TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72 ISSN : 0125-9121
Sintesis Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes Menggunakan Metode Sol-Gel untuk Fotodegradasi Zat Warna Azo Orange 3R FAJAR ARIANTO AGUS SUBAGIO DAN IIS NURHASANAH Jurusan Fisika - FSM - Universitas Diponegoro, Jl. Prof. Soedharto, S.H., Tembalang Semarang 50275, Indonesia
[email protected] Diterima : 11 Agustus 2011
Revisi : 12 September 2011
Disetujui : 20 Oktober 2011
ABSTRAK: Zat warna yang digunakan di industri tekstil umumnya terdiri dari kelompok senyawa azo, salah satunya Azo Orange 3R yang termasuk dalam kelompok bahan aromatik yang sukar terdegradasi. Teknologi pengolahan limbah cair berwarna yang digunakan di industri, pada umumnya lebih banyak menerapkan metode kimia-fisika yang berdampak terbentuknya sludge yang dapat menjadi limbah B3 (bahan berbahaya dan beracun). Dewasa ini mulai dikembangkan teknologi fotodegradasi yang memanfaatkan hasil oksidasi material TiO2 untuk mengoksidasi senyawa azo. Penelitian ini mencoba meningkatkan efektifitas oksidasi TiO2 dalam proses fotodegradasi senyawa azo dengan cara dimodifikasikan menggunakan Carbon Nanotubes dalam bentuk nanokomposit. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes disintesis menggunakan metode sol-gel melalui pendispersian TiCl4 99% pada permukaan Carbon Nanotubes. Nanokomposit TiO2Carbon Nanotubes terbentuk melalui proses kalsinasi pada suhu 450oC selama 180 menit. Struktur kristal dan morfologi nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron Microscope (SEM) kemudian digunakan pada proses fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R. Fotodegradasi dilakukan dengan menambahkan 183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes ke dalam 100 mL larutan zat warna Azo Orange 3R 26,91 ppm, kemudian diiradiasi menggunakan cahaya UV dengan panjang gelombang 380 nm pada suhu 40oC-42oC dengan variasi waktu 0, 3, 6 , 9, 12, 15 dan 18 jam. Degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R akibat fotodegradasi dianalisis menggunakan spektrofotometer UV-Vis (panjang gelombang maksimum 481 nm). Analisis spektra X-Ray Diffraction (XRD) menunjukkan bahwa Carbon Nanotubes dapat memperkecil ukuran kristalit TiO2 pada nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes. Analisis citra Scanning Electron Microscope (SEM) menunjukkan bahwa butiran TiO2 pada permukaan Carbon Nanotubes tersebar tidak merata. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes mampu mendegradasi zat warna Azo Orange 3R selama 18 jam sampai dengan prosentase 93,07% yang jauh lebih baik dari jika hanya menggunakan TiO2, yaitu 44,59%. KATA KUNCI : TiO2, Carbon Nanotubes, nanokomposit, fotodegradasi, dan zat warna Azo Orange 3R ABSTRACT : The dye used in the textile industries generally consist of groups of azo compounds, one of Azo Orange 3R that included in the group of aromatic ingredients that are hard degraded. Generally, colored waste processing technologies that was used in industries more chemical-physical method that have impact the formation of sludge which can be B3 waste (hazardous and toxic substances). Photodegradation technology has been developed which utilizes the oxidation of TiO2 to oxidize the azo compound. This research attempts to improve the effectiveness of the oxidation of TiO2 in the photodegradation process of azo compounds by was modified using Carbon Nanotubes in nanocomposite. TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite has been synthesized using sol-gel method by dispersing TiCl4 99% on the surface of Carbon Nanotubes. TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite was carried out through process of calcination at temperature of 450oC for 180 minutes. Crystal structure and morphology of TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite were characterized using XRay Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM) and then it was used for the photodegradation process of Azo Orange 3R dye. Photodegradation was carried out by adding 183.3 mg of TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite into 100 mL of Azo Orange 3R dye solution 26.91 ppm, and then was irradiated by UV light with wavelength of 380 nm at 40 oC42oC with the variation of time 0, 3, 6, 9, 12, 15 and 18 hours. Degradation of Azo Orange 3R dye concentration due to photodegradation was analyzed by UV-Vis spectrophotometer (maximum wavelength 481 nm). Analysis of X-Ray Diffraction (XRD) spectra shows that Carbon Nanotubes can reduce the crystallite size of TiO2 on TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite. Analysis of Scanning Electron Microscope (SEM) image shows that the TiO2 grains on the surface of Carbon Nanotubes are not spread evenly. TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite is able to degrade Azo Orange 3R dye for 18 hours until 93.07% which is much better than if only using TiO2, which is 44.59%. KEYWORDS : TiO2, Carbon Nanotubes, nanocomposite, photodegradation, and Azo Orange 3R dye
1. PENDAHULUAN Zat warna yang digunakan diindustri tekstil umumnya terdiri dari kelompok senyawa azo. Dominasi zat warna jenis ini di pasaran mencapai setengah dari zat warna komersial yang diperdagangkan [13]. Dari segi strukturnya, senyawa azo sangat bervariasi hingga diketahui sedikitnya terdapat 300 jenis [4]. Disebutkan pula
63
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
bahwa zat warna azo termasuk dalam kelompok bahan aromatik yang sukar terdegradasi secara biologi karena adanya ikatan azo, dan pada beberapa senyawa tertentu mengandung gugus sulfat pada cincin aromatiknya [7]. Rendahnya tingkat degradabilitas senyawa azo secara biologi disebabkan oleh sifat penguraian bakteri aerob, yang secara alamiah terdapat di lingkungan, sangat spesifik, yaitu hanya mampu mendegradasi satu senyawa azo tertentu dan kurang efisien untuk mengolah campuran warna yang umumnya dijumpai dalam air limbah industri [5]. Sementara itu, kebanyakan bakteri yang aktif pada kondisi anaerob akan mereduksi senyawa azo menjadi aromatik amina yang bersifat toksik dan karsinogenik [10]. Oleh karena itu, perlu dilakukan upaya selain menggunakan metode biologi dalam pengolahan limbah cair yang mengandung senyawa azo. Teknologi pengolahan limbah cair berwarna yang digunakan di industri pada umumnya, lebih banyak menerapkan metode kimia-fisika yang meliputi flokulasi, koagulasi, presipitasi, filtrasi membran, destruksi secara elektrokimia, iradiasi, penukar ion, ozonasi, dan adsorpsi [1]. Metode tersebut memang efektif menghilangkan warna; namun, terdapat pula beberapa kelemahan, diantaranya adalah penggunaan bahan kimia yang terlalu banyak dan terbentuknya sludge yang dapat menjadi limbah B3 (bahan berbahaya dan beracun). Di Indonesia, limbah yang digolongkan sebagai B3 adalah sludge industri tekstil dan industri zat warna yang penanganannya memerlukan cara-cara khusus [2]. Oleh karena itu, diperlukan alternatif baru untuk mengolah limbah cair indutri berwarna yang lebih efektif dalam mendegradasi polutan organik dan zat warna [8]. Dewasa ini mulai dikembangkan teknologi fotodegradasi yang memanfaatkan hasil oksidasi material TiO2 untuk mengoksidasi senyawa azo. Oksidasi fotokatalis merupakan proses partikel semikonduktor di dalam suspensi air limbah menangkap cahaya ultraviolet (UV) dan selanjutnya energi ini digunakan untuk menghasilkan pasangan elektron dan lubang (hole). Pasangan elektron-hole ini selanjutnya berdifusi ke permukaan partikel yang kemudian mengoksidasi dan mereduksi polutan-polutan beracun [11]. Penelitian ini mencoba meningkatkan efektifitas oksidasi TiO2 dalam proses fotodegradasi senyawa azo dengan cara dimodifikasikan menggunakan Carbon Nanotubes. Carbon Nanotubes merupakan material berbentuk tabung dengan ukuran diameter tabung kurang dari 100 nm yang mampu menyerap benzene, methanol, dan molekul lain serta dapat menyerap hampir dua kali lebih volume CO2 jika dibandingkan dengan karbon aktif [9]. Adanya sifat penyerap yang dimiliki Carbon Nanotubes serta luas permukaannnya yang lebar memunculkan hipotesis akan memperluas bidang paparan TiO2 oleh cahaya UV sehingga meningkatkan efektifitas fotodegradasi senyawa azo.
2. METODOLOGI PENELITIAN Titanium Klorit (TiCl4) 99%; 9,1 M digunakan sebagai prekursor TiO2, sedangkan Carbon Nanotubes yang digunakan disintesis menggunakan metode spray-pyrolysis yang diproduksi oleh Laboratorium Fisika Material Jurusan Fisika F. MIPA Undip. Proses sintesis nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 3 mL larutan TiCl4 dilarutkan ke dalam 100 mL aquades ditambah 1,5 g Carbon Nanotubes. Selanjutnya, larutan diaduk selama 15 menit. Larutan tersebut kemudian didiamkan selama 3x24 jam sampai terbentuk nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes, kemudian disaring dan dikeringkan selama 120 menit pada suhu 135oC. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes kering kemudian dinetralisir hingga memiliki nilai pH 7 dengan cara dicuci menggunakan aquades pada kertas saring. Ketika pH yang diinginkan telah tercapai, nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes kemudian dikalsinasi pada suhu 450oC selama 180 menit. Gambar 3.4 menunjukkan diagram alur sintesis nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes. Karakterisasi pada penelitian ini meliputi karakterisasi mikrostruktur serbuk TiO2 dan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang tersintesis. Karakterisasi mikrostruktur serbuk TiO2 dan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes meliputi karakterisasi struktur kristal dengan uji X-Ray Diffraction (XRD) dan morfologi menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Sampel pada penelitian ini adalah larutan zat warna Azo Orange 3R yang memiliki konsentrasi 26,91 ppm, dibuat dengan cara melarutkan 26,91 mg zat warna Azo Orange 3R ke dalam 1000 mL aquades. Sebelum proses fotodegradasi dimulai, 100 mL sampel dituangkan ke dalam gelas beker yang memiliki kapasitas maksimal 120 mL dengan diameter 6 cm. Proses fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R dilakukan dengan mencampurkan 183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes sebagai reaktan ke dalam 100 mL sampel dengan jarak antara lampu UV dengan permukaan sampel adalah 4 cm. Massa 183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes merupakan gabungan dari 83,3 mg Carbon Nanotubes dengan 100 mg TiO2.
64
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72 ISSN : 0125-9121
Pada penelitian ini, nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes diendapkan mengendap di dasar gelas. Fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R dilakukan pada rentang waktu kelipatan 3 jam, yaitu mulai 0, 3, 6, 9, 12, 15, sampai 18 jam. Variasi reaktan yang digunakan pada penelitian ini, yaitu : UV saja (tanpa reaktan); 100 mg TiO2 saja; 83,3 mg Carbon Nanotubes saja; UV dengan 100 mg TiO2; UV dengan 83,3 mg Carbon Nanotubes; 183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes saja; dan UV dengan 183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN Spektra XRD hasil pengujian serbuk TiO2 ditunjukkan pada Gambar 1. Tampak bahwa serbuk TiO2 yang disintesis menggunakan metode sol-gel memiliki berbagai puncak difraksi yang menunjukkan struktur polikristalin. Puncak-puncak difraksi tersebut bersesuaian dengan bidang-bidang orientasi (211), (110), (215), (101), (103), (321), (111), (400), (200), (105), (211), (220), (213), (301), (301), (301), dan (112); namun, yang paling dominan adalah (110), (101), dan (211). Sesuai database JCPDS-ICDD (PCPDFWIN versi 1.30), dapat diketahui bahwa TiO2 tersebut memiliki struktur kristal rutile dan anatase; namun, lebih dominan rutile. Ukuran kristalit serbuk TiO2 yang dihitung menggunakan persamaan Scherrer memberikan nilai sebesar 14,38 nm.
R:Rutile A:Anatas e
10
20
30
40
50
60
70
80
2-Theta (derajat) Gambar 1. Spektra XRD serbuk TiO2. Hasil pengujian SEM serbuk TiO2 diperlihatkan pada Gambar 2. Tampak bahwa ukuran butiran serbuk TiO2 tidak seragam. Dari gambar 2 dapat dianalisis bahwa butiran serbuk TiO2 memiliki bentuk spheric dengan diameter rata-rata sebesar 86,58 nm yang bergerombol membentuk gumpalan dengan diameter rata-rata 995,1 nm. Carbon Nanotubes yang digunakan pada penelitian ini memiliki spektra difraksi sesuai Gambar 3. Tampak bahwa serbuk Carbon Nanotubes yang disintesis menggunakan metode spray-pyrolysis memiliki berbagai puncak difraksi yang menunjukkan struktur polikristalin. Ukuran kristalit serbuk Carbon Nanotubes yang dihitung menggunakan persamaan Scherrer memberikan nilai sebesar 54,60 nm.
65
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
Gambar 2. Citra SEM serbuk TiO2.
10 80
20
30 40 50 2-Theta (derajat)
Gambar 4. Citra SEM serbuk CNT.
60
70
Gambar 3. Spektra XRD serbuk Carbon Nanotubes. Hasil pengujian SEM serbuk Carbon Nanotubes diperlihatkan pada Gambar 4. Tampak bahwa serbuk Carbon Nanotubes berbentuk tabung dengan diameter tabung rata-rata sebesar 86,43 nm yang dihasilkan akibat aktivitas katalis ferrocene pada saat sintesis menggunakan metode spray-pyrolysis. Ditinjau dari ukuran diameter tabungnya, diduga bahwa Carbon Nanotubes tersebut berstruktur Multi-Walled Nanotubes. Spektra XRD hasil pengujian struktur nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes ditunjukkan pada Gambar 5. Tampak bahwa serbuk nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang disintesis menggunakan metode sol-gel memiliki berbagai puncak difraksi yang menunjukkan struktur polikristalin. Puncak-puncak difraksi tersebut bersesuaian dengan bidangbidang orientasi (105), (101), (002), (110), (215), (101), (103), (321), (111), (400), (200), (105), (211), (220), (301), (301), dan (112); namun, yang paling dominan adalah (110), (200), dan (211). Sesuai database JCPDSICDD (PCPDFWIN versi 1.30), dapat diketahui bahwa TiO2 tersebut memiliki struktur kristal grafit, rutile dan anatase; namun, lebih dominan rutile. Hasil ini juga sesuai dengan hasil peneliti lain yang ditunjukkan pada Gambar 6.
66
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72 ISSN : 0125-9121
R:Rutile
R:Rutile
A:Anatase
A:Anatase
G:Grafit
G:Grafit
10
20
30
40
50
60
70
80
2-Theta (derajat) Gambar 5. Spektra XRD serbuk nanokomposit TiO2-CNT.
0
20
30
40 2-Theta (derajat)
50
60
70
Gambar 6. Spektra XRD serbuk nanokomposit TiO2-CNT, A (anatase), R (rutile), dan C adalah SWNT [12]. Ukuran kristalit serbuk TiO2 pada nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang dihitung menggunakan persamaan Scherrer memberikan nilai sebesar 9,79 nm. Nilai 2θ pada 26,46 o dengan jarak antar bidang (d) sebesar 3,366 Å merupakan sumbangan dari spektra difraksi Carbon Nanotubes. Hasil pengujian SEM serbuk nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes diperlihatkan pada Gambar 7. Tampak butiran-butiran TiO2 yang berbentuk spheric menempel pada permukaan Carbon Nanotubes. Hal tersebut menguatkan dugaan bahwa Carbon Nanotubes telah terdispersi oleh TiO2. Butiran serbuk TiO2 menempel pada tabung Carbon Nanotubes dengan diameter rata-rata sebesar 88,64 nm. Hasil SEM tersebut sesuai dengan peneliti lain yang ditunjukkan pada Gambar 8.
67
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
Gambar 7. Citra SEM serbuk nanokomposit TiO2-CNT. Gambar 8. Citra SEM nanokomposit CdS-CNT [3]. Proses fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R memerlukan tiga komponen utama, yaitu: sumber cahaya (foton), senyawa target, dan reaktan. Dalam penelitian ini, sumber cahaya berasal dari lampu UV dengan panjang gelombang 380 nm, senyawa target adalah larutan zat warna Azo Orange 3R, dan reaktan nanokomposit TiO2Carbon Nanotubes. Konsentrasi (ppm) zat warna Azo Orange 3R ditentukan menggunakan Spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang 481 nm. Panjang gelombang 481 nm dijadikan sebagai acuan dalam penentuan konsentrasi zat warna Azo Orange 3R karena masih termasuk rentang panjang gelombang UV sampai cahaya tampak. Sehingga memenuhi syarat dalam penggunaan Spektrofotometer UV-Vis. Penyinaran menggunakan cahaya UV pada penelitian ini dilakukan pada variasi waktu 0, 3, 6, 9, 12, 15, dan 18 jam untuk menguji aktivitas fotodegradasi nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes. Campuran yang telah mengalami proses fotodegradasi dianalisis menggunakan Spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang maksimumnya (481 nm). Sebagai pembanding dilakukan pencampuran larutan zat warna Azo Orange 3R dengan UV saja (tanpa reaktan), 100 mg TiO2 saja; 83,3 mg Carbon Nanotubes saja, UV dengan 100 mg TiO2, dan UV dengan 83,3 mg Carbon Nanotubes sebagai fungsi waktu. 92,86 %
93,07 %
61,87% 62,28 %
62,88 %
42,29 %
Gambar 9. Grafik prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R pada fotodegradasi menggunakan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV.
68
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72 ISSN : 0125-9121
Prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R menggunakan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV diperlihatkan pada Gambar 9. Tampak bahwa prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R menggunakan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV selama 18 jam. Pada jam ke-3 sampai 18 secara berturut prosentase degradasi ketika dibandingkan dengan konsentrasi awal sampel menunjukkan nilai 42,29 %; 61,87 %; 62,28 %; 62,88 %; 92,86 %; dan 93,07 %. Prosentase degradasi zat warna Azo Orange 3R pada penelitian ini paling besar terjadi pada jam ke-18 yaitu sebesar 93,07 %. Fotodegradasi terjadi paling efektif pada jam ke-3 yaitu turun dari konsentrasi 26,91 ppm menjadi 15,53 ppm yang diduga pada jam tersebut TiO2-Carbon Nanotubes masih sangat aktif bereaksi. Pada jam ke-6 sampai ke-12 hampir tidak terjadi penurunan konsentrasi zat warna azo Orange 3R. Hal ini diduga karena kurang meratanya paparan cahaya UV yang mengenai permukaan fotokatalis akibat sebaran nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang kurang merata di dasar sampel. Di samping itu, juga akibat adanya serbuk TiO 2 yang tidak terlapiskan pada Carbon Nanotubes; namun, ikut tertuang ke dalam sampel sehingga mengurangi massa nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang seharusnya digunakan. Pada jam ke 15 sampai 18 terjadi sedikit penurunan konsentrasi larutan zat warna Azo Orange 3R. Hal ini diduga karena TiO2-Carbon Nanotubes mendekati tingkat kejenuhan akibat pengotor yang berasal dari sisa hasil degradasi dan kemudian menempel pada permukaannya. Setelah mengalami proses fotodegradasi selama 18 jam, larutan zat warna Azo Orange 3R, yang awalnya berwarna orange, berubah menjadi bening (ditunjukkan oleh Gambar 10).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Gambar 10. Warna sampel hasil fotodegradasi: (a) 0 jam, (b) 3 jam, (c) 6 jam, (d) 9 jam, (e) 12 jam, (f) 15 jam, (g) 18 jam. Konstanta laju reaksi degradasi zat warna Azo Orange 3R ditentukan menggunakan grafik hubungan ln Ct/Co dengan lama fotodegradasi, sesuai Gambar 11. Konstanta laju reaksi (k) dapat ditentukan dari perhitungan slope grafik yang disajikan dalam Gambar 11, yaitu sebesar 0,1454 ppm.jam-1 dengan koefisien korelasi (R2) = 0,8276 diperlihatkan pada Gambar 12. Gambar 12 menunjukkan prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R selama 18 jam menggunakan beberapa reaktan, yaitu : TiO2, Carbon Nanotubes, UV dengan Carbon Nanotubes, UV, UV dengan TiO2, nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes, dan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV. Prosentase degradasi zat warna Azo Orange 3R tersebut berturut-turut : 8,659 %; 14,79 %; 38,28 %; 44,59 %; 63, 40 %; dan 93,07 %. Hasil tersebut menunjukkan proses fotodegradasi paling efektif adalah menggunakan reaktan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV dengan konsentrasi akhir sampel sebesar 93,07 %.
69
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
Y = -0,1454X + 0,0530 -0,5497
-0,9750
R2 = 0,8276 -0,9909
-0,9642
-2,639
-2,668
Gambar 11. Grafik hubungan ln Ct/Co dengan lama fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R menggunakan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV. Prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R selama 18 jam menggunakan variasi reaktan 93,07
Keterangan reaktan : A : TiO2
63,40
B : Carbon Nanotubes C : UV dengan Carbon Nanotubes D : UV
8,659
38,28
44,59
14,79
E :0,0000 UV dengan TiO2 F : Nanokomposit TiO2 Carbon Nanotubes
Reaktan
G : UVprosentase dengan nanokomposit Gambar 12. Grafik degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R pada fotodegradasi selama 18 jam dengan variasi reaktan. TiO2-Carbon Nanotubes Menurut Lee [6], ada beberapa alasan yang menyebabkan Carbon Nanotubes mampu meningkatkan fotodegradasi TiO2. Alasan pertama, Carbon Nanotubes membantu meningkatkan luas permukaan spesifik TiO2. Hal ini disebabkan Carbon Nanotubes memiliki luas permukaan spesifik yang besar (>150 m2/g). Menurut Woan [14], campuran antara TiO2 dan Carbon Nanotubes memiliki area yang besar sehingga polutan dapat teradsorb. Adsorpsi merupakan proses penting dalam fotodegradasi. Seperti yang diungkapkan oleh Woan [14], bahwa Carbon Nanotubes juga memberikan luas permukaan yang besar sehingga mampu meningkatkan fotodegradasi TiO2.
70
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72 ISSN : 0125-9121
Alasan kedua, Carbon Nanotubes mampu mencegah rekombinasi elektron pada TiO2. Rekombinasi elektron yang telah tereksitasi pada proses fotodegradasi dapat mengganggu proses fotodegradasi. Menurut Woan [14], elektron pada TiO2 memiliki waktu rekombinasi sebesar 10-9 s, sedangkan interaksi kimia antara TiO2 dengan spesies polutan yang teradsorbsi memiliki waktu 10-8-10-3 s. Carbon Nanotubes memegang peranan penting sebagai penyimpan elektron yang dieksitasi oleh cahaya, sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 13a.
(a)
(b)
Gambar 13 (a). Mekanisme transfer elektron dari TiO2 ke CNT, (b). Mekanisme penghilangan elektron dari pita valensi TiO2 oleh CNT [14]. Dalam mekanisme ini, cahaya berenergi tinggi mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi TiO2. Elektron yang dieksitasi oleh cahaya yang terbentuk dalam daerah space-charge ditransfer ke Carbon Nanotubes, dan sisa lubang pada TiO2 ambil bagian dalam reaksi redoks. Menurut Lee [6], Carbon Nanotubes dapat menjebak elektron yang dieksitasi oleh cahaya secara efektif dalam sistem Carbon Nanotubes yang terdispersi dengan TiO2. Menurut Woan [14], Carbon Nanotubes memiliki kapasitas penyimpanan elektron yang besar (satu elektron untuk tiap 32 atom karbon). Hal inilah yang menyebabkan Carbon Nanotubes mampu menjadi penyimpan elektron yang telah tereksitasi pada TiO2. Dengan demikian rekombinasi dapat dihindari selama fotodegradasi. Alasan ketiga, Carbon Nanotubes mampu menghilangkan elektron pada pita valensi TiO2. Mekanismenya dapat dilihat pada Gambar 13b. Elektron yang dieksitasi oleh cahaya UV diinjeksikan ke pita konduksi TiO2, mengawali pembentukan radikal superoksida dengan menyerap molekul oksigen. Ketika hal ini terjadi, Carbon Nanotubes yang bermuatan positif menghilangkan elektron dari pita valensi TiO2 meninggalkan sebuah lubang. Kini TiO2 yang bermuatan positif dapat bereaksi dengan air yang terserap membentuk gugus radikal hidroksil [14]. Berdasarkan data yang diperoleh dari semua pengujian menunjukkan bahwa Carbon Nanotubes dapat meningkatkan efektivitas fotodegradasi TiO2 terhadap zat warna Azo Orange 3R. Hal tersebut disebabkan Carbon Nanotubes dapat memperluas bidang paparan TiO2 oleh cahaya UV. Di samping itu, Carbon Nanotubes juga berperan mencegah rekombinasi elektron, dan menghilangkan elektron dari pita valensi TiO2 pada saat terjadi proses fotodegradasi.
4. KESIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes telah berhasil disintesis menggunakan metode sol-gel. 2. Spektra XRD nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes menunjukkan adanya pengaruh Carbon Nanotubes yang memperkecil ukuran kristalit TiO2. 3. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes mampu mendegradasi zat warna Azo Orange 3R selama 18 jam sampai dengan prosentase 93,07% yang jauh lebih baik dari jika hanya menggunakan TiO2, yaitu 44,59%. Berdasarkan hasil-hasil yang telah diperoleh pada penelitian ini, dapat direkomendasikan beberapa saran yang bermanfaat untuk penelitian lebih lanjut mengenai sintesis dan aplikasi nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes:
71
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
1. Proses fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R menggunakan cahaya UV yang berasal dari matahari 2. Penggunaan sampel zat warna selain Azo Orange 3R atau diterapkan pada jenis limbah yang lain.
DAFTAR PUSTAKA
[1]. [2]. [3].
[4]. [5]. [6]. [7].
[8]. [9]. [10].
[11].
[12]. [13]. [14].
72
Banat, I.M., P. Nigam, D. Singh, dan R. Marchant. Microbial Decolorization of Textile-Dye Containing Affluents: a Review. Bioresource Technology, 58:217-227 (1996). Bapedal, Himpunan Peraturan tentang Pengelolaan Bahan Berbahaya dan Beracun. Badan Pengendalian Dampak Lingkungan (1996). Chensha, LI., Yaping, Tang., Bonan, Kang., Binson, Wang., Feng Zhou., Qiang, Ma., Ji, Xiao., Dazhi,Wang., Ji, Liang., Photocatalytic degradating methyl orange in water phase by UV-irradiated CdS carried by Carbon Nanotubes, Springer. Sci China Ser E-Tech Sci.vol. 50 | no. 3 | 279-289 (2007). Chung, K.T. dan S.E. Stevens., Degradation of Azo Dyes by Environmental Microorganisms and Helmints. Environ. Toxicol. Chem., 12:2121-2132 (1993). Cripps, C., J.A. Bumpus, dan S.D. Aust., Biodegradation of Azo and Heterocyclic Dyes by Phanerochaete chrysosporium. Applied and Environmental Microbiology, 56(4): 1114-1118 (1990). Lee, Sung-Hwan, Photocatalytic Nanocomposite Based on TiO2 And Carbon Nanotubes, Disertasi, University of Florida, Florida (2004). Leisinger, T. dan Brunner, W., Poorly Degradable Subtances, dalam Biotechnology, a Comprehensive Treatise in Eight Volumes, Vol 8: Microbial Degradations, editors: Rehm, H.J. dan Reed, G., VCH Verlagsgesellschaft MBH, Weinheim, FRG, hal 497-498 (1986). Manurung, Renita., Hasibuan, Rosdanelli., Irvan., Perombakan Zat Warna Azo Reaktif Secara Anaerob– Aerob, e-USU Repository Universitas Sumatera Utara (2004). Meyyappan, M., Carbon Nanotubes Science and Applications, NASA Ames Research Center Moffet Field, CA CRC PRESS, Boca Raton London New York Washington, D.C (2005). Pasti-Grigsby, M.B., A. Paszczynski, S. Goszczynski, D.L. Crawford, dan R.L. Crawford., Influence of Aromatic Substitution Patterns on Azo Dye Degradability by Streptomyces spp. And Phanerochaete chrysosporium. Applied and Environmental Microbiology, 58(1):3605-3613 (1992). Subiyanto, Haruno, dkk., Pelapisan Nanomaterial TiO2 Fase Anatase pada Nilon Menggunakan Bahan Perekat Aica Aibon dan Aplikasinya Sebagai Fotokatalis, Jurnal nanosains dan Nanoteknologi Edisi khusus, ISSN 1979-088V (2009). Sun, Jing dan Gao, Lian., Attachment of inorganic nanoparticles onto Carbon Nanotubes, Springer Science. J Electroceram., 17:91–94 (2006). Weber dan Adams., Chemical and Sediment Mediated Reduction of the Azo Dye Disperse Blue 79, Environ. Sci. Technol., 29 : 1163-1170 (1995). Woan, Karran, Pyrgiotakis, Georgios, Sigmund, Wolfgang, Photocatalytic Carbon-Nanotube-TiO2 Composites, Advanced Materials, 21, 223
