1 SINTESIS KOMPOSIT MnO2/BENTONIT
DENGAN METODE PENGENDAPAN UNTUK DEGRADASI METILEN BIRU
Laksmitha Auranda1*, Amir Awaluddin2
1Mahasiswa Program S1 Kimia
2Dosen Bidang Kimia Anorganik Jurusan Kimia
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Riau Kampus Bina Widya, Pekanbaru, 28293, Indonesia
*laksmitha.auranda3356@student.unri.ac.id ABSTRACT
Wastewater pollution has become a serious environmental problem for the human and other living organisms. The source of waste could be originated from dye residues.
Effluent from textile industry contain recalcitrant compounds that are difficult to degrade. One of the most widely used dyes is methylene blue. Different methods have been applied to cope with these compounds. Photocatalysis are considered as the most effective and efficient way to degrade dyes. In this study, the composite MnO2/Bentonite have been prepared as the catalyst by the reaction between KMnO4, glucose and bentonite. The as-synthesized composite was characterized by XRD for the determinate of crystal size and crystal phase. The XRD results indicated that the cryptomelane-type manganese oxide have been successfully obtained. The photocatalysis activity of MnO2/Bentonit was tested for degradation of methylene blue and the maximum degradation of 50 ppm methylene blue was 85.62% under conditions of methylene blue with pH=5 and 25 mg of MnO2/Bentonite for 120 minute.
Keywords: bentonite, MnO2, photocatalyst
ABSTRAK
Pencemaran air limbah telah menjadi salah satu ancaman utama bagi kehidupan manusia dan makhluk hidup lainnya. Salah satu sumber air limbah berasal dari bahan pewarna. Bahan pewarna dari limbah ini mengandung sejumlah senyawa kimia yang sulit untuk didegradasi. Salah satu bahan perwarna yang banyak digunakan adalah metilen biru. Beberapa metode telah dilakukan untuk mendegradasi senyawa metilen biru. Fotokatalis merupakan salah satu metode yang efisien dan ramah lingkungan..
Pada penelitian ini, komposit MnO2/Bentonit disintesis sebagai katalis dengan melakukan reaksi antara KMnO4, glukosa dan bentonit dengan metode pengendapan.
Berdasarkan karakterisasi menggunakan XRD, dapat diketahui bahwa MnO2 yang dihasilkan adalah jenis cryptomelane. Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan
2 bahwa komposit MnO2/Bentonit dapat mendegradasi metilen biru 50 ppm dengan persen maksimum 85,62% yang diperoleh dalam kondisi larutan metilen biru dengan pH=5 dan komposit MnO2/Bentonit sebanyak 25 mg selama waktu degradasi 120 menit.
Kata Kunci : Bentonit, fotokatalis, MnO2
PENDAHULUAN
Pencemaran air limbah telah menjadi salah satu ancaman utama bagi kehidupan manusia. Salah satu sumber air limbah berasal dari bahan kimia pewarna yang tidak mudah mengalami penguraian sehingga kebanyakan limbah langsung dibuang ke sungai, danau dan lain-lain sebagai air limbah (Balasubramanian et al., 2018). Jika air limbah tidak diolah secara efektif, kerusakan serius akan terjadi pada kesehatan manusia dan ekologi lingkungan. Hasil kajian terdahulu menunjukkan sekitar 5x103 ton bahan pewarna dibuang di lingkungan perairan diseluruh dunia. Adanya bahan pewarna dalam air mengubah warna, rasa, kelayakan dan juga menghambat penetrasi sinar matahari, sehingga mengurangi oksigen terlarut untuk hewan dan tumbuhan air yang dapat membunuh biota air (Siddiqui et al., 2019).
Pengolahan air limbah telah menarik perhatian dalam beberapa tahun terakhir. Salah satu metode yang digunakan untuk pengolahan air limbah adalah metode fotokatalisis yang menggunakan katalis seperti logam oksida. Teknologi ini merupakan salah satu teknik yang paling menjanjikan untuk degradasi pewarna organik dari
lingkungan karena merupakan cara yang mudah untuk memanfaatkan energi cahaya dengan biaya yang murah (Nakhaei et al., 2019). Teknik fotokatalis merupakan strategi yang ramah lingkungan untuk perlakukan polutan organik tanpa menghasilkan polusi. Diantara beberapa katalis, fotokatalis semikonduktor dapat menunjukkan aktivitas tinggi dalam fotodegradasi zat warna organik pada penyinaran sinar UV dan sinar tampak (Salari, 2020).
Salah satu semikonduktor yang banyak digunakan saat ini adalah mangan oksida. Mangan oksida (MnO2) digunakan dalam berbagai aplikasi karena sifat katalitik yang baik seperti luas permukaan yang besar dan mudah disintesis (Soejima et al., 2018).
MnO2 memiliki berbagai jenis polimorf seperti α-, β-, γ-, dan δ- yang tersusun dari unit dasar [MnO6] oktahedral dengan konektivitas yang berbeda (Cheng et al., 2014). Upaya untuk mendapatkan katalis yang unggul dapat dilakukan dengan membentuk komposit. Komposit adalah suatu material yang dibentuk dari kombinasi dua atau lebih material diatur secara sesuai dengan sifat mekanik dari material pembentuknya berbeda-beda dimana satu material sebagai Matrix
3 dan lainnya sebagai fasa penguat
(Reinforcement) (Chawla, 2012). Salah satu support yang dapat digunakan dalam sintesis komposit mangan oksida adalah bentonit.
Bentonit adalah senyawa alumino silikat dengan fasa utama montmorillonit dimana memiliki struktur yang berlapis (Acar et al., 2015). Struktur lapisan bentonit terdiri dari dua lembaran silika tetrahedral yang menyatu menjadi satu dengan satu lembaran oktahedral alumina. Bentonit bermuatan negatif karena substitusi isomorfik Al3+ untuk Si4+ dalam lembaran tetrahedral dan Mg+2 atau Zn2+ untuk Al3+ dalam lembaran oktahedral. Muatan negatif ini diseimbangkan dengan adanya kation yang dapat dipertukarkan (Na+, Ca2+, dll) di lapisan antar struktur, yang memungkinkan kinerja yang unggul dalam adsorpsi kationik kontaminan melalui pertukaran kationik (Nakhaei et al., 2019). Bentonit banyak digunakan sebagai katalis support dan adsorben untuk menghilangkan polutan pewarna dari air limbah karena sifatnya seperti, luas permukaan spesifik yang besar, kapasitas adsorpsi tinggi, tidak beracun, sifat kimia dan fisika yang stabil, ramah lingkungan, tersedia banyak dan biaya yang murah (Ma et al., 2016).
Sintesis komposit MnO2-Fire Clay dengan metode pengendapan telah berhasil dilakukan sebelumnya oleh Balasubramanian et al., (2018) dengan kemampuan adsorpsi metilen biru
sebesar 94% selama 70 menit. Salah satu kelemahan metode adsorpsi adalah zat warna yang teradsorpsi akan terakumulasi dalam adsorben dan tidak mengalami penguraian sehingga menimbulkan permasalahan baru.
Metode fotokatalis memiliki keunggulan karena sifatnya yang ramah lingkungan. Nakhaei et al., (2019) menghasilkan proses degradasi zat warna metilen biru 87% selama 120 menit menggunakan komposit MnO2/Bentonit melalui metode keramik dan Noppianti et al., (2020) juga berhasil mensintesis komposit MnO2/Bentonit dengan metode sol-gel untuk degradasi limbah cair kelapa sawit. Diantara beberapa metode tersebut, metode pengendapan merupakan metode yang relatif mudah dan sederhana sesuai dengan penelitian Subramanian et al., (2014) yang berhasil mensintesis MnO2 dengan tipe cryptomelane menggunakan metode pengendapan.
Pada penelitian akan disintesis komposit MnO2/Bentonit dengan metode pengendapan menggunakan reaktan KMnO4, glukosa dan bentonit sebagai support. Penggunaan glukosa sebagai reduktor sudah dilakukan sebelumnya oleh Awaluddin dan Siregar et al., (2018) dan memberikan MnO2 dengan kristalinitas yang tinggi.
Pendekatan ini diharapkan dapat
menghasilkan komposit
MnO2/Bentonit dengan sifat-sifat yang berbeda dan dibandingkan dengan material MnO2 yang ada.
4 METODE PENELITIAN
a. Alat dan bahan
Adapun alat yang digunakan dalam penelitian ini antara lain labu ukur, gelas ukur, gelas beaker, erlenmeyer, kaca arloji, batang pengaduk, magnetic stirrer (Spinbar), crucible, furnace (vulcanTM seri A-130), pH meter, neraca analitik (Mettler AE 200), oven (Memmert), hot plate stirrer (Kenko 79-1), X-Ray Diffraction (XRD).
Adapun bahan-bahan yang digunakan adalah KMnO4 (Kalium Permanganat) (Merck), C6H12O6 (Glukosa) (Merck), H2O2 30% (Merck), metilen biru (Merck), Bentonit, akua DM, kertas saring Whatman 42, aluminium foil, lampu UV A (λ = 365 nm).
b. Sintesis MnO2
Larutan KMnO4 (Kalium Permanganat) dan C6H12O6 (glukosa) dicampurkan di dalam beaker gelas dengan perbandingan molar KMnO4:C6H12O6 yaitu 3:1 (0,25 M:
0,083 M). Selanjutnya diaduk menggunakan magnetic stirrer pada kecepatan 300 rpm selama 30 menit.
Campuran diaduk kembali selama 30 menit pada suhu 600C. Endapan yang diperoleh disaring menggunakan kertas saring Whatman No.42 kemudian dipanaskan di dalam oven pada suhu 1200C selama 6 jam. Endapan selanjutnya dikalsinasi pada suhu 6000C selama 4 jam. Kemudian katalis didinginkan pada suhu ruang dan disimpan dalam desikator sebagai kontrol. Katalis selanjutnya
diaplikasikan untuk degradasi metilen biru.
c. Sintesis komposit MnO2/Bentonit
Larutan KMnO4 (Kalium Permanganat) dan C6H12O6
dicampurkan di dalam beaker gelas dengan perbandingan molar KMnO4:C6H12O6 yaitu 3:1 (0,25 M:
0,083 M). Selanjutnya diaduk menggunakan magnetic stirrer pada kecepatan 300 rpm selama 3 menit untuk KMnO4 dan glukosa bereaksi dan membentuk suspensi coklat kehitaman. Kemudian ditambahkan bentonit sebanyak 6.5847gram dan diaduk selama 30 menit. Campuran diaduk kembali selama 30 menit pada suhu 600C. Endapan yang diperoleh disaring menggunakan kertas saring Whatman No.42 dan dipanaskan dalam oven pada suhu 1200C selama 6 jam.
Endapan selanjutnya dikalsinasi pada suhu 6000C selama 4 jam. Kemudian katalis didinginkan pada suhu ruang dan disimpan dalam desikator sebagai kontrol. Katalis selanjutnya diaplikasikan untuk degradasi metilen biru.
d. Karakterisasi komposit MnO2/Bentonit
Karakterisasi komposit MnO2/Bentonit menggunakan XRD untuk menentukan struktur, kristalinitas dan ukuran kristal.
e. Uji aktivitas komposit
Larutan metilen biru 50 ppm sebanyak 100 mL diambil
5 menggunakan pipet volume dan
dimasukkan kedalam beaker gelas 250 mL. Larutan MB (pH=5) ditambahkan dengan MnO2/Bentonit sebanyak 25 mg dan diaduk dengan magnetic stirrer selama 50 menit. Penyinaran dilakukan menggunakan lampu UV selama 120 menit dan setiap 10 menit larutan diambil sebanyak 5 mL dan konsentrasinya diukur dengan spektrofotometri visible.
HASIL DAN PEMBAHASAN
a. Karakterisasi MnO2, MnO2/Bentonit dan bentonit Analisa menggunakan XRD (X- Ray Diffraction) dapat menentukan ukuran kristal dan jenis struktur yang dihasilkan. Hasil karakterisasi katalis komposit MnO2/Bentonit dapat dilihat pada Gambar 4.1.
Gambar 1. Difraktogram katalis C = Cryptomelane
M = Monmorillonit K = Kaolinit
Hasil karakterisasi dapat dilihat pada Gambar 4.1. Puncak difraksi dari dan komposit MnO2/Bentonit dicocokkan dengan pola standar yang sesuai dengan JCPDS. Puncak difraksi dari komposit MnO2/Bentonit pada sudut 2θ yaitu
19,81; 21,92; 26,59; 34,87 dan 79,87 yang menunjukkan adanya bentonit dalam komposit MnO2/Bentonit, sedangkan untuk sudut 2θ yaitu 27,70;
42,40 dan 61,54 menunjukkan bahwa jenis struktur MnO2 yang dihasilkan adalah cryptomelane. Hasil tersebut menunjukkan bahwa komposit MnO2/Bentonit memiliki tingkat kristalinitas yang cukup tinggi disebabkan adanya puncak dengan intensitas tinggi. Pada hasil karakterisasi juga dapat disimpulkan bahwa fasa-fasa dari bentonit lebih banyak dibandingkan dengan fasa cryptomelane dari MnO2 pada komposit MnO2/Bentonit. Hal ini disebabkan massa MnO2 pada sintesis komposit lebih sedikit daripada massa bentonit.
b. Uji aktivitas komposit
Hasil persen degradasi dapat dilihat pada Gambar 2, dapat diketahui bahwa persen degradasi pada pH 5 (asam) dapat memberikan persen degradasi paling tinggi yaitu 85,62%.
Hal ini sesuai dengan penelitian Qodri (2011) bahwa pH larutan metilen biru memiliki pengaruh yang signifikan terhadap tingkat fotodegradasi metilen biru dan zat warna dapat terdegradasi dalam suasana asam maupun basa tergantung jenis reaksinya. Menurut Nakhaei (2019), pada proses fotokatalitik degradasi metilen biru menggunakan MnO2/Bentonit dari penyinaran sinar UV, elektron dapat tereksitasi dari pita valensi ke pita
6 konduksi sehingga meninggalkan
muatan positif yang disebut hole dan hole akan bereaksi dengan molekul air menghasilkan radikal ∙OH. Elektron- elektron pada pita konduksi akan bereaksi dengan O2 terlarut pada larutan dan menghasilkan radikal superoksida (.O2-). Radikal-radikal reaktif inilah yang akan mendegradasi metilen biru menjadi CO2 dan H2O.
Gambar 2. Grafik persen degradasi KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian ini dapat disimpulkan bahwa MnO2 pada komposit MnO2/Bentonit adalah jenis cryptomelane dengan persen degradasi mencapai 85.62% pada pH = 5.
DAFTAR PUSTAKA
Acar, E. T., Ortaboy, S., Hisarli, G., &
Atun, G. 2015. Sensitive determination and electro- oxidative polymerization of azodyes on a carbon paste electrode modified with bentonite. Applied Clay Science, 105–106, 131–141.
Balasubramaniam, P., Venkateswaran, V., & Rathinavelu, A. 2018.
Adsorption of Methylene Blue
on to Fire Clay - MnO 2 Nanocomposite Materials.
International Journal of Research in Advent Technology.
6(10), 2753–2763.
Chawla, K.K. 2012. Composite Materials: Science And Engineering. Springer Science &
Business Media.
Cheng, G., Yu, L., Lin, T., Yang, R., Sun, M., Lan, B., Yang, L., &
Deng, F. 2014. A facile one-pot hydrothermal synthesis of β- MnO2 nanopincers and their catalytic degradation of methylene blue. Journal of Solid State Chemistry, 217, 57–63.
He, Y., Jiang, D. Bin, Chen, J., Jiang, D. Y., & Zhang, Y. X. 2018.
Synthesis of MnO2 nanosheets on montmorillonite for oxidative degradation and adsorption of methylene blue. Journal of Colloid and Interface Science, 510, 207–220.
Ma, J., Liu, Q., Zhu, L., Zou, J., Wang, K., Yang, M., & Komarneni, S.
2016. Visible light photocatalytic activity enhancement of Ag3PO4 dispersed on exfoliated bentonite for degradation of rhodamine B.
Applied Catalysis B:
Environmental, 182, 26–32.
Nakhaei, M., Barzgari, Z., Mohammadi, S. S., &
Ghazizadeh, A. 2019.
Preparation of MnO2/bentonite nanocomposite with enhanced photocatalytic activity under sunlight irradiation. Research on
60 70 80 90 100
0 20 40 60 80 100 120
Degradasi (%)
Waktu(menit)
7 Chemical Intermediates, 45(10),
4995–5005.
Salari, H. 2020. Efficient photocatalytic degradation of environmental pollutant with enhanced photocarrier separation in novel Z-scheme a-MnO2 nanorod/a- MoO3 nanocomposites. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 401(June), 112787.
Siddiqui, S. I., Manzoor, O., Mohsin, M., & Chaudhry, S. A. 2019.
Nigella sativa seed based nanocomposite-MnO2/BC: An antibacterial material for photocatalytic degradation, and adsorptive removal of Methylene blue from water.
Environmental Research, 171, 328–340.
Soejima, T., Nishizawa, K., & Isoda, R.
2018. Monodisperse manganese oxide nanoparticles: Synthesis, characterization, and chemical reactivity. Journal of Colloid and Interface Science, 510, 272–
279.
