DEGRADASI ZAT WARNA DIRECT RED-23 DAN DIRECT VIOLET DENGAN METODE OZONOLISIS, FOTOLISIS DENGAN SINAR UV DAN CAHAYA MATAHARI MENGGUNAKAN KATALIS N-DOPED TiO2
Degradation of Direct Red-23 and Direct Violet Dyes by Ozonolysis and Photolysis Methods with UV Light and Solar Irradiation using N-Doped TiO Catalyst2
1* 1 2 1
Safni , Deby Anggraini , Diana Vanda Wellia , dan Khoiriah
1
Laboratorium Kimia Analisis Terapan, Jurusan Kimia FMIPA, Universitas Andalas
2
Laboratorium Kimia Material, Jurusan Kimia FMIPA, Universitas Andalas * e-mail: [email protected]
Diterima: 7 September 2015, revisi akhir: 7 Des. 2015 dan disetujui untuk diterbitkan: 9 Des. 2015
ABSTRAK
Zat warna Direct red-23 dan Direct violet merupakan senyawa non-biodegradable yang mengandung senyawa azo dan bersifat karsinogen. Direct red-23 dan Direct violet didegradasi menggunakan metode ozonolisis, fotolisis dengan sinar UV dan dengan penyinaran matahari, tanpa dan dengan katalis N-doped TiO . Hasil penelitian diukur dengan spektrofotometer UV-Vis 2 pada panjang gelombang 300-800 nm. Berat optimum katalis N-doped TiO didapatkan 20 mg. 2 Dari ketiga metode didapatkan bahwa proses degradasi pada metode ozonolisis paling cepat dibandingkan dengan fotolisis sinar UV dan cahaya matahari. Direct red-23 dan Direct violet dapat didegradasi sebanyak 55 dan 50% dalam waktu 20 menit.
Kata Kunci: Direct red-23, Direct violet, ozonolisis, fotolisis, N-Doped TiO2
ABSTRACT
Direct red-23 and Direct violet are non-biodegradable compounds containing azo component and carcinogenic. Direct red-23 and Direct violet had been degraded by ozonolysis, photolysis with UV lamp and solar irradiation methods using N-doped TiO catalyst. UV/Vis 2 Spectrophotometer at wavelength 300-800 nm was used to measure the absorption of sample solution. The optimum weight of N-doped TiO catalyst was 20 mg. From the three methods 2 obtained that ozonolysis method was the faster degradation process than photolysis with UV and solar irradiation. Direct red-23 and Direct violet was degraded as much as 55 and 50% within 20 minutes by ozonolysis.
Keywords: Direct red-23, Direct violet, ozonolysis, photolysis, N-Doped TiO2
PENDAHULUAN
Limbah cair dari industri mengandung berbagai campuran organik, seperti celupan, surfaktan, excipient dan lain-lain. Celupan secara luas digunakan dalam berbagai cabang industri tekstil, kosmetik, produksi kertas, dan teknologi makanan, sehingga banyak menghasilkan limbah yang sangat berbahaya (Shahab et al, 2012).
Z a t w a r n a s i n t e t i s y a n g s e r i n g digunakan dalam industri tekstil berasal dari golongan senyawa azo yang bersifat
karsinogenik dan termasuk senyawa
non-biodegradable, diantaranya adalah Direct red-23 dan Direct violet (Andayani dan
Sumartono, 1999). Apabila limbah ini berkontak langsung dengan tubuh manusia, dapat beresiko kanker. Oleh sebab itu diperlukan pengolahan khusus pada limbah cair ini (Wardhana, 2004).
Beberapa cara pengolahan limbah seperti adsorpsi, koagulasi, reverse
osmosis, dan lainnya kurang efektif untuk
menghilangkan limbah celupan (Mahmood and Ghavami, 2008). Metode tersebut
bersifat non-destructive, hanya dapat mengubah limbah ke dalam fasa yang lain sehingga tetap menghasilkan efek samping (Niyaz et al, 2006).
M e t o d e y a n g l e b i h e f i s i e n d a n menjanjikan dalam mengatasi berbagai limbah zat warna tekstil yaitu dengan metode ozonolisis, fotolisis dengan sinar UV dan dengan penyinaran matahari. Metode ini dapat mendegradasi atau memutus rantai ikatan senyawa zat warna menjadi senyawa sederhana. Ozonolisis merupakan suatu metode degradasi senyawa organik dengan menggunakan ozon (O ). Fotolisis dengan 3 sinar UV dan dengan penyinaran matahari merupakan suatu proses fotokimia (Safni dkk, 2008).
Dalam penelitian ini metode ozonolisis, fotolisis dengan sinar UV dan penyinaran matahari digunakan untuk degradasi Direct
red-23 dan Direct violet, dengan dan tanpa
p e n a m b a h a n k a t a l i s N - d o p e d Ti O , 2 sehingga dapat diketahui metode yang tercepat dalam proses degradasi.
METODOLOGI PENELITIAN
Spektrofotometer UV-Vis (S.1000 Secomam Sarcelles, Perancis) digunakan untuk mengukur serapan zat warna yang belum dan telah didegradasi. Proses degradasi menggunakan ozonikator dan lampu UV (Germicidal CE G 13 Base BFC11004, 10 Watt, λ=365 nm) serta cahaya matahari. Neraca analitis, mikrosentrifus, magnetik stirrer merupakan alat pendukung.
Bahan yang digunakan adalah bubuk
Direct red-23; C H N Na O S (Mr 813,72 35 25 7 2 10 2 g/mol), bubuk Direct violet C H N Na O S 32 27 5 2 8 2 (Mr 719,695 g/mol) produk Sigma-Aldrich, N-doped TiO hasil sintesis dan akuades.2
(a)
(b)
Gambar 1. Struktur Direct Red-23 (a) dan
Direct Violet (b).
Prosedur Penelitian
Pembuatan dan Pengukuran Spektum Serapan Zat Warna
Sebanyak 0,1g Direct red-23 dan Direct
violet dilarutkan dalam 100 ml akuades
untuk mendapatkan larutan induk 1000 mg/L. Larutan diencerkan menjadi 5 variasi konsentrasi. Untuk pengukuran panjang gelombang maksimum senyawa Direct
red-2 3 d a n D i r e c t v i o l e t d i g u n a k a n
spektrofotometer UV-Vis pada λ = 300-800 nm.
Penentuan Persentase Degradasi secara Fotolisis, Ozonolisis dan Penyinaran Matahari tanpa Katalis
Larutan Direct red-23 dan Direct violet d i l a k u k a n f o t o l i s i s , o z o n o l i s i s d a n penyinaran matahari secara terpisah pada beberapa variasi konsentrasi dan waktu perlakuan. Kemudian hasil fotolisis, ozonolisis maupun penyinaran matahari d i u k u r s e r a p a n n y a m e n g g u n a k a n spektrofotometer UV-Vis.
Penentuan Persentase Degradasi secara Fotolisis, Ozonolisis dan Penyinaran Matahari dengan Penambahan Katalis
Larutan Direct red-23 dan Direct violet d i l a k u k a n f o t o l i s i s , o z o n o l i s i s , d a n penyinaran matahari secara terpisah dengan penambahan 0,020 g N-doped TiO 2 pada beberapa variasi yaitu konsentrasi dan waktu perlakuan. Kemudian hasil fotolisis, ozonolisis maupun penyinaran matahari d i s e n t r i f u s s e l a m a 2 0 m e n i t u n t u k memisahkan N-doped TiO dari larutan. 2
Kemudian serapannya diukur menggunakan spektrofotometer UV-Vis.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengukuran panjang gelombang serapan maksimum senyawa Direct red-23
dan Direct violet dilakukan pada range panjang gelombang 300 - 800 nm. Spektrum serapan Direct red-23 dan Direct violet dilihat pada Gambar 1(a) dan (b) yang memperlihatkan puncak serapan maksimum pada panjang gelombang 501 nm dan 584 nm.
Gambar 2 (a) dan (b). Spektrum serapan Direct red-23 dan Direct violet pada variasi konsentrasi (a) 2 mg/L, (b) 4 mg/L, (c) 6 mg/L, (d) 8 mg/L, (e) 10 mg/L.
Penentuan Berat N-Doped TiO2
Optimum dalam Proses Degradasi
Berat katalis N-doped TiO optimum 2 dapat ditentukan dengan menvariasikan berat katalis N-doped TiO yaitu 10, 15, 20, 2 dan 25 mg. Proses degradasi dilakukan dengan metode ozonolisis selama 20 menit pada satu zat warna saja. Gambar 3 memperlihatkan bahwa persen degradasi larutan direct violet meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah N-doped TiO . 2 K a r e n a p e n i n g k a t a n j u m l a h k a t a l i s menyebabkan sisi aktif permukaan akan meningkat sehingga jumlah foton dan molekul zat warna yang diabsorpsi juga
semakin banyak (Kuo dan Ho, 2001). Pada kurva dapat dilihat berat katalis N-doped TiO optimum yaitu 20 mg dimana ia dapat2 mendegradasi sebesar 44,15%, namun pada penambahan berat katalis lebih dari 20 mg maka persen degradasi akan menurun. Hal ini disebabkan karena bertambahnya jumlah katalis maka turbiditas larutan meningkat sehingga mengurangi cahaya yang diteruskan untuk proses degradasi (Gunadi dan Natalia, 2008).
Gambar 3. Pengaruh penambahan katalis terhadap persen degradasi Pengaruh Waktu Pada Proses Fotolisis
Perbandingan persen degradasi Direct
red-23 dan Direct violet antara tanpa katalis
dan dengan penambahan katalis N-doped TiO secara fotolisis dapat dilihat pada 2 Gambar 4. Berdasarkan Gambar 4 terlihat bahwa semakin lama waktu penyinaran maka semakin banyak zat warna Direct red-23 dan Direct violet yang terdegradasi. Hal a b c d e a b c d e 312,80nm 0,235Abs 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 322,76nm 0,225Abs Masa katalis (mg) % Degradasi
ini disebabkan karena semakin lama waktu penyinaran maka semakin banyak sinar UV yang mengenai fotokatalis TiO -N, sehingga 2 semakin banyak OH yang dihasilkan. Hal ini sesuai dengan yang telah dilakukan oleh Safni dkk (2008). Proses fotokatalisis
dilakukan selama 120 menit dengan interval 30 menit, dimana dengan penambahan katalis kemampuan mendegradasi Direct
red dan Direct violet meningkat sebesar
39,378 % dan 25,893 %.
Dari data dapat disimpulkan bahwa persen degradasi Direct red-23 dan Direct
Violet dengan penambahan katalis lebih
bagus dibandingkan tanpa katalis. Karena katalis berfungsi untuk meningkatkan laju r e a k s i t a n p a i k u t b e r e a k s i . P r o s e s fotodegradasi diawali dengan terjadinya fotoeksitasi, dimana sinar UV mengenai TiO -N sehingga elekton pada TiO -N 2 2
tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi +
dan menghasilkan hole (h ) pada pita vb valensi yang kemudian bereaksi dengan
-H O di udara dan O-H membentuk radikal 2 hidroksida (OH·). Selanjutnya elektron pada
-pita konduksi (e ) bereaksi dengan oksigen cb -sehingga menghasilkan ion superoksida (O2 ), kemudian bereaksi dengan air membentuk OH· (Neppolian et al, 2003).
B e r d a s a r k a n G a m b a r 5 d a p a t disimpulkan bahwa dengan penambahan katalis maka kemampuan degradasi Direct
red-23 dan Direct violet meningkat sebesar
35% dan 3,571% yang dilakukan selama 20 menit dengan metode ozonolisis. Katalis dapat mempengaruh proses degradasi,
dimana dengan penambahan katalis dapat m e n y e b a b k a n l a j u r e a k s i s e m a k i n meningkat sehingga HO2· dan OH· yang dihasilkan dari penguraian ozon (O ) dan air 3 ikut meningkat. Mekanisme reaksi secara umum yaitu:
Gambar 4. Perbandingan persentase degradasi tanpa katalis dan penambahan katalis 0,020 g N-doped TiO dengan variasi waktu dengan metode fotolisis.2
Waktu (menit) Waktu (menit) % Degr adasi % Degr adasi tanpa katalis dengan katalis
Gambar 5. Perbandingan persentase degradasi tanpa katalis dan penambahan katalis 0,020 g N-doped TiO dengan variasi waktu dengan metode ozonolisis.2
% Degr adasi Waktu (menit) % Degr adasi Waktu (menit) tanpa katalis dengan katalis tanpa katalis dengan katalis Direct red-23 tanpa katalis dengan katalis Direct violet
+ -O +H -O 3 2 ¾¾® H O + OH3 + - H O + OH 3 ¾¾® 2 HO2· HO + 2· O 3 ¾¾® OH + 2O· 2 (Attia et al, 2008)
Pengaruh Waktu Pada Proses Penyinaran Matahari
Gambar 6 memperlihatkan kurva perbandingan persen degradasi Direct
red-23 dan Direct violet antara tanpa katalis dan
dengan penambahan katalis N-doped TiO 2 yang ditunjukkan dari jumlah persen degradasi Direct red-23 dan Direct violet. Gambar 6 dapat disimpulkan jika semakin lama waktu penyinaran maka semakin banyak larutan Direct red dan Direct violet yang terdegradasi. Hal ini sesuai dengan
hasil yang didapatkan oleh Safni dkk. (2007) y a n g m e m b u k t i k a n s e m a k i n l a m a penyinaran maka aktivitas fotokatalitik TiO -2 N juga semakin meningkat (Xian-wen, et al, 2005). Jika dibandingkan kemampuan degradasi antara tanpa katalis dengan penambahan katalis 0,020 g TiO -N, maka 2 d a p a t d i s i m p u l k a n b a h w a d e n g a n penambahan katalis jauh lebih besar dibandingkan tanpa katalis. Kemampuan mendegradasi Direct red-23 dan Direct violet dengan penambahan katalis mencapai yaitu 62,696 % untuk Direct red-23 dan 62,5% untuk Direct violet. Karena katalis yang diirradiasi dengan sinar matahari dapat mempercepat terjadinya transformasi kimia (fotokatalis) dengan adanya pembentukan radikal bebas yang sangat aktif (OH·) (Qamar, 2005).
Gambar 6. Perbandingan persen degradasi tanpa katalis dan penambahan katalis 0,020 g N-doped TiO dengan variasi waktu2
Perbandingan Persentase Degradasi secara Fotolisis, Ozonolisis, dan Penyinaran Matahari
Gambar 7 a dan b menunjukkan perbandingan nilai persen degradasi dengan metode fotolisis, ozonolisis dan penyinaran matahari dengan penambahan k a t a l i s . P e r s e n d e g r a d a s i s a n g a t dipengaruhi oleh waktu, dimana semakin besar waktu maka persen degradasi semakin meningkat.
Gambar 7 a. Perbandingan persentase degradasi Direct violet secara fotolisis, ozonolisis, dan penyinaran matahari dengan penambahan katalis % Degr adasi Waktu (menit) % Degr adasi Waktu (menit) Waktu (menit) % Degr adasi tanpa katalis dengan katalis Ozonolisis Fotolisis Cahaya Matahari tanpa katalis dengan katalis
Gambar 7 b. Perbandingan persentase degradasi Direct violet secara f o t o l i s i s , o z o n o l i s i s , d a n penyinaran matahari dengan penambahan katalis
Dari ketiga metode dapat dinyatakan bahwa metode yang paling cepat adalah metode ozonolisis dengan persen degradasi 55,44 dan 50% selama 20 menit. Hal ini disebabkan karena ozonolisis merupakan suatu metode degradasi senyawa organik dengan menggunakan ozon (O ). Dalam 3 fasa air ozon dapat diuraikan oleh ion
-hidroksida (OH ) atau basa konjugasi H O2 2
-(HO ) menjadi radikal HO2 2· dan OH· yang dapat membantu proses degradasi. Dan jika dibandingkan persen degradasi tanpa katalis maka dengan penambahan katalis jauh lebih bagus, karena katalis mampu meningkatkan jumlah OH· dan HO2· s e h i n g g a j u m l a h z a t w a r n a y a n g terdegradasi semakin banyak.
Analisis High Perfomance Liquid Chromatography (HPLC)
Gambar uji HPLC dilakukan dengan metode ozonolisis untuk Direct violet sebagai salah satu pendukung hasil penelitian. Dari Gambar 8 menunjukkan bahwa Direct violet telah terdegradasi yang ditandai dengan turunnya puncak dari kromatogram, dimana pada puncak awal sebelum didegradasi tinggi puncaknya yaitu 6285 dengan waktu retensi 1.306. Namun karena zat warna Direct violet mudah terdegradasi maka dalam waktu 10 menit o z o n o l i s i s s u d a h t i d a k a d a p u n c a k k r o m a t o g r a m y a n g m u n c u l . H a l i n i membuktikan bahwa zat warna Direct violet terdegradasi secara sempurna ketika menggunakan metode ozonolisis selama 10 menit.
Gambar 8. Kromatogram larutan sisa degradasi Direct violet secara ozonolisis dengan variasi waktu
S e t e l a h d i l a k u k a n p e n g u k u r a n menggunakan spektrofotometer UV-Vis, hasil degradasi Direct violet secara ozonolisis (waktu 20 menit), fotolisis (120
menit), dan penyinaran matahari (120 menit) dianalisis menggunakan HPLC.
Gambar 9.a merupakan kromatogram Direct violet 6 mg/L sebelum didegradasi Waktu (menit) % Degr adasi Ozonolisis Fotolisis Cahaya Matahari 5,0 2,0 Tanpa Perlakuan 2,5 5,0 0,0 0,0 2,5 5,0 7,5 Diozonolisis 10 menit
dengan tinggi puncaknya 8557 dengan waktu retensi 1.487. Gambar 9 b merupakan kromatogram hasil degradasi Direct violet
secara fotolisis (120 menit) dengan tinggi puncak 296 dan waktu retensi 1.320.
KESIMPULAN
Dalam penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa N-doped TiO 2 terbukti dapat meningkatkan efisienssi proses degradasi Direct red-23 dan Direct
violet dengan metode fotolisis, ozonolisis
d a n p e n y i n a r a n m a t a h a r i . M e l a l u i penambahan variasi katalis didapatkan b a h w a 2 0 m g k a t a l i s N - d o p e d Ti O 2 m e r u p a k a n k o n d i s i o p t i m u m d a l a m pendegradasian dengan persentase degradasinya sebesar 44,149 % dengan metode ozonolisis selama 20 menit. Dari ketiga metode ini dapat disimpulkan bahwa metode yang baik itu adalah metode
ozonolisis dengan persentase degradasi 55,44 Direct red-23 dan 50 % Direct violet selama 20 menit.
DAFTAR PUSTAKA
Andayani, W. dan Sumartono A. 1999. Aplikasi radiasi pengion dalam penguraian limbah industri I. Radiolisis Larutan standar zat warna reaktif Cibacron Violet 2R, Majalah Batan, Vol. XXXII No.1/2.
Attia, A.J, Kadhim, S.H, and Hussein, F.H. 2008. Photocatalytic degradation of textile dyeing wastewater using Titanium Dioxide and Zinc Oxide, E-J.
Chem. Vol. 5(2) : 219-223.
Gambar 9. Kromatogram Direct violet 6 mg/L a) tanpa perlakuan, b) secara fotolisis, c) secara penyinaran matahari, d) secara ozonolisis
5,0 2,5 Tanpa Perlakuan 5,0 2,5 Fotolisis 5,0 2,5 Penyinaran Matahari 0,0 2,5 5,0 0,0 2,5 0,0 5,0 7,5 10 Ozonolisis
G u n a d i , N a t a l i a . 2 0 0 8 . D e g r a d a s i fotokatalitik zat warna remazol red RB 133 dalam sistem TiO2 suspensi, Skripsi FMIPA Universitas Indonesia, Hal 58.
Kuo, W.S. and Ho, P.H. 2001. Solar photocatalytic decolourization of M e t h y l e n e B l u e i n w a t e r , J .
Chemospher. Vol. 45: 77-83.
Mahmood. R. Sohrabi and M. Ghavami. 2008. Photocatalytic degradation of Direct red 23 Dye Using UV/TiO2 : Effect of operational parameter,
Journal of Hazardous Materials. Vol.
153(3) : 1235-1239.
N e p p o l i a n , B . 2 0 0 3 . P h o t o c a t a l y t i c degradation of reactive yellow 17 dye In aqueous solution in the presence of TiO2 with cement binder, International
Journal Of Photoenergy. Vol. 5 : 45-49
Niyaz Mohammad Mahmoodi, Mohtar Arami, Nargess Yousefi Limaee, Nooshin Salman Tabrizi. 2006. Kinetics of heterogeneous photocatalytic degradation of reactive dyes in an immobilized TiO photocatalytic reactor. 2
Journal of Colloid and Interface Science. Vol. 295(1) : 159-164.
Qamar, M, M. Saquib, and M. Muneer. 2005. T i t a n i u m D i o x i d e m e d i a t e d photocatalytic degradation of two
s e l e c t t e d a z o d t e d e r i v a t e s , Chrysoidine R and Acid Red 29 ( C h r o m o t r o p e 2 R ) , I n A q u e o u s Suspensions. Desalination 186, pp. 225-271.
Safni, U. Loekman, and F. Febrianti. 2008. Degradasi zat warna sudan I secara s o n o l i s i s d a n f o t o l i s i s d e n g a n penambahan TiO2-Anatase. J. Ris. Kim : 164-170.
Xian-wen, X, Xin-hua, X, hui-xiang, S, Da-h u i , W . 2 0 0 5 . S t u d y o n U S / O 3 m e c h a n i s m i n p - c h l o r o p h e n o l decomposition, J. Zhejiang Univ SCI. 6: 553-558.
Shahab Khameneh ASL, Sayad Khatib
Sadrnezhaad, M. K. Rad and D. Uner.
2012. Comparative photodecolorization
of Red Dye by Anatase, Rutile (TiO2) and Wurtzite (ZnO) using response surface methodology. Turkish Journal of Chemistry. Vol. 36(1) : 121-135.
W a r d h a n a , W . A . 2 0 0 4 .
DampakPencemaran Lingkungan,
