PENGARUH PENAMBAHAN ZEOLIT PADA BAHAN FOTOKATALIS Cu/TiO 2 SEBAGAI BAHAN PENGOLAHAN LIMBAH METHYLEN BLUE

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Hamburan Neutron dan Sinar-X 2015 Serpong 6-7 Oktober 2015 ISSN : PENGARUH PENAMBAHAN ZEOLIT PADA BAHAN FOTOKATALIS SEBAGAI BAHAN PENGOLAHAN LIMBAH METHYLEN BLUE Auring Rachminisari, Agus Salim A., Asep Nana S. dan Joko Nurchamid Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir BATAN Gedung 71, Kawasan Puspiptek - Serpong ABSTRAK PENGARUH PENAMBAHAN ZEOLIT PADA BAHAN FOTOKATALIS SEBAGAI BAHAN PENGOLAHAN LIMBAH METHYLEN BLUE. Penambahan zeolit dilakukan dengan cara impregnasi. Komposisi zeolit dalam katalis divariasikan dari 10 gram, 15 gram dan 20 gram. Hasil yang diperoleh kemudian dikarakterisasi dengan X-Ray Difraktometer dan SEM-EDS. Pengujian aktifitas fotokatalis dilakukan dengan menggunakan UV-VIS. Struktur kristal rutile yang terbentuk muncul pada 2θ = 27,4 ; 36 ; 41,2 ; 44,5 ; 54,3 ; 56,5 ; 68,9. Penambahan zeolit pada tidak menyebabkan pergeseran pada pola difraksinya. Semakin besar penambahan Zeolit semakin tinggi intensitasnya. Intensitas tertinggi terlihat pada -Zeolit dengan kandungan Zeolit 15 gr. Secara umum penambahan zeolit mulai mempengaruhi besar ukuran butir pada penambahan zeolit 10 dan 15 gr. Hasil pengujian aktifitas fotokatalis terlihat bahwa penambahan zeolit pada mengakibatkan penyerapan limbah yang sangat baik, hal ini terlihat pada penyerapan limbah methylen blue dari 10 ppm menjadi 0,3 ppm. Sampel yang paling bagus dalam mengolah limbah methylen blue adalah -Zeolit (15 gram). Katakunci: Fotokatalitis, Zeolit-, X-Ray Difraktometer ABSTRACT THE EFFECT OF ZEOLITE ADDITION TO THE PHOTOCATALYTIC MATERIAL FOR METHYLEN-BLUE WASTE TREATMENT. The addition of zeolite was done by impregnation. Composition of zeolite in the catalyst was varied from 10, 15 and 20 grams. The results obtained were then characterized by X-Ray diffractometer and SEM-EDS. Evaluation photocatalyst activity was done by using UV-VIS. Rutile crystal structure formed appear at 2θ = 27.4, 36, 41.2, 44.5, 54.3, 56.5, The addition of zeolite in the does not cause a shift in the diffraction pattern. The larger the addition of Zeolite the higher the intensity. The highest intensity was seen in -Zeolite containing zeolite 15 gr. In general, the addition of zeolites began to affect large grain size on the addition of zeolite 10 and 15 grams. The test results shows that the photocatalytic activity of zeolite addition on Cu/TiO2 resulted in excellent absorption of waste, as seen in the absorption of methylene blue wastewater from 10 ppm to 0.3 ppm. Best sample for waste treatment methylene blue is Cu/TiO2-Zeolite (15 gram). Keywords: Photocatlytic, Zeolit-, X-Ray Difractometer 1. PENDAHULUAN Zeolit merupakan kristal alumina silika dengan struktur kerangka tiga dimensi yang membentuk dimensi molekuler pori pori dengan ukuran seragam [1]. Zeolit memiliki karakteristik kimia yang penting diantaranya sebagai adsorben yang selektif, resin penukar ion, serta katalis dengan aktivitas katalitik yang tinggi. Oksida logam titanium (TiO 2 ) banyak dilaporkan sebagai material semikonduktor yang aktif sebagai fotokatalis. Aktivitas fotokatalis (fotoaktivitas) TiO 2 dapat ditingkatkan melalui pengembangan pada material pendukung. Untuk meningkatkan absorbansi bagi foto katalis maka dilakukan rekayasa penambahan pada katalis dopan TiO 2. Dopan yang digunakan dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu dopan logam dan dopan 17

2 PENGARUH PENAMBAHAN ZEOLIT PADA BAHAN FOTOKATALIS SEBAGAI BAHAN PENGOLAHAN LIMBAH METHYLEN BLUE non logam. Dopan logam yang telah digunakan adalah logam Cu [2], namun hasilnya belum terlihat baik. Salah satu rekayasa yang dapat digunakan untuk kepentingan tersebut adalah penambahan dopan zeolit alam. Beberapa keuntungan diharapkan dari pengembangan TiO 2 pada zeolit alam antara lain potensi zeolit alam yang melimpah di Indonesia serta stabilitas yang tinggi pada kondisi asam [3]. Zeolit alam yang di dopan ke dalam memiliki fungsi ganda yaitu sebagaia dsorben (dari sifat zeolit yang berpori dan memiliki kation yang dapat dipertukarkan) serta sebagai fotokatalis. Methylen blue merupakan bahan yang banyak digunakan dalam industri tekstil namun merupakan limbah yang cukup berbahaya bagi lingkungan [4]. Disamping menimbulkan bau tak sedap, perombakan zat warna secara anaerob pada dasar perairan menghasilkan senyawa amina aromatik yang lebih toksik dibandingkan dengan zat warna semula [5]. Pada penelitian ini katalis TiO 2 akan dimodifikasi dengan dopan logam Cu yang berasal dari prekusor Cu(NO 3 ) 2.3H 2 O dan dopan non Zeolit yang beasal dari prekusor M x/n Si 1-x Al x O 2. y H 2 O dimana M= Na +,K +,Ag +,NH + 4,H. Pada penelitian ini akan dilakukan sintesa terlebih dahulu kemudian dilanjutkan dengan doping zeolit. Sintesa dilakukan dengan menggunakan metode impregnasi. Hasil yang diperoleh kemudian didopan dengan penambahan variasi zeolit dengan menggunakan metode impregnasi. Pada makalah ini dijelaskan mengenai proses pembuatan fotokatalis dan karakterisasi menggunakan XRD dan SEM-EDS. Karakterisasi XRD bertujuan untuk mengidentifikasi struktur kristal dari katalis -zeolit dengan variasi kandungan zeolit 5, 10 dan 15 gr, selain itu juga untuk mengetahui ukuran kristal, serta menentukan rasio fasa anatase dan rutile. Data yang diperoleh dari karakterisasi XRD adalah harga intensitas dan panjang celah pada sudut 2θ tertentu. Pengaruh penambahan zeolit pada bahan katalis diharapkan akan terlihat pada hasil pengujian fotokatalistik dengan menggunakan spektrometri UV-Vis. diestimasikan dari intensitas peak hasil XRD dengan persamaan [6]: 0.8 I A -1 X = 1 + (1) I R dengan: X = fraksi berat rutile dalam serbuk katalis IA dan IR= intensitas X-ray dari puncak anatase dan rutile Sedangkan ukuran kristal dapat ditentukan dari persamaan Scherrer [7]: 0.9 λ L = (2) (β cosθ) dengan: L = ukuran kristal (nm) λ = panjang gelombang radiasi sinar-x yang digunakan (nm) β = lebar dari setengah puncak gelombang tertinggi (rad) θ = sudutpuncak ( º ) 3. TATA KERJA (BAHAN DAN METODE) 3.1. Pembuatan Fotokatalis Bahan yang digunakan: TiO 2 teknis, larutan prekusor untuk Cu adalah Cu(NO3) 2.3H 2 O, air demineralisasi, beaker glass 100 ml, 250 ml, 500 ml, gelas ukur, spatula, pipet tetes, furnace/pemanas. Pembuatan Cu-TiO 2 dilakukan dengan menggunakan metode impregnasi. Tahapan - tahapan yang dilakukan adalah: TiO 2 didopan dengan logam Cu (3%) dengan cara mencampurkan dengan larutan precursor dari logam Cu(NO 3 ) 2.3H 2 O. Larutan diaduk dengan stirrer selama 30 menit pada temperatur ruang. Selanjutnya larutan diaduk dengan stirrer sambil dipanaskan pada suhu 80 º C 90 º C untuk menguapkan airnya sampai kering kurang lebih selama 3 jam. Larutan yang telah kering kemudian dikalsinasi pada suhu 130 º C selama 1 jam. 2. TEORI Setiap unsur atau senyawa memiliki harga lebar celah (d) dan intensitas yang berbeda dan spesifik. Berdasarkan sifat tersebut, XRD dapat dipakai untuk menguji suatu zat secara kualitatif untuk mengetahui struktur dari film katalis TiO 2 dengan mencocokkan pola intensitas sampel dengan pola intensitas standar yang ada. Persentase fasa rutile pada sampel dapat 3.2. Pembuatan Fotokatalis Zeolit- Bahan yang digunakan: (3%), Zeolit dari Bayah Kabupaten Lebak Propinsi Banten yang telah diaktifkan, air demineralisasi, beaker glass 100 ml, 250 ml, 500 ml, gelas ukur, spatula, pipet tetes, furnace/pemanas. Sintesis -Zeolit dilakukan dengan memvariasi kandungan zeolit dengan tahapan sebagai berikut: Menimbang sebanyak 5 gram dan zeolit sebanyak 5 gr. Masukan CuTiO 2 dan Zeolit 18

3 Auring Rachminisari secara perlahan ke dalam gelas piala berisi aquadest sebanyak 100 ml. Aduk dengan stirrer selama 30 menit. Panaskan pada suhu 90 o C sambil diaduk sampai kering. Gerus dengan mortis sampai halus. Timbang bubuk CuTiO 2 -Zeolit dengan neraca analitik. Masukan kedalam wadah penyimpanan dan beri label. Ulangi langkah diatas dengan menvariasi berat zeolit sebanyak 10 dan 15 gr Pembuatan Limbah dari Methylen Blue Tahapan pembuatan limbah Methylen Blue adalah sebagai berikut: Menimbang CuTiO 2 -Zeolit sebanyak 0,3 gram gunakan kertas timbang sebagai wadah pada neraca analik. Pipet (encerkan) methylen blue pekat sebanyak 3 ml ke dalam 300 ml aquadest di gelas piala. Masukan bubuk CuTiO2-Zeolit kedalam larutan methylen blue yang telah encer. Aduk dengan magnetic stirrer yang berada di dalam reaktor fotokatalis selama 5 jam (dalam suhu kamar) jauhkan dari sumber cahaya. Ambil sampel 10 ml menggunakan pipet gondok setiap 1 jam sebanyak 5 kali. Simpan dalam wadah dan letakan di tempat gelap total. Ulangi langkah diatas dengan memvariasi zeolit 10 dan 15 gr Karakterisasi dengan X-Ray Difractometer dan SEM-EDS Metode X ray Diffraction (XRD) dilakukan untuk menganalisa jenis dan komposisi kristal dari -Zeolit. Karakterisasi XRD bertujuan untuk mengidentifikasi struktur kristal TiO 2 dan -Zeolit. Ukuran kristal diperoleh dengan cara menghitung dari setengah lebar maksimum FWHM dengan persamaan Scherrer. Karakterisasi dengan SEM-EDS bertujuan untuk mengetahui struktur permukaan (morfologi), porositas, ketebalan serta komposisinya Pengujian Efek Fotokatalistik dengan Menggunakan Spektrometri UV-Vis Spektrofotometri ultraviolet dan sinar tampak (UV-Vis) merupakan suatu metode yang digunakan dalam menentukan gugus kromofor yang terikat pada suatu senyawa serapan cahaya oleh molekul dalam daerah spektrum ultraviolet dan sinar tampak tergantung pada struktur elektronik dari senyawa-senyawa berkaitan erat dengan transisi-transisi diantara tingkatantingkatan tenaga elektronik. Penyerapan sinar tampak atau ultraviolet oleh suatu molekul dapat menyebabkan terjadinya eksitasi molekul dari ground state (tingkat energi dasar) ke excited state (tingkat energi lebih tinggi). Pengukuran absorbansi dilakukan pada panjang gelombang maksimum, di mana pada panjang gelombang tersebut absorbsinya. Secara matematik bila sistem merupakan sistem ideal akan diperoleh garis lurus antara absorbansi dengan konsentrasi menurut hukum Lambert-Beer yang dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut [8] : log T = A = εb c (3) dengan: T = transmitansi; b = panjang jalan sinar; A = absorbansi; c = konsentrasi; ε = koefisien ekstingsi molar Grafik hubungan absorbansi (A) dengan konsentrasi (C), dimana a merupakan kemiringan (slope) diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 1. Grafik hubungan antara absorbansi dengan konsentrasi. Konsentrasi suatu analit dapat ditentukan melalui pengukuran absorbansi.syarat utama analit harus larut sempurna dan larutannya berwarna atau dibuat berwarna. Spektrofotometer UV-Vis dalam penelitian ini digunakan untuk menghitung konsentrasi methylene blue pada adsorpsi 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Karakterisasi XRD Gambar 2 memperlihatkan puncak difraksi TiO 2 dengan intensitas tertinggi sebesar 2777 pada 2θ = 27,4. Fase yang terbentuk merupakan fase rutile. Pola difraksi dari fase rutile terlihat pada 2θ = 27,4 ; 36,1 ; 41,2 ;44,1 ; 54,3 ; 56,6 ; 69, sedangkan fase anatase terlihat pada puncak 2θ = 25,3. Perbandingan fase yang terbentuk rutile 91,38% sedangkan fase anatase yang terbentuk 8,62%. Puncak difraksi milik CuO juga sudah terlihat pada 2θ = 38,3 º yang merupakan doping / pengotor. Pada pola difraksi zeolit- terlihat dengan adanya fase zeolit pada 2θ = 9,6 ; 12,4 ; 25,6 ; 29,7 ; 32,1 ; 39,1 ; 55,1 ; 62,7. Dari Gambar 2 terlihat pola difraksi fase rutile relatif tidak mengalami pergeseran. Begitu pula fase anatase juga relatif tidak mengalami pergeseran. Perbedaan terlihat dari tingginya 19

4 PENGARUH PENAMBAHAN ZEOLIT PADA BAHAN FOTOKATALIS SEBAGAI BAHAN PENGOLAHAN LIMBAH METHYLEN BLUE 4.2. Hasil Karakterisasi SEM-EDS Gambar 2. Pola difraksi sinar-x (a) TiO 2, (b) zeolit- 5 gr, (c) zeolit- 10 gr dan (d) zeolit- 15 gr. intensitas. Semakin besar penambahan Zeolit semakin tinggi intensitasnya. Intensitas tertinggi terlihat pada -Zeolit dengan kandungan Zeolit 15 gr. Semakin tinggi penambahan zeolit semakin tinggi intensitasnya. Penambahan intensitas disebabkan adanya kandungan zeolit dan Cu yang dapat mensubsitusikan sebagian dari atom O pada TiO 2, sehingga komposisi kristal TiO 2 tipe rutile semakin menurun. Dari Tabel 1 terlihat bahwa penambahan dopan Cu dan Zeolit membuat ukuran kristal cenderung menjadi lebih besar dibandingkan dengan ukuran kristal TiO 2, sedangkan fraksi rutilenya cenderung menurun. Ukuran kristal TiO 2 dan Zeolit- (5 gr) relatif sama.. Penambahan zeolit sebanyak 5 gr belum menunjukkan adanya pembesaran ukuran kristal. Pada Zeolit- (10 gr) dan Zeolit- (15 gr ) terlihat ukuran kristalnya menjadi lebihbesar yaitu nm. Pada penambahanzeolit sebesar 10 gr dan 15 gr baru terlihat ukuran kristalnya menjadi lebih besar. Fraksi rutile yang terbentuk penambahan pada dopan Cu dan zeolitmembuat fraksi rutilenya semakin berkurang. Tabel 1. Hasil karakterisasi XRD. No. Sampel 2θ ( o ) L (nm) X (%) rutile 1. TiO2 27,49 31, ,38 2. ZEOLIT- 27,41 31, ,68 (5 gr) 3. ZEOLIT- 27,44 37, ,83 (10 gr) 4. ZEOLIT- (15 gr) 27,44 37, ,92 Semakin besar penambahan dopan Cu dan zeolit relatif semakin kecil fraksi rutile yang terbentuk. Gambar 3 menunjukkan bahwa pada gambar A terlihat bentuk butir dari TiO 2, pada gambar B mulai terlihat adanya butir Cu dan zeolit, pada gambar C dan D terlihat adanya butir Cu dan zeolit yang semakin besar. Secara umum penambahan dopan Cu dan zeolit mulai mempengaruhi besar ukuran butir pada penambahan zeolit 10 dan 15 gr. Untuk lebih jelasnya hasil karakterisasi SEM EDS ditunjukkan pada Tabel 2. Dari Tabel 2 terlihat bahwa tingkat keberhasilan penambahan dopan Cu pada TiO 2 relatif tinggi yakni lebih dari 50%, sedangkan pada penambahan zeolit relatif kecil yakni dibawah 50%. Tingkat keberhasilan tertinggi terlihat pada kandungan zeolit 10 gr sebesar 35,67%. Hal ini disebabkan pada -zeolit 10 gr ukuran kristalnya lebih besar dibandingkan dengan TiO 2, sehingga lebih banyak terbentuknya pori yang dapat mengabsopsi limbah metylen blue. Tingkat keberhasilan terendah terlihat pada dopan zeolit 5 gr yaitu sebesar 28,08%. Hal ini disebabkan pada metode impregnasi ukuran kristal dopan zeolit 5 gr cenderung lebih kecil sehingga hanya sebagian kecil yang terdispersi pada permukaan TiO 2. Akibatnya dopan zeolit tidak terikat dengan baik dalam TiO 2 dan akan mudah terlepas kembali. a. b. c. d. Gambar 3. Karakterisasi SEM EDS dengan pembesaran 1000X: (a) TiO 2, (b) Zeolit- (5 gr), (c) Zeolit- (10 gr), dan (d) Zeolit- (15 gr). 20

5 Auring Rachminisari Tabel 2. Hasil karakterisasi SEM-EDS. No. Bahan Kandungan (%) Tingkat keberhasilan (%) Cu Zeolit Cu Zeolit 1. Zeolit- 2,77 15,08 85,98 28,08 (5 gr) 2. Zeolit- 2,08 24,8 66,49 35,67 (10 gr) 3. Zeolit- (15gr) 1,76 32,41 56,32 32,75 Jam Tabel 3. Hasil pengukuran aktifitas fotokatalis Zeolit-CuTiO 2. Ordinat Zeolit PPM Zeolit 5 gr 10 gr 15 gr 5 gr 10 gr 15 gr 1 0,1896 0,0645 0,0007 1, , , ,0613 0,0337 0,0143 0, , , ,0332 0,0062 0,0085 0, , ,0205 0,0059 0,0000 0, , , Hasil Pengujian Fotokatalistik dengan Spektrometrik UV-Vis dan Pembahasan Pengukuran Larutan Methylen Blue Standar untuk Kalibrasi Hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar 4 dimana digunakan λ (panjang gelombang) = nm. Dibuat konsentrasi methylen blue sebesar 2, 4, 6, 8, 10 ppm. Diperoleh persamaan y = x , dimana: y = ppm dan x = ordinat. Dari grafik tersebut dapat ditentukan konsentrasi methylen blue yang terukur dalam ppm Pengukuran Sampel Pada Tabel 3 terlihat pada penambahan zeolit 5, 10 dan 15 gram konsentrasi limbah methylen blue turun dari 10 ppm menjadi 1,427949, 0, dan 0,30815 ppm selama pengadukan 1 jam. Semakin lama pengadukan konsentasi limbah methylen blue semakin kecil. Proses pengolahan limbah methylen blue dari sampel Cu-TiO 2 -Zeolit (5,10 dan 15 gram), dapat ditunjukkan dalam grafik pada Gambar 5 yang memperlihatkan penurunan tajam konsentrasi limbah methylen blue pada pengadukan selama 1 jam. Pada penambahan zeolit 10 dan 15 gr Gambar 4. Grafik kalibrasi larutan methylen blue. Gambar 5. Pengaruh waktu pengadukan terhadap konsentrasi limbah methylen blue. terlihat penurunan konsentrasi limbah methylen blue hampir sama, hal ini disebabkan dari ukuran butir yg cenderung sama tidak terlalu berpengaruh untuk mereduksi limbah methylen blue. Sampel yang paling bagus dalam mereduksi limbah methylen blue adalah -Zeolit (15gram). Adanya zeolit- yang disinari UV, menyebabkan elektron tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi, meninggalkan hole (h + ) pita valensi yang berinteraksi dengan air membentuk OH, sedangkan elektron akan mengabsorsi molekul O 2 dan H 2 O menghasilkan O 2 dan OH. 5. KESIMPULAN Semakin besar penambahan Zeolit semakin tinggi intensitas kandungan zeolitnya. Intensitas tertinggi terlihat pada -Zeolit dengan kandungan Zeolit 15 gr. Secara umum penambahan zeolit mulai mempengaruhi besar ukuran butir pada penambahan zeolit 10 dan 15 gr. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan disimpulkan bahwa zeolit-cutio 2 sangat baik untuk mereduksi limbah methylen blue, hampir semua limbah terserap dengan baik. Penambahan zeolit pada katalis yang terbaik yaitu pada penambahan zeolit 15% karena dapat menghasilkan ukuran kristal yang relatif lebih besar dari katalis TiO 2 dengan tingkat keberhasilannya sebesar 35,67%. 21

6 PENGARUH PENAMBAHAN ZEOLIT PADA BAHAN FOTOKATALIS SEBAGAI BAHAN PENGOLAHAN LIMBAH METHYLEN BLUE 6. UCAPAN TERIMAKASIH Ucapan terima kasih kepada Ka.BK2K, Ka. Sub. Bid. KKPR, Saudara Drs. Bambang Sugeng, M.T., Dra. Deswita, Dra. Siti Wardiyati serta KPTF di PSTBM-BATAN yang banyak membantu dalam pengujian, karakterisasi dan penyusunan makalah. 7. DAFTAR PUSTAKA 1. BRECK, D.W., Zeolistes Molecular Sieves, Structure, Chemistry, and Use, John Willey and Sons, Inc.,New York (1974) 2. RACHMINISARI, A., AFROZI, A.S., SUKARYO, S.G., dan SUTRESNA, A.N., Pembuatan dan karakterisasi dan -N sebagai bahan fotokatalis untuk pengolahan limbah (Prosiding Seminar Nasional & Workshop Hamburan Neutron dan Sinar X, Serpong 2013) Badan Tenaga Nuklir Nasional 3. FATIMAH, I. dan WIJAYA, K., Tecnoin 10 (4) (2005) 4. RADECKA, M., REKAS, M., TRENCZEK- ZAJAC, A., and ZAKARZEWSK, K.J. Power Sources, 181 (2008) ASAHI, R., MORIKAWA, T., OHWAKI, T., AOKI, K., and TAGA, Y., Science, 293 (2001) SURYANARAYANA, C. and NORTON M.G., X-Ray Diffraction Plenum Press, New York (1998) 7. GUNLAZUARDI J., Fotokatalis pada permukaan TiO 2 : Aspek Fundamental dan Aplikasinya (Prosiding Seminar Nasional Kimia Fisika II, Jakarta 2001) 8. GANJAR, I.G. dan ROHMAN, Kimia Farmasi Analisis, Pustaka Pelajar, Yogyakarta (2007) 22