DEGRADASI INDIGO CARMINE SECARA SONOLISIS DAN FOTOLISIS DENGAN
PENAMBAHAN TiO
2-ANATASE
Safni1,*, Dina Fitri Wulandari1, Zulfarman1, Maizatisna1, Tadao Sakai2 1Jurusan Kimia FMIPA Universitas Andalas, Padang
2 Department of Chemistry, Aichi Institute of Technology Toyota City, Japan *E-mail : safni@yahoo.com
Diterima 31 Juli 2008, disetujui untuk diterbitkan 19 September 2008
ABSTRACT
The research about degradation of indigo carmine dye had been done by sonolysis and photolysis with addition of anatase-TiO2. Ultrasonic irradiation from Decon Sonicator FS300B equipment with frequency of 47 kHz was used for sonolysis. Degradation of 6 mg/L indigo carmine dye by sonolysis with addition of 0.1000 g anatase-TiO2 was optimum at temperature 20oC, pH 3.0 with percentage of degradation was 87.86 % after 180 minutes sonolysis. Photolysis method was performed using an irradiation of UV light (λ = 359 nm). Degradation of 6 mg/L indigo carmine dye by photolysis with addition of 0.1000 g anatase-TiO2 was optimum at pH 3.0 and percentage of degradation was 95.39 % after 180 minutes irradiation.
Keywords : degradation, sonolysis, photolysis, indigo carmine, anatase-TiO2
1. PENDAHULUAN
Industri tekstil di Indonesia telah berkembang sangat pesat. Air, zat warna tekstil dan bahan lainnya banyak dipakai dalam proses industri tekstil yang sebahagiannya menjadi bahan sisa pengolahan yang dibuang sebagai limbah.
Proses produksi tekstil banyak menghasilkan limbah cair yang berwarna. Apabila limbah cair tersebut di buang ke badan air dan air yang tercemari tersebut dikonsumsi masyarakat maka dapat menimbulkan dampak negatif bagi kesehatan mereka. Limbah zat warna itu biasanya berasal dari proses pencelupan kain dari industri tekstil1).
Limbah zat warna dari industri tekstil juga sering menyebabkan peningkatan kondisi keasaman di perairan. Terdapatnya senyawa-senyawa organik penyusun zat warna sintetik dalam limbah cair mengakibatkan masalah yang sangat serius terhadap lingkungan yaitu terganggunya keseimbangan ekosistem makhluk hidup2).
Indigo carmine atau Saxon blue adalah zat warna berbentuk bubuk berwarna biru dan larut dalam air, kloroform dan nitrobenzen, tetapi tidak larut dalam alkohol dan eter. Indigo carmine banyak digunakan sebagai zat warna celup yang memberikan warna biru pada tekstil seperti pakaian yang terbuat dari kain katun dan jeans. Indigo carmine sering dipakai karena warnanya yang cemerlang meskipun pada corak yang gelap. Selain itu, indigo carmine juga digunakan sebagai reagen untuk mendeteksi nitrat dan klorat3,4).
Limbah industri yang mengandung zat warna organik sintetik ini kebanyakan akan dialirkan ke sungai–sungai tanpa ada perlakuan terhadap limbah sehingga dapat mengakibatkan pencemaran air. Limbah cair yang dihasilkan dari industri biasanya mengandung senyawa organik yang termasuk HAP (Hazardous Air Pollutant) atau polutan udara yang berbahaya5). Limbah cair selain dapat diolah dengan cara pengendapan kimia dan koagulasi, dapat juga ditanggulangi dengan sonolisis. Aktifasi kimia untuk terjadinya reaksi dapat dicapai dengan panas, fotokimia, elektrokimia, dan aktifasi sonokimia. Semua teknik ini dapat digunakan sebagai pemberi energi untuk mengoksidasi polutan secara efektif6).
Pada penelitian ini, dilakukan mineralisasi indigo carmine dengan menggunakan metoda sonolisis dengan menggunakan gelombang ultrasonik. Sonolisis merupakan suatu metoda untuk mendegradasi zat warna organik dalam media air dengan menggunakan sonikasi, dimana nantinya akan dihasilkan radikal hidroksil dan efek kavitasi. Radikal hidroksil akan mendekomposisi indigo carmine menjadi senyawa lain yang lebih sederhana. Untuk mendapatkan proses sonolisis dan hasil dekomposisi yang efektif dapat ditambahkan TiO2–anatase sebagai katalis yang terbukti mampu mengkatalisis dekomposisi senyawa organik7,8).
2. METODE PENELITIAN
2.1. Alat dan Bahan
Alat yang digunakan adalah Spektrofotometer UV-Vis (S 1000 Secoman, Sarcelles France), Decon Sonicator FS300B frekwensi 47 kHz dengan daya 840 watt, lampu UV (Hitachi 10 GL, Japan) λ = 359 nm, kotak iradiasi, neraca analitik, mikrosentrifus (Profuge PRF-6KP, Korea) 6000 rpm, magnetik stirrer (SRS 116AA), pH meter (model 80 Grissin, British), dan peralatan gelas.
Bahan-bahan yang digunakan adalah indigo carmine bubuk C16H8N2Na2S2O8 (Merck, Germany, BM = 466,36 g/mol), TiO2-anatase (Ishihara Sangyo, Ltd. Japan), CH3COOH p.a, CH3COONH4, NH4OH 25 %, NH4Cl (Merck), akuades.
Gambar 1. Struktur Indigo Carmine 2.2. Prosedur Penelitian
Sebanyak 0,1000 g indigo carmine dilarutkan dalam 100 mL akuades untuk mendapatkan larutan induk indigo carmine. Untuk pengukuran panjang gelombang serapan maksimum dari senyawa indigo carmine digunakan spektrofotometer UV-Vis.
Larutan indigo carmine dengan konsentrasi 6 mg/L dilakukan sonolisis dan fotolisis secara terpisah dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase pada beberapa variasi yaitu; pH, suhu, dan waktu perlakuan. Kemudian hasil sonolisis maupun fotolisis disentrifus selama 30 menit untuk memisahkan TiO2-anatase dari larutan. Adanya perbedaan serapan awal dengan serapan setelah sonolisis maupun fotolisis yang dideteksi dengan spektrofotometer UV/Vis menunjukkan adanya senyawa indigo carmine yang telah terdegradasi.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengukuran spektrum serapan dari indigo carmine dilakukan pada range panjang gelombang 200 – 800 nm. Spektrum serapan indigo carmine dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Spektrum serapan indigo carmine dalam pelarut akuades pada variasi konsentrasi (a) = 2 mg/L,
e d
c b
Hasil pengukuran spektrum serapan indigo carmine dengan menggunakan spektrofotometer UV-Vis menunjukkan bahwa puncak serapan maksimum berada pada panjang gelombang 252, 287, dan 610 nm. 3.1. Pengaruh Suhu pada Proses Sonolisis
Suhu optimum untuk degradasi indigo carmine dengan konsentrasi 6 mg/L ditentukan pada range 15, 20, 25, 30, dan 35°C secara sonolisis selama 60 menit. Getaran dari ultrasonik dengan frekwensi yang tinggi pada larutan berperan untuk membentuk gelembung kavitasi yang memberikan pengaruh dalam pembentuk spesies-spesies pengoksidasi, seperti •OH, H•, dan HO2•. Saat gelembung mengempis, proses yang terjadi bersifat adiabatik. Pada bagian dalam rongganya akan terjadi kenaikan suhu menjadi beberapa derajat sehingga mampu memecah molekul air membentuk radikal OH dan H9).
Gambar 3. Pengaruh suhu sonolisis indigo carmine 6 mg/L dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase selama 60 menit terhadap persentase degradasi.
Dari Gambar 3 terlihat bahwa suhu optimum sonolisis indigo carmine 6 mg/L selama 60 menit adalah pada suhu 20oC. Persentase degradasi yang diperoleh adalah sebesar 59,27 %, sedangkan pada suhu yang lebih tinggi terjadi penurunan persentase degradasi. Hal ini disebabkan karena pada suhu yang lebih tinggi, viskositas larutan menjadi lebih rendah sehingga pembentukan gelembung kavitasi menjadi lebih banyak. Semakin banyak gelembung kavitasi yang dihasilkan maka jumlah radikal OH yang dihasilkan juga meningkat. Hal ini dapat menurunkan aktifitas katalis karena terjadi persaingan antara daerah serapan dari katalis dengan radikal OH tersebut, sehingga efisiensi degradasi menjadi menurun9,10).
3.2. Pengaruh pH pada Proses Sonolisis
Untuk mengetahui pengaruh pH terhadap persentase degradasi, proses sonolisis dilakukan pada suhu 20°C selama 60 menit. Gambar 4 memperlihatkan persentase degradasi indigo carmine sebagai fungsi pH. Dari Gambar 4 dapat dilihat bahwa pH optimum dari beberapa variasi perlakuan berada pada pH 3,0 dengan persentase degradasi sebesar 75,24 %. Sedangkan pada pH 5,0; 7,0 dan 9,0 persentase degradasinya semakin menurun.
Penurunan persentase tersebut disebabkan karena indigo carmine merupakan zat warna yang bersifat asam, sehingga pada pH yang sangat asam sifat hidrofiliknya semakin menurun sedangkan sifat hidrofobiknya meningkat dan mengakibatkan indigo carmine menyerap kuat pada permukaan TiO2-anatase. Senyawa yang bersifat hidrofobik lebih mudah terkumpul pada permukaan bagian dalam gelembung kavitasi sehingga lebih mudah diserang oleh radikal OH yang mengakibatkan putusnya ikatan rangkap membentuk struktur yang lebih sederhana11,12).
Sifat hidrofobik dan hidrofilik dipengaruhi dari bentuk molekul indigo carmine di dalam pelarut. Jika pelarut dalam kondisi yang sangat asam maka indigo carmine akan terprotonasi pada permukaan gelembung sehingga bersifat hidrofobik. Pada kondisi basa indigo carmine akan terionisasi dan sulit terakumulasi pada permukaan gelembung sehingga bersifat hidrofilik
Gambar 4. Pengaruh pH sonolisis indigo carmine 6 mg/L pada suhu 20oC selama 60 menit dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase terhadap persentase degradasi.
3.3. Pengaruh Waktu Sonolisis
Penentuan waktu optimum sonolisis dilakukan pada 5 variasi waktu, yaitu 60, 90, 120, 150, dan 180 menit. Pengaruh waktu sonolisis indigo carmine 6 mg/L pH 3,0 dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase terhadap persentase degradasi dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Pengaruh waktu sonolisis indigo carmine 6 mg/L pH 3,0 pada suhu 20oC dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase terhadap persentase degradasi
Dari Gambar 5 dapat dilihat bahwa persentase degradasi indigo carmine semakin besar sebanding dengan bertambahnya waktu. Persentase degradasi optimum dicapai pada waktu 180 menit atau 3 jam sebesar 87,86 %. Peningkatan persentase degradasi yang terjadi sebanding dengan bertambahnya waktu sonolisis dengan pH dan suhu sonolisis yang konstan disebabkan karena semakin banyak radikal OH yang terbentuk sehingga dapat merusak struktur indigo carmine dan membentuk mineralisasi yang bersifat tidak toksik12).
3.4. Pengaruh pH pada Proses Fotolisis
Penentuan pH optimum dari larutan indigo carmine 6 mg/L selama 60 menit secara fotolisis dilakukan pada range pH 3,0 ; 5,0 ; 7,0 dan 9,0.
Gambar 6. Pengaruh pH fotolisis indigo carmine 6 mg/L dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase selama 60 menit terhadap persentase degradasi.
Gambar 6 menunjukkan bahwa semakin tinggi tingkat keasaman dari larutan indigo carmine maka persentase degradasinya semakin meningkat. Pada pH 3,0 persentase degradasinya adalah 84,10 % sedangkan pada pH 5,0; 7,0; dan 9,0 persentase degradasi menjadi semakin kecil, berturut-turut sebesar 60,78 %; 45,45 %; dan 13,09 %.
Aktifitas katalitik permukaan TiO2 dalam larutan berair tergantung pada pH yang disebabkan oleh terjadinya kontak langsung zat warna indigo carmine dengan permukaan katalis. Oksidasi fotolitik zat warna menghasilkan radikal hidroksil di permukaan katalis.13
Hilangnya warna pada indigo carmine disebabkan karena terjadinya penyerangan dari radikal OH ketika sinar UV diserap oleh permukaan katalis yaitu TiO2-anatase. Permukaan TiO2-anatase yang menyerap sinar UV dengan energi tertentu menyebabkan elektron (e-) pada pita valensi bergerak ke pita konduksi14).
Muatan pada permukaan TiO2 dapat berubah akibat berubahnya pH, seperti berikut15): • jika bersifat sangat asam
TiOH + H+ TiOH2+ • jika bersifat basa
TiOH + OH- TiO- + H2O
Dari reaksi di atas, TiO2 dalam larutan yang sangat asam menjadi TiOH2+ dan mengakibatkan permukaan TiO2 bermuatan positif. Hal tersebut mengakibatkan semakin banyak ion indigo carmine yang diserap pada permukaan TiO2 dan mudah dioksidasi oleh radikal hidroksil. Radikal hidroksil tersebut dibentuk dari reaksi antara hole positif dari TiO2 dengan molekul H2O atau ion OH- yang terserap pada permukaan katalis. Pada kondisi basa, permukaan TiO2 bermuatan negatif akibat pembentukan TiO-, sehingga ion indigo carmine tidak mudah diserap pada permukaan TiO2 dan sulit terdegradasi oleh radikal bebas14-16).
3.5. Pengaruh Waktu Fotolisis
Fotolisis indigo carmine 6 mg/L pH 3,0 dilakukan dalam 5 variasi waktu yaitu 60, 90, 120, 150, dan 180 menit.
Gambar 7. Pengaruh waktu fotolisis indigo carmine 6 mg/L pH 3,0 dengan penambahan TiO2-anatse terhadap persentase degradasi.
Dari Gambar 7 dapat dilihat bahwa persentase degradasi indigo carmine meningkat sebanding dengan bertambahnya waktu. Seperti pada proses sonolisis, dimana semakin lama waktu yang dibutuhkan maka semakin banyak jumlah radikal OH yang terbentuk untuk mendegradasi indigo carmine. Waktu optimum yang ditunjukkan pada gambar di atas berada pada 180 menit atau 3 jam dengan persentase degradasinya sebesar 95,39 %.
Gambar 8. Perbandingan persentase degradasi indigo carmine 6 mg/L secara sonolisis (suhu 20oC) dan fotolisis dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase.
Dari Gambar 8 dapat dilihat bahwa persentase degradasi indigo carmine 6 mg/L pH 3 selama 180 menit secara fotolisis lebih besar dibandingkan dengan secara sonolisis, dengan persentase degradasi secara sonolisis dan fotolisis masing-masing adalah 87,86 % dan 95,39 %. Hal ini disebabkan karena energi yang digunakan untuk mendegradasi secara fotolisis jauh lebih besar dibandingkan dengan secara sonolisis. Frekuensi sinar UV yang digunakan untuk mendegradasi indigo carmine lebih tinggi yaitu sebesar 8,36 x 1011 kHz, sedangkan frekuensi ultrasonik yang digunakan hanya sebesar 47 kHz.
4. KESIMPULAN
Persentase degradasi zat warna indigo carmine 6 mg/L secara sonolisis dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase yang optimum pada beberapa kondisi perlakuan adalah pada suhu 20oC, pH 3,0 dan waktu sonolisis selama 180 menit dengan persentase degradasi sebesar 87,86 %. Secara fotolisis, persentase degradasi indigo carmine 6 mg/L dengan penambahan 0,1000 g TiO2-anatase yang terbesar berada pada pH 3,0 dan diiradiasi selama 180 menit dengan hasil degradasi 95,39 %.
DAFTAR PUSTAKA
1. Suwarsa, S. 1998. Penyerapan Zat Warna Tekstil BR Red HE 7B Oleh Jerami Padi, Majalah JMS, 3 (1) 32-40.
2. Achmad, R. 2004. Kimia Lingkungan, ANDI, Yogyakarta, hal.106-107.
3. http://www.wikipedia.org/Indigodye/Wikipedia/htm.encyclopedia (27 Oktober 2007).
4. Syauqy, 2005. Bikin Sendiri Kain Bermotif Khas Indonesia Batik Tulis, Pikiran Rakyat, hal 4, 3 Mei 2005. 5. Liu, H.F. David, B.G. Liptak, 2000. Air Pollution, Lewis, USA, 28 (2000).
6. Anjaneyulu, Y., Sreedhara Chary, N. and Samuel Suman Raj, D. 2005. Decolourization of Industrial Effluents – Available Method and Emerging Technologies, J. Environ. Sci. Technol., 4: 245-273.
7. Kuo, W.S. and Ho, P.H. 2001. Solar Photocatalytic Decolourization of Methylene Blue in Water, J. Chemospher., 45: 77-83.
8. Stock, N.L., Peller, J., Vinadgopal, K., Kamat, P.V. 2002. Combinative Sonolysis & Photocatalysis for Textile Dye Degradation, J. Environ. Sci. Technol., 34: 1747-1750.
9. http://www.ias.ac.in/resonance/Dec2000/pdf/Dec2000p64-74 (27Oktober2007).
10. Tauber, A., Mark, G., Schuchmann, H.P. and Sonntag, C. 1999. Sonolysis of tert-Butyl Alcohol in Aqueous Solution, J. Chem. Soc, 2: 1129-1135.
11. Julie, P., Wiest, O., Kamat, P.V. 2001. Sonolysis of 2,4- Dichlorophenoxyacetic Acid in Aqueous Solutions, Evidence for OH- Radical Mediated Degradation, J. Phys Chem A, 105: 3176 – 3181. .A. Alinsafi et all, Treatment of Textile Industry Wastewater by Supported Photocatalysis, J. Dye and
Pigments, 74 : 439-445 (2007).
12. Hachem, C., Bocquillon, F., Zahraa, O. and Bouchy, M. 2001. Decolourization of Textile Industry Wastewater by The Photocatalytic Degradation Process, J. Dye and Pigments, 49: 117-125.
13. Safni, Maizatisna, Zulfarman, Sakai, T. 2007. Degradasi Zat Warna Naphtol Blue Black Secara Sonolisis dan Fotolisis dengan Penambahan TiO2-anatase, J. Ris. Kim. 1 : 43-49.
14. Hoffmann, M.R., Martin, S.T., Choi, W., Benhenmann, D.W. 1995. Environmental Application of Semiconductor Photocatalysis, Chem Rev. 95 : 69-95.
15. Toor, A.P., Verma, A., Jotshi, C.K., Bajpai, P.K., Singh, V. 2006. Photocatalytic Degradation of Direct Yellow 12 Dye Using UV/TiO2 in a Shallow Pond Slurry Reactor, J. Dye and Pigments, 68 : 53-60. 16. Guettai, N., Amar, H.A. 2005. Photocatalytic Oxidation of Methyl Orange in Presence of Titanium
