Sintesis dan Aplikasi Membran Fotokatalitik Komposit Poliakrilonitril-α-Fe2O3-Bentonit untuk Degradasi Biru Metilena

Abstract

Pewarna tekstil merupakan salah satu senyawa pencemar yang secara signifikan memberikan dampak buruk terhadap lingkungan perairan, kesehatan manusia, dan sumber daya air alami. Metode pengolahan limbah zat warna yang efektif dan ramah lingkungan terus dikembangkan. Saat ini, fotokatalitik berbahan dasar semikonduktor menjadi salah satu metode yang banyak diteliti untuk menghilangkan pewarna dari air. Metode ini mampu mendegradasi senyawa pewarna menjadi bentuk yang lebih sederhana tanpa menghasilkan polutan baru yang berbahaya. Salah satu bahan fotokatalis yang cukup efektif menghilangkan zat warna adalah komposit α-Fe2O3-bentonit. Fotokatalis komposit α-Fe2O3-bentonit berbentuk bubuk telah dilaporkan mampu mendegradasi zat warna indigo karmina dengan efisiensi degradasi mencapai 99%. Namun, masalah pemulihan kembali partikel fotokatalis setelah digunakan menjadi salah satu keterbatasan penggunaan bahan fotokatalis berbentuk bubuk. Oleh karena itu, perlu dilakukan modifikasi fotokatalis menjadi bentuk yang lebih mudah untuk digunakan kembali. Salah satu solusi yang dapat dilakukan adalah dengan memodifikasinya menjadi membran.

Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan membran fotokatalitik komposit poliakrilonitril-α-Fe2O3-bentonit (PAN-α-Fe2O3-bentonit) dan mengevaluasi aktivitas fotokatalitiknya terhadap degradasi pewarna biru metilena (BM) serta melakukan uji penggunaan kembali membran yang dihasilkan. Komposit α-Fe2O3-bentonit disintesis dengan metode penggilingan mekanis menggunakan planetary ball mill. Komposit yang disintesis dicampurkan pada berbagai konsentrasi (1; 1,5; dan 2%) ke dalam larutan poliakrilonitril (PAN) melalui teknik inversi fasa, kemudian dicetak menjadi bentuk membran. Aktivitas fotokatalitik membran diuji terhadap berbagai parameter seperti konsentrasi awal larutan BM, pH dan sumber radiasi.

Hasil karakterisasi komposit α-Fe2O3-bentonit dengan transformasi fourier inframerah dan difraksi sinar-X mengonfirmasi bahwa komposit telah berhasil disintesis. Analisis SEM menunjukkan bahwa membran 2% PAN-α-Fe2O3-bentonit memiliki struktur berpori dengan lapisan atas yang padat. Analisis sinar-X dispersi energi menunjukkan unsur Fe, Si, Mg, dan Al ditemukan dalam membran dengan persentase rendah. Kinerja membran fotokatalitik komposit 2% PAN-α-Fe2O3-bentonit terbukti efektif dan efisien dalam mendegradasi zat warna BM dengan persentase degradasi sebesar 99,84% pada pH larutan 11,5 dan konsentrasi awal BM 10 ppm di bawah sinar matahari. Penggunaan kembali membran fotokatalitik komposit 2% PAN-α-Fe2O3-bentonit dalam lima kali siklus menunjukkan bahwa kinerjanya tidak berubah secara signifikan.

Textile dyes are pollutant compounds that significantly negatively impact the aquatic environment, human health, and natural water resources. Methods for treating effective and environmentally friendly dyestuffs are constantly being developed. Semiconductor-based photocatalytic is one of the most advanced methods for removing dyes from water. This approach is considered to be beneficial since it can degrade dye compounds into simpler forms without producing new contaminants. It has been reported that the fine photocatalyst α-Fe2O3-bentonite can degrade indigo carmine dyes with a degradation efficiency of up to 99%. However, the challenge of recovering the photocatalyst particles after use is one of the drawbacks of using finely ground photocatalyst materials. Therefore, the photocatalyst must be modified into a more reusable form. Modifying it to take on a membrane form is one potential solution.

This study aims to produce photocatalytic membranes composite polyacrylonitrile-α-Fe2O3-bentonite (PAN-α-Fe2O3-bentonite) evaluate the photocatalytic activity against methylene blue (MB) degradation, and conduct the membranes' reusability. The α-Fe2O3-bentonite composite was synthesized by a mechanical milling method using a planetary ball mill. The synthesized composite was mixed at various concentrations (1; 1.5; and 2%) into a polyacrylonitrile (PAN) solution via phase inversion technique, then printed in the form of a membrane. The photocatalytic activity of the membrane was tested for various parameters such as the initial concentration of the MB solution, pH, and radiation source.

The characterization of the α-Fe2O3-bentonite composite using fourier infrared transformation and X-ray diffraction confirmed that the composite had been successfully synthesized. The 2% PAN-α-Fe2O3-bentonite membrane had a porous structure with a dense top layer, according to SEM analysis. Energy dispersion X-ray analysis showed that Fe, Si, Mg, and Al elements were found in the membrane at low percentages. The 2% PAN-α-Fe2O3-bentonite composite membrane's performance proved effective and efficient in degrading MB dyes with a photodegradation efficiency of 99.84% at a solution pH of 11.5 and an initial MB concentration of 10 ppm under sunlight. The effectiveness of the 2% PAN-α-Fe2O3-bentonite composite membrane did not change significantly after five cycles of reuse.