BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN Fenol merupakan senyawa organik yang mengandung gugus hidroksil (OH) yang terikat pada atom karbon pada cincin benzene dan merupakan senyawa yang bersifat toksik, sumber pencemaran bagi lingkungan, serta terdegradasi lambat oleh cahaya matahari.fenol bersifat asam, keasaman fenol ini disebabkan adanya pengaruh cincin aromatik dan adanya kemampuan fenol untuk melepaskan H +, sehingga kepolarannya cukup tinggi. Teknologi konvensional telah banyak dilakukan untuk mengolah limbah fenol melalui oksidasi menggunakan ozon, H 2 O 2, adsorbsi dan secara elektrokimia telah banyak dilaporkan. Tetapi, metode tersebut masih memiliki beberapa kelemahan, diantaranya efisiensi pengolahan limbah yang rendah, pemakaian energi dan bahan kimia yang cukup tinggi, serta proses pengolahan limbah yang dilakukan ternyata masih menghasilkan residu berbahaya (Ku et al., 2001) Katalis semikonduktor merupakan katalis dengan konduktifitas yang berada diantara insulator dan konduktor. Diantara banyak semikonduktor, seng oksida (ZnO) dianggap lebih baik karena memiliki kapasitas untuk menghilangkan kontaminan senyawa organik seperti fenol, memiliki celah pita sebesar 3,37 ev dan energi ikat sebesar 60 MeV, serta aktivitas katalitik dari ZnO jauh lebih baik dan lebih stabil 33
34 daripada bahan lain karena ZnO dapat menyerap cahaya dalam spektrum yang lebih luas dibanding dengan bahan lain. Beberapa upaya untuk meningkatkan aktivitas fotokatalitik melalui pengembanan dengan logam maupun non logam dengan membentuk komposit seperti ZnO yang diembankan dengan karbon aktif akan mengoptimalkan sifat listriknya. Modifikasi semikonduktor dengan karbon aktif diharapkan dapat meningkatkan proses degradasi fotokatalitik. Salah satu teknologi yang sedang dikembangkan untuk mendegradasi berbagai limbah industri yaitu teknologi fotokatalis.teknologi fotokatalis ini dapat digunakan dalam pengolahan limbah cair fenol.teknologi fotokatalis dinilai lebih ekonomis dalam pemakaian energi, selain itu juga dapat menekan pemakaian bahan kimia serta mengahasilkan produk yang ramah lingkungan. Fotokatalis merupakan kemampuan ganda suatu material semikonduktor seperti TiO 2, ZnO, Fe 2 O 3, CdS, ZnS untuk menyerap cahaya (foton) dan melakukan reaksi yang berlangsung pada permukaan katalis.bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah ZnO, dimana ZnO memiliki aktvitas fotokatalitiknya yang tinggi, stabil, tidak beracun, serta mudah disintesis.sedangkan karbon aktif digunakan sebagai adsorben.karbon aktif merupakan suatu padatan yang mengandung pori-pori dan memiliki luas permukaan yang tinggi, luas permukaan yang tinggi ini dapat digunakan untuk penghilangan senyawa organik.
35 Penelitian ini akan akan dibahas mengenai pengaruh kandungan Zn pada preparasi ZnO/C sebagai fotokatalis pada degradasi fenol dengan menggunakan metode impregnasi yang dilakukan di Laboratorium Penelitian Kimia Prodi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Islam Indonesia. Penelitian ini akan dijelaskan mengenai tahap-tahap yang dilakukan berupa preparasi dan karakterisasi dengan SAA menggunakan metode BET (Brunauer-Emmet-Teller) dan DR UV-Visible (Diffuse Reflectance UV-Visible) serta uji aktivitas fotokatalis ZnO/C menggunakan Spektrofotometer UV-Visible dan GC (Gas Chromatography). 5.1 Preparasi Fotokatalis ZnO/C Fotokatalis ZnO/C dibuat dengan tahapan mengembankan Zn Asetat ke dalam karbon aktif melalui tahapan impregnasi dan tahapan kalsinasi. Preparasi fotokatalis ZnO/C dibuat dengan empat variasi kandungan Zn yaitu 2,5%; 5%; 7,5%; dan 10%. Pembuatan fotokatalis ZnO/C dimulai dengan menimbang sebesar 0,5036 gram untuk kandungan Zn 2,5%, 1,0072 gram untuk kandungan Zn 5%, 1,5109 gram untuk kandungan Zn 7,5% dan sebesar 2,0146 gram untuk kandungan Zn 10% kemudian ditambah dengan 25 ml aquadest sebagai pelarut. Setelah itu masingmasing konsentrasi ditambah 6 gram karbon aktif dan dilakukan pengadukan selama semalam pada temperatur kamar untuk meningkatkan homogenitas Zn Asetat dalam karbon aktif agar Zn asetat masuk ke dalam pori-pori karbon aktif.setelah itu dilakukan penguapan pelarut air dengan memanaskan di atas kompor.kemudian padatan yang diperoleh dimasukkan dalam oven pada temperatur 70 ๐ C selama
36 semalam untuk menguapkan air yang masih terkandung didalamnya. Selanjutnya, padatan yang sudah kering dilakukan kalsinasi pada temperatur 400 ๐ C selama 4 jam. Tujuan kalsinasi adalah untuk mengubah bentuk Zn 2+ menjadi ZnO serta menghilangkan senyawa organik di dalam material tersebut, preparasi fotokatalis ZnO/C dapat dilihat pada lampiran 1. 5.2 Karakterisasi Fotokatalis ZnO/C metode BET (Brunauer-Emmet-Teller) Karakterisasi fotokatalis ZnO/C menggunakan metode Brunauer-Emmet- Teller (BET) menggunakan alat Quantachrome Instrument. Karakterisasi ini dilakukan untuk menentukan luas permukaan material dan volume total poriserta rerata jejari pori karbon aktif sebelum dan sesudah dipreparasi. Karbon aktif sebelum dipreparasi merupakan karbon aktif yang belum mengalami perlakuan, sedangkan karbon aktif yang telah dipreparasi merupakan karbon aktif yang telah diembankan dengan Zn Asetat dengan variasi ZnO/C 2,5%; 5%; 7,5% dan 10% dengan pola adsorbsi-desorbsi N 2.
37 Gambar 4. Grafik isoterm adsorbsi-desorbsi N 2 Karbon aktif Gambar 5. Grafik adsorbsi-desorbsi N 2 dari ZnO/C 2,5% ; 5% ; 7,5% dan 10%
38 Terdapat dua tahapan yang dilakukan dalam analisis menggunakan BET yaitu adsorbsi dan desorbsi. Adsorbsi adalah proses penyerapan (adsorben) oleh gas N 2 pada permukaan padatan sedangkan desorbsi adalah pengeluaran zat yang telah diadsorb oleh gas N 2. Gambar 4 dan 5 merupakan grafik jumlah adsorbsi nitrogen terhadap tekanan relatif P/Po. Gambar 4kurva histerisis karbon aktif murni hasil karakterisasi BET menunjukkan bahwa karbon aktif memiliki luas permukaan spesifik 617,7 m 2 /g, volume pori 5,187x 10-1 serta rerata jejaripori 16,79Å dapat dilihat pada Tabel 1. Ukuran pori diklasifikasikan menjadi 3, yaitu mikropori dengan diameter < 20 Å, mesopori dengan diameter 20-500 Å, dan makropori dengan diameter >500 Å. Berdasarkan hasil analisis BET diameter pori karbon aktif murni sebesar 33,58 Å dengan ukuran pori yaitu mesopori. Berdasarkan karakteristik grafik isoterm maka sesuai dengan isoterm tipe IV. Pada grafik fotokatalis ZnO/C 2,5%; 5%; 7,5% dan 10% tersebut menunjukkan kesesuaian pola adsorbsi-desorbsi. Grafik tesebut memenuhiisoterm tipe adsorbsi.gambar 5 tersebut dapat dilihat bahwa isoterm adsorbsi nitrogen semua fotokatalis ZnO/C menunjukkan pola yang serupa.pada kurva ini terjadi kenaikan pada tekanan relativ P/Po rendah, kemudian naik secara perlahan pada pertengahan dan mengalami peningkatan adsorbsi dengan cepat pada P/Po mendekati satu.kenaikan pertama terjadi karena molekul gas yang teradsorb berinteraksi dengan daerah yang berenergi pada permukaan padatan. Pada pengisian tersebut telah terbentuk lapisan tunggal, kemudian pada daerah P/Po yang lebih tinggi, pertambahan
39 molekul gas terjadi pada permukaan yang telah ditempati molekul gas dimana telah terbentuk lapisan tunggal. Pada pertambahan ini terbentuk lapisan multilayer dan pada pengisian terakhir, terjadi kondensasi molekul gas yang teradsorb.selain itu juga terlihat adanya histerisis loop. Berdasarkan grafik isoterm, isoterm ini merupakan isoterm tipe IV yaitu jenis adsorbsi mesopori. Adanya pori pada permukaan padatan akan memberikan efek pembatasan jumlah lapisan pada adsorbat dan terjadi fenomena kondensasi kapiler. Kondensasi kapiler ini menyebabkan terjadinya histerisis (Adamson, 1990). Berdasarkan pola adsorbsi ini dapat disimpulkan secara umum bahwa fotokatalis ZnO/C dengan variasi 2,5%; 5%; 7,5% dan 10% menunjukkan profil isoterm adsorbsi tipe IV dengan karakteristik jenis padatan berpori meso. Selain itu, pada Gambar 5 terlihat bahwa loop histerisis paling besar pada ZnO/C 5% hal ini menunjukkan bahwa jumlah adsorbat (N 2 ) yang tertinggal dalam pori saat desorbsi paling banyak, yang mengindikasikan bahwa jumlah mesopori pada ZnO/C 5% paling banyak. Adanya pori meso dibuktikan pada permukaan padatan yang dapat dilihat dari data distribusi ukuran pori yang disajikan pada Tabel 1. Berdasarkan Tabel 1 dapat disimpulkan bahwa adanya histerisis pada semua sampel ZnO/C disebabkan adanya padatan pori berukuran meso. Hal ini ditunjukkan dengan distribusi ukuran pori yang terus mengalami kenaikan diameter pori lebih dari 20 Å.
40 Tabel 1. Data rerata jari pori, luas permukaan pori spesifik serta volume pori dari fotokatalis ZnO/C Fotokatalis Rerata Jejari Luas Permukaan Volume Pori Pori (Å) (m 2 /g) (cc/g) Karbon Aktif 16,79 617,684 5,187x 10-1 ZnO/C 2,5% 17,48 556,644 4,865x10-1 ZnO/C 5% 20,71 322,588 3,341x10-1 ZnO/C 7,5% 24,24 176,631 2,141x10-1 ZnO/C 10% 22,24 205,768 2,288x10-1 Dalam hasil analisis dengan adsorbsi-desorbsi nitrogen yang ditunjukkan pada Tabel 1 bahwa luas permukaan sampel yang diperoleh lebih kecil dibandingkan dengan karbon aktif murni yaitu sebesar 617,684 m 2 /g. Adanya penurunan luas permukaan sampel dan volume pori serta kenaikan rerata jejari pori dimungkinkan karena dispersi ZnO yang tidak merata dan membentuk agregat pada permukaan karbon aktif sehingga menutupi pori-pori karbon aktif, perhitungan luas permukaan dan volume total pori fotokatalis ZnO/C dapat dilihat pada lampiran 3 sampai 7. 5.3 Penentuan Energi Band GapZnO/C Mengetahui aktivitas fotokatalitik ZnO dapat diukur berdasarkan nilai celah energi (Energy gap, Eg) yang diperoleh. Untuk mengetahui besarnya energi gap ZnO, serbuk ZnO hasil preparasi dianalisis dengan menggunakan Diffuse Reflectance UV- Visible (DR UV-Visible). Energi band gap dapat diperoleh melalui persamaan:
41 Eg = Dimana: edge adalah panjang gelombang tepi. Spektra DRUV-Visible ZnO dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Absorbansi 1.14 ZnO/C 2,5% 1.13 1.12 1.11 1.1 1.09 1.08 1.07 1.06 200 300 400 500 600 Panjang Gelombang (nm) Absorbansi 1.15 ZnO/C 5% 1.14 1.13 1.12 1.11 1.1 1.09 1.08 1.07 1.06 200 300 400 500 600 Panjang Gelombang (nm) Absorbansi 1.15 ZnO/C 7,5% 1.14 1.13 1.12 1.11 1.1 1.09 1.08 1.07 1.06 200 300 400 500 600 Panjang Gelombang(nm) Absorbansi 1.14 ZnO/C 10% 1.13 1.12 1.11 1.1 1.09 1.08 1.07 1.06 1.05 200 300 400 500 600 Panjang Gelombang (nm) Gambar 6. Spektra DR UV-Visible fotokatalis material ZnO hasil preparasi
42 Dapat dilihat pada Gambar 6 memperlihatkan bahwa ZnO/C 2,5%, ZnO/C 5%, ZnO/C 7,5% dan ZnO/C 10% memiliki harga edge berturut-turut sebesar 481,74 nm, 427,25 nm, 436,79 nm dan 455,14, serta 407,78 nm dan 458,32 nm. Menurut Gang dan Wao (2004) panjang gelombang ZnO umumnya berkisar 368 nm sehingga dapat dikatakan panjang gelombang ZnO hasil preparasi cenderung relatif lebih besar. Panjang gelombang berpengaruh pada energi gap suatu fotokatalis, dimana semakin besar panjang gelombang maka energi gap yang dimiliki semakin kecil sebaliknya semakin kecil panjang gelombang maka energi gap yang dimiliki akan semakin besar. Pada penelitian ini terlihat bahwa terjadi pergeseran merah. Pergeseran ke arah merah ini mengindikasikan bahwa ZnO hasil preparasi memiliki ukuran yang lebih kecil. Harga Eg untuk setiap fotokatalis ZnO/C disajikan pada Tabel 2 berikut ini : Tabel 2. Energi band gap pada variasi fotokatalis ZnO/C Fotokatalis Eg ZnO/C 2,5% Eg = 2,60 ev ZnO/C 5% Eg = 2,90 ev ZnO/C 7,5% Eg 1 = 2,83 ev Eg 2 = 2,72 ev ZnO/C 10% Eg 1 =3,04 ev Eg 2 =2,70 ev Dari data di Tabel 2 di atas menunjukkan energi band gap yang terbentuk dari fotokatalis ZnO/C. Dari keempat fotokatalis ZnO/C tersebut, ZnO/C 10% memiliki band gappaling besar dibandingkan dengan ZnO/C 2,5%, ZnO/C 7,5% dan ZnO/C 5%. Hal tersebut dapat disebabkan karena dispersi ZnO yang homogen ke dalam pori-pori karbon aktif. Pada ZnO/C 2,5%, ZnO/C 7,5% dan
43 ZnO/C 5% distribusi ZnO ke dalam pori-pori karbon aktif tidak merata sehingga membentuk gumpalan-gumpalan (agregat) ZnO pada permukaan karbon aktif. 5.4 Uji Aktivitas Fotokatalis ZnO/C menggunakan Spektrofotometer UV- Visible Uji aktivitas fotokatalis ZnO/C dilakukan menggunakan instrumenspektrofotometer UV-Visible untuk mengetahui aktivitas fotokatalis yang paling baik. Uji aktivitas fotokatalis ZnO/C dengan variasi 2,5%; 5%; 7,5% dan 10% dilakukan pada degradasi larutan fenol 20 ppm pada lama penyinaran selama 1 jam. Hasil uji aktivitas fotokatalitik yang telah dilakukan, disajikan pada Tabel 3 Tabel 3. Data absorbansi uji aktivitas fotokatalitik ZnO/C dengan variasi 2,5%; 5%;7,5% dan 10% Fotokatalis Absorbansi Fenol 20 ppm 0,256 ZnO/C 2,5% 0,043 ZnO/C 5% 0,038 ZnO/C 7,5% 0,060 ZnO/C 10% 0,045 Berdasarkan Tabel 3, dari data hasil uji menggunakan Spektrofotometer UV-Visiblepada panjang gelombang 269 nm dengan empat variasi ZnO/C.
44 Konsentrasi ZnO/C 5% menunjukkan absorbansi yang paling kecil sehingga dapat disimpulkan bahwa kemampuan katalitik dari fotokatalis ZnO/C 5% tersebut merupakan katalis yang memberikan aktivitas fotokatalitik paling baik dalam degradasi fenol. 5.5 Uji Aktivitas Fotokatalis ZnO/C dengan GC (Gas Chromatography) Dalam analisis uji aktivitas fotokatalis ZnO/C menggunakan reaktor fotokatalisis. Pengujian ini dilakukan untuk menguji aktivitas ZnO yang menempel pada permukaan adsorben karbon aktif untuk melihat pengaruhnya dalam mendegradasi senyawa fenol. Pengujian aktivitas fotokatalis ZnO/C 5% dilakukan selama satu jam di bawah sinar UV, untuk mengetahui aktivitas fotokatalis dilihat dari perbedaan kondisi. Pada kondisi A (fotolisis), kondisi B (adsorbsi), dan kondisi C(fotokatalisis). Setelah itu dilakukan analisis secara kuantitatif menggunakan kromatografi gas untuk membuktikan efektivitas fotokatalis dengan metode yang digunakan dan melihat seberapa besar senyawa fenol yang terdegradasi.
45 Gambar 7. Kromatogram Fenol 10 ppm dengan Proses Fotokatalisis Analisis sampel dengan menggunakan kromatografi gas memiliki keuntungan yaitu tidak hanya senyawa kromofor yang dapat dideteksi dan dapat diketahui adanya senyawa lain yang terbentuk setelah degradasi (oksidasi) fenol. Berdasarkan hasil uji menggunakan GC (Gas Chromatography) pada kromatogram Gambar 6 di atas dapat dilihat pada standar fenol 10 ppm bahwa adanya peak fenol yang terbentuk pada waktu retensi 0,730. Pada kromatogram kondisi C (fotokatalisis) menunjukkan adanya puncak yang terdeteksi yang diperkirakan adanya senyawa lain yang terbentuk pada saat degradasi fenol.
46 Uji aktivitas katalis ini dapat diketahui persen penurunan konsentrasi fenol. Perhitungan persen penurunan konsentrasi fenol dapat dilakukan dengan menggunakan rumus sebagai berikut: % Penurunan Konsentrasi= Keterangan: Ao = konsentrasi awal At = konsentrasi akhir Berdasarkan rumus persen penurunan konsentrasi fenol di atas, data disajikan dalam tabel di bawah ini: Tabel 4. Konversi persen penurunan konsentrasi fenol dengan variasi kondisi Sampel Penurunan konsentrasi Fenol (%) A (Fotolisis) 49,08 B (Adsorbsi) 51,47 C (Fotokalisis) 57,03 Hasil analisis dengan GC pada Tabel 3, menunjukkan penurunan konsentrasi fenol terhadap variasi kondisi, dimana pada kondisi fotokatalisis menunjukkan persen penurunan konsentrasi fenol yang paling besar. Rumus persen penurunan konsentrasi fenol dengan variasi kondisi dapat dilihat pada lampiran 2. Jadi, dalam proses degradasi fenol dengan menggunakan proses fotokatalisis lebih baik jika dibandingkan tanpa penyinaran lampu UV(adsorbsi).
47 Pada saat pengujian dengan fotokatalisis, ketika katalis dikontakkan dengan fenol terjadi dua proses yaitu adsorbsi dan fotokatalisis. Efek dari adanya reaksi fotokatalisis ini berpengaruh terhadap pengurangan senyawa fenol dikarenakan penyinaran radiasi sinar UV pada permukaan fotokatalis. Jika fotokatalis semikonduktor (ZnO/C) dikenai oleh energi foton yang besarnya setara atau lebih besar dari energy band gap, maka akan mengalami eksitasi elektron dari pita valensi (valence bond) menuju pita konduksi (conduction band) dan akan dihasilkan suatu lubang hole (h + ) dan electron pada permukaan fotokatalis. Holeakan berinteraksi dengan H 2 O yang berada pada permukaan katalis membentuk OH radikal (OH ) sedangkan elektron (e - ) akan bereaksi dengan O 2 membentuk radikal superoksida (O 2 ). Radikal-radikal inilah yang akan mengoksidasi senyawa kimia seperti fenol. Dengan kata lain, degradasi (oksidasi) ini hanya dapat terjadi di bawah efek cahaya. Dalam penelitian ini, reaksi yang terjadi pada fotokatalis ZnO sebagai berikut: ZnO + hv ZnO (e cb - + h vb + ) ZnO (e cb - + h vb + ) ZnO + headand/orhv ZnO + H 2 O ads ZnO + OH - + H + h vb + + OH - e cb - + O 2ads OH + Fenol (senyawa organik) OH O 2 CO 2, H 2 O dimana: hv: sinar ultraviolet
48 h vb + : lubang positif pada pita valensi e cb - : elektron pada pita konduksi