JURNAL KIMIA (JOURNAL OF CHEMISTRY) 17 (1), JANUARI 2023 DOI: https://doi.org/10.24843/JCHEM.2023.v17.i01.p10

p-ISSN 1907-9850

e-ISSN 2599-2740


SINTESIS DAN KARAKTERISASI BENTONIT-ZnO SERTA PEMANFAATANNYA DALAM DEGRADASI LIMBAH INDUSTRI PENCELUPAN

I. E. Suprihatin*, N. W. S. P. Dewi dan I W. Suarsa

Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana Jalan Kampus Unud-Jimbaran, Jimbaran-Bali, Indonesia

*Email: [email protected]

ABSTRAK

Limbah yang dihasilkan dari industri tekstil berupa limbah cair yang keruh, berwarna dan sulit dihilangkan sehingga dapat mengganggu ekosistem perairan. Limbah hasil pencelupan dapat mencemari lingkungan karena menggunakan zat warna azo yang sulit untuk didegradasi. Salah satu metode yang dapat diaplikasikan untuk mengatasi ini adalah fotodegradasi. Dalam artikel ini dilaporkan sintesis fotokatalis bentonite-ZnO dan aplikasinya dalam fotodegradasi zat warna dalam limbah pencelupan. Karakterisasi fotokatalis dilakukan dengan melihat kristalinitas kompositnya menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), luas permukaannya dengan metode methylene blue serta penentuan efektivitas degradasi dengan dan tanpa sinar. Difraktogram yang dihasilkan menunjukkan beberapa puncak dengan intensitas tinggi: pada 2θ = 20,51° (d=4,32Å) yang menunjukkan adanya mineral kuarsa sedangkan pada 2θ = 26,28° (d=3,39Å) mengindikasikan illit. Puncak khas dari ZnO ditunjukkan pada pola difraksi 2θ = 36,18° (d=2,46Å) dan 2θ = 59,64° (d=1,54Å). Luas permukaan bentonit dan bentonit-ZnO berturut-turut 183,0665 dan 180,2460 m2/g. Kondisi optimum yang diperoleh dalam mendegradasi zat warna limbah industri pencelupan yaitu massa 100 mg pada pH 2 dan waktu irradiasi atau pengadukan dalam gelap selama 45 menit. Degradasi dengan sinar lebih efektif (95,66 ± 0,16%) dibandingkan tanpa sinar (73,28 ± 0,55%) yang menunjukkan peran komposit bentonite-ZnO sebagai fotokatalis.

Kata kunci: Bentonit-ZnO, Fotodegradasi, Limbah Industri Pencelupan

ABSTRACT

Liquid waste generated by the textile industry is typically murky, intensely coloured, and hard to treat. As a consequence, it can pollute the aquatic ecosystem. One potential method to overcome this problem is photodegradation to break the dye molecules down. In this paper the synthesis of bentonite-ZnO composite and its application as a photocatalyst are reported. The composite was prepared by sonicating a mixture of zinc acetate and bentonite. The characterization of the composite was conducted using X-Ray Diffraction (XRD) and methylene blue method to determine its surface area, and its degradation capacity as photocatalyst to degrade the dye waste. The diffractogram reveals several peaks with high intensity, i.e. at 2θ = 20,51° (d = 4,32Å) indicating mineral quartz, and at 2θ = 26,28° (d = 3,39Å) showing Illite. The identifying peaks of the ZnO are in the diffraction pattern of 2θ of 36,18° (d = 2,46Å) and 59,64° (d = 1,54Å). The surface area of the bentonite and bentonite-ZnO are 183,0665 and 180,260 m2/g respectively. The optimum conditions obtained for the dye degradation are 100 mg photocatalyst at pH 2 and irradiation time of 45 minutes. Degradation under UV light is more effective with a degradation percentage of 95,66 ± 0,16% than that in the dark, which is 73,28 ± 0,55%. This shows that the composite plays its role as a photocatalyst for the degradation.

Keywords: Bentonite-ZnO, Dyeing Industrial Waste, Photodegradation.

PENDAHULUAN

Industri tekstil semakin berkembang sehingga dapat berdampak positif bagi masyarakat dan juga dapat menyebabkan masalah bagi lingkungan dari limbah yang dihasilkan. Limbah pencelupan yang dihasilkan dari industri teksil berupa limbah cair berwarna

yang sulit untuk didegradasi. Limbah cair ini secara langsung dibuang ke lingkungan tanpa diproses terlebih dahulu sehingga dapat berdampak pada ekosistem. Zat warna azo adalah zat warna yang banyak digunakan dalam industri tekstil karena dapat memberikan warna yang cerah dan tidak mudah luntur. Zat warna ini bila berada dalam lingkungan perairan akan

bersifat karsinogenik dalam jangka waktu yang lama.

Fotodegradasi merupakan salah satu metode yang dapat mengatasi permasalahan limbah. Fotodegradasi adalah pemecahan kimia dengan adanya bantuan cahaya sebagai energi untuk mengaktifkan proses katalisis untuk mendegradasi polutan organik dan menghasikan molekul-molekul sederhana (Nogueira dan Jardim, 2005). Dalam proses degradasi zat warna, molekul besar dari zat warna dioksidasi menjadi molekul yang lebih sederhana seperti air, karbon dioksida dan asam mineral lainnya. Reaksi perubahan kimia yang terinduksi oleh sinar terjadi di permukaan semikonduktor. Saat katalis disinari dengan UV maka akan terjadi aktivitas fotokatalisis yang menghasilkan elektron hole dan radikal (Wahi et al., 2005).

Semikonduktor yang digunakan yaitu Oksida logam seng (ZnO) merupakan semikonduktor tipe-N dengan band gap sebesar 3,17 eV (Sakthivel et al., 2003). ZnO memiliki sifat tidak beracun, biaya yang rendah sehingga ZnO dapat digunakan untuk degradasi polutan organik dalam perairan. Rendahnya kemampuan adsorpsi dari ZnO, maka perlu ditingkatkan aktivitas fotokatalis dengan cara diembankan pada material adsorben seperti bentonit. Bentonit merupakan lempung dioctahedral dengan kandungan utama 75% monmorillonit, adsorben yang bagus dan tersedia melimpah (Syuhada et al., 2009). Dengan adanya bentonit maka luas permukaan interaksi pada katalis akan lebih besar, sehingga penggunaan oksida sebagai fotokatalis akan semakin efisien. ZnO sebagai fotokatalis telah banyak diteliti, seperti untuk mendegradasi methyl orange (Chen et al., 2011; Diantariani et al., 2016; dan Sitepu et al., 2016). Ali dan Siew (2006) membandingkan TiO2 dengan ZnO menghasilkan fotodegradasi methylene blue sebesar 80,97%. Bentonit/ZnO mampu mendegradasi solophenyl red 3BL (SR 3BL) sebesar 92% (Boutra et al., 2016) atau methyl orange sebesar 56,71% (Sitepu et al., 2016). Nano partikel ZnO yang diemban dalam bentonit dengan rasio ZnO dan bentonit (3:2) dapat mendegradasi acid yellow hingga 90% (Xu et al., 2014).

Dalam artikel ini bentonit-ZnO disintesis dan dimanfaatkan sebagai fotokatalis untuk mendegradasi zat warna dalam limbah pencelupan.

MATERI DAN METODE

Bahan

Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah lempung bentonit, zat warna      metilen      biru,      aquades,

Zn(CH3COO)2.H2O,      NaOH,      N,N

dimethylformamide (DMF), etanol 96%.

Peralatan

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat-alat gelas, timbangan analitik, oven, tanur, magnetic stirrer, pH meter, batang pengaduk, pemanas. botol vial, pipet tetes, kotak irradiasi, plastik hitam, ultrasonic bath, cawan porselin, mortar, penyaring Buchner, ayakan 200 mesh, lampu Philips TUV 15 W/G15 T8 dengan panjang gelombang

253,47 nm, X-Ray Diffraction (XRD), spektrofotometer UV-Vis 1800 shimadzu.

Cara Kerja

Sintesis Bentonit-ZnO (Meshram et al., 2011)

Sebanyak 4 g Zn(CH3COO)2.H2O dilarutkan dengan 100 mL dimethyleformamide (DMF) dan ditambah 20 gram bentonit. Campuran disonikasi dengan ultrasonic bath sekitar 3 jam sehingga diperoleh campuran yang homogen. Ke dalam campuran ini ditambahkan 200 mL NaOH 0,1 M dan diaduk dengan pengaduk magnetik selama 1 jam. Campuran disentrifugasi dengan kecepatan 3000-3500 rpm selama 10 menit. Endapan dan supernatannya dipisahkan, kemudian endapan yang diperoleh didispersikan dengan etanol 96% dan disaring dengan corong Buchner. Padatan yang diperoleh dikeringkan pada 100℃ selama 4 jam dan dikalsinasi selama 2 jam pada 300℃. Bentonit dan bentonit-ZnO dikarakterisasi dengan X-Ray Diffraction (XRD) dan metode methylene blue untuk menentukan luas permukaannya.

Penentuan Luas Permukaan Bentonit

Dibuat kurva standar methylene blue dari absorbansi larutan standar methylene blue 1; 2; 3; 4; 5 ppm. Penentuan Panjang gelombang maksimum methylene blue dilakukan dengan mengukur larutan standar 3 ppm pada panjang gelombang 660-669 nm menggunakan spekrofotometer UV Vis. Luas permukaan ditentukan dengan melakukan adsorpsi 25,0 mL metilen biru 100 ppm dengan 0,05 gram bentonit dan bentonit-ZnO, selama 5; 10; 15; 20; 40; dan 60 menit.

Penentuan Efektivitas Degradasi Limbah Industri Pencelupan

Efektivitas degradasi ditentukan untuk bentonit, ZnO, dan bentonit-ZnO. Limbah cair 25,0 mL dipipet dan dimasukkan dalam gelas plastik. Ditambahkan bentonit-ZnO 100 mg, pH diatur menjadi 2 dan diiradiasi atau pengadukan dalam kondisi gelap selama 45 menit. Disentrifugasi selama 10 menit, supernatant disaring, dan filtratnya diukur absorbansinya dengan spektrofotometer UV-Vis pada Panjang gelombang 546 nm (Panjang gelombang maksimum yang diukur sebelumnya).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Sintesis Komposit Bentonit-ZnO

Reaksi yang terjadi dalam preparasi komposit adalah sebagai berikut

Zn(CH3COO)2.H2O + 2NaOH      Zn(OH)2

+ CH3COONa

Komposit dikeringkan pada 100℃ dan dikalsinasi selama 2 jam pada 300℃ untuk merubah seng hidroksida menjadi ZnO dengan reaksi sebagai berikut:.

Zn(OH)2  —►  ZnO + H2O

Oksida logam yang terbenuk memungkinkan komposit bentonit-ZnO berfungsi sebagai fotokatalis

Karakterisasi dengan X-Ray Diffraction

Karakterisasi dengan X-ray diffraction (XRD) dilakukan terhadap bentonit dan bentonit ZnO dengan tujuan untuk mengetahui unsur dalam komposit dan kristalinitasnya. Gambar 1. menunjukkan difraktogram dengan beberapa puncak berintensitas tinggi. Pada 2θ = 20,51° (d=4,32Å) menunjukkan adanya mineral kuarsa, sedangkan pada 2θ = 26,28° (d=3,39Å) mengindikasikan Illit. Puncak khas dari ZnO ditunjukkan pada pola difraksi 2θ 36,18o (d=2,46Å) dan 59,64° (d=1,54Å).

Tabel 1. tidak menunjukkan adanya perbedaan yang tajam dari jarak antarlapis bentonit dan bentonit-ZnO yang menandakan ZnO telah masuk dalam bentonit dengan posisi horizontal.

Tabel 1. Intensitas puncak difraktogram dari Bentonit dan Bentonit-ZnO

4000

Bentonit-ZnO Bentonit

Gambar 1. Difraktogram dari bentonit dan komposit bentonit-ZnO


Nilai 2θ

Nilai   d

Nilai   2θ

Nilai d

bentonite

bentonit

bentonit-

bentonit-

(Å)

ZnO

ZnO

(Å)

20,7682

4,27714

20,5178

4,32877

26,4441

3,36779

26,2847

3,39065

36,4386

2,46374

36,1896

2,46217

39,4293

2,28348

39,1253

2,30242

50,0287

1,82170

49.7965

1.82965

59,8188

1,54483

59,6407

1,54902

Gambar 1 menunjukkan puncak dengan intensitas yang tinggi sehingga dikatakan bentonit-ZnO sudah dalam fasa kristalin. Refleksi intensitas dari difraksi sinar X semakin tinggi dan runcing maka kristalnya akan semakin baik.

Luas Permukaan dengan Metode Methylene Blue

Luas permukaan ditentukan dengan metode adsorpsi methylene blue. hasil percobaan memberikan luas permukaan dari bentonit sebesar 183,0665 m2/g sedangkan bentonit-ZnO 180,2460 m2/g. Luas permukaan bentonit-ZnO sedikit lebih kecil dibandingkan dengan bentonit. Hal ini dapat disebabkan karena ZnO mengisi pori bentonit sehingga menutup pori dan memperkecil luas permukaannya.

Efektivitas Degradasi Limbah Industri Pencelupan

Percobaan ini dilakukan untuk membandingkan persentase “degradasi” polutan oleh bentonit, bentonit-ZnO serta ZnO dengan dan tanpa sinar UV. Efektivitas ditentukan dalam kondisi optimum yaitu massa katalis 100 mg pada pH 2 (optimasi tidak dicantumkan dalam artikel ini) dan irradiasi atau pengadukan dalam gelap selama 45 menit. Hasilnya dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Persentase degradasi zat warna limbah dengan dan tanpa UV

Material

Degaradasi dengan sinar (%)

Degradasi tanpa sinar (%)

Bentonit-

95,66 ± 0,16

73,28 ± 0,55

ZnO

ZnO

65,30 ± 0,07

13,42 ± 0,07

Bentonit

55,61 ± 0,07

54,19 ± 0,14

Pada tabel tersebut terlihat bahwa dibawah radiasi UV pada kondisi optimumnya, bentonit-ZnO jauh lebih efektif dalam mendegradasi limbah zat warna dari pada bentonite maupun ZnO. Zat warna limbah yang telah masuk ke dalam bentonit-ZnO akan didegradasi oleh radikal hidroksil sehingga menghasilkan CO2, H2O dan asam mineral. Pada kondisi tanpa cahaya, persentase degradasi oleh bentonite lebih tinggi dari pada oleh ZnO, menunjukkan

kemampuan adsorpsi dari bentonite sekaligus ketidakmampuan ZnO sebagai adsorben.

Perbedaan persentase degradasi oleh bentonit-ZnO antara menggunakan sinar UV dan tanpa sinar membuktikan terjadinya proses fotodegradasi. Namun demikian, terjadinya penurunan konsentrasi zat warna oleh komposit tanpa irradiasi juga menunjukkan bahwa adsorpsi juga terjadi. Ini wajar, mengingat bentonite dalam komposit merupakan adsorben.

SIMPULAN

Komposit yang disintesis mempunyai kristalinitas yang tinggi dengan ZnO terinterkalasi secara horizontal sehingga tidak meningkatkan basal space dari bentonite. Ada sebagian ZnO yang menutup pori bentonite sehingga luas permukaan komposit (180,2460 m2/g) lebih kecil dari bentonitnya (183,0665 m2/g). Komposit bentonit-ZnO efektif sebagai fotokatalis dengan persentase degradasi sebesar 95,66 ± 0,16%.

DAFTAR PUSTAKA

Ali, R., Siew, dan Ooi Bon, 2006, Photodegradation of New Methylen Blue N in Aqueous Solution Using Zinc Oxide and Titanium Dioxide as Catalyst, Jurnal Teknologi, 45: 31–42

Boutra, B.,  & Trari, M.,  2016, Solar

Photodegradation of A Textile Azo Dye Using Synthesized ZnO/Bentonite, Water Science and Technology, 75(5): 1211–

1220.

Chen, C., Liu, J., Liu, P., and Yu, B., 2011, Investigation      of      Photocatalytict

Degradation of Methyl Orange by Using Nano-Sized ZnO Catalysts, Advances in Chemical Engineering and Science, 1: 914

Diantariani, N.P., Suprihatin, I.E., Widihati, I.A.G.,  2016, Synthesis of ZnO-AC

composite and its use in reducing textile dyes concentrations of methylene blue and congo red by photodegradation, Cakra Kimia, 4(1): 1-7

Meshram, S., Limaye, R., Ghodke, S., Nigam, S., Sonawane, S., Chikate, R., 2011,

Continuous flow photocatalytic reactor using ZnO–bentonit nanocomposite for degradation of phenol, Chem. Eng, J. 172: 1008–1015

Nogueira, R. F. P., and Jardim, W. F., 1993, Photodegradation of Methylene Blue Using Solar light and Semiconduktor (TiO2), Journal of Chemical Education, 70: 861-862

Sakthivel S., B. Neppolian, M. V. Shankar, B. Arabindoo, M. Palanichamy, and M. Murugesan. 2003, Solar Photocatalytic Degradation of Azo Dye: Comparison of Photocatalytic Efficiency of ZnO and TiO2, Solar Energy Material and Solar Cells, 77: 65 – 82

Sitepu, O.C., Ratnayani, O., Suprihatin, I.E., Sintesis komposit ZnO-bentonit dan penggunaannya dalam proses degradasi methyl orange,2016, Cakra Kimia, 4(2):154-163

Syuhada, Rachmat W., Jayatin, Saeful R., 2009, Modifikasi  Bentonit  (Clay) menjadi

Organoclay    dengan    Penambahan

Surfaktan,    Jurnal   Nanosains &

Nanoteknologi, 2(1): 48-51.

Wahi, R. K., Yu, W. W., Liu, Y., Mejia, M. L., Falkner, J. C., Nolte, W., and Colvin, V. L., 2005, Photodegradation on Congo Red Catalyzed By Nanosized TiO2, Journal of Molecular Catalysys A : Chemical, 242: 48-56

Xu, H., Yu, T., Liu, J., 2014, Photodegradation of Acid Yellow 11 in Aqueous on Nano-ZnO/Bentonite Under Ultraviolet and Visible Light Irradiation, Materials Latters, 117: 263-265

76