Kromium (Cr) merupakan logam berat yang menjadi salah satu polutan utama dengan dampak yang berbahaya bagi kesehatan manusia. Kromium heksavalen telah dilaporkan bersifat mutagenik dan diklasifikasi sebagai karsinogen kelas A atau karsinogen kelas 1 oleh U.S. Environmental Protection Agency (US EPA) dan International Agency for Research on Cancer (IARC). Sifat toksisitas Kromium heksavalen (Cr(VI)) pada tubuh manusia yang dilaporkan sekitar 100 kali lebih beracun dibandingkan kromium trivalen yang diakibatkan oleh ukuran ion relatif kecil, mobilitas dalam sistem biologis (membran sel) yang baik, potensial oksidasi yang besar, serta kemampuannya membentuk ikatan dengan biomakromolekul fungsional dalam sel.
Beberapa metode telah dikembangkan untuk menyisihkan atau mereduksi Cr(VI) dari dalam lingkungan perairan seperti presipitasi dan elektrokoagulasi, osmotik balik, penukar ion, ultrafiltrasi, filtrasi membran cair, bio dan mikrobial reduksi, fotokatalisis dan adsorpsi. Diantara beberapa metode tersebut, adsorpsi merupakan teknik yang paling luas diaplikasikan karena memiliki efektifitas yang tinggi, desain yang sederhana, pengoperasian yang mudah, serta relatif murah. Pengembangan adsorben berbasis material berstruktur nano menarik perhatian lebih dibandingkan adsorben konvensional. Nanomaterial berbasis karbon seperti fullerene, carbon nanotubes (CNTs) dan graphene telah dilaporkan memiliki luas permukaan yang besar dengan kapasitas adsorpsi yang lebih tinggi, bila dibandingkan adsorben kovensional lainnya seperti alumina, silica dan resin sintesis. Namun, dari ketiga kelompok besar tersebut, grafena dan turunannya memiliki kelebihan yaitu dapat disintesis dengan lebih mudah, serta memiliki kapasitas adsorpsi yang lebih tinggi.
Salah satu material turunan graphene yang dapat menyediakan permukaan dengan sifat yang cocok untuk meningkatkan kapasitas adsorpsi ialah graphene oxide (GO). GO sebagai nanomaterial monolayer atau few layer graphene memiliki gugus fungsional seperti epoksi, hidroksi, dan karboksil pada struktur karbonnya sehingga menghadirkan lebih banyak sisi aktif. Efektifitas proses pemisahan massa dan reusability adsorben menjadi alasan untuk menghadirkan adsorben bersifat magnetik, yaitu kombinasi nanopartikel magnetik Fe3O4 pada lembaran GO dalam bentuk material magnetik nanokomposit GO-Fe3O4 yang disintesis dengan metode in situ co-precipitation.
Dalam laporan ini, sintesis material GO-Fe3O4 untuk penyisihan ion Cr(VI) dilakukan dengan starting materials berupa grafit dari biomassa kayu kesambi (Schleichera oleosa) yang dilaporkan memiliki cadangan karbon berupa selulosa dan hemiselulosa mencapai 65-75%. Material hasil sintesis dikarakterisasi dengan menggunakan instrument FTIR, XRD, dan SEM- EDX dengan karakterisik yang sesuai untuk digunakan sebagai adsorben Cr(VI). Data FTIR menunjukan bahwa material yang disintesis telah memiliki gugus fungsi karakteristik yang sesuai seperti hidroksil (-OH), karbonil (C=O), C=C, epoksi (C-O-C) dan alkoksi (C-O) dan membuktikan adanya pembentukan ikatan koordinasi C-O-Fe. Analisis XRD menunjukkan adanya puncak karateristik pada material nanokomposit GO-Fe3O4, yaitu dengan bidang kristal secara berturut-turut (220), (311), (400), (422), (511) dan (440) yang sesuai untuk standar Fe3O4 (JCPDS No. 88-0315). Analisis SEM-EDX memperlihatkan keberadaan struktur lembar berlapis few layers dari graphene oxide dengan konstituen mayor unsur Fe (41.95 At%), unsur O (40.27 At%) dan unsur C (17.78 At%) pada komposit yang disintesis.
Studi adsorpsi Cr(VI) pada GO-Fe3O4 diawali dengan optimasi beberapa parameter dengan hasil kondisi optimum pada pH 2, massa adsorben 0,1 g, waktu kontak 80 menit dan temperature 298 K. Studi kinetika dengan sembilan model yaitu pseudo-first-order (PFO), pseudo-second-order (PSO), bangham, elovich, intraparticle diffusion, modified pseudo-first- order (MPFO), modified pseudo-first-order-2 (MPFO-2), modified pseudo-second-order (MPSO), modified pseudo-second-order-2 (MPSO-2). Hasil analisis menunjukkan bahwa adsorpsi Cr(VI) pada permukaan GO-Fe3O4 mengikuti model PSO dengan nilai koefisien korelasi tertinggi (R2=0,993). Isotherm adsorpsi dievaluasi menggunakan lima model isotherm yaitu Langmuir, freundlich, dubinin–radushkevich (DKR), temkin dan brunauer–emmett–teller (BET). Hasil analisis isoterm adsorpsi menunjukkan data eksperimen memiliki kesesuaian yang tinggi dengan model isotherm Langmuir dengan nilai koefisien korelasi R2 = 0.998 dan kapasitas adsorpsi mencapai 3,197 mg/g. Interpretasi data termodinamika menunjukkan bahwa adsorpsi terjadi secara eksotermis, penurunan keacakan atau ketidakraturan pada permukaan adsorben terjadi selama proses adsorpsi. Nilai enthalpi isosterik memperlihatkan bahwa adsorpsi sangat dipengaruhui oleh jumlah adsorbat awal dimana kecenderungan nilai entalpi isosterik mengalami penurunan seiring meningkatnya jumlah ion Cr(VI).
Penulis: Dr. Handoko Darmokoesoemo, Drs., DEA
Grup riset Ilmu dan Teknologi Lingkungan, Kimia Lingkungan Departemen Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Darmokoesoemo, H., Neolaka, Y. A. B., Lawa, Y., Naat, J. N., Riwu, A. A. P., Iqbal, M., & Kusuma, H. S. The adsorption of Cr(VI) from water samples using graphene oxide-magnetic (GO-Fe3O4) synthesized from natural cellulose-based graphite (kusambi wood or Schleichera oleosa): Study of kinetics, isotherms and thermodynamics. Journal of Materials Research and Technology, 9(3), 6544–6556 (2020).
Link: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2238785420312059
