Bab 3
Metode Penelitian
Penelitian ini terdiri atas tahap pembuatan kitin dan kitosan, sintesis karboksimetil kitosan dari kitin dan kitosan, pembuatan membran kitosan dan karboksimetil kitosan, dan karakterisasi. Karakterisasi yang dilakukan meliputi karakterisasi polimer (kitosan dan karboksimetil kitosan) dan karakterisasi membran (kitosan dan karboksimetil kitosan). Karakterisasi polimer mencakup spektrofotometri IR, analisis termal (TGA/DTA dan DSC), dan uji kelarutan polimer. Karakterisasi membran mencakup penentuan kapasitas penukar ion, potensial membran, permeabilitas metanol, dan konduktivitas proton (analisis IS).
3.1
Alat dan Bahan Penelitian
3.1.1 Daftar alat •
Peralatan gelas,
•
Blender untuk menghaluskan kulit udang,
•
Hotplate stirrer dan pengaduk magnetnya untuk mengaduk campuran reaksi,
•
Branson 2210 ultrasonic cleaner,
•
Oven untuk mengeringkan kulit udang pada setiap tahap pembuatan kitin, kitosan, dan karboksimetil kitosan,
•
Neraca digital (4 digit desimal),
•
Stopwatch dan Viskometer Ostwald untuk penentuan massa molekul rata-rata kitosan secara viskometri ( M v ),
•
FT-IR Shimadzu Prestige 21 untuk analisis spektrofotometri infra-merah,
•
Set pengukuran potensial membran untuk pengukuran membran potensial dan permeabilitas metanol,
•
Gas Chromatography Hewlett-Packard 5890 untuk menentukan konsentrasi metanol pada penentuan permeabilitas metanol,
•
IS Agilent E4980A precision LCR meter untuk pengukuran konduktivitas proton.
3.1.2 Daftar bahan •
Limbah kulit udang sebagai bahan baku kitosan, terdiri dari kepala, badan, dan ekor (disediakan oleh Laboratorium Kimia Fisik Material),
•
Natrium hidroksida (NaOH) padat (pro analisis, p.a.) yang digunakan untuk membuat larutan NaOH dengan berbagai konsentrasi (Merck),
•
Larutan asam klorida (HCl) 32% (b/v) yang digunakan untuk membuat larutan HCl dengan berbagai konsentrasi (Merck),
•
Aseton sebagai reagen pada tahap ektraksi zat warna (Merck),
•
Larutan CH3COOH 1-2% (v/v) sebagai pelarut kitosan (Merck),
•
Litium klorida (LiCl) padat (p.a., Merck),
•
N,N-dimetilasetamida (DMAc) (Merck),
•
Asam kloroasetat sebagai pereaksi pembentuk karboksimetil kitosan (Merck),
•
Pelarut anorganik, NaOH 0,5 M; HCl 0,1 M; NaCl 1% (b/v) (Merck); aqua dm, dan pelarut organik, CH3COOH 2% (v/v); tetrahidrofuran (THF) (Merck); aseton (Merck); N,N-dimetilasetamida (DMAc) (Merck); dimetilformamida (DMF) (Merck), untuk uji kelarutan polimer,
•
Metanol (p.a., Merck) dan ultra pure water (milipore) untuk penentuan permeabilitas metanol.
3.2
Isolasi Kitin dan Pembuatan Kitosan
Kitosan merupakan hasil konversi kitin yang berasal dari kulit udang. Limbah kulit udang yang telah diperoleh dihaluskan menggunakan blender. Pembuatan kitosan terdiri dari tahap penghilangan protein (deproteinasi), penghilangan mineral (demineralisasi), deasetilasi kitin, dan ekstraksi zat warna (dekolorisasi) [14].
3.2.1 Tahap deproteinasi Limbah kulit udang yang telah berbentuk serbuk dimasukkan ke dalam larutan NaOH 3,5% (b/v) dengan perbandingan 1:10 (b/v). Setelah itu, suspensi tersebut dipanaskan pada suhu 65°C selama 2 jam. Selanjutnya campuran ini didinginkan, disaring, dicuci hingga pH netral, dan dikeringkan dengan oven pada suhu 65°C.
17
3.2.2 Tahap demineralisasi Limbah kulit udang yang telah dihilangkan proteinnya dimasukkan ke dalam larutan HCl 1M dengan perbandingan 1:15 (b/v), lalu diaduk pada suhu kamar selama 1 jam. Limbah kulit udang yang telah menjadi kitin ini kemudian disaring, dicuci hingga pH netral, dan dikeringkan dengan oven pada suhu 65°C.
3.2.3 Tahap deasetilasi Kitin yang telah dihasilkan diubah menjadi kitosan melalui proses deasetilasi. Kitin direaksikan dengan larutan NaOH 50% (b/v) dengan perbandingan 1:10 (b/v) dan dipanaskan selama 4 jam pada suhu 100°C. Setelah itu, kitosan yang terbentuk dicuci dengan air hingga netral lalu dikeringkan dalam oven pada suhu 65°C. Kitosan yang telah terbentuk diuji kelarutannya dalam CH3COOH 1% (v/v). Jika kitosan tidak larut, deasetilasi dilakukan kembali hingga kitosan tersebut larut.
3.2.4 Tahap dekolorisasi Tahap penghilangkan warna pada kitosan dilakukan dengan ekstraksi (soxhlet) selama 8 jam, menggunakan pelarut aseton dengan perbandingan 1:100 (b/v), kemudian kitosan ini dikeringkan dalam oven pada suhu 65°C.
3.3
Sintesis karboksimetil kitosan
3.3.1 Kitin sebagai bahan baku Sintesis karboksimetil kitin yang telah dilakukan terdiri dari dua metode, yaitu sintesis secara homogen [17] dan sintesis secara heterogen [18]. a. Sintesis secara homogen Pembuatan larutan kitin Larutan yang terdiri dari 1 g LiCl dalam 20 mL DMAc ditambahkan dengan 0,6 g kitin, lalu diaduk pada suhu kamar selama satu jam. Setelah itu, 10 mL DMAc ditambahkan dan campuran tersebut diaduk selama dua jam. Larutan kitin yang terbentuk dipisahkan dari kitin yang tidak larut.
18
Sintesis karboksimetil kitin Sebanyak 100 mL larutan kitin dan 3,5 mL larutan NaOH 80% (b/v) dicampurkan dalam labu Erlenmeyer bertutup. Campuran tersebut diaduk selama satu jam pada suhu kamar. Setelah itu, 5 gram asam kloroasetat ditambahkan ke dalam campuran tersebut. Setelah campuran tersebut direaksikan selama delapan jam pada suhu kamar, polimer diendapkan dengan menggunakan metanol. Endapan yang terbentuk dikeringkan pada suhu 50°C. Sintesis karboksimetil kitosan Karboksimetil kitin yang dihasilkan dideasetilasi seperti cara deasetilasi pada pembuatan kitosan yang telah dijelaskan di atas. b. Sintesis secara heterogen Sintesis karboksimetil kitin Kitin, asam kloroasetat, dan larutan NaOH 42% (b/v) dengan perbandingan 5 g : 3 g : 50 mL direaksikan pada 0°C selama 48 jam. Setelah 48 jam, pH campuran reaksi diatur menjadi 1,0 melalui penambahan asam klorida. Setelah campuran reaksi disaring, padatan yang dihasilkan dicuci dua kali dengan metanol. Produk yang diperoleh dikeringkan dalam oven pada 60°C. Sintesis karboksimetil kitosan Karboksimetil kitin yang dihasilkan dideasetilasi seperti cara deasetilasi pada pembuatan kitosan yang telah dijelaskan di atas.
3.3.2 Kitosan sebagai bahan baku Sintesis karboksimetil kitosan hanya dilakukan secara heterogen sesuai dengan [18]. Kitosan, asam kloroasetat, dan larutan NaOH 42% (b/v) dengan perbandingan 5 g : 3g : 50mL direaksikan pada 0°C selama 48 jam. Setelah 48 jam, pH campuran reaksi diatur menjadi 1,0 melalui penambahan asam klorida. Setelah campuran reaksi disaring, padatan yang dihasilkan dicuci dua kali dengan metanol. Produk yang diperoleh dikeringkan dalam oven pada 60°C.
3.4
Pembuatan Membran Kitosan dan Karboksimetil Kitosan
Sebanyak 0,25 gram polimer dilarutkan dalam 25 mL larutan asam asetat 2% (v/v). Kemudian, larutan tersebut disaring dan dituangkan ke dalam cawan petri. Larutan dibiarkan
19
menguap hingga terjadi perubahan fasa dari cair menjadi padat (inversi fasa). Membran padat yang diperoleh dinetralkan oleh larutan NaOH 2 M lalu dicuci dengan air.
3.5
Karakterisasi Polimer
3.5.1 Karakterisasi kitosan Karakterisasi kitosan meliputi analisis gugus fungsi dengan FT-IR, penentuan derajat deasetilasi, penentuan massa molekul rata-rata, analisis termal secara TGA/DTA dan DSC, dan uji kelarutan dengan menggunakan pelarut anorganik dan pelarut organik. a. Analisis FT-IR Sebanyak 1 mg kitosan dicampur dengan KBr. Campuran ini kemudian digerus dengan mortar sampai halus lalu ditekan sehingga berbentuk pelet. Pelet KBr yang diperoleh dimasukan ke tempat cuplikan dan direkam spektra infra merahnya pada bilangan gelombang 4500-400 cm-1. b. Penentuan derajat deasetilasi Spektrum FT-IR hasil scanning pada daerah bilangan gelombang 4000-650 cm-1 dapat digunakan untuk menentukan derajat deasetilasi kitosan. Metode yang digunakan dikenal dengan metoda baseline [19]. Pada metoda ini puncak tertinggi dicatat dan diukur dari garis dasar yang telah dipilih. Nilai absorbansi dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: A= log (Po/P)
(3.1)
dengan, Po = % transmitan pada garis dasar P = % transmitan pada puncak minimum Perbandingan antara absorbans pada ν = 1655 cm-1 (serapan gugus amida) dengan absorbans pada ν = 3450 cm-1 (serapan gugus hidroksill) dihitung. Untuk N-asetilasi kitin yang sempurna diperoleh nilai
1,33. Perhitungan N-deasetilasi adalah sebagai berikut :
% N-deasetilasi =
,
%
(3.2)
c. Penentuan massa molekul rata-rata Massa molekul rata-rata kitosan ditentukan melalui metode viskometri [20]. Alat yang digunakan adalah viskometer Ostwald. Waktu alir fluida sebanding dengan viskositas fluida. Dengan demikian dapat dituliskan persamaan berikut [21]:
20
(3.3) dengan,
ηsp
= viskositas jenis
t
= waktu alir larutan pada viskometer Ostwald
t0
= waktu alir pelarut pada viskometer Ostwald
Pada konsentrasi larutan encer, berlaku hubungan: (3.4) dengan, C
= konsentrasi larutan (gram per 100 mL)
[η]
= viskositas intrinsik
Persamaan Mark-Houwink:
[η ] = KM v a
(3.5)
Dengan mengalurkan nilai C terhadap ηsp/C dan menariknya pada sumbu C = 0 maka akan diperoleh nilai [η], sesuai dengan persamaan Huggins : (3.6) Dengan persamaan Mark-Houwink dapat diperoleh nilai massa molekul rata-rata kitosan (
). Dalam hal ini nilai K dan
berturut-turut untuk kitosan adalah 1,46 x 10-4 dan 0,83
[14]. Adapun variasi konsentrasi larutan kitosan pada penelitian ini adalah 0,004 gram per 100 mL; 0,01 gram per 100 mL; 0,02 gram per 100 mL dan 0,05 gram per 100 mL. Larutan kitosan dibuat dengan pelarut asam asetat 1% (v/v). d. Analisis termal secara TGA/DTA dan DSC Metode pengukuran TGA yang digunakan adalah metode standar JIS K 7120. Pengukuran dilakukan pada rentang suhu 30oC – 550oC dengan laju alir gas nitrogen sebesar 260 mL/menit dan laju kenaikan suhu sebesar 10oC/menit. Pengukuran DSC dilakukan pada rentang suhu 25oC – 200oC dengan laju alir gas nitrogen sebesar 60 mL/menit dan laju kenaikan suhu sebesar 10oC/menit. e. Uji kelarutan dengan menggunakan pelarut anorganik dan pelarut organik. •
Pelarut anorganik: NaOH 0,5 M; HCl 0,1 M; NaCl 1%; dan aqua dm,
•
Pelarut organik: CH3COOH 2%; THF; Aseton; DMAc; dan DMF.
21
3.5.2 Karakterisasi kitin Karakterisasi kitin meliputi: a. Analisis gugus fungsi melalui FT-IR, b. Uji kelarutan dengan menggunakan pelarut anorganik dan pelarut organik. Pelarut uji yang digunakan sama seperti pada uji kelarutan kitosan.
3.5.3 Karakterisasi karboksimetil kitin Karakterisasi karboksimetil kitin meliputi: a. Analisis gugus fungsi melalui FT-IR, b. Uji kelarutan dengan menggunakan pelarut anorganik dan pelarut organik. Pelarut uji yang digunakan sama seperti pada uji kelarutan kitosan.
3.5.4 Karakterisasi karboksimetil kitosan Karakterisasi karboksimetil kitosan meliputi: a. Analisis gugus fungsi melalui FT-IR, b. Uji kelarutan dengan menggunakan pelarut anorganik dan pelarut organik. Pelarut uji yang digunakan sama seperti pada uji kelarutan kitosan, c. Analisis termal secara TGA/DTA dan DSC. Metode pengukuran TGA yang digunakan adalah metode standar JIS K 7120. Pengukuran dilakukan pada rentang suhu 30oC – 550oC dengan laju alir gas nitrogen sebesar 260 mL/menit dan laju kenaikan suhu sebesar 10oC/menit. Pengukuran DSC dilakukan pada rentang suhu 25oC – 200oC dengan laju alir gas nitrogen sebesar 60 mL/menit dan laju kenaikan suhu sebesar 10oC/menit.
3.6
Karakterisasi Membran
Karakterisasi membran kitosan dan karboksimetil kitosan meliputi penentuan kapasitas penukar ion, potensial membran, permeabilitas metanol, dan konduktivitas proton dengan menggunakan IS.
22
3.6.1 Kapasitas penukar ion Membran direndam dalam 50 mL larutan NaOH 0,1 M (0,1 N) selama 12 jam pada suhu kamar. Kemudian, membran tersebut diangkat dan dibersihkan permukaannya dengan menggunakan tisu. Setelah itu, membran direndam dalam 30 mL larutan H2SO4 0,1 M (0,2N) selama 24 jam pada suhu kamar. Sebanyak 5 mL larutan H2SO4 0,1 M yang digunakan untuk merendam membran diambil dan dititrasi oleh larutan NaOH 0,1 M. Kapasitas penukar ion dihitung menggunakan persamaan berikut:
KPI =
( B − P ) × CM NaOH × f m
(3.7)
Keterangan: KPI = kapasitas penukar ion B = volume larutan NaOH 0,1 M untuk menetralkan blanko (mL) P = volume larutan NaOH 0,1 M untuk menetralkan membran (mL) CM NaOH = konsentrasi larutan NaOH secara tepat (M) f ≡ hasil kali koefisien reaksi dengan faktor pengenceran =
30mL 0,1N × =3 5mL 0, 2 N
m = massa sampel (gram)
3.6.2 Potensial membran Membran yang akan diukur potensialnya direndam dalam larutan KCl 2 M selama 12 jam lalu dicuci dengan air. Membran diletakkan di antara dua larutan KCl yang memiliki perbedaan konsentrasi. Bilik sebelah kiri berisi larutan KCl 0,001 M sedangkan bilik di sebelah kanan diisi dengan larutan KCl yang beragam, yaitu 0,001 M; 0,01 M; 0,1 M; 1 M; dan 2 M. Potensial diukur dengan menggunakan voltmeter seperti pada Gambar 3.1. Data potensial yang diukur oleh voltmeter diolah dalam bentuk grafik lalu dilakukan curve fitting terhadap Persamaan 2.4 dengan menggunakan piranti lunak Origin® [14].
23
Elektroda Gelas
Voltmeter
V Jembatan Garam
Membran Bermuatan Pengaduk Magnet Larutan KCl jenuh
Gambar 3.1 Skema alat pengukuran potensial membran. Bilik di sebelah kiri diisi dengan larutan KCl 0,001 M sedangkan bilik di sebelah kanan diisi dengan larutan KCl yang bervariasi, yaitu 0,001 M hingga 2 M [14].
3.6.3 Permeabilitas metanol Membran yang akan diukur permeabilitas metanolnya direndam dalam ultra pure water selama 12 jam. Peralatan yang digunakan pada penentuan permeabilitas metanol sama seperti yang digunakan pada pengukuran potensial membran. Membran dijepit di antara dua bilik yang berisi metanol p.a. dan ultra pure water. Skema alat penentuan permeabilitas metanol dapat dilihat pada Gambar 3.2. Sampling pada bilik air (bilik kanan) dilakukan dengan selang waktu 10 menit dan konsentrasi metanol yang terdifusi ditentukan dengan menggunakan gas chromatography. Sampling terus dilakukan hingga konsentrasi metanol yang diperoleh pada bilik air relatif tetap.
Gambar 3.2 Skema alat penentuan permeabilitas metanol. Bilik di sebelah kiri berisi metanol p.a. dan bilik di sebelah kanan berisi ultra pure water.
24
Luas puncak metanol pada kromatogram berbanding lurus dengan konsentrasi metanol yang terdifusi ke bilik air. Dari data luas puncak metanol, koefisien permeabilitas dapat ditentukan dengan mengalurkan kurva antara − ln
− ln
Cf C0
Cf C0
terhadap t sesuai dengan Persamaan 3.8 [22].
= − ln
(C0 − Cs ) Ap = t C0 Vf
(3.8)
Setelah nilai koefisien permeabilitas diketahui, permeabilitas metanol dapat ditentukan melalui Persamaan 3.9.
P = pl
(3.9)
Keterangan: C0 = konsentrasi metanol awal (mol L-1) Cf = konsentrasi metanol pada fasa umpan (mol L-1) Cs = konsentrasi metanol pada fasa permeat (mol L-1) A = luas permukaan membran (cm2) l = ketebalan membran (cm) p = koefisien permeabilitas (cm s-1) P = permeabilitas (cm2 s-1)
3.6.4 Konduktivitas proton Impedansi membran diukur dengan menggunakan Agilent E4980A LCR meter. Membran ditempatkan pada penjepit sampel lalu pengukuran dilakukan pada frekuensi 20 Hz – 2 MHz dengan amplitudo 1 V pada arus AC.
25
