Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2012 – ISBN : 978-979-028-550-7 Surabaya, 25 Pebruari 2012
Pembuatan Membran Komposit Kitosan-PVA dan Pemanfaatannya pada Pemisahan Limbah Pewarna Rhodamin-B Indah F. Farha, Nita Kusumawati Jurusan Kimia Universitas Negeri Surabaya
Abstrak Dalam penelitian ini telah dibuat membran kitosan-PVA dengan perbandingan 100%:0%, 75%:25%, 50%:50%, 25%:75%, 0%:100% (v/v). Pada pembuatan membran kitosan-PVA juga dilakukan penambahan Poli Etilen Glikol (PEG-6000) dengan konsentrasi 2,5% b/v sebagai porogen. Pada penelitian dilakukan uji tarikan dan regangan membran dengan menggunakan Autograph untuk mengetahui sifat mekanik membran. Sementara untuk mengetahui kinerja membran, dilakukan uji fluks menggunakan alat uji membran “dead-end” dengan tekanan operasional yang divariasikan pada rentang 1-4 kg/cm2. Selain itu, untuk mengetahui morfologi permukaan dan pori membran, dilakukan analisa menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Membran dengan perbandingan 75%:25% memiliki kekuatan mekanik terbaik yaitu sebesar 36,926 kgf. Selain itu membran dengan perbandingan tersebut memiliki ukuran pori yang lebih rapat yaitu berkisar 0,01-0,15 µm. Dan fluks terbaik terdapat pada membran dengan perbandingan 50%:50% Kata Kunci:
Membran Kitosan, Fluks, Rhodamin B
1. Pendahuluan Tekstil merupakan salah satu kebutuhan primer manusia dan memegang peranan yang sangat penting dalam kehidupan masyarakat. Tidak hanya itu, dalam perekonomian negara tekstil merupakan pemasok devisa non migas terbesar hingga mencapai US$ 10,14 miliar pada tahun 2008. Seperti halnya industri lain, yang memiliki sisi positif, industri tekstil juga memiliki sisi negatif, yaitu dihasilkannya limbah cair dalam jumlah besar dan sulit terurai di alam. Rhodamin-B merupakan salah satu pewarna non azo yang banyak digunakan dalam industri tekstil. Senyawa Rhodamin-B memiliki rumus molekul C28H31N2O3Cl, dengan berat molekul 479,02gr/mol. Dalam analisis yang menggunakan metode destruksi yang kemudian diikuti dengan analisis metode spektrofometri, diketahui bahwa sifat racun rhodamin B tidak hanya disebabkan oleh senyawa organik saja C - 69
tetapi juga oleh kontaminasi senyawa anorganik terutama timbal dan arsen (Subandi 1999). Teknologi membran berkembang dengan pesat, dan seiring dengan berjalannya waktu metode ini mengalami beberapa penyempurnaan. Membran merupakan lapisan tipis antara dua fasa fluida yang bersifat penghalang (barrier) terhadap suatu spesi tertentu, yang dapat memisahkan zat dengan ukuran berbeda, serta membatasi transport dari berbagai spesi berdasarkan sifat fisik dan kimianya (Heru Pratomo, 2003). Teknik pemisahan menggunakan membran memiliki beberapa kelebihan, diantaranya adalah sederhana dalam proses operasionalnya, dapat berlangsung dalam suhu kamar, sifatnya tidak destruktif, sehingga tidak menghasilkan perubahan (degradasi) dari zat yang dapat dipisahkan baik secara fisis maupun secara kimia, serta sebagian besar membran dapat
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2012 – ISBN : 978-979-028-550-7 Surabaya, 25 Pebruari 2012 digunakan kembali. Oleh karena itu, membran tergolong sebagai clean technology. Selain itu pemisahan dapat berlangsung kontinyu dan tidak terlalu banyak membutuhkan energi (Mulder, 1996). Pada saat ini, penelitian tentang pemanfaatan polimer alam sebagai membran sedang berkembang, mengingat keteruraiannya yang relatif tinggi di alam. Beberapa jenis polimer alam yang dapat digunakan sebagai bahan pembuat membran adalah selulosa asetat dan kitosan (Aryanto, 2002). Membran yang terbuat dari bahan dasar kitosan memiliki sifat mekanik yang tidak terlalu baik, diantaranya adalah ketahanannya yang lemah terhadap tarikan dan regangan. Oleh karena itu pada penelitian ini akan dilakukan pemisahan pewarna rhodamin-B menggunakan membran kitosan-PVA. Membran ini dibuat dengan mencampurkan larutan kitosan dengan Polivinil Alkohol (PVA) dengan variasi komposisi (100%:0%; 75%:25%; 50%:50%; 25%:75%; 0%:100%). Pada pembuatan membran kitosan-PVA juga dilakukan penambahan Poli Etilen Glikol (PEG-6000) dengan konsentrasi 2,5% b/v sebagai porogen.. Pada akhir penelitian akan dilakukan uji tarikan dan regangan membran dengan menggunakan Autograph untuk mengetahui sifat mekanik membran. Sementara untuk mengetahui kinerja membran, akan dilakukan uji fluks dan rejeksi menggunakan alat uji membran “dead-end” dengan tekanan operasional yang divariasi pada 1-5 kg/cm2. Selain itu, untuk mengetahui morfologi permukaan dan pori membran, dilakukan analisa menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). 2. Metode Penelitian 2.1. Pembuatan membran komposit kitosanPVA Untuk membuat membran kitosanPVA dengan perbandingan 75%:25%, mula-mula membuat larutan kitosan 100% dengan melarutkan 3 gram kitosan dalam 100 ml asam asetat 1% dan larutan PVA 100% dengan melarutkan 3 gram PVA dalam 100 mL aquades Selanjutnya larutan kitosan dicampurkan dengan larutan PVA C - 70
dengan variasi kitosan:PVA (100%:0%; 75%:25%; 50%:50%; 25%:75%; 0%:100%)v/v, serta PEG-600 dengan konsentrasi 2,5% b/v. Larutan diaduk dengan menggunakan magnetic stirrer hingga homogen. Larutan yang telah homogen selanjutnya dituangkan ke dalam cetakan cawan petri dan dikeringkan pada suhu kamar hingga diperoleh film kitosanPVA kering. Untuk melepas membran dari cetakan, diperlukan perendaman dengan menggunakan NaOH 1%. Membran yang diperoleh selanjutnya dibilas dengan aquades hingga netral. Untuk mengetahui karakteristik membran yang terbentuk, dilakukan analisis menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM), dan uji kuat tarik menggunakan Autograph. Perlakuan yang sama juga diterapkan untuk pembuatan membran komposit kitosanPVA dengan konsentrasi kitosan:PVA adalah (100%:0%; 75%:25%; 50%:50%; 25%:75%; 0%:100%). 2.2. Aplikasi membran pada alat dead-end dan penentuan nilai fluks pemisahan Membran yang akan diuji dipotong berbentuk lingkaran dengan diameter ± 5 cm. Membran diletakkan di bagian bawah alat penguji yang sebelumnya telah dilapisi dengan kertas saring. Selanjutnya dilakukan pengaplikasian aquabidestilata pada membran selama ± 1 jam, agar poripori membran dapat bekerja lebih efektif. Seratus mililiter larutan feed rhodamin-B dimasukkan ke dalam alat, ditutup rapat dan kemudian kedalamnya dialirkan tekanan 1 kg/cm2, 2 kg/cm2, 3 kg/cm2, dan 4 kg/cm2. Volume permeat yang dihasilkan dicatat setiap 5 menit selama 30 menit.
2.3.Aplikasi membran pada alat deadend dan penentuan nilai fluks pemisahan Untuk mengetahui konsentrasi rhodamin-B setelah dilewatkan membran, dilakukan pengukuran nilai
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2012 – ISBN : 978-979-028-550-7 Surabaya, 25 Pebruari 2012
absorbansi dengan menggunakan instrumen spektrofotometer UVVisible. Nilai absorbansi yang diperoleh dimasukkan ke dalam persamaan regresi dari kurva kalibrasi, untuk selanjutnya dapat dihitung koefisien rejeksinya. Dengan diketahuinya konsentrasi permeat maka koefisien rejeksi permeat dapat diketahui dengan menggunakan persamaan, sebagai berikut: R=1- Cp/Cf x 100% Dimana: R = koefisien rejeksi Cp = konsentrasi zat terlarut dalam permeate Cf = konsentrasi zat terlarut dalam umpan 2.4. Karakteristik Membran Karakteristik membran kitosanPVA meliputi uji tarik dan pengambilan citra penampang membran dengan Scanning electron microscope (SEM). Pengukuran uji tarik pada sampel membran menggunakan autograph di laboratorium farmasi Universitas Airlangga. Sedangkan pencitraan permukaan membran menggunakan SEM dilakukan di Laboratorium Geologi Kuarter bagian Laboratorium paleontologi Pusat Penelitian dan Pengembangan Geologi (LPP3G) menggunakan SEM JEOL JSM 35C. 3. Hasil dan Pembahasan 3.1. Pembuatan membran komposit kitosanPVA Pada penelitian ini membran dibuat dengan teknik infersi fasa yang dilakukan dengan cara melarutkan 3 gram kitosan dalam 100 ml asam asetat 1% dan diaduk selama 3 jam dan melarutkan 3 gram PVA dalam 100 ml aquades selama 3 jam dan 1 jam pertama disertai dengan pemanasan. Setelah larutan kitosan dan larutan PVA terbentuk maka kedua larutan tersebut dapat dicampurkan dengan perbandingan C - 71
100%:0%; 75%:25%; 50%:50%; 25%:75%; dan 0%:100% v/v, dan ditambahkan 2,5 gram PEG sebagai porogen kemudian dilakukan pengadukan kembali selama 30 menit sehingga terbentuk larutan dope yang berwarna kuning bening. Larutan dope yang telah terbentuk dituang perlahan-lahan pada cetakan. Kemudian cetakan tersebut dibiarkan menguapkan pelarutnya dalam waktu tiga hari pada suhu kamar sehingga terbentuk pori-pori pada membran dan membran mengering. Setelah proses pengeringan selesai, sebelum dilepas dari cetakan, membran terlebih dahulu direndam dengan 20 ml NaOH 1% selama 24 jam. Larutan NaOH dalam hal ini berfungsi sebagai non pelarut yang dapat berdifusi ke bagian bawah membran yang menempel pada cawan petri, sehingga membran dapat terangkat. Kemudian membran ditarik secara perlahan-lahan dan dicuci dengan aquades secara berulang-ulang untuk menghilangkan alkali yang masih menempel pada membran. Fasa dengan konsentrasi polimer yang tinggi dalam larutan polimer akan membentuk padatan atau matriks membran, sedangkan fasa dengan konsentrasi polimer yang rendah akan membentuk pori-pori (Mulder, 1996). Memban kitosan-PVA dengan perbandingan 100%:0%; 75%:25%; 50%:50%; 25%:75% dihasilkan berupa lembaran tipis, secara kasat mata terlihat memiliki permukaan yang rata dan memiliki perbedaan pada kedua permukaannya, permukaan atas yang lebih kasar dan permukaan bawah yang menempel pada cetakan memiliki permukaan yang lebih halus. Sedangkan pada membran dengan perbandingan 0%:100% dihasilkan membran yang berwarna putih dan berlubang cukup besar yang menyebar ke seluruh permukaannya.
3.2. Sifat MekanikMembran Pengukuran sifat mekanik perlu dilakukan untuk mengetahui kekuatan
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2012 – ISBN : 978-979-028-550-7 Surabaya, 25 Pebruari 2012
Tabel 1. Modulus Young Membran Kitosan-PVA dengan Berbagai Konsentrasi Jenis Membran 100%:0%
75%:25%
50%:50%
25%:75%
τ 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3
∆L
0.65 0.85 0.7 0.80 0.9 0.95 0.9 0.8 0.8 0.2 0.2 0.15
1.47 1.83 1.66 1.65 1.53 1.83 2.61 2.48 2.57 8.04 7.19 5.37
e
E
0.021 0.026 0.024 0.024 0.022 0.026 0.037 0.035 0.037 0.115 0.103 0.077
30.952 32.692 29.167 33.33 40.909 36.538 24.324 22.857 21.622 1.739 1.942 1.948
RataRata 30.937
22.934
Modulus Young (Kgf)
30 20 10 0 100%
40 30 20 10 0
0%
20%
40%
60%
80%
Konsentrasi PVA (%v/v)
Gambar 2. Modulus Young Membran KitosanPVA dengan berdasarkan Perubahan Konsentrasi PVA
Pada membran dengan komposisi 100%:0% memiliki nilai modulus young yang lebih rendah, hal tersebut karena pada komposisi ini tidak mengandung PVA meskipun konsentrasi kitosan tinggi dibandingkan komposisi yang lain. Sedangkan pada komposisi 50%:50% dan 25%:75%, memiliki modulus young yang rendah karena membran pada komposisi ini telah didominasi perilaku plastik yang tinggi sehingga kekuatan tarik yang dihasilkan rendah dan kekuatan regangnya sangat tinggi.
1.876
40
50%
Hubungan antara Konsentrasi PVA dan Modulus Young
36.926
Hubungan antara Konsentrasi Kitosan dan Modulus Young
0%
berfungsi sebagai penguat pada struktur membran.
Modulus Young (Kgf)
membran jika dikenai kekuatan yang dapat merusak membran. Uji kekuatan membran dilakukan pada suhu kamar dengan menggunakan alat Autograph yang nantinya akan dihasilkan nilai Load yaitu nilai kuat tegang membran pada saat putus dan Stroke yaitu kekuatan regangan pada saat putus yang dimiliki oleh membran.
150%
Konsentrasi Kitosan (%v/v)
Gambar 1. Modulus Young Membran Kitosan-PVA dengan berdasarkan Perubahan Konsentrasi Kitosan
Dari data tersebut dapat dilihat bahwa kekuatan membran terbesar terdapat pada membran dengan perbandingan 75%:25%, hal tersebut dapat dilihat dari nilai modulud young yang tinggi. Hal tersebut disebabkan pada membran ini memiliki komposisi kitosan yang tinggi dan didalamnya juga terdapat PVA yang
C - 72
3.3. Morfologi Membran Dari data tersebut dapat dilihat bahwa kekuatan membran terbesar terdapat pada membran dengan perbandingan 75%:25%, hal tersebut dapat dilihat dari nilai modulud young yang tinggi. Hal tersebut disebabkan pada membran ini memiliki komposisi kitosan yang tinggi dan didalamnya juga terdapat PVA yang berfungsi sebagai penguat pada struktur membran. Pada membran dengan komposisi 100%:0% memiliki nilai modulus young yang lebih rendah, hal tersebut karena pada komposisi ini tidak mengandung PVA meskipun konsentrasi
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2012 – ISBN : 978-979-028-550-7 Surabaya, 25 Pebruari 2012 kitosan tinggi dibandingkan komposisi yang lain. Sedangkan pada komposisi 50%:50% dan 25%:75%, memiliki modulus young yang rendah karena membran pada komposisi ini telah didominasi perilaku plastik yang tinggi sehingga kekuatan tarik yang dihasilkan rendah dan kekuatan regangnya sangat tinggi.
Pada gambar tersebut, ukuran pori pada membran dengan perbandingan 100%:0% berkisar antara antara 0,05-0,18 µm, pada membran dengan perbandingan 75%:25% pori yang dihasilkan berkisar antara 0,01-0,15 µm, dan pada membran dengan perbandingan 50%:50% pori yang dihasilkan berkisar antara 0,03-0,07 µm. karena ukuran diameter pori kurang dari 2 nm maka membran ini berukuran mikropori. Pada gambar telah nampak bahwa ukuran pori pada membran dengan perbandingan 75%:25% lebih rapat daripada membran dengan perbandingan 100%:0% dan 50%:50%. Pori-pori yang terbentuk dipengaruhi oleh konsentrasi polimer penyusun membran tersebut. Pada penelitian ini, masih terdapat sedikit serbuk kitosan yang tidak dapat melarut sempurna, dan ikut mengering bersama dengan membran. Seperti yang terlihat pada gambar bahwa terdapat itiktitik putih, hal ini disebabkan kelarutan polimer pada suatu pelarut terbatas. Sehingga pada konsentrasi tertentu tidak dapat larut atau mengalami kejenuhan (Adiarto, 1996), sehingga homogenitas larutan dope kurang sempurna.
3.4.Aplikasi membran pada alat deadend dan penentuan nilai fluks pemisahan grafik hubungan antara tekanan dan nilai fluks membran 100%:0% Fluks (L/m2.jam)
0.15 0.1
0.05 0 0
2
4
tekanan (Kg/cm2)
(a) Gambar 3. Citra membran Kitosan-PVA dengan perbandingan (a)100%:0%; (b) 75%:25%; (c) 50%:50% C - 73
6
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2012 – ISBN : 978-979-028-550-7 Surabaya, 25 Pebruari 2012 Hubungan Konsentrasi Membran KitosanPVA dan Nilai Fluks pada Tekanan 3 Kg/cm2
0.08
Fluks (L/m2.Jam)
fluks (L/m2.jam)
Hubungan antara Tekanan dan Fluks Membran 75%:25%
0.06 0.04 0.02 0 0
2
4
0.15 0.1 0.05 0 0
6
1
2
3
4
5
Konsentrasi Membran (%v/v)
tekanan (kg/cm2)
(b) Hubungan Konsentrasi Kitosan-PVA dan Nilai Fluks pada Tekanan 4 kg/cm2
0.35
Fluks (L/m2.Jam)
fluks ( L/m2.jam)
Hubungan Tekanan dengan Fluks Membran 25%:75%
0.15 -0.05
0
1
2
3
4
5
tekanan (kg/cm2
(c) Gambar 4. Grafik Hubungan Fluks dan Tekanan pada Membran Kitosan-PVA dengan Perbandingan (a) 100%:0%; (b) 75%:25%; (c) 50%:50%
Fluks (L/m2.Jam)
0.15 0.1 0.05 0 1
2
3
4
5
Konsentrasi Membran (%v/v)
Fluks (L/m2.jam)
Hubungan Konsentrasi Membran KitosanPVA dan Nilai Fluks pada tekanan 2 Kg/cm2
0.4 0.2 0 0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
5
Konsentrasi Membran (%v/v)
Gambar 5. Grafik Hubungan Fluks dan konsentrasi Membran dalam berbagai Tekanan Kinerja membrane dapat dilihat dari nilai fluks yang dihasilkan. Nilai fluks menunjukkan nilai laju alir dalam melewati membrane. Pada tahap pertama pengukuran fluks adalah dengan memberikan kompaksi membrane yang akan diuji, untuk mendapatkan nilai fluks yang konstan. Pada grafik dapat diketahui bahwa dengan bertambahnya nilai tekanan yang diberikan pada suatu membrane, maka nilai fluks yang dihasilkan akan semakin tinggi. Sedangkan pada membrane dengan komposisi 25%:75% memberikan nilai fluks yang besar dan pada tekanan 3 dan 4 atm membrane yang digunakan jebol. Pada gambar 5 menunjukkan bahwa komposisi membran kitosan-PVA berpengaruh pada besarnya nilai fluks yang dihasilkan. Pada komposisi ke-2 (75%:25%) pada tiap tekanan terjadi penurunan nilai fluks, hal tersebut
Hubungan konsentrasi Membran KitosanPVA dan Nilai Fluks pada Tekanan 1 kg/cm2
0
0.15 0.1 0.05 0
5
Konsentrasi Membran (%v/v)
C - 74
Prosiding Seminar Nasional Kimia Unesa 2012 – ISBN : 978-979-028-550-7 Surabaya, 25 Pebruari 2012 didukung oleh diameter pori pada membran tersebut lebih kecil dibandingkan komposisi membran yang lain, Menggunakan Biofilm Bakteri Konsorsium sehingga kemampuan untuk melewatkan dari Lumpur Limbah Tekstil. Econtropic. larutan umpan lebih rendah dibandingkan Vol. 3, no 2. Hal. 74-80. membran dengan komposisi yang lain, Meriatna. 2008. Penggunaan Membran yang cenderung lebih besar. Daftar Pustaka
Aryanto, A.Y. 2002. Pemanfaatan Khitosan dari Limbah Kulit Udang (Crustacea) Sebagai Bahan untuk Pembuatan Membran. Skripsi. Fateta IPB Bogor. Aziz, M.S. 2008. Role of Electrokinetic Parameters on Asymetric Ultrafiltration Flux and Rejection During Separation of Bovine Serum Albumin.Tesis yang dipublikasikan. Malaysia: Universitas Malaysia Pahang. Chatterjee, D, Vidya, R, Anindita, S. 2007. Kinetics of the decoloration of reactive dyes over visible light-irradiated TiO2 semiconductor photocatalyst. Journal of Hazardous Materials 156 (2008) 435-441. Elsevier. Gustiani, Srie., Sugiana, D. 2009. Teknologi Bioreaktor Membran pada Pengolahan Limbah Cair Tekstil Berwarna. Arena Tekstil. Vol. 24. Hal 41-50. Heru Pratomo Al. 2003. Pembuatan dan Karakterisasi Membran Komposit Polisulfon Selulosa Asetat Untuk Proses Ultrafiltrasi. Jurnal Pendidikan Matematika dan Sains. Edisi 3. Tahun VIII. I Dewa K. Sastrawidana., Bibiana W. Lay., Anas Miftah Fauzi., Dwi Andreas Santosa. 2008. Pengolahan Limbah Tekstil Sistem Kombinasi Anaerobik-Aerobik
Kitosan Untuk Menurunkan Kadar Logam Krom(Cr) dan Nikel(Ni) Dalam Limbah Cair Industri Pelapisan Logam. Tesis. Fakultas Teknik Kimia, Universitas Sumatera Utara. Mulder, M. 1991. Basic Principles of Membran Technology. Netherlands: Khewer Academic Publisher. Rossa, E. 2011. Teknologi Pengolahan Limbah Zat Warna Tekstil Rhodamin-B Menggunakan Membran Komposit Kitosan-PVA. Skripsi. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, UNESA. Sugiyono. 2008. Metode Penelitian Kuantitatif Kualitatif dan R&D. Bandung:Alfabeta. Tania, S. 2011. Pembuatan dan Uji Kemampuan Membran Kitosan Sebagai Membran Ultrafiltrasi untuk Pemisahan Zat Warna Rhodamin B. Skripsi. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, UNESA. Umeda, M. 1956. Experimental study of xanthene dyes as carcinogenic agents. Gann 47–51.s Zulfikar. M. Ali., Wahyuningrum.D., Berghuis, Tanyela Berghuis. 2009.Pengaruh Konsentrasi Kitosan Terhadap Sifat Membran Komposit Kitosan-Silika untuk Sel Bahan Bakar. Prosiding Seminar Kimia Bersama UKM-ITB VIII. Hal 254262.
C - 75
