Tugas Mini Project Nanoteknologi - Januar Fitriana - 4311418009 (Fix) [PDF]

Citation preview

SINTESIS NANOKATALIS ZnO-H2O2 DENGAN METODE KOPRESIPITASI UNTUK PROSES FOTOKATALISIS LIMBAH INDUSTRI KERTAS



Nanoteknologi Disusun Untuk Memenuhi Tugas Mini Project Nanoteknologi



Oleh Januar Fitriana / 4311418009



JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG 2021



BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Nanoteknologi adalah suatu teknologi atau kontrol material pada skala nano dalam dimensi antara 1 sampai 100 nanometer. Kecilnya ukuran partikel tersebut dimanfaatkan untuk menciptakan terobosan baru yang nantinya akan menghasilkan suatu material dengan sifat dan fungsi baru. Dalam dekade terakhir, penelitian mengenai teknologi nano semakin berkembang pesat. Teknologi nano sudah diaplikasikan ke berbagai sektor kehidupan seperti pangan, kertas, tekstil, kosmetik, kesehatan, dan sebagainya. Adanya perkembangan sektor industri kecil hingga besar yang semakin pesat, menjadikan Indonesia merupakan salah satu Negara yang perekonomiannya tergolong maju. Tetapi dengan berkembang pesatnya sektor industri di Indonesia, permasalahan utama yang pasti muncul yaitu tercemarnya lingkungan yang diakibatkan oleh limbah industri tersebut. Dimana limbah industri ini dapat berbentuk cair, padat maupun gas. Limbah cair dapat berupa senyawa anorganik misalnya logam Fe, Cu, Cd, Pt, dan sebagainya yang berasal dari industri cat maupun perminyakan. Sedangkan limbah cair berupa senyawa organik seperti fenol merupakan racun organik pada suatu perairan dan tergolong limbah yang dapat mengakibatkan penurunan kualitas air dan lingkungan. Menurut Poedji (2015), konsentrasi fenol serendahnya 0,1 mg.L-1 dapat mengekibatkan efek yang tidak diinginkan dan merusak ekosistem sungai. Beberapa industri yang menghasilkan limbah mengandung fenol antara lain minyak bumi, bensin, kertas dan pulp, batu bara, petrokimia textile dan plastik (Rocha, 2007). Permasalahan limbah akan menjadi serius jika tidak segera ditanggulangi. Dalam pengolahan air limbah cair industri kertas biasanya menggunakan proses ozonasi, dan teknologi membran setelah proses secondary treatment, tetapi teknik ini membutuhkan biaya operasional yang mahal. Sehingga diperlukan adanya studi mengenai teknik pengolahan yang sesuai untuk diterapkan dalam mengolah limbah cair industri kertas (Pokhrel & Viraraghavan, 2004). Salah satu limbah organik berbahaya yang dihasilkan pabrik kertas yaitu fenol. Penggunaan fenol dan turunanya dalam industri dapat mengakibatkan tercemarnya lingkungan oleh senyawa beracun dan memberi ancaman terhadap lingkungan



(Nursaadah et al, 2000). Senyawa fenol dapat mengalami degradasi oleh cahaya matahari, namun karena intensitas cahaya matahari untuk sampai ke permukaan bumi sangat lambat maka konsentrasi fenol akan melebihi batas ambang. Proses tersebut dapat diatasi dengan adanya oksida logam seperti TiO2, ZnO, Fe2O3 dan sebagainya sebagai katalisator mempercepat penurunan konsentrasi fenol. Proses pengolahan limbah yang banyak diterapkan yaitu adsorpsi. Akan tetapi proses adsorpsi tidak dapat mendegradasi polutan menjadi senyawa yang tidak berbahaya, melainkan hanya memindahkan limbah dari cairan kepermukaan adsorben, sehingga adsorben perlu untuk didegradasi pada saat sudah jenuh dengan senyawa organik (Selamet dan M. Ibadurrohman, 2009). Salah satu alternative yang banyak digunakan untuk mendegradasi limbah industri yaitu proses fotokatalitik (Bideau, et al, 1995). Proses fotokatalitik memiliki beberapa keunggulan salah satunya yaitu pemakaian bahan kimia lebih hemat dan mampu mendegradasi polutan organik menjadi senyawa yang tidak berbahaya. Namun, untuk memungkinkan proses fotokatalitik pada mekanisme dasarnya terbentuk electron-hole pada permukaan katalis semikonduktor ketika diinduksi oleh energi foton tertentu. Terkait dengan masalah-masalah diatas, salah satu alternative yang dapat diterapkan untuk pengolahan limbah organik pabrik kertas yaitu dengan memanfaatkan proses fotokatalitik pada partikel nano semikonduktor. Proses adsorbsi dan fotokatalitik merupakan kombinasi yang terbukti mampu mendegradasi senyawa organik (Liu Jian, 2006). Menurut Kachina (2008) senyawa organik komponen tunggal maupun campuran yang banyak dihasilkan oleh sektor industri kertas seperti fenol/metil orange, aseton, toluen, formamide, berbagai alkohol alifatik dan berbagai Volatile Organic Compound (VOC) serta campuran BTEX dan NO. Dalam hal ini, partikel nano semikonduktor yang digunakan yaitu ZnO. Hal tersebut dikarenakan semikonduktor ZnO sangat mudah menghasilkan electronhole pada pita konduksi yang kemudian didekomposisi polutan organik dalam air menjadi gas yang tidak beracun (Muhammad Arief, 2011). Agar memaksimalkan terbentuknya electron-hole untuk proses degradasi, maka dalam penelitian ini dengan menambahkan H2O2 yang merupakan salah satu metode Advanced oxidation processes (AOPs) yang menggabungkan kombinasi beberapa proses misalnya ozon, hidrogen peroksida, adsorbs, sinar ultraviolet, titanium oksida, fotokatalitik, sonolisis, berkas elektron, pelepasan listrik



(plasma) dan beberapa proses lain yang menghasilkan radikal hidroksil. Penambahan H2O2 dipercaya dapat mempercepat proses degradasi, dimana dengan penambahan H2O2 berlebih dapat bertindak sebagai pengurai OH• sehingga penambahan yang tepat akan optimal dalam mempercepat proses degradasi (Safni, dkk, 2009). Menurut Vijai (2019), bahan nano ZnO sangat aktif secara fotokatalitik. Menurut Kolekar (2011), ZnO merupakan nanomaterial semikonduktor karena sifat fisik-kimianya yang digunakan dalam berbagai aplikasi salah satunya sebagai katalis. Material oksida sebagai aktivitas fotokatalitik sebagai metode untuk pengolahan limbah memang penting dilakukan menggunakan metode yang mudah dan biaya yang murah. Penelitian sebelumnya telah dilakukan mengenai material oksida TiO2 untuk mengolah limbah dan menguraikan senyawa organik seperti fenol. Hasil uji katalis TiO2 Degusa (P25) dan CdS-TiO2 mampu untuk menurunkan konsentrasi limbah logam beras Cr(VI) dan fenol dengan bertambahnya waktu reaksi. Menurut Janurzi (2001), radiasi UV dengan energi cahaya lebih rendah dari bada band gap katalis TiO2 akan menghasilkan gaya redoks yang mampu mempromosikan berbagai reaksi kimia untuk mendegradasi zat organik. Namun, penggunaan semikonduktor TiO2 dalam proses ini memiliki biaya yang tidak murah. Oleh karena itu dalam penelitian menggunakan ZnO-H2O2 sebagai nanokatalis. Selain itu ZnO dipercaya lebih efektif dibandingkan TiO2, terutama dalam produksi radikal bebas yang dapat mentransformasikan senyawa polutan. ZnO merupakan nanomaterial semikonduktor yang memiliki celah pita lebar (3,37 eV), energi ikat eksiton besar (60 meV), tipe-n konduktivitas, melimpah di alam (Geethan, et al, 2016). Bahkan ZnO lebih ramah lingkungan dibandingkan TiO2 sehingga ZnO dapat digunakan sebagai katalis sumber H2O2 dalam fotokatalitik senyawa polutan. Sintesis nanomaterial ZnO dilakukan menggunakan metode kopresipitasi. Dibandingkan dengan metode lain, metode kopresipitasi merupakan proses sederhana yang dapat menghasilkan partikel berukuran sangat kecil (Pintor, 2014). Selain itu dengan metode tersebut nanopartikel yang dihasilkan bersifat polidispersif dengan morfologi berbentuk bulat (Permana, 2017). Proses karakterisasi nanomaterial ZnO dengan menggunakan XRD yang selanjutnya dilakukan pengujian nanokatalis ZnO-H2O2 dengan mendegradasi methyl orange untuk mengetahui penurunan konsentrasi fenol yang terkandung dalam limbah. Oleh karena itu, dilakukan penelitian ini untuk mengetahui



pengaruh nanokatalis ZnO-H2O2 terhadap optimalisasi degradasi methyl orange pada proses fotokatalitik limbah organik (fenol). 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah dalam penelitian ini secara garis besar terbagi menjadi 2 bagian yaitu : 1. Bagaimana pengaruh variasi konsentrasi larutan prekusor, temperature, dan pH dalam mensintesis nanomaterial ZnO ? 2. Bagaimana efektivitas nanokatalis ZnO-H2O2 30% untuk optimalisasi proses degradasi methyl orange terhadap limbah organic (fenol) industri kertas? 1.3 Tujuan Berdasarkan rumusan masalah tersebut, maka penelitian ini bertujuan untuk : 1. Mempelajari dan memahami proses sintesis nanomaterial ZnO melalui proses kopresipitasi dengan variasi konsentrasi larutan prekusor, temperature, dan pH dalam mensintesis serbuk nanomaterial ZnO. 2. Mengetauhi dan memahami efektivitas nanokatalis ZnO dengan menambahkan H2O2 30% untuk optimalisasi proses degradasi methyl orange limbah organik pada industri melalui proses katalitik terhadap penurunan konsentrasi fenol industri kertas. 1.4 Manfaat Adapun manfaat dari penelitian ini adalah : 1. Untuk menambah wawasan pengetahuan tentang pentingnya pengolahan limbah bagi peneliti dan pembaca pada umumnya. 2. Memberikan masukan kepada pengusaha industry kertas maupun industry penghasil limbah organik dalam menangani dan melakukan pengolahan limbah sebelum dibuang ke tempat pembuangan limbah. 3. Bagi tenaga pengajar dapat menjadikan penelitian ini sebagai materi pembelajaran pencemaran lingkungan.



BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Alat dan Bahan 3.1.1 Alat Dalam penelitian ini, alat yang digunakan unruk proses sintesis nanopartikel ZnO yaitu neraca digital, gelas beker, spatula, krusibel, magnetic stirrer, kertas pH universal, kertas saring whattman 42, aluminium foil, furnace tipe RHF 1400. Sedangkan alat untuk karakterisasi adalah X-Ray Diffractometer (XRD) serta pengujian kinerja katalis nanopartikel ZnO menggunakan UV-Vis. 3.1.2 Bahan Dalam penelitian ini, alat yang diperlukan yaitu Bahan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain serbuk Zinc Acetat Dehydrat [Zn(CH3COO)2.2H2O], larutan HCl, larutan NH4OH dan H2O2 30%. 3.2 Variabel Penelitian Pada penelitian ini, terdapat dua variabel yaitu variabel bebas dan terikat. Dimana variable bebas merupakan variable yang mempunyai pengaruh besar terhadap variable terikat. Sedangkan variable terikat merupakan variable yang dipengaruhi oleh variable bebas. Variabel yang digunakan dalam penelitian ini yaitu : a. Variabel terikat atau kontrol dalam penelitian ini adalah degradasi methylene orange terhadap limbah organik fenol oleh nanomaterial ZnO. b. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah konsentrasi larutan prekusor, temperature, pH dalam sintesis nanomaterial ZnO dan campuran komposisi H2O2 terhadap nanokatalis ZnO. 3.3 Prosedur Penelitian Secara umum, penelitian ini akan dilakukan 3 tahap yaitu sintesis nanopartikel ZnO, karakterisasi nanopartikel ZnO, dan uji efektivitas katalis ZnO terhadap proses fotokatalitik. 3.3.1 Sintesis nanopartikel ZnO Dalam sintesis nanopartikel ZnO menggunakan metode kopresipitasi. Dimana metode kopresipitasi merupakan salah satu metode sintesis yang mudah dan sederhana dalam skala laboratorium. Proses metode kopresipitasi menggunakan suhu rendah dan mudah untuk mengontrol ukuran partikel sehingga waktu yang dibutuhkan relatif lebih



singkat. Zat pengendap dalam kopresipitasi yang sering digunakan adalah hidroksida, karbonat, sulfat dan oksalat. (Abdullah, 2008). Tahap pertama yaitu tahap pelarutan, dimana pelarutan serbuk Zinc Acetat Dehydrat [Zn(CH3COO)2.2H2O] dilakukan dengan menambahkan larutan HCl 37% yang sebelumnya telah diencerkan menjadi larutan HCl 0,5 M. setelah pelarutan, dilakukan pengadukan dengan menggunakan magnetic stirrer dan ditambahkan larutan NH4OH 0.5 M sedikit demi sedikit sehingga larutan bercampur. Setelah itu larutan precursor diuji Phnya dengan menggunakan indicator universal. setelah itu dilakukan titrasi dengan larutan NH4OH pekat sampai tercapai pH larutan precursor yang diinginkan. Pada penelitian ini, variasi pH precursor yang digunakan yaitu 8,9, dan 10. Setelah larutan precursor berada pada Ph 8, 9, dan 10 maka dilakukan pengadukan menggunakan hot plate dengan variasi temperature yang digunakan yaitu 70, 80, 90 dan 95°C. kemudian setelah homogen dilakukan pengadukan kembali dengan menggunakan magnetic bar dengan variasi waktu 6 jam, 9 jam, 12 dan 15 jam. Tahap selanjutnya yaitu dilakukan penyaringan endapan yang terbentuk untuk selanjutnya dicuci menggunakan aquadest. Tahap terakhir dalam sintesis nanomaterial ZnO yaitu tahap pengeringan. Tahap pengeringan dilakukan didalam oven dengan suhu 100°C selama 1 jam. 3.3.2 Karakterisasi nanomaterial ZnO Karakterisasi adalah suatu pemeriksaan untuk mengetahui tingkat kristalinitas dan serapan sinar ultraviolet oleh suatu material padatan yang telah disintesis. Dalam penelitian ini, karakterisasi nanomaterial ZnO menggunakan metode X-Ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscopy (SEM). X-Ray Diffraction (XRD) adalah salah satu metode karakterisasi



material



paling



sering



digunakan.



Teknik



ini



digunakan



untuk



mengidentifikasi fasa kristal dalam material dengan menentukan parameter struktur kisi dan ukuran partikel dari nanocrystals. XRD berguna untuk mempelajari struktur kristal, komposisi kimia dan sifat fisik bahan nano (Sharma Et al., 2012). Informasi morfologi dan bentuk kristal dapat diperoleh dengan hasil karakterisasi XRD. Karakterisasi menunjukkan pola difragtogram yang dapat digunakan untuk menentukan ukuran kristal menggunakan rumus (crystallite size). Persamaan Schiller: D=



(Hari, dkk, 2017)



dimana D merupakan ukuran Kristal, K merupakan nilai konstanta bentuk partikel (0,9), λ merupakan panjang gelombang radiasi sinar-x, intensitas setengah maksimum, dan



adalah lebar penuh garis difraksi saat



adalah sudut Bragg.



3.3.3 Uji kinerja nanomaterial ZnO Pengujian kinerja nanopartikel ZnO sebagai katalis bertujuan untuk mengetahui aktivitas fotokatalitik dengan cara menguji kinerja katalis pada penyisihan zat warna methyl orange. Methyl orange dipilih dalam penelitian ini karena merupakan zat warna azo yang umumnya digunakan dalam banyak industry kertas maupun tekstil. 1. Pembuatan larutan methyl orange a) Membuat larutan induk methyl orange 1000 ppm sebanyak 250 ml -



Menimbang 1 gram methyl orange dan dimasukkan ke dalam labu ukur 250 ml



-



Methyl orange dilarutkan dengan aquadest 250 ml



-



Larutan methyl orange 1000 ppm siap digunakan



b) Membuat larutan standar methyl orange 100 ppm sebanyak 250 ml M1 x V 1



= M2 x V2



V1



=



V1



=



V1



= 25 ml



-



Mengambil 25 larutan methyl orange dari larutan induk methyl orange



-



Methyl orange dilarutkan dengan aquadest sampai 250 ml



-



Methyl orange 100 ppm siap digunakan



c) Membuat larutan standar methyl orange 5 ppm sebanyak 250 ml M1 x V1 = M2 x V2 V1



=



V1



=



V1



= 12,5 ml



-



Mengambil 12,5 larutan methyl orange dari larutan induk methyl orange



-



Methyl orange dilarutkan dengan aquadest sampai 250 ml



-



Methyl orange 5 ppm siap digunakan



3.3.4 Proses degradasi zat warna methyl orange Larutan methyl orange 5 ppm ditambahkan serbuk 0,2 gram katalis ZnO



Proses katalitik atau penyisihan zat warna methyl orange



Analisis produk degradasi methyl orange dengan UV-Vis



Sampel methyl orange diambil sebanyak 10 ml tanpa penambahan 3 ml H2O2 30% setiap variasi waktu yang ditentukan yaitu (15, 30, 45 menit.



Sampel methyl orange diambil sebanyak 10 ml dengan penambahan 3 ml H2O2 30% setiap variasi waktu yang ditentukan yaitu (15, 30, 45 menit.



3.3.5 Analisis sample dengan UV-Vis Dalam analisis sampel dengan UV-Vis, yang pertama dilakukan yaitu dilakukan kalibrasi spektofotometer panjang gelombang serapan atom methyl orange. Dimana panjang gelombang yang digunakan yaitu berkisar 400-700 nm. Dalam proses kalibrasi, konsentrasi methyl orange yang digunakan yaitu 1; 2; 3; 4; 5; 6; 11; 12; 13; 14; 15 ppm yang dibuat dari pengenceran larutan standar methyl orange 200 ppm. larutan tersebut kemudian dimasukkan kedalam spektrofotometer untuk mengetahui panjang gelombangnya. Sampel methylene orange sebelum maupun sesudah melalui proses fotokatalitik dianalisis menggunakan UV-Vis kemudian dapat diambil data absorbansi sampel untuk kemudian dikonversi menjadi data konsentrasi methyl orange yang sebelumnya telah dibuat kurva kalibrasi. Kemudian data-data yang



diperoleh dimasukkan ke dalam kurva kalibrasi tersebut sehingga didapatkan konsentrasi masing masing sampel.



Daftar Pustaka Abdullah, M., Virgus, Y., Nirmin, Khairur Rijal, 2008. ‘Review Sintesis Nanomaterial’. J Nanosains dan Nanoteknologi, Vol. 1 No. 2 Hal : 1–25. Arief M., 2011, ‘Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel Seng Oksida (ZnO) dengan Metode Proses Pengendapan Kimia Basah dan Hidrotermal untuk Aplikasi Fotokatalitik’, Skripsi, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok. M. Bideau, B. Claudel, C. Dubien, et al, 1995, ‘ On the Immobilization of Titanium Dioxide in Photocatalytic Oxidation Spent Water’, J. Photochem, Photobiol A Chemistry, 91:137144. Geethan, Devi, and Sakthi Velu, A., ‘Synthesis, Structural and Optical Properties of Pure ZnO and Co Doped ZnO Nanoparticles Prepared by the co-precipitation Method’, Journal Theory Application Physics 10:233-240. Gunlazuardi, Jarnuzi, 2001, ‘Preparasi Lapisan Tipis TiO2 sebagai Fotokatalis : Keterkaitan antara Ketebalan dan Aktivitas Fotokatalis’, Jurnal Penelitian Universitas Indonesia, Vol. 5 No. 2 Hal : 81-91. Hua, Liu Jian, Yang Ring and Li songmei, 2006,’ Preparation and Application of Efficient TiO2 / ACFs Photocatalyst’, Journal of Environmental Sciences, Vol. 18 No. 5 page 979-982. Kachina, Anna, 2008, ‘Gas-Phase Photocatalytic Oxidation Of Volatile Organic Compounds’, Thesis, Lappeenranta University of Technology, Findland. Kolekar, T.V., H.M. Yadaw, S.S. Bandgar, and P.Y. Deshmukh, 2011, ‘Synthesis By Sol-Gel Method And Characterization Of Zno Nanoparticles’, Indian Streams Research Journal, Vol. 1, Issue. 1. Loekitowati Harini, Poedji, et al, 2015, ‘Adsorption Of Phenol Pollutants From Aqueous Solution Using Ca-Bentonite/Chitosan Composite’, Journal Human Environment, Vol. 22 No. 2 page : 233-239. Nursaadah, Santosa D. A, Suhartono T. M, 2000, ‘Karakterisasi Bakteri Pendegradasi Fenol Asal Danau Buntal Kalimantan Tengah’ Jurnal ilmutanah dan lingkungan, Vol. 3 No. 2 Hal : 24-31.



Permana, B., Saragif, T., Safriadi dan Rahayu, 2017, ‘Sintesis Nanopartikel Magnetik Dengan Metode Kopresipitasi’, Jurnal Material dan Energi Indonesia, Vol. 07 No. 02 Hal : 1720. Pokhrel, D & Viraraghavan, T, 2004, ‘Treatment of pulp and paper mill wastewater – a review’. Sci. Tot. Env., Vol. 333 page : 37-58. Rocha, L.L., De Aguiar, et al, 2007, ‘Isolation and Characterization of Phenol Degrading Yeasts from An Oil Refinery Wastewater in Brazil’, Journal Mycopathologia, Vol. 4 No. 164, page : 183-188. Safni, H. Nismar, H. Suyani, 2008, ‘Degradasi Senyawa Triadimefon Dalam Pestisida Bayleton 250 EC Secara Fotolisis dengan Penambahan TiO2-anatase’, J. Dampak, Vol. 5 No. 2 Hal : 6-10. Sanjaya, Hari, Pinta R., Sherly Kusuma W. N., 2017, ‘Degradasi Methylene Blue Menggunakan Katalis Zno-Peg Dengan Metode Fotosonolisis’, Jurnal Eksakta, Vol. 18 No. 2, Oktober 2017. Selamet dan M. Ibadurrohman, 2009, ‘Purifikasi Udara dari Polutan Asap Rokok Menggunakan Kombinasi Proses Adsorbsi Fotokatalis dengan Nano Komposit TiO2 Karbon Aktif’, Jurnal Riset Industri, Volume. 3 No. 1, April 2009. Sharma, D.P. Bisen, Shukia and B.G. Sharma, 2012, ‘X-Ray Diffraction : A Powerful Method of Characterizing Nanomaterials’, Recent Research in Science and Technology, Vol. 4 No.8 page : 77-79. Simamora, Pintor dan Sinta M. S., 2004, ‘Preparasi Dan Karakterisasi Sifat Optik Nanopartikel Cu2o Dengan Metode Kopresipitasi’, Jurnal Einstein, Vol. 2, No. 1. Vijai Anand, K., Aravind Kumar, J., Keerthana, et,al., 2019, ‘Photocatalytic Degradation of Rhodamine B Dye Using Biogenic Hybrid ZnO‐MgO Nanocomposites under Visible Light’, ChemistrySelect Europe Journal, Vol. 4 No. 17, pp 5178–5184.