KINERJA KATALIS MANGAN OKSIDA CRYPTOMELANE UNTUK DEGRADASI METILEN BIRU Rike Mulyati1, Amir Awaluddin2, Halida Sophia2 1
Mahasiswa Program S1 Kimia Bidang Kimia Anorganik Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Kampus Bina Widya Pekanbaru, 28293, Indonesia
[email protected] 2
ABSTRACT Methylene blue (MB) is a useful dye, which is commonly used in texstil, paint and biology. Methylene blue is toxic to living organism because methylene blue in environment is difficult to degradation and requires a long time. Methods Advanced Oxidation Processes (AOP) has been applied succesfully to remove methylene blue. This research focuses on the use of manganese oxide cryptomelane structure to the degradation methylene blue using AOP tecnique. Manganese oxide was synthesized by sol-gel method using KMnO4 and citric acid. The characterization results X-ray diffraction (XRD) indicated manganese oxide obtained was cryptomelane. Scanning emission misroscopy (SEM) result sample has diameter of 2-10 μm and shape cotton. The best performance cryptomelane catalyst for degradation MB was using cryptomelane catalyst 100 mg, with the percent degradation methylene blue was 79.23% at 120 minutes. Keywords : Advanced Oxidation, Cryptomelane, Degradation and Methylene Blue. ABSTRAK Metilen biru adalah pewarna yang banyak digunakan dalam industri tekstil, cat dan penggunaan biologi. Metilen biru berbahaya bagi makhluk hidup karena metilen biru dilingkungan sulit terdegradasi dan membutuhkan waktu yang lama. Metode Advanced Oxidation Processes (AOP) telah digunakan dan berhasil mendegradasi metilen biru. Penelitian ini menfokuskan menggunakan mangan oksida cryptomelane. Mangan oksida cryptomelane diaplikasikan sebagai katalis untuk degradasi metilen biru. Mangan oksida disintesis dengan metode sol-gel menggunakan KMnO4 dan asam sitrat. Hasil karakterisasi XRD menunjukkan mangan oksida yang didapat adalah cryptomelane. Hasil SEM sampel memiliki diameter 2-10 m dan bentuk kapas. Peforma kinerja katalis cryptomelane untuk degradasi metilen biru yang terbaik menggunakan katalis cryptomelane 100 mg, persen degradasi metilen biru sebesar 79,23% pada waktu 120 menit. Kata kunci : Oksidasi Lanjutan, Cryptomelane, Degradasi dan Metilen Biru.
1
PENDAHULUAN Penggunaan pewarna sintesis didunia mencapai 7x105 ton/tahun dan 60% konsumsi pewarna adalah dari industri tekstil dan sisa pada proses pewarnaan sebanyak 10-15% di buang ke lingkungan (Camargo dan Moreles, 2013). Salah satu zat warna yang paling banyak digunakan adalah metilen biru. Metilen biru (MB) digunakan untuk pencelupan kapas, wol, sutra dan penggunaan biologis. Pewarna ini merupakan pewarna yang memiliki gugus thiazine dan diklasifikasikan sebagai pewarna beracun. Dampak negatif bagi manusia yaitu bersifat karsinogenik, menyebabkan panyakit paru-paru, iritasi pada mata (Sriskandakumar dkk., 2009). Berbagai metoda telah digunakan untuk penanganan limbah pewarna organik baik secara kimiawi maupun biologi. Ubaidillah dkk (2014) telah melakukan penelitian biodegradasi metilen biru menggunakan jamur pelapuk coklat Gloeophyllum trabeum terjadi penurunan konsentrasi MB sebesar 71,61% selama 14 hari. Proses degradasi menggunakan cara biologi kurang menguntungkan untuk penanganan limbah MB karena relatif lambat. Suherrnadi dkk (2014) telah melakukan degradasi metilen biru menggunakan TiO2 – Bentonit hasil degradasi 93,93% selama 60 menit. Kelemahan dari metode ini hanya bisa diaplikasikan pada konsentrasi rendah. Salah satu metoda yang akhir- akhir ini digunakan untuk mengurangi konsentrasi limbah organik adalah metoda Advanced Oxidation Processes (AOP). Metoda AOP berdasarkan pada penggunaan radikal hidroksil (OH•) sebagai spesies reaktif untuk proses degradasi (Saputra dkk., 2014).
Mangan oksida telah banyak digunakan pada berbagai aplikasi diantaranya sebagai penukar ion, katalis, material baterai dan digunakan sebagai katalis untuk degradasi senyawa organik karena struktur mangan oksida yang unik dan sifat-sifat permukaan yang khas.saat ini mangan oksida digunakan sebagai katalis untuk degradasi metilen biru. Zhang dkk (2006) menggunakan katalis -MnO2 hasil degradasi MB sebesar 97,6% selama 120 menit. Zang dkk (2010) menggunakan katalis Mn3O4 hasil degradasi MB sebesar 99,7% selama 180 menit. Liu dkk (2014) degradasi metilen biru menggunakan katalis MnO2 komersil hasil degradasi MB sebesar 42,7% selama 120 menit dan menggunakan MnO2 mesoporous hasil degradasi MB sebesar 71,2%. Kemampuan degradasi metilen biru sangat ditentukan oleh sifat -sifat permukaan, jenis kristal, ukuran kristal dan morfologi kristal. Metoda preparasi yang berbeda dan prekusor yang berbeda akan menghasilkan sifat dan struktur mangan oksida yang berbeda pula sehingga memiliki kemampuan degradasi yang berbeda-beda. Penelitian ini mengfokuskan mangan oksida tipe cryptomelane disintesis dengan metoda sol-gel yang telah dilakukan (Prasetya, 2011) dengan perbandingan 3:1 sebagai katalis untuk degradasi metilen biru. Pemilihan mangan oksida sebagai katalis karena aplikasi mangan oksida banyak dimanfaatkan untuk degradasi limbah organik. Namun untuk mangan oksida cryptomelane dengan sintesis metoda sol-gel menggunakan prekusor KMnO4 dan asam sitrat belum pernah dilakukan untuk aplikasi degradasi metilen biru.
2
METODE PENELITIAN a. Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah termometer, desikator, Neraca analitik (Mettler tipe AE 200), oven (Memmert), furnace (Gallenkamp), Hot plate stirrer, XRD (Difraktometer Shimadzu XRD 7000 Maxima), sentrifugase, spektrofotometer UV-Vis (Shimadzu pharmaspec 1700 DU), Frourier Transform Infra Red Spectrofotometer (Shimadzu), pH meter, pengaduk magnet dan peralatan gelas standar laboratorium yang sesuai dengan prosedur kerja. Bahan-bahan yang digunakan untuk penelitian ini adalah KMnO4 (p.a), HCl pekat (p.a), asam sitrat, metilen biru (p.a), H2O2 30% (Merck), kertas saring Whatman No. 42, aquades dan bahanbahan kimia lain sesuai dengan prosedur kerja. b. Sintesis Mangan Oksida Sintesis mangan oksida merujuk pada penelitian Prasetya (2011) Sebanyak 18,964 g (0,12 mol) KMnO4 dilarutkan dalam 0,5 L aquades sambil diaduk. Kemudian dicampurkan dengan asam sitrat sebanyak 7,6823 g (0,04 mol) sehingga membentuk larutan perbandingan 3:1. Setelah sepuluh menit akan terbentuk sol dan akan berubah menjadi gel. Setelah satu jam kemudian gel akan disaring dan dicuci dengan akuades 250 mL sebanyak 2x pengulangan sebelum dikalsinasi. Selanjutnya keringkan didalam oven pada suhu 110 selama satu jam.
Hasil xerogel dikalsinasi pada suhu 500 selama 5 jam. Produk yang terbentuk dihaluskan kemudian dicuci 3x dengan 10 mL HCl 0,1 M dan 10 mL akudes. Produk dikeringkan pada temperatur 110 dan kemudian dikarakterisasi. c. Pengaruh Massa Katalis Sebanyak 25 mL larutan metilen biru (125 ppm) kemudian tambahkan aquades 65 mL kedalam erlenmeyer 250 mL dan diaduk dengan magnetic stirer, setelah itu tambahkan 25 mg katalis. Biarkan selama 30 menit kemudian ditambahkan hidrogen peroksida 30% 10 mL. Campuran diambil pada menit ke 10, 20, 30, 60, 90 dan 120. Kemudian sentrifugasi dengan kecepatan 3000 rpm selama 10 menit. Analisis konsentrasi metilen biru yang tersisa dilakukan dengan spektrofotometer UV-Vis. Prosedur yang sama dilakukan dengan menggunakan katalis, 50 dan 100 mg. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Karakterisasi Mangan Oksida Hasil analisis difraksi sinar-X dari sintesis menggunakan KMnO4 dan asam sitrat melalui metode sol-gel dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1.Difraktogram cryptomelane 3
b. Penentuan Morfologi Cryptomelane Hasil analisis morfologi permukaan cryptomelane dilihat pada Gambar 2 SEM mangan oksida hasil sintesis. (a) (b)
Gambar 2. (a) perbesaran 2500 kali, (b) perbesaran 5000 kali. Mangan oksida cryptomelane yang didapat melalui metode sol-gel pada perbesaran 2500 kali 5000 kali memperlihatkan bentuk partikel yang tidak beraturan. Memiliki diameter 2-10 m. Bentuk morfologi dalam penelitian ini sesuai dengan bentuk morfologi cryptomelane prasetya (2011). c. Pengaruh Massa Katalis Tipe Cryptomelane Terhadap Metilen Biru
Pengaruh massa katalis terhadap degradasi metilen biru menggunakan kondisi reaksi, 25 mL metilen biru (125 ppm), hidrogen peroksida 30% 10 mL. Variasi jumlah katalis 100 mg, 50 mg, 25 mg dan tanpa katalis. Hasil dapat diamati Gambar 3 persen degradasi metilen biru dengan massa katalis vs waktu. % Degradasi MB
Dari hasil XRD yang disintesis untuk mengetahui jenis mangan oksida yang dihasilkan yaitu dengan membandingkan hasil XRD dengan Joint Commite On Powder Diffraction Standards (JCPDS) Acta crystallographica B38 (1982) 10561065. Pada penelitian ini dari difraktogram XRD Gambar 1. menghasilkan mangan oksida cryptomelane dengan 2 = 2,605o; 18,008o; 28,650o; 37,480o; 41,889o; 60,028o dengan puncak refleksi 101, 002, 103, 410, 421 dan 216. Hasil XRD yang didapat menunjukkan hasil yang mirip dengan prasetya (2011) jenis mangan oksida yang dihasilkan tipe cryptomelane.
100 25 mg
80 60
50 mg
40 20 0 0
20
100 mg tanpa 40 60 80 100 120 140 katalis Waktu (menit)
Gambar 3. Kurva Persen degradasi metilen biru dengan variasi jumlah katalis. Tanpa penambahan katalis hasil persen degradasi 0,29% yang terdegradasi pada t=120 menit, untuk katalis 25 mg, 50 mg dan 100 mg metilen biru yang terdegradasi 51,09%, 59,09% dan 79,23% pada t=120 menit. Dapat dilihat dari hasil degradasi kinerja katalis yang paling baik untuk degradasi MB pada penambahan 100 mg katalis cryptomelane karena semakin besar jumlah katalis maka semakin besar luas permukaan sehingga jumlah hidrogen peroksida yang teradsorpsi pada permukaan katalis akan semakin cepat menghasilkan radikal hidroksil dengan jumlah yang besar untuk proses degradasi metilen biru. Yu dkk (2014) menggunakan katalis mangan oksida tipe pyrolusite semakin banyak jumlah 4
katalis yang ditambahkan maka kinerja katalis untuk menghasilkan radikal hidroksil semakin cepat dan semakin banyak sehingga hasil degradasinya semakin besar. Jenis mangan oksida yang berbeda mendegradasi senyawa organik . KESIMPULAN Penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pembuatan mangan oksida dengan metode sol-gel menggunakan KMnO4 dan asam sitrat telah berhasil diperoleh cryptomelane, dari analisis XRD menunjukkan sudut 2 28,650o dengan intensitas cryptomelane 100 dan 37,480o dengan intensitas 94. Morfologi permukaan menunnjukkan bentuk seperti kapas. Kinerja katalis cryptomelene yang bagus untuk degradasi metilen biru menggunakan 100 mg katalis cryptomelane pada t=120 menit persen degradasi yang dihasilkan sebesar 79,23%. UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih diberikan kepada Bapak Prof. Dr. Amir awaluddin M.Sc dan Ibu Halida Sophia M.Si yang telah memberikan motivasi, bimbingan, waktu dan saran atas keberhasilan penelitian ini dan penulisan karya ilmiah. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada lembaga penelitian dan pengabdian kepada masyarakat Universitas Riau dengan nomor kontrak 1969/UN.19.5.1.3/LT/2015 yang telah membantu dana penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA
Toxicity a Review. Texstile and Light Industrial Science and Tecnology. 2 : 85-103. Liu, Y., Chen, Z and Lai, J. 2014. Hierarchical Mesoporous MnO2 Superstructures Synthesized by Soft Interface Method and Their Catalytic Performances. Appl Mater Interfaces. 6 : 9776- 9784. Prasetya, 2011. Sintesis Mangan Oksida Tipe Berongga dengan Menggunakan Metode Sol-Gel. Tesis-S2. Pekanbaru : Universitas Riau. Saputra, E., Muhammad, S., Sun, H., Ang, H.M., Tade, M.O and Wang, S. 2014. -MnO2 Activation of Peroxymonosulfate for Catalytic Phenol Degradation in Aqueous Solutions. Chemica. 1 : 19- 26. Sriskandakumar, T., Opembe, N., Chen, C., Morey, A., Ondu, C and Suib, S.L. 2009. Green Decomposition Of Organic Dyes Using Octahedral Molecular Sieve Manganese Oxide Catalyst. Phys. Chem. 113 : 1523-1530. Ubaidillah, N. A., Purnomo, A. S dan Putri, E.M. 2014. Biodegradasi Metilen Biru Menggunakan Jamur Pelapuk Coklat Gloeophyllum Trabeum. Jurnal Seni dan Sains. 2 : 1-6.
Wang, M.K. and Yang, D.S. 2001. Synthesis and Characterization of Well-Crystallized. J. Chem Mater. 13 : 2589-2594.
Camargo, B and Moreles, M.A.M. 2013. Azo Dye Characterization and 5
Zhang, W., Yang, Z., Wang, X., Zhang, Y., Wen, X and Yang, S. 2006. Large-Scale Synthesis of -MnO2 Nanorods and Their Rapid and Efficient Catalytic Oxidation of Methylene Blue Dye. Catalysis Communications. 7 : 408- 412.
Concentration. Catalyst Today. 224 : 154-162. Zang, P., Zhan, Y., Cai, B., Hao, C., Wang, J., Liu, C., Meng, Z., Yin, Z and Chen, Q. 2010. ShapeControlled Synthesis of Mn3O4 Nanocrystals and Their Catalysis of the Degradation of Methylene Blue. Nano Res. 3 : 235- 243.
Yu, C., Li, G., Wei, L., Fan, Q., Shu, Q and Yu, J.C. 2014. Fabrication, Characterization of -MnO2 Microrod Catalysts and Their Performance In Rapid Degradation of Dyes of High 6
