PENGARUH KONSENTRASI HIDROGEN PEROKSIDA PADA DEGRADASI METHYLENE BLUE MENGGUNAKAN MANGAN OKSIDA YANG DISINTESIS DENGAN METODE SOL-GEL Nismala Dewi1, Amir Awaluddin2, Akmal Mukhtar2 1
Mahasiswa Program Studi S1 Kimia 2 Bidang Anorganik Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Bina Widya Pekanbaru, 28293, Indonesia
[email protected] ABSTRACT The manganosite type manganese oxide has been used for degradation of methylene blue using hydrogen peroxide (H2O2) on an oxidant. The manganese oxide has been synthetis using sol-gel method with KMnO4 and glucose as an reducted. The XRD result was the type manganosite (MnO) with the high level of crystalline. From SEM result manganosite structures with the morphology like cotton dots. The effect of hydrogen peroxide concentration on the degradation of methylene blue was by keeping other experimental parameter are concentration of hydrogen peroxide with reaction time 120 minutes, detected small degradation of methylene blue without the presentation of hiydrogen peroxide. The addtion of methylene blue increase degradation significant when added 10 ml hydrogen peroxide. However, no significant degradation when concentration of hydrogen peroxide was increased to 15 ml. Keywords: advanced oxidation processes, manganosite, methylene blue, ABSTRAK Manganosite adalah jenis mangan oksida telah digunakan untuk degradasi metilen biru menggunakan hidrogen peroksida (H2O2) sebagai oksidan. Oksida mangan disynthetis menggunakan metode sol-gel dengan KMnO4 dan glukosa sebagai reduktor. Dari hasil XRD yang didapat adalah jenis manganosite (MnO) dengan tingkat kristal yang sangat baik. Hasil SEM menunjukkan oksida mangan memiliki struktur manganosite dengan morfologi seperti titik-titik kapas. Pengaruh konsentrasi hidrogen peroksida untuk degradasi metilen biru adalah dengan parameter variasi konsentrasi hidrogen peroksida dengan waktu reaksi selama 120 menit, dari reaksi didapat degradasi metilen biru kecil ketika tanpa hidrogen peroksida. Degradasi metilen biru meningkat signifikan setelah penambahan 10 ml hidrogen peroksida. Namun, tidak ada degradasi signifikan ketika konsentrasi hidrogen peroksida meningkat menjadi 15 ml. Kata kunci: manganosite, metilen biru, proses oksidasi lanjutan
1
PENDAHULUAN Berkembangnya sektor industri sekarang ini memberikan dampak signifikan terhadap peningkatan penggunaan zat warna yang dapat menimbulkan pencemaran lingkungan. Limbah-limbah hasil penggunaan zat warna dapat berupa limbah cair organik. Salah satu limbah zat warna adalah metilen biru yang merupakan zat warna organik cair, memiliki gugus benzen yang sukar terurai, bersifat resisten dan toksik. Jika limbah zat warna tersebut dibuang di perairan atau sungai disekitar industri akan menyebabkan pencemaran lingkungan. Metilen biru dalam industri tekstil merupakan salah satu zat warna yang biasa digunakan karena harga yang murah dan mudah didapat. Selain itu metilen biru merupakan zat warna dasar yang sangat penting dalam pewarnaan kulit, dan beberapa jenis kain. Pemakain metilen biru menimbulkan beberapa efek seperti sianosis jika terhirup dan iritasi kulit jika tersentuh kulit (Ida dkk., 2011). Keberadaan metilen biru di lingkungan harus dikurangi hinnga ambang batas yang telah ditentukan yaitu sebesar 1 mg/L larutan. Untuk mengurangi dampak yang ditimbulkan. Beberapa metode yang telah dikembangkan untuk mengurangi kandungan metilen biru dalam limbah, diantaranya adalah metode biologis. Metode ini memiliki beberapa kekurangan yaitu membutuhkan waktu yang lama dalam proses degradasi seperti yang telah dilakukan oleh Ubaidillah dkk., (2014) menggunakan jamur pelapuk coklat Gloeophyllum trabeum, dimana hasil degradasi metilen biru sebanyak 71,71% selama 14 hari. Hal ini karena senyawa metilen biru memiliki sifat resistan untuk didegradasi
menggunakan metode biologis (Ida dkk., 2011). Metode yang akhir-akhir ini sedang dikembangkan untuk mengurangi kandungan metilen biru adalah metode Advanced oxidation processes (AOP). Metode AOP merupakan suatu metode yang memanfaatkan radikal hidroksil (OH˙) untuk mendegradasi limbah zat warna. Semakin banyak radikal hidroksil yang dihasilakan semakin banyak pula metilen biru yang didegradasi menjadi molekul yang lebih kecil. Alok dkk, (2014) menggunakan reaksi fenton dengan katalis Fe untuk mendegradasi metilen biru menggunakan pH ≤ 3. Reaksi ini memiliki kekurangan yaitu pH yang asam yang mengakibatkan mikroorganisme didalam perairan tidak dapat bertahan hidup. Disamping itu reaksi fotokatalis dengan katalis TiO2Bentonit oleh Arif dkk (2014) telah pula digunakan untuk degradasi metilen biru dengan hasil degradasi sebesar 93,93 %, lama penyinaran optimum adalah 50 menit. Reaksi ini degradasi hanya bisa dilakukan pada konsentrasi rendah dan menggunakan MnO2 (Yanyu dkk, 2006). Oksida mangan telah lama dikenal sebagai katalis pada berbagai reaksi kimia. Mangan oksida merupakan oksidator yang efektif karena memiliki oksigen yang lebih mudah dilepaskan pada proses oksidasi dibandingkan oksida logam lainya, sehingga sangat menjanjikan untuk mengoksidasi metilen biru dalam larutan (Brock,1998). Mangan oksida diketahui memiliki berbagai struktur yaitu struktur rongga dengan ukuran rongga yang berbeda. Reaktivitas mengan oksida sebagai katalis selain ditentukan oleh strukturnya (rongga atau berlapis) juga tergantung oleh metoda preparasi mangan dioksida tersebut (Awaluddin, 2013). 2
Pada penelitian ini dilakukan pembuatan mangan oksida tipe manganosite yang disintesis dengan metode sol-gel untuk mendegradasi metilen biru dalam larutan. Mangan oksida yang disintesis dengan metode ini belum pernah dilakukan sebelunnya untuk oksidasi senaywa metilen biru. Penurunan kandungan metilen biru dalam larutan akan dilakukan kajian dengan melakukan variasi jumlah katalis dan waktu reaksi. METODE PENELITIAN a. Alat yang digunakan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah KMnO4 (merck), HCl pekat (merck), Glokosa (merck), Hidrogen Peroksida (H2O2), Methylene Blue, kertas saring Whatman No.42 dan akuadaes. b. Bahan yang digunakan Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah hot plate, termometer, furnace (Snol IP 20 No.10747), desikator, Scanning Electron Microscope Energy (SEM), XRD (Difraktometer Shimadzu XRD 7000 Maxima), sentrifuge, spektrofotometer UV-Vis (Simadu Pharmaspec 1700 DU), Frourier Transform Infra Red spectrofotometer (Shimadzu), oven (Gallen kemp), pH Meter, pengaduk magnet dan seperangkat alat-alat gelas yang biasa biasa digunakan dalam penelitian kimia. c. Sintesis mangan oksida dengan metode sol-gel sintesis mangan oksida yang merujuk pada penelitian Deasi, (2005) yang mengsintesis sebanyak 47,25 gram
glukosa (C6H12O6) ditambahkan ke larutan KMnO4 yang dibuat dengan melarutkan 27,65 gram (0,175 mol) KMnO4 dalam 0,5 liter akuabides sambil diaduk selama ± 2 menit, terbentuk sol yang kemudian berubah menjadi gel. Gel yang telah terbentuk setelah satu jam kemudian, gel dicuci dengan 250 mL akuades sebanyak empat kali, dan keringkan pada temperatur 110 0C selama semalaman. Hasilnya kemudian dikalsinasi pada temperatur 700 0C selama dua jam. Produk yang terbentuk dicuci masing-masing dengan 10 mL HCl 0,1 M dan akuades. Produk dikeringkan pada temperatur 110 0C untuk dikarakterisasi. d. Karakterisasi mangan oksida Penentuan struktur, kristalinitas dan tingkat kemurnian mangan oksida dilakukan menggunakan difraksi sinarX. Setelah itu puncak-puncak XRD dari produk dibandingkan dengan data JCPDS untuk mangan. Untuk analisis morfologi dari mangan oksida digunakan SEM. Hasil analisis SEM, menunjukkan kehomogenan morfologi kristal pada padatan mangan oksida dan adanya sintering yang mungkin terjadi. Kemudian untuk penentuan volume pori dan luas permukaan dianalisis menggunakan SAA. e. Proses degradasi metilen biru Larutan 50 ppm metilen biru sebanyak 25 mL dipipet menggunakan pipet volume dimasukkan kedalam beaker gelas 250 mL ditambahkan 60 mL akuades dan 50 mg katalis, kemudian distirer setelah 30 menit tambahkan 10 mL 30% H2O2 dengan jumlah larutan sebanyak 100 mL. Kemudian ukur penurunan konsentrasi metilen biru dengan variasi waktu 10, 3
20, 30, 60, 90 dan 120 menit menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Sebelum dilakukan pengukuran hasil yang diambil dipisahkan dari katalis dengan cara disentrifus dengan kecepatan 3000 rpm selama 10 menit. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Sintesis Mangan Oksida Pada penelitian ini dilakukan sintesis mangan oksida dari KMnO4 dengan glukosa menggunakan metode sol-gel dengan perbandingan glukosa dan KMnO4 3:2. Pemilihan metode ini menjadi faktor penting sebagai penentu hasil sintesis. Pada metode sol-gel larutan prekusor dicampur bersama-sama reduktor untuk membentuk sol yang kemudian berubah menjadi gel setelah didiamkan selama satu jam yang kemudian dicuci dan dikeringkan menjadi xerogel. Mangan oksida yang terbentuk dikalsianasi yang bertujuan mengubah amorpous mangan oksida menjadi kristalin. Produk yang dihasilakan dari sintesis manganosite dengan metode sol-gel berwarna coklat kehitaman. Pada reaksi sol-gel ini, penambahan glukosa ke larutan KMnO4 merupakan reaksi eksoterm, hal ini ditandai dengan peningkatan suhu pada bagian dinding gelas beaker sesuai dengan yang dilakukan oleh Deasi, (2005). Campuran mengental setelah 2 menit, kemudian membentuk sol setelah ± 10 menit, sol yang terbentuk kemudian berubah menjadi gel setelah didiamkan selama 1 jam. Flokulan gel dicuci dengan akuades untuk menghilangkan ion K+, menurut Ching dkk.,(1997), pencucian sangat mempengaruhi struktur dari mangan oksida yang dihasilkan. Ion K+ yang tinggi akan menghasilkan jenis
mangan oksida dengan struktur berlapis, hal ini disebabkan karena struktur berlapis menggunakan ion K+ sebagai penstabil lapisan. Flokulan gel yang telah dicuci dikeringkan pada suhu 1100C selama semalam untuk menghilangkan molekul air sehingga diperoleh xerogel. Xerogel yang dihasilkan dikalsinasi pada suhu7000C selama 2 jam. Material yang dihasilkan dicuci dengan HCl 0,1M dan akuades sebanyak tiga kali secara bergantian untuk menghilangkan kation-kation yang mungkin masih tersisa. Material ini dikeringkan pada suhu 1100C untuk menghilangkan molekul airnya. b. Karakterisasi menggunakan X-Ray Difraction (XRD) Difraksi sinar-X digunakan untuk menentukan jenis mangan oksida yang dihasilkan dari sintesis dengan membandingkan difraktogram hasil sintesis dengan difraktogram standar. Gambar 1 merupakan mangan oksida hasil sintesis dengan perbandinagan mol KMnO4 dan glukosa 2:3. Mangan oksida yang dihasilkan memiliki tingkat kristalin yang tinggi yang ditunjukkan puncak-puncak yang tajam. Setelah membandingkan hasil difraktogram dengan JCPDS American Mineralogi 18 (1991) 69-80. Dari difraktogram dapat kita lihat bahwa hasil sintesis menunjukkan mangan oksida yang didapat adalah murni jenis Manganosite. Sehingga dapat disimpulkan bahwa hasil sintesis Mangan oksida dari KMnO4 dan glukosa 2:3 adalah tipe Manganosite.
4
Gambar 1. Difraktogram manganosite hasil sintesis
XRD
c. Analisis morfologi dengan scanning electron microscope (SEM) Karakterisasi dengacin SEM pada penelitian ini dilakukan untuk mengetahui morfologi permukaan dari Manganosite yang disintesis dengan metode sol-gel pada Gambar 2. dengan perbesaran hingga 5000x memperlihatkan bentuk manganosite seperti bulat-bulatan kapas. Jika dibandingkan dengan hasil sintesis yang sudah dilakukan oleh beberapa penetian dengan metode sol-gel, hasil yang didapat mirip dengan bentuk morfologi mangan oksida oleh Hafizah, (2015) mengsintesis mangan oksida dengan metode sol gel menggunakan prekusor maltosa.
Gambar 2. SEM (Scanning Electron Microscopy) Manganosite hasil sintesis dengan perbandingan mol glukosa : KMnO4 (3:2), (a) perbesaran 500x, (b) perbesaran 1.000x, (c) perbesaran 2.500x, (d) perbesaran 5.000x d. Oksidasi larutan metilen biru Oksidasi larutan metilen biru merujuk pada Zhang dkk, (2006) penelitian yang menggunakan mangan oksida sebagai katalis, maka dalam penelitian ini digunakan variasi pengaruh konsentrasi oksidan (H2O2), dan waktu reaksi. Untuk mengetahui pengaruh konsentrasi oksidan terhadap degradasi metilen biru dilakukan pengujian dengan cara memvariasikan penambahan oksidan (H2O2) dengan variasi 5 mL, 10 mL, 15 mL dan tanpa H2O2 untuk melihat apakah peroksida berpengaruh pada proses degradasi metilen biru yang dilakukan pada konsentrasi 50 ppm metilen biru dan 25 mg katalis. Peroksida ditambahkan setelah metilen biru dan katalis distirer selama 30 menit, saat penambahan peroksida kedalam larutan kemudian terbentuk gelembung-gelembung kecil dalam larutan. Hasil degradasi dapat dilihat pada Gambar 3 dimana pada reaksi yang dilakukan tanpa menggunakan peroksida konsentrasi metilen biru hanya berkurang sedikit 5
sebesar 14% bahkan sampai waktu reaksi 120 menit. Tetapi pada penambahan 5 mL dan 10 mL H2O2 penurunan meningkat sebesar 69 % dan 80,78 %, tetapi untuk 15 mL H2O2 yang digunakan malah menghasilkan degradsi lebih kecil dari 10 mL yaitu sebesar 80,60 %. Walaupun tidak terlalu jauh tetapi penggunaan peroksida yang berlebihan tidak efisien untuk mendegradsi metilen biru karena jika penambahan H2O2 yang ditambahkan dalam larutan berlebih, maka akan terbentuknya radikal HO2• yang kurang reaktif dibandingkan radikal •OH, Jumlah H2O2 yang berlebih dapat bereaksi dengan OH• menghasilkan HO2•. HO2• dapat bereaksi dengan HO•. Hal ini menyebabkan OH• berkurang sehingga methylene blue yang terdegradasi mengalami penurunan seperti yang dilakukan oleh Arif dkk., (2014). % metilen biru
100
0 ml H202
0 mL H2O2
80
5 ml H2O2
5 mL H2O2
60
10 ml
10 mL H2O2 H2O2
40
15 ml 15 mL H2O2 H2O2
20 0 0
100
200
waktu (menit)
Gambar 3. Persen degradasi metilen biru dengan variasi konsentrasi H2O2 (mL) (25 mg katalis manganosite dan 50 ppm metilen biru). KESIMPULAN Hasil sintesis mangan oksida yang diperoleh dianalisis dengan difraksi sinar-x, tipe mangan oksida yang dihasilkan berupa mangan oksida
Manganosite. Pada proses degradsai metilen biru konsetrasi 50 ppm dengan katalis 20 mg dengan 10 mL H2O2 30% dengan waktu reaksi 120 menit menunjukkan hasil yang bagus untuk degradasi metilen biru yaitu sebesar 80,78 %. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada Prof. Dr. Amir Awaluddin, M.sc dan Drs. Akmal Mukhtar MS yang telah membimbing dan memotivasi serta membantu peneltian dan penulisan karya ilmiah. Pennulis juga mengucapkan terimaksih 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 Alok, D. B. and Wonyong. 2014. Review of Iron-Free FentonLike Systems for Activating H2O2 in Advanced Oxidation Processes. Journal of Hazardous Material. 3: 790794 Arif S., wardani S. dan Danar P. 2014. Studi pengaruh penambahan hidrogen peroksida (H2O2) terhadap degradasi Methylene Blue menggunakan fotokatalis TiO2Bentonit. Kimia Student Journal, 2:569-575. Awaluddin, A. dan Helzayanti, P. 2013. The Surface Properties of Manganese Oxide Having Layered Structure Prepared by Solid State Ceramic Method. Jurnal Of Indonesian Chimia Acta, Vol.3 No. 2: 97-112. 6
Brock, S.L., Duan, N., Gilardo, O., Tian, Z. R., Zhou, H., Suib, S.L. 1998. A review of porous manganese oxide materials. J. of. Chemical Material. 10 : 2619-1618. Ching, S., Duan, N., Roark, J. L. and Suib, S. L. 1997. Sol-gel route to the tunneled manganese oxide cryptomelane. J. Chem. Mater. 9 : 750-754. Deasi, R. D. 2005. Karakterisasi Mangan Oksida Hasil Sintesis Dari Glukosa dan KMnO4 dengan Metode solgel. Skripsi. Universitas Riau, Pekanbaru. Hafizah. 2015. Degradasi fenol menggunakan katalis Mangan Oksida yang dipreparasi dengan metode sol-gel menggunakan prekusor maltosa. Tessis. Universitas Riau, Pekanbaru. Ida A. G. W., Diantariani, N. P., dan Yuliana F. N. 2011. Fotodegradasi Metilen Biru Dengan Sinar UV dan Katalis
Al2O3. Jurnal Kimia. 5 (1): 3142 Yanyu, L., Zhiwen, C., Chan-Hung, S., Lawrence, C. M. W. and Joseph, K. L. L. 2014. Hierarchical mesoporous MnO2 superstructures synthesized by soft- interface method and their catalytic performances. Appled 6: Mater Interfaces. 9776−9784. Ubaidillah, A., N., Adi, S., P. dan Endah, M., P. 2014. Biodegradasi metilen biru menggunakan jamur pelapuk coklat Gloeophyllum trabeum. Jurnal Seni dan Sain. 5:1-6. Zhang, W., Yang, Z., Wang, X., Zhang, Y., Wen, X end Yang, S. 2006. Large-Scale Synthesis Of ΒMno2 Nanorods And Their Rapid And Efficient Catalytic Oxidation Of Methylene Blue Dye. Catalysis Communication. 7: 408-412
7
