Membran Optode Pendeteksi Logam Pencemar Lingkungan, Fe(III) dan Cr(VI): Fabrikasi, Uji Kinerja, dan Evaluasinya

Abstract

ZULHAN ARIF. Membran Optode Pendeteksi Logam Pencemar Lingkungan, Fe(III) dan Cr(VI): Fabrikasi, Uji Kinerja, dan Evaluasinya. Dibimbing oleh IRMANIDA BATUBARA, ETI ROHAETI, dan SRI SUGIARTI.

Penelitian ini berfokus pada pengembangan membran optode berbasis selulosa triasetat (CTA) untuk mendeteksi adanya logam berat pencemar lingkungan, khususnya besi (Fe(III)) dan kromium (Cr(VI)). Tujuan utama penelitian adalah untuk merancang dan mengevaluasi kinerja membran optode yang dapat digunakan untuk deteksi logam berat dalam air dan lingkungan dengan cara yang sederhana, efisien, dan waktu optimal. Pengembangan metode didasari oleh adanya fenomena logam berat yang menjadi masalah besar di seluruh dunia, terutama di negara berkembang. Logam berat, seperti besi dan kromium, dapat mencemari lingkungan dan memiliki dampak buruk terhadap kesehatan manusia dan ekosistem. Besi, meskipun penting untuk kehidupan, dalam jumlah yang berlebihan dapat menjadi racun yang merusak organ tubuh manusia. Demikian juga dengan kromium (Cr(VI)), merupakan unsur ion yang sangat toksik dan karsinogenik, berbahaya bagi sistem gastrointestinal, ginjal, hati, dan paru-paru manusia. Oleh karena itu, penting untuk memantau kadar logam berat ini di lingkungan menggunakan metode yang lebih efisien dan terjangkau. Metode yang dikembangkan untuk keperluan ini adalah dengan metode optode. Optode adalah sensor yang bekerja dengan cara mengubah sifat optiknya (seperti warna atau fluoresens) sebagai respons terhadap interaksi antara analit (logam berat) dengan ligan (senyawa yang mengikat analit) yang terdapat dalam membran. Salah satu bahan yang dapat dikembangkan menjadi membran adalah selulosa yang dapat diperoleh dari biomassa. Selulosa dimodifikasi menjadi selulosa triasetat (CTA). Penelitian ini mengembangkan optode berbasis CTA, yang memiliki sifat mekanik yang baik, stabilitas kimia yang tinggi, transparansi optik, dan minim interferensi, menjadikannya material yang ideal untuk sensor optik. CTA dipilih karena keunggulannya yang telah terbukti dalam penelitian sebelumnya sebagai bahan membran optode yang efektif. Penelitian ini terdiri dari beberapa tahap yaitu pembuatan membran optode CTA, karakterisasi membran, uji kinerja membran untuk mendeteksi logam berat Fe(III) dan Cr(VI), dan validasi metode deteksi dan diikuti uji coba menggunakan sampel nyata. Membran optode CTA dibuat dengan menginkorporasi ligan spesifik, seperti ion tiosianat untuk Fe(III) dan 1,5- difenilkarbazida (DPC) untuk Cr(VI) pada tahap fabrikasi. Proses ini melibatkan penggunaan pelarut kloroform serta pemlastis asetofenon dan asam oleat untuk menghasilkan membran dengan ketebalan dan porositas yang diinginkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa membran optode berbasis CTA dapat digunakan untuk mendeteksi Fe(III) dan Cr(VI) secara efisien dengan respons warna yang jelas dan proporsional terhadap konsentrasi logam tersebut. Uji kinerja membran optode CTA menunjukkan bahwa membran ini memiliki stabilitas kimia yang baik, daya tahan terhadap perubahan lingkungan, dan respons yang cepat terhadap perubahan konsentrasi logam berat. Selain itu, penelitian ini juga mengidentifikasi beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja membran optode, seperti pH larutan dan waktu kontak antara membran dan analit. Penentuan pH optimum untuk Fe(III) ditemukan pada pH 2, sedangkan untuk Cr(VI) pada pH 3. Waktu kontak optimum untuk mendeteksi Fe(III) dan Cr(VI) adalah 15 menit. Rerata ketebalan membran 0,0276 mm dan tingkat porositas 69,69%. Hasil ini penting untuk aplikasi praktis, terutama dalam pengujian sampel nyata di lapangan. Validasi metode dilakukan untuk memastikan keakuratan dan keandalan hasil deteksi. Validasi mencakup linieritas, presisi, akurasi, batas deteksi, dan batas kuantisasi. Hasil validasi menunjukkan bahwa membran optode CTA memiliki rentang deteksi yang cukup luas untuk Fe(III) (0,16 – 4,00 mg/L) dengan linieritas sebesar 0,9912. Batas deteksi dan kuantisasi sebesar 0,0553 mg/L dan 0,1676 mg/L (batas yang diizinkan untuk Fe(III) dalam air maksimal 1 mg/L), presisi sebesar 3,31%, presisi intermediet sebesar 3,03% dan 3,01%, nilai akurasi sebesar 101,62%, nilai sensitivitas sebesar 8,8303×106 M-1 cm-1, selektivitas terhadap ion Pb(II) sebesar 0,4580 dan Cr(VI) sebesar 0,2748, serta nilai stabilitas membran sebesar ditunjukkan perubahan absorbans 2,74% sebelum pewarnaan dan 1,34% perubahan absorbans setelah pewarnaan selama 10 hari. Optode Cr(VI) menunjukkan rentang konsentrasi 0,02 – 0,40 mg/L dengan nilai linieritas sebesar 0,9918, batas deteksi sebesar 0,0057 mg/L dan batas kuantisasi 0,0172 mg/L (batas yang diizinkan Cr(VI) dalam air sanitasi maksimal 0,05 mg/L), presisi sebesar 3,01%, presisi intermediet sebesar 3,03% dan 2,25%, nilai akurasi sebesar 96,10%, sensitivitas sebesar 7,80 x 106 M-1cm-1, selektivitas terhadap ion Fe(III) dan Pb(II) sebesar 0,037 dan 0,048, nilai stabilitas ditunjukkan dengan perubahan absorbans sebesar 2,74% sebelum pewarnaan dan 2,52% setelah pewarnaan. Pengujian robustness optode Fe(III) dan Cr(VI) menunjukkan perubahan pH berpengaruh terhadap pembentukan warna di sekitar pH optimum. Membran optode berbasis selulosa triasetat (CTA) adalah alternatif yang efektif dan efisien untuk deteksi logam berat, terutama Fe(III) dan Cr(VI), di lingkungan. Penelitian ini menampilkan beberapa hal yang baru seperti, (1) inovasi formulasi pemlastis dilakukan dengan mengombinasikan asam oleat dan asetofenon sebagai sistem pemlastis membran selulosa triasetat (CTA) untuk optode Fe(III)/Cr(VI), dengan asam oleat dapat meningkatkan stabilitas membran, sementara asetofenon mengoptimalkan distribusi rantai polimernya, (2) diperoleh membran hasil modifikasi dengan fleksibilitas mekanik/pori dan stabilitas hidrolitik yang baik, (3) pengaplikasian kromoionofor spesifik logam dengan impregnasi langsung ke dalam matriks CTA, menghasilkan selektivitas tinggi dan respons warna yang baik, dan (4) penelitian ini juga mengembangkan purwarupa sederhana optode portabel tahap awal berbasis pembacaan warna menggunakan deteksi dengan pembanding langsung untuk analisis in-situ. Metode ini menawarkan kemudahan, kecepatan, dan biaya rendah dibandingkan dengan metode konvensional yang lebih rumit dan mahal

ZULHAN ARIF. Optode Membrane For The Detection Of Environmental Heavy Metal Pollutants, Fe(III) And Cr(VI): Fabrication, Performance Testing, And Evaluation. Supervised by IRMANIDA BATUBARA, ETI ROHAETI, and SRI SUGIARTI.

This research focuses on the development of a cellulose triacetate (CTA)-based optode membrane for the detection of heavy metals as environmental pollutants, specifically iron (Fe(III)) and chromium (Cr(VI)). The primary objective of this study is to design and evaluate the performance of an optode membrane capable of detecting heavy metals in water and environmental samples through a simple, efficient, and time-effective approach. The development of this method is driven by the widespread issue of heavy metal contamination, which poses a significant global concern, particularly in developing countries. Heavy metals such as iron and chromium can pollute the environment and exert adverse effects on both human health and ecosystems. Although iron is essential for life, excessive amounts can be toxic and cause damage to human organs. Similarly, hexavalent chromium (Cr(VI)) is a highly toxic and carcinogenic species, known to adversely affect the gastrointestinal tract, kidneys, liver, and lungs. Therefore, it is crucial to monitor the concentrations of these heavy metals in the environment using methods that are more efficient and cost-effective. In response to this need, this study proposes the development of an optode-based detection method An optode is a type of sensor that operates by altering its optical properties—such as color or fluorescence—in response to interactions between an analyte (in this case, heavy metals) and a ligand (a compound that binds to the analyte) embedded within a membrane. One of the promising materials that can be developed into such a membrane is cellulose, which is readily derived from biomass. In this study, cellulose was modified into cellulose triacetate (CTA). The optode developed is based on CTA, a material known for its favorable mechanical properties, high chemical stability, optical transparency, and minimal interference, making it an ideal candidate for optical sensing applications. CTA was selected due to its proven effectiveness in previous studies as a membrane material for optode sensors. This study comprises several stages, fabrication of the CTA-based optode membrane, membrane characterization, performance evaluation of the membrane for the detection of heavy metals Fe(III) and Cr(VI), and method validation followed by testing with real samples. During the fabrication stage, the CTA optode membrane was prepared by incorporating specific ligands, such as thiocyanate ions for Fe(III) and 1,5-diphenylcarbazide (DPC) for Cr(VI). This process involved the use of chloroform as a solvent, along with acetophenone and oleic acid as plasticizers, to produce a membrane with the desired thickness and porosity.. The results of this study demonstrate that the CTA-based optode membrane can be effectively utilized for the detection of Fe(III) and Cr(VI), exhibiting a distinct and proportional color response corresponding to the concentration of these metal ions. Performance evaluations revealed that the CTA optode membrane possesses good chemical stability, resilience to environmental fluctuations, and rapid responsiveness to changes in heavy metal concentrations. Furthermore, the study identified several factors influencing the membrane’s performance, including solution pH and the contact time between the membrane and analyte. The optimum pH for Fe(III) detection was determined to be pH 2, while for Cr(VI), the optimum pH was pH 3. The optimal contact time for both Fe(III) and Cr(VI) detection was found to be 15 minutes. The membrane exhibited an average thickness of 0.0276 mm and a porosity level of 69.69%. These findings are significant for practical applications, particularly in the field testing of real environmental samples. Method validation was conducted to ensure the accuracy and reliability of the detection results. The validation parameters included linearity, precision, accuracy, limit of detection (LOD), and limit of quantification (LOQ). The validation results indicated that the CTA-based optode membrane possessed a sufficiently wide detection range for Fe(III) (0.16–4.00 mg/L), with a linearity coefficient of 0.9912. The LOD and LOQ were determined to be 0.0553 mg/L and 0.1676 mg/L, respectively—well below the maximum permissible limit of 1 mg/L for Fe(III) in sanitary water. The membrane demonstrated a precision of 3.31%, intermediate precision of 3.03% and 3.01%, an accuracy of 101.62%, sensitivity of 8.8303 × 106 M?¹ cm?¹, and selectivity coefficients of 0.4580 for Pb(II) and 0.2748 for Cr(VI). Membrane stability was evidenced by a 2.74% change in absorbance before dyeing and a 1.34% change after dyeing over a 10-day period. For Cr(VI), the optode exhibited a concentration range of 0.02–0.40 mg/L with a linearity coefficient of 0.9918. The LOD and LOQ were 0.0057 mg/L and 0.0172 mg/L, respectively, both well below the maximum allowable concentration of 0.05 mg/L for Cr(VI) in sanitary water. The optode showed a precision of 3.01%, intermediate precision of 3.03% and 2.25%, an accuracy of 96.10%, sensitivity of 7.80 × 106 M?¹ cm?¹, and selectivity coefficients of 0.037 for Fe(III) and 0.048 for Pb(II). Membrane stability was indicated by a 2.74% change in absorbance before dyeing and a 2.52% change after dyeing. Robustness testing of both Fe(III) and Cr(VI) optodes demonstrated that pH variation influenced the color development near their respective optimum pH levels. The cellulose triacetate (CTA)-based optode membrane represents an effective and efficient alternative for the detection of heavy metals, particularly Fe(III) and Cr(VI), in environmental samples. This study presents several novel contributions: (1) an innovative plasticizer formulation was developed by combining oleic acid and acetophenone as a dual plasticizer system for the CTA membrane used in Fe(III)/Cr(VI) optodes. Oleic acid contributes to enhanced membrane stability, while acetophenone optimizes the distribution of polymer chains; (2) the resulting modified membrane exhibited good mechanical flexibility, porosity, and hydrolytic stability; (3) the direct impregnation of specific metal chromoionophores into the CTA matrix yielded high selectivity and strong color responses; and (4) a simple early-stage prototype of a portable optode system was developed, utilizing direct visual color comparison for in situ analysis. This method offers advantages in terms of simplicity, rapid analysis, and low cost, compared to conventional methods that are often more complex and expensive