Penelitian "Bioleaching logam dari Baterai Li-ion Bekas dengan menggunakan Isolate A, ferooxidans dari Kolam Air Asam Tambang"

  • 16 November 2021
  • Admin

Kebutuhan konsumsi energi berbanding lurus dengan perkembangan teknologi modern saat ini. Baterai Li-ion merupakan baterai yang paling banyak digunakan sebagai sumber tenaga dalam berbagai perangkat elektronik portabel dan kendaraan listrik karena kepadatan energinya yang tinggi (200 Wh/kg), masa penyimpanan yang lama, volume kecil, ringan, efisiensi self-discharge rendah, dapat digunakan pada berbagai rentang suhu tertentu (Li J, Wang G, 2016; Zheng et al., 2018). Hal ini akan menyebabkan kebutuhan produksi Baterai Liion akan meningkat tajam dan diprediksi pada tahun 2025 akan akan mencapai 400.000 ton dengan permintaan pasar meningkat sebesar 15% pertahun (Hartono et al., 2017).

 

Tingginya nilai konsumsi Baterai Li-ion juga akan berdampak terhadap produksi limbah padat dalam jumlah besar. Beberapa bahan yang digunakan dalam baterai, seperti logam berat dan elektrolit beracun, menimbulkan ancaman khusus bagi ekosistem dan kesehatan manusia. Infiltrasi logam berat beracun dapat berlangsung ke badan air bawah tanah apabila baterai Liion bekas langsung dibuang ke tempat penimbunan, Meskipun demikin, baterai bekas ini memiliki nilai ekonomi yang tinggi karena mengandung sejumlah besar logam berharga beberapa bahkan memiliki kadar yang tinggi daripada kadar logam dalam bijih alam (Ordoñez J, Gago EJ, 2016). Cobalt merupakan salah satu unsur logam yang relatif mahal karena kelimpahannya yang rendah dibandingkan dengan unsur baterai lainnya (Biswal et al., 2018). Daur ulang baterai ini diperlukan karena tidak hanya akan mengurangi pencemaran lingkungan, tetapi juga menghemat penipisan ketersediaan sumber daya logam berharga ini.

 

Beberapa penelitian telah dilaporkan terkait penggunaan beberapa teknik hidrometalurgi untuk ekstraksi berbagai logam termasuk Cobalt diantaranya adalah pelindian asam (asam anorganik) atau asam organik, hidrotermal dan metode presipitasi elektrokimia (Biswal et al., 2018; Zheng et al., 2018). Meskipun proses-proses tersebut telah banyak digunakan untuk ekstraksi logam dari baterai bekas, namun proses tersebut membutuhkan energi tinggi, bahan kimia beracun, kondisi fisiokimia yang ekstrim, dan pada akhirnya mereka melepaskan produk sampingan yang berbahaya ke lingkungan. Hal ini juga mendorong pengembangan green technology dengan kebutuhan energi yang lebih sedikit dan limbah yang seminimal mungkin.  Metode menjanjikan yang disebut proses bio-hidrometalurgi (bioleaching) telah secara bertahap dikembangkan sebagai alternatif menggantikan hidrometalurgi konvensional karena efisiensinya yang lebih tinggi, biaya yang lebih rendah, kelimpahan bahan baku dan lebih aman. Prinsip utama proses ini adalah pelindian logam dengan memanfaatkan mikroorganisme pengoksidasi besi dan sulfur. Pembentukan produk metabolisme seperti anorganik dan asam organik oleh aktivitas mikroba digunakan untuk mengoksidasi logam dari mineralnya (Fan et al., 2020) (Marcinčáková et al., 2016).

 

Kalimantan merupakan salah satu wilayah di Indonesia yang memiliki kondisi tanah gambut tropika yang memiliki kandungan organik yang tinggi, tingkat keasaman yang tinggi (pH 3-5), miskin akan unsur hara, dan pada umumnya kurang subur (Dariah, Maftuah and Maswar, 2013). Salah satu penyebab kondisi tersebut adalah kehadiran dari mikroorganisme terutama Acidophilic bacteria. Bakteri kelompok ini dapat ditemukan pada wilayah tanah gambut, tanah bekas tambang batubara, pada batubara, pada air asam tambang, pada tanah pertanian yang mempunyai kandungan besi tinggi dan pada tanah suifat masam (Hazra and Widyati, 2007; Widyati, Widyastuti and Lantifasari, 2009). Bakteri jenis Acidithiobacillus ferrooxidans dari biakan murni telah dilaporkan mampu menjadi agen pelindian baterai Li-ion bekas dengan recovery Lithium hingga 79 % (Marcinčáková et al., 2016). Penelitian ini bertujuan untuk mengisolasi strain bakteri dari sumber potensi alam local yakni kolam air asam tambang di Kalimantan untuk mampu mengekstraksi Lithium dan Cobalt dari baterai Li-ion bekas dan menentukan kondisi optimum bioleaching oleh bakteri tersebut.

 

Penelitian ini dibagi menjadi 3 tahapan utama yaitu pembuatan yakni persiapan material baterai dan pembuatan inokulum dan proses bioleaching serta analisis data eksperimen.

 

 

 

Gambar 1. Skema Eksperimen Bioleaching

 

Bakteri dibiakkan pada media selektik basal 9K dengan ion ferric sulphat sebagai sumber energi. 10 mL dari Air Asam Tambang pada pH<4 dikulturkan pada 100 mL media cair 9K pada suhu 30 0C selama 14 hari dengan perbedan perlakuan yaitu:

a. Inkubasi kondisi anaerob pada wadah gelap tertutup dan pengadukan manual selama 15 menit per 6 jam.

b. Inkubasi kondisi aerob pada Erlenmeyer 300 mL dan pengadukan manual selama 15 menit per 6 jam.

c. Inkubasi kondisi aerob dengan pengayaan oksigen, menggunakan aerator.

 

Culture bakteri yang telah tumbuh ke media cair selanjutnya dibiakkan ke media selektif 9K padat dengan menambahkan 1% gelatine pada media cair dan di inkubasi selama 7 hari. Biakan bakteri pada media cair akan digunakan pada proses bioleaching, sedangkan biakan pada media padat digunakan untuk mengidentifikasi pertumbuhan bakteri A. ferooxidans. Sebelum dilakukan percobaan bioleaching, sampel yang telah mengandung strain bakteri akan diaklimatisasi dengan adanya penambahan larutan yang mengandung katoda aktif (pH 5,8) dengan konsentrasi campuran adalah 0,25 g/100 ml. Kultivasi dilakukan selama 4 minggu. Setelah itu, sampel bakteri yang telah dibiarkan pada kemudian dipisahkan dengan centrifuged lalu dicuci dengan distilled water.

 

Gambar 1. Hasil Pengamatan Kultur setelah Inkubasi 14 hari dengan Perlakuan Oksigen yang Berbeda (a) pada media Cair; (b) pada media padat

 

Berdasarkan hasil pengamatan setelah masa inkubasi 21 hari dari ketiga sampel diperoleh hasil pengamatan yang dirinci pada Tabel 1.2 berikut ini:

 

Tabel 1. Perbandingan Karakterisasi Kultur Eksperimen dengan Literatur

Kondisi

Isolat A

Isolat B

Acidithiobacillus ferooxidans
(Hazra and Widyati, 2007)

pH

2,2

2,5

1,3-4,5

Suhu

26-32 oC

26-32 oC

24-33 oC

Bentuk koloni

serbuk kuning

serbuk kuning

suspended solid kuning

Sumber energi

FeSO4 7 H2O

FeSO4 7 H2O

Oksidasi dari Fe2+ dan reduksi sulfur

Kebutuhan oksigen

Aerob dengan injeksi udara

Anaerob pada botol gelap tertutup

Aerob obligat

Sumber nitrogen

(NH4)2SO4 ; Ca(NO3)2

(NH4)2SO4 ; Ca(NO3)2

Ammonia, nitrat

Bentuk sel

belum diidentifikasi

belum diidentifikasi

Tongkat pendek, rantai pendek (bentuk tunggal atau berpasangan), ujung bulat

Pewarnaan gram

belum diidentifikasi

belum diidentifikasi

gram negatif

           

Adapun pada sampel blanko (Sampel C) tidak mengalami perubahan apapun (respon negatif) selama proses inkubasi. Hal ini menandakan bahwa kondisi media garam basal 9k merupakan media selektif yang tidak terkontaminasi oleh mikroorganisme lain sehingga kultur yang ditumbuhkan pada isolat A dan B seharusnya telah selektif.

 

Kedua sampel yang menunjukkan hasil yang positif, yaitu terjadi perubahan warna pada media menjadi warna kuning keruh (Male et al., 2019; Osorio et al., 2019).Hal ini disebabkan terbentuknya besi ferri (Fe3+) karena dioksidasinya besi ferro (Fe2+) oleh bakteri pengoksidasi besi. Menurut (Hazra and Widyati, 2007) bakteri ini tergolong tipe aerobik obligat yang artinya memerlukan oksigen untuk tumbuh. Namun penelitian yang dilakukan oleh Widyati (2011) dan Male et al., (2019) kultur justru dibiakan dalam kondisi anaerobik dan juga menunjukkan respon positif. Prinsipnya menurut Osorio et al., (2019) bakteri tipe Thiobacillus sp bekerja secara anaerobik fakultatif dimana bakteri mengikat CO2 dengan skema Calvin-­Bassham-­Benson dan juga dapat mengikat nitrogen di bawah kondisi mikroaerofilik namun mikroba ini juga dapat tumbuh dengan hidrogen sebagai sumber energi baik secara aerobik maupun anaerobik dengan kesamaan reduksi dari Fe(III).

 

Studi bioleaching dilakukan pada labu erlenmeyer berukuran 300 mL. Sebanyak 90 mL media 9K disiapkan dan pH awal diatur sebesar 2,5 menggunakan H2SO4 pekat. Selanjutnya sebanyak 1 gram bubuk katoda aktif ditambahkan diikuti dengan penambahan 10 ml inokulum
(konsentrasi bakteri = 3,2 x 10-7 sel/ml). Analisis sampel dilakukan pada hari ke: 0, 3, 7, dan 15 hari. Adapun perlakuan yang dipilih adalah melalui pengayaan oksigen dikarenakan mempercepat peningkatan konsentrasi kultur bakteri

 

Selama bioleaching, produksi asam dan reduksi besi menyerang permukaan material menjadi Co3+ terlarut. Aktivitas bakteri berhasil menyusup ke pori partikel hal ini dibuktikan pada analisis XRD bahwa peak material LiCoO2 pada grafik menurun drastis setelah proses bioleaching yang menandakan logam Cobalt terlarut setelah proses bioleaching.

 

 

Gambar 3. Analisis XRD pada bubuk katoda baterai pada (a) sebelum bioleaching;
(b) setelah bioleaching

 

Tim Peneliti:

  1. Asful Hariyadi, S.T., M. Eng. (Teknik Kimia/JTIP/ITK)
  2. Bangkit Gotama, S.T., M.T. (Teknik Kimia/JIKL/ITK)
  3. Umi Sholikah, S.Si., M.T. (Teknik Lingkungan/JIKL/ITK)