Analisa Spekhtrofotometer Serapan Atom ( AAS )

Spektrophotometry

Spektrofotometri merupakan suatu metoda analisa yang didasarkan pada pengukuran serapan  sinar monokromatis oleh suatu lajur larutan berwarna pada panjang gelombamg spesifik dengan menggunakan monokromator prisma atau kisi difraksi dengan detektor fototube.

Spektrofotometer sesuai dengan namanya adalah alat yang terdiri dari spektrofotometer dan fotometer. Spektrofotometer menghasilkan sinar dari spektrum dengan panjang gelombang tertentu dan fotometer adalah alat pemgukur intensitas cahaya yang ditransmisikan atau diadsorpsi. Jadi spektrofomewter digunakan untuk mengukur energi secara relative jika energy tersebut ditransmisikan, direfleksikan atau diemisikan sebagai fungsi dari panjang gelombang. Kelebihan spektofotometer dibandingkan fotometer adalah panjang gelombang dari sinar putih dapat lebih terseleksi dan ini diperoleh dengan alat pengurai seperti prisma, grating ataupun celah optis. Pada fotometer, sinar dengan panjang gelombang yang diinginkan diperoleh dengan berbagai filter dari berbagai warna yang mempunyai spesifikasi melewatkan trayek panjang gelombang tertentu. Pada fotometer filter, tidak mungkin diperoleh panjang gelombang yang benar-benar monokromatis, melainkan suatu trayek panjang gelombang 30-40 nm. Sedangkan pada spektrofotometer , panjang gelombang yang benar-benar terseleksi dapat diperoleh dengan bantuan alat pengurai cahaya seperti prisma. Suatu spektrofotometer tersusun dari sumber spektrum tampak yang kontinu, monokromator sel pengabsorpsi untuk larutan sampel atau blangko dan suatu alat untuk mengukur perbedaan absorpsi antara sampel dan blangko ataupun pembanding.

Benda bercahaya seperti matahari atau bohlam listrik memancarkan spektrum yang lebar terdiri atas panjang gelombang. Panjang gelombang yang dikaitkan dengan cahaya tampak itu mampu mempengaruhi selaput pelangi mata manusia dan karenanya menimbulkan kesan subyektif akan ketampakan (vision). Dalam analisis secara spektrofotometri terdapat tiga daerah panjang gelombang elektromagnetik yang digunakan, yaitu daerah UV  (200 – 380 nm), daerah visible (380 – 700 nm), daerah inframerah (700 – 3000 nm) (Khopkar 1990).

Suatu grafik yang menghubungkan antara banyaknya sinar yang diserap dengan frekuensi (panjang gelombang) sinar merupakan spektrum absorpsi. Transisi yang dibolehkan untuk suatu molekul dengan struktur kimia yang berbeda adalah tidak sama sehingga spektra absorpsinya juga berbeda. Dengan demikian, spektra dapat digunakan sebagai bahan informasi yang bermanfaat untuk analisis kualitatif. Banyaknya sinar yang diabsorpsi pada panjang gelombang tertentu sebanding dengan banyaknya molekul yang menyerap radiasi, sehingga spektra absorpsi juga dapat digunakan untuk analisis kuantitatif ( Rohman, Abdul, 2007).

Semua molekul dapat mengabsorpsi radiasi daerah UV-Vis karena mereka mengandung elektron, baik sekutu maupun menyendiri, yang dapat dieksitasikan ke tingkat energi yang lebih tinggi (Underwood, 2002).

Spektrophotometer Serapan Atom

Sejarah singkat tentang serapan atom pertama kali diamati oleh FROUNHOFER, yang pada saat itu menelaah garis-garis hitam pada spectrun matahari. Sedangkan yang memanfaatkan prinsip serapan atom pada bidang analisis adalah seorang Australia bernama Alan Walsh di tahun 1995. Sebelumnya ahli kimia banyak tergantung pada cara-caraspektrofotometrik atau metode spektrogenik. Beberapa cara ini dianggap sulit dan memakan banyak waktu, kemudian kedua metode tersebut segera digantikan dengan SpektometriSerapan Atom.

Disebut juga Spektroskopi Serapan Atom (SSA). Absorbsi atom adalah spektroskopi atom yang pertama kali dapat diandalkan untuk menganalisa adanya logam dalam sampel yang berasal dari lingkungan.

Prinsip dasar AAS

Dalam AAS kita mengukur serapan (absorbsi) yang dialami oleh seberkas sinar yang melalui kumpulan atom-atom. Serapan akan bertambah dengan bertambahnya jumlah atom yang menyerap sinar tersebut.

Sinar tersebut bersifat monokromatis dan mempunyai panjang gelombang (λ) tertentu. Suatu atom unsur X hanya bisa menyerap sinar yang panjang gelombangnya sesuai dengan unsur X tersebut. Artinya, sifat menyerap sinar ini merupakan sifat yang khas (spesifik) bagi unsur X tersebut. Misal : atom Cu menyerap sinar dengan λ = 589,0 nm sedangkan atom Pb menyerap sinar dengan λ = 217,0 nm. Dengan menyerap sinar yang khas, atom tersebut tereksitasi (elektron terluar dari atomnya tereksitasi ke tingkat energi yang lebih tinggi).

Hubungan antara serapan yang dialami oleh sinar dengan konsentrasi analit dalam larutan standar bisa dipergunakan untuk menganalisa larutan sampel yang tidak diketahui, yaitu dengan mengukur serapan yang diakibatkan oleh larutan sampel tersebut terhadap sinar yang sama. Biasanya terdapat hubungan yang linier antara serapan (A) dengan konsentrasi (c) dalam larutan yang diukur dan koefisien absorbansi (a).

                                          A = a . b . c

Dari hukum Lambert-Beer / Bouguer-Beer

”Bila  cahaya monokromatis dilewatkan pada media  transparan maka berkurangnya intensitas cahaya yang ditransmisikan sebanding dengan ketebalan (b) dan konsentrasi larutan.”

Cara sederhana untuk menemukan konsentrasi unsur logam dalam cuplikan adalah dengan dengan membandingkan nilai absorbans (Ax) dari cuplikan dengan absorbansi zat standar yang dikerahui konsentrasinya.

Ax = Cx                     

As = Cs

Dimana :          Ax = absorban sampel

                              As = absorban standar

                              Cx = konsentrasi sampel

                              Cs = konsentrasi standar

Komponen – komponen Atomic Absorption Spectrophotometer (AAS)

1.       Lampu katoda berongga (Hollow Cathode Lamp)

Lampu katoda berongga terdiri atas tabung gelas yang  diisi dengan gas argon (Ar) atau neon (Ne) bertekanan rendah (4-10 torr) dan di dalamnya dipasang sebuah katoda berongga dan anoda. Rongga katoda berlapis logam murni dari unsur obyek analisis. Misalnya : untuk pengukuran Fe diperlukan lapisan logam Fe. Batang anoda terbuat dari logam wolfram / tungsten (W).

2.       Ruang pengkabutan (Spray Chamber)

Merupakan bagian di bawah burner dimana larutan contoh diubah menjadi aerosol. Dinding dalam dari spray chamber ini dibuat dari plastik / teflon. Dalam ruangan ini dipasang peralatan yang terdiri atas :

·         Nebulizer glass bead atau impact bead (untuk memecahkan larutan menjadi partikel butir yang halus)

·         Flow spoiler (berupa baling-baling berputar, untuk mengemburkan butir / partikel larutan yang kasar)

·         Inlet dari fuel gas dan drain port (lubang pembuangan)

3.       Pembakar (Burner)

Merupakan alat dimana campuran gas (bahan bakar dan oksida) dinyalakan. Dalam nyala yang bersuhu tinggi itulah terjadi pembentukan atom-atom analit yang akan diukur. Alat ini terbuat dari logam yang tahan panas dan tahan korosi. Desain burner harus dapat mencegah masuknya nyala ke dalam spray chamber. Hal ini disebut ”blow back” dan amat berbahaya. Burner untuk nyala udara asetilen (suhu 2000 – 2200⁰ C) berlainan dengan untuk nyala nitrous oksida-asetilen (suhu 2900 – 3000⁰ C). Burner harus selalu bersih untuk menjamin kepekaan yang tinggi dan kedapatulangan (repeatability) yang baik.

4.       Monokromator & Slit (Peralatan optik)

Fungsi : untuk mengisolir sebuah resonansi dari sekian banyak spektrum yang dihasilkan oleh lampu katoda berongga.

5.       Detektor

Detektor yang biasa digunakan dalam AAS ialah jenis photomultiplier tube, yang jauh lebih peka daripada phototube biasa dan responnya juga sangat cepat (10^-9 det). Fungsinya untuk mengubah energi radiasi yng jatuh pada detektor menjadi sinyal elektrik / perubahan panas.

6.       Lain-lain

·         Pembuangan gas dan udara kotor (exhaust dust)

·         Pipa saluran gas

Metode Atomic Absorption Spectrophotometer (AAS)

1. Teknik Nyala

a.  Hydride Generation ( analisis logam volatile : As, Sb, Se, Sb, Sn )

1. Flame ( hampir semua logam, dalam ppm )

2. eknik Tanpa Nyala

1. Grafit Furnace ( hampir semua logam, dalam ppb )
2. Cold Vapor ( khusus logam Hg )

1.Metode Nyala ( Flame )

Sampel diaspirasikan ke spray chamber lewat kapiler dari nebulizer. Penyedotan ini akibat efek tekanan gas oksidan yang masuk ke nebulizer. Aliran larutan  ini keluar kapiler dengan kecepatan tinggi dan segera menumbuk silica glass bead di depannya sehingga terpecahlah larutan membentuk butir-butir kabut. Kabut ini  bercampur dengan gas membentuk aerosol. Setelah proses pengkabutan, campuran gas naik menuju burner maka terjadi  proses pemanasan dan pengatoman. Setelah itu terjadi penyerapan sinar oleh atom, banyaknya sinar yang diserap berbanding lurus dengan kadar zat.

2.Metode Tanpa Nyala ( Flameless )

Atomisasi tanpa nyala dilakukan dengan energi listrik pada batang karbon yang biasanya berbentuk tabung grafit. Contoh diletakkan dalam tabung grafit dan listrik dialirkan melalui tabung  tersebut sehingga tabung dipanaskan dan contoh akan teratomisasikan. Temperatur tabung grafit dapat diatur dengan merubah arus listrik yang dialirkan, sehingga kondisi temperatur optimum untuk setiap macam contoh / unsur yang dianalisa dapat dicapai dengan mudah.

3.Metode Cold Vapor

Pada metode ini senyawa raksa ( Hg ) dalam contoh uji dioksidasikan dengan penambahan KmnO₄ menjadi Hg²⁺ pad5a proses destruksi ( dengan waterbath ) pada suhu 95⁰ C, proses destruksi dilakukan dalam suasana asam Hg²⁺ yang terbentuk direduksi oleh SnCl₂ menjadi Hg⁰ ( uap Hg ). Kemudian atom netral tersebut akan menguap sebagai atom-atom bebas dan didorong oleh udara ke sel. Jika cahaya dengan panjang gelombang lampu katoda Hg melalui sel, maka sinar yang diabsorbsi oleh Hg berbanding lurus dengan kadar Hg.

Analisa NH4+ dalam Air

Metode Analisa (NH₄⁺)

 Metode penetapan kadar (NH₄⁺)  adalah dengan :

1.    Metode Nessler

Kadar ammonium dapat diukur dengan menggunakan metode Nessler kualitatif dan kuantitatif. Dimana metode nessler kualitatif yaitu dengan cara menggunakan reagen Nessler dan larutan garam Rochelle. Dimana warna sampel dibandingkan dengan warna larutan standart (NH₄⁺) atau larutan stock ammonium. Warna sampel yang paling mendekati warna larutan stock ammonium itulah yang paling tinggi kadar ammoniumnya. Metode Nessler secara kuantitatif yaitu dapat digunakan dengan spektrofotometri. Metode ini menggunakan reagen Nessler dan larutan garam seignette. Kadar ammonium pada kultur diukur setiap hari dengan mengambil 25 ml air sampel kultur, diberi 1-2 tetes pereaksi garam seignette dan 0,5 ml pereaksi Nessler, dikocok, dibiarkan selama 10 menit, kemudian ditera intensitasnya pada panjang gelombang 420 nm dengan menggunakan spectrometer merk spektronik 20 dari Milton Ray Company. Absorbs yang didapat dihubungkan dengan persamaan pada kurva standar ammonium untuk mengetahui konsentrasi ammonium pada sampel air kultur. Prinsip penentuan (NH₄⁺) adalah (NH₄⁺) dengan reagen Nessler akan menjadi warna kuning kecoklatan, dan warna ini dapat diukur dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 425 nm. Dapat dihitung dengan deret standart yang telah diketahui kadarnya dan dihitung secara regresi linier.

2.                     Metode Rochelle

Dimana garam Rochelle dibuat dengan cara melarutkan 50 ml KNaTartrat dalam 100 ml aquades.

3.             Metode Ion Kromatografi.

Dalam metode ini menggunakan metode ion kromatografi dengan kondisi pengukuran untuk ammonium menggunakan kolom Dionex Ion Pac CS, sebagai eluen larutan methyl sulfonic acid 18 mM, detektor Conductivity DX 5000 pada temperatur 40⁰C. Untuk mengetahui unjuk kerja metode ini dilakukan penentuan presisi metode dengan cara mengukur contoh air limbah sebanyak 6 kali pengulangan.

Kelebihan dan Kelemahan Metode Analisa (NH₄⁺)

 Kelebihan  dan kelemahan metode analisa (NH₄⁺) adalah

1.             Metode Nessler secara kualitatif

Kelebihannya adalah dimana waktu dalam pengerjaannya lebih singkat karena hanya membandingkan warna sampel dengan warna larutan stock (NH₄⁺) sedangkan kelemahannya adalah hasil yang diperoleh tidak akurat karena hanya mengira – ngira saja atau dengan kata lain hasil tidak pasti.

2.             Metode Nessler secara kuantitatif

          Kelebihannya adalah hasil yang diperoleh lebih akurat karena dilakukan dua kali pengerjaan dimana pertama dilakukan penambahan reagen Nessler kedalam sampel dicampurkan dengan larutan garam maka akan terbentuk warna kuning kecoklatan, dan warna inilah yang diukur dengan spectrometer pada panjang gelombang 425 nm. Setelah itu dapat dihitung dengan deret standart yang telah diketahui kadarnya dan dapat dihitung secara regresi linier. Dan kelemahannya dalam  pengerjaannya lebih lama daripada metode nessler secara kualitatif karena pengujian pada metode nessler secara kuantitatif dua kali pengerjaan.

  Penanggulangan Kelebihan/Kekurangan Kadar (NH₄⁺)

Jika kelebihan kadar ammonium dapat ditanggulangi dengan cara :

1.             Memanfaatkan enceng gondok. Enceng gondok dalam perairan dapat mengurangi kadar ammonium dalam air yaitu dengan cara berdasarkan umur dan lama kontak. Jika berdasarka umur yaitu dengan menggunakan enceng gondok yang tua dan muda dalam air. Tapi jika dengan lama kontak yaitu dengan lama waktu perlakuan yaitu dengan waktu 2 hari, 4 hari, 6 hari. Jadi dapat dilihat bagaimana penyerapan NH₄⁺ selama 2 hari, 4  hari, 6 hari dan pengaruh penyerapan  NH₄⁺ terhadap enceng gondok yang tua dan muda.

2.             Menggunakan sistem pengolahan dengan cara adsorpsi. Sistem operasi yang dipergunakan adalah batch dan kontinyu. Sedangkan adsorbat (kontaminan) yang dipergunakan adalah limbah artifisial, yaitu larutan ammonium klorida. Pada sistem batch, terdapat empat variabel bebas yang divariasikan, yaitu : pertama, konsentrasi sorbat, terdiri dari 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm, 40 ppm, 80 ppm, dan 100 ppm. Faktor yang kedua adalah waktu kontak, terdiri dari 2 jam, 4 jam, 6 jam, 24 jam, dan 48 jam. Sedangkan faktor yang ketiga yaitu perlakuan awal adsorben: dengan pemanasan dan penambahan asam. Faktor terakhir yaitu jenis adsorben yang digunakan: bentonit dan kaolin.

Jika kekurangan kadar ammonium dapat ditanggulangi dengan cara :

1.             Memperbanyak kandungan ammonia dalam air karena ammonia dalam air membentuk ammonium.

2.             Ammonia dapat berswa-ionisasi menghasilkan ammonium.

Analisa Hardness dalam Air

Pengertian Hardness

Kesadahan air (hardness) adalah kandungan mineral-mineral tertentu di dalam air, umumnya ion kalsium (Ca) dan magnesium (Mg) dalam bentuk garam karbonat..Kesadahan merupakan petunjuk kemampuan air untuk membentuk busa apabila dicampur dengan sabun. Pada air berkesadahan rendah, air akan dapat membentuk busa apabila dicampur dengan sabun. Sedang pada air berkesadahan tinggi tidak akan terbentuk busa. Air sadah atau air keras adalah air yang memiliki kadar mineral yang tinggi, sedangkan air lunak adalah air dengan kadar mineral yang rendah. Selain ion kalsium dan magnesium, penyebab kesadahan juga bisa merupakan ion logam lain maupun garam-garam bikarbonat dan sulfat. Metode paling sederhana untuk menentukan kesadahan air adalah dengan sabun. Dalam air lunak, sabun akan menghasilkan busa yang banyak. Pada air sadah, sabun tidak akan menghasilkan busa atau menghasilkan sedikit sekali busa. Cara yang lebih kompleks adalah melalui titrasi. Kesadahan air total dinyatakan dalam satuan ppm berat per volume (w/v) dari CaCO₃.

Klasifikasi Hardness

Kesadahan air (hardness) dibagi dalam dua tipe yaitu :

1.      Kesadahan umum (General hardness)

Kesadahan umum atau "General Hardness" merupakan ukuran yang menunjukkan jumlah ion kalsium (Ca²⁺) dan ion magnesium (Mg²⁺) dalam air. Ion-ion lain sebenarnya ikut pula mempengaruhi nilai GH, akan tetapi pengaruhnya diketahui sangat kecil dan relatif sulit diukur sehingga diabaikan.

GH pada umumnya dinyatakan dalam satuan ppm (part per million/ satu persejuta bagian) kalsium karbonat (CaCO3), tingkat kekerasan (dH), atau dengan menggunakan konsentrasi molar CaCO3. Satu satuan kesadahan Jerman atau dH sama dengan 10 mg CaO (kalsium oksida) per liter air. Di Amerika, kesadahan pada umumnya menggunakan satuan ppm CaCO3, dengan demikian satu satuan Jerman (dH) dapat diekspresikan sebagai 17.8 ppm CacO3. Sedangkan satuan konsentrasi molar dari 1 mili ekuivalen = 2.8 dH = 50 ppm.

2.      Kesadahan Karbonat

Kesadahan karbonat atau KH merupakan besaran yang menunjukkan kandungan ion bikarbonat (HCO3-) dan karbonat (CO3--) di dalam air. Dalam akuarium air tawar, pada kisaran pH netral, ion bikarbonat lebih dominan, sedangkan pada akuarium laut, ion karbonat lebih berperan.Selain itu jenis kesadahan lainnya yaitu sebagai berikut :

1.       Kesadahan sementara adalah kesadahan yang disebabkan oleh adanya garam-garam bikarbonat, seperti Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂.

 2.  Kesadahan tetap adalah kesadahan yang disebabkan oleh adanya garam-garam klorida, sulfat dan karbonat, misal CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂.

 Faktor yang mempengaruhi Hardness

Faktor-faktor yang mempengaruhi hardness adalah sebagai berikut:

·         Kandungan ion kalsium,

·         Kandungan ion magnesium,

·         Kandungan garam-garam bikarbonat,

·         Kandungan garam-garam karbonat,

·         Kandungan garam-garam klorida,

   ·         Kandungan garam-garam sulfat,

·         Dan ion logam lainnya.

 Penanggulangan Hardness

 Penanggulangan Kesadahan Sementara

Kesadahan sementara dapat dihilangkan dengan cara mendidihkan atau menambahkan kapur. Dalam keadaan panas, garam-garam Ca (HCO₃)₂ dan Mg (HCO₃)₂ terurai dan ion-ion Ca²⁺ atau Mg²⁺ mengendap sebagai CaCO₃ atau MgCO₃^-.

Persamaan reaksi :

Ca (HCO₃)₂ (aq) pemanasan→ CaCO₃ (S) + H₂O (1) + CO₂ (g)

Mg (HCO₃)₂  (aq) pemanasan →MgCO₃ (S) + H₂O (1) + CO₂ (g)

 Penanggulangan Kesadahan Tetap

Sedangkan kesadahan tetap tidak dapat dihilangkah dengan pemanasan, tetapi harus direaksikan dengan soda, Na₂CO₃ atau kapur, Ca(OH)₂, sehingga ion-ion Ca²⁺ dan Mg²⁺ akan mengendap.

Persamaan reaksi :

CaSO₄ (aq) + Na₂CO₃ (aq) → CaCO₃ (S) + Na₂SO₄ (aq)

MgSO₄ (aq) + Na₂CO₃ (aq) → MgCO₃ (S) + Na₂SO₄ (aq)

MgCl₂ (aq) + Na(OH)₂ (aq)  →Mg(OH)₂ (S) + CaCl₂ (aq)

Metode Analisis Hardness

          Banyak cara yang dapat dilakukan untuk analisis dan menurunkan kesadahan,yaitu sebagai berikut:

a.       Reverse osmosis adalah kebalikan dari proses asmosis alami. Osmosis adalah perpindahan cairan dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah yang melewati membrane semipermeabel sedangkan untuk reverse osmosis adalah perpindahan cairan dari konsentrasi rendah ke konsentrasi tinggi. Hasil reverse osmosis akan memiliki kesadahan = 0, oleh karena itu air ini perlu dicampur dengan air keran sedemikian rupa sehingga mencapai nilai kesadahan yang diperlukan.Reverse osmosis memiliki keunggulan, seperti:efisiensi yang tinggi, biaya yang rendah dan kualitas air yang di hasilkan sangat berkualitas.

b.      Resin pelunak air komersial dapat digunakan dalam skala kecil, meskipun demikian tidak efektif digunakan untuk sekala besar. Produk-produk komersial pengolah air untuk keperluan rumah tangga pada umumnya tidak cocok digunakan, karena mereka sering menggunakan prinsip pertukaran kation dalam prosesnya. Dalam prosoes ini natrium (Na) pada umumnya digunakan sebagai ion penukar, sehingga pada akhirnya natrium akan berakumulasi pada hasil air hasil olahan. Kelebihan natrium (Na) dalam air akuarium merupakan hal yang tidak dikehendaki.

c.       Pengenceran dengan menggunakan air destilasi dapat pula dilakukan untuk menurunkan kesadahan. Penurunan secara alamiah dapat pula dilakukan dengan menggunakan jasa asam-asam organik. Asam ini berfungsi persis seperti halnya yang terjadi pada proses deionisasi yaitu dengan menangkap ion-ion dari air pada gugus-gusus karbonil yang terdapat pada asam organik. Beberapa media yang banyak mengandung asam-asam organik ini diantaranya adalah gambut yang berasal dari Spagnum, daun ketapang, kulit pohon Oak, dll.  Proses dengan gambut dan bahan organik lain biasanya akan menghasilkan warna air kecoklatan seperti air teh. Sebelum gambut digunakan dianjurkan untuk direbus terlebih dahulu, agar organisme-organisme yang tidak dikehendaki hilang.

d.      Menurunkan kesadahan dapat pula dilakukan dengan menanam tanaman "duck weed" atau Egeria densa. Sedangkan untuk meningkatkan kesadahan bisa dilakukan dengan memberikan dekorasi berbahan dasar kapur, seperti tufa atau pasir koral. Atau dengan melalukan air melewati pecahan marble (batu marmer) atau bahan berkapur lainnya.