Air Purification dengan Fotokatalis
-
Upload
khoirunnisasahid -
Category
Documents
-
view
216 -
download
0
Transcript of Air Purification dengan Fotokatalis
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
1/15
PURIFIKASI UDARA
Fotokatalis merupakan suatu kombinasi antara proses
fotokimia dan katalisis. Proses fotokimia adalah proses sintesis
(transformasi) secara kimiawi dengan melibatkan cahaya.
Sedangkan katalis adalah substansi yang dapat mempercepat
jalannya reaksi dengan jalan mengubah jalur (mekanisme) reaksi
tanpa ikut terkonsumsi pada reaksi tersebut. Bahan-bahan yang
dapat dimanfaatkan sebagai fotokatalis ialah bahan-bahan yangmemiliki celah pita energi (energy bandgap) seperti kebanyakan
logam transisi dan saat dikenai cahaya maka energi cahaya
tersebut dapat mengeksitasi elektron dari pita alensi menuju
pita konduksi. !ni terjadi jika energi cahaya yang diberikan sama
atau lebih besar daripada celah pita energi dari bahan tersebut.
Proses fotokatalis dapat dibagi menjadi dua berdasarkan
jenis katalisnya yaitu fotokatalis homogen dan fotokatalis
heterogen. Fotokatalitik homogen adalah proses fotokatalitik
yang terjadi pada fasa yang sama dan dengan bantuan oksidator
seperti o"on dan hidrogen peroksida# sedangkan proses
fotokatalis heterogen ialah proses fotokatalisis yang terjadi
antara dua fasa atau lebih dan biasanya dibantu oleh cahaya
atau katalis padat. Proses fotokatalis heterogen merupakan
teknologi berdasarkan iradiasi fotokatalis semikonduktor seperti
titanium dioksida ($i%&)# seng oksida ('n%) ataupun kadmium
sulda (dS).
Bahan semikonduktor dapat dimanfaatkan sebagai
fotokatalis karena memiliki daerah energi kosong yang disebut
dengan celah pita energi (band gap energy )# yang berada
diantara batas pita alensinya. Besarnya celah pita energi ini
dapat diukur dengan menggunakan panjang gelombang cahaya
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
2/15
yang lebih baik dalam mengeksitasi elektron.Pada semikonduktor
yang memiliki celah pita energi yang lebar# elektron pada pita
alensi tidak bisa tereksitasi menuju pita konduksi. *kan tetapi
jika diberikan suatu energi dari luar maka elektron dari pita
alensi dapat mencapai pita konduksi dan akan terbentuk lubang
(holes) sebanyak elektron yang berpindah.
+etika suatu katalis semikonduktor dari tipe chalcogenide
(oksida ($i% 'n%# 'r% e%&) atau sulda (dS# 'nS)) dikenai
cahaya yang memiliki energi lebih besar atau sama dengan
energi celah pita semikonduktor# maka akan terjadi peristiwa
fotoeksitasi yaitu perpindahan elektron dari pita alensi ke pita
konduksi. Peristiwa ini menghasilkan hole (h,) pada pita alensi.
engan kata lain proses fotoeksitasi menghasilkan elektron pada
pita konduksi dan hole pada pita alensi. eaksi yang terjadi
pada fenomena ini ialah/
Semikonduktor , h 0 e- , p,
Pasangan elektron (e-) dan hole (p,) dapat bereaksi dengan
spesies donor () atau akseptor (*) yang teradsorb di permukaan
partikel. engan kata lain# elektron pada pita konduksi yang
mencapai permukaan mereduksi substrat (*) atau pelarut pada
permukaan partikel# sedangkan hole pada pita alensi yang yang
mencapai permukaan akan mengoksidasi substrat () baik
secara langsung maupun tidak langsung (melalui pembentukan
radikal hidroksil). Persamaan reaksinya ialah/
h , semikonduktor 0 e- , h,
* (ads) , e-0 *- (ads)
(ads) , h-0 , (ads)
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
3/15
Sifat oksidator kuat yang dimiliki oleh semikonduktor akan
memiliki sejumlah besar hole (h,) yang akan menyerang 1&%
yang melekat pada permukaan semikonduktor sehingga akan
terbentuk radikal hidroksil . adikal ini akan meningkatkan sifat
hidrolik permukaan. eaksi yang terjadi ialah/
1&% , h, 0 , 1,
Sedangkan %& yang ada di udara akan bertindak sebagai elektron
akseptor dan membentuk ion superoksida. Selain itu# hole (h,)#
radikal hidroksil dan ion superoksida yang dihasilkan juga dapat
digunakan untuk mengoksidasi kontaminan organik yang
melekat di permukaan.
1. Tanaman Artifcial yang Dilapisi TiO2-C untu Purifasi
U!ara Ruang
okok dapat disebut sebagai gudang bahan kimia#
karena mengandung banyak sekali senyawa-senyawa kimia
berbahaya di dalamnya# seperti nikotin# tar# karbon
monoksida# aseton# metanol# arsen# dan berbagai bahan kimia
berbahaya lainnya.Senyawa kimia yang terdapat di dalam satu
batang rokok mencapai sekitar 2333 jenis senyawa (4u# &335).
ari senyawa-senyawa itu# yang paling berbahaya dan
sekaligus paling banyak terdapat di dalam asap rokok adalah
karbon monoksida (%). *sap rokok dapat menyebabkan
kanker dan juga penyakit kronis lainnya# seperti stroke#
katarak# gangguan pernafasan seperti pneumonia.
Selain rokok# di udara di sekitar kita juga terdapat
senyawa-senyawa berbahaya yang disebut 6% (olatile
organic compound). 6% merupakan senyawa kimia organic
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
4/15
yang dapat menguap pada kondisi suhu udara dan tekanan
ruangan.Produk yang mengandung 6% diantaranya adalah
cat# lem# alat tulis# furniture# barang-barang elektronik# dll.6%
tidak selalu dapat tercium baunya# karena terdapat 6% yang
tidak berbau. ontoh 6% sendiri adalah aseton# ben"ene#
formaldehid# toluene# 7ilena# dll# dimana kandungan 6%
dalam ruangan lebih besar konsentrasinya dibanding luar
ruangan.
Secara umum# degradasi polutanbiasanya dilakukan
dengan proses adsorpsi. +endalanya# adsorben hanya
memindahkan polutan (dari fasa gas kepadatan adsorben)
tanpa menghancurkannya menjadi senyawa yang tidak toksik.
*kibatnya sampai suatu waktu tertentu# adsorben akan
mengalami kejenuhan dan tidak dapat mengadsorpsi polutan
lagi. Salah satu cara degradasi polutan yang kini
dikembangkan adalah proses fotokatalisis dengan
semikonduktor. $i%& merupakan semikonduktor yang paling
banyak digunakan sebagai fotokatalis dalam aplikasi reaksi
fotokatalitik karena keunggulannya dibandingkan jenis
semikondutor lain (8itter# 9::5;
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
5/15
baku pembuatan bom dan pupuk)# polonium-201 (bahan
radioaktif)# ammonia (bahan pencuci lantai)# dan
sebagainya (=aya# &33:).
>ambar 9. +andungan asap rokok
1.2 D#gra!asi P"lutan Asap R"" "l#$ Pr"s#s
F"t"atalis
Pengembangan penggunaan $i%& sebagai fotokatalis
mempunyai hambatan yaitu langkah ltrasi yang susah
dan mahal untuk mengeliminasi partikel tipis dan me-
recyclekatalis. *kibatnya# hanya sedikit publikasi eolusi
katalis setelah beberapa proses recycle. Filtrasi dapat
dieliminasi dengan membuat immobilized photocatalyst
pada penyangga padat (Blake# 9::?). ilaporkan bahwa
permukaan yang berporous seperti batu apung dapat
diimpregnasi dengan $i%& dan digunakan sebagai
immobilized photocatalyst . (ao# &33@).$etraetil orto silikat
($A%S) dapat digunakan sebagai sumber Si%& yang
berfungsi sebagai perekat antara $i%& dengan karbon aktif
ataupun antara katalis dengan preparatnya (Slamet# &33:).
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
6/15
$ahap pertama dalam proses pendegradasian ini
ialah tertariknya senyawa organik kepermukaan batu
apung oleh karbon aktif. Seperti yang telah dijelaskan pada
bagian sebelumnya# karbon aktif dalam percobaan ini
berfungsi untuk mengadsorbsi senyawa organik# sehingga
dapat mempercepat laju degradasi senyawa organik
($orimoto et al.# 9::5).Pada saat yang bersamaan juga
terjadi adsorbs air kepermukaan# dimana tertariknya
molekul air yang ada diudara kepermukaan dibantu oleh
Si%& yang merupakan material penyusun utama batu
apung. Senyawa Si%& merupakan senyawa yang sangat
higoskopis yang mampu menyerap air disekitarnya dengan
cepat. engan fenomena adsorbs tersebut# baik air
maupun senyawa organik akan tertarik ke permukaan
berkontak dengan katalis $i%&.
Setelah senyawa organik dan air berkontak dengan
katalis $i% dengan bantuan lampu 6 sebagai sumber
foton terjadilah proses degradasi dengan proses
fotokatalis.
>ambar &. Proses degradasi dengan fotokatalis
8ampu 6 sebagai sumber foton memberikan
fotonya ke katalis $i%& yang menyebabkan electron (e
-
) dari
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
7/15
pita alensi (alence band) tereksitasi menuju pita
konduksi dan meninggalkan hole (h+ ) di pita alensi. Hole
(h+ ), bereaksi dengan air yang tertarik kepermukaan katalis
akan membentuk radikal hidroksil (%1C)# berdasarkan
reaksi/
+¿
+¿+ H 2O→OH
¿+ H
¿
h❑¿
Selain itu# elektron yang tereksitasi ke pita konduksi
juga dapat bereaksi dengan oksigen yang terdapat pada
udara# reaksi electron dengan oksigen menghasilkan
seperti reaksi yang ditunjukan pada gambar diatas.
selanjutnya bereaksi kembali dengan air yang tertarik
kepermukaan sehingga menghasilkan radikal hidroksil
(%1C) # berdasarkan reaksi/
−¿+O2
−¿+2 H 2O→2OH
¿+2OH
¿
2O2
¿
adikal hidroksil (%1C) merupakan oksidator yang
sangat kuat# yang mampu mengoksidasi berbagai macam
senyawa organik termasuk senyawa organik pada asap
rokok. %leh sebab itulah pada pengujian yang telah
dilakukan terjadi penurunan kekeruhan kabut asap rokok#
akibat dari degradasi senyawa asap rokok oleh proses
fotokatalis. *dapun reaksi yang terjadi pada proses
pendegradasian ini adalah sebagai berikut/
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
8/15
OH ¿+VOC +O
2→nCO
2+mH
2O
Setiap senyawa organik yang berhasil didegradasi
oleh radikal hidroksil tersebut akan terurai menjadi gas %&
dan juga air.
>ambar @. Dedia air purication dengan fotokatalis dalam
ruangan
2. Pemurnian Udara melalui Trotoar
Solusi untuk polusi udara jalan raya dapat ditemukan yaitu mentritmen
polutan tersebut disumbernya. Karena itu, material aktif fotokatalis dapat
ditambahkan ke permukaan material trotoar dan bangunan. Pemurnian udara
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
9/15
melewati fotokatalis heterogen terdiri dari langkah yang berbeda: di bawah
pengaruh cahaya UV, fotoaktif i!" pada permukaan material diakti#asi.
Setelah itu, polutan teroksidasi tergantung kehadiran fotokatalis dan presipitat
pada permukaan material. $khirnya, polutan dapat hilang dari permukaan
dengan hujan atau pencucian dengan air.
%ambar &. Proses 'otokatalis pada sumber polutan
'otokatalis heterogen dengan titanium dioksida (i!") sebagai katalis
secara cepat mengalami perkembangan dalam lingkup teknik lingkungan,
sebagai solusi berpotensial untuk mengatasi peningkatan solusi. *isamping
sifat membersihkan, diketahui sejak hampir + tahun bahwa titanium dioksida
sebagai fotokatalis yang dapat mendekomposisi polutan di bawah radiasi UV.
*alam kasus pa#ement block, anatase ditambahkan pada lapisan luar
pembuat trotoar dengan ketebalan mendekati - mm. *alam kasus pembuatan
trotoar yang dicor di tempat, i!" ditambahkan pada lapisan atas (tebal &
mm). 'akta bahwa i!" ada pada ketebalan seluruh lapisan berarti meskipun
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
10/15
jika ada beberapa pemakaian di sisi tertentu, contoh oleh lalu lintas atau
kerusakan karena cuaca, i!" baru akan hadir pada permukaan untuk menjaga
fotokatalis aktif. Penggunaan i!" yang dikombinasikan dengan semen
membuat perubahan !/ menjadi !01, yang diadsorbsi pada permukaan
tergantung pada alkalinitas beton. Pengaruh sinergis tercipta dengan kehadiran
matriks semen, yang membantu untuk menjebak secara efektif gas reaktan (!
dan !") bersama dengan terbentuknya garam nitrat. setelah itu, nitrat yang
terdeposit dapat dibersihkan oleh hujan atau dicuci dengan air. Selain itu, nitrat
bukan ancaman nyata terhadap polusi dari air karena konsentrasi yang
dihasilkan pada air yang terbuang sangat rendah, di bawah nilai batas untuk
permukaan dan air tanah.
Perhatian khusus di sini diberikan pada kandungan ! dan !" di udara,
karena keduanya hampir 23 disebabkan oleh pembuangan kendaraan dan
dasar dari asap, pembentukan o4on sekunder dan hujan asam adalah
indikasinya. !ksidasi fotokatalis ! biasanya diasumsikan sebagai reaksi
permukaan antara ! dan unsur teroksidasi yang terbentuk saat adsorbsi
photon oleh fotokatalis, seperti hidroksil radikal, keduanya teradsorbsi pada
permukaan fotokatalis. elah dijelaskan oleh beberapa autor bahwa produk
akhir dari oksidasi fotokatalis ! dengan kehadiran i!" adalah asam nitrat
(5!0) sementara 5!" dan !" teridentifikasi sebagai produk sampingan
dalam fasa gas fotokatalis. 6eaksi oksidasi fotokatalis ! telah dibahas dalam
beberapa paper, fotokatalis mengubah ! melalui 5!" untuk mendapatkan
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
11/15
!", yang setelah itu dioksidasi dengan menambahkan hidroksil radikal
menjadi produk 5!0:
Kasus lain adalah purifikasi gas !. Percobaan oleh 7ianchi dkk ("+&)
memperoleh hasil kristal i!" P"2 sebagai hasil terbaik dengan kon#ersi !
yang di degradasi mencapai 88 3 dalam +" menit. *imana P"2 memilki
campuran 92 3 anatase dan "2 3 rutile dengan rata1rata ukuran " nm dan
SS$ 2 m";gr dan merupakan perbandingan paling kecil diantara yang lain.
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
12/15
*engan perbandingan =< untuk masing masing sampel sebagai
berikut.
%ambar 2. =< tiap sampel a: P"2 > b: $ powder > c: 7 powder > d: ?
powder
?ampuran gas di reaktor adalah !" , 3 nitrogen dengan udara
sekitar pada &3. Sehingga akan dibuat !" dan ! dengan konsentrasi +
ppb dn " ppb,sesuai dengan standar @S! ""+891+.
Metode Coating Katalis Komposit pada Substrat
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
13/15
Untuk dapat membentuk lapisan tipis (thin film) katalis komposit 1i!"
pada substrat dapat dilanjutkan dengan metode coating . 7erdasarkan tujuan
aplikasinya, teknik coating ada berbagai jenis seperti yang diperlihatkan dalam
abel "
Tabel 2. Teknik Coating dan aplikasinya
Umumnya, pemilihan teknik coating didasarkan atas karakteristik
substrat yang akan di1coating . *alam penelitian ini substrat yang akan
digunakan berupa serat daun nanas. Serat nanas yang akan di1coating
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
14/15
jumlahnya ?ukup banyak dan bentuknya juga sederhana. !leh karena itu, agar
seluruh permukaan serat dapat terlapisi oleh katalis komposit, metode yang
dapat digunakan adalah metode dip coating . ahapan pada metode dip coating
dapat dilihat pada %ambar berikut:
%ambar . Deap Coating
-
8/17/2019 Air Purification dengan Fotokatalis
15/15
menggunakan kompresor. Setelah itu, disemprotkan larutan ke arah media yang
ingin dilapisi. Penyemprotan di lakukan pada jarak dengan permukaan media
kurang lebih "10 cm (Cee dkk, "0).
%ambar 9. Skema metode 5and Spray ?oating