Sintesa dan Karakterisasi Nanokomposit ZnO-Silika sebagai Fotokatalis dengan Metode Sonikasi Penyusun: Mohammad Rahmatullah Septono Sanny Putro
(2309 100 097) (2310 106 012)
Pembimbing: Prof. Dr. Ir. Sugeng Winardi, M.Eng Dr. Widiyastuti, ST. MT
Laboratorium Mekanika Fluida dan Pencampuran Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS
LATAR BELAKANG
Menimbulkan Limbah Cair
Aktifitas Pabrik 1. Fisika (Teknologi Mebran) 2. Kimia (Flokulasi-koagulasi) 3. Biologi (Aerob)
Bahan fotokatalis
Solusinya yaitu Mengolah Limbah Cair
Titanium Dioxide (TiO2), Cadmium Sulfide (CdS), ZnO zinc oxide
LATAR BELAKANG Beberapa aplikasi dari bahan fotokatalis Efek Anti-bakteri • Fotokatalis tidak hanya membunuh tetapi juga menguraikan sel-sel bakteri. Efek penghilang bau • Pada aplikasi penghilang bau, fotokatalis mempercepat pemecahan setiap senyawa organik dengan menghancurkan ikatan molekul. Sebagai Cat Pelindung • Ketika suatu bangunan dilapisi dengan fotokatalis, suatu lapisan pelindung dari fotokatalis menjadikan bangunan tetap bersih dengan sendirinya memanfaatkan air hujan sebagai pembilas sehingga bangunan tetap bersih. Pemurnian atau pengolahan air • Fotokatalis ditambah dengan sinar UV dapat mengoksidasi polutan organik menjadi bahan tidak beracun, seperti CO2, dan H2O serta dapat mendisinfeksi bakteri.
LATAR BELAKANG Prinsip dasar fotokatalis Oxygen
O2
e-
Ultra Violet/ Visible Light
Organic Substances
Superoxide anion
O2-
Photocatalyst
h+ Moisture
H2O
CO2
Carbon Dioxide
H2O
Water Vapour
*OH Hydroxyl Radical
Mengetahui pengaruh ratio konsentrasi, waktu dan penambahan aliran gas Nitrogen terhadap karakteristik nanokomposit ZnO-Silika sebagai bahan fotokatalis.
Manfaat dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan partikel nanokomposit ZnO-silika yang diaplikasi sebagai bahan fotokatalis dalam mendegradasi senyawa organik.
TUJUAN PENAMBAHAN SILIKA ZnO
Silika
ZnO-Silika
Tujuan
penambahan
Sol
Silika
pada
ZnO
adalah
untuk
menghambat terjadinya algomerasi pada ZnO sehingga partikelnya menjadi lebih stabil.
PENELITIAN TERDAHULU Peneliti
Hasil Penelitian
Dodd, dkk (2005)
Dengan menggunakan proses tiga tahap yang terdiri dari penggilingan mekanik, perlakuan panas, dan pencucian dapat memproduksi bubuk ZnO nanoparticulate dengan ukuran partikel yang dapat dikontrol dan aglomerasi yang rendah.
Nirmala,dkk (2010)
Mensintesa ZnO dengan metode DC plasma termal dengan menggunakan udara sebagai gas reaksi. Kemudian bubuk ZnO yang dihasilkan diujicoba fotokatalik didalam air dibantu sinar UV mengukur degradasi metilen biru. Bubuk ZnO menolak pertumbuhan bakteri.
Sahu, dkk (2010)
Telah berhasil menghasilkan partikel ZnO dengan diameter dibawah 10nm dengan metode sonikasi
PENELITIAN TERDAHULU Peneliti
Hasil Penelitian
Maula dan Ruliawati (2011)
Mensintesa partikel nanokomposit ZnO-silika dengan metode kombinasi sol-gel dan flame spray pyrolysis, namun partikel yang dihasilkan kurang seragam
Puspitaningtyas dan Yonanda (2012)
Mensintesa partikel nanokomposit ZnO-silika dengan metode kombinasi sol-gel dan spray drying, namun partikel ZnO tidak terbentuk
Putri dan Hakim (2013)
Mensintesa partikel nanokomposit ZnO-silika dengan metode Sonifikasi, namun partikel ZnO-silika masih belum seragam dan masih terdapat impuritis.
Metode Sonikasi Merubah sinyal listrik menjadi getaran mekanis yang diarahkan ke suatu zat yang bertujuan untuk memecahkan ikatan antar molekul. Alat ini menghasilkan sinyal (sekitar 20 KHz) yang menghidupkan transduktor. Transduktor kemudian mengkonversi sinyal elektrik dengan menggunakan kristal piezoelectric/Sealed Converter yang dapat merespon listrik dengan menghasilkan getaran mekanis. Getaran mekanis tersebut dijaga oleh sonikator hingga melewati probe. Probe sonikator berperan dalam menyampaikan getaran pada cairan yang disonikasi.
Berikut reaksi pembentukan partikel ZnO: Zn(NO3)2 + 2NH4OH + H2O → Zn(OH)2 + 2NH4NO3 + H2O Zn(OH)2 + 2NH4NO3 + H2O + 2NH4OH → [Zn(NH3)4](NO3)2 + H2O Ketika proses sonikasi berlangsung [Zn(NH3)4](NO3)2 + H2O → Zn(OH)2 + 2NH4NO3 + xNH3 → (2-x)NH4OH + H2O Zn(OH)2
ZnO+H2O
Panas yang ditimbulkan selama proses sonikasi, terjadi pelepasan ammonia dari larutan yang mengakibatkan peruraian Zn(NH3)42+ kompleks. x akan tergantung pada waktu sonikasi dan suhu yang dihasilkan dari proses sonikasi. pH larutan diukur saat awal dan pada akhir experiment.
Metodologi Zn(NO3)2
Aquadest
Waterglass
Pelarutan
Pencampuran
20 mLNH4OH 25%
Penjernihan
10 tetes NH4OH 25%
Aquadest
Suhu 60oC
Pelarutan
Suhu 30oC
Resin Kation
Larutan [Zn(NH3)4](NO3)2
Pemisahan
20 mL Sol Silika
Sonikasi Setelah beberapa menit disonikasi ditambahakan sol silika Centrifuge
Pengeringan
Produk
Kecepatan 4000 rpm selama 45 menit
Pengeringan selama 6 dan 12 jam pada suhu 130oC
METODOLOGI
Skema Pembuatan ZnO-silika dengan Metode Sonikasi
Variabel yang dikerjakan: Kondisi Operasi Run
pH ZnO
pH Silika
Flowrate N2 (L/min)
ZnO Murni
ZnO-Silika
10
-
2
10
-
2
10
-
2
10
-
2
10
-
2
10
-
2
10
-
2
10
-
2
10
7
2
10
7
2
10
7
2
10
7
2
10
7
2
Waktu
Waktu
Sonikasi
Pengeringan
(menit)
(jam)
90 120 150 150 90 90 90
Mode
6
Continuous
12
Continuous
6
Continuous
12
Continuous
6
Continuous
12
Continuous
6
pulse 3:1
12
pulse 3:2
6
Continuous
12
Continuous
12
Continuous
6
Continuous
12
Continuous
XRD (X-ray Diffraction) untuk analisa kemurnian dan derajat kristal
ZnO murni
Intensity [a.u]
100 80 60 40 20 0 4000 3000 2000 1000 0 4000
JCPDS 36-1451
continous 2,5 jam
3000
Pembuatan ZnO murni mode yang dilaksanakan continous dengan variasi waktu.
continous 2 jam
2000 1000 0 4000 3000
continous 1,5 jam
2000 1000 0 4000
continous 1 jam
3000 2000 1000 0 20
25
30
35
40
45
2θ
50
55
60
65
70
ZnO murni 100
JCPDS 36-1451
80 60 40 20
Membandingkan pembuatan ZnO murni dengan mode continous 2,5 jam mode pulse 3:1 2,5 jam.
Intensity [a.u]
0 4000
pulse 3:1 2,5 jam 3000 2000 1000 0 4000
continous 2,5 jam 3000 2000 1000 0 20
25
30
35
40
45
2θ
50
55
60
65
70
Intensity [a.u]
ZnO-Silika 100 80 60 40 20 0 1000 800 600 400 200 0 600
JCPDS 36-1451
menit ke 45 dc = 11.8171 nm
menit ke 30 dc = 6.9597 nm
400 200 0 300
menit ke 15 dc = 8.7008 nm
200 100 0 20
25
30
35
40
45
2θ
50
55
60
65
70
Pembuatan ZnO-silika berdasarkan waktu penambahan sol silika saat proses berlangsung dengan pembentukan ZnO terlebih dahulu
Uji Katalitik dengan menggunakan Spektrofotometer UV-Vis untuk mengetahui sifat optikal.
ANALISA UJI KATALITIK
Sinar matahari
ZnO-silika
Methylen Blue
Stirrer
Stirrer
Magnetik stirrer
Magnetik stirrer
Keterangan: 1.
Methylen Blue yang digunakan konsentrasinya 0,00001 M sebanyak 50 mL.
2.
ZnO-silika yang digunakan sebesar 0,07 gram.
3.
Kecepatan stirrer 4000 rpm.
4.
Lamanya pemaparan 15 menit, 30 menit, 45 menit, dan 60 menit
Uji katalitik Methylen Blue tanpa katalis dengan pemaparan sinar matahari 0.45 0.4 0.35
Absorbansi
0.3 Methylen Blue (MB)
0.25
MB 15 menit pemaparan
0.2
MB 30 menit pemaparan MB 45 menit pemaparan
0.15
MB 60 menit pemaparan 0.1 0.05 0 500
550
600
650 nm
700
750
800
Uji katalitik Methylen Blue + ZnO-Silika dengan pemaparan sinar matahari 0.5 0.45 0.4
Absorbansi
0.35
Methylen Blue MB + ZnO-silika 15 menit penyinaran
0.3
MB + ZnO-silika 30 menit penyinaran
0.25
MB + ZnO-silika 45 menit penyinaran MB + ZnO-silika 60 menit penyinaran
0.2 0.15 0.1 0.05 0 500
550
600
650 nm
700
750
800
Uji katalitik Methylen Blue + ZnO murni dengan pemaparan sinar matahari
0.45 0.4 0.35
Absorbansi
0.3 Methylen Blue (MB)
0.25
MB + ZnO murni 15 menit pemaparan
0.2
MB + ZnO murni 30 menit pemaparan Mb + ZnO murni 30 menit pemaparan
0.15
MB + ZnO murni 60 menit pemaparan 0.1 0.05 0 500
550
600
650 nm
700
750
800
Fourier-transform Infra Red (FTIR) untuk menentukan gugus fungsi
Analisa FTIR ZnO murni Mode continous 2,5 jam
O-H NO3-
1
Zn-O
NO3-
1
N=N
Zn-O
NO3-
1
NO3-
1
N=N
O-H
Transmittance [a.u]
Mode continous 2 jam
Mode continous 1,5 jam
N=N
O-H
Zn-O
NO3-
1
NO3-
1
Mode continous 1 jam
1000
Zn-O
λ [cm-1]
1500
NO3-
2000
1
2500
NO3-
3000
1
3500
N=N
O-H
4000
500
Analisa FTIR ZnO-silika NO3-1
Si-OSi
Zn-O
Si-O-Si
O-H
N=N
O-H
Penambahan Silika menit ke 45
Transmittance [a.u]
NO3-1
Penambahan Silika menit ke 30
O-H
Zn-O
O-H
N=N
Si-O-Si
N=N
O-H
NO3-1
Penambahan Silika menit ke 15
3500
Zn-O
O-H
4000
3000
2500
2000
λ [cm-1]
1500
1000
500
SEM (Scanning Electron Micrograph) untuk analisa morfologi
Analisa SEM untuk ZnO murni
Mode continous 1 jam
Mode continous 1,5 jam
Mode continous 2 jam
Mode continous 2,5 jam
Analisa SEM untuk ZnO murni
Mode continous selama 2,5 jam
Mode Pulse 3:1 selama 2,5 jam
Analisa SEM untuk ZnO-silika
Continous mode 1 jam penambahan silika menit ke 15
Continous mode 1 jam penambahan silika menit ke 45
Kesimpulan 1. Partikel ZnO murni dapat dibuat dengan metode sonifikasi. 2. Bentuk partikel yang dihasilkan dari sintesa ZnO murni dari ZnO(NO3)2 dengan mode continous maupun mode pulse yaitu berbentuk batang. 3. Waktu penambahan silika pada ZnO mempengaruhi bentuk morfologi dari partikel maupun kekristalan dari ZnO-Silika yang dihasilkan. 4. Partikel ZnO murni mampu mendegradasi warna dari senyawa methylen blue jauh lebih baik dari pada partikel ZnO-silika. 5. Partikel ZnO-silika yang diperoleh mampu mendegradasi warna dari senyawa methylen blue meskipun masih lebih baik partikel ZnO murni dalam mendegradasi senyawa methylen blue.
Terima kasih
