## Lucutan Plasma Pijar Korona dengan Variasi Tegangan untuk Degradasi Metilen Biru
Kusumandari Kusumandari 1 , Teguh Endah Saraswati 2 , Nor Shalina Saputri 1
1 Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta
2 Program Studi Kimia, Fakultas MIPA, Universitas Sebelas Maret, Surakarta kusumandari@staff.uns.ac.id

## ABSTRACT
Plasma technology is considered as promising candidate for wastewater-treatment. In this present work, discharge plasma was generated by two parallel stainless needle electrodes connected with alternating current (AC) high voltage of 8.5 - 11.5 kV. Methylene blue is used as a model solution . The electrode is  about  2  mm  above  the  solution  which  placed  on  the  magnetic  stirrer  with  a  speed  of  6  rpm. The treatment time were 2, 4, 6, 8, and 10 min for each voltage. The characteristics of the solution such as absorbance,  temperature  and  pH  are  measured  before  and  after  treatment  to determine  the  effect  of voltage and treatment time. As results, absorbance and pH were decrease as voltage and treatment time increased, while the temperature were increase.
Keywords: plasma, wastewater treatment, voltage, treatment time

## ABSTRAK
Teknologi plasma  merupakan metode pengolahan limbah yang cukup  menjanjikan. Dalam penelitian ini, lucutan plasma dihasilkan dari dua buah elektroda jarum stainless steel yang dipasang paralel dan dihubungkan dengan tegangan tinggi bolak-balik (AC) sebesar 8.5 – 11.5 kV. Metilen biru digunakan sebagai larutan  model. Elektroda berada sekitar 2 mm di atas larutan yang diletakkan pada magnetic stirrer dengan kecepatan 6 rpm. Waktu perlakuan yang digunakan adalah 2, 4, 6, 8, dan 10 menit untuk setiap tegangan. Karakteristik  larutan  meliputi absorbansi, pH dan suhu  diukur sebelum  dan sesudah perlakuan untuk mengetahui pengaruh tegangan dan lama waktu perlakuan plasma. Hasil yang didapat, absorbansi dan pH turun seiring kenaikan tegangan dan lama waktu  perlakuan, sedangkan suhu akan semakin naik.
Kata kunci: plasma, pengolahan limbah, tegangan, waktu perlakuan

## PENDAHULUAN
Zat warna merupakan salah satu permasalahan dalam pencemaran air oleh limbah industri tekstil.  Zat  warna  dengan  konsentrasi  yang  tinggi  akan  mengganggu  kesetimbangan ekosistem  air  karena  menghalangi  penetrasi  cahaya  matahari  yang  diperlukan  makhluk hidup dalam air. Selain itu zat warna tertentu juga bersifat toksik dan menimbulkan bau yang mengganggu kesehatan [1] . Sifat toksik yang dimiliki juga dapat menyebabkan mutasi genetik dan berpengaruh pada reproduksi makhluk hidup. Di dalam industri tekstil, zat warrna yang paling sering digunakan adalah metilen biru. Senyawa metilen biru selain bersifat toksik juga memiliki gugus benzena yang sukar terdegradasi [2] .
Untuk menghilangkan kandungan zat warna dalam limbah dapat digunakan metode fisika, metode kimia dan metode biologi [3] . Salah satu metode yang paling umum digunakan adalah adsorpsi. Selain itu, dapat pula menggunakan metode penangkap lemak ( greade trap ), sumur pengumpul  ( sump  well )  dan biofilter [4] .  Namun  metode-metode  tersebut  kurang  efektif dalam mengurangi konsentrasi dan bau dari limbah. Plasma merupakan teknologi baru untuk melengkapi pengolahan limbah yang sudah ada.
Plasma  merupakan  gas  yang  terionisasi  dalam  lucutan  listrik.  Proses  lucutan  listrik  yang terjadi akan menghasilkan spesies aktif yang dapat menghilangkan polutan di dalam limbah. Spesies aktif yang berperan dalam penguraian senyawa dalam limbah cair antara lain radikal
hidroksil  (OH)  dan  hidrogen  peroksida  (H 2 O 2 ).  Penguraian  senyawa  dalam  limbah  dapat terjadi  akibat  adanya  reaksi  antara  spesies  aktif  dengan  senyawa  yang  berada  di  dalam limbah tersebut [5] . Efisiensi penguraian oleh plasma dipengaruhi oleh beberapa faktor salah satunya besarnya tegangan yang diberikan ke elektroda [6] .
Metode  plasma  untuk  pengolahan  limbah  dapat  berupa  plasma  lucutan  pijar  ataupun dielectric barrier discharge (DBD) [7] . Pada penelitian ini digunakan metode plasma lucutan pijar karena  cukup sederhana dan tidak membutuhkan  skema reaktor  yang rumit. Larutan metilen biru digunakan sebagai larutan model.

## METODE
Elektroda stainless  steel berbentuk  jarum  dengan  diameter  2  mm  diletakkan  di  atas permukaan metilen biru pada jarak 2 mm. Kedua elektroda dipasang paralel sejauh 2 cm  dan dihubungkan dengan sumber tegangan tinggi AC dengan variasi tegangan mulai dari 8.50 kV hingga 11.50 kV. Larutan model yang digunakan terbuat dari 6 mg bubuk metilen biru yang dilarutkan dalam 1000 ml aquades. Larutan model diletakkan diatas magnetic stirrer yang diputar dengan kecepatan 6 rpm. Variasi waktu perlakuan plasma yaitu 2 menit hingga 10  menit  untuk  masing-masing  variasi  tegangan.  Karakterisasi  absorbansi,  pH  dan  suhu diukur  sebelum  dan  sesudah  perlakuan  plasma  untuk  mengetahui  pengaruh  tegangan  dan lama waktu perlakuan. Skema penelitian ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Skema pengolahan limbah dengan lucutan plasma pijar

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Pengaruh Waktu Perlakuan Plasma terhadap Penurunan Absorbansi Larutan Metilen Biru
Absorbansi  menunjukkan  jumlah  cahaya  yang  dapat  diserap  oleh  larutan.  Semakin  besar absorbansi suatu larutan maka semakin besar cahaya yang diserap atau semakin sedikit yang diteruskan.  Secara  fisik  larutan  dengan  warna  yang  pekat  maka  semakin  besar absorbansinya, sebaliknya jika warna larutan semakin jernih maka absorbansinya semakin kecil.
Gambar 2 menunjukkan pengaruh waktu perlakuan plasma terhadap absorbansi dari larutan metilen  biru.  Plasma  dibangkitkan  pada  tegangan  11,50  kV. Control  sample adalah absorbansi  metilen  biru  sebelum  diberi  perlakuan  plasma.  Dari  gambar  tersebut  terlihat bahwa semakin lama waktu perlakuan semakin besar penurunan absorbansi larutan metilen biru.  Hal  tersebut  dikarenakan  semakin  lama  waktu  perlakuan,  menyebabkan  semakin banyak ionisasi yang terjadi dan spesies aktif yang dihasilkan, sehingga membuat metilen biru  semakin  banyak  yang  terdegradasi  dan  warna  larutan  metilen  biru  semakin  jernih. Perubahan warna metilen biru dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 2. Pengaruh waktu perlakuan plasma terhadap absorbansi larutan metilen biru
Gambar 3. Pengaruh waktu perlakuan plasma terhadap warna larutan metilen biru

## Pengaruh Tegangan terhadap Absorbansi Larutan Metilen Biru
Pengaruh  plasma  terhadap  konsentrasi  larutan  metilen  biru  dapat  diwakili  dengan membandingkan absorbansinya sebelum dan sesudah  perlakuan  yang ditunjukkan dengan degradasi. Persentase degradasi dihitung berdasarkan persamaan (1):

## Tegangan : 43 kV
Control sample 2 menit 4 menit 6 menit
8 menit 10 menit
𝐷𝑒𝑔𝑟𝑎𝑑𝑎𝑠𝑖  = (𝐴−𝐴 0 ) 𝐴 0 × 100% (1)
dimana 𝐴 merupakan absorbansi setelah perlakuan plasma dan A 0 adalah absorbansi sebelum perlakuan  plasma.  Gambar  4  menunjukkan  degradasi  metilen  biru  sebelum  dan  sesudah perlakuan untuk masing-masing variasi tegangan dan waktu.
Gambar 4. Degradasi metilen biru sebelum dan sesudah perlakuan plasma untuk berbagai variasi tegangan dan waktu
Dari  Gambar  4  terlihat  bahwa  semakin  besar  tegangan  yang  digunakan  untuk membangkitkan  plasma  akan  membuat  degradasi  larutan  semakin  besar.  Sebagai  contoh, pada waktu 8 menit, dengan tegangan 8,50 kV degradasi larutan metilen biru adalah 68,22%, kemudian ketika tegangan dinaikkan menjadi 9,25 kV maka degradasi menjadi lebih besar yaitu 77,51% . Peningkatan degradasi terbesar terjadi pada tegangan 11,50 kV yaitu  99,27%. Artinya larutan metilen biru terdegradasi hampir sempurna dan secara fisik berwarna bening. Hal  tersebut  dikarenakan  semakin  besar  tegangan  yang  digunakan  akan  menyebabkan semakin besarnya medan listrik dan intensitas plasma yang terbentuk di sekitar elektroda, sehingga  semakin  banyak  terjadi  ionisasi  yang  menghasilkan  lebih  banyak  spesies  aktif sebagai  agen  degradasi.  Hal  yang  menarik,  pada  waktu  perlakuan  6,  8  dan  10  menit, persentase  degradasi  pada  tegangan  10,00  –  11,50  kV  terlihat  hampir  sama.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  waktu  dan  tegangan  merupakan  faktor  yang  secara  simultan  dapat digunakan secara terpisah. Untuk pembangkitan plasma menggunakan tegangan yang besar maka  waktu  yang  diperlukan  lebih  singkat.  Begitu  juga  jika  pembangkitan  plasma menggunakan  tegangan  yang  lebih  kecil  maka  diperlukan  waktu  yang  lebih  lama  untuk menghasilkan besar degradasi yang sama.

## Pengaruh Perlakuan Plasma terhadap pH Larutan Metilen Biru
Besarnya derajat keasaman suatu perairan akan sangat menentukan kelangsungan hidup dari ekosistem  didalamnya.  Oleh  karenanya,  karakterisasi  pH  dari  limbah  merupakan  faktor penting yang harus diketahui. Pengaruh plasma pada larutan metilen biru ditunjukkan pada
Gambar 5. Sebelum perlakuan plasma, pH larutan adalah 6,75. Kemudian menurun menjadi 2,31 setelah perlakuan selama 10 menit.
Gambar 5. Pengaruh waktu perlakuan terhadap pH larutan metilen biru
Reaksi antara spesies aktif plasma dengan larutan metilen biru akan menghasilkan senyawa asam,  sehingga menyebabkan  pH larutan metilen biru  menurun [8] .  Idealnya, suatu  larutan akan aman sebagai tempat hidup jika pH-nya netral (sekitar 7), akan tetapi dari hasil terlihat bahwa  larutan  metilen  biru  justru  menurun  pH-nya  setelah  perlakuan.  Hal  ini  bukanlah menjadi  kontradiksi, karena pada limbah  yang sesungguhnya terdiri  dari  berbagai  macam zat  warna  yang  kemungkinan  pH  awal  bisa  lebih  besar,  sehingga  ketika  diberi  perlakuan plasma, maka pH-nya akan menjadi lebih kecil atau menuju netral.

## Pengaruh Perlakuan Plasma terhadap Suhu Larutan Metilen Biru
Kemudian  parameter  lain  yang  sangat  penting  adalah  suhu.  Suhu  larutan  metilen  biru sebelum perlakuan yaitu 27,1ºC, sedangkan suhu larutan setelah perlakuan mencapai 62,3ºC pada waktu  10 menit  dan tegangan  11,50  kV,  seperti terlihat Gambar  6.  Tumbukan antar elektron  akan  mempengaruhi  suhu  larutan  metilen  biru.  Semakin  tinggi  tegangan  akan menyebabkan  semakin  besarnya  medan  listrik  yang  memicu  banyaknya  elektron  yang bertumbukan karena hasil pelipatgandaan elektron yang semakin besar [9] . Selain itu, semakin lama waktu perlakuan maka semakin banyak perulangan tumbukan antar elektron sehingga suhu semakin naik.
Gambar 6. Grafik pengaruh lama waktu perlakuan plasma terhadap suhu larutan metilen biru

## KESIMPULAN
Besarnya tegangan akan mempengaruhi besarnya medan listrik disekitar elektroda. Medan listrik yang besar akan menarik keluar elektron dari elektroda. Semakin besar medan listrik maka  semakin  banyak  elektron  yang  keluar  sehingga  meningkatkan  ionisasi.  Ionisasi menghasilkan  spesies  aktif  yang  akan  mendegradasi  larutan  metilen  biru.  Semakin  tinggi tegangan dan waktu perlakuan maka degradasi metilen biru yang dihasilkan semakin besar, suhu meningkat, dan pH menurun.

## REFERENSI
1 Sanada, R. A., Moersidik, S. S., & Suwartha, N., 2014, Adsorpsi Zat Warna Kationik ( Methylene  Blue )  Menggunakan  Karbon  Aktif  Tempurung  Kelapa  dan  Batu  Bara serta Efisiensi Regenerasinya.
2 Falahiyah,  2015,  Adsorpsi Methylene  Blue menggunakan  Abu  dari  Sabut  dan Tempurung  Kelapa  Teraktivasi  Sulfat, Skripsi ,  Malang,  Universitas  Islam  Negeri Maulana Malik Ibrahim.
3 Holkar,  R.C.,  Jadhav,  J.A.,  Pinjari,  V.D.,  &  Mahamuni,  M.N.  2016.  A  Critical Review  on  Textile  Wastewater  Perlakuans:  Posisble  Approaches. Journal  of Environmental Management, 182, 351-366.
4 Widyaningsih, V. 2011. Pengolahan Limbah Cair Kantin Yogma FISIP UI. Skripsi . Departemen Teknik Lingkungan UI.
5 Hadiwidodo,  M.,  Huboyo,  S.H.,  &  Indrasarimmawati.  2009.  Penurunan  Warna, COD  dan  TSS  Limbah  Cair  Industri  Tekstil  Menggunakan  Teknologi  Dielectric Barrier  Discharge  dengan  Variasi  Tegangan  dan  Flow  Rate  Oksigen. Jurnal Presipitasi , 7(2), 16-22.
6 Jiang, B., Zheng, J., Qiu, S., Wu, M., Zhang, Q., Yan, Z., & Xue, Q. 2014. Review on Electrical Discharge Plasma Technology for Wastewater Remediation. Chemical Engineering Journal, 236, 348-368.
7 Nur, M. 2011. Fisika Plasma dan Aplikasinya . Semarang : UNDIP.
8 Muradia, S. & Nagatsu, M., 2015, Study Of Low-Voltage Pulsed Plasma Discharges Inside Water Using A Bubble-Generating Porous Ceramic Electrode For Wastewater Perlakuan, Applied Physics Letters 102 , 144105.
9 Wardaya, A. Y. & Nur M, 2010,Analisis Medan Listrik pada Plasma Korona dengan Konfigurasi Cincin Bidang, Berkala Fisika . 13 (4), 139-144.