PREPARASI Fe(III)-MONTMORILLONIT SEBAGAI FOTOKATALIS DEGRAGASI METIL JINGGA
Nandang Kurniawan Yusup, Is Fatimah, Riyanto Program Studi Ilmu Kimia FMIPA Universitas Islam Indonesia
ABSTRACT Preparation of Fe(III)-montmorillonite as photocatalyst degradation of methyl orange has been examined. The preparation is done by mixing a solution of FeCl3 with montmorillonite solution which has stirred for 24 hours and calcined at 300oC for 4 hours. Synthesized result were characterized by X-Ray Diffraction, Brunauer-Emmett-Teller (BET) and atomic absorption spectroscopy (AAS). The formation of Fe(III)- montmorillonite is identified by the shift of peak from 6.3o to 5.8o of angle reflections on the field of d001, showed increasing of surface area, total volume of pores and increasing of iron concentration. Activity test of Fe(III)-montmorillonite as photocatalyst degradation is performed in the solution of methyl orange 10-5 M with time variations are 0, 15, 30, 60, 120, and 240 minutes. To determine the optimum conditions for activity of Fe (III)-montmorillonite degradation process carried out in conditions of with variations pH 4, pH 7 and pH 10. The results showed that the activity of Fe (III)-montmorillonite optimum in degrading methyl orange on pH 4 photooxidation conditions with declining 61.94%. Keywords: Montmorillonite, Fe(III)-montmorillonite, photocatalyst, methyl orange
PANDAHULUAN Masalah pencemaran limbah cair telah meningkat dalam beberapa tahun terakhir, dengan demikian limbah cair dapat menjadi masalah utama bagi lingkungan hidup. Pelepasan zat warna ke ekosistem merupakan sumber polusi yang berbahaya bagi lingkungan [1]. Proses pencelupan yang dilakukan pada industri tekstil banyak menghasilkan limbah zat warna karena presentasi pewarna yang hilang dapat mencapai 50% [2]. Penanganan masalah limbah cair yang mengandung zat warna ini telah dilakukan dengan berbagai cara mulai dari yang konvesional sampai dengan metode yang lebih modern. Namun metode-metode tersebut masih memiliki berbagai macam
kelemahan. Metode konvensional kurang efektif dalam mendegradasi zat warna yang ada pada limbah zat cair, sedangkan metode modern memiliki kelemahan dalam hal biaya operasional yang tinggi. Melihat dari fakta yang ada, maka dari itu penanganan limbah zat warna masih membutuhkan solusi yang tepat. metode fotodegradasi memberikan sebuah alternatif dalam menangani permasalahan limbah zat warna. Prinsip dasar dari proses fotodegradasi adalah oksidasi atau reduksi bahan organik oleh cahaya yang diaktifkan dengan menggunakan katalis[3]. Metode fotodegradasi yang menggunakan fotokatalik heterogen dengan partikel semikonduktor oksida logam seperti TiO2, ZnO, dan Fe2O3 sering digunakan sebagai
katalis untuk mengatasi masalah polutan organik seperti zat warna[1]. Fotoaktivitas oksida-oksida logam dapat di tingkatkan dengan cara menurunkan ukuran partikel hingga 1-10 nanometer[1]. Selain itu fotoaktivitas dapat ditingkatkan melalui pengembanan pada material pendukung. Salah satu material yang dapat digunakan sebagai pengemban adalah lempung montmorillonit. pemilaran montmorillonit dengan menggunakan oksida logam Fe diharapkan dapat meningkatkan kemampuan aktivitas fotodegradasi. Pada penelitian ini bertujuan untuk membuat sebuah material Fe(III)monmorilonit yang akan diuji aktivitas fotokatalik dalam degradasi zat warna metil jingga dengan menggunakan peroksida (H2O2), variasi pH dan penyinaran matahari METODE PENELITIAN Bahan Penelitian Montmorillonit, FeCl3.6H2O (Merck), Metil jingga (Merck), HNO3 (Merck), HCl (Merck), NaOH (Merck), Akuades (Laboratorium Kimia Lanjut FMIPA UII) Alat Penelitian Alat gelas, pengaduk magnetik, kertas saring whatman 42, neraca analitik, pH meter (Hanna Instruments), Oven (Memmert), Furnace (VulcanTM A-550), Spektrometer Difraksi Sinar-X, Spektrofotometer Serapan Atom (Parkin Elmer Zeemen 5100), Spektrofotometer UVVis double beam(HITACHI U 2010), HPLC (SHIMADZU, detektor LC-6A, injektor SCL-6B), dan Surface Area Analyzer. Prosedur Penelitian Sintesis Fe(III)-montmorilonit Fe(III)-montmorillonit dibuat dengan menimbang 2,208 g FeCl3 dalam 100 mL aquades dan diaduk dalam temperatur kamar
selama 24 jam (larutan 1). Montmorillonit sebanyak 10 g dalam 100 mL aquades diaduk dalam temperatur kamar selama 24 jam (larutan 2), kemudian larutan 1 ditambahkan ke dalam larutan 2, dan diaduk selama 24 jam menjadi FeCl3montmorillonit. Fe(III)-montmorillonit kemudian dicuci hingga larutannya menjadi pH 7 dengan proses pencucian menggunakan air de-ionnizer dan penyaringan.. Fe(III)-montmorillonit dimasukan dalam furnace pada temperatur 200oC, didiamkan 1 jam kemudian dinaikan temperaturnya hingga 300oC selama 4 jam Karakterisasi montmorillonit dan Fe(III)montmorilonit Katalis hasil diamati parameter fisiknya (meliputi besarnya kristalinitas padatan) menggunakan XRD (X-ray diffractometry), dan dengan BET (BrunauerEmmet-Teller) untuk menganalisis luas permukaan (surface) serta distribusi pori dari lempung. Analisis kadar besi menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom (SSA). dengan terlebih dahulu mendestruksi sampel Fe(III)-montmorillonit alam sebanyak 0,15 g ditambah 3 mL HNO3 (dibuat dari HNO3 + HCl, 3:1) [4]. Fotokatalis degradasi metil jingga dengan Katalis Fe(III)-montmorilonit Larutan metil jingga 10-4 M sebanyak 500 mL, ditambah sebanyak 0,05 mL H2O2 dan 0,1 g Fe(III)-montmorillonit. Kemudian disinari dengan sinar matahari.variasi waktu untuk pengambilan sempel 15, 30, 60, 120 dan 240 menit. Kemudian di ukur absorbansi dengan menggunakan spektrofotometer UV-Visible dengan panjang gelombang 464 nm. Kondisi pH 4 pada larutan metil jingga ditambahkan HCL untuk membuat suasana asam pada larutan, sedangkan untuk membuat suasana basa ditambahkan NaOH.
Sementara untuk mengetahui pengaruh dari Fe(III)-montmorilonit terhadap fotokatalis degradasi metil jingga dilakukan dengan maka kondisi fotokatalis degradasi dilakukan dengan dan tanpa katalis Fe(III)montmorillonit
dengan keberdaan Fe2O3 sesuai dengan difraktogram Fe2O3 standar 800 700 600
HASIL dan PEMBAHASAN Sintesis Fe(III)-montmorilonit Preparasi Fe(III)-montmorilloni dilakukan dengan cara mencampurkan larutan montmorillonit dengan larutan besi (III) klorida (FeCl3) yang diaduk selama 24 jam. Larutan montmorillonit yang dicampurkan dengan larutan FeCl3 kemudian direfluks selama 4 jam. Setelah itu disaring dengan menggunakan kertas saring yang dilanjutkan dengan pencucian menggunakan aquades untuk menghilangkan ion Cl- yang membuat pH Fe(III)montmorilonit menjadi asam yaitu pH 4. Pencucian ini dilakukan hingga pH Fe(III)montmorilonit menjadi pH 7 sehingga dapat dipastikan tidak ada lagi ion Cl- yang berada pada material Fe(III)-monmorillonit. Material Fe(III)-montmorillonit yang telah terbebas dari ion Cl- kemudian difurnace selama 4 jam pada suhu 4000C yang bertujuan untuk membentuk pilar-pilar oksida logam Fe(III). Setelah material Fe(III)-montmorilonit kering kemudian ditumbuk hingga halus sebelum dikarakterisasi dan digunakan untuk fotokatalis degradasi metal jingga. Karakterisasi montmorillonit dan Fe(III)montmorilonit Hasil karakterisasi Fe(III)montmorilonit yang dilakukan dengan menggunakan X-Ray Diffraction ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 2. Berdasarkan difraktogram yang terdapat pada Gambar 1 disimpulkan adanya puncak pada 27o yang berkaitan besar
500
(a)
400 300 20
30
40
50
60
70
(b) Gambar 1. Difraktogram sinar-x (a) Fe(III)Montmorilonit dan (b) Standar Fe2O3 5000 4000 3000 2000 1000
.
0 3
4
62θ 7
5
8
9
10
(a) 700 600 500 400 300 200 100 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
2θ (b) Gambar 2. Difrakgram Sinar-X Untuk (a) montmorilonit (b) Fe(III)-Montmorillonit
Tabel 1. Data luas permukaan spesifik dan volume total pori dari montmorilonit dan Fe(III)montmorilonit Sempel Montmorillonit Fe(III)-montmorillonit
Luas Permukaan Spesifik (m2/g) 62,46 205,38
Pada Gambar 2 menunjukan perbedaan hasil difraktogram antara montmorilonit dengan Fe(III)montmorillonit. pergeseran puncak pada basal spacing montmorillonit dari 6,30 ke 5,80. menunjukkan adanya pembentukan pilar Fe2O3 pada antar lapis struktur montmorilllnit. Hasil analisis serapan gas dapat digunakan untuk mengetahui luas permukaan dan distribusi pori suatu padatan dengan bantuan metode BET. Analisis serapan gas untuk montmorilonit dan Fe2O3-montmorilonit disajikan dalam Tabel 1. Tabel 1 menunjukan bahwa terjadi peningkatan luas permukaan dan volume total pori yang signifikan antara montmorillonit dengan Fe(III)montmorillonit. Tabel 2. Hasil analisis kadar besi Sampel Kadar Besi (%) Montmorilonit 4,60 Fe(III)-Montmorilonit 15,27 Hasil analisis penentuan kadar besi pada montmorillonit dan Fe(III)montmorilonit dapat dilihat pada Tabel 2. Kandungan besi pada monmorilonit yaitu 4,60%, sedangkan pada Fe(III)montmorillonit 15,27%. Hasil ini menunjukan bahwa kadar besi pada Fe(III)montmorilonit lebih besar dari pada kadar besi pada montmorilonit. Peningkatan kadar besi ini menujukkan bahwa interkalasi Fe(III) kedalam montmorillonit berhasil dilakukan
Volume Total Pori (cc/g) 0,004418 0,009199
Fotokatalis Degradasi Metil Jingga Metode fotokatalis degradasi ini bertujuan untuk mengurai komponenkomponen dari zat warna menjadi komponen-kompenen yang lebih sederhana yang lebih aman untuk lingkungan. Berlangsungnya reaksi fotokatalis degradasi sendiri memerlukan empat komponen utama yaitu : sumber cahaya (proton), senyawa target, oksigen dan fotokatalis [5]. Terbentuknya radikal hidroksi (·OH) dan superoksida (·O2) dimulai dengan proses penyinaran dengan sinar matahari yang mengenai permukaan katalis Fe(III)montmorillonit sehingga terjadi eksitasi elektron dari pita valensi menuju pita konduksi dan meninggalkan hole (h+vb) pada pita valensi. Hole (h+vb) ini akan berperan sebagai muatan positif, yang seanjutnya akan bereaksi dengan hidroksida logam (oksida besi) yang terdapat pada katalis[6]. Fe(III)-montmorilonit memberikan penurunan persen degradasi lebih banyak dari pada hasil fotodegradasi tanpa Fe(III)montmorillonit. Hal ini dikarenakan dengan adanya katalis, hidroksida dan foton maka terbentuknya radikal hidroksi (·OH) dan superoksida (·O2) akan semakin banyak. Radikal – radikal inilah yang akan mengoksidasi metil jingga didalam larutan. Hasil fotodegradasi metil jingga pada Gambar 3 menunjukkan bahwa katalis Fe(III)-montmorillonit memiliki peranan dalam membentuk radikal hidroksida dibantu dengan foton dan peroksida .
Persen penurunan
Tanpa Fe(III)-monmorillonit Fe(III)-montmorillonit
35% 15% -5%
0
50
100
150 Waktu (Menit)
200
250
300
Persen Penurunan
Gambar 3. Hasil Fotokatalis degradasi metil jingga dengan Fe(III)-montmorillonit dan tanpa Fe(III)-montmorillonit 80%
pH4 pH7 pH10
60% 40% 20% 0% -20% 0
50
100
150 Waktu (menit)
200
250
300
Gambar 4. Hasil Fotokatalis degradasi metil jingga dengan variasi pH
Untuk mengetahui kondisi pH optimum untuk fotokatalis degradasi metil jingga dengan Fe(III)-montmorillonit dilakukan variasi pH pada penelitian ini. Pada Gambar 4 menunjukkan pengaruh pH terhadap fotokatalis degradasi metil jingga menggunakan katalis Fe(III)-montmorillonit. Hasil fotokatalis degradasi menunjukkan bahwa penurunan degradasi tertinggi terjadi ketika pH 4 dengan persen penurunan sebesar 61,94 %, dibandingkan dengan pH 7 dan pH 10. Pengaruh pH terhadap degradasi metil jingga ini yang menyebabkan hasil persentase pengurangan degradasi metil jingga pada ranga pH tertentu berbeda-beda. Molekul metil jingga pada pH rendah akan menangkap ion hidrogen (H+) yang terikat pada atom nitrogen seperti yang ditunjukan pada Gambar 5. Pengikatan ion (H+) dapat meningkatkan degradsi metil jingga yang
akan saling bertabrakan dengan oksida logam yang terdapat pada permukaan katalis. selain itu pH larutan yang rendah dapat membantu untuk mengaktifkan kembali oksida besi yang kemudian meningkatkan reaksi degradasi pada permukaan katalis [7].
Gambar 5. Pengaruh pH terhadap struktur molekul metil jingga [8] Kesimpulan
1.
2.
Preparasi Fe(III)-monmorilonit yaitu dengan mengembankan ion Fe3+ kedalam montmorillonit yang dilanjutkan dengan proses pembentukan pilar oksida logam Fe.Material kemudian dikarakteristik. Pengembanan dan pilarisasi montmorillonit dengan Fe(III) telah menyebabkan pergeseran puncak pada basal spacing montmorillonit, meningkatkan luas permukaan spesifik 62,46 m2/g menjadi 205,38 m2/g, volume total pori dari 0,004418 cc/g menjadi 0,009199 cc/g dan peningkatan kadar besi sebesar 10,67%. Kondisi optimum fotokatalis degradasi metil jingga dengan menggunakan Fe(III)-montmorillonit yaitu pada kondisi pH 4 dengan persen penurunan 61,94 % selama 240 menit.
Daftar Pustaka 1. Wijaya, K., Tahir, I., and Haryanti, N., 2005, Sintesis Fe2O3-Montmorilonit Dan Aplikasinya Sebagai Fotokatalis Untuk Degradasi Zat Pewarna Congo Red, Indo. J. Chem., 5 (1), 41 – 47 2. Zille, A., 2005, Laccase Reactions for Textile Applications, Dissertations, Universidade do Minho, Escola de Engenharia. 3. Fatimah, I., Shukla, P.R., and Kooli, F., 2009. Combined Photocatalytic and Feton Oxidation Of Methyl Orange Dye Using Iron Exchanged Titanium Pillared Montmorillonite, J. Applied Sci, 9(20), 3715-3722. 4. L’Annunziata, M.F., 2012, Handbook of Radioactivity Analysis, 3rd Edition, Academic Press, New York, hal. 394395. 5. Wijaya, K., Sugiharto, E., Fatimah, I., Sudiono, S., dan Kurniaysih, D., 2006, Utilisasi TiO2-Zeolit Dan Sinar Uv
6.
7.
8.
Untuk Fotodegradasi Zat Warna Congo Red, TEKNOIN, Vol. 11, 199-209. Dhamayanti, Y., Wijaya, K., and Tahir, I., 2005, Fotodegradasi Zat Warna Methyl Orange Menggunakan Fe2o3Montmorillonit Dan Sinar Ultraviolet, Proseding Seminar Nasional DIES ke 50 FMIPA UGM, Yogyakarta. Shih, Y. H., Tso, C. P., and Tung, L. Y., 2010, Rapid Degradation Of Methyl Orange With Nanoscale Zerovalent Iron Particles, J. Environ. Eng. Manage., 20(3), 137-143. Barka, N., Assabbane, A., Nounah, A., Dussaud, J., and Ait Ichou, Y., 2008, Photocatalytic Degradation Of Methyl Orange With Immobilized TiO2 Nanoparticles: Effect of pH and Some Inorganic Anions, Phys. Chem. News 41, 85-88.
