PENJERAPAN LOGAM BERAT Pb, Cu, Ni DAN Zn OLEH BEBERAPA KOMPONEN PENTING TANAH ; MINERAL LEMPUNG, BAHAN ORGANIK, BAHAN AMORFUS DAN BAHAN BERKAPUR.

 

 

Kata kunci : Penjerapan, Logam berat, Kimia tanah, Persamaan Langmuir dan Isoterma penjerapan.

 

 

 

 

VINCENT NGOO TECK SWEE

A 78357

 

 

 

 

PENYELIA : DR. WAN ZUHAIRI

 

 

 

 

 

ABSTRAK

 

Perkembangan industri yang pesat pada tahun-tahun kebelakangan ini telah membawa kepada peningkatan dalam pencemaran tanah oleh logam berat. Kajian fenomena penjerapan adalah penting untuk menerangkan afiniti dan mekanisme penjerapan logam berat oleh komponen tanah seperti liat, karbonat, organik dan amorfus. Logam berat yang digunakan dalam kajian seperti Cu, Pb, Zn dan Ni kerap dijumpai dalam tanah tercemar. Ujian Keseimbangan Batch (BET – Batch Equilibrium Test) berpandukan kepada ASTM 1992 dan EPA 1992 digunakan untuk mendapatkan data penjerapan logam berat oleh setiap komponen tanah yang dikaji. Kemudiannya suatu isoterma penjerapan yang menunjukkan gambaran bergraf tentang jumlah logam berat yang dijerap pada partikel tanah dibentuk melalui persamaan Langmuir dengan data penjerapan yang telah diperolehi. Jangkaan hasil siri afiniti penjerapan dari kajian ini ialah  Pb>Cu>Zn>Ni.  Data eksperimental yang diperolehi dianalisis untuk menentukan nilai Kd dan Rf setiap komponen tanah dan hasil penentuan nilai Kd dan Rf  boleh diaplikasikan dalam kejuruteraan pelapik liat dan remediasi tanah.

 

 

PENGENALAN

 

 

Kapasiti bahan geologi  untuk melemahkan bahan cemar telah dikaji oleh ramai penyelidik. Potensi aplikasi penyelidikan ini ialah rekabentuk dan penilaian tanah atau pelapik liat untuk membantutkan pergerakan bahan pencemar terutamanya logam berat di tapak pelupusan sampah dan tapak pengurusan sisa (EPA530 1992). Ujian Keseimbangan Batch telah digunakan dalam kajian makmal untuk menilai kapasiti tanah atau komponen tanah (liat, organik, karbonat dan amorfus) untuk mengeluarkan bahan kimia daripada larutan. Ujian Batch boleh berbeza antara satu sama lain dan ia bergantung kepada keadaan eksperimen dan objektif penyelidikan.

Dengan kaedah Batch, sejenis larutan akues mengandungi bahan larut yang diketahui komposisi dan kepekatannyn, dicampur dengan suatu jisim bahan penjerap untuk suatu tempoh masa tertentu. Larutan akues kemudiannya dipisahkan daripada bahan penjerap dan dianalisa secara kimia untuk menentukan perubahan kepekatan bahan larut. Jumlah bahan larut yang dijerap oleh bahan penjerap dianggap sebagai perbezaan kepekatan awal bahan larut dengan kepekatan akhir bahan larut selepas suatu tempoh penggoncangan (EPA530 1992).

Kajian penjerapan yang akan dijalankan adalah berdasarkan kepada kajian-kajian yang telah dilakukan oleh Szymura (1990), Mohamed et al (1994) dan Hook (1997).

Logam berat ditakrifkan sebagai unsur yang mengandungi kilauan perak dan adalah konduktor haba dan elektrik yang baik (EPA540 1992). Tanih terbentuk dari peluluhawaan batuan dan diangkut oleh pelbagai agen (angin, air dan aktiviti antropogenik) ke lokasi baru atau kekal di tempat asal sebagai bahan batuan terluluhawa (Yong 2001).  Pencemaran tanah oleh logam berat merupakan masalah utama di kawasan tapak pelupusan sisa pepejal kerana sifat logam berat yang tidak boleh diurai atau  didegradasi. Tapak pelupusan yang dijurutera dengan pelapik liat mampu untuk merencatkan pergerakan logam berat melalui mekanisma penjerapan dan menghalang pergerakan logam berat dalam tanah.

Untuk mengkaji kesesuaian sesuatu bahan penjerap yang akan digunakan sebagai bahan asas pelapik liat, maka afiniti penjerapan bahan penjerap terhadap logam berat perlu ditentukan dan mekanisme penjerapan yang terlibat perlu dikaji. Justeru itu, Ujian Keseimbangan Batch merupakan suatu kaedah makmal yang digunakan untuk mengkaji perilaku penjerapan bahan cemar oleh bahan penjerap. Daripada data penjerapan yang diperolehi, suatu isoterma penjerapan boleh dibina. Isoterma penjerapan ialah satu gambaran bergraf yang menunjukkan amaun bahan cemar yang dijerap oleh bahan penjerap sebagai suatu fungsi kepada kepekatan keseimbangan bahan cemar (EPA530 1992). Perhubungan ini definisikan secara kuantitatif oleh persamaan Langmuir.

Isoterma penjerapan biasanya digunakan untuk menjana parameter Kd iaitu nisbah jumlah bahan cemar yang dijerap kepada jumlah bahan cemar yang tinggal dalam larutan pada keseimbangan (EPA540 1992). Parameter Kd adalah penting untuk menjangkakan potensi penjerapan logam berat yang bersentuhan dengan partikel tanah (EPA402 1999).

Fungsi pembantutan, Rf, mencirikan pergerakan bahan cemar dalam tanah melalui pelapik liat. Ia digunakan untuk menganggarkan ketebalan minimum pelapik liat yang diperlukan untuk menghalang pergerakan bahan cemar melalui kedalaman tertentu untuk suatu jangka masa yang spesifik (EPA530 1992).

 

 

OBJEKTIF

 

1.        Mengkaji dan menerangkan afiniti penjerapan serta mekanisme penjerapan logam berat Pb, Cu, Ni, dan Zn oleh mineral lempung, bahan organik, bahan amorfus dan bahan berkapur.

2.        Membentuk suatu isoterma penjerapan yang menunjukkan gambaran bergraf tentang jumlah logam berat yang dijerap pada permukaan tanah dan menggunakan persamaan Langmuir sebagai fungsi kepada graf tersebut.

3.        Mencari nilai Kd dan Rf untuk komponen tanah mineral lempung, bahan organik, bahan amorfus dan bahan berkapur.

 

 

 

KEMANFAATAN PROJEK

 

1.        Daripada kajian penjerapan, maka kita akan dapat mengenalpasti mekanisme penjerapan yang terlibat serta afiniti tanah terhadap logam berat. Ini akan membantu dalam pemahaman kelakuan logam berat dalam tanah dan seterusnya cara-cara untuk meremediasikan tanah yang telah tercemar dengan logam berat.

2.        Data Kd dan Rf  daripada penyelidikan boleh digunakan untuk aplikasi kejuruteraan pelapik liat dan rujukan dimana ketebalan pelapik liat yang diperlukan untuk menghalang pergerakan logam berat dalam tanah untuk suatu tempoh masa boleh ditentukan.

3.        Diharap penyelidikan ini dapat menimbulkan kesedaran tentang kepentingan pelapik liat sebagai asas kepada pembinaan sesuatu tapak pelupusan sisa pepejal untuk menghalang pencemaran air bawah tanah dan tanah.

 

 

 

 

PENDEKATAN KAJIAN

 

I. KAEDAH PENYELIDIKAN

 

A.      KERJA LAPANGAN

 

 

Persampelan tanah dilakukan di empat kawasan utama iaitu Bangi, Serdang, Rasa dan Gombak (Rujuk Rajah 1).

Sampel batu kapur dikutip di Batu Caves, Gombak. Kaedah persampelan batu kapur ialah dengan menggunakan tukul geologi untuk mendapatkan serpihan batu kapur dari batuan induk. Kemudiannya serpihan batu kapur diletakkan dalam beg plastik, diikat dan dilabel.

Sampel tanah lempung dikutip di Air Hitam, Serdang. Kaedah persampelan tanah lempung ialah penggunakan penyodok seperti cangkul dan sudip. Sampel tanah diambil beberapa cm di bawah permukaan tanah dan kemudiannya diletakkan dalam beg plastik, diikat dan dilabel.

Sampel tanah organik dikutip di Ampar Pecah, Rasa. Kaedah persampelan tanah organik ialah penggunakan penyodok seperti cangkul dan sudip. Sampel tanah diambil beberapa cm di bawah permukaan tanah dan kemudiannya diletakkan dalam beg plastik, diikat dan dilabel.    

Sampel tanah amorfus dikutip di Bangi. Kaedah persampelan tanah amorfus ialah penggunakan penyodok seperti cangkul dan sudip. Sampel tanah diambil beberapa cm di bawah permukaan tanah dan kemudiannya diletakkan dalam beg plastik, diikat dan dilabel.    

 

 

 

 

 

 

RAJAH 1 :

Peta menunjukkan kawasan persampelan untuk komponen penting tanah iaitu bahan organik, bahan berkapur, mineral lempung dan bahan amorfus


 

 

 

 


B.      KERJA MAKMAL

 

Kaedah makmal yang digunakan adalah berpandukan kepada dua garis panduan utama iaitu 24-h Batch Type Measurement for Contaminant Sorption by Soils and Sediments, ASTM Procedure D4646-87 (ASTM 1992) dan Batch-Type Procedures for Estimating Soil Adsorption of Chemicals, EPA/530/SW-87/006-F (EPA 1992).

 

1.        Radas kaca yang digunakan dalam eksperimen dibilas dengan 10% asid nitrik untuk menyingkirkan sebarang ion logam, kemudiannya dicuci dengan air paip dan akhirnya dibilas beberapa kali dengan air ternyahion.

2.        Sebelum pengeringan, agregat batu kapur dan amorfus dipecahkan dan dihancurkan dalam mesin pengisar sehingga membentuk suatu tekstur serbuk

3.        Sampel tanah dibentangkan pada permukaan rata dan lapisan tanah yang dibentangkan mestilah tidak lebih dari 2-3 cm tebal. Ia dibiarkan selama 3 hari untuk diudarakeringkan tanpa terdedah kepada pancaran matahari secara terus sehingga perubahan berat sampel tanah adalah seragam atau kurang dari 5% dan kandungan kelembapan sampel tanah mencapai keseimbangan dengan kandungan kelembapan atmosfera bilik. Pengeringan udara sampel tanah oleh atmosfera meminimumkan perubahan yang mungkin berlaku akibat pengeringan. 

4.        Selepas pengeringan udara dilakukan, sampel tanah kering udara kemudiannya diayak dengan menggunakan penapis atau pengayak tanah No.10 yang saiz liang kasanya berukuran 2 mm supaya butiran tanih bersaiz kurang dari 63 mm diperolehi. Partikel tanah yang beragregat besar, dipecahkan dan dihancurkan dengan mortar dan rubber tipped pestle tanpa pengisaran sehingga suatu tekstur seragam diperolehi. Agregat yang besar seperti batu dan batuan kecil yang tidak boleh dihancurkan atau dipecahkan dikeluarkan, dikumpul dan ditimbang. Tanah yang telah diayak dikacau sehingga homogenus.

5.        Dua sampel dari setiap komponen tanah dianalisa dengan menggunakan XRD dan XRF.

6.        4 g tanah yang telah diudarakeringkan dan diayak kemudiannya diletakkan dalam botol centrifug plastik teflon 50 ml. Sampel tanah yang digunakan ditimbang sehingga 3 angka bererti dengan menggunakan penimbang analitik mikro.

7.        Kepekatan ion spesifik iaitu Cu2+, Ni2+, Zn2+ dan Pb2+ disediakan secara berasingan pada pH 5.8 dengan kepekatan 100, 200, 300 dan 400 ppm (Rujuk Rajah 2).

8.        40 ml larutan ion spesifik ditambahkan kepada botol centrifug plastik yang mengandungi 4 g sampel tanah untuk menghasilkan nisbah tanah kepada larutan 1:10. Kemudiannya botol centrifug plastik ditutup ketat dengan penutup dan digoncang secara sekata untuk mencampurkan tanah dan larutan ion spesifik.

9.        Kepekatan larutan ion spesifik Cu2+, Ni2+, Zn2+ dan Pb2+ pada 100, 200, 300 dan 400 ppm ditentukan sebagai larutan blank dengan menambahkan larutan ion spesifik pada botol centrifug plastik tanpa tanah. Botol yang hanya mengandungi larutan ion spesifik pada kepekatan tertentu diukur dengan menggunakan spektroskopi serapan atom (AAS). Bacaan yang dicerap ditanda sebagai Co.

10.     Botol centrifug plastik dengan campuran tanah dan larutan ion spesifik diletakkan di atas alat penggoncang selama 24 ± 0.5 jam pada 24 ± 2 revolusi/min dengan suhu bilik 22 ± 5 °C. Penggoncangan dilakukan secara berterusan selama 24 jam untuk memastikan masa keseimbangan dicapai iaitu sistem berada dalam keseimbangan kimia dan kadar perubahan kepekatan zat terlarut dalam larutan adalah sama dengan atau kurang dari 5 %. Penggoncangan dilakukan dalam keadaan suhu sekata dimana suhu ambien tidak berubah dengan banyak ( ± 5 °C ). Suhu bilik harus direkodkan dan diambilkira sebagai potensi variabel yang boleh mempengaruhi data eksperimen semasa ujikaji dijalankan.

11.     Selepas penggoncangan selama 24 jam, penutup botol centrifug plastik dibuka dan keseimbangan pH, kekonduksian elektrik dan sebarang perubahan pada campuran larutan ion spesifik dan tanah ditentukan. Selepas bacaan-bacaan tersebut direkodkan, penutup botol centrifug plastik ditutup dengan ketat semula.

12.     Kemudiannya, campuran dalam botol centrifug plastik diempar dengan menggunakan alat pengempar pada kelajuan 2000 rpm selama 20 minit. Pengemparan memisahkan fasa larutan dan  fasa pepejal dengan menghasilkan cecair supernatan yang jernih di atas enapan tanah.

13.     Selepas pengemparan, fasa cecair dipisahkan daripada fasa pepejal melalui penurasan dengan menggunakan alat turasan sedutan. Cecair supernatan ditapis menerusi penuras membran dengan saiz liang 0.20 mm. Afiniti membran penuras terhadap zat terlarut harus dinilai untuk mengelakkan pengaruh terhadap data eksperimen.

14.     Hasil turasan dikumpulkan dalam tabung uji dan ditutup untuk mengelakkan kontaminasi. Selepas hasil turasan diperolehi, tanah yang tertinggal sebagai baki turasan disimpan dalam bekas yang sesuai dan diletakkan dalam peti sejuk pada suhu 4 ± 2 °C untuk analisis seterusnya jika diperlukan.

15.     Cecair yang dikumpulkan dalam kelalang kon melalui penurasan diuji dengan spektroskopi serapan atom (AAS) untuk memperolehi kepekatan keseimbangan dalam fasa cecair dan bacaan yang dicerap ditanda sebagai C.

16.     Prosedur diulangi sebanyak tiga kali (bergantung kepada faktor masa dan kos) untuk setiap sampel untuk mendapatkan nilai min sampel.

17.     Kaedah Ujikaji Keseimbangan Batch diringkaskan dalam Rajah 3.

 

 

 

RAJAH 2

Contoh penyediaan zat terlarut Cu2+ pada kepekatan dan komponen tanah berbeza

 


 

 

 

 


RAJAH 3


Carta aliran kaedah Ujikaji Keseimbangan Batch untuk penjanaan data penjerapan.

 


C.      PENGANALISAAN DATA

 

1.       

Untuk menentukan amaun zat terlarut yang terjerap per jisim berat penjerap,

S = x/m = amaun zat terlarut terjerap per unit jisim penjerap

M = jisim tanah dalam botol centrifug plastik (4g)

V = isipadu larutan dalam botol centrifug plastik (0.04L)

C = kepekatan zat terlarut selepas dedahan kepada penjerap pada keseimbangan

C0 = kepekatan zat terlarut awal (blank) sebelum dedahan kepada penjerap

 

2.        Data daripada eksperimen direkodkan dalam Jadual 1.

 

JADUAL 1

Data penjerapan Cu2+ oleh komponen tanah berlainan daripada eksperimen.

 

Komponen tanah

C0 (mg/L)

C (mg/L)

M (g)

S (mg/g)

pH

Kekonduksian

(mScm-1)

Organik

400

 

 

 

 

 

300

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

Karbonat

400

 

 

 

 

 

300

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

Liat

400

 

 

 

 

 

300

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

Amorfus

400

 

 

 

 

 

300

 

 

 

 

 

200

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

3.        Untuk membina suatu isoterma penjerapan, kepekatan keseimbangan (C) pada paksi-x dan amaun zat terlarut dijerap per jisim penjerap (x/m) pada paksi-y diplotkan di atas kertas graf. Daripada nilai data yang telah diplot, didapati bahawa ia melalui asalan dan adalah hampir linear pada nilai kepekatan C rendah. Apabila nilai kepekatan C tinggi, x/m akan menghampiri M.

4.       

Persamaan Langmuir :

x/m = zat terlarut dijerap per jisim penjerap

C = kepekatan keseimbangan zat terlarut

M = kapasiti penjerapan maksimum bahan penjerap

KL = pemalar penjerapan Langmuir yang mempunyai pertalian dengan tenaga penjerapan

 

5.        Dengan mengambil persamaan Langmuir, ia disusun semula untuk membentuk persamaan linear yang setara dengan y = mx + c


 


6.        Plotkan C/(x/m) pada paksi-y dan C pada paksi-x. Nilai (1/KLM) boleh ditentukan daripada kecerunan graf dan nilai M boleh ditentukan daripada pintasan graf.

7.        Suatu regresi linear digunakan untuk menentukan penyesuaian graf terbaik yang dilukis dengan menggunakan persamaan Langmuir berbanding dengan nilai-nilai data asal yang diplotkan dalam graf. Jika penentuan koefisien regresi, r2, memberikan nilai > 0.5 maka graf yang dilukiskan dengan persamaan Langmuir adalah sah dan boleh digunakan untuk menerangkan afiniti penjerapan suatu zat terlarut terhadap penjerap.

8.        Model Kd berasal daripada termodinamik kimia.

           A + C = x/m

A = kepekatan permukaan bebas pada tapak penjerapan dalam fasa pepejal (mol/ml)    

C = kepekatan zat terlarut selepas dedahan kepada penjerap pada keseimbangan (mg/ml)

x/m = amaun zat terlarut terjerap per unit jisim penjerap (mg/g)

 

9.       

Daripada graf  C/(x/m) lawan C yang telah diplot, maka

                                              = kecerunan isoterma penjerapan ; unit = ml/g

 

10.    

Pergerakan bahan cemar dibantut atau ditahan jika ianya dapat dijerap oleh pelapik liat. Oleh itu, darjah peningkatan penjerapan menghasilkan nilai pembantutan, R yang lebih besar.

rb = ketumpatan pukal media pelapik liat (g/cm3)

nc = kandungan volumetrik air media pelapik liat (cm3/cm3)

 

 

 

B.      JEJAK KUNCI

 

Antara aktiviti yang akan dilakukan sepanjang penyelidikan ialah ulasan perpustakaan (Jun – Okt), penulisan kertas cadangan (Jun – Julai), persampelan (Julai – Ogos), kerja makmal (Julai – Jan), pemprosesan dan analisis data (Okt – Jan), penulisan kertas ilmiah (Nov – Mac) dan penghantaran kertas ilmiah pada akhir semester (Rujuk Jadual 2).

Kerja lapangan untuk pengumpulan sampel tanah dijalankan pada 3 Ogos 2002 untuk empat kawasan persampelan iaitu Bangi, Gombak, Serdang dan Rasa.

 

 

JADUAL 2

Perancangan aktiviti penyelidikan selama dua semester

 

 

 


HASIL YANG DIJANGKAKAN

 

RAJAH 4


Jenis isoterma penjerapan  (Sposito 1989)

 

 

 

 


RISIKO

 

Tahap risiko yang mungkin berlaku sepanjang penyelidikan adalah sederhana. Antara risiko-risiko yang mungkin dihadapi ialah :

 

1.        Kejituan kaedah terbatas kerana kebolehan untuk mendapatkan sampel yang homogenus (ASTM 1992).

2.        Pemendakan, hidrolisis, degradasi foto, degradasi mikrob, penurunan dan pengoksidaan serta proses fizikokimia lain yang mungkin mempengaruhi ketidakstabilan larutan (ASTM 1992).

3.        Keputusan adalah sensitif kepada nisbah tanah kepada larutan yang digunakan (EPA540 1999).

4.        Teknik pemisahan mungkin mempengaruhi kejituan keputusan (EPA540 1999).

 

 

RUJUKAN

 

1.        Sposito, Garrison. 1989. The Chemistry of Soils. New York : Oxford University Press.

2.        Yong, R.N. 2001. Geoenvironmental Engineering : Contaminated Soils, Pollutant Fate, and Mitigation. USA : CRC Press LLC.

3.        Hook, Jennifer. 1997. Competitive Ion Exchange in London Clay. UK : Cambridge University.

4.        Szymura, Irena. 1990. “Studies on Total Sorption of Cd, Pb, Zn and Cu by Some Polish Soils”. Contaminated Soil ’90. pp.381-382.

5.        Mohamed, A.M.O., Yong, R.N., Tan, B.K., Farkas, A., Curtis, L.W. 1994. “Geo-Environmental Assessment of a Micaceous Soil for Its Potential Use as an Engineered Clay Barrier”. Geotechnical Testing Journal, Vol. 17, pp.291-304.

6.        ASTM, 1992. 24-h Batch Type Measurement for Contaminant Sorption by Soils and Sediments D4646-87 ASTM Annual Book of Standards, Vol. 11.04, Water and Environmental Technology, pp. 126-129.

7.        Roy, W.R., Krapac, I.G., Chou, S.F.J., Griffin, R.A. 1992. Batch-Type Procedures for Estimating Soil Adsorption of Chemicals, EPA/530/SW-87/006-F. Washington, D.C. : Environmental Protection Agency.

8.        McLean, Joan E., Bledsoe, Bert E. 1992. Behavior of Metals in Soils, EPA/540/S-92/018. . Washington, D.C. : Environmental Protection Agency.

9.        Ambrose, Robert B. 1999. Partition Coefficients for Metals in Surface Water, Soil, and Waste. Washington, D.C. : Environmental Protection Agency.

10.     EPA, 1999. Understanding Variation in Partition Coefficient, Kd, Values, EPA/402-R-99-004A & B. Vol I & II. Washington, D.C. : Environmental Protection Agency.