Aktivitas Fotokatalitik TiO 2 yang Dilapiskan pada Polipropilena Berbentuk Lembaran dan Butiran

(1)

ISSN 0854-5154 | eISSN 2442-7349

Aktivitas Fotokatalitik TiO

2

yang Dilapiskan pada Polipropilena

Berbentuk Lembaran dan Butiran

Sutisna, Mamat Rokhmat, Edy Wibowo, Handika Dany Rahmayanti, Khairurrijal,

Mikrajuddin Abdullah

*

Laboratorium Sintesis dan Fungsionalisasi Nanomaterial, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha 10 Bandung 40132, Indonesia

*Penulis utama. Alamat email: din@fi.itb.ac.id

ABSTRAK

Polimer polipropilena (PP) berbentuk lembaran dan butiran telah digunakan sebagai material pelampung untuk katalis TiO2. Proses

pelapisan serbuk TiO2 pada permukaan polimer menggunakan metode kombinasi elektrostatik dan pemanasan (untuk polimer

lem-baran) dan metode thermal milling (untuk polimer butiran). Pengujian aktivitas fotokatalitik dilakukan terhadap larutan Metilen Biru (MB) 25 ppm sebanyak 300 ml. Dengan menggunakan parameter optimal jumlah katalis diperoleh bahwa TiO2 yang dilapiskan pada

polimer PP berbentuk lembaran memiliki aktivitas fotokatalitik yang lebih tinggi dibandingkan katalis yang dilapiskan pada polimer PP berbentuk butiran.

Kata-kata kunci: Aktivitas fotokatalitik, TiO2, Metilen biru © Institut Teknologi Bandung. Hak cipta dilindungi.

Diterima 10 Mei 2016 • Direvisi 25 September 2016 • Disetujui 11 Oktober 2016 • Tersedia online 20 Juni 2017

PENDAHULUAN

TiO2 atau Titania merupakan material fotokatalis yang banyak

digunakan dalam pengolahan air limbah. Banyaknya pemakaian TiO2 oleh para peneliti dikarenakan harganya yang

murah, tidak beracun, dapat beroperasi pada kondisi ling-kungan, dan tidak menghasilkan produk sampingan [1,2]. Meskipun demikian, penggunaan material ini untuk menghan-curkan kontaminan dalam air limbah memiliki kendala karena massa jenisnya yang membuatnya tenggelam dalam air, se-hingga proses aktivasinya dengan cahaya mengalami kendala. Selain itu, penggunaan material ini dengan mendispersi-kannya secara langsung dalam air limbah juga memiliki ken-dala: (1) dibutuhkan post-treatment untuk memisahkan partikel TiO2 dari air yang dibersihkan, yang membutuhkan

waktu dan biaya yang tidak sedikit [3,4], (2) terjadinya penggumpalan partikel–partikel TiO2 dalam air terutama

dis-persi dengan konsentrasi tinggi [5].

Untuk mengatasi kendala-kendala tersebut, para peneliti telah mengembangkan beberapa metode untuk melapiskan TiO2

pada material lain [6,7,8]. Meskipun melapiskan serbuk TiO2

pada material lain dapat mengatasi kendala-kendala di atas, tapi pada sisi lain dapat menurunkan aktivitas fotokatalitiknya karena luas permukaan aktif katalis menjadi lebih kecil. Dengan memandang faktor ekonomis dan kepraktisan, penggunaan katalis yang dilapiskan pada material lain mem-iliki peluang aplikasi skala besar yang lebih memungkinkan.

Secara umum, metode coating yang digunakan para peneliti tersebut prosesnya sangat komplek dan membutuhkan peralatan yang mahal. Beberapa metode coating sederhana te-lah dilaporkan [9, 10]. Aliah, dkk. [9] menggunakan metode

thermal milling untuk melapiskan serbuk TiO2 pada butiran

polimer PP, sementara metode kombinasi elektrostatik dan pemanasan telah digunakan Sutisna, dkk. pada pelapisan lem-bar polimer PP dengan serbuk TiO2 [10]. Pada penelitian ini,

aktifitas fotokatalitik dari kedua produk katalis tersebut akan dibandingkan. Uji fotokatalitik menggunakan larutan MB 25 ppm. Senyawa MB merupakan senyawa utama dalam proses pewarnaan tekstil.

EKSPERIMEN Material

Material utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah TiO2 teknis (Bratachem, Indonesia) sebagai fotokatalis

(massa jenis 4.32 g/cm3_{dan rata-rata ukuran partikel sekitar}

166 nm [10]). Material ini memiliki harga yang sangat murah dan spektrum serapan yang lebih lebar dibanding TiO2 murni

[11]. Sebagai material penyangga digunakan polimer PP lem-baran (supplier lokal) dan polimer PP butiran (Polyolefin Company Pte.Ltd., Singapore) (massa jenis 0,817 g/cm3, di-ameter rata-rata 3,5 mm, rentang titik lebur 130 – 170 °C dan

heat deplection temperature/HDT (pada 0,45 MPa) 121o_C).

Kutip artikel ini sebagai berikut: Sutisna, M. Rokhmat, E. Wibowo, H.D. Rahmayanti, Khairurrijal, M. Abdullah, Aktivitas Fotokatalitik TiO2 yang Dilapiskan pada Polipropilena Berbentuk Lembaran dan Butiran , J. Matem. Sains, 2017, 22, 42-45.

(2)

© Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam ISSN 0854-5154 | eISSN 2442-7349 Institut Teknologi Bandung. Hak cipta dilindungi.

Serbuk MB (Bratachem, Indonesia) yang dilarutkan dalam akuades telah digunakan sebagai model air limbah.

Metode

Dalam penelitian ini, serbuk TiO2 dilapiskan pada permukaan

polimer PP yang berbentuk lembaran dan butiran. Ada dua jenis metode coating yang digunakan, metode kombinasi el-ektrostatik dan pemanasan dan metode thermal milling. Metode kombinasi elektrostatik dan pemanasan digunakan untuk melapiskan partikel TiO2 pada kedua sisi permukaan

lembar polimer PP. Langkah pertama adalah membangkitkan muatan listrik dengan cara menggosok permukaan polimer dengan kain wool. Kemudian serbuk TiO2 ditaburkan pada

kedua sisi permukaan polimer.

Gambar 1. Diagram alir proses pelapisan serbuk TiO2 pada

permukaan polimer PP berbentuk: (a) lembaran dengan metode kombinasi elektrostatik dan pemanasan [10], dan (b) butiran dengan metode thermal milling [9].

Polarisasi muatan listrik terjadi pada partikel-partikel TiO2

(yang secara umum neutral) ketika posisinya sangat dekat dengan permukaan polimer bermuatan. Akibat polarisasi muatan ini, bagian sisi partikel TiO2 yang dekat dengan

per-mukaan polimer akan memiliki jenis muatan yang berlawanan dengan muatan polimer sehingga terjadi gaya tarikan coulomb yang menyebabkan partikel-partikel TiO2 menempel

diper-mukaan polimer. Langkah selanjutnya adalah memanaskan

lembar polimer yang sudah mengikat partikel TiO2 di

per-mukaannya dengan menggunakan mesin hot press pada tem-perature 110 o_{C selama 4 menit. Tujuan dari proses}

pema-nasan ini adalah untuk mengikat partikel-partikel TiO2 secara

permanen di permukaan polimer. Proses coating diakhiri dengan mencuci lembaran TiO2/PP dengan akuades dan

kemudian dikeringkan pada suhu kamar.

Pada pelapisan butiran polimer PP dengan TiO2 menggunakan

metode thermal milling, sejumlah TiO2 dan butiran PP dengan

perbandingan yang sama dimasukkan ke dalam silinder mill-ing dan kemudian dipanaskan. Pemanasan dilakukan dalam sebuah oven listrik pada temperatur 100 o_{C sambil dirotasi}

selama 90 menit. Proses pemanasan menyebabkan permukaan butiran polimer melunak dan akhirnya dapat mengikat partikel-partikel TiO2 yang bersentuhan dengannya. Seperti

halnya metode kombinasi, proses coating diakhiri dengan mencuci butiran TiO2/PP dengan akuades dan

mengering-kannya pada suhu 50 o_{C selama 30 menit. Diagram alir proses}

coating dengan menggunakan kedua metode tersebut dapat

dilihat pada Gambar 1.

Karakterisasi

Ada dua jenis sampel yang perlu dikarakterisasi dalam penelitian ini. Sampel pertama adalah polimer berlapis TiO2,

sedangkan sampel kedua adalah larutan MB yang dijadikan sebagai model air limbah. Untuk sampel pertama, karak-terisasi SEM dilakukan untuk mengetahui morfologi polimer sebelum dan setelah dilapisi TiO2, sementara untuk

menge-tahui komposisi unsur pada sampel tersebut digunakan karak-terisasi EDX. Karakkarak-terisasi ini dilakukan di Laboratorium SEM FMIPA ITB dengan menggunakan mesin SEM (Model

JEOL/EO). Karakterisasi sampel kedua dilakukan

menggunakan alat spektrometer UV-Vis (Mikropack brands, NanoCalc 2000) untuk mengetahui penurunan konsentrasi larutan MB selama proses fotodegradasi.

Uji Fotokatalitik

Gambar 2. Wadah tempat berlangsungnya eksperimen fotoka-talitik.

Performa dari polimer PP berlapis TiO2 diuji dalam sebuah

eksperimen fotokatalitik dekomposisi senyawa MB.

Konsen--- Photocatalytic Activity of TiO2 Coated on Polypropylene

Shaped Sheets and Granules

ABSTRACT: The sheet and granule of polypropylene (PP) have been used as the support material for TiO2 catalyst. The TiO2 powder was

coated to the polymer surface using a combination of electrostatic and heating methods (for the PP sheet) and thermal milling method (for PP granule). The photocatalytic testing of catalysts conducted on a 300 ml solution of Methylene Blue (MB) with initial concentration of 25 ppm. Under solar ilumination, the catalyst sheets have a higher pho-tocatalytic activity than the catalyst granules.

Keywords: photocatalytic activity, TiO2, Methylene Blue

(3)

trasi larutan MB yang digunakan adalah 25 ppm dengan vol-ume 300 ml. sebagai kontrol eksperimen digunakan larutan MB tanpa diberi katalis. Dalam eksperimen ini, diamati laju dekomposisi MB antara yang diberi katalis lembaran, katalis butiran, dan yang tanpa katalis. Eksperimen dilakukan dengan menggunakan sumber cahaya berasal dari 3 buah lampu UV (Evaco, F10TB BLB) masing-masing 10 Watt. Setiap 2 jam sekitar 4 mm larutan MB disampling untuk pengukuran ab-sorbansi menggunakan spektrometer UV-Vis. Semua spesi-men diletakkan dalam kotak cermin dengan sumber cahaya diletakkan pada sisi bagian atas, seperti terlihat pada Gambar 2.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari hasil karakterisasi SEM-EDX sampel katalis berbentuk lembaran dan butiran teramati bahwa nanopartikel TiO2 sudah

menempel secara baik dipermukaan polimer. Dari citra SEM pada Gambar 3 dapat dilihat bahwa partikel-partikel TiO2

yang dilapiskan pada permukaan butiran polimer memiliki sebaran yang lebih homogen dibandingkan dengan yang pada lembaran polimer. Kekuranghomogenan ini sangat mungkin disebabkan proses yang terjadi sebelum pemanasan. Muatan-muatan elektrostatik yang dihasilkan dengan cara menggosok permukaan lembar polimer memiliki sebaran yang tidak merata, akibat hal tersebut, partikel-partikel TiO2 yang

menempel secara elektrostatik pada permukaan lembaran po-limer juga sebarannya tidak merata. Sementara itu, dalam proses coating menggunakan metode thermal milling, proses penempelan TiO2 pada butiran polimer terjadi dalam sebuah

silinder berongga yang dirotasi dalam oven listrik. Pada saat permukaan polimer melunak karena pemanasan, Serbuk TiO2

yang diaduk bersama butiran polimer akan menempel secara merata ke permukaan polimer, sehingga homogenitas penempelannya lebih baik.

Gambar 3. Polimer PP lembaran (a) dan butiran (c) serta gam-bar SEM dari permukaan-permukaannya (b,d).

Dalam eksperimen untuk menentukan aktivitas fotokatalitik dari katalis TiO2/PP, kami telah menggunakan parameter

op-timum jumlah katalis yang digunakan, yaitu 10 lapis untuk lembar katalis [10] dan 2 lapis untuk butiran katalis [9]. Mas-ing-masing katalis dimasukkan ke dalam sebuah cup plastik berisi 300 ml larutan MB 25 ppm. Sampel kemudian diletak-kan dalam sebuah kotak dengan dinding terbuat dari cermin. Setiap 10 jam sebanyak 4 ml larutan MB disampling untuk pengukuran absorbansi. Gambar 4 merupakan spektrum ab-sorbansi larutan MB setelah iradiasi UV selama 40 jam. Ter-lihat bahwa secara kualitatif aktivitas fotokatalitik dari lem-baran katalis TiO2/PP merupakan yang terbaik dibandingkan

yang lainnya. Hal ini sangat mungkin disebabkan karena luas permukaan 10 lapis lembaran katalis yang teriluminasi UV lebih besar dibandingkan dengan 2 lapis butiran katalis TiO2/PP. Hal ini mengakibatkan situs-situs aktif pada katalis

lembaran yang teriluminasi UV lebih banyak dibandingkan dengan yang pada butiran katalis. Dari Gambar 4 juga di-peroleh bahwa MB yang diberi katalis mengalami degradasi yang lebih cepat dibandingkan dengan kontrol eksperimen. Ini menandakan bahwa katalis TiO2 sudah berperan dengan baik dalam proses fotodegradasi senyawa MB. Hasil lainnya adalah bahwa meskipun dengan laju yang sangat rendah, tanpa katalispun sebenarnya senyawa MB dapat terurai ketika terpapar sinar UV. Mekanisme fotolisis yang terjadi dapat di-jelaskan melalui reaksi berikut [12]

𝑀𝐵 + ℎ𝜐(vis) → 𝑀𝐵∗ ₍₁₎

𝑀𝐵∗_{→ 𝑀𝐵}∗+_{+ 𝑒}− ₍₂₎

𝑀𝐵∗+_{+ 𝐻}

2𝑂(or 𝑂𝐻− ) → 𝑀𝐵 + 𝑂𝐻∗ (3)

𝑀𝐵 + 𝑂𝐻∗_{→ degradasi} ₍₄₎

dimana MB*_{adalah keadaan eksitasi dari MB, MB}*+_radikal

kation, dan OH*_{radikal hidroksil. Radikal hidroksil inilah}

yang berperan dalam pemutusan ikatan-ikatan dalam senyawa MB.

Gambar 4. Spektrum serapan larutan MB setelah dipapar UV selama 40 jam. Larutan MB yang diberi lembaran katalis TiO2/PP mengalami penurunan nilai absorbansi yang paling

(4)

Secara umum untuk katalis heterogen, kinetika reaksi fotokatalitik dapat dideskripsikan oleh persamaan Langmuir-Hinshelwood (LH) sebagai berikut:

𝑟 = −𝑑𝐶_𝑑𝑡 = 𝑘 (_{1+𝐾𝐶𝑜}𝐾𝐶𝑜 ) (5)

dimana r adalah laju reaksi (ppm/jam), k konstanta laju fotokatalitik (ppm/jam), K konstanta laju adsorpsi (ppm-1₎

yaitu konstanta Langmuir yang berkaitan dengan energi adsorpsi, Co konsentrasi dari larutan limbah (ppm), C

konsentrasi larutan limbah pada sembarang waktu, dan t waktu (jam).

Untuk konsentrasi >5 mM, KCo >> 1, laju reaksi menjadi tidak bergantung pada Co dan ini mengacu pada kinetika orde nol. Hal ini disebabkan oleh penempatan semua situs-situs pada permukaan katalis oleh molekul-molekul reaktan yang terserap pada konsentrasi tinggi. Untuk larutan encer <1 mM, KCo adalah <<1 dan laju reaksi sebanding dengan konsentrasi mula-mula dan kinetika reaksinya adalah orde pertama (r=-dC/dt=kKCo=k1Co, dimana k1 adalah konstanta laju orde

satu (jam-1_{). Pada konsentrasi rendah, jumlah situs katalis}

tidak akan menjadi faktor pembatas dan laju degradasi sebanding dengan konsentrasi larutan limbah [13,14,15].

Gambar 5. Reduksi konsentrasi MB selama proses foto-degradasi.

Gambar 5 menunjukkan reduksi konsentrasi larutan MB selama proses fotodegradasi, untuk kontrol eksperimen, MB dengan butiran katalis, MB dengan lembaran katalis. Selama 40 jam di bawah paparan UV, 79% senyawa MB yang diberi lembaran katalis telah terdegradasi. Sementara itu dalam waktu yang bersamaan, senyawa MB yang diberi lembaran katalis baru terdegradasi sebanyak 64%. Garis berwarna merah merupakan fitting data dengan menggunakan model kinetika LH orde 1. Terlihat bahwa fitting data ini memiliki hampiran yang cukup baik yang ditunjukkan dengan nilai R2

0.8550 dan 0.9138 untuk MB dengan butiran katalis dan MB dengan butiran katalis secara berurutan. Dari grafik fitting

data diperoleh bahwa konstanta laju reaksi untuk reaksi foto-katalitik katalis butiran dan lembaran sebesar 0.033 jam-1_dan

0.055 jam-1_.

KESIMPULAN

Telah dilakukan kajian tentang aktivitas fotokatalitik dari ka-talis TiO2 yang dilapiskan pada permukaan polimer PP

ber-bentuk butiran dan lembaran. Dengan menggunakan larutan MB sebagai model limbah, diperoleh bahwa di bawah paparan sinar UV, katalis lembaran menunjukkan aktivitas fotokatali-tik yang lebih tinggi dibandingkan katalis butiran. Model ki-netika LH orde 1 memiliki kecocokan dengan kiki-netika reaksi yang terjadi pada fotodegradasi larutan MB yang diberi ka-talis, dengan konstanta laju reaksi 0,033 jam-1_{dan 0,055 jam} -1_{untuk larutan MB yang diberi katalis butiran dan lembaran.}

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih atas dukungan finansial dari Hibah Unggulan Perguruan Tinggi 2015 Kementerian RISTEK DIKTI.

REFERENSI

[1] M. Siddique, R. Farooq, A. Shaheen, Removal of reactive blue 19 from wastewater by physicochemical and biological processes - a review, J.Chem.Soc.Pak. 33(2), 284-293, 2011.

[2] D. Mahne, U. L. Stangar, P. Trebse, T. G. Bulc, TiO2-based photocatalytic treatment of raw and contructed-Wetland pretreated textile wastewater, International Journal of Photoenergy, 12 hal., 2012.

[3] M. Benootti, B. Stanford, E. Wert, S. Snyder, Evaluation of a photocatalytic reactor membrane pilot system for the removal of pharmaceuticals and endocrine disrupting compounds from water, Water Res. 43, 1513–1522, 2009.

[4] J. Velásquez, S. Valencia, L. Rios, G. Restrepo, J. Marín, Characterization and photocatalytic evaluation of polypropylene and polyethylene pellets coated with P25 TiO2 using the controlled-temperature embedding method, Chem. Eng. J. 203, 398–405, 2012.

[5] M. Asilturk, S. Sener, TiO2-activated carbon photocatalysts: preparation, characterization and photocatalytic activities, Chem. Eng. J. 180, 354-363, 2012.

[6] M. Nikazar, K. Gholivand, K. Mahanpoor, Photocatalytic degradation of azo dye acid red 114 in water with TiO2 supported on clinoptilolite as a catalyst, Desalination 219, 293-300, 2008. [7] N.M. Mahmoodi, and M. Arami, Degradation and toxicity

reduction of textile wastewater using immobilized titania nanophotocatalysis, J. Photochem. and Photobio. B: Bio. 94, 20-24, 2009.

[8] E. Rego, J. Marto, P.S. Marcos, J.A. Labrincha, Screen-printing of TiO2 photocatalytic layers on glazed ceramic tiles, Appl. Catalysis A: General 197, 125-131, 2008.

[9] H. Aliah, M.P. Aji, Masturi, E. Sustini, M. Budiman, M. Abdullah, The TiO2 nanoparticles-coated polypropylene copolymer as photocatalysts on methylene blue photodegradation under solar exposure, Am. J. Environ. Sci. 8(3), 280-290, 2012.

(5)

[10] Sutisna, M. Rokhmat, E. Wibowo, R. Murniati, Khairurrijal, M. Abdullah, Application of immobilized titanium dioxide as reusable photocatalyst on photocatalytic degradation of methylene blue, Advanced Materials Research 1112, 149-153, 2015.

[11] M. Abdullah, I. Nurmawati, H. Subianto, Khairurrijal, H. Mahfudz, Very wide band absorpsion of sunlight spectra using titanium dioxide particles with distributed band gap, Jurnal Nanosains & Nanoteknologi 3, 10-14, 2010.

[12] H. Slimen, A. Houas, J.P. Nogier, Elaboration of stable anatase TiO2 through activated carbon addition with high photocatalytic activity under visible light, J. of Photochem. and Photobio. A: Chemistry 221, 13–21, 2011.

[13] J. M. Herrmann, Heterogeneous photocatalysis:fundamentals and applications to the removal of various types of aqueous pollutants, Catal. Today 53, 115–129, 1999.

[14] S. Parra, S.E. Stanca, E. Guasaquillo, K.R. Thampi, Photocatalytic degradation of atrazine using suspended and supported TiO2, Appl. Catal. B: Environ. 51, 107, 2004.

[15] A. N. Ejhieh, S. Hushmandrad, Solar photodecolorization of methylene blue by CuO/X zeolite as a heterogeneous catalyst, Applied Catalysis A: General 388, 149–159, 201