Perpustakaan Digital ITB

Lebih dari 75% komposisi gas rumah kaca (GRK) di atmosfer adalah CO2, dan pembangkit listrik menyumbang hampir dua pertiga dari keseluruhan emisi CO2. Oleh karena itu, jika konsentrasi CO2 dari emisi gas buang dapat dikurangi secara signifikan, maka dampak pemanasan global juga akan berkurang. Mitigasi CO2 melalui skema Carbon Capture and Utilization (CCU) semakin diminati karena tidak hanya dapat mengurangi emisi CO2, tetapi juga mengubahnya menjadi produk yang bernilai. Salah satu produk yang menjanjikan adalah asam format (HCOOH) karena digunakan sebagai bahan baku dalam berbagai produk industri kimia. Pada penelitian ini, penangkapan CO2 menggunakan kontaktor membran dan pemanfaatannya menjadi asam format melalui reaktor fotokatalis membentuk sistem terintegrasi yang beroperasi secara sekuensial. Absorpsi gas-cair pada kontaktor membran menghasilkan CO2 terlarut, yang kemudian dikonversi menjadi asam format menggunakan fotokatalis yang diaktifkan oleh energi foton (UV/cahaya tampak). Salah satu inovasi dalam penelitian ini adalah penggunaan trietanolamin (TEA) yang memiliki fungsi ganda, yaitu sebagai absorben CO2 pada kontaktor membran dan sebagai donor elektron pada reaktor fotokatalisis. Dalam proses ini, proton (H+) dari oksidasi air dan elektron (e-) dari donor elektron diperlukan untuk reaksi fotoreduksi CO2 menjadi HCOOH secara sempurna. TiO2 dan ZnO digunakan sebagai semikonduktor karena kelimpahannya di alam serta energi celah pitanya yang sama atau lebih besar dari potensial reduksi CO2 menjadi asam format (-0,61 eV). Melalui pengembangan fotokatalis dengan prinsip heterojunction, penelitian ini diharapkan dapat diterapkan pada campuran gas yang menyerupai emisi pembangkit listrik dengan konsentrasi CO2 rendah (15 %-mol), serta memanfaatkan sumber energi dari spektrum cahaya tampak. Hingga saat ini, belum ada penelitian atau kajian serupa yang menggabungkan kontaktor membran dan fotokatalisis untuk CCU, termasuk ulasan mekanisme adsorpsi molekul fotoreduksi CO2 menjadi asam format. Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini dimulai dari penangkapan CO2 menggunakan kontaktor membran, dilanjutkan dengan fotoreduksi CO2 menjadi asam format, serta pengembangan fotokatalis selektif untuk menghasilkan asam format. Parameter pada tiap tahapan penelitian saling terhubung, sehingga urutan penelitian telah disusun untuk mencapai tujuan pada tahapan selanjutnya. Tahap penangkapan CO2 bertujuan untuk menentukan konsentrasi gas CO2, waktu operasi, jenis absorben, kapasitas penyerapan maksimum, serta laju penyerapan reaktif CO2. Hasil penelitian menunjukkan bahwa absorpsi menggunakan larutan TEA memiliki fluks yang lebih tinggi, yaitu 57,863 x 10-5 mol/m2.s, dibandingkan larutan NaOH dengan fluks 57,09 x 10-5 mol/m2.s. Kapasitas penyerapan maksimum menggunakan larutan TEA juga lebih tinggi sebesar 0,957 mol CO2/mol pelarut, dibandingkan NaOH sebesar 0,75 mol CO2/mol pelarut pada laju alir gas 800 mL/menit, sehingga TEA digunakan sebagai medium reaksi untuk tahap penelitian selanjutnya. Waktu penyerapan maksimum tercapai dalam 1,5 jam. Tahap awal fotoreduksi CO2 bertujuan untuk menentukan medium reaksi, katalis basis, mekanisme adsorpsi, hingga parameter signifikan. Berdasarkan hasil penelitian, kedua proses dapat berlangsung jika medium reaksi menggunakan TEA, di mana ZnO menghasilkan konsentrasi asam format yang lebih tinggi dibandingkan TiO2, yaitu sebesar 345,44 ?mol/L.gkat selama 4 jam. Oleh karena itu, ZnO dipilih untuk tahap penelitian selanjutnya. Mekanisme adsorpsi 2H+ dan HCOOH yang lebih kuat dibandingkan CO2 paling sesuai dengan data eksperimen dan komputasi Density Functional Theory (DFT). Konsentrasi asam format dapat diprediksi melalui model integrasi penangkapan dan fotoreduksi, di mana CHCOOH (fotoreduksi) = (400 U + 540.000) exp(0,042 t) – (-0,055 t + 67,33)0,5 pada laju alir gas umpan U selama waktu t. Berdasarkan metode CCD dan ANOVA, daya lampu UV dan pH larutan merupakan parameter signifikan yang mempengaruhi fotoreduksi. Penelitian selanjutnya adalah pengembangan fotokatalis ZnO-ZnS melalui variasi konsentrasi dan suhu kalsinasi. Hasil penelitian menunjukkan katalis sesuai dengan standar difraksi dengan panjang gelombang 405,18 nm (spektrum cahaya tampak). Aktivitas fotoreduksi CO2 menjadi HCOOH menunjukkan 3 katalis terbaik yaitu Z1, Z2, dan Z4 dengan rasio molar ZnO:ZnS dan suhu kalsinasi masing-masing (Z1) 1:2, 400oC, (Z2) 1:1, 400oC, (Z4) 1:2, 500oC yang menghasilkan laju pembentukan HCOOH sebesar 0,643; 0,554; dan 0,626 mmol/L.gkat.jam. Penggunaan umpan 15% CO2 dan lampu LED menghasilkan asam format tertinggi, yaitu 0,936 mmol/L.gkat dan 0,394 mmol/L.gkat selama 4 jam operasi. Penggunaan cahaya tampak dan katalis Z1 menunjukkan selektivitas yang lebih tinggi terhadap produksi asam format. Analisis EIS menunjukkan bahwa Z1 memiliki hambatan elektrokimia yang lebih rendah. Analisis SEM menampilkan adanya nanorod (ZnO) dan struktur berbentuk globular (ZnS) dengan ukuran antara 50–100 nm, sementara analisis HRTEM mengonfirmasi pola difraksi ZnO-ZnS. Setelah 4 jam fotoreduksi, sebagian besar puncak katalis ZnO-ZnS tetap stabil. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa perolehan dan produktivitas fotoreduksi CO2 menjadi HCOOH meningkat hingga 8,41x lipat setelah modifikasi katalis, dengan nilai berturut-turut: 2,574 mmol/gkat dan 0,644 mmol/jam. Pemanfaatan CO2 ini diharapkan dapat berkontribusi terhadap penurunan emisi CO2 dan memenuhi permintaan asam format, sebagai produk utilisasi CO2 dengan nilai pasar tertinggi, sehingga mendukung penerapan ekonomi sirkular.