BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Semakin pesatnya perkembangan industri tekstil di Indonesia memberikan sumbangan yang besar bagi perekonomian negara. Namun di sisi lain hal tersebut dapat menimbulkan masalah yang serius bagi lingkungan terutama masalah pencemaran lingkungan akibat limbah cair yang dihasilkan dari industri tekstil. Secara fisik air limbah industri tekstil memiliki kharakteristik terlihat keruh, berwarna, berbau, panas dan berbusa. Pada industri tekstil biasanya menggunakan zat warna pada proses pewarnaan (printing) dan proses pencelupan (dyeing). Limbah cair yang dihasilkan dari kedua proses tersebut merupakan salah satu sumber pencemaran air. Hal ini berdampak serius jika tidak dilakukan pengolahan limbah dengan baik karena limbah cair dari zat warna yang dihasilkan dari industri tekstil umumnya merupakan senyawa organik non-biodegradable. Dewasa ini, bahan pewarna yang digunakan di dalam industri tekstil sangat beraneka ragam dan biasanya terdiri dari bermacam-macam zat warna. Zat warna yang seringkali memunculkan masalah yang serius di perairan akibat limbah industri tekstil diantaranya indigo carmine, metanil yellow, rhodamin, congo red, dan metilen biru. Keberadaan zat warna pencemar yang berbeda-beda berakibat diperlukannya penanganan dengan perlakuan yang berbeda-beda pula. Dengan demikian penanganan limbah tekstil menjadi sangat rumit dan diperlukan beberapa langkah hingga limbah tersebut benar-benar aman untuk dilepas ke perairan. Saat ini telah diuapayakan berbagai teknik atau metode penanggulanagn masalah limbah tekstil, diantaranya adalah metode adsorpsi. Namun, metode ini ternyata kurang efektif karena limbah zat warna tekstil yang diadsorpsi tersebut masih terakumulasi di dalam adsorben sehingga suatu saat daat menimbulkan permasalahan yang baru di lingkungan. Sebagai alternatif baru maka dikembangkan metode fotodegradasi dengan menggunakan bahan fotokatalis dan radiasi sinar ultraviolet yang energinya sesuai atau lebih besar. Dengan metode fotodegradasi ini, zat warna dapat diuraikan menjadi komponen-komponen yang lebih sederhana dan lebih aman untuk lingkungan. Teknologi fotokatalisis merupakan kombinasi dari proses fotokimia dan katalis yang terintegrasi untuk dapat melangsungkan sutu reaksi transformasi kimia. Reaksi transformasi tersebut berlangsung di permukaan bahan katalis semikonduktor yang terinduksi oleh sinar. Adapun beberapa jenis semikonduktor yang dapat dipakai untuk proses fotokatalisis dari kelompok oksida misalnya: TiO2, Fe2O3, ZnO, WO3 atau SnO2, sedangkan dari kelompok

sulfida adalah CdS, ZnS, CuS, FeS, dan lain sebagainya. Dari sekian banyak jenis semikonduktor, hingga saat ini serbuk TiO2 (terutama dalam bentuk serbuk kristal anatase) yang mempunyai aktivitas fotokatalitik yang tinggi, lebih stabil, dan sifatnya tidak toksik. Disamping itu, serbuk TiO2 juga mudah diperoleh dan diproduksi secara komersial dalam jumlah yang besar. Dalam penelitian ini dilakukan proses degradasi beberapa zat warna seperti indigo carmine, metanil yellow, rhodamin, congo red, dan metilen biru dengan menggunakan katalis TiO2 dengan beberapa pertimbangan keunggulan yang dimiliki oleh katalis tersebut. Namun, diperlukan perlakuan yang berbeda dari masing-masing di dalam cara penanggulangan limbah zat warna tersebut. Fotodegradasi zat warna indigo carmine, metanil yellow, rhodamin biasanya menggunakan metode lempung terpilar TiO2 dengan penambahan surfaktan. Penggunaan surfaktan dimaksudkan agar interkalasi oksida logam TiO2 dapat maksimal sehingga dihasilkan lempung terpilar dengan basal spacing yang lebih besar. Adapun surfaktan yang paling lazim digunakan adalah dodesilamin. Penggunaan senyawa-senyawa organik, seperti dodesilamin sebagai surfaktan yang terinterkalasi di daerah antarlapis lempung H+ - monmorilonit dapat memperbesar jarak antarlapis (Kwon dkk, 2000). Dengan adanya penambahan surfaktan dodesilamin kemudian melakukan interkalasi menggunakan TiO2 pada proses pemilaran diharapkan semakin memperbesar jarak daerah antarlapis, meningkatkan kristalinitas, dan luas permukaan serta menghasilkan pori yang terdistribusi merata dan ukurannya lebih seragam. Fotodegradasi zat warna congo red menggunakan metode fotodegradasi dengan dengan katalis yang berbahan baku zeolit atau TiO2 secara fotokatalitik dengan bantuan sinar ultraviolet. Senyawa congo red sebenarnya dapat mengalami fotodegradasi secara alami oleh adanya cahaya matahari, namun reaksi ini berlangsung relatif lambat, karena intensitas cahaya UV yang sampai ke permukaan bumi relatif rendah sehingga akumulasi congo red ke dasar perairan atau tanah lebih cepat daripada proses fotodegradasinya. Dengan katalis berbahan baku zeolit atau TiO2, oligokation mampu diubah menjadi bentuk oksida TiO2 di permukaan internal dan eksternal zeolit. Fotodegradasi zat warna yang mengandung metilen biru dalam hal ini memanfaatkan kemampuan suatu semikonduktor fotokatalis oksida logam transisi yang dapat mengalami peningkatan apabila memiliki ukuran partikel dalam kisaran nanometer. Apabila terjadi penurunan dimensi partikel semikonduktor sampai ke daerah nanometer (1-10 nm) ternyata terjadi jenaikan energi band gap (Eg), sebagai ukuran kemampuan fotokatalis seiring dengan semakin turunnya ukuran partikel. Penelitian sebelumnya telah mengamati fotodegradasi

metilen biru oleh sinar matahari dengan menggunakan katalis TiO2. Aktivitas TiO2 untuk mendegradasi metilen biru dapat terdegradasi hingga 90 % dalam waktu satu jam. Persentase tersebut menunjukkan kontribusi dari proses adsorbsi yang terjadi bersamaan dengan proses fotodegradasi oleh TiO2 (Nogueira dan Jardin, 1993). Adapun metode non konvensional ini dikembangkan dengan melakukan pilarisasi ke dalam antarlapis silikat montmorilonit menggunakan bahan semikonduktor titanium oksida (TiO2) selanjutnya montmorilonit terpilar yang telah disintesis digunakan untuk mendegradasi polutan organik berupa metilen biru dengan bantuan sinar UV.

I.2 Permasalahan Permasalahan yang dapat diangkat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:1. Bagaimanakah proses sintesis katalis semikonduktor TiO2 agar dapat digunakan dalam

proses fotodegradasi zat warna?2. Bagaimanakah perbandingan efektivitas dari katalis TiO2 dalam mendegradasi beberapa

zat warna?

BAB II PEMBAHASAN

II.1 Sintesis Katalis Semikonduktor TiO2 Proses sintesis lempung terpilar TiO2 diawali dengan membuat larutan pemilar yaitu larutan tetraetoksititanium (TEOT). Penggunaan larutan ini didasarkan pada sifat dari TEOT yang hampir sama dengan tetraetilorto silikat (TEOS). Dengan melalukan pemilaran menggunakan senyawa yang besar maka akan diperoleh pilar yang besar pula, sehingga basal spacing yang dihasilkan pada proses sintesis lempung terpilar akan memiliki ukuran yang besar pula. Larutan pemilar tetraetoksititanium (TEOT) dibuat dengan mencampurkan larutan tetrakloro titanium (TiCl4) dengan etanol. Pencampuran kedua reaktan ini dilakukan secara perlahan dan sambil diaduk-aduk hingga homogen sehingga terbentuk suatu Ti-alkoksida. Reaksi yang terjadi : TiCl4 + 4CH3CH2OH Ti (OCH2CH3)4 + 4HCl Pada saat reaksi berlangsung timbul gas HCl yang merupakan hasil samping dari reaksi dengan bau yang sangat menyengat. Dari reaksi tersebut dihasilkan senyawa Ti(OCH2CH3)4 dengan Ti sebagai atom pusatnya dan terdapat 4 molekul OCH2CH3 yang berikatan dengan atom Ti tersebut. Dalam hal ini juga dilakukan pengadukan selama 2 jam hingga larutan menjadi homogen. Sebelum dilakukan interkalasi larutan pemilar ke dalam lempung, terlebih dahulu dilakukan penambahan surfaktan agar larutan pemilar mudah masuk antarlapisan lempung. Dodesilamin dapat memberikan sifat organofilik di daerah antar lapis sehingga mampu memperlebar jarak antarlapis lempung dan pada akhirnya akan memudahkan molekul pemilar yang berupa TEOT masuk ke dalam daerah antarlapis tersebut. Semakin besar daerah antarlapis lempung maka akan semakin mudah dan semakin banyak TEOT yang masuk sehingga dihasilkan pilar dengan basal spacing yang lebih besar. Interkalasi TEOT pada daerah antarlapis lempung dapat ditunjukkan dengan dihasilkannya cairan kental yang berwarna keabuan pada saat penambahan larutan pemilar. Dalam hal ini juga digunakan suspensi yang telah diinterkalasi dan dicuci dengan etanol untuk menghilangkan sisa surfaktan. Proses kalsinasi dilakukan pada temperatur 6000C dengan tujuan menghilangkan sisa-sisa surfaktan organik yang digunakan selama proses pemilaran dan menyempurnakan reaksi dehidroksilasi TEOT menjadi pilar titanium oksida (TiO2) yang stabil dan permanen. Dari hasil kalsinasi dihasilkan lempung terpilar berwarna putih. Dengan demikian tidak dihasilkan senyawa organik berupa karbon dan terbentuk pilar titanium dioksida. Hal ini dapat diprediksikan dengan reaksi berikut: Ti(OC2H5)4 + 12 O2 TiO2 + 8CO2 + 10H2O dengan T = 6000C 2H2NC12H25 + 40O2 24CO2 + 27H2O + N2O5 dengan T = 6000C Dari reaksi tersebut dapat diketahui terbentuknya titanium dioksida yang diikuti dengan pelepasan gas karbon dioksida dan molekul H2O. Dengan adanya pelepasan molekul tersebut

maka akan terbentuk pilar titanium dioksida yang stabil pada suhu tinggi sehingga dihasilkan lempung terpilar TiO2 yang memiliki basal spacing yang lebih besar apabila dibandingkan dengan lempung alam. Adapun karakterisasi basal spacing lempung terpilar TiO 2 menggunakan difraksi sinar x. Fenomena pilarisasi TiO2 pada lempung dengan difraktometer sinar x diamati dengan adanya pergeseran puncak 2 (basal spacing). Pada difraktogram terlihat bahwa basal spacing lempung terpilar setelah proses kalsinasi mengalami peningkatan apabila dibandingkan dengan lempung alam. Apabila katalis TiO2 diaplikasikan dalam bentuk zeolit maka perlu dilakukan preparasi terlebih dahulu dengan menggunakan air bebas ion untuk menghilangkan pengotor-pengotor larut dalam air yang ada pada permukaan zeolit. Dalam hal ini juga dilakukan proses kalsinasi dengan menggunakan microwave oven. Karakterisasi TiO2-zeolit dianalisis dengan metode diffraktometri sinar X, spektrofotometri FT-infra merah, analisis luas permukaan, dan metode analisis X-Ray Fluoresence. Jadi dalam hal ini dapat dibandingkan difraktogram antara zeolit asal, TiO2-zeolit, dan TiO2 melalui refleksinya. Refleksi ini merupakan karakteristik refleksi mordenit. Dengan demikian dapat diidentifikasi bahwa zeolit yang digunakan pada penelitian ini adalah jenis mordenit.Dari hasil difraktogram dapat diketahui penurunan intensitas serapan yang menunjukkan berkurangnya tingkat kekristalan. Selanjutnya dilakukan analisis spektroskopi inframerah yang memberikan informasi mengenai serapan gugus fungsional. Keberhasilan pengembanan TiO2 pada zeolit dapat dibuktikan dengan pengukuran kandungan Ti pada zeolit tersebut, yaitu dengan menggunakan analisis XRF. Dalam hal ini TiO2-zeolit dibuat dengan mendispersikan zeolit asal pada pada oligokation Ti yang berasal dari hidrolisis larutan TiCl4 yang diikuti dengan proses kalsinasi. Kemudian analisis luas permukaan dan volume total pori dilakukan dengan membandingkan TiO2-zeolit dengan zeolit asal. Peningkatan luas permukaan dan volume total pori diperkirakan berasal dari TiO2 yang terdistribusi di permukaan eksternal zeolit. Pembentukan TiO2 juga meningkatkan jumlah mesopori pada TiO2-zeolit. Dari hasil karakterisasinya maka dihasilkan TiO2 pada permukaan eksternal maupun internal zeolit asal. Adapun pembentukan TiO2 pada permukaan zeolit dari oligokation titan mengikuti persamaan reaksi sebagai berikut: [(TiO)8(OH)12]4+ 8TiO2 + 4H2O + 4H+ Lain halnya jika katalis TiO2 dikombinasikan dengan montmorilonit, dimana pada saat preparasi digunakan lempung montmorilonit alam yang mengalami proses penggerusan dan pencucian, pengadukan dan pengeringan. Dalam sintesisnya digunakan larutan oligomer sebagai agen pemilar. Dalam proses ini juga dilakukan pencucian dengan air bebas ion sampai terbebas dari ion klorida. Lempung montmorilonit yang telah terinterkalasi kompleks Ti juga mengalami tahap kalsinasi pada temperatur 3500C. Lempung montmorilonit tidak sepenuhnya merupakan bahan inang yang homoionik karena antarlapisannya terdapat ion-ion logam seperti kalsium, magnesium, dan lainnya.Montmorilonit ini diperoleh dengan reaksi pertukaran kation Na+ pada antarlapis lempung dengan Ti Keggin. Hasil analisis XRD menunjukkan bahwa montmorilonit terpilar TiO2 menyebabkan terjadinya pergeseran basal spacing. Peningkatan jarak antarlapis disebabkan oleh terbentuknya penyangga oksida TiO2. Hasil analisis FTIR menunjukkan bahwa pemilaran montmorilonit dengan TiO2 menyebabkan munculnya pita serapan pada panjang gelombang 920 cm-1. Disamping itu, hasil yang diperoleh dalam hal ini

didukung oleh pengukuran terhadap luas permukaan pori dimana terjadi peningkatan yang sangat signifikan pada luas permukaan spesifik lempung yang telah dipilarkan TiO2. II.2 Perbandingan Efektivitas dari Katalis TiO2 dalam Mendegradasi Beberapa Zat Warna Lempung terpilar TiO2 yang telah disintesis dapat digunakan sebagai fotokatalis dalam degradasi zat warna. Dalam penelitian ini digunakan zat warna indigo carmine, metanil yellow, dan rhodamin. TiO2 dapat digunakan sebagai fotokatalis karena merupakan semikonduktor yang memiliki celah energi sehingga mampu mengabsorpsi radiasi elektromagnetik pada daerah ultraviolet. Dalam lempung terpilar TiO2, fotokatalis yang teremban dapat berperan dalam reaksi fotokatalisis karena adanya foton yang berasal dari sumber sinar UV. Keberadaan sinar UV ternyata mampu memaksimalkan nilai degradasi dari zat warna. Mekanisme fotokatalis TiO2 dengan bantuan sinar UV dapat dijelaskan dengan reaksi berikut: TiO2 + hv hvb+ + ecbDalam penelitian ini, katalis lempung terpilar TiO2 dengan bantuan sinar UV dari lampu juga akan menghasilkan radikal hidroksil yang akan bertindak sebagai agen pengoksidasi kuat, yang mampu mendegradasi zat warna. Dari hasil serapan warna pada scan UV maka indigo carmine memiliki spektra yang paling besar yaitu 610 nm sedangkan rhodamin dan metanil yellow memiliki spektra 555 nm dan 455 nm. Dari ketiga zat warna tersebut, diperoleh persentase degradasi senyawa indigo carmine sebesar 90,50%, pada senyawa rhodamin sebesar 95,58%, sedangkan pada senyawa metanil yellow memiliki persentase paling kecil yaitu 31,75%. Hal ini disebabkan karena zat warna indigo carmine dan metanil yellow memiliki struktur memanjang sedangkan zat warna rhodamin cenderung merapat. Hal ini yang dapat mempengaruhi mudah atau tidaknya zat warna ini masuk dalam pori lempung terpilar TiO2 dan kemudian akan bereaksi dengan radikal OH dan meyebabkan warna terdegradasi. Dari hasil penelitian ini, diperoleh nilai degradasi yang paling efektif yaitu pada zat warna rhodamin. Dalam reaksi fotodegradasi terkatalis memerlukan empat komponen utama, yaitu sumber cahaya (foton), senyawa target, oksigen dan fotokatalis. Dalam penelitian fotodegradasi congo red juga menggunakan lampu sinar UV. Dari hasil pengukuran panjang gelombang () maksimum untuk larutan congo red adalah 501 nm. Adapun degradasi congo red dengan menggunakan fotokatalis TiO2-zeolit terjadi melalui proses adsorbsi ke permukaan partikel yang secara simultan disertai dengan proses oksidasi fotokatalitik terhadap congo red yang dapat dinyatakan dalam persamaan reaksi berikut: C32H22N6O6S22- + 91/12 O2 32 CO2 + 6 NO3- + 2 SO42- + 8 H+ + 7 H2O Mekanismenya adalah sebagai berikut: TiO2 + hv h+vb + eh+vb + OH OH OH + senyawa organik (congo red) CO2 + H2O

Dari hasil proses pendegradasian senyawa congo red, dapat diketahui laju reaksi yang terjadi pada TiO2-zeolit memiliki konstanta laju reaksi sebesar 0,0698 menit-1. Nilai laju ini relatif cukup besar sehingga dapat diindikasikan bahwa reaksi fotodegradasi congo red dengan katalisator TiO2-zeolit cukup efektif. Kemampuan katalis TiO2-zeolit ini mampu mendegradasi congo red dengan pengurangan konsentrasi sebesar 99% dalam waktu 60 menit. Adapun bagian yang teradsorpsi dari zat warna congo red adalah bagian negatifnya (anion) sehingga adsorpsi oleh zeolit berlangsung kurang efektif. Dalam proses fotodegradasi metilen biru dengan menggunakan montmorilonit terpilar TiO2 sebagai katalis juga dilakukan dengan bantuan sinar UV dengan panjang gelombang 350 nm. Reaksi yang terjadi pada degradasi metilen biru adalah reaksi redoks dimana terjadi pelepasan dan penangkapan elektron yang diakibatkan oleh energi foton hv. Semakin lama waktu penyinaran, maka pengurangan jumlah metilen biru semakin besar. Reaksi fotodegradasi metilen biru dapat dituliskan sebagai berikut: C16H18N3SCl(teradsorp + terlarut) + 51/2 O2 HCl + H2SO4 + 3 HNO3 + 16 CO2 + 6 H2O Dari hasil degradasi senyawa metilen biru ini didapatkan konstanta laju reaksi sebesar 0,0059 menit-1. Dalam penelitian ini kandungan titan yang terukur adalah sebesar 18,17% (b/b) yang artinya jika menggunakan 25 mg TiO2-montmorilonit. Jika distribusi Ti cukup merata maka yang digunakan untuk mendegradasi 25 mL 10-4 M metilen biru adalah 4,542 mg. Hal serupa yang diperoleh pada penelitian yang dilakukan oleh Simpen (2001). Aktivitas TiO2 untuk mendegradasi metilen biru pada penelitian ini cukup baik, dimana sampel metilen biru dapat terdegradasi sampai 99% dalam waktu 1 jam. Dengan demikian montmorilonit terpilar TiO2 memiliki kemampuan sebagai katalis reaksi fotodegradasi lebih baik daripada montmorilonit alam.

BAB III PENUTUP

III.1 Simpulan Penggunaan katalis TiO2 sangat efektif dalam proses fotodegradasi zat warna seperti indigo carmine, metanil yellow, rhodamin, congo red, dan metilen biru. Namun dari jenis-jenis zat warna tersebut dapat diketahui bahwa efektivitas katalis yang paling besar terdapat pada zat warna congo red dan metilen biru. Dimana katalis TiO2 mampu mendegradasi zat warna tersebut sebesar 95,58% dalam waktu 60 menit. Sedangkan dalam mendegradasi zat warnz indigo carmine, metanil yellow dan rhodamin juga memberikan hasil yang cukup efektif. Penggunaan katalis TiO2 memiliki potensi sebagai fotodegradasi karena dalam sintesisnya, katalis diinterkalasikan dengan lempung, zeolit, bahkan montmorilonit. Proses fotodegradasi dengan katalis TiO2 secara keseluruhan berlangsung dengan melibatkan bantuan sinar UV.