BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN Pada penelitian ini akan dibahas mengenai preparasi ZnO/C dan uji aktivitasnya sebagai fotokatalis untuk mendegradasi senyawa organik dalam limbah, yaitu fenol. Penelitian ini meliputi sintesis fotokatalis ZnO/C, karakterisasi luas permukaan fotokatalis menggunakan SAA (Surface Area Analyzer), serta analisis uji aktivitasnya terhadap fotodegradasi senyawa fenol. Konsentrasi fenol ditentukan menggunakan spektrofotometer UV-Vis double beam. 5.1 Pembuatan Fotokatalis ZnO/C Fotokatalis yang digunakan pada penelitian ini adalah ZnO/C. Bahan dasar fotokatalis ZnO/C adalah seng asetat dan karbon aktif. Kandungan Zn dalam ZnO/C adalah 2,5% (b/b). ZnO merupakan fotokatalis yang bersifat semikonduktor, mudah disintesis, dan mempunyai kestabilan yang baik. ZnO memiliki beberapa sifat yang menguntungkan seperti: mobilitas elektron tinggi dan band gap energy (energi celah pita) yang relatif besar 3,3 ev pada suhu kamar (Almuslet & Yasmen, 2013). ZnO dalam keadaan murni bersifat kurang stabil, sehingga pada penelitian ini ZnO diembankan pada suatu padatan. Selain itu, untuk lebih menstabilkan fotokatalis dan meningkatkan kemampuan fotokatalis untuk mendegradasi senyawa organik. Padatan yang digunakan pada penelitian ini adalah karbon aktif. Karbon aktif merupakan adsorben yang baik karena mempunyai luas permukaan 22
23 yang besar. Karena daya adsorpsinya yang baik, sehingga akan membantu degradasi senyawa organik. Senyawa organik akan diserap oleh karbon aktif, sedangkan ZnO akan menghancurkan senyawa organik tersebut. Preparasi material fotokatalis ZnO/C adalah ditimbang seng asetat sebanyak 0,5036 gram (lihat Lampiran 3) kemudian ditambah dengan 50 ml aquadest. Penambahan aquadest untuk melarutkan seng asetat. Ditambah 6 gram karbon aktif dan di stirer selama satu malam. Fungsi penambahan karbon aktif adalah sebagai padatan untuk mengembankan fotokatalis dan Zn 2+ akan masuk kedalam pori-pori karbon aktif. Selanjutnya, dilakukan penguapan pelarut air dengan cara memanaskan di atas kompor. Setelah itu di oven pada suhu 70 o C selama semalam untuk menyempurnakan penguapan air yang masih terkandung didalamnya. Setelah proses penghilangan air selesai, dilakukan kalsinasi pada suhu 400 o C selama 4 jam. Fungsi kalsinasi adalah untuk mengubah Zn 2+ menjadi ZnO serta mengoksidasi senyawa organik yang ada didalam material fotokatalis. 5.2 Karakterisasi ZnO/C dengan Surface Area Analyzer Material ZnO/C 2,5% (b/b) dikarakterisasi dengan menggunakan surface area analyzer untuk menentukan rerata jejari pori, luas permukaan dan volume pori. Pola adsorpsi-desorpsi disajikan pada Gambar 5.
24 Gambar 5. Adsorpsi-Desorpsi pada Fotokatalis ZnO/C 2,5% Dari kurva pada Gambar 5 ZnO/C mempunyai pola adsorpsi-desorpsi tipe IV. Pada pola adsorpsi-desorpsi tipe IV ini terjadi kenaikan secara cepat pada tekanan relatif (P/P 0 ) rendah, kemudian naik secara perlahan pada pertengahan dan naik lagi dengan cepat. Kenaikan pertama terjadi karena molekul gas yang teradsorp berinteraksi dengan daerah yang berenergi pada permukaan padatan. Pada pengisian ini telah terbentuk lapisan tunggal, kemudian pada daerah P/P 0 yang lebih tinggi, pertambahan molekul gas terjadi pada permukaan yang telah
25 ditempati molekul gas dimana telah terbentuk lapisan tunggal. Pada pertambahan ini terbentuk lapisan berlapis (multilayer). Pada akhir pengisian, terjadi kondensasi melekul gas yang teradsorp. Selain itu juga terlihat adanya loop histerisis pada daerah pertengahan. Isoterm ini merupakan isoterm tipe IV yaitu jenis adsorpsi dari padatan berpori meso, yang memiliki ukuran pori 2-50 nm (Hartanto et al.,2012). Dari penelitian sebelumnya oleh Fatimah (2012), pola adsorpsi-desorpsi tipe IV menunjukkan suatu pori mempunyai ukuran antara mikropori dan mesopori. Data surface area analyzer dari sampel karbon aktif dan ZnO/C ditunjukkan pada Lampiran 2 dan 3. Data spesifik rerata jejari pori, luas permukaan, dan volume pori dari ZnO/C disajikan pada Tabel 1. Tabel 1. Data Rerata Jejari Pori, Luas Permukaan, dan Volume Pori dari ZnO/C Sampel Rerata Jejari Luas Permukaan Volume Pori Pori (Å) (m 2 /g) (cc/g) ZnO/C 17,4804 556.644 0,4865 Karbon Aktif 16,79 617.684 0,5187 Dari Tabel 1 ZnO/C mempunyai rerata jejari pori, luas permukaan, dan volume pori lebih kecil dibandingkan karbon aktif murni. Hal ini karena Zn 2+ telah masuk kedalam pori-pori karbon aktif. Sehingga rerata jejari pori, luas permukaan, dan volume pori lebih kecil dibandingkan sebelum Zn 2 + masuk kedalam pori-pori karbon aktif. Akan tetapi dengan rerata jejari pori, luas permukaan, dan volume pori yang kecil dapat mendegradasi fenol lebih optimal dibandingkan menggunakan karbon aktif murni maupun ZnO murni.
26 5.3 Penentuan Energi Celah Pita Fotokatalis ZnO/C Energi celah pita adalah jarak antara pita valensi ke pita konduksi. Energi celah pita ZnO/C diukur menggunakan diffuse reflectance UV-Vis (DRUV-Vis). Hasil spektra DRUV-Vis ZnO/C disajikan pada Gambar 6. Energi celah pita dapat diperoleh melalui persamaan: Eg = 1240 edge Dimana: edge adalah panjang gelombang tepi. Absorbansi 1,14 1,13 1,12 1,11 1,1 1,09 1,08 1,07 1,06 edge =481,74 nm 200 300 400 500 600 Panjang Gelombang (nm) Gambar 6. Spektra Diffuse Reflectance UV-Vis Material Fotokatalis ZnO/C Dari pengukuran menggunakan diffuse reflectance UV-Vis diperoleh energi celah pita ZnO/C sebesar 2,6 ev. Energi celah pita ZnO adalah 3,22 ev. Dari penelitian yang dilakukan oleh Kant (2012), ZnO mempunyai energi celah pita 3,37 ev. Energi celah pita pada penelitian ini lebih kecil dibandingkan dengan teori dan penelitian sebelumnya. Hal ini terjadi karena dispersi ZnO tidak
27 merata pada pori-pori karbon aktif, sehingga terbentuk gumpalan-gumpalan ZnO pada permukaan karbon aktif. Data hasil analisis menggunakan diffuse reflectance UV-Vis disajikan pada Lampiran 15. 5.5 Pembuatan Kurva Baku Fenol Larutan standar fenol dibuat dengan berbagai konsentrasi yaitu, 2 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm, 30 ppm dan 40 ppm dari larutan fenol 100 ppm. Larutan standar fenol diukur absorbansinya menggunakan spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang maksimum 269 nm. Tabel 2 menunjukkan konsentrasi standar fenol dan absorbansi yang telah diukur menggunakan spektrofotometer UV-Vis double beam pada panjang gelombang maksimum 269 nm. Dari Tabel 2 diperoleh kurva baku fenol seperti Gambar 7. Kurva baku fenol akan menghasilkan suatu persamaan garis yang digunakan untuk menentukan konsentrasi fenol yang telah di treatment. Tabel 2. Konsentrasi dan Absorbansi Larutan Fenol Standar Konsentrasi Fenol (pppm) Absorbansi 2 0,057 5 0,099 10 0,169 20 0,256 30 0,37 40 0,477
28 Absorbansi (A) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Kurva Baku Fenol y = 0,010x + 0,045 R² = 0,997 0 10 20 30 40 50 Konsentrasi Fenol (ppm) Gambar 7. Kurva Baku Fenol Dari kurva baku fenol yang disajikan pada Gambar 7 diperoleh persamaan yang digunakan untuk menentukan konsentrasi larutan fenol yang telah di perlakukan treatment menggunakan fotokatalis ZnO/C. Regresi linear (R 2 ) yang diperoleh pada penelitian ini adalah 0,997. R 2 pada penelitian ini telah memberikan hasil yang baik. Nilai R 2 yang baik adalah apabila mendekati 1. 5.4 Uji Aktivitas Fotokatalis ZnO/C ZnO/C 2,5% (b/b) diuji aktivitasnya sebagai fotokatalis menggunakan larutan fenol 20 ppm yang disinari dengan lampu UV. Terdapat 3 perlakuan yang berbeda, yaitu fotokatalisis, adsorpsi, dan fotolisis. Adsorpsi dan fotolisis merupakan kontrol dari uji aktivitas ZnO/C sebagai fotokatalis. Larutan fenol 20 ppm yang telah di perlakukan treatment dianalisis menggunakan spektrofotometer UV-Vis double beam pada wavelength scan 400-200 nm. Pemilihan rentang panjang gelombang pada 400-200 nm karena senyawa fenol merupakan senyawa yang mempunyai ikatan rangkap dan tidak berwarna. Hasil uji aktivitas fotokatalis ZnO/C 2,5% disajikan pada Tabel 3.
29 Tabel 3. Hasil Uji Aktivitas Fotokatalis ZnO/C 2,5% (waktu=60 menit) Perlakuan Konsentrasi (ppm) Tanpa Perlakuan (Fenol Awal) 20 ZnO/C 2,5% + Penyinaran 0 ZnO/C 2,5% Tanpa Penyinaran 2 Karbon Aktif + Penyinaran 252,3 Dari hasil uji aktivitas ZnO/C sebagai fotokatalis yang disajikan pada Tabel 3 dapat dilihat bahwa konsentrasi yang paling kecil merupakan larutan fenol yang ditambahkan fotokatalis ZnO/C. Larutan fenol 20 ppm yang ditambah ZnO/C dan disinari dengan lampu UV merupakan proses fotokatalisis. Karbon aktif pada ZnO/C akan mengadsorpsi senyawa organik terlebih dahulu kemudian dihancurkan oleh ZnO pada proses fotokatalisis. Gambar 9 menunjukkan skema dari mekanisme fotokatalisis ZnO/C untuk mendegradasi senyawa fenol. Mekanisme fotokatalisis adalah ketika suatu fotokatalis semikonduktor yang terkena suatu cahaya dimana cahaya harus mempunyai energi yang sama dengan atau lebih besar energi celah pita, maka akan terjadi eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Karena ada eksitasi elektron maka di pita valensi terdapat lubang elektron atau hole (h+). Jika hole (h+) berinteraksi dengan OH - yang berasal dari pelarutnya yaitu H 2 O, maka akan terbentuk OH radikal. Elektron pada pita konduksi akan bertemu dengan O 2. Dan elektron akan masuk ke O 2 sehingga akan membentuk O 2 radikal. OH radikal dan O 2 radikal ini yang akan mengoksidasi senyawa. Oksidasi sempurna dari fenol akan menghasilkan CO 2 dan H 2 O. Gambar 8 menunjukkan reaktor fotokatalis yang digunakan pada penelitian ini.
30 Lampu UV Tempat Sampel Gelas Bagian Luar Pengaduk Magnet Gambar 8. Reaktor Fotokatalis ZnO + hv e - cb h + vb O 2 H 2 O O 2 OH + H + C 6 H 6 OH C 6 H 6 OH Gambar 9. Skema Mekanisme Fotokatalis Senyawa Fenol CO 2 + H 2 O (produk oksidasi) CO 2 + H 2 O (produk oksidasi) Keterangan: hv e - cb h + vb : sinar UV : elektron pada pita konduksi dari ZnO : hole (lubang elektron) pada pita valensi dari ZnO Larutan fenol 20 ppm yang ditambahkan ZnO/C dan tanpa disinari lampu UV merupakan proses adsorpsi. Larutan fenol yang telah di perlakukan treatment menggunakan sinar UV dan tanpa sinar UV memberikan hasil yang berbeda. Tanpa disinari UV menghasilkan konsentrasi fenol yang lebih besar dibandingkan
31 menggunakan sinar UV. Pada perlakuan ini tidak terjadi proses fotokatalisis karena tidak terjadi pembentukan radikal untuk mengoksidasi senyawa organik. Pembentukan radikal hanya terjadi pada suatu katalis semikonduktor yang disinari oleh cahaya yang mempunyai energi lebih besar atau sama dengan pita fotokatalis semikonduktor tersebut. ZnO merupakan fotokatalis sehingga apabila tidak ada penyinaran, ZnO tidak aktif untuk mendegradasi senyawa fenol. Larutan fenol 20 ppm yang ditambahkan karbon aktif dan disinari lampu UV merupakan proses fotolisis. Fotolisis merupakan proses reaksi kimia yaitu pemecahan senyawa dengan bantuan sinar atau foton. Pada perlakuan ini tidak terjadi pembentukan radikal untuk mengoksidasi senyawa organik dan tidak terjadi proses penyerapan senyawa organik. Cahaya akan membantu proses pemecahan senyawa organik. Penambahan karbon aktif kedalam larutan fenol 20 ppm dan diletakkan dibawah sinar UV memberikan konsentrasi yang lebih tinggi dibandingkan dengan konsentrasi fenol awal. Hal ini karena partikel karbon yang masih mengambang menyebabkan refleksinya besar. Dan adanya partikel karbon yang ikut teranalisis oleh spektrofotometer UV-Vis double beam akan memberikan pengaruh yang besar terhadap absorbansi larutan fenol sehingga menyebabkan konsentrasinya besar. Hasil uji aktivitas fotokatalis ZnO/C diperoleh panjang gelombang maksimum senyawa fenol adalah 269 nm. Dan secara teoritis panjang gelombang maksimum senyawa fenol adalah 270 nm. Dari hasil pengukuran absorbansi menggunakan spektrofotometer UV-Vis double beam diperoleh 1 puncak pada panjang gelombang 269 nm. Puncak tersebut menunjukkan panjang gelombang
32 maksimum dari senyawa fenol. Hasil pengukuran menggunakan spektrofotometer UV-Vis double beam dapat dilihat pada Lampiran 4, 5, 6, dan 7. 5.6 Variasi Berat ZnO/C dan Waktu Treatment Pada penelitian ini dilakukan variasi berat ZnO/C dan waktu di perlakukan treatment untuk mengetahui pengaruh berat fotokatalis dan waktu terhadap degradasi senyawa fenol. Data pengukuran konsentrasi fenol pada variasi berat ZnO/C dan waktu di perlakukan treatment dapat dilihat pada Lampiran 9, 10, dan 11. Perhitungan persentase penurunan absorbansi dapat dilakukan menggunakan rumus sebagai berikut: Konsentrasi Awal Konsentrasi pada saat t % Penurunan Konsentrasi = Konsentrasi Awal 100 % 120 Variasi Berat ZnO/C Persentase Penurunan Konsentrasi (%) 100 80 60 40 20 0,01 gram 0,02 gram 0,03 gram 0 0 50 100 150 Waktu (menit) Gambar 10. Hubungan Antara Variasi Berat ZnO/C terhadap Persentase Penurunan Konsentrasi
33 Dari rumus yang digunakan diperoleh persentase penurunan konsentrasi larutan fenol yang telah di perlakukan treatment. Persentase penurunan konsentrasi pada variasi berat ZnO/C dan waktu di perlakukan treatment dapat dilihat pada Lampiran 13 dan 14. Dari Gambar 10 dapat dilihat bahwa pada penelitian ini konsentrasi optimum ZnO/C adalah 0,02 gram. Hal ini menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi fotokatalis tidak mempengaruhi degradasi senyawa fenol semakin optimal. Konsentrasi ZnO/C 0,02 gram memberikan hasil yang lebih baik dibandingkan pada 0,01 gram dan 0,03 gram. Pada penelitian terdahulu oleh Fatimah (2012), dengan kenaikan konsentrasi fotokatalis dapat menutupi masuknya cahaya yang disebabkan oleh kekeruhan larutan pada konsentrasi yang lebih besar. Karena cahaya terhalang masuk sehingga akan menghambat proses pembentukan radikal (Fatimah, 2012). Dengan terhambatnya proses pembentukan radikal akan menyebabkan proses degradasi tidak berjalan secara optimal. Waktu di perlakukan treatment memberikan pengaruh terhadap degradasi fenol. Pengaruh waktu dapat dilihat pada Lampiran 12 bahwa semakin lama waktu di perlakukan treatment maka konsentrasi fenol semakin menurun. Hal ini karena semakin banyak fenol yang dapat didegradasi oleh ZnO/C.