Permasalahan limbah di era industrialisasi merupakan hal yang tidak dapat dihindarkan keberadaannya dan menjadi persoalan yang serius bagi kelangsungan hidup. Limbah hasil produksi industri baik limbah cair, padat, atau bentuk lainnya menghasilkan limbah yang rentan terhadap lingkungan. Oleh karena itu, pengolahan limbah harus dilakukan sejak awal ketika proses produksi dilakukan hingga akhir agar tidak menimbulkan pencemaran lingkungan.
Limbah cair organik merupakan sisa dari suatu proses produksi industri yang berwujud cair yang dibuang ke lingkungan dan dapat menurunkan kualitas lingkungan. Salah satunya adalah industri tahu yang menghasilkan limbah cair dengan banyak kandungan senyawa organik, sehingga nilai BOD dan COD dari limbah akan tinggi. Terdapat pula industri tekstil yang limbah cairnya mengandung senyawa organik dan anorganik cukup tinggi, dan masih banyak industri yang menghasilkan limbah cair dengan berbagai komponen di dalamnya. Salah satu solusi mengatasi limbah cair industri organik yaitu dengan menggunakan fotokatalis Titanium dioksida (TiO2).
TiO2 sering digunakan pada teknologi pengolahan lingkungan karena selain mempunyai harga celah energi yang tinggi, juga stabil secara kimia dan fisika, aman, serta harganya murah (Gunlazuardi, 2001). TiO2 merupakan fotokatalis yang menyerap energi foton pada daerah UV. TiO2 dapat berfungsi sebagai fotokatalis, yaitu bahan yang dapat mempercepat reaksi yang diinduksi oleh cahaya, karena TiO2 memiliki struktur semikonduktor.
Titanium dioksida memilik 3 jenis struktur Kristal, yaitu rutil, anatase dan brukit. Namun diantara tiga jenis struktur tersebut, hanya anatase dan rutillah yang cukup stabil keberadaannya. Jenis struktur yang berbeda tentunya berpengaruh pada perbedaan masa jenis (3,9 g/cc untuk anatase dan 4,2 g/cc untuk rutil), dan tentunya hal ini dapat mempengaruhi pada luas permukaan dan sisi aktif dari TiO2 tersebut. Selain itu, struktur kristal ternyata mengakibatkan perbedaan tingkat energi struktur pita elektroniknya. Besarnya energi gap (Eg) diantara keduanya akan berbeda bila lingkungan, dalam hal ini penyusunan atom Ti dan O di dalam Kristal TiO2 berbeda. Contohnya, struktur anatase memiliki Eg sebesar 3,2 eV dan rutile memiliki Eg sebesar 3,0 eV (Arutanti, 2009).
Gambar 1. Energi celah, posisi pita valensi (bawah), konduksi (atas), dan potensial redoks. Potensial reduksi bertanda negatif dan potensial oksidasi bertanda positif. Satuan dalam volt diukur pada larutan elektrolit dengan PH = 1 [4] (Arutanti,2009)
Dari Gambar 1 di atas, dapat dilihat bahwa TiO2 memiliki energi celah sebesar 3,2 eV yang merupakan selisih absolut antara energi pita konduksi (-4,5 eV) dengan posisi tingkat energi pita valensi (-7,7 eV). Hal ini mengindikasikan bahwa h+ pada permukaan TiO2 merupakan spesis oksidator kuat sehingga dapat mengoksidasi spesi kimia lainnya yang mempunyai potensial redoks lebih kecil. Dalam hal ini adalah air yang akan menghasilkan radikal hidroksil. Karena berdasarkan data yang ada, radikal hidroksil pada pH = 1 memiliki potensial sebesar 2,8 Volt, dan berdasarkan data yang lain juga, sebagian besar zat organik yang ada memiliki potensial redoks yang lebih kecil dari 2,8 Volt. Hal inilah yang membuat penyinaran pada TiO2 dapat memecah zat organik menjadi senyawa lainnya (Arutanti, 2009).
Fotokatalis, secara umum didefinisikan sebagai proses reaksi kimia yang dibantu oleh cahaya dan katalis padat. Dimana dalam langkah reaksinya melibatkan pasangan electron-hole (e- dan h+). Definisi umum tersebut mempunyai implikasi bahwa beberapa langkah-langkah fotokatalis adalah merupakan reaksi redoks yang melibatkan pasangan e- dan h+ .
Gambar 2. Peristiwa eksitasi dan de- eksitasi pada TiO2 di bawah sinar UV (Arutanti, 2009)
           Pada prinsipnya, reaksi oksidasi pada permukaan semikonduktor dapat berlangsung melalui donasi electron dari substrat ke h+ . Apabila potensi oksidasi yang dimilikio leh TiO2 pada pita valensi ini cukup besar untuk mengoksidasi air pada permukaan partikel, maka akan dihasilkan gugus hidroksil. Radikal hidroksil merupakan spesi pengoksidasi kuat dan memiliki potensial redoks sebesar 2,8 Volt. Potensial sebesar ini cukup kuat untuk mengoksidasi sebagian besar zat organik menjadi air, asam mineral dan karbon dioksida. Berikut adalah gambaran reaksi kimia yang terjadi pada fotokatalisis :
Gambar 3. Air limbah yang sebelum disaring dan sesudah di saring (Arutanti, 2009)
Gambar 4. Limbah leuwigajah (200 ml) yang dicampur dengan TiO2 (5,883 gram) dibawah sinar matahari dengan selang waktu 1 jam (Arutanti, 2009)
Hal yang termudah dalam mendeteksi apakah air tersebut tercemar adalah dilihat dari warna, bau, viskositas dan PH. Asumsi pertama, jika air tersebut terlihat sudah berwarna bahkan mengeluarkan bau, maka air tersebut sudah tercemar. Asumsi kedua, jika air tersebut sudah tercemar oleh sampah non-organik, maka cara mensterilisasi air tersebut tidaklah mudah. Dalam kata lain tidak dapat di sterilisasi dengan cara fisik akan tetapi harus secara kimia.
Pada Gambar. 3 digunakanlah asumsi ke dua. Limbah leuwigajah tersebut dicoba dijernihkan dengan cara difilter. Jika pencemarnya adalah non-organik, maka sampah tersebut tidak mudah larut dalam air sehingga air yang tercemar sampah non-organik dapat dengan mudah dipidahkan terutama dengan cara difilter. Akan tetapi, setelah melihat hasil dari eksperimen pertama, maka sangat diyakini bahwa air tersebut sudah tercemar sampah organik. Buktinya, ketika air tersebut difilter, tidak ada perubahan yang mencolok ketika sebelum dan sesudah disaring (Arutanti, 2009).
Pada Gambar. 4, cawan yang berisi 200 ml limbah ditambahkan masing-masing 5,883 gram TiO2 serbuk. Larutan di campur dan didiamkan di bawah sinar matahari selama kurang lebih 8 jam. Setiap 1 jam sekali perubahan larutan diabadikan. Dari gambar tersebut perubahan warna air cukup signifikan. Limbah yang pada mulanya berwarna kehitam-hitaman, berubah menjadi jauh lebih bening. Selain itu, bau yang tadinya cukup menyengat, setelah dilakukan fotokatalisis ternyata menghilang.
Kemampuan permukaan TiO dalam menjalankan fungsinya sebagai fotokatalisator dengan menyediakan h+ dengan radikal oksidasi yang besar, sistem tersebut mampu menyediakan radikal hidroksil secara kontinu sesuai dengan sumber fotonnya. Sifatnya sebagai pengoksidasi yang kuat yang memiliki potensial sekitar 2,8 Volt, membuatnya mampu mengoksidasi senyawa organik yang ada di dalam limbah. Senyawa-senyawa organik yang sifatnya merugikan di ubah kedalam bentuk senyawa lain yang tidak berbahaya. Sehingga sistem ini dapat dikelola menjadi suatu perangkat yang mampu mengolah zat organik beracun menjadi zat lain yang tidak beracun di dalam air yang tercemar (Arutanti, 2009).
Referensi:
- Gunlazuardi, J., 2001, June. Fotokatalisis pada permukaan TiO2: Aspek Fundamental dan aplikasinya. In Seminar Nasional Kimia Fisika II.
- Arutanti, O., Abdullah, M., Khairurrijal, K. and Mahfudz, H., 2009. Penjernihan Air Dari Pencemar Organik dengan Proses Fotokatalis pada Permukaan Titanium Dioksida (TiO2). Jurnal Nanosains & Nanoteknologi, pp.53-55.