Jurnal Terjemahan Elektrokimia [PDF]

Citation preview

Proses Penghematan Energi Elektrokimia untuk Penghilangan Bakteri Spora dari Air Menggunakan Sodium Fluorida dan Etanol Masuma Moghaddam Arjmand1, Abbas Rezaee1,*, Simin Nasseri2, Said Eshraghi3



ABSTRAK Desinfeksi elektro Bacillus subtilis spora yang efektif dengan konsumsi energi yang rendah dicapai pada suhu kamar melalui efek sinergis interaksi antara sodium fluoride (NaF) (mg/L) dan etanol (Mol/L), tegangan (V), pH, dan waktu reaksi. Bacillus subtilis ( 103 spora/mL) tereliminasi dengan penghematan energi hampir 85% pada 0,68 Wh pada 4 mg/L NaF dan 0,4 Mol/L etanol, menggunakan dua elektroda stainless steel sepanjang 20 cm di dalam reaktor batch yang berisi 200 ml air keran. Konsumsi energi yang lebih rendah dicapai pada pembersihan Bacillus subtilis spora (103. m/L) pada pH 7-7,2 setelah 60 menit. Tidak Bacillus subtilis spora muncul dalam tes pertumbuhan koloni berikut pengolahan air dengan 0,05 A dan 7 V pada pH netral untuk durasi ini. Optimasi parameter perlakuan diperbolehkan untuk prediksi penghapusan Bacillus subtilis spora dalam konser dengan proses selektivitas sesuai dengan kendala energi. Penelitian ini mengungkapkan solusi yang menjanjikan yang murah untuk penghilangan Bacillus subtilis spora tanpa menghasilkan lumpur atau mengubah kualitas air. Review : Abstrak ini berisikan tentang ringkasan metode untuk menghilangkan bakteri spora dari air dengan menggunakan sodium flourida dan etanol. Dalam abstrak dijelaskan bahwa melalui metode ini bakteri spora dapat dihilangkan dengan kelebihannya yaitu penghematan energi. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk memberikan solusi yang menjanjikan serta murah dalam hal menghilangkan bakteri spora tanpa menghasilkan lumpur atau mengubah kualitas air PENDAHULUAN Cryptosporidium parvum adalah protozoa parasit dan agen perusak dari penyakit pencernaan yang menimbulkan risiko yang signifikan terhadap kesehatan masyarakat. Ookista, yang umumnya berada di permukaan air sebagai akibat dari kontaminasi tinja manusia, yang dikenal sangat tahan terhadap klorin pada konsentrasi normal digunakan untuk pengolahan air minum. Teknik enumerasi mutakhir digunakan untuk mendeteksi C. parvum dalam air tergolong mahal, rumit, dan memakan waktu, Oleh karena itu, mereka tidak sesuai untuk pemantauan rutin. Indikator mikroba atau pengganti dari protozoa resisten ini berpotensi dapat digunakan untuk mengevaluasi efisiensi desinfeksi selama pengolahan air. Spora aerobik B. subtilis, bila digunakan sebagai pengganti C. parvum, memiliki ketahanan pada banyak proses desinfeksi. Masalah kimia disinfeksi air seperti pembentukan desinfeksi oleh-produk, telah mendorong mencari metode pengolahan air ditingkatkan, seperti teknologi



air elektrokimia. Proses oksidasi elektrokimia (AOPs) telah diakui sebagai proses oksidasi lanjutan. AOPs, yang didasarkan pada fenomena elektrokimia, telah berhasil diterapkan untuk penghapusan mikroorganisme dari air. Dalam beberapa tahun terakhir, proses elektrokimia telah diperiksa untuk desinfeksi air. Desinfeksi elektrokimia dapat didefinisikan sebagai ekstraksi mikroorganisme menggunakan arus listrik yang dilewatkan melalui air dengan menggunakan elektroda yang sesuai. Keuntungan dari desinfeksi elektrokimia air dibandingkan dengan metode lain meliputi : 1) kesederhanaan perangkat, 2) mudah otomatisasi proses, 3) tidak ada persyaratan bahan kimia tambahan, dan 4) yang mengakibatkan kebutuhan saat ini rendah yang dapat memungkinkan penggunaan sel surya atau sel bahan bakar sebagai energi hijau. Metode ini berhubungan erat dengan efek langsung dan tidak langsung dari arus listrik di reaktor elektrokimia. Turunan berbagai oksidan seperti persulfat atau jenis klorin, oksidasi langsung pada permukaan elektroda, inaktivasi oleh produk antara reaktif seperti radikal hidroksil, hidrogen peroksida, dan ozon, atau efek medan listrik. Teknik-teknik telah diusulkan untuk kapasitas bakterisida yang tinggi. Aplikasi secara luas terhalang oleh masalah teknis seperti produk turunan jenis klorin. Sejumlah studi telah meneliti elektrolisis, yang menghasilkan berbagai oksidan termasuk hidrogen peroksida dan ozon, serta bebas klorin ketika ion klorida ada dalam air, tergantung pada bahan elektroda, tegangan dipasang, dan komposisi kimia air (yaitu, kandungan klorin) dari air. Tujuan khusus dari penelitian ini adalah untuk menentukan konsumsi energi dari desinfeksi elektrokimia pada pembersihan lengkap Bacillus subtilis spora dari air. Penelitian ini difokuskan pada efek dari NaF dan etanol. Review : Dalam pendahuluan dijelaskan, metode penghilangan bakteri spora ini dinamakan desinfeksi elektrokimia. Desinfeksi elektrokimia dapat didefinisikan sebagai ekstraksi mikroorganisme menggunakan arus listrik yang dilewatkan melalui air dengan menggunakan elektroda yang sesuai. Keuntungan dari desinfeksi elektrokimia air dibandingkan dengan metode lain meliputi : 1) kesederhanaan perangkat, 2) mudah otomatisasi proses, 3) tidak ada persyaratan bahan kimia tambahan, dan 4) yang mengakibatkan kebutuhan saat ini rendah yang dapat memungkinkan penggunaan sel surya atau sel bahan bakar sebagai energi hijau. Penelitian ini difokuskan pada efek dari NaF dan etanol.



BAHAN DAN METODE a. Mikroorganisme Bakteri strain yang digunakan dalam penelitian ini adalah B. subtilis ATCC 6633. Bakteri yang dipelihara pada nutrien agar miring pada 4 ° C, dan dibekukan pada -18 ° C untuk selanjutnya pemeliharaan jangka pendek dan jangka panjang. B. subtilis yang diaktifkan kembali dari keadaan beku (10% nutrisi glycerinated kaldu) dalam labu 100 mL mengandung 50 ml tryptic kaldu kedelai. Sampel diinkubasi pada suhu 37 ° C selama 24 jam dengan aerasi terus menerus. Dalam semua percobaan, B. subtilis diinokulasi dari stok pemeliharaan untuk media kaldu pada konsentrasi 0,5 standar McFarland (~ 1,5 x 10 8 per ml). Untuk mendapatkan suspensi spora, bakteri dituangkan ke dalam labu Erlenmeyer steril dan ditempatkan dalam waterbath pada



suhu 80 ° C selama 15 menit untuk menghilangkan sel vegetatif. Sporulasi dilihat dengan mikroskop optik menggunakan pewarnaan gram untuk mengkonfirmasi adanya B. subtilis spora. Konsentrasi berbagai spora disiapkan dengan pengenceran B. subtilis dalam air minum. Metode pour plate digunakan untuk spora pada semua konsentrasi. Seratus mikroliter suspensi bakteri B. subtilis tersebar di permukaan agar kedelai tryptic (TSA) di 90 mm piring petri. Setelah inkubasi pada suhu 37 °C selama 48 jam, jumlah spora yang terbentuk pada agar dihitung, dan hasilnya dinyatakan sebagai jumlah rata-rata spora per ml. Peralatan dan media pemeliharaan yang digunakan disterilisasi dengan autoklaf pada suhu 121 °C selama 15 menit. pH diatur pada awal setiap percobaan dengan menambahkan NaOH atau HCl (0,1 M). Konsentrasi penghambat minimal (MIC) ditentukan dengan menggunakan metode dilusi kaldu, menurut komite nasional untuk standar laboratorium klinis. Secara singkat, dalam 12 tabung kaca bernomor, 10 cc dari media TSB dimasukkan ke dalam masing-masing tabung. Semua tabung disterilisasi dengan autoklaf pada suhu 121 °C selama 15 menit. MIC dievaluasi menggunakan 0,2-4 M etanol dan tabung diinkubasi pada suhu optimal selama 24 dan 48 jam. Setelah periode ini MIC diambil sebagai konsentrasi pengenceran tertinggi di mana tidak adanya pertumbuhan B. Subtilis yang teramati. b. Percobaan elektrokimia



Percobaan dilakukan dalam reaktor elektrokimia tunggal terpisah (Gambar. 1). Dua lembar stainless steel digunakan sebagai anoda dan katoda. Eksperimental dilakukan dengan menguatkan nilai-nilai kerapatan arus berkisar antara 2 sampai 10 mA / cm2. Proses elektrokimia dijalankan menggunakan pendekatan sekumpulan dalam gelas kimia 500 mL kapasitas dengan 300 mL air pada suhu kamar. Elektroda terbuat dari plat baja dengan dimensi 8 × 4 × 0,1 cm (jarak 2 cm). Setiap elektroda terhubung ke Power supply DC dengan on/off switch operasional untuk mengendalikan kepadatan arus konstan dan tegangan. Kepadatan arus dihitung melalui persamaan berikut sebagai berikut: CD = I / S



(1)



Di mana I adalah arus melalui solusi (A), dan S adalah luas elektroda (cm2). Sepanjang pemeriksaan, konduktivitas dan pH larutan diukur dengan menggunakan portable EC dan pH meter. Semua percobaan dilakukan pada pH 7,2. Pada akhir percobaan, sumber daya DC dimatikan dan elektroda dipisahkan dari air. Selama percobaan, sampel diambil pada interval 15 menit dan dipelihara pada media pemeliharaan. Semua percobaan dilakukan secara duplet. Penghilangan B. subtilis spora (102 -104 spora/mL) diperiksa di 20-100 mA saat ini dalam proses desinfeksi elektrokimia menggunakan etanol (0,2-0,4 Mol/L) dan NaF (1-4 mg/L) sebagai aditif. Sampel ditarik setiap 15 menit dan ditransfer ke TSA. Konsumsi energi dari proses (Wh) secara langsung berkaitan dengan potensial sel (V), arus (A), dan waktu (h) sebagai berikut: P = Vit



(2)



Review : dalam bagian bahan dan metode ini dijelaskan bahan-bahan yang digunakan dalam melakukan proses desinfesi elektrokimia ini serta langkah-langkah kerja yang dilaksanakan. Bahan yang digunakan yaitu bakteri strain (Bacillus subtilis ATCC 6633), NaOH, HCl, etanol, dan NaF. Penggunaan bakteri harus dilakukan pemeliharaan terlebih dahulu, tidak bisa digunakan langsung tanpa pemeliharaan. Metode atau langkah kerja yang dilakukan adalah percobaan elektrokimia. Percobaan ini dilakukan dengan alat yang dirangkai seperti jembatan garam. Digunakan dua elektroda yang terbuat dari bahan baja yang digunakan satu sebagai anoda dan satu sebagai katoda. Kedua elektroda tersebut dihubungkan oleh power suply DC dengan on/off switch operasional untuk mengendalikan kepadatan arus konstan dan tegangan. Elektroda tersebut dicelupkan dalam cairan yang berisi bacillus subtilis, etanol, dan NaF. HASIL DAN PEMBAHASAN a. Pengaruh kerapatan arus



Gambar 2. inaktivasi B. subtilis spora sebagai fungsi waktu elektrolisis (min) dan penerapan massa jenis. Kondisi eksperimental: modus batch, 103 CFU/mL, pH netral, T= 25 °C, pengendalian berjalan tanpa menerapkan elektrolit pendukung. Untuk penyelidikan efesiensi proses elektrokimia pada penghilangan spora dari air, percobaan laboratorium dilakukan di bawah 2, 2,5, dan 5 mA/cm2 kerapatan arus elektrokimia di 15-60 menit di atas air yang mengandung 103 spora/mL. Percobaan ini menunjukkan bahwa pada densitas arus lima mA/cm2 dan waktu 60 menit, penghilangan spora berlangsung (Gambar. 2). Haaken et al. melaporkan bahwa peningkatan waktu saat ini dan reaksi mengakibatkan transpor elektron, dan berikutnya generasi ion hidroksil, ozon, hidrogen peroksida, dan klorin bebas, akhirnya menghasilkan disinfeksi b. Proses elektrokimia Penambahan NaCl Dalam eksperimen ini, itu menunjukkan bahwa peningkatan waktu reaksi saat ini dan elektrokimia untuk menghilangkan B. subtilis spora baik peningkatan konsumsi energi atau menghasilkan lumpur berwarna kuning-coklat hidroksida besi dan besi di dalam air. .



Gambar 3. inaktivasi B. subtilis spora sebagai fungsi waktu elektrolisis (min) dan diterapkan saat ini massa jenis. kondisi eksperimental: modus batch, 10 3 CFU/mL, pH netral, T = 25 °C, dengan menerapkan elektrolit pendukung 4 mg /L NaCl. Penambahan NaCl sebagai elektrolit pendukung dalam penelitian ini terbukti menurunkan kedua waktu reaksi dan konsumsi energi. Pengaruh penambahan NaCl (0,4% w/v) pada proses dievaluasi dalam percobaan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa kondisi ini bisa memodifikasi kerapatan arus dari 5 mA/cm2 ke 2,5 mA/cm2 pada 60 menit (Gambar. 3). Chittoria et al. melaporkan bahwa lingkungan ORP yang tinggi menciptakan osmolaritas yang tidak seimbang antara konsentrasi ion dalam larutan dan bahwa dalam mikroorganisme, struktur membran lebih merusak. c. Proses elektrokimia Kombinasi Penambahan Ethanol dan NaF



Pengaruh 0,4 Mol/L etanol pada kinetika penghilangan spora elektrokimia telah diteliti. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4, 0,4 Mol/L etanol mampu menghilangkan spora pada densitas arus 2,5 mA/cm2 selama 60 menit. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa menggunakan 4 mg/L NaF belum berpengaruh pada inaktivasi Bacillus subtilis spora pada proses elektrokimia. Percobaan lebih lanjut dilakukan untuk menguji efektivitas proses elektrokimia termasuk NaF dan etanol pada inaktivasi B. subtilis spora.



Gambar 4. inaktivasi B. subtilis spora sebagai fungsi waktu elektrolisis (min) dan diterapkan saat ini massa jenis. kondisi eksperimental: modus batch, 103 CFU/mL, pH netral, T = 25 °C, dengan menerapkan 0,4 Mol/L etanol. Spora yang mudah dilemahkan pada kepadatan arus sangat rendah dan waktu kontak, di mana konsentrasi etanol dan NaF 0,4 Mol/L dan 0,4 mg/L, masing-masing. Dalam konteks ini, itu menunjukkan bahwa inaktivasi lengkap B. subtilis spora (10 3 CFU/ml) dalam air minum dapat dicapai dengan 40 menit dari proses elektrokimia pada 5 mA/cm2 ( gambar. 5). Ini berarti bahwa konsentrasi NaF dari 4 mg/L dan konsentrasi etanol dalam urutan 0,4 mol/L cukup untuk elektrokimia menghancurkan B. subtilis spora dengan konsumsi energi yang rendah. Hasil eksperimen yang diperoleh dalam penelitian ini menunjukkan bahwa penambahan NaF dan etanol untuk proses elektrokimia meningkatkan efisiensi penghapusan spora dan menghemat energi. Hal ini dapat dikaitkan dengan efek sinergis dari NaF dan etanol. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5, penambahan NaF disertai dengan ethanol ke dalam sistem elektrokimia mengurangi waktu penghapusan spora yang efektif, untuk 50 menit dan 40 menit pada kepadatan arus 2,5 mA/cm2 dan 5 mA/cm2, masing-masing. Untuk memverifikasi keberadaan sinergisme antara NaF dan etanol, parameter sinergisme dievaluasi menggunakan persamaan berikut:



Dimana I1+2 = I1 + I2; I1 dan I2 adalah efisiensi dari NaF dan etanol untuk menghilangkan spora masing-masing. I’1+2 adalah efisiensi diukur untuk NaF dalam kombinasi dengan etanol.



Gambar 5. inaktivasi B. subtilis spora sebagai fungsi waktu elektrolisis (min) dan diterapkan saat ini massa jenis. kondisi eksperimental: modus batch, 10 3 CFU/mL, pH netral, T = 25 °C, dengan menerapkan 0,4 Mol/L etanol dan 4 mg/L NaF. Mengingat bahwa NaF dan etanol dalam proses elektrokimia tidak berpengaruh pada satu sama lain, maka sama dengan 1) S1 sebagai alternatif, efek sinergis nyata ketika di S1>1 dan efek antagonis menang di S1