Pengaruh Jumlah Lapisan Bulir Polimer Polipropilena Berfotokatalis Semikonduktor TiO 2 Terhadap Fotodegradasi Metilen Biru

Pengaruh Jumlah Lapisan Bulir Polimer Polipropilena

Berfotokatalis Semikonduktor TiO

2

Terhadap Fotodegradasi

Metilen Biru

Hasniah Aliah

1,*)

, Andhy Setiawan

2)

, Mikrajuddin Abdullah

3)

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: hasniahaliah@yahoo.com

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 2,6010-5 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

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

Gambar 1. Proses pelapisan TiO2 di permukaan

polimer PP dalam silinder pengaduk berbasis oven listrik [9].

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

2,6010-5 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]. 400 500 600 700 800 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Absor ba nsi ( -) Panjang Gelombang (nm)

Gambar 2. Spektrum serapan metilen biru dengan konsentrasi 2,60  10-5 M.

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0.0 0.5 1.0 1.5 A bsor bansi (-) Konsentrasi (10-5 M) Absorbansi = 0,47 x Konsentrasi

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

kt e C t C _ 100 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.

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 OH

-yang 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

0 1 2 3 4 0 20 40 60 80 100 Tanpa katalis 1 lapis katalis 2 lapis katalis 3 lapis katalis 4 lapis katalis Ct /C 0 (% ) t (Hari)

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 masing-masing 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.

0 1 2 3 4 30 40 50 60 70 80 90 100 Ct /C 0 (% )

Bulir PP berkatalis TiO₂ (lapis)

Optimum

Gambar 5. Fraksi konsentrasi MB yang tersisa dalam larutan setelah dua hari penyinaran pada berbagai jumlah lapisan polimer berkatalis.

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.

DAFTAR PUSTAKA

[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,

[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. (2008):

Performance Evaluation of Water

Treatment Ultrafiltration Pilot Plants Treating Algae-rich Reservoir Water,

Desalination, 221, p. 345–350.

[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.

[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

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.

[9] H. Aliah. (2012): Imobilisasi, TiO2 pada

Permukaan Bulir Polimer Polipropilena dan Aplikasinya sebagai Fotokatalis

pada Fotodegradasi Metilen Biru,

Disertasi, ITB, Bandung, Indonesia. [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.

[11] P. F. Fu, Y. Luan, X. G. Dai, J. Q. Zhang, A. H. Zhang. (2006). Preparation

and Characterization of

Three-Dimensional 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.