Widdi Usada, dkk. ISSN 0216- 3128 243~

STUDI SISTEM OKSIDASI MAJU UNTUK PERLAKUAN AIR

Widdi Usada, Bambang Siswanto, Suryadi, Agus Purwadi, IsyuniartoPustek Akselerator dan Proses Bahan - BA TAN

ABSTRAK

STUD! SISTEM OKSIDASI MAJU UNTUK PERLAKUAN AIR. Air bersih tetap merupakan masalah besar,disamping energi dan pangan, terlebih di Indonesia yang 70 % warganya tinggal di P. Jawa. Salah satuupaya dalam penanganan air bersih adalah daur ulang air yang telah digunakan. Dalam hal ini sangatdiperlukan teknologi air bersih. Banyak cara telah dilakukan, dan yang dijelaskan dalam makalah iniadalah sistem teknologi oksidasi maju berbasis ozon yang dihasilkan dengan teknik lucutan plasma dengantitania dan lucutan plasma.

Kata Kunci: Plasma, Ozon, Oksidasi Maju, Titania, air bersih..

ABSTRACT

STUDY OF ADVANCED OXIDATION SYSTEM FOR WATER TREATMENT. Hygiene water is still a bigproblem globally as well as energy and food, especially in Indonesia where more than 70 % lived in Javaisland. One of the efforts in treating hygiene water is to recycle the used water. In this case it is neededclean water technology. Many methods have been done, this paper describes the advanced oxidationtechnology system based on ozone, titania and plasma discharge.

Keywords: Plasma, ozone, advanced oxidation, titania, hygiene water.

PENDAHULUAN

Dengan laju pertumbuhan penduduk yang cukuptinggi, pembangunan kawasan industri yangtersebar di P. Jawa, serta laju penggundulan hutanyang tidak seimbang dengan laju penghijauan, makapersoalan air di P. Jawa akan menjadi problem besardisamping energi dan pangan, terlebih di pulauterse but hampir dihuni sekitar 70 % jumlah pendu­duk di Indonesia. Persoalan besar tersebut bagi Ka.Batan merupakan topik dari tiga isu utama yaitu airbersih, pangan dan energi yang dalam beberapatahun mendatang perlu ditangani secara serius.Khususnya air, maka diharapkan Batan dapat mem­berikan kontribusi nyata dalam memecahkan per­soalan tersebut melalui teknologi yang sudah pemah

dikembangkan seperti membran dan teknologilainnya.[I) Air sehat atau air higinis adalah air yangtidak mengandung bakteri atau virus dan tidakmengandung logam-Iogam atau senyawa berbahaya.Oleh karena itu dua teknologi yang berperan untukmemperoleh air sehat adalah teknologi penyaringan

dan teknologi sterilan. Membran merupakan salahsatu teknologi untuk penyaringan, sedangkan

teknologi sterilisasi yang ramah lingkungantermasuk didalamnya ozon dan oksidasi maju.Dalam kajian ini disajikan studi pemanfaatan ozondengan oksidator Jainnya untuk perlakuan air.

SIFAT-SIFAT OZON

Dalam beberapa dekade terakhir sterilanozon sangat dominan untuk perlakuan air karenasifat-sifat unggulan yang dimiliki ozon. Sifat unggul

ozon diantaranya adalah potensial oksidasi 2.07 eV,mobilitas yang tinggi, ramah lingkungan, reaktifdengan senyawa organik. Dengan keunggulannyatersebut ozon dimanfaatkan untuk membunuh

beragam jenis virus, bakteri dalam media udara

maupun air dan selanjutnya dimanfaatkan untuksterilisasi piranti kedokteran, penyimpanan buah,penurunan BOD dan COD limbah cair dari industri

(sebagai contoh ozon mampu mendegradasisenyawa organik toksik sampai 30 %), mengurangiwarna dan bau limbah dan dalam beberapa tahunterakhir ozon juga digunakan untuk terapi. Namundibalik keunggulan, ozon juga memilikiketerbatasanp) diantaranya dalam media air ozonhanya berfungsi untuk pH lebih besar dari 7, umur

paro juga lebih pendek (Gambar 1) dan derajadkelarutannya juga menurun pada suhu-suhu tinggi(Gambar 2.), dan karena disamping potensial tidaksangat tinggi, kecepatan reaksinya tidak cukuptinggi sekitar I - 103 L morl detik-1 maka kemam­puan reaktivitas juga tidak terlalu tinggi.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

244 ISSN 0216 - 3128Widdi Usada, dkk.

I

160 E 140C'CI

o 120co 100~ 800•.. 60C'CI Co•..

40:::I E

20=> 0

0

204060

Suhu (derajad C)

Gambar 1. Umur paro ozon dalam media udara dan air sebagai fungsi suhu.

25

E; 20~4:

~ 15iiicc:

2 10oc:••

2 5.•Qj~

oo 5 10 15 20 25

Suhu (derajad C)

Gambar 2. Derajat kelarutan ozon dalam media air sebagai fungsi suhu.

Untuk mengatasi hal tersebut maka dicarioksidator yang lebih kuat dengan tetapmengindahkan persyaratan ramah lingkungan, dan

berdasar Tabel I, maka sebagai pilihannya adalahradikal OH. Radikal OH ini mempunyai kecepatanreaksi yang sangat tinggi 108 - 1010 L mOrl detik-I•

Tabel I. Jenis radikal, potensial, dan dampak Iingkungan.

Jenis Radikal Potensial (V)Dampak Lingkungan

Fluorin (F)

2,87Tidak ramah

Radikal hidroksil (OH)

2,86Ramah

Atom oksigen (0)2,42Ramah

Malekul ozon (03)

2,07Ramah

Hidrogen peroksida (H?O?)

1,78Ramah

Khlorin (CI)

1,36Tidak ramah

Khlorin dioksida(CIO?)

1,27Tidak ramah

Molekul Oksigen (02)

1,23Ramah

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

Widdi Usada, dkk. ISSN 0216 - 3128 245

Ada berbagai teknologi untuk mendapatkanradikal OH tersebut yang disebut dengan teknologioksidasi maju diantaranya dengan[3]

A. Sinar UV dan hidrogen peroksida (UV­8202)

Dengan adanya hidrogen peroksida makapembentukan radikal terjadi karena reaksi hidrogenperoksida dengan sinar UV berenergi hu

B. Sinar UV dan ozon 03 (UV-O])

Reaksi pembentukan radikalnya adalah

SISTEM OKSIDASI MAJU

Dua hal yang menarik perhatian untukdibahas dalam makalah ini yaitu teknologi okasidasimaju hibrid antara ozon dengan titania dan lucutanplasma sumber elektron. Dengan dua jenis teknologitersebut maka perlu disusun sistem teknologioksidasi maju sebagai berikut.

Teknologi lucutan plasma sumher elektron

Ada dua jenis teknologi yang dapat ditawar­kan untuk memperoleh air sehat, yaitu teknologilucutan plasma terhalang dielektrik dan lucutankorona.

D. Sinar UV,Ti02dan 0]

Radikal OH diperoleh dari pengaktifantitania (titanium Oksida).

H202 + hu --+ 2 'OH

C. Sinar UV, H202 dan 0]

Reaksi pembentukangabungan dari A dan B.

radikal adalah

Sistem oksidasi maju dengan lucutan plasmaterhalang dielektrik.

Dengan teknologi ini air belum bersihdilewatkan pada sistem seperti diperlihatkan padaGambar 3. Dalam Gambar 3. tersebut ditunjukkanlucutan listrik diantara ruang antara dielektrikdengan anode yang diberi tegangan tinggi bolak­balik. Dalam lucutan ini diperoleh cukup banyakelektron yang kemudian bereaksi dengan airmembentuk radikal OH yang selanjutnya akanmensterilkan air tersebut dan luarannya adalah aairsteril. Tentu saja tidak sepenuhnya air luaran akanmenjadi steril, tergantung kepada konsentrasiradikal OH dan waktu kontak radikal OH denganair yang akan disterilkan.

E. Teknologi lucutan plasma sebagai sumberelektron

e + H20 --+ H + OH-

secara prinsip teknologi oksidasi maju denganmetode diatas dapat memberikan radikal OHsehingga disamping ozon metode yang ramahlingkungan tetap dapat diperoleh.

Air belum

sehatla

Oksidasi maju dengan lucutan koronal4•51

Lucutan korona adalah lucutan plasma yangdihasilkan dari lucutan dua elektrode berbeda

geometri seperti diperlihatkan Gambar 4. Sepertihalnya pada lucutan plasma terhalang dielektrik,elektron yang dihasilkan oleh lucutan korona akanbereaksi dengan air dan membentuk radikal OH.

D:ir,Hchik

Gambar 3. Teknologi lucutan untuk perlakuan air.

Proslding PPI • PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

246- ISSN 0216 - 3128

- Pump

Plexiglas

Cooler

Gambar 4a. Sistem lucutan korona arus besar untuk perlakuan air.

Widdi Usada, dkk.

a b c

Gambar 4b. Sistem korona arus lemah untuk perlakuan air bersih.

Oksidasi maju berbasis ozon dengan titanitf6f

Dengan sistem ini dua oksidator kuat 03 dan..Q!Lbersama-sama dimanfaatkan sebagai sterilan.Semikonduktor titania yang disinari sinar UV akanmemaksa elektron di pita valensi pindah ke pita

konduksi dengan meninggalkan lowongan yangdisebut hole yang bermuatan positif. Kedua spesies

aktifyaitu pasangan eO-h+ini bersama akan berea!ssL..."dengan H20 dan O2 nantinya akan membentuk OWGambar 5 memperlihatkan sistem oksidasi majuberbasis ozon dan titania-------

Keterangiln Gilmbilr :1. Laser Nitrogen (337.1 nm), 2. Kolimator berkas, 3. Pemecah Berkas,4 . .Alat ukur Tenaga Berkas Laser 5. Cermin, 6. Pengatur DiameterBerkas, 7. Jendela Quartz, 8. Volume Mati Cell, 9. Volume Efektif Cell,10. Magnetic Stirrer (Pengaduk Magnetik). 11. Magnetic Plate (P~ingmagnetic), 12. Inlet Gas, 13. Katup Cuplikan Cair, 14. Katup CuplikanGas, 15. Outlet Gas, 16. Cell Pyrex.

Gambar S. Sistem oksidasi maju berbasis ozon dan titania.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

Widdi Usada, dkk. ISSN 0216 - 3128 247

50%

Tabel 2. Karakteristik tipikallucutan koro­na arus lemah.(4)

Gambar 6. Aplikasi sistem korona untukdegradasi fenoI.141

Teknologi oksidasi m;yu dengan memanfaat­kan gabungan antara ozon dan titania seperti yangdiperlihatkan Gambar 5 merupakan gabungan yang

100

•

152

•

11476

25% I .o

BesaranDimensi

Waktu bangkit arus

I nanodetik

Umur arus

I mikrodetik

Periode ulangan

I milidetik

Diamater arus

Puluhan mikrometer

Tenaga elektron

Beberapa eV

Panjang elektrode (em)

ta 40%c:~.~ 35%-g I •~ 30%c

maka digunakan celah cethus (spark-gap) sebagaikendalinya. Semakin tinggi pulsal:5erulangnya makaenergi yang diberikan juga semakin besar artinyapanas yang dihasilkan juga cukup besar, sehinggadiperlukan sistem pendingin (cooler). Pendinginsangat besar peranannya agar radikal berumurcukup panjang sehingga jumlah reaksi untukmerusak polutan juga cukup besar. Lucutan koronadengan arus kecil seperti diperlihatkan Gambar 4.bdapat pula digunakan untuk perlakuan air bersih.Pada umumnya seperti halnya pada lucutan plasmaterhalang dielektrik karakteristik tipikal lucutannyadapat dilihat pada Tabel 2,

Dengan sistem lucutan korona arus lemahmaka kemampuannya juga terbatas, oleh karena itudiperlukan waktu yang cukup lama untukmemperoleh air yang steril. Gambar 6menunjukkan contoh penggunaan sistem koronauntuk degradasi fenol sebagai fungsi panjangelektrode yang tercelup dalam larutan.

PEMBAHASAN

Tiga pilihan teknologi yang dikemukaandiatas sejauh ini mampu dalam meningkatkankinerja oksidator sebagai sterilan atau degradasisenyawa organik seperti phenol. Teknologi lucutanterhalang dielektrik karena menggunakan bahandielektrik maka dibutuhkan tegangan tinggi bolak­balik. Besarnya tegangan tinggi yang dibutuhkanlebih dari 27 kV, oleh karenanya teknologi inimengandung resiko terhadap bahaya tegangantinggi, sehingga diperlukan isolasi serta pengamankeselamatan terhadap tegangan tinggi. Karenamenggunakan bahan dielektrik maka tegangan yangdigunakan bersifat bolak-balik dan pada umumnyatTekuensi yang digunakan dalam orde puluhansampai dengan ribuan hertz. Lucutan terhalangdielektrik pada umumnya menghasilkan arus rendah(dalam orde mA) maka jumlah elektron yangdihasilkan selama lucutan juga rendah sehinggakonsentrasi radikal yang diperoleh juga rendah,Oleh karena itu dalam penggunaannya diperlukanwaktu relatif cukup lama, untuk memperoleh nilaiCT (C = konsentasi radikal, dan T waktu) yangdikehendaki. Untuk sistem dengan daya besar,diperlukan pendingin agar umur paro radikal dapatbertahan cukup lama. Jadi tidak hanya ozon sepertidiperlihatkan Gambar 1. saja yang umur paronyatergantung kepada suhu juga radikal-radikallainnya.DaTi segi penguasaan teknologi maka teknologi inimampu dilaksanakan di puslit ini.

Seperti halnya teknologi lucutan plasmaterhalang dielektrik, teknologi lucutan korona jugamenggunakan tegangan besar sekitar 40 kV, olehkarena itu penanganan untuk keselamatan harusdiperhatikan secara serius. Arus yang diperolehdalam lucutan korona ini tinggi (dalam ordeampere) sehingga diperoleh radikal dalam jumlahbesar. Keuntungan daTi lucutan korona yangmenghasilkan arus listrik besar maka kemampuanuntuk mestrerilkan juga besar, sehingga waktusterilisasi yang dibutuhkan relatif kecil. Untukmendapatkan arus yang besar diperlukan kapasitordengan nilai kapasitansi yang besar juga. Karenauntuk mengisi kapasitor diperlukan waktu yangcukup, maka pada umumnya lucutan koronadioperasikan dalam mode pulsa. Mode pulsaberulang (repetitive mode) ini bertujuan untukmengendalikan kapasitor. Pada saat kapasitormelucutkan muatannya maka waktu pelucutansebagai fungsi tetapan waktu LC (L induktansisistem lucutan dan C kapasitansi kapasitor) dan saatmengisi muatan maka waktu pengisian muatannyasebagai fungsi tetapan waktunya RC (R tahanan danC kapasitansi kapasitor). Nilai tetapan waktutersebut diperlukan sebagai masukan pengendalisistem. Untuk pengendalian arus-arus cukup besar

Prosiding PPI • PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

248 ISSN 0216 - 3128 Widdi Usada, dkk.

sangat ideal karena kedua sistem tidak meng­gunakan sumber tegangan tinggi pada saatdikenakan pada obyek air, berbeda jauh denganyang diperlihatkan dengan teknologi lucutanterhalang dielektrik maupun korona. Jadi sistemyang terakhir ini relatif aman, meskipun diluarsistem tersebut masih menggunakan sistem tegangantinggi untuk memproduksi ozonnya. Keunggulansemikonduktor titania dibanding dengan ozonadalah titania akan menghasilkan pasangan e' - h+

dalam waktu cukup lama sehingga kedua spesies iniakan mempunyai waktu cukup lama untukmembentuk radikal-radikal OH yang baik potensialmaupun reaktivitasnya lebih besar daripada ozonapabila permukaannya disinari dengan UV denganenergi sekitar 3 eV. Tentu saja produksi pasanganhole elektron tersebut jumlahnya tergantung kepadaintensitas sinar yang diberikan sehingga diperlukanintensitas yang cukup terang. Hasil penelitianterdahulu yang dilakukan dengan menggunakanlampu Hg sebagai sumber sinar UV, menghasilkanpanas yang cukup tinggi, sehingga akan mengurangikemampuan ozon, oleh karenanya dikembangkanpenggunaan sinar laser yang selain terarah,intensitas tinggi (terfokus) dan tidak memberikandampak panas disekitamya. Dalam hal ini diguna­kan sinar laser nitrogen pulsa yang mempunyai

0,035

panjang gelombang 337.2 nm yang setara denganenergi foton 3.4 eV, sedikit lebih tinggi daripadapersyaratan minimal untuk memindahkan e1ektrondi pita valensi ke pita konduksi pada titania. Gambar

7 menunjukkan dampak intensitas ~enyinaran uvdengan umur pasangan hole-elektron. 6]

Dengan demikian maka bila umur pasanganhole e1ektron cukup besar maka kebolehjadianpembentukan radikal OH juga semakin besar dandampaknya adalah kemampuan teknologi untukmendapatkan air bersih juga meningkat. Karenasifat kearahan sinar UV dengan laser nitrogen sertaintensitasnya cukup tinggi maka kedudukan titaniaharus tetap, dan untuk hal tersebut diperlukanlapisan tipis titania yang terpasang didalam bejanapenjemihan.

Laser nitrogen telah dikonstruksi diPTAPB.(7) Laser nitrogen TEA ini tipe Blumleindengan 2 kapasitor kiri dan kanan dengan laserchannel ditengah. Laser ini dikendalikan oleh celahcethus (spark-gap). Berkas sinar luaran laser dapatdiatur dengan sistem kolimator.

Dengan demikian sistem oskidasi maju yangdipilih tersebut dapat dikonstruksi dengankemampuan baik SDM maupun komponennya.

0,030

0,025 .•..................

_ 0,020 .•· ·· ····>E-M 0,015- · .

o,oos- ·· ·..··_~

· .· -· .~ • ~ i~.•••.••..••••..• 1' •..••.•.H._." ....., ........•.•..-1.••.••••..•.••••.•.•.•-. un .'.- ~•••• _•••••• - no •• -. u. ·W" ·-i...~ ...

.. . .. . .'Cl ' :

: . ,,· ·· · ·· .. 1··· ·.. ······· ····t···· .1· .

' ? 'j" ................•.

!~_HjHm!mmi

0,000, --T Ni--" ,--.--, -- 'f· -- , r- -- , ·7 •..•.........--•.•....•: ~ :

o 50 100 150 200 250

Waktu (nanodetik)

Gambar 7. Umur pasangan hole-elektron pada titania fungsi intensitas sinar UV.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

Widdi Usada, dkk. ISSN 0216 - 3128 249

KESIMPULAN

Telah ditunjukkan beberapa sistem oskidasimaju. Sistem oksidasi maju yang menggunakangabungan antara ozon dengan fotokatalis titaniayang digunakan untuk perlakuan air maka sistemtersebut dapat dikonstruksi sendiri dengan kemam­puan baik SDM maupun komponen yang ada.Dengan melihat segi keunggulan dan kekuranganmaka teknologi oskidasi maju tersebut memilikipeluang yang cukup besar mengingat resikonegatifnya keci\.

UCAP AN TERIMA KASIH

Diucapkan terima kasih kepada Sdr. DodiIrwanto dan Beta Agung Priyatna sebagaimahasiswa bimbingan tahun 2006 dari JurusanKimia UNY sehinga memaksa penulis belajarbanyak ten tang aplikasi oksidasi maju. Juga kepadaDr. Hari Sutrisno dosen Jurusan Kimia FMIPA

UNY yang bersedia menjadi partner dalammembimbing mahasiswa tentang peranan titaniauntuk degradasi feno\.

ACUAN

I. Ka. BATAN, Dalam Arahan Didepan PejabatStruktural dan Fungsional PTAPB, April 2007.

2. OZONE SOLUTIONS INC, Ozone Properties,http:www.ozoneaplications.com

3. wlDm USADA DKK., Prinsip DasarTeknologi Oksidasi Maju:Teknologi HibridaOzon Dengan Titania, Di~ukan Untuk PPI2007, PTAPB-BATAN.

4. GRABOWSKI L.R., Pulsed Corona in Air forWater Treatment, Tesis Doktor, TECHNISCHEUNIYERSITEIT EINDHOYEN, April 2006.

5. BING SUN et al., Oxidative ProcessesOccuring When Pulsed High Voltage Dis­charge Phenol in Aqueous Solution, Environ.Sci. Techno\. 2000, 34,509-513.

6. KOLENKO, YU.Y. et al., PhotocatalyticProperties of Titania Powders Prepared byHydrothermal Method, Apllied Catalysis B:Environmental 54 (2004) 51-58.

7. wlDm USADA, dkk., Fenomena LucutanFilamentari Pada Celah Cethus, Dipresentasi­kan Pada The 8th National Meeting OfAccelerator Technology And Its Application,P3TM-BATAN, Yogyakarta, November 21-22,2005.

TANYAJAWAB

Wirjoadi

- Mengapa disebut oksidasi maju.

- Apakah sinar tampak dapat digunakan dalamteknologi ini.

Widdi Usada

- Terima kasih atas pertanyaan Bapak. Oksidasikonvensional seperti penggunaan ozon, khlorindan lain-lain dimaksudkan untuk merusak

senymva-senymva organik beracun dan mikro­organisme seperti virus, bakteri, jamur, sporadll.Keunggulan ozon dibanding khlor misalnyaadalah ozon ramah lingkungan. Oksidasi majuadalah metode perusakan senyawa organikberacun dan mikroorganisme dengan kemampu­an yang lebih besar daripada oksidasi konven­sional dan ramah lingkungan. Oleh karena itupenamaan oksidasi maju adalah dikaitkandengan kemampuannya yang lebih unggul daripada oksidasi konvensional. Keunggulannya ter­letak pada potensial oksidasi yang lebih besardaripada ozon (sekitar 2,07 eJ1, dan pilihanterbaiknya adalah radikal OH (2.87 eJ1. Radikalini dapat diperoleh dengan berbagai cara salahsaW diantaranya adalah pengaktifan titania (ber­sifat fotokatalis) dengan penyinaran sinar UVpada panjang gelombang berbeergi sekitar 3 e V.

- Perkembangan selmyutnya adalah bagaimanamengaktifkan fotokatalis dengan panjanggelombang sinar tampak. Usaha yang dilakukanadalan pemberian dopan tertentu padasemikonduktor titania sehingga energi gapnyadapat diturunkan sehingga sinar tampak dapatmengaktifkan titania tersebut. Foto katalis selaintitania yang aktif pada panjang gelombang sinartampak misanya adalah CdS.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BAT AN

Yogyakarta, 10 Juli 2007