5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Fenol Fenol (C6H6OH

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Fenol
Fenol (C6H6OH) merupakan senyawa organik yang mempunyai gugus
hidroksil yang terikat pada cincin benzena. Senyawa fenol memiliki beberapa
nama lain seperti asam karbolik, fenat monohidroksibenzena, asam fenat, asam
fenilat, fenil hidroksida, oksibenzena, benzenol, monofenol, fenil hidrat, fenilat
alkohol, dan fenol alkohol (Nair et al, 2008). Fenol memiliki rumus struktur
sebagai berikut (Poerwono, 2012).
Fenol adalah zat kristal yang tidak berwarna dan memiliki bau yang khas.
Senyawa fenol dapat mengalami oksidasi sehingga dapat berperan sebagai
reduktor (Hoffman et al., 1997). Fenol bersifat lebih asam bila dibandingkan
dengan alkohol, tetapi lebih basa daripada asam karbonat karena fenol dapat
melepaskan ion H+ dari gugus hidroksilnya. Lepasnya ion H+ menjadikan anion
fenoksida C6H5O- dapat melarut dalam air. Fenol mempunyai titik leleh 41oC dan
titik didih 181oC. Fenol memiliki kelarutan yang terbatas dalam air yaitu 8,3
gram/100 mL (Fessenden dan Fessenden, 1992).
Fenol merupakan senyawa yang bersifat toksik dan korosif terhadap kulit
(iritasi) dan pada konsentrasi tertentu dapat menyebabkan gangguan kesehatan
manusia hingga kematian pada organisme. Tingkat toksisitas fenol beragam
5
6
tergantung dari jumlah atom atau molekul yang melekat pada rantai benzenanya
(Qadeer and Rehan, 1998).
2.2 ZnO
Seng oksida merupakan senyawa anorganik logam golongan transisi yang
mempunyai rumus umum ZnO. Terdapat 3 bentuk struktur kristal ZnO yang
terdapat di kerak bumi, yaitu: hexagonal wurtzite, cubic zincblende, dan cubic
rocksalt. ZnO memiliki massa molar 81,38 g/mol, dengan persentase Zn = 80,34%
dan O = 19,66%. Semikonduktor ZnO memiliki energi celah pita 3,2 eV
(Sing, 2009). ZnO merupakan kristal berwarna putih dan memiliki struktur
berbentuk heksagonal. ZnO terbentuk dari pembakaran logam seng di udara.
Pemanasan ZnO membuat kristal yang berwarna putih berubah warna menjadi
warna kuning (Cotton and Wilkinson, 1989). Pemanasan ZnO dengan karbon
mengubah seng menjadi :
2.3 Fotokatalis
Fotokatalis merupakan material yang digunakan sebagai katalis dalam
proses reaksi kimia yang melibatkan cahaya untuk mempercepat terjadinya
transformasi kimia. Transformasi tersebut terjadi pada permukaan fotokatalis.
Fotokatalis menghasilkan permukaan yang bersifat sebagai pengoksidasi yang
kuat sehingga dapat digunakan untuk mengurangi zat-zat yang berbahaya seperti
senyawa organik atau bakteri ketika dikenai cahaya matahari atau lampu yang
berpijar. Beberapa semikonduktor yang sering digunakan sebagai fotokatalis
antara lain seng oksida (ZnO), titanium oksida (TiO2), seng sulfida (ZnS),
tungsten oksida (WO3), stronsium titanat (SrTiO3), dan hematite (α-Fe2O3).
7
Fotokatalis semikonduktor dapat menghasilkan radikal hidroksil bebas (•OH)
yang dapat memineralisasi zat-zat berbahaya (Xiao Qi dan Yao Chi, 2010 ).
Radikal hidroksil (•OH) merupakan oksidator kuat karena memiliki potensial
oksidasi relatif paling tinggi, yaitu 2,8 V (Parekh, 2007).
Material fotokatalis sering digunakan untuk mendegradasi polutan cair
menjadi senyawa yang lebih ramah lingkungan. Semikonduktor titanium dioksida
(TiO2), seng oksida (ZnO) atau kadmium sulfida (CdS) merupakan fotokatalis
yang tergolong sebagai fotokatalis heterogen. Secara umum fotokatalis dibagi
menjadi dua macam :
a. Fotokatalis homogen
Fotokatalis homogen merupakan suatu material dimana katalis, medium
dan reaktan berada dalam fase yang sama dalam proses fotokatalisis. Dalam
proses ini interaksi antara foton dengan spesi pengabsorpsi (senyawa koordinasi
dari logam transisi zat warna organik), substrat (kontaminan) dan cahaya akan
menyebabkan terjadinya modifikasi (perubahan) substrat. Proses fotokatalisis ini
terjadi dengan bantuan zat pengoksidasi seperti ozon dan hidrogen peroksida.
b. Fotokatalis Heterogen
Pada proses fotokatalisis heterogen, katalis tidak berada pada satu fasa
dengan medium dan reaktan. Konsep degradasi fotokatalisis heterogen ini cukup
sederhana, yaitu irradiasi padatan semikonduktor yang stabil untuk menstimulasi
reaktan antar fasa permukaan padat atau larutan. Sesuai dengan definisi ini maka
zat padatnya tidak berubah dan dapat diambil lagi setelah beberapa kali siklus
reaksi redoks (Vora, 2009).
8
2.4 Fotokatalis ZnO
ZnO
merupakan
semikonduktor
yang
berfungsi
sebagai
katalis.
Semikonduktor ZnO memiliki energi celah pita (bandgap energy) yang cukup
tinggi yaitu 3,2 eV (Wang, 2004). Dengan besarnya nilai band gap yang dimiliki
ZnO maka besar pula kemampuan untuk menyerap foton dari sinar matahari dan
semakin besar pula rentang cahaya yang dapat diserap oleh material
semikonduktor untuk fotokatalisis. Panjang gelombang cahaya yang dibutuhkan
oleh band gap ZnO dengan energi 3,2 eV ialah 390 nm. Hanya dengan energi
bandgap yang cukup tinggi dan panjang gelombang cahaya yang relatif rendah
dapat menghasilkan elektron dan hole (Gunlazuardi, 2009).
2.5 Fotodegradasi
Degradasi adalah suatu reaksi perubahan kimia atau peruraian suatu
senyawa atau molekul menjadi senyawa atau molekul yang lebih sederhana secara
bertahap. Misalnya, pengurangan panjang polimer makromolekul atau perubahan
gula menjadi glukosa dan akhirnya membentuk alkohol. Terdapat beberapa
macam proses degradasi yaitu fotodegradasi dan biodegradasi. Biodegradasi
merupakan proses penguraian suatu senyawa menjadi lebih sederhana dengan
bantuan senyawa biologis sedangkan fotodegradasi merupakan proses penguraian
suatu senyawa menjadi lebih sederhana dengan bantuan cahaya (Akmal, 2009).
Fotodegradasi yang dipercepat prosesnya dengan bantuan suatu bahan
fotokatalis sering disebut sebagai degradasi fotokatalitik. Fotodegradasi
merupakan reaksi pemecahan senyawa oleh cahaya. Proses fotodegradasi
membutuhkan suatu fotokatalis yang umumnya merupakan bahan semikonduktor.
Pada reaksi fotodegradasi terjadi loncatan elektron dari pita valensi menuju pita
9
konduksi pada logam semikonduktor jika dikenai suatu energi foton. Loncatan
elektron ini menimbulkan adanya hole (lubang elektron) yang dapat berinteraksi
dengan pelarut (air) membentuk radikal hidroksi (•OH). Radikal ini dapat
menguraikan senyawa organik target. Proses fotodegradasi ini membentuk radikal
dari adanya oksidasi ion OH- dari H2O setelah suatu semikonduktor menyerap
cahaya membentuk hole (Vora, 2009).
Penyinaran sinar UV dengan panjang gelombang tertentu maka permukaan
material oksida seperti TiO2 dan ZnO dapat mengionisasi reaksi kimiawi. Dalam
media air, senyawa organik dapat dioksidasi menjadi karbon dioksida dan air
sehingga air dapat dibersihkan dari pencemar organik dan anorganik. Senyawa
yang terdapat dalam air tersebut berubah dari senyawa yang beracun menjadi
senyawa yang relatif tidak beracun. Reaksi tersebut melibatkan pasangan
elektron-hole (e- dan h+) (Vora, 2009).
Proses awal reaksi fotokatalisis pada semikonduktor ialah pembentukan
pasangan elektron-hole dalam partikel semikonduktor. Semikonduktor akan
menyerap energi yang sebanding atau lebih besar dari energi celah sehingga
elektron (e) pada pita valensi (valence band, vb) akan tereksitasi menuju pita
konduksi (conductor band, cb) dengan meninggalkan lubang positif (hole, h+vb).
Reaksi kimia yang terjadi pada fotokatalisis ZnO adalah sebagai berikut
(Vora, 2009).
Lubang pita valensi memiliki kemampuan untuk mengoksidasi substrat
sedangkan elektron pita konduksi memiliki kemampuan untuk mereduksi substrat.
Larutan yang mengandung spesi akan berinteraksi dan mengalami reaksi reduksi-
10
oksidasi. Reaksi berikut merupakan pembentukan anion radikal superoksida •O2dan OH radikal (Vora, 2009)
‘ads’ merupakan spesi yang teradsorpsi pada permukaan semikonduktor. Radikal
hidroksi sangat reaktif menyerang senyawa-senyawa organik yang menghasilkan
CO2, H2O dan ion-ion halida yang terkandung pada senyawa organik (Vora,2009).
(
)
2.6 Spektrofotometer UV-Vis
Spektrofotometer UV-Vis adalah alat yang digunakan untuk mengukur
absorbans suatu sampel yang memakai sumber radiasi elektromagnetik ultra violet
dekat (190 nm – 380 nm) dan sinar tampak (380 nm – 780 nm). Pada spektra
UV-Vis, suatu molekul yang sederhana apabila dikenakan radiasi elektromagnetik
akan mengabsopsi radiasi elektromagnetik yang energinya sesuai. Interaksi
tersebut akan meningkatkan energi potensial elektron pada tingkat keadaan
eksitasi. Apabila pada molekul yang sederhana tadi hanya terjadi transisi
elektronik pada satu macam gugus, maka akan terjadi satu absorpsi yang
merupakan garis spektrum (Mulja dan Suharman, 1995).
Spektrofotometer komersial beroperasi dari panjang gelombang sekitar
200 nm – 1000 nm. Sampel yang digunakan pada spektrofotometer UV-Vis dapat
berbentuk cairan, gas, dan padatan. Namun kebanyakan sampel yang dianalisis
adalah berupa cairan (larutan). Sampel yang dianalisis diletakkan pada kuvet yang
11
berbentuk sel transparan. Apabila radiasi atau cahaya putih dilewatkan pada
larutan berwarna, maka radiasi dengan panjang gelombang tertentu akan diserap
secara selektif dan radiasi lainnya akan diteruskan (transmisi) (Skoog et al., 1994)
Spektrofotometer UV-Vis membandingkan intensitas cahaya yang
melewati sampel (I) dengan intensitas cahaya sebelum melewati sampel (Io).
Ratio I/Io disebut transmitan yang dinyatakan dalam persentase. Hasil yang
didapatkan dari pengukuran sampel dengan spektrofotometer UV-Vis berupa
absorbansi larutan. Absorbansi suatu larutan merupakan logaritma dari 1/T
dengan T adalah transmitan yaitu perbandingan intensitas sinar datang (Io) dan
intensitas sinar yang diteruskan (I). Pengukuran dengan spektrofotometer UV-Vis
akan menghasilkan spektrum sehingga dapat diketahui absorbansinya (serapan)
dari sampel (Skoog, et al, 1994).
Persamaan hukum Lambert-Beer digunakan untuk menentukan hubungan
antara absorbansi dengan konsentrasi
Keterangan :
A = absorbansi
b = tebal kuvet
ԑ = absorptivitas Molar (M-cm-)
C = konsentrasi larutan (M)
2.7 Difraksi Sinar X
Difraksi sinar-x merupakan analisis yang digunakan untuk menganalisis
padatan kristal, yang meliputi: keramik, logam, bahan elektronik, bahan geologi,
organik dan polimer. Bahan-bahan ini dapat berupa serbuk, kristal tunggal, film
12
tipis multilayer, lembar, serat atau bentuk tidak teratur tergantung pada
pengukuran yang diinginkan. Difraktometer sinar-x paling sering digunakan untuk
menentukan struktur molekul bahan baru (Settle, 1997). Persamaan hukum
Scherrer pada difraksi sinar-x adalah sebagai berikut.
Dimana D adalah ukuran diameter kristalit, k adalah konstanta
proporsionalitas,
adalah panjang gelombang, β adalah lebar keseluruhan dari
setengah kali puncak difraksi maksimum (Full Widht at Half Maximum, FWHM),
adalah sudut Bragg.
Sampel dalam bentuk serbuk ditempatkan dalam sebuah plat kaca. Pada
sampel ditembakkan sinar-X yang dihasilkan dari penumbukan target oleh
elektron berenergi tinggi yang berasal dari pemanasan filamen dalam keadaan
vakum pada tekanan tinggi dan kecepatan yang tinggi. Sampel kemudian akan
difraksikan sinar ke segala arah yang kemudian akan direkam sebagai data analog
dan digital. Pola difraktogram yang dihasilkan berupa puncak-puncak difraksi
dengan
intensitas
bervariasi
dengan
nilai
sepanjang
2Ɵ
analisis
untuk
elektron
untuk
(Pratapa dan Suminar, 2004).
2.8 Scanning Electron Microscope (SEM)
Scanning
mengetahui
Electron
morfologi
menggambarkan
profil
Microscope
kristal
merupakan
menggunakan
permukaan
benda.
suatu
berkas
Prinsip
kerja
SEM
adalah
menembakkan permukaan benda dengan berkas elektron berenergi tinggi.
permukaan benda yang dikenai berkas akan akan memantulkan kembali berkas
tersebut atau menghasilkan elektron sekunder ke segala arah. Tetapi ada satu arah
13
dimana berkas dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Detektor di dalam SEM
mendeteksi elektron yang dipantulkan dan menentukan lokasi berkas yang
dipantulkan dengan intensitas tertinggi. Arah tersebut memberikan informasi
profil permukaan benda seperti seberapa landai dan kemana arah kemiringan.
Pada saat dilakukan pengamatan, lokasi permukaan benda yang ditembak dengan
berkas elektron di-scan ke seluruh area daerah pengamatan. Lokasi pengamatan
dapat dibatasi dengan melakukan zoom-in atau zoom-out (Abdullah dan
Khairurrijah, 2008).