PENGEMBANGAN SENSOR GAS HIDROGEN SULFIDA BERBASIS REAGEN KERING TIMBAL ASETAT

Abstract

Dry reagent of lead acetate/PVC has been developed as hydrogen sulphide sensor. In this work, lead acetate/PVC shows good response toward H2S via it’s color change from white to black. Rapid sensor response has been observed for high concentration of H2S (for 114,4 ppm, The response time was ±2 hours) and reverse. The sensor has limit detection of 47,2 ppm with linear range in the 47 – 115 ppm. The sensor can be regenerated with HNO3 6M for 4 times. Keywords: H2S sensor, dry reagent lead acetate, PVC, intensity of turbidimetry.

Bab I

Pendahuluan

Gas H2S merupakan produk dari reaksi asam dengan sulfida logam, dengan tingkat toksisitas yang tinggi. Untuk mengetahui keberadaaan serta kadar gas H2S di alam, salah satu caranya dapat dilakukan dengan melakukan monitoring udara, yang diawali dengan pendeteksian (pensensoran) dan dilanjutkan dengan penentuan kadarnya. Sejalan dengan perkembangan ilmu pengetahuan, para ilmuwan kimia telah berhasil mengembangkan beberapa metode yang praktis dan sederhana, untuk mendeteksi keberadaan gas H2S baik

secara kualitatif maupun kuantitatif. Contoh praktis yang telah berhasil dikembangkan adalah mendeteksi kadar H2S dengan memanfaatkan sistem reaksi oksidasi-reduksi melalui titrasi iod secara langsung hingga tercapai titik ekivalen dari kedua senyawa (Harjadi, 1990).

Teknik lain yang telah berhasil dikembangkan untuk mendeteksi H2S, yakni dengan teknik sensor. Teknik sensor ini memanfaatkan sifat sensitifitas serta selektifitas dari suatu zat terhadap zat yang akan dideteksi. Salah satunya adalah dengan menggunakan metode impregnasi kertas, yang dilakukan dengan mengimpregnasikan reagen pendeteksi ke dalam kertas berpori, lalu dideteksi oleh detektor lewat serat optik secara reflektansi (Narayanaswamy and Sevilla, 1987).

Teknik sensor H2S yang lain misalnya dengan metode sol gel campuran oksida SnO2–CeO2, yang sensitif dan selektif terhadap gas H2S (Fang et al., 2000).

Pada penelitian ini diusulkan suatu teknik sensor yang mudah dan sederhana untuk mendeteksi keberadaan hidrogen sulfida, dengan memanfaatkan sifat kimiawi timbal asetat terhadap H2S. Di sini diterapkan teknik imobilisasi terhadap timbal asetat dengan menggunakan polivinil klorida (PVC) sebagai material pendukung reagen kering. Reagen kering yang dihasilkan memiliki beberapa keunggulan, seperti kekuatan media dan fase padatan yang tidak mudah rusak, juga tahan terhadap pengaruh asam, stabil dan mudah diregenerasi.

METODOLOGI

Bahan dan Alat

Bahan-bahan yang dibutuhkan antara lain : timbal asetat, polivinil klorida (PVC), tributil posfat (TBP) tetrahidro furan (THF), media transparan, FeS yang diperoleh dari Merck (Art. 3956, lebeled for producing H2S), HCl, I2, KI, natrium tiosulfat, zink sulfat, amilum serta HNO3. Alat-alat yang digunakan antara lain:

Orbeco-Hellige digital Direct-Reading Turbidimeter, set reaktor gas, lemari asam, stirer + magnet, pemanas, neraca analitis, buret mikro, serta beberapa peralatan gelas penunjang.

Campuran reagen dipreparasi dengan mencampur 0,38 g timbal asetat ke dalam 10 mL THF. Sedangkan campuran polimer dibuat dengan mencampurkan 0,4 g PVC ke dalam 0,8 mL TBP. Imobilisasi timbal asetat dilakukan dengan mencampurkan kedua campuran tersebut. Hasil pencampuran tersebut lalu dicetak pada media secara dip coating, dengan cara mencelupkan media transparan ke dalam campuran tersebut. Hanya dalam beberapa detik setelah diangkat dari bath, reagen kering siap digunakan untuk sensor gas H2S.

Penentuan Kandungan Gas H2S dengan Teknik Iodimetri Pembentukan gas H2S dilakukan di dalam erlenmeyer (Gambar-1), melalui reaksi FeS dengan HCl 1M. Komposisi reaktan FeS dan HCl yang digunakan sesuai dengan Tabel-1. Gas H2S yang terbentuk dialirkan ke reaktor B yang berisi ZnSO4 hingga terbentuknya ZnS, ditandai dengan perubahan warna larutan menjadi putih. Reaksi tersebut berlangsung selama 7 jam. Kemudian, larutan ZnS tersebut segera dititrasi dengan larutan iod yang telah distandarisasi.

Penentuan Gas H2S menggunakan Sensor Reagen Kering Timbal Asetat Proses ini hanya membutuhkan satu erlenmeyer sebagai reaktor, untuk menghasilkan gas H2S melalui reaksi FeS dengan HCl 1M. Pada bagian atas (tutup) reaktor tersebut dilapisi sensor, agar gas H2S dapat mengalir ke sensor dan berinteraksi (berdifusi).

Daerah Kerja dan Limit Deteksi

Setelah pensensoran, sensor yang berubah warna menjadi hitam lalu diukur intensitasnya dengan turbidimeter (pensensoran pada konsentrasi sesuai Tabel-1).

Limit deteksi ditentukan dengan mengukur intensitas awal sensor, yang nantinya dikombinasikan ke persamaan yang diperoleh pada penentuan Daerah Kerja.

Pengaruh Tingkat Regenerasi terhadap Waktu Respon Sensor Sensor yang direaksikan dengan H2S diamati waktu responnya. Setelah itu diregenerasi dan direaksikan lagi dengan H2S, lalu diamati lagi waktu responnya.

Demikian seterusnya hingga tingkat regenerasi mencapai 5 kali

HASIL DAN PEMBAHASAN

Kemampuan Imobilisasi Timbal Asetat/PVC Merespon Gas H2S Pengaliran H2S melalui sensor reagen kering timbal asetat menghasilkan perubahan warna pada sensor. Hasil pengamatan menunjukan, bahwa gas tidak berwarna H2S dapat merubah warna sensor dari putih menjadi hitam. Perubahan warna sensor menjadi hitam terus berlangsung hingga akhirnya warna hitam sensor menjadi semakin pekat. Ini berarti bahwa timbal asetat yang diimobilisasi ke dalam material PVC dapat merespon gas H2S dengan baik. Perubahan warna pada sensor ini akibat terjadinya reaksi antara timbal asetat dalam sensor dengan H2S menghasilkan timbal sulfida (PbS) hitam. Gambar-3 memperlihatkan struktur mikroskopik reagen kering yang terbentuk dari imobilisasi timbal asetat/PVC,

antara sebelum pensensoran (putih) dan setelah pensensoran (hitam).

a. Struktur Mikroskopik Sensor sebelum Pensensoran, Sensor berwarna Putih

b. Struktur Mikroskopik Sensor setelah Pensensoran, Sensor berwarna Hitam

Reaksi tersebut sangat dibantu oleh keberadaan uap air di lingkungannya. Kehadiran uap air ini membantu proses ionisasi H2S menjadi ion-ionnya, begitu pula dengan timbal asetat yang juga terionisasi menjadi ion-ionnya. Terbentuknya asam asetat pada hasil reaksi tampak dari munculnya butir-butir cairan berwarna bening di permukaan membran. Asam asetat yang berwujud cair ini bermanfaat dalam mengoptimalkan proses ionisasi timbal asetat di dalam sensor, sehingga reaksi gas dengan timbal asetat berikutnya menjadi lebih cepat. Gas H2S yang terionisasi akan mengalami fisisorpsi dengan cara berdifusi ke dalam membran.

Jadi dalam proses ini, yang berdifusi ke dalam membran bukan molekul H2S melainkan ion-ionnya. Hal ini dipertegas oleh pendapat Reid et al. (1991) yang mengatakan jika suatu molekul terionisasi, maka bukan molekul-molekulnya melainkan ion-ionnya yang terdifusi. Selanjutnya ion H+ dan S2- yang terfisisorpsi tadi akan mengalami kemisorpsi hingga terjadinya reaksi kimia dengan timbal asetat yang terionisasi. Reaksi kimianya terjadi secara ionik melalui pertukaran ion menghasilkan PbS yang spesifik berwarna hitam.

Terdapat suatu kemungkinan bahwa timbal asetat berada dan melekat di permukaan pori-pori PVC bagian dalam. Ketika partikel gas H2S mendekati permukaan PVC dan lalu berdifusi, maka gas H2S akan melewati pori-pori PVC.

Pada saat melewati pori-pori itulah kemungkinan terjadinya kontak antara partikel gas H2S dengan timbal asetat. Maka terjadilah reaksi pembentukan PbS, seperti yang diilustrasikan pada.

Pengamatan sensitifitas sensor reagen kering timbal asetat dilakukan dengan mengamati harga konsentrasi yang dapat dideteksi oleh sensor, yang ditandai dengan perubahan intensitas sensor setelah pensensoran. Di samping itu, pengamatan sensitifitas sensor dapat pula didukung dengan pengamatan terhadap reaksi pori PVC hubungan antara konsentrasi gas H2S dengan waktu respon sensor. Respon sensor ditandai melalui penampakan fisik saat terjadi perubahan warna sensor dari putih menjadi hitam secara nyata, yang mana pengamatan dilakukan dalam interval waktu setiap 15 menit dan waktu respon yang diperoleh merupakan rata-rata dari waktu respon untuk 3 buah membran. Hasil pengamatan sensitifitas reagen kering timbal asetat ini disajikan pada Grafik-1.

Pada grafik tersebut terlihat bahwa respon sensor semakin optimal seiring meningkatnya konsentrasi H2S. Ini ditandai dengan semakin cepatnya waktu yang dibutuhkan untuk terjadinya perubahan warna pada konsentrasi gas H2S yang semakin tinggi. Respon sensor terbaik diperoleh pada konsentrasi H2S 114,4 ppm, dimana sensor reagen kering timbal asetat menunjukkan perubahan warna hitam dalam waktu  ± 2 jam. Selanjutnya respon sensor menurun seiring menurunnya konsentrasi gas H2S hingga pada konsentrasi terendah yakni 51,4 ppm, sensor memberikan respon dalam waktu ± 6 jam.  

Limit Deteksi dan Daerah Kerja Sensor

Grafik-2 memperlihatkan hubungan antara konsentrasi gas H2S terhadap intensitas sensor reagen kering timbal asetat. Intensitas sensor diukur dengan menggunakan alat turbidimeter. Pada pengukuran tersebut, intensitas yang rendah menunjukkan tingkat warna hitam yang semakin pekat. Tabel-3.

Grafik-2. Pengaruh Konsentrasi Gas H2S terhadap Intensitas Sensor Pada grafik tersebut tampak bahwa intensitas sensor semakin menurun seiring dengan meningkatnya konsentrasi H2S. Semakin besar konsentrasi gas H2S berarti akan semakin banyak H2S yang bereaksi dengan sensor. Hal ini menyebabkan perubahan warna hitam sensor semakin pekat pada konsentrasi yang semakin besar. Maka kepekatan warna hitam mengakibatkan intensitas semakin rendah. Hasil ini sejalan dengan penampakan sensor secara fisik, dimana terlihat bahwa semakin besar konsentrasi, warna hitam yang tampak semakin pekat.

Berdasarkan perhitungan limit deteksi yang dirujuk dari Miller and Miller (1993) diperoleh LOD sebesar 47,2 ppm dimana intensitas (y) untuk konsentrasi pada limit deteksi sebanding dengan sinyal blank dikurangi 3 kali standart deviasi blank : y = yb – 3.SD.

Grafik-2 di atas memperlihatkan linearitas yang baik untuk daerah kerja sensor reagen kering timbal asetat. Kombinasi data antara konsentrasi pada Grafik-2 dengan LOD dapat digunakan sebagai dasar untuk penentuan daerah kerja. Dari hasil perhitungan diperoleh daerah kerja untuk sensor reagen kering timbal asetat ini berada pada daerah konsentrasi antara 47 ppm hingga 115 ppm.

Hal ini diambil karena sulitnya memproduksi gas H2S, dimana gas H2S di sini hanya diproduksi secara manual.

Hasil tersebut menunjukan adanya perbedaan dengan hasil penelitian sebelumnya, yakni yang dilakukan oleh Fang et al. (2000). Sensor gas H2S hasil penelitian mereka yang berupa sol-gel lapis tipis CeO2 – SnO2 memiliki limit deteksi pada konsentrasi 5 ppm dengan daerah kerja antara 5 – 25 ppm. Hal itu ditunjukan oleh data hubungan konsentrasi terhadap sensitifitas gas H2S, yang memperlihatkan linearitas yang baik pada konsentrasi antara 5 – 25 ppm. Namun demikian, sensor reagen kering timbal asetat ini dapat digunakan sebagai system sensor yang berfungsi untuk “peringatan”. Ketika sensor ini diletakan di udara dan mampu terjadi perubahan warna, maka dapat ditarik kesimpulan dini bahwa kadar gas H2S di lingkungan tersebut sudah berada di atas ambang batas (10 – 15 ppm).

Di samping itu, sensor reagen kering timbal asetat ini memiliki keunggulan dari sisi kemampuan regenerasi serta stabilitasnya yang baik.

Kemampuan Regenerasi Sensor Reagen Kering Timbal Asetat Salah satu kesempurnaan dari sensor reagen kering timbal asetat ini adalah kemampuannya untuk diregenerasi secara optimal. Proses regenerasi sensor ini membutuhkan waktu kira-kira 5 menit. Di sini tampak bahwa sensor yang telah berwarna hitam akibat terbentuknya PbS, dapat kembali ke kondisi awal setelah diregenerasi. Hal itu ditandai dengan penampilan fisiknya yang berubah menjadi putih seperti semula.

Reagen yang digunakan sebagai regenerator sensor ini adalah larutan asam HNO3 6M. Svehla (1996) menjelaskan bahwa endapan timbal sulfida akan terurai jika ditambahkan asam nitrat pekat, dan unsur sulfur yang berbutir putih halus akan mengendap.

3PbS(s) + 8HNO3 (aq) D 3Pb2+ (aq) + 6NO3-(aq) + 3S(s) + 2NO(g) + 4H2O(l)

Dari reaksi di atas tampak bahwa reaksi bersifat irreversibel. Sifat ini mendukung keoptimalan regenerasi reagen kering timbal asetat, dimana dengan sifat reaksi yang irreversibel akan dapat menghambat pembentukan kembali PbS.

Sehingga hasil dari regenerasi hanya akan menguraikan PbS, dan selanjutnya ion Pb2+ bergabung kembali dengan ion CH3COO- yang tersisa pada sensor untuk selanjutnya membentuk timbal asetat kembali.

Pada Grafik-3 diperlihatkan trend pengaruh tingkat regenerasi terhadap intensitas awal reagen kering timbal asetat. Dari gambar tersebut tampak bahwa intensitas awal dari sensor hanya mengalami sedikit penurunan dibanding sebelumnya. Penurunan tersebut kemungkinan dikarenakan terjadinya pelarutan pada beberapa komponen tertentu dalam reagen kering saat regenerasi.

Grafik-3. Pengaruh Tingkat Regenerasi terhadap Intensitas Awal Grafik di atas menunjukkan bahwa proses regenerasi tidak mempengaruhi stabilitas reagen kering timbal asetat, terlihat dari perubahan intensitas awal yang relatif kecil akibat proses regenerasi. Hal ini juga memberikan indikasi bahwa larutan asam HNO3 yang digunakan sebagai regenerator tidak berpengaruh nyata terhadap stabilitas reagen kering. Efektifitas dari reagen kering ini tetap teruji dengan baik ketika digunakan kembali sebagai sensor gas H2S. Sehingga dapat dikatakan bahwa reagen kering timbal asetat stabil terhadap pengaruh asam.

Grafik-4 dan Grafik-5 menyajikan trend kemampuan tingkat regenerasi reagen kering timbal asetat. Pada grafik terlihat bahwa setelah sensor diregenerasi sebanyak 4 kali, maka kemampuan aktifitas sensor mulai menurun ditandai dengan waktu respon yang semakin lama meskipun pada konsentrasi yang sama.

Tabel-6. Kemampuan Tingkat Regenerasi Reagen Kering Timbal Asetat Regenerasi ke: Intensitas awal Int. setelah respon *) Waktu respon Awal 7,88 4,91 2 jam 15 menit

1 7,88 4,91 2 jam 15 menit 2 7,82 4,99 2 jam 15 menit

3 6,88 4,26 2 jam 30 menit 4 6,10 3,50 2 jam 45 menit

5 5,81 3,25 3 jam 45 menit *) Pengamatan dilakukan setiap 15 menit, pada konsentrasi 114,4 ppm.

E F G H F I J G K I K L K M

E F G H F I J G K I I H G H M K N O H F I H F I P Q K F

Grafik-4. Pengaruh Tingkat Regenerasi terhadap Selisih Intensitas Sensor antara Sebelum Pensensoran (awal) dengan Setelah memberikan Respon.

Grafik-5. Pengaruh Tingkat Regenerasi terhadap Waktu Respon Sensor Pengujian kembali reagen kering hasil regenerasi dengan pengaliran H2S, tetap menunjukkan hasil yang efektif sebagai sensor gas H2S, demikian pula dengan sensitifitasnya terhadap gas H2S. Kehadiran produk samping pada hasil regenerasi dapat dikatakan tidak mempengaruhi keoptimalan kerja sensor, dan dimungkinkan produk samping tersebut tidak berada di dalam sensor, melainkan ada yang menguap ke udara dan sebagian ada yang berada dalam larutan HNO3.