Kajian Efektifitas Reagen Fenton untuk Menurunkan Kosentrasi COD Air Limbah Domestik (Elfiana, dkk)
KAJIAN EFEKTIFITAS REAGEN FENTON UNTUK MENURUNKAN KONSENTRASI COD AIR LIMBAH DOMESTIK SECARA BATCH PADA METODE AOP BERBASIS H2O2 Elfiana, Cut Aja Rahmahwati, Halim Zaini, Anwar Fuadi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumase Jl. Banda Aceh-Medan km.280, Buketrata-Lhokseumawe 24301 * Email :
[email protected] Abstrak
Hasil pengukuran konsentrasi COD air limbah domestik kota Lhokseumawe pada saluran drainase pintu 1 inlet Waduk reservoir Gampong Pusong kota Lhokseumawe berkisar 4160 mg/L, secara visual memberikan warna air yang gelap dan berbau. Penelitian ini dilakukan untuk mengkaji efektifitas reagen fenton dalam menurunkan konsentrasi COD air limbah domestik kota Lhokseumawe dalam skala laboratorium sistim batch. Kajian efektifitas dilakukan terhadap besarnya persentase penyisihan COD (%RCOD) yang diperoleh dan jumlah H2O2 yang dikonsumsi (%XH2O2) selama proses. Dosis H2O2 optimum diperoleh dengan mengolah air limbah domestiknya menggunakan variasi H2O2 5,2mM – 26mM, disebut proses peroksidasi. Hasil penelitian menunjukkan dosis H2O2 optimum dari proses peroksidasi adalah 15,6mM dengan %RCOD 42,3% dan %XH2O2 60,41%. Dosis optimum H2O2 15,6mM merupakan basis perbandingan berat Fe2+:H2O2 dalam reagen fenton. Pengaruh H2O2 dalam reagen fenton diamati dengan mereaksikan air limbah demestik dengan variasi H2O2 (5,2mM – 26mM) dan ditambahkan Fe2+ 35,36 mg/L. Hasil yang diperoleh %RCOD meningkat dibanding %RCOD proses peroksidasi, dan optimum pada H2O2 15,6mM dengan %RCOD= 76,92% dan %XH2O2=82,31%. Pengaruh konsentrasi Fe2+ dalam reagen fenton diamati menggunakan variasi konsentrasi Fe2+ (11,79 mg/L – 106,08 mg/L) pada dosisi H2O2 optimum 15,6mM (530,4 mg/L). Hasil penelitian 2+ menunjukkan Fe berpengaruh terhadap jumlah konsumsi H2O2 (%XH2O2). Semakin besar konsentrasi Fe2+ maka semakin besar %XH2O2 dan maksimum pada Fe2+ 35,36 mg/L, diperoleh formula reagen fenton dengan perbandingan berat Fe2+:H2O2=1:15(wt/wt). Kata kunci: Air Limbah Domestik, Fe2+, H2O2, Reagen Fenton, %RCOD, %XH2O2
PENDAHULUAN Menurut KepMenLH No. 112 Tahun 2003 defenisi air limbah domestik merupakan air limbah yang berasal dari usaha dan atau kegiatan pemukiman (real estate), rumah makan (restaurant), perniagaan, perkantoran, asrama, apartemen, dan rumah sakit. Sehingga campuran rumit air limbah domestik meliputi bahan organik, anorganik, padatan tersuspensi,
koloida, padatan terlarut dan mikroorganisme. Laju penghasil air limbah biasanya antara 30–70 m3 perorang per tahun atau 83-194 liter perorang perhari (Mara, D dan Cairncross (1994) dalam Sasongko, L.A.,2006). Air limbah domestik dengan konsentrasiCOD>800mg/L merupakan tingkat pencemaran berat, 600mg/L
Kajian Efektifitas Reagen Fenton untuk Menurunkan Kosentrasi COD Air Limbah Domestik (Elfiana, dkk)
tingkat pencemaran ringan (Rump and Krist (1992) dikutip Effendi (2003) dalam Sasongko, L.A.,2006). Hasil pengukuran konsentrasi COD air limbah domestik kota Lhokseumawe pada saluran drainase inlet waduk reservoir Gampong Pusong kecamatan Banda Sakti kota Lhokseumawe berkisar 4160 mg/L, menunjukkan tingkat pencemaran berat. Oleh sebab itu perlu dilakukan pengolahan air limbah domestik sederhana, efektif dan realible yang menjanjikan dapat menekan tingkat pencemaran seminimim mungkin. Penelitian ini menawarkan teknologi AOP (Advanced Oxidation Processes) bebasis H2O2 seperti proses Fenton yang telah terbukti dapat menurunkan konsentrasi beberapa senyawa organik (Rodriquez, 2003). Penambahan reagen fenton (Fe2+ dan H2O2 1:4) pada dosis 40 g/l mampu menurunkan 96% konsentrasi COD air limbah industri plasticizier selama waktu reaksi 1-24 jam (Purwanti, I.F., dan Baskoro, U., 2008). Proses Fenton dalam reaktor batch skala laboratorium juga telah digunakan untuk menurunkan 95,15% konsentrasi LAS 50 mg/L menjadi 2,4 mg/L pada dosis H2O2 141,168 mg/L dan Fe2+ 3,14 mg/L (Fe2+/H2O2 = 1:45(wt/wt)) selama waktu reaksi 360 menit (Elfiana, 2007). Sedangkan untuk konsentrasi COD air limbah rumah sakit hanya dapat turun 87% menggunakan reagen fenton dengan perbandingan massa Fe2+/H2O2 = 1:25(wt/wt) (Elfiana, 2010).
Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji efektifitas reagen fenton dalam menurunkan konsentrasi COD air limbah domestik kota Lhokseumawe dalam suatu reaktor batch skala laboratorium. Objek penelitian ini adalah air limbah domestik pada saluran drainase 6 (enam) kelurahan di kabupaten Banda Sakti sebagai pintu I inlet waduk reservoir Pusong Lhokseumawe, meliputi kelurahan Tempok Tengoh, Kuta Blang, Uteun Bayi, Banda Masin, Mon Geudong dan Keude Aceh. Penelitian dimulai dengan karakterisasi air limbah domestiknya pada pintu I inlet waduk Pusong tersebut berdasarkan parameter COD, menentukan dosis optimum H2O2 dan Fe2+ yang tepat, serta mempelajari pengaruh H2O2 dan Fe2+ dalam proses Fenton berdasarkan persentase penurunan konsentrasi COD air limbah domestiknya dan excees H2O2 yang diperoleh. Diharapkan penelitian ini dapat memberikan kontribusi positif, efektif dan effesien sebagai upaya dalam mengembangkan proses pengolahan air limbah domestik yang ekonomis dari segi biaya dan handal dari segi performansinya. METODE Karakterisasi Air Limbah Domestik Karakterisasi sifat fisikokimia air limbah domestik disimpulkan dalam Tabel 1. Air limbah domestik yang digunakan berasal dari pintu I inlet waduk reservoir Pusong kota Lhokseumawe
Tabel 1. Karakterisasi air limbah domestik Parameter Satuan pH Chemical Oxygen Demand (COD) Deterjen (MBAS) Turbidity Temperatur
mg/l % NTU 0 C
Nilai 8,67 4160 5,781 31,30 30
58
Kajian Efektifitas Reagen Fenton untuk Menurunkan Kosentrasi COD Air Limbah Domestik (Elfiana, dkk)
Reagen Hydrogen peroxida grade teknis (H2O2 35%; density 1,11 kg/l; BM 34 g/gmol; BE 17). Ferrous sulphate heptahydrate (FeSO4.7H2O, Merck; BM 278 g/gmol) digunakan sebagai sumber Fe2+. Pereaksi analisa COD (K2Cr2O7; HgSO4; H2SO4; Ag2SO4; FAS; indicator feroin). Pereaksi analisa kemurnian H2O2 35%teknis dan excess H2O2 (Na2S2O3.5H2O; Na2CO3; KI; HCl). Semua larutan dipersiapkan dengan menggunakan air demineral dan dipersiapkan setiap kali percobaan. Prosedur Percobaan Rangkaian reaktor Fenton sistim batch dalam skala laboratorium ditunjukkan pada Gambar 1. Reaktor terbuat dari beaker glass pyrex kapasitans +2L,
volume air limbah 1,4 liter. Pengadukan menggunakan magnetic stirrer merk IKA C-MAQ HS 10 dengan kecepatan konstan pada skala 2. Dinding reaktor dilapisi aluminum foil untuk mencegah kontaminasi dengan lingkungan luar. Ke dalam reaktor dimasukkan sample air limbah domestik 1,4 liter dengan konsentrasi COD 4160 mg/L, ukur pH, temperatur, dan turbidity. Reaktor ditutup dan dikondisikan agar isi reaktor benar-benar tidak dipengaruhi oleh sistim luar. Kedalam reaktor tambahkan H2O2 secara perlahan untuk reaksi peroksidasi menentukan dosis H2O2 optimum
pH meter FeSO4.7H2O
H 2 O2
Termometer
Aliran Air pendingin
Water bath
Batang Stirrer
Magnetik stirrer
Gambar 1. Rangkaian peralatan reaktor Fenton
Untuk proses Fenton, ke dalam reaktor berisi air limbah 1,4 liter tambahkan garam besi Fe2+ secara perlahan dan stirrer dihidupkan, pastikan larutan homogen. Dalam waktu yang singkat setelah penambahan garam besi, tambahkan H2O2 secara perlahan dan pastikan larutan homogen dan reaksi tetap
terjadi pada setiap titik. Pengukuran pH, temperatur, COD dan excess H2O2 dilakukan setiap waktu 60 menit sampai 240 menit. Analisa Pengukuran pH dan temperatur air limbah menggunakan alat pH meter merk HANA HI 8424. Analisa COD 59
Kajian Efektifitas Reagen Fenton untuk Menurunkan Kosentrasi COD Air Limbah Domestik (Elfiana, dkk)
diukur menggunakan metode Closed Reflux Titrimetric. Sedangkan analisa excess H2O2 diukur secara Iodometri. Pada selang waktu tertentu (60, 120, 180 dan 240 menit) sample sebanyak 5 ml diambil dari reaktor dan diukur COD dan excess H2O2. pH dan temperature diukur langsung di dalam reaktor HASIL DAN PEMBAHASAN Air limbah domestik yang digunakan dalam penelitian ini berasal dari saluran drainase pintu I inlet waduk reservoir Gampong Pusong kota Lhokseumawe. Komposisi air limbahnya sudah disajikan dalam Tabel 1. Dari hasil karakteristik, air limbah domestik kota Lhokseumawe tersebut mengandung konsentrasi COD 4160 mg/L. Merujuk kepada KepMenLH No.112 tahun 2003, maka air limbah domestik tersebut berkatagori tercemar berat karena COD>800 mg/L. Oleh karenanya sangat berbahaya terhadap lingkungan khususnya waduk reservoir tersebut jika tidak disertai dengan pengolahan terlebih dahulu. Oleh sebab itu, pemanfaatan Reagen Fenton sebagai sumber radikal hidroksil (HO●) dapat dibuktikan dapat mengatasi permasalahan air limbah tersebut. Radikal hidroksil terbentuk selama mekanisme raksi Fenton berlangsung, oleh sebab itu penggunaan reagen fenton sebaiknya pada dosis yang tepat. Untuk itu perlu diketahui jumlah kebutuhan H2O2 optimum yang sesuai sebagai oksidator untuk jenis air limbah domestik yang digunakan. Jumlah dosis H2O2 optimum yang dibutuhkan untuk mampu menurunkan konsentrasi COD air limbah domestik
secara oksidasi kimia biasa (proses Peroksidasi) ditunjukkan dalam Gambar 1 dan Gambar 2. Dari Gambar 1 dan Gambar 2 dapat terlihat bahwa konsentrasi H2O2 15,6 mM mampu menurunkan konsentrasi COD paling optimum yaitu 42,3% dengan juumlah konsumsi H2O2 optimum 60,41%. Konsentrasi H2O2 lebih besar dari 15,6mM tidak signifikan memberikan persentase penurunan COD (%RCOD) yang baik, sehingga dapat disimpulkan bahwa oksidasi secara kimia biasa tidak tergantung pada konsentrasi H2O2 yang besar, tetapi sesuai kebutuhan reaksinya. Dalam teknologi AOP (Advanced Oxidation Processes), H2O2 yang digunakan tidak bertindak sebagai oksidator akan tetapi merupakan reagen yang dapat dikonversi menjadi radikal hidroksil (HO●) yang kekuatan potensial oksidasinya lebih besar dari H2O2 itu seendiri. Penggunaan H2O2 disertai dengan garam besi (Fe2+) disebut proses Fenton, dapat menjadi sumber radikal hidroksil yang baik untuk digunakan dalam pengolahan air tercemar kontaminan organik. Konsentrasi H2O2 dan Fe2+ dalam reagen fenton biasanya menggunakan perbandingan berat Fe2+:H2O2(wt/wt)= 1:1-10 (Torrades et al., 2003 dalam Dincer, 2008) ataupun Fe2+:H2O2(wt/wt)= 1:5-25 (Watts, 1998). Akan tetapi untuk melihat seberapa besar pengaruh H2O2 terhadap proses Fenton dalam menurunkan konsentrasi COD nya, maka perlu dilakukan penambahan garam besi pada beberapa konsentrasi H2O2.
60
Kajian Efektifitas Reagen Fenton untuk Menurunkan Kosentrasi COD Air Limbah Domestik (Elfiana, dkk) H2O2 = 5,2 mM
H2O2 = 10,4 mM
H2O2 = 20,8 mM
H2O2 = 26 mM
H2O2 = 15,6 mM
%R COD
45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0
60
120
180
240
300
360
Waktu, menit
Gambar 1. Penentuan dosis H2O2 optimum berdasarkan %RCOD dari beberapa variasi konsentrasi H2O2
H2O2 = 5,2 mM (1,8 ml) H2O2 = 15,6 mM (5,4 ml) H2O2 = 26 mM (9 ml)
90,00
% XH2O2
80,00 70,00
H2O2 = 10,4 mM (3,6 ml) H2O2 = 20,8 mM (7,2 ml)
60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0
60
120
180
240
300
360
Waktu, menit
Gambar 2. Penentuan Dosis H2O2 optimum berdasarkan Jumlah konsumsi H2O2 (%XH2O2) dari beberapa variasi konsentrasi H2O2 Pada Gambar 3 dapat diketahui bahwa reaksi H2O2 dengan adanya Fe2+ signifikan memberi perubahan nilai persentase penurunan COD (%RCOD) menjadi lebih tinggi dibanding dengan reaksi H2O2 saja tanpa Fe2+. Persentase penurunan COD tertinggi 82,31% diperoleh pada konsentrasi H2O2 15,6mM. Semakin besar konsentrasi H2O2 yang digunakan pada konsentrasi Fe2+ tetap, tidak signifikan mengakibatkan %RCOD tinggi. Hal ini disebabkan kemungkinan terjadinya autodekomposisi, dimana radikal hidroksil terbentuk akan mengoksidasi H2O2 menjadi oksigen dan air (Dincer,
et.al, 2008). Hal ini mengurangi efektifitas reagen fenton dalam mengoksidasi senyawa organik sehingga %RCOD kecil.
61
Kajian Efektifitas Reagen Fenton untuk Menurunkan Kosentrasi COD Air Limbah Domestik (Elfiana, dkk)
90,0
tanpa Fe
90,0
Dengan Fe 35,36 mg/L
80,0
Dengan Fe 35,36 mg/L
70,0
70,0
%R COD
60,0 %R COD
tanpa Fe
80,0
50,0 40,0
60,0 50,0 40,0
30,0
30,0
20,0
20,0
10,0
10,0
0,0
0,0 0
5,2
10,4 15,6 20,8 Konsentrasi H2O2 mM
0
26
5,2 10,4 15,6 20,8 Konsentrasi H2O2 mM
26
Grafik 3. Pengaruh konsentrasi H2O2 terhadap proses Fenton pada konsentrasi Fe2+ tetap 35,36 mg/L antara Fe2+ dengan H2O2. Garam besi seperti Fe2+ dalam proses Fenton bertindak sebagai katalis untuk mengkonversi H2O2 menjadi radikal hidroksil yang reaktif. Hal ini dapat dilihat pada Grafik 4.
Efektifitas reagen fenton tidak hanya dilihat pada kemampuan konsentrasi H2O2 saja, akan tetapi juga perlu diamati terhadap konsentrasi Fe2+. Hal ini disebabkan konsentrasi Fe2+ yang digunakan dalam reagen fenton mengikuti perbandingan berat
100,00
90,0
95,00 90,00
70,0
85,00
60,0
80,00
%X H2O2
%R COD
80,0
50,0 40,0 30,0
10,0
70,00 65,00 60,00
[Fe2+] = 0 mg/L [Fe2+] = 11,79 mg/L [Fe2+] = 35,36 mg/L [Fe2+] = 106,08 mg/L
20,0
75,00
55,00 50,00 45,00
0,0
40,00
0
60
120 180 Waktu, menit
240
300
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Konsentrasi FeSO4
Grafik 4. Pengaruh konsentrasi Fe2+ terhadap jumlah konsumsi H2O2 (%XH2O2) pada konsentrasi H2O2 mula-mula 15,6 mM Dari Gambar 4 dapat dilihat bahwa konsentrasi Fe2+ 35,36 mg/L memberi persentase penurunan konsentrasi COD (%RCOD) paling tinggi 76,92% dan %XH2O2 = 82,31%. Hal ini menunjukkan bahwa pada Fe2+
lebih besar dari 35,36 mg/L terjadi reaksi regenerasi Fe3+ karena Fe2+ yang ditambahkan berlebih (Legrini et. Al, 1993 dalam Dincer et.al, 2008). Dapat disimpulkan bahwa reagen fenton efektif digunakan pada air limbah 62
Kajian Efektifitas Reagen Fenton untuk Menurunkan Kosentrasi COD Air Limbah Domestik (Elfiana, dkk)
domestik pada konsentrasi H2O2 optimum 15,6 mM dan konsentrasi Fe2+ 35,36 mg/L, dengan perbandingan massa yang diperoleh Fe2+ : H2O2 =1 :15(wt/wt). KESIMPULAN Dari hasil penelitian yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa dosis. H2O2 optimum 15,6 mM dengan %RCOD 42,3% dan %XH2O2 60,41%. Dosis optimum H2O2 15,6 mM, merupakan basis perbandingan berat Fe2+ : H2O2 dalam reagen fnton. Pengaruh H2O2 dalam reagen fenton diamati dengan mereaksikan air limbah domestik dengan variasi H2O2 (5,2mM-26mM) dan ditambahkan Fe2+ 35,36 mg/L. Hasil yang diperoleh %RCOD meningkat dibanding %RCOD proses peroksidasi, dan optimum pada H2O2 15,6mM dengan %RCOD = 76,92% dan %XH2O2 82,31%. Pengaruh kosentrasi Fe2+ dalam reagen fenton diamati menggunakan variasi kosentrasi Fe2+ (11,79mg/L-106,08 mg/L) pada dosis H2O2 optimum 15,6mM (530,4 mg/L). Hasil penelitian menunjukkan Fe2+ berpengaruh terhadap jumlah konsumsi H2O2 (%XH2O2). Semakin besar kosentrasi Fe2+ maka semakin besar %XH2O2 dan maksimum pada Fe2+ 35,36 mg/L, diperoleh formula reagen fenton dengan perbandingan Fe2+:H2O2 = 1 :15(wt/wt). DAFTAR PUSTAKA [1] A. Herlambang, dan N.I. Said, Aplikasi Teknologi Pengolahan Air Sederhana untuk Masyarakat Pedesaan, 2005, JAI Vol 1, No.2, 2005 [2] A.R. Dincer, N. Karakaya, E. Gunes, dan Y. Gunes, 2008, Removal Of COD From Oil Recovery Industry Wastewater by The Advanced Oxidation Processes (AOP) Based on H2O2,
Global NEST Journal, Vol 10, No 1, 31-38 [3] C.W. Jones, Aplication of Hydrogen Peroxide and Derivatives, Published by The Royal Society of Chemistry, Thomas Graham House, Science Park, Milton Road Combridge CB4 0WF, UK, 1999, 207-216 [4] D. Fitria, S. Notodarmojo, Penurunan Warna dan Kandungan Zat Organik Air Gambut dengan Cara Two Stage Coagulation, Jurnal Teknik Lingkungan, Vo.13 No.1, April 2007 [5] Elfiana, 2007, Studi Degradasi Surfaktan Menggunakan Fotofenton, Thesis Magister, Institut Teknjologi Bandung, 2007 [6] Elfiana, 2009, Kinetika Minimalisasi Kandungan Besi dalam Air secara Oksidasi Kimia (Aerasi, Fotokimia Sinar UV, dan UV-Peroksidasi), Laporan Penelitian, Politeknik Negeri Lhokseumawe [7] Elfiana, 2011, Pemanfaatan Reagen Fenton dan Sinar UV untuk Menurunkan Konsentrasi COD Limbah Cair Rumah Sakit, Laporan Penelitian, Politeknik Negeri Lhokseumawe [8] E. Hendriarianti, dan T. Lidiawati, Penurunan Konsentrasi COD dan Fenol Air Lumpur Lapindo dengan Metode Oksidasi Fenton dan UV, Jurnal Purifikasi, Vol.8, No.1, 2007, 73-78 [9] Ismiyati, Pengolahan Air Gambut Secara Koagulasi Menggunakan Koagulan Kerang, Tugas Akhir Mahasiswa Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Lhokseumawe, 2011 [10] J.R. Watts, J.R., Hazardous Waste: Sources, Pathways, Recycles, John Willey & Sons Inc, 58
Kajian Efektifitas Reagen Fenton untuk Menurunkan Kosentrasi COD Air Limbah Domestik (Elfiana, dkk)
New York, 352-362, 568-570, (1998)615-620 [11] M. Rodriquez, , Fenton and UVvis Based Advanced Oxidation Processes in Wastewater Treatment: Degradation, Mineralization, and Biodegradability Enhancement, Thesis Program Magister, Universitas Bercelona, Departemen Teknik Kimia dan Metalurgi, Bercelona, 2003, 22-91 [12] N.I. Said dan W. Widayat, Teknologi Pengolahan Air Gambut Sederhana, 2010
[13] Rohmatun , Dewina Roosmini, Suprihanto Notodarmojo. Studi Penurunan Kandungan Besi Organik H2O2-UV, 2007. [14] T. Hudaya, M. Steanus, and M.
Agustina, H2O2/UV Photooxidation of Non-biodegradable DYA Textile, Dye Wastewater in a Multi Lamp Bubble Column Photoreactor, Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia „Kejuangan“, Yogyakara, 22 Februari 2012
59
