Degradasi Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS) Menggunakan Contact Glow Discharge Electrolysis (CGDE) dengan Larutan Elektrolit KOH Nissa Utami1, Nelson Saksono2 Teknik Kimia, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia 1
E-mail:
[email protected],
[email protected]
ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk menegradasi limbah Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS) agar mencapai baku mutu yang telah ditetapkan dengan metode Contact Glow Discharge Electrolysis (CGDE). LAS yang digunakan merupakan LAS sintetis dengan konsentrasi awal 100 ppm, dan larutan KOH sebagai elektrolitnya. Variasi variabel yang digunakan untuk penelitian ini adalah tegangan listrik (500 V, dan 600 V), konsentrasi elektrolit (0.01 M, 0.02 M, dan 0.03 M), dan kedalaman anoda (CGDE, 1 cm, dan 2 cm). Analisis produk yang dilakukan adalah pengukuran hidrogen peroksida, pengukuran kandungan LAS dengan metode MBAS, dan pengukuran konsumsi energi listrik selama proses degradasi berlangsung. Dari hasil penelitian didapat persentasi degradasi LAS mencapai 99,14% pada tegangan 600 volt, selama 2 jam dan menggunakan larutan elektrolit KOH 0,02 M. Konsumsi energi untuk mendegradasi LAS tersebut sebesar 1149,8817 KJ/mmol LAS yang terdegradasi dan konsentrasi hidrogen peroksida sebesar 298,52 ppm. Kata kunci : LAS, CGDE, KOH, MBAS, Hidrogen Peroksida
1. Pendahuluan Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS) merupakan jenis surfaktan anionik, dan termasuk kedalam jenis senyawa organik. Keberadaan LAS sendiri digunakan sebagai bahan dasar pembuatan detergen. Konsumsi penggunaan detergen yang kian meningkat, menyebabkan masalah terhadap lingkungan aquatik yang tercemar. Banyak penelitian yang telah dilakukan mengenai pengolahan limbah LAS ini. Namun, pengolahan limbah yang ada masih kurang mampu dengan cepat mengurai cincin benzene pada senyawa LAS ini. Hal ini dikarenakan cincin benzene ini mengandung energi resonansi yang besar, stabil secara termodinamik dan relatif resisten terhadap serangan mikrobial. Oleh karenanya mikro organisme memerlukan energi yang cukup besar dalam reaksi mengurangi energi resonansi barier yang dapat membuka cincin benzene [1]. Metode pengolahan limbah LAS
yang pernah dilakukan adalah dengan flokulasi, ozonasi, lumpur aktif, dan elektrolisis faraday. Namun pengolahan limbah LAS dengan metode-metode tersebut hasil limbah yang terdegradasi masih dibawah 90% dan ada beberapa senyawa hasil dari degradasinya menghasilkan senyawa yang lebih berbahaya dari LAS itu sendiri. Contact Glow Discharge Electrolysis (CGDE) merupakan teknologi pengolahan limbah organik. Dimana CGDE ini dapat disebut juga dengan elektrolisis plasma. Prinsip dari metode CGDE ini adalah mendegradasi limbah organik menggunakan OH radikal, yang dihasilkan dari proses elektrolisis plasma dalam larutan elektrolit. Plasma yang terbentuk dikarenakan adanya beda potensial yang cukup tinggi diantara 2 elektroda, dimana plasma ini akan menghasilkan senyawa-senyawa reaktif seperti OH●, radikal H dan aqueos elektron (H2O+).
Degradasi Linear ..., Nissa Utami, FT UI, 2013
Radikal OH yang berperan dalam mendegradasi limbah organik dalam metode CGDE ini, merupakan oksidator kuat sehingga mampu mendegradasi limbah organik meskipun memiliki cincin benzene maupun siklik pada senyawa limbahnya. Namun, keberadaan OH radikal itu sendiri mudah merekombinasi dengan sesamanya membentuk H2O2[2]. Ryo Amano Tezuka (2006) pernah melakukan penelitan tentang degradasi limbah Alkylbenzene Sulfonate (ABS) dengan menggunakan CGDE dan ABS mampu terdegradasi 90% [3].
dengan tegangan yang divariasikan ( 500 volt dan 600 volt), pada tegangan 600 volt dengan waktu degradasi 30 menit dan memvariasikan larutan elektrolit (0,01 M, 0,02M dan 0,03M) serta variasi pada kedalaman anoda (0 cm (CGDE), 1 cm dan 2 cm) pada kondisi operasi tegangan 600 volt, waktu degradasi 30 menit, dan pada KOH 0,02M. Banyaknya larutan limbah dalam reaktor adalah 400 ml, dan temperatur selama proses CGDE dijaga pada ◦ ◦ kisaran 50 C - 70 C. Tujuan menjaga temperatur ini untuk menghindari penguapan pada air [3].
2. Metode
3. Hasil dan Diskusi
Pada penelitian ini limbah yang digunakan merupakan LAS sintetis 97%, dengan anoda yang digunakan adalah tungsten berdiameter 1,6 mm dan panjang 175 mm. Katoda yang digunakan merupakan stainlees steel dengan diameter 0,61 cm dan panjang 15 cm. Larutan elektrolit yang digunakan adalah KOH. Berikut merupakan gambaran dari rangkaian alat yang digunakan pada metode CGDE ini:
Pada degradasi Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS) ini, metode analisis terhadap kandungan LAS yang digunakan adalah Methylene Blue Active Subtances (MBAS) [4], pengukuran H2O2 dengan titrasi iodometri. Pengukuran H2O2 ini merupakan pengukuran terhadap produktivitas OH radikal, dimana untuk jumlah OH radikal 2 kali lebih banyak daripa H2O2 yang terukur di larutan. a. Pengaruh Variasi Tegangan Pada Degradasi LAS dan Produktivitas OH●
5
10
9
0.13
8
Tabel 1 Pengaruh Variasi Tegangan Terhadap Produktivitas OH Radikal
6 3
ON
25
4
2
7
1
Gambar 1. Rangkaian Alat Pada CGDE 1 3
2 4
Water out 5 Water In 6
7 ON
Gambar 2. Reaktor CGDE
Gambar 3 Pengaruh Tegangan Terhadap Persen Degradasi LAS
Pada penelitian ini, larutan limbah yang digunakan merupakan LAS sintetis dengan konsentrasi 100 ppm dan larutan KOH 0,02 M
Pada variasi tegangan ini jika dilihat dari produktivitas radikal OH pada Tabel 1,
Degradasi Linear ..., Nissa Utami, FT UI, 2013
semakin tinggi tegangan maka semakin banyak OH radikal yang dihasilkan. Hal ini terlihat pada tingginya konsentrasi H2O2 yang terukur pada tegangan 600 volt. Hal ini juga mempengaruhi persen degradasi LASnya. Jika dilihat pada Gambar 3, terlihat di tegangan 600 volt persen degradasinya dapat mencapai 99,14%. Tingginya hasil degradasi pada tegangan 600 volt ini disebabkan karena plasma yang terbentuk pada tegangan 600 volt ini lebih besar dan lebih cepat stabil, sehingga eksitasi elektron dalam pembentukan OH radikal akan semakin cepat dan OH radikal yang dihasilkan akan semakin banyak. Kondisi tersebut di karenakan konduktivitas pada tegangan 600 volt lebih tinggi. Salah satu upaya memperbanyak jumlah OH radikal yang dihasilkan adalah dengan menaikan konduktivitas, oleh karenanya dengan menaikan tegangan maka konduktivitas larutan akan naik [5].
terlihat bahwa semakin tinggi konsentrasi larutan elektrolitnya, nilai konduktivitasnya akan semakin naik. Maka plasma yang terbentuk akan semakin besar dan OH radikal yang dihasilkan akan semakin banyak. Namun kendala yang dihadapi ketika menggunakan konsentrasi larutan elektrolit yang terlalu besar adalah temperatur yang sulit untuk dijaga ◦ ◦ sekitar 50 C - 70 C. Hal ini disebabkan nyala plasma yang cukup besar pada konsentrasi 0,03M ini. Kondisi ini pun didukung oleh persen degradasi yang dicapai oleh konsentrasi 0,03M pada Tabel 3 tidak terlalu signifikan perbedaannya. Hal ini mungkin pada saat proses CGDE berlangsung ketika larutan elektrolit KOH ditambahkan limbah, suhu di dalam reaktor sulit untuk dijaga sehingga kemungkinan penguapan pada proses ini semakin tinggi. c. Pengaruh Variasi Kedalaman Anoda Terhadap Produktivitas OH● dan Persen Degradasi LAS Tabel 4 Pengaruh Variasi Kedalaman Anoda Pada Produktivitas OH Radikal
b. Pengaruh Variasi Konsentrasi Elektrolit Terhadap Produktivitas OH● dan Persen Degradasi LAS Tabel 2 Pengaruh Variasi Konsentrasi KOH Pada Produktivitas OH Radikal
Tabel 3 Pengaruh Variasi Konsentrasi Terhadap Degradasi LAS Gambar 4 Pengaruh Kedalaman Anoda Pada Degradasi Limbah LAS
Tabel 2 menjelaskan tentang produktivitas OH radikal pada variasi konsentrasi. dari tabel
Tabel 4 merupakan data perhitungan mengenai produktivitas OH● terhadap variasi kedalaman anoda. Dari Tabel 4 terlihat bahwa semakin
Degradasi Linear ..., Nissa Utami, FT UI, 2013
dalam anoda, maka produktifitas radikal OH semkin tinggi. Namun dari Tabel 4 terlihat kenaikan OH radikal yang tidak terlalu signifikan, tidak sejalan dengan kenaikan konsumsi energi yang 2 kali lipatnya, kondisi ini dikarenakan pengaruh elektrolisis biasa yang meningkat pada kedalaman 2 cm. Jika dilihat dari persen degradasi pada Gambar 4, terlihat bahwa semakin dalam anoda yang tercelup maka kenaikan atau peningkatan terhadap degradasi LAS semakin meningkat. Hal ini dikarenakan plasma yang terbentuk pada kedalaman 2 cm ini semakin besar, dengan plasma yang besar ini degradasi LAS akan semakin besar. Namun, plasma yang besar pada kedalaman 2 cm ini sulit untuk dijaga suhu prosesnya disekitar 50●C - 70●C , dan kurang aman jika dilihat dari segi keamanannya.
mampu memecahkan rantai siklik yang dimiliki oleh LAS ini dengan cepat dan baik. Metode CGDE ini akan menghasilkan degradasi lebih bagus ketika pada proses operasinya menggunakan tegangan tinggi diatas 600 volt. Karena pada tegangan tinggi ini, plasma yang dihasilkan akan lebih cepat stabil dan pembentukan selubung gasnya akan semakin cepat. Hal tersebut di karenakan pembentukan OH radikal membutuhkan energi terkonsumsinya lebih kecil, namun laju energinya besar. Degradasi LAS dengan metode CGDE ini, dari mekanisme reaksi antara LAS dengan OH radikal menghasilkan senyawa intermediet yang tidak lebih berbahaya dari LASnya. Diantara senyawa-senyawa intermediet yang terbentuk dari hasil mekanisme reaksi antara OH radikal dengan LAS adalah asam-asam organik, asam format, asam oksalat dan aldehid [6].
REFERENSI
Gambar 5 Visualisasi Plasma Pada Variasi Kedalaman Anoda di Larutan KOH 0,02M Pada Gambar 5, terlihat visualisasi plasma yang terbentuk pada variasi kedalaman 0 cm, 1 cm, dan 2 cm. Pada kedalaman 2 cm terlihat plasma yang terbentuk sangat besar, dan dengan selubung yang besar pula. Hal ini dikarenakan nilai konduktivitas di 2 cm lebih tinggi dibandingkan dengan 0 cm dan 1 cm.
4. KESIMPULAN Dari berbagai variasi proses yang telah dilakukan, maka didapat suatu kondisi yang hasil degradasi limbah Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS) mencapai 99,14%. Yaitu pada kondisi operasi di 600 volt, dengan KOH 0,02 M dan waktu degradasi LAS selama 120 menit. Hal ini berarti metode CGDE ini mampu mendegradasi limbah LAS dengan baik, dan
[1] Berna J.L., & Cavalli (1999). ALS, Linear Alkylbenzene Sulfonate. Fact & Figures ECOSOL, LAS Risk Assesment For Sludge Amanded Solid, 19-20 April 1999, SPT workshop in Coordination with DEPA, Copenhagen, Denmark. [2] Ceccato, paul. (2009). Filmentary Plasma Discharge Inside Water: Inititation and Propagation of a Plasma in a Dense Medium, phd Reports, Ecole Polytechnique Palaiseai (paris). Prancis. [3] Amano,R.,Tezuka,M.(2006) Mineralization of Alkylbenzene Sulfonate in water by means of Contact Glow Discharge Electrolysis, Water Research 40 (2006) 1857-1863. [4] Hera. Linear Alkylbenzene Sulfonate. June 2009. [5] Gao, j., Dongping, M., Xiao, G., Aixiang, W., Yan, F., Jianlin, W. & Wu, Y. (2008). Analysis of Energetic Species Caused by Contact Glow Discharge Electrolysis in Aqueous Solution, Plasma Science and Technology, Vol.10, No.1.
Degradasi Linear ..., Nissa Utami, FT UI, 2013
[6] Cuzzola, Angela., Raffaelli, A., Salvadori, P. (2005). Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS) Oxidation by H2O2 and O2: an investigation by gas-and liquidchromatography coupled with mass spectrometry, Applied Catalysis B: Environmental 59 (2005) 113-120.
Degradasi Linear ..., Nissa Utami, FT UI, 2013
