PENGEMBANGAN KOMPOSIT NANOFIBER PVA/CHITOSAN/TiO2 SEBAGAI FOTOKATALIS

NASIKHUDIN, Dr. Eng. Kuwat Triyana; Dr. Markus Diantoro; Dr. Eng. Ahmad Kusumaatmaja

2018 | Disertasi | S3 Ilmu Fisika

Sintesis komposit nanofiber PVA/Chitosan/TiO2 untuk aplikasi fotokatalis telah berhasil dilakukan dengan metode elektrospining. Keunggulan dari nanofiber ini adalah nanopartikel titanium dioksida (TiO2) sebagai bahan fotokatalis tidak akan ikut terlarut bersama cairan hasil treatment sehinggga membran nanofiber ini bisa dikatakan sebagai bahan fotokatalis yang ramah lingkungan. Tahap pertama sintesis komposit nanofiber PVA/Chitosan/TiO2 dimulai dengan optimasi konsentrasi polyvinil alcohol (PVA) yang dilakukan dengan variasi konsentrasi PVA 8 � 13 wt%. Tahap berikutnya yaitu optimasi perbandingan komposisi PVA/Chitosan yang dilakukan dengan perbandingan volume PVA/Chitosan 100:0, 90:10, 5:15, 80:20, dan 70:30. Selanjutnya optimasi perbandingan berat PVA/TiO2 dilakukan dengan perbandingan 10:0, 8:1, 6:1, dan 4:1. Untuk mencegah aglomerasi nanopartikel TiO2 dilakukan treatment sonikasi dan penambahan surfactant yaitu tetramethylammonium hydroxide (TMAH). Pada nanofiber ini dilakukan stabilisasi untuk menjaga kestabilannya dan agar tidak terlarut pada saat diaplikasikan pada cairan polutan. Metode stabilisasi yang dilakukan yaitu dengan crosslink glutaraldehide (GA), pemanasan (heat treatment), dan kombinasinya. Kemampuan nanofiber untuk fotokatalis diuji dengan larutan methylene blue (MB) sebagai model polutan. Degradasi konsentrasi larutan MB ini diukur menggunakan spektroskopi UV-Vis. Dari analisis data hasil penelitian diketahui bahwa sintesis nanofiber PVA/TiO2/Chitosan berhasil dibuat dengan metode elektrospining dengan beberapa parameter sintesis sebagai berikut. (1) konsentrasi PVA optimum yang menghasilkan nanofiber PVA yang optimum diperoleh pada konsentrasi PVA 10 wt%, (2) perbandingan komposisi PVA/Chitosan optimum adalah 85/15, (3) perbandingan komposisi PVA/TiO2 optimum yaitu 4:1, (4) nanofiber PVA/TiO2/Chitosan yang dihasilkan memiliki diameter sekitar 190 nm dan kandungan TiO2 di dalam fiber mencapai 23% dan TiO2 terdistribusi secara merata dan mampu masuk ke dalam nanofiber. Stabilisasi nanofiber dengan crosslink GA menghasilkan nanofiber yang memiliki ketahanan yang sangat baik di dalam air. Hal ini terbukti dari hasil uji perendaman dalam air selama 24 jam, nanofiber dengan crosslink GA tidak mengalami perubahan bentuk dan ukuran, serta kandungan TiO2 yang relatif tetap. FTIR nanofiber hasil crosslink GA menunjukkan terbentuknya acetal bridge antara PVA dan GA sehingga nanofiber menjadi tahan di dalam air. Hasil uji fotokatalis menunjukkan bahwa nanofiber PVA/TiO2 mampu mendegradasi MB sebesar 40% dalam waktu 5 jam. Treatment sonikasi meningkatkan kandungan TiO2 dalam nanofiber dari 3,21% menjadi 10,20% dan kemampuan fotokatalisnya dari 40% menjadi 55% dalam waktu 5 jam. Penambahan surfactant TMAH mampu meningkatkan kandungan TiO2 dalam nanofiber dari 10,20% menjadi 16,21% dan kemampuan degradasinya meningkat dari 55% menjadi 80% dalam waktu 5 jam. Penggunaan shaker pada proses pengujian fotokatalis mampu meningkatkan kemampuan degradasinya hingga mencapai 98% dalam waktu 5 jam. Penambahan chitosan pada PVA/TiO2 sehingga menghasilkan nanofiber PVA/TiO2/Chitosan mampu meningkatkan kemampuan degradasinya yaitu sebesar 98% dalam waktu 4 jam. Penggunaan nanofiber untuk uji fotokatalis secara berulang sebanyak 5 siklus menunjukkan hasil bahwa semakin sering digunakan kemampuan degradasinya semakin meningkat hingga mencapai 97% dalam waktu 2 jam. Penggunaan nanofiber secara berulang untuk aplikasi fotokatalis ini membuktikan bahwa nanofiber dapat digunakan untuk fotokatalis secara berulang (reusable) yang menunjukkan bahwa nanofiber ini ramah lingkungan. Pengujian fotokatalis nanofiber dengan variasi pH polutan menunjukkan bahwa nanofiber memiliki kemampuan degradasi yang lebih baik pada kondisi basa.

Synthesis of PVA/chitosan/TiO2 composite nanofibers for photocatalyst application has been successfully obtained by electrospinning method. The advantage of this nanofiber is nanoparticles titanium dioxide (TiO2) as a photocatalyst material will not be dissolved with the liquid result of treatment so that this nanofiber membrane can be said as an environmentally friendly photocatalyst. The first stage in the synthesis of nanofiber PVA/Chitosan/TiO2 composites nanofibers starts with the optimization of polyvinyl alcohol (PVA) concentration which is done with the variation of PVA concentration of 8 - 13 wt%. The next stage is the optimization of the volume ratio of PVA/chitosan which was done with ratio of 100:0, 90:10, 85:15, 80:20, and 70:30. Furthermore, the optimization ratio of PVA/TiO2 is performed with a ratio of 10:0, 8:1, 6:1, and 4:1. To prevent the agglomeration of TiO2 nanoparticles was done by sonication treatment and surfactant addition. The surfactant used was tetramethylammonium hydroxide (TMAH). The nanofibers were further stabilized to maintain stability which not dissolved when applied to organic pollutant. Stabilization method were done by crosslink glutaraldehyde (GA), heat treatment, and its combination. The nanofiber ability for degradate organic pollutant was tested using methylene blue (MB) solution as a pollutant model. The degradation of MB solution concentration after photocatalytic process was measured using UV-Vis spectroscopy. The result shows that the synthesis of nanofiber PVA/TiO2/Chitosan successfully made by electrospinning method with some optimum parameters use as follows. (1) PVA concentration at 10%, (2) volume ratio of PVA/Chitosan was 85:15, (3) weight ratio of PVA/TiO2 was 4:1. In addition PVA/TiO2/Chitosan composite nanofiber has a fiber diameter of about 190 nm and the TiO2 content in the fiber reaches 23% and TiO2 is evenly distributed. Stabilization of nanofiber with GA crosslink produces nanofiber which excellent stability in the water. The GA crosslink nanofibers remain no change of its shpe nad size under 24 hours test in water. FTIR result shows that nanofiber with GA crosslink indicate the formation of acetal bridges between PVA and GA so that the nanofiber becomes stable to water. It shows that the PVA/TiO2 nanofiber was degraded of MB about 40% for 5 hours. The sonication treatment increased the TiO2 content in the nanofiber membrane from 3.21 to 10.20% and increased the degradation from 40 to 55% for 5 hours. The addition of TMAH as the surfactant was able to increase TiO2 content in nanofiber from 10.20 to 16.21% and increased photocatalytic degradation from 55 to 80% for 5 hours. The use of shaker in the process of photocatalytic testing can improve the degradation up to 98% for 5 hours. The addition of chitosan on PVA/TiO2 to produce PVA/Chitosan/TiO2 composite nanofiber able to increase the photocatalytic degradation up to 98% at shorter time of 4 hours. The use of nanofiber for repeated photocatalyst tests of 5 cycles shows that the more frequently used photocatalytic ability is increased up to 97% within only 2 hours. The repeated use of nanofiber for photocatalyst applications proves that nanofiber can be used for photocatalysts repeatedly (reusable) which indicates that the nanofiber is environmentally friendly. Testing of photocatalytic degradation in various pH condition of the MB showed that the nanofiber has better photocatalytic activity in a base conditions.

Kata Kunci : electrospinning, composite, nanofiber, nanoparticles, TiO2, PVA, chitosan, photocatalyst