Penguraian Pentaklorofenol dalam Air dengan Iradiasi Gamma
PENGUKAIAN PENTAKLOROFENOL DALAM AIR
DENGAN IRADIASI GAMMA
AGUSTIN SUMARTONO
PROGRAM PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2002
AGUSTIN SUMAK~I'ONO. Penguraian Pentaklorofenol dalam Air dengan lradiasi
Gamma. Dibimbiny olch ZAINAL ALIM dan M.ANWAR NUR
I'enguraian pcri~aklorolknol(I'CI') sebagai model polutan orsanik tahan-urai
dilakukan dengan irad~asi%amma. I'enguraian ini dipengaruhi oleh pH. dosis, dan
laju dosis. Ilalarn pcnclitian ini dipelajari pengaruh dosis, laju dosis. pH, dan
konsentrasi PCI'. I)I saniping itu hasil penguraian PCP setelah diiradiasi diamati
antara lain lewat penyukuran asam-asam organik, ion klor yang terbentuk. dan daya
hantar listrik. lradiasi dilakukan dengan variasi dosis 0-10 kGy dan variasi laju dosis
0,5 dan I kGy/jam. Parameter analisis yang dilakukan ialah perubahan spektrum, pH,
ion klor dan asarn-asam organik yang terbentuk, pengukuran sisa I'CI'. dan daya
hantar listrik. pH 7 mcrupakan pH optimum untuk penguraian I'CP I'enguraian PCP
dapat dilakukan pada dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGyIjam, dan ptl 7 I'ada kondisi
irii penguraian terjadi sebanyak 83%. Setelah diiradiasi intensitas serapan PCP pada
panjang g e l o m b a r l ~220. 250, dan 320 nm menurun dengan m e n i n ~ k a t n v adosis
radiasi. I'enurunan pH setelah diiradiasi rnenunjukkan bahwa molekul PCP telah
terurai rnenjadi scnyawa dengan bobot molekul lebih kecil yang bersifat asam. Hasil
penguraian yang dapat dideteksi dengan kromatografi cair kinerja tinggi berupa asam
oksalat. Pembentukan inn klorida dan meningkatnya nilai daya hantar listrik
nienunjukkan bahwa I'('1' telah terurai.
Surat pernyataan
Bersania
ini
saya
menyatakan bahwa
tesis yang berjudul
"l'enguraian
pentaklorofenol dalam air dengan iradiasi gamma" adalah benar merupakan hasil
karya saya sendiri dan belurn pernah dipublikasikan. Semua surnber dan inforrnasi
telah diupayakan dan jelas dapat diperiksa kebenarannya.
Jakarta 17 Oktober- 2002
Agustin Sumanono
I'ENGtJKAIAN YENTAKLOROFENOL DALAM AIR
DENGAN IRADIASI GAMMA
AGllSTlN SLJRIAKTONO
Tesi s
sebagai salah satu syarat untuk mernperoleh gelar
Magister Sains pada
Progl-an1Studi Kirnia
I'KOGRAR4 PASCASAK,IANA
INS'I'I'T~ITPEKrI'ANI.AN ROGOR
ROGOU
2002
Judul Tesis
Nama
NIM
Program Studi
: Penguraian Pentaklorofenol dalam Air dengan Iradiasi Gamma
: Agustin Sumartono
: P34500005
: Kimia
Menyetujui
1 . Komisi Pembimbing
Dr. Zainal Alim Mas'ud. DEA
Ketua
Anggota
Mengetahui,
2. Ketua Program Studi Kimia
Tanggal lulus: 17 Oktober 2002
Penulis dilahirkan di Brebes pada tanggal 18 Agustus 195 1 sebagai anak ke
empat dari enam bersaudara pasangan R. Soemartono dan Kamaroekmi. Pendidikan
sarjana di tempuh di Jurusan Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Nusa Bangsa,
Bogor. lulus tahun 1999.
Penulis bekerja di Puslitbang Teknologi Isotop dan Radiasi, Batan Jakarta,
sejak tahun 1971. Pekerjaan yang dilakukan selama ini antara lain isolasi dan struhur
elusidasi dari ekstrak tanaman Sembung (Hl~mteaHal.samifira), penelitian penguraian
zat organik talian-urai seperti zat warna tekstil, senyawa-senyawa fenol, surfaktan,
dan endosulfan dengan iradiasi gamma. Penulis mendapatkan kesempatan mengikuti
pel at i lian I?adioi.so/ope.s('ow-se for notl-Gt.nd~ra/es
dan ,S/rrdy o f /~adioi.so/o~)r.s
t 11 ILI
lJ~.s/icide
Atmlysis tahun 1976 di Australia, dan pelatihan di Jepang mengenai S/rrdic..s
o f 111dotwsicr11
Med~ci~ml
/'lat~/.spada tahun 1985. Pada tahun
otl 111c('otl.s/i/~ret~/.s
1993 penulis mendapatkan kesempatan pelatihan mengenai /?adiafiorl rlrea/nletl~of
U'a.~/c. Wufer di JAERI-Takasaki, Jepang. Penulis niasuk jenjarig fungsional sejak
taliun 1992 sebagai Asisten Peneliti Muda dan sejak tahun 2000 telah menjadi
Perieliti Muda. Sampai sekarang perleliti masih melakukan penelitian penguraian
polutan orsanik tahan-urai dengan proses fotokatalisis.
I'KA K A T A
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya
sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Adapun judul penelitian yang
dilaksanakan sejak bulan Juni 2001 irii ialah Penguraian Pentaklorofenol dalam Airdengan Iradiasi Gamma. Penelitian dilakukan di Laboratorium Lingkungan Bidang
Sumber Daya Alam dan Lingkungan Puslitbang Teknologi lsotop dan Radiasi, Hatan
Jakarta.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Zainal Alim Mas'ud. DEA dan
Bapak Prof. Dr.lr. M . Anwar Nur, MSG selaku pembimbing. Penghal-gaan penul is
sampaikan kepada Bapak Dr. Wuryanto, APU selaku Kepala P3TIR Batan vang
telah rnemberikan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan tugas penelitian
Penghargaan serupa penulis sampaikan kepada Bapak Drs. Zainal Abidin, Dipl.Geo
yang telah men~berikankesempatan melakukan penelitian. Juga kepada rekarl se.ja\i-at
Dra.Winarti Andayani MSi, Nur Hidayati S.Si, Christina Tri Suharni, H.hl.Puri.
Arrnanu, Bonang, Edy Muljana, Saiman, Udin, Maryoto yang telah menibantu dalani
menyelesaikan penelitian. Juga kepada rekan-rekan seangkatan Irma, Rudi, dan Arvo
yanz rnemberikan dukungan moril Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada
suami dan anak-anak, serta Ratih dan seluruh keluarga besar DAT 48 atas serrala
bantuan moril dan materiil serta doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Jakarta, Oktober 2002
A . ~ I I . S / ,SIIIIIUI.IOIIO
II~
D A F T A K IS1
f{alaman
I)!If'TAR GAMBAR
I'f I Y IjAHULUAN
I'INJAUAN PUSTAKA
I'entaklorofenol
SitBt fisiha dan kimia
Kegunaan PCI'
I'enyuraian PCP
'l'eori Kirnia Radiasi
Sumber Kadiasi
lnteraksi Sinar Gamma dengan Materi
Satuan Dosis Radiasi
Kilai G
Kadiolisis Air
Keaksi I'roduk Primer dengan Zat Organik dalarn Larutan Air
OLsidasi Senya\va Organik dalam Larutan Air
BAHAN DAN METODE
Bahan
Peralat a11
Metode Penelitian
tlASlL DAN PEMBAHASAN
I'enentuan Dosis optimum pada Penyuraian l'('1'
Pengaruh pH pada Penguraian PCP
l'etigaruli Laju Dosis pada Penguraian I'CP
Pengaruh Konsentrasi pada penguraian PCI'
Penlbahan pH setelah Radiasi
I'ensukuran Asam-asam Organik yang terbentuk
Penguhuran Daya hantar Listrik (Dtil,)
I'engukuran Klor yang terbentuk
l'enyukuran I'CI' setelah Radiasi
KI.;SlhlPL11,AN
DAFTAR TAREI,
1 . Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi dengan dosis 0- 10 h( i\
2. Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi dengan dosis 0-5 h ( i \
3. Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi dengan dosis 0-2 I,(;\
1 . Struhtul rnolekul pentaklorofenol (PCP)
3. I99%. Kurucz ef a/. (1992)
mempelajari penguraian benzen, toluen, fenol, PCE, TCE, dan kloroform dengan
variasi pH dan dosis. Hal ini dilakukan untuk melihat keefektifan berkas elektron
dalam menguraikan senyawa-senyawa tersebut. Radiasi gamma terhadap fenol
dengan konsentrasi 50 ppm dengan penambahan oksidator Hz02 dan dosis 5 kGy
dapat menguraikan fenol tersebut sebanyak 92% (Andayani et a/. 1993). Penggunaan
radiasi gamma untuk menguraikan senyawa pencemar lain seperti senyawa alifatis
dan aromatis terklorinasi anisol, bifenil dapat menguraikan senyawa tersebut menjadi
asam-asam organik (Quint et a/. 1996).
Interaksi radiasi sinar gamma dengan air akan menghasilkan spesi-spesi sebagai
berikut : radikal hidrogen (He), radikal hidroksil (.OH), elektron tersolvasi (e,,-),
molekul Hz02, Hz dan ion hidrogen. Radikal hidrogen dan elektron tersolvasi
merupakan spesi reduktor, sedangkan radikal hidroksil dan molekul H202 merupakan
spesi oksidator. Jika selama iradiasi dialiri oksigen, maka radikal hidrogen akan
bereaksi cepat dengan
0 2
membentuk radikal perhidroksil (H02e) yang juga
mempunyai sifat oksidator. Diantara spesi-spesi tersebut radikal OH merupakan spesi
yang paling reaktif sebagai oksidator untuk mengubah pencemar organik menjadi
COz dan Hz0 pada tahap akhir. Dari hasil beberapa penelitian tersebut menunjukkan
bahwa teknik radiasi merupakan salah satu teknologi alternatif dalam pengolahan
limbah terutama untuk limbah yang mengandung senyawa tahan urai (Miyata 1993,
Donne1 and Sangster 1969, Spinks and Woods 1976).
Penelitian ini bertujuan mengukur hasil penguraian pentaklorofenol yang terbentuk
setelah diiradiasi dengan sinar gamma dan menentukan senyawa hasil penguraian
tersebut.
TINJAUAN PUSTAKA
Pentaklorofenol
Pentaklorofenol atau (PCP) mulai dikenal dan digunakan sebagai pengawet kayu
sejak tahun 1936 dan dipakai sebagai herbisida oleh C.Chabrolin mulai tahun 1930
Selain itu PCP juga digunakan untuk mencegah rayap dan melindungi pembusukan
kayu dari jamur dan kerusakan kayu oleh serangga. Pentaklorofenol mempunyai
nama dagang DOWICIDE 7", DOWICIDE EC-7"dan SINTOPHEN 20 (Hayes and
Caws 199 1 ).
Pentaklorofenol, terutama dalam bentuk garam natrium dapat diaplikasikan dalam
skala luas baik di industri pengawetan kayu maupun dalam bidang pertanian sebagai
fungisida, dan bakterisida. Pada tahun 70-an PCP di China digunakan sebagai
pembasmi siput dan sebagai herbisida. Penggunaan PCP secara luas dan pembuangan
limbahnya yang tidak tepat menyebabkan pencemaran lingkungan. Penguraian secara
biologi sangat lambat oleh karena itu tidak mengejutkan bila ditemukan PCP dalam
banyak sumber air minum (He el a/. 2001, Fang el nl. 1998).
Sifat fisika dan kimia
PCP atau pentaklorofenol mempunyai rumus empiris C6HCI50, bobot molekul
266,35 dan struktur molekul seperti pada Gambar 1 . Pentaklorofenol berbentuk
kristal tidak benvarna dan mempunyai bau seperti fenol, titik leleh 191°c, dan pada
suhu 1 0 0 ' ~tekanannya 0,12 torr. PCP teknis berbentuk hablur atau serpih berwarna
abu-abu dengan titik didih 1 5 8 ' ~ . PCP teknis ini merupakan campuran penta dan
tetra klorofenol, tapi juga mengandung 4 4 % poliklorofenol lain ditambah sedikit
senyawa
pengotor
non-fen01
seperti
dibenzo-p-dioksin
(CDD),
polikloro
dibenzofbran dan poliklorbenzena. Kelarutan dalarn air 20 ppm pada suhu
~o'c,larut
dalam semua pelarut organik, namun larut sebagian dalam karbon tetraklorida dan
petroleum benzena ( Ho and Bolton 1998).
Gambar I . Strrlktrlr rnolekr~lPentaklorofenol (PCP)
PCP mempunyai sifat racun pada tanaman, hewan, dan manusia. Walaupi~npada
dosis yang sangat rendah 0,l
-
1 pg/L PCP dapat mempengaruhi organisme dan
menyebabkan perubahan ekosistim. Berdasarkan pada sifat racurlriya perlakuan dari
pengolahan PCP tidak hanya berdasarkan pada penguraian cara bioloris sa-la.
Berdasarkan sifat racunnya perlakuan dan pemusnahan PCP tidak hanya pada proses
biodegradasi saja namun diperlukan alternatif lain. PCP dikenal sebagai nt~c.or~/~lc.
oxicla/ivc.pho.v/~horylntiow,merusak daya hantar listrik membran dan menghambat
enzim selular seperti ATP-ase, 0-galaktosidase dan sebagainya, namun kegiatan
rrttcorrplit~~
ini belum jelas ( Ho and Bolton 1998).
Kegunaan PCP
PCP dan turunannya (Na-PCP) memberikan keuntungan, karena mempunyai sifat
sebagai biosida yang efektif dan larut dalam tanah atau air. Pestisida yang
mempunyai spektrum penggunaan luas dengan harga rendah hanya sedikit antara lain
PCP. Oleh karena itu PCP dan garam-garamnya mempunyai penggunaan yang
bervariasi baik di industri, pertanian, dan penggunaan domestik baik sebagai
algaesida, bakterisida, hngisida, herbisida, insektisida, dan molusida (Anonim 1987)
Sejak tahun 1950 PCP dan klorofenol lainnya digunakan secara luas sebagai biosida
dan herbisida. Sejak itu PCP dapat dideteksi keberadaannnya baik di air permukaan.
sedimen. air hujan, air minuni. organisme air, tanah, dan makanan. Selama dua
dekade penelitian yarig ekstensif dilakukan untuk rnenentukan kernampuan rnikroha
anaerobik dalam menyurai kan PCP dan kloroorganik
pengontrolan di lingkungan.
lainnya serta proses
Proses deklorinasi PCP dan kloroorganik lainn\fa
dilakukan denyan bermacam-macam bakteri yang dapat mengkatalisis proses
deklorinasi pada posisi orlo, nte~udan para. Proses deklorinasi PCP dilakukan
bertahap dengan reaksi deklorinasi pada posisi o, n1 dan p dari proses ini dihasilkan
senyawa intermediet dengan berbagai variasi klor (Magar el at. 1999).
PCP di Amerika banyak digunakan sebagai pengawet kayu, oleh karena itu daerah
sekitar pengawetan kayu tercemar oleh PCP tersebut. Salah satu penanggulansan
untuk menghilangkan pencemar tersebut dilakukan dengan pembersihan dengan
pelarut. Pemilihan pelarut hams disesuaikan dengan keefektifan pelarut dalam
mengekstrak pencemar. Kelarutan pencemar organik dalam pelarut dan kekeruhan
pelarut dengan air merupakan faktor yang penting (Khodadoust el a/. 1999).
Pembentukan PCDD dan PCDF dapat dihasilkan dari PCP yang digunakan sebayai
pengawet kayu dan pestisida, ha1 ini terjadi karena adanya proses pemanasan.
Kontaminasi telur, ayam, dan daging sapi dilaporkan pada tahun 1989 dari daerah
yang berada dekat dengan areal proses pengawetan kayu. Fasilitas pengolahan kayu
yang menggunakan PCP ternyata mencemari hasil peternakan mereka (Harnly el a / .
2000).
Penguraian PCP
Beberapa penguraian cara biologi antara lain penguraian cara abiotik, penguraian
oleh mikrob, penguraian dalam sistem perairan, dan penguraian dalam tanah.
1. Penguraian cara abiotik
Baik PCP maupun Na-PCP dapat terurai secara abiotik dalam air, pelarut organik,
dan permukaan tanah. Menurut Wong dan Crisby dalam Anonim 1987 ada 3 tipe
hasil penguraian yang tejadi yaitu :
a). Fenol terklorinasi rendah biasanya 2,3,4,6 dan 2,3,5.6-tetraklorofenol bersama
dengan triklorofenol.
b).
Dihidroksibenzena
terklorinasi
biasanya
tetraklororesorsinol
dan
tetra
klorokatekol.
c). Fragmen non aromatik biasanya dikloroasam maleat. lradiasi terhadap senyawa ini
akan dihasilkan COz dan ion klor.
Wong dan Crisby (1978,1981) dalam Anonim 1987 menemukan proses fotolisis PCP
(100 mg/L) dalam larutan air lebih cepat terjadi pada pH 7,3 dibandingkan dengan pH
3,3. PCP dalam bentuk ion mudah terurai dalam waktu 20 jam dengan waktu paruh
3,5 jam, sedangkan waktu paruh PCP non ionik 100 jam pcnguraian ini terjadi karena
adanya pemindahan gugus klor oleh gugus hidroksil.
2. Penguraian oleh mikroba
Penguraian PCP oleh mikroba telah dipelajari dengan nlcnggunakan media asli
maupun buatan dengan biakan tunggal maupun canipuran Iliperoleh hasil bahwa
jamur dapat menyerang PCP dengan enzim fenol oksidase. Penguraian PCP
dilakukan oleh jamur genus Ykichoderma. Beberapa kernungkinan mekanisme
penguraian PCP dilaporkan oleh beberapa peneliti antara lain :
- metilasi, dihasilkan metil eter PCP, penta kloro anisol
- asilasi dari gugus hidroksil menghasilkan pentaklorofenol asetat
- deklorinasi tetraklorofenol dan hidrolisis tetraklorodihidroksi benzena
Jadi senyawa yang terbentuk dalam jumlah banyak dan akan terakuniulasi ke
berbagai tempat, tahap akhir adalah pecahnya cincin rnenjadi senyawa alifatik
terklorinasi seperti tetrakloro dan mukonat. Deklorinasi iebih lanjut akan menjadi
senyawa alifatik dengan berat molekul rendah misalnya asani asetat atau suksinat
yang akan masuk dalam lingkar asam trikarboksilat.
3 . Penguraian dalam sistem perairan
Penguraian PCP dalam sistim perairan lebih mudah terjadi karena adanya cahaya, pH
basa, dan jumlah oksigen yang tinggi. PCP akan terurai dari sistini tersebut pada laju
yang berbeda dengan waktu paruh antara 12,s sampai 18,6 hari kecuaii untuk sistim
anaerobik tanpa hydrosoil (79,8 hari). Bila dalam sistim tidak ada cahaya clan lumpur,
kondisi anaerobik dan pH rendah akan terjadi persistensi PCP. Hal ini menunjukkan
bahwa bentuk fenol PCP lebih persisten dari bentuk fenat, proses oksidasi merupakan
mekanisme utama pada penguraian PCP dalam lingkungan air.
4. Penguraian dalam tanah
Proses penguraian PCP secara biologi dalam tanah tergantung pada jenis dan sifat
mikroorganisme, namun beberapa faktor lingkungan juga niempengaruhi proses ini.
Tingginya bahan organik atau kelembaban akan meningkatkan proses biodegradasi
PCP. Suhu yang rendah (4°C) merupakan suhu yang tidak disukai bagi pertumbuhan
spesies l~setrcl'omot~as,
sehinsga aktivitas PCP terpecah. Pada suhu 20°C PCP dengan
konsentrasi 50 m d L terurai scbanyak 50% dalam waktu 8 hari. Pengaruh oksigen
pada proses biodegradasi bcrvariasi pada banyak hal, kondisi tanah anaerobik
meningkatkan laju penguraian. sejauh ini menurunnya kondisi ini menghasilkan
proses reduksi deklorinasi I l i sisi lain biodegradasi dalam tahap pembentukan
senyawa
intermediet
pentakloroanisol
lebih
cepat
dalam
kondisi
aerobik
dibandingkan dengan kondisi anaerobik. Penguraian PCP dalam tanah rata-rata 88%
dari 100 m g k g tanah liat pada kondisi aerobik (160 hari pada suhu 23°C) sedang
pada kondisi anaerobik hanya terurai sebanyak 7%. Penguraian PCP juga dihambat
oleh beberapa fungisida dan kondisi dibawah permukaan air (Anonim 1987).
Teori Kimia Radiasi
Kimia Radiasi mempelajari perubahan kimia dalam suatu materi yang ditimbulkan
oleh radiasi pengion dengan energi tinggi (40 keV - 4 MeV). Radiasi dengan energi
rendah (< 40 keV) hanya dapat mengakibatkan eksitasi. Sifat utama radiasi yang
berenergi tinggi ialah dapat menyebabkan proses ionisasi dan eksitasi. lonisasi, yaitu
pelepasan elektron dari orbitalnya akibat adanya energi dari luar (Miyata 1993,
Donnel and Sangster 1969, Spinks and Woods 1976).
AB
+
AB' + e-
Eksitasi, yaitu perpindahan elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi jika diberi
energi dari luar.
AB
+
AB*
Interaksi ionisasi dan eksitasi akan nienyebabkan pemutusan ikatan kiniia dan
pembentukan ikatan kimia yang baru sehingga akan diperoleh hasil akhir yang dapat
dimanfaatkan dalam berbagai bidang antara lain polimerisasi karet alam. pcrubahan
permanen struktur molekul biologi (mutan), sterilisasi alat-alat kedoktcran. dan
pengolahan limbah.
Radiasi ialah pancaran energi atau partikel energilfoton oieh suatu surnber. adapun
jenis-jenis radiasi terbagi atas :
Radiasi bukan pengion, tidak menimbulkan ionisasi meskipun dapat mengeksitasi
rnateri, misalnya : sinar ultra violet, sinar infr-a merah dan sinar tarnpak.
Radiasi pengion, menirnbulkan ionisasi dan eksitasi jika berinteraksi dengan materi,
energinya Icbih tinggi dari potensial ionisasi atom atau molekul yang terdiri dari :
partikel bermuatan a (inti ~ e ~ ' ) ,(pancaran elektron dari inti), berkas elektron
dipercepat. berkas ion antara lain : netron (bermasa 1 tetapi tidak bermuatan),
gelombany clektromagnetik (tidak bermasa dan tidak bermuatan), misalnya : sinar x
diperoleh dcngan menernbakkan berkas elektron pada target logam berat dan sinar y
dilepaskan pada peluruhan inti unsur radioaktif.
Sumber Kadiasi
Sumber radiasi terdiri atas sumber radiasi alam (yang termasuk dalam sumber
radiasi alam antara lain : radium, radon, cobalt-60, cesium- 137, dan strontium-90)
dan surnber radiasi buatan (yang termasuk dalam sumber radiasi buatan antara lain,
sinar x. akselerator Van de Graaf, betatron, siklotron, berkas elektron, dan reaktor
nuklir)
interaksi Sinar Gamma dengan Materi
Sinar gamma merupakan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dalam bentuk
partikel-partikel berenergi atau disebut foton. lnteraksinya dengan materi tergantung
pada energi dan materinya sendiri. Mekanisme interaksi sinar gamma dengan materi
dibagi menjadi tiga macam (Donne1 and Sangster 1969, Spinks and Woods 1976) :
a. Efek fotolistrik
Dalam peristiwa ini seluruh energi foton digunakan untuk mengeksitasi elektron
yang terdapat pada orbital dalam. Peristiwa ini hanya terjadi pada energi foton < 0,l
MeV dengan nomer atom target (Z) rendah.
Ion posbf
Gambar 2. Efek fotolistrik
b. Efek hamburan Compton
Pada proses ini hanya sebagian energi foton diberikan kepada materi untuk ionisasi,
sisanya dilepaskan sebagai sinar gamma berenergi lebih rendah. Hal ini terjadi pada
foton yang mempunyai energi 0,IMeV < Eo < 1 MeV, dan tidak bergantung pada
nomer atom target
,/*-Be-
I
- - - .,;
@
.
I
#-.
\
I
\
\
/
1
1-
ion
+oe.
;i~ii'\
Gar~lbar3. Efek hamburan Compton
c. Produksi pasangan ion
Proses ini terjadi bila seluruh energi foton diberikan dan menghasilkan pasangan
elektron-positron. Kedua spesi ini saling menghapuskan dan membentuk sinar
gamma dengan energi 0,s MeV. Proses ini dapat tejadi pada foton yang mempunyai
energi > 1,02 MeV dengan nomer atom target tinggi. Elektron yang terbentuk dari
dibekali energi, sehingga
interaksi sinar gamma disebut elektron sekunder yang
menjadi sangat reaktif Elektron sekunder ini akan mengionisasi materi yang
dilaluinya.
/-.
lo;
\
\
Oe-
\
I
.-
-
-
+
/
/
/
ion positif
Cambar 4. Produksi pasangan ion
0e+
positron
Satria11 Ilosis Hadiasi
Satuan radiasi ialah Gray, yang didefinisikan sebagai energi sebesar 1 joule yang
diserap oleh setiap kilogram materi yang diiradiasi.
1 Gray (Gy) = 100 rad
=
I joulelkg
Satuan radiasi ini juga disebut satuan radiasi terserap karena yang diukur bukan
radiasi yang datang ataupun radiasi yang ditransmisikan melainkan yang diserap oleh
materi. Sati~anselain Gray, yang juga dipakai dalam radiasi ialah rad dengan 1 rad (r)
=
100 erglg = 0,Ol joulelg.
Nilai C ((;-~*crllfe)
Satuan lain yang biasa digunakan dalam kimia radiasi ialah nilai G, dimana nilai G
ini digunakan untuk membandingkan jumlah produk yang terbentuk. Nilai G yaitu
banyak nya atom, molekul, ion yang berubah atau yang terbentuk akibat penyerapan
energi radiasi sebesar 100 ev oleh materi yang diiradiasi.
ftadiolisis Air
Kadiolisis ialah suatu proses penguraian oleh radiasi pengion yang tejadi pada
suliu ruang. Radiolisis air oleh radiasi pengion akan menyebabkan efek langsung dan
tidak langsung. Efek langsung yaitu interaksi radiasi dengan materi, sedangkan efek
tidak langsung yaitu interaksi radiasi produk radiolisis air dengan molekul zat terlarut
(Miyata 1993, Donnel and Sangster 1969, Spinks and Woods 1976). Adapun proses
radiolisis air dapat digambarkan sebagai berikut:
1-1~0' + e-
11:O
(ionisasi)
[H20]* 4
H + OH (eksitasi)
(1)
(2)
karena kepolaran H;O niaka akan terjadi :
to
+
1-120
----+
HTO' + .OH
c-
+
H:O
d
He-
+ OH-
(3)
(4)
EleLtron juga mengalami perlambatan karena pemindahan energinya, keniudian akan
rnencapai enersi minimum (elektron thermal) dan akan dikelilingi oleh H 2 0 karena
Lepolarannya yang disebut elektron terhidrasi (e.,,, )
f-120* 4
H.
+ *OH
(5)
(6)
Produk ( 1 - 6) disebut bentuk antara yang terdistribusi tidak hon~ogendi dalain
.Y/)~II.
Adapun di dalam sjmr sendiri akan terjadi reaksi sesama radikal yaitu radikal-radikal
H dan OH yang akan membentuk produk molekul Hz dan H 2 0 2 .
He + He
+ Hz
+ H202
H
+OH
---+ Hz0
--+ H Z +OH,;
H + e,;
OH + e,,; + OH,,
+ H +2 O
e,,- + e
eCiq- + Haq+ --+
H
H + OH,,- ---+ e,,,- +H20
.OH
+ *OH
OH __+
1H a '
H202
---+
(k=6x 1 ~ ~ d m % o l - ' s - ' )
(8)
(k=2x 10" dm3mol-Is-')
(k=2,5x10"' drn.'mol-Is-')
H
HOzaq-
+
(7)
(k=2,5x 1 0"dm3 mol-'s-')
+aq@-
Hay'
(k=1 x1 0'('dm3 mol-Is-')
(k=3x 10' dmhmol"~~')
(k=2,3x10l0 dm"nol-'s-' )
(k=2,5x 10' d ~ n ~ m o l - ' s - ~ )
(pK
= 11,9)
(pK = 1 1,65)
Jadi H e, *OH, H 3 0 . , e,,-, Hz dan H202 merupakan produk primer radiolisis yaitu
bentuk intermediate yang tidak bereaksi dan akan keluar dari sprrr dan terdishsi
nierata dalam sistim H20. Produk primer ini akan bereaksi dengan zat-zat terlarut di
dalam air misalnya
He + O2
0 2
(dari udara terlarut):
+ HOp
(radikal perhidroksil)
-
eoq +
0 2
H02.
40 2 .
-
(ion superoksida)
H +02-
(k=2,1 ~ 1 0 " 'dmhol-Is-')
(k=1,9x 10'" drn'mol-'4')
(PK = 4 3 )
Reaksi Produk Primer dengan Zat Organik dalam Larutan Air
Telah dijelaskan bahwa masing-masing spesi H, OH, H 0 2 dan e,,
mempunvai
sifat niengoksidasikan dan rnengubah molekul zat organik, (RH) dan menghasilkan
radikal bebas R (Re), niolekul H2 atau H 2 0 . Sebagai ilustrasi, oksidasi anilin sebasai
berikut :
I . Abstraksi
2. Adisi
3. Kombinasi
4. Pemindahan elektron
M (Z')
---+ M (Z+1)' + He+ OH + M (Z+l)' + OH.-
+ He
M (2')
@
Radikal-radikal R , HRH dan KROH yang terbentuk tergantung pada reaktifitas dan
konsentrasi radikal tersebut sedang reaksi selanjutnya dapat terjadi dengan radikal
bebas lain atau molekul-molekul terlarut. Reaksi yang mungkin terjadi ialah
Reaksi rekombinasi
Re + He ---- R H
Reaksi kombinasi 2 radikal organik
Re + Re
Re
+
R'e
-+
RR
j
RR'e
Reaksi oksidasi satu tahap
Re + *OH ---+ ROH
(12)
Reaksi oksidasi oleh molekul oksigen terlarut
Re +
02----+
RO2e
(13)
Reaksi (9) merupakan reaksi pembentukan kembali molekul awal, sedangkan
'
reaksi (10-12) menghasilkan molekul organik baru dengan komposisi berbeda.
Molekul organik yang baru terbentuk ini mungkin lebih mudah diserang oleh bakteri,
sehingga dapat menurunkan angka kebutuhan oksigen biologi (KOB). Hal ini dapat
membuktikan bahwa radiasi menghasilkan senyawa yang mudah diuraikan. Reaksi
( 10- 1 1 ) dapat menaikkan bobot molekul senyawa tersebut
sehingga dengan
bertambahnya bobot molekul maka akan menurunkan kelarutan senyawa organik
dalam air. Hal ini juga membuktikan bahwa tehnik radiasi mempunyai kemampuan
mengubah pencemar organik sehingga dapat diproses dengan cara koagulasi maupun
pengendapan (Miyata 1993).
Oksidasi Senyawa Organik dalam Larutan Air
Radiasi pengion menghasilkan spesi pengoksidasi yang mempunyai kemampuan
dapat menguraikan senyawa organik dalam larutan limbah. Penguraian tersebut dapat
melalui proses langsung maupun tidak langsung. Adapun mekanisme reaksi
sederhana dapat digambarkan sebagai berikut:
a. Reaksi inisiasi
RH + *OH
---+
R* + H20
b. Reaksi propagasi
+ ROO*
ROO* + RH + ROOH + Re
ROOH + RO* + *OH
RO* + RH --+
ROH + R*
R* + 0
2
c. Pembentukan COz (pemecahan ikatan C-C)
--+ R'C*(OH)H + H20
R'C*'(OH)H + 0 2 --+ R'C(OH)(OO*)H
R'C(OH)(OO*)H + R'* + C 0 2 + H 2 0
ROH + .OH
Oleh karena pencemar organik dalam limbah tidak diketahui jenis dan jumlahnya,
maka evaluasi tingkat oksidasi dapat dicapai dengan pengukuran jumlah karbon
organik (JKO). Parameter penting dalam pengukuran limbah ialah kebutuhan oksigen
kimia (KOK) dan JKO, karena menurunnya nilai JKO menunjukkan bahwa senyawa
tersebut sudah terurai sempurna (Miyata 1993).
BA1I.AN DAN hl~'1'0I)IBahar~
Bahan yang dipakai pada penelitian ini PCP dengan hc.mi~rnian96%. etanol
absolut, metanol, HJPOI, asam oksalat, NaOH, Hs(S('N):. \n('l.
NHIFe(S04)2
13,
HzO, larutan bufer standar pH 7 dan pH 4, akuades dan ahua t ~ d c s
Peralatan
Peralatan yans dipakai antara lain iradiator sanlrnr-1 IKI'ASENA
Panorama Serbaguna) dengan sumber
60
(Iradiator
Co pada bulari Juni 2001 rnempunyai
aktivitas 22000 Ci, aerator, spektrofotometer uv-vis 1-11' 8-153, pH meter Methrom
tipe 620, HPLC LC 9A Shimadzu, dilengkapi dengan detektor SPD 6 A. pompa
Shirnadzu LC 5A, rekorder Chromatopac CR3A, koloni I'henomeneu C-18 dan
Shodex RS Pax, alat pengukur DHL, dan peralatan kaca lainnya
Metode Penelitian
PCP dapat diuraikan pada dosis dan laju dosis rendah. oleh karena itu pada awal
percobaan dilakukan penentuan dosis optimum agar rentang dosis yang diinginkan
dapat lebih terfokus Laju dosis yang digunakan pada penelitian ini dilakukan variasi
laju dosis 0,5 kGy/jam dan 1 kGy/jam Penguraian PCP juga dipenzaruhi oleh pH,
oleh karena itu variasi pH juga dilakukan dalam penelitian ini
Diagram penelitian dapat digambarkan sebagai berikut
I'enentuan dosis optimum:
pH awal 7, laju dosis 1 kGy/jan~dosis : 0-10 kGy, 0-5 kCv dan 0-2 kGv
I
1 Pengaruh pH (pH 5,6, 7, dan 8)
PCP 10 ppm dosis 0-2 kGy, laju dosis 1 kGy/jam
2 Pengamh laju dosis (laju dosis 0,5 kGy/jam dan 1 kGy1jam)
PCP 10 ppm pH 7 dosis 0-2 kGy
3 Pengamh konsentrasi (2, 4, 8, dan 10 ppm)
pH 7 dosis 0-2 kGy laju dosis 0,5 kGy1jam
4 Pengukuran asam-asam organik
PCP 10 ppm, pH 7 dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGy/jam
5 Pengukuran klor
PCP 10 ppm, pH 7, dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGy/jam
6 Pengukuran sisa PCP
PCP 10 ppm, pH 7, dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGy1jam
7 Pengkuran daya hantar listrik
PCP 10 ppm, pH 7, dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGyIjam
1 Penentuan dosis optimum pada penguraian PCP
Penentuan dosis optimum pada penguraian PCP dilakukan menggunakan lamtan
PCP dengan konsentrasi 10 ppm.
a. Mula-mula dilakukan radiasi dengan pH awal 7, laju dosis 1 kGyIjam dan dosis O10 kGy. Sebanyak 250 ml PCP dengan konsentrasi 10 ppm dimasukkan dalam botol
khusus dengan (t=16 cm, 0 5 cm). Selama iradiasi dialirkan udara dari bagian bawah
larutan. Pengambilan sampel dilakukan setelah 0, 2, 4, 6, 8, dan 10 jam. Sampel
kemudian diukur serapannya dengan menggunakan spektrofotometer uv-vis.
b. Radiasi dilanjutkan dengan menurunkan dosis radiasi menjadi 0-5 kGy dengan
kondisi yang sama dengan sebelumnya. Pengambilan sampel dilakukan setelah 0, 1,
2, 3, 4, dan 5 jam. Sampel diukur serapannya dengan menggunakan spektrofotometer
uv-vis.
c. Kadiasi dilanjutkan dengan merubah dosis menjadi 0-2 kGy dengan kondisi sama
dengan sebelumnya. Pengambilan sampel dilakukan setelah 0, 30, 45, 60, 90, dan 120
menit. Sampel kemudian diukur serapannya dengan spektrofotometer un-vis.
2 Pengaruh 1111 pada penguraian PCP
PCP dengari konsentrasi 10 ppm diiradiasi dengan variasi pH awal yaitu pH 5, 6,
7, dan 8. Kadiasi dilakukan dengan dosis 0-2 kGy, laju dosis 1 kGy/jam. Sebanyak
250 rnl sampel dimasukkan ke dalam botol khusus untuk meradiasi dengan (t=16 cm,
0 5 cm). Sclama iradiasi udara dialirkan melalui bagian bawah larutan. Pengambilan
sampel dilakukan setelah 0, 30, 45, 60, 90, dan 120 menit. Larutan kemudian diukur
serapannya dcngan menggunakan spektrofotometer uv-vis. Pekerjaan ini dilakukan
dua kali.
3 Pengaruh laju dosis terhadap penguraian PCP
Sebanyak 5 ml PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalam ampul. dialiri udara kemudian ditutup. Sampel diiradiasi dengan dosis 0-2 kGy
dan variasi laju dosis 0,5 kGy/jam dan 1 kGy/jam. Setelah diiradiasi sampel diukur
serapannya dengan menggunakan spektrofotometer uv-vis. Pengamatan dilakukan
dengan n~elihatpenurunan intensitas serapan pada panjang gelombang 220, 250, dan
320 nm. Dilakukan juga perhitungan persentase penguraian PCP dari masing-masing
konsentrasi tersebut. Pekejaan dilakukan dua kali.
4 Pengaruh konsentrasi pada penguraian PCP
Sebanyak 5 ml PCP dengan pH awal 7 dan variasi konsentrasi 2 , 4 , 8, dan 10 ppm
dimasukkan ke dalam ampul, kemudian dialiri udara dan ditutup. Larutan ini
diiradiasi dengan dosis 0-2 kGy dan laju dosis 0,5 kGy/jam. Setelah diiradiasi sampel
diukur serapannya dengan spektrofotometer uv-vis. Pekerjaan ini dilakukan dua kali.
5 Pengukuran asam-asam organik hasil pengi~raianPCP
Sebanyak 5 ml PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalam ampul, dialiri udara dan ditutup. Larutan diiradiasi dengan dosis 0, 0,5,0,75, 1,
1,5, dan 2 kGy dengan laju dosis 0,5 kGy/jam. Setelah diiradiasi dilakukan
pengukuran asam-asam organik
yang terbentuk. Pengukuran asam-asam organik
yang terbentuk dilakukan dengan menggunakan alat HPLC, kolom Shodek Pax,
pelarut HJPOJ 0,005% dengan laju alir 1 mllmenit dan detektor uv pada panjang
gelombang 2 10 nni.
6 Pengukuran klor
Sebanyak 5 rnl PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalarn anipul, dialiri udara dan ditutup. Larutan diiradiasi dengan dosis 0, 0,5, 0,75, 1,
1,5, dan 2 kGy dengan laju dosis 0,5 kGyIjam. Setelah diiradiasi dilakukan
pengukur-an klor yang terbentuk. Pengukuran klor dilakukari dengan penambahan
pereaksi Hg(SCN)2 dan NH4Fe(S04)?,kemudian larutan diukur dengan menggunakan
spektroiotonieter pada panjang gelombang 460 nm.
7 Pengukuran sisa I'CP
Sebanyak 5 ml PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalam ampul, dialiri udara. dan ditutup. Larutan diiradiasi dengan dosis 0,0,5, 0,75, 1,
1.5,
dan 2 kGy dengan laju dosis 0.5 kGy/jam. Setelah diiradiasi dilakukan
pengukuran sisa PCP. Pengukuran sisa I'CP dilakukan dengan alat HPLC dengan
koloni Phenomenec C-18 dengan detektor UV 215 nm, pelarut metanol : air (7:3)
dengan pH 3 . Pekerjaan ini dilakukan dua kali.
8. Per~gukurandaya hantar listrik (DHL) d a n pH
Sebanyak 150 ml PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalam tabung radiasi (t 16 cm dan 0 5 cm). Selama iradiasi dialirkan udara kedalam
larutan. Radiasi dilakukan dengan dosis 0, 0,5, 0,75, 1, 1,5, dan 2 kGy dengan laju
dosis 0.5 kGy1jam. Setelah iradiasi dilakukan pengukuran daya hantar listrik (DHL)
dan ptl. I'ekerjaan dilakukan dua kali.
HASlL DAN I'EMBAlMSAh
Penentuan dosis optimum pada pengul-aian PCP
Dosis optimum pada penguraian PCP adalah dosis terendah yarig dapat digunakan
untuk menguraikan PCP. Pada awal penelitian diketahui bahwa penguraian PCP tidak
memerlukan dosis yang tinggi, namun berapa dosis yang tepat perlu dikaji lebih
lanjut. Tahap pertama dilakukan radiasi dengan rentang dosis 0-10 kGy, namun
karena penurunan intensitas serapan hanya terlihat sarnpai dosis 2 kGy, niaka radiasi
dilanjutkan dengan memperkecil rentang dosis. Tahap kedua dilakukan radiasi
dengan dosis 0-5 kGy, penurunan intensitas serapan terlihat sampai dosis 2 kGy,
liemudian intensitas naik. Tahap ketiga dilakukan radiasi dengan rentang dosis 0-2
kGy, pada tahap ini penurunan intensitas serapari terlihat dengan nyata.
PCP mernpunyai serapan pada daerah ultraviolet dengan panjang gelombang 220,
250, dan 320 nm seperti terlihat pada Gainbar 5. Serapan pada panjang gelombang
220 nm nienunjukkan adanya senyawa aromatik tersubstitusi, sedangkan panjang
gelombang 250 dan 320 nm menunjukkan adanya ikatan rangkap dan elektron bebas
pada atom oksiyen atau klor.
Mula-mula radiasi dilakukan dengan dosis 0, 2, 4, 6, 8, dan 10 kGy dengan laju
dosis 1 kGy/jam dan pH awal 7. Perubahan spektrum setelah iradiasi disajikan pada
Garnbar 5. Dari hasil pengamatan terlihat bahwa intensitas serapan pada panjang
~elonibang220 nrn mengalarni penurunari pada dosis 2 kGy, kemudian intensitas
serapan mengalami kenaikan pada dosis di atas 2 kGy. Pergeseran serapan juga dapat
diamati pada parijang gelombang ini. lntensitas serapan pada panjang gelombang 250
dan 320 nm mengalami penurunan dengan naiknya dosis radiasi. Perubahan serapan
PCP yang diiradiasi dengan dosis 0, 2, 4, 6, 8 dan 10 kGy dapat dilihat pada Tabel 1.
:7
fi
250
:iX)
.XD
----. ..---
.1X'
--
--
- - --
-to
-
Panjang gelombang (nni)
Canibar 5. Spektrum PCP setelah diiradiasi dengan dosis 0-10 kGy,
p H awal 7 dan Iaju dosis I kCy/jam
'1'abt.l 1. Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi dengari dosis 0-10 kGy
-
-
Ilosis radiasi (kGy)
G a p a n (nm)
Ilari Tabel 1 terlihat bahwa dosis optinial vary dikehendaki tidak terlihat den2an
jclas Oleh karena itu radiasi dilanjutkan denyan rentang dosis 0-5 kGy dengan
Londisi sania dengan di atas. Perubahan spektrum I'CP setelah diiradiasi dengan dosis
0. 1. 2. 3. 4. dan 5 kGy dapat dilihat pada Ganibar 6. Sedangkan perubahan serapan
dapat dilihat pada Tabel 2
Tabel 2. Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi derlgan dosis 0-5 k e y
-
Serapan (nm)
Dosis radiasi (kGy)
220
250
320
0
1,678
0,388
0,198
1
1,412
0,328
0,160
2
1.233
-
0,105
3
7
-
1418
-
-
4
1,392
-
-
5
1,420
-
(kGy
Dari data tersebut terliliat bahwa perubahan spektrum PCP setelah diiradiasi
dengan dosis 0-10 ks10"'
ctl. ( IOOX)
02.-
hereaksi lambat dengan PCP dan dapat mereduksi
beberapa radi kal perit ak lorofenoksil umtuk meregenerasi
PCP, ha1 ini yang
nienyebabkan pan-jany !elombang 220 nm meningkat kembali. Spektrum PCP yang
diiradiasi pada pH a u a l 7 dapat dilihat pada Gambar 4, diniana serapari pada panjans
gelombang 220, 250. dan 320 nm
mengalami penurunan dengan naiknva dosis
radiasi. Pergeserari panjang gelonibang 220 nm dan penurunan intensitas serapan
tidak terlalu besar. Menurut He ri a/. (2001) penguraian PCP sangat tergantung pada
dosis yans diberikan, bila dosis yang diberikan lebih tinggi. maka senyawa
intermediet akan bersaing dengan PCP dalam menangkap spesi pengoksidasi .OH
atau e-,,.
Keberadaan spesi pengoksidasi seperti O H radikal (*OH) dari molekul
Hz02 harus dijaga agar junilahnya cukup untuk mengoksidasi senyawa PCP. Usaha
yang dilakukan oleh He adalah dengan menggunakan dosis radiasi yang lebih rendah
dengan laju dosis yang disesuaikan agar penurunan pH dapat ditekan sehingga
keberadaan radikal O H dapat dijaga.
Per~garuhlaju dosis pada penguraian PCP
Pengaruh laju dosis dilakukan dengan
menggunakan variasi laju dosis 0.5
kGyIjam dan I kGyljam hlenunlt He keberadaan spesi pengoksidasi scperti radikal
O H dan molekul Hz02 perlu dijaga agar jumlahnya cukup untuk niengoksidasi PCP.
Hal ini bisa dilakukan dengan menggunakan dosis rendah dan laju dosis van?
disesuaikan. Gambar I I menunjukkan pengaruh laju dosis pada penguraian PCP.
radiasi dilakukan dengan dosis 0.0.5, 0.75.1. 1,5, dan 2 kGy. konsentrasi 10 ppm dan
pH awal 7. Radiasi dengan laju dosis 0,5 kGyIjam meningkatkan persentase
penguraian PCP sebanvak 3 I,S% pada dosis 2 k e y . Pada laju dosis 1 kG!r/jam
persentase penguraian pada dosis 2 kGy 24,9%, sedikit lebih rendah dibandin~kan
dengan laju dosis 0,s kGy/jam. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada laju dosis rendah
waktu yang diperlukan lebih lama sehingga interaksi antara molekul PCP dengan
spesi pengoksidasi lebih lama. Selain itu jumlah oksigen terlarut lebih banyak
sehingga proses oksidasi berjalan sempurna dan meningkatkan penguraian molekul
P
DENGAN IRADIASI GAMMA
AGUSTIN SUMARTONO
PROGRAM PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2002
AGUSTIN SUMAK~I'ONO. Penguraian Pentaklorofenol dalam Air dengan lradiasi
Gamma. Dibimbiny olch ZAINAL ALIM dan M.ANWAR NUR
I'enguraian pcri~aklorolknol(I'CI') sebagai model polutan orsanik tahan-urai
dilakukan dengan irad~asi%amma. I'enguraian ini dipengaruhi oleh pH. dosis, dan
laju dosis. Ilalarn pcnclitian ini dipelajari pengaruh dosis, laju dosis. pH, dan
konsentrasi PCI'. I)I saniping itu hasil penguraian PCP setelah diiradiasi diamati
antara lain lewat penyukuran asam-asam organik, ion klor yang terbentuk. dan daya
hantar listrik. lradiasi dilakukan dengan variasi dosis 0-10 kGy dan variasi laju dosis
0,5 dan I kGy/jam. Parameter analisis yang dilakukan ialah perubahan spektrum, pH,
ion klor dan asarn-asam organik yang terbentuk, pengukuran sisa I'CI'. dan daya
hantar listrik. pH 7 mcrupakan pH optimum untuk penguraian I'CP I'enguraian PCP
dapat dilakukan pada dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGyIjam, dan ptl 7 I'ada kondisi
irii penguraian terjadi sebanyak 83%. Setelah diiradiasi intensitas serapan PCP pada
panjang g e l o m b a r l ~220. 250, dan 320 nm menurun dengan m e n i n ~ k a t n v adosis
radiasi. I'enurunan pH setelah diiradiasi rnenunjukkan bahwa molekul PCP telah
terurai rnenjadi scnyawa dengan bobot molekul lebih kecil yang bersifat asam. Hasil
penguraian yang dapat dideteksi dengan kromatografi cair kinerja tinggi berupa asam
oksalat. Pembentukan inn klorida dan meningkatnya nilai daya hantar listrik
nienunjukkan bahwa I'('1' telah terurai.
Surat pernyataan
Bersania
ini
saya
menyatakan bahwa
tesis yang berjudul
"l'enguraian
pentaklorofenol dalam air dengan iradiasi gamma" adalah benar merupakan hasil
karya saya sendiri dan belurn pernah dipublikasikan. Semua surnber dan inforrnasi
telah diupayakan dan jelas dapat diperiksa kebenarannya.
Jakarta 17 Oktober- 2002
Agustin Sumanono
I'ENGtJKAIAN YENTAKLOROFENOL DALAM AIR
DENGAN IRADIASI GAMMA
AGllSTlN SLJRIAKTONO
Tesi s
sebagai salah satu syarat untuk mernperoleh gelar
Magister Sains pada
Progl-an1Studi Kirnia
I'KOGRAR4 PASCASAK,IANA
INS'I'I'T~ITPEKrI'ANI.AN ROGOR
ROGOU
2002
Judul Tesis
Nama
NIM
Program Studi
: Penguraian Pentaklorofenol dalam Air dengan Iradiasi Gamma
: Agustin Sumartono
: P34500005
: Kimia
Menyetujui
1 . Komisi Pembimbing
Dr. Zainal Alim Mas'ud. DEA
Ketua
Anggota
Mengetahui,
2. Ketua Program Studi Kimia
Tanggal lulus: 17 Oktober 2002
Penulis dilahirkan di Brebes pada tanggal 18 Agustus 195 1 sebagai anak ke
empat dari enam bersaudara pasangan R. Soemartono dan Kamaroekmi. Pendidikan
sarjana di tempuh di Jurusan Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Nusa Bangsa,
Bogor. lulus tahun 1999.
Penulis bekerja di Puslitbang Teknologi Isotop dan Radiasi, Batan Jakarta,
sejak tahun 1971. Pekerjaan yang dilakukan selama ini antara lain isolasi dan struhur
elusidasi dari ekstrak tanaman Sembung (Hl~mteaHal.samifira), penelitian penguraian
zat organik talian-urai seperti zat warna tekstil, senyawa-senyawa fenol, surfaktan,
dan endosulfan dengan iradiasi gamma. Penulis mendapatkan kesempatan mengikuti
pel at i lian I?adioi.so/ope.s('ow-se for notl-Gt.nd~ra/es
dan ,S/rrdy o f /~adioi.so/o~)r.s
t 11 ILI
lJ~.s/icide
Atmlysis tahun 1976 di Australia, dan pelatihan di Jepang mengenai S/rrdic..s
o f 111dotwsicr11
Med~ci~ml
/'lat~/.spada tahun 1985. Pada tahun
otl 111c('otl.s/i/~ret~/.s
1993 penulis mendapatkan kesempatan pelatihan mengenai /?adiafiorl rlrea/nletl~of
U'a.~/c. Wufer di JAERI-Takasaki, Jepang. Penulis niasuk jenjarig fungsional sejak
taliun 1992 sebagai Asisten Peneliti Muda dan sejak tahun 2000 telah menjadi
Perieliti Muda. Sampai sekarang perleliti masih melakukan penelitian penguraian
polutan orsanik tahan-urai dengan proses fotokatalisis.
I'KA K A T A
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya
sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Adapun judul penelitian yang
dilaksanakan sejak bulan Juni 2001 irii ialah Penguraian Pentaklorofenol dalam Airdengan Iradiasi Gamma. Penelitian dilakukan di Laboratorium Lingkungan Bidang
Sumber Daya Alam dan Lingkungan Puslitbang Teknologi lsotop dan Radiasi, Hatan
Jakarta.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Zainal Alim Mas'ud. DEA dan
Bapak Prof. Dr.lr. M . Anwar Nur, MSG selaku pembimbing. Penghal-gaan penul is
sampaikan kepada Bapak Dr. Wuryanto, APU selaku Kepala P3TIR Batan vang
telah rnemberikan kesempatan kepada penulis untuk menyelesaikan tugas penelitian
Penghargaan serupa penulis sampaikan kepada Bapak Drs. Zainal Abidin, Dipl.Geo
yang telah men~berikankesempatan melakukan penelitian. Juga kepada rekarl se.ja\i-at
Dra.Winarti Andayani MSi, Nur Hidayati S.Si, Christina Tri Suharni, H.hl.Puri.
Arrnanu, Bonang, Edy Muljana, Saiman, Udin, Maryoto yang telah menibantu dalani
menyelesaikan penelitian. Juga kepada rekan-rekan seangkatan Irma, Rudi, dan Arvo
yanz rnemberikan dukungan moril Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada
suami dan anak-anak, serta Ratih dan seluruh keluarga besar DAT 48 atas serrala
bantuan moril dan materiil serta doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Jakarta, Oktober 2002
A . ~ I I . S / ,SIIIIIUI.IOIIO
II~
D A F T A K IS1
f{alaman
I)!If'TAR GAMBAR
I'f I Y IjAHULUAN
I'INJAUAN PUSTAKA
I'entaklorofenol
SitBt fisiha dan kimia
Kegunaan PCI'
I'enyuraian PCP
'l'eori Kirnia Radiasi
Sumber Kadiasi
lnteraksi Sinar Gamma dengan Materi
Satuan Dosis Radiasi
Kilai G
Kadiolisis Air
Keaksi I'roduk Primer dengan Zat Organik dalarn Larutan Air
OLsidasi Senya\va Organik dalam Larutan Air
BAHAN DAN METODE
Bahan
Peralat a11
Metode Penelitian
tlASlL DAN PEMBAHASAN
I'enentuan Dosis optimum pada Penyuraian l'('1'
Pengaruh pH pada Penguraian PCP
l'etigaruli Laju Dosis pada Penguraian I'CP
Pengaruh Konsentrasi pada penguraian PCI'
Penlbahan pH setelah Radiasi
I'ensukuran Asam-asam Organik yang terbentuk
Penguhuran Daya hantar Listrik (Dtil,)
I'engukuran Klor yang terbentuk
l'enyukuran I'CI' setelah Radiasi
KI.;SlhlPL11,AN
DAFTAR TAREI,
1 . Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi dengan dosis 0- 10 h( i\
2. Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi dengan dosis 0-5 h ( i \
3. Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi dengan dosis 0-2 I,(;\
1 . Struhtul rnolekul pentaklorofenol (PCP)
3. I99%. Kurucz ef a/. (1992)
mempelajari penguraian benzen, toluen, fenol, PCE, TCE, dan kloroform dengan
variasi pH dan dosis. Hal ini dilakukan untuk melihat keefektifan berkas elektron
dalam menguraikan senyawa-senyawa tersebut. Radiasi gamma terhadap fenol
dengan konsentrasi 50 ppm dengan penambahan oksidator Hz02 dan dosis 5 kGy
dapat menguraikan fenol tersebut sebanyak 92% (Andayani et a/. 1993). Penggunaan
radiasi gamma untuk menguraikan senyawa pencemar lain seperti senyawa alifatis
dan aromatis terklorinasi anisol, bifenil dapat menguraikan senyawa tersebut menjadi
asam-asam organik (Quint et a/. 1996).
Interaksi radiasi sinar gamma dengan air akan menghasilkan spesi-spesi sebagai
berikut : radikal hidrogen (He), radikal hidroksil (.OH), elektron tersolvasi (e,,-),
molekul Hz02, Hz dan ion hidrogen. Radikal hidrogen dan elektron tersolvasi
merupakan spesi reduktor, sedangkan radikal hidroksil dan molekul H202 merupakan
spesi oksidator. Jika selama iradiasi dialiri oksigen, maka radikal hidrogen akan
bereaksi cepat dengan
0 2
membentuk radikal perhidroksil (H02e) yang juga
mempunyai sifat oksidator. Diantara spesi-spesi tersebut radikal OH merupakan spesi
yang paling reaktif sebagai oksidator untuk mengubah pencemar organik menjadi
COz dan Hz0 pada tahap akhir. Dari hasil beberapa penelitian tersebut menunjukkan
bahwa teknik radiasi merupakan salah satu teknologi alternatif dalam pengolahan
limbah terutama untuk limbah yang mengandung senyawa tahan urai (Miyata 1993,
Donne1 and Sangster 1969, Spinks and Woods 1976).
Penelitian ini bertujuan mengukur hasil penguraian pentaklorofenol yang terbentuk
setelah diiradiasi dengan sinar gamma dan menentukan senyawa hasil penguraian
tersebut.
TINJAUAN PUSTAKA
Pentaklorofenol
Pentaklorofenol atau (PCP) mulai dikenal dan digunakan sebagai pengawet kayu
sejak tahun 1936 dan dipakai sebagai herbisida oleh C.Chabrolin mulai tahun 1930
Selain itu PCP juga digunakan untuk mencegah rayap dan melindungi pembusukan
kayu dari jamur dan kerusakan kayu oleh serangga. Pentaklorofenol mempunyai
nama dagang DOWICIDE 7", DOWICIDE EC-7"dan SINTOPHEN 20 (Hayes and
Caws 199 1 ).
Pentaklorofenol, terutama dalam bentuk garam natrium dapat diaplikasikan dalam
skala luas baik di industri pengawetan kayu maupun dalam bidang pertanian sebagai
fungisida, dan bakterisida. Pada tahun 70-an PCP di China digunakan sebagai
pembasmi siput dan sebagai herbisida. Penggunaan PCP secara luas dan pembuangan
limbahnya yang tidak tepat menyebabkan pencemaran lingkungan. Penguraian secara
biologi sangat lambat oleh karena itu tidak mengejutkan bila ditemukan PCP dalam
banyak sumber air minum (He el a/. 2001, Fang el nl. 1998).
Sifat fisika dan kimia
PCP atau pentaklorofenol mempunyai rumus empiris C6HCI50, bobot molekul
266,35 dan struktur molekul seperti pada Gambar 1 . Pentaklorofenol berbentuk
kristal tidak benvarna dan mempunyai bau seperti fenol, titik leleh 191°c, dan pada
suhu 1 0 0 ' ~tekanannya 0,12 torr. PCP teknis berbentuk hablur atau serpih berwarna
abu-abu dengan titik didih 1 5 8 ' ~ . PCP teknis ini merupakan campuran penta dan
tetra klorofenol, tapi juga mengandung 4 4 % poliklorofenol lain ditambah sedikit
senyawa
pengotor
non-fen01
seperti
dibenzo-p-dioksin
(CDD),
polikloro
dibenzofbran dan poliklorbenzena. Kelarutan dalarn air 20 ppm pada suhu
~o'c,larut
dalam semua pelarut organik, namun larut sebagian dalam karbon tetraklorida dan
petroleum benzena ( Ho and Bolton 1998).
Gambar I . Strrlktrlr rnolekr~lPentaklorofenol (PCP)
PCP mempunyai sifat racun pada tanaman, hewan, dan manusia. Walaupi~npada
dosis yang sangat rendah 0,l
-
1 pg/L PCP dapat mempengaruhi organisme dan
menyebabkan perubahan ekosistim. Berdasarkan pada sifat racurlriya perlakuan dari
pengolahan PCP tidak hanya berdasarkan pada penguraian cara bioloris sa-la.
Berdasarkan sifat racunnya perlakuan dan pemusnahan PCP tidak hanya pada proses
biodegradasi saja namun diperlukan alternatif lain. PCP dikenal sebagai nt~c.or~/~lc.
oxicla/ivc.pho.v/~horylntiow,merusak daya hantar listrik membran dan menghambat
enzim selular seperti ATP-ase, 0-galaktosidase dan sebagainya, namun kegiatan
rrttcorrplit~~
ini belum jelas ( Ho and Bolton 1998).
Kegunaan PCP
PCP dan turunannya (Na-PCP) memberikan keuntungan, karena mempunyai sifat
sebagai biosida yang efektif dan larut dalam tanah atau air. Pestisida yang
mempunyai spektrum penggunaan luas dengan harga rendah hanya sedikit antara lain
PCP. Oleh karena itu PCP dan garam-garamnya mempunyai penggunaan yang
bervariasi baik di industri, pertanian, dan penggunaan domestik baik sebagai
algaesida, bakterisida, hngisida, herbisida, insektisida, dan molusida (Anonim 1987)
Sejak tahun 1950 PCP dan klorofenol lainnya digunakan secara luas sebagai biosida
dan herbisida. Sejak itu PCP dapat dideteksi keberadaannnya baik di air permukaan.
sedimen. air hujan, air minuni. organisme air, tanah, dan makanan. Selama dua
dekade penelitian yarig ekstensif dilakukan untuk rnenentukan kernampuan rnikroha
anaerobik dalam menyurai kan PCP dan kloroorganik
pengontrolan di lingkungan.
lainnya serta proses
Proses deklorinasi PCP dan kloroorganik lainn\fa
dilakukan denyan bermacam-macam bakteri yang dapat mengkatalisis proses
deklorinasi pada posisi orlo, nte~udan para. Proses deklorinasi PCP dilakukan
bertahap dengan reaksi deklorinasi pada posisi o, n1 dan p dari proses ini dihasilkan
senyawa intermediet dengan berbagai variasi klor (Magar el at. 1999).
PCP di Amerika banyak digunakan sebagai pengawet kayu, oleh karena itu daerah
sekitar pengawetan kayu tercemar oleh PCP tersebut. Salah satu penanggulansan
untuk menghilangkan pencemar tersebut dilakukan dengan pembersihan dengan
pelarut. Pemilihan pelarut hams disesuaikan dengan keefektifan pelarut dalam
mengekstrak pencemar. Kelarutan pencemar organik dalam pelarut dan kekeruhan
pelarut dengan air merupakan faktor yang penting (Khodadoust el a/. 1999).
Pembentukan PCDD dan PCDF dapat dihasilkan dari PCP yang digunakan sebayai
pengawet kayu dan pestisida, ha1 ini terjadi karena adanya proses pemanasan.
Kontaminasi telur, ayam, dan daging sapi dilaporkan pada tahun 1989 dari daerah
yang berada dekat dengan areal proses pengawetan kayu. Fasilitas pengolahan kayu
yang menggunakan PCP ternyata mencemari hasil peternakan mereka (Harnly el a / .
2000).
Penguraian PCP
Beberapa penguraian cara biologi antara lain penguraian cara abiotik, penguraian
oleh mikrob, penguraian dalam sistem perairan, dan penguraian dalam tanah.
1. Penguraian cara abiotik
Baik PCP maupun Na-PCP dapat terurai secara abiotik dalam air, pelarut organik,
dan permukaan tanah. Menurut Wong dan Crisby dalam Anonim 1987 ada 3 tipe
hasil penguraian yang tejadi yaitu :
a). Fenol terklorinasi rendah biasanya 2,3,4,6 dan 2,3,5.6-tetraklorofenol bersama
dengan triklorofenol.
b).
Dihidroksibenzena
terklorinasi
biasanya
tetraklororesorsinol
dan
tetra
klorokatekol.
c). Fragmen non aromatik biasanya dikloroasam maleat. lradiasi terhadap senyawa ini
akan dihasilkan COz dan ion klor.
Wong dan Crisby (1978,1981) dalam Anonim 1987 menemukan proses fotolisis PCP
(100 mg/L) dalam larutan air lebih cepat terjadi pada pH 7,3 dibandingkan dengan pH
3,3. PCP dalam bentuk ion mudah terurai dalam waktu 20 jam dengan waktu paruh
3,5 jam, sedangkan waktu paruh PCP non ionik 100 jam pcnguraian ini terjadi karena
adanya pemindahan gugus klor oleh gugus hidroksil.
2. Penguraian oleh mikroba
Penguraian PCP oleh mikroba telah dipelajari dengan nlcnggunakan media asli
maupun buatan dengan biakan tunggal maupun canipuran Iliperoleh hasil bahwa
jamur dapat menyerang PCP dengan enzim fenol oksidase. Penguraian PCP
dilakukan oleh jamur genus Ykichoderma. Beberapa kernungkinan mekanisme
penguraian PCP dilaporkan oleh beberapa peneliti antara lain :
- metilasi, dihasilkan metil eter PCP, penta kloro anisol
- asilasi dari gugus hidroksil menghasilkan pentaklorofenol asetat
- deklorinasi tetraklorofenol dan hidrolisis tetraklorodihidroksi benzena
Jadi senyawa yang terbentuk dalam jumlah banyak dan akan terakuniulasi ke
berbagai tempat, tahap akhir adalah pecahnya cincin rnenjadi senyawa alifatik
terklorinasi seperti tetrakloro dan mukonat. Deklorinasi iebih lanjut akan menjadi
senyawa alifatik dengan berat molekul rendah misalnya asani asetat atau suksinat
yang akan masuk dalam lingkar asam trikarboksilat.
3 . Penguraian dalam sistem perairan
Penguraian PCP dalam sistim perairan lebih mudah terjadi karena adanya cahaya, pH
basa, dan jumlah oksigen yang tinggi. PCP akan terurai dari sistini tersebut pada laju
yang berbeda dengan waktu paruh antara 12,s sampai 18,6 hari kecuaii untuk sistim
anaerobik tanpa hydrosoil (79,8 hari). Bila dalam sistim tidak ada cahaya clan lumpur,
kondisi anaerobik dan pH rendah akan terjadi persistensi PCP. Hal ini menunjukkan
bahwa bentuk fenol PCP lebih persisten dari bentuk fenat, proses oksidasi merupakan
mekanisme utama pada penguraian PCP dalam lingkungan air.
4. Penguraian dalam tanah
Proses penguraian PCP secara biologi dalam tanah tergantung pada jenis dan sifat
mikroorganisme, namun beberapa faktor lingkungan juga niempengaruhi proses ini.
Tingginya bahan organik atau kelembaban akan meningkatkan proses biodegradasi
PCP. Suhu yang rendah (4°C) merupakan suhu yang tidak disukai bagi pertumbuhan
spesies l~setrcl'omot~as,
sehinsga aktivitas PCP terpecah. Pada suhu 20°C PCP dengan
konsentrasi 50 m d L terurai scbanyak 50% dalam waktu 8 hari. Pengaruh oksigen
pada proses biodegradasi bcrvariasi pada banyak hal, kondisi tanah anaerobik
meningkatkan laju penguraian. sejauh ini menurunnya kondisi ini menghasilkan
proses reduksi deklorinasi I l i sisi lain biodegradasi dalam tahap pembentukan
senyawa
intermediet
pentakloroanisol
lebih
cepat
dalam
kondisi
aerobik
dibandingkan dengan kondisi anaerobik. Penguraian PCP dalam tanah rata-rata 88%
dari 100 m g k g tanah liat pada kondisi aerobik (160 hari pada suhu 23°C) sedang
pada kondisi anaerobik hanya terurai sebanyak 7%. Penguraian PCP juga dihambat
oleh beberapa fungisida dan kondisi dibawah permukaan air (Anonim 1987).
Teori Kimia Radiasi
Kimia Radiasi mempelajari perubahan kimia dalam suatu materi yang ditimbulkan
oleh radiasi pengion dengan energi tinggi (40 keV - 4 MeV). Radiasi dengan energi
rendah (< 40 keV) hanya dapat mengakibatkan eksitasi. Sifat utama radiasi yang
berenergi tinggi ialah dapat menyebabkan proses ionisasi dan eksitasi. lonisasi, yaitu
pelepasan elektron dari orbitalnya akibat adanya energi dari luar (Miyata 1993,
Donnel and Sangster 1969, Spinks and Woods 1976).
AB
+
AB' + e-
Eksitasi, yaitu perpindahan elektron ke tingkat energi yang lebih tinggi jika diberi
energi dari luar.
AB
+
AB*
Interaksi ionisasi dan eksitasi akan nienyebabkan pemutusan ikatan kiniia dan
pembentukan ikatan kimia yang baru sehingga akan diperoleh hasil akhir yang dapat
dimanfaatkan dalam berbagai bidang antara lain polimerisasi karet alam. pcrubahan
permanen struktur molekul biologi (mutan), sterilisasi alat-alat kedoktcran. dan
pengolahan limbah.
Radiasi ialah pancaran energi atau partikel energilfoton oieh suatu surnber. adapun
jenis-jenis radiasi terbagi atas :
Radiasi bukan pengion, tidak menimbulkan ionisasi meskipun dapat mengeksitasi
rnateri, misalnya : sinar ultra violet, sinar infr-a merah dan sinar tarnpak.
Radiasi pengion, menirnbulkan ionisasi dan eksitasi jika berinteraksi dengan materi,
energinya Icbih tinggi dari potensial ionisasi atom atau molekul yang terdiri dari :
partikel bermuatan a (inti ~ e ~ ' ) ,(pancaran elektron dari inti), berkas elektron
dipercepat. berkas ion antara lain : netron (bermasa 1 tetapi tidak bermuatan),
gelombany clektromagnetik (tidak bermasa dan tidak bermuatan), misalnya : sinar x
diperoleh dcngan menernbakkan berkas elektron pada target logam berat dan sinar y
dilepaskan pada peluruhan inti unsur radioaktif.
Sumber Kadiasi
Sumber radiasi terdiri atas sumber radiasi alam (yang termasuk dalam sumber
radiasi alam antara lain : radium, radon, cobalt-60, cesium- 137, dan strontium-90)
dan surnber radiasi buatan (yang termasuk dalam sumber radiasi buatan antara lain,
sinar x. akselerator Van de Graaf, betatron, siklotron, berkas elektron, dan reaktor
nuklir)
interaksi Sinar Gamma dengan Materi
Sinar gamma merupakan radiasi elektromagnetik yang dipancarkan dalam bentuk
partikel-partikel berenergi atau disebut foton. lnteraksinya dengan materi tergantung
pada energi dan materinya sendiri. Mekanisme interaksi sinar gamma dengan materi
dibagi menjadi tiga macam (Donne1 and Sangster 1969, Spinks and Woods 1976) :
a. Efek fotolistrik
Dalam peristiwa ini seluruh energi foton digunakan untuk mengeksitasi elektron
yang terdapat pada orbital dalam. Peristiwa ini hanya terjadi pada energi foton < 0,l
MeV dengan nomer atom target (Z) rendah.
Ion posbf
Gambar 2. Efek fotolistrik
b. Efek hamburan Compton
Pada proses ini hanya sebagian energi foton diberikan kepada materi untuk ionisasi,
sisanya dilepaskan sebagai sinar gamma berenergi lebih rendah. Hal ini terjadi pada
foton yang mempunyai energi 0,IMeV < Eo < 1 MeV, dan tidak bergantung pada
nomer atom target
,/*-Be-
I
- - - .,;
@
.
I
#-.
\
I
\
\
/
1
1-
ion
+oe.
;i~ii'\
Gar~lbar3. Efek hamburan Compton
c. Produksi pasangan ion
Proses ini terjadi bila seluruh energi foton diberikan dan menghasilkan pasangan
elektron-positron. Kedua spesi ini saling menghapuskan dan membentuk sinar
gamma dengan energi 0,s MeV. Proses ini dapat tejadi pada foton yang mempunyai
energi > 1,02 MeV dengan nomer atom target tinggi. Elektron yang terbentuk dari
dibekali energi, sehingga
interaksi sinar gamma disebut elektron sekunder yang
menjadi sangat reaktif Elektron sekunder ini akan mengionisasi materi yang
dilaluinya.
/-.
lo;
\
\
Oe-
\
I
.-
-
-
+
/
/
/
ion positif
Cambar 4. Produksi pasangan ion
0e+
positron
Satria11 Ilosis Hadiasi
Satuan radiasi ialah Gray, yang didefinisikan sebagai energi sebesar 1 joule yang
diserap oleh setiap kilogram materi yang diiradiasi.
1 Gray (Gy) = 100 rad
=
I joulelkg
Satuan radiasi ini juga disebut satuan radiasi terserap karena yang diukur bukan
radiasi yang datang ataupun radiasi yang ditransmisikan melainkan yang diserap oleh
materi. Sati~anselain Gray, yang juga dipakai dalam radiasi ialah rad dengan 1 rad (r)
=
100 erglg = 0,Ol joulelg.
Nilai C ((;-~*crllfe)
Satuan lain yang biasa digunakan dalam kimia radiasi ialah nilai G, dimana nilai G
ini digunakan untuk membandingkan jumlah produk yang terbentuk. Nilai G yaitu
banyak nya atom, molekul, ion yang berubah atau yang terbentuk akibat penyerapan
energi radiasi sebesar 100 ev oleh materi yang diiradiasi.
ftadiolisis Air
Kadiolisis ialah suatu proses penguraian oleh radiasi pengion yang tejadi pada
suliu ruang. Radiolisis air oleh radiasi pengion akan menyebabkan efek langsung dan
tidak langsung. Efek langsung yaitu interaksi radiasi dengan materi, sedangkan efek
tidak langsung yaitu interaksi radiasi produk radiolisis air dengan molekul zat terlarut
(Miyata 1993, Donnel and Sangster 1969, Spinks and Woods 1976). Adapun proses
radiolisis air dapat digambarkan sebagai berikut:
1-1~0' + e-
11:O
(ionisasi)
[H20]* 4
H + OH (eksitasi)
(1)
(2)
karena kepolaran H;O niaka akan terjadi :
to
+
1-120
----+
HTO' + .OH
c-
+
H:O
d
He-
+ OH-
(3)
(4)
EleLtron juga mengalami perlambatan karena pemindahan energinya, keniudian akan
rnencapai enersi minimum (elektron thermal) dan akan dikelilingi oleh H 2 0 karena
Lepolarannya yang disebut elektron terhidrasi (e.,,, )
f-120* 4
H.
+ *OH
(5)
(6)
Produk ( 1 - 6) disebut bentuk antara yang terdistribusi tidak hon~ogendi dalain
.Y/)~II.
Adapun di dalam sjmr sendiri akan terjadi reaksi sesama radikal yaitu radikal-radikal
H dan OH yang akan membentuk produk molekul Hz dan H 2 0 2 .
He + He
+ Hz
+ H202
H
+OH
---+ Hz0
--+ H Z +OH,;
H + e,;
OH + e,,; + OH,,
+ H +2 O
e,,- + e
eCiq- + Haq+ --+
H
H + OH,,- ---+ e,,,- +H20
.OH
+ *OH
OH __+
1H a '
H202
---+
(k=6x 1 ~ ~ d m % o l - ' s - ' )
(8)
(k=2x 10" dm3mol-Is-')
(k=2,5x10"' drn.'mol-Is-')
H
HOzaq-
+
(7)
(k=2,5x 1 0"dm3 mol-'s-')
+aq@-
Hay'
(k=1 x1 0'('dm3 mol-Is-')
(k=3x 10' dmhmol"~~')
(k=2,3x10l0 dm"nol-'s-' )
(k=2,5x 10' d ~ n ~ m o l - ' s - ~ )
(pK
= 11,9)
(pK = 1 1,65)
Jadi H e, *OH, H 3 0 . , e,,-, Hz dan H202 merupakan produk primer radiolisis yaitu
bentuk intermediate yang tidak bereaksi dan akan keluar dari sprrr dan terdishsi
nierata dalam sistim H20. Produk primer ini akan bereaksi dengan zat-zat terlarut di
dalam air misalnya
He + O2
0 2
(dari udara terlarut):
+ HOp
(radikal perhidroksil)
-
eoq +
0 2
H02.
40 2 .
-
(ion superoksida)
H +02-
(k=2,1 ~ 1 0 " 'dmhol-Is-')
(k=1,9x 10'" drn'mol-'4')
(PK = 4 3 )
Reaksi Produk Primer dengan Zat Organik dalam Larutan Air
Telah dijelaskan bahwa masing-masing spesi H, OH, H 0 2 dan e,,
mempunvai
sifat niengoksidasikan dan rnengubah molekul zat organik, (RH) dan menghasilkan
radikal bebas R (Re), niolekul H2 atau H 2 0 . Sebagai ilustrasi, oksidasi anilin sebasai
berikut :
I . Abstraksi
2. Adisi
3. Kombinasi
4. Pemindahan elektron
M (Z')
---+ M (Z+1)' + He+ OH + M (Z+l)' + OH.-
+ He
M (2')
@
Radikal-radikal R , HRH dan KROH yang terbentuk tergantung pada reaktifitas dan
konsentrasi radikal tersebut sedang reaksi selanjutnya dapat terjadi dengan radikal
bebas lain atau molekul-molekul terlarut. Reaksi yang mungkin terjadi ialah
Reaksi rekombinasi
Re + He ---- R H
Reaksi kombinasi 2 radikal organik
Re + Re
Re
+
R'e
-+
RR
j
RR'e
Reaksi oksidasi satu tahap
Re + *OH ---+ ROH
(12)
Reaksi oksidasi oleh molekul oksigen terlarut
Re +
02----+
RO2e
(13)
Reaksi (9) merupakan reaksi pembentukan kembali molekul awal, sedangkan
'
reaksi (10-12) menghasilkan molekul organik baru dengan komposisi berbeda.
Molekul organik yang baru terbentuk ini mungkin lebih mudah diserang oleh bakteri,
sehingga dapat menurunkan angka kebutuhan oksigen biologi (KOB). Hal ini dapat
membuktikan bahwa radiasi menghasilkan senyawa yang mudah diuraikan. Reaksi
( 10- 1 1 ) dapat menaikkan bobot molekul senyawa tersebut
sehingga dengan
bertambahnya bobot molekul maka akan menurunkan kelarutan senyawa organik
dalam air. Hal ini juga membuktikan bahwa tehnik radiasi mempunyai kemampuan
mengubah pencemar organik sehingga dapat diproses dengan cara koagulasi maupun
pengendapan (Miyata 1993).
Oksidasi Senyawa Organik dalam Larutan Air
Radiasi pengion menghasilkan spesi pengoksidasi yang mempunyai kemampuan
dapat menguraikan senyawa organik dalam larutan limbah. Penguraian tersebut dapat
melalui proses langsung maupun tidak langsung. Adapun mekanisme reaksi
sederhana dapat digambarkan sebagai berikut:
a. Reaksi inisiasi
RH + *OH
---+
R* + H20
b. Reaksi propagasi
+ ROO*
ROO* + RH + ROOH + Re
ROOH + RO* + *OH
RO* + RH --+
ROH + R*
R* + 0
2
c. Pembentukan COz (pemecahan ikatan C-C)
--+ R'C*(OH)H + H20
R'C*'(OH)H + 0 2 --+ R'C(OH)(OO*)H
R'C(OH)(OO*)H + R'* + C 0 2 + H 2 0
ROH + .OH
Oleh karena pencemar organik dalam limbah tidak diketahui jenis dan jumlahnya,
maka evaluasi tingkat oksidasi dapat dicapai dengan pengukuran jumlah karbon
organik (JKO). Parameter penting dalam pengukuran limbah ialah kebutuhan oksigen
kimia (KOK) dan JKO, karena menurunnya nilai JKO menunjukkan bahwa senyawa
tersebut sudah terurai sempurna (Miyata 1993).
BA1I.AN DAN hl~'1'0I)IBahar~
Bahan yang dipakai pada penelitian ini PCP dengan hc.mi~rnian96%. etanol
absolut, metanol, HJPOI, asam oksalat, NaOH, Hs(S('N):. \n('l.
NHIFe(S04)2
13,
HzO, larutan bufer standar pH 7 dan pH 4, akuades dan ahua t ~ d c s
Peralatan
Peralatan yans dipakai antara lain iradiator sanlrnr-1 IKI'ASENA
Panorama Serbaguna) dengan sumber
60
(Iradiator
Co pada bulari Juni 2001 rnempunyai
aktivitas 22000 Ci, aerator, spektrofotometer uv-vis 1-11' 8-153, pH meter Methrom
tipe 620, HPLC LC 9A Shimadzu, dilengkapi dengan detektor SPD 6 A. pompa
Shirnadzu LC 5A, rekorder Chromatopac CR3A, koloni I'henomeneu C-18 dan
Shodex RS Pax, alat pengukur DHL, dan peralatan kaca lainnya
Metode Penelitian
PCP dapat diuraikan pada dosis dan laju dosis rendah. oleh karena itu pada awal
percobaan dilakukan penentuan dosis optimum agar rentang dosis yang diinginkan
dapat lebih terfokus Laju dosis yang digunakan pada penelitian ini dilakukan variasi
laju dosis 0,5 kGy/jam dan 1 kGy/jam Penguraian PCP juga dipenzaruhi oleh pH,
oleh karena itu variasi pH juga dilakukan dalam penelitian ini
Diagram penelitian dapat digambarkan sebagai berikut
I'enentuan dosis optimum:
pH awal 7, laju dosis 1 kGy/jan~dosis : 0-10 kGy, 0-5 kCv dan 0-2 kGv
I
1 Pengaruh pH (pH 5,6, 7, dan 8)
PCP 10 ppm dosis 0-2 kGy, laju dosis 1 kGy/jam
2 Pengamh laju dosis (laju dosis 0,5 kGy/jam dan 1 kGy1jam)
PCP 10 ppm pH 7 dosis 0-2 kGy
3 Pengamh konsentrasi (2, 4, 8, dan 10 ppm)
pH 7 dosis 0-2 kGy laju dosis 0,5 kGy1jam
4 Pengukuran asam-asam organik
PCP 10 ppm, pH 7 dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGy/jam
5 Pengukuran klor
PCP 10 ppm, pH 7, dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGy/jam
6 Pengukuran sisa PCP
PCP 10 ppm, pH 7, dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGy1jam
7 Pengkuran daya hantar listrik
PCP 10 ppm, pH 7, dosis 0-2 kGy, laju dosis 0,5 kGyIjam
1 Penentuan dosis optimum pada penguraian PCP
Penentuan dosis optimum pada penguraian PCP dilakukan menggunakan lamtan
PCP dengan konsentrasi 10 ppm.
a. Mula-mula dilakukan radiasi dengan pH awal 7, laju dosis 1 kGyIjam dan dosis O10 kGy. Sebanyak 250 ml PCP dengan konsentrasi 10 ppm dimasukkan dalam botol
khusus dengan (t=16 cm, 0 5 cm). Selama iradiasi dialirkan udara dari bagian bawah
larutan. Pengambilan sampel dilakukan setelah 0, 2, 4, 6, 8, dan 10 jam. Sampel
kemudian diukur serapannya dengan menggunakan spektrofotometer uv-vis.
b. Radiasi dilanjutkan dengan menurunkan dosis radiasi menjadi 0-5 kGy dengan
kondisi yang sama dengan sebelumnya. Pengambilan sampel dilakukan setelah 0, 1,
2, 3, 4, dan 5 jam. Sampel diukur serapannya dengan menggunakan spektrofotometer
uv-vis.
c. Kadiasi dilanjutkan dengan merubah dosis menjadi 0-2 kGy dengan kondisi sama
dengan sebelumnya. Pengambilan sampel dilakukan setelah 0, 30, 45, 60, 90, dan 120
menit. Sampel kemudian diukur serapannya dengan spektrofotometer un-vis.
2 Pengaruh 1111 pada penguraian PCP
PCP dengari konsentrasi 10 ppm diiradiasi dengan variasi pH awal yaitu pH 5, 6,
7, dan 8. Kadiasi dilakukan dengan dosis 0-2 kGy, laju dosis 1 kGy/jam. Sebanyak
250 rnl sampel dimasukkan ke dalam botol khusus untuk meradiasi dengan (t=16 cm,
0 5 cm). Sclama iradiasi udara dialirkan melalui bagian bawah larutan. Pengambilan
sampel dilakukan setelah 0, 30, 45, 60, 90, dan 120 menit. Larutan kemudian diukur
serapannya dcngan menggunakan spektrofotometer uv-vis. Pekerjaan ini dilakukan
dua kali.
3 Pengaruh laju dosis terhadap penguraian PCP
Sebanyak 5 ml PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalam ampul. dialiri udara kemudian ditutup. Sampel diiradiasi dengan dosis 0-2 kGy
dan variasi laju dosis 0,5 kGy/jam dan 1 kGy/jam. Setelah diiradiasi sampel diukur
serapannya dengan menggunakan spektrofotometer uv-vis. Pengamatan dilakukan
dengan n~elihatpenurunan intensitas serapan pada panjang gelombang 220, 250, dan
320 nm. Dilakukan juga perhitungan persentase penguraian PCP dari masing-masing
konsentrasi tersebut. Pekejaan dilakukan dua kali.
4 Pengaruh konsentrasi pada penguraian PCP
Sebanyak 5 ml PCP dengan pH awal 7 dan variasi konsentrasi 2 , 4 , 8, dan 10 ppm
dimasukkan ke dalam ampul, kemudian dialiri udara dan ditutup. Larutan ini
diiradiasi dengan dosis 0-2 kGy dan laju dosis 0,5 kGy/jam. Setelah diiradiasi sampel
diukur serapannya dengan spektrofotometer uv-vis. Pekerjaan ini dilakukan dua kali.
5 Pengukuran asam-asam organik hasil pengi~raianPCP
Sebanyak 5 ml PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalam ampul, dialiri udara dan ditutup. Larutan diiradiasi dengan dosis 0, 0,5,0,75, 1,
1,5, dan 2 kGy dengan laju dosis 0,5 kGy/jam. Setelah diiradiasi dilakukan
pengukuran asam-asam organik
yang terbentuk. Pengukuran asam-asam organik
yang terbentuk dilakukan dengan menggunakan alat HPLC, kolom Shodek Pax,
pelarut HJPOJ 0,005% dengan laju alir 1 mllmenit dan detektor uv pada panjang
gelombang 2 10 nni.
6 Pengukuran klor
Sebanyak 5 rnl PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalarn anipul, dialiri udara dan ditutup. Larutan diiradiasi dengan dosis 0, 0,5, 0,75, 1,
1,5, dan 2 kGy dengan laju dosis 0,5 kGyIjam. Setelah diiradiasi dilakukan
pengukur-an klor yang terbentuk. Pengukuran klor dilakukari dengan penambahan
pereaksi Hg(SCN)2 dan NH4Fe(S04)?,kemudian larutan diukur dengan menggunakan
spektroiotonieter pada panjang gelombang 460 nm.
7 Pengukuran sisa I'CP
Sebanyak 5 ml PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalam ampul, dialiri udara. dan ditutup. Larutan diiradiasi dengan dosis 0,0,5, 0,75, 1,
1.5,
dan 2 kGy dengan laju dosis 0.5 kGy/jam. Setelah diiradiasi dilakukan
pengukuran sisa PCP. Pengukuran sisa I'CP dilakukan dengan alat HPLC dengan
koloni Phenomenec C-18 dengan detektor UV 215 nm, pelarut metanol : air (7:3)
dengan pH 3 . Pekerjaan ini dilakukan dua kali.
8. Per~gukurandaya hantar listrik (DHL) d a n pH
Sebanyak 150 ml PCP dengan pH awal 7 dan konsentrasi 10 ppm dimasukkan ke
dalam tabung radiasi (t 16 cm dan 0 5 cm). Selama iradiasi dialirkan udara kedalam
larutan. Radiasi dilakukan dengan dosis 0, 0,5, 0,75, 1, 1,5, dan 2 kGy dengan laju
dosis 0.5 kGy1jam. Setelah iradiasi dilakukan pengukuran daya hantar listrik (DHL)
dan ptl. I'ekerjaan dilakukan dua kali.
HASlL DAN I'EMBAlMSAh
Penentuan dosis optimum pada pengul-aian PCP
Dosis optimum pada penguraian PCP adalah dosis terendah yarig dapat digunakan
untuk menguraikan PCP. Pada awal penelitian diketahui bahwa penguraian PCP tidak
memerlukan dosis yang tinggi, namun berapa dosis yang tepat perlu dikaji lebih
lanjut. Tahap pertama dilakukan radiasi dengan rentang dosis 0-10 kGy, namun
karena penurunan intensitas serapan hanya terlihat sarnpai dosis 2 kGy, niaka radiasi
dilanjutkan dengan memperkecil rentang dosis. Tahap kedua dilakukan radiasi
dengan dosis 0-5 kGy, penurunan intensitas serapan terlihat sampai dosis 2 kGy,
liemudian intensitas naik. Tahap ketiga dilakukan radiasi dengan rentang dosis 0-2
kGy, pada tahap ini penurunan intensitas serapari terlihat dengan nyata.
PCP mernpunyai serapan pada daerah ultraviolet dengan panjang gelombang 220,
250, dan 320 nm seperti terlihat pada Gainbar 5. Serapan pada panjang gelombang
220 nm nienunjukkan adanya senyawa aromatik tersubstitusi, sedangkan panjang
gelombang 250 dan 320 nm menunjukkan adanya ikatan rangkap dan elektron bebas
pada atom oksiyen atau klor.
Mula-mula radiasi dilakukan dengan dosis 0, 2, 4, 6, 8, dan 10 kGy dengan laju
dosis 1 kGy/jam dan pH awal 7. Perubahan spektrum setelah iradiasi disajikan pada
Garnbar 5. Dari hasil pengamatan terlihat bahwa intensitas serapan pada panjang
~elonibang220 nrn mengalarni penurunari pada dosis 2 kGy, kemudian intensitas
serapan mengalami kenaikan pada dosis di atas 2 kGy. Pergeseran serapan juga dapat
diamati pada parijang gelombang ini. lntensitas serapan pada panjang gelombang 250
dan 320 nm mengalami penurunan dengan naiknya dosis radiasi. Perubahan serapan
PCP yang diiradiasi dengan dosis 0, 2, 4, 6, 8 dan 10 kGy dapat dilihat pada Tabel 1.
:7
fi
250
:iX)
.XD
----. ..---
.1X'
--
--
- - --
-to
-
Panjang gelombang (nni)
Canibar 5. Spektrum PCP setelah diiradiasi dengan dosis 0-10 kGy,
p H awal 7 dan Iaju dosis I kCy/jam
'1'abt.l 1. Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi dengari dosis 0-10 kGy
-
-
Ilosis radiasi (kGy)
G a p a n (nm)
Ilari Tabel 1 terlihat bahwa dosis optinial vary dikehendaki tidak terlihat den2an
jclas Oleh karena itu radiasi dilanjutkan denyan rentang dosis 0-5 kGy dengan
Londisi sania dengan di atas. Perubahan spektrum I'CP setelah diiradiasi dengan dosis
0. 1. 2. 3. 4. dan 5 kGy dapat dilihat pada Ganibar 6. Sedangkan perubahan serapan
dapat dilihat pada Tabel 2
Tabel 2. Perubahan serapan PCP setelah diiradiasi derlgan dosis 0-5 k e y
-
Serapan (nm)
Dosis radiasi (kGy)
220
250
320
0
1,678
0,388
0,198
1
1,412
0,328
0,160
2
1.233
-
0,105
3
7
-
1418
-
-
4
1,392
-
-
5
1,420
-
(kGy
Dari data tersebut terliliat bahwa perubahan spektrum PCP setelah diiradiasi
dengan dosis 0-10 ks10"'
ctl. ( IOOX)
02.-
hereaksi lambat dengan PCP dan dapat mereduksi
beberapa radi kal perit ak lorofenoksil umtuk meregenerasi
PCP, ha1 ini yang
nienyebabkan pan-jany !elombang 220 nm meningkat kembali. Spektrum PCP yang
diiradiasi pada pH a u a l 7 dapat dilihat pada Gambar 4, diniana serapari pada panjans
gelombang 220, 250. dan 320 nm
mengalami penurunan dengan naiknva dosis
radiasi. Pergeserari panjang gelonibang 220 nm dan penurunan intensitas serapan
tidak terlalu besar. Menurut He ri a/. (2001) penguraian PCP sangat tergantung pada
dosis yans diberikan, bila dosis yang diberikan lebih tinggi. maka senyawa
intermediet akan bersaing dengan PCP dalam menangkap spesi pengoksidasi .OH
atau e-,,.
Keberadaan spesi pengoksidasi seperti O H radikal (*OH) dari molekul
Hz02 harus dijaga agar junilahnya cukup untuk mengoksidasi senyawa PCP. Usaha
yang dilakukan oleh He adalah dengan menggunakan dosis radiasi yang lebih rendah
dengan laju dosis yang disesuaikan agar penurunan pH dapat ditekan sehingga
keberadaan radikal O H dapat dijaga.
Per~garuhlaju dosis pada penguraian PCP
Pengaruh laju dosis dilakukan dengan
menggunakan variasi laju dosis 0.5
kGyIjam dan I kGyljam hlenunlt He keberadaan spesi pengoksidasi scperti radikal
O H dan molekul Hz02 perlu dijaga agar jumlahnya cukup untuk niengoksidasi PCP.
Hal ini bisa dilakukan dengan menggunakan dosis rendah dan laju dosis van?
disesuaikan. Gambar I I menunjukkan pengaruh laju dosis pada penguraian PCP.
radiasi dilakukan dengan dosis 0.0.5, 0.75.1. 1,5, dan 2 kGy. konsentrasi 10 ppm dan
pH awal 7. Radiasi dengan laju dosis 0,5 kGyIjam meningkatkan persentase
penguraian PCP sebanvak 3 I,S% pada dosis 2 k e y . Pada laju dosis 1 kG!r/jam
persentase penguraian pada dosis 2 kGy 24,9%, sedikit lebih rendah dibandin~kan
dengan laju dosis 0,s kGy/jam. Hal ini dapat dijelaskan bahwa pada laju dosis rendah
waktu yang diperlukan lebih lama sehingga interaksi antara molekul PCP dengan
spesi pengoksidasi lebih lama. Selain itu jumlah oksigen terlarut lebih banyak
sehingga proses oksidasi berjalan sempurna dan meningkatkan penguraian molekul
P