Pembuatan Membran Komposit Kitosan-PVA dan

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