PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DARI LIMBAH SERBUK GERGAJI KAYU DAN IDENTIFIKASINYA
TESIS Diajukan sebagai salah satu syarat untuk Memperoleh gelar Magister Pengajaran dari Institut Teknologi Bandung
Oleh SUYATI NIM : 20506046 Program Studi Kimia
PROGRAM MAGISTER KIMIA-PASCA SARJANA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
i
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HAKI yang berlaku di Institut Teknologi Bandung.
Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi
pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya. Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pasca Sarjana, Institut Teknologi Bandung.
ii
PENGESAHAN PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DARI LIMBAH SERBUK GERGAJI KAYU DAN IDENTIFIKASINYA
Oleh SUYATI NIM : 20506046 Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung
Disetujui Tanggal : 22 Mei 2008
Oleh Pembimbing
Dr. I. Made Arcana NIP : 131 801 348
iii
UCAPAN TERIMAKASIH
Segala puji hanya milik Allah SWT semata, yang senantiasa memberikan petunjuk, bimbingan dan kemudahan-Nya kepada penulis, sehingga dapat menyelesaikan kegiatan penelitian dan penulisan tesis yang berjudul, “ Pembuatan Selulosa Asetat dari Limbah Serbuk Gergaji Kayu dan Identifikasinya.” Sebagai salah satu syarat dalam menempuh pendidikan Magister Pasca Sarjana di Institut Teknologi Bandung. Selama melakukan penelitian dan penulisan ini, penulis menyadari akan keterbatasan yang dimiliki penulis, namun atas bantuan dan dukungan, pembimbing, para dosen, keluarga dan sahabat - sahabat, akhirnya tesis ini dapat diselesaikan. Untuk itu dengan tulus penulis mengucapkan terima kasih kepada: Dr. I. Made Arcana yang telah banyak meluangkan waktu dan pikiran dalam membimbing, mengarahkan, memberikan kesempatan menambah wawasan dalam memahami berbagai aspek penelitian yang berkaitan dengan pembuatan selulosa asetat dan banyak memberikan dukungan moril selama penelitian dan penulisan berlangsung. Ucapan terima kasih yang tulus penulis sampaikan juga kepada : 1. Dirjen Binbagais Departemen Agama RI atas bantuan Beasiswa Pendidikan Pasca Sarjana yang diterima selama pendidikan program magister ini. 2. Kepala MAN 2 Model Medan H. Ali Masran Daulay Spd. MAg. atas izin dan dukungan kepada penulis untuk melanjutkan pendidikan S2. 3. Direktur Program Pasca Sarjana, Ketua Program Studi Kimia beserta staf pengajar dan karyawan yang telah memberikan kesempatan dan pelayanan kepada penulis selama mengikuti Program Magister Kimia di Institut Teknologi Bandung. 4. Dr. Veinardi sebagai Kepala Laboratorium Kimia Fisika Material yang telah menyediakan fasilitas untuk kelancaran penelitian ini.
iv
5. Suamiku tercinta yang telah memberi ijin, semangat, doa, dorongan materi-non materi sehingga penulis dapat menyelesaikan studi ini dengan baik, serta anak-anakku yang menjadi sumber inspirasi. 6. Ibuku tercinta yang selalu mendoakan dan memberi semangat. 7. Rekan-rekan mahasiswa S2 Depag 2006, terutama sahabat-sahabat terbaik di Taman Hewan, Susi, Eni, Mubaroh, Haeruddin, Ali, Rina, Nelly S dan rekan-rekan dari program S3, Bambang P., Laode R., Maskuri, Ari W atas segala bantuannya, serta semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu, yang telah memberikan bantuan. Mudah-mudahan segala bantuan yang telah mereka berikan menjadi amal sholeh di sisi Allah. Akhirnya penulis berharap semoga tesis ini bermanfaat bagi penulis maupun para pembaca .
Bandung, Juni 2008 Penulis
PERSEMBAHAN
v
”Tiada yang dapat mengetahui ilmu Allah kecuali atas kehendak-Nya, kursi Allah sangat luas meliputi langit dan bumi..........” (QS : 2; 255)
Tulisan ini kupersembahkan untuk suamiku tercinta “Kakanda Drs. Syamsul Qomar” Ibuku Satunah dan ke dua mertuaku Zaenal Arifin dan Musyarofah Anak-anakku Rosikul Ilmi (Ami), FahturRobbani (Fatur), Fauzul adzim (Faiz) dan Nadya Riqqoh Adilla (Lala ) yang selalu mendoakan, memberikan motivasi dan membantu dalam segala hal
vi
ABSTRAK PEMBUATAN SELULOSA ASETAT DARI LIMBAH SERBUK GERGAJI KAYU DAN IDENTIFIKASINYA
Oleh Suyati NIM : 20506046 Perkembangan pesat industri pulp dan kertas serta industri pengolahan kayu lainnya menyebabkan kebutuhan bahan selulosa meningkat. Selain dimanfaatkan untuk industri pulp, tekstil (rayon dan cotton), film dan peralatan rumah tangga, selulosa juga dimanfaatkan untuk industri pembuatan selulosa asetat. Selulosa asetat digunakan sebagai membran ultra filtrasi, pemisahan metanol - metil tersier butil ester, dan proses osmosis balik dalam pengolahan limbah pelapisan logam (electroplating). Penelitian ini bertujuan untuk memanfaatkan limbah pembuangan pabrik penggergajian kayu sebagai sumber selulosa asetat. Selain menghasilkan produk selulosa asetat yang banyak sekali manfaatnya, penelitian ini juga diharapkan dapat memberikan sumbangan pemikiran untuk Sekolah Menengah Atas (SMA) atau Madrasah Aliyah (MA) sebagai materi pengayaan pada pelajaran Polimer. Pada penelitian ini selulosa yang dihasilkan dari isolasi serbuk gergaji kayu memiliki randemen 49%. Selulosa asetat telah dapat dibuat dari selulosa hasil isolasi melalui asetilasi selulosa dengan asam asetat anhidrida dan asam sulfat digunakan sebagai katalis. Kadar asetil pada proses asetilasi selama 20 jam adalah 44,32 % dan pada proses asetilasi selama 42 jam sebesar 40,92 %. Terbentuknya selulosa asetat dari selulosa dibuktikan dari analisis gugus fungsi dengan FTIR, yakni adanya serapan gugus karbonil (C=O) dan gugus (C-O) ester masing-masing pada bilangan gelombang 1755 cm-1 dan 1238 cm-1 Analisis termal dengan DTA/TGA memperlihatkan suhu degradasi selulosa 340oC dan selulosa asetat 315oC.
Kata kunci : Isolasi, selulosa, selulosa asetat, serbuk gergaji kayu.
vii
ABSTRACT SYNTHESIS OF CELLULOSE ACETAT FROM WOOD LUMBERMILL WASTE AND THEIR IDENTIFICATION
By Suyati NIM : 20506046 Rapid development of pulp and paper industry and wood processing industry increase need of cellulose material . Cellulose is not only use for pulp, textile ( rayon and cotton), film and household equipments industry, but also for making cellulose acetate. Cellulose acetate is used as a membrane of ultra filtration, separation of methanol- tertiary metyl of butyl ester, and reverse osmosis process in waste processing of metal electroplating. This research aims to prepare cellulose acetate from waste of wood lumbermill. Besides obtaining cellulose acetate product with various applications, it is also expected to give positive contribution for senior high school especially in enrichment material of polimer subject. Rendemen of cellulose obtained from wood sawdust was 49%. The cellulose acetate can be prepared from the isolated cellulose by acetylation process using anhydride acetic acid and sulfuric acid as catalyst. The acetylation degree obtained using acetylation time of 20 and 42 hours was 44,32 % and 40,92 % respectively. The formation of cellulose acetate from isolated cellulose was proved by fungtional groups analysis using FTIR, spectroscopy which showed the presence of obsorption peak of carbonil group (C=O) and ester group (C-O) at wave numbers of 1755 cm-1 and 1238 cm-1, respectively. Thermal analysis using DTA/TGA showed that degradation temperature of cellulose and cellulose acetate are 340oC and 315oC respectively.
Key Words : Isolation , cellulose, cellulose acetate, wood lumbermill waste
viii
DAFTAR ISI
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS .................................................................... ii PENGESAHAN ..................................................................................................... iii UCAPAN TERIMAKASIH................................................................................... iv PERSEMBAHAN ................................................................................................... v ABSTRAK ............................................................................................................ vii ABSTRACT......................................................................................................... viii DAFTAR ISI.......................................................................................................... ix DAFTAR LAMPIRAN.......................................................................................... xi DAFTAR TABEL................................................................................................. xii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii Bab I
Pendahuluan ............................................................................................ 1
I.1
Latar Belakang dan Masalah................................................................... 1
I.2
Tujuan ..................................................................................................... 2
I.3
Batasan Masalah ..................................................................................... 2
Bab II
Tinjauan Pustaka ..................................................................................... 4
II.1
Polimer .................................................................................................... 4
II.2
Selulosa ................................................................................................... 5
II.2.1
Sifat-Sifat Kimia Selulosa .................................................................... 9
II.2.2
Isolasi dan Pemurnian Selulosa ........................................................ 11
II.2.3
Kereaktifan Selulosa........................................................................... 13
II.3
Selulosa Asetat ...................................................................................... 15
II.4
Karakterisasi.......................................................................................... 17
II.4.1 Analisis Termal Deferensial ( DTA) dan TGA (Thermal Gravimetric Analysis) ............................................. 17 II.4.2 Analisis Fourier Transform Infrared ( FT-IR ) Spektrometer ............. 19 Bab III
Metodologi ............................................................................................ 22
III.1 Alat dan Bahan...................................................................................... 22 III.1.1 Alat-alat............................................................................................... 22 III.1.2 Bahan-bahan........................................................................................ 22 III.2 Diagram Alir Penelitian ........................................................................ 23
ix
III.2.1 Rancangan Penelitian .......................................................................... 23 III.2.2 Isolasi Selulosa.................................................................................... 23 III.2.3 Sintesis Selulosa Asetat ...................................................................... 24 III.3
Cara Kerja. .......................................................................................... 24
III.3.1 Persiapan Sampel ................................................................................ 24 III.3.2 Pembuatan Selulosa Asetat ................................................................. 24 III.3.2.1 Ekstraksi Serbuk Gergaji Kayu......................................................... 24 III.3.2.2 Isolasi Selulosa.................................................................................. 25 III.3.2.3 Asetilasi Selulosa .............................................................................. 25 III.3.3
Karakterisasi..................................................................................... 26
III.3.3.1 Penentuan asam bebas....................................................................... 26 III.3.3.2 Penentuan kandungan asetil .............................................................. 26 III.3.3.3 Analisis FTIR .................................................................................... 26 III.3.3.4 Analisis Termal dengan DTA/TGA .................................................. 26 III.3.3.5 Uji Kelarutan..................................................................................... 27 Bab IV
Pembahasan........................................................................................... 28
IV.1 Ekstraksi selulosa .................................................................................. 28 IV.2 Isolasi selulosa ...................................................................................... 29 IV.3 Asetilasi................................................................................................. 36 IV.4 Penentuan Kadar Asetil......................................................................... 38 IV.5 Karakterisasi FTIR (Fourier Transform Infrared)................................. 40 IV.6 Analisi DTA/TGA................................................................................. 44 IV.7 Uji Kelarutan......................................................................................... 46 Bab V
Kesimpulan dan Saran........................................................................... 47
V.1
Kesimpulan ........................................................................................... 47
V.2
Saran...................................................................................................... 47
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 48 LAMPIRAN.......................................................................................................... 51
x
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Gambar alat soxhlet ......................................................................... 52 Lampiran B Gambar Reaksi aktivasi selulosa (ditambah asam asetat glasial) dan reaksi asetilasi ......................... 53 Lampiran C Gambar Alat FTIR ........................................................................... 54 Lampiran D Gambar Alat TGA/DTA .................................................................. 55 Lampiran E Gambar Spektrum IR Selulosa Asetat standart................................ 56 Lampiran F Gambar Alat Spiniret ....................................................................... 56 Lampiran G Perhitungan Kadar Asetil................................................................. 58 Lampiran H Perhitungan Kelarutan ..................................................................... 59 Lampiran I Data Pengamatan Penentuan Asam Bebas ........................................ 60
xi
DAFTAR TABEL
Tabel II.1 Beberapa contoh monomer pembentuk polimer ................................. 4 Tabel II.2 Beberapa sifat Turunan Selulosa....................................................... 10 Tabel II.3 Beberapa data serapan C-C dan C-H berdasarkan ........................... 20 Tabel IV.1 Hasil ekstraksi Serbuk Gergaji kayu................................................ 29 Tabel IV.2 Masa hasil isolasi .............................................................................. 31 Tabel I. 1
Hasil Titrasi kandungan asam bebas sampel 20 jam ........................ 60
Tabel I. 2
Hasil Titrasi kandungan asam bebas sampel 42 jam ........................ 60
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar II 1 Struktur Selulosa ............................................................................... 5 Gambar II 2 Susunan selulosa dalam sel tanaman ................................................. 6 Gambar II 3 Lapisan-lapisan dalam kayu ............................................................. 7 Gambar II 4 Ikatan β 1,4 glikosidik pada selulosa................................................. 8 Gambar II 5 Reaksi-reaksi selulosa untuk membuat turunannya..................... 10 Gambar II 6 Proyeksi Hawort Selulosa untuk menunjukkan ikatan β................. 11 Gambar II 7 Ikatan hidrogen pada selulosa ......................................................... 14 Gambar II 8 Reaksi Asetilasi .............................................................................. 16 Gambar II 9 Mekanisme reaksi asetilasi .............................................................. 17 Gambar II 10 Termogram analisis DTA/TGA dari PEG dan Resin .................... 18 Gambar II 11 Spektrum IR selulosa standart ....................................................... 21 Gambar IV 1 Serbuk Gergaji kayu sebelum ekstraksi
28
Gambar IV 2 Serbuk gergaji kayu setelah diekstraksi ......................................... 29 Gambar IV 3 Mekanisme degradasi lignin oleh nukleofil OH ............................ 30 Gambar IV 4 Sampel selulosa sebelum lignin dipisahkan
31
Gambar IV 5 Sampel selulosa sesudah lignin dipisahkan .................................. 31 Gambar IV 6 Reaksi degradasi selulosa .............................................................. 33 Gambar IV 7 Karbokation dan ikatan konyugasi pada lignin.............................. 34 Gambar IV 8 Reaksi Bleaching Selulosa ............................................................. 35 Gambar IV 9 Selulosa hasil Isolasi ...................................................................... 35 Gambar IV 10 Selulosa hasil isolasi .................................................................... 35 Gambar IV 11 Mekanisme reaksi asetilasi........................................................... 36 Gambar IV 12 Selulosa asetat dengan proses asetilasi 20 jam ........................... 37 Gambar IV 13 Selulosa asetat dengan proses asetilasi 42 jam ........................... 37 Gambar IV 14 Mekanisme reaksi safonifikasi selulosa asetat............................ 39 Gambar IV 15 Spektrum IR selulosa ................................................................... 41 Gambar IV 16 Spektrum IR selulosa asetat asetilasi 20 jam ............................... 42 Gambar IV 17 Spektrum IR selulosa asetat asetilasi 42 jam ............................... 43
xiii
Gambar IV 18 Degradasi termal selulosa menjadi 1,6–anhidro-β-D-glukopiranosa.................................................. 44 Gambar IV 19 Hasil analisis DTA/TGA selulosa................................................ 45 Gambar IV 20 Hasil analisis DTA/TGA selulosa asetat...................................... 46
xiv
