∗

FOTOKATALISISNURUL HIDAYAH

1211703025

JURUSAN FISIKAFAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UIN SUNAN GUNUNG DJATI BANDUNG2013

∗NURUL HIDAYAH 1211703025. hidayah nurul@rocketmail.com

2

Abstract

Have been conducted the experiment photo catalysis using polypropylene (PP) coated TiO2.Which aims to determine the effectiveness of the photocatalyst in degrading methylene blue on thereduction of waste as well as knowing the concentration of methylene blue with variations on themodel waste concentration of methylene blue (methylene blue is dissolved in water). In this chap-ter discusses how the influence of light intensity, temperature and humidity of the photocatalyticprocess. It also studied the relationship between absorbance and concentration in determining therate of reaction of methylene blue model of waste. For sample 1 we get the value of the reactionrate of 0.91, for sample 2 is 0.167 and for a sample 3 is -0.0055

Keyword:photocatalyst, polypropylene, light intensity, temperature, absorbance

Abstrak

Telah dilaksanakan praktikum tentang fotokatalisis menggunakan katalis polipropilena (PP)berlapis TiO2. Yang bertujuan untuk mengetahui efektivitas fotokatalis dalam mendegradasimetilen biru di dalam limbah serta mengetahui penurunan konsentrasi metilen biru dengan variasikonsentrasi pada model limbah metilen biru (metilen biru yang dilarutkan dalam air). Dalam lapo-ran ini dibahas bagaimana pengaruh intensitas cahaya, suhu dan kelembaban terhadap proses fo-tokatalis. Selain itu juga dipelajari hubungan antara absorbansi dan konsentrasi dalam menentukanlaju reaksi model limbah metilen biru. Untuk sampel 1 kami mendapatkan nilai laju reaksinyasebesar 0.91, untu sampel 2 ebesar 0.167 dan untuk sample 3 sebesar -0.0055

Kata Kunci:fotokatalisis, polipropilena, intensitas cahaya, suhu, absorbansi

3

1 PendahuluanAir merupakan suatu senyawa kimia H2O yang sangat istimewa, yang dalam kandungannya terdiridari senyawa Hidrogen(H2), dan senyawa Oksigen (O2). Kedua senyawa yang membentuk air inimerupakan komponen pokok dan mendasar dalam memenuhi kebutuhan seluruh makhluk hidup dibumi selain matahari yang merupakan sumber energi. Seperti yang kita ketahui air merupakan halyang sangat penting, karena segala makhluk hidup di dunia tidak dapat hidup tanpa air. Bahkan didalam tubuh kita terdiri dari 55% sampai 78% air (tergantung pada ukuran badan).

Seperti yang kita ketahui, berbagai kegiatan yang dilakukan oleh manusia menyebabkan polusi air.Yang penyebab utamanya adalah pencemaran air melalui limbah pabrik, dan limbah rumah tanggayang berupa zat kimia dari diterjen yang digunakan sehari-hari, serta zat-zat kimia yang dihasilkandari kegiatan manusia lainnya. Hal ini tentu memberi dampak negatif terhadap lingkungan, bahkanpencemaran air tersebut dapat membunuh makhluk yang disekitarnya. Dan menjadi kendala kitasekarang adalah sulitnya untuk memperoleh air bersih. Keadaan ini tentunya sangat memprihatinkan,karena kebutuhan akan air bersih adalah prioritas utama bagi kelangsungan hidup manusia dan makhlukhidup lainnya.

Salah satu bentuk kegiatan untuk mengurangi hal tersebut adalah adanya usaha kita dalam mengelolaair bersih secara efektif. Air yang sudah terkena limbah pun bisa kita jadikan air besih kembali.Yaitu dengan proses fotokatalisis. Fotokatalisis merupakan suatu proses yang dapat diterapkan un-tuk pemulihan lingkungan. Fotokatalisis memanfaatkan foton (cahaya) tampak atau ultraviolet untukmengaktifkan katalis yang kemudian bereaksi dengan senyawa kimia yang berada pada atau dekatdengan permukaan katalis.

Berdasarkan hal tersebut maka dilakukanlah praktikum eksperimen fisika ini yakni tentang fotokatal-isis sekaligus untuk memenuhi persyaratan dari mata kuliah praktikum eksperimen fisika di jurusanfisika fakultas sains dan teknologi, universitas islam negeri sunan gunung djati Bandung. Tujuan daripraktikum ini adalah untuk mengetahui efektivitas fotokatalis dalam mendegradasi metilen biru didalam limbah serta mengetahui penurunan konsentrasi metilen biru dengan variasi konsentrasi padamodel limbah metilen biru (metilen biru yang dilarutkan dalam air)

2 Tinjauan PustakaFotokatalisis merupakan suatu proses yang dapat diterapkan untuk pemulihan lingkungan. Fotokatal-isis memanfaatkan foton (cahaya) tampak atau ultraviolet untuk mengaktifkan katalis yang kemudianbereaksi dengan senyawa kimia yang berada pada atau dekat dengan permukaan katalis. Fotokatali-sis dengan titanium dioksida (TiO2) didefinisikan sebagai proses reaksi kimia yang didasarkan padapembentukan pasangan elektron-lubang (e−/h+), ketika fotokatalis terirradiasi-UV. Definisi umumtersebut mempunyai implikasi bahwa beberapa langkah-langkah fotokatalis merupakan reaksi redoksyang melibatkan (e−/h+).

Fenomena fotokatalisis pada permukaan TiO dapat dijelaskan sebagai berikut. Jika suatu semikon-duktor tipe n dikenai cahaya (hv) dengan energi yang sesuai, maka elektron (e−) pada pita valensi

4

(vb) akan pindah ke pita konduksi (cb), dan meninggalkan lubang positif (h+) pada pita valensi, dise-but eksitasi. Sebagaian besar (e−/h+) ini akan berekombinasi kembali, baik di permukaan ataupun didalam bulk partikel, disebut de-eksitasi. Sedangkan sebagian lain dari (e−/h+) dapat bertahan sampaipada permukaan semikonduktor, dimana pada akhirnya, (h+) dapat menginisiasi reaksi oksidasi dandilain pihak (e−) akan menginisiasi reaksi reduksi zat kimia yang ada disekitar permukaan semikon-duktor. Dalam hal ini semikonduktor tersebut adalah titanium dioksida (TiO2). Pada prinsipnya,reaksi oksidasi pada permukaan semikonduktor dapat berlangsung melalui donasi ektron dari substratke(h+). Apabila potensi oksidasi yang dimiliki oleh (h+) pada pita valensi ini cukup besar untukmengoksidasi air pada permukaan partikel, maka akan dihasilkan gugus hidroksil. Radikal hidroksilmerupakan spesi pengoksidasi kuat dan memiliki potensial redoks sebesar 2,8 Volt. Potensial sebesarini cukup kuat untuk mengoksidasi sebagian besar zat organik menjadi air, asam mineral dan karbondioksida.

Figure 1: Skema proses fotokatalisis

Reaksi fotokatalisis (Figure 1) diawali ketika partikel TiO2 mengabsorbsi foton dari cahaya, kemu-dian pasangan elektron-hole akan terbentuk dalam semikonduktor seperti diperlihatkan pada reaksiTiO2 −→ e− + h+. Elektron dan hole pada permukaan semikonduktor masing-masing berperansebagai reduktor dan oksidator. Pasangan elektron hole ini akan (i) berekombinasi, yaitu kembali kekeadaan awal dan melepaskan energi foton terabsorbsi sebagai panas (e− + h+ −→ heat) atau (ii)bermigrasi ke permukaan dan bereaksi dengan senyawa teradsorbsi.

Ion hidroksida teradsorbsi dan molekul air membentuk radikal hidroksil melalui mekanisme oksi-dasi dengan cara mengikat hole, kemudian akan mengawali serangkaian reaksi redoks yang komplekspada permukaan zat padat-cair.

Untuk meningkatkan oksidasi titanium dioksida, yang kemudian akan meningkatkan aktivitas fo-tokatalisis, harus ada akseptor irreversible. Akseptor elektron-elektron irreversible merupakan senyawa

5

yang mampu menjaga kesetimbangan muatan dalam sistem dengan cara mereduksi dan mencegahrekombinasi pasangan elektron-hole. Oksigen dan hidrogen peroksida irreversible merupakan aksep-tor elektron yang sangat baik dan dapat dengan mudah ditambahkan ke dalam sistem fotokatalitik.

Radikal hidroksil dihasilkan pada permukaan titanium dioksida, radikal-radikal ini dapat teradsorbsipada permukaan titanium dioksida atau berdifusi ke dalam larutan. Radikal hidroksil dapat mengok-sidasi molekul kontaminan organik melalui empat langkah:

1. Radikal hidroksil tetap teradsorbsi pada atau dekat permukaan titanium dioksida dan akanmengikat molekul kontaminan teradsorbsi.

2. Radikal hidroksil berdifusi ke dalam larutan dan mengikat molekul kontaminan teradsorbsi.

3. Radikal hidroksil tetap teradsorbsi pada atau dekat permukaan titanium dioksida dan mengikatmolekul kontaminan terdekat dalam larutan.

4. Radikal hidroksil berdifusi ke dalam larutan dan mengikat kontaminan juga di dalam larutan.

3 Metode Eksperimen

3.1 Alat dan bahan yang digunakan antara lain:

1 Titanium Dioksida 8 Silinder tak magnetik2 Polipropilena 9 Wadah baskom3 Metilen biru 10 Saringan4 Air 11 Sendok besar5 Milling 12 Gelas6 Hidrometer 13 Pipet7 Silinder milling

3.2 Prosedur percobaan:3.2.1 Pabrikasi poliprilena (PP) dilapisi TiO2

Tahap awal adalah Pencampuran dan pemanasan polimer dan TiO2 dalam cylinder milling. Dalamproses ini, polimer dicampurkan dengan TiO2 dalam perbandingan 1:1. Dilakukan di dalam millingdengan suhu 1000◦C dengan waktu 90 menit. Tahap kedua adalah pencucian. Polimer yang telahdilapisi TiO2 kemudian dicuci dengan menambahkan air dan diaduk dengan menggunakan mixer,proses ini dilakukan 3-5 kali hingga air pencucian terlihat tidak keruh lagi. Tahap terakhir adalahpengeringan. Proses pengeringan dilakukan di dalam microwave oven.

6

3.2.2 Evaluasi aktivitas fotikatalisis polimer berlapis TiO2

Evaluasi aktivitas fotikatalisis dilakukan dengan kondisi eksperimen menggunakan sumber cahayamatahari langsung dan setiap harinya diukur intensitas, suhu serta kelembaban di lingkungan eksper-imen. Sampel air limbah ditempatkan pada wadah dan ditambahkan lapisan katalis polimer berlapisTiO2 kedalamnya sebanyak 2 lapis.

Fotodegradasi senyawa organik metilen biru dilakukan dengan variasi konsentrasi metilen biru padamodel limbah. Absorbansi MB setelah diberi perlakuan diukur dengan spektroskopi UV-Vis, kemu-dian dihitung konsentrasinya menggunakan persamaan linier kurva kalibrasi MB. Cuplikan sampeldiambil pada hari ke-0,1,2,3,4 dan 5. Degradasi MB dinyatakan dengan kecepatan reaksi kinetik:

−dC

dt= kC

C = C0e−kt

lnC

C0

= −kt (1)

dengan -dC/dt adalah laju degradasi metilen biru (M/hari), C0 merupakan konsentrasi awal Metilenbiru (M), C adalah konsentrasi metilen biru setelah waktu t(M), t adalah waktu (hari) dan k adalahtetapan kelajuan degradasi (hari−1).

4 Data dan Pengolahan

4.1 Pengamatan4.1.1 Hari ke-1

Table 1: Pengamatan hari ke 1Waktu (Jam) I (Candela) R % T (Celcius)

9 26120 83 25.510 92900 73 27.511 55400 62 29.912 34560 61 31.213 80300 63 29.814 17600 62 30.115 17700 67 28.9

7

Figure 2: Grafik I, R dan T terhadap waktu (Hari 1)

4.1.2 Hari ke-2

Table 2: Pengamatan hari ke 2Waktu (Jam) I (Candela) R % T (Celcius)

9 26400 59 29.910 36780 75 28.111 34560 61 31.212 80300 63 29.813 21000 60 3014 51700 70 28.215 6000 79 26

8

Figure 3: Grafik I, R dan T terhadap waktu (Hari 2)

4.1.3 Hari ke-4

Table 3: Pengamatan hari ke 4Waktu (Jam) I (Candela) R % T (Celcius)

9 30700 81 24.510 50000 90 25.211 103000 85 26.812 115000 72 27.513 105500 70 28.514 109000 67 28.515 3950 75 27.3

9

Figure 4: Grafik I, R dan T terhadap waktu (Hari 4)

4.1.4 Hari ke-5

Table 4: Pengamatan hari ke 5Waktu (Jam) I (Candela) R % T (Celcius)

9 76900 88 2610 91800 83 26.511 110000 72 27.812 115000 72 27.513 34000 58 30.314 26400 59 29.915 13400 65 29.6

10

Figure 5: Grafik I, R dan T terhadap waktu (Hari 5)

4.1.5 Hari ke-6

Table 5: Pengamatan hari ke 6Waktu (Jam) I (Candela) R % T (Celcius)

9 20400 79 26.610 109500 65 30.211 110000 72 27.812 82600 52 32.913 88900 58 31.614 26400 59 29.915 13400 65 29.6

11

Figure 6: Grafik I, R dan T terhadap waktu (Hari 6)

4.2 Pengujian Sample4.2.1 Sample 1

• Ao = 0.952

• Co = 202553.1915

Table 6: Pengujian Sample 1Hari A C ln C/Co

1 0.582 123829.8 7.5995292 0.472 100425.5 7.3900373 0.668 142127.7 7.7373474 0.247 52553.19 6.7424475 0.01 2127.66 3.5356436 0.012 2553.191 3.717965

12

Figure 7: Grafik ln C/Co terhadap hari (Sample 1) dengan gradien -0.91

4.2.2 Sample 2

• Ao = 1.887

• Co = 401489.3617

Table 7: Pengujian Sample 2Hari A C ln C/Co

1 1.923 409148.9 1.1951712 1.838 391063.8 1.1499633 1.782 379148.9 1.1190214 1.647 350425.5 1.040245 1.096 233191.5 0.6329526 0.828 176170.2 0.352543

13

Figure 8: Grafik ln C/Co terhadap hari (Sample 2) dengan gradien -0.167

4.2.3 Sample 3

• Ao = 1.846

• Co = 392765.9574

Table 8: Pengujian Sample 3Hari A C ln C/Co

1 1.868 397446.8 -0.029022 1.963 417659.6 0.0205873 1.902 404680.9 -0.010984 1.883 400638.3 -0.021025 1.88 400000 -0.022616 1.997 424893.6 0.03776

14

Figure 9: Grafik ln C/Co terhadap hari (Sample 3) dengan gradien 0.0055

4.2.4 Standar Baku

Table 9: Standar BakuAbsorbansi Konsentrasi

0.2 0.000050.4 0.00010.6 0.000150.8 0.00021 0.00025

1.2 0.0003

15

Figure 10: Grafik absorbansi terhadap konseentrasi(standar baku)

5 PembahasanFotokatalisis menggunakan katalis Polimer berlapis Titanium Dikosida (TiO2) menunjukan hasilyang baik. Praktikum ini berlangsung selama 6 hari. Dimulai pada pukul 9.00 pagi sampai pukul15.00 setiap harinya diambil data berupa suhu, intensitas cahaya dan kelembaban lingkungan sample.Dicatat pada tabel pengamatan, kemudian dari tabel tersebut diplot grafik antara intensitas cahaya,kelembaban dan suhu terhadap waktu.

Pada hari ke-1 data yang telah diambil bervariasi (Tabel 1). Data yang kami peroleh pada hari ke-1 menunjukan bahwa pada hari tersebut intensitas cahaya, kelembaban dan suhu disekitar sampleberubah-ubah. Diplot grafik (Figure 2) tidak memberikan grafik linier yang sempurna (naik dan tu-run). Demikian juga pada hari-hari selanjutnya sampai hari ke 6.

Setelah semua data didapat pada hari terakhir atau H-6, kami menguji absorbansi ketiga sample (sam-pel H-0 sampai H-6) menggunakan spektroskopi UV-Vis. Data absorbansi masing-masing telah dida-pat, kemudian dicatat pada tabel 6 untuk sampel 1, tabel 7 untuk sampel 2 dan tabel 8 untuk sampel3. Dari data absorbansi ini kami menghitung konsentrasi limbah per-hari (C).

Untuk sampel 1 dengan konsentrasi awal (Co) metilen biru sebesar 202553.1915 M dan Absorbansiawal (Ao) sebesar 0.952. Untuk menghitung konsentrasi limbah metilen biru setiap harinya, kamimenggunakan standar baku pada grafik standar baku (figure 10). Dimana A = 0.47 × 10−5C.Karena absorbansi sudah diketahui dengan menggunakan spektroskopi UV-Vis, maka kami hanyamenghitung C = A

0.47×10−5 . Pada tabel 6 menunjukan nilai absorbansi tiap harinya selalu menurundari Ao=0.952 sampai 0.012. Begitu pun konsentrasi metilen biru selalu menurun tiap harinya dariCo=202553.1915 M sampai 2553.191 M. Kemudian diplot grafik antara ln C/Co terhadap waktu (hari)yaitu pada figure 7 dengan nilai gradien -0.91. Maka dengan menggunakan persamaan (1) gradien

16

tersebut adalah nilai laju reaksi model limbah sebesar 0.91 untuk sampel 1.

Untuk sampel 2 dengan konsentrasi awal (Co) metilen biru sebesar 401489.3617 M dan Absorbansiawal (Ao) sebesar 1.887. Untuk menghitung konsentrasi limbah metilen biru setiap harinya, samaseperti perhitungan pada sampel 1. Pada tabel 7 menunjukan nilai absorbansi tiap harinya selalumenurun dari Ao=1.887 sampai 0.828. Begitu pun konsentrasi metilen biru selalu menurun tiapharinya dari Co=401489.3617 M sampai 176170.2 M. Kemudian diplot grafik antara ln C/Co ter-hadap waktu (hari) yaitu pada figure 8 dengan nilai gradien -0.167. Maka dengan menggunakanpersamaan (1) gradien tersebut adalah nilai laju reaksi model limbah sebesar 0.167 untuk sampel 2.

Untuk sampel 3 dengan konsentrasi awal (Co) metilen biru sebesar 392765.9574 M dan Absorbansiawal (Ao) sebesar 1.846. Untuk menghitung konsentrasi limbah metilen biru setiap harinya, samaseperti perhitungan pada sampel 1 dan 2. Pada tabel 8 menunjukan nilai absorbansi tiap harinya se-lalu naik dari Ao=1.846 sampai 1.997. Begitu pun konsentrasi metilen biru selalu naik tiap harinyadari Co=392765.9574 M sampai 424893.6 M. Kemudian diplot grafik antara ln C/Co terhadap waktu(hari) yaitu pada figure 9 dengan nilai gradien 0.0055. Maka dengan menggunakan persamaan (1)gradien tersebut adalah nilai laju reaksi model limbah sebesar -0.0055 untuk sampel 3.

Sampel 1 dan 2 menunjukan data yang hampir sama. Namun, pada sampel 3 sangat berbeda dengansampel 1 dan 2. Perbedaan ini kemungkinan ditimbulkan oleh beberapa faktor. Faktor yang mungkindapat mempengaruhi praktikum ini adalah intesitas, suhu dan kelembaban lingkungan dimana sam-pel ditempatkan. Kemudian perbedaan perbandingan antara sampel limbah dengan banyakya katalispolimer berlapis TiO2. Dimana pada sampel 1 kami menggunakan metien biru sebanyak 0.5 mL ,sampel 2 menggunakan 3.5 mL metilen biru sedangkan pada sampel 3 kami menggunakan 5.5 mL.Volume metilen biru pada sampel 3 kemungkinan terlalu besar untuk katalis dua lapis. Pada praktikumini kami berhasil menjernihkan sampel 1 pada H-4. Jika praktikum lebih dari 6 hari memungkinkansemua sampel akan jernih. Sama seperti pada sampel 1.

6 KesimpulanDari praktikum fotokatalisis yang telah kami laksanakan, kami dapat menyimpukan bahwa fotokatal-isis polimer polipropiena berlapis TiO2 terbukti mampu menurunkan konsentrasi metilem biru yangdilarutkan dalam air. Konsentrasi dan Absorbansi awal awal larutan metilen biru merupakan faktorpenting yang harus diperhatikan untuk mendapatkan nilai laju reaksi yang maksimal. Nilai absorbansiberbanding lurus dengan konsentrasi. Dimana absorbansi naik, maka konsentrasinya pun naik. Untuksampel 1 kami mendapatkan nilai laju reaksinya sebesar 0.91, untu sampel 2 ebesar 0.167 dan untuksample 3 sebesar -0.0055.

17

References[1] Tim Eksperimen Fisika I. 2013. Modul Eksperimen Fisika I. Bandung: Universitas Islam Negeri

Sunan Gunung Djati Bandung.[2] P, Tipler., 1991. Fisika untuk Sains dan Teknik Jilid 1. Bandung: Erlangga.[3] P. Endang., 2006 Degradasi Methylen Blue Dengan Metode Fotokatalisis dan Fotoelektrokatali-

sis Menggunakan Film TiO2. Skripsi Sarjana. Departemen Fisika Fakultas Matematika dan IlmuPengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor.

[4] A.Sawitri., 2012. Fotodegradasi Pewarna Organik Metilen Biru dengan Metode FotokatalisisMenggunakan Katalis Polimer Berlapis Titanium Oksida (TiO2). Tugas Akhir. Jurusan FisikaUIN Sunan Gunung Djati Bandung.