## Prototipe Pengolahan Air Sistem Semi Kontinu Secara Fotokatalisis Menggunakan Nanopartikel TiO 2
Ika Widiana 1*) , Kurnia Widhi Astuti 1
1) Program Studi Analisis Kimia, Politeknik AKA Bogor Jl. Pangeran Sogiri No.283, Tanah Baru, Bogor Utara, Kota Bogor, Jawa Barat 16154
*) Email: widiana.ika@gmail.com (Received : 9 November 2021; Accepted: 13 Desember 2021; Published: 21 Desember 2021)

## Abstrak
Pengolahan  air  dengan  menggunakan  fotokatalisis  merupakan  salah  satu  metode  yang  paling  banyak dikembangkan  untuk  menyelesaikan  permasalahan  pasokan  air  besih  dikarenakan  sifatnya  yang  murah, ramah  energi  dan  ramah  lingkungan.  Pada  penelitian  ini  dikembangkan Prototipe Pengolahan  Air  Sistem Semi  Kontinu  Secara  Fotokatalisis  Menggunakan  Nanopartikel  TiO 2 yang  selain  dapat  digunakan  untuk pengolahan  air  limbah  sekaligus  dapat  digunakan  sebagai  media  pengajaran  di  Politeknik  AKA  Bogor khususnya  untuk  mata  kuliah  yang  berhubungan  dengan  pengolahan  limbah  dan  proses  pemisahan.  Hasil ujicoba  yang  telah  dilakukan  dengan  mengolah  air  limbah  domestik  yang  berasal  dari  sekitar  Politeknik AKABogor, dan dengan kondisi proses laju pengolahan 3 liter/jam dan variasi katalis TiO 2 sebesar 0 hingga 100  ppm  menunjukkan  bahwa prototipe yang  dihasilkan  mampu    menurunkan    nilai  kekeruhan  dan Total Dissolved Solid ( TDS) air limbah. Penurunan kekeruhan dan TDS terbesar terjadi pada variasi konsentrasi katalis 100 ppm dengan penurunan 71,29% dan 18,97% masing-masing untuk kekeruhan dan TDS.
Kata kunci : Fotokatalisis; TiO 2 , Prototipe

## Abstract
Water treatment using photocatalysis is one of the most widely developed methods to solve the problem of clean  water  supply  because  it  is  cheap,  energy-friendly,  and  environmentally  friendly.  In  this  study,  a Photocatalytic  Semi-Continuous  System  Water  Treatment  Prototipe  developed  using  TiO 2 Nanoparticles, which    apart  from  being  able for  wastewater  treatment,  can  also  be  used  as  a  teaching  medium  at  the Polytechnic of AKA Bogor, especially for courses related to sewage treatment and separation processes. The results of trials that carried out by treating domestic wastewater from around the AKA Polytechnic, and with the condition of the processing rate of 3 liters/hour and variations of TiO 2 catalyst of 0 to 100 ppm indicate that the prototipe can reduce the value of turbidity and Total Dissolved solids (TDS) wastewater. The most significant  decrease  in  turbidity  and  TDS  occurred  at  100  ppm  catalyst  concentration  variation  with reduction of 71.29% and 18.97% for turbidity and TDS, respectively.
Keywords: Photocatalityc, TiO 2 , Prototipe

## PENDAHULUAN
Air  merupakan  kebutuhan  vital  hidup sehari-hari.  Hampir  semua  aspek  kehidupan membutuhkan  air  bersih  untuk  kebutuhan  air minum, memasak, mandi maupun mencuci. Namun demikian,  secara  umum  pemenuhan  kebutuhan  air bersih  saat  ini  sudah  mulai  berkurang  oleh menurunnya  kualitas  maupun  kuantitas  air  di lingkungan kita  (Sutanto et al ., 2011).
Sumber  air  bersih  sangat  penting  bagi kelangsungan  kehidupan.  Lebih  dari  satu  miliar orang  di  seluruh  dunia  tidak  memiliki  akses  air minum  yang  memenuhi  syarat,  dan  hampir  dua setengah  miliar  orang  tidak  memiliki  akses  ke
sanitasi  yang  memadai.  Untuk  menyediakan  air dan menyelesaikan masalah kekurangan pasokan air tawar,  air  daur  ulang  telah  disebut-sebut  sebagai solusi (Tansel, 2008). Secara umum pengolahan air dapat  dilakukan  secara  konvensional  maupun nonkonvensional. Pengolahan air secara konvensional  terdiri  dari  kombinasi  fisik,  proses kimia,  dan  biologi  untuk  menghilangkan  padatan termasuk koloid, bahan organik, nutrisi, kontaminan  terlarut  (logam,  organik  dan  lain sebagainya.
Sedangkan
pengolahan nonkonvensional dapat berupa proses elektrokimia, pemisahan  membran,  nanofiltrasi,  pertukaran  ion,
oksidasi dan oksidasi tingkat lanjut (Gregorio et al., 2018).  Pada  beberapa  tahun  terakhir,  proses fotokatalitik  telah  menunjukkan  potensi  besar sebagai  teknologi  pengolahan  yang  murah,  ramah lingkungan dan berkelanjutan untuk menyelaraskan dengan skema zero waste dalam industri pengolahan air / air limbah. Kemampuan teknologi oksidasi  canggih  ini  telah  banyak  digunakan didemonstrasikan  untuk  menghilangkan  senyawa organik  persisten  dan  mikroorganisme  dalam  air (Chong et al ., 2010).
Penggunaan  berbagai  bentuk  fotolisis  atau degradasi fotokatalitik (seperti UV fotolisis, katalis TiO 2 ,  UV  fotolisis)  efektif  dalam  menurunkan banyak    senyawa  organik  terhalogenasi,  beberapa senyawa  non-halogen  organik,  dan  logam  berat dalam situasi tertentu ( Sucahya, 2016).
Kata  "fotokatalisis"  berasal  dari  dua  kata Yunani  "foto"  dan  "katalisis"  yang  dapat  diartikan sebagai  mempercepat  terjadinya  reaksi  dengan memanfaatkan  sinar  matahari  (Parson,  2004). Namun istilah ini dapat digunakan untuk mendefinisikan  suatu  proses  untuk  mengaktifkan zat  dengan  menggunakan  cahaya  (UV  /  Visible  / Sunlight ).  Fotokatalis  mengubah  laju    reaksi  tanpa keterlibatan zat tersebut selama proses transformasi kimia. Secara umum, proses fotokatalisis memanfaatkan  foton  untuk  mengaktifkan  foto- katalis  untuk  sehingga  menghasilkan  radikal hidroksil  yang mampu mengoksidasi polutan untuk membentuk  produk  yang  kurang  berbahaya (Kanmani et al ., 2020). Nanofotokatalis telah terbukti dapat
memperluas kemampuan oksidasi karena permukaan  material  yang  besar  dapat  membantu degradasi polutan secara lebih efektif. Nanopartikel seperti  logam  berbasis  valensi  nol,  semikonduktor dan beberapa jenis bimetal banyak digunakan untuk degradasi  polutan  lingkungan  antara  lain    pewarna azo,    pestisida  organoklorin  dan    nitroaromatika. Nanofotokatalis  oksida  logam  yang  paling  umum dan signifikan adalah SiO 2 , ZnO, TiO 2 , dan Al 2 O 3 . Titanium dioksida (TiO 2 ) merupakan salah satu  fotokatalis  yang  sangat baik dari semua bahan yang  ada  karena  beberapa  alasannya  seperti stabilitas  yang tinggi,  harganya  yang relatif  murah, tidak  beracun,  dan  aktivitas  fotokatalisis  yang tinggi (Bhanvase et al ., 2017).
Pada  penelitian  ini  dibuat  prototipe Pengolahan  Air  Sistem  Semi  Kontinu  Secara Fotokatalisis  Menggunakan  Nanopartikel  TiO 2 untuk  mengolah  Air  Limbah  Domestik. Rancangan prototipe  ini  juga  dapat  dimanfaatkan  sebagai media  ajar  bagi  mata  kuliah  yang  membahas mengenai pengolahan limbah dan proses pemisahan.  Sehingga  mahasiswa  dapat  melihat lebih  dekat  bagaimana  proses  pengolahan  limbah dengan metode fotokatalisis.

## BAHAN DAN METODE
Alat-alat  yang  digunakan  dalam  penelitian ini  terdiri  dari  peralatan  penyusun  prototipe  dan peralatan  uji. Prototipe disusun  oleh  penampung, pompa,  kolom  fotokatalisis,  dan  filter.  Peralatan pengujian  terdiri  dari  pH  meter,  turbidimeter,  dan TDS  meter.  Bahan  yang  digunakan  dalam penelitian  terdiri  dari  limbah  domestik  yang didapatkan  di  lingkungan  Politeknik  AKA  Bogor, TiO 2 (diperoleh  dari  pasaran  dengan  ukuran <250nm) dan aquabides.
Metode  penelitian  terdiri  dari  3  tahapan yaitu  pembuatan  prototipe,    uji  coba  prototipe  dan pengujian  air  hasil  uji  coba.  Uji  coba  prototipe dilakukan  dengan  mengolah  air  limbah  domestik secara  fotokatalitik  dengan  variasi  katalis  TiO 2 10- 100 ppm. Sumber air limbah didapatkan dari sekitar Politeknik AKA. Air disaring dengan menggunakan saringan  kasar.  Air  yang  telah  disaring  kemudian dimasukkan  ke  dalam  bak  penampung  dan ditambah  dengan  nanopartikel  TiO 2 .  Setelah tercampur homogen, maka pompa dinyalakan.
Air limbah dialirkan  ke  kolom  fotokatalitik dimana terjadi penguraian polutan. Laju pengolahan air diatur pada 6 L/ jam.  Setelah 1 jam air dialirkan ke  filter  arang  aktif  dengan  cara  menutup  katup sirkulasi  dan  membuka  katup  filter.  Air  hasil pengolahan  yang  telah  melewati  proses  filtrasi kemudian  dipisahkan  dari  katalis  TiO 2 dengan menggunakan  sentrifuge  selama  10  menit  dengan kecepatan  3000  rpm.  Hasil  akhir  diuji  karakteristik pH, kekeruhan dan Total Dissolved Solid (TDS).

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Rancangan  prototipe  alat  pengolahan  air limbah  dengan  metode  fotokatalisis  diperlihatkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Rancangan prototipe pengolahan Limbah secara fotokatalisis Prototipe dibuat dengan spesifikasi seperti dijelaskan pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi Prototipe No Komponen Alat Spesifikasi Alat 1 Pompa Yamano Head 1,8 m 2 Lampu UV 100 Watt 3 Kolom Fotokatalisis Kapasitas 3 Liter 4 Filter 500 ml arang aktif
Komponen-komponen  dengan  spesifikasi  tersebut kemudian  dirangkai  dilengkapi  dengan  sistem perpipaan dan katup penghubung sehingga menghasilkan  suatu  rangkaian  alat  prototipe pengolahan  limbah  seperti  yang  ditampilkan  pada Gambar 2.
Gambar 2. Prototipe pengolahan air sistem semi kontinu secara fotokatalisis menggunakan nanopartikel TiO2
Uji  coba  prototipe  dilakukan  dengan menggunakan  bahan  baku  air  limbah  domestik yang  didapatkan  di  lingkungan  Politeknik  AKA. Dengan  variabel  proses  laju  alir  sebesar  3 liter/jam  dan  konsentrasi  katalis  TiO 2 bervariasi antara 0-100 ppm didapatkan hasil olahan seperti ditampilkan pada Gambar 3.
Gambar  3.  Hasil  uji  coba  prototipe  pengolahan  air secara  fotokatalisis  dengan  variasi  konsentrasi katalis 0 ppm (paling kiri) hingga 100 ppm ( paling kanan).
Hasil  olahan  terlihat  penurunan  yang signifikan dari parameter kekeruhan. Hasil lengkap pengujian  karakteristik  pH,  kekeruhan  dan total dissolved solids ditampilkan pada Tabel 2. Tahapan  utama  mekanisme  fotokatalisis pada semikonduktor TiO 2 yang meliputi: pembentukan  muatan  oleh  foton,  rekombinasi pembawa  muatan  (  hole)  apabila  dalam  sistem terdapat  substrat  yang  dapat  teroksidasi  maka lubang/ hole pada  pita  valensi  (hvb + )  akan menginisiasi  reaksi  oksidasi  terhadap  substrat tersebut, dan apabila di dalam sistem terdapat suatu oksidator (misal oksigen) maka dapat terjadi inisiasi
reaksi  reduksi  oleh  elektron  pada  pita  konduksi. Reaksi  fotoreduksi  terkatalis  dan  reaksi  termal lanjutan  (misal  reaksi  hidrolisis  atau  reaksi  dengan oksigen aktif) akan menghasilkan gas CO 2 , H + , Cl - , dan H 2 O (Umar, 2019). Penggunaan  katalis  TiO 2 dalam  bentuk suspensi  menunjukkan  bahwa  senyawa  intermediet maupun  produk  yang  bersifat  toksik  dapat diuraikan.  Namun  kelemahan  sistem  suspensi  ini adalah  pemisahan  TiO 2 memerlukan  waktu  yang lama dan biaya yang mahal serta daya tembus sinar UV yang terbatas (Djarwanti et al ., 2009).
Tabel 2. Karakteristik air hasil pengolahan secara fotokatalisis No Konsentrasi TiO 2 (ppm) pH Turbidity (NTU) TDS (ppm) 1 0 6,8 324 6568 2 20 6,9 272 6311 3 40 6,9 246 6187 4 60 6,9 213 5845 5 80 6,9 147 5671 6 100 6,9 93 5322
Dari  hasil  uji  coba  penggunaan  prototipe dengan  menggunakan  metode  fotokatalisis  dengan laju alir 3 liter/ jam mampu menurunkan kekeruhan dengan kisaran 16,04 %  - 71,29% yaitu dari angka 324  NTU  hingga  93  NTU  pada  konsentrasi  katalis 100  ppm.  Penurunan  kekeruhan  ternyata  tidak diikuti  dengan  penurunan Total  Dissolve  Solid (TDS).  Penurunan  TDS  tertinggi  diperoleh  pada konsentrasi katalis 100 ppm dengan nilai TDS akhir sebesar 5322 ppm. Karakteristik pH dan kekeruhan air  hasil  olahan  telah  memenuhi  standard  mutu untuk  golongan  air  C  (air  untuk  keperluan  lain bukan  air  minum)  sesuai  peraturan  pemerintah Republik  Indonesia,  namun  parameter  TDS  masih belum  memenuhi  syarat  yaitu  4000  ppm.  Untuk menghasilkan  air  olahan  yang  memenuhi  standard maka  metode  ini  perlu  dikombinasikan  dengan metode lain.

## KESIMPULAN
Prototipe  pengolahan  air  sistem  semi kontinu secara fotokatalisis menggunakan nanopartikel TiO 2 telah diujicoba untuk pengolahan air limbah domestik di lingkungan Politeknik AKA Bogor. Hasil ujicoba menunjukkan bahwa pengolahan berhasil menurunkan kekeruhan sebesar 16,04  %  -  71,29%  dengan  penurunan  tertinggi didapatkan  pada  konsentrasi  katalis  100  ppm. Penurunan  TDS  maksimal  sebesar  18,97%  pada konsentrasi katalis 100 ppm.
Prototipe yang dihasilkan dapat dimanfaatkan  untuk  media  pengajaran  perkuliahan yang  membahas  mengenai  pengolahan  limbah  dan proses  pemisahan  khususnya  metode  fotokatalisis dan filtrasi.

## DAFTAR PUSTAKA
Bhanvase,  B.A.;  Shende,  T.P.;  Sonawane,  S.H.  A review  on  grapheme-TiO2and  doped grapheme-TiO2nanocomposite photocatalyst  for  water  and  wastewater treatment.Environ.  Technol.  Rev.2017,6, 1–14. Chong,  Meng  Nan,  Bo  Jin,  dkk.  2010.  Recent development in photocatalytic water treatment  technology:  a  review.  Water Research 44 , 2997-3027. Djarwanti;  Cholid  S;  Yuniarti  A.  Degradasi Fotokatalitik  Poluten  Organik  Dalam  Air Limbah  Menggunakan  TiO2  Nanopartikel Sistem  Lapsan  Tipis  Alir,  Jurnal  Riset Industri Vol. II No 2 , 2009 . 109-117. Gregorio, C.; Lichtfouse, E., Wastewater
Treatment:  An  Overview  in  Green
Adsorbent  for  Pollutant  Removal.  June 2018.
Kanmani,  S.;  Sundar,  K.P.  Progression  of Photocatalytic reactors and it’s comparison:  A  Review.Chem.  Eng.Res. Des.2020,154, 135–150 Parsons, S. 2004, Advanced oxidation processes for water  and  wastewater  treatment,  IWA Publising, London. Sucahya,  S.  2016.  Review:  Fotokatalis  Untuk Pengolahan Limbah Cair.  Jurnal Integrasi Proses Vol 6 No 1 Sutanto,  H,  dkk.  Pembuatan  Sistem  Pengolah  Air Bersih  Menggunakan  Material  Fotokatalis
Titania (Tio2). Prosiding Seminar Nasional Sains dan Teknologi ke-2 Tahun
2011  Fakultas  Teknik  Universitas  Wahid
Hasyim Semarang
Tansel, B. 2008, 'New Technologies for Water and Wastewater  Treatment:  A  Survey  of Recent  Patents',  Recent  Patents  on Chemical  Engineering,  vol.  1,  no.  1,  pp. 17-26 Umar,  K.;  Parveen,  T.;  Khan,  M.A.;  Ibrahim, M.N.M.;  Ahmad,  A.;  Rafatullah,  M. Degradation  of  organicpollutants  using metal-Doped  TiO2photocatalysts  under visible  light:  A  comparative  study.Desal. Water Treat.2019,161, 275–282