Penurunan Konsentrasi Besi Dalam Air Secara Oksidasi Kimia Lanjut (Fotokimia Sinar Uv Dan Uv-Peroksidasi) Elfiana 1 1 Staf Pengajar email : elfiana_72@yahoo.com ABSTRAK Air yang mengandung besi terlarut (Fe 2+ ) tanpa kehadiran oksigen terlihat jernih, tetapi begitu kontak dengan udara berubah menjadi keruh dan berwarna kuning kecoklatan. Salah satu metode untuk mengolah air yang mengandung besi terlarut adalah oksidasi kimia lanjut dengan oksidator radikal hidroksil (HO ). Radikal hidroksil terbentuk dari sinar UV yang dipancarkan ke dalam air, atau kombinasi sinar UV dengan hidrogen peroksida. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui persentase penurunan konsentrasi besi terlarut menggunakan proses Fotokimia sinar UV, UV-Peroksidasi, dan hasilnya dibandingkan dengan proses oksidasi biasa, yaitu Aerasi, sehingga diketahui unjuk kerja dari setiap proses tersebut. Penelitian dilakukan dalam reaktor sistem batch skala laboratorium, menggunakan air artifisial FeSO 4. Waktu pengadukan divariasikan 30, 60, 90, 120, 150 dan 180 menit. Hasil penelitian menunjukkan bahwa proses UV-peroksidasi mempunyai kemampuan paling baik untuk menurunkan konsentrasi besi dalam air, yaitu sebesar 92,10%, sedangkan proses Fotokimia Sinar UV dan Aerasi masing-masing adalah 64,09% dan 32,49%. Kata Kunci: Besi terlarut, Fotokimia sinar UV, oksidasi kimia lanjut, radikal hidroksil, UV-Peroksidasi PENDAHULUAN Salah satu permasalahan umum masyarakat menyangkut masalah air adalah kondisi air tanah atau air sumur bor berwarna kuning kecoklatan setelah beberapa lama kontak dengan udara. Hal ini disebabkan air tanah dari struktur tanah daratan rendah dan berawa umumnya mengandung logam dan senyawa organik, dan paling dominan adalah besi bervalensi dua, baik senyawa besi sederhana maupun besi kompleks organik. Secara umum besi terlarut dalam air tanah antara 1,0-10 mg/l, namun tingkat kandungan besi sampai sebesar 50 mg/l dapat juga ditemukan dalam air tanah (Alaert G, 1984). Secara fisik, keberadaan besi dalam air menyebabkan air berwarna kuning kecoklatan, menimbulkan bau tidak enak, memberikan rasa amis dalam air dan memberikan kesempatan tumbuhnya bakteri pengguna besi di dalam sistem air distribusi, sehingga dapat mengganggu kesehatan. Kandungan besi maksimum yang diperbolehkan dalam Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia No.416/MENKES/PER/IX/1990 tanggal 3 September 1990 adalah 0,3 mg/l. Banyak metode telah dilakukan untuk menyisihkan logam besi dalam air, baik secara fisika maupun kimia. Proses kimia yang sering dilakukan adalah metode aerasi dan oksidasi 1
menggunakan kalium permanganat. Oksidasi dengan kalium permanganat menimbulkan endapan Mn 2+ yang berwarna hitam. Sedangkan pada metode aerasi, air hasil olahannya masih mengalami perubahan warna menjadi kuning kecoklatan setelah kontak dengan udara. Fenomena ini menggambarkan besi terlarut dapat membentuk senyawa organik kompleks dalam air, dan sulit dihilangkan melalui oksidasi biasa. Menurut Watt (1998) suatu senyawa kimia yang sulit dipecahkan melalui oksidasi kimia biasa dapat dioksidasi menggunakan radikal hidroksil (HO ). Radikal hidroksil merupakan substansi reaktif yang terbentuk dari hasil reaksi intermediate. Radikal hidroksil memiliki potensial oksidasi (E o =2,8V) lebih besar dibanding oksidator lainnya. Radikal hidroksil dapat terbentuk akibat simulasi pancaran sinar UV dan hidrogen peroksida pada teknologi oksidasi kimia lanjut (AOPs, Advanced Oxidation Processes). Cervera and Esplugas, 1983 dalam Jones (1999) menyebutkan bahwa pancaran sinar UV dapat menyebabkan peristiwa fotokimia dalam air, dimana terjadi penyerapan sumber energi oleh molekul senyawa kimia untuk menyelesaikan reaksi kimianya. Kombinasi hydrogen peroksida (H 2 O 2 ) dengan sinar UV pada proses AOPs dikenal dengan istilah UV- Peroksidasi. Beberapa penelitian telah menggunakan proses UV-peroksidasi untuk mengolah air dan limbah. UVperoksidasi mampu menurunkan 95% warna reaktif air limbah tekstil pada dosis H 2 O 2 0,05% selama waktu penyinaran 180 menit (Fifiani, 2004), dan mampu menurunkan 90% konsentrasi surfaktan dalam air (Hariawan S.W, 2004). Penelitian ini dilakukan untuk menyisihkan besi terlarut menggunakan metode oksidasi kimia lanjut, dengan mengandalkan aktivitas radikal hidroksil HO yang bersumber dari sinar UV (fotokimia) dan kombinasi sinar UV dengan hidrogen peroksida (UVperoksidasi). Metode ini diharapkan dapat memberi konstribusi lebih baik dibandingkan proses oksidasi kimia biasa (aerasi) untuk menurunkan kadar besi dalam air. Mekanisme reaksi fotokimia sinar UV dan UV-peroksidasi adalah sebagai berikut: H 2 O H 2 O 2 hv H + HO... (1) hv HO + HO... (2) Radikal hidroksil (HO ) yang terbentuk dapat mengoksidasi besi terlarut (Fe 2+ ) menjadi endapan besi (Fe 3+ ) dan memecah senyawa kompleks besi organik (Fe-R) menurut mekanisme reaksi berikut (Watts, 1998): Fe-R + HO Fe 2+ + RH.(3) Fe 2+ + HO Fe 3+ + OH -....(4) HO + RH R + H 2 O.(5) Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui kinerja proses oksidasi kimia lanjut (Fotokimia sinar UV dan UV-Peroksidasi) dan oksidasi kimia biasa (Aerasi) berdasarkan persentase penurunan konsentrasi besi terlarut dalam air dinyatakan dengan effisiensi removal besi (%R Fe[II] ) yang diperoleh. Hasil penelitian diharapkan dapat memberi informasi tentang kelayakan proses oksidasi kimia lanjut untuk pengolahan air yang mengandung besi terlarut. 2
METODOLOGI PENELITIAN Penelitian dilakukan pada sistem batch dalam skala laboratorium, menggunakan sampel air artifisial mengandung besi. Bahan dan Alat Bahan yang digunakan dalam penelitian adalah FeSO 4.7H 2 O; H 2 O 2 ; larutan standar Fe 2+ ( Fe(NH 4 ) 2 SO 4 ); HCl p.a; NH 2 OH.HCl; NH 4 C 2 H 3 O 2 ; H 2 SO 4 pekat; fenantrolin monohidrat dan aquades. Sedangkan alat yang digunakan adalah reaktor (beaker glass 2000 ml, diameter 12,8 cm, tinggi 19 cm, berjenis pyrex anti gores), lampu UV 10 Watt merk Elit SK F 10W T8 BLB, pengaduk elektrik dan magnetik stirrer, serta alat pendukung analisa. Rangkaian reaktor ditampilkan pada Gambar 1. Reaktor dilengkapi dengan stirrer dan penutup reaktor, terbuat dari bahan fiber yang dilapisi alumunium foil, diameter atas dan bawah masingmasing 30 cm dan 43,5cm, tinggi 41,5cm. Volume larutan efektif dalam reaktor adalah 1200 ml. Limbah artifisial digunakan Fe 2+ dengan konsentrasi 9 mg/l, yang dibuat berdasarkan kandungan Fe 2+ dalam air sumur bor Politeknik Negeri Lhokseumawe. 8 1 2 3 4 5 6 7 Keterangan gambar: 1. Lubang pengambilan sampel 5. Sampel air artifisial 2. Penutup reaktor 6. Meja 3. Reaktor 7. Stirrer & magnetik stirrer 4. Lampu UV 10 W (3 buah) 8. Saklar lampu dan sumber arus Gambar 1. Rangkaian peralatan reaktor utama (Fotokimia Sinar UV dan UV Peroksidasi) sistem batch 3
Pelaksanaan Penelitian Rancangan percobaan penelitian ditampilkan pada Tabel 1. Prosedur pengoperasian yang dilakukan adalah meliputi proses Aerasi (sebagai pembanding), Fotokimia Sinar UV dan UV-Peroksidasi, sebagai berikut: 1) Tiga buah reaktor utama (beaker glass 2 L) diletakkan di atas stirrer 2) Kedalam masing-masing reaktor dimasukkan sampel air 1,1 L mengandung x mg/l FeSO 4, 3) Hidupkan stirrer dan atur kecepatan pengadukan sampai tidak terjadi vortex (reaktor 1, Aerasi), selanjutnya lampu UV dinyalakan (reaktor 2, Fotokimia Sinar UV), bersamaan dengan saklar lampu UV dinyalakan, kedalam reaktor ditambahkan H 2 O 2 0,05% secara perlahan disertai dengan pengadukan dengan stirrer, dan dicatat sebagai waktu t menit (reaktor 3, UV- Peroksidasi) 4) Pengadukan dan penyinaran di masing-masing reaktor dilakukan selama 60, 120, dan 180 menit. 5) Perubahan ph dan konsentrasi Fe 2+ diamati setiap waktu pengadukan dan penyinaran (60 menit, 120 menit dan 180 menit). Metode Analisa Perubahan konsentrasi Fe 2+ setiap waktu diukur menggunakan metode Spektrofotometri menurut acuan Standard Methods for The Examination of Water and Wastewater 20 th Edition (1998) dan Standard Nasional Indonesia, BSN (2005). HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Jenis Proses Oksidasi terhadap Konsentrasi Fe 2+ Proses Aerasi, Fotokimia Sinar UV, dan UV-Peroksidasi dapat menurunkan konsentrasi besi terlarut. Perubahan Konsentrasi Fe 2+ menggunakan Proses Aerasi, Fotokimia Sinar UV, dan UV- Peroksidasi Selama Waktu 60-180 menit ditampilkan pada Tabel 2. Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa proses UV-peroksidasi dapat menurunkan konsentrasi besi dari 9,1 mg/l menjadi 0,7 mg/l, sedangkan proses Fotokimia Sinar UV dan Aerasi hanya dapat menurunkan konsentrasi besi masing-masing sampai 3,3 mg/l dan 6,1 mg/l. Hal ini menunjukkan kemampuan UV-peroksidasi lebih baik daripada Fotokimia Sinar UV dan Aerasi. Hidrogen peroksida (H 2 O 2 ) adalah oksidator kuat (potensial oksidasi 1,8 V), tetapi tidak sekuat radikal hidroksil (HO, dengan potensial oksidasi 2,8 V). Radikal hidroksil dapat terbentuk akibat adanya energi foton yang dipancarkan oleh sinar UV terhadap suatu molekul senyawa berikatan H-O, seperti air dan H 2 O 2.Akan tetapi aktivitas air untuk menyerap energi foton sinar UV tidak sereaktif aktivitas hidrogen peroksida. Tabel 1. Rangka Percobaan Penelitian Utama Variabel Perlakuan Proses Aerasi Sinar UV Sinar UV + H 2 O 2 Waktu penyinaran (menit) 60 120 180 60 120 180 60 120 180 4
Tabel 2. Perubahan Konsentrasi Fe 2+ Pada Proses Aerasi, Fotokimia Sinar UV, dan UV-Peroksidasi Selama Waktu 60-180 menit Jenis Proses Oksidasi Aerasi Sinar UV Sinar UV + H 2 O 2 Waktu Pengadukan (menit) Perubahan Konsentrasi Fe 2+ (mg/l) %R (Fe 2+ ) 0 9,1 0,00 60 8,0 12,38 120 7,5 18,13 180 6,1 32,49 0 9,1 0,00 60 7,1 22,44 120 4,8 46,86 180 3,3 64,09 0 9,1 0,00 60 5,8 36,80 120 1,8 79,89 180 0,7 92,10 Gambar 3. Profil perubahan konsentrasi besi (Fe 2+ ) pada berbagai waktu pengadukan, menggunakan proses Aerasi, Fotokimia Sinar UV dan UV- Peroksidasi Berdasarkan persamaan reaksi (1) dan (2) diatas sebelumnya, yaitu: H 2 O hv H + HO... (1) H 2 O 2 hv HO + HO... (2) dapat dilihat bahwa air dengan adanya penyinaran sinar UV dapat menghasilkan satu molekul radikal hidroksil, sedangkan hydrogen peroksida bersama sinar UV dapat menghasilkan dua molekul radikal hidroksil. Fenomena ini menjelaskan bahwa kombinasi hydrogen peroksida dan sinar UV atau disebut UV-peroksidasi akan menghasilkan reaksi yang lebih reaktif karena menghasilkan radikal hidroksil lebih banyak dibanding Fotokimia Sinar UV atau proses Aerasi sekalipun. Profil arah perubahan konsentrasi besi dari ketiga proses oksidasi kimia dimaksud tersebut ditampilkan dalam Gambar 3. 5
Gambar 3 memperlihatkan bahwa semakin lama waktu kontak (pengadukan) maka konsentrasi besi terlarut semakin menurun, baik proses Aerasi, Fotokimia Sinar UV maupun UV-peroksidasi. Namun arah perubahan konsentrasi besi dari proses UV-peroksidasi memberikan hasil yang lebih baik dibanding dengan proses Aerasi dan Fotokimia Sinar UV. Hal ini disebabkan adanya radikal hidroksil yang terbentuk selama reaksi oksidasi besi berlangsung. Reaksi Fotokimia sinar UV yang terjadi adalah mengikuti persamaan reaksi (1) dan (4), untuk reaksi UV-peroksidasi mengikuti persamaan (1) dan (4), sedangkan untuk reaksi Aerasi mengikuti persamaan reaksi (6) : Pada proses Aerasi, oksidator yang berperan adalah O 2 yang memiliki potensial oksidasi 0,8V, sedangkan pada Fotokimia Sinar UV dan UVperoksidasi oksidator berperan adalah radikal hidroksil yang memiliki potensial oksidasi 2,8 V. Berdasarkan nilai potensial oksidasi ini dapat menjelaskan bahwa Fotokimia Sinar UV akan menghasilkan reaksi lebih baik dibanding Aerasi. Jika Fotokimia Sinar UV dibandingkan dengan UVperoksidasi, maka hasil reaksi yang diberikan oleh UV-peroksidasi akan lebih baik, karena jumlah oksidator radikal hidroksil yang terbentuk selama reaksi adalah lebih banyak. Oleh karena itu dalam penelitian ini penurunan konsentrasi besi terbesar adalah menggunakan proses UV-peroksidasi Persentase Penurunan Konsentrasi Fe 2+ (%R) Persentase penurunan konsentrasi Fe 2+ atau dinyatakan sebagai persen removal senyawa besi (%R) atau dinyatakan sebagai effisiensi penurunan konsentrasi besi didefinisikan sebagai persentase besarnya perubahan konsentrasi besi dari awal reaksi sampai reaksi berlangsung pada waktu tertentu, dapat ditulis sesuai dengan persamaan 7. Hasil perhitungan persen removal senyawa besi dapat diinterprestasikan sebagai unjuk kerja atau performance proses oksidasi kimia yang berlangsung. Dari hasil penelitian yang diperoleh dapat menjelaskan bahwa untuk ketiga proses oksidasi (Aerasi, Fotokimia Sinar UV, dan UVperoksidasi) adalah semakin lama waktu pengadukan dan penyinaran, maka semakin besar persen removal senyawa besi yang diperoleh. Persentase Penurunan Konsentrasi Fe 2+ Menggunakan Tiga Proses Oksidasi Kimia (Aerasi, Fotokimia Sinar UV dan UV-peroksidasi) pada berbagai waktu pengadukan diperlihatkan pada Gambar 4. 4Fe 2+ + O 2 + 10H 2 O 4Fe(OH) 3 + 8H +... (6) 2 2 Konsentrasi Fe ( mula mula) Konsentrasi Fe ( padawaktu t) % R x 100%...(7) 2 Konsentrasi Fe ( mula mula) 6
Gambar 4. Persentase Penurunan Konsentrasi Fe 2+ Menggunakan Tiga Proses Oksidasi Kimia (Aerasi, Fotokimia Sinar UV dan UV-peroksidasi) pada berbagai waktu pengadukan Gambar 4 memperlihatkan bahwa persentase penurunan konsentrasi besi (%R) terbesar adalah menggunakan proses UV-peroksidasi, kemudian diikuti Fotokimia Sinar UV dan Aerasi. Semakin lama waktu pengadukan dan penyinaran maka semakin besar %R yang diperoleh. Persentase penurunan konsentrasi besi terbesar adalah 92,10% pada waktu 180 menit menggunakan proses UV-Peroksidasi, sedangkan proses Aerasi dan Fotokimia Sinar UV menurunkan konsentrasi Fe 2+ masingmasing adalah 32,49% dan 64,09%. Hal ini menunjukkan bahwa kemampuan proses UV-Peroksidasi adalah paling baik dibanding proses Aerasi dan Sinar UV. KESIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat diketahui bahwa persentase penurunan konsentrasi besi dari proses UV-Peroksidasi adalah 92,10%, sedangkan proses Fotokimia Sinar UV dan Aerasi masing-masing adalah 64,09% dan 32,49%, sehingga dinyatakan proses UV-Peroksidasi memiliki unjuk kerja yang paling baik dibanding proses Fotokimia Sinar UV dan Aerasi. DAFTAR PUSTAKA Alaerts, G., Santika, S.S., 1984, Metode Penelitian Air, Penerbit Usaha Nasional, Surabaya Benefield, L.D., Randall, 1980, Process Chemistry for Water and Wastewater Treatment, Prentice Hall Inc., Englewood Cliff, New Jersey Fifiani, M, Rahmat, B. (2004), Studi Penurunan Warna Reaktif pada Air Limbah Tekstil dengan Proses Fotokimia, Jurnal Purifikasi, 5,85-90 Hariawan, S.W., Agustina, S., 2004, Studi Penurunan Konsentrasi Surfaktan dengan Oksidasi UV- H 2 O 2, Jurnal Purifikasi, Vol.5, No.3, 127-132 Jones, C.W. (1999), Aplication of Hydrogen Peroxide and 7
Derivatives, Published by The Royal Society of Chemistry, Thomas Graham House, Science Park, Milton Road Combridge CB4 0WF, UK, 207-216 Keenan, dkk. (1984), Kimia Untuk Universitas, Edisi ke-6, Jilid-1, Penerbit Erlangga, Jakarta, 512-543 Metcalf and Eddy. (2003), Wastewater Engineering Treatment and Reuse, McGraw Hill, 95-99, 257-269, 517-523, 1196-1202 Noyes, R. (1994), Unit Operation in Environmental Engineering, Noyes Publication, New Jersey. Rodriquez, M. (2003), Fenton and UVvis Based Advanced Oxidation Processes in Wastewater Treatment: Degradation, Mineralization, and Biodegradability Enhancement, Thesis Program Magister, Universitas Bercelona, Departemen Teknik Kimia dan Metalurgi, Bercelona, 22-91 Rohmatun. 2006. Studi Penurunan Kandungan Besi (Fe-EDTA) dalam Air Tanah dengan Oksidasi H 2 O 2 - UV, Institut Teknologi Bandung. Said, N.S., 1999, Kesehatan Masyarakat dan Teknologi Peningkatan Kualitas Air, Direktorat Teknologi Lingkungan Deputi Bidang Teknologi Informasi, Energi, Material, dan Lingkungan, Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi Sawyer, C.N., McCarty, P.L., Parkin, G.F. (1994), Chemistry for Environmental Engineering, McGraw Hill International Edition, 83-89, 252-254, 460-461. Watts, J.R. (1998), Hazardous Waste: Sources, Pathways, Recycles, John Willey & Sons Inc, New York, 352-362, 568-570, 615-620 8