PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA

Rekayasa TiO2 Nanotubes untuk Degradasi Limbah Fenol

dan Reduksi Cr(VI)+ Menggunakan Metode Fotokatalitik

dengan Energi Matahari

BIDANG KEGIATAN:

PKM GAGASAN TERTULIS

Diusulkan oleh:

Ika Yulianingsih

Reni Ardiyani

Dede Septi Widia M. S.

Rosid

3335130487

3335130478

3335140808

3335141735

(2013, Ketua Kelompok)

(2013, Anggota Kelompok)

(2014, Anggota Kelompok)

(2014, Anggota Kelompok)

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

SERANG

2015

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala

limpahan karunia dan nikmat-Nya sehingga karya tulis yang berjudul Rekayasa

TiO2 Nanotubes untuk Degradasi Limbah Fenol dan Reduksi Cr(VI)+

Menggunakan Metode Fotokatalitik dengan Energi Matahari ini dapat

diselesaikan.

Karya tulis ini ditujukan untuk mengikuti Program Kreativitas Mahasiswa

Gagasan Tertulis (PKM-GT) tahun 2015 yang diadakan oleh DIKTI. Karya tulis

ini dibuat untuk memberikan manfaat sebagai aplikasi menyampaian sumber ilmu

pengetahuan yang berbasis pengolahan limbah perindustrian, serta dapat

membantu menanggulangi pencemaran lingkungan dengan metode yang telah di

sampaikan.

Ucapan terima kasih dan penghargaan tinggi kami sampaikan kepada

dosen pendamping yang telah memberikan banyak bimbingan dan arahan kepada

kami dalam penyusunan karya tulis ini. Tidak lupa penulis juga mengucapkan

terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan memberikan

dukungan pada kami.

Karya tulis ini masih terdapat banyak kekurangan dari berbagai segi. Oleh

karena itu, saran dan kritik dari para pembaca yang bersifat membangun sangat

diharapkan. Semoga karya tulis ini dapat bermanfaat baik bagi penulis dan bagi

pembaca pada umumnya terutama bagi masyarakat Indonesia.

Cilegon, Maret 2015

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL............... ...................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... ii

KATA PENGANTAR .................................................................................. iii

DAFTAR ISI ................................................................................................. iv

DAFTAR GAMBAR .................................................................................... v

RINGKASAN ............................................................................................... vi

PENDAHULUAN

Latar Belakang ....................................................................................... 1

Tujuan dan Manfaat ............................................................................... 2

GAGASAN

Kondisi Terkini ...................................................................................... 3

Solusi Terdahulu ....................................................................................

Perbaikan Gagasan .................................................................................

Pihak-pihak Terkait ................................................................................

Langkah Strategis ...................................................................................

KESIMPULAN .............................................................................................

Kondisi Terkini ......................................................................................

Solusi Terdahulu ....................................................................................

Prediksi Hasil .........................................................................................

DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................

Rekayasa TiO2 Nanotubes untuk Degradasi Limbah Fenol dan Reduksi

Cr(VI)+ Menggunakan Metode Fotokatalitik dengan Energi Matahari

Ika Yulianingsih*, Reni Ardiyani, Dede Septi Widia, Rosid

Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Sultan Ageng Tirtyasa

Jl. Raya Jendral Sudirman Km.03 Cilegon 42435, Banten

*E-mail : ikayulianingsih12@gmail.com

PENDAHULUAN

Latar Belakang Masalah

Permasalahan lingkungan hidup akan terus muncul secara serius

diberbagai pelosok bumi sepanjang penduduk bumi tidak segera memikirkan dan

mengusahakan keselamatan dan keseimbangan lingkungan. Demikian juga di

Indonesia, permasalahan lingkungan hidup seolah-olah seperti dibiarkan dengan

berjalannya intensitas pertumbuhan industri, walaupun industrialisasi itu sendiri

sedang menjadi priolitas dalam pembangunan (Santi, 2004). Permasalahan yang

saat ini dihadapi adalah pencemaran lingkungan yang disebabkan oleh air limbah

yang mengandung fenol.

Limbah fenol yang dihasilkan dari industri tersebut sangat berbahaya

karena senyawa fenol bersifat racun, sulit didegradasi, dan menghasilkan bau

(Bapedal, 2001). Senyawa ini mudah menimbulkan pencemaran pada suatu

perairan yang berakibat menurunnya kualitas air dan gangguan terhadap

ekosistem dilingkungan tersebut. Disamping itu pula, senyawa ini akan

menyerang susunan saraf pusat, seperti kerusakan hati dan ginjal, sehingga

organisme yang terkena senyawa ini akan akan mengalami penurunan tekanan

darah dan bahkan dapat menyebabkan kematian (Undiarto, 1989).

Fotokatalis adalah proses transformasi kimia yang dibantu oleh adanya

cahaya dan material katalis. Proses fotokatalis ini menggunakan bahan

semikonduktor seperti TiO2 , Fe2O3 , ZnO, ZnS, CdS, dan WO3 (Herman, 1999

;Toyoda,2000). Bahan semikonduktor yang sampai saat ini dinilai memiliki

aktifitas tinggi dalam mengoksidasi fenol adalah TiO2 (Degussa P25). Proses

fotokatalisis ini dapat digunakan untuk mendegradasi berbagai macam limbah

organik seperti alkana, alkena, alkohol, fenol dan lain-lain (Chan, 2003). Proses

fotokatalisis ini memiliki kelebihan dibandingkan dengan metode konvesional

lainnya, antara lain memperoleh hasil pengolahan limbah yang tidak berbahaya,

lebih ekonomis dalam pemakaian bahan kimia dan dalam mengkonsumsi energi

(Dumitriu et al, 2000; Toyoda, 2000).

Tujuan dan Manfaat

Tujuan dari penulisan karya ini adalah untuk mendegradasi limbah organik

(fenol) dan logam berat Cr(VI)+ agar dapat di olah secara simultan dengan proses

fotokatalis, dan saling sinergis karena konversi pengolahan limbah semakin

meningkat. Manfaat yang dapat di peroleh dari karya tulis ini adalah sebagai

aplikasi penyampaian sumber ilmu pengetahuan yang berbasis pengolahan limbah

perindustrian, serta dapat membantu menanggulangi pencemaran lingkungan

dengan metode yang telah di sampaikan.

GAGASAN

Kondisi Terkini

Kandungan zat-zat kimia yang terdapat dalam limbah cair hasil pencairan

limbah industri merupakan permasalahan yang berbahaya bagi pencemaran

lingkungan karena dapat merusak ekosistem di sekitarnya apabila tidak di

tanggulangi secara serius. Limbah cair industri selalu di anggap penyumbang

lingkungan terbesar. Dari hasil literatur yang di peroleh, limbah cair yang di

buang oleh rumah tangga volumenya mencapai sekitar 60% lebih. Sedangkan,

untuk limbah indutri volomenya mencapai sekitar 30 40 %, lebih besar volume

limbah cair rumah tangga (Bambang, 2010). Sampai saat ini belum banyak

industri yang melakukan penaggulangan terhadap limbah cair yang tercemar ke

lingkungan karena banyak faktor yang menghambat seperti biaya operasionalnya

yang cukup tinggi, atau bahkan proses pengolahan limbahnya yang terbilang

cukup lama enggan di lakukan oleh industi tersebut.

Beberapa metode pengolahan limbah cair organik yang telah dilakukan

untuk menanggulangi pencemaran limbah cair. Salah satunya menggunakan

metode fotokatalitik dengan energi matahari. Metode ini bukanlah teknologi baru,

tetapi di Indonesia belum memasyarakat penerapannya. Metode ini cukup

sederhana dan mudah di terapkan.

Fotokatalis merupakan katalis yang di gunakan dalam proses fotokatalisis.

Istilah fotokatalis merupakan gabungan dari dua kata yaitu foto dan katalisis,

sehingga dapat diartikan sebagai suatu proses kombinasi reaksi fotokimia yang

memerlukan unsur cahaya dan katalis untuk mempercepat terjadinya transformasi

kimia. Transformasi tersebut terjadi pada perubahan katalis yang katalisnya

disebut sebagai fotokatalis. Proses fotokatalisis banyak diaplikasikan untuk

penghilangan atau pendegradasian polutan cair menjadi senyawa yang ramah

lingkungan. Misalnya untuk pengolahan fenol. Suatu teknologi yang di dasarkan

pada iradiasi fotokatalis semikonduktor seperti titanium dioksida (TiO2), seng

oksida (ZnO), atau kalsium sulfida (CdS) yang tergolong sebagai fotokatalis

heterogen (Hermann, 1999). Pada proses fotokatalisis akan terbentuk pasangan

elektron-hole yang terjadi pada saat semikonduktor TiO2 dekenai sinar. Hole yang

terbentuk akan mengadsorbsi molekul-molekul organik yang terdapat yang

terdapat pada permukaan katalis, sehingga akan terbentuk radikal OH+.

Dari Hasil penelitian menunjukkan bahwa umumnya TiO2 paling sering

digunakan untuk fotokatalis dalam aplikasi reaksi fotokatalisis khususnya

pengolahan limbah. Adapun beberapa keunggulan TiO2 dibandingkan

fotokatalisis semikonduktor lainnya (Linsebigler, 1995; Sopyan ,1998) yaitu:

1.Mempunyai celah pita (band gap) yang besar (3,2 Ev untuk anatase dan 3 eV

untuk rutile), sehingga memungkinkan banyak terjadinya eksitasi elektron ke pita

konduksi dan pembentukan hole pada pita valensi saat diinduk cahaya ultraviolet.

2. TiO2 mempunyai sifat stabil terhadap cahaya (Fotostabil).

3. Mampu menyerap cahaya ultraviolet dengan baik.

4. Bersifat inert dalam reaksi .

5. Tidak beracun dan tidak larut dalam kondisi eksperimen.

6. Secara umum memiliki aktivasi fotokatalisis yang lebih tinggi daripada

fotokatalisis lain seperti ZnO, CdS, WO3, SnO2.

7. Memiliki kemampuan oksidasi yang tinggi, termasuk zat organic yang sulit

terurai seperti haloaromatik, polimer, herbisida, dan pestisida.

Secara umum, TiO2 dalam fasa anatase mempunyai aktivasi yang lebih

tinggi di bandingkan dengan rutile. Fotokatalis dapat digunakan dalam bentuk

serbuk atau lapisan tipis atau film dalam aplikassi fotokatalisis fasa cair.

Keuntungan katalis serbuk adalah efffisiensi pengolahan yang tinggi karena

memiliki luas permukaan yang besar untuk adsorpsi ataupun reaksi, transfer masa

yang baik antara kontaminan dalam larutan dengan fotokatalisnya dan pressure

dropnya rendah (Djikstra, 2001; Hermann, 1999; Malato, 2002;Mathews, 1992;

Sopyan, 1996).

Fenol merupakan salah satu senyawa organik pencemar dalam air. Limbah

fenol biasanya berasal dari industri poimer, plastic, kertas, organik, pestisida,dan

industri kimia lainnya. Limbah fenol pada konsentrasi 0,002 mg/L dapat

menyebabkan rasa dan bau pada air (Bapedal,1995). Jika plf air rendah, maka laju

degradasi senyawa ini akan menjadi rendah pula. Hal ini dapat di jelaskan karena

pada pH yang rendah aktivasi mikoorganisme akan terhambat. Fenol merupakan

senyawa yang mempunyai toksisitas yang tinggi terhadap biota akuatik diperairan

dengan tingkat toksisitas yang berbeda-beda terhadap jenis biota akuatik.

Toksisitas ini sangant dipengaruhi oleh faktor fisika dan kimia air itu sendiri. Pada

keadaan temperature yang tinggi kelarutan oksigen dalam air rendah, maka

toksisitas terhadap biota akuatik akan bertambah tinggi (Udiarto, 1989).

Organisasi kesehatan dunia (WHO) dalam kriteria kulitas bahan air

menetapkan konsentrasi senyawa fenolik sebesar 0,002 mg/L. Pemerintah

Indonesia melalui SK Mentri Li ngkungan Hidup No: KEP SI/MENLH/10/1995

telah menetapkan ambang batas senyawa fenol dalam lingkungan air limbah di

indonesia adalah 0.5-1 mg/Ldan peraturan pemerintah No.20 tanggal 5 Juni 1990

menetapkan ambang batas senyawa fenol dalam air bahan baku air minum adalah

0,002 mg/L (Bapedal,1995).

TiO2 nanotube yang diaplikasikan dengan streamer debit sepanjang

permukaan air. TiO2 nanotube memiliki aktivitas fotokatalis tinggi dan umur

pemakaian yang panjang. Sebuah fotokatalis baru berdasarkan TiO2 berukuran

nano di dinding tunggal karbon nanotube (SWCNTs) dengan disesuaikan sifat

fotokatalitik pada iradiasi oleh UV dan cahaya matahari simulasi berhasil

digunakan untuk degradasi campuran 22 polutan organik di air ultra murni dan

nyata sekunder limbah air limbah. Pertama-order tingkat degradasi menunjukkan

bahwa di bawah radiasi UV berukuran nano TiO2 didukung pada SWCNTs jauh

lebih efektif daripada Degussa P25 konvensional untuk degradasi iopamidol,

iopromide, asam diatrizoic, diklofenak, triclosan dan sulfametoksazol dalam air

ultra murni. Untuk organik sisa tingkat degradasi yang makhluk sebanding dalam

sebagian besar kasus Degussa P25 sedikit lebih efektif daripada TiO2 berukuran

nano didukung pada SWCNTs. Reaksi dilakukan dalam limbah air limbah

sekunder nyata menunjukkan penurunan umum tingkat degradasi.

Di antara berbagai fotokatalis semikonduktor, TiO2 lebih menarik dalam

pengolahan lingkungan karena berbagai keuntungan, seperti daya oksidasi yang

kuat, efektivitas biaya tinggi, stabilitas jangka panjang terhadap photocorrosion

dan kimia korosi. Namun, mudah rekombinasi pasangan elektron-lubang dan

penyerapan cahaya hanya pada ultraviolet (UV) panjang gelombang telah

menghambat aplikasi lebih lanjut. Ketebalan nanotube adalah ~ 30 nm. Dari

gambar. 1 (a), kita bisa melihat bahwa panjang array nanotube bisa mencapai ~ 25

m. Gambar. 1 (b) dan (c) adalah gambar SEM ZrO2 dan TiO2 / ZrO2 nanotube

komposit. Kita bisa melihat bahwa keduanya terdapat perbandingan morfologi

tubular halus dan struktur yang sangat teratur. Dibandingkan dengan ketebalan

dinding TiO2 nanotube (~ 30 nm) dan ZrO2 nanotube (~ 30 nm), yang TiO2 / ZrO2

nanotube komposit (~ 60 nm) jauh lebih tebal. Jadi, itu aman untuk mengatakan

bahwa nanotube TiO2 dapat disimpan pada permukaan dalam dari ZrO2 nanotube

berhasil. Selain itu, data EDS juga ditunjukkan pada Gambar. 1. Meskipun ada

jejak unsur lain seperti Na, Al, Si, C, unsur-unsur utama adalah Ti, Zr, dan O,

yang dalam perjanjian yang baik dengan produk sasaran. Ini menyarankan bahwa

TiO2 / ZrO2 nanotube komposit dapat berhasil diperoleh melalui proses sol-gel

dibantu dengan template AAO.

Gambar 1. TiO2 Nanotubes Berbagai Ukuran

Solusi Terdahulu

Untuk menanggulangi limbah cair digunakan metode fotokatalisis dengan

ozonisasi dan sinar UV. Keunggulan yang didapat dari kombinasi ozon dan

ultraviolet tidak membutuhkan areal instalasi pengolahan limbah yang luas, waktu

pengolahan yang cepat, penggunaan bahan kimia yang sedikit, penguraian

senyawa organik yang efektif, keluaran limbah lumpur yang sedikit, dan air hasil

pengolahannya dapat digunakan kembali. Sedangkan pada proses fokotalisis

menggunakan ozonisasi mempunyai keterbatasan yaitu kereaktifan ozon yang

cukup tinggi dapat menyebabkan pemutusan ikatan pada senyawa tertentu.

Ozonolisis yaitu pemisahan ikatan pada senyawa oleh ozon, yang benyak

digunakan untuk mengubah struktur senyawa tak jenuh karena reaksi ini dapat

menyebabkan degradasi molekul besar menjadi molekul yang lebih kecil.

Sedangkan sinar UV dapat mengakibatkan terjadinya rekombinasi elektron hole

yang mengakibatkan penurunan aktivasi katalitik TiO2.

Perbaikan Gagasan

Teknologi oksidasi (ozon dan ultraviolet) dapat mengolah limbah cair

sehingga air yang dihasilkan dari proses tersebut dapat digunakan kembali sebagai

air baku dalam proses. Kombinasi antara ozon dan ultraviolet sangat potensial

untuk mengoksidasi berbagai jenis senyawa organik beracun, bakteri patogen, dan

minyak yang terkandung didalam limbah cair.

Solusi diatas kurang efektif untuk pengolahan limbah fenol dan Cr(VI)+

karena membutuhkan proses yang sangat lama serta penggunaan ozon dan sinar

ultraviolet yang berlebih dapat menimbulkan efek pada limbah tersebut.

Penggunaan sinar matahari dapat memberikan solusi yang baik pada pengolahan

limbah fenol dan logam Cr(VI)+

karena energi matahari sangat mudah didapatkan

serta tidak membutuhkan harga yang mahal serta hasil yang limbah yang didapat

dengan menggunakan energi matahari sangat baik dibandingkan dengan

penggunaan ozon dan sinar ultraviolet. fotorespon TiO2 ke daerah panjang

gelombang sinar tampak yaitu untuk aplikasi cahaya matahari (> UV-A, 320 nm)

dan cahaya tampak (>400nm) terus meningkat secara eksponensial setiap tahun.

Senyawa TiO2 merupakan semikonduktor yang paling sering digunakan dalam

proses fotokatalisis karena ekonomis, memiliki stabilitas kimia dalam jangka

waktu yang panjang, ramah lingkungan, memiliki energi band gap yang cukup

besar yaitu 3,2 eV, dan memiliki serapan di wilayah sinar UV. Namun, sinar

matahari yang sampai di bumi hanya mengandung 5-7% sinar UV, sehingga

dibutuhkan suatu usaha agar fotokatalis TiO2 memiliki serapan yang aktif di

daerah panjang gelombang sinar tampak, yaitu dengan dilakukannya modifikasi

dari TiO2. Salah satu modifikasi yang dilakukan adalah dengan melakukan

doping.

Pihak-Pihak Terkait

Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Teknik Kimia Universitas Sultan Ageng

Tirtayasa. Dengan mengambil sampel limbah cair dari industri di sekitar wilayah

Cilegon-Banten. Dan juga, sampel TiO2 yang akan di analisa di LIPI. Gagasan ini

akan berhasil jika dibantu oleh beberapa pihak, diantara weste water treatment

yang dapat menaggulangi permasalahan pada pencemaran limbah industri dan

peneliti-peneliti terkait yang dapat menindak lanjuti gagasan ini dan tentunya

pemerintah yang dapat mendukung gagasan ini yang dapat terealisaasi dan akan

bermanfaat bagi masyarakat.

Langkah Strategis

Penentuan gagasan ini dilakukan setelah mengamati kondisi lingkungan disekitar

industri yang mengalami permasalahan akibat pencemaran limbah cair hasil industri

yang tidak segera ditanggulangani serta dampak yang ditimbulkan akibat pencemaran

limbah cair tersebut. Kemudian dilakukan pengumpulan data dari buku, internet, dan

diskusi dengan teman-teman mahasiswa. Setelah itu dilakukan pengolahan data dan

analisis kualitatif. Gagasan diperoleh dari hasil analisis dan pendekatan teoritis. Tahap

terakhir adalah pengambilan kesimpulan dari penjabaran gagasan, sehingga dapat

dihasilkan gambaran implementasi gagasan untuk ke depannya.

Gambar.1. Langkah-langkah Penelitian Gagasan

Perancangan reaktor yang akan

digunakan

Menyiapkan limbah fenol dan

Cr(VI)+ dengan konsentrasi

tertentu

Mengolah limbah dengan

metode fotokatalitik

menggunakan energi matahari

Analisa limbah fenol dan

Cr(VI)+

dengan

spektrofotometer

Ringkasan

Fenol merupakan salah satu senyawa organik pencemar dalam air. Limbah

fenol biasanya berasal dari industri poimer, plastic, kertas, organik, pestisida,dan

industri kimia lainnya. Fenol merupakan senyawa yang mempunyai toksisitas

yang tinggi terhadap biota akuatik diperairan dengan tingkat toksisitas yang

berbeda-beda terhadap jenis biota akuatik. Toksisitas ini sangant dipengaruhi oleh

faktor fisika dan kimia air itu sendiri.

TiO2 nanotube yang diaplikasikan dengan streamer debit sepanjang

permukaan air. TiO2 nanotube memiliki aktivitas fotokatalis tinggi dan umur

pemakaian yang panjang. Sebuah fotokatalis baru berdasarkan TiO2 berukuran

nano di dinding tunggal karbon nanotube (SWCNTs) dengan disesuaikan sifat

fotokatalitik pada iradiasi oleh UV dan cahaya matahari simulasi berhasil

digunakan untuk degradasi campuran 22 polutan organik di air ultra murni dan

nyata sekunder limbah air limbah. Pertama-order tingkat degradasi menunjukkan

bahwa di bawah radiasi UV berukuran nano TiO2 didukung pada SWCNTs jauh

lebih efektif daripada Degussa P25 konvensional untuk degradasi iopamidol,

iopromide, asam diatrizoic, diklofenak, triclosan dan sulfametoksazol dalam air

ultra murni. Untuk organik sisa tingkat degradasi yang makhluk sebanding dalam

sebagian besar kasus Degussa P25 sedikit lebih efektif daripada TiO2 berukuran

nano didukung pada SWCNTs. Reaksi dilakukan dalam limbah air limbah

sekunder nyata menunjukkan penurunan umum tingkat degradasi.

Senyawa TiO2 merupakan semikonduktor yang paling sering digunakan

dalam proses fotokatalisis karena ekonomis, memiliki stabilitas kimia dalam

jangka waktu yang panjang, ramah lingkungan, memiliki energi band gap yang

cukup besar yaitu 3,2 eV, dan memiliki serapan di wilayah sinar UV. Namun,

sinar matahari yang sampai di bumi hanya mengandung 5-7% sinar UV, sehingga

dibutuhkan suatu usaha agar fotokatalis TiO2 memiliki serapan yang aktif di

daerah panjang gelombang sinar tampak, yaitu dengan dilakukannya modifikasi

dari TiO2. Salah satu modifikasi yang dilakukan adalah dengan melakukan

doping.

Gagasan ini perlu ditindaklanjuti karena masih perlu dibuktikan secara

kuantitatif. Kendala dari energi matahari ini yaitu tidak dapat digunakan pada

malam hari serta disaat musim hujan pengolahan limbah menjadi sangat

terganggu oleh ketidakadaan energi matahari serta panas dan jarak pada matahari

idak dapat diukur tersebut.

KESIMPULAN

Gagasan yang Diajukan

Rekayasa TiO2 Nanotubes untuk Degradasi Limbah Fenol dan Reduksi

Cr(VI) + Menggunakan Metode Fotokatalitik dengan Energi Matahari.

Teknik Implementasi

Teknik pengimplementasian menggunakan pemanfaatan metode

fotokatalitik dengan energi matahari sebagai pengolahan limbah cair yang ada di

industri serta dapat memberikan manfaat untuk mansyarakat serta peridustrian

dalam mengolah hasil limbah yang yang dibuang.

Prediksi Hasil

Pemanfaatan energi matahari adalah sebagai sumber dari metode yang

digunakan pada pada proses fotokatalitik degradasi limbah fenol dan logam

Cr(VI)+. Hasil dari penelitian ini yaitu limbah yang ada di perindustrian dapat

tertanggulangani dengan baik agar tidak tercemar lebih lanjut.