Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013

Transkripsi

1 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013 Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran Hibrid Polisulfon-Lempung Asmara Satria Akbar 1, Amilia Linggawati 2, T. Ariful Amri 2 1 Program Studi S1 Kimia, Laboratorium Kimia Fisika, Jurusan Kimia Fakultas MIPA Universitas Riau 2 Dosen FMIPA Kimia Universitas Riau, Pekanbaru Kampus Binawidya UR Km 12,5 Panam, Pekanbaru Telp asmara.satria.akbar@gmail.com Abstrak. PEG (Polietelen Glikol) adalah jenis polimer yang memiliki fungsi untuk meningkatkan jumlah pori dan menyeragamkan pori membran. Sifatnya yang tak urai hayati menyebabkan para peneliti menyelidiki bahan lain untuk menggantikan peran PEG pada membran. Lempung alam telah dikenal sebagai bahan yang dapat mengganti fungsi PEG terhadap membran karena tingginya kandungan SiO 2 sebagai agen peningkat pori dan pemaut silang yang dapat meningkatkan permeabilitas dan sifat penyerapan air. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui potensi lempung sebagai pengganti PEG dalam meningkatkan pori membran hibrid polisulfon. Membran hibrid polisulfon-lempung (MPSfL) dibuat dengan menggunakan metode inversi fasa. Hasil analisa Scanning electron microscopy (SEM) membuktikan perubahan morfologi membran hibrid. Karakteristik berbagai jenis membran (MPSf, MPSf+PEG, MPSfL, MPSfL+PEG) diukur dengan menggunakan permeasi air murni dan rejeksi dekstran dengan berbagai ukuran (kda) pada tekanan 1, 1,5, 2, 3 dan 3,5 bar serta kecepatan pengadukan 500 rpm. Kombinasi dari membran polisulfon-lempung dan PEG (MPSfL+PEG) menghasilkan rejeksi 98,82% dari dekstran kda pada tekanan 3,5 bar dengan fluks 2,65 x 10-5 ml/cm 2.s. Sementara pada kondisi yang sama membran polisulfon dengan menggunakan PEG (MPSf+PEG) dan membran polisulfon-lempung (MPSfL) menunjukkan fluks dan rejeksi yang kurang memuaskan. Hasil ini menunjukkan bahwa pori membran polisulfon dan karakteristik permeasi berubah dengan menambahkan lempung dan PEG. MPSfL+PEG memberikan selektivitas terbaik. Membran ini diperkirakan berada pada klasifikasi membran mikrofiltrasi (MF). Kata Kunci. Lempung, PEG, Polisulfon, Membran Hibrid, Inversi Fasa, Agen Porogen. PENDAHULUAN PEG (Polietilen Glikol) merupakan salah satu agen yang berfungsi untuk menambah dan menyeragamkan pori pada proses pembuatan membran [1-2]. Namun karena PEG adalah agen poros yang terbuat dari polimer dan tidak ramah lingkungan, maka diupayakan untuk mencari agen poros yang dapat urai hayati. Dari beberapa literatur [3-4] diketahui bahwa penambahan lempung pada bahan membran menyebabkan peningkatan kinerja, porositas dan ukuran pori membran. Berdasarkan penelitian tersebut, maka dilakuan kajian untuk menggali potensi lempung sebagai porogen pengganti PEG. Lempung merupakan produk akhir dari pelapukan batuan secara kimia, biasanya terdapat dalam batuan sedimen sebagai partikel yang sangat halus. Provinsi Riau adalah salah satu provinsi yang mempunyai banyak cadangan lempung. Beberapa jenis lempung asal Riau ini sudah diidentifikasi jenisnya dan salah satunya adalah lempung Semirata 2013 FMIPA Unila 29

2 Asmara Satria Akbar dkk: Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran Hibrid Polisulfon-Lempung asal Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru yang termasuk jenis lempung kaolin [5]. Lempung ini memiliki kandungan SiO2 yang tinggi yaitu 58%. SiO2 berpotensi dimanfaatkan sebagai bahan membran hibrid karena mampu meningkatkan permeabilitas dan penyerapan air pada membran hibrid [6]. Pada penelitian ini membran dibuat secara hibrid dengan menggabungkan bahan organik (polisulfon), bahan anorganik (lempung) dan pembuatannya menggunakan metode inversi fasa. Pemilihan polisulfon sebagai salah satu bahan pembuat membran karena polisulfon memiliki ketahanan mekanik, elektrikal dan kimia yang sangat bagus. Oleh karena polisulfon akan menghasilkan membran yang tumpat (tidak berpori) maka PEG diperlukan sebagai porogen. Komposisi bahan membran hibrid yang dibuat merupakan modifikasi komposisi bahan membran yang digunakan oleh Radiman [7]. Pada kajian Radiman sebagai bahan porogen digunakan PEG, sedangkan pada kajian ini menggunakan campuran PEG dan lempung dengan komposisi 1:1. Sebagai pembanding kinerja setiap jenis porogen maka dibuat membran polisulfon yang hanya menggunakan porogen PEG dan membran yang hanya menggunakan porogen lempung. Potensi lempung alam sebagai porogen pengganti PEG pada pembuatan membran hibrid ini diketahui dari karakter membran yang dihasilkan. Parameter karakterisasi yang digunakan dalam penelitian ini adalah derajat kristalinitas, permeabilitas, selektivitas, analisis morfologi dan analisis unsur-unsur yang terkandung dalam membran. Penentuan derajat kristalinitas menggunakan XRD (X-Ray Diffraction), penentuan permeabilitas dengan menggunakan air suling serta dekstran, penentuan selektivitas menggunakan rejeksi dekstran, morfologi membran dengan SEM (Scanning Electron Microscopy) dan analisis unsur-unsur yang terkandung dalam membran menggunakan EDX (Energy Dispersive X-ray Microanalysis). Gambar 1. Spektrum XRD lempung alam Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru [5]. Gambar 2. Spektrum XRD membran polisulfon dan hibrid polisulfon-lempung. 30 Semirata 2013 FMIPA Unila

3 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013 METODE PENELITIAN Persiapan Lempung Sampel diambil di tepi sungai Siak Desa Palas Kecamatan Rumbai, Pekanbaru. Terlebih dahulu lempung dibersihkan dari partikel kasar dan direndam dengan akuades kemudian didekantir. Lempung yang telah direndam, dikeringkan pada suhu 105oC untuk menghilangkan kadar air. Selanjutnya lempung digerus dan diayak hingga 200 mesh. Tepung lempung diidentifikasi menggunakan XRD dan disediakan untuk pembuatan membran hibrid. Persiapan Membran Polisulfon diterima dalam bentuk pelet. DMAc (Dimetilasetamida) digunakan sebagai pelarut. Polisulfon dilarutkan dalam dimetilasetamida dengan perbandingan berat 18:82 (Polisulfon/ DMAc) dibantu pengaduk magnet selama 15 jam sehingga menghasilkan larutan dope. Begitu juga dengan semua sampel dengan komposisi pada Tabel 1. Larutan kental dan homogen yang terbentuk dibiarkan selama 3 jam untuk menghilangkan gelembung udara. Larutan tuang kemudian dituang pada permukaan kaca yang sudah diolesi dengan aseton dan dicasting dengan merata. Setelah didiamkan selama 5 menit lapisan tipis direndam 5 menit dalam bak yang berisi akuades sehingga menghasilkan membran. Sampel yang dimaksudkan dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Penamaan sampel dan kandungan bahan penyusun. Kode Membran Lempung (%) Polisulfo n (%) PE G (%) DMA c ( %) MPSf MPSf+PEG MPSfL MPSfL+PE G Semirata 2013 FMIPA Unila 31

4 Asmara Satria Akbar dkk: Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran Hibrid Polisulfon-Lempung Gambar 3. SEM membran polisulfon dan hibrid polisulfon-lempung (dengan penambahan PEG) Karakterisasi Membran Analisis kristalinitas dilakukan untuk mengidentifikasi lempung dan karakterisasi membran melalui penentuan kristalin bahan (amorf dan kristalin) dengan menggunakan XRD. Analisis kristalinitas dilakukan di Pusat Penelitian dan Pengembangan Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan Bogor. Analisis dilakukan pada kisaran sudut imbasan 2θ dari 5o hingga 80o, ukuran tahap 0,02o dan waktu setiap tahapan 0,5 menit. Analisis morfologi dilakukan dengan menggunakan scanning electron microscope (SEM). Membran direndam dalam nitrogen cair dan selanjutnya dipotong menjadi dua bagian menggunakan mikroton. Hasil pemotongan selanjutnya dilapisi dengan emas (coating) menggunakan ion sputter kemudian diamati morfologi membran, dengan perbesaran data yang diperoleh yakni 500 hingga x. Analisis morfologi dilakukan di Unit Instrumen Universitas Kebangsaan Malaysia (UKM). Unsur-unsur yang terkandung dalam membran hibrid dapat diketahui dengan menggunakan metode Energy Dispersive X-ray Microanalysis (EDX). Analisis unsur juga dilakukan di Unit Instrumen Universitas Kebangsaan Malaysia (UKM). Uji Filtrasi Karakterisasi kinerja membran menggunakan uji permeabilitas dan selektivitas. Uji permeabilitas dilakukan dengan menggunakan akuades. Sebelum melakukan pengujian membran terlebih dahulu direndam dalam akuades selama ± 24 jam. Kemudian akuades dilewatkan melalui membran untuk mengetahui permeabilitas membran. Sebelum pengukuran permeabilitas membran dikompaksi pada tekanan 2 bar untuk mendapatkan keadaan stabil. Pengambilan data dilakukan setelah menit air melewati membran dimulai tetesan pertama air melewati membran. Air yang melewati 32 Semirata 2013 FMIPA Unila

5 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013 membran ditampung dengan gelas ukur hingga volume mencapai 5 ml. Waktu yang dibutuhkan air untuk melewati membran dari tetes pertama hingga mencapai volume tersebut dicatat sebagai waktu alir. Uji selektivitas dilakukan melalui rejeksi dekstran. Penentuan rejeksi dilakukan dengan dekstran pada berat molekul 8,5-11 kda; kda dan kda. Dekstran dilarutkan hingga konsentrasi 100 ppm. Larutan dekstran diedarkan pada membran dengan tekanan 1, 1,5, 2, 3 dan 3,5 bar serta kecepatan pengadukan 500 rpm pada suhu kamar. Konsentrasi permeat dan retentat diukur dengan metode kolorimetri, yaitu dengan menambahkan 5 ml asam sulfat pekat dan 1 ml fenol 5% kedalam 1 ml larutan dekstran. Sampel diguncang hingga homogen dan dibiarkan pada temperatur kamar. Konsentrasi ditentukan berdasarkan serapan dekstran yang diukur dengan spektrofotometer UV- Vis pada panjang gelombang 490 nm. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil analisis XRD MPSf+PEG, MPSf dan MPSfL+PEG ditunjukkan oleh Gambar 1 dan 2. Gambar 1 adalah difaktogram dari lempung. Terdapat puncak 12,34 yang mengindikasikan adanya kaolin, puncak 17,73 dan 19,71 muskovit serta 20,84 dan 26,64 adalah kuarsa [5]. Gambar 2 menunjukkan difaktogram dari MPSf (a), MPSf+PEG (b) dan MPSfL+PEG (c). (a) memiliki derajat kristalinitas sebesar 48,19%. Derajat kristalinitas yang dimiliki (b) lebih besar daripada (a) yaitu 69,22%; hal tersebut menunjukkan bahwa penambahan PEG dalam pembuatan membran dapat meningkatkan kristalinitas. Peningkatan kristalinitas tersebut dikarenakan PEG mampu meningkatkan distribusi dan jumlah pori dengan baik (Gambar 3). Pada difaktogram (c) terlihat puncak-puncak baru yang sangat berbeda dari sampel membran lain, yaitu pada puncak 12,34; 17,73; 20,84 dan 26,64. Hal ini membuktikan bahwa lempung telah berhasil masuk kedalam atriks polimer polisulfon dan membentuk suatu hibrid polisulfon-lempung. Penambahan lempung pada pembuatan membran polisulfon mengakibatkan terjadinya penurunan nilai kristalinitas membran dari 69,22% (b) menjadi 63,12% (c) yang ditunjukkan pada Tabel 2. MPSfL+PEG (c) mengandung Si, Al dan Mg yang dibuktikan oleh analisis EDX pada Gambar 4. Penurunan nilai kristalinitas ini terjadi akibat masuknya logam-logam dari lempung berupa Mg, Al dan Si ke dalam matriks polimer yang membentuk ikatan silang dengan membran. Jenis logam yang berbeda menyebabkan kekuatan ikatan yang berbeda. Kekuatan ikatan yang beragam tersebut berdampak pada ketidakteraturan konfigurasi struktur polimer, terutama jarak antar struktur polimer yang mengakibatkan peningkatan fasa amorfous dan terjadinya penurunan derajat kristalinitas pada membran polisulfon. Karakteristik morfologi membran polisulfon dianalisis menggunakan SEM. Salah satu faktor yang menentukan kinerja membran adalah karakteristik morfologi membran. Pada Gambar 3 penampang melintang membran polisulfon terlihat Tabel 2. Kristalinitas membran polisulfon dan membran hibrid polisulfon-lempung. Kode Membran Ia Ic Xc (%) MPSf+PEG (b) 0,5969 1, ,22 MPSfL+PEG (c) MPSf (a) 0,7744 0,7872 1,3253 0, ,12 48,19 Gambar 4.EDX membran hibrid polisulfonlempung (dengan penambahan PEG). Semirata 2013 FMIPA Unila 33

6 Rejeksi (%) Rejeksi (%) Asmara Satria Akbar dkk: Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran Hibrid Polisulfon-Lempung adanya perbedaan ukuran pori dan distribusi pori membran. MPSf+PEG (2,2-3,3μm menunjukkan distribusi pori yang lebih banyak dibandingkan dengan MPSfL+PEG (0,3-6,2μm. Hal serupa juga diamati pada MPSf (1-3,2μm dengan distribusi pori yang lebih banyak dibandingkan dengan MPSfL (1-5,5μm. Distribusi pori yang baik dapat meningkatkan permeabilitas membran (Tabel 3). Berdasarkan ukuran pori tersebut, maka semua sampel termasuk jenis membran mikrofiltrasi (0,1-1 μm. Akibat penambahan lempung terjadi interaksi antara polisulfon dengan lempung secara kimia. Interaksi yang terjadi adalah antara gugus sulfon dan alkoksi dalam polimer polisulfon dengan silika atau OH pada lempung membentuk hibrid. Selain itu, intensitas silika lempung Desa Palas mencapai 58% [5]. Tingginya intensitas silika memberikan peluang terjadinya peningkatan ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen ini menunjukkan bahwa lempung telah berhasil masuk ke dalam jaringan matriks polisulfon membentuk membran hibrid polisulfon-lempung. Gambar 3 menunjukkan bahwa penambahan lempung pada pembuatan membran mencegah terjadinya distribusi pori, hal itu dibuktikan dengan sedikitnya jumlah pori dibandingkan dengan membran yang tidak menggunakan lempung. Namun lempung berpengaruh dalam pembentukan pori kecil pada membran hibrid. Pori kecil tersebut terbentuk akibat molekul organik yang ada pada polimer polisulfon semakin terikat silang, dikarenakan peran logam Si dalam lempung. Linggawati [8] melaporkan bahwa logam Si dalam APTEOS dapat membuat polimer nilon-66 semakin terikat silang. Fluks x 10-5 (ml/cm 2.s) Gambar 5. Rejeksi dekstran 8,5; 35 dan 400 kda terhadap MPSf+PEG Fluks x 10-5 (ml/cm 2.s) MPSf+PEG Dekstra n 8,5 MPSfL+PEG Dekstra n 8,5 Gambar 6. Rejeksi dekstran 8,5; 35 dan 400 kda terhadap MPSfL+PEG Analisa unsur yang terkandung dalam membran hibrid polisulfon-lempung (MPSfL+PEG) dikonfirmasi dengan menggunakan EDX. Spektrum EDX pada gambar 4 menunjukkan bahwa logam Si, Al dan Mg telah terdistribusi dalam matriks polimer polisulfon. Data permeabilitas dan selektivitas membran ditunjukkan pada Tabel 3 dan Gambar 5-6. Dari data tersebut didapat nilai permeabilitas air (Lp) MPSf+PEG yaitu 1x10-5 ml/cm 2.s dengan kisaran nilai fluks antara 0,76x10-5 3,42x10-5 ml/cm 2.s; permeabilitas MPSfL+PEG 0,4x10-5 ml/cm 2.s dengan fluks 0,55x ,50x10-5 ml/cm 2.s; permeabilitas MPSf 0,9x10-5 ml/cm 2.s dengan fluks 0,74x ,83x10-5 ml/cm 2.s dan permeabilitas MPSfL 0,2 x10-5 ml/cm 2.s dengan fluks 0,16 x ,55 x10-5 ml/cm 2.s. Dari data tersebut 34 Semirata 2013 FMIPA Unila

7 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013 diketahui bahwa penambahan lempung pada pembuatan membran hibrid polisulfon menyebabkan permeabilitas menurun, hal tersebut sesuai dengan bentuk struktur SEM (Gambar 3). SEM menunjukkan bahwa penambahan lempung membuat distribusi pori pada membran berkurang yang berakibat terhadap penurunan permeabilitas. Distribusi pori yang berkurang pada penambahan lempung dikarenakan pengaruh berbagai logam yang terkandung pada lempung (Gambar 4). Penambahan lempung menunjukkan hasil memuaskan pada uji selektivitas yang ditunjukkan padatabel 3. MPSfL+PEG menghasilkan rejeksi terbaik terhadap dekstran kda yaitu diatas 90%. Rejeksi terbaik tersebut didapatkan karena lempung membuat pori sangat kecil di dekat pori besarnya yang menunjukkan bentuk pori kerucut (Gambar 3), sehingga dekstran tertahan sempurna. Selain pengaruh logam dalam lempung, pembuatan membran secara inversi fasa yang dilakukan dengan manual mengakibatkan pembentukan pori menjadi kerucut. Karena ketika permukaan membran lebih dulu dense akibat pencelupan, membuat pelarut yang masih terkandung didalam membran sulit terdifusi keluar sehingga pori yang terbentuk menjadi kerucut [9]. Tabel 3. Fluks air dan dekstran serta % rejeksi membran polisulfon dan hibrid polisulfonlempung Semirata 2013 FMIPA Unila 35

8 Asmara Satria Akbar dkk: Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran Hibrid Polisulfon-Lempung KESIMPULAN Kombinasi dari membran polisulfonlempung dan PEG (MPSfL+PEG) menunjukkan rejeksi 98,82% dari dekstran kda pada tekanan 3,5 bar dengan fluks 2,65 x 10-5 ml/cm2.s. Sementara pada kondisi serupa membran polisulfon dengan menggunakan PEG (MPSf+PEG) menghasilkan rejeksi yang kurang memuaskan, begitu juga dengan fluks membran polisulfon-lempung (MPSfL). Hasil ini menunjukkan bahwa pori membran polisulfon dan karakteristik permeasi berubah dengan menambahkan lempung dan PEG. MPSfL+PEG memberikan selektivitas terbaik. Berdasarkan hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa lempung alam Desa Palas Pekanbaru berpotensi sebagai bahan aditif pada pembuatan membran hibrid polisulfon-lempung dalam hal peningkatan selektivitas terhadap membran. Membran ini diperkirakan berada pada klasifikasi membran mikrofiltrasi (MF). UCAPAN TERIMA KASIH Terimakasih penulis ucapkan kepada Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah membiayai penelitian ini melalui Dana Penelitian dan Pola Ilmiah Pokok atas nama Dr. Amilia Linggawati, M.Si DAFTAR PUSTAKA A. Bhattacharya, K. Singh, S. Gupta, Yogesh and S. Javiya. (2008). Porometry Studies of the Polysulfon Membranes on Addition of Poly (Ethylene Glycol) in Gelation Bath During Preparation. J. Mex. Chem. Soc. 52 (2) : J. Benavente, X. Zhang and R. G. Valls, (2005). Modification of polysulfone membranes with polyethylene glycol and lignosulfate: electrical characterization by impedance spectroscopy measurements. Journal of Colloid and Interface Science. (285) A. Linggawati, Muhdarina, D. Lang and A.W. Mohammad. (2003). Synthesis and Characterization Of Clay Filled Polysulfone Membrane: The Effect Of Composition And Calcination Of Clay. Proceeding of Regional symposium membrane science 2003, Johor, Malaysia. G. Choudalakis and A.D. Gotsis, (2009). Permeability of polymer/clay nanocomposites: A review. European Polymer Journal. 45 (29) Nadarlis Identifikasi dan Karakterisasi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai dan Desa Telanai Teratak Buluh Kecamatan Kampar. Skripsi Jurusan Kimia FMIPA. Universitas Riau, Pekanbaru. M. A. Zulfikar and A.W. Mohammad.006. Synthesis and characterization of poly(methy1 methacrylate)/sio2 hybrid mbranes: effect of silica contents on membrane structure. Jurnal Matematika dan Sains. 2: 4. Radiman, C.L Upaya Penggunaan Teknologi Membran di Indonesia sebagai Alternatif untuk Mendapatkan Air Bersih, disampaikan pada Seminar Nasional Pengelolaan Sumber Daya Air di Indonesia. GT. Penelitian Sumber Daya Air. ITB. Bandung. A. Linggawati, A.W. Mohammad dan C. P. Leo Effect of APTEOS content and electron beam irradiation on physical and separation properties of hybrid nylon-66 membranes. Materials Chemistry and Physics. 133: T.H. Young, L.W. Chen and L.P. Cheng Membranes with a microparticulate morphology. Polymer. 37 (8): Semirata 2013 FMIPA Unila