Makalah Mini - Siti Azizah - 2220412014 [PDF]

Citation preview

FOTODEGRADASI ZAT WARNA METIL BLUE MENGGUNAKAN NANOPARTIKEL ZnFe2O4 PROPOSAL MINI



SITI AZIZAH 2220412014



JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS ANDALAS 2022/2023



DAFTAR PUSTAKA Halaman HALAMAN JUDUL ............................................................................................. 1 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................ ii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ iii BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1 1.1



Latar Belakang ............................................................................................ 1



1.2



Rumusan Masalah ....................................................................................... 2



1.3



Tujuan Penelitian ........................................................................................ 2



1.4



Manfaat Penelitian ...................................................................................... 2



1.5



Hipotesis Penelitian..................................................................................... 3



BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 4 2.1



Fotokatalitik ................................................................................................ 4



2.2



Zink Ferrite (ZnFe2O4) ................................................................................ 4



2.3



Zat Warna Metil Biru .................................................................................. 4



2.4



Kinetika Fotokatalitik.................................................................................. 5



BAB III METEDOLOGI PENELITIAN ............................................................ 7 3.1



Waktu dan Tempat ................................................................................... 7



3.2



Alat dan Bahan ............................................................................................ 7



3.2.1



Alat .............................................................................................................. 7



3.2.2



Bahan........................................................................................................... 7



3.3



Prosedur Penelitian ................................................................................... 7



3.3.1



Sintesis ZnFe2O4 (Metode Kopresipitasi) ................................................... 7



3.3.2



Karakterisasi ................................................................................................ 7



3.3.3



Penentuan pH Point Zero Charge ................................................................ 8



3.3.4



Pembuatan Kurva Kalibrasi ........................................................................ 8



3.3.5. Penentuan Kondisi Optimum Penurunan Efektifitas Zat Metil Biru .......... 8 DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 10



ii



Universitas Andalas



DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1.Struktur Metil Biru ................................................................................. 5



iii



Universitas Andalas



1



BAB I PENDAHULUAN 1.1



Latar Belakang Pesatnya pertumbuhan industri yang menggunakan zat warna menyebabkan



semakin banyak air limbah yang belum terolah dibuang ke lingkungan. Air limbah hasil industri tekstil memerlukan penanganan khusus sebelum dibuang ke lingkungan (Tabai et al, 2017). Limbah cair yang mengandung zat warna memiliki dampak negatif bagi makhluk hidup. Polutan dari pewarna dapat mengurangi penyerapan sinar matahari di dalam air. Pada manusia, zat beracun dari limbah cair zat warna dapat menyebabkan mutagenisistas, karsinogenisitas dan disfungsi beberapa organ termasuk ginjal, hati dan sistem reproduksi (Oliveira et al., 2020). Salah satu jenis zat warna yang banyak digunakan pada industri tekstil yakni zat warna metilen biru. Metilen biru merupakan salah satu jenis zat warna thiazine, yang memiliki gugus benzena yang sulit terurai secara alami (Riwayati et al. 2019). Beberapa metode pengolahan untuk mengurangi permasalahan limbah zat warna di lingkungan perairan adalah ozonasi, koagulasi-flokulasi, biodegradasi, klorinasi, oksidasi kimia, pertukaran ion, dan reverse osmosis (Putra et al., 2019). Namun, efisiensinya masih tidak memuaskan, karena hasil dari penerapan metode di atas hanya menyebabkan pewarna mengalami transformasi fisik dan terjadinya perubahan struktur dari pewarna tersebut sehingga menghasilkan residu sekunder kemudian harus diolah lagi menggunkan teknik lain (Oliveira et al., 2020). Nanoteknologi telah menjadi salah satu teknologi yang paling diminati dan telah diterapkan pada berbagai bidang antara lain, sains biologi, kimia, teknik, ilmu kedokteran dan sebagainya (Çalışkan et al., 2020). Keunggulan penggunaan nanotegnologi untuk menentukan nanopartikel memiliki rasio luas permukaan terhadap volume lebih besar dari pada bulk material. Selain itu, morfologi nanomaterial terdiri dari ukuran, bentuk, struktur dan luas permukaan berperan penting dalam fungsionalitasnya dan dapat dimodifikasi sesuai dengan target yang diinginkan (Motazedi et al., 2020). ZnO adalah semikonduktor tipikal dengan celah pita lebar 3,37 eV, energi pengikat eksitasi besar 60 meV pada suhu kamar, biaya yang sangat rendah dibandingkan dengan oksida logam lainnya, fotosensitivitas tinggi dan stabilitas



Universitas Andalas



2



lingkungan sehingga banyak digunakan sebagai fotokatalis untuk mengurangi polutan organik yang ada dalam air dan udara (Kumari dkk., 2019). ZnFe2O4 memiliki sifat magnet dan listrik yang sangat baik serta memiliki stabilitas kimia dan stabilitas termal yang tinggi dalam mendegrdasi zat warna (Anchieta et al., 2015). Berdasarkan uraian tersebut maka pada penelitian ini dilakukan pembuatan ZnFe2O4 untuk mendegradasi zat warna metil biru. Nanopartikel yang dihasilkan dikarakterisasi menggunakan X-ray Diffaction (XRD), Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectroscopy (SEM-EDX), Vibrating Sample Magnetomer (VSM) dan penentuan variabel yang mempengaruhi degradasi ZnFe2O4 dipelajari seperti penentuan pH optimum, dan penentuan kosentrasi optimum. 1.2



Rumusan Masalah Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:



1.



Bagaimana hasil sintesis dan karakterisasi ZnFe2O4 setelah disintesis menggunakan metode kopresipitasi ?



2.



Bagaimana efektivitas penurunan proses degradasi zat warna metil biru menggunakan metode kopresipitasi?



3.



Bagaimana model kinetika fotodegradasi oleh nanokomposit ZnFe2O4 terhadap zat warna metil biru?



1.3



Tujuan Penelitian Adapun tujuan penelitian ini adalah:



1.



Mensintesis ZnFe2O4 dan melakukan karakterisasi menggunakan XRD, SEM, VSM, UV-VIS DRS dan FTIR



2.



Menentukan efektifitas ZnFe2O4 terhadap penurunan proses degradasi zat warna metil biru menggunakan metode kopresipitasi



3.



Menentukan model kinetika fotodegradasi oleh nanokomposit ZnFe2O4 terhadap zat warna metil biru



1.4 Manfaat Penelitian Untuk mengetahui hasil karakterisasi ZnFe2O4 yang digunkan sebagai katalis dalam mendegradasi limbah zat warna. Diharapkan juga bisa dimanfaatkan



Universitas Andalas



3



sebagai salah satu cara untuk mengatasi permasalahan pada limbah cair zat warna pada konteks yang lebih luas. 1.5



Hipotesis Penelitian



1.



Hasil sintesis nanopartikel ZnFe2O4 berhasil dilakukan berdasarkan data dari XRD, , SEM, VSM, UV-VIS DRS dan FTIR untuk menentukan kerekativitasan katalis



2.



Nanopartikel ZnFe2O4 efektif menurunkan degradasi zat warna metil biru menggunakan metode kopresipitasi



3.



Nanopartikel ZnFe2O4 dapat digunakan untuk melihat nilai koofesien korelasi yang mendekati satu dan nilai kapasitas fotodegradasi saatt kesetimbangan



Universitas Andalas



BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1



Fotokatalitik Metode fotokatalitik merupakan metode yang dapat digunakan untuk



menguraikan senyawa organik menjadi senyawa yang lebih sederhana dengan bantuan energi foton dan radiasi sinar UV. Metode ini memiliki beberapa kelebihan seperti memiliki harga yang murah, mudah diterapkan dan ramah lingkungan (Chandra dkk, 2019). Reaksi fotokatalitik dapat terjadi pada zat warna metilen biru. Proses fotokatalitik yang terjadi didasarkan pada interaksi yang terjadi antara zat warna dengan material fotokatalis (Vifta dkk, 2016). 2.2



Zink Ferrite (ZnFe2O4) Material dalam skala nano dalam beberapa tahun terakhir menjadi sangat menarik



dan telah memiliki banyak metode sintesis yang dikembangkan (Savage et al., 2009). ZnFe2O4 (zink ferrite) merupakan salah satu nanopartikel yang mempunyai sifat kimia dan stabilitas termal yang istimewa dengan adanya ketergantungan sifat magnetiknya pada ukuran partikel. ZnFe2O4 termasuk kedalam spinel oxide yang memiliki struktur kubik, spinel normal dengan ion-ion Zn2+ dan Fe3+ dimana masing-masing menempati site.tetrahedral dan oktahedral dengan band gap sempit (1,9V) yang bisa digunakan dalam proses fotokatalitik dengan cahaya tampak dalam proses fotodegradasi (Oliveira et al., 2020)



2.3



Zat Warna Metil Biru Thiazine merupakan golongan zat warna yang molekulnya mengandung



cincin quinonoid yang dihubungkan dengan nonquinonoid melalui atom−atom N dan S contohnya thionine dan metilen biru (Senthilkumar et al., 2010). Senyawa metilen biru mempunyai struktur benzena yang sulit untuk diuraikan secara alami, bersifat toksik, karsinogenik dan mutagenik (Ljubas, 2010). Dalam industri tekstil, metilen biru merupakan salah satu zat warna thiazine yang sering digunakan, karena harganya ekonomis dan mudah diperoleh. Zat warna MB merupakan zat warna dasar yang penting dalam proses pewarnaan kulit, kain mori, kain katun, dan tannin. Penggunaan MB dapat menimbulkan beberapa efek, seperti iritasi saluran pencernaan jika tertelan, menimbulkan sianosis jika terhirup, dan iritasi pada kulit



4



Universitas Andalas



6



jika tersentuh oleh kulit (Widihati dkk, 2011). Struktur metil biru dapat dilihat pada gambar 1



Gambar 1.Struktur Metil Biru (Widihati dkk, 2011) 2.4



Kinetika Fotokatalitik Persamaan laju reaksi secara umum dapat didefinisikan sebagai berikut: v = k[A]a [B]b………………………………….………………………...(1)



k adalah konstanta laju reaksi, a dan b masing-masing adalah orde reaksi terhadap A dan B. Pada laju reaksi terjadi dua macam proses, yaitu berkurangnya konsentrasi reaktan dan bertambahnya konsentrasi produk setiap satuan waktu. Jika ada sebuah reaktan A dan B akan bereaksi membentuk C dan D. Hubungan tersebut dapat digambarkan sebagai berikut. aA + bB → cC + dD ....................................................................................(2) Secara kuantitatif laju reaksi dikaji dari segi tingkat atau orde reaksi. Orde rekasi hanya dapat diperoleh melalui eksperimen dan dapat diramalkan jika telah diketahui mekanisme reaksinya Berdasarkan orde reaksi totalnya dibedakan menjadi reaksi orde satu, orde dua, orde tiga dan sebagainya. Ada kalanya reaksi berorde nol yang berarti reaksi tidak dipengaruhi oleh reaktan yang terlibat dalam reaksi dan biasanya terjadi pada reaksi dekomposisi atau penguraian. a. Reaksi orde nol −d [A]dt = - k [A]……………………………………………………….…..…(3) b. Reaksi orde pertama terjadi pada saat kecepatan reaksi berbanding lurus dengan salah satu reaktan. ln [A][A]0 = kt………………………………………………………..……(4) [A] = [A]0e-kt ……………………………………………………………..(5) c. Reaksi orde dua terjadi bila kecepatan reaksi sebanding lurus dengan konsentrasi dua reaktan atau satu reaktan berpangkat dua.



Universitas Andalas



BAB III METEDOLOGI PENELITIAN 3.1



Waktu dan Tempat



3.2



Alat dan Bahan



3.2.1 Alat Alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi seperangkat alat-alat gelas, buret, cawan petri, neraca analitik, magnetic stirrer, hotplate, , indikator universal, seperangkat reaktor, magnet neodymium, shaker, spektrofotometer, XRD (X-Ray Diffraction), SEM-EDS (Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectrometry), VSM (Vibrating Sample Magnetometer) UV-VIS (UltravioletVisible) dan pHpcz (pH Power of Charge) 3.2.2 Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian meliputi Zn(NO3).6H2O (Zinc nitrat Heptahydrate), Fe(NO3).9H2O (Cloride Hexahydrate), HCl (Asam Klorida), NaOH (Natrium Hidroksida), Akuades, NaNO3 (Natrium Nitrat), HNO3 (Asam Nitrat), NaCl (Natrium Klorida) 3.3



Prosedur Penelitian



3.3.1 Sintesis ZnFe2O4 (Metode Kopresipitasi) Sintesis ZnFe2O4 dilakukan menggunakan metode kopresipitasi dengan mencampurkan Zn(NO3).6H2O (1,50 g) dengan Fe(NO3).9H2O (3,00 g) yang dilarutkan dalam 20 mL akuades, dan di aduk sampai homogen. Larutan campuran tersebut dititrasi menggunakan NaOH 1M secara perlahan sambil diaduk menggunakan magnetik stirrer sampai ± pH 11 Larutan yang terbentuk kemudian dimasukkan kedalam gelas beker diatas magnet permanen untuk mempercepat proses pengendapan. Kemudian endapan dicuci sampai pH 8. Endapan hasil pencucian kemudian dikalsinasi dengan suhu 600℃ selama 3 jam untuk mendapatkan sampel ZnFe 2O4 dalam bentuk serbuk (Ahmed et al., 2020) 3.3.2 Karakterisasi Hasil sintesis ZnFe2O4



menggunakan



metode



kopresipitasi dan



dikarakterisasi menggunakan XRD, SEM-EDX, VSM dan UV-Vis. 7 Universitas Andalas



8



3.3.3 Penentuan pH Point Zero Charge 50 mL larutan NaNO3 0,01M dimasukan masing-masing ke dalam 10 erlenmeyer. Kemudian dilakukan pengaturan pH dari rentang pH 2 - pH 12 dengan cara menambahkan larutan HNO3 0,1 M atau NaOH 0,1 M. Kemudian tambahkan 0,1 gram nanopartikel ZnFe2O4/kopresipitasi kedalam setiap Erlenmeyer, lalu dikocok selama 2 jam menggunakan shaker. Kemudian didiamkan selama 2 hari dan dihitung pH akhir dari setiap larutan 3.3.4 Pembuatan Kurva Kalibrasi 3.3.4.1 Pembuatan Larutan Stok Standar Metilen biru 1000 mg/L Larutan stok dengan kosentrasi 1000 mg/L dibuat dengan cara menimbang 0,5 gram zat warna metilen biru kemudian ditambah 20 mL etanol dan dimasukkan ke dalam labu ukur 500 mL. Setelah itu larutan campuran tersebut ditambahkan air denim sampai tanda batas dan dihomogenkan. Larutan induk 1000 mg/L diencerkan untuk membuat larutan metilen biru dengan kosentarasi 500 mg/L kemudian diencerkan lagi menjadi kosentrasi 100 mg/L. 3.3.4.2 Penentuan Kurva Kalibrasi Metilen Biru 1000 mg/L Larutan standar metilen biru dengan konsentrasi 100 ppm diambil 0,05 mL, 0,15 mL, 0,25 mL, 0,35 mL dan 0,4 mL menggunakan pipet ukur dan dimasukkan ke dalam labu ukur 10 mL untuk mendapatkan konsentrasi larutan standar metilen biru 0,5 ppm, 1,5 ppm, 2,5 ppm, 3,5 ppm, dan 4 ppm. Kemudian ditambahkan dengan akuades sampai tanda batas. Ditentukan panjang gelombang maksimum menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 665 nm. 3.3.5. Penentuan Kondisi Optimum Penurunan Efektifitas Zat Metil Biru 3.3.5.1 Penentuan pH Optimum Enam buah gelas beker berukuran 100 m masing-masing diisi dengan larutan metilen biru dengan konsentrasi 40 ppm sebanyak 10 m . Kemudian diatur pHnya secara berurutan dari 6, 7, 8, 9, 10, dan 11 pada masing-masing gelas beker dengan menambahkan HCl 0,1 M atau NaOH 0,1 M. Selanjutnya ditambahkan 0,025 g ZnFe2O4 ke dalam enam gelas beker. Kemudian di sinari dengan lampu UV 15 x 3 watt dan tanpa lampu UV selama 60 menit sambil diaduk dengan pengaduk magnetik. Selanjutnya diukur absorbansi menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang maksimum metilen biru.



Universitas Andalas



9



3.3.5.2 Penentuan Kosentrasi Optimum Larutan yang diperoleh dari kondisi terbaik pada poin 3.6.1 dimasukkan ke dalam lima buah gelas beker berukuran 100 mL diisi 10 mL larutan metilen biru dengan berbagai konsentrasi yaitu 20 ppm, 30 ppm, 40 ppm, 50 ppm dan 60 ppm. Kemudian ditambahkan 0,025 g ZnFe2O4. Selanjutnya gelas beker dimasukkan ke reaktor lalu disinari dengan lampu UV 15 x 3 watt dan tanpa lampu UV selama 60 menit, sambil diaduk dengan pengaduk magnetik. Setelah proses radiasi, suspensi kemudian dipisahkan dengan magnet permanen dan 22 Universitas Sriwijaya absorbansi filtrat diukur menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang maksimum dari metilen biru (Diantariani dkk, 2016).



Universitas Andalas



10



DAFTAR PUSTAKA Ahmed, A. A. A., Abdulwahab, A. M., Talib, Z. A., Salah, D., & Flaifel, M. H.(2020). Magnetic and optical properties of synthesized ZnO–ZnFe2O4 nanocomposites via calcined Zn–Fe layered double hydroxide. Optical Materials, 108(June), 110179. Anchieta, C. G., Severo, E. C., Rigo, C., Mazutti, M. A., Kuhn, R. C., Muller, E. I., Anchieta, C. G., Severo, E. C., Rigo, C., Mazutti, M. A., Kuhn, R. C., Muller, E. I., Flores, E. M. M., Moreira, R. F. P. M., and Foletto, E. L. 2015. Rapid And Facile Preparation Of Zinc Ferrite (ZnFe 2O4) Oxide By Microwave-Solvothermal Technique And Its Catalytic Activity In Heterogeneous Photo-Fenton Reaction. Materials Chemistry and Physics. 160(4). 141–147 Çalışkan, G., Mutaf, T., Öncel, S. Ş., & Elibol, M. (2020). Green synthesis of metal nanoparticles using microalga galdieria sp. IFMBE Proceedings, 73, 219– 224. Flores, E. M. M., Moreira, R. F. P. M., and Foletto, E. L. 2015. Rapid And Facile Preparation Of Zinc Ferrite (ZnFe2O4) Oxide By Microwave-Solvothermal Technique And Its Catalytic Activity In Heterogeneous Photo-Fenton Reaction. Materials Chemistry and Physics. 160(4). 141–147 Ljubas, D., Curcovic, L. and Dobrovic, S. 2010. Photocatalytic Degradation of an Azo Dye by UV Irradiation at 254 and 365 nm. Transactions of FAMENA. 34(1): 19-28 Motazedi, R., Rahaiee, S., & Zare, M. (2020). Bioorganic Chemistry Efficient biogenesis of ZnO nanoparticles using extracellular extract of Saccharomyces cerevisiae : Evaluation of photocatalytic , cytotoxic and other biological activities. Bioorganic Chemistry, 101(May), 103998. Oliveira, T. P., Marques, G. N., Macedo Castro, M. A., Viana Costa, R. C., Rangel, J. H. G., Rodrigues, S. F., Dos Santos, C. C., & Oliveira, M. M. 2020. Synthesis And Photocatalytic Investigation Of ZnFe 2O4 In The Degradation Of Organic Dyes Under Visible Light. Journal Of Materials Research And Technology. 9(6). 15001–15015. Riwayati, I., Fikriyyah, N. dan Suwardiyono. 2019. Adsorpsi Zat Warna Metilene Blue Menggunakan Abu Alang-Alang (Imperata cylindrica) Teraktivasi Asam Sulfat. Inovasi Teknik Kimia. 4(2) : 6-11. Senthilkumar, P., Paul, P., Selvaraju, C. and Natarajan, P. 2010. Preparation, Characterization, and Photophysical Study of Thiazine Dyes within the Nanotubes and Nanocavities of Silicate Host: nfluence of Titanium Dioxide Nanoparticle on the Protonation and Aggregation of Dyes. J. Phys. Chem. C. 114(15): 7085-7094. Tabai, A., Bechiri, O. dan Abbessi, M. 2017. Degradation of Organic Dye Using a



Universitas Andalas



11



New Homogeneous Fenton-like System Based on Hydrogen Peroxide and a Recyclable Dawson-Type Heteropolyanion. International Journal of Industrial Chemistry. 8(1): 83-89. Vifta, R. L., Sutarno., dan Suyanta. 2016. Studi Aktifitas Fotokatalitik MCM-41 Teremban Zn Pada Zat Warna Metilen Biru. Jurnal MIPA, 39(1), 45-50. Widihati, I. A. G., Diantariani, N. P. dan Nikmah, Y. F. 2011. Fotodegradasi Metilen Biru dengan Sinar UV dan Katalis Al2O3. Jurnal Kimia. 5(1): 3142.



Universitas Andalas