1
SINTESIS KOMPOSIT MnO
2/MgO DENGAN METODE SOL-GEL
DAN UJI AKTIVITAS KATALITIK UNTUK DEGRADASI METILEN BIRU
Uchi Mardiah1*, Amir Awaluddin2*
1 Mahasiswi Program S1 Kimia
2 Dosen Bidang Kimia Anorganik Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Bina Widya, Pekanbaru, 28293, Indonesia
ABSTRACT
Cryptomelane type manganase oxide is a tunnel manganese oxide with pore size of 2 x 2.
Cryptomelane can be used as an adsorbent and catalyst for the degradation of organic waste compounds. Methylene blue (MB) is a synthetic dye that is difficult to degrade naturally, therefore an effective method is needed to degrade the dye. Fenton-like method with Fenton heterogeneous composite MnO2/MgO catalyst was used to degrade methylene blue dye. In this study, MnO2/MgO composites were synthesized using a one-step sol-gel method by reacting KMnO4, glucose and MgO. The synthesis results were characterized using X-Ray Diffraction (XRD) which indicated the formation of cryptomelane type manganese oxide.
The synthesized MnO2/MgO composite was then applied for the degradation of methylene blue using H2O2 as oxidant. The optimum degradation of methylene blue was obtained under conditions of 60 ppm methylene blue concentration, 15 mL H2O2 volume and 25 mg composite mass, which showed the most influential catalyst mass with a degradation percentage of 70.84% in 120 minutes.
Keywords: MnO2, MgO, Fenton-like
ABSTRAK
Cryptomelane adalah mangan oksida jenis berongga dengan ukuran pori 2 x 2. Cryptomelane dapat digunakan sebagai adsorben dan katalis untuk degradasi limbah senyawa organik.
Metilen biru (MB) merupakan zat warna yang sulit didegradasi secara alami, oleh karena itu diperlukan suatu metode yang efektif untuk mendegradasi zat warna. Metode Fenton-like dengan katalis Fenton heterogen komposit MnO2/MgO digunakan untuk mendegradasi zat warna metilen biru. Pada penelitian ini komposit MnO2/MgO disintesis menggunakan metode sol-gel satu tahap dengan mereaksikan KMnO4, glukosa dan MgO. Hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan X-Ray Difrraction (XRD) yang menunjukkan terbentuknya mangan oksida tipe cryptomelane. Komposit MnO2/MgO yang disintesis kemudian diaplikasikan untuk degradasi metilen biru menggunakan H2O2 sebagai oksidan. Degradasi metilen biru optimum diperoleh pada kondisi konsentrasi metilen biru 60 ppm, volume H2O2
15 mL dan massa komposit 25 mg, yang menunjukkan massa katalis paling berpengaruh dengan persen degradasi 70,84% dalam 120 menit.
Kata kunci : MnO2, MgO, Fenton-like
2
PENDAHULUAN
Limbah zat warna yang terdapat pada industri tekstil memiliki kadar yang cukup tinggi yaitu sekitar 20-30 mg/L sehingga secara alami sukar terurai serta menyebabkan terganggunya ekosistem dalam air. Limbah zat warna tersebut jika tidak diolah terlebih dahulu sebelum dibuang kelingkungan akan menyebabkan permasalahan terhadap lingkungan serta makhluk hidup karena zat pewarna tekstil tersebut apabila telah melebihi dosisnya akan bersifat toxic dan karsinogen. Salah satu contoh zat pewarna azo pada industri tekstil yang sering digunakan adalah metilen biru (Selfira dan Aini, 2021).
Metilen biru dikenal sebagai kapas biru, asam biru 93 atau CI 42780, helvetia biru yang merupakan senyawa kimia aromatis heterosiklik yang beracun dengan rumus molekul C16H18N3SCI merupakan zat warna kationik dengan adsorpsi yang sangat kuat. Senyawa metilen biru berupa kristal yang berwarna hijau gelap pada suhu kamar, memiliki daya larut sebesar 4,36x104 mg/L, titik lebur 105℃ dan berat molekul 319,86 g/mol. Larutan metilen biru akan menghasilkan warna biru jika dilarutkan didalam air atau alkohol serta berada pada lingkungan dengan oksidasi yang tinggi (Andriani, 2016).
Salah satu upaya degradasi metilen biru adalah menggunakan katalis mangan oksida. Mangan oksida merupakan oksidator yang efektif karena memiliki oksigen yang lebih mudah dilepaskan pada proses oksidasi dibandingkan oksidasi logam lainnya. Mangan oksida memiliki sifat tidak beracun, berlimpah dibumi, luas permukaan yang tinggi. Rahayu et al., 2020 mensintesis mangan oksida (MnO2) dengan ukuran nano dapat meningkatkan luas permukaan suatu material. Proses
sintesis nanopartikel mangan oksida dapat dilakukan dengan menggunakan kalium permanganat (KMnO4) sebagai prekursor.
Metode yang digunakan untuk mensintesis nanomaterial yaitu dengan menggunakan metode sol-gel.
Metode yang salah satunya digunakan untuk mengurangi konsentrasi limbah organik adalah metode Advanced Oxidation Processes (AOP). Metode AOP berdasarkan pada penggunaan radikal hidroksil (OH∙) sebagai spesies reaktif untuk proses degradasi. Semakin banyak radikal hidroksil yang dihasilkan maka semakin banyak pula zat organik yang didegradasi menjadi molekul yang lebih kecil. Oksidator kuat yang dipakai dapat berupa campuran ozon dengan hidrogen peroksida (O3+H2O2), ozon dengan sinar ultraviolet (O3+UV), campuran hidrogen peroksida dengan adanya sinar ultraviolet (H2O2+UV). Radikal aktif hidroksil yang dilepaskan oleh senyawa-senyawa diatas dengan cepat akan mengoksidasi polutan- polutan zat warna dalam air limbah. Hasil penelitian ini menyatakan nanopartikel mangan oksida yang disintesis mampu untuk mempercepat proses degradasi rhodamin B menggunakan metode Fenton dengan persentase degradasi 85,6% dalam 120 menit.
Awaluddin et al., 2017 mensintesis mangan oksida tipe cryptomelane dengan metode sol-gel menggunakan reduktor yang berbeda yaitu glukosa dan asam oksalat yang dapat mendegradasi metilen biru masing-masing sebesar 86% dan 84%
dalam waktu 30 menit. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa zat warna metilen biru berhasil didekomposisi cryptomelane menggunakan reduktor yang berbeda, memiliki struktur kristal dan morfologi yang berbeda. Leorita et al., 2019 telah mensintesis mangan oksida menggunakan
3 prekursor KMnO4 dan reduktor asama
sitrat dengan metode presipitasi yang mampu mendegradasi metilen biru dengan metode Fenton sebesar 98% dalam 120 menit. Penelitian yang dilakukan oleh (Aulia, 2016) mensintesis mangan oksida tipe cryptomelane yang mendegradasi metilen biru menggunakan metode AOP sebesar 88% pada kondisi konsentrasi metilen biru 150 ppm, voulume H2O2 30%
sebanyak 15 mL dan massa katalis sebanyak 50 mg dalam 120 menit.
Magnesium oksida yang digunakan sebagai support karena MgO memiliki kapasitas adsorpsi yang tinggi sehingga mampu mendegradasi zat warna metilen biru sebagaimana dilakukan sebelumnya oleh (Zhang et al., 2017) yang menyatakan bahwa MgO mampu untuk menghilangkan pewarna congo red dari air limbah. Selain itu, MgO memiliki sifat tahan korosi pada suhu tinggi, titik lebur yang tinggi serta tersedia melimpah di alam.
Berdasarkan latar belakang diatas maka pada penelitian ini dilakukan sintesis mangan oksida menggunakan metode sol- gel untuk mendegradasi metilen biru dengan metode Fenton-like. Aktivitas katalitik komposit MnO2/MgO akan diiuji dengan optimasi degradasi menggunakan beberapa variasi yaitu variasi konsentrasi metilen biru, variasi volume H2O2 dan variasi massa katalis.
METODE PENELITIAN a. Alat dan Bahan
Adapun alat-alat yang digunakan pada penelitian ini adalah timbangan analitik (KERN ABJ-NM/ABS-N), furnace (Vulcan A-130), oven (Menmert), X-Ray Diffractometer (XRD), magnetic stirrer, hot plate strirrer (Kenko 79-1), spektrofotometer UV-Vis (UV mini 1240,
Shimadzu dan Genesys10S), sentrifuge (Merck) dan peralatan gelas lainnya yang umum digunakan pada penelitian kimia.
Bahan-bahan yang digunakan pada peneltian ini adalah kalium permanganat (KMnO4) (Merck), glukosa (C6H12O6) (Merck), magnesium oksida (MgO) (Merck), asam klorida (HCl) (Merck), zat warna metilen biru (Merck), AQUA DM, hidrogen peroksida (H2O2) (Merck), kertas saring (Whatman 42) dan alumunium foil.
b. Sintesis komposit MnO2/MgO KMnO4 ditimbang sebanyak 1,5804 gram lalu dilarutkan dalam 100 mL aqua DM hingga homogen. Larutan KMnO4
dimasukkan kedalam gelas beaker 250 mL. Glukosa ditimbang sebanyak 0,594 gram dan ditambahkan kedalam larutan KMnO4 lalu diaduk ±3 menit. MgO ditimbang sebanyak 31,608 gram pada variasi rasio massa MnO2 4,76%, sebanyak 15,804 gram pada variasi rasio massa MnO2 9,09% dan sebanyak 10,536 gram pada variasi rasio massa MnO2 13,04%
lalu dimasukkan kedalam campuran.
Campuran diaduk selama 10 menit dan didiamkan selama 1,5 jam pada temperatur kamar. Gel yang terbentuk disaring menggunakan kertas saring Whatman no.
42 lalu dicuci menggunakan 400 mL aqua DM sebanyak 4 kali pengulangan. Gel dikeringkan pada temperatur 110℃ selama 12 jam hingga terbentuk xerogel. Xerogel dikalsinasi pada temperatur 450℃ selama 2 jam. Komposit yang terbentuk dicuci menggunakan HCl 0,1 M sebanyak 10 mL dan aqua DM sebanyak 10 mL, masing- masing sebanyak 3 kali pengulangan.
Produk dikeringkan pada temperatur 100℃ kemudian komposit ditimbang untuk dikarakterisasi.
4 c. Uji aktivitas komposit
Larutan metilen biru 60 ppm diambil sebanyak 25 mL menggunakan pipet volume kemudian dimasukkan kedalam gelas beaker 250 mL. Komposit MnO2/MgO ditimbang sebanyak 100 mg dan dicampurkan kedalam larutan metilen biru. Campuran diaduk menggunakan magnetic stirrer selama 30 menit. Setelah 30 menit ditambahkan 15 mL H2O2 30%.
Kemudian diambil pada interval waktu 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110 dan 120 menit. Larutan didinginkan untuk menghentikan reaksi dan disentrifugasi selama 15 menit dalam kecepatan 3000 rpm. Konsentrasi larutan metilen biru yang tersisa diukur dengan menggunakan spektrofotometer visible pada panjang gelombang 660 nm.
HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Karakterisasi MnO2/MgOAnalisis X-Ray Difraction (XRD) digunakan untuk mengetahui jenis mangan oksida hasil sintesis Pada Gambar 1.
merupakan difraktogram XRD mangan komposit MnO2/MgO hasil sintesis. Pada penelitian ini dari difraktogram XRD menghasilkan mangan oksida berongga jenis cryptomelane dengan 2θ=18,41°, 32,73°, 37,86°, 58,55°dan 68,11° dengan puncak refleksi (002), (110), (112), (-602) dan (-514). Pada 2θ=50,84°, 61,97°dan 71,87° dengan puncak refleksi (200), (220) dan (311) ditemukan MgO pada komposit MnO2/MgO. Hasil tersebut menunjukkan bahwa komposit MnO2/MgO yang dihasilkan memiliki tingkat kristalinitas yang cukup tinggi dapat dilihat dengan adanya puncak dengan intensitas yang tinggi dibandingkan intensitas puncak mangan oksida.
Gambar 1. Difraktogram komposit.
b. Uji aktivitas komposit
Pada Gambar 2. dapat dilihat bahwa persen degradasi pada konsentrasi MB 60 ppm, massa komposit 100 mg dan volume H2O2
30% 15 mL diperoleh sebesar 35,62%.
Hal ini dikarenakan situs aktif yang dimiliki komposit tidak cukup untuk mendegradasi MB. Berdasarkan pengaruh massa katalis menunjukkan semakin banyak massa katalis yang digunakan maka akan meningkatkan jumlah situs aktif pada permukaan katalis yang dapat menyebabkan peningkatan jumlah radikal yang berperan dalam mendegradasi MB.
Banyaknya massa katalis berperan penting dalam kinerja katalis untuk degradasi MB.
Gambar 2. Grafik persen degradasi metilen biru.
KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian dapat disimpulkan bahwa pada komposit
5 MnO2/MgO jenis cryptomelane dapat
mendegradasi MB sebesar 35,62 %.
DAFTAR PUSTAKA
Aulia, R. R. 2016. Kinerja Katalis Oksida Mangan Tipe Cryptomelane untuk Degradasi Metilen Biru. Skripsi.
Universitas Riau, Pekanbaru.
Awaluddin, A., Agustina, M.,Aulia, R. R and Muhdarina. 2017. Precursor effects on the morpholgy and the crystallinity of managanese oxides and their catalytic application for methylene blue degradation.
International Conference on Chemistry,Chemical Process and Engineering (IC3PE).1823:1-7.
Leorita, N., Siregar,S. S., Anggraini, R., Nurhayati and Awaluddin, A.
2019. The tremendous catalytic activities of the cryptomelane- type manganese oxide octahedral molecular sieve prepared without calcination process for degradation of methylene blue. Journal of Physics:Conference Series. 1351:
012039.
Rahayu, S., Herawati, N dan Wijaya, M.
2020. Sintesis nanopartikel mangan oksida dengan metode sol gel dan uji aktivitas katalitik terhadap degradasi zat warna rhodamin B.
Jurnal Chemica. 21(2): 190-199.
