BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang Dewasa ini pencemaran air menjadi masalah serius di dunia. Pencemaran senyawa non-biodegradable yang berasal dari limbah budidaya pertanian seperti herbisida, insektisida, fungisida, dan rodentisida, memberi sifat racun terhadap alam. Sama halnya dengan limbah industri berupa senyawa fenol, surfaktan, zat warna tekstil, poliklhorobifenil (PCB), pestisida, trikhloroetilen (TCE), dan senyawa aromatis lain, dapat menjadi sumber pencemar serius. Beberapa cara pengolahan limbah konvensional telah banyak dilakukan, misalnya dengan cara khlorinasi, pengendapan dan penyerapan oleh karbon aktif, kemudian lumpur (sludge) yang terbentuk dibakar atau diproses
secara
mikrobiologi.
Tetapi
pembakaran
sludge
memicu
terbentuknya senyawa khlorooksida, penggunaan karbon aktif hanya menyerap pencemar organik nonpolar dengan berat molekul rendah, sedangkan senyawa non polar dengan berat molekul tinggi tidak tereliminasi. Proses mikrobiologi hanya menguraikan senyawa biodegradable, sedangkan senyawa non-biodegradable tetap berada dalam sludge yang akan kembali ke lingkungan. Salah satu pencemar organik yang bersifat non biodegradable adalah zat warna tekstil. Zat warna tekstil umumnya dibuat dari senyawa azo dan turunannya yang merupakan gugus benzena. Diketahui bahwa gugus benzena sangat sulit didegradasi, kalaupun dimungkinkan dibutuhkan waktu yang lama. Senyawa azo bila terlalu lama berada di lingkungan, akan menjadi sumber penyakit karena sifatnya karsinogen dan mutagenik. Karena itu perlu dicari alternatif efektif untuk menguraikan limbah tersebut. Zat warna azo adalah senyawa yang paling banyak terdapat dalam limbah tekstil, yaitu sekitar 60 % - 70 % . Senyawa azo memiliki struktur
1
umum R─N═N─R’, dengan R dan R’ adalah rantai organik yang sama atau berbeda. Senyawa ini memiliki gugus ─N═N─ yang dinamakan struktur azo.
B. Tujuan Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari sejauh mana Mesin Berkas Elektron (MBE) yang mempunyai energi yang relatif rendah dapat didayagunakan untuk mendegradasi dan penghilangan warna (decolorization) limbah zat warna. C. Manfaaat Manfaat penelitian ini adalah dapat mengurangi pencemaran lingkungan oleh zat warna azo serta memberi informasi tentang efektifitas degradasi zat warna azo mengggunakan Mesin Berkas Elektron.
2
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Nama azo berasal dari kata azote, merupakan penamaan untuk nitrogen bermula dari bahasa Yunani a (bukan) + zoe (hidup). Untuk membuat zat warna azo ini dibutuhkan zat antara yang direaksikan dengan ion diazonium (seperti pada Gambar 1).
Senyawa azo dapat berupa senyawa aromatik atau alifatik. Senyawa azo aromatik bersifat stabil dan mempunyai warna menyala. Senyawa azo alifatik seperti dimetildiazin (Gambar 2) lebih tidak stabil. Dengan kenaikan suhu atau iradiasi, ikatan nitrogen dan karbon akan pecah secara simultan melepaskan gas nitrogen dan radikal. Dengan demikian, beberapa senyawa azo alifatik digunakan sebagai inisiator radikal. CH3 N
N
H3C Gambar 2. Dimetildiazin (Azometan)
3
Senyawa azo digunakan sebagai bahan celup, yang dinamakan azo dyes. Hanya sedikit zat warna azo yang dapat dioksidasi secara aerobik. Beberapa zat warna azo dapat diurai secara anaerobik setelah diolah dengan kondisi aerobik. Cara efisien untuk menghasilkan pengoksidan dan reduktan dalam limbah cair adalah dengan iradiasi berkas elektron. Mesin Berkas Elektron (MBE) berdasarkan energinya dapat dibagi menjadi 3 macam yaitu : 1. MBE energi rendah menghasilkan elektron antara 100 keV sampai 500 keV. 2. MBE energi sedang (medium) menghasilkan elektron antara 500 keV sampai 5 MeV. 3. MBE energi tinggi menghasilkan elektron antara 5 MeV sampai 10 MeV.
Prinsip kerja alat ini adalah menghasilkan berkas elektron dari filamen logam tungsten yang dipanaskan. Berkas elektron selanjutnya difokuskan dan dipercepat dalam tabung akselerator vakum bertegangan tinggi 2 juta Volt. Mesin berkas elektron ( MBE) merupakan mesin pemercepat partikel di mana jenis partikel yang d i p e r c e p a t a d a l a h e l e k t r o n . D a l a m pengoperasiannya mesin ini dapat diatur besarnya tegangan pemercepat, arus berkas dan kecepatan konveyor, sehingga dapat ditentukan besarnya dosis serap yang diinginkan. Komponen utama MBE terdiri dari : sumber elektron, sumber tegangan tinggi, tabung akselerator (pemercepat), sistem optik (pengarah, pemfokus dan pemayar), sistem hampa, sistem instrumentasi kendali, serta sistem conveyor. Berkas elektron dihasilkan oleh sumber elektron secara emisi termionik pada filamen yang dipanaskan. Setelah keluar dari sumber, dengan cara memasang tegangan listrik pada elektroda-elektroda tabung pemercepat, berkas elektron dilewatkan untuk dinaikkan energinya. Agar berkas elektron mengenai seluruh bahan yang diirradiasi, maka setelah keluar dari tabung pemercepat, berkas elektron disapu menggunakan sistem pemayar (scanning system). Material yang diiradiasi dilewatkan di bawah jendela MBE menggunakan sistem ban berjalan atau conveyor.
4
Keunggulan proses radiasi dengan MBE:
Sebelumnya proses radiasi banyak menggunakan sinar gamma, namun dengan perkembangan MBE, proses radiasi banyak memanfaatkan berkas elektron. Berkas elektron sebagai sumber radiasi sangat kompetitif bila dibandingkan dengan
sinar gamma.
Beberapa keunggulan dari
berkas
elektronuntuk proses radiasi adalah: 1.Proses radiasi dengan kapasitas besar dapat dilakukan d a l a m w a k t u ya n g s a n g a t s i n g k a t ( o r d e detik), karena MBE mampu memberikan dosis yang cukup tinggi. 2 . D a e r a h b a h a n ya n g d i i r a d i a s i d a p a t d i k e n d a l i k a n d e n g a n seksama
melalui
p a r a m e t e r - p a r a m e t e r sistem
pemayaran
berkas
elektron. 3.Efisiensi pemanfaatan energi radiasi sangat tinggi, karena berkas elektron memberikan energinya secara langsung pada bahan yang diiradiasi. 4.Keselamatan radiasi sangat tinggi, karena berkas e l e k t r o n d a p a t d i k e n d a l i k a n d e n g a n c a r a menghidupkan dan mematikan MBE. 5.Disamping
itu,
berkas
eklektron
tidak
menimbulkan
k o n t a m i n a s i r a d i o a k t i f ( t e k n o l o g i r a m a h lingkungan)
Gambar mesin berkas elektron
5
Keterangan Gambar: Sisi kanan: conveyor, mirip deretan pipa-pipa biru, untuk menjalankan objek yang akan dikenai radiasi. Di tengah: pmbangkit tegangan listrik yang digunakan sebagai pemicu tegangan. Sebelah kanan: yang berbentuk kubus adlah cubicel kendali. Di latar belakang adalah alat utama yang digunakan untuk menembakkan radiasi ke objek di atas conveyor!
6
BAB III METODE PENELITIAN
A. Alat dan Bahan
Bahan Serbuk metil orange, film CTA (Cellulose Triacetate), H2SO4 6N, NaOH 6N, aquades, dan alkohol.
Alat Peralatan dan fasilitas yang digunakan dalam penelitian ini: Mesin Berkas Elektron 350 keV/10mA dengan ukuran berksa 1200 mm × 60 mm, kecepatan konveyor 2,7 cm/detik. spektrofotometer dengan perangkat lunak Genesys CTA reader, spektrofotometer UV-Vis, instrumen kromatografi cair kinerja tinggi (High Performance Liquid Chromatography, HPLC), berbagai piranti gelas, wadah cuplikan dari kaca berbentuk baki, pH meter dan vial-vial plastik.
B. Cara kerja
1. Variasi konsentrasi Dibuat larutan induk zat warna azo 1000 ppm dengan melarutkan serbuk 0,25 gram metil orange dalam 10 ml alkohol kemudian ditandabataskan dengan aquades sampai 250 mL. Dari larutan induk, dibuat variasi konsentrasi 100, 50, dan 10 ppm. pH larutan masing-masing cuplikan itu adalah netral.
2.
Variasi pH
Dibuat 500 mL cuplikan dengan konsentrasi 50 ppm. Kemudian dibuat variasi pH 3, 7, dan 11. Untuk membuat larutan asam ditambah kan larutan H2SO4, sedangkan untuk larutan basa ditambahkan larutan NaOH.
7
3. Iradiasi cuplikan dan penentuan dosis radiasi Dosimeter film CTA dipotong sepanjang ± 7 cm dan ditempelkan pada selembar amplop. Larutan zat warna metil orange disiapkan dalam wadah kaca, dan diberi label. Cuplikan diiradiasi dengan dosimeter CTA pada variasi dosis 5, 10, 20, 30, 40 kGy dan tegangan 300keV, arus disesuaikan dosis yang diinginkan dan kecepatan konveyor 2,7 cm/detik. Waktu iradiasi cuplikan kira-kira 2-5 detik. Iradiasi Film CTA yang telah diiradiasi didiamkan dalam suhu kamar selama 2 jam, kemudian diukur rapat optiknya menggunakan spektrofotometer. Rapat optik CTA itu sebanding dengan dosis serap.
4. Analisis cuplikan hasil degradasi Analisis kuantitatif dilakukan untuk mengetahui perubahan akibat iradiasi berdasarkan
perubahan
intensitas
atau
pengurangan
intensitas
warna,
menggunakan spektrofotometer UV-Vis. Pengukuran intensitas warna dilakukan pada panjang gelombang tertentu pada kondisi terjadi penyerapan maksimum. Kurva kalibrasi dibuat menggunakan larutan standar metil orange dengan konsentrasi 2, 3, 4, 5, 6, dan 7 ppm. Analisis kualitatif asam oksalat (sebagai indikasi terjadinya degradasi) dalam cuplikan yang telah diiradiasi dibandingkan dengan yang tidak diiradiasi, dilakukan menggunakan HPLC dan secara pengendapan menggunakan larutan CaCl2.
8
BAB III PEMBAHASAN
A. Mekanisme Degradasi Zat Warna Azo oleh Berkas Elektron Tahapan Reaksi Degradasi Metil Orange H3C N
N
H3C
*OH
N
SO2OH
N
SO2OH
H3C N
N
H3C
H *O N
N
O-
O
H + H2SO4 +
O2 H* + *O2 O N N2
R N
*OH
R
+ O2 Degradasi Cincin aromatik
CO2 H*
Gambar 2: Tahapan Reaksi Degradasi Senyawa Azo Metil Orange
9
Radikal hidroksil adalah radikal utama yang melakukan inisiasi degradasi pada gugus utama senyawa azo, dengan menghasilkan radikal fenil dan fenoksi. Pada tahap berikutnya dengan adanya oksigen terlarut, akan terjadi abstraksi ion hidrogen dan radikalnya, pada radikal fenil. Pada tahap lebih lanjut akan keluar gas nitrogen yang diikuti dengan proses reduksi pada radikal cincin benzen menjadi senyawa aromatik sederhana. Di sisi lain, gugus radikal fenoksi akan teroksidasi oleh radikal hidroksil menjadi gugus benzena.
Gambar 3: Tahap Reaksi Degradasi Senyawa Azo Metil Orange
Cincin
aromatik
benzena
akan
terdegradasi
menjadi
radikal
hidroksisikloheksadienil. Radikal ini akan berekasi dengan oksigen terlarut menghasilkan hidroksi hidroperoksida yang tidak stabil. Reaksi berikutnya adalah terjadinya penghilangan satu molekul air dan pembentukan cincin aromatis dari hidroksi hidroperoksida menjadi mukondialdehid. Mukodialdehid kemudian
10
teroksidasi mejadi asam mukanot Pada proses oksidasi selanjutnya akan terbentuk glioksial yang kemudian teroksidasi menjadi asam karboksilat. Proses iradiasi ini menggunakan dosis radiasi 5, 10, 20, 30 dan 40 kGy dengan energi operasi 300 keV dan kecepatan konveyor 2.7 cm/detik. Terhadap cuplikan ini diamati variasi pH dan variasi konsentrasi awal. pH metil orange diatur menjadi 2, 7, dan 12 dengan penambahan H2SO4 6N atau NaOH 6N. Konsentrasi awal divariasi menjadi 10, 50, dan 100 ppm. Efisiensi degradasi dihitung dengan mengukur pengurangan intensitas warna cuplikan setelah iradiasi menggunakan spektrofotometer UV-Vis.
Gambar 4: Skema Pembentukan Berbagai Radikal Dalam Air
Dalam sistem itu sangat mungkin terjadi banyak peristiwa rekombinasi seperti: •
•
-
radikal H dengan OH membentuk molekul air, elektron tersolvasi (e aq) dengan •
-
-
+
OH membentuk ion OH , elektron tersolvasi (e aq) dalam suasana asam (H3O ) •*
membentuk radikal (H3O ), dan seterusnya. Selanjutnya spesi-spesi reaktif itu akan mendegradasi senyawa azo.
11
B. Pengaruh dosis radiasi terhadap konsentrasi awal larutan 1. Pengaruh dosis radiasi terhadap pH larutan yang berbeda
Gambar 5. Grafik hubungan Antara dosis awal Radiasi vs Efisiensi untuk Variasi pH pada Konsentrasi Larutan 50 ppm.
Untuk analisis kualitatif senyawa hasil degradasi digunakan alat High Performance Liquid Chromatography (HPLC). Dalam
mengetahui pengaruh
dosis radiasi pada kondisi pH yang berbeda, dilakukan pengamatan terhadap larutan pada kondisi asam, netral dan basa yaitu dengan mengatur larutan metil orange pada kondisi pH 2, 7 dan 12. Pada penentuan pengaruh pH ini, konsentrasi awal larutan dibuat sama, baik pada pH 2, 7 dan 12 dengan konsentrasi sebesar 50 ppm. Hasil perhitungan efisiensi degradasi terhadap perubahan dosis radiasi, dibuat ke dalam grafik menggunakan persamaan garis polinomial orde 3 diperoleh 3
2
persamaan : Untuk pH 2 :y = 0,0004 x – 0,0526 x + 2,6024 x – 8,2145, dengan 2
3
2
R = 0,9977. Untuk pH 7 : y = 0,0003 x + 0,0155 x – 0,0194 x + 0,372, dengan 2
3
2
2
R = 1. Untuk pH 12 : y = 0,0003 x + 0,0143 x + 0,0893 x – 0,6716, dengan R = 0,991. Hasil penelitian menunjukkan, bahwa semakin bertambah dosis, maka efisiensi degradasi metil orange juga semakin besar. Pada kondisi pH 2 terjadi peningkatan efisiensi degradasi metil orange yang lebih signifikan dari pada pH 7 dan 12, dengan efisiensi degradasi tertinggi 37,74 % pada dosis 40 kGy, sedangkan pada pH 7 dan 12 peningkatan efisiensi hampir sama, yaitu pada dosis 40 kGy efisiensi tertinggi masing-masing 7,46 % dan 9,08 %. Nilai pH larutan
12
menentukan besarnya macam spesies primer hasil radiolisis air (eaq¯, ·H, ·OH) sehingga akan mempengaruhi pengurangan konsentrasi zat warna. Pada pH 2, persen efisiensi degradasi zat warna metil orange lebih tinggi dari pada pH 7 dan 12. Hal ini dapat ditinjau dari keberadaan elektron terhidrat dan radikal hidrogen dalam larutan pH 2 elektron terhidrat lebih banyak daripada pH 7. Elektron terhidrat dan radikal hidrogen merupakan pereduksi kuat, dan keduanya dapat melakukan reaksi adisi pada ikatan rangkap N=N. Pada pH yang relatif tinggi atau basa, radikal hidroksil akan dikonversi menjadi radikal O·
.
-
Radikal O· mempunyai kecenderungan yang lebih rendah daripada radikal hidroksil terhadap reaksi adisi pada ikatan rangkap N=N.
2.
Pengaruh dosis radiasi terhadap konsentrasi awal larutan Pada pengamatan pengaruh dosis radiasi terhadap konsentrasi awal yang
berbeda, konsentrasi awal larutan metil orange dibuat 10, 50 dan 100 ppm. Hasil perhitungan efisiensi degradasi terhadap perubahan dosis radiasi, dibuat ke dalam grafik menggunakan persamaan garis polinomial orde 3, diperoleh persamaan : 3
2
Untuk konsentrasi awal 10 ppm ; y = 0,001 x – 0,0663 x + 0,6373 x – 2,2416, 2
3
2
dengan R = 0,9999. Untuk konsentrasi awal 50 ppm ; y = 0,0005 x – 0,0373 x + 2
0,9766 x – 2,5871, dengan R = 0,9797. Untuk konsentrasi awal 100 ppm ; y = 3
2
2
0,0012 x – 0,0761 x + 1,7 x – 6,5565, dengan R = 0,9957.
Gambar 6. Grafik Hubungan Antara Dosis Radiasi vs Efisiensi untuk Variasi Konsentrasi pada Kondisi pH Larutan yang Dibuat Netral
13
Semakin bertambah dosis, maka efisiensi degradasi metil orange juga semakin besar. Pada konsentrasi awal 10 ppm terjadi peningkatan efisiensi degradasi yang paling signifikan daripada konsentrasi awal 50 dan 100 ppm, dengan efisiensi tertinggi 21.56 % pada dosis 40 kGy. Pada konsentrasi 50 dan 100 ppm penurunan pada dosis 40 kGy efisiensi tertinggi masing-masing 7,11 % dan 14.84 %. Penguraian tertinggi pada konsentrasi awal 10 ppm ini terjadi karena zat terlarut lebih sedikit dibandingkan pada konsentrasi 50 dan 100 ppm. Pada konsentrasi awal yang lebih besar, spesi reaktif hasil radiolisis air yang terjadi jauh lebih sedikit jika dibandingkan dengan zat terlarut, sehingga zat terlarut yang bereaksi dengan spesi reaktif juga hanya sedikit.
pH larutan metil orange setelah diradiasi mengalami perubahan. Pada Gambar 10 dan Gambar 11 dapat dilihat perubahan pH larutan zat warna metil orange setelah diradiasi. Pada larutan pH awal 2 perubahan pH relatif tetap, untuk pH awal 7 dan 12 masing-masing mengalami penurunan pH larutan. Penurunan pH larutan disebabkan oleh penguraian zat warna menjadi senyawa sederhana dengan berat molekul yang lebih rendah, seperti terbentuknya asam-asam organik.
Gambar 7. Perubahan pH Larutan pada Iradiasi Metil Orange pada Berbagai Variasi pH Awal
14
Gambar 8. Perubahan pH Larutan pada Iradiasi Metil Orange pada Berbagai Variasi Konsentrasi Awal
15
BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan 1. Radiasi pengion dari berkas elektron dapat digunakan untuk degradasi zat warna dalam pelarut air. Semakin tinggi dosis radiasi maka efisiensi degradasi semakin besar. Hal ini terjadi pada semua variabel. Pada setiap dosis 40 kGy terjadi penguraian terbesar, baik pada variasi konsentrasi maupun variasi pH.
2. Pada pengaruh dosis radiasi terhadap kondisi pH yang berbeda, efisiensi degradasi tertinggi diperoleh pada pH 2, yaitu 37.74 % dan pada pengaruh dosis radiasi terhadap konsentrasi awal yang berbeda diperoleh efisiensi degradasi tertinggi pada konsentrasi awal 10 ppm, yaitu 21.56 %.
B. Saran Penelitian ini dilaksanakan masih dengan sistem Batch. Perlu dilakukan penelitian lanjut yang jilaksanakan secara kontinyu dengan memvariasikan HRT dan SRT gel dan variasi laju alir. Penelitian ini juga masih dilakukan menggunakan limbah cair sintetis dengan konsentrasi zat warna 10 mg/l dan glukosa (sumber karbon) 1 g/l. sistem pengolahan gabungan anaerob-aerob memungkinkan dikembangkan penggunaan konsentrasi zat warna lebih tinggi dari 10 mg/l dan sumber karbon yang terdapat dalam limbah tekstil itu sendiri.
16
Daftar Pustaka
Christina, Maria. 2010. Studi Pendaguluan Mengenai Degradasi Zat Warna Azo dalam Pelarut Air Menggunakan Mesin Berkas Elektron.
Donny, Rahmat. 2009. Mesin Berkas Elektron. Djaloeis,A. 1996. Pengembangan Teknologi Akselerator dan Pemanfaatan nya di Indonesia. Yogyakarta: PPNY-BATAN Wahyuni,s dan Rahmawati. 2005. Pemanfaatan Mesin Berkas Elektron untuk Mengolah Limbah Cair Industri. Majalah Media Kita, Edisi Maret 2005
Zubaidah. 2011. Prinsip Kerja Alat Mesin Berkas Elektron.
17
18
