Transformation and Composition Evolution of Nanoscale Zero Valent Iron (nZVI) Synthesized by Borohydride Reduction in Static WaterJing 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 kuliahSeminar KimiaOleh

Yuliana Dewi Anugrah3325120249Program Studi Kimia

JURUSAN KIMIAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS NEGERI JAKARTA2015

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

PenulisDAFTAR ISI

KATA PENGANTARiDAFTAR ISIiiDAFTAR GAMBARivDAFTAR TABELvDAFTAR LAMPIRANviINTISARIviiBAB I. PENDAHULUAN1BAB II. KAJIAN TEORI4A. Nanopartikel4B. Nanoscale Zero Valent Iron (nZVI)6C. Sintesis nZVI dengan Reduksi Borohidrat7D. Instrumen Karakterisasi9BAB III. METODOLOGI PENELITIAN16A. Alat dan Bahan16B. Prosedur Percobaan16BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN18A. Analisis Transmission Electronic Microscopy (TEM)18B. Analisis X-ray diffraction (XRD)20C. Analisis X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)22BAB V. KESIMPULAN26DAFTAR PUSTAKA27LAMPIRAN

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Skema Diagram untuk Sintesis Nanopartikel Besi9Gambar 2. Bagian Dasar Alat TEM11Gambar 3. Bagan Instrumentasi XPS12Gambar 4. Prinsip Kerja XPS13Gambar 5. Berkas Sinar-X pada XRD14Gambar 6. Rangkaian Alat XRD14Gambar 7. Hasil Difraksi Sinar X15Gambar 8. Gambar TEM dari nZVI Berusia di Air19Gambar 9. Analisis XRD dari nZVI dalam air statis21Gambar 10.Analisis XPS dari daerah Fe 2p untuk nZVI berusia 5-90 hari23Gambar 11.Daerah O 1s untuk nZVI yang berusia 5-90 hari24

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Rasio antara -OH dan O- dalam produk penuaan 25

DAFTAR LAMPIRAN

Kartu BimbinganArtikel

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 (-Fe2O3), disertai dengan lepidocrocite (-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 -FeOOH yang bercampur dengan sejumlah kecil Fe3O4 dan -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

vii

BAB IPENDAHULUAN

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.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 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.

BAB IIKAJIAN TEORI

A. NANOPARTIKELNanopartikel secara umum didefinisikan sebagai atom atau molekul yang berukuran