Path: Top > S3-Dissertations > Chemical Engineering-FTI > 2018

PEMANFAATAN BIOSORBEN MIKROALGA PERAIRAN DARAT UNTUK PENYISIHAN KADMIUM PADA AIR LIMBAH INDUSTRI

THE USE OF FRESHWATER MICROALGAE AS BIOSORBENT FOR CADMIUM REMOVAL FROM INDUSTRIAL WASTE WATER

PhD Theses from JBPTITBPP / 2018-06-22 13:18:37
Oleh : AWALINA - NIM: 33013001 , S3 - Chemical Engineering-FTI
Dibuat : 2018-06-22, dengan 1 file

Keyword : Biosorpsi ion kadmium, mikroalga, Aphanothece sp, kolom unggun tetap, isoterm kesetimbangan, pemodelan mekanistik, air limbah industri



Kegiatan antropogenik meningkatkan pencemaran ion kadmium (Cd2+) pada ekosistem akuatik dan emisi gas karbondioksida (CO2) di atmosfer. Hal ini meningkatkan prevalensi gangguan kesehatan akibat toksisitas ion Cd2+ pada manusia dan efek pemanasan global. Mikroalga perairan darat dengan kemampuannya untuk berfotosintesis sekaligus mengikat ion Cd2+ dalam biomassanya, sangat berpotensi untuk digunakan sebagai basis teknologi alternatif untuk mengatasi permasalahan pencemaran ion Cd2+ dan mengurangi efek pemanasan global. Penelitian ini dilakukan untuk mengeksplorasi pemanfaatan mikroalga perairan darat yang berasal dari perairan setempat Indonesia sebagai biosorben ion Cd2+ sekaligus agen biofiksasi CO2.


Situ Rawa Kalong-Depok (Jawa Barat) adalah sebuah perairan danau urban hipereutrofik yang dikelilingi beberapa industri manufaktur berbasis kimia, pemukiman padat penduduk, dan dekat dengan jalan raya. Pencapaian sasaran penelitian disertasi ini didekati dengan kajian tentang hasil isolasi/aklimatisasi mikroalga resisten ion Cd2+ yang berasal dari perairan situ tersebut, kultivasi isolat mikroalga terpilih dan pembuatan biosorben dari hasil kultivasi secara fotoautotrofik pada fotobioreaktor di laboratorium. Kemudian proses biosorpsi ion Cd2+ dilakukan dalam sistem partaian dan kontinu berupa kolom unggun-tetap. Analisis data biosorpsi partaian dilakukan untuk mengetahui isoterm kesetimbangan, kinetika, dan termodinamika proses. Data kurva breakthrough (BT) yang dihasilkan dari observasi proses biosorpsi pada kolom unggun-tetap (fixed bed) digunakan untuk analisis kinerja sistem kolom. Pemodelan empiris (model Thomas, Adam-Bohart, dan Yoon-Nelson) dilakukan untuk prediksi konstanta kinetika, kapasitas maksimum biosorpsi kolom, dan waktu BT. Pemodelan mekanistik MELDA (Model Ekuilibrium Lokal Dispersi Aksial) digunakan untuk memodelkan dan memprediksi kurva BT. Pemodelan MELDPH (Model Ekuilibrium Lokal Difusi Partikel Homogen) digunakan untuk memprediksi distribusi ion Cd 2+ pada partikel biosorben.


Pada kajian pertama, dilakukan isolasi dan aklimatisasi isolat mikroalga sianobakteri yang berasal dari Situ Rawa Kalong-Depok. Mikroalga ini telah diketahui mampu mengikat ion Cd2+ dalam biomassanya hingga 4.150 kali dibanding perairan tempat hidupnya tanpa menimbulkan gangguan pada sel-selnya.


Kultivasi isolat mikroalga dilakukan pada fotobioreaktor yang diberi masukan gas CO2 0,04 % (atmosferik), 8 %, 15 % selama 14 hari di laboratorium menghasilkan biomassa berturut-turut kultivar A0, A8 dan A15. Masing-masing kultivar kemudian diolah menjadi biosorben yang digunakan pada kajian tahap ke dua. Aphanothece sp kultivar A15 ternyata paling prospektif untuk digunakan sebagai agen biosorpsi ion Cd 2+ sekaligus biofiksasi gas CO2 dalam mengatasi masalah gas CO2 berlebihan dari emisi gas buang (flue gas).


Kondisi optimum biosorpsi ketiga biosorben terjadi pada pH 8 dan waktu kontak 60 menit pada rentang konsentrasi awal ion Cd2+ 2,62 - 6,23 mg/L. Proses biosorpsi mengikuti model isoterm Langmuir (kapasitas maksimum (qmaks) 60,24 mg/g) dan Dubinin-Radushkevich yang menunjukkan sorpsi monolayer dan berlangsung secara kimia (kemisorpsi). Kinetika reaksi biosorpsi mengikuti model Pseudo Second Order. Secara termodinamika, biosorpsi menggunakan ketiga biosorben berlangsung spontan, eksotermik, dan lebih teratur pada saat akhir proses. Karakteristik fisika kimia biosorben kering terbaik adalah A15. Biosorben A15 bertahan lebih lama penggunaannya dalam siklus biosorpsi-desorpsi menggunakan larutan desorben 1 M HCl dibandingkan A8 dan A0. Dengan demikian, Aphanothece sp A15 merupakan biosorben terbaik untuk digunakan dalam sistem kontinu unggun-tetap.


Kinerja percobaan biosorpsi dalam kolom unggun-tetap menghasilkan qmaks, kol dan % EB tertinggi sebesar 8,20 mg/g pada tempuhan konsentrasi ion Cd2+ dalam influen (Cinf) = 4,85 mg/L dan 89,07 % pada tempuhan laju alir volumetrik (Q) = 10 mL/menit. Kinerja kolom biosorpsi sangat ditentukan oleh Cinf dan Q. Ketiga model empiris (Thomas, Adam-Bohart, dan Yoon-Nelson) hanya cocok untuk mengalurkan kurva BT yang dihasilkan dari tempuhan pada Q tetap. Ketiga model empiris tersebut tidak dapat digunakan untuk menjelaskan penyebab terjadinya penurunan qmaks, kol dan % EB kol tersebut. Pemodelan mekanistik (MELDA dan MELDPH) digunakan untuk menjelaskan hal tersebut.


Parameter utama dalam MELDA adalah koefisien dispersi aksial (Dz), berkisar 1,37E-06 sampai 2,72E-06 m2/detik. Penyimpangan hasil prediksi BT dengan MELDA terjadi pada operasi kolom dengan kombinasi Q dan Cinf rendah. Hal ini mengindikasikan adanya hambatan perpindahan massa. Fenomena penyimpangan tersebut dapat dijelaskan dengan MELDPH. Hasil MELDPH menunjukkan kecenderungan deposisi ion Cd2+ pada permukaan partikel biosorben yang lebih banyak pada sistem kolom-unggun tetap dibandingkan sistem partaian, hal ini yang mengakibatkan lebih rendahnya qmaks, kol dan % EB kol dibandingkan pada reaktor partaian. Simulasi MELDA pada kolom biosorpsi hipotetik menunjukkan bahwa peningkatan Q dan Cinf menghasilkan kurva-kurva BT yang makin curam. Simulasi MELDA harus dilakukan pada daerah kerja biosorpsi yang tidak dikendalikan oleh perpindahan massa. Penelitian ini mengusulkan grafik zonasi daerah kerja biosorpsi tersebut yang terletak pada kombinasi laju alir volumetrik dan konsentrasi ion Cd2+ dalam influen tertentu dan partikel biosoben dengan rerata diameter 83,1µm.




Deskripsi Alternatif :



The anthropogenic activities have elevated the cadmium (Cd2+) ion pollution in aquatic ecosystem and carbon dioxide (CO2) emission in the atmosphere. These increased the prevalence of health disorders caused by the cadmium as well as the global warming effect. The freshwater microalgae have been capable to conduct photosynthesis likewise to bioaccumulate Cd ion. In the future use, this technology might be implemented as the basis of the alternative technology to reduce both of the cadmium pollution and CO2 emission. This study was conducted to explore the use of the freshwater microalgae as the CO2 biofixer and cadmium bioremoval agents at once.


Four consecutive steps were conducted to achieve the objectives of the study. The first step was the isolation and cultivation of the Cd2+ resistant microalgae using photobioreactors in the laboratory, followed by the production of the dried biosorbent from harvested biomass. Subsequently, the second and third steps were the biosorption process of Cd2+ which conducted on batch and fixed bed systems. The batch biosorption was conducted for determination of the adsorption isotherm, kinetics and thermodynamics of the process. In the fourth step, the biosorption breakthrough (BT) curves of the fixed bed column were used for column performance analysis. The empirical models (Thomas, Adam-Bohart and YoonNelson models) utilized for prediction of the kinetic constant, the column's maximum biosorption capacity and time of BT. The mechanistic modelling of Local Equilibrium Model-Axially Dispersed (LEMAD) was applied for modelling and predicting the BT curves. Meanwhile, the modelling of the Local Equilibrium Model-Homogenous Particle Diffusion (LEMHPD) was employed for prediction of the Cd2+ ions distribution on a biosorbent particle.


The cyanobacter microalgae of Situ Rawa Kalong-Depok-West of Java, namely Aphanothece sp was capable to bioaccumulate Cd2+ up to 4,150 higher than its surrounding waters without disrupting its cells. This resistant microalgae observed being dominant (99.9% of the total microalgae abundance) on that area was known as Aphanothece sp. Therefore, the isolate was then cultivated in the laboratory photobioreactor which was fed by the gas of CO2 v/v of 0.04% (atmospheric), 8%, 15% for 14 days, resulting in the biomass of the cultivars those are A0, A8 and A15. Each of the cultivars then prepared as a biosorbent which will be used on the second step of this study. The cultivar of A15 was concluded as the most prospective to be utilized for Cd2+ biosorbent and CO2 gas biofixer in a sequence which is used to overcome pollution and global warming problems in the future.


The biosorption optimum condition of all biosorbents was observed in pH of 8 and contact time of 60 minutes for the initial of Cd2+ concentration ranged between 2.62 and 6.23 mg/L. It followed the Langmuir isotherm model (maximum capacity (qmax) of 60.24 mg/g) and Dubinin-Radushkevich isotherm which indicated a monolayer and chemical sorption. Biosorption kinetics obeyed the Pseudo Second Order model. The thermodynamic of biosorption occurred on the spontaneous, exothermic, and more ordered at the end of the process. The biosorbent of A15 were longer in use within three consecutive biosorption-desorption cycles using 1 M HCl (as a desorbent solution) compared to A8 and A0. Therefore, the Aphanothece sp A15 biosorbent was the best and chosen for further continuous biosorption tests.


The biosorption fixed bed column performance was determined by the Cinf and Q. The highest maximum biosorption capacity (qmaks, col ) of 8.20 mg/g observed on the initial Cd2+ concentration (Cinf) of 4.85 mg/L while the percentage of biosorption efficiency (% EB) of 89.07% on the volumetric flow (Q) of 10 mL/min. The three empirical models (Thomas, Adam-Bohart, and Yoon-Nelson) only appropriate for predicting BT curve resulted from the constant of Q operations. However, these three empirical models were unable to reveal the cause of the dropped of qmaks, col and % EB kol which occurred in the system. Therefore, the mechanistic modelling (LEMAD and LEMHPD) were needed.


The main parameter of LEMAD is the axial dispersion coefficient (Dz), it ranged from 5.7E-06 to 2.72E-06 m2/sec. Predicted BT curved deviated from LEMAD was occurred at low combination values of Q and Cinf. It was indicated that the existence of the mass transfer resistance. However, this deviation can be explained by LEMHPD, which showed that there was a higher tendency of the surface deposition of Cd2+ion on the biosorbent particle. It led to lowering of the qmaks, col and % EB col which observed in the column system than that of batch one. The BT curve simulation using LEMAD for BT curve prediction on hypothetical column biosorption showed that the increased of Q and Cinf caused steeper BT curves. The LEMAD simulations also must be performed on the certain biosorption working zone which does not control by the mass transfer. This dissertation proposed a zonation of biosorption working area which denoted with certain Q and Cinf combination dedicated to the average of a biosorbent particle diameter of 83.1 µm.



Copyrights : Copyright (c) 2001 by Perpustakaan Digital ITB. Verbatim copying and distribution of this entire article is permitted by author in any medium, provided this notice is preserved.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiS3 - Chemical Engineering-FTI
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Prof. Tjandra Setiadi

    Dr. Ardiyan Harimawan

    Prof. Gadis Sri Haryani, Editor: Irwan Sofiyan

File PDF...