pengukuran arus-cahaya dan muatan (q)
DESCRIPTION
mengukur besaran COD dalam air dengan menggunakan penurunan hukum Faraday, dimana prinsipnya adalah tergantung pada arus yang dihasilkan pada saat degradasi pewarna organik. TiO2 dapat melepaskan elektronnya satu yang menyebabkan timbulnya hole. Telah dilakukan preparasi lapisan tipis TiO2 berukuran nano, yang dilekatkan pada substrat gelas berlapis ITO (Indium Tin Oxide). Preparasi lapisan tipis (film) TiO2 dilakukan dengan cara dip coating ke dalam sol-gel yang disiapkan dengan cara refluks hidrotermal dan kemudian dikalsinasi pada 4500 C. Terhadap film tersebut dilakukan karakterisasi dengan XRD, AFM, dan pengukuran elektrokimia. Hasil pengukuran XRD menunjukkan bahwa film yang dihasilkan didominasi oleh TiO2¬ dalam bentuk anatase dan mempunyai ukuran crystallite size sebesar 9,64 nm. Sedangkan hasil karakterisasi dengan AFM memberikan profile tiga dimensi film yang memiliki kekasaran dengan ketinggian partikel sebesar 9,8 nm. Sementara itu uji BET menunjukkan bahwa luas permukaan partikel TiO2 adalah sebesar 58,21 m2/g. Uji fotoelektrokimia, dengan menempatkan film TiO2 sebagai elektroda kerja menghasilkan arus cahaya yang besarnya proporsionil terhadap konsentrasi zat organik dalam larutan. Integrasi arus cahaya menghasilkan nilai muatan (Q) sebagai representasi mineralisasi sempurna zat organik pada permukaan TiO2 dan dapat dimanfaatkan untuk menentukan nilai COD sampel air. Sistem ini dapat dikembangkan menjadi sensor COD yang berguna untuk menentukan COD dengan cara yang belum pernah ada sebelumnya. Elektroda kerja film TiO2 nanopartikel, yang dilekatkan di atas gelas ITO, telah berhasil dipreparasi dan dikarakterisasi. Film tersebut didominasi oleh TiO2 anatase berstruktur nano dan aktif sebagai elektrofotokatalis dalam sistem sel fotoelektrokimia yang dapat difungsikan sebagai sensor untuk mengukur COD sampel air. Elektroda kerja film TiO2 tersebut menghasilkan profil arus cahaya terhadap waktu yang hasil integrasi I vs t nya memberikan nilai Q, dan proportional dengan konsentrasi zat organik dalam larutan. Nilai Q tersebut dapat digunakan untuk menghitung nilai kebutuhan kimiawi atau Chemical Oxygen Demand (COD) sampel air. Aspek fundamental fotoelektrokimia dan fotokatalisis pada titanium dioksida telah didokumentasikan dengan baik [9,10,11,]. Banyak studi dari proses-proses oksidasi fotokatalitik pada permukaan TiO2 untuk aplikasi yang bervariasi juga telah dilaporkan [12,13,14]. Pada studi ini, dilakukan pendekatan yang unik, dimana arus-cahaya dari sampel diukur pada elektroda TiO2 nanopartikel, menggunakan sistem sel fotoelektrokimia. Gambar 5. menunjukkan satu set tipe profil arus-cahaya terhadap waktu yang diperoleh selama degradasi senyawa organik pada lapis tipis sel fotoelektrokimia. Kronologi terbentuknya initial photocurrent (arus-cahaya awal) dan steady state photocurrent dapat dilihat pada gambar tersebut yang sejalan dengan penjelasan pendekatan konseptual sebelumnya. Pada detik ke-0 saat lampu UV masih mati hanya terjadi proses adsorbsi sehingga tidak terlihat adanya arus listrik. Pada detik ke 10, lampu UV dihidupkan dan terjadi oksidasi senyawa organik pada lapisan permukaan TiO2, maka timbullah arus-cahaya awal yang tinggi. Arus cahaya lalu menurun sejalan dengan habis teroksidasinya zat organik pada permukaan TiO2. Selanjutnya terjadi difusi zat organik dari larutan bulknya, yang juga akan segera teroksidasi kembali, dimana arus difusi akan menjaga besarnya arus cahaya (steady state). Untuk blanko (kurva a) arus-cahaya yang dihasilkan murni dari oksidasi elektrolit dalam air, sementara arus-cahaya yang diamati dari larutan sampel mengandung senyawa organik (kurva b) terdiri dari dua komponen arus, satu dari oksidasi fotoelektrokatalitik dari zat organik dan yang lain dari oksidasi elektrolit lain dalam air. Ketika semua bahan organik dalam sampel dikonsumsi, arus-cahaya dari larutan sampel drop ke tingkat yang sama dengan blanko.Untuk periode waktu yang diberikan, muatan (Q) daTRANSCRIPT
Pengukuran Arus-Cahaya dan Muatan (Q)
PENGUKURAN ARUS-CAHAYA DAN MUATAN (Q)Rahmat SaputraARUS-CAHAYA TERHADAP WAKTUGambar Profile respon arus dan waktu dari lapisan tipis TiO2 Sol-gel.( a= NaNO3 0,1M; b= NaNO3 0,1M yang mengandung senyawa organik)
Peristiwa ini berlangsung pada potensial konstan yang diberikan yaitu +0.1Vlarutan sampel mengandung senyawa organik ( gambar b)Muatan Q berasal dari oksidasi organik dapat diperoleh dengan memperkurangkan muatan blanko dari muatan sampel, yang ditunjukkan sebagai area yang kosong (perbedaan kurva a dan kurva b)
STOIKIOMETRI REAKSI OKSIDASI DARI SENYAWA ORGANIKOleh karena kemampuan oksidasi yang kuat dari fotohole, oksidasi fotokatalitik dari senyawa organik pada elektroda TiO2 akan menghasilkan stoikiometri reaksi oksidasi dari senyawa organik seperti berikut:CyHmOjNkXq + (2y-j)H2O yCO2 + qX- +kNH3+ (4y-2j+m-3k)H+ +(4y-2j+m-3k-q)e-Dimana N dan X masing-masing sebagai atom Nitrogen dan atom Halogen. Jumlah dari atom karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, dan halogen pada senyawa organik di representasikan sebagai y,m,j,k dan q. Jumlah elektron dapat dihitung sbb:n =4y-2j+m-3k-qHUKUM FARADAYhukum Faraday dapat digunakan untuk mengkuantifikasi konsentrasi dengan mengukur muatan (Q). Jika muatan/arus yang dihasilkan adalah hasil dari degradasi fotoelektrokimia dari bahan organik maka:Q= Idt =NfvcDimana n adalah jumlah elektron yang ditransfer selama degradasi fotoelektrokatalitik, yang setara 4y-2j + m-3k-q (lihat persamaan 1); I adalah arus-cahaya dari oksidasi senyawa organik; F adalah konstanta Faraday; V dan C adalah masing-masing volume sampel dan konsentrasi dari senyawa organik.HUKUM FARADAYJumlah elektron transfer untuk beberapa senyawa organik dapat dilihat pada Hubungan kuantitatif antara muatan bersih dengan konsentrasi substrat mengikuti hukum Faraday.Q = nFVC = (4y-2j+m-3k-q)FVC = kCUntuk mendapatkan hubungan bahwa muatan bersih yang diperoleh dari mineralisasi fotokatalitik senyawa organik benar-benar mencerminkan tingkat degradasi maka diperlukan konsentrasi equivalent.Ceq = nC = (4y-2j+m-3k-q)CQ = FVCeq = kCeqPlot Q terhadap Ceq diperoleh slope = k yang secara teoritis hanya dipengaruhi oleh volume selk = FVHUKUM FARADAYHUKUM FARADAYPersamaan ini dapat digunakan untuk mengkuantifikasi nilai COD dari sample selama muatan (Q) dapat diperoleh secara eksperimen sesuai dengan sel fotoelektrokimia yang digunakan, volume (V) adalah konstanta yang diketahui. Untuk larutan atau standard yang diketahui konsentrasinya maka dapat dihitung Q teoritisQtheo = nFVCSehingga teoritis COD dapat dihitung dengan Q teoritis.CODtheo = Qtheo / 4FV x 32000 = 8000 nC