BAB II TINJAUAN PUSTAKA

3

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Metilen Biru

Metilen biru adalah salah satu zat warna kationik karena mengandung turunan amina. Metilen biru banyak digunakan pada industri serat kapas, sutra dan wol [6]. Pada bidang kesehatan metilen biru dapat dimanfaatkan sebagai terapi fotodinamik dengan mitokondria sebagai targetnya. Manfaat menggunakan metilen biru pada terapi ini adalah mempercepat pemulihan. Efek samping dari penggunaan metilen biru pada jangka panjang berbahaya bagi sel karena mempengaruhi metabolisme hati [7].

Gambar 2.1 Struktur Metilen Biru

Sebagai zat yang sulit terurai di dalam air metilen biru dapat menyebabkan dampak yang buruk pada kualitas air dan ekosistem yang ada di perairan.

Pembuangan limbah industri berupa limbah metilen biru yang langsung pada sungai maupun aliran air berbahaya bagi lingkungan sekitar. Metilen biru masuk ke dalam rantai makanan dan terkonsumsi oleh manusia dalam jangka waktu yang lama akan menyebabkan masalah kesehatan yang serius. Penyakit kulit hingga potensi kanker merupakan salah satu dampak yang ditimbulkan metilen biru pada manusia [8],[9].

4 2.2 Spektrofotometri UV-Vis

Spektrofotometri ultraviolet-tampak (UV–Vis) merupakan metode analisis yang banyak digunakan karena dapat mengukur konsentrasi sampel dalam cairan bening. Sampel yang akan diukur harus menyerap cahaya pada kisaran panjang gelombang spektrofotometer sekitar 190-1000 nm. Batas antara sinar UV dan sinar tampak adalah sekitar pada panjang gelombang 380 nm, sedangkan untuk batas antara sinar tampak dengan inframerah sekitar 780 nm [9].

Prinsip kerja dari spektrofotometri UV-Vis adalah mengukur serapan cahaya yang dipantulkan oleh sampel pada panjang gelombang tertentu. Radiasi elektromagnetik dari instrumen akan diserap oleh analit. Hal inilah yang akan diukur dan ditampilkan sebagai angka pada alat. Energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik yang ditransfer melewati sampel akan mengalami penurunan.

Jumlah penurunan daya radiasi sebanding dengan penurunan konsentrasi sampel yang diuji [10]

2.3 Bambu

Bambu merupakan tumbuhan yang banyak dijumpai di berbagai negara karena pertumbuhannya yang mudah dan cepat. Bambu memiliki spesies yang beragam serta tumbuh secara intensif. Bambu banyak digunakan sebagai bahan biokomposit pada konstruksi rumah, paviliun, furnitur dan jembatan [11]. Setiap bagian bambu memiliki banyak manfaat misalnya pada bagian daunnya [12].

Bambu memiliki kandungan hemiselulosa sebesar 21,18%, lignin sebesar 17,72

%, dan selulosa sebesar 43,78%. Kandungan unsur dalam serbuk bambu meliputi unsur C 45,52%, N 0,35%, O 48,79%, H 5,13%, dan S 0,22% [4]. Daun bambu dapat digunakan sebagai material adsorpsi zat warna metilen jingga karena mengandung silika nanopartikel (SNPs) yang diekstraksi dari abu daun bambu [12]. Biochar yang dihasilkan dari pembakaran bambu pada suhu tinggi digunakan sebagai material pendegradasi zat warna metilen biru dan fenol serta mengadsorpsi logam Pb dan Cu [13], [14].

5 2.4 Selulosa

Selulosa merupakan polisakarida alami yang memiliki kelimpahan besar di alam dan berasal dari banyak sumber. Selulosa memiliki banyak manfaat apabila diaplikasikan dalam berbagai bidang, salah satunya yaitu industri kimia. Banyak produk industri yang menggunakan turunan selulosa sebagai bahan utama antara lain adalah kemasan keju, film, produksi monomer plastik organik, tekstil, bahan pengental susu, salep, krim dan pasta, serta bahan perekat untuk tekstil, selulosa juga dapat dimanfaatkan sebagai kain kasa bedah karena memiliki daya serap.

Perekat tekstil merupakan produk hasil olahan turunan selulosa yang dilarutkan dalam air atau alkali encer yang mulai dikembangkan [15]–[20]

Gambar 2.2 Struktur selulosa

Struktur amorf dan kristal merupakan bentuk selulosa yang terbentuk secara acak.

Pembentukan ini memiliki rasio yang berbeda, pada tanaman berumput dan kayu.

Secara umum selulosa memiliki rumus molekul (C6H10O5)n, 'n' menunjukkan jumlah unit monomer berulang D-glukopiranosa, nilai 'n' selalu berbeda tergantung dengan jenis sumber selulosanya [21]

6

Bahan baku utama produk turunan selulosa berasal dari selulosa kayu yang diproduksi dalam jumlah besar tiap tahunnya. Sumber lain produk yang menghasilkan selulosa adalah linter kapas. Linter kapas (bahan kimia kapas) biasa digunakan untuk menghasilkan selulosa asetat, Aplikasi dari selulosa asetat dapat ditemui pada plastik atau rayon berkekuatan tinggi [20].

2.5 Adsorpsi

Adsorpsi adalah salah satu proses perpindahan massa komponen padatan dari cairan, maupun gas pada permukaan padat tanpa adanya ikatan kuat dengan atom padatan [22]. Adsorpsi merupakan teknik pemisahan pewarna pada air yang sering digunakan selain teknik pengendapan, koagulasi, biodegradasi, fotodegradasi dan pemisahan membran [23]. Keunggulan Adsorpsi dibandingkan dengan teknik pemisahan yang lain adalah biayanya yang murah dan pengaplikasian yang mudah, serta didapatkan data hasil yang baik [24].

Konsentrasi adsorben dan konsentrasi adsorben-adsorbat pada adsorpsi dianggap konstan karena jumlah mol pada fase padat dibagi dengan volume fase padat memiliki nilai yang konstan. Volume fasa padat akan berubah ketika proses adsorpsi dilangsungkan. Hal ini membuktikan bahwa pada zat murni, adsorben dan aktivitas adsorben-adsorbat adalah satu [25]. Faktor yang mempengaruhi perubahan adsorpsi suatu zat adalah waktu penyerapan, temperature, pH, dan efek kekuatan ionik dan zat di sekitar molekul [26], [27]

Metilen biru memiliki serapan panjang gelombang pada 664 nm. Serapan akan berubah bila di dalam larutan tersebut ditambahkan sebuah reagen maupun media pengadsorpsi. Berdasarkan interaksi yang terjadi adsorpsi dibagi menjadi dua jenis yaitu adsorpsi kimia dan adsorpsi fisika. Adsorpsi kimia terjadi karena interaksi kovalen dan ion pada molekul adsorbat dengan adsorben. Sedangkan adsorpsi fisika terjadi akibat interaksi van der waals yang terbentuk akibat adanya reaksi kimia antara molekul adsorbat [25],[27]

7 2.6 Kinetika Adsorpsi

Kinetika adsorpsi berkaitan dengan kecepatan/ laju suatu adsorben dalam mengadsorpsi suatu adsorbat. Mekanisme adsorpsi bergantung pada sifat fisik dan karakteristik dari suatu adsorben. Analisis yang paling sering digunakan adalah analisis regresi linier. Kinetika adsorpsi digunakan untuk mengevaluasi efisiensi adsorpsi adsorbat pada adsorben.

Terdapat beberapa jenis model kinetika adsorpsi untuk menentukan laju reaksi pada percobaan adsorpsi. Kinetika orde satu semu dan orde dua semu merupakan kinetika adsorpsi yang sering digunakan untuk menentukan laju adsorpsi. Orde satu semu dapat dituliskan melalui persamaan sebagai berikut [28] :

𝐿𝑜𝑔 (𝑞_𝑒− 𝑞_𝑡) = 𝐿𝑜𝑔 𝑞_𝑒− ( ^𝑘1

2.303× 𝑡) (2.1)

K1 merupakan konstanta laju adsorpsi (g/mg.min^-1), qe dan qt adalah jumlah metilen biru yang teradsorpsi (mg/g) pada kesetimbangan dan pada waktu tertentu, dan t adalah waktu yang digunakan pada proses adsorpsi (menit). Laju adsorpsi pada orde satu semu bergantung pada gradien konsentrasi.

Model kinetika orde dua semu dapat dituliskan melalui persamaan berikut [28]:

𝑡

𝑞_𝑡

=

¹

𝐾₂ 𝑞𝑒²

+

^𝑡

𝑞_𝑒 (2.2)

K2 merupakan konstanta laju adsorpsi (g/mg.min^-1), qe dan qt adalah jumlah metilen biru yang teradsorpsi (mg/g) pada kesetimbangan dan pada waktu tertentu, dan t adalah waktu yang digunakan pada proses adsorpsi (menit). Laju adsorpsi pada orde dua semu berbanding lurus dengan kuadrat gradien konsentrasi. Kapasitas adsorpsi pada model kinetika adsorpsi orde satu semu diasumsikan bahwa satu ion adsorbat hanya dapat teradsorpsi pada satu situs aktif adsorben. Model kinetika adsorpsi orde dua semu diasumsikan bahwa satu ion metilen biru dapat diserap oleh dua sisi aktif pada permukaan adsorben [28].

8 2.7 Isoterm Adsorpsi

Pemodelan dan interpretasi dari isoterm adsorpsi berpengaruh terhadap tingkat akurasi pada adsorpsi. Penerapan isoterm adsorpsi pada adsorpsi banyak menggunakan analisis regresi linier untuk menghasilkan data adsorpsi yang baik, selain itu analisis regresi nonlinier juga banyak digunakan sejumlah peneliti untuk menutup perbedaan hasil prediksi dan data eksperimen [29]

Isoterm adsorpsi dapat dipelajari menggunakan banyak model salah satunya yaitu model Langmuir dan Freundlich. Berdasarkan persamaan isoterm, parameter isoterm dapat menggambarkan sifat fisik dominan atau mekanisme kimia dari proses adsorpsi suatu senyawa dalam larutan [30]

Model Langmuir dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut [4]:

𝐶_𝑒

𝑄_𝑒

=

¹

𝑄_𝑚𝐾_𝐿

+

¹

𝑄_𝑚

𝐶

_𝑒

(2.3)

Model Freundlich dinyatakan menggunakan persamaan berikut [4]:

𝑙𝑛 𝑄_𝑒 = 𝑙𝑛𝐾_𝑓 +¹

𝑛𝑙𝑛𝐶_𝑒 (2.4)

Dimana Ce adalah konsentrasi kesetimbangan adsorpsi (mg/L), Qe adalah kapasitas adsorpsi kesetimbangan (mg/g), Qm adalah kapasitas maksimum adsorpsi (mg/g), KL konstanta persamaan langmuir(L/mg), Kf konstanta persamaan freundlich(L/mg) [4].

Model isoterm Langmuir memprediksi pembentukan lapisan tunggal adsorbat di atas permukaan lapisan adsorben dan juga mengacu pada adsorpsi homogen pada situs aktif tertentu ketika proses adsorpsi terjadi. Model isoterm Langmuir memprediksi, ketika lapisan tunggal terbentuk maka tidak ada interaksi lanjutan antara adsorbat dengan adsorben yang akan membentuk lapisan lain [31].

Model isoterm Freundlich memprediksi pembentukan multi-lapisan (banyak lapis) adsorpsi-adsorbat pada permukaan adsorben yang heterogen. Ketika satu lapisan terbentuk antara adsorbat dengan permukaan adsorben maka dapat membentuk lapisan yang lain [31].

9 2.8 Desorpsi

Desorpsi merupakan proses pelepasan kembali zat kimia yang diserap oleh permukaan padat. Kemampuan suatu zat padat melakukan desorpsi bergantung pada kepadatan zat kimia, kekuatan ikatan ke permukaan, dan suhu permukaan [32].

Dalam proses adsorpsi, ketika semua situs adsorben telah terisi sepenuhnya oleh adsorben maka adsorben tersebut berada pada keadaan jenuh, yang menyebabkan adsorpsi telah mencapai pada titik kesetimbangan. Ketika titik kesetimbangan tercapai adsorben menjadi tidak aktif. Adsorben yang telah digunakan akan menghasilkan limbah baru yang berbahaya tentunya pada lingkungan. Desorpsi diperlukan untuk meminimalkan bahaya limbah adsorben bila dibuang ke tempat pembuangan maupun bila digunakan kembali [33].

Efisiensi desorpsi dihitung menggunakan persamaan berikut [33]:

Efisiensi desorpsi =^𝐶_𝐶^{𝐷𝑒𝑠𝑜𝑟𝑝𝑠𝑖}

𝐴𝑑𝑠𝑜𝑟𝑝𝑠𝑖

×

^{100% (2.4)}

Cdesorpsi merupakan konsentrasi desorpsi metilen biru (mg/g), Cadsorpsi merupakan konsentrasi adsorpsi metilen biru (mg/g).

Mekanisme desorpsi pada adsorben yang telah digunakan adalah dengan menggunakan larutan pendesorpsi, pelarutan adsorben menggunakan larutan akan memutuskan ikatan antara adsorben-adsorbat dan melepaskan adsorbat dari larutan. Larutan yang digunakan pada proses desorpsi disebut eluting agent.

Proses desorpsi dilakukan secara batch atau perlakuan kolom. Adsorben yang telah digunakan dimasukkan dalam pelarut untuk dilakukan proses desorpsi dengan perlakuan batch atau kolom [32].

2.9 Metode Penghilangan Metilen Biru

Metode penghapusan metilen biru dalam air banyak dikembangan dari tahun ketahun. Satu contoh metode yang digunakan adalah memanfaatkan limbah pertanian sebagai bahan adsorben. Metode ini dikembangkan karena bahan pembuatan adsorben yang relatif murah, tersedia melimpah dan terbarukan karena

10

berasal dari limbah pertanian, serta yang paling utama adalah karena menunjukkan efisiensi yang tinggi terhadap zat warna tekstil [34].

Adsorben yang berasal dari produk samping hasil pertanian diolah menjadi karbon aktif berbasis biomassa, biosorben, dan berbagai oksida anorganik lainnya [35].

Faktor yang harus diperhatikan ketika mengevaluasi kapasitas adsorpsi dari berbagai adsorben adalah mekanisme dan kinetika adsorpsi zat warna tiap adsorben. Sifat kimia bahan dan kondisi eksperimen fisika-kimia seperti pH larutan, dosis adsorben konsentrasi zat warna, dan suhu sistem perlu diperhatikan [36].

Penggunaan metode fisik/kimia untuk penghapusan metilen biru dalam air yang telah digunakan antara lain penggunaan membran fotokatalitik selama filtrasi metilen biru [37]. Penggunaan koagulan berbasis bentonit dan flokulan berbasis kaktus (Opuntia ficus indica (OFIP)) dalam menghilangkan metilen biru (MB) [38]. Penggunaan biosorben sebagai adsorben meningkatkan kapasitas adsorpsi terbukti bahwa hasil eksperimen yang ada adsorben dengan bahan produk samping hasil pertanian menunjukkan potensi yang baik untuk metilen biru [39].

2.10 Spektroskopi Fourier Transform Infrared (FTIR)

Fourier transform infrared (FTIR) spektroskopi merupakan salah satu metode yang digunakan untuk menentukan kelompok fungsional pada suatu sampel dengan kemungkinan adanya ikatan molekul antar senyawa dalam sampel tersebut. Posisi pita serapan IR dalam spektrum dinamakan bilangan gelombang.

Bilangan gelombang ini digunakan untuk identifikasi berbagai komponen kimia (misalnya, amida aromatik), yang mungkin tidak dapat dideteksi dalam fotoelektron sinar-X spektrum spektroskopi. Umumnya, spektroskopi IR berlaku untuk berbagai bahan dan kondisi serta dapat dimanfaatkan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif [40]

Prinsip dasar dari spektroskopi FTIR adalah interferensi radiasi antara dua sinar menghasilkan sinyal yang disebut interferogram. Sinyal ini dihasilkan oleh interferometer Michelson, yang bergantung pada beamsplitter untuk membagi sinar IR yang masuk menjadi dua sinar optic. Salah satu nya memantul ke cermin tetap dan yang lainnya memantul ke cermin bergerak. Salah satu sinar merambat

11

dengan panjang tetap dan yang lain berubah karena cerminnya bergerak. Kedua sinar tersebut kemudian digabungkan kembali di beam splitter dan radiasi yang muncul dari interferometer mencapai kompartemen sampel dan akhirnya detektor.

Setelah penguatan sinyal, data tersebut diterjemahkan ke dalam bentuk digital oleh konverter analog ke digital dan akhirnya ditransfer ke komputer di mana Fourier Transformasi dilakukan untuk mendapatkan spektrum IR yang diinginkan [41].

2.11 Scanning Electron Microscopy (SEM)

Karakteristik SEM bertujuan untuk mendapatkan gambar topologi dan komposisi relatif dengan cara menembakan berkas elektron terfokus yang bereaksi dengan sampel. Ketika terjadi kontak antara sampel dan berkas elektron, makan berkas elektron yang terfokus akan menghasilkan elektron sekunder (SE), elektron hamburan balik, dan sinar-X karakteristik, yang kemudian dideteksi dengan detektor yang kemudian diterjemahkan ke monitor. Komponen utama dalam SEM biasa termasuk sumber elektron, kolom yang berisi lensa elektromagnetik, elektron detektor, ruang sampel, dan monitor [42].