Pengaruh komposisi TiO2:N dan pH pada degradasi zat warna methyl orange menggunakan fotokatalis TiO2-N/zelit

ABSTRAK:

Limbah zat warna industri tekstil Indonesia menjadi salah satu sumber penyebab pencemaran lingkungan karena sifatnya yang non biodegradable. Pengembangan metode pengolahan limbah salah satunya yaitu fotodegradasi. TiO2 dipercaya sebagai material fotokatalis yang unggul karena inert, tidak beracun, luas permukaan tinggi dan mudah didapat. Akan tetapi TiO2 memiliki band gap yang lebar dan luas permukaan yang rendah sehingga menjadikan kinerja TiO2 sebagai fotokatalis kurang optimal. Salah satu upaya untuk menurunkan energi band gap dan meningkatkan luas permukaan yaitu dengan menambahkan dopan non logam nitrogen dan diembankan dalam zeolit alam.

TiO2-N/zeolit disintesis melalui dua tahap, sintesis TiO2-N komposisi (95:5), (90:10) dan (85:15) menggunakan metode sonikasi. Selanjutnya pengembanan zeolit dilakukan menggunakan metode impregnasi. Material hasil sintesis dikarakterisasi menggunakan Fourier Transform-Infra Red Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), dan UV-Vis Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-Vis DRS). Kemudian Uji aktivitas fotokatalis dilakukan untuk mendegradasi zat warna methyl orange dengan pengaruh komposisi dopan dan variasi pH.

Hasil XRD menunjukkan TiO2-N/zeolit mengandung material TiO2 anatas dan zeolit alam jenis mordenit. Spektra FTIR menunjukkan dopan N teridentifikasi ikatan TiO2-N subtitusi pada v= 1455-1457 nm-1 dan intertisi pada v= 566-572 nm-1 sedangkan puncak zeolit alam mordenit pada v= 3432-3444, 1057-1061, 795, dan 450-460 nm-1. Data UV-Vis DRS menunjukkan TiO2; TiO2-N/zeolit (95:5); TiO2-N/zeolit (90:10); dan TiO2-N/zeolit (85:15) memiliki masing-masing energi band gap sebesar 3,04; 2,87; 2,76; dan 2,60 eV. Hal ini mengindikasikan dopan N dan impregnasi zeolit mampu menurunkan energi band gap TiO2. Uji aktivitas fotokatalis TiO2-N/zeolit menunjukkan komposisi TiO2:N (90:10) memiliki aktivitas degradasi terbesar yaitu 31,27%. Kemudian degradasi methyl orange optimum pada pH 2,5 dengan persen degradasi 76,60%.

ABSTRACT:

Dye liquid waste from the Indonesian textile industry are a source of environmental pollution because of its non-biodegradable nature. One of the development of waste treatment methods is photodegradation. TiO2 is believed to be a superior photocatalyst material because it is inert, non-toxic, high surface area and easy to obtain. However, TiO2 has a large band gap and low surface area, make the performance of TiO2 as a photocatalyst less than optimal. One of the efforts to reduce the band gap energy and increase the surface area is by adding non-metal nitrogen dopants and embedding it in natural zeolites.

TiO2-N/zeolit was synthesized in two stages, the synthesis of TiO2-N/zeolit composition (95: 5), (90:10) and (85:15) using the sonicion method. Furthermore, zeolite development is carried out using the impregnation method. The synthesized material was characterized using Fourier Transform-Infra Red Spectroscopy (FTIR), X-Ray Diffraction (XRD), and UV-Vis Diffuse Reflectance Spectroscopy (UV-Vis DRS). Then the photocatalyst activity test was carried out to degrade the methyl orange dye with the influence of the dopant composition and pH variations.

The result of XRD showed that TiO2-N/zeolite contained TiO2 anatase material and natural zeolite mordenite type FTIR spectra showed that the N dopant identified substituted TiO2-N bonds at v = 1455-1457 nm-1 and intertition at v = 566-572 nm-1 while the natural zeolite peaks were mordenite at v = 3432-3444, 1057-1061, 795, and 450-460 nm-1. UV-Vis DRS data shows TiO2; TiO2-N/zeolite (95: 5); TiO2-N/zeolite (90:10); and TiO2-N/zeolite (85:15) each have band gap energies of 3.04; 2.87; 2.76; and 2.60 eV. This indicates that the N dopant and zeolite impregnation can reduce the band gap energy of TiO2. The TiO2-N/zeolite photocatalyst activity test showed that the TiO2: N (90:10) optimum composition with percent degradation 31.27%. While the degradation pH effect of methyl orange has an optimum at pH 2.5, which is 76.60%.

مستخلص البحث:

نفايات المواد الملونة من صناعة النسيج الاندونيسية إحدي مصادر التلوّث البيئيّ لأنّ طبيعتها غير القابلة للتحلل الحيوي. وإحدى التطويرات في طريقة معالجة النفايات هي التحلل الضوئي باستخدم الضوء و مواد أشباه الموصلات. ويُعتقد أن مادة ثاني أكسيد التيتانيوم(TiO2) تكون مادة التحفيز الضوئي التي يستخدمها الناس غالبا لأنها خاملة وغير سامة، و ذات مساحة السطح العالية وسهولة الحصول عليها. ولكن لدي مادة ثاني أكسيد التيتانيوم(TiO2) فجوة النطاق الواسعة ومساحة السطح المنخفضة حتي جعل أداء مادة ثاني أكسيد التيتانيوم(TiO2) كتحفيز ضوئي أقل مثاليا. أما إحدي الجهود المبذولة لانخفاض فجوة النطاق و ارتفاع مساحة السطح فهو إضافة إشابة غير المعدنية أي النيتروجين وتطويرها في مادة الزيوليت الطبيعية.

يتم تصنيع TiO2-N أو توليف الزيوليت من خلال مرحلتين يعني توليف TiO2-N بالتركيب (95:5)، و (85:15) باستخدام أسلوب سونيكاسي. ثم يتم تطوير الزيوليت باستخدام طريقة التشريب. و تتميز المواد التوليفية باستخدام تحويل فورييه للطيف بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، و حيود الأشعة السينية (XRD)، و التحليل الطيفي للانعكاس المنتشر بالأشعة فوق البنفسجية (UV-Vis DRS). ثم يتم إجراء اختبار التحفيز الضوئي لتحلل مادة اللون الميثيل البرتقالي بتأثير التركيبة المشوبة والتغيرات في درجة الحموضة (درجة الأس الهيدروجيني).

وتظهر نتائج حيود الأشعة السينية (XRD) أن TiO2-N أو الزيوليت يحتوي على مادة ثاني أكسيد التيتانيوم أناتاس و الزيوليت الطبيعي من نوع المورددينيت. تظهر أن أطياف تحويل فورييه للطيف بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) المشوبة N هي التي حددت روابط Ti-N-Ti البديلة في v= 1455-1457 سم-1. أما ذروة الزيوليت الطبيعي الموردينيت فهو في v= 3442-3444، و 1057-1061، و795، و450-460 سم-1. تظهر بيانات التحليل الطيفي للانعكاس المنتشر بالأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis DRS) تدلّ على أن TiO2; TiO2-N أو الزيوليت (95:5); و TiO2-N أو الزيوليت (90:10); و TiO2-N أو الزيوليت (85:15) لكل منها طاقة فجوة النطاق تبلغ 3.04; 2,87; 2,76; و 2.60 إلكترون فولت (eV). وهذا دليل على أن الإشابة وتشريبة الزيوليت قادرة على خفض طاقة الفجوة النطاق في مادة ثاني أكسيد التيتانيوم . ومن اختبار التحلل الضوئي في مادة TiO2-N أو الزيوليت يدل على أن تركيبة لمادة TiO2-N (90:10) أكبر نشاط التحلل الضوئي بنسبة 31.27٪. وأما تحلل الميثيل البرتقالي المؤثّر في تغيير درجة الأس الهيدروجيني فله درجة مئوية مثالية في الأس الهيدروجيني 2.5 أي في النسبة 76.60٪.