Oleh Oleh Prof. Dr. Ir. S l a m e t , MT Prof. Dr. Ir. S l a m e t , MT Departemen Teknik Kimia Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik - Universitas Indonesia Fakultas Teknik - Universitas Indonesia Januari 201 Januari 201 4 4 teknologi teknologi FOTOKATALISIS FOTOKATALISIS BAHAN KULIAH BAHAN KULIAH
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
OlehOlehProf. Dr. Ir. S l a m e t , MTProf. Dr. Ir. S l a m e t , MT
Departemen Teknik KimiaDepartemen Teknik KimiaFakultas Teknik - Universitas IndonesiaFakultas Teknik - Universitas Indonesia
Januari 201Januari 20144
teknologi teknologi FOTOKATALISISFOTOKATALISIS
BAHAN KULIAHBAHAN KULIAH
S i l a b u sS i l a b u s Aplikasi fotokatalisis untuk
self-cleaning & anti fogging Aplikasi fotokatalisis untuk
anti-bacterial dan terapi kanker
Rekayasa detoksifikasi solar secara fotokatalitik
Studi Kasus: Penanganan limbah tumpahan minyak di laut, dll
Aplikasi Fotokatalisis pada kehidupan sehari-hari
Praktikum/percobaan
Konsep dasar proses foto- katalisis & sejarah perkemb.
Termodinamika & kinetika Material fotokatalis semi-
konduktor Jenis-jenis Reaktor pada
proses fotokatalisis Parameter-parameter dasar
proses fotokatalisis Aplikasi fotokatalisis pada
purifikasi udara dan air Aplikasi fotokatalisis pada
limbah organik & logam berat
Buku Ajar :1. M. Schiavello, Heterogeneous Photocatalysis, John Wiley & Sons, 1997.2. A. Fujishima, et.al., TiO2 Photocatalysis: Fundamentals and Applications, BKC Inc. Japan, 1999.3. V. Parmon, A.V. Emeline, and N. Serpone, Glossary of Terms in Photocatalysis and Radiocatalysis,
Int. J. Photoenergy, vol.4, 2002 download di “e-learning DTK” (http://elearn.che.ui.edu/)4. J.B. Galvez, et.al., Solar Detoxification, Natural Sciences, Basic and Engineering Sciences, UNESCO. 5. Paper-paper & Internet
Model Pembelajaran/PengajaranModel Pembelajaran/Pengajaran
4. pengajaran yg berbasis riset (research-based teaching)
Pemanfaatan RISET dalam penyelenggaraan pembelajaran dan pengajaran pada tingkat perguruan tinggi medorong munculnya beberapa model, seperti:
Model Pembelajaran/PengajaranModel Pembelajaran/Pengajaran
1. Model keempat memanfaatkan kegiatan RISET sebagai dasar pengembangan kegiatan pengajaran.
2. Pengajaran didisain secara terpadu dengan kegiatan RISET shg mahasiswa tidak dijejali dg berbagai macam pengetahuan, tetapi diberikan “pengalaman mencari & menggali” bagaimana pengetahuan itu diperoleh.
3. Hubungan antara dosen~mahasiswa bukan merupakan hubungan antara pemberi~penerima, atau antara pemimpin~bawahan yang kaku, tetapi merupakan hubungan dua arah (konsultatif).
4. Dosen bertindak sebagai fasilitator yang terus-menerus memberi fasilitasi pembelajaran yang dilakukan mahasiswa.
5. Mahasiswa dg pengetahuan yg dikuasai sebelumnya berusaha secara aktif mencari informasi-informasi yang dibutuhkan.
Model keempatModel keempat
• Each student individually carries out their research project and writes an essay and reflective account of the process by which the project was formulated and an assessment of the extent to which the project has met its objectives.
• Each student is expected to work independently with a high degree of learner autonomy.
• In the final phase of the project, students are required to work collaboratively as a team to devise a strategy for disseminating some or all of their research output during the module in a format appropriate for a non-academic audience (for example policy makers in government, members of the general public or a professional group).
• The group produces a document explaining the strategy and may annex to it any actual or proposed output (for example a briefing document, letter to the press, draft article for a magazine or newspaper, plans for a website etc).
RESEARCH-BASED LEARNINGRESEARCH-BASED LEARNING (Pembelajaran Berbasis Riset)(Pembelajaran Berbasis Riset)
Mo
del
Pem
bel
ajar
an/P
eng
ajar
anM
od
el P
emb
elaj
aran
/Pen
gaj
aran
1. Kegiatan pengajaran:• Konsep dasar proses Fotokatalisis, • Aplikasi Proses Fotokatalisis.
2. Penetuan tema kegiatan “Riset Mini”:• Pembentukan kelompok (2 mhs/kel)• Pencarian tema kegiatan “Riset Mini” oleh mhs secara mandiri
(aktual, sederhana, realistis, dan sesuai SILABUS)
3. Presentasi Kelompok:• “State of the art” & alasan pemilihan tema riset yg diusulkan.• “Pengarahan” agar tema riset yg diusulkan: “aktual, sederhana,
realistis, dan sesuai SILABUS”.
4. Pelaksanaan kegiatan “Riset Mini”• Dilaksanakan secara mandiri di luar jam kuliah.• Diadakan konsultasi/pembimbingan lapangan.• Presentasi progres “Riset Mini” setiap 2 pekan sekali.
5. Bedah paper (jurnal internasional) + kuis:• Jurnal internasional yg “up-to-date” & “milik sendiri”• Tema paper disesuaikan dg silabus & yg belum dipilih mhs
6. Presentasi Final:• Mid test Presentasi progres report (laporan ilmiah)• Ujian Akhir Presentasi Laporan Akhir (1. Academic & 2. Non-
Academic)
7. Publikasi:• Non-Academic Audience (upload website spt Kompasiana, surat
kabar, dll)
FOTOKATALISISFOTOKATALISIS
Suatu proses Suatu proses transformasi kimiatransformasi kimia yang yang dibantu oleh adanya dibantu oleh adanya CAHAYACAHAYA dan dan
material material KATALISKATALIS
Fotokatalisis (menurut IUPAC)
Suatu reaksi katalitik yg melibatkan absorpsi cahaya oleh katalis atau substrat tertentu. Dapat juga didefinisikan sbg suatu proses kombinasi antara fotokimia dan katalis, yaitu suatu proses transformasi kimiawi dg melibatkan cahaya sbg pemicu dan katalis sbg pemercepat proses transformasi tsb (Serpone, 2002).
Definisi-definisiDefinisi-definisi
Bandgap Energy (Ebg)
The energy difference between the bottom of the conduction band and the top of the valence band in semiconductors and insulators.
Conduction Band (CB)
A vacant or only partially occupied set of many closely spaced electronic levels resulting from an array of a large number of atoms forming a solid system in which electrons can move freely or nearly so. The term is usually used to describe the electrical properties (among several others) of metals, semiconductors and insulators.Valence Band (VB)
The highest energy continuum of energy levels in a semiconductor (or insulator) that is fully occupied by electrons at 0 K.
Mekanisme Mekanisme fotokatalisisfotokatalisis
h
+
-
VB
CB
-
-
-
-
+
++
+
D+
D
A
A-
+
+
Rekombinasi dalam
Rekombinasi permukaan
1
342
e-
TiO2+h TiO2(eCB- + hVB
+)
TiO2(eCB-+hVB
+) TiO2+heat
A(ads) + eCB- A-(ads)
D(ads) + hVB+ D+(ads)
Limbah logam berat,
CO2, dll Limbah organik
Mekanisme Mekanisme fotokatalisisfotokatalisis
CB
VB
Band gap, energy Band gap, energy bandsbands
PhotonThe quantum of electromagnetic energy at a given frequency. This energy (E = hν) is the product of Planck’s constant (h) and the frequency of the radiation (ν).
PhotocatalysisPhotocatalysis
Photocatalyst vs Chlorophyll
Sejarah fotokatalisisSejarah fotokatalisis Renz (1921) fenomena fotokatalisis pd permuka-
an semikonduktor metal-oksida (TiO2)
Baur & Perret (1924) reduksi/deposisi fotokatalitik dari garam silver menjadi metallic silver di atas permukaan ZnO
Goodeve & Kitcener (1938) fenomena memudarnya cat berbasis titania tersebut terkait dengan adanya proses dekomposisi/oksidasi fotokatalitik terhadap zat warna
Sejarah fotokatalisisSejarah fotokatalisis Fujishima (1972) Pemecahan H2O jadi hidrogen
& oksigen dg kristal tunggal TiO2 dg input sinar UV energi rendah Fotokatalisis mulai POPULER (majalah Nature), karena Isu krisis energi, Hidrogen: bhn bakar ramah lingkungan Kendala: efisiensi rendah (<1%) belum feasible
ERA FOTOKATALISIS (> ‘80) pengembangan ‘fenomena’ fotokatalisis yg lebih feasible utk tataran aplikasi keseharian pengembangan TEKNOLOGI.
Sejarah fotokatalisisSejarah fotokatalisis
Aplikasi fenomena Aplikasi fenomena fotokatalisisfotokatalisisPenyediaan air bersih & sterilSterilisasi udara/ruanganTeknologi swa-bersih (self-cleaning) & anti fogging
Cermin/kacaBahan bangunan (keramik, genteng, dll)Benda-benda dekoratif, lampu, dll
Anti bacterial & cancerProduksi senyawa organik dari senyawa anorganik
(reduksi CO2 metanol) model fotosintesisLingkungan:
Pengolahan limbah organik (limbah cair, gas)Pengolahan limbah logam berat: Cr(VI), Pt(IV), Hg(II)Degradasi pestisida & zat warna
Pemanfaatan MATAHARI utk proses fotokatalisisdll
Function of Photo-catalysis
J. Photochem. Photobiol. C: Photochemistry Reviews, 13 (2012) 169– 189
Applications of photocatalyst air purification
Several papers have discussed the use of the photocatalytic property of TiO2 in the field of textiles. It was determined that a fabric treated with nano-TiO2 could provide effective protection against bacteria and the discoloration of stains, due to the photocatalytic activity of nano-TiO2. On the other hand, zinc oxide is also a photocatalyst, and the photocatalysis mechanism is similar to that of titanium dioxide; only the band gap (ZnO: 3.37eV, TiO2: 3.2eV) is different from titanium dioxide. Nano-ZnO provides effective photocatalytic properties once it is illuminated by light, and so it is employed to impart anti-bacterial properties to textiles.
TiOTiO22 in the field of textiles in the field of textiles
Indoor applicationsIndoor applications
Outdoor applicationsOutdoor applications
Aplikasi FOTOKATALISIS Aplikasi FOTOKATALISIS di Industri di Industri
~ 84% dari total industri electroplating di Indonesia tidak memiliki fasilitas pengolah limbah Seafood Pantura mengandung logam berat (Kompas, 30 September 2002) Kerang di Teluk Jakarta telah tercemar logam berat (Sinar Harapan, 11 Juni 2003)
MasalahMasalah
Alternatif Alternatif solusisolusi
•Limbah Logam berat : Limbah Logam berat : Cr(VI), Cr(VI), Pb, HgPb, Hg Pt, Au, Rh, Pd Pt, Au, Rh, Pd •Limbah Organik : Limbah Organik : Fenol, 4CP, Fenol, 4CP, salicysalicylic lic acid, dye, alkohol, dllacid, dye, alkohol, dll• Limbah Asam : Limbah Asam : HCN, HCl, H HCN, HCl, H22SOSO44, , dlldll
Kelemahan Efisiensi rendah Perlu energi sangat tinggi Perlu bahan kimia sangat banyak
OHCOOrganikSeny
PtPt(IV)
IIICrVICr
UVTiO
UVTiO
UVTiO
222
2
2
.
)()(
KELEBIHAN Hemat energi (suhu kamar) dan bahan kimia Reduksi dan Oksidasi limbah secara simultan Scr termodinamika kondisi ASAM lebih baik Lebih prospektif, karena dapat menggunakan sinar Matahari
Aplikasi FOTOKATALISIS Aplikasi FOTOKATALISIS di berbagai bidang di berbagai bidang
((Aplikasi KreatifAplikasi Kreatif))
1. Transparent to ultraviolet light
2. High adsorbing action
3. Large specific surface area
4. Large pore volume
5. High physical strength
6. Possible to form the grains 0.03~ 3mm
7. Heat resistant to 700 C
8. Inactive surface area
Photocatalytic Silica Gel
0 jam 1 jam 2 jam
Aplikasi FOTOKATALISIS Aplikasi FOTOKATALISIS untuk Produk Komersial untuk Produk Komersial
((Aplikasi BisnisAplikasi Bisnis))
Photocatalytic Air Purifier
Photocatalyst product specially developed for textile, just dip in it for application. This product could effectively kill bacterial in various textiles, and with strong capability in removing bad smell to keep your textile in fresh natural health and away from bug and peculiar smell. Textile treated by this product has obvious effect on antibacterial, removing bad smell, and is capable to resist ultraviolet ray and to remove venomous and harmful matters such as formaldehyde. It is innocuous to human body, bland to skin, safe and high performance with obvious supplement prevention and control on pungent foot odor, skin diseases, women and pediatrics diseases. It can widely used for the development of various antibacterial textile, including respirator, curtain, sheet, underwear, shirt, T shirt, sport garments, glove, socks, towels, blanket, quilt cover, pillow cover, washing cloth and various kinds of women and children stuffs, one-off medical textile and so on.
Nano Textile LotionNano Textile Lotion
Helps combat the causes of asthma, drowsiness, eczema, hay fever, infections and much more. This little beauty is Absolutely essential for capturing smoke, dust, smells, viruses, pollen, bacteria and dust mites.
The antibacterial photocatalytic filter eliminates 99.99% of all mold spores and bacteria, and deactivates viruses.
Deodorising power is 85%. Get healthy with clean air.
The atmosphere in forests and around mountain streams is filled with negative ions, also known as 'vitamins of the air'. This Daikin air cleaner will fill your living room with the same negative ions.
Photocataytic Air Cleaner
By using the ultra-violet lamp and photocatalyst technique to produce ultra-violet light and CO2 to efficiently attract mosquitoes.
Uses the carbon dioxide and humidity produced by the photo-catalyst reaction, Imitating the person's breath, to lure the mosquito and fly
Kill bacteria, eliminate odour. The photocatalyst also cleans the air as a by-product.
Photocatalyst Mosquito Trap
Photocatalyst Mosquito Trap (Domestic, UI)
Unit penghasil air minum portable
Prototipe unit purifikasi udara
Kombinasi Kombinasi FOTOKATALISIS FOTOKATALISIS ddg proses laing proses lain
Mengurangi laju rekombinasi eMengurangi laju rekombinasi e--/h/h++
Multi-fungsiMulti-fungsi
Degradasi polutan, produksi HDegradasi polutan, produksi H22, listrik, listrik
Mekanisme photo-electro-catalysis
Nano-komposit (TiO2NT-SWCNT)
Nano-komposit (TiO2-Graphene)
Nano-komposit (TiO2-Hexaniobate)
Nano-komposit (Ti-TiO2-CdSe)
Nano-flower
Aplikasi FOTOKATALISIS Aplikasi FOTOKATALISIS dari Kreasi Anak Bangsa dari Kreasi Anak Bangsa
((Mhs UIMhs UI))
Anti-Virus Flue Burung ???Anti-Virus Flue Burung ??? Helm Anti Kabut ???Helm Anti Kabut ??? Pemanfaatan potensi bahan lokal ???Pemanfaatan potensi bahan lokal ??? Dll ???Dll ???
Pemanfaatan Pemanfaatan Batu Apung sebagai penyangga TiOBatu Apung sebagai penyangga TiO22
Nano-Photocatalytic
No Topik Periode Project1 Degradasi gas VOC (acetaldehyde) 1998 - 2000 BPPT-TGP
3 Pengolahan limbah organik & logam berat 2003 RUUI
4 Pengolahan limbah jamak (logam berat, organik, asam) pada Reaktor Energi Surya
2004 - 2005 RUT-Ristek
5 Kombinasi Proses Fotokatalisis dan Adsorpsi (Zeolit, AC) untuk Degradasi Limbah Organik
2006 - 2007 Hibah Bersaing
6 Kombinasi Proses Fotokatalisis dan Ozonasi untuk Degradasi Limbah Organik
2007 - 2008 Hibah Pekerti (membina Untirta)
7 Pengembangan Nanomaterial Berbasis TiO2 untuk Aplikasi Swa-Bersih dan Anti Kabut
2007 RUUI
8 Pengembangan Nanomaterial TiO2 pd Bahan Keramik 2008 - 2009 PT. KIA Keramik
9 Pengembangan TiO2 Nanotube dan Aplikasinya untuk produksi H2 dari air (Renewable energy)
2008 – 2010 Insentif Ristek (dg Untirta)
10 Pemanfaatan Energi Surya Untuk Produksi H2 Menggunakan Nanomaterial Berbasis CdS-TiO2
2009 – 2013 Proposal Hibah Pasca, Osaka Gas
11 Penanganan Limbah Industri Farmasi (Fenol) melalui Proses Fotokatalisis, Ozonasi & Adsorpsi
2009 - 2010 Rencana Kerjasama dg PT. Riasima A.
12 Disinfeksi & Penyediaan Air Bersih Melalui Kombinasi Proses Adsorpsi dan Fotokatalisis
2009 - 2010 Proposal Hibah Strategis
13 Rekayasa Nanomaterial TiO2 untuk ‘daily life tools’ (Penyediaan Udara Bersih, Degradasi Asap Rokok, Perangkap Nyamuk, Kipas Angin/AC, Helm Anti Kabut, dll.) Product Design
2009 - 2015 Prop. RUUIProp. Hibah DIKTIMitra Industri
Research Topics of Nano-Research Topics of Nano-PhotocatalyticPhotocatalytic
RoadmapRoadmap of Nano- of Nano-PhotocatalyticPhotocatalytic
Tingkat Aplikasi
Periode
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2015
Fund
amen
tal
Tera
pan
Difu
si
12
3
4
12 2
5
6
2
4 5
6
7
8 8
99
10 1010
13 13
1212
13 13 13
9
10PRODUCT D
ESIGN
RENEWABLE ENERGY
Labo
rato
rium
Ben
ch/P
ilot
Indu
stri
Skala Riset
1111
1 13~ = no. topik sesuai tabel
Topik-topik Studi Kasus Topik-topik Studi Kasus
1. Unit Pengolah Limbah Rumah Tangga (Detergen)2. Unit Pengolah Air Hujan di Gunung Kidul3. Behel Gigi Swa-Steril4. Solar Degradation untuk Limbah Tumpahan Minyak5. Tekstil Swa-Bersih6. Kotak Sampah Anti Bau7. Sepatu Anti Bau8. Dudukan Toilet Swa-Steril & Anti-Bau9. Anti Statik pada Layar Monitor (Monitor Swa-Bersih)10. Lapisan Swa-Bersih pada HP11. Tikar Swa-Bersih12. Sikat Gigi Tanpa Odol13. Kemasan Makanan Anti Bakteri14. Pupuk Alami Ramah Lingkungan15. dll