Modifikasi Zeolit Alam Lampung Dengan Fotokatalis TiO
2Melalui Metode Sol Gel dan Aplikasinya Untuk Penyisihan Fenol
Slamet, Meta Ellyana dan Setijo Bismo
Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia Kampus UI Depok, Depok 16424, Tel. 021-7863516
E-mail : slamet@che.ui.edu
Abstrak
Modifikasi zeolit alam Lampung (ZAL) dengan fotokatalis TiO2 melalui metode sol gel telah dilakukan
dan diuji kinerjanya untuk penyisihan fenol. ZAL yang sudah mengalami pemurnian awal dilapisi dengan sol TiO2 yang dibuat dari prekursortitanium isopropoxide bis acetil acetonate [Ti(OPr)4 AcAc], sehingga
diperoleh material adsorben-fotokatalis terintegrasi (AFT). Uji kinerja material AFT dalam menyisihkan fenol dilakukan dalam fotoreaktor batch yang dilengkapi dengan 6 lampu UV jenis black light (@ 10 watt) dan pengaduk mekanik. Perubahan konsentrasi fenol dianalisis menggunakan UV-Vis Spectrophotometer. Hasil penelitian menunjukkan bahwa komposisi TiO2 dalam AFT yang optimum
sebesar 15 % berat, yang dapat menyisihkan fenol 10 ppm hingga 88% pada konsentrasi AFT (dalam limbah fenol) optimum sebesar 5 g/L. Dengan menggunakan adsorben (zeolit) sebagai penyangga fotokatalis (AFT), maka diperoleh penyisihan fenol yang lebih besar daripada penyisihan fenol oleh zeolit saja, TiO2 saja dan penyangga fotokatalis yang tidak memiliki daya adsorpsi (quartz-TiO2). Laju reaksi
fotodegradasi meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi awal fenol, yang dapat dimodelkan menggunakan kinetika Langmuir Hinselwood.
Kata kunci: adsorbe- fotokatalis terintegrasi (AFT), fenol, zeolit alam Lampung (ZAL), TiO2
Abstract
Lampung’s natural zeolite (ZAL) has been modified with TiO2 photocatalyst through sol-gel method to
produce the integrated adsorbent-photocatalyst material (AFT), and then evaluated to remove phenol. Pre-treated ZAL was coated with TiO2 sol that prepared using the solution of titanium isopropoxide bis
acetyl acetonate [Ti(OPr)4 AcAc] as precursor. Performance tests of the AFT in phenol removal were
carried out using a batch photo-reactor equipped with 6 UV black light lamps (@ 10 watt) and mechanic stirrer. Phenol concentrations were analyzed with UV-Vis spectrophotometer. The experimental results show that theoptimum TiO2 loading in AFT is 15 %wt, which can remove 88% of 10 ppm phenol in the
optimum AFT concentration of 5g/L. By using zeolite adsorbent as photocatalyst support (AFT), the elimination of phenol is more effective than zeolite, bare-TiO2 and inert quartz-TiO2. The reaction rate of
phenol degradation increases with increasing the phenol initial concentration, which can be formulated by Langmuir-Hinselwood kinetic model.
Keywords: integrated adsorbent-photocatalyst (AFT), phenol, Lampung’s natural zeolite (ZAL), TiO2
1. Pendahuluan
Salah satu polutan organik berbahaya yang banyak dijumpai pada berbagai jenis limbah industri dan air tanah di daerah Jakarta dan daerah-daerah lain adalah fenol. Senyawa fenol dapat dikatakan aman bagi lingkungan jika konsentrasinya berkisar antara 0,5-1 mg/L (KEP No 51/MENLH/
10/1995) dan ambang batas fenol dalam baku air minum adalah 0,002 mg/l [1]. Oleh karena itu, sangat penting untuk mengembangkan teknologi pengolahan limbah yang efektif dan efisien agar dapat menanggulangi masalah pencemaran karena limbah dan menunjang penyediaan air bersih.
Proses adsorpsi merupakan salah satu metode pengolahan limbah yang telah banyak digunakan. Sayangnya proses ini tidak dapat mendegradasi polutan menjadi senyawa yang tidak berbahaya, melainkan hanya memindahkan limbah dari cairan ke permukaan adsorben, sehingga adsorben tersebut perlu diregenerasi bila telah jenuh. Salah satu teknologi yang sedang banyak dikembangkan untuk mendegradasi berbagai limbah industri adalah proses fotokatalitik [2-4], yang memiliki beberapa keunggulan yaitu polutan organik dapat didegradasi menjadi senyawa yang tidak berbahaya seperti air dan CO2, serta lebih hemat pemakaian bahan kimia dan energinya [2,5]. Akan tetapi proses fotokatalitik kurang efektif dalam mengolah limbah yang konsentrasinya tinggi karena rendahnya daya adsorpsi fotokatalis tersebut, sehingga menyebabkan rendahnya laju reaksi fotokatalitik [6-7].
Hasil penelitian sebelumnya menunjuk-kan bahwa penggunaan adsorben (zeolit sintesis dan karbon aktif) sebagai penyangga fotokatalis TiO2 ternyata dapat meningkatkan laju fotodekomposisi pyridine, propyzamide dan propion-aldehyde dibandingkan dengan bulk TiO2 tanpa adsorben [6-9]. Dengan memasukkan fotokatalis ke dalam struktur rangka zeolit sintesis, ternyata diperoleh peningkatan laju fotodekomposisi NOx dan CO2 [10]. Selain itu, dengan penempelan fotokatalis TiO2 pada zeolit alam Lampung (ZAL) ternyata diperoleh kinerja yang sinergis antara proses fotokatalisis dan proses adsorpsi dalam mendegradasi polutan organik [11], meskipun kondisi yang optimal belum juga diperoleh.
Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kondisi optimal pada kombinasi material adsorben-fotokatalis yang terintegrasi (AFT), yang digunakan untuk penyisihan limbah organik fenol.
Pada penelitian ini digunakan adsorben ZAL sebagai penyangga karena struktur kristalnya berpori dan memiliki luas permukaan yang cukup besar, memiliki stabilitas termal yang tinggi, harganya murah serta ketersediaannya cukup melimpah [12]. Fotokatalis yang
digunakan adalah TiO2 karena mempunyai aktivitas fotokatalis yang tinggi, mudah didapat serta mempunyai kestabilan kimia dan ketahanan fotokorosi yang baik dalam semua kondisi reaksi [2,4,13]. ZAL akan dimodifikasi dengan fotokatalis TiO2 melalui metode sol-gel. Dengan metode tersebut dapat dihasilkan fotokatalis film yang aktivitasnya tinggi dan transparan, serta dispersi/penyebaran fotokatalis pada penyangga yang tinggi [14].
2. Percobaan
Pada sub-bab ini akan diuraikan secara rinci bahan-bahan dan tahapan yang diperlukan dalam pembuatan AFT serta prosedur pengujian AFT untuk mengolah limbah fenol.
2.1. Preparasi AFT
Treatment awal ZAL dilakukan dengan merendam ZAL yang berukuran 0,250-0,315 mm dalam larutan HF 2 % selama 10 menit sambil diaduk. Kemudian dilanjutkan dengan proses refluks dalam larutan HCl 6 M pada suhu 90 oC selama 30 menit. Setelah itu zeolit tersebut direndam dalam larutan NH4Cl 0.1 M selama 5 hari, dengan pengadukan dan pemanasan pada suhu 90 o
C selama 3 jam/hari. Langkah terakhir adalah kalsinasi ZAL tersebut pada suhu 500 oC selama 5 jam.
Sol TiO2 dipreparasi dengan metode sol gel menggunakan prekursor titanium isopropoxide bis acetil acetonate [Ti(OPr)4 AcAc]. Larutan prekursor tersebut dicampurkan dengan etanol, air, dan HCl dengan perbandingan tertentu. Kemudian campuran larutan tersebut disonikasi selama 30 menit dan dibiarkan selama 1 jam sebelum digunakan untuk melapisi ZAL.
Pelapisan fotokatalis TiO2 ke permukaan ZAL dilakukan dengan mencampurkan serbuk ZAL dalam sol fotokatalis TiO2. Campuran tersebut kemudian dipanaskan pada suhu 80 oC sambil diaduk hingga kering. Zeolit yang sudah terlapisi fotokatalis tersebut kemudian dikalsinasi pada suhu 400 oC selama 2 jam.
2.2. Uji Kinerja AFT
Uji kinerja material AFT dilakukan selama 4 jam dalam sebuah fotoreaktor batch yang dilengkapi 6 buah lampu UV jenis black lamp (@ 10 watt) dan pengaduk mekanik.
Larutan fenol (konsentrasi 10–45 ppm) dan material AFT yang telah dibuat dimasukkan ke dalam fotoreaktor. Kemudian sampel larutan diambil setiap 30 menit untuk dianalisis konsentrasi fenolnya dengan UV-Vis Spectrophotometer. Selain menguji kinerja material AFT, diuji pula kinerja ZAL saja, fotokatalis TiO2 saja, serta kinerja TiO2 berpenyangga Quartz (penyangga fotokatalis yang tidak memiliki daya adsorpsi) sebagai pembanding.
3. Hasil dan Pembahasan
Hasil percobaan yang akan dibahas meliputi karakterisasi material AFT, uji adsorpsi ZAL, dan uji kinerja material AFT untuk menyisihkan fenol. Penamaan sampel ZAL NT adalah untuk ZAL yang belum dilakukan treatment awal, sedangkan ZAL 5H adalah untuk ZAL yang telah direndam dalam larutan NH4Cl selama 5 hari.
3.1. Karakterisasi AFT
Material AFT yang dibuat dikarakte-risasi dengan BET dan XRF. Hasil karakterisasi tersebut dapat dilihat pada Tabel 1 berikut.
Tabel 1.
Hasil karakterisasi BET dan XRF
Sampel Luas
Permu-kaan (m2/g) Rasio Si/Al ZAL NT ZAL 5H ZAL 5H-TiO2 15% 35,9 37,4 49,9 6,8 27,0 27,8
Zeolit memiliki luas permukaan dibawah 50 m2/g yang menunjukkan bahwa zeolit alam Lampung yang digunakan tidak tergolong sebagai material porous. Yang disebut sebagai material porous adalah material yang memiliki luas pemukaan besar (>50 m2/g) dan memiliki banyak pori.
Rendahnya luas pemukaan zeolit juga mengindikasikan bahwa dalam pori zeolit masih terdapat banyak pengotor.
Namun dari hasil karakterisasi XRF menunjukkan bahwa treatment awal yang telah dilakukan mampu meningkatkan rasio Si/Al pada zeolit dari 6,8 menjadi sekitar 27.
3.2. Uji Adsorpsi Zeolit
Pengujian zeolit dilakukan untuk melihat kemampuan zeolit dalam mengadsorpsi fenol. Hasil uji adsorpsi zeolit dapat dilihat pada Gambar 1. Terlihat bahwa ZAL 5 H memiliki kemampuan adsorpsi yang lebih baik. Hal ini karena meningkatnya rasio Si/Al dalam kerangka zeolit (Tabel 1). Perendaman zeolit dalam larutan HCl yang relatif pekat dan NH4Cl menyebabkan terlepasnya alumunium dalam kerangka menjadi alumunium di luar kerangka sehingga rasio Si/Al meningkat.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Waktu (menit) K ons e n tr a s i Fe no l, C/ Co ZAL NT ZAL 5 H Gambar 1.
Adsorpsi fenol oleh ZAL NT dan ZAL 5 H (Co = 10 ppm)
Dengan semakin banyaknya alumunium dalam kerangka zeolit maka makin banyak AlO4- yang terbentuk dan makin banyak dibutuhkan kation untuk menetralkan muatan listriknya. Kation-kation tersebut menimbulkan medan elektrostatik [15]. Makin rendahnya rasio Si/Al dalam kerangka zeolit (makin banyak alumunium) maka dalam zeolit tersebut timbul gradien medan elektrostatik yang makin besar sehingga molekul-molekul polar akan berinteraksi lebih kuat dengan medan elektronik itu daripada molekul-molekul non polar (senyawa organik) [12]. Bila rasio Si/Al meningkat maka kerapatan
kation dan kekuatan medan elektrostatik menurun dan afinitas dari permukaan zeolit bagi adsorbat non polar meningkat sehingga zeolit cenderung memilih molekul-molekul non-polar (senyawa organik) untuk diadsorpsi [ 12,16].
3.3. Pengaruh Lampu UV dan Treatment awal zeolit
Untuk mengetahui sejauh mana treatment awal mempengaruhi penyisihan fenol oleh AFT, maka dibandingkan penyisihan fenol antara zeolit yang tidak ditreatment (ZAL NT) dengan zeolit yang sudah ditreatment (ZAL 5H) baik tanpa menggunakan lampu UV maupun dengan menggunakan lampu UV. Hasil pengujian ini dapat dilihat pada Gambar 2.
15 20 25 30 35 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Waktu (menit) K o n sen tr asi F e n o l (p p m ) ZAL NT-TiO2 ZAL 5 H-TiO2 ZAL NT-TiO2 + UV ZAL 5 H-TiO2 + UV Gambar 2.
Pengaruh treatment awal ZAL
Treatment awal berpengaruh cukup signifikan pada proses adsorpsi fenol saja (tidak mengunakan lampu UV). Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2, dimana pada proses adsorpsi fenol oleh ZAL NT-TiO2 menyisihkan fenol sebesar 5,3 %, sedangkan ZAL 5 H-TiO2 menyisihkan fenol sebesar 18,7 %. ZAL 5H-TiO2 tetap memiliki daya adsorpsi fenol yang lebih baik daripada ZAL NT-TiO2. Akan tetapi, dari Gambar 2 juga terlihat bahwa daya adsorpsi zeolit yang telah dilapisi fotokatalis TiO2 nampak berkurang dibandingkan daya adsorpsi zeolit sebelum dilapisi TiO2. Fenol yang sudah teradsorpsi oleh ZAL 5 H-TiO2 dapat terdesorpsi lagi. Jadi, adanya fotokatalis pada permukaan
zeolit mengurangi daya adsorpsi zeolit tersebut.
Setelah menggunakan lampu UV, penyisihan fenol oleh ZAL NT-TiO2 lebih banyak disebabkan oleh proses fotokatalisis daripada proses adsorpsi. Hal ini terlihat pada peningkatan penyisihan fenol oleh ZAL NT-TiO2 yang meningkat dari 5,3 % menjadi 22 % setelah menggunakan lampu UV, dimana kontribusi proses fotokatalisis yaitu sebesar 16,7 %. Kontribusi proses fotokatalisis pada ZAL 5 H-TiO2 lebih rendah daripada kontribusi proses fotokatalis pada ZAL NT-TiO2 yaitu hanya sebesar 10,8 %. Hal ini disebabkan oleh lebih banyaknya pembentukan radikal hidroksil pada penyisihan fenol oleh ZAL NT-TiO2. Rendahnya daya adsorpsi fenol oleh ZAL NT-TiO2 tidak selamanya merugikan, karena sifat hidrofilik ZAL NT-TiO2 menyebabkan air yang teradsorb oleh zeolit bereaksi dengan O2
yang dihasilkan proses fotokatalisis sehingga menghasilkan H2O2 yang akan bereaksi lagi dengan elektron yang membentuk radikal hidroksil (OH•) [17]. Radikal hidroksil yang dihasilkan inilah yang mendegradasi fenol. Mekanisme reaksinya yaitu:
TiO2 + hv → TiO2(h++e-) (1) O2 + e- → O2- (2) O2- + H2O(ads) → HO2•(ads) + OH-(ads) (3) HO2
•
(ads) + H+ + e- → H2O2(ads) (4) H2O2(ads) + e- → OH-(ads) + OH•(ads) (5) OH-(ads) + h+ → OH•(ads) (6) Jadi meskipun daya adsorpsi fenol oleh ZAL NT-TiO2 lebih rendah daripada ZAL 5 H-TiO2, namun karena adanya kontribusi proses fotokatalisis yang lebih besar maka perbedaan penyisihan fenol antara ZAL NT-TiO2 dan ZAL 5 H-TiO2 menjadi tidak signifikan. Dapat disimpulkan bahwa treatment awal mempengaruhi daya adsorpsi zeolit, dan daya adsorpsi zeolit ini mempengaruhi proses fotokatalisis yang terjadi.
3.4. Pengaruh Kandungan TiO2 pada
AFT
Pengaruh kandungan TiO2 pada AFT terhadap penyisihan fenol dapat dilihat pada Gambar 3, yang menunjukkan adanya peningkatan penyisihan fenol seiring
dengan penambahan kandungan TiO2. Akan tetapi kemudian penyisihan fenol menurun setelah jumlah TiO2 lebih besar dari 15%. Fenomena yang serupa juga terjadi pada penelitian yang dilakukan Takeda et. al (1995), dimana terjadi peningkatan fotodekomposisi gas propionaldehyde seiring penambahan jumlah TiO2 pada mordenit, kemudian fotodekomposisi propionaldehyde menurun setelah jumlah TiO2 mencapai 53 % [6] . 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Waktu (menit) K o n sen tr asi F e n o l, C /C o
TiO2 0% TiO2 10 % TiO2 15 % TiO2 20% TiO2 25 % TiO2 30%
Gambar 3.
Pengaruh kandungan TiO2 pada AFT
terhadap: (a) konsentrasi fenol dan (b) penyisihan fenol
Pada kandungan TiO2 0-15 %, terjadi peningkatan penyisihan fenol seiring makin banyaknya jumlah TiO2 pada AFT. Hal ini disebabkan dengan makin banyaknya jumlah TiO2, maka kemungkinan jumlah hole, radikal hidroksil, dan ion superoksida yang dihasilkan makin banyak sehingga dapat meningkatkan degradasi fenol [8].
Pada kandungan TiO2 15-30 %, dengan semakin banyaknya jumlah TiO2 penyisihan fenol justru semakin menurun. Hal ini dapat dimungkinkan oleh beberapa faktor yaitu:
o Semakin banyak TiO2 yang menggerombol pada bagian tertentu dari zeolit, sehingga interaksi TiO2 dengan fenol menurun dan fotokatalis TiO2 kurang aktif dalam mendegradasi fenol [10].
o Luas permukaan zeolit yang tertutupi TiO2 semakin menurun sehingga daya adsorpsi berkurang. Akibatnya kinerja sinergisme proses adsorpsi dan proses fotokatalis berkurang [6].
o Ketebalan film TiO2 yang semakin bertambah, sehingga menyebabkan menurunnya penetrasi sinar UV pada AFT serta elektron dan hole yang terbentuk lebih mudah berekombinasi sebelum mencapai permukaan TiO2. Akibatnya kinerja AFT kurang efektif [9, 18-20].
Kandungan TiO2 15% pada AFT merupakan kandungan TiO2 optimum, karena jumlah TiO2 yang digunakan tepat dan fotokatalis TiO2 tersebut masih dapat terdispersi merata ke seluruh permukaan zeolit. Pada kandungan TiO2 15%, AFT masih memiliki daya adsorpsi yang cukup baik.
3.5. Pengaruh Penggunaan Adsorben Sebagai Penyangga
Untuk mengetahui pengaruh penggu-naan adsorben sebagai penyangga maka pada percobaan ini dibandingkan hasil uji adsorpsi fenol oleh ZAL 5 H, uji degradasi fenol oleh fotokatalis TiO2, uji kinerja katalis ZAL 5 H-TiO2 15% serta uji blanko dengan menggunakan quartz-TiO2 15%. Hasil pengujian berbagai jenis penyangga tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.
Bila fotokatalis TiO2 diimobilisasikan pada penyangga yang tidak memiliki daya adsorpsi seperti quartz (quartz-TiO2 15%), maka diperoleh penyisihan fenol sebesar 58,2 %. Katalis quartz-TiO2 15 % ini lebih aktif dalam mendegradasi fenol bila dibandingkan dengan fotokatalis serbuk TiO2 tanpa penyangga. Keaktifan katalis quartz-TiO2 15 % ini ditinjau dari jumlah loading TiO2 dalam limbah yaitu hanya sebesar 0,5 g/L yang mampu mendegradasi 0 20 40 60 80 100 0 5 10 15 20 25 30
Kandungan TiO2 Pada AFT (%wt)
P e n y is ih a n F e n o l ( % )
ZAL 5 H-TiO2 Quartz-TiO2
(a)
fenol sebesar 58,2 %, sedangkan loading fotokatalis serbuk TiO2 dalam limbah sebesar 3,33 g/L yang mampu menyisihkan fenol sebanyak 62 %.
Rendahnya aktivitas fotokatalis serbuk TiO2 dibandingkan dengan quartz-TiO2 disebabkan oleh dua faktor. Pertama, kemungkinan fotokatalis serbuk TiO2 terlalu banyak sehingga menimbulkan efek shadowing yang menyebabkan penurunan penetrasi sinar UV ke dalam fotokatalis sehingga laju reaksi fotodegradasi menurun [21]. Kedua, fotokatalis yang melapisi quartz merupakan fotokatalis film dengan jumlah kandungan TiO2 yang optimum dengan dispersi yang tinggi pada quartz, sedangkan fotokatalis serbuk TiO2 dibentuk dengan pemanasan sol Ti-AcAc hingga terbentuk serbuk TiO2. Dengan kondisi sintesis yang berbeda ini, maka keaktifan fotokatalis yang dihasilkan tentunya akan berbeda pula. Imobilisasi fotokatalis TiO2 pada penyangga ternyata dapat meningkatkan keaktifan fotokatalis TiO2 .
0 20 40 60 80 100 Pe ny is ih a n Fe nol %
ZAL 5 H Ti-AcAc
Quartz-TiO2 15% ZAL 5 H-TiO2 15 % Jenis Sampel
Gambar 4.
Pengaruh penggunaan adsorben sebagai penyangga
ZAL 5 H-TiO2 15% ternyata dapat menyisihkan fenol sebesar 88,2 %. Penyisihan fenol oleh AFT tersebut lebih baik daripada penyisihan fenol oleh zeolit saja, fotokatalis serbuk TiO2 saja, maupun oleh katalis quartz-TiO2 15%. Bila membandingkan quartz-TiO2 15% dengan ZAL 5H-TiO2 15% dapat dilihat bahwa
penggunaan adsorben zeolit sebagai penyangga dapat meningkatkan penyisihan fenol. Adanya zeolit pada AFT tersebut dapat meningkatkan kemampuan adsorpsi, sehingga konsentrasi fenol di sekitar permukaan TiO2 meningkat dan laju reaksi fotodegradasi fenol menjadi lebih cepat [6,8,10]. Dengan mengkombinasikan zeolit dan fotokatalis TiO2 maka diperoleh material AFT yang lebih efektif dalam menyisihkan limbah fenol.
3.6. Pengaruh Konsentrasi AFT Dalam Limbah
Pada penelitian ini dilakukan variasi konsentrasi (loading) AFT dalam limbah dengan cara memvariasikan berat AFT pada volume fenol yang tetap. Variasi berat AFT ini yaitu sebesar 0,5 g, 1 g dan 1,5 g dalam 300 ml limbah fenol. Hasil pengujian tersebut dapat dilihat pada Gambar 5.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Waktu, m enit Ko n s en tr asi F e n o l, C /Co 1.67 g/L 3.33 g/L 5 g/L 0 25 50 75 100 0 1 2 3 4 5 Lo a ding A F T , g/ L Gambar 5.
Pengaruh konsentrasi AFT dalam limbah (Co = 10 ppm)
Dengan meningkatnya konsentrasi AFT maka diperoleh penurunan konsentrasi fenol yang semakin besar. Hal ini karena semakin besar konsentrasi AFT maka jumlah TiO2 yang terdapat dalam larutan limbah juga semakin banyak. Jumlah TiO2 yang terdapat dalam larutan limbah yaitu masing-masing sebesar 0,25 g/L, 0,5 g/L dan 0,75 g/L. Pada intensitas UV yang sama, dengan semakin banyaknya jumlah TiO2 maka makin banyak pula pasangan elektron dan hole yang dihasilkan sehingga makin banyak pula radikal hidroksil dan ion TiO2
superoksida yang dihasilkan untuk mengoksidasi fenol. Selain itu, dengan meningkatnya konsentrasi AFT maka makin banyak pula fenol yang teradsorpsi pada zeolit sehingga makin banyak pula fenol yang dapat langsung didegradasi oleh fotokatalis TiO2. Laju reaksi meningkat dengan meningkatnya konsentrasi AFT. Hal yang sama juga dihasilkan pada penelitian Kandavelu dkk (2000) [22].
Melalui percobaan ini, untuk konsentrasi awal fenol 10 ppm diperoleh konsentrasi AFT yang optimum yaitu sebesar 5 g/L dengan kandungan TiO2 sebesar 0,75 g/L. Bila konsentrasi AFT ditingkatkan lagi lebih dari 5 g/L maka peningkatan peyisihan fenol tidak lagi signifikan. Pada konsentrasi AFT 5 g/L ini diperoleh penyisihan fenol sebesar 98 % dan konsentrasi fenol pada akhir proses telah mencapai nilai ambang batas baku mutu limbah fenol (< 0,5 ppm).
3.7. Pengaruh Konsentrasi Awal Fenol
Untuk mengetahui pengaruh konsentrasi awal terhadap penyisihan fenol oleh AFT, maka dilakukan uji degradasi fenol dengan konsentrasi awal 10 ppm, 20 ppm, 30 ppm dan 45 ppm.
Pada Gambar 6 dapat dilihat bahwa semakin besar konsentrasi awal fenol, maka % penyisihan fenol menjadi semakin kecil. Hal ini dapat terjadi karena pada intensitas UV yang sama, maka foton yang dihasilkan akan sama pula pada luas permukaan adsorpsi zeolit dan jumlah TiO2 yang sama . Semakin besar konsentrasi awal limbah maka makin banyak pula molekul fenolnya. Dengan kemampuan foton untuk mengeksitasi elekron pada TiO2 yang tetap serta elektron dan hole yang dihasilkan tetap, maka dengan semakin besar konsentrasi awal fenol makin kecil pula konversi fenol yang terjadi.
Menurut Herrman (1999), kinetika fotokatalisis mengikuti mekanisme Langmuir-Hinselwood, seperti pada persa-maan berikut [23]: C K C K k dt dC r C C r + = − = − 1 (7) 0 10 20 30 40 50 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Waktu (menit) K ons e n tr a s i Fe no l ( p p m ) 10 ppm 20 ppm 30 ppm 45 ppm 50 70 90 0 10 20 30 40 50 Konsentrasi Fenol (ppm) P e n y is ih a n F e n o l (%) Gambar 6.
Pengaruh konsentrasi awal fenol
dengan r: laju reaksi, C: konsentrasi fenol, kr: konstanta laju reaksi, dan KC konstanta kesetimbangan adsorpsi.
Adapun syarat-syarat agar dapat menggunakan mekanisme Langmuir-Hinselwood adalah terjadinya adsorpsi salah satu reaktan, reaksi terjadi dalam fasa teradsorpsi dan terjadi desorpsi produk hasil reaksi [23]. Reaksi fotodegradasi fenol terjadi dalam fasa teradsorpsi dan CO2 yang dihasilkan berupa gas yang diasumsikan lebih mudah terdesorpsi, sehingga persamaan Langmuir Hinselwood dapat digunakan pada penelitian ini.
Bila persamaan 7. dilinierisasi , maka diperoleh persamaan : ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = − r C rK C k k r 1 1 1 1 (8) Dengan menggunakan metode initial rate saat t = 0, persamaan 8 menjadi :
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = − r C rK C k k r 1 1 1 1 0 0 (9) dengan 0 = = t o dt dC r (10)
Bila data yang diperoleh dari percobaan (Gambar 6) diregresi dan diturunkan, maka dapat diperoleh nilai masing-masing ro untuk tiap konsentrasi awal Co, sesuai dengan persamaan 10. Dengan memplotkan
hubungan antara 1/Co (sumbu x) dengan -1/ro (sumbu y) maka dapat diperoleh nilai konstanta kr dan KC, yaitu masing-masing kr = 1,9x10-6/menit dan KC = 5868,452 L/mol, sehingga persamaan laju reaksi untuk model Langmuir Hinselwood yaitu :
] ). 452 , 5868 ( 1 [ ). 011115 , 0 ( C C dt dC r + = − = − (11)
dengan C (mol/L) adalah konsentrasi fenol pada waktu t (menit).
Pada Gambar 7 terlihat profil perubahan konsentrasi fenol terhadap waktu yang diperoleh dari model Langmuir-Hinselwood hampir sama dengan data yang dihasilkan dari percobaan, dengan error rata-rata (penyimpangan) sebesar 10%.
Dari Gambar 8 terlihat bahwa laju reaksi fotodegradasi fenol semakin meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi awal fenol. Dengan meningkatnya konsentrasi awal fenol, maka makin banyak pula fenol yang berada di sekitar permukaan fotokatalis TiO2, sehingga makin banyak pula fenol yang dapat langsung didegradasi dan makin cepat laju reaksinya [6,8].
Waktu yang dibutuhkan untuk mendegradasi fenol hingga mencapai ambang batas aman fenol (C < 0,5 ppm) dapat diprediksi dengan mengintegralkan persamaan laju reaksi model Langmuir- Hinselwood (Persamaan 11). Hubungan antara konsentrasi awal fenol (Co) dengan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai ambang batas aman fenol tersebut (tb) dapat dilihat pada Gambar 9.
Hasil percobaan menunjukkan bahwa pada konsentrasi awal fenol 10 ppm dibutuhkan waktu selama 4 jam untuk menyisihkan fenol hingga mencapai ambang batas aman. Pada Gambar 9 terlihat bahwa waktu yang diperlukan untuk mencapai konsentrasi fenol yang sesuai ambang batas aman akan semakin lama dengan meningkatnya konsentrasi awal fenol, yang dapat diprediksi dengan persamaan 12: tb = 3,9544 + (0,1699)Co - (0,0004)Co2 (12) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 30 60 90 120 150 180 210 240 Waktu (menit) K o ns e n tr a s i Fe n o l ( p pm ) Data Percobaan Model L-H Gambar 7.
Perbandingan model Langmuir-Hinselwood dengan data percobaan
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0 10 20 30 40 50
Konsentrasi Awal Fenol (ppm)
La ju Fot od e g ra da s i ( ppm /m e n it ) Gambar 8.
Hubungan antara konsentrasi awal fenol dengan laju fotodegradasi (t = 0)
y = -0.0004x2 + 0.1699x + 3.9544 R2 = 0.9987 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 50 100
Konsentrasi Awal Limbah (ppm)
W a kt u B a ku M u tu ( jam ) Gambar 9.
Waktu yang diperlukan untuk mencapai konsentrasi fenol yang sesuai ambang
Untuk dapat meningkatkan konversi dan laju reaksi sehingga waktu yang diperlukan menjadi lebih singkat, dapat dilakukan dengan penambahan loading AFT dalam limbah dan/atau peningkatan intensitas UV.
4. Kesimpulan
1. Daya adsorpsi zeolit alam Lampung (ZAL) terhadap fenol meningkat setelah treatment awal. Namun setelah ZAL dilapisi dengan fotokatalis TiO2, treatment awal ZAL tidak berpengaruh signifikan terhadap penyisihan fenol oleh AFT.
2. Peningkatan kandungan TiO2 pada AFT (adsorben fotokatalis terintegrasi) sampai harga tertentu dapat meningkatkan penyisihan fenol. Diperoleh kandungan TiO2 pada AFT yang optimum sebesar 15% yang dapat menyisihkan fenol sebesar 88 %.
3. Penggunaan ZAL sebagai penyangga fotokatalis terbukti dapat meningkatkan laju reaksi fotodegradasi dibandingkan dengan penyangga yang bersifat inert. Hal ini terlihat dari peningkatan penyisihan fenol dari 58 menjadi 88 %. Kombinasi proses adsorpsi dan fotokatalisis lebih baik dari proses adsorpsi saja dan proses fotokatalitik saja.
4. Peningkatan loading AFT dalam limbah dapat meningkatkan laju reaksi fotodegradasi dan penyisihan fenol. Loading AFT dalam limbah yang optimum untuk menyisihkan limbah fenol 10 ppm adalah sebesar 5 g/L (komposisi TiO2 dalam AFT 15 %). 5. Laju reaksi fotodegradasi fenol oleh AFT
meningkat seiring peningkatan konsen-trasi awal fenol, yang dapat dimodelkan menggunakan persamaan kinetika Langmuir-Hinselwood: C C dt dC r ) 452 , 5868 ( 1 ) 011115 , 0 ( + = − = − , dengan
satuan C = mol/L dan r = mol/(L.menit) 6. Waktu yang dibutuhkan untuk
menyisihkan fenol hingga mencapai ambang batas aman meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi awal
fenol, yang dapat diprediksi dengan persamaan: tb = 3,9544 + (0,1699)Co - (0,0004)Co2.
Ucapan Terima Kasih
Pada kesempatan ini penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Ditjen Dikti, Kementerian Pendidikan Nasional RI, atas bantuan finansialnya pada penelitian ini melalui proyek Penelitian Hibah Bersaing XIV.
Daftar Acuan
[1] ---, Baku Mutu Limbah Cair bagi Kegiatan Industri, Badan Pengendalian Dampak Lingkungan, KEP MENLH No.51/MENLH/10/1995, (1995).
[2] D.Dumitriu, Photocatalytic Degradation of Phenol by TiO2 Thin Films Prepared by Sputtering, Appl. Catal. B: Environ., 25 (2000) 83-92.
[3] M. Bideau , B. Claudel, C. Dubien, L. Faure, and H. Kazouan, On the immobilization of titanium dioxide in photocatalytic oxidation spent waters, J. Photochem. Photobiol. A: Chemistry, 91 (1995) 137-144.
[4] R.W. Matthews and S.R. Mc.Evoy, Destruction of Phenol in Water With Sun, Sand and Photocatalysis , Solar Energy, 49 (6), (1992) 507-513. [5] A.Toyoda, L. Zhang , T. Kanki , and
N. Sano, Degradation of Phenol in Aqueous Solution by TiO2 Photocatalys Coated Rotating Drum Reactor, J. Chem. Eng. Japan, 33 (2000) 188-191.
[6] N. Takeda, T. Torimoto, S. Sampath, Kuwabata, and H. Yoneyama, Effect of Inert Support for Titanium Dioxide Loading on Enhancement of Photo-decomposition Rate of Gaseous Propionaldehyde , J. Phys. Chem., 99 (1995) 9986-9991.
[7] H. Yoneyama and T. Torimoto, Titanium dioxide/adsorbent hybrid photocatalysts for photodestruction of organic substances of dilute
concentration, Catal. Today, 58 (2000) 133-140.
[8] T. Torimoto, S. Ito, S. Kuwabata, and H. Yoneyama, Effects of Adsorbent Used as Supports for Titanium Dioxide Loading on Photocatalytic Degradation of Propyzamide, Environ. Sci. Technol., 30 (1996) 1275-1281. [9] S. Sampath, H.Uchida, and H.
Yoneyama, Photocatalytic Degrada-tion of Gaseous Pyridine over Zeolite-Supported Titanium Dioxide, J. of Catal., 149 (1994) 189-194.
[10] M. Matsuoka and M. Anpo, Local structures, excited states, and photocatalytic reactivities of highly dispersed catalyst constructed within zeolites, J. Photochem. Photobiol. C: Photochem. Rev., 3 (2003) 225-252. [11] F. Djuningsih, Pengolahan Limbah
Fenol Menggunakan Fotokatalis TiO2 Dengan Penyangga Zeolit Alam Lampung , Skripsi Jurusan TGP FTUI, 2005.
[12] S. Handoko, Preparasi Katalis Cr/ Zeolit Melalui Modifikasi Zeolit Alam, Jurnal ILMU DASAR, 3(1), (2002) 15-23.
[13] Y. Li, X. Li, J. Li, and J.Yin, Photocatalytic degradation of methyl orange in a sparged tube reactor with TiO2-coated activated carbon composites, Catal. Commun., 6 (2005) 650-655.
[14] H. Yamashita, S. Kawasaki, Y. Ichihashi, M. Harada, M. Takeuchi, M.Anpo, G. Stewart, M.A. Fox, C. Louis, and M. Che, Characterization of Titanium-Silicon Binary Oxide Catalysts Prepared by the Sol-Gel Method and Their Photoctalytic Reactivity for the Liquid-Phase Oxidation of 1-Octanol, J. Phys. Chem. B., 102 (1998) 5870-5875. [15] R. Muchtar, Penurunan Kandungan
Phospat Dalam Air Dengan Zeolit, Jurnal Zeolit Indonesia, 4(1), (Maret 2005) 36-42.
[16] J.C. Jansen and M. Stocker, Advanced Zeolite Science and Application, Elsevier, vol. 85, 1994.
[17] I. Ilisz, Z. Laszlo, and A. Dombi, Investigation of the
photodecom-position of phenol in near-UV-irradiated aqueous TiO2 suspensions. I: Effect of charge-trapping species on the degradation kinetics, Appl. Catal. A: General, 180 (1-2), (1999) 25-33. [18] M. A. S. Aranda, M .M. Pineda, J.
Hernandez, and S. Castilo, Physical properties of TiO2 prepared by sol-gel under different pH conditions for photocatalys, Superficies y Vacio, 18 (1), (2005) 46-49.
[19] J. Shang, W. Li, and Y. Zhu, Structure and photocatalytic charac-teristics of TiO2 film photocatalyst coated on stainless steel webnet , J. Mol. Catal. A: Chemistry , 202 (2003) 187-195.
[20] U. Cernigoj, U. L. Stangar, P. Trebse, and P. R. Ribic, Comparison of Different Characteristics of TiO2 Films and Their Photocatalytic Properties, Acta. Chim. Slov., 53 (2006) 29-35.
[21] T. H. Chang, N. M. Wu, and F. Zhu, A Kinetic Model For Photocatalytic Degradation of Organic Contaminants in A Thin-Film TiO2 Catalyst, Wat. Res., 34 (2), (2000) 407-416.
[22] V. Kandavelu, M. R. Dhananjeyan , R. Renganathan, S. K. Badamali, and P. Selvam, Photocatalysed reaction of tetraphenylporyphrin on meso-porous TiMCM-41 molecular sieves, J. Mol. Catal. A: Chemistry, 157 (2000) 189-192.
[23] J. M. Hermann, Heterogenous Photo-catalysis: Fundamentals and Applica-tion to the Removal of Various Types of Aqueous Pollutans , Cat. Today, 53 (1999) 115-129.
