Transformation and Composition Evolution of Nanoscale Zero Valent Iron (nZVI) Synthesized by Borohydride Reduction in Static Water Jing Liu, Wei-xian Zhang Transformasi dan Komposisi Evolusi Nanopartikel Besi Bervalensi Nol (nZVI) yang Disintesis oleh Reduksi Borohidrat dalam Air Dikaji sebagai salah satu prasyarat lulus dalam mata kuliah Seminar Kimia Oleh Yuliana Dewi Anugrah 3325120249 Program Studi Kimia JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA 2015
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Transformation and Composition Evolution of Nanoscale Zero Valent
Iron (nZVI) Synthesized by Borohydride Reduction in Static Water
Jing Liu, Wei-xian Zhang
Transformasi dan Komposisi Evolusi Nanopartikel Besi Bervalensi Nol
(nZVI) yang Disintesis oleh Reduksi Borohidrat dalam Air
Dikaji sebagai salah satu prasyarat lulus dalam mata kuliah
Seminar Kimia
Oleh
Yuliana Dewi Anugrah
3325120249
Program Studi Kimia
JURUSAN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA
2015
i
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Allah SWT Yang Maha Mendengar lagi Maha
Melihat dan atas segala limpahan rahmat, taufik, serta hidayah-Nya
sehingga penulis dapat menyelesaikan karya tulis ini sesuai dengan waktu
yang telah direncanakan.
Penyusunan karya tulis adalah salah satu tugas untuk dapat
menyelesaikan mata kuliah Seminar Kimia, Program Studi Kimia 2012.
Sumber materi penulisan didapatkan dari artikel-artikel hasil penelitian dan
buku - buku teks kimia.
Tak lupa penulis ucapkan terimakasih kepada Bapak Setia Budi M,
Sc. selaku dosen pembimbing yang telah membantu dalam mengerjakan
karya tulis ini. Penulis juga mengucapkan terimakasih kepada kedua
orang tua serta teman-teman mahasiswa yang sudah memberi kontribusi,
baik langsung maupun tidak langsung dalam pembuatan karya tulis ini.
Penulis menyadari bahwa karya tulis ini masih jauh dari
kesempurnaan, maka saran dan kritik yang konstruktif dari semua pihak
sangat diharapkan demi penyempurnaan makalah ini.
Pada akhirnya hanya kepada Allah SWT penulis kembalikan semua
urusan dan semoga karya tulis ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Semoga Allah SWT meridhoi dan mencatat sebagai ibadah disisi - Nya.
Aamiin.
Jakarta, 31 Maret 2015
Penulis
ii
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ............................................................................. i
DAFTAR ISI ......................................................................................... ii
DAFTAR GAMBAR ............................................................................. iv
DAFTAR TABEL .................................................................................. v
DAFTAR LAMPIRAN .......................................................................... vi
INTISARI ............................................................................................ vii
BAB I. PENDAHULUAN ...................................................................... 1
BAB II. KAJIAN TEORI ....................................................................... 4
A. Nanopartikel ............................................................................. 4
B. Nanoscale Zero Valent Iron (nZVI) .......................................... 6
C. Sintesis nZVI dengan Reduksi Borohidrat ............................... 7
D. Instrumen Karakterisasi ........................................................... 9
BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ............................................... 16
A. Alat dan Bahan ...................................................................... 16
B. Prosedur Percobaan .............................................................. 16
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ................................................ 18
A. Analisis Transmission Electronic Microscopy (TEM).............. 18
B. Analisis X-ray diffraction (XRD).............................................. 20
C. Analisis X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)................. 22
iii
BAB V. KESIMPULAN ...................................................................... 26
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................... 27
LAMPIRAN
iv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. Skema Diagram untuk Sintesis Nanopartikel Besi .................... 9
Gambar 2. Bagian Dasar Alat TEM ............................................................. 11
Gambar 3. Bagan Instrumentasi XPS ......................................................... 12
Gambar 4. Prinsip Kerja XPS ...................................................................... 13
Gambar 5. Berkas Sinar-X pada XRD ........................................................ 14
Gambar 6. Rangkaian Alat XRD ................................................................. 14
Gambar 7. Hasil Difraksi Sinar X ................................................................ 15
Gambar 8. Gambar TEM dari nZVI Berusia di Air ....................................... 19
Gambar 9. Analisis XRD dari nZVI dalam air statis ..................................... 21
Gambar 10.Analisis XPS dari daerah Fe 2p untuk nZVI berusia 5-90 hari .. 23
Gambar 11.Daerah O 1s untuk nZVI yang berusia 5-90 hari ....................... 24
v
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Rasio antara -OH dan ≡O- dalam produk penuaan .............. 25
vi
DAFTAR LAMPIRAN
Kartu Bimbingan
Artikel
vii
INTISARI
Reaktivitas nanopartikel besi bervalensi nol (nZVI) terhadap kontaminan
yang ditargetkan dipengaruhi oleh komposisi nZVI awal dan oksida besi
yang terbentuk selama proses penuaan pada sistem perairan. Dalam
penelitian ini, efek umur dari nZVI, dipreparasi dengan menggunakan
metode reduksi borohidrida dalam air statis selama 90 hari. Penelitian ini,
menggunakan alat X-ray diffraction (XRD) dan X-ray Photoelectron
Spectroscopy (XPS) untuk mengkarakterisasi produk korosi nZVI. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa, baik struktur dan komposisi dari produk
korosi berubah seiring dengan berjalannya waktu. Dalam media air statis,
produk nZVI saat berusia 5 hari sebagian besar yaitu magnetit (Fe3O4)
dan maghemite (ɣ-Fe2O3), disertai dengan lepidocrocite (ɣ-FeOOH). Saat
produk berusia 10 hari, data XRD menunjukkan adanya pembentukan
ferihidrit dan lepidocrocite. Ketika berusia hingga 90 hari, produk utama
yang di hasilkan yaitu ɣ-FeOOH yang bercampur dengan sejumlah kecil
Fe3O4 dan ɣ-Fe2O3. Hasil dari analisis menggunakan Transmission
Electronic Microscopy (TEM) menunjukkan bahwa, bentuk struktur kulit inti
berubah menjadi bentuk bola berongga setelah berumur 30 hari di media
air. Hasil pertama menunjukkan bahwa ion besi di inti Fe(0) berdifusi
menuju kulit, dan muncul cekungan pada lapisan luar oksida besi.
Kemudian, kulit besi oksida terkikis dan menjadi serpihan, strukturnya
berbentuk lancip. Jenis dan fase kristal dari mineral besi oksida sangat
berbeda pada berbagai waktu penuaan. Penelitian ini membantu
menjelaskan pola terjadinya oksida besi tertentu dalam kondisi alam yang
berbeda.
Kata Kunci: Transformasi, Usia nZVI, Karakterisasi, Air statis
1
BAB I
PENDAHULUAN
Pencemaran air merupakan masalah global utama yang
membutuhkan evaluasi dan revisi kebijakan sumber daya air pada semua
tingkat (dari tingkat internasional hingga sumber air pribadi dan sumur).
Telah dikatakan bahwa polusi air adalah penyebab terkemuka di dunia
untuk kematian dan penyakit, tercatat atas kematian lebih dari 14.000
orang setiap harinya. Selain disebabkan oleh sampah, pencemaran ini
juga disebabkan oleh limbah pabrik. Terlebih oleh pabrik yang tidak
mengelola limbah dengan baik dan membiarkan serta membuang limbah
tersebut begitu saja. Hal inilah yang menjadi penyebab utama
pencemaran air. Logam berat, pelarut senyawa organik, dan minyak bumi
merupakan contoh bahan dengan nilai kontaminasi terbesar.
Atas dasar fenomena inilah dilakukan cara alternatif sebagai
bentuk remediasi lingkungan air dengan menggunakan nanopartikel besi
bervalensi nol (nZVI). nZVI telah sering digunakan sebagai nanomaterial
reaktif untuk menanggulangi polutan organik dan anorganik dalam air
limbah dan air tanah yang terkontaminasi.
Reaktivitas tinggi nZVI berhubungan dengan struktur kulit inti nya,
yang terdiri dari inti logam besi (Fe(0)) yang di enkapsulasi oleh lapisan
oksida tipis. Inti Fe(0) dalam nZVI teroksidasi pada reaksi dengan air dan
oksigen yang menyebabkan logam besi habis untuk membentuk oksida
besi dan hidroksida. Oleh karena itu, penting untuk mengidentifikasi
komposisi kimia dan tingkat oksidasinya. Komponen tersebut memiliki
gambaran tentang hasil akhirnya, proses dan toksisitas nZVI yang
digunakan untuk remediasi air tanah selama perubahan kimia pada
permukaan nZVI.
2
Batch jangka panjang, kolom, dan studi lapangan pada besi
bervalensi nol (ZVI) telah menunjukkan bahwa lapisan oksida mengalami
perubahan seiring dengan berjalannya waktu dan menjadi campuran
kompleks oksida amorf besi, garam besi dan endapan mineral lainnya.
Reaksi heterogen pada permukaan korosi ZVI kompleks dan
mengakibatkan berbagai permukaan lain reaktif untuk menghilangkan
kontaminan. Pengamatan terhadap umur panjang besi granular dalam air
tanah sudah dipelajari sebelumnya dan perbedaan kandungan kimia pada
air tanah mempengaruhi produk korosi. Beberapa penelitian sebelumnya
dilaporkan telah mempelajari karakterisasi permukaan korosi atau sifat
penuaan nZVI dalam kondisi yang bervariasi. Adapun, variasi komponen
dan struktur tersebut antara lain adalah jenis besi, identitas kontaminan,
komposisi larutan, dan media lingkungan. Telah tersedia nZVI secara
komersial, yang diproduksi oleh reduksi hidrogen oksida besi, bernama
RNIP (FeH2) yang berasal dari Toda Kogyo Corp (Jepang). Ketika kulit
RNIP yang dimodifikasi didiamkan dalam air, goethite terbentuk dengan
cara penambahan Fe(0) dan magnetit. Bila dipreparasi dengan
menggunakan metode reduksi borohidrida, nZVI dilambangkan sebagai
nZVIBH. Reaktivitas terhadap transformasi nitrat dan karakteristik penuaan
dari dua jenis nanopartikel Fe (nZVIBH dan Fe RNIP nanopartikel), juga
telah di selidiki. Hasil penelitian menunjukkan bahwa lapisan kulit
nanopartikel FeBH yang dipasivasi lebih luas dibandingkan RNIP selama
modifikasi kulit untuk memproduksi nanopartikel besi yang stabil di udara.
Selain itu, RNIP yang berusia di air tanah simulasi dievaluasi untuk
mengetahui perubahan komposisi dan spesiasi lebih dari enam bulan
untuk memahami kemungkinan transformasi dalam air alami. Pengaruh
penuaan pada CCl4, serta degradasi CCl4 menggunakan RNIP yang
direndam dalam larutan pada interval waktu yang berbeda telah di selidiki.
Ditemukan bahwa RNIP menjadi lebih reaktif antara ~0 dan 2 hari paparan
air, dan kemudian RNIP secara bertahap kehilangan reaktivitas selama
beberapa ratus hari ke depan. Setelah dimodifikasi dengan gas inert / inert
3
semu, termasuk argon, nitrogen, dan karbon dioksida, kemudian nZVIBH
didiamkan pada kondisi lembab dan kering. Reaktivitas menurun ketika
waktu penuaan meningkat. Reaktivitas nanopartikel yang disimpan dalam
kondisi lembab mengalami penurunan yang lebih besar dibandingkan
dengan nZVIBH yang disimpan dalam kondisi kering. Berdasarkan
penelitian lain, ketika nanopartikel logam Fe/Pd didiamkan selama 24 jam,
reaktivitasnya juga mengalami penurunan. Penurunan reaktivitas
disebabkan karena Fe/Pd terselimuti oksida besi selama proses penuaan.
Sampai saat ini terdapat beberapa laporan yang sistematis mengenai
korosi nZVIBH saat terpapar air dengan waktu yang lama, terutama proses
evolusi, morfologi, struktur, dan komposisi nZVIBH selama proses
penuaan. Pengamatan jangka panjang dari struktur dan komponen evolusi
nZVIBH dalam media air akan membantu untuk mengembangkan model
untuk memprediksi seumur hidup dan reaktivitas dalam keadaan lapangan
yang berbeda.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menyelidiki evolusi
morfologi, struktur, dan komposisi dari nZVIBH (dilambangkan sebagai
nZVI dalam konteks berikut) dari waktu ke waktu serta kandungan kimia
kulit inti untuk menentukan komposisi lapisan oksida ketika berusia dalam
media air statis selama 90 hari. Evolusi morfologi, struktur, dan komposisi
dari nZVI dikaji oleh Transmission Electronic Microscopy (TEM), X-ray
Photoelectron Spectroscopy (XPS) dan X-ray Diffraction (XRD). Teknik ini
memberikan informasi pelengkap mengenai nanopartikel besi. Sifat dan
komposisi oksida besi yang meliputi inti logam akan mempengaruhi
transfer elektron dan selanjutnya mempengaruhi reaktivitas nZVI yang
berusia. Sebuah karakterisasi rinci perubahan potensial mineralogi
penting untuk memahami bagaimana struktur nZVI berinteraksi dengan
kandungan kimia dalam kulit inti. Studi tentang pengaruh penuaan pada
nZVI sering dilakukan karena jumlah yang banyak dan pentingnya oksida
besi dalam banyak proses alam dan dekat permukaan bumi.
4
BAB II
KAJIAN TEORI
A. NANOPARTIKEL
Nanopartikel secara umum didefinisikan sebagai atom atau
molekul yang berukuran <100nm. Nanometer yaitu sama dengan 10-9 m
atau 10 A sehingga partikel dengan ukuran <1000 A dianggap sebagai
nanopartikel (Poole dan Owens, 2003). Nanopartikel dapat dibuat dari
bahan dengan berbagai sifat kimia, yang paling umum yaitu logam,
logam oksida, silikat, seramik non-oksida, polimer, bahan organik,
karbon, dan biomolekul. Nanopartikel terdapat dalam beberapa
morfologi antara lain yaitu bulat, silinder, platelet, tabung, dll. Umumnya
pernukaan nanopartikel akan dimodifikasi untuk menghasilkan aplikasi
yang lebih spesifik (Nagarajan dan Hatton, 2008)
Nanoteknologi mulai memungkinkan para ilmuwan, ahli kimia,
dan dokter untuk bekerja di tingkat molekuler dan sel untuk
menghasilkan kemajuan penting di bidang ilmu pengetahuan dan
kesehatan. Penggunaan bahan nanopartikel menawarkan keuntungan
besar karena ukuran mereka yang unik dan sifat fisikokimia yang
sangat berbeda. Penelitian nanopartikel sedang berkembang pesat
karena dapat diaplikasikan secara luas seperti dalam bidang
lingkungan, elektronik, optis dan biomedis.
Perkembangan ini tidak hanya dalam bidang rekayasa material,
melainkan juga bidang genetika dan rekayasa kimia. Hal ini disebabkan
karena semakin kecil ukuran kristal suatu material, maka luas
permukaanya akan semakin besar sehingga material dalam orde
nanometer mempunyai jarak antar atom yang sangat kecil akan
memudahkan terjadinya reaksi antar atom. Dengan luas permukaan
yang semakin besar, maka peluang untuk bereaksi lebih besar karena
setiap partikel yang bereaksi dengan partikel lain bergantung dari luas
5
permukaannya, sehingga memberikan energi bebas permukaan yang
lebih tinggi untuk nanopartikel dibanding skala bulk, artinya reaksi
respon lebih besar dan kinerjanya lebih tinggi. Itu merupakan
keunggulan material dalam skala nano dibanding skala bulk. Selain itu
ada sifat baru yang tengah gencar diteliti mengenai sifat kemagnetan
bahan nanopartikel, yaitu mengalami perubahan sifat kemagnetan
ketika ukuran kristalnya diperkecil menjadi ukuran nanopartikel, yaitu
berubah menjadi ferromagnetik dan superparamagnetik.
Berbagai jenis nanomaterial yang dapat digunakan di dalam
pengolahan limbah antara lain (Tyagi, 2012):
1. Polimer dendrite, termasuk polimer dendrigraft, Dendron, dan
dendrimer
Dendrimer dapat dijumpai dalam beragam bentuk
(kerucut, bola, dan cakram) dan ukuran (antara 2-20 nm).
Salah satu penelitian yang dilakukan oleh Diallo (2005)
membuktikan bahwa dendrimer dapat digunakan untuk
pembaruan ion tembaga (Cu[II]) dari dalam larutan. Polimer
dendrite juga dapat dimanfaatkan sebagai ligan bagi logam
beracun.
2. Oksida logam termasuk titanium oksida (TiO2), zink oksida
(ZnO), dan cerium oksida (CeO2)
Oksida-oksida logam tersebut memiliki luas
permukaan yang besar sehingga cocok untuk dimanfaatkan
sebagai adsorben dalam proses pemurnian air. TiO2 dan
Ce2O nano digunakan dalam oksidasi elektrokatalitik untuk
penyisihan senyawa organik dan COD. Nanopartikel zink
oksida dapat dimanfaatkan untuk penyisihan arsenik dari
dalam air.
6
3. Nano partikel zeolite
Zeolit dimanfaatkan sebagai media pertukaran ion
untuk ion logam dan merupakan sorben yang efektif untuk
penyisihan ion logam. Beberapa logam berat dari limbah
electroplating dan air asam tambang yang dapat disisihkan
menggunakan zeolit yaitu Cr(III), Ni(II), Zn(II), Cu(II), dan
Cd(II).
4. Nano partikel berbasis karbon
Nano partikel berbasis karbon memiliki kapasitas dan
selektivitas yang tinggi bagi polutan organik di dalam air
sehingga dimanfaatkan sebagai sorben. Buckyballs, carbon
nanotube (CNT), nano diamonds, dan nanowires merupakan
contoh-contoh nano partikel berbasis karbon. CNT dengan
dinding berlapis digunakan dalam penyusihan 2,4,6-
triklorofenol dan Cu(II).
5. Besi bervalensi nol (Zero Valent Iron, ZVI)
ZVI berguna untuk remediasi air, sedimen, dan tanah
dengan cara mengurangi kontaminan (nitrat, trikloroetena, dan
tetrakloroetena)
Beberapa faktor yang dapat mempengaruhi kinerja nanomaterial
di dalam pengolahan limbah antara lain pH, kandungan ion di dalam air,
keberadaan kontaminan lain, dan temperatur (DiSalvo Jr, 2008).
B. NANOSCALE ZERO VALENT IRON (nZVI)
Nanoscale Zero Valent Iron (nZVI) adalah nanopartikel besi yang
memiliki valensi nol. Ukuran partikel nZVI biasanya yaitu kurang dari
100 nm. NZVI terdiri dari inti logam besi (Fe(0)) yang di enkapsulasi
oleh lapisan oksida tipis (Martin et al., 2008; Rao et al., 2009). Inti Fe(0)
dalam nZVI teroksidasi pada reaksi dengan air dan oksigen yang
7
menyebabkan logam besi habis untuk membentuk oksida besi dan
hidroksida.
Besi bervalensi nol dalam skala mikro (ZVI) telah lama diakui
sebagai donor elektron yang sangat baik dengan kecenderungan untuk
melepaskan elektron di lingkungan perairan (Zhang dan Elliott 2006).
Penelitian menunjukkan bahwa menggunakan ZVI pada skala nano
lebih efisien dalam proses remediasi dengan biaya yang lebih murah.
(US EPA 2008).
Teknologi nanopartikel besi bervalensi nol telah menarik banyak
perhatian. Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa NZVI sangat
efektif untuk pengolahan air tanah yang terkontaminasi dengan
menargetkan atau menyerap kontaminan seperti metana chlorinated,
metana brominated, trihalomethanes, ethenes diklorinasi, benzena dan
hidrokarbon diklorinasi polychlorinated lainnya (EU paper, 2009).
Nanopartikel ini juga dapat digunakan untuk proses
dekontaminasi partikel radioaktif di dalam air. Nanopartikel besi sangat
efektif terhadap senyawa-senyawa klorin dan dapat bertahan aktif
selama 6 minggu sampai dengan 8 minggu. Nanopartikel ini juga tetap
bersifat aktif dalam rentang pH, suhu dan unsur-unsur hara tanah yang
cukup lebar. Studi menunjukkan proses dekontaminasi menggunakan
nanopartikel besi efektif ~25.000 m2/kg atau setara dengan ~1000 m2/
dollar. Hal tersebut terlihat bahwa proses untuk mendekontaminasi air
tanah menggunakan nanopartikel besi ini sangatlah efektif dan murah.
Besi bervalensi nol (Fe0) sangat rentan terhadap korosi dalam
media air, yang teroksidasi menjadi Fe2+ (proses cepat) dan Fe3+
(proses lebih lambat). Di perairan alami oksidan yang lebih disukai
adalah oksigen terlarut, kehadirannya menghasilkan produk korosi yang
cepat sesuai dengan persamaan (1). Fe2+ dapat teroksidasi kembali
menjadi Fe3+ oleh oksigen terlarut (persamaan (2)) dengan
8
pengendapan besi hidroksida sukar larut (karat). Selain itu, korosi dapat
terjadi juga dalam kondisi anaerob dengan menggunakan air sebagai
oksidan dan memproduksi molekul hidrogen (persamaan (3)) (Tiziana,