Fotodegradasi Methylene Blue Menggunakan Fotokatalis TiO 2 /Zeolit
Singgih Wibowo 1 *, Kheiza Noor Aulia Azhar 1 , Dewi Alamatus Sahanaya 2
1 Program Studi Nanoteknologi Pangan, Politeknik AKA Bogor, Jalan Pangeran Sogiri, No. 283, Bogor Utara, Kota Bogor
2 Program Studi Penjaminan Mutu Industri Pangan, Politeknik AKA Bogor, Jalan Pangeran Sogiri, No. 283, Bogor Utara, Kota Bogor
*E-mail: singgihwibowo@kemenperin.go.id (Received: 4 April 2023; Accepted: 31 Juli 2023; Published: 31 Juli 2023)

## Abstrak
Fotokatalisis  merupakan  salah  satu  metode  yang  efektif  dalam  pengolahan  air  limbah  yang  mengandung senyawa  organik.  Dalam  penelitian  ini,  digunakan  TiO 2 dikombinasi  dengan  zeolit  (TiO 2 /Zeolit)  sebagai fotokatalis  dalam  proses  degradasi  senyawa  organik methylene  blue (MB).  Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk mengevaluasi  efektivitas  fotokatalisis  menggunakan  TiO 2 /zeolit  pada  proses  degradasi  MB  di  bawah  cahaya matahari. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan variasi perbandingan TiO 2 dan zeolit, baik zeolit tanpa dan dengan aktivasi serta perbandingannya dengan karbon aktif. Hasil penelitian menunjukkan bahwa fotokatalis TiO 2 dan zeolit dapat meningkatkan efektivitas degradasi senyawa organik pada sampel air limbah. Kombinasi TiO 2 dan  zeolit  diaktivasi  dengan  perbandingan  1:3  menghasilkan  efektivitas  fotokatalisis  tertinggi  dengan penurunan konsentrasi senyawa organik sebesar 96% setelah waktu iradiasi selama 30 menit dan nilai k=0,051 menit -1 .  Penelitian  ini  dapat  menjadi  dasar  untuk  pengembangan  lebih  lanjut  dalam  aplikasi  fotokatalisis  pada pengolahan air limbah industri.
Kata kunci: fotokatalis; TiO 2 ; zeolit; methylene blue

## Abstract
Photocatalysis  is  one  of  the  effective  methods  in  treating  wastewater  containing  organic  compounds.  In  this study,  TiO 2 combined  with  zeolite  (TiO 2 /Zeolite)  was  used  as  a  photocatalyst  in  the  degradation  process  of methylene  blue  (MB)  organic  compounds.  The  aim  of  this  study  was  to  evaluate  the  effectiveness  of photocatalysis  using  TiO 2 /zeolite  in  the  degradation  of  MB  under  sunlight.  This  research  was  conducted  by using  variations  in  the  ratio  of  TiO 2 and  zeolite,  both  activated  and  non-activated  zeolite,  and  compared  with activated  carbon.  The  results  showed  that  TiO 2 and  zeolite  photocatalysts  can  increase  the  effectiveness  of organic compound degradation in wastewater samples. The combination of TiO 2 and activated zeolite in a ratio of  1:3  produced  the  highest  photocatalytic  effectiveness  with  a  96%  reduction  in  organic  compound concentration after 30 minutes of irradiation and a value of k=0.051 min -1 . This study can serve as a basis for further development in the application of photocatalysis in industrial wastewater treatment.
Keywords: photocatalyst; T; zeolite; methylene blue

## PENDAHULUAN
Fotokatalisis  telah  banyak  digunakan sebagai  metode  alternatif  untuk  menghilangkan senyawa organik dalam air (Zhang&Sun, 2013; Li et al ., 2021). Salah satu fotokatalis yang paling banyak digunakan  adalah  titanium  dioksida  (TiO 2 )  karena memiliki  aktivitas  fotokatalisis  yang  tinggi  dan stabilitas  kimia  yang  baik  (Lin et  al .,  2009;  Chen et al .,  2019).  Namun,  penggunaan  TiO 2 memiliki kelemahan,  yaitu  kemampuan  fotokatalisisnya  yang masih  terbatas  pada  rentang  cahaya  ultraviolet
dikarenakan bandgap  energy nya  yang  besar  sekitar 3.2 eV (Jha, et al ., 2017). Oleh karena itu, diperlukan pengembangan fotokatalis yang memiliki kemampuan  fotokatalisis  yang  lebih  baik  pada rentang  cahaya  tampak.Zeolit  merupakan  salah  satu material  yang  dapat  digunakan  untuk  meningkatkan performa  fotokatalisis  TiO 2 pada  rentang  cahaya tampak  (Memon et  al .,  2010).  Zeolit  memiliki struktur kristal dengan pori-pori berukuran nanometer yang  dapat  berperan  sebagai  tempat  penyimpanan dan akses senyawa organik ke permukaan fotokatalis
(Terasaki&Okubo,  2008).  Selain  itu,  zeolit  juga memiliki  sifat  adsorpsi  yang  baik  terhadap  senyawa organik yang terlarut dalam air.
Kombinasi TiO 2 dan zeolit dapat meningkatkan  aktivitas  fotokatalisis  karena  memiliki karakteristik  yang  saling  melengkapi.  Dengan memanfaatkan  keunggulan  zeolit,  kombinasi  TiO 2 dan zeolit dapat meningkatkan kemampuan fotokatalisis  TiO 2 pada  rentang  cahaya  tampak. Beberapa penelitian telah dilakukan untuk mempelajari  pengaruh  zeolit  dalam  meningkatkan performa fotokatalisis TiO 2 , dan hasilnya menunjukkan peningkatan aktivitas fotokatalisis yang signifikan  (Kim, et  al .,2006;  Cho et  al., 2010;  Chen, et al .,2010; Jiang, et al .,2014; Yu, et al .,2017). Methylene  blue (MB)  adalah  salah  satu senyawa  organik  yang  sering  digunakan  dalam penelitian  fotokatalisis  (Oliveira, et  al .,  2020;  Jiang, et  al .,  2019;  Jadhav, et  al .,  2021).  MB  merupakan pewarna  sintetik  yang  stabil  dan  memiliki  tingkat kestabilan  yang  tinggi  dalam  air.  Oleh  karena  itu, dalam  penelitian  ini,  MB  dipilih  sebagai  substrat untuk uji fotokatalisis.
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mempelajari pengaruh  aktivasi  zeolit  dan  konsentrasi  zeolit terhadap aktivitas fotokatalisis TiO 2 di bawah cahaya matahari.  Material  adsorben  lainnya  yaitu  karbon aktif,  digunakan  sebagai  pembanding  zeolit  dalam penelitian  ini.  Penelitian  ini  diharapkan  dapat memberikan informasi yang berguna untuk pengembangan  teknologi  fotokatalisis  yang  lebih efektif dalam menghilangkan senyawa organik dalam air.

## BAHAN DAN METODE
Material  TiO 2 dibeli  secara  online  dengan kategori food-grade karena  harganya  murah  serta ramah  lingkungan  sehingga  bisa  digunakan  dalam skala  lebih  besar  kedepannya.  Selain  itu  material zeolit  juga  dibeli  secara  online  di  Indonesia.  Zeolit diaktivasi  dengan  pemanasan  pada  furnace  dengan suhu  600  °C  selama  satu  jam.  Kemudian  dibuat formula kombinasi TiO 2 dan zeolit dengan perbandingan  1  :  0,  1:3,  1:1,  dan  3:1  begitu  juga untuk  zeolit  yang  diaktivasi  serta  karbon  aktif. Penamaan  sampel  untuk  ratio  1:0  diberi  nama adsorben  yang  digunakan.  Sedangkan  ratio  1:3,  1:1, dan  3:1  diberi  nama  TiO 2 /ZT  (25/75),  TiO 2 /ZT (50/50),  TiO 2 /ZT  (75/25),  berturut  –  turut  untuk adsorben  zeolit  tanpa  aktivasi  (ZT).  Untuk  karbon aktif dan zeolit aktivasi kodenya diganti KA dan ZA, berturut  –  turut.  Sampel  fotokatalis  sebanyak  5  g dimasukkan  ke  dalam  100  ml  larutan  MB  10  ppm. Selanjutnya  diletakkan  di  bawah  cahaya  matahari langsung  dan  diambil  larutan  MB  setiap  10  menit untuk diuji absorbansinya menggunakan spektrofotometer  UV-Vis.  Persentase  degradasi methylene  blue  didapatkan  menggunakan  persamaan berikut:
(1)
dimana %D adalah persentase degradasi, C 0 adalah konsentrasi  larutan  MB  awal,  dan  C t adalah konsentrasi  pada  waktu  t.  Untuk  mengetahui  laju konstanta  degradasi  (k)  larutan  MB  digunakan persamaan berikut:
(2)
dimana  dC  adalah  perubahan  konsentrasi  larutan MB dan dt adalah selisih waktu.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  fotodegradasi  menggunakan  fotokatalis TiO 2 dikombinasikan  adsorben  karbon  aktif,  zeolit dan  zeolit  aktivasi  ditunjukkan  pada  Gambar  1(a), 1(b) dan 1(c), berturut – turut. Cahaya matahari dapat mereduksi  konsentrasi  larutan  MB  hingga  9,3%  hal ini  dikarenakan  cahaya  matahari  memiliki  spectrum cahaya  UV  sebesar  4%  dan  cukup  untuk  memecah molekul  MB  akan  tetapi  masih  tidak  maksimal sehingga  nilai  persentase  fotodegradasinya  kecil. Hasil  ini  sesuai  dengan  studi  yang  dilakukan  oleh Vasiljevic et  al .  (2020),  cahaya  matahari  dapat mendegradasi  sekitar  10%  larutan  MB.  Karbon  aktif mampu menyerap larutan MB sebesar 70,4% pada 10 menit  pertama  dan  kemudian  degradasi  turun  hal  ini dimungkinkan  karena  karbon  aktif  memiliki  limitasi daya serap. Pori – pori karbon aktif yang sangat kecil dengan  ukuran  di  bawah  2  nm  dan  masuk  kategori micropores (Maghﬁrah et al ., 2020). Sedangkan pada sampel  TiO 2 /KA  (25/75),  proses  fotodegradasi mencapai 95% pada 10 menit pertama dan lebih  dari 99% pada menit ke 20 dan 30. Pada sampel TiO 2 /KA (50/50)  dan  TiO 2 /KA  (75/25)  nilai  persentase degradasinya  sangat  tinggi  mencapai  lebih  dari  99% sejak  10  menit  pertama.  Hasil  ini  menunjukkan bahwa  penambahan  kombinasi  TiO 2 dengan  karbon aktif  dapat  meningkatkan  persentase  degradasi larutan  MB.  Proses  fotokatalitik  dan  adsorbsi  dapat bekerja  bersamaan  sehingga  efisiensi  degradasi  MB sangat tinggi.
Zeolit  tanpa  diaktivasi  memiliki  daya  serap yang  cukup  tinggi  dan  konsisten  sebesar  lebih  dari 99%  sejak  menit  ke  10  seperti  ditunjukkan  pada Gambar  1(b).  Terlihat  dari  hasil  yang  diperoleh penambahan  TiO 2 justru  menurunkan  sedikit  nilai persentase  degradasi  larutan  MB,  meskipun  nilai terendahnya  masih  cukup  tinggi  yaitu  94%  pada sampel  TiO 2 /ZT  (75/25).  Berkebalikan  dengan karbon  aktif,  kombinasi  TiO 2 zeolit  justru  sedikit menurunkan persentase degradasi, hal ini dikarenakan  zeolit  memiliki  pori-pori  yang  sangat kecil dan dalam jumlah yang banyak sehingga proses adsorbsi  lebih  dominan  dibanding  fotokatalisis. Fatkhasari et  al .  (2019)  mendegradasi  MB  dibawah cahaya matahari langsung menggunakan
TiO 2 /Zeolite-A. Hasilnya menunjukkan bahwa 97,2 – 99,3  %  degradasi  MB  disebabkan  karena  proses adsorbsi  fisik  dan  hal  ini  sejalan  dengan  hasil  yang kami peroleh.
Tabel 1. Nilai laju fotodegradasi (k) larutan MB dengan berbagai sampel katalis
Zeolit  yang  diaktivasi  secara  fisika  dengan pemanasan  pada  suhu  600  °C  selama  1  jam  justru memiliki daya adsorbsi larutan MB yang lebih rendah dibanding  zeolit  tanpa  aktivasi.  Nilai  persentase degradasinya  sebesar  maksimal  80%  pada  menit  ke 30.  Hal  ini  dimungkinkan  karena  zeolit  yang
memiliki pori – pori kecil akan semakin kecil bahkan bias  tertutup  dikarenakan  pertumbuhan  kristal  di dalam  zeolit.  Salah  satu  kemungkinan  lainnya  yaitu proses  aktivasi  tidak  sempurna  karena  tidak  terdapat gas innert selama proses pemanasan untuk menghambat  adanya  reaksi  dengan  udara  atau oksidasi. Data menariknya adalah jika dikombinasikan  dengan  TiO 2 ,  proses  fotokatalisis terjadi  dibuktikan  dengan  meningkatnya  persentase degaradasi  larutan  MB  hingga  maksimal  99%  pada menit  ke  30  untuk  sampel  TiO 2 /ZA  (75/25).  Hal  ini menunjukkan  fotokatalis  dengan  jumlah  TiO 2 yang lebih  besar  dibanding  zeolit  yang  diaktivasi mempunyai performa lebih baik.  Akan tetapi sampel TiO 2 /ZA  (25/75)  meskipun  persentase  degradasi larutan  MB  sedikit  lebih  rendah,  perbedaan  tiap  10 menitnya  terlihat  signifikan  dan  menunjukkan performa yang baik juga.
Untuk  mengetahui  kecepatan  fotodegradasi larutan  MB,  digunakan  persamaan  (2)  dan  hasilnya ditunjukkan pada  Gambar  2. Nilai  laju  fotodegradasi atau rate  constant didapatkan  dari  nilai gradient persamaan  regresi  linear  data  yang  dihasilkan.  Dari Gambar  2  diperoleh  nilai  laju  fotodegradasi  seperti pada Tabel 1.
Gambar 1. Uji fotokatalisis menggunakan TiO 2 dikombinasikan dengan (a) karbon aktif, (b) zeolit tanpa aktivasi dan (c) zeolit diaktivasi.
No Nama Sampel k (menit -1 ) 1 Activated Carbon - 0,016 2 TiO 2 /KA (25/75) 0,024 3 TiO 2 /KA (50/50) 0,001 4 TiO 2 /KA (75/25) Mendekati 0 5 Zeolit Mendekati 0 6 TiO 2 /ZT (25/75) 0,003 7 TiO 2 /ZT (50/50) 0,007 8 TiO 2 /ZT (75/25) 0,022 9 Zeolit diaktivasi 0,017 10 TiO 2 /ZA (25/75) 0,051 11 TiO 2 /ZA (50/50) 0,013 12 TiO 2 /ZA (75/25) 0,023 (a) (b) (c)
Gambar 2. Laju fotodegradasi larutan MB menggunakan katalis TiO 2 dikombinasikan dengan (a) karbon aktif, (b) zeolit tanpa aktivasi dan (c) zeolit diaktivasi.
Beberapa  poin  penting  yang  dapat  diambil dari  hasil  perhitungan  laju  fotodegradasi  antara  lain: (1)  nilai  k  untuk  karbon  aktif  menunjukkan  hasil negatif  bukan  karena  konsentrasi  MB  meningkat, akan  tetapi,  5  g  karbon  aktif  justru  memperkeruh larutan.  Terdapat  partikel  karbon  di  dalam  larutan yang  menyerap  cahaya  UV-Vis  saat  pengujian sampel sehingga nilai absorbansi menjadi lebih besar; (2)  penggunaan  sampel  TiO 2 /KA  (75/25)  menunjukkan nilai k = 0, hal ini disebabkan pada menit ke 10 sampai 30 menunjukkan nilai absorbansi yang relative sama; (3) zeolit juga memiliki nilai k mendekati 0 karena performanya yang sangat  tinggi  didominasi  proses  adsorpsi;  (4)  nilai  k tertinggi ditunjukkan oleh sampel TiO 2 /ZA (25/75) dengan k  =  0,051  menit -1 yang  bisa  disimpulkan  sebagai  sampel terbaik. Sampel TiO 2 /ZA (25/75) memiliki ratio 1:3 dengan TiO 2 bekerja  sebagai  fotokatalis dan  zeolit yang  diaktivasi bekerja  sebagai  adsorben  dan  saling  berkontribusi  dalam degradasi  larutan  MB.  Proses  adsorpsi  dan  fotokatalisis keduanya  bisa  diuji  performanya  menggunakan  pengujian konsentrasi larutan MB. Dan proses fotokatalisis meningkatkan  performa  penurunan  konesntrasi  MB dikarenakan  adanya  degradasi  senyawa  MB  menjadi senyawa karbon dioksida dan air. Hal ini dibuktikan dengan perubahan  warna  dari  biru  menjadi  jernih.  Meskipun  nilai persentase fotodegradasinya sedikit lebih rendah yaitu 96% akan  tetapi  terlihat  kontribusi  proses  fotokatalis  karena perubahan konsentrasi larutan MB secara signifikan tiap 10 menit.  Sementara  nilai  persentase  degradasi  yang  besar hingga  99%  dari  10  menit  pertama  pada  sampel  lainnya dimungkinkan besar didominasi pengaruh proses adsorbsi.

## KESIMPULAN
Hasil penelitian menunjukkan adanya kontribusi  TiO 2 yang  dikombinasikan  dengan adsorben dalam fotodegradasi larutan MB. Adsorben terbaik  untuk  kombinasi  dengan  fotokatalis  TiO 2 ditunjukkan oleh  zeolit yang telah  diaktivasi  dengan pemanasan  dengan  suhu  600  °C  selama  1  jam. Formulasi  sampel  yang  terbaik  ditunjukkan  oleh sampel  TiO 2 /ZA  (25/75)  dengan  nilai  k  =  0,051  menit -1 dengan  persentase  degradasi  96%.  Hasil  ini  dapat dikembangkan  untuk  proses  penjernihan  air  limbah  yang tercemar  bahan  organik  dengan  fotokatalis  yang  ramah lingkungan  serta  adsorben  yang  mampu  meningkatkan performa fotokatalis.

## DAFTAR PUSTAKA
Chen,  X.,  Mao,  S.  S.,  &  Wang,  L.  (2010).  TiO2 nanomaterials: synthesis, properties, modifications,  and  applications. Chemical reviews , 110(11), 6819-6864.
Chen,  Z.,  Lu,  C.,  &  Zhao,  Y.  (2019).  TiO2 Photocatalysis  for  Water  Treatment:  Progress and  Perspectives. Journal  of  Environmental Chemical  Engineering ,  7(4),  103365.  doi: 10.1016/j.jece.2019.103365.
Cho,  S.  H.,  Lee,  H.  I.,  Park,  Y.  K.,  &  Hong,  S.  J. (2010). Photocatalytic degradation of methylene blue  by  TiO2/zeolite  composite  under  UV  and visible light irradiation. Journal of
Environmental Sciences , 22(10), 1510-1515.
(a) (b) (c)
Fatkhasari,  Y.,  Rouf,  N.A.,  Ermadayanti,  W.A., Kurniawan,  R.Y.,  &  Bagastyo,  A.Y.  (2019). Synthesis  of  TiO2/Zeolite-A Composite  for  the Removal of Methylene Blue on Direct Sunlight.
JURNAL TEKNIK ITS , 8 (2), F115-F120. Jadhav, V. V., Patil, P. N., Lokhande, R. S., & Mane, R. S. (2021). Visible light responsive TiO2 and Fe  doped  TiO2  for  photocatalytic  degradation of Methylene Blue dye. Environmental Technology & Innovation , 22, 101466. Jha,  H.,  Kavadiya,  S.,  &  Kothari,  D.  C.  (2017). Structural  and  optical  properties  of  titanium dioxide thin films deposited by sol–gel process. Journal  of  Materials  Science:  Materials  in Electronics , 28(3), 2843-2848.
Jiang,  H.,  Zhu,  L.,  &  Zhu,  Y.  (2014).  Photocatalytic degradation  of  methyl  orange  by  TiO2–zeolite composites  under  UV  and  visible  light. RSC Advances , 4(54), 28427-28434.
Kim,  Y.  J.,  Ahn,  W.  S.,  &  Kim,  S.  (2006). Photocatalytic activity of TiO2–zeolite composites  for  the  degradation  of  organic pollutants  in  water. Journal  of  Hazardous Materials , 137(3), 1778-1787.
Li, W., Liang, S., Li, H., Li, P., & Zhang, H. (2021). An  Overview  of  Photocatalytic  Degradation  of Organic  Pollutants  in  Wastewater:  Mechanism, Factors,  and  Applications. Chemosphere ,  263, 128264. doi: 10.1016/j.chemosphere.2020.128264.
Lin,  Y.  J.,  Juang,  L.  C.,  &  Lee,  W.  J.  (2009). Photocatalytic degradation of methylene blue in water using synthesized TiO2 catalysts. Journal of  Environmental  Management ,  90(8),  2459- 2467. doi: 10.1016/j.jenvman.2009.01.007.
Maghﬁrah,  A.,  Ilmi,  M.M.,  Fajar,  A.T.N.,  Kadja, G.T.M. (2020). A review on the green synthesis
of  hierarchically  porous  zeolite. Materials Today Chemistry , 17, 100348.
Memon, S. A., Memon, N., & Bhanger, M. I. (2010). Photocatalytic  degradation  of  azo  dye  in aqueous solution using TiO2/zeolite Y
composite. Journal  of  Hazardous  Materials , 182(1-3), 385-390. doi: 10.1016/j.jhazmat.2010.06.064.
Oliveira,  A.  L.,  Machado,  G.  S.,  Almeida,  C.  B., Ribeiro,  D.  S.,  &  Silva,  E.  A.  (2020).  Photo- degradation of Methylene Blue and Rhodamine B under visible light irradiation in the presence of  TiO2  and  graphene  oxide. Journal  of Environmental  Chemical  Engineering ,  8(5), 104282.
Terasaki,  O.,  &  Okubo,  T.  (2008).  Nanostructural design  of  zeolite  materials:  current  status  and future  directions. Chemical  Communications , (2), 155-167. https://doi.org/10.1039/B711701H.
Vasiljevic Z. Z., Dojcinovic M. P., Vujancevic J. D., Jankovic-Castvan  I.,  Ognjanovic  M.,  Tadic  N. B.,  Stojadinovic  S.,  Brankovic  G.  O.  and Nikolic M. V. (2020). Photocatalytic degradation  of  methylene  blue  under  natural sunlight  using  iron  titanate  nanoparticles prepared by a modified sol–gel method. R. Soc. open sci ., 7, 200708.
Yu, J., Cao, S., Liu, S., & Su, Y. (2017). Synthesis of TiO2-zeolite  composites  and  their  enhanced photocatalytic  activity  for  the  degradation  of organic  pollutants. Journal  of  Materials Science , 52(12), 7387-7396.
Zhang,  J.,  &  Sun,  D.  D.  (2013).  Photocatalytic degradation  of  organic  pollutants  in  water: problems  and  solutions. Environmental Science & Technology , 47(14), 7346-7358. doi: 10.1021/es401118t.