Kimia FisikDEGRADASI FOTOKATALISIS ZAT WARNA DALAM PELARUT AIRMENGGUNAKAN FOTOKATALIS OKSIDA LOGAMA. TujuanMemahami prinsip degradasi fotokatalisis menggunakan bahan semikonduktor.B. Landasan TeoriFotokatalisis didefinisikan sebagai kombinasi proses fotokimia dan katalis, yaitu proses transformasi kimia yang menggunakan foton sebagai sumber energi dan katalis sebagai pemercepat laju transformasi. Proses tersebut didasarkan pada kemampuan ganda suatu material semikonduktor (seperti TiO2, ZnO, Fe2O3, CdS, ZnS) untuk menyerap foton dan melakukan reaksi transformasi pada antar muka material secara simultan.TiO2 adalah material semikonduktor yang mempunyai energi celah pita (band-gap energy) 3,2 eV. Saat partikel koloid TiO2 mengalami fotoeksitasi ( 380 nm) dihasilkan elektron, elektron dan muatan positif disebut hole, h+ sesuai dengan persamaan reaksi berikut:

Secara berurutan, elektron dan hole memungkinkan berlangsungnya reaksi yang bersifat reduktif dan oksidatif pada antar muka material semikonduktor. Dalam pelarut air, oksigen terlarut bertindak sebagai penangkap elektron, sementara air akan bereaksi dengan hole menghasilkan radikal OH sebagaimana reaksi berikut:

Radikal OH mempunyai potensial reduksi yang cukup tinggi ~ 2,8 V, sehingga bersifat sangat oksidatif. Hal ini memungkinkan radikal OH untuk segera bereaksi dengan senyawa organik atau anorganik yang berada dalam air (fotodegradasi). Degradasi total polutan organik ini akan menghasilkan CO2, H2O dan mineral (mineralisasi sempurna)

(Amiruddin, 2006).Fotokatalis adalah proses terjadinya reaksi suatu materi terhadap materi lainnya yang diperantarai oleh energi dari penyinaran UV. Mengambil manfaat dari reaksi yang terjadi itu, titanium dioksida yang dilibatkan dalam sistem fotokatalisis VOL 1 memunculkan enzim aktif guna memecahkan atau menghantam bakteri, bau ataupun menjatuhkan terhadap kemungkinan terjadinya noda akibat oksidasi yang terbentuk secara alamiah.Dari hasil uji coba fotokatalisis yang menggunakan TiO2 khususnya terhadap faktor bau tidak enak, ternyata memberikan grafik hasil bahwa sistem fotokatalisis ini memang secara cepat menghapuskan bau tidak enak, dalam waktu 2 jam, misalnya dengan kepekatan 40 ppm (part per million) (http://www.chemistry.org).Salah satu metode yang biasa digunakan untuk mengatasi limbah industri yang mengandung zat warna adalah melalui proses degradasi fotokatalisis TiO2 yang berfungsi sebagai katalisator dalam degradasi senyawa-senyawa pencemar organik tersebut. Kemampuan TiO2 sangat dipengaruhi oleh intensitas sinar ultraviolet, TiO2 dalam air yang disinari oleh sinar ultraviolet akan membentuk pasangan h+ (lubang positif) dan e- (elektron). Pasangan ini berperan dalam reaksi oksidasi reduksi menghasilkan radikal OH yang sangat reaktif menyerang polutan dan mendegradasi menjadi CO2 dan H2O (Pope, 1995).Titanium dioksida memiliki tiga struktur kristal yaitu rutil, anatase dan brukit, namun hanya rutil dan anatase yang cukup stabil keberadaannya dan biasa digunakan sebagai fotokatalis yang memiliki aktivitas fotokatalis yang baik adalah anatase. Perbedaan massa jenis (3,9 g/cc untuk anatase dan 4,2 g/cc untuk rutil), luas permukaan, densitas aktifnya, perbedaan tingkat energi hasil hibridisasi yang berasal dari kulit 3d, titanium bertindak sebagai pita konduksi, sedangkan tingkat energi hasil hibridisasi yang berasal dari kulit 3d, titanium bertindak sebagai pita konduksi, sedangkan tingkat energi hasil hibridisasi dari kulit 2p oksigen bertindak sebagai pita valensi, pita konduksi dan besarnya energi diantara keduanya akan berbeda bila lingkungan dan/atau penyusunan atom Ti dan O dalam kristal TiO2 berbeda, seperti pada struktur anatase (Eg = 3,2 eV) (Gunlazuard, 2001).Katalisator merupakan zat yang ditambahkan ke dalam suatu reaksi dengan maksud memperbesar kecepatan reaksi katalis ikut terlibat dalam reaksi tetapi tidak mengalami perubahan kimiawi yang permanen, dengan kata lain pada akhir reaksi katalis akan dijumpai kembali dalam bentuk dan jumlah yang sama seperti sebelum reaksi. Suatu katalis berfungsi untuk mempercepat reaksi atau untuk memperbesar kecepatan reaksinya dengan jalan memperkecil energi pengaktifan suatu reaksi dan akan dibentuk tahap-tahap reaksi yang baru. Dengan menurunnya energi pengaktifan maka pada suhu yang sama reaksi dapat berlangsung cepat.Radiasi UV merupakan radiasi elektromagnetik yang mempunyai panjang gelombang diantara sinar UV dengan sinar-X panjang. Daerah UV dibagi tiga yaitu UV A (380 315 nm) disebut gelombang panjang (Long wave) atau black light. UV B (315 280 nm) disebut gelombang medium (Medium wave) dan UV C (280 10 nm) disebut gelombang pendek (Short wave). Matahari adalah pemancar radiasi ultraviolet yang kuat tetapi hanya ultraviolet dekat yang mencapai permukaan bumi, sebab ozon di atmosfer menyerap semua panjang gelombang di bawah 290 nm (Deintith, 1990).

C. Alat dan Bahan1. Alat Pipet ukur 10 mL Filler Labu takar 25 mL 5 buah Neraca analitik Batang pengaduk Lampu UV Spektronik 20D Pipet tetes Stopwatch Botol semprot Corong2. Bahan CuO, 0,05 gram Metilen orange 20 ppm Aquadest Kertas saring Alumunium foil

D. Prosedur Kerja1. Pembuatan Kurva Kalibrasi

2. Pengukuran Absorbansi Sampel yang mengalami Degradasi

E. Data Pengamatan = 430 nmKonsentrasi (ppm) Absorbansi05101520 00,2220,4100,5380,628Sampel 0,528

Kurva Kalibrasi

y = 0,0314x + 0,04520,528 = 0,0314x + 0,04520,0314x = 0,4828x = 15,375Jadi, konsentrasi metilen orange 1 ppm setelah degradasi adalah 15,375 ppmKonsentrasi metilen orange 1 ppm yang terdegradasi = 20 15,375 = 4,624 ppm% yang terdegradasi =

F. PembahasanFotokatalisis didefinisikan sebagai kombinasi proses fotokimia dan katalis, yaitu proses transformasi kimia yang menggunakan foton sebagai sumber energi dan katalis sebagai pemercepat laju transformasi. Proses tersebut didasarkan pada kemampuan ganda suatu material semikonduktor (seperti TiO2, ZnO, Fe2O3, CdS, ZnS) untuk menyerap foton dan melakukan reaksi transformasi pada antar muka material secara simultan.TiO2 adalah material semikonduktor yang mempunyai energi celah pita (band-gap energy) 3,2 eV. Saat partikel koloid TiO2 mengalami fotoeksitasi ( 380 nm) dihasilkan elektron, elektron dan muatan positif disebut hole, h+ sesuai dengan persamaan reaksi berikut:

Teori pita energi dapat menerangkan sifat konduksi listrik suatu bahan pita energi terdiri atas dua jenis, yaitu pita valensi yang terisi penuh oleh elektron dari atom suatu bahan dan pita konduksi yang terisi sebagian atau kosong elektron. Pada bahan semikonduktor, lubang (hole) dan elektron berfungsi sebagai pembawa muatan listrik (pengantar arus). Suatu semikonduktor yang dikenai suatu cahaya dengan energi yang sesuai, maka elektron pada pita valensi akan pindah ke pita konduksi, dan meninggalkan lubang positif (hole), h+ pada pita valensi. Sebagian besar pasangan elektron dan h+ ini akan berkombinasi kembali, baik dipermukaan atau di dalam partikel. Sementara itu sebagian pasangan e dan h+ dapat bertahan sampai pada permukaan semikonduktor. Dimana h+ dapat menginisiasi reaksi oksidasi dan e- dapat menginisiasi reaksi reduksi zat kimia yang ada disekitar permukaan.Degradasi merupakan suatu reaksi kimia yang secara bertahap mengubah suatu senyawa makromolekul menjadi senyawa yang lebih sederhana. Dalam proses fotodegradasi, fotokatalisis semikonduktor dapat diaktifkan dengan menggunakan sinar ultraviolet dan radiasi cahaya matahari. Sinar ultraviolet yang berasal dari matahari digunakan untuk menciptakan pasangan elektron lubang di dalam pita semikonduktor. Elektron tersebut kemudian bereaksi dengan oksigen dalam sampel untuk membentuk O2, sedangkan lubang (h+) akan bereaksi dengan kelompok hidroksil pada permukaan dan membentuk radikal OH sebagaimana reaksi berikut:

Katalisator merupakan zat yang ditambahkan ke dalam suatu reaksi dengan maksud memperbesar kecepatan reaksi. Katalis ikut terlibat dalam reaksi tetapi tidak mengalami perubahan kimia yang permanen, dengan kata lain pada akhir reaksi katalis akan dijumpai kembali dalam bentuk dan jumlah yang sama sebelum reaksi. Suatu katalisator berfungsi untuk memperbesar kecepatan reaksinya (mempercepat reaksi) dengan jalan memperkecil energi pengaktifan suatu reaksi dan akan dibentuk tahap-tahap reaksi yang baru. Dengan menurunnya energi pengaktifan maka pada suhu yang sama reaksi dapat berlangsung lebih cepat.Pada percobaan ini digunakan CuO yang dilarutkan dalam metilen orange dengan konsentrasi 20 ppm dan diaduk selama 30 menit sebelum disinari dengan lampu UV. TiO2 pada percobaan ini bertindak sebagai katalis. CuO Pada percobaan ini, larutan campuran antara metilen orange dan titanium dioksida disinari dengan lampu UV selama 1 jam. Dimana radiasi ultraungu yang sering disingkat dengan UV merupakan radiasi elektromagnetik terhadap panjang gelombang yang lebih pendek dari daerah dengan sinar tampak.Absorpsi sinar ultraviolet oleh CuO akan diikuti perpindahan e- pita valensi ke pita konduksi terbentuk pasangan (e-) dan lubang (h+). Elektron bereaksi dengan oksigen dalam sampel untuk membentuk , sedangkan lubang akan bereaksi dengan ion hidroksil membentuk radikal OH., karena reaksi degradasi berlangsung optimum pada pH basa, maka ion hidroksil selain berasal dari air juga berasal dari larutan buffer pH basa tersebut sehingga radikal OH yang terbentuk semakin banyak. Radikal OH ini menyerang molekul zat warna metilen orange sehingga terbentuk molekul-molekul intermediet sehingga sampai waktu tertentu akan terdegradasi menjadi molekul CO2 dan H2O, ini sesuai dengan pernyataan Linsebigler bahwa radikal OH yang terbentuk pada permukaan CuO yang dikenal sebagai spesies oksidator kuat dapat mengoksidasi hampir semua pencemar organik menjadi produk yang tidak beracun.Untuk mengetahui konsentrasi metilen orange yang terdegradasi dari fotokatalisis tersebut dilakukan pengukuran absorbansi metilen orange dengan memvariasikan konsentrasinya yaitu 5 ppm, 10 ppm, 15 ppm, dan 20 ppm. Dari hasil pengukuran nilai absorbansi untuk tiap-tiap konsentrasi secara berturut-turut yaitu 0,222; 0,410; 0,959; 0,538 dan 0,628. Yang berarti bahwa konsentrasi metilen orange berbanding lurus dengan absorbansinya, semakin besar konsentrasi metilen orange semakin besar pula absorbansinya. Hal ini disebabkan karena semakin pekatnya metilen orange dalam hal ini warna metilen orange semakin jingga (pekat) sehingga warna yang diserap pada saat pengukuran absorben juga semakin besar. Dan semakin besar konsentrasi metilen orange semakin banyak pula yang terdegradasi.Dimana dapat dilihat bahwa konsentrasi berbanding lurus terhadap nilai absorbansinya, yakni semakin besar nilai konsentrasi metilen orange maka nilai absorbansinya juga semakin besar. Dari grafik diperoleh persamaan y = 0,031x + 0,0452. Maka dapat ditentukan nilai konsentrasi metilen orange terdegradasi sebesar 0,04 ppm dan persen metilen orange yang terdegradasi sebesar 23,121%.Reaksi fotodegradasi zat warna metilen orange diamati berdasarkan perubahan warna larutan selama proses penyinaran belangsung. Perubahan warna larutan tersebut menunjukkan penurunan konsentrasi zat warna yang semula 1 ppm (konsentrasi sebelum degradasi) menjadi 0,960 ppm (konsentrasi setelah degradasi) yang disebabkan rusaknya gugus-gugus kromofor yang terdapat dalam zat warna akibat serangan radikal hidroksil yang sangat reaktif. Hal ini menunjukkan bahwa reaksi fotodegradasi metilen orange berlangsung dengan baik dibawah sinar UV ataupun matahari.G. KesimpulanDari percobaan yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa prinsip degradasi fotokatalisis menggunakan bahan semikonduktor yakni dalam proses fotodegradasi., fotokatalisis semikonduktor dapat diaktifkan dengan menggunakan sinar ultraviolet/radiasi cahaya matahari. Dimana reaksi fotodegradasi zat warna metilen orange diamati berdasarkan perubahan warna larutan selama proses penyinaran. Perubahan warna menunjukkan penurunan konsentrasi zat warna dari yang semula 20 ppm (sebelum degradasi) menjadi 15,375 ppm (setelah degradasi) . Dimana diperoleh nilai konsentrasi metilen orange terdegradasi sebesar 15,375 ppm dan persentase konsentrasi metilen blue yang terdegradasi yaitu 23,121%.

DAFTAR PUSTAKAAmiruddin, 2010, Penunjuk Praktikum Kimia Fisika II, F-MIPA Universitas Haluoleo, Kendari.

Gunlazuard, J., 2001, Fotokatalis pada Permukaan TiO2: Aspek Fundamental dan Aplikasinya, Jurusan Kimia F-MIPA UI, Jakarta.

Nurdin, M., 2007, Degradasi Fotoelektrokatalik Pada Potassium Hydrogen Phtalate, Jurnal Teknologi Pengolahan Limbah Vol. 10(2)

Sumartono, Agustin & Winarti Andayani, 2006, Karakterisasi Katalis TiO2 dan TiO2/Karbon Aktif yang Diimobilisasi Pada Pelat Titanium dan Uji Aktivasinya Sebagai Fotokatalis, Jurnal Kimia Indonesia Vol.1(2)

Wijaya, Karna & Is Fatimah, 2005, Sintesis TiO2/Zeolit Sebagai Fotokatalis Pada Pengolahan Limbah Cair Industri Tapioka Secara Adsorpsi-Fotodegradasi, Teknoin Vol.10 No. 4.