasarkan metode kinetika Langmuir-Hinshelwood (LH).
METODE PENELITIAN
Kajian  kinetika  adsorpsi  Mg(II)  oleh  silika sulfonat dilakukan melalui empat langkah kerja berikut.
1. Pencucian silika gel.
Silika gel berturut-turut dicuci dengan HNO 3 20%, larutan NaCl 0,5M, akuabides, aseton, dan  dietil  eter.  Silika  gel  hasil  pencucian kemudian  dioven  selama  4  jam  pada temperature 150 O C.
2. Pengikatan gugus epoksi pada silika gel.
Pengikatan  gugus  epoksi  pada  silika  gel dilakukan dengan cara mereaksikan silika gel dengan  γ-GPS  dengan  konsentrasi  10%. Campuran  ini  divakumkan  pada  tekanan  0 milibar  sampai  gelembung  udara  hilang. Selanjutnya  campuran  dipanaskan  pada temperatur 90˚C dengan penangas air selama 30  menit.  Padatan  yang  diperoleh  dicuci dengan  akuabides,  kemudian  aseton,  dan dikeringkan.  Padatan  yang  dihasilkan  ini disebut Si-Ep.
3. Pengikatan gugus sulfonat pada silika gel.
Pengikatan  gugus  sulfonat  pada  silika  gel teraktivasi dilakukan dengan mencampurkan Si-Ep  dengan  garam  mononatrium  asam  4- amino-5-hidroksi-2,7-naftalenadisulfonat dalam  larutan  natrium  bikarbonat.  Reaksi dilangsungkan  selama  20  jam.  Padatan disaring  dan  berturut-turut  dicuci  dengan akuabides,  aseton,  dan  dietil  eter.  Residu yang diperoleh disebut sebagai adsorben.
4. Kinetika Adsorpsi
Adsorben  dicampur  dengan  larutan  Mg(II), digojok menggunakan shaker dengan variasi
waktu, yaitu 5 menit, 10 menit, 20 menit, 30 menit, dan 60 menit. Campuran disaring dan filtrat  yang  diperoleh  dianalisis  dengan spektroskopi serapan atom.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Adsorpsi merupakan proses akumulasi sejumlah molekul  (senyawa,  ion,  maupun  atom)  yang terjadi  pada  batas  antara  dua  fasa.  Dua fasa itu bisa  antara  fasa  cair  dengan  fasa  cair,  fasa  gas dengan fasa cair, fasa gas dengan fasa padat, atau fasa cair dengan fasa padat.
Data  adsorpsi  secara  eksperimental  dapat dijelaskan  dengan  isoterm  Langmuir  (Oscik, 1982).  Menurut  Shaw  (1983)  isoterm  adsorpsi Langmuir  hanya  dapat  diterapkan  jika  ada asumsi  bahwa  adsorpsi  hanya  berlangsung  satu lapis  (monolayer),  adsorpsi  terlokalisasi,  dan panas  adsorpsi  tidak  tergantung  pada  lapisan permukaan.  Jika  adsorpsi  megikuti  isothem adsorpsi  Langmuir,  maka  akan  mengikuti persamaan yang ditunjukkan oleh persamaan (1) berikut.
b C bK m C M M   1 (1)
Dengan:
m (mol/g)  =  jumlah logam yang teradsorpsi
untuk tiap adsorben,
K =  konstanta kesetimbangan adsorpsi, C M =  konsentrasi larutan di dalam adsorbat saat kesetimbangan, dan
b =  Kapasitas adsorpsi (mol/g).
Jika  dibuat  grafik C M /m versus C M dapat ditentukan harga b dan harga K .
Untuk reaksi permukaan unimolekular, menurut Langmuir-Hinshelwood  berlaku  persamaan  (2) berikut (Jin, dkk., 1996).
    M O M O M O C C t k K C C C C     1 ln (2)
Dengan, k 1 = konstanta laju adsorpsi order 1 (menit-1)
K = konstanta Langmuir
C M = konsentrasi logam dalam larutan,
t = waktu (menit), dan
C O = konsentrasi awal logam.
Kinetika  adsorpsi  dikaji  dengan  menentukan tetapan laju adsorpsi yang didasarkan pada data pengaruh  waktu  terhadap  jumlah  Mg(II)  yang teradsorpsi oleh silika sulfonat. Kurva hubungan antara  jumlah  Mg(II)  yang  teradsorpsi  pada berbagai waktu kontak disajikan dalam Gambar 1.
Gambar 1 . Kurva pengaruh waktu terhadap jumlah Mg(II) yang teradsorpsi oleh silika sulfonat.
Dari  Gambar  1.  terlihat  bahwa  pada  5  menit pertama,  reaksi  adsorpsi  berlangsung  sangat cepat  dan  pada  menit  berikutnya  kecepatan reaksi adsorpsi cenderung lebih lambat daripada yang pertama. Pada t = 60 menit, reaksi adsorpsi dianggap konstan. Artinya, diperkirakan setelah t =  60  menit  ini  terjadi  reaksi  kesetimbangan antara reaksi adsorpsi dan reaksi desorpsi. Dari
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 20 40 60 80 Waktu (m enit) J u m la h M g (I I) t e ra d s o rp s i (m ik ro m o l/ g )
asumsi  ini  dapat  ditentukan  berapa  konsentrasi Mg(II) pada saat kesetimbangan.
Tetapan  laju  adsorpsi  ditentukan  menggunakan persamaan (2), yaitu persamaan LH dengan Co adalah  konsentrasi  awal  logam  dan  Ca  adalah konsentrasi  logam  pada  saat  kesetimbangan.
Dari  hasil  penelitian  diperoleh  data  seperti disajikan dalam Tabel 1 berikut.
Tabel 1. Pengaruh waktu terhadap adsorpsi Mg(II).
t (menit) C o (10 -4 M) C kst (10 -4 M) C ads (10 -6 mol/g) 5 4,1132 3,87 4,824 10 4,1132 3,84 5,493 20 4,1132 3,80 6,328 30 4,1132 3,76 6,997 60 4,1132 3,72 7,833
Dari  data  yang  diperoleh  pada  Tabel  1  dapat dibuat  kurva  hubungan  antara   C C C C o o        ln versus
  C C t
o  sehingga diperoleh Gambar 2 berikut.
Gambar 2. Kurva untuk menentukan konstanta laju reaksi.
Berdasarkan Gambar 2 diperoleh konstanta laju adsorpsi Mg(II) pada silika sulfonat sebesar 3 x 10 -5 menit -1 ,  dan  intersep  (K)  sebesar  2,504  x
10 3 .
Energi yang terlibat dalam proses adsorpsi tidak dapat  ditentukan  secara  langsung  melalui eksperimen (Stumm dan Morgan, 1996). Energi bebas  standar  adsorpsi  dinyatakan  dengan persamaan (3).
ΔG = Zeφ + Φ (3)
Diketahui,  Zeφ  adalah  energi  elektrostatik,  Φ adalah  energi  ikatan  kimia,  dan  ΔG  adalah perubahan energi bebas Gibbs.
Energi kimia berasal dari energi yang dilepaskan saat  gugus  fungsional  yang  berperan  sebagai situs  aktif  berikatan  secara  kimia  dengan  ion logam  yang  teradsorpsi.  Energi  elektrostatik merupakan  energi  yang  dibebaskan  oleh interaksi  elektrostatik  logam  dengan  adsorben dan merupakan sumbangan adsorpsi fisika. Pada kenyataannya, adsorpsi kimia selalu berlangsung bersama-sama dalam suatu sistem.
Jika  reaksi  adsorpsi  dipandang  sebagai  reaksi kesetimbangan maka pada keadaan
kesetimbangan ΔG berharga nol sehingga energi adsorpsi dirumuskan dalam persamaan (4).
E = -ΔG˚ = RT ln K
(4)
Diketahui E adalah energi adsorpsi, ΔG˚ adalah perubahan energi bebas Gibbs standar, R adalah tetapan  gas  umum  (8,314  JK-1  mol-1),  dan  T adalah  temperatur  (K).  Dengan  memasukkan harga  K  pada  persamaan  (4)  dapat  ditentukan nilai  perubahan  energi  bebas  Gibbs  untuk adsorpsi  Mg(II)  pada  silika  sulfonat,  yaitu sebesar 19,3886 Jmol -1 .
Pada umumnya adsorpsi diklasifikasikan dalam dua  kategori,  yaitu  adsorpsi  fisika  ( physi- sorption )  dan  adsorpsi  kimia  ( chemisorption ).
Menurut  Adamson  (1990),  adsorpsi  fisika  dan adsorpsi  kimia  dibedakan  berdasarkan  energi adsorpsi,  reversibilitas,  dan  ketebalan  lapisan
y = 3E-05x + 2504 R 2 = 0.9236 2500 2510 2520 2530 2540 2550 2560 2570 0 500000 1E+06 2E+06 2E+06 t/(Co-C) ln ( C o /C )/ (C o -C )
adsorben.  Adsorpsi  kimia  terjadi  bila  besarnya energi adsorpsi lebih dari 20,9 kJ/mol. Dari hasil penelitian  ini  diperoleh  bahwa  energi  yang terjadi  pada  pengikatan  Mg(II)  pada  silika sulfonat  sebesar  19,3886  J/mol,  berarti  ikatan yang  terbentuk  merupakan  ikatan  fisika  atau jenis adsorpsi fisika ( physisorption ).

## KESIMPULAN
Dari  pembahasan  di  atas  dapat  disimpulkan bahwa  kajian  kinetika  adsorpsi  Mg(II)  pada silika  sulfonat  memberikan  tetapan  laju  reaksi sebesar 3 x 10 -5 per menit. Dari nilai perubahan energi  bebas  Gibbs  adsorpsi  standar  yaitu sebesar  19,3886  J/mol  menunjukkan  bahwa adsorpsi berlangsung melalui interaksi fisik.
DAFTAR PUSTAKA
Adamson,  A.W.,  1990, Physical  Chemistry  of Surface, Fifth edition, John Wiley & sons, Inc., New York.
Jansen, K., 1992, Zeolit Crystal Growth and The Structure  on  an  Atomic  Scale ,  Disertasi,
Den Haag.
Jin,  X.,  G.W.Bailey,  Y.S.Yu,  and  A.T.  Lynch, 1996, Kinetics of Single and Multiple Ion Sorption Processes on Humic Substances, Soil Sciences, 161 (8), 509-519.
Oscik, J., 1982, Adsorption, John Wiley & Sons, New York.
Pearson,  R.G.,  1963, Hard  and  Soft  Acids  and Bases, J. Am. Chem. Soc., Vol. 85. No.
22, 3533-3539.
Shaw,  P.J.,  1983, Introduction  to  Colloid  and Surface  Chemistry, Butterworth  &  Co, Ltd., New York.
Stumm,  W.,  and  Morgan,  J.J.,  1996, Aquatic Chemistry, John  Wiley  and  Sons,  New York.