011 � R"LS,. 9-Co't .
��.
alii
DISINFEKSI Escherichia coli SECARA FOTOKATALISIS: PENGARUH VARIASI INTENSITAS SINAR UV DAN KONSENTRASI Ti02
VALIANT HADIANTO ELIM
DEPARTEMEN FISlKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
t
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
=
ABSTRAK VALIANT HADIANTO ELIM. Disinfeksi Escherichia coli secara FotokataIis: Pengaruh Variasi Illlensitas Sinar UV dan KonSenlnlsi TiO,. Dibimbing oleh AKI-IIRUDDIN MADDU dan NISA RACHMANIA MUBARIK. Kemampuan fotokatalisis dengan menggunakan bubuk TiO, fase anatase sebagai katalis untuk menufUnkan populasi bakteri Escherichia coli dipengaruhi oleh intensitas sinar UV dan konsentrasi katalis TiO,. Dalam penelitian ini dilakukan variasi intensitas melalui pengaturan jarak lampu UV ke bibir reaktor sebesar 0 cm, 5 cm, dan 10 cm masing-masing untuk konsentrasi TiO, 0.01%,0.05%, dan 0.1%. Bubuk TiO, yang dipakai memiliki parameter kisi a 9.462 A, c 3.751 A, ukuran kristal sebesar 3.313 A. Secara umull1, fotokatalisis berlangsung sangat cepat pada 15 menit mval r
=
Kala kunci: fotokatalisis, amltase, intensitas.
ABSTRACT VALIANT HADIANTO ELIM. Disinfcction. of Escherichia cali by Photocatalysis: The ElTect or Variation of UV Light Intensity and TiO, Concentration. Under Guidance of AKHIRUDDIN MADDU and NISA RACHMANIA MUBARIK. The ability of photocatalysis using TiO, anatase powder as catalyst to decrease the population of EI'cherichia coli was affected by the intensity of VItro Violet (UV) light and the conccntration of catalyst TiO, in the suspension. In order to vary the intensity of UV light, we varricd the space between UV lamp and Ule reactor by 0 cm, 5 cm, and 10 cm, each for the concentration of 0.01%, 0.05%, and 0.1%. TiO, powder which used in this research has lattice parameter a 9.462 A. c 3.751 A, with crystal size 3.313 A. Generally, photocatalysis in the first 15 minutes was faster than the later time (30 minutes and 45 lninutes). The disinfection constant in the first 15 lninutes of reaction for each variety of treatment was higher than the disinfection constant of the later time. We conclude that therc was an effective time reaction for each variety of catalyst concentration and UV light intcnsity. For the 0.01% TiO" Ule most effective space between UV lamp and the reaclor was 10 cm, and the effective time reaction was 45 minutes. Using TiO, concentration 0.05%, the most effective space between UV lamp and the reactor was 5 cm, and the effective lime reaction 15-30 minutes. While for concentration 0.1 %, the space between UV Imnp and reactor by 0 cm was the most effective, with effective time reaction 30 minutes. =
=
Keywords: photocatalysis. anatasc� intensity,
DISINFEKSI Escherichia coli SECARA FOTOKATALISIS: PENGARUH VARIASI INTENSITAS SINAR UV DAN KONSENTRASI Ti02
VALIANT HADIANTO ELIM
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Program Studi Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2003
Judul
: Deslnfeksi Escherichia coli secara Fotokatalisis :
Nama
: Valiant Hadianto Elim
NRP
: G0749901 I
Pengaruh Variasi Intensitas Sinar UV dan Konsentrasi Ti02
Program Studi : Fisika
Menyetujui,
Akhiruddin Maddu, M.Si Pembimbing I
Pembimbing II
RIWAYATHIDUP
Penulis dilahirkan di Depok pada tanggal 23 Desember
1980
sebagai anak sulung dari tiga
bersaudara Kedua orang tua penulis adalah Karnadi Elim dan Supriyati. Penulis menamatkan pendidikan dasar, pendidikan menengah pertama, dan pendidikan menengah atas di
kota Depok.
Lulus dari S MU Negeri I Depok tahun
1999,
penulis memperoleh
kesempatan di tahun yang sama, untuk belajar di Institut Pertanian Bogar melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB pada Program Studi Fisika. Penulis juga mendapat kesempatan sebagai sukarelawan pendamping siswa-siswi SMU dan SMP di Bogar dengan bergabung dalarn \Vadah Komisi Pelayanan Siswa IPB. Dalam wadah yang sama, penulis dipercaya untuk dan belajar menerapkan
dasar-dasar keorganisasian.
PRAKATA
Air yang ada di bumi umUI1mya tidak dalam keadaan mumi (H20), melainkan mcngandung berbagai pengo tor, baik terlarnt maupun tersuspensi, temlasuk mikroorganisme. Beberapa metode pengolahan air telah dikembangkan, nanlun hasilnya belum cukup memuaskan. Tema dari penelitian ini adalah disinfeksi Escherichia coli dengan bahan titanium dioksida, yang merupakan salah satu cara altcrnatif untuk mclcnyapkan mikroorganism� pcngganggu dalam air, yaitu mcIalui rcaksi fotokatalisis. Penulis menyadari bahwa karya ini masih sarat dengan kekurangan sehingga penulis membuka diri (erhadap segala kritik dan saran yang membangun agar karya ini dapat berdaya guna secara maksimal eli masa yang akan datang. Akhir kata penulis menghaturkan rasa terima kasih kepada: 1.
Tuhan Semesta Alam untuk keselamatan, berkat dan beban, serta pengalaman, baik manis maupun getir.
J.
Papa, Mama, Moses dan Theresia, sumber kasih sayang dan perhatian tulus Bapak Akhiruddin Maddu. MSi, atas bimbingan, masukan, saran, kesabaran. kescmpatan tak lcrduga dan lUaf biasa, serta domlsi untuk sebagian besar penelitian ini.
�.
lbu Dr. Nisa Rachmania Mubarik, MSi, alas kesabaran, bimbingan, jawaban alas beberapa
S.
Proyek Penelitian Dasar, Dikti, Depdiktms tal,un
2.
pertanyaan, dan keteladanan dalanl kerendallan hati.
2003 yang diberikan pada Bapak Akhiruddin
Maddu, MSi, yang mcndanai penelitian inL 6.
Ibu Mersi Kumiati, MSi, atas pinjaman buku, konsultasi, dim saran berharga.
7.
Dr. Ir. Iman Rusmana, M.Si, atas waktu diskusi, kermnahan, dan masllkan akhir untuk pembahasan.
8.
StafLab. Mikrobiologi IPB dan rekan-rekan sekerja, untuk keJull1gatan dan tips-tips penting.
9.
Scluruh sauciara, salmbat khususnya kak Kris "Ihe in�pirator", Pay, Sevi, Witha, dan Vivi, rckan
10.
pada saat sulit, kebersamaan, ck'U1 eksklusivitas KPS! Seluruh saudara dan sallabat di GPdI, untuk kellangatan dan persaudaraan yang agak "aneh".
sekerja, serta kakak alumni di Komisi Pelayanan Siswa untuk keceriaan, duk1l11gan dan tangisan
I!. Gati, yang telall memberikan pelajaran tentang cara bekeIja yang Jebih efisien serta semmlgat
seorang pria bahkan ck1lam kondisi yang terbilang 1l1ustaltil! l2. ASYaIUlH, untuk selllangat, keceriaan, dan jiwa kritis yang dengan sabar lllenelllani dengan caranya sendiri. 13. Teman dan sabat fisika
36: ydeT, ltinodmaR, ykkO, Naid, amruN, kak Ari dan Indah untuk senllm
masukan dan kebersamaan, Esti, Qoim untuk bantuan XRD-nya, dil11 Reini. 14. Seluruh pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persa!u, yang telall memberikan dorongan serta
bantuan seltingga ktlfya ini dapa! diselesaikan.
IS.
Seluruh anggota
tubuhku;
jari-jemari,
otak, mata, telinga, tangan, dan
kaki,
yang telah
bekerjasama dengan baik sehingga ktlfya ini bisa selesai; kalian semua sama berharga! Herzliche Grllesse! -Salanl hangat!
Bogar, Februari
Penulis
2004
DAFTARISI
Halaman DAFTAR TABEL.............................................................................................................. DAFTAR GAMBAR .......................................................................................................... DAFTAR LAMPIRAN....................................................................................................... PENDAHULUAN Latar Belakang .. ............... ... ....... ...... ............. .......... .................................. .............. ,
vi vi vii
1
PerutllUSan Masalah .................... ............................ .. ....................... ,....................
1
Tujuan Penelitian..... ................ ...... ...... ....... ................. .............. .... ............. ...... ..... ...
1
Penyusunan Ripo!esis .. ................... ... ... ........................ .............................. ......... ... TINJAUAN PUSTAKA Semikonduktor .................................................................. :.....................................
1
.
.
..
.
Titanium Dioksida .... ......... ". ... ................ ... ............................ .... ............................. Escherichia coli.. ('..................................................................................................... Kinetika Proses F otokatalisis ....................................... .. ...... . ................ ..... .. .... .
2 2 3
..
4
Pola dan Laju Disinfeksi Bakteri.. ...... ... ... .... ... ... ... ................... ... ................. ... ...... ....
6
.
..
.
.
..
BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian ......... .. .. ....................... .. .. ................. .. . .. .
.
..
..
.
.
.
..
.
...
..
...
Alat dan Bahan ... ... ... ... ... ............. ...... ... .............. ... .... .... .............. .... ... .................... .
Prcparasi Bubuk TitaniulIl Dioksida.......... ... .. .. .. . . .......... .. ... . .
.
.
..
..
.
.
.
.
. . .. .. ."............
....
.
Preparasi Isolat Escherichia coli ............................... ....... .... ................................... Desain Reaktor Disinfeksi Fotokatalisis .............. ...................................................... Metode Penelitian dan Pemberian Perlakuan Material ............................. ...... ...... ...... Penghitungan Koloni Escherichia coli setelall Perlakuan ... ... ...... .......... ...... ............. .
.
Pengnknran Intensitas Lampu Ultra Violet ..... ................. .................. ...................... Penghitungan Nilai Tetapan Disinfeksi..... ......... .. ...... ......... :................. .. ..... .. . . HASIL DAN PEMBAHASAN .
..
.
.
.
.
.
..
.
6 6
7 7 7 7
8 8 8
HasH XRD Bubuk Ti02 dan Ukuran Parlikel........ ....... .................... ...... . .. .. ".......... RasH Pengnknrall Intellsitas Lanlpu UV ............................................................. . ... Efek Disinfeksi dengan Menggnnakan Sinar UV (Reaksi Fotolisis) ........................
8
Pengmuh Variasi Jarak Lmnpu UV pacta Disinfeksi secara Fotokatalisis....................
10 13
.
.
.
.
.
Pengaruh Variasi Konsentrasi TiOz pada Disinfeksi secara Fotokatalisis......... ...... .....
9
10
KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan ..... .... . ... ....... . . . ............... .. .. .. ... .. . . .. .......... ...... .. .. .
.
.......
15
. . . . ........... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . . . . . . . . . . . . . . ....... . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .
15
.
..
.
.
Saran DAFTAR PUSTAKA . . .. ..
.
.
..
..
.
.
..
.
.
.
..
.
.
.
.
.
...
. .. ... .. ..... .... ... .. . .. .... .. .. ... ...... .. .. .. . . ... . LAMPIRAN . .. . ... .. .... .. ................... . ....... . .......... .................... ............. .. .. ........ . .
.
..
.
.
.
.
.
.
.
.
....
.
..
.
.
.
..
.
.
.
.
.
.
..
..
......
.
..
..
.
.
.
.
.
.
..
.
.
.
.
.
...
.
.
16
18
DAFTAR TABEL
Halaman I.
2. 3.
Variasi konsentre.si TiO, danjarak lampu UV ke bibir reaktor pada perlakuan fotokatalisis ....................................................................................................................... Perbandinganjarak antar kisi serta intensitas pada sampel terhadap data standar! referensi............................................................................................................................. Perbandingan parameter kisi dan ukuran kristal pada sampel dengan referensi! standar ............................................................ .................................................................. Hasil pengukuran intensitas lampu UV dengan menggunakan YSJ-Kettering model 65 Radiometer ........................................................................................................................ Nilai tetapan disinfeksi (A) liap perlakuan fotokatalisis TiO, dengan memvariasikan jarak lampu UV ke bibir reakror (d) untuk selang waktu perlakuan 15 meni!................... Nilai tetapan disinfeksi (A) liap perlakuan fotokatalisis dengan variasijarak lampu UV ke bibir reaktol' (d) dan variasi konsentrasi TiO, untuk selang waktu perlakuan 15 menit .
4. 5. 6.
7 9
9 10 12 13
DAFTAR GAMBAR
Halaman I. Struklur kristal titanium dioksida (ruby.eolorado.edulsmyth/minitio2.html, diaeu dalam Sudana 2003) ................................................................................................ Perspektif struktur kristal Ti02 (diambil dari www.nl-ind.eomlkronos! diaeu dalarn Gunlazuardi 200 I) .. ...................................................................................... 3. Ilustrasi skematis proses foto-eksitasi dan de-eksit.si pada suatu semikonduktor (Liensebigler el al. 1995 dalam Gunlazuardi 200 I) .................................... ..................... 4. Skema reaktor disinfeksi fotokatalisis ............................................................................... 5. Grafik perbandingan sin e terhadap Br eos a untuk menentukan ukuran kristal ............... 6. Kristalografi TiO, anatase ................................................................................................. 7. Disinfeksi seeara fotolisis dengan jarak lampu UV ke bibir reaktor sebesar 0 em ............ 8. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis dengan konsentrasi TiO, 0.0 I %, jarak lampu UV ke bibir reakror sebesar I) em,5 em, dan 10 em (eksponensial terhadap wakru [45 menit]) ....................................................... ...................................................... 9. Pl'Oporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis dengan konsentrasi TiO, 0.05%, jarak lampu UV ke bibir reaktol' sebesar 0 eIr., 5 em,dan 10 em (eksponensial terhadap waktu [45 menit]) .............................................................................................................. 10. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis dengan kons.ntrasi TiO, 0.1%, jarak lampu UV ke bibir reakror sebesar 0 em,5 em, dan 10 em (eksponensial terhadap waktu [45 menit]) .......................................... ................................................................... II. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis denganjarak lampu UV ke bibir reaktor sebesar 0 em pada konsentrasi TiO, 0.0 I %,0.05%,dan O. 1% (eksponensial terhadap waktu [45 menit]) ............................................................................................... 12. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis denganjarak lampu UV ke bibir reaktor sebesar 5 em pada konsentrasi TiO, 0.01%,0.05%, dan O.I % (eksponensial terhadap waktu [45 menit]) ............................................................................................... 13. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis denganjarak lampu UV ke bibir reakror sebesar 10 em pada konsentrasi TiO, 0.01%,0.05%, dan O.I % (eksponensial terhadap waktu [45 menit]) ......................................................................:........................
3
2.
.
.
.
3 5 7 9 9 10
II
II II
14
14
14
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1,
Data pengamatan fotokatalisis dengan variasi konsentrasi Ti02 dan jarak lampu UV ke mulut reaklor................................................................ ............................. 2. Penentuan (A ) parameter kisi dan (B) ckuran partikcl TiO, dengan menggunakan metode C ohen....... .......... ...................... ................................................................ 3. Diagram alir penelitian.......................................................................................... 4. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis dengan konsentrasi TiO, 0.0 l%, jarak lampu UV ke bibir reaktor sebesar 0 em, 5 em, dan 10 em (logaritma natural terhadap waktu A.1S menit; B. 30 mernt; C. 45 meni!) ........................................... 5. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis dengan konsentrasi TiO, 0.05°/". jarak lampu UV ke bibir reaktor sebesar 0 em, 5 em, dan 10 em (Iogariuna natural terhadap waktu Al5 menit; B. 30 mernt; C. 45 meni!)........................................... 6. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis dengan konsentrasi Ti02 0.1%, jarak lampu UV ke bibir reaktor sebesar 0 em, 5 em, dan 10 em (logaritma natural terhadap waktu A. 15 mernt; B. 30 menit; C. 45 menit) .......................................... 7. Proporsi ketahanan hidup E. coli pada fotokatalisis denganjarak lampu UV ke bibir reaklor sebesar 0 em pada konsentrasi TiO, 0.01%, 0.05%, dan 0.1% (logariuna natural terhadap waktu A. 15 mernt; B. 30 menit; C. 45 meni!).................... ...... ..... Proporsi kctahallan hidup l!,', coli pacta fotokalalisis dcnganjarak lampu UV kc bibir �, reaktor sebesar 5 em pada konsentrasi Ti02 0.01%, 0.05%, dan 0.1% (logaritma natural terhadap waktu A15 mernt; B. 30 menit; C. 45 menit)............................... 9. Proporsi ketallanan hidup E. coli pada fotokatalisis denganjarak lampu UV ke bibir reaklor sebesar 10 em pada konsentrasi Ti02 0.01%,0.05%, dan 0.1% (logaritma natural terhadap waktu A. 15 mernt; B. 30 menit; C. 45 menit)............................... 10. Data penampakan puneak- puneak Ti02..................................................................
19 22 25
26
26
27
27
28
28 29
PENDAHULUAN
Latar Belakang Planet ail', itulah predikat yang disandang bumi karena 70 persen permukaannya tertutup air; sebagian besarnya merupakan air asin dan hanya sekitar 2,5 persen saja yang berupa air tawar, itu pun tidak sampai satu persen yang bisa dikonsumsi karena sisanya berupa air tanah yang dalam atau pun es di daerah kutub. Para ahli meramalkan bahwa dunia yang diperkirakan berpenduduk 8,3 miliar pada 2005 nanti, akan menghadapi kelangkaan air bersih (MTI 1999). Pengelolaan air berpacu dengan pertumbuhan penduduk yang meningkat pesat serta perkembangan wilayah dan industri yang cepat, apalagi banyaIe sumber air yang telah tercemar, baik oleh kontaminan kimiawi, fisik, maupun hayati. . Kadar air tubuh manusia mencapai 68 persen, sementara, kebutuhan air minum setiap orang bervariasi dari 2, I liter hingga 2,8 liter per hari, tergantung pada berat badan dan aktivitasnya, Agar tetap sehat, air minum harus rnemenuhi persyaratan fisik, kimia, maupun bakteriologis. Air yang ada di bumi umumnya tidak dalam keadaan murni (H20), melainkan mengandung berbagai pengotor, baik terlarut maupun terslispensi, termasuk mikroorganisme (Suprihatin 2004). Beberapa metode pengolahan air telah dikembangkan, namun hasilnya belum cukup memuaskan, selain karena terlalu mahal dari segi biaya investasi maupun pengoperasianl pemeliharaannya sehingga tidak ekonomis untuk digunakan, telah terbukti bahwa residu yang tertinggal dalam air, berbahaya bagi kesehatan. Penelitian ini berfokus pada upaya disinfeksi ail' dari kontaminan hayati, terutama bakteri. Escherichia coli dipilih sebagai contoh umum bakteri pencemar pada air. Satu langkah baru untuk disinfeksi air terjadi pada dua dasawarsa terakhir abad duapuluh dengan ditemukannya proses fotokatalisis. Fenomena ini terjadi pada bahan semikonduktor yang disinari dengan cahaya Ultra Violet (UV) sehingga permukaan semikonduktor itu memiliki kemampuan untuk menginisiasi reaksi kimiawi yang menghasilkan
sejumlah senyawa yang terbukti mampu membunuh bakteri dalam air. Secara umum fotokatalisis dapat didefinisikan sebagai pemercepatan fotoreaksi (transformasi beberapa senyawa kimia oleh induksi cahaya) karena adanya katalis. Materi fotokatalitik menggunakan energi foton cahaya untuk mengkatalisis (mempercepat) reaksi kimia. Sejauh ini katalis yang umum digunakan ialah titanium dioksida (TiO,) karena selain mampu menguraikan polutan, TiO, yang biasa dijumpai dalam bentuk serbuk putih dan umum digunakan sebagai pigmen putih dalam cat maupun kosmetik ini harganya terjangkau, tidak beracun, tersedia secara luas, dan juga tahan karat.
Perumusan Masalah Efek disinfeksi yang dihasilkan dalam reaksi fotokatalisis menggunakan katalis bubuk TiO, anatase dengan memvariasikan konsentrasi TiO" maupun intensitas cahaya untuk iluminasi melalui variasi jarak lampu UV ke bibir reaktor sehingga diharapkan dapat diketahui kondisi terbaik untuk kedua variabel tersebut, yang dapat meningkatkan laju disinfeksi E. coli.
Tujuan Penelitian Penelitian untuk dilakukan ini membandingkan baik kadar bubuk TiO, anatase maupun intensitas cahaya UV efektif dengan pengaturan jarak lampu UV ke bibir reaktor, yang diperlukan untuk proses disinfeksi secara fotokatalisis dalam air.
Penyusunan Hipotesis Berdasarkan data dan informasi yang diperoleh dari penelusuran literatur maka dalam penelitian ini terdapat beberapa hipotesis yang dikemukakan yaitu: I. terdapat suatu kadar bubuk TiO, anatase efektif yang dapat digunakan sebagai katalis untuk meningkatkan efek disinfeksi dengan konsentrasi bakteri awal tertentu. 2. terdapat intensitas cahaya iluminasi efektif yang dapat digunakan untuk disinfeksi proses fotokatalisis dengan konsentrasi bakteri awal tertentu.
