BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Fenol Fenol (C 6 H 6 OH) merupakan senyawa organik yang mempunyai gugus hidroksil yang terikat pada cincin benzena. Senyawa fenol memiliki beberapa nama lain seperti asam karbolik, fenat monohidroksibenzena, asam fenat, asam fenilat, fenil hidroksida, oksibenzena, benzenol, monofenol, fenil hidrat, fenilat alkohol, dan fenol alkohol (Nair et al, 2008). Fenol memiliki rumus struktur sebagai berikut (Poerwono, 2012). Fenol adalah zat kristal yang tidak berwarna dan memiliki bau yang khas. Senyawa fenol dapat mengalami oksidasi sehingga dapat berperan sebagai reduktor (Hoffman et al., 1997). Fenol bersifat lebih asam bila dibandingkan dengan alkohol, tetapi lebih basa daripada asam karbonat karena fenol dapat melepaskan ion H + dari gugus hidroksilnya. Lepasnya ion H + menjadikan anion fenoksida C 6 H 5 O - dapat melarut dalam air. Fenol mempunyai titik leleh 41 o C dan titik didih 181 o C. Fenol memiliki kelarutan yang terbatas dalam air yaitu 8,3 gram/100 ml (Fessenden dan Fessenden, 1992). Fenol merupakan senyawa yang bersifat toksik dan korosif terhadap kulit (iritasi) dan pada konsentrasi tertentu dapat menyebabkan gangguan kesehatan manusia hingga kematian pada organisme. Tingkat toksisitas fenol beragam 5
6 tergantung dari jumlah atom atau molekul yang melekat pada rantai benzenanya (Qadeer and Rehan, 1998). 2.2 ZnO Seng oksida merupakan senyawa anorganik logam golongan transisi yang mempunyai rumus umum ZnO. Terdapat 3 bentuk struktur kristal ZnO yang terdapat di kerak bumi, yaitu: hexagonal wurtzite, cubic zincblende, dan cubic rocksalt. ZnO memiliki massa molar 81,38 g/mol, dengan persentase Zn = 80,34% dan O = 19,66%. Semikonduktor ZnO memiliki energi celah pita 3,2 ev (Sing, 2009). ZnO merupakan kristal berwarna putih dan memiliki struktur berbentuk heksagonal. ZnO terbentuk dari pembakaran logam seng di udara. Pemanasan ZnO membuat kristal yang berwarna putih berubah warna menjadi warna kuning (Cotton and Wilkinson, 1989). Pemanasan ZnO dengan karbon mengubah seng menjadi : 2.3 Fotokatalis Fotokatalis merupakan material yang digunakan sebagai katalis dalam proses reaksi kimia yang melibatkan cahaya untuk mempercepat terjadinya transformasi kimia. Transformasi tersebut terjadi pada permukaan fotokatalis. Fotokatalis menghasilkan permukaan yang bersifat sebagai pengoksidasi yang kuat sehingga dapat digunakan untuk mengurangi zat-zat yang berbahaya seperti senyawa organik atau bakteri ketika dikenai cahaya matahari atau lampu yang berpijar. Beberapa semikonduktor yang sering digunakan sebagai fotokatalis antara lain seng oksida (ZnO), titanium oksida (TiO 2 ), seng sulfida (ZnS), tungsten oksida (WO 3 ), stronsium titanat (SrTiO 3 ), dan hematite (α-fe 2 O 3 ).
7 Fotokatalis semikonduktor dapat menghasilkan radikal hidroksil bebas ( OH) yang dapat memineralisasi zat-zat berbahaya (Xiao Qi dan Yao Chi, 2010 ). Radikal hidroksil ( OH) merupakan oksidator kuat karena memiliki potensial oksidasi relatif paling tinggi, yaitu 2,8 V (Parekh, 2007). Material fotokatalis sering digunakan untuk mendegradasi polutan cair menjadi senyawa yang lebih ramah lingkungan. Semikonduktor titanium dioksida (TiO 2 ), seng oksida (ZnO) atau kadmium sulfida (CdS) merupakan fotokatalis yang tergolong sebagai fotokatalis heterogen. Secara umum fotokatalis dibagi menjadi dua macam : a. Fotokatalis homogen Fotokatalis homogen merupakan suatu material dimana katalis, medium dan reaktan berada dalam fase yang sama dalam proses fotokatalisis. Dalam proses ini interaksi antara foton dengan spesi pengabsorpsi (senyawa koordinasi dari logam transisi zat warna organik), substrat (kontaminan) dan cahaya akan menyebabkan terjadinya modifikasi (perubahan) substrat. Proses fotokatalisis ini terjadi dengan bantuan zat pengoksidasi seperti ozon dan hidrogen peroksida. b. Fotokatalis Heterogen Pada proses fotokatalisis heterogen, katalis tidak berada pada satu fasa dengan medium dan reaktan. Konsep degradasi fotokatalisis heterogen ini cukup sederhana, yaitu irradiasi padatan semikonduktor yang stabil untuk menstimulasi reaktan antar fasa permukaan padat atau larutan. Sesuai dengan definisi ini maka zat padatnya tidak berubah dan dapat diambil lagi setelah beberapa kali siklus reaksi redoks (Vora, 2009).
8 2.4 Fotokatalis ZnO ZnO merupakan semikonduktor yang berfungsi sebagai katalis. Semikonduktor ZnO memiliki energi celah pita (bandgap energy) yang cukup tinggi yaitu 3,2 ev (Wang, 2004). Dengan besarnya nilai band gap yang dimiliki ZnO maka besar pula kemampuan untuk menyerap foton dari sinar matahari dan semakin besar pula rentang cahaya yang dapat diserap oleh material semikonduktor untuk fotokatalisis. Panjang gelombang cahaya yang dibutuhkan oleh band gap ZnO dengan energi 3,2 ev ialah 390 nm. Hanya dengan energi bandgap yang cukup tinggi dan panjang gelombang cahaya yang relatif rendah dapat menghasilkan elektron dan hole (Gunlazuardi, 2009). 2.5 Fotodegradasi Degradasi adalah suatu reaksi perubahan kimia atau peruraian suatu senyawa atau molekul menjadi senyawa atau molekul yang lebih sederhana secara bertahap. Misalnya, pengurangan panjang polimer makromolekul atau perubahan gula menjadi glukosa dan akhirnya membentuk alkohol. Terdapat beberapa macam proses degradasi yaitu fotodegradasi dan biodegradasi. Biodegradasi merupakan proses penguraian suatu senyawa menjadi lebih sederhana dengan bantuan senyawa biologis sedangkan fotodegradasi merupakan proses penguraian suatu senyawa menjadi lebih sederhana dengan bantuan cahaya (Akmal, 2009). Fotodegradasi yang dipercepat prosesnya dengan bantuan suatu bahan fotokatalis sering disebut sebagai degradasi fotokatalitik. Fotodegradasi merupakan reaksi pemecahan senyawa oleh cahaya. Proses fotodegradasi membutuhkan suatu fotokatalis yang umumnya merupakan bahan semikonduktor. Pada reaksi fotodegradasi terjadi loncatan elektron dari pita valensi menuju pita
9 konduksi pada logam semikonduktor jika dikenai suatu energi foton. Loncatan elektron ini menimbulkan adanya hole (lubang elektron) yang dapat berinteraksi dengan pelarut (air) membentuk radikal hidroksi ( OH). Radikal ini dapat menguraikan senyawa organik target. Proses fotodegradasi ini membentuk radikal dari adanya oksidasi ion OH - dari H 2 O setelah suatu semikonduktor menyerap cahaya membentuk hole (Vora, 2009). Penyinaran sinar UV dengan panjang gelombang tertentu maka permukaan material oksida seperti TiO 2 dan ZnO dapat mengionisasi reaksi kimiawi. Dalam media air, senyawa organik dapat dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air sehingga air dapat dibersihkan dari pencemar organik dan anorganik. Senyawa yang terdapat dalam air tersebut berubah dari senyawa yang beracun menjadi senyawa yang relatif tidak beracun. Reaksi tersebut melibatkan pasangan elektron-hole (e - dan h + ) (Vora, 2009). Proses awal reaksi fotokatalisis pada semikonduktor ialah pembentukan pasangan elektron-hole dalam partikel semikonduktor. Semikonduktor akan menyerap energi yang sebanding atau lebih besar dari energi celah sehingga elektron (e) pada pita valensi (valence band, vb) akan tereksitasi menuju pita konduksi (conductor band, cb) dengan meninggalkan lubang positif (hole, h + vb). Reaksi kimia yang terjadi pada fotokatalisis ZnO adalah sebagai berikut (Vora, 2009). Lubang pita valensi memiliki kemampuan untuk mengoksidasi substrat sedangkan elektron pita konduksi memiliki kemampuan untuk mereduksi substrat. Larutan yang mengandung spesi akan berinteraksi dan mengalami reaksi reduksi-
10 oksidasi. Reaksi berikut merupakan pembentukan anion radikal superoksida O 2 - dan OH radikal (Vora, 2009) ads merupakan spesi yang teradsorpsi pada permukaan semikonduktor. Radikal hidroksi sangat reaktif menyerang senyawa-senyawa organik yang menghasilkan CO 2, H 2 O dan ion-ion halida yang terkandung pada senyawa organik (Vora,2009). ( ) 2.6 Spektrofotometer UV-Vis Spektrofotometer UV-Vis adalah alat yang digunakan untuk mengukur absorbans suatu sampel yang memakai sumber radiasi elektromagnetik ultra violet dekat (190 nm 380 nm) dan sinar tampak (380 nm 780 nm). Pada spektra UV-Vis, suatu molekul yang sederhana apabila dikenakan radiasi elektromagnetik akan mengabsopsi radiasi elektromagnetik yang energinya sesuai. Interaksi tersebut akan meningkatkan energi potensial elektron pada tingkat keadaan eksitasi. Apabila pada molekul yang sederhana tadi hanya terjadi transisi elektronik pada satu macam gugus, maka akan terjadi satu absorpsi yang merupakan garis spektrum (Mulja dan Suharman, 1995). Spektrofotometer komersial beroperasi dari panjang gelombang sekitar 200 nm 1000 nm. Sampel yang digunakan pada spektrofotometer UV-Vis dapat berbentuk cairan, gas, dan padatan. Namun kebanyakan sampel yang dianalisis adalah berupa cairan (larutan). Sampel yang dianalisis diletakkan pada kuvet yang
11 berbentuk sel transparan. Apabila radiasi atau cahaya putih dilewatkan pada larutan berwarna, maka radiasi dengan panjang gelombang tertentu akan diserap secara selektif dan radiasi lainnya akan diteruskan (transmisi) (Skoog et al., 1994) Spektrofotometer UV-Vis membandingkan intensitas cahaya yang melewati sampel (I) dengan intensitas cahaya sebelum melewati sampel (Io). Ratio I/Io disebut transmitan yang dinyatakan dalam persentase. Hasil yang didapatkan dari pengukuran sampel dengan spektrofotometer UV-Vis berupa absorbansi larutan. Absorbansi suatu larutan merupakan logaritma dari 1/T dengan T adalah transmitan yaitu perbandingan intensitas sinar datang (Io) dan intensitas sinar yang diteruskan (I). Pengukuran dengan spektrofotometer UV-Vis akan menghasilkan spektrum sehingga dapat diketahui absorbansinya (serapan) dari sampel (Skoog, et al, 1994). Persamaan hukum Lambert-Beer digunakan untuk menentukan hubungan antara absorbansi dengan konsentrasi Keterangan : A = absorbansi b = tebal kuvet ԑ = absorptivitas Molar (M - cm - ) C = konsentrasi larutan (M) 2.7 Difraksi Sinar X Difraksi sinar-x merupakan analisis yang digunakan untuk menganalisis padatan kristal, yang meliputi: keramik, logam, bahan elektronik, bahan geologi, organik dan polimer. Bahan-bahan ini dapat berupa serbuk, kristal tunggal, film
12 tipis multilayer, lembar, serat atau bentuk tidak teratur tergantung pada pengukuran yang diinginkan. Difraktometer sinar-x paling sering digunakan untuk menentukan struktur molekul bahan baru (Settle, 1997). Persamaan hukum Scherrer pada difraksi sinar-x adalah sebagai berikut. Dimana D adalah ukuran diameter kristalit, k adalah konstanta proporsionalitas, adalah panjang gelombang, β adalah lebar keseluruhan dari setengah kali puncak difraksi maksimum (Full Widht at Half Maximum, FWHM), adalah sudut Bragg. Sampel dalam bentuk serbuk ditempatkan dalam sebuah plat kaca. Pada sampel ditembakkan sinar-x yang dihasilkan dari penumbukan target oleh elektron berenergi tinggi yang berasal dari pemanasan filamen dalam keadaan vakum pada tekanan tinggi dan kecepatan yang tinggi. Sampel kemudian akan difraksikan sinar ke segala arah yang kemudian akan direkam sebagai data analog dan digital. Pola difraktogram yang dihasilkan berupa puncak-puncak difraksi dengan intensitas bervariasi dengan nilai sepanjang 2Ɵ (Pratapa dan Suminar, 2004). 2.8 Scanning Electron Microscope (SEM) Scanning Electron Microscope merupakan suatu analisis untuk mengetahui morfologi kristal menggunakan berkas elektron untuk menggambarkan profil permukaan benda. Prinsip kerja SEM adalah menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi. permukaan benda yang dikenai berkas akan akan memantulkan kembali berkas tersebut atau menghasilkan elektron sekunder ke segala arah. Tetapi ada satu arah
13 dimana berkas dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detektor di dalam SEM mendeteksi elektron yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberikan informasi profil permukaan benda seperti seberapa landai dan kemana arah kemiringan. Pada saat dilakukan pengamatan, lokasi permukaan benda yang ditembak dengan berkas elektron di-scan ke seluruh area daerah pengamatan. Lokasi pengamatan dapat dibatasi dengan melakukan zoom-in atau zoom-out (Abdullah dan Khairurrijah, 2008).