http://journal2.um.ac.id/index.php/jpse EISSN: 2541-2485

## JPSE
(Journal of Physical Science and Engineering)

## Sintesis  Kalium  Ferrat  sebagai  Pendegradasi  Senyawa Turunan Benzena
D Majid 1* , A R Prabowo 2 , M Al-Kholif 1 , dan Sugito 1
1. Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik, Universitas PGRI Adi Buana, Surabaya 60234, Indonesia
2. Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta 57126, Indonesia
*E-mail: majid@unipasby.ac.id

## 1. Pendahuluan
Seiring  dengan  perkembangan  zaman,  industrialisasi  juga  semakin  berkembang.  Hal  ini  tentu berdampak  positif  terhadap  ekonomi  masyarakat  dan  dapat  menambah  lapangan  pekerjaan. Perkembangan industri juga membawa dampak negatif dan menimbulkan  masalah lingkungan  yang diakibatkan  oleh  limbah  cair  yang  dihasilkan  [1].  Tingginya  beban  limbah  yang  dihasilkan  dapat menimbulkan  berbagai  permasalahan  lingkungan  [2].  Salah  satu  limbah  hasil  industri  yang membahayakan lingkungan adalah polutan senyawa turunan benzena [3]–[5].
Klorobenzena, bromobenzena dan toluena merupakan golongan turunan benzena yang memiliki toksisitas tinggi dan persisten terhadap lingkungan [3]–[6]. Dengan tingkat toksisitasnya yang tinggi, klorobenzena,  bromobenzena,  dan  toluena  terdaftar  dalam  prioritas  polutan  oleh US  Environmental Protection  Agency [7].  Oleh  karena  itu  degradasi  limbah  turunan  benzena  sangatlah  penting  dan beberapa  metode  telah  dikembangkan  guna  mengatasi  pencemaran  limbah  dan  menjaga  standar kualitas air. Dewasa ini, metode alternatif telah dikembangkan guna mendegradasi senyawa turunan
Received 28 Juni 2019
Revised 21 Agustus 2019
Accepted for Publication
26 November 2019
Published
28 Februari 2020
This work is licensed under a Creative Commons Attribution- ShareAlike 4.0
International License .

## Abstract
This  research  was  carried  out  in  order  to  synthesize  potassium  ferrate  (K 2 FeO 4 )  and  was applied  to  the  degradation  of  benzene  derivative  compounds  such  as  chlorobenzene, bromobenzene, and toluene. In this study, potassium ferrate has been successfully generated from  four  different  source  of  Fe;  FeSO 4 .9H 2 O,  FeCl 2 .9H 2 O,  Fe(NO 3 ) 2 .9H 2 O,  and  NaFeO 2 . The potassium ferrate crystal  has a black purplish color. The sample was analyzed by UV- Vis  spectrophotometer.  We  noted  that  ferrate  has  wavelength  of  510  nm.  The  potassium ferrate  that  synthesized  from  NaFeO 2 has  highest  purity  compared  to  other  samples.  The result  of  degradation  test,  ferrate  degradated  by  toluene  has  the  highest  degradation efficiency  of  53%  within  10  minutes  of  reaction  time.  This  showed  that  potassium  ferrate became the promising alternative material for water processing and wastewater of industries. Keywords : potassium ferrate, benzene, degradation.

## Abstrak
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  tujuan  untuk  menyintesis  kalium  ferrat  (K 2 FeO 4 )  dan diaplikasikan pada degradasi senyawa turunan benzene seperti klorobenzena, bromobenzena, dan toluena. Pada penelitian ini, kalium ferrat telah berhasil disintesis dengan mengunakan empat  sumber  Fe  yang  berbeda;  FeSO 4 .9H 2 O,  FeCl 2 .9H 2 O,  Fe(NO 3 ) 2 .9H 2 O,  dan  NaFeO 2 . Kristal  kalium  ferrat  memiliki  warna  hitam  keunguan.  Sampel  dianalisa  menggunakan spektrofotometer  UV-Vis.  Kami  mencatat  bahwa  ferrate  memiliki  panjang  gelombang  510 nm.  Kalium  ferrat  yang  disintesis  dari  NaFeO 2 memiliki  tingkat  kemurnian  yang  paling tinggi  dibandingkan  dengan  sampel  lainnya.  Pada  hasil  uji  degradasi,  ferrat  dengan pendegradasi  toluene  memiliki  efisiensi  yang  tertinggi  sebesar  53%  hanya  dalam  10  menit waktu  reaksi.  Hal  ini  menunjukkan  bahwa  kalium  ferrat  menjadi  bahan  alternatif  yang menjanjikan untuk pengolahan air dan limbah industri.
Kata Kunci : kalium ferrat, benzene, degradasi.
benzena dengan cara elektrokimia maupun biodegradasi [8], [9]. Namun metode ini memiliki banyak kekurangan  diantaranya  biaya  operasional  yang  tinggi,  proses  degradasi  yang  lama,  dan  memiliki efisiensi yang rendah. Sehingga dibutuhkan metode yang tepat dalam mengatasi permasalahan limbah benzena.
Dalam  dekade  terakhir,  ferrat(VI)  (Fe(VI))  mulai  diteliti  untuk  dapat  digunakan  sebagai oksidator  [10],  [11].  Fe(VI)  merupakan  spesies  dari  besi  (Fe)  yang  memiliki  bilangan  oksidasi  +6 yang  dikenal  sebagai  ion  ferrat  (FeO 4 2- )  [12].  Selain  sebagai  oksidator,  Fe(VI)  memiliki  sifat  lain diantaranya  sebagai  koagulan  dan  disinfektan  [13]–[15].  Berbeda  dengan  oksidator  lainnya,  Fe(VI) merupakan  oksidator  yang  ramah  lingkungan.  Dimana  hasil  akhir  dari  reaksi  oksidasi  oleh  Fe(VI) berupa  produk  non-toksik,  Fe(III)  dan  molekul  oksigen  [15],  [16].    Kemampuan  Fe(VI)  sebagai disinfektan dan oksidan telah diaplikasikan dalam degradasi berbagai polutan [17]–[20]. Tujuan dari penelitian  ini  adalah  menyintesis  Fe(VI)  menggunakan  berbagai  sumber  Fe  dan  menginvestigasi aplikasi Fe(VI) dalam mendegradasi senyawa turunan benzena seperti klorobenzena, bromobenzena, dan toluena.

## 2. Metode Penelitian
2.1 Sintesis Kalium Ferrat (K 2 FeO 4 ) dari Berbagai Sumber Fe Langkah  awal  pada  sintesis  kalium  ferrat  adalah  pencampuran  60  mL  NaOCl  dan  20  gram  NaOH. Larutan diaduk hingga NaOH larut sempurna. Kemudian penambahan 1 gram perhitungan logam Fe menggunakan  FeSO 4 .9H 2 O,  FeCl 2 .9H 2 O,  Fe(NO 3 ) 2 .9H 2 O,  dan  NaFeO 2 (US  paten  US8961921B2 [12]). Terbentuknya sodium ferrat (Na 2 FeO 4 ) ditandai dengan perubahan warna larutan menjadi ungu. Pembentukan  K 2 FeO 4 dilakukan  dengan  penambahan  KOH  sebanyak  10  gram.  Langkah  terakhir adalah  penyaringan  menggunakan  filter  GF/A,  dan  pencucian  menggunakan  n-heksana,  n-pentana, dan  metanol  yang  bertujuan  untuk  menghilangkan  pengotor  yang  berada  pada  kalium  ferrat.  Hasil akhir  padatan (K 2 FeO 4 )  berwarna  hitam  keunguan.  Untuk  menjaga  kualitas  kalium  ferrat  dilakukan penyimpanan pada desikator.

## 2.2. Uji Degradasi
Uji  degradasi  ini  bertujuan  untuk  mendegradasi  senyawa  turunan  benzena  dengan  menggunakan kalium ferrat hasil sintesis terbaik. Uji degradasi dilakukan pada pH asam (3.4), temperatur 25 o C dan molar  rasio  (kalium  ferrat :  senyawa  target)  1:1  dengan  waktu reaksi  10  menit. Degradasi  senyawa turunan benzena dilakukan pada reaktor gelas tertutup dengan ukuran 700 mL. Untuk mengontrol pH larutan, dilakukan dengan penambahan 5-10 mL larutan bufer. Waktu kontak reaksi dilakukan selama 10 menit dengan pengamatan kadar/konsentrasi sampel tiap menitnya.

## 2.3. Karakterisasi dan Analisis Data
Dalam  penelitian  ini,  penentuan  konsentrasi  kalium  ferrat  menggunakan  spektroskopi  UV/Vis. K 2 FeO 4 sebagai FeO 4 2- memiliki absorbansi maksimum pada 510 nm pada larutan bufer fosfat [21]. Sehingga dalam penentuan konsentrasi kalium ferrat menggunakan absorbansi maksimum pada 510 nm dan koefisien absorbansi molarnya (ɛ) adalah 1070 M -1 cm -1 [21], [22]. Konsentrasi kalium ferrat dapat  dihitung  menggunakan  persamaan  1,  dimana A adalah  absorbansi, B adalah  lebar  larutan, C adalah konsentrasi. Berat molekul K 2 FeO 4 adalah 198,04 g/mol. Sampel  hasil  degradasi  dianalisa  dengan  menggunakan  gas chromatography (GC).  Dengan kondisi  temperatur  injeksi dan  detektor  250 o C  dan  300 o C.  Temperatur  awal  40 o C  (5  menit)  dengan kenaikan  8 o C/menit  sampai  100 o C.  Kemudian  dilanjutkan  kenaikan  temperatur  12 o C/menit  hingga mencapai  temperatur  akhir  200 o C.  Pada  penelitian  ini,  dilakukan  dua  kali  (duplo)  pengulangan degradasi.

## 3. Hasil dan pembahasan
3.1. Sintesis Kalium Ferrat (K 2 FeO 4 ) dari Berbagai Sumber Fe Pada  penelitian  ini,  prinsip  dasar  sintesis  ferrat  menggunakan  metode  oksidasi  basah.  Zat pengoksidasi seperti NaOCl, O 3 , dan H 2 O 2 dapat mengubah tingkat oksidasi besi yang rendah (+3)/ (+2)  menjadi  tingkat  oksidasi  yang  lebih  tinggi  (+6)  [23].  Larutan  campuran  (NaOCl  dan  NaOH) memiliki  kemampuan  oksidasi  yang  sangat  kuat,  sehingga  dapat  mengubah  Fe  pada  (+3)/  (+2) menjadi (+6) [21].
Gambar 1. Persentase hasil dan persentase kemurnian sintesis kalium ferrat
Pada  penelitian ini  didapatkan  kemurnian  ferrat  hasil  sintesis  lebih dari  80%. Kemurnian  hasil sintesis dapat dihitung menggunakan persamaan dibawah (persamaan. 2) [24]. Hasil sintesis (Yield) didapatkan  dari  perbandingan  sumber  Fe  awal  dengan  sumber  Fe  akhir  (persamaan  3).  Hasil perhitungan kemurnian dan hasil sintesis K 2 FeO 4 disajikan dalam Gambar 1.
C B A . .   (1) % 100 sampel berat 04 . 198 1 . 0 1070 FeO K Kemurnian Persentase 4 2     A (2)
% 100 awal Fe gram hasil Fe gram
Hasil Persentase   (3)
Dari  hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  persentase  kemurnian  tertinggi  didapatkan menggunakan  Fe  pada  NaFeO 2 sebesar  85%,  sedangkan  persentase  hasil  tertinggi  didapatkan menggunakan  Fe  pada  Fe(NO 3 ) 2 .9H 2 O  sebesar  22%.  Sehingga  pada  penelitian  ini,  uji  degradasi menggunakan  kalium  ferrat  dengan  tingkat  kemurnian  tertinggi  yaitu  pada  sintesis  kalium  ferrat dengan menggunakan NaFeO 2 .
Pada penelitian ini (Gambar 2), hasil pengukuran serapan UV/Vis kalium ferrat pada berbagai sumber Fe dalam larutan bufer fosfat mempunyai absorbansi maksimum pada panjang gelombang 510 nm.  Absorbansi  tertinggi  didapatkan  pada  kalium  ferrat  menggunakan  NaFeO 2 sebagai  sumber  Fe. Pengukuran kalium ferrat pada panjang gelombang 510 nm. Hal ini dikarenakan tingginya kemurnian kalium  ferrat  mengakibatkan  konsentrasi  pada  larutan  bufer  fosfat  menjadi  tinggi  sehingga absorbansinya semakin besar [25].

## 3.2. Uji Degradasi
Ferrat memiliki kemampuan oksidasi yang tinggi pada berbagai kondisi pH larutan  [11]. Degradasi senyawa turunan benzena dengan menggunakan ferrat, larutan awal dalam reaktor berwarna keunguan dan kemudian berubah menjadi kekuningan secara cepat yang diakibatkan dekomposisi ferrat [26].
Pada hasil penelitian, kalium ferrat dapat mendegradasi senyawa turunan benzena secara cepat pada menit awal (Gambar 3) [12], [27], [28]. Pada uji degradasi senyawa turunan benzena, didapatkan efisiensi  degradasi  tertinggi  pada  degradasi  senyawa  toluena  sebesar  53%.  Sedangkan  efisiensi degradasi klorobenzena dan bromobenzena masing-masing adalah 25 dan 8%.
Efisiensi degradasi yang rendah pada degradasi klorobenzena dan bromobenzena dikarenakan adanya  gugus  penarik  elektron  (-Cl  dan  –Br),  sedangkan  toluena  yang  cenderung  sebagai  donor elektron (-CH 3 ) sehingga memiliki efisiensi degradasi yang lebih besar. Senyawa aromatik akan lebih mudah mengalami degradasi jika memiliki gugus donor elektron dibandingkan gugus penarik elektron [29].
Hasil  samping  pada  proses  degradasi  ferrat  berupa  produk  non  toksik  dan  ramah  lingkungan [16], [30]. Dalam proses degradasi polutan menggunakan ferrat, ferrat dapat terdekomposisi menjadi besi  hidroksida  (Fe(OH) 3 )  (Gambar  3).  Selain  itu,  Fe(OH) 3 merupakan  endapan  yang  memiliki kemampuan sebagai adsorben [31]. Hal ini menjadikan ferrat sebagai nilai tambah dalam pengolahan air maupun limbah industri.
Gambar 2. Uji degradasi senyawa turunan benzena
Gambar 3. Mekanisme dekomposisi ferrat menjadi Fe(III)

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  penelitian,  sintesis  kalium  ferrat  dapat  dihasilkan  secara  maksimal  dengan menggunakan NaFeO 2 sebagai sumber Fe. Kemampuan kalium ferrat dalam mendegradasi  senyawa turunan benzena meningkat dengan adanya gugus donor elektron (-CH 3 ) seperti toluena.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] R.  Nurhayati  and  N.  Kusumawati,  “Pemanfaatan  kalium  ferrat  dalam  pengolahan  limbah pewarna,” Inotek , vol. 16, 2012.
[2] S.  Wulandari  and  S.  Anshar,  “Degradasi  Limbah  Cair  Kelapa  Sawit  dengan  Penambahan Bakteri Rizosfir Actinomycetes dan Tanaman Typha Angustifolia dengan Model Constructed Treatment Wetland (CTW),” J. Biog. , vol. 11, pp. 55–60, 2014.
[3] S. D. Pravasi, “Chlorobenzene A2  - Wexler, Philip BT  - Encyclopedia of Toxicology (Third Edition),” Oxford: Academic Press, 2014, pp. 870–873.
[4] M. A. Bryant, “Bromobenzene A2  - Wexler, Philip BT  - Encyclopedia of Toxicology (Third Edition),” Oxford: Academic Press, 2014, pp. 559–560.
[5] S.  R.  Clough,  “Toluene  A2    -  Wexler,  Philip  BT    -  Encyclopedia  of  Toxicology  (Third Edition),” Oxford: Academic Press, 2014, pp. 595–598.
[6] E.  Selli,  C.  L.  Bianchi,  C.  Pirola,  G.  Cappelletti,  and  V.  Ragaini,  “Efficiency  of  1,4- dichlorobenzene degradation in water under photolysis, photocatalysis on TiO2 and sonolysis,” J. Hazard. Mater. , vol. 153, no. 3, pp. 1136–1141, 2008.
[7] USEPA, “National pollutant discharge elimination system,” Code Fed. Regul. , no. 1988, 1988.
[8] N. Musilová-Kebrlová, P. Janderka, and L. Trnková, “Electrochemical processes of adsorbed chlorobenzene  and  fluorobenzene  on  a  platinum  polycrystalline  electrode,” Collect. Czechoslov. Chem. Commun. , vol. 74, pp. 611–625, 2009.
[9] M. V Monferrán, J. R. Echenique, and D. A. Wunderlin, “Degradation of chlorobenzenes by a strain of Acidovorax avenae isolated from a polluted aquifer,” Chemosphere , vol. 61, no. 1, pp. 98–106, 2005.
[10]  S. J.  de  Luca,  C.  N.  Idle,  and  A.  C.  Chao, “Quality improvement  of biosolids by  ferrate(VI) oxidation  of  offensive  odour  compounds,” Water  Sci.  Technol. ,  vol.  33,  no.  3,  pp.  119–130, 1996.
[11]  G.  W.  Thompson,  L.  T.  Ockerman,  and  J.  M.  Schreyer,  “Preparation  and  Purification  of Potassium Ferrate. VI,” J. Am. Chem. Soc. , vol. 73, no. 3, pp. 1379–1381, Mar. 1951.
[12]  V. K. Sharma, “Apparatus and Method For Producing Liquid Ferrate,” 31-Mar-2011.
[13]  J.  Jiang,  “Advances  in  the  development  and  application  of  ferrate  (  VI  )  for  water  and wastewater treatment,” no. September, pp. 165–177, 2014.
[14]  C.  Li,  X.  Z.  Li,  N.  Graham,  and  N.  Y.  Gao,  “The  aqueous  degradation  of  bisphenol  A  and steroid estrogens by ferrate,” Water Res. , vol. 42, no. 1, pp. 109–120, 2008.
[15]  V.  K.  Sharma,  “Potassium  ferrate(VI):  an  environmentally  friendly  oxidant,” Adv.  Environ. Res. , vol. 6, no. 2, pp. 143–156, 2002.
[16]  J.-Q. Jiang and B. Lloyd, “Progress in the development and use of ferrate(VI) salt as an oxidant and coagulant for water and wastewater treatment,” Water Res. , vol. 36, no. 6, pp. 1397–1408, 2002.
[17]  A.  Al-Abduly  and  V.  K.  Sharma,  “Oxidation  of  benzothiophene,  dibenzothiophene,  and methyl-dibenzothiophene by ferrate(VI),” J. Hazard. Mater. , vol. 279, pp. 296–301, Aug. 2014.
[18]  R. C. Pepino Minetti, H. R. Macaño, J. Britch, and M. C. Allende, “In situ chemical oxidation of BTEX and MTBE by ferrate: pH dependence and stability,” J. Hazard. Mater. , vol. 324, pp. 448–456, 2017.
[19]  G. A. K. Anquandah and V. K. Sharma, “Oxidation of octylphenol by ferrate(VI),” J. Environ. Sci. Heal. Part A , vol. 44, no. 1, pp. 62–66, Jan. 2009.
[20]  Y. Jiang, J. E. Goodwill, J. E. Tobiason, and D. A. Reckhow, “Impacts of ferrate oxidation on natural  organic  matter  and  disinfection  byproduct  precursors,” Water  Res. ,  vol.  96,  pp.  114– 125, 2016.
[21]  V. Sharma, C. R. Burnett, and F. Millero, Dissociation constants of the monoprotic ferrate(VI) ion in NaCl media , vol. 3. 2001.
[22]  S.  Licht et  al. ,  “Analysis  of  ferrate(VI)  compounds  and  super-iron  Fe(VI)  battery  cathodes:
FTIR,  ICP,  titrimetric,  XRD,  UV/VIS,  and  electrochemical  characterization,” J.  Power Sources , vol. 101, no. 2, pp. 167–176, 2001.
[23]  J. Chengchun, L. Chen, and W. Shichao, “Preparation of Potassium Ferrate by Wet Oxidation Method  Using  Waste  Alkali:  Purification  and  Reuse of  Waste  Alkali,” in Ferrates ,  vol.  985, American Chemical Society, 2008, pp. 5–94.
[24]  Y.-L.  Wei,  Y.-S.  Wang,  and  C.-H.  Liu,  “Preparation  of  Potassium  Ferrate  from  Spent  Steel Pickling Liquid,” Metals (Basel). , vol. 5, no. 4, pp. 1770–1787, 2015.
[25]  Y. Lee, M. Cho, J. Y. Kim, and J. Yoon, Chemistry of ferrate (fe(vi)) in aqueous solution and its applications as a green chemical , vol. 10. 2004.
[26]  M. Dian and K. Il-Kyu, “Degradation of Toluene by Liquid Ferrate(VI) and Solid Ferrate(VI) in Aqueous Phase,” J. Environ. Eng. , vol. 144, no. 9, p. 4018093, Sep. 2018.
[27]  F. B. Laksono and I. Kim, “Removal of 2-Bromophenol by Advanced Oxidation Process with In- situ Liquid Ferrate ( VI ),” pp. 128–135, 2016.
[28]  J.-H. Nam, I.-K. Kim, J. Kwon, and Y. Do Kim, “Applications of electrochemical ferrate(VI) for degradation of trichloroethylene in the aqueous phase,” Desalin. Water Treat. , vol. 57, no. 11, pp. 5138–5145, Mar. 2016.
[29]  C. Bougheloum and A. Messalhi, “Photocatalytic Degradation of Benzene Derivatives on TiO2 Catalyst,” Phys. Procedia , vol. 2, no. 3, pp. 1055–1058, 2009.
[30]  N. Graham, C. Jiang, X.-Z. Li, J.-Q. Jiang, and J. Ma, “The influence of pH on the degradation of phenol and chlorophenols by potassium ferrate,” Chemosphere , vol. 56, no. 10, pp. 949–956, 2004.
[31]  B.  Gu,  J.  Schmitt,  Z.  Chen,  L.  Liang,  and  J.  F.  McCarthy,  “Adsorption  and  desorption  of natural organic matter on iron oxide: mechanisms and models,” Environ. Sci. Technol. , vol. 28, no. 1, pp. 38–46, Jan. 1994.