Penulis: Warstek Media

Penelitian tentang pengurangan air limbah terus berkembang. Kebutuhan manusia yang meningkat karna pertambahan penduduk yang signifikan berbanding lurus dengan pembangunan industri. Dampak kurangnya penanganan B3 menyebabkan air limbah hasil pabrik mencemari sungai disekitaran kawasan.

Gambar sungai yang tercemar air limbah

Dilansir dari detik.com di Cibitung Bekasi daerah sungai Cikarang Bekasi Laut (CBL) bewarna hitam dan berbusa terkadang ketika hujan bau tak sedap muncul. Padahal sungai tersebut merupakan sumber baku utama pada aliran PDAM.

Keprihatinan akan dampak yang semakin besar karena kurangnya tindakan dari pemerintah menggerakan inisiatif para peneliti muda untuk mengurangi pencemaran air limbah. Penelitian dilakukan secara konvensial seperti menguji kandungan pada air limbah, adsorbsi, atau proses membran. Pengujian dengan metode konvensial tidak memurnikan air limbah secara sempurna karena hasil dari pengendapan pada metode tersebut belum ditemukan solusi dan malah menimbulkan masalah baru.

Pada penelitian yang dilakukan Zhao pada tahun 2010. Proses pemurnian air telah dipelajari dan dipraktekkan terutama yang mengandung polutan organik, telah menjadi perhatian serius karena industrialisasi dan perkembangan ekonomi yang cepat. Ketika dibuang ke lingkungan, bahan kimia dapat membahayakan tidak hanya untuk kesehatan manusia, tetapi juga untuk sistem biologis alami. Banyak upaya telah dilakukan untuk menghilangkan polutan dari air yang terkontaminasi, dan degradasi fotokatalitik mungkin metode yang paling umum dan efektif ketika mengobati polutan organik.

Mekanisme fotokatalis dalam proses penguraian limbah bekerja berdasarkan penyerapan cahaya (spektrum) oleh material semikonduktor sehingga terbentuk pasangan elektron dan hole pada permukaan). Beberapa jenis material metal semikondutor seperti TiO2, ZnO and CdS digunakan sebagai bahan fotokatalis karena dapat diaktivasi pada rentang spektrum UV dan cahaya tampak. Dari berbagai jenis semikonduktor tersebut TiO2 paling banyak digunakan. Penggabungan TiO2 dengan salah satu material pendukung akan membentuk komposit.

Sifat morfologinya yang lebih homongen dan kondisi termal yang stabil penambahan SiO₂ pada pengembangan material pendukung TiO₂ fotokatalisis dapat meningkatkan pengurangan limbah pada laju aktivitasnya_. Permasalahan sekunder pada metode konvensional, induksi magnetik menjadi salah astu pilihan. Fe₃O₄ dipilih karena magnetik dengan karakteristik khas yaitu supermagnetik.

Gambar ilustrasi komposit hasil sintesis

Gambar (a) memperlihatkan fotograf komposit Fe3O4-SiO2-TiO2 yang  didispersi dalam air bebas mineral setelah ultrasonikasi. Bahan nanopartikel tersebut dapat dengan mudah didispersi dengan air membentuk koloid yang stabil dalam beberapa menit. Apabila magnet permanen ditempatkan disampingnya seperti pada Gambar (b), partikel koloid tersebut dapat dengan mudah dikumpulkan oleh medan magnet luar, sehingga dengan mudah dapat dipisahkan dari pelarutnya. Hasil ini membuktikan bahwa nanopartikel komposit Fe3O4-SiO2-TiO2 walaupun memiliki nilai magnetisasi saturasi jauh lebih rendah dari Fe3O4,namun masih tetap memiliki sifat magnetik yang cukup baik untuk dapat dipisahkan dari pelarutnya

a. Air limbah yang telah ditambahankan material komposit

b. Material komposit setelah diberi medan magnet dari luar

Referensi

Nurjanah, Siti (2018). Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel Magnetik Fe₃O₄ pasir besi glagah kulon progo dengan metode kopresipitasi. Skripsi, Universitas Negeri Yogyakarta.

R. Wang, X. Wang, X. Xi, R. Hu, and G. Jiang, “Preparation and Photocatalytic Activity of Magnetic Fe3O4/SiO2/TiO2 Composites,” Adv. Mater.Sci.Eng.,vol.12,pp.1–8,201

Sahidin, Didin (2014). Sintesis Komposit Fe₃O₄-SiO₂-TiO₂ dan Aplikasinya untuk Mendegradasi Limbah Zat Warna Methylene Blue. Jurnal Sains Materi Indonesia. ISSN: 1411-1098

Zhao, and M.-K. Wu, (2010) Magnetodielectric study in SiO₂-coated Fe₃O₄ nanoparticle compacts, Journal  Appl. Phys., vol. 108, no.9 hal, .94–105

Ditulis oleh Diki Permana

Fotokatalisis adalah cara yang efisien untuk membersihkan limbah cair maupun gas yang ada di lingkungan. Ameta (2017) menyatakan bahwa dengan fotokatalisis, maka akan bermanfaat besar bagi manusia maupun lingkungan. Fotokatalisis akan mengubah energi gelombang/cahaya menjadi energi kimia. Keuntungan utama fotokatalisis menggunakan TiO₂ adalah mempunyai stabilitas kimia yang tinggi pada kondisi asam dan basa, tidak beracun, harga yang relatif murah, dan pengoksidasi yang aman bagi lingkungan menjadikan TiO₂ potensial untuk banyak aplikasi fotokatalitik (Ameta & Ameta, 2016)

Dalam proses oksidasi fotokatalisis, polutan organik didegradasi dengan adanya fotokatalis semikonduktor, sumber cahaya, dan zat pengoksidasi seperti oksigen atau udara. Gambar. 1 menunjukkan mekanisme fotokatalisis TiO₂. Hanya foton dengan energi yang lebih besar dari energi celah-pita (ΔE) yang dapat menghasilkan eksitasi elektron pita valensi dan mendorong reaksi terjadi. Hole positif mengoksidasi polutan secara langsung atau melalui intermediet air untuk menghasilkan radikal OH, sedangkan elektron dalam pita konduksi mengurangi oksigen yang diserap pada katalis (Ahmed et al., 2010).

Gambar 1. Mekanisme fotokatalisis TiO₂ (Ahmed et al., 2010)

Struktur nano atau mikro dari bola adalah yang paling banyak dipelajari dan digunakan dalam senyawa TiO₂. Bola TiO₂ ini biasanya memiliki luas permukaan spesifik dan volume pori yang tinggi (Gambar 2). Dengan sifat-sifat ini maka akan meningkatkan ukuran area permukaan yang dapat dimafaatkan untuk adsorpsi polutan organik. Secara umum, peningkatan ini menghasilkan kemampuan fotokatalitik yang lebih baik karena reaksi fotokatalitik didasarkan pada reaksi kimia pada permukaan fotokatalis. Selain itu, struktur ini meningkatkan kemampuan penangkapan cahaya karena cahaya untuk dapat sebanyak mungkin menjangkau bagian dalam dari material (Li et al., 2007).

Gambar 2. Ilustrasi dimensi struktur dari material dengan kemungkinan sifatnya (Li et al., 2007)

Struktur mikro berongga (hollow) pada TiO₂ akan membuat reaksi katalitik lebih baik karena proses pembebasan molekul reaktan dan produk ke sisi aktif akan lebih mudah (Qi et al., 2016). Tu et al. (2012) juga melaporkan aktivitas fotokatalitik hollow TiO₂ yang dikompositkan dengan graphene terjadi peningkatan sembilan kali relatif terhadap P25. Selain itu, energi celah pita untuk TiO₂ yang telah dikompositkan dengan nanopartikel emas menghasilkan celah pita terendah, menjadi 2,24 eV dan efisiensi fotokatalitik yang maksimum selama degradasi fenol (Chowdhury et al., 2019).

Zheng et al. (2018) telah menyintesis hollow TiO₂ dengan metode sol-gel menggunakan template SiO₂ dan penggunaan tetrabutil ortotitanat sebagai prekusor untuk TiO₂ serta mengkompositkannya dengan logam Pd, Pt dan Au untuk fotokatalisis pemisahan air. Hasil menunjukkan bentuk hollow TiO₂ yang smooth, dan optimum untuk fotokatalisis pemisahan air diperoleh dengan doping Pd 0,95%, sedangkan pada komposil Au 1% menunjukkan hasil pemisahan air yang kecil dibandingkan komposit Pd dan Pt.

Klorofenol adalah polutan air dengan tingkat toksisitas sedang dan diduga memiliki sifat karsinogenik. Nitrofenol adalah polutan air dengan toksisitas tinggi dan dilepaskan ke lingkungan air karena sintesis dan penggunaan pestisida organo-fosfor, pewarna azo, dan beberapa barang medis. Produk samping utama yang terdeteksi selama degradasi fotokatalitik fenol adalah 4-nitrokatekol, benzokuinon, hidrokuinon dan sejumLah asam organik. Gambar 3 mengilustrasikan degradasi fotokatalitik fenol dan pembentukan zat antara.

Gambar 3. Fotokatalisis dari degradasi fenol dengan nanomaterial TiO₂  (Guo et al., 2006)

Daftar Pustaka

• Ahmed, S., Rasul, M. G., Martens, W. N., Brown, R. & Hashib, M. A. (2010). Heterogeneous photocatalytic degradation of phenols in wastewater: A review on current status and developments. Desalination. Vol 261, pp 3–18.
• Ameta, R., & Ameta, S. C. 01 Dec 2016. Binary Semiconductors from: Photocatalysis, Principles and Applications. CRC Press. Accessed on: 25 Feb 2019
• Chowdhury, I. H., Roy, M., Kundu, S. & Naskar, M. K. (2019). TiO₂ hollow microspheres impregnated with biogenic gold nanoparticles for efficient visible light-induced photodegradation of phenol. Journal of Physics and Chemistry of Solids.
• Guo, Z., Ma, R. & Li, G. (2006). Degradation of phenol by TiO₂ nanomaterials in wastewater. Chemical Engineering Journal. Vol. 119, pp 55–59.
• Li, H., Bian, Z., Zhu, J., Zhang, D., Li, G., Huo, Y., Li, H., & Lu, Y. (2007). Mesoporous titania spheres with tunable chamber stucture and enhanced photocatalytic activity. J. Am. Chem. Soc. Vol 129, pp 8406–8407.
• Qi, L., Cheng, B., Yu, J. & Ho, W. (2016). The high-surface area of the unique Pt/TiO₂ hollow chains for efficient formaldehyde decomposition at ambient temperature. Journal of Hazardous Materials. Vol. 301, pp 522–530.
• Tu, W., Zhou, Y., Liu, Q., Tian, Z., Gao, J., Chen, X., Zhang, H., Liu, J. & Zou, Z. (2012). Robust Hollow Spheres Consisting of Alternating Titania Nanosheets and Graphene Nanosheets with High Photocatalytic Activity for CO₂ Conversion into Renewable Fuels. Adv. Funct. Mater. Vol 22, pp 1215–1221
• Zheng, H., Svengren, H., Huang, Z., Yang, Z., Zou, X. & Johnsson, Mats. (2018). Hollow titania spheres loaded with noble metal nanoparticles for photocatalytic water oxidation. Microporous and Mesoporous Materials. Vol. 264. pp 147-150

Di era sekarang, sains dan tegnologi sudah meramba kemana-mana dalam setiap aspek kehidupan manusia. Penelitian dan pengembangan tegnologi terus dilakukan dalam berbagai bidang untuk memenuhi kehidupan manusia. Sejalan dengan perkembangan dan pertumbuhan penduduk yang meningkat maka kebutuhan energi juga mengikuti. Melalui sains banyak hal yang dapat dimanfaatkan, salah satunya adalah energi, yang dapat dikonversi yang berbasis fotokatalisis menggunakan PhotoFuelCells.

            Istilah Fotokatalisis terdiri dari dua arti yaitu fotokimia dan katalis. Pada proses reaksi fotokimia melibatkan cahaya (foto).  Fotokatalisis itu sendiri berarti suatu reaksi yang dibantu oleh katalis dan cahaya. Katalis adalah suatu bahan yang dapat mempercepat atau memperlambat reaksi tanpa berubah secara kimia. Konsep fotokatalisis tidak berbeda jauh dari konsep fotosintesis. Pada fotosintesis energi cahaya diserap oleh klorofil, pada fotokalisis energi cahaya digunakan untuk mengaktisipasi semikonduktor, biasanya berupa TiO₂, CdS, ZnO dan lain-lain.

            Fotokatalisis dapat digunakan sebagai pendegrasi limbah, penjernian limbah tekstil, pengolahan limbah organik dan anorganik, pengolahan limbah cair, produksi H₂O dan lain-lain. Di Indonesia penggunaan fotokatalisis sangat bagus digunakan mengingat Indonesia memiliki iklim tropis yaitu banyaknya sinar matahari sepanjang tahun dengan efektifitas 50-80%, kelembaban rata-rata 60-90%, serta curah hujan  selama 150-220 hari dalam setahun. Kondisi ini bisa dimanfaatkan untuk mengubah energi matahari jadi berguna bagi kehidupan.

            Untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi kimia dan listrik dapat dilakukan dengan sel fotoelektrokimia. Konfigurasi standar untuk sel fotoelektrokimia melibatkan sebuah photoanode electrode yang membawa fotokatalis semikonduktor tipe-n, dan sebuah elektroda counter membawa elektrokatalis dan elektrolit. Cahaya diserap oleh fotokatalis yang menghasilkan pasangan lubang elektron. Elektron dipandu melalui sirkuit eksternal ke elektroda katoda (counter), di mana mereka mengambil bagian dalam reaksi reduksi sementara lubang dikonsumsi melalui reaksi oksidasi. Dalam surya regeneratif sel-sel, elektrolit melibatkan pasangan redoks, yang direduksi pada elektroda counter dan dioksidasi pada elektroda photoanode dengan demikian mengisi ulang lubang dan mengubah energi foton menjadi listrik. Di kedua jenis sel, energy foton dan energi kimia dari agen pengorbanan, yaitu, dari “bahan bakar”, dikonversi menjadi listrik dan/atau disimpan dalam bentuk energi kimia yang bermanfaat, misalnya  memproduksi hidrogen. Untuk alasan ini, sel fotoelektrokimia yang beroperasi dengan konsumsi bahan bakar disebut PhotoFuelCells (PFC) (Robert, Stavroula, dan Panagiotis, 2014).

Gambar 1 : (A) Desain PFC memproduksi listrik (B) Distribusi geometrik fotokalis (lingkaran kecil) dan elektrokalis (area hitam) pada “daun fotoelektrokalitik” dan (C) Produksi Hidrogen menggunakan “daun fotoelektrokalitik” (Sumber: researchgate)

Konfigurasi dasar sel fotoelektrokimia standar, dapat dibuat dengan mudah dan memungkinkan pilihan substansial bahan baik untuk pembangunan fotoanode maupun elektroda katoda. Titania nanopartikulat adalah fotokatalis tidak terbantahkan, untuk bahan penyerap cahaya tampak baru. Materi tersebut dapat menunjukkan potensi yang kuat untuk aplikasi di PhotoFuelCells secara parallel aplikasi fotokatalitik lainnya.

Prospek penerapan fotokatalisis di Indonesia menjanjikan melihat sumber energi melimpah yang sudah ada di depan mata. Hal itu dapat digunakan untuk memproduksi energi terbarukan karena, misalnya energi fosil yang semakin meningkat dan pasokannya juga menipis dimana sisi lainnya dapat mencemari udara (hujan asam dan pemanasan global) yang berimbas pada manusia sendiri. Oleh karena itu, sangat penting penggunaan fotokatalisis mengingat sumber energi terbarukan yang beragam dan mempunyai potensi untuk dimanfaatkan. Dengan begitu kerusakan alam dapat diminimalisir.

Referensi :

• Michal, R., Sfaelou, S., & Lianos, P. (2014). Photocatalysis for Renewable Energy Production  Using PhotoFuelCells. Molecules. 19 : 19732-19750. http://www.mdpi.com/1420-3049/19/12/19732/pdf

• Sfaelou, S., & Lianos, P. (2016). Photoactivated Fuel Cells (PhotoFuelCells). An alternative source of renewable energy with environmental benefits. AIMS Materials Science, 3(1): 270-288. http://www.aimspress.com/fileOther/PDF/Materials/matersci-03-00270.pdf

Keberadaan  industri  dan  produk  tekstil  di  suatu  negara  telah  banyak memberikan suatu keuntungan bagi negara itu sendiri,  antara lain berkurangnya angka pengangguran yang ada di masyarakat, meningkatnya pendapatan, dan hasil output dari industri itu sendiri. di Indonesia, baik industri tekstil maupun produk tekstil telah menjadi  industri  yang penting dan terbukti  mampu meningkatkan nilai perekonomian Indonesia

Dengan berkembangnya industri tekstil yang ada di Indonesia, produksi limbah zat warna tekstil pun semakin meningkat. Limbah ini memiliki peran yang besar  dalam  masalah  pencemaran  air  jika  limbah  tidak  diolah  terlebih  dahulu sebelum  dibuang  (Riswiyanto,2010).  Limbah  tekstil  tersebut  berasal  dari  proses pencelupan industri tekstil. Pada saat proses tersebut berlangsung, setidaknya zat warna menghasilkan sekitar 10-15% limbah. Pengolahan limbah industri tekstil sebelum  sampai  ke  saluran  pembuangan  akhir  sangat  penting  karena  akan berpengaruh dari segi estetika maupun perlindungan lingkungan.

Saat ini berbagai teknik atau metode penanggulangan limbah tekstil telah dikembangkan, diantaranya adalah metode adsorpsi. Namun metode ini ternyata kurang begiti efektif karena zar warna tekstil yang diadsopsi tersebut masih terakumulasi di dalam adsorben yang pada suatu saat nanti akan menimbulkan persoalan baru. Sebagai alternatif dikembangkan metode fotodegradasi dengan menggunakan bahan fotokatalis dan radiasi sinar ultraviolet. Dengan metode fotodegradasi ini, zat warna akan diurai menjadi komponen-komponen yang lebih sederhana yang lebih aman untuk lingkungan (Alinsafi ddk., 2007).

Fotokatalisis dimulai dengan terbentuknya pasangan elektron-hole (e^– dan h⁺) akibat adanya eksitasi dari pita valensi menuju pita konduksi. Eksitasi ini terjadi akibat adanya energi foton dari cahaya matahari. Eksitasi akan terjadi ketika panjang gelombang dari cahaya matahari tersebut sama atau melebihi dari energi celah pita yang dimiliki oleh material katalis tersebut. Penyinaran permukaan material yang bersifat semikonduktor, dalam hal ini TiO2 dan ZnO, akan menghasilkan pasangan elektron dan hole positif pada permukaannya (Dennie Widya, 2012)

Hal ini seperti yang terlihat pada Gambar.1 di bawah ini, yaitu skema sederhana terjadinya eksitasi elekron pada material semikonduktor ZnO doping  logam.

Gambar 1. Skema sederhana eksitasi yang terjadi pada bahan semikonduktor

Jika suatu semikonduktor dikenai cahaya dengan energi (hv) yang sesuai, maka electron (e^–) pada pita valensi akan berpindah menuju pita konduksi, dan meninggalkan lubang positif (hole/h⁺) pada pita valensi. Sebagian besar pasangan elektron-hole (e^– dan h⁺) akan rekombinasi kembali, baik dipermukaan ataupun di dalam bulk partikel. Namun, sebagian lain dari pasangan e^– dan h⁺ dapat bertahan sampai permukaan semikonduktor dan pada akhirnya h⁺ dapat menginisiasi reksi oksidasi dan dilain pihak e^– akan menginisiasi reaksi reduksi zat kimia yang ada disekitar permukaan semikonduktor.  Reaksi oksidasi pada permukaan semikonduktor dapat berlangsung melalui donor elektron dari substrat ke h⁺. Reaksi oksidasi yang terjadi akan mengakibatkan terbentuknya gugus hidroksil radikal. Hidroksil radikal tersebut memiliki sifat oksidator kuat.

Doping merupakan salah satu teknik yang digunakan untuk mengontrol sifatsemikonduktor,dengan menambahkan sejumlah kecil atom pengotor (dopan) ke dalam struktur semikonduktor, yaitu pada permukaan semikonduktor. Dopan dapat mempengaruhi sifat optik, magnetik, dan elektronik dari semikonduktor (Norris D., Efros, 2008). Beberapa logam dari jenis logam transisi mulai dikembangkan untuk modifikasi fotokatalis. Selain lebih menguntungkan secara ekonomis, logam dari jenis ini ternyata menunjukkan hasil yang sebanding dengan logam mulia. A. Bonanni (2007) menyatakan bahwa penggunaan logam transisi sebagai dopan dalam semikonduktor dapat meningkatkan sifat kemagnetan semikonduktor karena unsur-unsur tersebut memiliki elektron tidak berpasangan. Sehingga elektron dan hole yang dihasilkan akan semakin banyak. Seperti dopan Cu yang dapat berlaku sebagai sumber elektron sehingga meningkatkan produksi elektron sehingga dapat meningkatkan aktivital fotokatalis.

DAFTAR PUSTAKA

• Alinsafi, A., F. Evenou, E.M. Abdulkarim, M.N. Pons, O. Zahraa, A. Benhammou, A.Nejmeddine. 2007. Treatment of textille of Industry Waste Water by Supported Photocatalysis. Dyes and pigments-Dye Pigment. 74(2): 439-445.

• Bonanni A. 2007. Ferromagnetic nitride-based semiconductors doped with transition metals and rare earths. Semiconductor Science and Technology. 22: 41–56.

• Norris D J., Efros A L., & Erwin S C. 2008. Doped Nanocrystals . Science , 319.

• Riswiyanto, S., R. Bakri, and A. Titis. 2010. Degradasi fotokatalitik zat warna direct yellow dan direct violet dengan katalis tio2/agi -sinar UV. Valensi 2 (1) : 319 –324