Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
Pengaruh Jumlah Lapisan Bulir Polimer Polipropilena Berfotokatalis Semikonduktor TiO2 Terhadap Fotodegradasi Metilen Biru Hasniah Aliah1,*), Andhy Setiawan2), Mikrajuddin Abdullah3) 1)
Jur. Fisika Fak. Sains dan Teknologi UIN Sunan Gunung Djati, 2) Prodi Fisika Fak. Pendidikan MIPA UPI, 3) Jur. Fisika, Fak. MIPA ITB *)Email:
[email protected]
Abstrak. Pencemaran limbah zat warna pada badan air menjadi salah satu masalah lingkungan yang memerlukan penanganan. Teknik fotokatalisis menggunakan material semikonduktor titanium dioksida (TiO2) yang diaktifkan oleh cahaya matahari merupakan metode yang ekonomis untuk menyelesaikan masalah tersebut. Katalis semikonduktor TiO2 telah diimobilisasi secara termal pada permukaan polimer polipropilena (TiO2/PP) di dalam tabung pengaduk sederhana yang dilengkapi dengan pemanas terkontrol. Pelapisan TiO2 pada permukaan PP dilakukan pada temperatur pengadukan 100 °C selama 60 menit. Pengaruh katalis dan jumlah lapis bulir polimer berkatalis dikaji dengan memvariasikan jumlah polimer berlapis katalis per satuan luas limbah. Proses fotokatalitik TiO2 diamati melalui pengujian fotodegradasi dengan memberikan polimer berlapis katalis yang bervariasi sebanyak 1 lapis, 2 lapis, 3 lapis dan 4 lapis masing-masing pada 250 ml larutan limbah model organik metilen biru (MB) dengan konsentrasi awal 2,6010-5 M. Pada saat bersamaan, pengujian fotodegradasi MB juga dilakukan dengan memberikan polimer tak berkatalis. Pengujian dilakukan di bawah sinar matahari selama 4 hari. Diperoleh hasil bahwa penggunaan katalis pada fotodegradasi MB dapat mempercepat proses penguurain senyawa MB hingga lima kali lebih cepat dibandingkan tanpa menggunakan katalis. Selanjutnya, dua lapisan polimer berkatalis merupakan jumlah optimum untuk menguraikan MB secara efektif. Kata Kunci. Polimer Polipropilena (PP), fotokatalis semikonduktor TiO2, lapis polimer berlapis katalis, metilen biru(MB), fotodegradasi, proses fotokatalitik.
PENDAHULUAN Proses pewarnaan kain yang berasal dari industri tekstil merupakan salah satu penyumbang terbesar air limbah organik yang mencemari lingkungan. Beberapa teknik pengolahan air limbah terus dikembangkan, diantaranya metode biodegradasi, koagulasi-flokulasi, dan ultrafiltrasi [1-3]. Potensi Indonesia sebagai negara dengan penyinaran matahari hampir merata sepanjang tahun, membuka peluang pemanfaatan teknik fotokatalisis semikonduktor. Teknik ini menjadi salah satu alternatif pengolahan air limbah zat warna tekstil yang mudah, murah, ramah lingkungandan dapat diterapkan langsung pada badan air [4, 5].
Proses fotokatalisis berlangsung ketika material katalis semikonduktor terinduksi cahaya sebagai sumber foton. Elektron yang tereksitasi ke pita konduksi dan hole yang tersisa di pita konduksi bereaksi dengan air membentuk radikal bebas yang berperan penting dalam degradasi senyawa organik dalam air [6]. Material semikonduktor TiO2 dengan struktur kristal anatase dipandang sebagai material katalis terbaik dalam proses fotokatalisis, karena memiliki efisiensi oksidasi yang tinggi, proses dekomposisi kontaminan organik yang sempurna, mudah didapatkan, serta tidak menghasilkan produk sampingan [7]. Dalam upaya memanfaatkan titania teknis sebagai material fotokatalis yang tidak memerlukan penanganan akhir yang Semirata 2013 FMIPA Unila |479
Hasniah Aliah, dkk: Pengaruh Jumlah Lapisan Bulir Polimer Polipropilena Berfotokatalis Semikonduktor TiO2 Terhadap Fotodegradasi Metilen Biru
rumit serta mampu menyerap hampir seluruh spektrum cahaya matahari, telah dilakukan modifikasi dengan melapiskan TiO2 berpengotor pada bahan yang ringan, tembus cahaya dan bersifat termoplastik. Dalam paper ini akan dikaji mengenai pengaruh jumlah lapisan polimer polipropilena berfotokatalis TiO2 dalam fotodegradasi limbah model metilen biru. Paper ini menyajikan hasil eksperimen untuk melengkapi penjelasan fisis secara komprehensif dari paper sebelumnya [8]. METODE PENELITIAN Eksperimen ini menggunakan material katalis semikonduktor berupa TiO2 teknis (Bratachem, Indonesia) dan material penyangga katalis berupa bulir polimer polipropilena (PP) (Polyolefin Company, Singapore Pte. Ltd). Material fotokatalis TiO2/PP dihasilkan melalui proses imobilisasi berupa pelapisan partikel TiO2 pada permukaan polimer PP dengan teknik thermal milling. Pencampuran dan pengadukan katalis TiO2 dan polimer PP dilakukan dalam silinder yang berputar di bagian tengah pemanggang listrik. Pemanggang listrik yang digunakan berupa oven listrik rumah tangga Kirin model KBO-190 RAW yang dilengkapi dengan pengatur temperatur dan waktu. Proses pengadukan berlangsung selama 60 menit dengan temperatur 100 ᵒC
Ilustrasi proses pelapisan TiO2 di permukaan polimer PP ditunjukkan dalam Gambar 1. Untuk mengkaji pengaruh penggunaan jumlah katalis, dilakukan pengujian fotodegradasi MB dengan memvariasikan jumlah katalis per satuan luas limbah. Pengujian dilakukan dengan memasukkan 4,5 gram polimer tanpa katalis, 4,5 gram, 9,0 gram, 13,5 gram dan 18,0 gram polimer PP berlapis katalis masing-masing ke dalam 250 ml model limbah MB (konsentrasi awal 2,6010-5 M) sehingga membentuk satu hingga empat lapisan PP/ TiO2 di permukaan larutan MB. Uji fotodegradasi dilakukan dengan penyinaran di bawah sinar matahari selama empat hari. Pengambilan sampel uji dilakukan secara periodik untuk mengetahui konsentrasi sampel tersebut. Karakteristik senyawa MB menunjukkan serapan maksimum pada panjang gelombang 664 nm seperti ditunjukkan pada Gambar 2. Penentuan konsentrasi larutan uji dilakukan dengan mengukur absorbansi larutan pada panjang gelombang 664 nm menggunakan spektrometer UV-Vis Ocean Optic USB2000 yang kemudian diterapkan ke dalam kurva kalibrasi larutan MB standar pada Gambar 3 [10]. 1.4 1.2
Absorbansi (-)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 400
500
600
700
800
Panjang Gelombang (nm)
Gambar 1. Proses pelapisan TiO2 di permukaan polimer PP dalam silinder pengaduk berbasis oven listrik [9].
480| Semirata 2013 FMIPA Unila
Gambar 2. Spektrum serapan metilen biru dengan konsentrasi 2,60 10-5 M.
Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
1.5
100
Absorbansi = 0,47 x Konsentrasi
Ct /C0 (%)
Absorbansi (-)
80 1.0
0.5
60 40
Tanpa katalis 1 lapis katalis 2 lapis katalis 3 lapis katalis 4 lapis katalis
20 0
0.0 0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
-5
Konsentrasi (10 M)
Gambar 3. Kurva kalibrasi konsentrasi terhadap absorbansi. Simbol titik menunjukkan absorbansi larutan MB standar pada beberapa konsentrasi yang diketahui.
Berdasarkan model kinetika degradasi fotokatalisis pada konsentrasi rendah (kurang dari M), maka reaksi yang terjadi merupakan reaksi kinetika orde I. Dengan demikian, diperoleh hubungan konsentrasi yang tersisa pada saat t dapat dinyatakan dalam persentase sebagai C t 100 ekt , C 0
(1)
dengan C0 dan Ct berturut-turut merupakan konsentrasi MB pada awal pengujian dan konsentrasi pada saat t. Konstanta laju fotodegradasi k ditentukan berdasarkan fitting data eksperimen pada kurva eksponensial. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 4 menunjukkan peran katalis dalam mempercepat dekomposisi senyawa MB. Polimer PP berlapis TiO2 memberikan efek fotokatalisis pada fotodegradasi larutan uji MB. Setelah empat hari penyinaran, sampel uji yang diberi satu lapis bulir polimer berkatalis hanya menyisakan MB dengan konsentrasi 20% dari konsentrasi awal. Pada saat yang sama, sampel uji tanpa katalis menunjukkan konsentrasi 80% dari konsentrasi awal MB.
0
1
2
t (Hari)
3
4
Gambar 4. Pengaruh jumlah lapisan polimer PP berkatalis TiO2 pada fotodegradasi MB.
Penyinaran dengan radiasi matahari memungkinkan terjadinya eksitasi elektron ke pita konduksi dan membangkitkan hole di pita valensi material katalis semikonduktor. Hole bereaksi dengan air menghasilkan radikal bebas hikdroksil OHyang berperan mengoksidasi senyawa organik. Dengan demikian, semakin lama penyinaran maka semakin banyak pasangan elektron dan hole yang terbentuk sehingga semakin banyak pula hidroksil OH- yang terbentuk untuk mengoksidasi senyawa MB sehingga konsentrasi MB dalam larutan semakin berkurang. Pola yang serupa juga dilaporkan oleh Fu dkk. [11]. Berdasarkan uraian-urain di atas, dapat disimpulkan bahwa partikel TiO2 yang terimobilisasi di permukaan polimer PP mampu menguraikan larutan MB hingga lima kali lebih cepat dibandingkan dengan PP yang tak berlapis katalis. Pelapisan TiO2 di permukaan material transparan polimer PP memungkinkan cahaya matahari dapat diteruskan dari bulir di lapisan pertama PP/TiO2 ke bulir di lapisan bawahnya. Penambahan jumlah katalis hingga membentuk dua lapisan bulir polimer berkatalis di permukaan limbah model MB mempunyai peran yang signifikan dalam menguraikan senyawa MB. Selanjutnya, penambahan kembali sejumlah katalis tidak akan mempengaruhi penurunan konsentrasi MB dalam larutan Semirata 2013 FMIPA Unila |481
Hasniah Aliah, dkk: Pengaruh Jumlah Lapisan Bulir Polimer Polipropilena Berfotokatalis Semikonduktor TiO2 Terhadap Fotodegradasi Metilen Biru
uji. Dengan demikian, dua lapisan bulir polimer berkatalis merupakan jumlah optimum untuk menguraikan MB secara efektif. Gambar 5 mempertegas uraian di atas. Perbedaan laju fotodegradasi pada masingmasing larutan uji mulai tampak pada hari kedua penyinaran. Berdasarkan pola dekomposisi tersebut, dapat dinyatakan bahwa energi cahaya matahari dapat mencapai buliran berkatalis sampai lapisan kedua. Setelah itu, intensitas cahaya matahari sudah tidak mampu untuk mengeksitasi elektron ke pita konduksi pada material katalis di lapis ketiga dan lapisan di bawahnya lagi [12]. Dengan demikian, proses dekomposisi senyawa MB hanya melibatkan pasangan elektron-hole yang dihasilkan pada dua lapisan pertama polimer PP berlapis katalis TiO2. Pengaruh jumlah lapisan bulir polimer berkatalis terhadap laju kinetika reaksi ditentukan berdasarkan fitting data eksperimen pada kurva eksponensial yang ditampilkan pada Gambar 6. Penambahan jumlah lapisan bulir polimer berkatalis hingga dua lapis mengakibatkan bertambahnya laju fotodegradasi MB, namun laju fotodegradasi tidak menunjukkan peningkatan yang berarti meskipun dilakukan penambahan jumlah lapis bulir polimer berkatalis. 100 90
Ct /C0 (%)
80 70
Optimum
Gambar 6. Fitting data eksperimen pengaruh jumlah lapisan polimer berkatalis pada fotodegradasi MB.
KESIMPULAN Penggunaan TiO2 yang terimobilisasi pada polimer PP dengan menggunakan penyinaran matahari dapat mempercepat proses dekomposisi MB hingga lima kali lebih cepat dibandingkan tanpa menggunakan katalis TiO2. Dua lapisan PP/TiO2 merupakan jumlah optimum dalam penguraian senyawa organik MB dalam eksperimen ini. Penambahan lebih dari itu tidak efektif dalam mempercepat berlangsungnya proses fotodegradasi.
60 50
DAFTAR PUSTAKA
40 30 0
1
2
3
4
Bulir PP berkatalis TiO2 (lapis)
Gambar 5. Fraksi konsentrasi MB yang tersisa dalam larutan setelah dua hari penyinaran pada berbagai jumlah lapisan polimer berkatalis.
482| Semirata 2013 FMIPA Unila
[1] D. P. Harush, U. S. Hampannavar, M. E. Mallikarjunaswami. (2011): Treatment of Dairy Wastewater using Aerobic Biodegradation and Coagulation, International Journal of Environmental Sciences and Research, Vol. 1, No. 1,p. 23-26.
Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013
[2] S. S. Borchate, G. S. Kulkarni, S. V. Kore. (2012): Application of Coagulation Flocculation for Vegetable Tannery Wastewater, International Journal of Engineering Science and Technology, Vol. 4 No. 5, p. 1944-1948. [3] H. Liang, W. Gong, G. Li. Performance Evaluation of Treatment Ultrafiltration Pilot Treating Algae-rich Reservoir Desalination, 221, p. 345–350.
Katalis TiO2 pada Fotodegradasi Larutan Metilen Biru dengan Matahari sebagai Sumber Cahaya, Prosiding Seminar Nasional Penelitian, Pendidikan dan Penerapan MIPA, UNY, Yogyakarta, -, Indonesia, Mei 2011.
(2008): Water Plants Water,
[9] H. Aliah. (2012): Imobilisasi, TiO2 pada Permukaan Bulir Polimer Polipropilena dan Aplikasinya sebagai Fotokatalis pada Fotodegradasi Metilen Biru, Disertasi, ITB, Bandung, Indonesia.
[4] N. Xu, Z. Shi, Y. Fan, J. Dong, J. Shi, M. S. Z. Hu. (1999): Effects of Particle Size of TiO2 on Photocatalytic Degradation of Methylene Blue in Aqueous Suspensions, Ind. Eng. Chem. Res., 38, p. 373-379.
[10] H. Aliah, A. E. Nurasiah, Y. Karlina, O. Arutanti, Masturi, E. Sustini, M. Budiman, M. Abdullah. (2012): Optimasi Durasi Pelapisan Katalis TiO2 pada Permukaan Polimer Polipropilena serta Aplikasinya dalam Fotodegradasi Larutan Metilen Biru, Prosiding Seminar Nasional Material 2012, ITB, Bandung ISBN 978-602-19915-0-3, Februari 2012.
[5] J. Yu, W. Wang, B. Cheng, X. Zhang. (2009): Preparation and Photocatalytic Activity of Multi-Modally Macro/Mesoporous Titania, Res. Chem. Intermed., 35, p. 653-665. [6] M. B. Moghaddam dan A. H. Yangjeh. (2011): Effect of Operational Parameters on Photodegradation of Methylene Blue on ZnS Nanoparticles Prepared in Presence of An Ionic Liquid as A Highly Efficient Photocatalyst, J. Iran. Chem. Soc., Vol. 8, p. 169-175. [7] L. Xikong, L., B. Kongreong, D. Kantachote, W. Sutthisripok. (2010): Photocatalytic Activity and Antibacterial Behavior of Fe3+-Doped TiO2/SnO2 Nanoparticles, Energy Research Journal, Vol. 1, p. 120-125. [8] I. F. Amalia, H. Aliah, Khairurrijal, M. Abdullah. (2011): Optimasi Jumlah
[11] P. F. Fu, Y. Luan, X. G. Dai, J. Q. Zhang, A. H. Zhang. (2006). Preparation and Characterization of ThreeDimensional Photocatalyst-TiO2 Particulate Film, Immobilized on Activated Carbon Fibers, The Chinese Journal of Processing Engineering, Vol. 6, 3, p. 482-486. [12] H. Aliah, M. P. Aji, Masturi, E. Sustini, M. Budiman, M. Abdullah. (2012), The TiO2 Nanoparticles-Coated Polypropylene Copolymer as Photocatalyst on Methylene Blue Photodegradation under Solar Exposure, American Journal of Environmental Science, Vol. 8, 3, p. 280-290.
Semirata 2013 FMIPA Unila |483
