Adsorpsi

Adsorpsi atau penjerapan^[1] adalah suatu proses yang terjadi ketika suatu zat alir, cairan maupun gas, terikat kepada suatu padatan atau cairan (zat penjerap, adsorben) dan akhirnya membentuk suatu lapisan tipis atau film (zat terjerap, adsorbat) pada permukaannya. Berbeda dengan absorpsi yang merupakan penyerapan (bukan penjerapan) fluida oleh fluida lainnya membentuk suatu larutan.

Adsorpsi secara umum adalah proses penggumpalan substansi terlarut (soluble) yang ada dalam larutan, oleh permukaan zat atau benda penjerap, di mana terjadi suatu ikatan kimia fisika antara substansi dengan penjerapnya.

Definisi lain menyatakan adsorpsi sebagai suatu peristiwa penjerapan (bukan penyerapan) pada lapisan permukaan atau antarfasa, di mana molekul dari suatu materi terkumpul pada bahan penjerap atau adsorben.^[2]

Adsorpsi dibedakan menjadi dua jenis, yaitu adsorpsi fisika yang disebabkan oleh gaya Van Der Waals (penyebab terjadinya kondensasi gas untuk membentuk cairan) yang ada pada permukaan adsorben dan adsorpsi kimia (terjadi reaksi antara zat yang dijerap dengan adsorben, banyaknya zat yang teradsorbsi tergantung pada sifat khas zat padatnya yang merupakan fungsi tekanan dan suhu)

Adsorpsi fisika

Berhubungan dengan gaya Van der Waals. Apabila gaya tarik menarik antara zat terlarut dengan adsorben lebih besar dari gaya tarik menarik antara zat terlarut dengan pelarutnya, maka zat yang terlarut akan diadsorpsi pada permukaan adsorben. Adsorpsi ini mirip dengan proses kondensasi dan biasanya terjadi pada temperatur rendah. Pada proses ini gaya yang menahan molekul fluida pada permukaan solid relatif lemah, dan besarnya sama dengan gaya kohesi molekul pada fase cair (gaya van der waals) mempunyai derajat yang sama dengan panas kondensasi dari gas menjadi cair, yaitu sekitar 2.19-21.9 kg/mol. Keseimbangan antara permukaan solid dengan molekul fluida biasanya cepat tercapai dan bersifat reversibel. Adsorbsi dapat memurnikan suatu larutan dari zat-zat pengotornya.

Adsorpsi kimia

Yaitu reaksi yang terjadi antara zat padat dengan zat terlarut yang teradsorpsi. Adsorpsi ini bersifat spesifik dan melibatkan gaya yang jauh lebih besar daripada adsorpsi fisika. Panas yang dilibatkan adalah sama dengan panas reaksi kimia. Menurut Langmuir, molekul teradsorpsi ditahan pada permukaan oleh gaya valensi yang tipenya sama dengan yang terjadi antara atom dalam molekul. Karena adanya ikatan kimia maka pada permukaan adsorben akan terbentuk suatu lapisan, di mana terbentuknya lapisan tersebut akan menghambat proses penjerapan selanjutnya oleh bantuan adsorben sehingga efektivitasnya berkurang.

Kinetika Adsorpsi

Seperti halnya kinetika kimia, kinetika adsorpsi juga berhubungan dengan laju reaksi. Hanya saja, kinetika adsorpsi lebih khusus, yang hanya membahas sifat penting dari permukaan zat. Kinetika adsorpsi yaitu laju penjerapan suatu fluida oleh adsorben dalam suatu jangka waktu tertentu. Kinetika adsorpsi suatu zat dapat diketahui dengan mengukur perubahan konsentrasi zat terjerap tersebut, dan menganalisis nilai k (berupa slope/kemiringan) serta mem-plot-kannya pada grafik. Kinetika adsorpsi dipengaruhi oleh kecepatan adsorpsi. Kecepatan adsorpsi dapat didefinisikan sebagai banyaknya zat yang teradsorpsi per satuan waktu. Seperti halnya laju reaksi, banyak faktor yang mempengaruhi kinetika adsorpsi atau cepat atau lambatnya penjerapan terjadi. Kecepatan atau besar kecilnya adsorpsi dipengaruhi oleh beberapa hal, diantaranya:

• Macam adsorben:

contoh adsorben yang paling sering digunakan adalah karbon aktif

• Macam zat yang diadsorpsi (adsorbate):

Macam zat yang diadsopsi juga sangat berpengaruh karena semakin banyak zat-zat impuritis (zat pengotor) pada suatu fluida atau larutan maka semakin lambat kinetika atau kecepatan penjerapannya (adsorpsi)

• Luas permukaan adsorben:

semakin luas permukaan adsorben maka semakin cepat efektif kemampuan menjerap zat-zat impuritis sehingga larutan menjadi lebih murni dan cenderung lebih bersih dari zat-zat impuritis atau zat-zat pengotor tersebut.

• Konsentrasi zat yang diadsorpsi (adsorbate):

Semakin tinggi konsentrasi maka ion yang dihasilkan juga semakin banyak sehingga mempengaruhi adsorpsi atau penjerapan larutan tersebut.

• Temperatur:

Semakin tinggi temperatur (suhu) semakin sulit untuk menjerap zat, temperatur lebih efektif digunakan untuk adsopsi adalah temperatur kamar (suhu ruang: 298 K)

• Kecepatan putar sentrifugasi:

Semakin cepat kecepatan sentrifugasi maka semakin cepat larutan tersebut murni dan hal tersebut biasa dilakukan pada percobaan konduktometri, yaitu daya hantar listriknya yang semakin tinggi pula.

Saat ini, material Upsalite juga merupakan zat yang memiliki kekuatan adsorpsi tertinggi. Hal ini dikarenakan luas permukaannya yang sangat besar, yaitu mencapai 800 m² per gram. Material ini dikatakan mampu menurunkan kelembaban udara di sekitarnya dari 95% menjadi 5%.^[3]

Isoterm

Peristiwa adsorpsi gas dan zat terlarut dapat dijelaskan melalui isoterm, yaitu jumlah adsorbat pada adsorben merupakan fungsi dari tekanan (jika gas) atau konsentrasi (untuk zat terlarut fase cair) pada suhu konstan. Kuantitas yang diserap hampir selalu dinormalisasi oleh massa adsorben untuk memungkinkan perbandingan bahan yang berbeda. Sampai saat ini, terdapat 15 model isoterm yang telah dikembangkan.^[4] Pemodelan adsorpsi isoterm merupakan data kuantitatif untuk mengetahui interaksi adsorbat dan adsorben yang terlibat. Dua pendekatan model adsorpsi yang umum digunakan adalah isoterm Freundlich dan Langmuir.^[5]

Freundlich

Isoterm Freundlich mendefinisikan adsorpsi fisika yang terjadi pada beberapa lapisan adsorbat. Isoterm Freundlich biasanya digunakan untuk mendeskripsikan adsorpsi senyawa organik dan inorganik dalam larutan. Asumsi yang digunakan pada isoterm Freundlich adalah terdapat permukaan heterogen dengan beberapa jenis pusat adsorpsi yang aktif.^[6]

Model isoterm matematis pertama diterbitkan oleh Freundlich dan Kuster (1906) dan merupakan formula empiris murni untuk adsorbat gas:

${\displaystyle {\frac {x}{m}}=kP^{1/n},}$

Di mana ${\displaystyle x}$ adalah massa adsorbat yang teradsorpsi, ${\displaystyle m}$ adalah massa adsorben, ${\displaystyle P}$ adalah tekanan adsorbat (dapat diganti menjadi konsentrasi untuk larutan), ${\displaystyle k}$ dan ${\displaystyle n}$ adalah konstanta empiris untuk masing-masing pasangan adsorben dan adsorbat pada suatu temperatur.

Langmuir

Irving Langmuir adalah orang pertama yang menurunkan isoterm adsorpsi berbasis ilmiah pada tahun 1918.^[7] Isoterm Langmuir menjelaskan bahwa kapasitas adsorben maksimum terjadi akibat adanya lapisan tunggal (monolayer) adsorbat pada permukaan adsorben. Empat asumsi yang digunakan pada pemodelan isoterm Langmuir adalah:^[8]

1) Molekul adsorbat diadsorpsi oleh jumlah situs yang tetap.

2) Setiap situs dapat mengikat satu molekul adsorbat.

3) Semua situs memiliki energi yang sama.

4) Tidak ada interaksi antara molekul teradsorpsi dengan situs di sekitarnya

BET

Seringkali molekul membentuk multilayer, di mana beberapa molekul teradsorpsi pada molekul yang sudah teradsorpsi yang menjadikan isoterm Langmuir tidak valid. Pada tahun 1938, Stephen Brunauer, Paul Emmett, dan Edward Teller mengembangkan model isoterm yang memperhitungkan kemungkinan tersebut. Teori mereka disebut teori BET, diambil dari inisial nama belakang mereka. Mereka memodifikasi mekanisme Langmuir sebagai berikut:

A_(g) + S ⇌ AS,

A_(g) + AS ⇌ A₂S,

A_(g) + A₂S ⇌ A₃S dan seterusnya.

Dari ketiga persamaan di atas diperoleh:

${\displaystyle {\frac {x}{v(1-x)}}={\frac {1}{v_{\text{mon}}c}}+{\frac {x(c-1)}{v_{\text{mon}}c}},}$

Di mana x is the tekanan dibagi dengan tekanan uap adsorbat pada suatu temperatur (biasanya dilambangkan dengan ${\displaystyle P/P_{0}}$), v adalah volume STP dari adsorbat yang teradsorp, v_mon adalah volume STP dari jumlah adsorbat yang diperlukan untuk membentuk monolayer, dan c adalah konstanta kesetimbangan (K pada persamaan Langmuir dikalikan dengan tekanan uap adsorbat).

Isoterm Langmuir biasanya lebih cocok digunakan untuk adsorpsi kimia, sedangkan isoterm BET lebih cocok digunakan untuk adsorpsi fisika untuk permukaan tidak berpori (non-microporous).

Referensi

1. "Arti kata penjerapan". Badan Pengembangan dan Pembinaan Bahasa, Kemendikbud. KBBI Daring. Diakses tanggal 14 November 2022. 
2. https://www.researchgate.net/publication/334882875_Artikel_Review_Adsorpsi_Zat_Warna_menggunakan_Material_Anorganik
3. [www.io9.com/swedish-researchers-create-an-impossible-material-by-880572412 Swedish researchers create ‘an impossible material’ by mistake].
4. Foo, K. Y.; Hameed, B. H. (2010-01-01). "Insights into the modeling of adsorption isotherm systems". Chemical Engineering Journal (dalam bahasa Inggris). 156 (1): 2–10. doi:10.1016/j.cej.2009.09.013. ISSN 1385-8947. 
5. Singh, Surinder; Verma, L.; Sambi, S.; Sharma, S. (2008). "Adsorption Behaviour of Ni (II) from Water onto Zeolite X: Kinetics and Equilibrium Studies". www.semanticscholar.org (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2023-01-13. 
6. Hui, K. S.; Chao, C. Y. H.; Kot, S. C. (2005-12-09). "Removal of mixed heavy metal ions in wastewater by zeolite 4A and residual products from recycled coal fly ash". Journal of Hazardous Materials. 127 (1-3): 89–101. doi:10.1016/j.jhazmat.2005.06.027. ISSN 0304-3894. PMID 16076523. 
7. "Internet journal of chemistry | WorldCat.org". www.worldcat.org (dalam bahasa Inggris). Diakses tanggal 2023-01-13. 
8. Helfferich, F. G. (1985-03). "Principles of adsorption & adsorption processes, by D. M. Ruthven, John Wiley & Sons, 1984, xxiv + 433 pp". AIChE Journal (dalam bahasa Inggris). 31 (3): 523–524. doi:10.1002/aic.690310335.  Periksa nilai tanggal di: |date= (bantuan)

Lihat juga

• Analis serapan gas