Sintesis Biomaterial Kitosan TiO 2 Pada Proses Kalsinasi Temperatur Rendah

Transkripsi

1 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013 Sintesis Biomaterial Kitosan TiO 2 Pada Proses Kalsinasi Temperatur Rendah Yetria Rilda *, Admin Alief, Zulhadjri, Upita Septiani dan Rina Yulita Jurusan Kimia FMIPA, Universitas Andalas, Padang yetririlda@yahoo.com (HP: ) Abstrak. Sintesis biomaterial titania dioksida (TiO 2 ) dengan penambahan biopolimer kitosan dapat dilakukan dengan metoda sol-gel. Penelitian ini bertujuan untuk mengamati apakah dengan memperpanjangkan lama waktu kalsinasi 2-10 jam pada temperatur rendah 250 dan 300 o C, proses pertumbuhan kristal dan kestabilan hibridisasi kitosan-tio 2 dapat dipertahankan. Produk biomaterial kitosan-tio 2 yang dihasilkan berupa powder, dari analisis FT-IR menunjukkan bahwa terjadi perubahan intensitas dari gugus-gugus fungsi prekusor dan terbentuknya hibridisasi kitosan-tio 2 pada rentang sidik jari cm -1. Analisis TGA pada programming temperature o C dapat memberikan informasi kestabilan kitosan-tio 2 terhadap temperatur tertentu dan jika dikorelasi dengan analisis X- ray diffraction membuktikan bahwa waktu kalsinasi mempengaruhi intensitas pembentukan kristal kitosan-tio 2. Analisis SEM-EDX memperlihatkan bongkahan kitosan seperti batang terdistribusi merata pada permukaan TiO 2 dan diperkuat dengan data EDX yang memberikan analisis komposisi biomaterial secara semi kuantitatif. Kata Kunci : Biomaterial, Biopolimer, Titania Dioksida, Kalsinasi PENDAHULUAN Latarbelakang Titanium dioksida (TiO 2 ) atau titania merupakan salah satu senyawa oksida semikonduktor yang telah diaplikasikan secara luas di berbagai bidang karena keunggulan yang dimilikinya diantaranya, inert terhadap asam dan basa, non korosif dan non toksik. Penggunaan titania sebagai katalis juga telah banyak dikembangkankan karena titania memiliki kereaktifan terhadap sinar, porositas yang tinggi dengan luas permukaan besar. Kinerja katalis dari titania sangat ditentukan oleh morfologi dari titania tersebut baik struktur, ukuran, bentuk, porositas, sehingga penelitian yang terus dikembangkan adalah untuk meningkatkan kinerja katalis dengan memodifikasi morfologinya melalui pengembangan atau pemilihan metoda sintesis dengan penambahan senyawa tertentu sebagai senyawa dopant. Penyediaan titania telah dilakukan dengan berbagai metoda sintesis, seperti metoda hidrotermal, solid state, dan sol-gel. Metoda sol-gel untuk sintesis oksida logam disamping peralatannya sederhana juga tingkat kehomogenan distribusi partikel cukup baik. Untuk mengontrol tekstur pembentukan kristal dari titania diawali dari pembentukan xerogel, sehingga diperlukan penambahan suatu senyawa tertentu untuk proses modifikasi tekstur titania, dalam hal ini digunakan senyawa organik kitosan yang merupakan senyawa biopolimer yang dapat berhibridisasi melalui ikatan hidrogen dari gugus hidroksil dan amina pada kitosan dengan Ti-OH yang merupakan prekusor logam alkoksida (Titanium Iso Propoksida) yang telah mengalami proses hidrolisis pada pembentukan sol. Kitosan dapat berfungsi sebagai template pencetak pori, sehingga dapat meningkatkan efektifitas kinerja dari TiO 2. Dari uraian di atas dan merujuk pada hasil penelitian sebelumnya, untuk meningkatkan kestabilan hibridisasi kitosan-tio 2 terhadap panas dapat dilakukan dengan pengaturan kondisi Semirata 2013 FMIPA Unila 457

2 Yetria Rilda dkk: Sintesis Biomaterial Kitosan TiO2 Pada Proses Kalsinasi Temperatur Rendah kalsinasi dengan tujuan penelitian penelitian adalah mempelajari apakah dengan penambahan biopolimer kitosan akan mempengaruhi kehomogenan sol dari prekusor pada proses sintesis TiO 2 dengan metode sol-gel, bagaimana kestabilan hibridisasi kitosan-tio 2 dapat dipertahankan jika kalsinasi dilakukan pada temperatur rendah 250 dan 300 o C dan apakah pengaruh lama waktu kalsinasi 2-10 jam terhadap proses kesempurnaan pertumbuhan kristal dan karakter morfologi kitosan-tio 2 yang dihasilkan. METODA PENELITIAN Alat dan Bahan Alat - alat yang digunakan didalam penelitian adalah seperangkat alat-alat gelas, hot plate dan magnetik stirer, bola penghisap, neraca analitis (Sartorius TE.2145), ph meter (CG803. Schoti Gerate), oven (Heraeus T.5042), furnace nitrogen (Thermolyne 1300 Furnace), cawan porselen, FT - IR (Jasco 460), TGA (Thermographymetric Analyzer), XRD (X, Port PAN Analytical) dan SEM - EDX (Jeol JSM 6360 LA). Bahan-bahan kimia yang digunakan didalam penelitian ini adalah Titanium Isopropoksida (TIP : C 12 H 28 O 4 Ti) (Aldrich, 97 %), Dietanol Amin (DEA : NH(CH 2 CH 2 OH) 2 ) merck, Isopropanol (merck 98 %), Kitosan Komersial dari IPB, HCl (pa), NaOH (pa). PROSEDUR KERJA Sintesis Kitosan-TiO 2 Sintesis TiO 2 dilakukan dengan metoda sol-gel. Sebagai prekusor digunakan campuran TIP dan DEA sebagai aditif untuk menstabilkan TIP dengan perbandingan (1 : 2), kemudian prekusor dihidrolisis didalam pelarut isopropanol sampai homogen selama 1 jam pada temperatur kamar (Larutan A). Larutan B terdiri dari senyawa kitosan dilarutkan dalam larutan asam asetat 5%, dihomogenkan selama 4 jam. Kemudian larutan A dan B dicampurkan dengan perbandingan B terhadap A adalah 10-20%. Untuk mendapatkan campuran sol yang homogen dan stabil diperlukan waktu pengocokkkan selama 5 6 jam dan ph diatur menjadi ph = 10. Campuran sol dipanaskan pada suhu C selama 5 jam untuk proses polikondensi dengan pembentukan gel. Gel dikarakterisasi dengan TGA. Pembentukan powder TiO 2 dilakukan dengan mengkalsinasi gel pada temperatur rendah C, dan variasi lama waktu kalsinasi 2 10 jam untuk memperoleh kristalinitas TiO 2 dan mengamati sejauh mana kestabilan hibridisasi kitosan-tio 2 dapat dipertahankan. Powder TiO 2 yang dihasilkan dikarakterisasi dengan XRD, SEM dan EDX. HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis Kitosan-TiO 2 Untuk memperoleh kehomogenan dan kestabilan sol antara kitosan yang bersifat organik dengan prekusor TIP yang bersifat anorganik dalam proses hibridisasi kitosan- TiO 2 sangat dipengaruhi oleh kelarutan kitosan. Kitosan merupakan senyawa biopolimer turunan kitin yang mempunyai karakter fisikokimia antara lain berwarna putih dan berbentuk kristal, sedikit larut dalam air, tidak larut dalam pelarut organik. Pelarut kitosan yang baik adalah pelarut asam organik seperti asam asetat atau asam formiat [4,5]. Kelarutan kitosan dipengaruhi oleh besar kecilnya derajat deasetilasi, Derajat asetilasi besar kelarutan akan lebih besar dan sebaliknya. Besar kecilnya derajat deasetilasi akan menjadi ukuran kemurnian dari proses isolasi kitosan [6]. Derajat deasetilasi ditentukan dari pengukuran intensitas spektrum FT-IR kitosan pada angka gelom bang 1654,8 cm -1 dan 3386,8 cm -1 dan berdasarkan data yang 458 Semirata 2013 FMIPA Unila

3 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013 dikonversikan ke Hukum Lambert Beer dapat ditentukan derajat deasetilasi dari kitosan komersil yang berasal dari Institut Pertanian Bogor (IPB) sebesar 96,3 %. Kitosan dengan derajat deasetilasi besar mempunyai kelarutan yang besar dalam asam asetat. Konsentrasi asam juga mempengaruhi daya larut kitosan, dari variasi konsentrasi asam asetat diperoleh kelarutan paling baik pada konsentrasi asam asetat 5 %. Proses polikondensasi merupakan proses pembentukan jaringan oksida molekul prekursor dalam media cair yang berlansung dengan penguapan pelarut pada suhu 110 O C, dimana pada proses kondensasi biopolimer kitosan dapat berperan meningkatkan dispersi nanopartikel dan membantu proses pembentukan kristal pada suhu yang lebih rendah jika dibandingkan dengan sintesis TiO 2 tanpa penambahan kitosan [7]. ANALISIS TGA (Thermo- Gravimetric Analysis) KITOSAN-TiO 2 Analisis TGA dapat menjadi tolak ukur untuk menetapkan temperatur yang tepat dalam mengkalsinasi gel dari hibridisasi kitosan-tio 2. Pada penelitian Triwahyuni. M (2011), sintesis kitosan-tio 2 dilakukan pada temperatur kalsinasi 300 o C 700 o C selama 2 jam. Akan tetapi pada rentang temperatur tersebut diperoleh morfologi yang berbeda-beda dan diperkuat dengan analisis komposisi data EDX diperoleh informasi bahwa pada temperatur kalsinasi dibawah 400 o C, kitosan yang berhibridisasi dan tersubstitusi pada TiO 2 memberikan produk kitosan- TiO 2 yang stabil, tetapi struktur berbentuk amorf, sedangkan pada suhu 400 O C kitosan tidak stabil, hanya sebagian kecil fragmen-fragmen dari kitosan tersubstitusi, sedangkan pertumbuhan kristal TiO 2 telah memberikan intensitas berdasarkan analisis dengan XRD. Pola TGA pada gambar 1 menampilkan adanya perbedaan kestabilan termal dari beberapa sampel. Sampel kitosan mengalami pengurangan berat sebesar 30 % ketika dipanaskan pada temperatur 250 o C, dan 40 % pada temperatur 300 o C. Pengurangan berat sangat drastis terjadi jika temperatur lebih besar dari 250 o C sampai diperoleh berat yang stabil pada temperatur 600 o C. Kitosan merupakan senyawa organik, pada temperatur 600 o C diperkirakan komponen unsur didalam kitosan mengalami dekomposisi sempurna pada suhu tersebut. Sedangkan TIP merupakan senyawa anorganik yang digunakan sebagai prekusor dalam pembentukan TiO 2, pengurangan berat mulai terjadi pada temperatur 100 o C, yang diindikasikan sebagai proses penguapan pelarut, dan pengurangan drastis terjadi seiring dengan kenaikan temperatur yang diindikasikan sebagai tahapan dekomposisi dari senyawa organik dari logam alkoksida (TIP). Kestabilan tercapai dimana tidak terjadi pengurangan berat pada temperatur 500 O C, yang diasumsikan sebagai pembentukan oksida titanium. Jika pada prekusor TIP ditambahkan senyawa kitosan sebagai senyawa yang berfungsi untuk memodifikasikan morfologi TiO 2 dengan penambahan kitosan 20 % terhadap prekusor TIP, Gambar 1. Pola TGA % Pengurangan Berat Sebagai Fungsi Temperatur, a. Gel TiO 2, b. Powder kitosan dan c. Gel kitosan-tio 2 Semirata 2013 FMIPA Unila 459

4 Yetria Rilda dkk: Sintesis Biomaterial Kitosan TiO2 Pada Proses Kalsinasi Temperatur Rendah memberikan pembentukan TiO 2 yang lebih stabil terhadap panas pada temperatur 600 O C, karena kitosan mengawali peranannya pada pembentukan gel sebagai template pencetak pori [3]. Dari pola TGA pada gambar 1 dapat diamati bahwa senyawa kitosan itu sendiri pada temperatur 600 O C, pengurangan berat mencapai 99 %, fakta ini memberikan indikasi bahwa kitosan merupakan senyawa organik yang terdekomposisi sempurna pada temperatur tinggi, sehingga dapat disimpulkan bahwa pada temperatur tersebut tidak dapat dipertahankan kestabilannya jika diinginkan hibridisasi kitosan TiO 2. Akan tetapi jika proses kalsinasi dilakukan pada temperatur o C, kestabilan kitosan diperkirakan 60-70% dapat terhibridisasi dengan TiO 2. Analisis XRD (X-Ray Diffraction) Kitosan-TiO 2 Karakter struktur kitosan-tio 2 yang dihasilkan jika dikalsinasi pada temperatur rendah antara o C, proses kristalisasi TiO 2 belum memberikan intesitas yang tajam dan diindikasikan struktur dominan fase amorf. Pada kondisi temperatur tersebut berdasarkan data dari analisis TGA, belum terjadi dekomposisi sempurna senyawa organik dari logam alkoksida sebagai prekusor yang digunakan dan senyawa organik dari kitosan itu sendiri. Secara visual dapat diamati bahwa penampilan fisik dari powder berwarna hitam, yang diindikasikan masih terdapat banyak senyawa karbon, karena belum sempurnanya proses kalsinasi pada suhu tersebut. Analisis XRD TiO 2 dan kitosan-tio 2 pada gambar 2 menunjukkan intensitas kristalinitas pada 2θ = 25,4 o sangat rendah pada temperatur tersebut. Pada 2θ = 25,4 o diperoleh TiO 2 anatase setelah di matchingkan dengan JCPDS No Jika lama waktu kalsinasi diperpanjang 3,5,7 dan 10 jam pada temperatur 300 o C, diperoleh perbedaan Gambar 2. Pola XRD Kitosan-TiO 2 pada temperatur kalsinasi, (a) TiO 2, 300 o C 3 jam, (b) TiO 2 /Kitosan, 250 C 3 jam, (c) TiO 2 /Kitosan, 300 C, 3 jam, (d) TiO 2 /Kitosan, 300 C, 5 jam (e) TiO 2 /Kitosan, 300 C, 7 jam, (f) TiO 2 /Kitosan 300 C,10 jam. intensitas yang berbeda. Dari gambar 2 memperlihatkan terjadi kenaikan kristalinitas pada lama kalsinasi masingmasingnya adalah 3 jam 90 au, 5 jam 98 au, dan 7 jam 109 au, tetapi terjadi pengecualian pada 10 jam kalsinasi terjadi penurunan intensitas 99 au. Dan dari analisis lebih lanjut, kalsinasi pada 5 jam lebih baik morfologi powder yang dihasilkan. Sehingga dapat disimpulkan bahwa semakin bertambah lama waktu kalsinasi, terjadi kenaikan intensitas dari kitosan-tio 2, fakta ini menunjukkan bahwa kalsinasi pada temperatur rendah membutuhkan waktu yang lama untuk pembentukan kristal dari kitosan yang didoping pada TiO 2. Analisis SEM-EDX (Scanning Microscopy Energy Dispersive X-ray) Pola morfologi permukaan dari TiO 2 dapat dilihat pada gambar 3. Dari pola SEM memperlihatkan pertumbuhan kristal TiO 2 belum sempurna pada temperatur kalsinasi rendah o C. Kristal belum mempunyai bentuk morfologi yang jelas dan pendistribusian partikel belum merata. Jika merujuk pada data XRD pada suhu 250 o C dan 300 o C kristal masih berupa amorf. Tetapi pada pola SEM dari kitosan yang dihibridisasi dengan TiO 2 pada 460 Semirata 2013 FMIPA Unila

5 Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013 Gambar 3. Pola SEM TiO 2 pada temperatur kalsinasi 300 o C dengan waktu kalsinasi 5 jam temperatur kalsinasi rendah 300 o C selama 5 jam seperti ditunjukkan pada gambar 4. Pada Gambar 4, memperlihatkan bahwa kitosan terdoping pada permukaan TiO 2, karena terdapatnya bongkahan seperti batang yang merupakan morfologi dari senyawa kitosan, fakta ini dapat membuktikan terjadinya interaksi antar muka atau ikatan hidrogen telah terbentuk pada saat pembentukan sol berlanjut pada gel antara gugus hidroksil dan amina kitosan dengan gugus Ti-OH dari hidrolisis Titanium isopropoksida didalam pelarut isopropanol. Sedangkan untuk mengetahui komposisi dan distribusi dari unsur-unsur yang ada di dalam biomaterial kitosan-tio 2 dapat digunakan analisis semikuantitatif dari data EDX. Komposisi unsur-unsur didalam produk TiO 2 masing-masingnya memiliki persentase unsur adalah sebagai berikut, unsur Ti dominan hampir > 70 %, sedangkan persentase dari kandungan C masih cukup tinggi. Setelah penambahan kitosan pada sintesis TiO 2 dan dikalsinasi pada temperatur 300 o C selama 5 jam, diperoleh ada penurunan persentase unsur C= 26,69 %; N= 16,10 %; dan Ti= 57,12 %. Data EDX ini menunjukkan adanya terjadi penurunan persentase unsur N dan Ti, hal ini dapat mengggambarkan terjadi interaksi melalui ikatan hidrogen antara kitosan dan TiO 2. Jika lama waktu kalsinasi Kitosan-TiO 2 diperpanjang selama 10 jam terjadi peningkatan persentase unsur Ti, tetapi terjadi penurunan persentase unsur C dan N yang diindikasikan bahwa proses kalsinasi dengan waktu yang lama akan meningkatkan jumlah dekomposisi senyawa organik dari prekusor dan kitosan tersebut, sehingga menurunkan kestabilan dari produk kitosan-tio 2. Fakta ini dapat ditarik suatu kesimpulan bahwa temperatur dan lama waktu kalsinasi mempengaruhi komposisi produk dan memberikan morfologi struktur yang berbeda pula dari produk Kitosan-TiO 2. KESIMPULAN Gambar 4. Pola SEM kitosan-tio 2 pada temperatur kalsinasi 300 o C dengan waktu kalsinasi 5 jam Dari hasil penelitian sintesis Kitosan- TiO 2 dapat diambil beberapa kesimpulan adalah sebagai berikut, kehomogenan sol dari prekusor TIP dengan penambahan biopolimer kitosan sangat dipengaruhi oleh kesempurnaan kelarutan kitosan dalam pelarutnya asam asetat 5%, kestabilan produk kitosan-tio 2 dapat dipertahankan pada temperatur kalsinasi 300 o C, dari data EDX memberikan informasi persentase Semirata 2013 FMIPA Unila 461

6 Yetria Rilda dkk: Sintesis Biomaterial Kitosan TiO2 Pada Proses Kalsinasi Temperatur Rendah unsur didalam biomaterial kitosan-tio 2 adalah C= 26,69 %; N= 16,10 % dan Ti= 57,12 %. Sedangkan data XRD menunjukkan derajat kristalisasi yang lebih baik untuk proses kalsinasi kitosan-tio 2 pada temperatur rendah o C adalah 5 jam. DAFTAR PUSTAKA Rilda. Y, Dharma. A, Arief.S, Alif. A, dan Shaleh.B Efek Doping Ni II Pada Aktifitas Fotokatalitik dari TiO 2 Untuk Inhibisi Bakteri Patogenik. Jurnal Makara Sains Vol. 14: Rilda, Yetria., S. Arief, A.Dharma dan A. Admin (b). Modifikasi dan Karakterisasi Titania (M- TiO 2 ) dengan Doping Ion Logam Transisi FeNi dan CuNi. Jurnal Natur Indonesia 12(2) : [Al Sagher, F. Muslim, S Thermal and Mechanical Propertis of Chitosan/SiO 2 Hybrid Composite. Journal of Nanomaterial. Sheau-Ming Chen, Ming-Shien Yen, and Yun-Hwei Shen Effect of Chitosan Biopolymer and UV/TiO 2 method for the de-coloration of Acid Blue 4 simulated textile wastewater African Journal. Vol 9 (34) Marza. T Efek Penambahan Kitosan Pada Sintesis TiO 2 dengan Metoda Solgel dan Karakterisasinya. Skripsi Jurusan Kimia. Synowiecki, J., and Al-Khateeb, N.A Production, Properties, and Some New Applications of Chitin and its Derivatives. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 43, no. 2, Pabon, E, Retuert, H, and Bottcher, H TiO 2 -SiO 2 Mixed Oxide Prepared by a Combined Sol-Gel and Polymer Inclusion Method. Microporous and Mesoporous Materials Yugui Tao, Jun Pan, Shilei Yan, Bin Tang, Longbao Zhu Tensile Strength Optimization and Characterization of Chitosan TiO2 hybrid film Material Science and Engineering B. Vol Rilda, Yetria., S. Arief, A.Dharma dan A. Admin (b). Modifikasi dan Karakterisasi Titania (M- TiO 2 ) dengan Doping Ion Logam Transisi FeNi dan CuNi. Jurnal Natur Indonesia 12(2) : Zayim, E.O Effect of Calcination and ph Value on The Structural and Optical Properties of Titanium Oxide Thin Films. Journal of Materials Science 40: Semirata 2013 FMIPA Unila