SINTESIS, KARAKTERISASI DAN APLIKASI ELEKTRODA Ti/PbO2 PADA ELEKTRODEGRADASI ZAT WARNA BIRU REAKTIF

ARIS MUKIMIN, Prof. Dr.rer.nat. Karna Wijaya, M.Eng

2013 | Disertasi | S3 Ilmu Kimia

Telah dilakukan penelitian sintesis elektroda Ti/PbO2 dalam suasana basa. Penelitian bertujuan untuk meningkatkan kemampuan elektroaktif di elektroda Ti/ PbO2 sehingga berpotensi untuk diterapkan pada degradasi zat warna secara elektrolisis. Elektroda disintesis dengan metode elektrodeposisi PbO2 dari larutan Pb konsentrasi rendah (0,0725 mol/L) dalam suasana basa (NaOH) pada plat Ti. Selain itu proses elektrodeposisi dilakukan pada energi potensial 0,5 – 3,4 V. Optimalisasi kondisi sintesis dilakukan dengan menvariasi konsentrasi NaOH (3 – 4,5 M) dan konsentrasi NaF (0,0048 – 0,0238 M) sebagai zat pengatur. Identifikasi sifat elektroda Ti/PbO2 hasil sintesis ditentukan dengan analisis XRD, EDX, SEM, AAS dan BET. Kestabilan elektroda dan sifat elektrokatalitik Ti/PbO2 ditentukan dengan uji voltametri siklis menggunakan elektrolit NaCl, H2SO4, H2O, CH3NO dan C2H6O2. Zat Warna Remazol Brilliant Blue R 19 digunakan sebagai model polutan untuk menentukan aktivitas elektrodegradasi Ti/PbO2 secara oksidasi langsung dan oksidasi tak langsung. Oksidasi langsung merupakan degradasi polutan oleh material elektroda yang melepas elektron penyusun struktur polutan sedangkan oksidasi tak langsung proses degradasi melalui pembentukan oksidator oleh material elektroda. Parameter waktu, konsentrasi NaCl dan pH dipilih sebagai variabel bebas pada oksidasi tak langsung. Aplikasi lebih lanjut dari elektroda Ti/PbO2 dilakukan dengan membuat reaktor tabung elektrokatalitik menggunakan anoda Ti/PbO2 silinder. Laju alir dan jenis pewarna merupakan parameter operasi untuk reaktor ini. Hasil penelitian menunjukkan bahwa elektrodeposisi PbO2 pada plat Ti dalam suasana basa dan potensial rendah mudah berlangsung. Kecepatan pembentukan deposit PbO2 dipengaruhi oleh konsentrasi NaOH dan NaF. Kenaikan konsentrasi NaOH pada daerah 3 – 4,5 M menurunkan laju pembentukan PbO2. Hal itu disebabkan oleh keberadaan ion OH- yang meningkat sehingga memperkecil kelimpahan PbO(ad). Penambahan ion F- untuk konsentrasi NaF kurang dari 0,0095 M meningkatkan kecepatan pembentukan PbO2 karena muatan positip yang dihasilkan selama elektrodeposisi di sekitar anoda segera digantikan oleh F- sehingga elektronetralitas tetap terjaga, sementara itu untuk penambahan konsentrasi NaF lebih dari 0,0095 M terjadi penurunan kecepatan karena kompetisi gaya migrasi antara Pb(OH)3 - dengan F-. Perubahan kecepatan pembentukan PbO2 berimplikasi pada morfologi permukaan, kandungan atom O, bentuk kristal dan sifat fisik permukaan (volume dan jari-jari pori). Sifat-sifat tersebut berkontribusi pada kemampuan elektrokatalitik di elektroda Ti/PbO2. Morfologi permukaan yang kurang rata, kandungan O yang semakin tinggi dan bentuk kristal tetragonal adalah faktor-faktor yang dapat meningkatkan kemampuan elektroaktif elektroda. Data degradasi zat warna Remazol Brilliant Blue R 19 menggunakan elektroda Ti/PbO2 tersintesis menunjukkan ketergantungan kemampuan degradasi oleh sifat material elektroda dan kondisi operasi degradasi. Material Ti/PbO2 tersintesis basa dengan permukaan berbentuk akar dalam skala nano, bentuk kristal tetragonal, kandungan atom O yang besar menunjukkan kemampuan degradasi yang tinggi. Parameter operasi seperti NaCl dan pH berperan sangat penting dalam proses degradasi. Peningkatan konsentrasi NaCl akan memperbesar pembentukan zat oksidator (Cl2/HClO/ClO-). Daerah pH 5-10 merupakan kondisi optimum untuk degradasi karena spesies HClO akan lebih dominan dibanding oksidator lainnya (Cl2 dan ClO-). Selain itu terdapat fenomena yang menunjukkan bahwa pH operasi yang terlalu asam (≤4) atau terlalu basa (≥10) akan menyebabkan pelarutan Pb di elektroda Ti/PbO2. Pelarutan disebabkan oleh reaksi disproporsionasi dan pertukaran ion. Tingkat oksidator Cl2/HClO/ClO- cukup efektif untuk merusak struktur RB 19 terbukti dari penurunan puncak absorbsi di daerah UV. Data HPLC membuktikan bahwa degradasi bisa berlangsung hingga sempurna membentuk H2O dan CO2 dengan asam asetat dan asam oksalat sebagai senyawa antara. Degradasi zat warna RB 19 juga efektif berlangsung untuk desain reaktor yang lebih aplikatif sehingga teknologi ini berpeluang untuk diterapkan pada skala lapangan.

Research on PbO2 electrode synthesis in alkaline conditions has been done. The research aims to improve the electroactive capability of Ti/PbO2 electrode in order to make it potentially applicable for dye degradation by electrolysis. The electrode is synthesized by PbO2 electrodeposition method with low reactant concentration of Pb species (0.0725 mol/L) under alkaline (NaOH) on a Ti plate. Additionally, the electrodeposition process carried out on the potential is 0.5 to 3.4 V. Optimization of synthesis is done by varying the concentration of NaOH (3 to 4.5 M) and the concentration of NaF (0.0048 to 0.0238 M) as a regulator substance. Identification of the properties of the synthesized PbO2 is then determined by the analyses of XRD, EDX, SEM, AAS, and BET. The stability and electrocatalytic properties of the synthesized PbO2 are determined by cyclic voltametry tests using electrolytes: NaCl, H2SO4, CH3NO, H2O, and C2H6O2. The dye of Remazol Brilliant Blue R 19 is used as a model pollutant to determine the electrodegradation activity of the synthesized PbO2 with direct oxidation and indirect oxidation. Direct Oxidation is the degradation of pollutants by the electrode material which releases electrons making up the structure of pollutants while indirect oxidation process through the formation of oxidants by the electrode material. Parameters of time, NaCl concentration, and pH are selected as independent variables in indirect oxidation. Further application of Ti/PbO2 electrode has been done by making an electrocatalytic tube reactor using cylindrical Ti/PbO2 anode. The flow rate and the type of dye are the operating parameters for this reactor. The research indicates that PbO2 electrodeposition on the Ti plate under alkaline and low potential proceeds easily. PbO2 deposit formation rates are influenced by the concentration of NaOH and NaF. The increase in the concentration of NaOH in the region from 3 to 4.5 M will decrease the PbO2 formation rate. This is caused by the presence of increased OH- ions that reduces the abundance of PbO(ad). The addition of F- ions to the concentration of NaF smaller than 0.0095 M will increase the PbO2 formation rate because the resulting positive charge around the anode during electrodeposition is immediately replaced by F- for maintaining electroneutrality, while for the addition of NaF concentration larger than 0.0095 M there is a decline due to competition between the migration force of Pb(OH)3 - and F-. The implications of PbO2 formation rates affect the morphology of the surface, O atom content, crystal shape, and surface physical properties (volume and pore radius). These properties contribute to the electrocatalytic capability of Ti/PbO2 electrode. The roughness of surface morphology, a higher content of O and tetragonal crystal shape are the factors that enhance the ability of the electroactive electrode. Data on degradation of the dye Remazol Brilliant Blue R 19 using synthesized Ti/PbO2 indicates the dependence of the degradation capabilities by the electrode material properties and degradation operating conditions. Alkaline synthesized Ti/PbO2 electrode with its root-shaped surface at the nanoscale, the tetragonal crystal shape and large O atom content have the best capability of degradation. Operating parameters such as NaCl and pH play an important role in the degradation process. Increase in NaCl concentration would increase the formation of an oxidizing agent (Cl2/HClO/ClO-). pH in the range of 5-10 is the optimum condition for the degradation because HClO species is more dominant than the other oxidizing agents (Cl2 and ClO-), where HClO have greater oxidation capabilities. In addition, there is a phenomenon indicates that if the operation is acidic pH≤4 or alkaline pH≥10, it cause significant losses of Pb on Ti/PbO2 electrode due to the disproportionation and ion exchange reactions. The oxidation level of Cl2/HClO/ClO- is effective in destroying the structure of RB 19, which is evident from the decrease in peak absorption in the UV region. HPLC data suggest that degradation can take up to a perfect form of H2O and CO2 with acetic acid and oxalic acid as intermediate compounds. Degradation of dye RB 19 is also effective for a more applicable reactor design so that the technology is likely to be applied on a field scale.

Kata Kunci : Ti/PbO2, Elektrodeposisi, Elektrodegradasi, Elektrokatalitik, RB 19