air purification dengan fotokatalis

8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis

1/15

PURIFIKASI UDARA

Fotokatalis merupakan suatu kombinasi antara proses

fotokimia dan katalisis. Proses fotokimia adalah proses sintesis

(transformasi) secara kimiawi dengan melibatkan cahaya.

Sedangkan katalis adalah substansi yang dapat mempercepat

jalannya reaksi dengan jalan mengubah jalur (mekanisme) reaksi

tanpa ikut terkonsumsi pada reaksi tersebut. Bahan-bahan yang

dapat dimanfaatkan sebagai fotokatalis ialah bahan-bahan yangmemiliki celah pita energi (energy bandgap) seperti kebanyakan

logam transisi dan saat dikenai cahaya maka energi cahaya

tersebut dapat mengeksitasi elektron dari pita alensi menuju

pita konduksi. !ni terjadi jika energi cahaya yang diberikan sama

atau lebih besar daripada celah pita energi dari bahan tersebut.

Proses fotokatalis dapat dibagi menjadi dua berdasarkan

jenis katalisnya yaitu fotokatalis homogen dan fotokatalis

heterogen. Fotokatalitik homogen adalah proses fotokatalitik

yang terjadi pada fasa yang sama dan dengan bantuan oksidator

seperti o"on dan hidrogen peroksida# sedangkan proses

fotokatalis heterogen ialah proses fotokatalisis yang terjadi

antara dua fasa atau lebih dan biasanya dibantu oleh cahaya

atau katalis padat. Proses fotokatalis heterogen merupakan

teknologi berdasarkan iradiasi fotokatalis semikonduktor seperti

titanium dioksida ($i%&)# seng oksida ('n%) ataupun kadmium

sulda (dS).

Bahan semikonduktor dapat dimanfaatkan sebagai

fotokatalis karena memiliki daerah energi kosong yang disebut

dengan celah pita energi (band gap energy )# yang berada

diantara batas pita alensinya. Besarnya celah pita energi ini

dapat diukur dengan menggunakan panjang gelombang cahaya


2/15

yang lebih baik dalam mengeksitasi elektron.Pada semikonduktor

yang memiliki celah pita energi yang lebar# elektron pada pita

alensi tidak bisa tereksitasi menuju pita konduksi. *kan tetapi

jika diberikan suatu energi dari luar maka elektron dari pita

alensi dapat mencapai pita konduksi dan akan terbentuk lubang

(holes) sebanyak elektron yang berpindah.

+etika suatu katalis semikonduktor dari tipe chalcogenide

(oksida ($i% 'n%# 'r% e%&) atau sulda (dS# 'nS)) dikenai

cahaya yang memiliki energi lebih besar atau sama dengan

energi celah pita semikonduktor# maka akan terjadi peristiwa

fotoeksitasi yaitu perpindahan elektron dari pita alensi ke pita

konduksi. Peristiwa ini menghasilkan hole (h,) pada pita alensi.

engan kata lain proses fotoeksitasi menghasilkan elektron pada

pita konduksi dan hole pada pita alensi. eaksi yang terjadi

pada fenomena ini ialah/

Semikonduktor , h 0 e- , p,

Pasangan elektron (e-) dan hole (p,) dapat bereaksi dengan

spesies donor () atau akseptor (*) yang teradsorb di permukaan

partikel. engan kata lain# elektron pada pita konduksi yang

mencapai permukaan mereduksi substrat (*) atau pelarut pada

permukaan partikel# sedangkan hole pada pita alensi yang yang

mencapai permukaan akan mengoksidasi substrat () baik

secara langsung maupun tidak langsung (melalui pembentukan

radikal hidroksil). Persamaan reaksinya ialah/

h , semikonduktor 0 e- , h,

* (ads) , e-0 *- (ads)

(ads) , h-0 , (ads)


3/15

Sifat oksidator kuat yang dimiliki oleh semikonduktor akan

memiliki sejumlah besar hole (h,) yang akan menyerang 1&%

yang melekat pada permukaan semikonduktor sehingga akan

terbentuk radikal hidroksil . adikal ini akan meningkatkan sifat

hidrolik permukaan. eaksi yang terjadi ialah/

1&% , h, 0 , 1,

Sedangkan %& yang ada di udara akan bertindak sebagai elektron

akseptor dan membentuk ion superoksida. Selain itu# hole (h,)#

radikal hidroksil dan ion superoksida yang dihasilkan juga dapat

digunakan untuk mengoksidasi kontaminan organik yang

melekat di permukaan.

1. Tanaman Artifcial yang Dilapisi TiO2-C untu Purifasi

U!ara Ruang

okok dapat disebut sebagai gudang bahan kimia#

karena mengandung banyak sekali senyawa-senyawa kimia

berbahaya di dalamnya# seperti nikotin# tar# karbon

monoksida# aseton# metanol# arsen# dan berbagai bahan kimia

berbahaya lainnya.Senyawa kimia yang terdapat di dalam satu

batang rokok mencapai sekitar 2333 jenis senyawa (4u# &335).

ari senyawa-senyawa itu# yang paling berbahaya dan

sekaligus paling banyak terdapat di dalam asap rokok adalah

karbon monoksida (%). *sap rokok dapat menyebabkan

kanker dan juga penyakit kronis lainnya# seperti stroke#

katarak# gangguan pernafasan seperti pneumonia.

Selain rokok# di udara di sekitar kita juga terdapat

senyawa-senyawa berbahaya yang disebut 6% (olatile

organic compound). 6% merupakan senyawa kimia organic


4/15

yang dapat menguap pada kondisi suhu udara dan tekanan

ruangan.Produk yang mengandung 6% diantaranya adalah

cat# lem# alat tulis# furniture# barang-barang elektronik# dll.6%

tidak selalu dapat tercium baunya# karena terdapat 6% yang

tidak berbau. ontoh 6% sendiri adalah aseton# ben"ene#

formaldehid# toluene# 7ilena# dll# dimana kandungan 6%

dalam ruangan lebih besar konsentrasinya dibanding luar

ruangan.

Secara umum# degradasi polutanbiasanya dilakukan

dengan proses adsorpsi. +endalanya# adsorben hanya

memindahkan polutan (dari fasa gas kepadatan adsorben)

tanpa menghancurkannya menjadi senyawa yang tidak toksik.

*kibatnya sampai suatu waktu tertentu# adsorben akan

mengalami kejenuhan dan tidak dapat mengadsorpsi polutan

lagi. Salah satu cara degradasi polutan yang kini

dikembangkan adalah proses fotokatalisis dengan

semikonduktor. $i%& merupakan semikonduktor yang paling

banyak digunakan sebagai fotokatalis dalam aplikasi reaksi

fotokatalitik karena keunggulannya dibandingkan jenis

semikondutor lain (8itter# 9::5;


5/15

baku pembuatan bom dan pupuk)# polonium-201 (bahan

radioaktif)# ammonia (bahan pencuci lantai)# dan

sebagainya (=aya# &33:).

>ambar 9. +andungan asap rokok

1.2 D#gra!asi P"lutan Asap R"" "l#$ Pr"s#s

F"t"atalis

Pengembangan penggunaan $i%& sebagai fotokatalis

mempunyai hambatan yaitu langkah ltrasi yang susah

dan mahal untuk mengeliminasi partikel tipis dan me-

recyclekatalis. *kibatnya# hanya sedikit publikasi eolusi

katalis setelah beberapa proses recycle. Filtrasi dapat

dieliminasi dengan membuat immobilized photocatalyst

pada penyangga padat (Blake# 9::?). ilaporkan bahwa

permukaan yang berporous seperti batu apung dapat

diimpregnasi dengan $i%& dan digunakan sebagai

immobilized photocatalyst . (ao# &33@).$etraetil orto silikat

($A%S) dapat digunakan sebagai sumber Si%& yang

berfungsi sebagai perekat antara $i%& dengan karbon aktif

ataupun antara katalis dengan preparatnya (Slamet# &33:).


6/15

$ahap pertama dalam proses pendegradasian ini

ialah tertariknya senyawa organik kepermukaan batu

apung oleh karbon aktif. Seperti yang telah dijelaskan pada

bagian sebelumnya# karbon aktif dalam percobaan ini

berfungsi untuk mengadsorbsi senyawa organik# sehingga

dapat mempercepat laju degradasi senyawa organik

($orimoto et al.# 9::5).Pada saat yang bersamaan juga

terjadi adsorbs air kepermukaan# dimana tertariknya

molekul air yang ada diudara kepermukaan dibantu oleh

Si%& yang merupakan material penyusun utama batu

apung. Senyawa Si%& merupakan senyawa yang sangat

higoskopis yang mampu menyerap air disekitarnya dengan

cepat. engan fenomena adsorbs tersebut# baik air

maupun senyawa organik akan tertarik ke permukaan

berkontak dengan katalis $i%&.

Setelah senyawa organik dan air berkontak dengan

katalis $i% dengan bantuan lampu 6 sebagai sumber

foton terjadilah proses degradasi dengan proses

fotokatalis.

>ambar &. Proses degradasi dengan fotokatalis

8ampu 6 sebagai sumber foton memberikan

fotonya ke katalis $i%& yang menyebabkan electron (e

-

) dari


7/15

pita alensi (alence band) tereksitasi menuju pita

konduksi dan meninggalkan hole (h+ ) di pita alensi. Hole

(h+ ), bereaksi dengan air yang tertarik kepermukaan katalis

akan membentuk radikal hidroksil (%1C)# berdasarkan

reaksi/

+¿

+¿+ H 2O→OH

¿+ H

¿

h❑¿

Selain itu# elektron yang tereksitasi ke pita konduksi

juga dapat bereaksi dengan oksigen yang terdapat pada

udara# reaksi electron dengan oksigen menghasilkan

seperti reaksi yang ditunjukan pada gambar diatas.

selanjutnya bereaksi kembali dengan air yang tertarik

kepermukaan sehingga menghasilkan radikal hidroksil

(%1C) # berdasarkan reaksi/

−¿+O2

−¿+2 H 2O→2OH

¿+2OH

¿

2O2

¿

adikal hidroksil (%1C) merupakan oksidator yang

sangat kuat# yang mampu mengoksidasi berbagai macam

senyawa organik termasuk senyawa organik pada asap

rokok. %leh sebab itulah pada pengujian yang telah

dilakukan terjadi penurunan kekeruhan kabut asap rokok#

akibat dari degradasi senyawa asap rokok oleh proses

fotokatalis. *dapun reaksi yang terjadi pada proses

pendegradasian ini adalah sebagai berikut/


8/15

OH ¿+VOC +O

2→nCO

2+mH

2O

Setiap senyawa organik yang berhasil didegradasi

oleh radikal hidroksil tersebut akan terurai menjadi gas %&

dan juga air.

>ambar @. Dedia air purication dengan fotokatalis dalam

ruangan

2. Pemurnian Udara melalui Trotoar

Solusi untuk polusi udara jalan raya dapat ditemukan yaitu mentritmen

polutan tersebut disumbernya. Karena itu, material aktif fotokatalis dapat

ditambahkan ke permukaan material trotoar dan bangunan. Pemurnian udara


9/15

melewati fotokatalis heterogen terdiri dari langkah yang berbeda: di bawah

pengaruh cahaya UV, fotoaktif i!" pada permukaan material diakti#asi.

Setelah itu, polutan teroksidasi tergantung kehadiran fotokatalis dan presipitat

pada permukaan material. $khirnya, polutan dapat hilang dari permukaan

dengan hujan atau pencucian dengan air.

%ambar &. Proses 'otokatalis pada sumber polutan

'otokatalis heterogen dengan titanium dioksida (i!") sebagai katalis

secara cepat mengalami perkembangan dalam lingkup teknik lingkungan,

sebagai solusi berpotensial untuk mengatasi peningkatan solusi. *isamping

sifat membersihkan, diketahui sejak hampir + tahun bahwa titanium dioksida

sebagai fotokatalis yang dapat mendekomposisi polutan di bawah radiasi UV.

*alam kasus pa#ement block, anatase ditambahkan pada lapisan luar

pembuat trotoar dengan ketebalan mendekati - mm. *alam kasus pembuatan

trotoar yang dicor di tempat, i!" ditambahkan pada lapisan atas (tebal &

mm). 'akta bahwa i!" ada pada ketebalan seluruh lapisan berarti meskipun


10/15

jika ada beberapa pemakaian di sisi tertentu, contoh oleh lalu lintas atau

kerusakan karena cuaca, i!" baru akan hadir pada permukaan untuk menjaga

fotokatalis aktif. Penggunaan i!" yang dikombinasikan dengan semen

membuat perubahan !/ menjadi !01, yang diadsorbsi pada permukaan

tergantung pada alkalinitas beton. Pengaruh sinergis tercipta dengan kehadiran

matriks semen, yang membantu untuk menjebak secara efektif gas reaktan (!

dan !") bersama dengan terbentuknya garam nitrat. setelah itu, nitrat yang

terdeposit dapat dibersihkan oleh hujan atau dicuci dengan air. Selain itu, nitrat

bukan ancaman nyata terhadap polusi dari air karena konsentrasi yang

dihasilkan pada air yang terbuang sangat rendah, di bawah nilai batas untuk

permukaan dan air tanah.

Perhatian khusus di sini diberikan pada kandungan ! dan !" di udara,

karena keduanya hampir 23 disebabkan oleh pembuangan kendaraan dan

dasar dari asap, pembentukan o4on sekunder dan hujan asam adalah

indikasinya. !ksidasi fotokatalis ! biasanya diasumsikan sebagai reaksi

permukaan antara ! dan unsur teroksidasi yang terbentuk saat adsorbsi

photon oleh fotokatalis, seperti hidroksil radikal, keduanya teradsorbsi pada

permukaan fotokatalis. elah dijelaskan oleh beberapa autor bahwa produk

akhir dari oksidasi fotokatalis ! dengan kehadiran i!" adalah asam nitrat

(5!0) sementara 5!" dan !" teridentifikasi sebagai produk sampingan

dalam fasa gas fotokatalis. 6eaksi oksidasi fotokatalis ! telah dibahas dalam

beberapa paper, fotokatalis mengubah ! melalui 5!" untuk mendapatkan


11/15

!", yang setelah itu dioksidasi dengan menambahkan hidroksil radikal

menjadi produk 5!0:

Kasus lain adalah purifikasi gas !. Percobaan oleh 7ianchi dkk ("+&)

memperoleh hasil kristal i!" P"2 sebagai hasil terbaik dengan kon#ersi !

yang di degradasi mencapai 88 3 dalam +" menit. *imana P"2 memilki

campuran 92 3 anatase dan "2 3 rutile dengan rata1rata ukuran " nm dan

SS$ 2 m";gr dan merupakan perbandingan paling kecil diantara yang lain.


12/15

*engan perbandingan =< untuk masing masing sampel sebagai

berikut.

%ambar 2. =< tiap sampel a: P"2 > b: $ powder > c: 7 powder > d: ?

powder

?ampuran gas di reaktor adalah !" , 3 nitrogen dengan udara

sekitar pada &3. Sehingga akan dibuat !" dan ! dengan konsentrasi +

ppb dn " ppb,sesuai dengan standar @S! ""+891+.

Metode Coating Katalis Komposit pada Substrat


13/15

Untuk dapat membentuk lapisan tipis (thin film) katalis komposit 1i!"

pada substrat dapat dilanjutkan dengan metode coating . 7erdasarkan tujuan

aplikasinya, teknik coating ada berbagai jenis seperti yang diperlihatkan dalam

abel "

Tabel 2. Teknik Coating dan aplikasinya

Umumnya, pemilihan teknik coating didasarkan atas karakteristik

substrat yang akan di1coating . *alam penelitian ini substrat yang akan

digunakan berupa serat daun nanas. Serat nanas yang akan di1coating


14/15

jumlahnya ?ukup banyak dan bentuknya juga sederhana. !leh karena itu, agar

seluruh permukaan serat dapat terlapisi oleh katalis komposit, metode yang

dapat digunakan adalah metode dip coating . ahapan pada metode dip coating

dapat dilihat pada %ambar berikut:

%ambar . Deap Coating


15/15

menggunakan kompresor. Setelah itu, disemprotkan larutan ke arah media yang

ingin dilapisi. Penyemprotan di lakukan pada jarak dengan permukaan media

kurang lebih "10 cm (Cee dkk, "0).

%ambar 9. Skema metode 5and Spray ?oating

air purification dengan fotokatalis

Documents