BAB II TINJAUAN PUSTAKA
A. Pencemaran Pengertian pencemaran lingkungan dapat dipelajari dari definisi yang tercakup didalam undang-undang Republik Indonesia nomor 4 Th 1982 Tentang Ketentuan-Ketentuan Pokok Pengelolaan Lingkungan Hidup selanjutnya disingkat UULH pada bab I, pasal I ayat 7 disebutkan bahwa “pencemaran lingkungan adalah masuknya atau dimasukinya makhluk hidup, zat, energi, dan atau komponen baik kedalam lingkungan dan atau berubahnya tatanan lingkungan oleh kegiatan manusia atau oleh proses alam, sehingga kualitas lingkungan turun sampai tingkat tertentu yang menyebabkan lingkungan menjadi kurang atau tidak dapat berfungsi lagi sesuai dengan peruntukannya” (Anonimus, 1989). Pencemaran air oleh buangan tubuh manusia (tinja dan urin) memang telah terjadi, dan penanggulangan pencemaran tersebut sulit dilakukan dan tentunya membutuhkan biaya yang besar. Pengelolaan lumpur tinja yang ada sekarang ini di IPLT Keputih Surabaya, menggunakan energi listrik yang besar, dan memerlukan pemeliharaan dan pemeriksaan alat secara berkala. Alternatif tindakan untuk mencegah terjadinya kesulitan operasional dan pemeliharaan instalasi pengolahan serta untuk mencegah terjadinya pencemaran lingkungan akibat buangan tubuh manusia adalah dengan menggunakan kembali (reuse) limbah buangan tubuh manusia tersebut setelah dilakukan pengolahan sederhana untuk keamanan penggunaannya. Pertanian organik yang menggunakan urin dan
5
6
tinja sebagai penyubur tanaman (karena mempunyai kandungan unsur N, P, dan K yang tinggi) merupakan bagian dari suatu sistem sanitasi yang ekologis (Ecological Sanitation atau Ecosan) (http://www.pusdakota.org/abstract.html). Urin terdiri dari air dengan bahan terlarut berupa sisa metabolisme (seperti urea), garam terlarut, dan materi organik. Cairan dan materi pembentuk urin berasal dari darah atau cairan interstisial. Komposisi urin berubah sepanjang proses reabsorpsi ketika molekul yang penting bagi tubuh, missal glukosa, diserap kembali ke dalam tubuh melalui molekul pembawa. Cairan yang tersisa mengandung urea dalam kadar yang tinggi dan berbagai senyawa yang berlebih atau berpotensi racun yang akan dibuang keluar tubuh. Materi yang terkandung di dalam urin dapat diketahui melalui urinalisis. Urea yang dikandung oleh urin dapat menjadi sumber nitrogen yang baik untuk tumbuhan dan dapat digunakan untuk mempercepat pembentukan kompos, (http://www.mailarchive.com/
[email protected]/msg06651html) .
Menurut Bykov (1960) bahwa urine terbentuk dalam ginjal dan dibuang
dari tubuh lewat saluran. Urine terdiri dari 98% air dan yang lainnya terdiri dari pembentukan metabolisme nitrogen (urea, uric acid, creatinin dan juga produk lain dari metabolisme protein. Dan menurut Kimber (1949) urine biasanya bersifat kurang asam dengan pH antara 5 - 7. Urine yang sehat berat jenisnya berkisar 1.010 - 1.030, tergantung perbandingan larutan dengan air. Banyaknya urine yang dikeluarkan dalam 1 hari dari 1.200 - 1.500 cc (40 - 50 oz) (Ganong, 2001). Salah satu permasalahan yang ada dalam air limbah domestik yaitu adanya kandungan ammonium (NH4+) yang cukup tinggi. Adanya ammonium dalam air
7
limbah ini berpotensi mencemari badan air bila langsung dibuang tanpa melalui proses pengolahan. Untuk itu perlu adanya suatu teknologi pengolahan yang tepat. Ammonium secara alami ada pada air permukaan dan air tanah serta air limbah. Sebagian besar terjadi dari peruraian zat organik yang mengandung nitrogen oleh mikroorganisme dan dari hidrolisa urea. Secara alami merupakan hasil reduksi nitrat pada kondisi anaerob. Maka adanya ammonium merupakan satu petunjuk adanya pencemaran zat organik pada badan air (Taras M.J. 1971). Ammonium merupakan produk utama dari penguraian (pembusukan) limbah nitrogen organik yang keberadaannya menunjukkan bahwa sudah pasti terjadi pencemaran oleh senyawa tersebut. B. Ammonium [NH4+] 1. Pengertian Ammonium adalah suatu ion hasil hidrolisis ammonia, dimana ammonia merupakan hasil hidrolisis dari urea yang ada dalam urin. Ammonium adalah ion NH4+ yang bersifat tidak berwarna, berbau menyengat dan berbahaya bagi kesehatan. 2. Sifat Ammonium bersifat
basa sebagai “substansi bergabung dengan ion
hidrogen (protons)”. Ammonium dalam larutan berada dalam kesetimbangan seperti berikut :
ammonia
ammonium
8
Ammonium bereaksi sebagai basa karena adanya pasangan bebas yang aktif dari nitrogen. Nitrogen lebih elektronegatif dari hidrogen sehingga menarik ikatan elekton pada molekul ammonia kearahnya. Atau dengan kata lain dengan adanya pasangan bebas terjadi muatan negatif sekitar atom nitrogen. Kombinasi dari negatifitas ekstra tersebut dan daya tarik pasangan bebas, menarik hidrogen dari air.
Elektron bebas
+
+
(http://www.chemistry.org/materi kimia/kimiaorganik dasar/asam dan basa organik/basa organik/)
Dalam hubungannya dengan urin, sifat fisika bau (ammonia) tidak berwarna dan dalam sifat kimia ammonia mempunyai dua reaksi yaitu : 1). Reaksi subtitusi : masuknya ion H+ (dari molekul H2O) dalam ammonia misal : NH3 + H2O → NH4OH →NH4+ + OH2). Reaksi oksidasi : reaksi Ammonia dengan Oksigen membentuk Nitrogen dan Air. reaksinya : 4 NH3 + 3 O2 → 2 N2 + 6 H2O
3. Dampak Ammonium Dampak konsentrasi ammonium terhadap manusia terdapat dalam tabel 1 sebagai berikut :
9
Tabel 1 : Gajala atau pengaruh berbagai konsentrasi ammonium yang ditimbulkan pada manusia. Konsentrasi Ammonium
Gejala/Pengaruh yang ditimbulkan pada manusia
(ppm) 5
Kadar paling rendah yang tercium baunya Mulai timbul iritasi pada mukosa mata dan saluran
6
napas
25
Kadar maksimum yang dapat ditolerir selama 8 jam Kadar maksimum yang dapat ditolefir selama 10
35
menit Mulai menyebabkan sakit kepala, mual, hilang nafsu
40
makan pada manusia
(Setiawan.1996) Menurut Mukono (2005) bahwa efek ammonium (NH4+) terhadap kesehatan dan lingkungan adalah mengganggu pernapasan, iritasi selaput lendir hidung dan tenggorokan. pada konsentrasi 5000 ppm dapat menyebabkan ederma laryng, paru, dan akhirnya dapat menyebabkan kematian, iritasi mata (mata merah, pedih, dan berair) dan bisa menyebabkan kebutaan total, iritasi kulit dapat menyebabkan terjadinya luka bakar (frostbite), bersifat teratogenik pada paparan yang menahun. C. Fotokatalis 1. Pengertian Fotokatalis Pada abad yang lalu para peneliti berhasil mendiskripsikan fenomena fotokatalis
pada
permukaan
semikonduktor
metal-oksida.
Pertama
kali
dikemukakan oleh Renz tahun 1921. Popularitas semikonduktor fotokatalis meningkat setelah publikasi Akira Fujishima di majalah Nature 1972, ia
10
melaporkan pemecahan air pada oksigen dan hidrogen menggunakan kristal tunggal TiO2 dengan input sinar UV berenergi rendah (GunlaZuar Jarnuazi,2002). Fotokatalisis adalah suatu proses yang dibantu oleh adanya cahaya dan material katalis. Dengan pencahayaan ultra violet (254 nm) permukaan TiO2 mempunyai kemampuan mengionisasi reaksi kimiawi. Dalam media air, kebanyakan senyawa organik dapat dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air, berarti proses tersebut dapat membersihkan air dari pencemar organik. Senyawasenyawa anorganik seperti sianida dan nitrit yang beracun dapat diubah menjadi senyawa lain yang relatif tidak beracun (GunlaZuar Jarnuazi,2002). Penyinaran permukaan TiO2 (bersifat semikonduktor) menghasilkan pasangan elektron dan hole positif pada permukaannya juga menjadikan permukaan tersebut bersifat polar dan atau hidrofilik (suka akan air) dan kemudian berubah lagi menjadi nonpolar dan atau hidrofobik (tidak suka air) setelah beberapa lama tidak mendapatkan penyinaran lagi. Sifat hidrofilik dan hidrofobik salah satunya ditandai dengan ukuran sudut kontak butiran air pada permukaan lapis tipis TiO2 tersebut. yaitu sedikit lebih besar dari 50 derajat pada saat sebelum disinari kemudian berubah menjadi mendekati 0 derajat setelah disinari. Material dengan sudut kontak itu akan sangat hidrofilik (Super hidrofilik). Spesies aktif dari TiO2 dalam larutan berair adalah > TiOH. Keberadaan >TiOH dari dapat dilihat dari persamaan reaksi berikut : > TiOH2 pKal >TiOH + H ++ e – pKal = 4,5 > TiOH
pKal > TiO - + H+
pKal = 8,0
(1) (2)
11
2. Tahap Reaksi Degradasi Ammonium dengan Fotokatalis TiO2 a. Pembentukan pembawa muatan oleh foton (cahaya). TiO2 + hv >Ti (IV) OH + hvb+ + ecb -
(3)
b. Trapping pembawa muatan. hvb+ + >Ti IV OH (>Ti IV OH )+
(4)
ecb - + >Ti IVOH ( >Ti III OH)
(5)
ecb - + >Ti IV
>Ti III
(6)
c. Rekombinasi pembawa muatan ecb - + (>Ti IVOH )+ >Ti IVOH hvb+ + (>Ti III OH)
(7)
>TiIVOH
(8)
d. Transfer muatan antar muka (>Ti IV OH) + + Red >TiIV OH + Red+
(9)
(>Ti IV OH) + + 2NH4+ + 3e >TiIV OH + N2 + H2O
(10)
ecb -+ Oks >TiIV OH + Oks
(11)
e. Pembentukan radikal OH hvb++OH(s)OH
(12)
ecb-+H2O(I) OH(I)
(13)
Keterangan : TiOH
= bentuk terhidrat dari TiO2
Red (reduktant)
= pendonor elektron
Oks (oksidant)
= akseptor elektron
(>Ti IV OH)+
= permukaan dari penjebakan hvb+ (radikal OH)
(>Ti III OH)
= permukaan dari penjebakan ecb-
12
>TiO2 mewakili permukaan fotokatalis, hvb+ dan ecb- masing-masing adalah hole dan electron yang merupakan spesies fotoaktif, OH(s) merupakan gugus hidroksil pada permukaan katalis, hv merupakan energy radiasi yang berasal dari lampu UV/ visible atau cahaya matahari yang diserap oleh terbentuk pada permukaan katalis OH(s) dan OH(I) masing-masing adalah radikal OH yang terbentuk pada permukaan katalis dan dalam larutan (Fujishima, dkk. 1999).
D. Spektrofotometer 1. Pengertian Spektrofotometer adalah suatu alat atau instrumen untuk mengukur trasmisi atau absorben suatu contoh sebagai fungsi panjang gelombang. Pengukuran terhadap sederetan sempel pada suatu panjang gelombong tunggalpun dapat dilakukan. 2. Jenis Ada tiga jenis spektrofotometer yang telah dikenal,yaitu : a.
Single beam ( berkas sinar tunggal ) spektrifotometer Spektrofotometer jenis ini banyak digunakan karena cukup murah tapi memberikan hasil yang memuaskan. Spektrofotometer jenis ini hanya satu berkas sinar sehingga dalam praktek pengukuran sampel dan larutan blangko atau standar harus dilakukan bergantian dengan sel yang sama
13
b.
Double beam (berkas ganda) spektrofotometer Spektrofotometer jenis ini biasa ditemui pada spektrofotometer yang telah memakai automatis absorbansi (A) sebagai fungsi panjang gelombang ( λ). Spektrofotometer jenis ini mempunyai dua buah berkas sinar sehingga dalam pengukuran absorbansi tidak perlu bergantian antara sempel dan larutan blangko, tetapi dilakukan secara paralel.
c.
Gilford spektrofotometer Spektrofotometer jenis ini banyak dipakai di laboratorium biokimia dan mempunyai beberapa kuntungan dibanding spektrofotometer biasa, karena mampu membaca absorbansi (A) sampai satuan 3 (spektrofotometer biasa 0,1,-1,0). Ini disebabkan karen spektrofotometri ini menggunakan photomultiplier feed back sirkut.
3. Metode Ada tiga teknik yang biasa dipakai dalam analisis secara spektrofotometer, yaitu : a. Metode Standar Tunggal Metode ini sangat praktis karena menggunakan satu larutan standar yang telah diketahui konsentrasinya, selanjutnya absorbansi larutan standar dan absorbasi larutan sampel diukur dengan spektrofotometri. Rumus perhitungan kadar sampel : Abs sampel x C baku x P sampel = ... mg/L (ppm) Abs baku
14
b.
Metode Kurva Kalibrasi Dalam metode ini dibuat suatu seri larutan standar dengan berbagai
konsentrasi selanjutnya absorbansi masing-masing larutan tersebut diukur dengan spektrofotometri. Kemudian dibuat grafik antara konsentrasi dengan absorbsi yang merupakan garis lurus melewati titik. Y Keterangan : y bx + a
Y = absorbansi X
c.
X = konsentrasi
Metode Adisi Standar Metode ini dipakai secara luas karena mampu meminimalkan kesalahan
yang disebabkan oleh perbedaan kondisi lingkaran (matriks) sampel dan standar. Dalam metode ini dua atau lebih sejumlah volume tertentu dari sampel dipindahkan kedalam labu takar. Satu larutan diencerkan sampai volume tertentu kemudian diukur absorbansinya tanpa ditambah dengan zat standar, sedangkan larutan yang lain sebelum diukur absorbansinya ditambahkan terlebih dahulu dengan sejumlah tertentu larutan standar dan diencerkan seperti pada larutan yang pertama
15
4. Kesalahan Fotometri Kesalahan fotometri adalah kesalahan yang diakibatakan oleh sel fotolistrik pada detector dalam membedakan sinar dating dan sinar ditransmisikan. Kesalahan ini terjadi pada larutan yang terlmpau encer atau terlampau pekat. Agar diperoleh kesalahan yang minimal dalam analisis perlu dicari range konsentrasi dimana kesalahan pembacaan sinar masih bisa ditolelir.
5. Komponen Komponen yang penting sekali dari suatu spektrofotometer yang secara seksama sebagai berikut : Sumber
Monokromator
Sampel
Detector
Pengganda
Piranti baca
a)
Sumber energi cahaya yang berkesinambungan yang meliputi daerah spectrum
b)
Monokromator : yakni suatu piranti yang menghubungkan pita yang sempit panjang gelombang dari spectrum lebar yang dipancarkan oleh sumber cahaya.
c)
Wadah untuk sempel
16
d)
Detektor, yang berupa transduser yang mengubah energi cahaya menjadi suatu isyarat listrik
e)
Pengganda (amplifer) dan rangkaian yang berkaitan yang membuat isyarat lisrik itu memadai untuk dibaca.
f)
Sistem baca yang diperagakan besarnya isyarat listrik.
Prosedur Penetapan Konsentrasi Ammonium ( NH4+) dalam air
Tujuan : Menentukan konsentrasi ammonium (NH4+) dalam contoh air dengan metoda spektrofotometri
Prinsip : Ion ammonium dalam suasana basa akan bereaksi dengan larutan Nessler membentuk senyawa kompleks yang berwarna kuning sampai coklat. Warna yang ditimbul diukur serapannya dengan spektrofotometer pada λ 415 nm.
Reaksi : NH4+ + K2 (HgI4) → NH2Hg2I3 + NH3I Nessler
(coklat)
Reagen : - larutan K Na Tartrat 10 % - Reagen Nessler
Cara Kerja : 1. Dipipet 10,0 ml sempel dimasukkan ke labu ukur 50,0 ml + 35 ml aquades. 2. Ditambahkan 1,0 ml K Na Tartrat 10 % dan 2,0 ml reagen nessler. 3. Ditambahkan aquades sampai tanda batas.
17
4. Diukur serapannya pada spektrofotometer pada λ 415 nm. 5. Dilakukan juga blangko dan baku seri (1-10 ppm).
Perhitungan Konsentrasi Ammonium NH4+ Perhitungan konsentrasi ammonium NH4+ awal (kontrol) dan akhir
berdasarkan persamaan garis lurus dari kurva baku : Y = bX + a X=
x fp
Keterangan : Y : Absorbansi X : Konsentrasi Ammonium (NH4+) fp: Faktor Pengenceran
a : Konstanta b : Koefisien
