5
Bab II Tinjauan Pustaka
II.1 Air Gambut II.1.1 Karakteristik Air Gambut Air gambut adalah air permukaan yang banyak terdapat di daerah berawa atau dataran rendah terutama di Sumatera dan Kalimantan, yang mempunyai ciri-ciri sebagai berikut1: •
Intensitas warna yang tinggi (berwarna coklat kemerahan)
•
pH yang rendah
•
Kandungan zat organik yang tinggi
•
Kekeruhan dan kandungan partikel tersuspensi yang rendah
•
Kandungan kation yang rendah.
Warna coklat kemerahan pada air gambut merupakan akibat dari tingginya kandungan zat organik (bahan humus) terlarut terutama dalam bentuk asam humus dan turunannya. Asam humus tersebut berasal dari dekomposisi bahan organik seperti daun, pohon atau kayu dengan berbagai tingkat dekomposisi1. Berdasarkan kelarutannya dalam alkali dan asam, asam humus dibagi dalam tiga fraksi utama16: •
Asam humat Bersifat larut dalam larutan alkali tetapi tidak larut pada pH < 2 (terjadi presipitasi). Asam humat ini bersifat heterogen yang memiliki komponen aromatik dan alifatik serta mengandung tiga gugus fungsi yaitu karboksil (-COOH), alkohol fenolik (-OH), dan metoksi karbonil (C=O)
•
Asam fulvat Bersifat larut baik pada kondisi asam maupun basa dan memiliki berat molekul yang lebih kecil
•
Humin Tidak dapat diekstrak oleh asam maupun basa.
6
Residu organik
Debris
Asam krenat
Humus
Senyawa non-humat
Senyawa humat
Asam fulvat
Asam humat
Asam apokrenat
Asam humat coklat
Polimer berwarna
Asam humat abu-abu
Gambar II. 1 Klasifikasi dan sifat kimia kelompok senyawa humat (Stevenson dan Elliot 1989)16.
7
Senyawa organik tanah
Organisme hidup
Bahan organik tanah Pengendapan dalam alkali
Fragmen humus yang larut dalam alkali
Residu tidak larut HUMIN
Pengendapan dalam asam Residu tidak larut ASAM HUMAT
Bagian dapat larut ASAM FULVAT
Gambar II. 2 Skema pembagian senyawa humus berdasarkan kelarutannya17.
Struktur ketiga jenis fraksi asam humus ini hampir sama satu dengan lainnya, hanya berbeda berat molekul dan kandungan gugus fungsionalnya. Asam fulvat memiliki berat molekul lebih rendah daripada asam humus dan fraksi humin. Asam humus merupakan senyawa organik yang sangat kompleks, yang secara umum memiliki ikatan aromatik yang panjang dan nonbiodegradable yang merupakan hasil oksidasi dari senyawa lignin (gugus fenolik)5.
8
Gambar II. 3 Model struktur asam humat berdasarkan Stevenson (1982); R dapat berupa alkil, aril, atau aralkil17.
Gambar II. 4 Model struktur asam fulvat berdasarkan Buffle et al. (1977)17. Dalam berbagai kasus, intensitas warna akan semakin tinggi karena adanya logam besi yang terikat oleh asam-asam organik yang terlarut pada air tersebut. Kelima ciri yang telah disebutkan di atas ternyata mempunyai hubungan satu dengan lainnya. pH yang rendah juga disebabkan oleh kandungan kation yang rendah, kehadiran zat organik dalam bentuk asam, dan sedikitnya kation dan partikel tersuspensi.
Hal ini yang menyebabkan kurangnya proses koagulasi
secara alami. Karakteristik air gambut bersifat spesifik, tergantung pada lokasi ataupun dari segi vegetasi, jenis tanah dimana air gambut itu berada, ketebalan gambut, usia gambut, dan cuaca1. Kualitas air gambut di beberapa lokasi di Kalimantan dan Sumatera dirangkum pada Tabel II.11:
9
Tabel II. 1 Kualitas air gambut dari beberapa lokasi di Kalimantan dan Sumatera. No.
Parameter
Satuan
1.
Warna
2.
Syarat Air
Air Gambut Kalsel
Kalbar
Kalteng
Sumsel
Riau
Minum
Pt-Co
753
527
725
1315
1125
15
Zat Organik
mg/L KMnO4
278,8
193,7
172,4
290
243,4
10
3.
pH
-
4,1
3,94
3,62
6,01
4
6,5 - 8,5
4.
DHL
µS/cm
-
30
50
760
75
-
5.
Kekeruhan
mg/L SiO2
32
0
0,5
5
9
5
6.
Besi
mg/L
negatif
negatif
negatif
negatif
0
0,3
7.
Mangan
mg/L
negatif
negatif
negatif
-
0
0,1
8.
Kesadahan
-
2,05
0,48
-
5,51
1,44
500
9.
Kalsium
mg/L
negatif
negatif
-
4,54
0
200
10.
Magnesium
mg/L
8,83
2,06
-
20,9
6,19
150
II.1.2 Prospek Pengolahan Karakteristik air gambut relatif kurang menguntungkan untuk penyediaan air minum. Kondisi yang kurang menguntungkan dari segi kesehatan adalah sebagai berikut4: •
Kadar keasaman (pH) yang rendah dapat menyebabkan kerusakan gigi dan sakit perut
•
Kandungan organik yang tinggi dapat menjadi sumber makanan bagi mikroorganisme dalam air, sehingga dapat menimbulkan bau apabila bahan organik tersebut terurai secara biologi
•
Apabila pada pengolahan air gambut tersebut digunakan klor sebagai desinfektan, akan terbentuk trihalometan (THM) seperti senyawa organoklor yang dapat bersifat karsinogenik
•
Ikatannya yang kuat dengan logam (besi dan mangan) menyebabkan kandungan logam dalam air tinggi dan dapat menimbulkan kematian jika dikonsumsi secara terus-menerus.
10
II.1.3 Alternatif Proses Pengolahan Air Gambut Berdasarkan pada pengetahuan terhadap penyebab dan kandungan warna pada air dan sifat-sifatnya, maka proses dan metode pengolahan yang dapat diterapkan untuk mengolah jenis air berwarna alami adalah1: •
Proses oksidasi
•
Proses adsorpsi
•
Flokulasi – koagulasi
•
Proses pemisahan dengan filtrasi membran.
Ozon dan peroksida dikenal sebagai oksidator kuat yang dapat digunakan dalam pengolahan air karena tidak menghasilkan senyawa berbahaya. oksidasinya sempurna akan menghasilkan CO2 dan H2O.
Apabila
Namun pada
aplikasinya biaya operasi relatif mahal dan perlu digunakan unit peralatan penghasil ozon1. Pengolahan air gambut juga dapat dilakukan melalui proses adsorpsi. Adsorpsi merupakan fenomena fisika dimana molekul-molekul bahan yang diadsorpsi tertarik pada permukaan bidang padat yang bertindak sebagai adsorben. Ditinjau dari segi derajat adsorpsi pada suatu jenis adsorben pada umumnya mengikuti aturan berikut1: •
Adsorpsi berlangsung sedikit terhadap semua senyawa organik, kecuali senyawa berhalogen
•
Adsorpsi berlangsung baik terhadap semua senyawa berhalogen dan senyawa alifatik
•
Adsorpsi berlangsung sangat baik terhadap semua senyawa aromatik. Makin banyak kandungan inti benzennya semakin baik adsorpsinya.
Berdasarkan kriteria tersebut maka pengolahan air berwarna (air gambut) dapat dilakukan dengan proses adsorpsi, karena asam humus mempunyai senyawa gugus aromatik.
11
II.2 Cangkang Telur Cangkang telur adalah bagian luar dari telur yang sering disebut sebagai kulit telur. Terdapat tiga fungsi dasar cangkang telur, yaitu: (a) melindungi bagian dalam telur dari lingkungan fisik dan mikroba; (b) mengontrol pertukaran air dan udara melalui pori-pori selama pertumbuhan embrio; dan (c) menyuplai (sebagai cadangan) kalsium untuk pertumbuhan embrio pada saat persediaan kalsium di kuning telur habis18. Untuk kepentingan di atas, maka cangkang telur harus berupa material keramik berpori yang semaksimal mungkin bisa tembus cahaya dan memiliki keseimbangan antara kekuatan untuk perlindungan dari lingkungan (termasuk predator) dengan kemudahan bagi embrio untuk memecah cangkang agar bisa keluar. Berdasarkan strukturnya, cangkang telur terdiri dari bagian cangkang yang terkalsinasi dan membran yang terdiri dari membran dalam dan membran luar7. Membran dalam dengan ketebalan sekitar 20 µm langsung berhubungan dengan albumen. Membran luar dengan ketebalan sekitar 50µm terletak antara membran dalam dan cangkang yang terkalsinasi. Kedua membran ini terbuat dari serat organik8. Secara umum, struktur cangkang telur pada dasarnya sama untuk semua jenis burung (avian)18.
12
GambarII.5 Foto SEM (Scanning Electron Micrographs) cangkang telur; (a) potongan melintang cangkang telur memperlihatkan membran cangkang, lapisan kerucut, lapisan palisade, dan kutikula; (b) membran cangkang dalam memperlihatkan jaringan serat; (c) potongan melintang pada lapisan kerucut memperlihatkan penempatan serat ke dalam ujung kerucut; (d) lapisan kristal vertikal pada bagian paling atas dari lapisan palisade dan kutikula yang menutupi cangkang termineralisasi8. Cangkang telur terbuat dari matriks organik (3,5%), terdiri dari membran cangkang dan beberapa konstituen yang melekat di lapisan kalsium karbonat (95%) dalam bentuk kalsit8. Senyawa organik yang terdapat pada cangkang telur masih terus diteliti. Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan, diketahui bahwa cangkang telur mengandung karbohidrat yaitu glycosaminoglycans (termasuk
asam
uronat
dan
chondroitin
sulfat)7,19,
asam
sialat7,
dan
galactosaminoglycans20. Tabel II.2 dan II.3 menyajikan komposisi cangkang telur dari beberapa penelitian:
13
Tabel II. 2 Analisis cangkang telur dekalsinasi dan membran cangkang7. Senyawa
Cangkang Telur
Membran
Membran
Organik
Dekalsinasi
Cangkang Dalam
Cangkang Luar
Asam Uronat
6.34 ± 0.20
1.30 ± 0.10
1.15 ± 0.18
Asam Sialat
4.83 ± 0.56
1.70 ± 0.07
0.48 ± 0.04
Nitrogen
127.1 ± 6.9
150.4 ± 2.4
149.8 ± 1.4
Tabel II. 3 Komposisi asam amino cangkang telur dekalsinasi dan membran cangkang7. Asam Amino
Cangkang Telur Membran
Membran
Dekalsinasi
Cangkang Luar
Cangkang Dalam
Asx
8.1 ± 0.1
8.4 ± 0.4
8.8 ± 0.1
Thr
6.2 ± 0.1
6.9 ± 0.0
6.9 ± 0.2
Ser
9.7 ± 0.1
9.2 ± 0.2
9.2 ± 0.0
Glx
11.8 ± 0.2
11.1 ± 0.4
11.9 ± 0.3
Gly
13.0 ± 0.3
11.1 ± 0.2
10.6 ± 0.2
Ala
6.9 ± 0.4
4.6 ± 0.2
4.1 ± 0.2
Val
7.3 ± 0.1
7.2 ± 0.2
7.9 ± 0.1
Met
2.0 ± 0.2
2.3 ± 1.0
2.3 ± 1.0
Ile
2.6 ± 0.1
3.3 ± 0.4
3.4 ± 0.1
Leu
6.1 ± 0.2
5.6 ± 0.5
4.8 ± 0.2
Tyr
1.8 ± 0.1
2.2 ± 0.1
1.7 ± 0.3
Phe
2.1 ± 0.1
1.6 ± 0.1
1.5 ± 0.1
His
4.2 ± 0.1
4.1 ± 0.4
4.3 ± 0.4
Lys
3.6 ± 0.1
3.6 ± 0.2
3.4 ± 0.2
Arg
5.9 ± 0.1
5.7 ± 0.3
5.8 ± 0.2
Pro
8.3 ± 0.5
11.6 ± 0.7
12.0 ± 0.9
Hyp
0.3 ± 0.1
1.5 ± 0.3
1.4 ±.0.4
14
Semua cangkang telur burung (avian) mangandung komponen mineral kalsium karbonat (CaCO3) yang dikenal sebagai kalsit dan stabil pada suhu kamar18. Komposisi mineral pada cangkang telur ditunjukkan dalam Tabel II.4 12: Tabel II. 4 Komposisi mineral cangkang telur. Komponen
% berat
CaCO3
96,48
S
3,59
Mg
0.440
P
0.469
Sr
0.0734
II.3 Adsorpsi Adsorpsi pada permukaan padat dapat diklasifikasikan ke dalam dua bagian21, yaitu: •
Kemisorpsi Adsorpsi melalui pembentukan ikatan kimia antara molekul substrat dengan permukaan padat
•
Fisisorpsi Adsorpsi dengan pembentukan gaya yang mirip dengan gaya van der Waals yang relatif lemah.
Fenomena adsorpsi ini dapat dijelaskan oleh persamaan (isoterm) sebagai suatu fungsi yang berhubungan dengan jumlah adsorbat dan adsorben terhadap tekanan atau konsentrasi. Isoterm Freundlich menghubungkan massa adsorben dengan berat material yang diadsorpsi melalui persamaan (II.1 ) berikut12, 22:
x 1/ n = K f Ce m
……… (II.1)
15
Keterangan:
x/m
= jumlah warna terserap per massa partikel
Ce
= konsentrasi warna sampel pada kesetimbangan
N, Kf = konstanta Freundlich Dalam bentuk eksponensialnya, persamaan (II.1) di atas dapat diubah menjadi persamaan (II.2) sebagai berikut12, 22:
log
x 1 = log Ce + log K f m n
......... (II.2)
Bentuk isoterm adsorpsi yang lain adalah isoterm Langmuir yang bisa digunakan untuk hampir semua jenis kemisorpsi. Bentuk persamaan garis lurusnya dapat dilihat pada persamaan (II.3) yaitu22: x 1 1 = + m abCe b dimana, x/m Ce
……… (II.3)
= jumlah warna terserap per massa partikel = konsentrasi warna sampel pada kesetimbagan
Xm, b = konstanta Langmuir Melalui isoterm Langmuir dapat ditentukan nilai parameter kesetimbangan (RL) seperti terlihat pada persamaan (II.4) berikut ini22:
RL =
1 1 + aCo
……… (II.4)
Nilai RL berfungsi untuk menentukan sifat dari proses adsorpsi. Berikut ini merupakan kriteria proses adsorpsi berdasarkan nilai RL22:
16
Tabel II. 5 Sifat proses adsorpsi berdasarkan nilai RL. Nilai RL
Sifat Proses
RL > 1
Tidak disukai (unfavourable)
RL = 1
Linier
0 < RL < 1
Disukai (favourable)
RL = 0
Irreversibel
II.4 Spektrofotometri Sinar Tampak
Konsentrasi suatu larutan A berwarna dapat diketahui dengan membandingkan warna larutan tersebut dengan larutan A yang diketahui konsentrasinya. Metode pembandingan warna ini dikenal dengan kolorimetri23. Salah satu metode kolorimetri yang dikenal saat ini adalah metode spektrofotometeri.
Prinsip metode ini adalah pengurangan intensitas sinar
sebelum dan sesudah melewati sampel pada suatu alat spektrofotometer. Beer dan Lambert mengkaji efek konsentrasi penyusun warna dalam larutan terhadap transmisi maupun absorpsi cahaya, yaitu intensitas berkas cahaya monokromatik berkurang secara eksponensial dengan bertambahnya konsentrasi zat penyerap secara linier.
Bentuk persamaan yang umum untuk pernyataan
tersebut dapat dilihat pada persamaan II.5 berikut23:
A = εcl = log
I0 1 = log = − log T It T
……… II.5
Penentuan konsentrasi warna air gambut dapat ditentukan berdasarkan standar warna Pt-Co pada panjang gelombang maksimumnya.
17
II.5 Problem-Based Learning Problem-Based Learning (PBL) adalah suatu metode pengajaran yang banyak
diterapkan pada bidang sains. Pada awal kemunculannya PBL merupakan kurikulum yang diterapkan di sekolah-sekolah medis. PBL pertama kali diterapkan pada tahun 1969 di sekolah medis Universitas McMaster dalam kurikulumnya. Awal tahun 1980 kurikulum ini mulai diadopsi oleh sekolah-sekolah medis lainnya24. Kurikulum ini mulai mengalami banyak penyesuaian dan diterapkan di lebih dari 60 sekolah medis. Selanjutnya model ini diadopsi secara besar-besaran oleh bidang lain seperti sekolah bisnis, sekolah pendidikan, arsitektur, hukum, teknik, kerja sosial, dan sekolah menengah25. PBL menggunakan masalah dunia nyata yang kompleks sebagai suatu stimulus dan kerangka belajar. Hal ini didasari oleh pemikiran bahwa siswa akan termotivasi untuk ingin tahu dan memecahkan suatu masalah karena masalah tersebut terdapat pada konteks situasi dunia nyata. Pada saat siswa ikut serta dalam memecahkan suatu masalah, mereka sekaligus membangun pemikiran yang kritis dan melatih keahlian, dimana kedua hal ini (mempelajari materi dan keahlian) sama-sama dibutuhkan24. Menurut Preetha Ram26, jika kita memberikan siswa suatu tantangan yang membutuhkan peran serta siswa, mereka akan belajar untuk memecahkan permasalahan tersebut dan juga akan memperoleh sendiri pengetahuan yang lengkap dalam pemecahan masalah itu. Pembelajaran yang mereka peroleh akan lebih dalam dan lebih berarti serta akan lebih lama diingat. Hal ini karena pengetahuan tersebut mereka peroleh dengan cara mengonsepkannya sendiri, menghubungkan antara konteks, dan sebagai reaksi akan suatu kebutuhan. Pada kelas PBL disusun suatu aktivitas penelitian untuk memecahkan suatu masalah bersama-sama yang menjamin konteks dalam belajar dan menemukan. Tanggung jawab belajar dalam hal ini terletak pada siswa, bukan pada guru. Guru hanya bertindak sebagai fasilitator26.
18
Hal-hal berikut perlu diperhatikan untuk menjadikan PBL suatu pembelajaran yang efektif24: 1. Pembelajaran berpusat pada siswa Siswa didorong untuk menjadi partisipan yang aktif pada proses kerja dan bertanggung jawab tidak hanya pada diri sendiri, tetapi juga pada kelompok. 2. Pembelajaran berlangsung dalam lingkungan kerja sama Siswa belajar dalam kelompok yang terdiri dari 5 – 10 orang dan membangun kerja sama tim untuk menyelesaikan masalah bersama. 3. Guru berperan sebagai fasilitator (disebut tutor) Guru tidak memberikan materi pelajaran, tetapi hanya membimbing dalam proses pemeriksaan, penelitian, analisis, dan pelaporan. 4. Masalah
yang
diajukan
dapat
dijadikan
stimulus
dalam proses
pembelajaran dan sarana untuk membangun keahlian dalam memecahkan masalah. Permasalahan tidak hanya memiliki satu jawaban benar, siswa belajar untuk mencoba memecahkan masalah yang diajukan. Dalam mendesain masalah pada PBL terdapat beberapa hal yang harus diperhatikan26: 1. Masalah harus berdasarkan situasi dunia nyata 2. Masalah dapat menimbulkan hipotesis yang bervariasi 3. Masalah dapat melatih keahlian dalam memecahkannya dan menghasilkan pemikiran yang kreatif 4. Dapat menghasilkan pengetahuan dan keahlian yang objektif 5. Dapat berintegrasi dan berisi lebih dari satu disiplin ilmu. Pada pelaksanaannya terdapat 5 tahap dalam proses PBL, yaitu26: 1. Tahap Perkenalan Pada tahap ini siswa dikenalkan dengan suatu permasalahan yang sesuai dengan tingkatannya.
19
2. Tahap pemeriksaan Pada tahap ini fasilitator membimbing proses pemeriksaan sehingga siswa memperoleh data tentang permasalahan yang diajukan, juga dalam mencari informasi tambahan yang berguna dan menulis topik yang akan dikerjakan. Fasilitator mendemonstrasikan cara memecahkan masalah hingga langkah-langkah kerja. Informasi-informasi yang diperoleh dari diskusi selama proses dijadikan acuan untuk mengajukan suatu hipotesis. 3. Tahap membangun hipotesis Dari beberapa hipotesis yang diajukan siswa memutuskan hipotesis mana yang akan dipakai. 4. Tahap belajar mandiri Setelah memutuskan hipotesis dan permasalahan yang akan dipecahkan, siswa mencari informasi dari sumber-sumber yang berbeda (dengan sedikit bimbingan). 5. Tahap evaluasi mandiri. Selama tahap ini, siswa diminta untuk mengevaluasi kerjanya dan kerja timnya melalui diskusi kelompok. Selama pelaksanaan tahap-tahap di atas, tutor harus selalu mendengarkan, mengawasi diskusi kelompok dan menilai tingkat pemahaman mereka, dan menjadi penengah yang tepat pada saat mereka menerapkan pengetahuannya. Secara umum ciri-ciri PBL menurut Tan sebagai berikut27: 1. Ada masalah yang dijadikan titik awal pembelajaran 2. Masalah harus merupakan masalah dunia nyata dan tidak terstruktur 3. Masalah dapat menimbulkan bermacam pendapat dan dapat diterapkan pada pengetahuan interdisiplin 4. Masalah
menantang
siswa
untuk
mengidentifikasian
kebutuhan
pembelajarannya dan merupakan hal baru 5. Pembelajaran mandiri adalah yang utama dan siswa harus menerima tanggung jawab besar untuk mencari informasi dan pengetahuan
20
6. Memanfaatkan, menggunakan dan mengevaluasi sumber informasi dan pengetahuan yang esensial 7. Pembelajaran dilakukan dalam bentuk kerja sama, komunikasi dan gotong royong. Siswa bekerja dalam kelompok kecil dengan tingkat interaksi yang tinggi pada setiap bahasan, pembelajaran, dan presentasi 8. Penyelidikan dan keahlian memecahkan masalah harus dibangun. Tutor memfasilitasi dan melatih dengan cara mengajukan pertanyaan melatih kesadaran 9. Akhir dari PBL terdiri dari sintesis dan integrasi pembelajaran 10. PBL diakhiri dengan evaluasi dan review pengalaman dan proses belajar. Untuk menjadikan kerja memecahkan masalah lebih terstruktur, dapat digunakan tabel yang dikenal dengan tabel KND (Know, Need, Do). Pengisian tabel KND akan lebih mengarahkan siswa agar pekerjaan dapat diorganisasikan dengan baik, juga sangat membantu dalam penulisan laporan. Tabel II.6 memberikan contoh tabel KND28: Tabel II. 6 Tabel KND (Know, Need, Do) What do we know?
What do we need to
What do we need to do?
know? Baca dan identifikasi
Gali pertanyaan dan
Identifikasi informasi
informasi yang relevan
informasi yang
mana yang butuh
(dokumen).
dibutuhkan untuk
diverifikasi.
memperoleh pandangan Ingat kembali
yang jelas tentang
Diskusikan teori atau ide
pengetahuan sebelumnya
permasalahan.
lain yang muncul di
yang relevan untuk situsasi ini.
kelompok. Kelompokkan dan buat prioritas pada informasi yang dibutuhkan.
