Adsorpsi Fenol dan Besi dalam Air Limbah dengan Campuran Karbon Aktif dan Zeolit Termodifikasi Kitosan

1. Pendahuluan

Fenol dan besi merupakan kontaminan utama dalam air limbah yang berasal dari berbagai sektor industri seperti petrokimia, tekstil, pelapisan logam, serta pengeboran minyak. Fenol bersifat toksik, karsinogenik, dan mengganggu sistem saraf manusia, sedangkan besi dalam konsentrasi tinggi dapat menyebabkan perubahan warna air, endapan, serta menurunkan kadar oksigen terlarut di perairan.

Pengolahan limbah yang mengandung dua jenis polutan berbeda (organik dan anorganik) secara simultan merupakan tantangan tersendiri. Oleh karena itu, dibutuhkan material multifungsi yang mampu bekerja efektif terhadap kedua jenis polutan. Karbon aktif, zeolit, dan kitosan merupakan material adsorben yang banyak dikaji karena ketersediaannya melimpah, harga murah, serta kemampuan adsorpsi tinggi.

Kombinasi karbon aktif dan zeolit termodifikasi kitosan diharapkan menghasilkan adsorben hibrid yang memiliki keunggulan sinergis dalam penyerapan senyawa organik dan ion logam, sehingga dapat digunakan sebagai solusi efektif dan berkelanjutan dalam pengolahan air limbah industri.

2. Material dan Karakteristiknya

Karbon aktif memiliki luas permukaan yang sangat besar (500–1500 m²/g) dan berpori halus, sehingga efektif dalam menyerap senyawa organik seperti fenol melalui gaya Van der Waals dan interaksi π–π antara cincin aromatik fenol dan struktur grafitik karbon.

2.2 Zeolit

Zeolit merupakan aluminosilikat kristalin dengan struktur berpori yang memiliki kemampuan pertukaran ion (ion exchange) dan adsorpsi selektif terhadap ion logam seperti Fe²⁺ dan Fe³⁺. Porositas tinggi dan kestabilan termal menjadikannya ideal untuk pengolahan air limbah.

2.3 Kitosan

Kitosan adalah biopolimer alami hasil deasetilasi kitin yang memiliki gugus amino (–NH₂) dan hidroksil (–OH) yang aktif. Gugus ini mampu membentuk ikatan kompleks dengan ion logam berat serta interaksi hidrogen dengan senyawa organik. Modifikasi zeolit dengan kitosan dilakukan untuk meningkatkan sifat hidrofilik, stabilitas mekanik, serta memperluas permukaan aktif adsorpsi.

3. Prinsip dan Mekanisme Adsorpsi

3.1 Adsorpsi Fenol

Fenol diserap melalui kombinasi mekanisme:

Interaksi hidrofobik dan π–π stacking antara fenol dan karbon aktif.
Ikatan hidrogen antara gugus hidroksil (–OH) fenol dengan gugus amino dan hidroksil kitosan.
Adsorpsi fisik pada pori-pori zeolit dan karbon aktif.

3.2 Adsorpsi Besi (Fe)

Besi diserap terutama melalui:

Pertukaran ion (ion exchange) antara ion Fe²⁺/Fe³⁺ dengan kation Na⁺/Ca²⁺ pada zeolit.
Kompleksasi kimia antara ion logam dengan gugus amino (–NH₂) kitosan.
Ko-adsorpsi pada permukaan karbon aktif melalui presipitasi mikro atau ikatan elektrostatik.

3.3 Mekanisme Sinergis Campuran

Kombinasi ketiga material ini menciptakan efek sinergi di mana:

Karbon aktif menyerap fenol dengan cepat melalui pori mikro,
Zeolit menangkap ion logam melalui pertukaran ion, dan
Kitosan meningkatkan kestabilan struktur serta memperkuat interaksi kimia antara polutan dan permukaan adsorben.

4. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Adsorpsi

Efisiensi adsorpsi fenol dan besi sangat dipengaruhi oleh beberapa parameter operasional, antara lain:

pH Larutan: pH rendah meningkatkan protonasi gugus amino kitosan (NH₃⁺), yang memperkuat penyerapan ion besi, tetapi menurunkan penyerapan fenol. Kondisi optimal biasanya pada pH 5–6.
Konsentrasi Awal Polutan: Konsentrasi tinggi meningkatkan gradien konsentrasi, tetapi dapat menyebabkan kejenuhan adsorben.
Waktu Kontak: Kinetika adsorpsi umumnya mengikuti model pseudo-order kedua, dengan waktu kesetimbangan antara 60–120 menit.
Rasio Campuran Adsorben: Proporsi optimal karbon aktif : zeolit : kitosan biasanya sekitar 2:2:1 (b/b/b) untuk memperoleh keseimbangan kemampuan adsorpsi organik dan logam.
Suhu Operasi: Kenaikan suhu meningkatkan difusi molekul, namun berpotensi menurunkan stabilitas kitosan.

5. Analisis Kinerja dan Keberlanjutan

Kinerja adsorben campuran dapat mencapai efisiensi penghilangan fenol hingga 90–95% dan besi hingga 85–92% tergantung kondisi operasi. Setelah digunakan, adsorben dapat diregenerasi menggunakan larutan NaOH atau etanol untuk desorpsi polutan, dengan efisiensi pemulihan di atas 80% hingga beberapa siklus penggunaan.

Dari sisi keberlanjutan, material ini memiliki keunggulan:

Berasal dari bahan alami dan terbarukan (kitosan).
Dapat digunakan kembali beberapa kali tanpa penurunan signifikan.
Tidak menghasilkan limbah berbahaya.
Mendukung konsep ekonomi sirkular dan green technology.

6. Prospek Aplikasi di Industri

Aplikasi praktis adsorben ini dapat diterapkan pada:

Unit pengolahan awal air limbah petrokimia dan industri pelapisan logam.
Sistem filtrasi komposit dalam bentuk kolom atau membran.
Hybrid system dengan proses fotokatalisis atau elektrokoagulasi untuk degradasi total fenol.

Penelitian lebih lanjut diarahkan pada peningkatan kapasitas adsorpsi melalui aktivasi permukaan, penambahan nanopartikel logam oksida, atau modifikasi kimia lanjutan pada kitosan dan zeolit.

7. Kesimpulan

Campuran karbon aktif dan zeolit termodifikasi kitosan terbukti efektif untuk mengadsorpsi fenol dan besi secara simultan dari air limbah industri. Kombinasi ketiga material tersebut menghasilkan efek sinergis yang meningkatkan kapasitas, kestabilan, dan selektivitas adsorpsi. Metode ini tidak hanya efisien dan ekonomis, tetapi juga ramah lingkungan serta sejalan dengan prinsip pengolahan air limbah berkelanjutan.

menu melayang