Degradasi Fotokatalitik Fenol dalam Air Limbah Menggunakan Nanopartikel TiO2

1. Pendahuluan

    Fenol termasuk salah satu polutan organik prioritas menurut US-EPA karena toksisitas dan persistensinya di lingkungan. Senyawa ini sulit terdegradasi secara alami, sehingga diperlukan metode pengolahan lanjutan untuk menurunkannya hingga kadar aman. Metode konvensional seperti adsorpsi dan koagulasi hanya memindahkan polutan tanpa menghancurkan struktur kimianya.

Teknologi Advanced Oxidation Processes (AOPs), termasuk fotokatalisis semikonduktor, menjadi solusi menjanjikan karena mampu mendegradasi polutan organik secara total. Di antara berbagai fotokatalis, TiO₂ paling banyak digunakan karena sifatnya yang stabil, tidak beracun, murah, dan memiliki kemampuan oksidasi tinggi.

2. Prinsip Fotokatalisis TiO₂

   Fotokatalisis TiO₂ bekerja berdasarkan eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi ketika disinari cahaya dengan energi ≥ 3,2 eV (λ < 387 nm). Proses ini menghasilkan pasangan elektron-hole (e⁻/h⁺) yang kemudian memicu reaksi oksidasi-reduksi pada permukaan fotokatalis:

$$\text{TiO}_2 + h\nu \rightarrow e^- + h^+$$

Hole (h⁺) bereaksi dengan molekul air atau ion hidroksida menghasilkan radikal hidroksil (•OH), sedangkan elektron (e⁻) bereaksi dengan oksigen terlarut membentuk radikal superoksida (•O₂⁻). Kedua radikal tersebut sangat reaktif dan mampu menguraikan fenol menjadi senyawa sederhana melalui serangkaian reaksi oksidatif

3  Mekanisme Degradasi Fenol

Mekanisme umum deadasi fenol melalui fotokatalisis TiO₂ adalah sebagai berikut:

1. Penyerapan cahaya UV oleh TiO₂ menghasilkan pasangan e⁻/h⁺.

2. Pembentukan radikal aktif (•OH dan •O₂⁻).

3. Oksidasi fenol menjadi hidrokuinon, katekol, atau p-benzoquinon.

4. Degradasi lanjutan menjadi asam organik sederhana seperti asam maleat dan asam asetat.

5. Mineralisasi total menjadi CO₂ dan H₂O.

Hasil akhir bergantung pada kondisi operasi, intensitas cahaya, serta keberadaan oksigen atau donor elektron lainnya.

---

4. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Fotokatalisis

Beberapa parameter penting yang mempengaruhi laju degradasi fenol meliputi:

1. Konsentrasi Fenol Awal — Konsentrasi tinggi dapat menghambat penetrasi cahaya dan mengurangi efisiensi fotokatalitik.

2. Konsentrasi TiO₂ — Jumlah katalis yang optimal dibutuhkan untuk menyediakan luas permukaan aktif tanpa menyebabkan scattering cahaya.

3. pH Larutan — pH mempengaruhi muatan permukaan TiO₂ dan bentuk ionik fenol. Aktivitas tertinggi biasanya diperoleh pada pH netral hingga sedikit asam.

4. Intensitas Cahaya — Semakin tinggi intensitas sinar UV, semakin banyak elektron-hole yang terbentuk.

5. Waktu Penyinaran — Degradasi meningkat seiring waktu hingga mencapai kondisi kesetimbangan.

6. Dopant dan Modifikasi TiO₂ — Penambahan logam (Fe, Ag, Cu) atau non-logam (N, C) dapat memperluas spektrum serapan cahaya ke wilayah tampak, meningkatkan efisiensi fotokatalitik di bawah sinar matahari.

---

5. Aplikasi dan Prospek Pengembangan

   Nanopartikel TiO₂ telah diaplikasikan dalam berbagai sistem pengolahan air limbah, baik dalam bentuk suspensi, film tipis (thin film), maupun komposit dengan material pendukung seperti karbon aktif dan zeolit. Penggabungan TiO₂ dengan bahan pendukung tersebut meningkatkan stabilitas, memperbesar luas permukaan, serta mempermudah pemisahan katalis dari air setelah proses selesai.

Pengembangan terkini difokuskan pada TiO₂ doped dan TiO₂ berbasis sinar tampak (visible-light active) agar teknologi ini lebih efisien dalam kondisi cahaya alami tanpa ketergantungan penuh pada sumber UV buatan.

---

6. Kesimpulan

   Proses degradasi fotokatalitik menggunakan nanopartikel TiO₂ merupakan metode efektif, ramah lingkungan, dan berpotensi besar dalam pengolahan air limbah yang mengandung fenol. Mekanisme kerja yang melibatkan pembentukan radikal hidroksil memungkinkan dekomposisi total senyawa fenol menjadi senyawa non-toksik. Optimalisasi kondisi operasi dan modifikasi material fotokatalis menjadi fokus utama dalam meningkatkan efisiensi sistem ini untuk aplikasi industri berskala besar.