Jurnal Fisika Indonesia No: 52, Vol XVIII, Edisi April 2014
Studi Penurunan Kadar Logam Fe dan Co pada Limbah Cair dengan Sistem Purifikasi  Berbasis Adsorben Nanopartikel Magnetik Fe 3 O 4
Dewi Sartika, Fitri Puji A dan Edi Suharyadi*
Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia Sekip Utara  PO BOX BLS.21 Yogyakarta 55281, Indonesia *Corresponding Author : esuharyadi@ugm.ac.id
Abstrak – Proses  purifikasi limbah  cair  mengandung logam  Fe  dan  Co  dengan  menggunakan  adsorben  nanopartikel  magnetik Fe 3 O 4 berukuran  14,5  nm  telah  dilakukan.  Pada  konsentrasi  Fe 3 O 4 0,01  g/ml,    kadar  logam  Co  dan  Fe  mengalami  penurunan lebih besar daripada konsentrasi Fe 3 O 4 0,008 g/ml, yaitu  masing-masing sebesar 71% dan 99%. Penurunan kadar logam Co dan Fe  juga  terserap  secara efektif  oleh  adsorben  dengan  ukuran  partikel 11,5  nm  daripada yang  berukuran  14,5  nm  yaitu  masing- masing  Co  dan  Fe  sebesar  99,855%  dan  100%.  Pada  proses  adsorpsi  kedua  (amplifikasi)  kadar  logam  Co  dan  Fe  mengalami penurunan secara maksimal yaitu sebesar 100%.
Kata Kunci : Purifikasi, Absorpsi, dan Adsorben Fe 3 O 4
Abstract - Purification of  wastewater  contained metal Co and Fe by using absorben nanoparticle magnetic  Fe 3 O 4 with 14,5 nm particle  size  has  done. At  concentration  of  Fe 3 O 4 0,01 g/ml, Co  and  Fe  decreased  greater than  concentration  Fe 3 O 4 0,008 g/ml, they are 71% and 99%, respectively. Reduction metals of Co and Fe adsorbed efectively by adsorbent has particle size 11,5 nm than  adsorbent  has  particle  size  14,5  nm,  they  are 99,855%  and  100%,  respectively. Reduction  metals  of  Co  and  Fe  decreased 100%  on second  adsorption.
Key words : Purification, Absorption, and Adsorbent of Fe 3 O 4

## I. PENDAHULUAN
Semakin  pesatnya  aktivitas  perindustrian  dewasa  ini, berbagai  jenis  limbah  logam  berat  yang  dihasilkan  dapat menjadi  permasalahan  serius  bagi  kesehatan  dan  lingkungan. Limbah industri merupakan salah satu jenis limbah yang perlu diperhatikan  karena  limbah  tersebut  biasanya  mengandung logam  berat  yang  berbahaya  bagi  kehidupan  manusia,  seperti Cobalt (Co) dan besi (Fe) [1] .
Seiring  dengan  perkembangan  zaman,  muncul  masalah- masalah  terkait  limbah  industri.  Logam  besi  dan  kobalt merupakan  logam  yang  bersifat  toksik  yang  dapat  meracuni tubuh manusia dan merusak lingkungan. Menurut KEPMENKES RI No. 907/MENKES/VII/IV/2002 tanggal 29 Juli  2002  tentang  syarat-syarat  pengawasan  kualitas  air minum,  kadar  Fe  dalam  air  konsumsi  yang  diperbolehkan yaitu  sebesar  0,3  mg/l.  Pada  air  minum  yang  telah  tercemar oleh limbah cair tentu  kadar logam yang terkandung melebihi ambang batas dari yang telah ditentukan [2] .
Pada  umumnya  ion  limbah  logam  limbah  cair  biasanya dihilangkan  dengan  proses  presipitasi,  evaporasi,  ekstraksi pelarut,  pertukaran  ion, reverse  osmosis, atau  separasi membran.  Namun  hal  itu  dipercaya  bahwa  proses  presipitasi membutuhkan  bahan  kimia  yang  besar  dan  menghasilkan sampah dalam  jumlah  besar,  sehingga  cara  ini  belum  optimal [3] .
Berkaitan  dengan  hal  tersebut,    pada  penelitian  ini dilakukan  pengolahan  limbah  yang  mengandung  Co  dan  Fe dengan  metode  purifikasi  dengan  adsorben  nanopartikel
magnetik  Fe 3 O 4 .  Metode  purifikasi  dapat  mengabsorpsi limbah  Co  dan  Fe.  Proses  absorpsi  dapat  menurunkan  kadar logam  yang  terlarut  pada  limbah  cair  dengan  cara  menyerap logam-logam  tersebut  ke  dalam  permukaan  absorbennya. Nanopartikel Fe O merupakan  partikel  yang  memiliki  sifat magnetik.  Nanopartikel Fe O sangat  tepat  dijadikan  sebagai adsorben logam karena ukuran partikel yang berada pada skala nanometer memiliki luas permukaan partikel yang besar yang dapat menyerap banyak logam.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menentukan  pengaruh konsentrasi  Fe 3 O 4 dalam  larutan  limbah  terhadap  tingkat penyerapan  logam  berat  Co  dan  Fe.  Menentukan  pengaruh ukuran  partikel  Fe 3 O 4 terhadap  tingkat  penyerapan  logam  Co dan  Fe,  dan  menentukan  hasil  amplifikasi  guna  untuk mengetahui turunnya kadar logam.

## II. METODE PENELITIAN
Sintesis nanopartikel Fe 3 O 4 dilakukan dengan menggunakan  metode  kopresipitasi.  Bahan-bahan  yang digunakan  untuk  sintesis  nanopartikel  Fe 3 O 4 ini    antara  lain FeSO 4 .7H 2 O  (Iron  (II)  sulfate  heptahydrate)  4,1703  g, FeCl 3 .6H 2 O (Iron (III) chloride, hexahydrate) 8.109 g, NH 4 OH (Ammonia Solution) 10% 24 ml, 4%  dan  aquades.
Pembuatan  nanopartikel    magnetik  Fe 3 O 4 dengan mencampurkan 4,1703 gram FeSO 4 .7H 2 O dengan 8,109 gram FeCl 3 .6H 2 O  ke  dalam  30  ml  aquades  dan  diletakkan  di  atas magnetik  stirer  selama  5  sampai  10  menit,  dengan  perlakuan
Jurnal Fisika Indonesia No: 52, Vol XVIII, Edisi April 2014
suhu  60 o C  dan  kecepatan  450  rpm  selama  90  menit  sambil ditetesi  NH 4 OH  sedikit  demi  sedikit  sampai  warnanya  hitam, kemudian  dilakukan  pencucian  5-7  kali  sampai  garamnya hilang,  terakhir  adalah  dipanaskan  di  dalam furnace .  Ketika sudah  kering  maka  sampel  nanopartikel  Fe 3 O 4 dihaluskan sampai menjadi serbuk nanopartikel Fe 3 O 4 [4] .
Pembuatan  sampel  densitas  antara  nanopartikel  Fe 3 O 4 dengan artificial limbah  yaitu masing-masing  0,005  gram/ml, 0,006  gram/ml,  0,008  gram/ml,  dan  0,01  gram/ml. Pembuatannya  dengan  cara    mencampurkan  0,4  gram  Fe 3 O 4 ke dalam  80 ml artificial limbah, kemudian diletakkan di atas magnet  stirer  selama  3  jam,  dan  mengatur  pHnya  sampai  9. Selama proses ini, sampel diletakkan di atas magnet permanen 2  kali,  masing-masing  30  menit.  Kemudian  sampel  tersebut dikarakterisasi dengan AAS ( Atomic Absorbtion
Spectroscopy )    untuk  mengetahui  konsentrasi artificial limbah yang terserap oleh absorben nanopartikel magnetikFe 3 O 4 . Nanopartikel magnetik Fe 3 O 4 yang digunakan dalam penelitian ini berukuran 14,5 nm.
Dalam eksperimen ini dilakukan pencampuran artificial limbah  dengan  nanopartikel    Fe 3 O 4 yang  memiliki ukuran masing-masing 11,5 nm, 14,5 nm, 30 nm, dan 80 µm. Untuk nanopartikel  yang  berukuran 11,5: mencampurkan  100 ml artificial limbah  dengan  0,5  gram  nanopartikel  Fe 3 O 4 di atas  magnetik  stirer  selama  3  jam  dan  memberikan  cairan NH 4 OH  sampai  pHnya  sampai  9.  Untuk  ukuran  nanopartikel berukuran  14,5  nm:  mencampurkan  65  ml artificial limbah dengan  0,325  gram  nanopartikel  Fe 3 O 4 .  Untuk  ukuran nanopartikel berukuran 30 nm: mencampurkan 80 ml artificial limbah dengan 0,4 gram Fe 3 O 4 . Untuk ukuran nanopartikel 80 µm:  mencampurkan  80  ml artificial limbah  dengan  0,4  gram Fe 3 O 4 .  Pada  eksperimen  ini  menggunakan  parameter  yang sama  yaitu  pada  suhu  kamar,  pH  9,  dan  lama  pengadukan selama  3  jam.  Kemudian  larutannya  disaring  menggunakan kertas saring. Kemudian dikarakterisasi dengan menggunakan AAS ( Atomic Absorbtion Microscopy ) Hasil pencampuran antara nanopartikel Fe 3 O 4 berukuran  11,5  nm  dengan artificial limbah  yang  telah disaring, kemudian diamplifikasi dengan parameter-parameter yang  sama  yaitu  pada  temperatur  ruang,  pH  9,  dan  lama pengadukan  3  jam.  Kemudian  larutannya  disaring  untuk dikarakterisasi dengan AAS.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi Nanopartikel Magnetik Fe 3 O 4 Berdasarkan hasil analisis pola difraktogram nanopartikel  magnetik  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  1 menunjukkan  indikasi  terbentuknya  fasa  Fe 3 O 4 di  dalam sampel  hasil  sintesis  nanopartikel  Fe 3 O 4 .  Indikasi  tersebut
didasarkan  pada  nilai  parameter  kekisi  yang  telah  diestimasi dari  sudut 2 = 35,68° yaitu  pada  puncak  difraksi  utama dengan  indek (311) .  Dari  hasil  tersebut  juga  diketahui  nilai parameter kekisi 8,32 Å dan jarak antar bidang kristalnya 2,51 Å .  Pada  nilai  parameter  kekisi  8,324 Å mendekati  nilai parameter  referensi  kekisi  Fe 3 O 4 dalam  bentuk bulk (8,4 Å ) [5] .  Indikasi  yang  menunjukkan  fasa  Fe 3 O 4 adalah  adanya puncak-puncak difraksi indeks miller lain seperti (220), (400), (511),  dan  (440).  Adanya  puncak-puncak  indeks  miller tersebut  menunjukkan  indeks  khas  dari  struktur  spinel  Fe 3 O 4 yang biasa muncul dalam difraktogram XRD bahan Fe 3 O 4 .
Gambar 1. Hasil XRD Nanopartikel Fe 3 O 4 [7]
Hasil  karakterisasi  TEM  pada  nanopartikel Fe O diperoleh bentuk morfologi Fe O yang bulat dengan diameter nanopartikel yang beragam. Bentuk morfologi dari nanopartikel Fe O dapat ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Morfologi Nanopartikel Magnetik Fe 3 O 4 [7]
Dari hasil TEM dapat dihitung diameter masing- masing partikel menggunakan software ImageJ . Hasil perhitungan masing-masing partikel kemudian dapat dibuat distribusi partikelnya menggunakan Kaleidagraph . Distribusi nanopartikel Fe O ditunjukkan pada Gambar 3. Pada Gambar 3 diperoleh hasil 10 nm.
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 1000 1100 1200 1300 1400 in te n s it a s (a u ) 2 theta( o ) 220 311 400 511 440
Jurnal Fisika Indonesia No: 52, Vol XVIII, Edisi April 2014
Gambar 3. Distribusi Ukuran Diameter nanopartikel magnetik Fe 3 O 4
Gambar 4. menunjukkan kurva loop histerisis nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 .  Pengukuran  sifat  magnet melalui  bentuk  kurva  loop  histerisis  memberikan  informasi bahwa  nanopartikel  magnetik  Fe 3 O 4 yang  disintesis  ini mempunyai  sifat  superparamagnetik, hal ini  dapat  dilihat  dari bentuk  kurvanya  yang  menyerupai  kurva  superparamagnetik. Sampel  Fe 3 O 4 memiliki  medan  koersif  45,7  Oersted, magnetisasi  remanen  sebesar  7,846  emu/g,  dan  magnetisasi saturasi  ( M s )  sebesar  76,99  emu/g.  Sifat  superparamagnetik dari  nanopartikel Fe O membuatnya  sangat  rentan  terhadap medan  magnet  luar,  hal  ini  dapat  dilihat  pada  kurva  dengan memberikan  sedikit  medan  magnet  nanopartikel  dapat mengalami  magnetisasi  saturasi.  Dengan  sifat  yang  mudah termagnetisasi  maka  nanopartikel Fe O merupakan  material soft magnetik.
Gambar 4. Kurva loop histerisis Fe 3 O 4 [7]
Pengaruh Konsentrasi absorben Fe 3 O 4 terhadap Presentase Penurunan Kadar logam Co dan Fe
Tabel  1.  Menunjukkan  hasil  pengujian  pengaruh  variasi konsentrasi  absorben  Fe 3 O 4 terhadap  presentase  penurunan kadar logam Co dan Fe.
Tabel 1 . Pengaruh Konsentrasi adsorben Fe 3 O 4
Semakin besar konsentrasi Fe 3 O 4 menunjukkan tingkat penyerapan Fe 3 O 4 terhadap Co dan Fe semakin besar.  Hal ini bisa  terjadi  karena  tumbukkan  antara  absorben  dengan absorbet  .  Fe 3 O 4 sebagai  absorben  memiliki  peran  menyerap limbah  Co  dan  Fe  dengan  cara  menyerap  logam-logam tersebut  ke  dalam  permukaan  absorbennya.  Nanopartikel
Fe O sebagai  material  magnetik  yang  memiliki  ukuran partikel  yang  berada  pada  skala  nanometer  memiliki  luas permukaan partikel besar  dapat menyerap banyak logam berat Co  dan  Fe.  Sementara  Co  dan  Fe  juga  merupakan  material yang  bersifat  magnetik.  Saat  limbah  bertumbukan  dengan absorben,  absorbet  menempel  pada  permukaan  absorben  dan limbah  Co  dan  Fe  tidak  dilepaskan  lagi.  Waktu  pengadukan antara ion logam dengan  absorben merupakan parameter yang penting untuk mengetahui kecepatan reaksi absorpsi. Semakin sedikit  waktu  interaksi,  laju  reaksi  makin  cepat  yang  berarti juga laju absorpsi makin tinggi [6] .
Pengaruh  Ukuran  butir  adsorben  Fe 3 O 4 terhadap Presentase  Penurunan Kadar logam Co dan Fe
Tabel  2.    Menunjukkan  hasil  pengujian  pengaruh  variasi ukuran partikel absorben Fe 3 O 4 terhadap presentase penurunan kadar logam Co dan Fe
Tabel 2 . Pengaruh ukuran partikel absorben Fe 3 O 4
N O Para meter Row material (A) Konsentrasi  Fe 3 O 4 0,008 g/ml 0,01 g/ml 1 . Co 1058,073 Rata- rata 455,399 302,816 Persenta se penurun an (%) 56,959 71,380 2 . Fe 1501,603 Rata- rata 0,551 0,122 Persenta se penurun an (%) 99,963 99,991
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 -15 -10 -5 0 5 10 15 M (e m u /g ) H (kOe) -0,1 -0,05 0 0,05 0,1 -0,1 -0,05 0 0,05 0,1 45,7 Oe
Jurnal Fisika Indonesia No: 52, Vol XVIII, Edisi April 2014
Berdasarkan  Tabel  2  menunjukkan  bahwa  semakin kecil  ukuran  partikel  menyebabkan  kadar  penurunan  Co  dan Fe  semakin  besar.  Ini  disebabkan  karena  ukuran  partikel absorben  Fe 3 O 4 memiliki  ukuran  partikel  berada  pada  skala nanometer  dan  memiliki  luas  permukaan  partikel  besar  yang menyerap banyak logam. Hal ini menunjukkan bahwa ukuran partikel absorben Fe 3 O 4 yang lebih kecil mampu mengabsorbsi logam Co dan Fe lebih besar.
Pengaruh  Amplifikasi  pada  Penurunan  Kadar  Logam  Fe
dan Co dalam Artificial Limbah Tabel 3 . Pengaruh Amplifikasi Param eter Raw material Adsorbsi N o Pertama Kedua 1 Co Rata-rata 1,540 0 1058,073 Presentase penurunan (%) 99,854 100 2 Rata-rata 0 0 Fe 1501,603 Presentase penurunan (%) 100 100
Amplifikasi  (pengulangan)  merupakan  parameter penting  yang  digunakan  dalam  proses  penyerapan  logam. Pengujian  amplifikasi  dilakukan  sebanyak  dua  kali  dengan perlakuan  pH  9  dan  waktu  pengadukan  3  jam  untuk  setiap sampel.  Dari hasil analisis  SSA  yang  ditampilkan  pada  Tabel 3  diperoleh  hasil  logam  Co  dan  Fe  mengalami  penurunan kadar  logam    maksimal  pada  amplifikasi  ke  dua  yaitu mencapai 100%. Hal ini menunjukkan bahwa semakin banyak proses  pengulangan  mengakibatkan  konsentrasi  penurunan logam Fe dan Co semakin besar.

## IV. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  penelitian    yang  telah  dilakukan dapat disimpulkan bahwa adsorben nanopartikel Fe 3 O 4 mampu menurunkan  kadar  logam  Co  dan  Fe  dalam artificial limbah.
Penurunan  kadar  logam  Co  dan  Fe  terjadi  pada  konsentrasi Fe 3 O 4 0,01  g/ml  yaitu    Co  71,38%  dan  Fe  99,991%  . Penurunan  kadar  logam  Co  dan  Fe  terserap  secara  maksimal terjadi pada ukuran partikel Fe 3 O 4 11,5 nm yaitu Co 99,855% dan  Fe  100%.  Pengaruh  amplifikasi  mampu  menjadikan nanopartikel  Fe 3 O 4 dalam menyerap  logam  Fe  dan  Co  secara signifikan.

## V. PUSTAKA
[1 ] Siti Wardiyati dkk, Adsorpsi Ion Pb 2+ dan Ni 2+ oleh Nanopartikel  -Fe 2 O 3 /Fe 3 O 4 ,  2007.
[2] Andreas, D.P. dan Ali, M, Penurunan Kadar Besi oleh Media Zeolit Alam Ponorogo Secara Kontinyu, Jurusan Teknik Lingkungan  FTSP-ITS, 2004.
[3] Y.F. Shen.etc, Tailoring Size and Structural Distortion of Fe 3 O 4 nanoparticles for the purification of Contaminated water, Biosource Technology, 2009.
[4] Jing  Sun.etc,  Synthesis  and  Characterization  of Biocompatible  Fe 3 O 4 Nanoparticles,  Wiley  InterScience DOI:10.1002/jbm.a.30909, 2006.
[5] Coey, J.M.D, Magnetism and Magnetic Materials, United States of America, Cambridge University Press, 2009.
[6] Feng Huixia.etc, Preparation and Characterization of the Cobalt Ferrite Nano-Particles by reverse Coprecipitation, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2013.
[7] Seveny Nuzully, Karakteristik Sifat Kemagnetan Pada Polyethlene Glicol (PEG) Coated  Nanopartikel Magnetite (Fe 3 O 4 ) untuk Pengikat DNA, Tesis, 2013.
N O Para meter Raw material (A) Ukuran butir absorben Fe 3 O 4 14,5 nm 11,5 nm 1 . Co 1058,073 Rata-rata 1,654 1,533 Persenta se penuruna n (%) 99,843 99,855 2 . Fe 1501,603 Rata-rata 0,133 0 Persenta se penuruna n (%) 99,991 100