PENYEDIAAN MEMBRAN UNTUK PENGOLAHAN LIMBAH BAHAN BERBAHAYA DAN BERACUN CAIR DENGAN METODA PENCANGKOKAN ASAM AKRILAT PADA POLIPROPILEN DAN POLIETILEN PASCA IRRADIASI SINAR GAMMA Rifaid M.Nur, Pratomo Budiman Sastrowardoyo Pusat Teknologi Limbah Radioaktif
ABSTRAK PENYEDIAAN MEMBRAN UNTUK PENGOLAHAN LIMBAH BAHAN BERBAHAYA DAN BERACUN CAIR DENGAN PENCANGKOKAN ASAM AKRILAT PADA POLIPROPILEN DAN POLIETILEN PASCA IRRADIASI SINAR GAMMA. Pencangkokan asam akrilat pada polipropilen (PP) dan polietilen densitas rendah (LDPE) dan polietilen densitas tinggi (HDPE) telah dilakukan. Percobaan ini dilaksanakan dalam rangka pengembangan bahan membran untuk digunakan dalam pengolahan limbah cair bahan berbahaya dan beracun. Masing-masing polimer diirradiasi dalam kondisi vakum, dengan sinar gamma dari sumber Co-60, kemudian direndam dalam larutan asam akrilat. Total dosis radiasi yang digunakan ialah 15 - 90 kGy, pada laju dosis 3 - 7 kGy/jam. Sementara konsentrasi larutan asam akrilat yang digunakan bervariasi antara 10 - 50 % berat, pada suhu 30 - 90 oC dan waktu perendaman 30 - 120 menit. Test terhadap polimer hasil cangkokan menunjukkan bahwa derajat pencangkokan optimum diperoleh pada dosis radiasi 45 kGy, laju dosis 3 kGy per jam, dengan waktu pencangkokan 120 menit, dengan konsentrasi asam akrilat 40 % berat. Suhu pencangkokan ialah 70 oC untuk PP, dan 50 o
C untuk LDPE dan HDPE. Sementara itu daya pengembangan polimer hasil cangkokan
bergantung pada derajat pencangkokan. Makin tinggi derajat pencangkokan, makin tinggi pula derajat pengembangan. Sedangkan kemampuan serapan terhadap logam berat, As, Cd, Co,Cu, dan Pb, berkisar antara 14 sampai 95 % untuk PP, 28 sampai 96 % untuk LDPE dan 25 sampai 75 % untuk HDPE.
ABSTRACT PREPARATION OF MEMBRANE FOR LIQUID HAZARDOUS WASTE TREATMENT, BY GRAFTING OF ACRYLIC ACID ONTO POLYPROPYLENE AND POLYETHYLENE POST GAMMA IRRADIATION. The grafting of acrylic acid onto polypropylene (PP) and low density polyethylene (LDPE) and high density polyethylene (HDPE) have been carried out. This work was performed in the frame work a part the effort in developing of membrane material, to be use in the liquid of hazardous waste treatment. The polymers were respectively irradiated under vacuum condition, by gamma ray from Co-60 source, then were submersed in a acrylic acid solution. The irradiation doses used were between 15 - 90 kGy, at dose rate of 3 - 7 kGy/hour. While the acrylic
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
acid used was varied between 10 - 50 % of weight, at the temperature of 30 - 90 oC and submersion time 30 - 120 minutes. The tests on grafting of polymer showed that the optimum of DOG (degree of grafting) were found at radiation dose 45 kGy, dose rate 3 kGy/hour, grafting time of 120 minutes, using 40 % weight of acrylic acid concentration. The grafting temperature was 70 o
C for PP, and 50 oC for LDPE and HDPE. The swelling factor (SF) for these polymer depend on
DOG.. The increasing of DOG related to the increasing of SF. While, the sorption capacity to heavy metals, ie. As, Cd, Co,Cu, dan Pb, were around of 14 to 95 % for PP, 28 to 96 % for LDPE and 25 to 75 % for HDPE.
PENDAHULUAN Dalam Peraturan Pemerintah nomor 18 tahun 1999 (PP 11/1999) pasal 1, limbah bahan berbahaya dan beracun, yang disingkat limbah B3, didefinisikan sebagai sisa suatu usaha dan atau kegiatan yang mengandung bahan berbahaya dan atau beracun yang karena sifat dan atau konsentrasinya dan atau jumlahnya, baik secara langsung maupun tidak langsung, dapat mencemarkan dan atau merusakkan lingkungan
hidup,
dan
atau
membahayakan
lingkungan
hidup,
kesehatan,
kelangsungan hidup manusia serta makhluk hidup lain [1]. Pada pasal 6 dari PP 11/1999 disebutkan bahwa limbah B3 dapat diidentifikasikan menurut sumber dan karakteristiknya. Sedangkan pada pasal 7 disebutkan bahwa jenis limbah B3 menurut sumbernya meliputi: a. Limbah B3 dari sumber tidak spesifik b. Limbah B3 dari sumber spesifik c. Limbah B3 dari bahan kimia kadaluarsa, tumpahan, bekas kemasan, dan buangan produk yang tidak memenuhi spesifikasi. Sedangkan jenis limbah B3 menurut karakteristiknya akan ditentukan setelah melalui uji Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) dan atau uji karakteristik.
45
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Pada pasal 1 dari PP 11/1999 juga disebutkan bahwa pengelolaan limbah B3 merupakan
suatu
rangkaian
kegiatan
yang
meliputi
reduksi,
penyimpanan,
pengumpulan, pengangkutan, pemanfaatan, pengolahan, dan penimbunan limbah B3, di mana disebutkan pula bahwa pengolahan limbah B3 adalah proses untuk mengubah karakteristik dan komposisi limbah B3 untuk menghilangkan dan atau mengurangi sifat bahaya dan atau sifat racun. Dalam lampiran Peraturan Pemerintah tersebut disebutkan banyak pencemaran terjadi karena adanya logam-logam berat seperti arsen, merkuri, timbal, kadmium, tembaga, seng dll., yang berasal dari berbagai industri seperti pupuk, pestisida, polimer, petrokimia, peleburan besi dan baja, operasi penyempurnaan baja, pabrik peleburan timbak, tekstil dan lain-lain. Sementara itu, beberapa teknologi membran, seperti osmosis balik, nanofiltrasi, ultrafiltrasi dan mikrofiltrasi, berpeluang untuk digunakan dalam pengolahan limbah B3 cair [2]. Dalam pengolahan limbah B3 cair, membran digunakan untuk menyaring bahan-bahan berbahaya dan beracun yang ada dalam limbah cair, sehingga cairan hasil saringan dengan membran ini dapat memenuhi syarat batas ambang maksimum, yang boleh dibuang ke lingkungan. Salah satu komponen penting dalam teknologi membran adalah bahan membran itu sendiri, yang biasanya terbuat dari polimer seperti selulosa asetat, teflon, polietilen, polipopilen dan lain-lain; serta bahan anorganik seperti silika, titania dan lain-lain; atau bahan komposit. Pengembangan bahan membranpun berlanjut. Diantaranya adalah dengan modifkasi permukaan polimer membrane, yaitu dengan pencangkokan monomer tertentu, seperti asam akrilat, akrilamida, N-isopropilakrilamida dll., pada bahan polimer seperti polietilen, polipropilen, teflon dan lain-lain. Sejumlah publikasi menginformasikan beberapa penelitian pencangkokan tersebut. Seperti, Hegazy, dkk. [3], pencangkokan
46
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
asam akrilat pada polietilen dan teflon; Gupta, dkk. [4], pencangkokan akrilamida pada polietilen, Dogue, dkk. [5], pencangkokan poli asam akrilat pada polipropilen, Sidorova, dkk. [5], pencangkokan asam akrilat pada polietilene, Yohan, dkk. [6], pencangkokan stirena pada cPTFE. Sementara penelitian berkaitan dengan aplikasi membran untuk pengolahan limbah B3 telah banyak dilakukan, salah satunya yang dilakukan oleh Laela Novita [7]. Secara umum reaksi polimerisasi dapat ditulis seperti berikut: ,N 2 : PH ⎯γ⎯ ⎯→ P • + • H
Inisiasi
⎯→ PM P• + M ⎯ Propagasi
: PM + n M ⎯ ⎯→ PM n +1
Terminasi
: PM + PM n +1 ⎯ ⎯→ kopolimer cangkok + kopolimer ikatan silang
Dengan PH dan PM ialah polimer sebelum dan sesudah pencangkokkan. Makalah ini melaporkan hasil percobaan pencangkokan asam akrilat pada polimer polipropilen (PP), polietilen densitas rendah (low density polyethylene = LDPE) dan polietilen densitas tinggi (high density polyethylene = HDPE), pasca irradiasi sinar gamma.
TATA KERJA Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan dalam percobaan ini meliputi film PP, film LDPE dan film HDPE, yang merupakan produksi Nitto Denko; asam akrilat, metanol, etanol, dan aseton buatan E.Merck; larutan-lartuan kobalt, tembaga, kadmium, timbal dan arsen produksi E.Merck; serta akuades dan gas nitrogen;. Alat-alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah irradiator gamma dari sumber Co-60 IRKA dan IRPASENA, di PPTN BATAN Pasar Jum`at, seperangkat alat
47
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
vakum, tabung kaca, water bath, neraca analitik, sokslet, tabung gas, seperangkat alat gelas lain, dan spektrofotometer serapan atom (SSA) Varian Techtron seri 711128 vl.23. Metoda Film polimer PP, LDPE dan HDPE dipotong-potong dengan ukuran 3 cm x 4 cm, setelah dicuci dengan etanol menggunakan sokslet, kemudian dimasukkan ke dalam tabung kaca untuk divakumkan dan dialiri gas nitrogen. Selanjutnya diirradiasi dengan gamma dari sumber kobalt-60 pada total dosis radiasi dari 15 s/d 90 kGy dan laju dosis dari 3 s/d 7 kGy/ jam. Dalam hal ini total dosis radiasi (kGy) merupakan hasil kali laju dosis radiasi (kGy/jam) dengan waktu irradiasi (jam). Ke dalam tabung yang berisi film pasca irradiasi dimasukkan larutan asam akrilat pada konsentrasi 10 s/d 50% berat. Kemudian tabung dimasukkan ke dalam water bath pada suhu 30 - 90 oC, selama 60 s/d 120 menit. Film dikeluarkan dari tabung kaca, kemudian dicuci dengan akuades panas dan aseton, dikeringkan dan ditimbang. Derajat pencangkokan (degree of grafting = DOG) dihitung dengan persamaan berikut:
DOG =
Wg − Wo Wo
× 100%
(1)
dengan Wo dan Wg masing-masing ialah berat polimer sebelum dan setelah pencangkokan. Test daya pengembangan (swelling factor = SF) terhadap air dilakukan secara gravimetri, dan dapat dihitung dengan persamaan:
SF =
Ws − W g Wg
× 100%
(2)
dengan Wg dan Ws masing-masing ialah berat polimer hasil cangkokan sebelum dan setelah parendaman. Kemampuan serapan polimer hasil cangkokan terhadap unsur-unsur logam
48
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
berat dalam larutan, yang meliputi arsen, kadmium, kobalt, tembaga dan timbal. Polimer hasil cangkokan direndam ke dalam larutan logam berat selama 12 jam. Konsentrasi logam berat dalam larutan, sebelum dan sesudah perendaman, dianalisis dengan spektrofotometer serapan atom. Penyerapan logam (metal uptake = P) ke dalam polimer hasil cangkokan dihitung dengan menggunakan ungkapan:
P=
C o − Ct × 100% Co
(3)
dengan C0 dan Ct ialah konsentrasi logam dalam larutan sebelum dan setelah perendaman.
HASIL DAN PEMBAHASAN Pada Gambar 1 diperlihatkan pengaruh laju dosis radiasi terhadap DOG pada total dosis radiasi 45 kGy untuk ketiga polimer, pada suhu pencangkokan 50 oC dan konsentrasi asam akrilat 40 % berat, selama 120 menit. DOG naik berurutan seperti ungkapan (4) berikut:
DOGPP f DOGLDPE f DOGHDPE
(4)
DOG paling tinggi diperoleh pada 3 kGy/jam, yaitu 110 % untuk PP, 310 % untuk LDPE dan 1160 % untuk HDPE. Dari data ini dapat dinterpretasikan bahwa polimer densitas tinggi lebih mudah mengalami pembentukan radikal bebas dibandingkan polimer densitas rendah. Hal yang sama, terjadi untuk polimer dengan monomer pendek. Dapat ditegaskan bahwa derajad pencangkokan, DOG, menggambarkan besarnya jumlah asam akrilat yang dicangkokan ke dalam ketiga film/polimer.
49
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
1200 1000 PP
DOG (%)
800
LDPE 600
HDPE
400 200 0 0
2
4
6
8
Laju Dosis (kGy/jam)
Gambar 1. Pengaruh laju dosis radiasi terhadap DOG., pada total dosis radiasi gamma 45 kGy, konsentrasi asam akrilat 40 %, waktu pencangkokan 120 menit, dan suhu 50 ºC.
Pada variasi total dosis, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2, ditunjukkan urutan yang sama seperti pada ungkapan (4). DOG maksimum diperoleh untu total dosis 45 kGy. Seperti pada variasi laju dosis, HDPE lebih mudah dicangkok dengan asam akrilat jika dibandingkan dengan PP dan LDPE.
50
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
1200 PP 1000
LDPE HDPE
DOG (%)
800 600 400 200 0 0
20
40
60
80
100
Total Dosis (kGy)
Gambar 2. Pengaruh total dosis radiasi terhadap DOG, pada laju dosis 3 kGy/jam, konsentrasi asam akrilat 40 %, dan waktu pencangkokan 120 menit, pada suhu 50 ºC.
Pada Gambar 3 diperlihatkan pengaruh waktu pencangkokan terhadap DOG, pada total dosis radiasi 45 kGy dengan laju dosis 3 Gy/jam, serta konsentrasi asam akrilat 40 % berat dan suhu pencangkokan 50 oC. Ditunjukkan pula bahwa makin lama waktu pencangkokan, makin tinggi DOG yang diperoleh. Dengan proses pencangkokan selama 120 menit, sudah dapat diperoleh hasil pencangkokan yang memadai.
51
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
1000 PP 800
LDPE
DOG (%)
HDPE 600 400 200 0 0
50
100
150
Waktu pencangkokan (menit)
Gambar 3. Pengaruh waktu pencangkokan terhadap DOG., pada laju dosis radiasi 3 kGy/jam, total dosis 45 kGy dan konsentrasi asam akrilat 40 %, serta pada suhu pencangkokan 50 ºC.
Gambar 4 memperlihatkan pengaruh konsentrasi monomer asam akrilat terhadap DOG pada pada total dosis radiasi 45 kGy, dengan laju dosis 3 kGy/jam dan waktu pencangkokan 120 menit, serta suhu pencangkokan 70 oC untuk PP dan 50 oC untuk LDPE dan HDPE. Diperlihatkan bahwa untuk semua polimer, DOG yang tertinggi diperoleh pada konsentrasi monomer asam akrilat 40 %. Yaitu 300 % untuk PP, 850 % untuk LDPE dan HDPE. Hal ini menunjukkan bahwa proses pencangkokan masih dapat berlangsung dengan baik hingga konsentrasi monomer asam akrilat 40 %. Pada konsentrasi mnomer asam akrilat yang melebihi 40 %, kemungkinan akan terbentuk homopolimer yang menghambat terjadinya proses pencangkokan.
52
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
1000 PP 800
LDPE
DOG (%)
HDPE 600
400
200
0 0
20
40
60
Konsentrasi asam akrilat (% )
Gambar 4. Pengaruh konsentrasi asam akrilat terhadap DOG, pada laju dosis 3 kGy/jam, total dosis 45 kGy, selama waktu pencangkokan 120 menit, serta pada suhu pencangkokan 50 ºC.
Pengaruh suhu terhadap DOG diperlihatkan pada Gambar 5. Irradiasi dilakukan pada total dosis radiasi 45 kGy, dengan laju dosis 3 kGy/jam, pada konsentrasi asam akrilat 40 % selama 120 menit. DOG tertinggi diperoleh pada suhu pencangkokan 70 ºC untuk PP dan 50 ºC untuk LDPE dan HDPE. Tampaknya proses pencangkokan PP dengan asam akrilat lebih sulit jika dibandingkan dengan proses pencangkokan LDPE dan HDPE dengan monomer yang sama, sehingga PP membutuhkan suhu pencangkokan yang lebih tinggi.
53
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
500 PP
DOG (%)
400
LDPE HDPE
300 200 100 0 0
20
40
60
80
100
Suhu pencangkokan ( C)
Gambar 5. Pengaruh suhu pencangkokan terhadap DOG, pada laju dosis 3 kGy/jam, total dosis 45 kGy, konsentrasi asam akrilat 40 %, dan waktu pencangkokan 120 menit, pada suhu pencangkokan 50 ºC.
Gambar 6, 7 dan 8 memperlihatkan hubungan antara DOG dan SF, berturut-turut untuk poimer PP, LDPE dan HDPE hasil cangkokan. Makin tinggi DOG, makin tinggi SF. Dapat dipahami bahwa pencangkokan pada polimer telah mengubah sifat hidrofob menjadi hidrofil. Sifat hidrofil ini meningkat mengikuti meningkatnya DOG.
54
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
40 PP
SF (%)
30
20
10
0 0
20
40
60
80
DOG (% )
Gambar 6. Hubungan antara DOG dengan SF untuk polimer PP, pada laju dosis 3 kGy/jam, total dosis 45 kGy, konsentrasi asam akrilat 40 %, dan waktu pencangkokan 120 menit, serta pada suhu 50 ºC.
100 LDPE
SF (%)
80 60 40 20 0 0
100
200
300
400
DOG (% )
Gambar 7. Hubungan antara DOG dengan SF untuk polimer LDPE, pada laju dosis 3 kGy/jam, total dosis 45 kGy, konsentrasi asam akrilat 40 %, dan waktu pencangkokan 120 menit, serta pada suhu 50 ºC.
55
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
150
HDPE
SF (%)
100
50
0 0
200
400
600
800
1000
1200
DO G (%)
Gambar 8. Hubungan antara DOG dengan SF untuk polimer HDPE, pada laju dosis 3 kGy/jam, total dosis 45 kGy, konsentrasi asam akrilat 40 %, dan waktu pencangkokan 120 menit, serta pada suhu 50 ºC.
Dari Gambar 1 s/d 8 diperoleh hasil kondisi optimum pencangkokan polimer PP, LDPE dan HDPE dengan asam akrilat, seperti disajikan pada Tabel 1 berikut:
Tabel 1.
Hasil kondisi optimum pencangkokan PP, LDPE dan HDPE Polimer
Parameter
PP
LDPE
HDPE
1. Total dosis iradiasi gamma (kGy)
3
3
3
2. Laju dosis (kGy/jam)
45
45
45
3. konsentrasi asam akrilat (% berat)
40
40
40
4. Waktu pencangkokan (menit)
120
120
120
5. Suhu pencangkokan (ºC)
70
50
50
6. DOG (%)
300
850
850
7. SF (%)
30
90
120
56
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Pada Gambar 9, diperlihatkan bahwa serapan polimer yang telah dicangkok dengan asam akrilat, pada kondisi optimum, terhadap beberapa logam berat (As, Cd, Cu, Co and Pb). Tampaknya logam timbal lebih mudah diserapan oleh polimer PP dan LDPE yang sudah dicangkok jika dibandingkan dengan oleh polimer HDPE. Urutan serapan terhadap logam berat untuk ketiga polimer hasil cangkokan ialah sebagai berikut: Untuk PP:
PPb f PCd f PAs f PCu f PCo
Untuk LDPE:
PPb f PCd f PAs f PCo f PCu
Untuk HDPE:
PAs f PCd f PPb f PCu f PCo
120 PP 100
HDPE
Serapan (%)
80
80
9596
LDPE 75
70
68
60 40
36 28
30 1415
20
10
15
10 11
0 As
Cd
Co
Cu
Pb
Unsur
Gambar 9. Serapan beberapa logam berat oleh polimer hasil cangkokan PP, LDPE dan HDPE yang telah dicangkok pada laju dosis 3 kGy/jam, total dosis 45 kGy, konsentrasi asam akrilat 40 %, dan waktu pencangkokan 120 menit, serta pada suhu 50 ºC.
57
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
KESIMPULAN 1. DOG optimum untuk ketiga polimer hasil cangkokan diperoleh pada laju dosis 3 kGy/jam; pada total dosis radiasi 45 kGy; waktu pencangkokan 120 menit; konsentrasi asam akrilat 40 %; serta suhu pencangkokan 70 oC untuk PP dan 50 oC untuk LDPE dan HDPE. 2. Pada kondisi optimum nilai DOG untuk masing-masing polimer hasil cangkokan ialah:
DOGPP = 300 %; DOGLDPE = 850 %; dan DOGHDPE = 850 % 3. Nilai SF dari polimer PP, LDPE dan HDPE hasil cangkokan, meningkat mengikuti meningkatnya nilai DOG. 4. Polimer PP, LDPE dan HDPE hasil cangkokan dapat menyerap logam-logam berat, seperti As, Pb, Cd, Co dan Cu.
DAFTAR PUSTAKA 1.
Peraturan Pemerintah no. 18 tahun 1999.
2.
NUR, R.M., Status Pengembangan Sains dan Teknologi Membran di Indonesia, Bulletin Limbah 7, 26-33 (2002).
3.
HEGAZY, E.A., TAHER, N.H., EBAID, A.R., RABIE, A.G., Radiation-Initiated Graft Copolimerization of Individual Monomer and Comonomer onto Polyethylene and Polyterafluoroethylene Films., J. Appl. Polym. Sci., 32, 1029 – 1043 (1990).
4.
GUPTA, B., ANJUM, N., SEN, K., Development of Membranes by Radiation Grafting of Acrylamide inyo Polyethylene Films: Properties and Metal Ion Separation., J. Appl. Polym. Sci., 85, 282 – 291 (2002).
5.
DOGUE, I.L.J., MERMILLIOD, N., GANDINI, A., Modification of Industrial Polypropylene Film by Grafting of Poly(acrylic acid)., J. Appl. Polym. Sci., 56, 33 – 40 (1995). ]
58
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
6.
SIDOROVA, ET AL., Modification of Polyethylene by Radiation-Induced Graft Polymerization of Acrylic Acid, Radiation Physics and Chemistry 28 (4), 407-413 (1986).
7.
YOHAN, NUR, R. M., HENDRAJAYA, L., SIRADJ, E.S., Sulfonasi Film cPTFE tercangkok Stirena, Prosiding Seminar Nasional XV “Kimia dalam Pembangunan”, ISSN: 0854-4778, Publikasi 20-21 Juni 2006.
8.
NOVITA, L., SUCHAYADI, Y., NUR, R.M., Reduksi Kadmium dalam Limbah Bahan Berbahaya dan Beracun Cair dengan Mombran Osmosis Balik, Prosiding Seminar Teknologi Limbah IV, ISSN: No 1410-6086, P2PLR – BATAN, Serpong, 77-84 (2004)
59
