Sabtu, 21 November 2015
Bale Sawala Kampus Universitas Padjadjaran, Jatinangor
FL-1
DETEKSI TINGKAT KONSENTRASI GAS ETILEN PADA
GAS HEMBUS PEMULUNG MENGGUNAKAN
SPEKTROMETER FOTOAKUSTIK LASER CO
2RIZKY STIYABUDI*, FITRI OKTAFIANI, MOCHAMAD NURUL AMIN, MITRAYANA
Prodi Fisika,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada Jl. Sekip Utara, Yogyakarta 55281
Abstrak. Karakteristik Spektrometer Fotoakustik (SFA) laser CO2 konfigurasi intrakavitas menghasilkan frekuensi resonasi 1650±5 Hz dengan garis serapan etilen pada garis 10P14, didapatkan daya stabil sebesar (20±1) W dan faktor kualitas 14.5±0,6. Batas deteksi minimum sistem didapatkan (18.5±0,3)x10-3 ppmV. SFA laser CO2 digunakan untuk mendeteksi gas hembus relawan pemulung yang berada di lingkungan Tempat Pembuangan Akhir (TPA) Piyungan dan gas hembus relawan kontrol dari masyarakat Pogung Lor di kota Yogyakarta dengan variasi waktu pengambilan yaitu pagi, siang dan sore. Hasil pengukuran tingkat konsentrasi rata-rata gas etilen pada gas hembus relawan pemulung, secara berurutan pagi, siang sore, yaitu sebesar (1,261±0,002) ppmV, (1,122±0,002) ppmV, dan (1,096±0,002) ppmV sedangkan pada relawan kontrol yaitu sebesar (0,606±0,002) ppmV, (0,572±0,002) ppmV, dan (0,569±0,002) ppmV. Jadi,hasil eksperimen menunjukkan bahwa konsentrasi gas etilen pemulung lebih tinggi dibandingkan dengan kontrol sehat baik diwaktu pagi, siang maupun sore.
Kata kunci : Spektrometer fotoakustik laser CO2, etilen, gas hembus, Tempat Pembuangan Akhir (TPA)
Abstract. CO2 laser photoacoustic spectrometer intracavity configuration performance had been determined and resonance frequency result was (1650±5) Hz for ethylene gas in 10P14 CO2 laser line with stability power was (20±1) W and quality factor was 14.5±0,6. The lowest detection limit for this setup was (18.5±0,3)x10-3 ppmV. Photoacoustic spectrometer was used to measure gas concentration of ethylene in breath sample of scavengers living in Piyungan landfill and healthy volunteers living in Pogung Lor Yogyakarta city with time variation in early morning, mid day and post day. The ethylene concentration result in early morning, mid day and post day, respectively, were 1,261±0,002) ppmV, (1,122±0,002) ppmV, and (1,096±0,002) ppmV while the healthy volunteers ethlyene concentration from early morning until post day were (0,606±0,002) ppmV, (0,572±0,002) ppmV, and (0,569±0,002) ppmV. The reseach was shown that ethylene scavengers concentration is higher than the healthy volunteers not just in early morning but also in mid-day and post-day.
Keywords :CO2 laser photoacoustic spectrometer, ethylene, exhaled breath, landfill
*
1. Pendahuluan
Sampah menjadi masalah penting untuk setiap negara. Di Indonesia sampah dikumpulkan menjadi satu tempat yang dinamakan tempat pembuangan akhir (TPA). Metode penimbunan yang digunakan di Indonesia termasuk masih konvensional, dengan sistem open dumping (penimbunan terbuka), sehingga berdampak negatif terhadap lingkungan, salah satunya adalah pencemaran udara. Salah satu gas biomarker pencemaran udara adalah kandungan etilen. Etilen merupakan senyawa alami pada udara ambient, namun menurut Peraturan Menteri Tenaga Kerja Dan Transmigrasi Nomor Per.13/Men/X/2011 Tahun 2011 mengenai keselamatan kerja, batas ambang etilen pada tempat kerja yaitu 200 BDS (Bagian uap atau gas per juta volume dari udara terkontaminasi) [1]. Hal tersebut dikarenakan etilen merupakan zat radikal bebas dan mengakibatkan gangguan dalam tubuh manusia [2].
Penelitian mengenai kenaikan etilen pada Tempat Pembuangan Akhir sudah pernah dilakukan oleh Wong dan Yu pada tahun 1989 di Gin Drinkers Bay, Hongkong dan Bausher pada tahun 1991 di Florida [3]. Kadar etilen yang ditemukan cukup tinggi namun tidak dikaji lebih lanjut untuk efek dan hubungannya dengan kenaikan etilen pada gas hembus pekerja dan masyarakat disekitar TPA. Maka dari itu, penelitian ini dilakukan guna untuk mengetahui kadar etilen pada udara ambien. Selain itu, pada penelitian ini juga akan mengkorelasikan antara kadar etilen yang ada pada tubuh manusia yang setiap harinya bekerja di TPA.
Gas etilen pada gas hembus manusia sendiri merupakan senyawa berbahaya apabila melewati ambang batas normal. Pengukuran etilen pada tempat pembuangan akhir yang telah di sebutkan diatas juga masih menggunakan metode kromatografi, sedangkan penulis menggunakan metode Spektroskopi Akustik (SFA) dengan sumber laser CO2 dimana metode ini dapat mengukur gas cuplikan hingga orde ppb (part per billion) sehingga diharapkan data yang diperoleh memiliki keakuratan yang cukup tinggi [4]. Oleh karena itu penulis ingin mengkaji lebih lanjut hubungan antara kualitas udara pada TPA dengan gas hembus pada pekerja dan masyarakat yang hidup disekitarnya dengan menggunakan etilen sebagai biomarker dan penerapannya sebagai tambahan literatur pada bidang spektroskopi akustik sebagai teknik deteksi dengan sensitifitas yang tinggi.
2. Metode Penelitian
Pada penelitian ini menggunakan alat spektrometer fotoakustik dengan konfigurasi intrakavitas, seperti Gambar 1. guna mendapatkan data mengenai karakteristik alat spektrometer yang optimum, dilakukan aligment atau pelurusan dengan bantuan laser dioda. Laser CO2 beroperasi pada catu daya 8.40 - 9.10 kV dan 12.29-12.72 mA. Daya di optimumkan dengan menggunakan pemutar kasar pada grating. Kemudian dilakukan scan pemayaran untuk mengetahui garis-garis yang muncul pada laser CO2 dan garis serapan terhadap biomarker gas etilen. Garis serapan etilen yang didapatkan akan menjadi acuan untuk mencari karakteristik yang lain, seperti sinyal latar, sinyal derau, penentuan batas deteksi
minimum yang dapat dideteksi alat. Kurva linearitas dibuat dengan memvariasi nilai konsentrasi sampel gas biomarker standar, kemudian dicatat sinyal ternormalisasinya (sinyal/daya). Pembuatan kurva linearitas untuk mendapatkan faktor kalibrasi yang diperoleh dari nilai gradien m kurva.
Spektrometer fotoakustik yang telah dikarakterisasi diaplikasikan untuk pengukuran tingkat ceramaran etilen dan gas hembus pemulung yang bekerja di TPA piyungan. Pengukuran dilakukan secara off-line, sampel udara yang diambil dimasukkan ke dalam sampel bag dengan tipe flexfoil bags, kemudian dibawa ke laboratorium untuk dianalisis. Udara lingkungan diambil dengan menggunakan pompo hisap portable dengan aliran kecil. Menghisap udara lingkungan yang berada di tengah lokasi tumpukan sampah. Pengambilan dilakukan selama 3 hari dari jam 08:00 sampai dengan 16:00, dengan selisih waktu pengambilan satu dengan yang lainnya adalah 2 jam.
Tingkat konsentrasi gas cuplikan pada gas hembus pemulung (22 sampel) berlokasi di TPA Piyungan dan relawan sebagai kontrol (22 sampel) yang berlokasi di daerah pogung lor, (45±0,5) km. Pengukuran dilakukan secara off-line
dengan umur relawan antara 20-40 tahun. Pengambilan sampel dilakukan pada tiga waktu, yaitu pagi, siang dan sore. Nafas dari relawan dihembuskan ke dalam sampel bag melalui scrubber KOH dan CaCl2 dengan sekali tiupan nafas panjang.
Scrubber berfungsi sebagai filter untuk H2O dan CO2 [5]. Selanjutnya sampel bag
dibawa ke laboratorium Fisika Atom Inti UGM untuk dilakukan analisis. Analisis dengan spektrometer fotoakustik, sampel bag dihubungkan dengan motor hisap untuk mengalirkan ke dalam sel FA. Supaya alirannya konstan dan terukur, ditambahkan flowmeter dan control aliran. Gas hembus manusia dialirkan dengan kecepatan berkisar antara (4,017±0,0005) L/jam sampai dengan (3,994±0,0005) L/jam. Kemudian dilakukan scan pemayaran berdasarkan garis serapan gas biomarker. Sinyal akustik dari gas biomarker yang terserap akan terlihat pada
Software LabVIEW bersama dengan daya radiasi laser.
3. Hasil dan Pembahasan
Karakteristik fotoakustik dilakukan untuk mengetahui kinerja dari SFA laser CO2 dengan konfigurasi Intrakavitas. Setelah di dapatkan daya optimum melalui
aligment, scan garis-garis laser CO2 dan scan garis terhadap serapan etilen
dilakukan untuk mengetahui garis serapan etilen. Garis-garis laser CO2 terbentuk 4 grup secara berurutan dari kiri ke kanan 9R, 9P, 10R dan 10P. terlihat hubungan antara posisi grating dengan daya, seperti pada Gambar 2. Pada 9R garis-garis laser tidak begitu terlihat, dikarenakan daya yang dihasilkan kurang besar. Dapat di tingkatkan dengan melakukan aligment ulang. Posisi garis serapan etilen di lihat dari serapan etilen terkuat, di garis 10P14.
Gambar 2. Garis-garis daya laser CO2 dan serapannya terhadap gas etilen
Daya tertinggi terdapat pada garis 10P20 sebesar 36 Watt, sedangkan pada garis etilen terdeteksi sebesar 18 Watt dengan besar sinyal 2,09 mV. Garis serapan digunakan sebagai acuan untuk mengetahui karakteristik yang lain, seperti pada Tabel 1.
Tabel 1.Nilai karakteristik SFA laser CO2 dengan konfigurasi
Intrakavitas menggunakan sampel gas etilen sebanyak 8 ppm
Karakteristik SFA Nilai (satuan)
Sinyal latar ternormalisasi (1.3±0,2)x10-3 (mV/W) Sinyal Derau (0.56±0,1) x10-3 (mV/ Hz ) Batas Deteksi Minimum (BDT) SFA (18.5±0,3) ppbV
Kesetabilan daya 20±1 (W)
Frekuensi resonansi 1650±5 Hz
Gambar 3. merupakan hubungan antara sinyal fotoakustik ternormalisasi dengan konsentrasi sampel gas etilen. Tingkat kelinieran sebesar , dengan variasi konsentrasi gas etilen 2-11 ppm. Hasil ini menunjukkan sampai daya laser intrakavitas 32 Watt belum terjadi saturation (kejenuhan). Kejenuhan terjadi ketika daya laser cukup besar mendekati 100 watt atau lebih dan koefisien serapan sampel tinggi. Pada saat itu koefisien serapan konfigurasi intrakavitas harus dikoreksi terhadap konfigurasi ekstrakavitasnya [6,7]. Persamaan garis linier yang didapatkan y = 0,0295x - 0,0065 yang berfungsi sebagai untuk pendekatan dalam mencari konsentrasi gas sampel dari lingkungan maupun gas hembus manusia.
Gambar 3. Grafik linieritas hubungan antara sinyal ternormalisasi dengan konsentrasi gas etilen Gambar 4 menunjukkan hubungan antara tingkat konsentasi gas etilen yang ada pada lingkungan tengah TPA dan di lingkungan kontrol (lingkungan Pogung Lor) dengan variasi waktu pengambilan. Tingkat gas etilen di lingkungan TPA lebih tinggi daripada di lingkungan kontrol. Etilen diproduksi dari degradasi mikroba (bakteri dan jamur) dari bahan organik dan sintesis mikroba sebagai akibat dari aktivitas metabolik normal [8]. Etilen hasil degradasi mikroba dalam bahan-bahan organik sampah dilepaskan ke udara lingkungan.
Gambar 4. Grafik hubungan antara tingkat konsentrasi gas etilen yang ada di lingkungan TPA dan di daerah kontrol
Pola grafik yang dihasilkan kedua tempat pengambilan sampel terlihat mendekati sama. Pada pukul 08:00 sampai dengan 12:00 kondisinya semakin naik. Tingkat konsentrasi gas etilen pada lingkungan TPA yaitu (0,347±0,002) ppm, (0,375±0,002) ppm dan (0,411±0,002) ppm, begitu juga dengan kondisi di lingkungan kontrol, yaitu (0,299±0,002) ppm, (0,323±0,002) ppm dan (0,368±0,002) ppm. Pada jam 12:00 merupakan puncak kenaikan tertinggi, kemudian tingkat konsentrasi gas etilen di lingkungan mengalami penurunan hingga pukul 16:00. Tingkat konsentrasi gas etilen pada lingkungan TPA yaitu (0,364±0,002) ppm dan (0,352±0,002) ppm, sedangkan dengan kondisi di lingkungan kontrol, yaitu (0,315±0,002) ppm dan (0,306±0,002) ppm. Dimungkinkan penurunan tersebut diakibatkan pengaruh suhu udara sekitar. Pada pagi hari, jam 08:00 suhu udara lingkungan mulai memanas hingga pada titik tertinggi pada pukul 12:00 sebagai titik tertinggi, dan selanjutnya suhunya akan mengalami penurunan hingga sore hari, jam 16:00. Dalam Alberta Environment, produksi etilen dapat dipengaruhi sejumlah variabel lingkungan, termasuk suhu, kadar air tanah, kandungan bahan organik, amandemen tanah (contohnya pupuk kandang, pemadatan dan kandungan oksigen [8].
Gambar 5. Nilai rata-rata konsentrasi gas etilen pada gas hembus manusia berdasarkan variasi waktu pengambilan
Gambar 5 menunjukkan hubungan antara konsentrasi gas etilen pada relawan pemulung maupun relawan kontrol dengan waktu pengambilan pagi, siang dan sore. Gas hembus pada relawan yang berprofesi sebagai pemulung di TPA lebih tinggi dari pada gas hembus pada relawan kontrol. Dimungkinkan udara lingkungan terakumulasi dalam tubuh pemulung yang bekerja di TPA sehingga meningkatkan kandungan gas etilen dalam metabolismenya. Nilai maksimal gas etilen pada gas hembus para pemulung berdasarkan waktu pengambilan, secara berurutan dari pagi ke sore yaitu sebesar (2,561±0,002) ppmV, (2,181±0,002)
ppmV, dan (1,096±0,002) ppmV sedangkan pada relawan kontrol yaitu sebesar (1,656±0,002) ppmV, (1,542±0,002) ppmV, dan (1,249±0,002) ppmV. Nilai minimum gas etilen yang didapatkan dalam penelitian gas hembus relawan pemulung, secara berurutan pagi, siang sore, yaitu sebesar (1,261±0,002) ppmV, (1,122±0,002) ppmV, dan (1,096±0,002) ppmV sedangkan pada relawan kontrol yaitu sebesar (0,606±0,002) ppmV, (0,572±0,002) ppmV, dan (0,569±0,002) ppmV.
Berdasarkan Gambar 5, dapat diketahui bahwa nilai rata-rata tingkat konsentrasi gas etilen yang dihasilkan gas hembus relawan pemulung dan relawan kontrol berdasarkan waktu pengambilan, dari pagi ke sore mengalami penurunan. Besarnya tingkat konsentrasi rata-rata gas etilen pada relawan pemulung yaitu sebesar (1,938±0,002) ppmV pada pagi hari, (1,654±0,002) ppmV pada siang hari, dan (1,486±0,002) ppmV pada sore hari sedangkan pada relawan kontrol yaitu sebesar (1,100±0,002) ppmV pada pagi hari, (0,919±0,002) ppmV pada siang hari, dan (0,832±0,002) ppmV pada sore hari. Penurunan ini dapat disebabkan adanya peningkatan aktifitas dari pagi hingga sore hari. Pada tubuh manusia, aktifitas dapat mempengaruhi efek antioksidan. Aktifitas yang dilakukan dapat meningkatkan enzim antioksidan [9]. Etilen merupakan biomarker dari
peroksidasi lipid (PL). Saat beraktivitas antioksidan bekerja dan mempengaruhi
stres oksidatif terkait dengan jumlah PL sehingga terdapat penurunan jumlah etilen didalam tubuh [10].
4. Kesimpulan
Tingkat konsentrasi gas etilen di lingkungan TPA lebih tinggi daripada di linkungan kontrol. Tingkat konsentrasi gas etilen di lingkungan TPA dan di lingkungan kontrol menunjukkan pola yang sama. Meningkat dari awal sampai di titik tertinggi jam 12:00 dan mengalami penurunan secara berangsur-angsur hingga jam 16:00. Tingkat konsentrasi gas etilen dari gas hembus relawan pemulung lebih tinggi daripada tingkat konsentrasi gas hembus pada relawan kontrol. Tingkat konsentrasi gas hembus relawan pemulung dan kontrol menunjukkan pola sama, mengalami penurunan dari pagi ke siang dan ke sore. Tidak ada hubungan antara tingkat konsentrasi gas etilen dari lingkungan dan gas hembus para relawan berdasarkan waktu pengambilan sampel. Hal tersebut ditunjukkan karena pola grafik yang dihasilkan berbeda.
Daftar Pustaka
1. Permen Kemenkertrans No. 13/MEN/X/2011, Nilai Ambang Batas Faktor
Fisika dan Faktor kimia di Tempat Kerja, tahun 2011.
2. Mitrayana, M.A.J Wasono, W. Rochmah, Deteksi Gas C2H4 Pernafasan
sebagai Bio-Marker Proses Lipid Peroksida dengan Metode Spektroskopi
Fotoakustik Laser, Prosiding Seminar Nasional UNY 2009, Yogyakarta.
3. M.H. Wong dan C.T. Yu, Journal Environmental Management Vol 13 (1989) pp 743-752
4. D.C. Dumitras, Intech (2012) 4
5. Mitrayana, M.A.J. Wasono, dan R. Ikhsan. Spektroskopi Fotoakustik Laser dan
Aplikasinya. Laporan penelitian , 2014, Jurusan Ilmu Fisika FMIPA UGM,
6. F.J.M. Harren, Photoacoustic Effect, Refined and Applied to Biological
Problems, Ph.D. thesis, University of Catholic Nijmegen, The Netherlands,
1988
7. M.A.J. Wasono, Konstruksi dan kinerja spektrometer fotoakustik laser CO2
untuk memonitor emisi etilen dalam metabolisme buah tropis pasca panen,
Disertasi S3, Pascasarjana UGM, Yogyakarta, 1998.
8. Alberta Environment, Assessment Report On Ethylene For Developing
Ambient Air Quality Objectives, Alberta Environment, February 2003.
9. R.N Seonae Yeo dan D.T Sandra. Journal Of Women’s Health & Gender-Ased Medicine Vol 10 Number 10 (2001) pp 983-989
10. G. Giublieo, D.C.Dumitras, A.puiub. Detection of ethylene in smokers
breath by Laser photoacoustic spectroscopy. ENEA Via B. Fermi 45, 00044
