Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 3 No.5, Juni 2005 ISSN 1693-248X
17
Saifuddin, Kombinasi Berbagai Oksidator Untuk Mendegradasi 2-Chlorobifenil Dalam Sistem UV/TiO2/Oksidant
KOMBINASI BERBAGAI OKSIDATOR UNTUK MENDEGRADASI 2-CHLOROBIFENIL DALAM SISTEM UV/TiO2/OKSIDANT Saifuddin*)
ABSTRAK Fotodegradasi merupakan proses oksidasi lanjut (AOP) dan dapat digunakan untuk mendegradasi senyawa organik yang terlarut dalam air buangan. Proses ini merupakan kombinasi UV/TiO2/Oksidant (H2O2, S2O82-, dan IO4-). Proses tersebut terjadi karena terbentuknya electron (e-) dan hole (h+) pada permukaan katalis TiO2 dan adanyanya ion radikal hidroksil (OH*) dari H2O2, radikal IO3* dari IO4-, dan *SO4- dari S2O82-. Radikal tersebut dapat menginisiasi reaksi kimia seperti oksidasi dan reduksi untuk mendegradasi senyawa organik dalam air buangan menjadi senyawa yang lebih sederhana. Hal tersebut terjadi akibat adanya elektron yang tereksitasi pada atom C kromofor dalam senyawa kimia. Proses ini terjadi dalam reaktor double pipe yang disinari dengan lampu UV (254 nm) 20 watt dan ditempatkan pada pipa bagian dalam, konsentrasi oksidan yang digunakan 0,01 M dan TiO2 25 mg/l. Efisiensi penyisihan yang dikombinasikan berkisar dari 92%-98,7% pada waktu 90 menit. Kata kunci: AOP (Advance Oxidation Process), 2-klorobifenil, TiO2, Oksidant, dan UV.
PENDAHULUAN Fotodegradasi merupakan suatu proses pemutusan ikatan atau pemaksapisahan atom dalam senyawa kimia akibat adanya penyerapan atau radiasi dari sinar matahari (sinar UV) pada panjang gelombang yang spesifik. Radiasi sinar terutama sinar ultra violet (UV) didefinisikan sebagai radiasi gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang lebih pendek dari sinar tampak tetapi lebih panjang dari sinar X. Energi berbanding terbalik dengan panjang gelombang. Energi akan semakin besar jika panjang gelombangnya lebih pendek. Oleh sebab itu fotokatalisis sangat tepat untuk memutuskan ikatan suatu zat kimia yang sukar diurai dalam proses biologi (e.g pestisida, dioxin, organik terkloronasi) terutama gugus aromatik yang biasanya sukar diolah dalam proses biologi dan membutuhkan waktu yang lama dalam proses pengolahannya (Noyes,1994). Pemutusan ikatan suatu molekul dapat dilakukan dengan menggunakan katalis TiO2, SnO2, WO2, ZnO dan lain-lainnya, dapat juga dengan menggunakan oxidant seperti H2O2, S2O82- dan IO4-. Penggunaan katalis TiO2 dapat menghancurkan banyak komponen organik menjadi CO2. (Wang,1999). Katalis + oksidant Organik
CO2 + H2O + Asam sinar UV
Organik pada persamaan diatas meliputi alkana, alifatik, alkohol, asam karboksilat, surfaktan, herbisida, pestisida dan bahan celupan sebagaimana halnya dengan aromatik dan haloaromatik yang biasanya banyak ditemukan dalam limbah industri petrokimia (Cheng, 1998). Bila TiO2 dileburkan melalui sinar UV yang mengandung oksigen terlarut dengan senyawa organik maka akan terjadi pemutusan ikatan senyawa kimia pada atom C kromofor dalam senyawa tersebut, yang terpenting adanya peningkatan electron (e-) dan hole (+) dalam partikel TiO2 (Wang, 2000). Pada partikel semikonduktor TiO2, elektron pada pita valensi (valence band, Vb) di dalam partikel TiO2 akan mengabsorbsi sinar UV (dengan energi ≥ band gap TiO2) dan dengan menggunakan energi tersebut untuk berpindah ke pita konduksi (conduction band, Cb) dan meningkatkan hole positif. Dalam beberapa saat posisi ini masih terus langsung berkombinasi di permukaan partikel, akan tetapi ada sebagian pasangan electron-hole yang mencapai permukaan partikel dan medonasikan elektronnya pada molekul yang teradsorpsi pada permukaan katalis dan medonasikan elektronnya untuk mereduksi substract atau pelarut pada larutan yang diaerasi, dengan kata lain elektron pada pita konduksi yang mencapai permukaan untuk mereduksi pelarut pada permukan partikel. Ini berarti hole yang juga mencapai permukaan untuk mereduksi pelarut pada permukaan partikel mengoksidasi baik secara langsung atau tidak
*) Staf Pengajar Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe
18
Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 3 No.5, Juni 2005 ISSN 1693-248X
langsung (molekul pembentuk hidroksil) subtract yang kontak dengan permukaan partikel (Gunzalurdi,1996). Model organik secara sederhana, fotokatalisis dengan adanya air dan O2 yang terlarut dapat digambarkan sebagai berikut: TiO2 + hv TiO2(ecb-+hrb+) Ecb- + O2 hvb + OH-
TiO2(ecb-+hrb+) panas
(1)
TiO2 yang digunakan berbentuk bubuk (80% anatase, 20% rutil), H2O2 yang digunakan 30%, sedangkan oksidant lain yang digunakan KIO4 dan K2S2O8. Analisa dilakukan dengan GC/ECD (HP5890A). Pengukuran panjang gelombang sinar UV dilakukan dengan radiometer. Peralatan yang digunakan pada penelitian ini diperlihatkan pada Gambar 2.
O2*ecb(2) Conduction band electron OHhvb+ Valence band hole
2CBF/TiO2/ oksidant
(3) UV
Tampak jelas dengan menggunakan partikel TiO2 dan sinar UV dapat menghasilkan spesies pengoksida kuat yang mampu mengoksidasi molekul organik sampai menjadi asam, CO2 dan air, disamping itu pula TiO2 tidak larut dalam air sehingga dapat dipisahkan dengan filtrasi (Cheng,1999). METODE PENELITIAN Penelitian ini dilakukan dalam reaktor dari bahan pyrex yang berbentuk double pipe, dengan diameter pipa bagian dalam 3 cm dan diameter pipa luar 5 cm serta volume reaktor (ruang (annulus) 1 liter. Dalam pipa bagian dalam ditempatkan lampu UV (254 nm) 20 watt. Skema penelitian dapat dilihat pada Gambar 1.
Reaktor + UV
HASIL PENELITIAN
Pengaruh penggunaan TiO2 Semakin lama reaktor disinari dengan sinar UV, akan mempertinggi terbentuknya pasangan electron (e-) dan hole (h+) yang terbentuk pada permukaan TiO2 dan berfungsi sebagai adsorber sehingga mampu menginisiasi reaksi kimia seperti reaksi oksidasi dan reduksi untuk menyisihkan senyawa 2-klorobifenil dengan menyerang gugus atom C kromofor.
Sampel
Saring
Pengaruh penggunaan oksidan Penggunaan oksidan akan mempercepat photodegradasi. Hal tersebut lebih cepat dibandingkan dengan penggunaan TiO2 karena penggunaan oksidan (H2O2,S2O82- dan IO4-) akan membentuk radikal yang akan memutuskan
Padatan
Analisa Gambar 1. Blok Diagram Prosedur Penelitian A
Gambar 2. Peralatan yang digunakan.
Hasil penelitian menunjukkan fotodegradasi semakin bertambah dengan meningkatnya waktu fotodegradasi. Efisiensi penyisihan terbesar diperoleh dengan adanya kombinasi UV/TiO2/ (H2O2,S2O82-,IO4-)
2-chlorobifenil
Cairan
Tangki air baku
19
Saifuddin, Kombinasi Berbagai Oksidator Untuk Mendegradasi 2-Chlorobifenil Dalam Sistem UV/TiO2/Oksidant
C akhir X1000
120
120
C akhirx1000
ikatan senyawa 2-klorobifenil (2CBF) dari atom C kromofor dengan adanya elektron yang tereksitasi dibandingkan dengan penggunaan katalis TiO2 karena oksidan yang terpakai dalam bentuk cairan sehingga penyebarannya lebih cepat dan jumlah molekul oksidan yang tersinari UV lebih banyak membentuk radikal hidroksi (OH*), radikal tiosulfat (S2O8*)dan (IO4*), yang pada akhirnya semakin banyak sehingga kemampuan radikal tersebut semakin banya untuk mendegradasi senyawa 2CBF. Hasil fotodegradasi UV/TiO2, UV/H2O2 dan UV/TiO2/ H2O2, selama 90 menit diperlihatkan pada Gambar 3.
100 80 60 40 20 0 0
15
30
45 60
75
90
w aktu(m enit) UV/TiO2/IO4
UV/TiO2
UV/IO4
Gambar 4 Hasil fotodegradasi UV/TiO2, UV/IO4dan UV/TiO2/IO4-, selama 90 menit Pengaruh penambahan konsentrasi H2O2 bila disinari dengan sinar UV akan menambah jumlah radikal *OH yang terbentuk pada air, seperti pada reaksi 13 sampai 16.
100 80 60 40 20
H2O2 + eCBH2O2 + *O2H2O2 + hv
0 0
15
30
45
60
75
90
w aktu(m enit) UV/TiO2/H2O2
UV/TiO2
UV/H2O2
Gambar 3 Hasil fotodegradasi UV/TiO2, UV/H2O2 dan UV/TiO2/H2O2, selama 90 menit Pengaruh UV/TiO2/(H2O2, S2O82-, IO4-) Kombinasi antara UV/TiO2/ (H2O2, S2O82-, akan mempertinggi efesiensi penyisihan dibandingkan dengan tanpa pemakakaian oksidant. Pemakaian oksidant H2O2 akan membentuk radikal *OH yang teradsorbsi pada permukaan katalis TiO2. IO4-)
TiO2 +hv OHads- + hVB+ H2Oads + hVB+ O2 + eCB*O2- + eCB*O2- + H+ HO2* + HO2* *O2- + HO2* HO2- + H+
ecb-+hrb+ *OHads *OHads + H+ *O2*O22 HO2* H2O2 +O2 HO2H 2O 2
(4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12)
Dari reaksi 4 sampai 12 dapat dilihat bahwa Hydrogen Peroksida juga akan terbentuk akibat adanya O2 dan H+ dari air. Hasil fotodegradasi UV/TiO2, UV/IO4- dan UV/TiO2/IO4-, selama 90 menit diperlihatkan pada Gambar 4. 20
*OH + OH*OH +OH- + O2 2*OH
(13) (14) (16)
Efisien penyisihan dengan penggunaan hydrogen peroksida yang dikombinasikan sebesar 92%. Photolisis kombinasi dengan penambahan oksidant IO4- cenderung akan mempertinggi efisiensi penyisihan 2CBF, karena disamping terbentuknya ion radikal, priodat sendiri akan membentuk ion radikal lain yang sangat reaktif berupa IO3*, *OH, IO3- dan IO4* (Weavers dkk,1997) seperti pada reaksi 13-17. IO-4 + hv O*- + H+ OH + IO-4 H4 IO-6 + hv H3IO5-
IO3* + O**OH OH- + IO4* H3IO5- + *OH IO3- + H2O + *OH
(13) (14) (15) (16) (17)
Pemakaian priodat yang dikombinasikan menghasilkan efisiensi sebesar 98,3% selama 90 menit. Pemakaian S2O82- akan meningkatkan laju degradasi dibandingkan tanpa menggunakan S2O82-, karena disamping telah terbentuknya radikal hidroksi pada permukaan katalis, S2O82juga akan membentuk radikal *SO4- yang merupakan oksidant yang kuat sebagai pengoksidasi senyawa organik. Reaksi pembentukan radikal hidroksi pers 18 dan 19. S2O82-
*SO4 + H2O
2*SO4-
(18) 2-
*OH +SO4 + H
+
(19)
Jurnal Reaksi Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Lhokseumawe Vol. 3 No.5, Juni 2005 ISSN 1693-248X
Efisiensi penyisihan diperoleh sebesar 98,7%. Hasil fotodegradasi UV/TiO2,UV/S2O82- dan UV/TiO2/S2O82-, selama 90 menit diperlihatkan pada Gambar 5.
C akhirx1000
120 100 80 60 40 20 0 0
15
30
45 60
75
90
w aktu(m enit) UV/TiO2/S2O8
UV/TiO2
UV/S2O8
Gambar 5. Hasil fotodegradasi UV/TiO2,UV/S2O82dan UV/TiO2/S2O82-, selama 90 menit. Kombinasi UV/TiO2/(H2O2,S2O82-,IO4-) Kombinasi ini hanya sedikit mampu meningkatkan laju degradasi dibandingkan dengan penggunaan UV/oksidan. Hal ini disebabkan proses pembentukan radikal hidroksi dari oksidant yang lebih cepat saat tersinari UV dibandingkan dengan penggunaan katalis TiO2.
KESIMPULAN
2CBF dapat disisihkan dengan menggunakan proses AOPS Penambahan oksidan dalam sistim UV/TiO2 secara signifikan berpengaruh terhadap laju degradasi 2CBF. Sistim kombinasi hanya sedikit mampu meningkatkan laju degradasi dibandingkan dengan sistim UV/oksidant. Efisiensi yang diperoleh untuk sistem UV/TiO2/H2O2 sebesar 92%, UV/TiO2/IO4sebesar 98,3%, dan dengan UV/TiO2/S2O82sebesar 98,7%.
DAFTAR PUSTAKA. Cheng D and Ray, 1998. Photodegradation Kinetic of 4-Nitrofenol in TiO2 Suspentions, Water Research. 3223-3234. Gunzalurdi J dan Sunardi, 1996. Proses Fotokatalitik Sebagai Alternatif Untuk Detoksifikasi Dalam Pengolahan Limbah, Alami. 21
M.C Cheng JN and TU.MF, 1999. Photocatalitic Oxidation of Propoxur in Aqueos Titanium Dioksida Suspension. Environ.Sci.Health, 859-872. Weavers L.K. Hua I and Hoffman MR, Degradation of Triethanolamine and Chemical Oxygen Demand Reduction in Wastewater by Photoactivated Periodate. Water Envi. Res 69, 112-119.
