Disinfeksi Fotoelektrokatalisis Eschericia coli pada Elektroda TiO2

J. Sains MIPA, Agustus 2007, Vol. 13, No. 2, Hal.: 77 - 83
ISSN 1978-1873
INAKTIVASI FOTOELEKTROKATALISIS Escherichia coli MENGGUNAKAN
ELEKTRODA TiO2/SnO2
Kiagus Dahlan1, Akhiruddin Maddu1*, Kristina Tri Wigati1, Nisa Rachmania Mubarik2
1)Laboratorium
Fisika Material, Departemen Fisika FMIPA-IPB
Mikrobiologi, Departemen Biologi FMIPA-IPB
Kampus IPB Darmaga, Bogor 16680
*E-mail untuk surat menyurat: [email protected]
2)Laboratorium
Diterima 5 Maret 2007, perbaikan 22 Oktober 2007, disetujui untuk diterbitkan 24 Oktober 2007
ABSTRACT
This research aimed to study the inactivation of Escherichia coli by photoelectrocatalisis using composite electrode
TiO2/SnO2. This desinfection system is designed to work in water containing E coli culture. Semiconductor electrode
functioned as photoelectrode and photocatalis in this photoelectrochemistry system with electrolyte containing E coli
culture. The system comprised of a counter electrode, a power supply and an ultraviolet ray source. A voltage difference
of about 1 volt was given to the photoelectrode while at the same time the electrode was also irradiated with ultraviolet
ray. The experiment of photoelectrocatalisis showed effect of inactivation of E coli, that is, the lowering of the bacteria
population. Compared with TiO2 or SnO2 electrodes, TiO2/SnO2 electrode was the most effective one. The population of
E coli reduced up to 55%, which is the best, when TiO 2/SnO2 electrode was implemented. On the other hand, when TiO 2
and SnO2 only were used, the population reduce achieved during one hour experiment were up to 45% and 20%,
respectively. The desinfection constant of 1.35x10-2 per minute was obtained when using TiO 2/SnO2 electrode, while
8.6x10-3 per minute and 4.4x10-3 per minute was obtained when using TiO2 electrode and SnO2 electrode, respectively.
For photolysis treatment was obtained disinfection constant of 3.5x10-3 per minute.
Keyworlds: Disinfection, Inactivation, Escherchia coli, Fotoelectrocatalysis, TiO 2/SnO2 electrode
1. PENDAHULUAN
Berbagai macam cara untuk mengendalikan populasi
mikroorganisme telah dilakukan orang antara lain
dengan cara mematikan mikroorganisme, menghambat
pertumbuhan dan metabolismenya, atau secara fisik
menyingkirkannya. Penerapan sarana fisik untuk
mengendalikan mikroorganisme antara lain dilakukan
dengan menggunakan radiasi (ultraviolet, sinar-X,
gamma, dan sinar katoda), filtrasi, sonikasi, klorinasi
dan ozonisasi1,2).
Selama dua dekade terakhir ini, telah berkembang
suatu mekanisme disinfeksi mikroorganisme melalui
proses fotokatalisis menggunakan sumber cahaya
ultraviolet dengan bahan semikonduktor sebagai
fotokatalis. Proses fotokatalisis secara umum dapat
didefinisikan sebagai proses reaksi kimia yang dibantu
oleh cahaya dan katalis. Sterilisasi E. coli secara
fotokimia menggunakan bahan TiO2 pertamakali
dilaporkan oleh Matsunaga dkk. Pada 19853). Sejauh ini,
TiO2 merupakan bahan semikonduktor yang paling
banyak digunakan dalam proses fotokatalisis baik untuk
tujuan detoksifikasi maupun disinfeksi, karena tidak
beracun, stabilitas kimianya tinggi, murah, serta dapat
digunakan secara berulang tanpa kehilangan daya
katalitiknya1).
 2007 FMIPA Universitas Lampung
TiO2 dalam bentuk kristal anatase merupakan
semikonduktor dengan celah pita energi 3,2 eV. Ketika
partikel TiO2 disinari dengan cahaya UV (hv>350 nm),
maka pasangan elektron (e-) - hole (h+) dibangkitkan
pada permukaan TiO2 dengan elektron dari pita valensi
tereksitasi ke pita konduksi dan meninggalkan lubanglubang (holes) pada pita valensi (Gambar 1).
hv
hv
-
Rekombinasi
permukaan
+
A
-
+
D
C
-
-
o
+
B
OH
+
Volume
rekombinasi
OH-
O2O2
Gambar 1. Proses fotokatalis pada suatu
semikonduktor1).
Sebagian besar pasangan elektron-hole ini akan
berekombinasi kembali baik di permukaan atau di dalam
bulk partikel. Sementara itu, sebagian pasangan
77
Kiagus Dahlan dkk…Inaktivasi Fotoelektrokatalisis Escherichia coli
elektron-hole dapat bertahan sampai di permukaan
semikonduktor, sementara hole dapat menginisiasi
reaksi oksidasi dan elektron menginisiasi reaksi reduksi
zat kimia yang ada di sekitar permukaan TiO 2. Reaksi
inilah yang akan menghasilkan senyawa reaktif dalam
degradasi polutan organik maupun sebagai disinfektan
mikroorganisme yang dalam media air berupa radikal
hidroksil (OH) dan ion superoksida (O2-). Produkproduk ini kemudian juga dapat bereaksi membentuk
senyawa baru yang bersifat radikal seperti hidrogen
peroksida (H2O2)2,3,4).
Dalam mekanisme fotokatalisis terjadi peristiwa
rekombinasi cepat (prematur) antara elektron dan hole
akibat adanya gaya tarik Coulomb kedua muatan
tersebut, sehingga proses ini tidak mengoptimalkan
95% energi cahaya yang terserap. Salah satu usaha
untuk meminimalisasi terjadinya peristiwa rekombinasi
cepat ini yaitu menggunakan semikonduktor campuran
yang diimobilisasikan pada substrat berupa lapisan
multikomponen. Dengan tingkat-tingkat energi yang
berbeda dari setiap komponennya, sistem ini dapat
meningkatkan
pemisahan muatan5,6,7).
Prinsip
pemisahan muatan dengan sistem ini diilustrasikan
pada Gambar 2. Persyaratan yang dibutuhkan pada
sistem ini adalah posisi pita-pita energi semikonduktor
harus berbeda sehingga memudahkan terjadinya
transfer muatan.
mengalir turun dari pita konduksi TiO2 menuju pita
konduksi SnO2, sebaliknya hole akan naik dari pita
valensi SnO2 menuju pita valensi TiO28). Hal tersebut
dapat memicu terjadinya pemisahan muatan dan
menghambat proses rekombinasi prematur sehingga
akhirnya dapat meningkatkan daya fotokatalisis.
Selain itu, untuk meningkatkan daya disinfeksi bakteri
pada fotokatalisis semikonduktor, dapat dilakukan
melalui proses fotoelektrokimia menggunakan lapisan
semikonduktor pada substrat konduktor transparan
sebagai fotoelektroda (elektroda dikenai cahaya).
Dengan demikian proses ini menjadi proses
fotoelektrokatalisis, yaitu proses fotokatalisis dengan
pemberian bias tegangan listrik, seperti ditunjukkan
pada Gambar 3. Hal ini dilakukan karena
pendegradasian polutan biologi dan kimia mengalami
hambatan pada proses fotokatalisis saja. Pada proses
fotoelektrokatalisis, elektron (e-) dialihkan ke tempat lain
sehingga hole (h+) dapat berdifusi dan memuati
permukaan dengan muatan positif. Mekanisme
pengalihan partikel ini dilakukan dengan memberikan
bias potensial positif sebesar 1 Volt pada
fotoelektroda9,10). Perlakuan ini secara tegas
memisahkan elektron dengan hole dan mengalirkannya
melalui lintasan luar melalui elektroda bantu (counter
electrode). Pada elektroda bantu inilah reaksi reduksi
berlangsung sementara reaksi oksidasi tetap
berlangsung pada permukaan TiO2. Mekanisme
fotoelektrokatalisis ini dapat mempercepat proses
disinfeksi dan degradasi polutan karena reaksi reduksi
dan oksidasi terjadi di dua tempat berbeda, sehingga
menghasilkan agen disinfeksi yang lebih variatif dengan
kuantitas yang lebih besar.
Gambar 2. Transfer muatan pada sistem semikonduktor
campuran8)
Sistem ini menggunakan semikonduktor TiO2 sebagai
komponen utama yang digabung dengan bahan
semikonduktor lain seperti SnO2 atau ZnO. Misalnya,
SnO2 yang memiliki posisi pita konduksi lebih rendah
(ECB=0V vs NHE pada pH 7) daripada TiO2 (ECB= -0.5V
vs NHE pada pH 7) menyebabkan elektron akan
78
Gambar 3. Mekanisme fotoelektrokatalisis10)
 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Agustus 2007, Vol. 13, No. 2
Lapisan diratakan menggunakan batang kaca silinder
hingga rata. Setelah itu lapisan dikeringkan selama 10
menit, selanjutnya dipanaskan (annealing) pada suhu
400°C dalam tungku selama 1 jam.
2. METODE PENELITIAN
2.1. Reaktor Fotoelektrokatalisis
Reaktor yang digunakan dibuat dengan model reaktor
tak-alir (water static batch reactor). Reaktor ini
dirancang menggunakan bahan akrilik dengan
ketebalan 0,4 cm berbentuk kotak tanpa tutup dengan
ukuran 3 cm x 3 cm x 5,5 cm, dan bagian atas ditutup
dengan bahan plastik tipis (wrapping plastic). Seluruh
badan reaktor diselimuti kertas aluminium agar cahaya
yang tidak diinginkan tidak dapat masuk. Pada salah
satu sisi reaktor dengan jarak 1 cm dari alas diberi
lubang berukuran 1,7 cm x 0,2 cm sebagai tempat
fotoelektroda (tepatnya fotoanoda), dan pada jarak 0,5
cm di atasnya diberi lubang sebagai tempat elektroda
bantu (counter electrode), seperti ditunjukkan pada
Gambar 4. Jadi jarak antara fotoelektroda dengan
elektroda bantu adalah 0,5 cm.
Lampu Ultra Violet
Katoda (Pt)
counter
5.5 cm
Fotoanoda
(TiO2/SnO2)
1V
3 cm
3 cm
Magnet
pengaduk
Pemutar
Gambar 4. Skema reaktor fotoelektrokatalisis.
2.2. Pembuatan Lapisan TiO2/SnO2
Dalam penelitian ini dibuat tiga lapisan fotokatalis yaitu
lapisan TiO2, lapisan SnO2 dan lapisan TiO2/SnO2
dengan komposisi 80/20. Masing-masing lapisan
tersebut ditumbuhkan di atas substrat kaca berlapiskan
ITO (indium-iin oxide) berdimensi 2,5 cm x 1,5 cm
dengan metode casting. Langkah pertama adalah
penyiapan masing-masing larutan prekursor. Lapisan
TiO2 dibuat dengan mencampurkan 2,5 ml slurry TiO 2
anatase (45% w/w), 0,5 ml asetil aseton dan 0,1 ml
Ttriton-X. Untuk lapisan SnO2, digunakan larutan SnO2
45% (w/w) dari bubuk SnO2 ditambah akuades,
sebanyak 2,5 ml larutan SnO2 ditambahkan 0,3 ml asetil
aseton dan 0.2 ml Triton-X. Untuk lapisan TiO2/SnO2
(80/20), sebanyak 2 ml slurry TiO2 anatase (45% w/w)
dicampur dengan 0,5 ml larutan SnO 2 45% (w/w), 0,5 ml
asetil aseton dan 0,1 ml Triton-X. Masing-masing
larutan diambil 0,2 ml untuk dilapiskan di atas substrat
dengan luas 2,5 cm x 1,5 cm. Bagian substrat yang
tersisa (0,5 cm x 1,5 cm) ditutup dengan plastik perekat.
 2007 FMIPA Universitas Lampung
Lapisan-lapisan
elektroda
yang
dihasilkan
dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X (XRD) untuk
mengetahui struktur kristalnya. Analisis ini dilakukan
dengan menggunakan difraktometer sinar-X (Shimadzu
model XD-610) di Laboratoritum X-Ray, Pusat Teknologi
Bahan dan Instrumentasi Nuklir (PBIN)-BATAN,
Serpong, Banten. Alat ini menggunakan sumber Cu
dengan tegangan 30 kV dan arus 30 mA.
2.3. Perlakuan Fotoelektrokatalisis
Media yang digunakan untuk penumbuhan bakteri E.
coli ini adalah Nutrient Broth (NB). Sebanyak 7 ml
suspensi E. coli umur 18 jam yang telah diukur
transmitansinya (30 – 47%) pada panjang gelombang
620 nm dipindahkan ke dalam reaktor berisi batang
magnet pengaduk, lapisan tipis dan elektroda bantu
(counter) untuk perlakuan. Sistem diletakkan di atas
piringan pemutar dan lampu ultraviolet ditempatkan
tepat menempel pada mulut reaktor. Fotoelektroda
semikonduktor dihubungkan dengan kutub positif
sumber tegangan sedangkan elektroda bantu (platina)
dihubungkan dengan kutub negatifnya. Potensial bias
yang diberikan sebesar 1 Volt. Perlakuan ini dilakukan
selama 1 jam dengan pengamatan setiap 15 menit.
2.4. Penghitungan koloni E.Coli bertahan hidup
Penghitungan E. coli yang bertahan hidup dilakukan
melalui metode cawan sebar dengan tingkat
pengenceran hingga 10-6. Setelah waktu inkubasi, akan
tampak koloni terpisah. Perhitungan koloni E. coli yang
tumbuh dihitung melalui Persamaan (1)
CFU = N / (SxP) ............................................. (1)
yaitu Unit Koloni Terbentuk (sel/ml) (Colony Forming
Unit), dengan N adalah jumlah koloni yang tumbuh di
atas agar nutrien cawan, S adalah volume cuplikan
yang disebar dan P adalah tingkat pengenceran.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Analisis XRD Lapisan Elektroda TiO2/SnO2
Lapisan-lapisan fotoelektroda yang telah dibuat
dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X (XRD) untuk
menganalisis kristalografinya. Dari hasil analisis XRD
dapat diketahui parameter kisi dan ukuran kristal. Nilai
parameter kisi hasil perhitungan dibandingkan dengan
nilai acuan standar untuk dapat diketahui tipe kristal
yang terbentuk pada lapisan. Informasi ukuran kristal
yang diperoleh memberi gambaran luas permukaan
bidang yang dapat mengabsorbsi cahaya. Pola difraksi
sinar-X (difraktogram) untuk sampel lapisan TiO 2/SnO2
79
Kiagus Dahlan dkk…Inaktivasi Fotoelektrokatalisis Escherichia coli
pada substrat kaca berlapis ITO diperlihatkan pada
Gambar 5.
pada 2 = 26,229 sebagai fase anatase TiO2 (101),
tampak lapisan didominasi TiO2 dibanding SnO2.
Dari pola difraksi sinar-X lapisan TiO2/SnO2 dapat
diidentifikasi puncak-puncak karakteristik TiO2 dan
SnO2, serta substrat ITO. Berdasarkan puncak-puncak
karakteristik diketahui nilai jarak kisi kristal d (dalam
angstrom) pada sudut-sudut difraksi sinar-X. Puncakpuncak karakteristik dan bidang hkl yang bersesuaian
serta nilai parameter kisi ditunjukkan pada Tabel 1 untuk
kristal TiO2 dan pada Tabel 2 untuk kristal SnO2. Untuk
kristal TiO2 menunjukkan persentase ketepatan untuk
parameter kisi a dan c sebesar 98,72% dan 98,36%
terhadap literatur, sedangkan kristal SnO2 memiliki
parameter dengan persentase ketepatan untuk a dan c
berturut-turut sebesar 97,30% dan 96,96%8).
Berdasarkan intensitas puncak pola difraksi tertinggi
Ukuran kristal TiO2 dan SnO2 dihitung berdasarkan data
dari pola-pola difraksi sinar-X yang diperoleh dengan
menggunakan Persamaan Scherrer seperti tampak
pada Persamaan (2).
D=0,9 /B cos ,
(2)
dengan  adalah panjang gelombang sinar-X yang
digunakan, B adalah nilai FWHM (full width half
maximum) dari pola difraksi dan  adalah sudut difraksi.
Dari hasil perhitungan diperoleh diamater kristal TiO 2
sebesar 31,60 nm sedangkan SnO2 sebesar 32,74 nm.
Dengan demikian sampel lapisan elektroda yang dibuat
merupakan nanokristal yang sangat berperan dalam
aktivitas fotokatalisis.
Keterangan:
A : TiO2 anatase
R : SnO2 rutil
ITO: Indium-Tin Oxide
Gambar 5. Pola difraksi sinar-X lapisan TiO2/SnO2.
Tabel 1. Indeks Miller (hkl) kristal TiO2 pada lapisan TiO2/SnO2
2
(deg)
24,928
47,697
53,661
54,637
d (Å)
Sampel
3,568
1,905
1,706
1,678
Standar
3,520
1,892
1,699
1,666
hkl
101
200
105
211
Parameter kisi
Sampel
Standar
a= 3,73 (Å)
a=3,78 (Å)
c= 9,35 (Å)
c=9,51(Å)
Tabel 2. Indeks Miller (hkl) kristal SnO2 pada lapisan TiO2/SnO2
2
(deg)
26,229
33,602
37,614
51,492
80
Sampel
3,394
2,664
2,389
1,773
d (Å)
Standar
3,351
2,644
2,369
1,765
hkl
110
101
200
211
Parameter kisi
Sampel
Standar
a=4,61 (Å)
a=4,73 (Å)
c=3,09 (Å)
c=3,18 (Å)
 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Agustus 2007, Vol. 13, No. 2
3.2. Hasil Inaktivasi E. coli
karena 370C tidak melebihi suhu optimum yang
dibutuhkan E. coli untuk tumbuh. Sebagai kontrol
dilakukan perlakukan fotolisis yaitu pemberian cahaya
ultraviolet (UV) langsung pada kultur bakteri tanpa ada
bahan katalis. Perlakuan kontrol lain adalah
fotoelektrokatalisis pada elektroda lapisan TiO 2 dan
elektroda lapisan SnO2 saja.
Sistem reaktor model tak-alir dengan dimensi 3 cm x 3
cm x 5,5 cm mampu menampung supensi E. coli
sebanyak 30 ml. Lapisan elektroda semikonduktor
sebagai fotokatalis memiliki luasan aktif dengan ukuran
setengah dari panjang dan lebar reaktor. Hal ini
dimaksudkan agar dapat terbentuk sistem reaktor
dengan perbandingan ukuran reaktor dan luasan aktif
lapisan yang proporsional. Katalis berupa bahan
semikonduktor yang diimobilisasi pada substrat
konduktif dan transparan berfungsi sebagai
fotoelektroda untuk penerapan potensial bias listrik.
Secara umum besarnya bias listrik positif yang
diaplikasikan pada fotoelektroda adalah 1 V9,10). Dengan
potensial bias 1 V ini tidak akan terjadi eksitasi elektron
pada semikonduktor sehingga fungsinya hanya sebagai
pengalih partikel saja. Hal ini menyebabkan kedua
muatan melakukan reaksi reduksi dan oksidasi di
tempat berbeda sehingga mengurangi terjadinya proses
rekombinasi prematur.
Perbandingan hasil
perlakuan fotolisis dan
fotoelektrokatalisis pada kultur bakteri E.coli ditunjukkan
pada Gambar 6. Kurva-kurva yang diperoleh
menyatakan rasio daya tahan (survival ratio) terhadap
waktu perlakuan fotolisis dan fotoelektrokatalisis pada
elektroda TiO2, elektroda SnO2 dan elektroda
TiO2/SnO2. Persentase rasio E.coli bertahan hidup
setiap 15 menit pengamatan untuk masing-masing
perlakuan dirangkum dalam Tabel 3. Tampak pada
kurva bahwa rasio E. coli bertahan hidup berkurang
secara eksponensial terhadap waktu, yang memenuhi
Persamaan (3)
(3)
N ( t )  N 0 exp( kt )
dengan N(t) adalah populasi bakteri bertahan hidup, No
adalah populasi awal dan k adalah tetapan disinfeksi
yang merupakan ukuran kemampuan inaktivasi E. coli.
Perlakuan dilakukan pada suhu ruang. Kenaikan suhu
akibat pergerakan batang magnet pemutar pada reaktor
dianggap tidak berpengaruh pada kematian E. coli
1.0
0.9
y=e-0,0035x
Nt/No
0.8
y=e-0,0044x
0.7
y=e-0,0086x
0.6
0.5
y=e-0,0135x
0.4
0
20
40
60
Waktu (M enit)
■
▲
T iO2/SnO2
SnO2


T iO2
Fotolisis
Gambar 6.Kurva hasil perlakuan fotoelektrokatalisis kultur E.coli.
Tabel 3. Populasi E.coli bertahan hidup (%) untuk masing-masing perlakuan
Waktu
(menit)
0
15
30
45
60
TiO2/SnO2
100,00
61,16
64,74
46,63
54,68
E. coli Bertahan Hidup (%)
TiO2
SnO2
100,00
100,00
77,24
88,39
81,99
76,54
72,24
82,32
56,90
82,93
 2007 FMIPA Universitas Lampung
Fotolisis
100,00
97,86
80,27
90,40
81,35
81
Kiagus Dahlan dkk…Inaktivasi Fotoelektrokatalisis Escherichia coli
0
y=-0,0035x
Ln (N t/No)
-0.2
y=-0,0044x
-0.4
y=-0,0086x
-0.6
y=-0,0135x
-0.8
-1
0
20
■
▲
40
60
Waktu (M enit)
T iO2/SnO2
SnO2


T iO2
Fotolisis
Gambar 7. Kurva logaritma rasio E.coli bertahan hidup.
Penurunan rasio E. coli bertahan hidup (survival ratio)
paling
besar
diperoleh
untuk
perlakuan
fotoelektrokatalisis dengan elektroda campuran
TiO2/SnO2, sedangkan paling kecil pada perlakuan
fotolisisis saja. Sementara itu, penggunaan elektroda
TiO2 lebih cepat menunurunkan rasio E. coli daripada
dengan elektroda SnO2 saja.
radikal yang dapat mengakibatkan kerusakan pada sel.
Hal tersebut terjadi karena panjang gelombang sinar UV
berada pada kisaran 360 nm yang memiliki efek
bakterisidal namun kecil. Energi yang diberikan cahaya
dari lampu UV dengan panjang gelombang tersebut
memang ditujukan untuk mengaktifkan lapisan
semikonduktor pada proses fotoelektrokatalisis.
Untuk menentukan nilai tetapan disinfeksi (k), dibuat
kurva ln(Nt/No) terhadap waktu, hasilnya ditunjukkan
pada Gambar 7. Tampak pada kurva-kurva bahwa laju
disinfeksi atau inaktivasi paling besar diperoleh untuk
perlakuan fotoelektrokatalisis dengan elektroda
TiO2/SnO2 sebesar 0.0135/menit, diikuti berturut-turut
untuk elektroda TiO2 (0.0086/menit), elektroda SnO2
(0.0044/menit) dan paling kecil untuk perlakuan fotolisis
(0.0035/menit).
Perlakuan fotoelektrokatalisis dengan elektroda SnO2
selama satu jam tidak terlalu berbeda dengan perlakuan
fotolisis, yaitu hanya mampu membunuh atau inaktivasi
E. coli hingga 25% setidaknya hingga 15 menit kedua.
Demikian juga tetapan inaktivasi atau disinfeksi yang
hanya sedikit lebih besar dari perlakuan fotolisis, yaitu
sebesar 0.0044/menit. Hal ini dikarenakan energi
cahaya UV dengan panjang gelombang sebesar 360 nm
ternyata kurang mampu mengaktifkan lapisan SnO2
yang memiliki lebar celah energi sebesar 3,5 eV untuk
membentuk produk-produk disinfektan. Praktis sebagian
besar kematian bakteri disebabkan oleh penetrasi
cahaya UV dalam suspensi E. coli.
Pada perlakuan fotolisis, yaitu dengan menyinari kultur
E. coli dengan sinar UV saja, hanya mampu membunuh
atau inaktivasi E. coli hingga 20% (Tabel 3) selama satu
jam perlakuan. Laju inaktivasi atau disinfeksi paling kecil
(0,0035/menit) dibandingkan perlakuan lainnya. Hal ini
karena proses inaktivasi hanya akibat efek bakterisidal
dari sinar UV saja yang sangat terbatas membunuh
bakteri dengan populasi yang besar. Artinya iradiasi dari
lampu ultraviolet yang digunakan pada perlakuan
fotolisis ini kurang sempurna untuk membunuh
sebanyak mungkin E. coli. Kerusakan dalam sel akibat
efek fotolisis oleh cahaya UV menyebabkan
pembentukan dimer dengan ikatan silang antara
pirimidin-pirimidin DNA yang bersebelahan terutama
timin. Dimer ini mengacaukan proses replikasi yang
normal. Selain pengaruh langsung terhadap sel biologis,
cahaya ini juga memiliki energi yang mampu
mengaktifkan molekul air untuk membentuk senyawa
82
Sementara itu perlakuan fotoelektrokatalisis dengan
elektroda TiO2 mampu membunuh E. coli hingga hampir
45% selama satu jam perlakuan (Tabel 3) dengan
tetapan disinfeksi yang lebih besar dibanding dengan
elektroda SnO2 (Gambar 7). Artinya, penggunaan
lapisan TiO2 sebagai fotoelektroda lebih efektif
dibandingkan dengan lapisan SnO2 karena cahaya UV
memiliki energi yang sesuai untuk mengeksitasikan
elektron lebih banyak ke pita konduksi TiO2 untuk
menginisiasi reaksi oksidasi dan menghasilkan hole
yang banyak pada pita valensi yang keduanya berperan
dalam menginsiasi reaksi oksidasi dan reduksi pada
permukaan TiO2. Selain itu, posisi level konduksi dan
valensi TiO2 sangat ideal untuk bereaksi dengan
 2007 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Agustus 2007, Vol. 13, No. 2
berbagai senyawa organik yang menghasilkan produk
disinfektan yang berperan dalam membunuh bakteri.
Di lain pihak, perlakuan fotoelektrokatalisis
menggunakan elektroda campuran TiO2/SnO2 mampu
menurunkan populasi E. coli paling besar, yaitu lebih
dari 50%, setidaknya hingga 15 menit ketiga (Tabel 3).
Demikian juga tetapan disinfeksi (k) diperoleh paling
besar dibandingkan perlakuan lainnya. Hal ini karena
penggunaan elektroda campuran TiO2/SnO2 bekerja
efektif mengurangi proses rekombinasi prematur di
dalam bahan semikonduktor sehingga menyebabkan
peningkatan produksi elektron dan hole pada
permukaan semikonduktor untuk membentuk senyawasenyawa reaktif yang mampu membunuh sel-sel E. coli.
SnO2 (Eo = 0,5 vs SHE) memiliki pita konduksi lebih
rendah (lebih positif) dibandingkan dengan TiO 2 (Eo = 0,12 vs SHE) sehingga hal ini dapat menyebabkan
pemisahan muatan, yaitu elektron meninggalkan TiO2
mengalir menuju SnO2 (Gambar 2), sedangkan hole
naik menuju potensial yang lebih negatif. Pemberian
bias listrik bertujuan memompa elektron dari pita
konduksi SnO2 yang lebih positif terhadap potensial
reduksi pasangan O2/O2- sehingga memudahakan reaksi
reduksi8). Oleh karena, metode fotoelektrokatalisis
dengan elektroda TiO2/SnO2 memiliki daya disinfeksi
yang lebih baik dibandingkan dengan lapisan tunggal.
2.
Singh, N., Singh, R.K., Bhunia, A.K., Stroshine,
R.L. and Simon, J.E. 2001. Sequential disinfection
of E. coli O157:H7 on shredded lettuce leaves by
aqueous chlorine dioxide, ozonated water and
thyme essential oil. SPIE, 4206: 159-166.
3.
Cho, M., Chung, H., Choi, W. and Yoon, J. 2004.
Linear correlation between inactivation of E. coli
and OH radical concentration in TiO 2
photocatalytic disinfection. Water Res, 38: 10691077.
4.
Rincon, A.G. and Pulgarin, C. 2003. Photocatalytic
inactivation of E. coli: effect of (continuousintermittent) light intensity and of (suspendedfixed) TiO2 concentration. Appl. Catal. B: Environ.,
44: 263-284.
5.
Beydoun, A.R., Low, G. and McEvoy, S. 1999.
Role of nanoparticles in photocatalysis. J.
Nanopart. Res., 1: 439 – 458.
6.
Anderson, C. and Bard, A.J. 1997. Improved
Photocatalytic Activity and Characterization of
Mixed TiO2/SiO2 and TiO2/Al2O3 Material. J. Phys.
Chem. B., 101(14): 2611-2616.
7.
Anderson, M.A., Fu, X., Clark L.A. and Yang, Q.
1996. Performance of Titania – Based Binary
Metal Oxides: TiO2/SiO2 and TiO2/ZrO2. J.
Environ. Science Technol., 30(2): 647-653.
8.
Vinodgopal et al. 1996. Nanostructured
Semiconductor
Films
for
Photocatalysis:
Photoelectrochemical Behavior of SnO 2/TiO2
Composite Systems and Its Role in Photocatalytic
Degradation of a Textile Azo Dye.
http://allen.rad.nd.edu/new_pubs/ndrl3837.html
9.
Butterfield, I.M., et al. 1997. Water disinfection
using an immobilised titanium dioxide film ini a
photochemical reactor with electric field
enhancement. J. Wat. Res., 31: 675 – 677.
4. KESIMPULAN
Proses fotoelektrokatalisis dengan elektroda campuran
TiO2/SnO2 terbukti memiliki kemampuan disinfeksi atau
inaktivasi Escherichia coli yang paling besar
dibandingkan dengan metode fotoelektrokatalisis pada
lapisan TiO2 dan lapisan SnO2 serta dengan metode
fotolisis. Fotoelektroda sistem multikomponen ini
mampu meningkatkan produksi elektron dan hole
dengan menghambat proses rekombinasi prematur
melalui pemisahan muatan sehingga dapat
meningkatkan produksi senyawa-senyawa reaktif yang
berperan sebagai disinfektan. Hasil yang diperoleh dari
setiap perlakuan memperlihatkan kecenderungan
seperti
yang
diharapkan,
yaitu
perlakuan
fotoelektrokatalisis dengan elektroda TiO2/SnO2
menghasilkan inaktivasi E. coli paling besar
dibandingkan perlakuan lainnya. Demikian juga
perlakuan dengan elektroda TiO2/SnO2 menghasilkan
tetapan disinfeksi paling besar.
DAFTAR PUSTAKA
1.
10. Harper, J.C, Christensen, P.A., Egerton, T.A.,
Curtis, T.P. and Gunlazuardi, J. 2001. Effect of
catalyst type on the kinetics of the
photoelectrochemical disinfection of water
inoculated with E. coli, J. Appl. Electrochem., 31:
623-628.
Srinivasan, C. and Somasundaram, N. 2003.
Bactericidal and detoxification of irradiated
semiconductor catalist TiO2. Curr. Sci., 85 (10):
1431-1438.
 2007 FMIPA Universitas Lampung
83