Eliminasi Cepat Ni2+ Melalui Pengisian Filter Hijau Berkelanjutan yang Direkayasa untuk Keamanan Air

Ekspansi cepat industri pengolahan nikel telah menyebabkan akumulasi kritis logam berat yang mengancam ekosistem akuatik global. Meskipun adsorpsi menjadi strategi remediasi utama, teknologi berefisiensi tinggi saat ini masih memerlukan biaya yang sangat besar bagi wilayah berkembang. Penelitian ini menghadirkan sebuah komposit hasil rekayasa sebagai pengisi filter (filter filling) berbasis bahan alam—tanah liat, batu kapur kalsinasi, dan serat kelapa (coconut fiber/CF) dengan rasio massa 1:2:1.

Komposit ini berhasil mencapai efisiensi penyisihan Ni²⁺ sebesar 88.84% hanya dalam waktu kontak 5 menit. Karakterisasi struktural menunjukkan performa ini didorong oleh kondisi teraktivasi regangan (strain-activated) yang dibuktikan melalui pergeseran puncak XRD yang signifikan dan pembelahan Delta(LO-TO) minimum sebesar 158 cm^-1. Kombinasi sinergis dari presipitasi permukaan dan pertukaran ion membuat pengisi filter hijau ini melampaui sumber sintetis konvensional yang membutuhkan waktu di atas 60 menit untuk mencapai kesetimbangan. Pemanfaatan limbah ini mampu memotong biaya produksi hingga 94% dibandingkan dengan sistem reverse osmosis, memberikan cetak biru yang terukur demi keamanan air.

1. Pendahuluan

Kontaminasi nikel Ni²⁺ merupakan tantangan lingkungan yang persisten akibat sifatnya yang beracun dan bioakumulatif. Sebagian besar sorben berkinerja tinggi saat ini memerlukan modifikasi kimia tingkat lanjut dengan sintesis intensif, yang pada akhirnya membatasi skalabilitas aplikasinya di wilayah industri dan negara berkembang .

Untuk mengatasi kesenjangan tersebut, penelitian ini mengoptimalkan sistem tiga komponen yang memanfaatkan rasio massa spesifik dari tanah liat termodifikasi, batu kapur teraktivasi termal (CaO), dan serat kelapa mentah (CF) tanpa memerlukan reagen sintetis yang mahal . Dengan menyetel pengisian filter ke rasio 1:2:1 (diberi kode Komposit II), tercipta sebuah antarmuka multimodal yang mengintegrasikan :

• Kapasitas pertukaran kation dari tanah liat .
• Potensi presipitasi dari CaO.
• Fungsionalitas kompleksasi dari serat kelapa (CF) .

2. Bahan dan Metodologi

2.1 Bahan Baku

Larutan nikel sintetik dengan konsentrasi awal 10.13 mg/L disiapkan dengan melarutkan terak nikel (nickel slag) yang diperoleh dari PT HUADI Indonesia. Bahan pembantu meliputi Asam klorida (HCl 37% w/w), alkohol 70%, dan air suling (distilled water) . Karakteristik asal material spesifik dapat dilihat pada tabel berikut:

No	Material	Spesifikasi	Sumber / Asal
1	Terak Nikel ($Ni$)	Terak Industri	Industri di Indonesia
2	Batu Kapur ($CaCO_{3}$)	Batu Kapur Alami	Kampus Teknik Geologi Unhas, Kariango
3	Tanah Liat	Tanah Liat Alami	Makassar, Indonesia
4	Serat Kelapa (CF)	Serat Kelapa Mentah	Makassar, Indonesia

2.2 Preparasi Material

• Serbuk CaO: Batu kapur seberat 50 g dihancurkan manual, lalu dikeringkan dalam tungku pada suhu 180°C selama 3 jam untuk meningkatkan kegetasan material . Material kemudian digiling dengan mesin RETSCH 400 pada frekuensi 30 Hz selama 30 menit dan diayak lewat saringan 100-mesh . Bubuk halus tersebut dikalsinasi dalam muffle furnace pada suhu 900°C selama 3 jam untuk mendekomposisi $CaCO_{3}$ menjadi CaO dengan kemurnian >90% .
• Serbuk Serat Kelapa (CF): 1 kg CF dibersihkan menggunakan 1000 mL air suling dan dicuci kembali menggunakan 1000 mL alkohol 70% . Setelah dicuci, CF dikeringkan dalam oven pada suhu 60–80°C selama 4 jam, lalu dihaluskan dengan blender dan disaring lewat ayakan 200-mesh .
• Serbuk Tanah Liat Termodifikasi: 50 g tanah liat alami dicuci dengan 60 mL air deionisasi, dikeringkan pada suhu 80°C selama 9 jam, lalu dihancurkan dan diayak dengan saringan 100-mesh . Tanah liat didispersikan dalam air suling dengan rasio 1:10 (w/v) selama 24 jam untuk pembentukan hidrasi (swelling), disentrifugasi pada 4.000 rpm selama 15 menit, lalu dikeringkan pada suhu 60°C . Untuk proses modifikasi kation, serbuk tanah liat ditambahkan amonium klorida dan dimethyl dehydrogenated tallow dalam media etanol, diaduk pada kecepatan 300 rpm selama 4 jam, dicuci, dan dikeringkan pada suhu 90°C selama 24 jam .

2.3 Formulasi Komposit dan Uji Adsorpsi

Bahan pembentuk dicampur menggunakan RETSCH 400 mixer pada frekuensi 10 Hz selama 30 menit dengan variasi kode sebagai berikut :

• Komposit I: Rasio Tanah Liat : CaO : CF = 2:1:1
• Komposit II: Rasio Tanah Liat : CaO : CF = 1:2:1
• Komposit III: Rasio Tanah Liat : CaO : CF = 1:1:2

Untuk pengujian filtrasi, dosis masing-masing adsorben seberat 4 g dimasukkan ke dalam perangkat filter. Sebanyak 30 mL larutan terak nikel dialirkan memanfaatkan energi potensial gravitasi g, membiarkan ion logam berinteraksi langsung dengan pengisi filter selama 5 menit . Air hasil filtrasi ditampung sebanyak 28 mL untuk kemudian dianalisis menggunakan Atomic Absorption Spectroscopy (AAS) .

3. Hasil dan Pembahasan

3.1 Analisis Struktural (XRD) dan Morfologi (SEM)

Pola XRD dari ketiga komposit mengonfirmasi bahwa struktur utama penyusunnya seperti CaCO, dan SiO₂ tetap terjaga dengan baik . Namun, terjadi pergeseran puncak yang signifikan pada posisi = 29.42 (bidang kristal 104) dan 64.67 (bidang kristal 400). Pergeseran nilai d-spacing ini membuktikan adanya distorsi kisi kristal akibat energi mekanis homogenisasi dan aktivasi termal kalsinasi .

Komposit II menunjukkan ukuran kristal rata-rata (overline) tertinggi yaitu sebesar 19.92 nm. Struktur kristal yang lebih teratur ini terbukti sangat penting dalam menyediakan kerapatan situs aktif yang tinggi pada permukaan material. Hasil pengamatan SEM memperlihatkan formasi permukaan heterogen di mana fase mineral CaO dan tanah liat berkerumun secara padat mengisi matriks berpori dari serat kelapa. Komposit II memiliki distribusi ukuran partikel paling homogen dengan diameter rata-rata 2.24 pm 0.29, yang efektif meminimalkan hambatan perpindahan massa saat proses filtrasi berlangsung .

3.2 Gugus Fungsi (FTIR) dan Sifat Optik

Pengujian spektra FTIR menunjukkan beberapa area pita serapan penting yang berperan aktif dalam mengikat logam:

• Pita pada area 3385–3432 cm^-1 mengindikasikan adanya regangan vibrasi gugus hidroksil (-OH) dari mineral tanah liat dan selulosa serat kelapa .
• Pita serapan pada posisi 1440 cm^-1 menunjukkan regangan asimetris gugus fungsional karbonat (CO₃^2- dari komponen kapur teraktivasi.
• Jaringan aluminosilat (Si-O) muncul pada pita 1036 cm^-1 , memperkuat stabilitas kerangka kerja sekaligus menjadi tempat pertukaran kation nikel .

Dari aspek sifat optik, energi hilangnya fungsi dielektrik mengonfirmasi nilai pembelahan fonton. Komposit II memiliki nilai celah paling sempit yakni 158 cm^-1 jika dibandingkan dengan Komposit I (184 cm^-1 dan Komposit III 162 cm^-1. Kisaran pembelahan yang mengecil ini merepresentasikan peningkatan regangan kisi elektron permukaan yang sangat reaktif untuk melakukan ikatan kimia instan .

3.3 Kinerja Adsorpsi Logam Ni²⁺

Berdasarkan pengujian kuantitatif AAS, performa masing-masing variasi komposit dalam waktu kontak 5 menit dirangkum pada tabel di bawah ini:

Sampel Komposit	Pembelahan Δ(LO−TO) (cm−1)	Kapasitas Adsorpsi qe​ (g/L)	Efisiensi Penyisihan Logam (%)
Komposit I (2:1:1)	184	0.023	30.01%
Komposit II (1:2:1)	158	0.067	88.84%
Komposit III (1:1:2)	162	0.036	47.38%

Catatan Mekanisme Sinergis: Tingginya performa Komposit II terjadi karena mekanisme multi-jalur yang berjalan paralel. Serat kelapa bertindak sebagai jangkar elektrostatik dan pengikat $\pi-\pi$ ; komponen CaO memicu kenaikan pH lokal pada antarmuka filtrasi sehingga mengendapkan ion nikel menjadi padatan stabil $NiCO_{3}$ ; sementara itu, pori internal tanah liat menangkap sisa kation lewat jalur pertukaran ion dan reduksi donor elektron .

4. Analisis Biaya dan Kelayakan Ekonomi

Rekayasa pengisi filter hijau ini membawa lompatan efisiensi finansial yang besar dibandingkan metode filtrasi membran konvensional di industri. Alur rincian akumulasi biaya fabrikasi komposit alami ini adalah sebagai berikut:

• Bahan Baku Utama: * Batu Kapur CaCO₃ seberat 2 g Rp 336
  • Tanah Liat alami seberat 1 g + Air Suling 60 mL
  • Serat kelapa 1 g Alkohol 97% (90 mL) senilai Rp 39.500 + Air suling (100 mL) senilai Rp 38.210 .
• Total Biaya Pembuatan Komposit: Rp 78.046 (setara 5.04).

Jika dibandingkan dengan biaya operasional metode pengolahan air tingkat tinggi seperti sistem komponen Reverse Osmosis yang menyentuh angka Rp 1.300.000 (83.87) , penggunaan komposit ini memberikan nilai penghematan bersih sebesar Rp 1.221.954 per unit aplikasi. Hal ini merepresentasikan pemotongan anggaran produksi sebesar 94%.

5. Kesimpulan

Penelitian ini berhasil membuktikan bahwa rekayasa filter hijau hibrida menggunakan formulasi Komposit II (Tanah liat:CaO:CF = 1:2:1) mampu mengeliminasi kandungan logam berat Ni_²⁺ hingga 88.84% dalam kurun waktu sangat cepat yaitu 5 menit . Keunggulan kinetika ini dikonfirmasi secara ilmiah lewat optimasi regangan struktur kristal, ukuran partikel rata-rata yang homogen sebesar 2.24, serta nilai pembelahan fonon minimum pada angka 158 cm^-1 .

Selain performa pembersihan yang instan, material ini menawarkan opsi ekonomis sirkular yang sangat murah karena memanfaatkan limbah lokal dengan biaya pengerjaan hanya Rp 78.046 . Penemuan ini layak direkomendasikan sebagai cetak biru alternatif hijau yang berkelanjutan demi mengatasi krisis pencemaran air akibat limbah industri pengolahan nikel secara global .