PENGOLAHAN LIMBAH ZAT WARNA INDUSTRI TEKSTIL

Pengaruh karbon aktif terhadap aktivitas... (Kapti Riyani dan Tien Setyaningtyas)

PENGARUH KARBON AKTIF TERHADAP AKTIVITAS FOTODEGRADASI ZAT WARNA PADA LIMBAH CAIR INDUSTRI TEKSTIL MENGGUNAKAN FOTOKATALIS TiO2 Kapti Riyani*, Tien Setyaningtyas Program Studi Kimia, Fakultas Sains dan Teknik, Universitas Jenderal Soedirman Jl. Dr. Soeparno Karangwangkal Purwokerto 53123 email: [email protected]

ABSTRAK Studi penggunaan fotokatalis TiO2/KA (arang aktif) dilakukan dengan tujuan mengurangi konsentrasi zat warna pada limbah cair tekstil. Arang aktif dari jerami padi diperoleh dari Kabupaten Banyumas dan contoh dari limbah cair tekstil dari salah satu industri tekstil di Pemalang. Penelitian ini dimulai dengan pembuatan arang aktif dari jerami padi, dengan aktivasi termal pada temperatur 300 oC dan 700 oC, kemudian dilakukan modifikasi fotokatalis TiO2/KA. Uji fotodegradasi zat warna dilakukan dengan beberapa parameter seperti perbandingan berat TiO2 : KA (99:1, 98:2, 97:3, 96:4, 95:5) dan pH (2, 5, 7, 9, 13). Karekterisasi fotokatalis menggunakan SEM, konsentrasi pewarna menggunakan spektrofotometri UV-Vis. Hasil penelitian menunjukkan bahwa aktivitas fotokatalis optimum dalam perbandingan berat TiO2 : KA300 (99 : 1) dengan menurunkan konsentrasi zat warna adalah 49,19%, berarti sementara TiO2 : KA700 (97 : 3) dengan penurun konsentrasi zat warna adalah 52,02%. Proses yang optimal untuk fotodegadasi zat warna pada pH 2 dengan penurunan konsentrasi zat warna pada TiO2 : KA300 (99 : 1) adalah 83,80% dan untuk TiO2: KA700 (97:3) adalah 85,66%. Kata kunci : karbon aktif, zat warna, fotokatalis, TiO 2, fotodegradasi

INFLUENCE OF ACTIVATED CARBON TO PHOTODEGRADATION ACTIVITIES OF TEXTILE DYES IN WASTEWATER USING TiO2 PHOTOCATALYST ABSTRACT Study about the use of photocatalyst TiO2/KA (active charcoal) was done in order to decrease dyes concentration on textile waste water. Active charcoal from rice straws were gained from the Banyumas Regency and samples from textile waste water from one of textile industry in Pemalang. This study was begun by the making of active charcoal from the rice straws, with thermal activation at the temperature 300 0C and 7000C, afterwards are done by modification of photocatalyst TiO 2/KA. The test of dyes photodegradation was done with some parameters such as weight comparison TiO2 : KA (99:1, 98:2, 97:3, 96:4, 95:5), pH effect (2, 5, 7, 9, 13) and the effect of ray source (sun light and the UV lamp). Analysis of photocatalyst material used SEM, dyes concentration used UV-Vis spectrophotometry. Results show that optimum photocatalyst activity in weight comparison TiO2 : KA300 (99 : 1) with decrease concentration of dyes was 49.19%, mean while TiO2 : AA700 (97 : 3) with decreased concentration for dyes is 52.02%.

113

Molekul, Vol. 6. No. 2. Nopember, 2011: 113 - 122

Optimal process for dyes photodegadation at pH 2 with decreased concentration of the dyes at TiO2 : KA300 (99 : 1) was 83.80% and for TiO2 : KA700 (97 : 3) was 85.66%. Keyword : active charcoal, dyes, photocatalyst, TiO2, photodegradation

PENDAHULUAN Perkembangan industri tekstil telah maju dengan pesat. Dampak negatif dari pembangunan industri tekstil tersebut terutama dari proses pencelupan dimana mengandung zat warna sebagai sumber pencemaran lingkungan apabila air limbahnya langsung dibuang ke selokan atau sungai tanpa diolah terlebih dahulu. Air selokan menjadi berwarna dan merubah kualitas air selokan atau air sungai sehingga tidak sesuai peruntukannya. Oleh karena itu, usaha untuk mengatasi masalah tersebut harus dilakukan sedini mungkin. Teknologi untuk pengolahan limbah organik zat warna secara mudah, murah dan efisien dapat dilakukan dengan menggunakan titanium dioksida melalui proses fotooksidasi zat warna menjadi senyawa yang tidak berbahaya seperti karbon dioksida dan air. Aktifitas fotokatalisis dari TiO2 dapat ditingkatkan dengan memodifikasi fotokatalis menggunakan arang aktif (Hilal et al., 2007) yang berfungsi sebagai adsorbent polutan sehingga polutan dapat lebih mudah kontak dengan fotokatalis, dengan semakin mudah polutan kontak dengan TiO2 maka polutan semakin mudah didegradasi oleh fotokatalis TiO2. Fotokatalisis merupakan kombinasi proses dari fotokimia dan katalisis, dimana diperlukan sinar UV dan katalis (semikonduktor) untuk melangsungkan suatu transformasi kimia. Proses fotoreduksi dan fotooksidasi dimulai pada saat fotokatalis mengadsorb energi foton dengan energi yang sama atau lebih besar dari energi celah semikonduktor (TiO2 mempunyai energi celah sebesar 3.2 eV) sehingga elektron akan tereksitasi dari pita valensi ke pita 114

konduksi. Pasangan elektron (e-) dan hole (h+) yang terbentuk dapat berekombinasi dan melepaskan panas atau menyebabkan reaksi oksidasi dan reduksi dengan transfer muatan ke spesies yang teradsorbsi pada permukaan + semikonduktor. Hole (h ) yang dihasilkan TiO2 merupakan oksidator kuat yang akan mengoksidasi spesi kimia lainnya yang mempunyai potensial oksidasi +1.0 V sampai +3.5 V (relatif terhadap elektroda hydrogen-Nerst) (Hoffmann, 1995), termasuk air dan/atau gugus hidroksil yang akan menghasilkan radikal hidroksil. Radikal hidroksil ini pada pH = 1 mempunyai potensial sebesar 2.8 V, dan kebanyakan zat organik mempunyai potensial redoks yang lebih kecil dari potensial tersebut, sehingga kebanyakan zat organik dapat dioksidasi menjadi CO2 (Gunlazuardi, 2001). Sementara elektron pada pita konduksi merupakan reduktor kuat yang akan mereduksi spesi kimia lainnya yang mempunyai potensial reduksi +0.5 V sampai -1.5 V (relatif terhadap elektroda hydrogen-Nerst) (Hoffmann, 1995). Energi foton yang digunakan untuk eksitasi elektron dari fotokatalis TiO2 adalah sinar UV dan sinar tampak. (Yanfen et al., 2007 ; Sopyan, 1998 dan Linsebigler, 1995). Disamping TiO2, semikonduktor lain seperti ZnO dan WO3 mempunyai karakter yang sebanding dengan TiO2 dalam hal energi band gap dan potensial redoksnya. Namun TiO2 paling banyak digunakan sebagai fotokatalis karena paling stabil (tahan terhadap korosi) dan harganya relatif murah (Gunlazuardi, 2001). Indonesia, terutama jawa tengah merupakan negara penghasil beras. Menurut Badan Bimas Ketahanan Pangan


Jawa Tengah, produksi padi di Jawa Tengah pada tahun 2005 mencapai 2.191.258 ton. Pada proses penggilingan padi akan dihasilkan limbah yaitu jerami padi. Jerami padi saat ini kurang banyak dimanfaatkan. Kandungan selulosa dan silika yang tinggi pada jerami padi dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku karbon aktif. Karbon aktif yang dihasilkan dari jerami padi dapat dimanfaatkan untuk memodifikasi fotokatalis TiO2 untuk proses fotooksidasi zat warna tekstil menjadi senyawaan yang tidak berbahaya seperti karbon dioksida dan air. Dengan adanya karbon aktif pada fotokatalis TiO2 maka proses fotooksidasi akan semakin efisien karena aktivitas fotokatalis akan meningkat. Saat ini belum ada penelitian mengenai pemanfaatan karbon aktif dari jerami padi sebagai bahan modifikasi fotokatalis KA/TiO2 untuk fotodegradasi zat warna menjadi senyawaan yang tidak berbahaya yaitu karbon dioksida dan fotoreduksi ion logam berat menjadi logamnya. Karbon aktif dari jerami padi dapat digunakan untuk memodifikasi fotokatalis TiO2 karena dapat digunakan sebagai adsorbent polutan sehingga polutan lebih mudah kontak dengan TiO2 sehingga aktivitas fotokatalisis akan semakin meningkat. Perbandingan arang aktif jerami padi (KA) dengan TiO2 sangat menentukan aktivitas TiO2 untuk mendengadasi zat warna. Karbon aktif dari jerami padi dapat dibuat dengan proses aktivasi termal dan fisik (Alam et al., 2007). Pada proses aktivasi secara termal, suhu aktivasi sangat menentukan sifat karbon aktif yang dihasilkan sebagai adsorbent, sehingga proses aktivasi pada pembuatan karbon aktif jerami padi (KA) akan berpengaruh terhadap aktivitas fotokatalis KA/TiO2 untuk mengoksidasi zat warna. Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari pengaruh perbandingan berat KA/TiO2 dengan suhu aktivasi pembuatan karbon aktif adalah 300 oC

dan 700 oC, serta pH awal medium terhadap aktivitas fotodegradasi zat warna pada limbah cair tekstil menggunakan modifikasi fotokatalis KA/TiO2.

METODE PENELITIAN Alat dan Bahan. Jerami padi diambil dari daerah Banyumas, limbah tekstil sebelum diolah atau sebelum masuk ke badan perairan diambil dari PT. Candi Mekar, Pemalang, TiO2, HNO3, Aquademin, lampu UV, reaktor fotokatalis, spektrofotometer UVVis, oven, sonikator. SEM Prosedur Penelitian 1. Pembuatan Kabon Aktif (KA). Jerami padi dikeringkan pada suhu 1050C selama 24 jam pada oven untuk menghilangkan kandungan air sampai berat konstan. Setelah itu dilakukan proses aktivasi secara termal. Sampel yang telah dikeringkan diaktivasi pada furnace dengan suhu 3000C dan 7000C selama 30 menit yang diikuti dengan penumbukan dan pengayakan dengan ukuran partikel kurang dari 100 mesh. Karbon aktif yang dihasilkan dari jerami padi dengan proses aktivasi termal tersebut diberi simbol KA300 dan KA700. 2. Pembuatan Modifikasi Fotokatalis TiO2/KA. Modifikasi fotokatalis TiO2/KA dibuat dengan perbandingan berat TiO2/KA yaitu 99:1 , 98:2 , 97:3 , 96:4 , 95:5. Dengan kontrol TiO2 tanpa karbon aktif. Karbon aktif dan TiO2 disuspensikan dalam aquademin, selanjutnya suspensi diletakkan dalam sonikator selama 5 jam, setelah disaring kemudian TiO2/KA dikeringkan dalam oven dengan suhu 1050C selama 24 jam. Morfologi dari partikel fotokatalis TiO2/KA dianalisis menggunakan SEM

115


3. Uji Aktivitas Fotodegradasi Zat Warna Limbah Tekstil dengan Fotokatalis TiO2/KA. Fotokatalis TiO2 tanpa KA digunakan sebagai kontrol 200 mL air limbah yang telah disaring untuk menghilangkan endapan dimasukkan ke dalam beaker gelas. Tingkat pH medium diatur pada pH 2, 5, 7, 9 dan 13 menggunakan asam nitrat dan NaOH. Kemudian 0.5 gram fotokatalis dimasukkan dalam medium. Selanjutnya terhadap masing-masing medium untuk fotokatalisis yang telah diatur pH-nya diberi sumber sinar lampu UV. Adapun perlakuan secara keseluruan untuk fotodegradasi zat warna adalah sebagai berikut: 4. Pengaruh perbandingan berat TiO2/KA terhadap aktivitas fotokatalis TiO2/KA. Variasi perbandingan berat TiO2 : KA yang digunakan adalah 0:1, 1:0, 99:1, 98:2, 97:3, 96:4 dan 95:5. Dengan kondisi pH 13 (pH limbah), sumber sinar lampu UV. Suhu pembuatan arang aktif 3000C dan 7000C 5. Pengaruh pH terhadap aktivitas fotokatalis TiO2/KA. Variasi pH yang digunakan adalah 2, 5, 7, 9 dan 13. Kondisi percobaan yaitu suhu pembuatan karbon aktif 3000C dan 7000C, sumber sinar lampu UV, perbandingan berat TiO2 : KA yang digunakan adalah perbandingan berat optimum TiO2 : KA. Reaktor untuk fotokatalisis disetimbangkan selama 30 menit pada kondisi gelap, kemudian reaktor diberi sumber sinar. Sampel diambil setiap 1 jam sampai 3 jam penyinaran. Konsentrasi zat warna (metilen biru, metil orange dan rodamin-B) dianalisis dengan spektrofotometer UV-Vis. Setiap percobaan diulang 3x (triplo).

116

HASIL DAN PEMBAHASAN Pembuatan karbon aktif. Rendemen arang dari jerami padi didapat sebesar 34,50 % (b/b), selanjutnya terhadap arang yang didapat diaktivasi pada suhu 3000C dan 7000C sehingga didapat karbon aktif. Besarnya % berat karbon aktif per berat jerami padi didapat sebesar 17,93% untuk aktivasi pada suhu 7000C dan 24,11% untuk aktivasi pada suhu 3000C. Analisis fotokatalis menggunakan SEM. Fotokatalis yang telah dibuat dianalisis morfologi permukaannya menggunakan SEM. Analisis SEM dilakukan untuk melihat morfologi dari fotokatalis. Gambar 1. memperlihatkan bahwa untuk aktifitas optimum yaitu TiO2/KA300 (99:1) dan TiO2/KA700 (97:3), pori-pori dari katalis lebih besar dibanding dengan pori-pori TiO2 serta lebih merata. Untuk penambahan karbon aktif lebih lanjut maka permukaan fotokatalis menjadi tidak merata dan poriporinya menjadi semakin kecil. Pengaruh perbandingan berat KA/TiO2. Limbah tekstil mengandung sejumlah polutan zat warna. Kandungan polutan pada limbah cair tergantung dari proses produksi industri tersebut. Limbah cair industri tekstil pada penelitian ini diambil dari industri tekstil PT. Candi Mekar yang berlokasi di Comal Pemalang. Data konsentrasi zat warna dan pH pada limbah cair industri tekstil dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Data Kondisi Limbah Tekstil KONSENTRASI (ppm) pH 13 RODAMIN-B 0.344 METIL ORANGE 0.779 METILEN BIRU 0.179


A

B

C

D

E

Gambar 1. Hasil SEM untuk fotokatalis A. TiO2 B. TiO2/KA300 (99:1) C. TiO2/KA300 (95:5) D. TiO2/KA700 (97:3) E. TiO2/KA700 (95:5)

117


Pengaruh perbandingan berat KA/TiO2 dipelajari dengan menggunakan KA yang diaktivasi pada suhu 300 0C dan 700 0C. Kondisi proses fotokatalisis : pH limbah 13, sumber sinar lampu UV dan lama penyinaran 3 jam. Penambahan 1% KA300 terhadap TiO2 akan meningkatkan aktivitas fotokatalis yang cukup signifikan dibandingkan dengan TiO2 saja ataupun perbandingan lainnya. Data penurunan konsentrasi zat

warna untuk katalis TiO2 adalah 44,62%, untuk katalis TiO2/KA300 (99:1) adalah 49,19% seperti terlihat pada Gambar 2.a. Sedangkan pada Gambar 2.b. penambahan 3% KA700 akan meningkatkan aktivitas fotokatalis dibandingkan dengan TiO2 saja ataupun perbandingan lainnya. Untuk katalis TiO2/KA700 (97:3) terjadi penurunan konsentrasi zat warna sebesar 52,02%.

(A)

(B)

Gambar 2. Persen penurunan konsentrasi zat warna limbah cair industri tekstil pada pH 13 dengan pengaruh perbandingan berat TiO2/KA. (A). untuk KA300 dan (B). untuk KA700

118


. Difusi permukaan Polutan organik

Degradasi polutan organik Transfer massa

adsorbent

TiO2

CO2

Gambar 3. Mekanisme fotodegradasi polutan organik pada permukaan Fotokatalis adsorbent/TiO2 (Fujishima, 1999) Penurunan aktivitas fotokatalis pada penambahan KA lebih lanjut terjadi karena permukaan fotokatalis yang tidak merata dan pori-pori yang semakin mengecil seperti terlihat dari data SEM, sehingga jumlah zat warna yang teradsorpsi oleh fotokatalis semakin menurun yang akan menurukan aktivitas fotokatalis. Peningkatan aktivitas TiO2 dengan adanya penambahan KA pada TiO2 terjadi karena KA berfungsi sebagai adsorben sehingga zat warna akan terkonsentrasi pada KA sehingga proses fotokatalisis oleh TiO2 akan semakin efisien karena semakin banyak zat warna yang berhubungan dengan TiO2. Mekanisme fotodegradasi polutan organik pada permukaan modifikasi fotokatalis TiO2/KA seperti pada Gambar 3. TiO2 dapat mengkatalisis reaksi oksidasi zat warna, reaksi oksidasi dapat terjadi karena lubang positif yang terbentuk selama aktivasi fotokatalis akan mengoksidasi ion hidroksil atau air pada permukaan katalis menghasilkan radikal hidroksil HO•. Radikal ini akan mengoksidasi senyawaan organik seperti metilen biru, metil orange dan rhodamin-

B. Mekanisme reaksi digambarkan oleh Sonawane et. al. (2006), tahapannya sebagai berikut: TiO2 + hv → TiO2(e- + h+)

(1)

h+ + OH-ad → •OHad

(2)

h+ + H2Oad → •OHad + H+

(3)

radikal hidroksil •OH yang dihasilkan memiliki peranan penting dalam mengoksidasi senyawaan organik. Semakin tinggi pembentukan hidroksil radikal maka akan semakin besar pula kemampuan fotokatalis untuk mengoksidasi senyawaan organik. Reaksi yang paling mungkin untuk sistem fotokatalis TiO2/KA dalam mendegradasi zat warna adalah sebagai berikut : KA-TiO2 + hv → TiO2*-KA H2O + h+ TiO2*AAJP •

( 4)

OH + H+ (5)

•OH + molekul zat warna→ Intermediate → CO2 + H2O + garam mineral (6)

119


(A)

(B)

Gambar 4. Pengaruh pH terhadap aktivitas fotokatalis A. TiO2/KA300 (99:1) dan B. TiO2/KA700 (97:3) Pengaruh pH. Pengaruh pH terhadap aktivitas fotokatalis AAJP/TiO2 dipelajari dengan kondisi 1% AAJP300/TiO2 ; 3% AAJP700/TiO2 ; sumber sinar lampu UV, lama penyinaran 3 jam. Gambar 4 menunjukkan bahwa untuk semua fotokatalis TiO2/KA yang digunakan aktivitas fotokatalis akan semakin meningkat dengan penurunan pH. pH optimum untuk semua fotokatalis yang digunakan adalah pH 2, dengan besar penurunan konsentrasi untuk katalis

120

TiO2/KA.

TiO2/1%KA300 adalah 83,80% penurunan konsentrasi zat warna, untuk katalis TiO2/3%KA700 adalah 85,65% penurunan konsentrasi zat warna. Menurut Toor (2006), pH larutan akan mempengaruhi muatan pada partikel TiO2, bentuk agregat TiO2 dan posisi dari pita konduksi dan pita valensi TiO2. ⇄ TiOH2+

TiOH

+ H+

TiOH

+ OH- ⇄

TiO-

(7) (8)


Persamaan reaksi 7 dan 8 memperlihatkan bahwa muatan partikel TiO2 tidak berpengaruh terhadap aktivitas fotodegradasi limbah zat warna tekstil. Zat warna metilen biru dan metil orange pada suasana asam akan bermuatan positif (+) sedangkan permukaan partikel TiO2 juga bermuatan positif. Pada percobaan ini yang berperan pada peningkatan aktivitas fotokatalis adalah jumlah radikal hidroksil yang dihasilkan dari sistem, semakin banyak radikal hidroksil rekombinasi hole dan elektron akan berkurang sehingga fotodegradasi zat warna akan semakin meningkat. Pada pH asam radikal hidroksil yang dihasilkan oleh sistem fotokatalis akan semakin meningkat dengan persamaan reaksi sebagai berikut (Hoffman, 1995): TiO2(e-) + O2 → TiO2 + O2•

(9)

O2• + H+

(10)

→

HO2•

O2• + HO2• → •OH + O2 + H2O2 (11) 2HO2• → O2 + H2O2

(12)

TiO2(e-)+H2O2→ TiO2+ -OH +•OH (13) TiO2(h+) + -OH →

•OH

(14)

KESIMPULAN Aktivitas TiO2 untuk mengoksidasi zat warna pada limbah cair tekstil dapat ditingkatkan dengan memodifikasi menggunakan karbon aktif dari jerami padi. Perbandingan berat TiO2/KA akan mempengaruhi aktivitas fotokatalis. Aktivitas fotokatalis optimum pada pengaruh perbandingan berat TiO2/KA300 adalah (99:1) dengan persen penurunan konsentrasi zat warna sebesar 49,19 %, sedangkan TiO2/KA700 adalah (97:3) dengan persen penurunan

konsentrasi zat warnanya sebesar 52,02 %. Besarnya pH limbah akan mempengaruhi aktivitas fotokatalis. pH optimum untuk oksidasi zat warna adalah pada pH 2 dengan persen penurunan konsentrasi zat warna untuk TiO2/KA300 (99:1) adalah 83,8 %, sedangkan untuk TiO2/KA700 (97:3) persen penurunannya sebesar 85,65 %.

DAFTAR PUSTAKA Alam, Md. Zahangir., Suleyman A. Muyibi., Mariatul F. Mansor., Radziah Wahid, 2007, Acivated Carbon Derived From Oil Palm Empty-fruit Bunches: Application to Environmental Problems, Journal of Environmental Sciences, Vol.19, 103-108 Fujishima, Akira., kazuhita Hashimoto., Toshiya Watanabe, 1999, TiO2 Photocatalysis: Fundamentals and Applications, Bkc, Inc., Tokyo Gunlazuardi, J., 2001, Fotokatalisis Pada Permukaan TiO2: Aspek Fundamental dan Aplikasiny, Seminar Nasional Kimia Fisika II, FMIPA UI, Jakarta Hilal, HS., LZ Majjad, N. Zaatar, A. ElHamouz., 2007, Dye-effect in TiO2 Catalyzed Contaminant Photo-degradation: Sensitization vs. Charge-transfer Formalism, Solid State Sciences, Vol.9, 9-15 Hoffman, M.R., 1995, Environmental Application of Semiconductor Photocatalysis, Chem. Rev., Vol.95, 69-96 Linsebigler, A.L., Lu, G., Yates, J.T., 1995, Photocatalysis on TiO2 Surface: Principles, Mechanism, and Selected Result, Chem. Rev., 735-758

121


Sonawane, R.S., and M.K. Dongare, 2006, Sol-gel Synthesis of Au/TiO2 Thin Films for Photocatalytic Degradation of Phenol in Sunlight, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol.243, 68-76 Sopyan, I., 1998, Fotokatalitik Semikonduktor-Dasar Teori dan Penerapan, Majalah BPPT, No LXXXVII Toor, A.P., Anoop Verma., C.K. Jotshi., P.K. Bajpai., and Vasundhara Singh, 2006, Photocatalytic

122

Degradation of Direct Yellow 12 Dye Using UV/TiO2 in a Shallow Pond Slurry Reactor, Dyes and Pigments, Vol.68, 53-60 Yan-fen FANG, HUANG Ying-ping, LIU De-fu, HUANG yang, GUO Wei, DAVID Johnson, 2007, Photocatalytic degradation of the dye sulforhodamine-B: A comparative study of different light sources, Journal of Environmental Sciences, Vol.19, 97-102

PENGOLAHAN LIMBAH ZAT WARNA INDUSTRI TEKSTIL

Recommend Documents