Carbon Nanotubes Menggunakan Metode Sol

TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72
ISSN : 0125-9121
Sintesis Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes Menggunakan Metode
Sol-Gel untuk Fotodegradasi Zat Warna Azo Orange 3R
FAJAR ARIANTO AGUS SUBAGIO DAN IIS NURHASANAH
Jurusan Fisika - FSM - Universitas Diponegoro,
Jl. Prof. Soedharto, S.H., Tembalang Semarang 50275, Indonesia
[email protected]
Diterima : 11 Agustus 2011
Revisi : 12 September 2011
Disetujui : 20 Oktober 2011
ABSTRAK: Zat warna yang digunakan di industri tekstil umumnya terdiri dari kelompok senyawa azo, salah satunya Azo
Orange 3R yang termasuk dalam kelompok bahan aromatik yang sukar terdegradasi. Teknologi pengolahan limbah cair
berwarna yang digunakan di industri, pada umumnya lebih banyak menerapkan metode kimia-fisika yang berdampak
terbentuknya sludge yang dapat menjadi limbah B3 (bahan berbahaya dan beracun). Dewasa ini mulai dikembangkan
teknologi fotodegradasi yang memanfaatkan hasil oksidasi material TiO2 untuk mengoksidasi senyawa azo. Penelitian ini
mencoba meningkatkan efektifitas oksidasi TiO2 dalam proses fotodegradasi senyawa azo dengan cara dimodifikasikan
menggunakan Carbon Nanotubes dalam bentuk nanokomposit. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes disintesis
menggunakan metode sol-gel melalui pendispersian TiCl4 99% pada permukaan Carbon Nanotubes. Nanokomposit TiO2Carbon Nanotubes terbentuk melalui proses kalsinasi pada suhu 450oC selama 180 menit. Struktur kristal dan morfologi
nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) dan Scanning Electron
Microscope (SEM) kemudian digunakan pada proses fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R. Fotodegradasi dilakukan
dengan menambahkan 183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes ke dalam 100 mL larutan zat warna Azo Orange 3R
26,91 ppm, kemudian diiradiasi menggunakan cahaya UV dengan panjang gelombang 380 nm pada suhu 40oC-42oC dengan
variasi waktu 0, 3, 6 , 9, 12, 15 dan 18 jam. Degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R akibat fotodegradasi dianalisis
menggunakan spektrofotometer UV-Vis (panjang gelombang maksimum 481 nm). Analisis spektra X-Ray Diffraction (XRD)
menunjukkan bahwa Carbon Nanotubes dapat memperkecil ukuran kristalit TiO2 pada nanokomposit TiO2-Carbon
Nanotubes. Analisis citra Scanning Electron Microscope (SEM) menunjukkan bahwa butiran TiO2 pada permukaan Carbon
Nanotubes tersebar tidak merata. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes mampu mendegradasi zat warna Azo Orange 3R
selama 18 jam sampai dengan prosentase 93,07% yang jauh lebih baik dari jika hanya menggunakan TiO2, yaitu 44,59%.
KATA KUNCI : TiO2, Carbon Nanotubes, nanokomposit, fotodegradasi, dan zat warna Azo Orange 3R
ABSTRACT : The dye used in the textile industries generally consist of groups of azo compounds, one of Azo Orange 3R that
included in the group of aromatic ingredients that are hard degraded. Generally, colored waste processing technologies that
was used in industries more chemical-physical method that have impact the formation of sludge which can be B3 waste
(hazardous and toxic substances). Photodegradation technology has been developed which utilizes the oxidation of TiO2 to
oxidize the azo compound. This research attempts to improve the effectiveness of the oxidation of TiO2 in the
photodegradation process of azo compounds by was modified using Carbon Nanotubes in nanocomposite. TiO2-Carbon
Nanotubes nanocomposite has been synthesized using sol-gel method by dispersing TiCl4 99% on the surface of Carbon
Nanotubes. TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite was carried out through process of calcination at temperature of 450oC
for 180 minutes. Crystal structure and morphology of TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite were characterized using XRay Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM) and then it was used for the photodegradation process of
Azo Orange 3R dye. Photodegradation was carried out by adding 183.3 mg of TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite into
100 mL of Azo Orange 3R dye solution 26.91 ppm, and then was irradiated by UV light with wavelength of 380 nm at 40 oC42oC with the variation of time 0, 3, 6, 9, 12, 15 and 18 hours. Degradation of Azo Orange 3R dye concentration due to
photodegradation was analyzed by UV-Vis spectrophotometer (maximum wavelength 481 nm). Analysis of X-Ray Diffraction
(XRD) spectra shows that Carbon Nanotubes can reduce the crystallite size of TiO2 on TiO2-Carbon Nanotubes
nanocomposite. Analysis of Scanning Electron Microscope (SEM) image shows that the TiO2 grains on the surface of Carbon
Nanotubes are not spread evenly. TiO2-Carbon Nanotubes nanocomposite is able to degrade Azo Orange 3R dye for 18 hours
until 93.07% which is much better than if only using TiO2, which is 44.59%.
KEYWORDS : TiO2, Carbon Nanotubes, nanocomposite, photodegradation, and Azo Orange 3R dye
1. PENDAHULUAN
Zat warna yang digunakan diindustri tekstil umumnya terdiri dari kelompok senyawa azo. Dominasi zat
warna jenis ini di pasaran mencapai setengah dari zat warna komersial yang diperdagangkan [13]. Dari segi
strukturnya, senyawa azo sangat bervariasi hingga diketahui sedikitnya terdapat 300 jenis [4]. Disebutkan pula
63
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
bahwa zat warna azo termasuk dalam kelompok bahan aromatik yang sukar terdegradasi secara biologi karena
adanya ikatan azo, dan pada beberapa senyawa tertentu mengandung gugus sulfat pada cincin aromatiknya [7].
Rendahnya tingkat degradabilitas senyawa azo secara biologi disebabkan oleh sifat penguraian bakteri
aerob, yang secara alamiah terdapat di lingkungan, sangat spesifik, yaitu hanya mampu mendegradasi satu
senyawa azo tertentu dan kurang efisien untuk mengolah campuran warna yang umumnya dijumpai dalam air
limbah industri [5]. Sementara itu, kebanyakan bakteri yang aktif pada kondisi anaerob akan mereduksi senyawa
azo menjadi aromatik amina yang bersifat toksik dan karsinogenik [10]. Oleh karena itu, perlu dilakukan upaya
selain menggunakan metode biologi dalam pengolahan limbah cair yang mengandung senyawa azo.
Teknologi pengolahan limbah cair berwarna yang digunakan di industri pada umumnya, lebih banyak
menerapkan metode kimia-fisika yang meliputi flokulasi, koagulasi, presipitasi, filtrasi membran, destruksi secara
elektrokimia, iradiasi, penukar ion, ozonasi, dan adsorpsi [1]. Metode tersebut memang efektif menghilangkan
warna; namun, terdapat pula beberapa kelemahan, diantaranya adalah penggunaan bahan kimia yang terlalu
banyak dan terbentuknya sludge yang dapat menjadi limbah B3 (bahan berbahaya dan beracun). Di Indonesia,
limbah yang digolongkan sebagai B3 adalah sludge industri tekstil dan industri zat warna yang penanganannya
memerlukan cara-cara khusus [2]. Oleh karena itu, diperlukan alternatif baru untuk mengolah limbah cair indutri
berwarna yang lebih efektif dalam mendegradasi polutan organik dan zat warna [8].
Dewasa ini mulai dikembangkan teknologi fotodegradasi yang memanfaatkan hasil oksidasi material TiO2
untuk mengoksidasi senyawa azo. Oksidasi fotokatalis merupakan proses partikel semikonduktor di dalam
suspensi air limbah menangkap cahaya ultraviolet (UV) dan selanjutnya energi ini digunakan untuk menghasilkan
pasangan elektron dan lubang (hole). Pasangan elektron-hole ini selanjutnya berdifusi ke permukaan partikel
yang kemudian mengoksidasi dan mereduksi polutan-polutan beracun [11].
Penelitian ini mencoba meningkatkan efektifitas oksidasi TiO2 dalam proses fotodegradasi senyawa azo
dengan cara dimodifikasikan menggunakan Carbon Nanotubes. Carbon Nanotubes merupakan material
berbentuk tabung dengan ukuran diameter tabung kurang dari 100 nm yang mampu menyerap benzene, methanol,
dan molekul lain serta dapat menyerap hampir dua kali lebih volume CO2 jika dibandingkan dengan karbon aktif
[9]. Adanya sifat penyerap yang dimiliki Carbon Nanotubes serta luas permukaannnya yang lebar memunculkan
hipotesis akan memperluas bidang paparan TiO2 oleh cahaya UV sehingga meningkatkan efektifitas
fotodegradasi senyawa azo.
2. METODOLOGI PENELITIAN
Titanium Klorit (TiCl4) 99%; 9,1 M digunakan sebagai prekursor TiO2, sedangkan Carbon Nanotubes
yang digunakan disintesis menggunakan metode spray-pyrolysis yang diproduksi oleh Laboratorium Fisika
Material Jurusan Fisika F. MIPA Undip. Proses sintesis nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang dilakukan
dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 3 mL larutan TiCl4 dilarutkan ke dalam 100 mL aquades ditambah
1,5 g Carbon Nanotubes. Selanjutnya, larutan diaduk selama 15 menit. Larutan tersebut kemudian didiamkan
selama 3x24 jam sampai terbentuk nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes, kemudian disaring dan dikeringkan
selama 120 menit pada suhu 135oC.
Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes kering kemudian dinetralisir hingga memiliki nilai pH 7 dengan
cara dicuci menggunakan aquades pada kertas saring. Ketika pH yang diinginkan telah tercapai, nanokomposit
TiO2-Carbon Nanotubes kemudian dikalsinasi pada suhu 450oC selama 180 menit. Gambar 3.4 menunjukkan
diagram alur sintesis nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes. Karakterisasi pada penelitian ini meliputi
karakterisasi mikrostruktur serbuk TiO2 dan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang tersintesis.
Karakterisasi mikrostruktur serbuk TiO2 dan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes meliputi karakterisasi
struktur kristal dengan uji X-Ray Diffraction (XRD) dan morfologi menggunakan Scanning Electron Microscope
(SEM).
Sampel pada penelitian ini adalah larutan zat warna Azo Orange 3R yang memiliki konsentrasi 26,91 ppm,
dibuat dengan cara melarutkan 26,91 mg zat warna Azo Orange 3R ke dalam 1000 mL aquades. Sebelum proses
fotodegradasi dimulai, 100 mL sampel dituangkan ke dalam gelas beker yang memiliki kapasitas maksimal 120
mL dengan diameter 6 cm. Proses fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R dilakukan dengan mencampurkan
183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes sebagai reaktan ke dalam 100 mL sampel dengan jarak antara
lampu UV dengan permukaan sampel adalah 4 cm. Massa 183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes
merupakan gabungan dari 83,3 mg Carbon Nanotubes dengan 100 mg TiO2.
64
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72
ISSN : 0125-9121
Pada penelitian ini, nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes diendapkan mengendap di dasar gelas. Fotodegradasi
zat warna Azo Orange 3R dilakukan pada rentang waktu kelipatan 3 jam, yaitu mulai 0, 3, 6, 9, 12, 15, sampai 18
jam. Variasi reaktan yang digunakan pada penelitian ini, yaitu : UV saja (tanpa reaktan); 100 mg TiO2 saja; 83,3
mg Carbon Nanotubes saja; UV dengan 100 mg TiO2; UV dengan 83,3 mg Carbon Nanotubes; 183,3 mg
nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes saja; dan UV dengan 183,3 mg nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Spektra XRD hasil pengujian serbuk TiO2 ditunjukkan pada Gambar 1. Tampak bahwa serbuk TiO2 yang
disintesis menggunakan metode sol-gel memiliki berbagai puncak difraksi yang menunjukkan struktur
polikristalin. Puncak-puncak difraksi tersebut bersesuaian dengan bidang-bidang orientasi (211), (110), (215),
(101), (103), (321), (111), (400), (200), (105), (211), (220), (213), (301), (301), (301), dan (112); namun, yang
paling dominan adalah (110), (101), dan (211). Sesuai database JCPDS-ICDD (PCPDFWIN versi 1.30), dapat
diketahui bahwa TiO2 tersebut memiliki struktur kristal rutile dan anatase; namun, lebih dominan rutile. Ukuran
kristalit serbuk TiO2 yang dihitung menggunakan persamaan Scherrer memberikan nilai sebesar 14,38 nm.
R:Rutile
A:Anatas
e
10
20
30
40
50
60
70
80
2-Theta (derajat)
Gambar 1. Spektra XRD serbuk TiO2.
Hasil pengujian SEM serbuk TiO2 diperlihatkan pada Gambar 2. Tampak bahwa ukuran butiran serbuk TiO2
tidak seragam. Dari gambar 2 dapat dianalisis bahwa butiran serbuk TiO2 memiliki bentuk spheric dengan
diameter rata-rata sebesar 86,58 nm yang bergerombol membentuk gumpalan dengan diameter rata-rata 995,1
nm.
Carbon Nanotubes yang digunakan pada penelitian ini memiliki spektra difraksi sesuai Gambar 3. Tampak
bahwa serbuk Carbon Nanotubes yang disintesis menggunakan metode spray-pyrolysis memiliki berbagai
puncak difraksi yang menunjukkan struktur polikristalin. Ukuran kristalit serbuk Carbon Nanotubes yang
dihitung menggunakan persamaan Scherrer memberikan nilai sebesar 54,60 nm.
65
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
Gambar 2. Citra SEM serbuk TiO2.
10
80
20
30
40
50
2-Theta (derajat)
Gambar 4. Citra SEM serbuk CNT.
60
70
Gambar 3. Spektra XRD serbuk Carbon Nanotubes.
Hasil pengujian SEM serbuk Carbon Nanotubes diperlihatkan pada Gambar 4. Tampak bahwa serbuk
Carbon Nanotubes berbentuk tabung dengan diameter tabung rata-rata sebesar 86,43 nm yang dihasilkan akibat
aktivitas katalis ferrocene pada saat sintesis menggunakan metode spray-pyrolysis. Ditinjau dari ukuran diameter
tabungnya, diduga bahwa Carbon Nanotubes tersebut berstruktur Multi-Walled Nanotubes. Spektra XRD hasil
pengujian struktur nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes ditunjukkan pada Gambar 5. Tampak bahwa serbuk
nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang disintesis menggunakan metode sol-gel memiliki berbagai puncak
difraksi yang menunjukkan struktur polikristalin. Puncak-puncak difraksi tersebut bersesuaian dengan bidangbidang orientasi (105), (101), (002), (110), (215), (101), (103), (321), (111), (400), (200), (105), (211), (220),
(301), (301), dan (112); namun, yang paling dominan adalah (110), (200), dan (211). Sesuai database JCPDSICDD (PCPDFWIN versi 1.30), dapat diketahui bahwa TiO2 tersebut memiliki struktur kristal grafit, rutile dan
anatase; namun, lebih dominan rutile. Hasil ini juga sesuai dengan hasil peneliti lain yang ditunjukkan pada
Gambar 6.
66
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72
ISSN : 0125-9121
R:Rutile
R:Rutile
A:Anatase
A:Anatase
G:Grafit
G:Grafit
10
20
30
40
50
60
70
80
2-Theta (derajat)
Gambar 5. Spektra XRD serbuk nanokomposit TiO2-CNT.
0
20
30
40
2-Theta (derajat)
50
60
70
Gambar 6. Spektra XRD serbuk nanokomposit TiO2-CNT, A (anatase), R (rutile), dan C adalah SWNT [12].
Ukuran kristalit serbuk TiO2 pada nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang dihitung menggunakan
persamaan Scherrer memberikan nilai sebesar 9,79 nm. Nilai 2θ pada 26,46 o dengan jarak antar bidang (d)
sebesar 3,366 Å merupakan sumbangan dari spektra difraksi Carbon Nanotubes.
Hasil pengujian SEM serbuk nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes diperlihatkan pada Gambar 7. Tampak
butiran-butiran TiO2 yang berbentuk spheric menempel pada permukaan Carbon Nanotubes. Hal tersebut
menguatkan dugaan bahwa Carbon Nanotubes telah terdispersi oleh TiO2. Butiran serbuk TiO2 menempel pada
tabung Carbon Nanotubes dengan diameter rata-rata sebesar 88,64 nm. Hasil SEM tersebut sesuai dengan
peneliti lain yang ditunjukkan pada Gambar 8.
67
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
Gambar 7. Citra SEM serbuk nanokomposit TiO2-CNT. Gambar 8. Citra SEM nanokomposit CdS-CNT [3].
Proses fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R memerlukan tiga komponen utama, yaitu: sumber cahaya
(foton), senyawa target, dan reaktan. Dalam penelitian ini, sumber cahaya berasal dari lampu UV dengan panjang
gelombang 380 nm, senyawa target adalah larutan zat warna Azo Orange 3R, dan reaktan nanokomposit TiO2Carbon Nanotubes. Konsentrasi (ppm) zat warna Azo Orange 3R ditentukan menggunakan Spektrofotometer
UV-Vis pada panjang gelombang 481 nm. Panjang gelombang 481 nm dijadikan sebagai acuan dalam penentuan
konsentrasi zat warna Azo Orange 3R karena masih termasuk rentang panjang gelombang UV sampai cahaya
tampak. Sehingga memenuhi syarat dalam penggunaan Spektrofotometer UV-Vis. Penyinaran menggunakan
cahaya UV pada penelitian ini dilakukan pada variasi waktu 0, 3, 6, 9, 12, 15, dan 18 jam untuk menguji aktivitas
fotodegradasi nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes. Campuran yang telah mengalami proses fotodegradasi
dianalisis menggunakan Spektrofotometer UV-Vis pada panjang gelombang maksimumnya (481 nm). Sebagai
pembanding dilakukan pencampuran larutan zat warna Azo Orange 3R dengan UV saja (tanpa reaktan), 100 mg
TiO2 saja; 83,3 mg Carbon Nanotubes saja, UV dengan 100 mg TiO2, dan UV dengan 83,3 mg Carbon
Nanotubes sebagai fungsi waktu.
92,86 %
93,07 %
61,87%
62,28 %
62,88 %
42,29 %
Gambar 9. Grafik prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R pada fotodegradasi menggunakan
nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV.
68
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72
ISSN : 0125-9121
Prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R menggunakan nanokomposit TiO2-Carbon
Nanotubes dengan radiasi UV diperlihatkan pada Gambar 9. Tampak bahwa prosentase degradasi konsentrasi zat
warna Azo Orange 3R menggunakan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV selama 18 jam.
Pada jam ke-3 sampai 18 secara berturut prosentase degradasi ketika dibandingkan dengan konsentrasi awal
sampel menunjukkan nilai 42,29 %; 61,87 %; 62,28 %; 62,88 %; 92,86 %; dan 93,07 %. Prosentase degradasi zat
warna Azo Orange 3R pada penelitian ini paling besar terjadi pada jam ke-18 yaitu sebesar 93,07 %.
Fotodegradasi terjadi paling efektif pada jam ke-3 yaitu turun dari konsentrasi 26,91 ppm menjadi 15,53
ppm yang diduga pada jam tersebut TiO2-Carbon Nanotubes masih sangat aktif bereaksi. Pada jam ke-6 sampai
ke-12 hampir tidak terjadi penurunan konsentrasi zat warna azo Orange 3R. Hal ini diduga karena kurang
meratanya paparan cahaya UV yang mengenai permukaan fotokatalis akibat sebaran nanokomposit TiO2-Carbon
Nanotubes yang kurang merata di dasar sampel. Di samping itu, juga akibat adanya serbuk TiO 2 yang tidak
terlapiskan pada Carbon Nanotubes; namun, ikut tertuang ke dalam sampel sehingga mengurangi massa
nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes yang seharusnya digunakan.
Pada jam ke 15 sampai 18 terjadi sedikit penurunan konsentrasi larutan zat warna Azo Orange 3R. Hal ini
diduga karena TiO2-Carbon Nanotubes mendekati tingkat kejenuhan akibat pengotor yang berasal dari sisa hasil
degradasi dan kemudian menempel pada permukaannya. Setelah mengalami proses fotodegradasi selama 18 jam,
larutan zat warna Azo Orange 3R, yang awalnya berwarna orange, berubah menjadi bening (ditunjukkan oleh
Gambar 10).
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Gambar 10. Warna sampel hasil fotodegradasi: (a) 0 jam, (b) 3 jam, (c) 6 jam, (d) 9 jam, (e) 12 jam, (f) 15
jam, (g) 18 jam.
Konstanta laju reaksi degradasi zat warna Azo Orange 3R ditentukan menggunakan grafik hubungan ln
Ct/Co dengan lama fotodegradasi, sesuai Gambar 11. Konstanta laju reaksi (k) dapat ditentukan dari perhitungan
slope grafik yang disajikan dalam Gambar 11, yaitu sebesar 0,1454 ppm.jam-1 dengan koefisien korelasi (R2) =
0,8276 diperlihatkan pada Gambar 12. Gambar 12 menunjukkan prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo
Orange 3R selama 18 jam menggunakan beberapa reaktan, yaitu : TiO2, Carbon Nanotubes, UV dengan Carbon
Nanotubes, UV, UV dengan TiO2, nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes, dan nanokomposit TiO2-Carbon
Nanotubes dengan radiasi UV. Prosentase degradasi zat warna Azo Orange 3R tersebut berturut-turut : 8,659 %;
14,79 %; 38,28 %; 44,59 %; 63, 40 %; dan 93,07 %. Hasil tersebut menunjukkan proses fotodegradasi paling
efektif adalah menggunakan reaktan nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV dengan
konsentrasi akhir sampel sebesar 93,07 %.
69
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
Y = -0,1454X + 0,0530
-0,5497
-0,9750
R2 = 0,8276
-0,9909
-0,9642
-2,639
-2,668
Gambar 11. Grafik hubungan ln Ct/Co dengan lama fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R menggunakan
nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes dengan radiasi UV.
Prosentase degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R selama 18 jam menggunakan variasi reaktan
93,07
Keterangan reaktan :
A : TiO2
63,40
B : Carbon Nanotubes
C : UV dengan Carbon
Nanotubes
D : UV
8,659
38,28
44,59
14,79
E :0,0000
UV dengan TiO2
F : Nanokomposit TiO2
Carbon Nanotubes
Reaktan
G : UVprosentase
dengan nanokomposit
Gambar 12. Grafik
degradasi konsentrasi zat warna Azo Orange 3R pada fotodegradasi selama 18
jam dengan variasi reaktan.
TiO2-Carbon Nanotubes
Menurut Lee [6], ada beberapa alasan yang menyebabkan Carbon Nanotubes mampu meningkatkan
fotodegradasi TiO2. Alasan pertama, Carbon Nanotubes membantu meningkatkan luas permukaan spesifik TiO2.
Hal ini disebabkan Carbon Nanotubes memiliki luas permukaan spesifik yang besar (>150 m2/g). Menurut Woan
[14], campuran antara TiO2 dan Carbon Nanotubes memiliki area yang besar sehingga polutan dapat teradsorb.
Adsorpsi merupakan proses penting dalam fotodegradasi. Seperti yang diungkapkan oleh Woan [14], bahwa
Carbon Nanotubes juga memberikan luas permukaan yang besar sehingga mampu meningkatkan fotodegradasi
TiO2.
70
TELAAH Jurnal Ilmu Pengetahuan dan Teknologi
Volume 29 (2) 2011: 63-72
ISSN : 0125-9121
Alasan kedua, Carbon Nanotubes mampu mencegah rekombinasi elektron pada TiO2. Rekombinasi
elektron yang telah tereksitasi pada proses fotodegradasi dapat mengganggu proses fotodegradasi. Menurut Woan
[14], elektron pada TiO2 memiliki waktu rekombinasi sebesar 10-9 s, sedangkan interaksi kimia antara TiO2
dengan spesies polutan yang teradsorbsi memiliki waktu 10-8-10-3 s. Carbon Nanotubes memegang peranan
penting sebagai penyimpan elektron yang dieksitasi oleh cahaya, sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 13a.
(a)
(b)
Gambar 13 (a). Mekanisme transfer elektron dari TiO2 ke CNT, (b). Mekanisme penghilangan elektron dari pita
valensi TiO2 oleh CNT [14].
Dalam mekanisme ini, cahaya berenergi tinggi mengeksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi
TiO2. Elektron yang dieksitasi oleh cahaya yang terbentuk dalam daerah space-charge ditransfer ke Carbon
Nanotubes, dan sisa lubang pada TiO2 ambil bagian dalam reaksi redoks. Menurut Lee [6], Carbon Nanotubes
dapat menjebak elektron yang dieksitasi oleh cahaya secara efektif dalam sistem Carbon Nanotubes yang
terdispersi dengan TiO2. Menurut Woan [14], Carbon Nanotubes memiliki kapasitas penyimpanan elektron yang
besar (satu elektron untuk tiap 32 atom karbon). Hal inilah yang menyebabkan Carbon Nanotubes mampu
menjadi penyimpan elektron yang telah tereksitasi pada TiO2. Dengan demikian rekombinasi dapat dihindari
selama fotodegradasi.
Alasan ketiga, Carbon Nanotubes mampu menghilangkan elektron pada pita valensi TiO2. Mekanismenya
dapat dilihat pada Gambar 13b. Elektron yang dieksitasi oleh cahaya UV diinjeksikan ke pita konduksi TiO2,
mengawali pembentukan radikal superoksida dengan menyerap molekul oksigen. Ketika hal ini terjadi, Carbon
Nanotubes yang bermuatan positif menghilangkan elektron dari pita valensi TiO2 meninggalkan sebuah lubang.
Kini TiO2 yang bermuatan positif dapat bereaksi dengan air yang terserap membentuk gugus radikal hidroksil
[14]. Berdasarkan data yang diperoleh dari semua pengujian menunjukkan bahwa Carbon Nanotubes dapat
meningkatkan efektivitas fotodegradasi TiO2 terhadap zat warna Azo Orange 3R. Hal tersebut disebabkan
Carbon Nanotubes dapat memperluas bidang paparan TiO2 oleh cahaya UV. Di samping itu, Carbon Nanotubes
juga berperan mencegah rekombinasi elektron, dan menghilangkan elektron dari pita valensi TiO2 pada saat
terjadi proses fotodegradasi.
4. KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes telah berhasil disintesis menggunakan metode sol-gel.
2. Spektra XRD nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes menunjukkan adanya pengaruh Carbon Nanotubes yang
memperkecil ukuran kristalit TiO2.
3. Nanokomposit TiO2-Carbon Nanotubes mampu mendegradasi zat warna Azo Orange 3R selama 18 jam
sampai dengan prosentase 93,07% yang jauh lebih baik dari jika hanya menggunakan TiO2, yaitu 44,59%.
Berdasarkan hasil-hasil yang telah diperoleh pada penelitian ini, dapat direkomendasikan beberapa saran
yang bermanfaat untuk penelitian lebih lanjut mengenai sintesis dan aplikasi nanokomposit TiO2-Carbon
Nanotubes:
71
Sintesis Nanokomposit…
Fajar Arianto
1. Proses fotodegradasi zat warna Azo Orange 3R menggunakan cahaya UV yang berasal dari matahari
2. Penggunaan sampel zat warna selain Azo Orange 3R atau diterapkan pada jenis limbah yang lain.
DAFTAR PUSTAKA
[1].
[2].
[3].
[4].
[5].
[6].
[7].
[8].
[9].
[10].
[11].
[12].
[13].
[14].
72
Banat, I.M., P. Nigam, D. Singh, dan R. Marchant. Microbial Decolorization of Textile-Dye Containing
Affluents: a Review. Bioresource Technology, 58:217-227 (1996).
Bapedal, Himpunan Peraturan tentang Pengelolaan Bahan Berbahaya dan Beracun. Badan Pengendalian
Dampak Lingkungan (1996).
Chensha, LI., Yaping, Tang., Bonan, Kang., Binson, Wang., Feng Zhou., Qiang, Ma., Ji, Xiao.,
Dazhi,Wang., Ji, Liang., Photocatalytic degradating methyl orange in water phase by UV-irradiated
CdS carried by Carbon Nanotubes, Springer. Sci China Ser E-Tech Sci.vol. 50 | no. 3 | 279-289 (2007).
Chung, K.T. dan S.E. Stevens., Degradation of Azo Dyes by Environmental Microorganisms and
Helmints. Environ. Toxicol. Chem., 12:2121-2132 (1993).
Cripps, C., J.A. Bumpus, dan S.D. Aust., Biodegradation of Azo and Heterocyclic Dyes by
Phanerochaete chrysosporium. Applied and Environmental Microbiology, 56(4): 1114-1118 (1990).
Lee, Sung-Hwan, Photocatalytic Nanocomposite Based on TiO2 And Carbon Nanotubes, Disertasi,
University of Florida, Florida (2004).
Leisinger, T. dan Brunner, W., Poorly Degradable Subtances, dalam Biotechnology, a Comprehensive
Treatise in Eight Volumes, Vol 8: Microbial Degradations, editors: Rehm, H.J. dan Reed, G., VCH
Verlagsgesellschaft MBH, Weinheim, FRG, hal 497-498 (1986).
Manurung, Renita., Hasibuan, Rosdanelli., Irvan., Perombakan Zat Warna Azo Reaktif Secara Anaerob–
Aerob, e-USU Repository Universitas Sumatera Utara (2004).
Meyyappan, M., Carbon Nanotubes Science and Applications, NASA Ames Research Center Moffet
Field, CA CRC PRESS, Boca Raton London New York Washington, D.C (2005).
Pasti-Grigsby, M.B., A. Paszczynski, S. Goszczynski, D.L. Crawford, dan R.L. Crawford., Influence of
Aromatic Substitution Patterns on Azo Dye Degradability by Streptomyces spp. And Phanerochaete
chrysosporium. Applied and Environmental Microbiology, 58(1):3605-3613 (1992).
Subiyanto, Haruno, dkk., Pelapisan Nanomaterial TiO2 Fase Anatase pada Nilon Menggunakan Bahan
Perekat Aica Aibon dan Aplikasinya Sebagai Fotokatalis, Jurnal nanosains dan Nanoteknologi Edisi
khusus, ISSN 1979-088V (2009).
Sun, Jing dan Gao, Lian., Attachment of inorganic nanoparticles onto Carbon Nanotubes, Springer
Science. J Electroceram., 17:91–94 (2006).
Weber dan Adams., Chemical and Sediment Mediated Reduction of the Azo Dye Disperse Blue 79,
Environ. Sci. Technol., 29 : 1163-1170 (1995).
Woan, Karran, Pyrgiotakis, Georgios, Sigmund, Wolfgang, Photocatalytic Carbon-Nanotube-TiO2
Composites, Advanced Materials, 21, 223