BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang dan Permasalahan Penelitian

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang dan Permasalahan Penelitian Dalam beberapa tahun terakhir ini, penggunaan serat lignoselulosa kategori non kayu sebagai bahan alternatif pengganti serat kayu dalam pembuatan pulp dan kertas semakin meningkat. Pada awalnya, serat tersebut digunakan dengan alasan menurunkan laju deforestasi dan pemanfaatan limbah. Namun saat ini, serat lignoselulosa kategori non kayu banyak digunakan karena proses pembuatan pulp (pulping) lebih singkat, bahan kimia yang digunakan lebih sedikit, dan pulp yang dihasilkan mempunyai sifat mekanik mirip dengan pulp dari serat kayu (Khristova dkk., 1998 ; Cordeiro dkk., 2004 ; Ogunsile dan Uwajeh, 2009). Serat lignoselulosa dapat digunakan sebagai bahan dasar pulp dan kertas atau tidak, bergantung pada komposisi kimia penyusunnya terutama selulosa, hemiselulosa, dan lignin. Potensi serat lignoselulosa sebagai pulp untuk bahan dasar kertas dapat diprediksi melalui profil seratnya yaitu dimensi (panjang serat, diameter serat, diameter lumen, dan tebal dinding) dan nilai turunan serat terutama bilangan runkel (runkel ratio), daya tenun (felting power) dan nilai kelenturan (flexibility coefficient) (Rowell dkk., 2000; Ververis dkk., 2004; Cordeiro dkk., 2004). Berdasarkan hasil penelitian terdahulu, pemanfaatan serat sabut kelapa (coir) sangat memungkinkan karena karakter serat (komposisi kimia penyusun dan profil serat) mempunyai kemiripan dengan serat kayu (Eddi dan Shinagawa, 1982; Joedodibroto, 1990; Agopyan dkk., 2005; Asasutjarit dkk., 2007; Abdul- Khalil dkk., 2010). Pulp atau bubur serat yang merupakan bahan dasar kertas adalah hasil pemisahan komponen serat yaitu selulosa dan hemiselulosa dari bahan penyusun lainnya terutama lignin. Permasalahan dalam pemanfaatan serat coir sebagai pulp adalah tingginya kandungan lignin (> 30%) pada serat dan adanya bagian non serat (pith) dari sabut kelapa (coconut husk) yang tidak dapat terpisah sempurna 1

2 2 dari serat coir (Joedodibroto,1990). Sel-sel non serat ini mempunyai kadar lignin yang tinggi, mudah larut dalam air dan dapat bereaksi dengan sisa lignin pada pulp yang dapat meningkatkan bilangan kappa (indeks derajat delignifikasi), menurunkan derajat kecerahan (brightness) dan sifat mekanik kertas. Beberapa hasil penelitian menunjukkan proses pulping secara kimia seperti proses soda, sulfat atau kraft, dan sulfit berhasil mendegradasi lignin. Namun, pada proses-proses tersebut polisakarida terutama hemiselulosa dan selulosa juga turut terdegradasi melalui reaksi pengelupasan (peeling) dan reaksi terminasi atau penghentian (Sjostrom, 1995). Adanya reaksi delignifikasi dan degradasi polisakarida (selulosa dan hemiselulosa) pada proses pulping secara kimia mengakibatkan perolehan rendemen pulp relatif rendah dibandingkan dengan proses pulping secara mekanis (Kristova dkk., 2002; Dutt dkk., 2009; Singh dkk., 2011; Syamsu dkk., 2013). Untuk mengatasi masalah tersebut, pada proses pulping secara kimia perlu ditambahkan katalis seperti antrakuinon (AQ) yang menyediakan reaksi alternatif pemutusan ikatan lignin fenolik aril eter hingga laju reaksi dapat ditingkatkan dan mencegah reaksi pengelupasan pada polisakarida terus berlanjut (Sjostrom, 1995; Monica dkk., 2009). Menurut Shakhes dkk. (2011), proses soda dapat menurunkan bilangan kappa pada pulp Kenaf (Hibiscus cannabinus L) dari 29,4 menjadi 15,5 (atau sebesar 47,3%) seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan pemasak (NaOH) dari 20 ke 25% b/b dan temperatur 165 o C selama 180 menit. Adapun penambahan AQ 0,2% b/b pada konsentrasi NaOH yang sama mengakibatkan peningkatan laju delignifikasi dan rendemen pulp serta penurunan bilangan kappa. Menurut Joedodibroto (1990), proses pulping yang paling efektif menurunkan jumlah lignin dan bilangan kappa pada pulp coir adalah proses soda dengan katalis antrakuinon (SAQ) bila dibandingkan dengan proses soda (tanpa katalis), proses sulfat dan proses sulfat-antrakuinon. Penambahan AQ sebagai katalis dapat meningkatkan laju delignifikasi, menjaga stabilitas polisakarida terhadap reaksi pengelupasan, meningkatkan rendemen dan sifat mekanik kertas terutama kekuatan sobek (tear strength) dan kekuatan tarik (tensile strength)

3 3 (Khristova dkk., 2005; Rodragueza dkk., 2008; Agkul dan Tozluoglu, 2009; Nandkumar, 2011; Shakhes dkk., 2011). Pulp berbahan dasar serat coir yang dihasilkan proses SAQ masih mengandung lignin (yang tersisa pada pulp) yang cukup besar dan akan mempengaruhi kualitas kertas seperti penurunan derajat kecerahan dan sifat mekanik terutama indeks tarik (Joedodibroto, 1990). Peningkatan sifat mekanik secara fisik maupun kimia memungkinkan untuk dilakukan dalam mengatasi kelemahan-kelemahan tersebut. Berdasarkan beberapa hasil penelitian, peningkatan sifat mekanik secara fisik dapat dilakukan dengan memperbaiki sifat serat melalui proses penggilingan (refining) serat. Perlakuan ini dapat meningkatkan fibrilasi internal dan eksternal pada serat sehingga mampu membentuk ikatan antar serat yang lebih baik pada lembaran kertas (Gao dkk., 2011). Di samping itu, pencampuran pulp (blending) dengan pulp dari serat lain seperti kertas daur ulang, selulosa kayu atau serat selulosa bakterial (SB) juga dapat digunakan untuk meningkatkan sifat mekanik kertas (Othman dkk., 2013; Paskawati dkk., 2010; Gao dkk., 2011). Secara kimia, peningkatan kekuatan ikatan antar serat dapat dilakukan dengan salah satu cara yaitu dengan penambahan aditif penguat basah (wet strength additive) pada stok pulp (Su dkk., 2012). Peningkatan sifat mekanik kertas kemasan dari bahan dasar campuran pulp (coir-kertas daur ulang) secara fisik telah diteliti oleh Othman dkk. (2013) dan Paskawati dkk. (2010). Hasil kedua penelitian tersebut menyimpulkan bahwa semakin lama waktu penggilingan serat akan meningkatkan sifat mekanik lembaran kertas, sedangkan campuran pulp pada komposisi tertentu sangat mempengaruhi sifat mekanik kertas terutama kekuatan tarik. Gao dkk. (2011) telah membuat lembaran kertas dari pulp serat kayu lunak (softwood) dan serat SB yang diproduksi oleh bakteri Gluconacet-bacterxylinus dari medium Hesterin. Berdasarkan analisis Scanning Electron Microscope (SEM), terjadi kombinasi jalinan (ikatan antar serat) yang baik antara serat kayu lunak dan serat SB. Serat SB mampu mengisi celah yang terbentuk diantara ikatan

4 4 antar serat kayu lunak sehingga dapat memperbaiki sifat mekanik dan morfologi permukaan kertas. Hasil penelitian yang dilakukan Su dkk. (2012) menunjukkan bahwa penambahan aditif penguat basah polyamideamine-epichlorohydrin (PAE) pada pulp yang berasal dari kayu berserat pendek (eucalyptus) yang telah dikelantang (bleaching) dapat meningkatkan sifat mekanik kertas yang dihasilkan terutama kekuatan tarik basah (wet tensile) kertas. Penelitian tentang pembuatan pulp coir dengan proses soda dan aplikasinya sebagai kertas dengan berbagai variasi telah banyak dilakukan (Eddi dan Shinagawa, 1982; Joedodibroto, 1990; Saleh dkk., 2009; Paskawati dkk., 2010; Othman dkk., 2013), akan tetapi kajian dari aspek kinetika delignifikasi pada pulp coir dengan proses soda dan SAQ berdasarkan penelusuran literatur belum dijumpai. Oleh karena itu, pada penelitian ini akan dilakukan proses pulping secara kimia yaitu proses soda dengan dan tanpa katalis AQ. Selanjutnya, proses delignifikasi yang terjadi pada proses soda tesebut dikaji aspek kinetikanya. Kajian kinetika yang dilakukan pada penelitian ini akan menghasilkan data beberapa parameter penting seperti waktu dan temperatur optimum, orde reaksi (n), konstanta laju reaksi (k), energi aktivasi (Ea), dan frekuensi Arrhenius (A). Data parameter tersebut dapat digunakan sebagai acuan apabila di kemudian hari ingin dilakukan scale up dalam dunia industri. Aplikasi pulp coir sebagai kertas dengan fokus peningkatan sifat mekanik juga dilakukan dalam penelitian ini dengan melakukan beberapa variasi seperti beating, blending pulp dan penambahan aditif. I.2 Keaslian (Originality) dan Kebaruan (Novelty) Penelitian Pembuatan pulp coir sebagai bahan dasar kertas telah banyak dilakukan dengan tujuan utama menurunkan bilangan kappa dan kadar lignin yang tersisa dalam pulp serta meningkatkan rendemen pulp. Beberapa peneliti telah melakukan proses soda untuk pembuatan pulp coir dengan menggunakan NaOH pada konsentrasi dan kondisi tertentu tanpa melakukan banyak variasi.

5 5 Eddi dan Shinagawa (1982) membuat pulp coir melalui proses soda pada temperatur kamar dengan menggunakan NaOH 5% b/b selama 120 menit. Tidak jauh berbeda dengan yang dilakukan oleh Eddi dan Shinagawa, Saleh dkk. (2009) juga melakukan proses pulping pada temperatur rendah yaitu temperatur 80 o C selama 90 menit dengan konsentrasi NaOH 10% b/b. Proses delignifikasi pada temperatur rendah atau pada fase awal (< 140 o C) hanya mampu melarutkan lignin dalam jumlah kecil yaitu sekitar 15-25% dari total lignin. Berbeda dengan yang dilakukan kedua peneliti sebelumnya, Joedodibroto (1990) melakukan pemisahan bagian non serat dari serat coir dengan cara penggilingan untuk mengurangi jumlah lignin sebelum proses pulping. Adapun proses pulping serat coir yang dilakukan adalah menggunakan temperatur tinggi (170 o C) atau pada fase sisa dengan NaOH 18% b/b dengan dan tanpa penambahan katalis (AQ) selama 120 menit. Pada kondisi tersebut, proses delignifikasi mampu melarutkan lignin sekitar 90% serta mendegradasi polisakarida yang mengakibatkan menurunnya rendemen. Berdasarkan penelitian-penelitian terdahulu, pada penelitian ini dilakukan beberapa variasi kondisi pulping untuk melihat perubahan yang terjadi pada semua fase delignifikasi yaitu fase awal, fase curah (utama), dan fase sisa. Adapun variasi yang dilakukan adalah variasi konsentrasi NaOH (5-25% b/b) dan katalis AQ (0,10-0,20% b/b) serta temperatur ( o C) dan waktu ( menit). Variasi-variasi tersebut dilakukan untuk mendapatkan kondisi optimum yaitu pada fase curah delignifikasi. Pada penelitian ini juga dilakukan usaha pemisahan non serat (yang mempunyai kadar lignin cukup tinggi) dari serat coir sebelum proses pulping. Cara pemisahan dilakukan dengan merendam dan mencuci serat berulang kali dengan air hingga air pencuci tidak lagi berwarna gelap. Cara tersebut selain mengurangi lignin pada serat juga dapat meningkatkan kelenturan serat akibat adanya pembengkakan (swelling). Kajian kinetika delignifikasi pada pembuatan pulp belum banyak dilakukan. Pratiwi dan Sugesty (1987) menganggap laju delignifikasi pada kayu Eucalypyus alba, Eucalyptus saligna dan Albizzia falcataria dalam proses sulfat berbanding lurus dengan kadar lignin tersisa dalam pulp atau dianggap orde satu.

6 6 Adapun hasil penelitian menunjukkan bahwa fase curah delignifikasi terjadi pada temperatur o C dengan energi pengaktifan untuk ketiga jenis kayu tersebut sekitar 50 kj/mol. Kajian kinetika delignifikasi serat coir pada proses soda dan SAQ pada penelitian ini dilakukan karena informasi mengenai hal tersebut belum ada. Data kinetika diperoleh melalui pengamatan perubahan konsentrasi lignin yang tersisa dalam pulp pada saat delignifikasi utama terjadi yaitu pada fase curah. Adapun penentuan orde reaksi delignifikasi dilakukan secara grafik. Aplikasi pulp coir sebagai bahan dasar kertas telah cukup banyak diteliti dengan berbagai tujuan. Syamsu dkk. (2013) membuat lembaran kertas dengan menggunakan pulp coir hasil proses soda dengan tambahan aditif tapioka dan kaolin dalam usaha memperbaiki sifat mekanik dan morfologi kertas. Perlakuan terbaik adalah perlakuan dengan menggunakan NaOH 10% b/b, kaolin 0% b/b dan tapioka 5% b/b. Othman dkk. (2013) mencampur pulp kertas koran usang dan pulp coir (3:1) yang kemudian digiling selama 20 menit hingga menjadi pulp campuran yang homogen. Lembaran kertas yang dihasilkan dari pulp campuran tersebut memiliki sifat mekanik yang optimal dengan daya kekuatan tarik (tensile strength load) 28,1 N dan daya kekuatan sobek (tear strength load) 109,2N. Paskawati dkk. (2010) membuat kertas dengan mencampur pulp coir dengan pulp kertas HVS (variasi proporsi). Kertas yang dihasilkan mempunyai kekuatan tarik yang rendah dikarenakan serat coir (hasil proses hidrolisis dengan variasi konsentrasi NaOH dan waktu pembuatan pulp) masih berukuran besar dan menyebabkan ikatan antar serat tidak dapat terbentuk dengan sempurna. Berbeda dengan penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, pada penelitian ini dilakukan aplikasi pulp coir (yang dihasilkan pada kondisi optimum) menjadi lembaran kertas dengan beberapa variasi perlakuan seperti variasi tingkat penggilingan, penambahan aditif penguat basah (PAE) dan blending. Proses penggilingan pulp coir yang dilakukan pada penelitian ini adalah cara basah dengan menggunakan air. Cara ini menyebabkan beberapa perubahan fisik pada serat seperti pembentukan serat-serat halus (fines) yang akan memudahkan pembengkakan serat (swelling) karena sifat serat yang hidrofilik;

7 7 serat bersifat lebih lentur; serat terpotong; dan terjadi fibrilisasi eksternal maupun internal (Mohlin, 1995; Mohlin dan Daniel, 2004). Pulp yang digunakan sebagai serat sekunder pada blending pulp coir adalah pulp eucalyptus dan nata de coco. Blending pulp coir-nata de coco dan pulp coir-eucalyptus dilakukan dengan variasi komposisi (0:100, 25:75, 50:50, 75:25 dan 100:0 b/b). Lembaran kertas yang dihasilkan pada penelitian ini dikarakterisasi sifat fisik (grammatur, ketebalan, kerapatan dan bulk), sifat cetak (formasi, porositas dan daya serap air) dan sifat mekanik (indeks tarik dan indeks sobek) serta morfologi permukaan kertas. Variasi perlakuan pada pembuatan kertas dilakukan untuk memperbaiki sifat fisik, cetak dan mekanik lembaran kertas serta mendapatkan lembaran kertas berkekuatan basah. Kertas berkekuatan basah adalah kertas yang mempunyai kekuatan ikatan antar serat yang lebih besar dari kertas lainnya ketika dijenuhkan dengan air. Jenis kertas yang memerlukan kekuatan basah tinggi seperti kertas tissue muka, kertas foto, kertas bungkus makanan, kertas saring, kertas bungkus teh celup dan sebagainya (Chan, 1994). I.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian I.3.1 Tujuan penelitian 1. Membuat pulp dari serat coir melalui proses soda dengan memvariasikan konsentrasi NaOH dari 5 hingga 25% b/b pada temperatur dan waktu tertentu serta mengkarakterisasi sifat fisik (freeness/derajat giling), kimia (lignin, bilangan kappa, alfa selulosa, dan rendemen), dan morfologi permukaan pulp. 2. Membuat pulp dari serat coir melalui proses soda dengan memvariasikan temperatur dan waktu reaksi dan menggunakan konsentrasi optimum NaOH serta menentukan karakter pulp dan nilai parameter kinetika delignifikasi yang meliputi: a. temperatur, waktu reaksi optimum b. orde reaksi (n) dan konstanta laju reaksi (k) c. energi aktivasi (Ea) dan frekuensi Arrhenius (A)

8 8 3. Membuat pulp dari serat coir melalui proses SAQ dengan memvariasikan konsentrasi AQ dari 0,10 hingga 0,20% b/b pada kondisi optimum proses soda serta menentukan karakter pulp dan data kinetika proses SAQ. 4. Membuat lembaran kertas dari pulp coir dengan variasi perlakuan: penggilingan, penambahan zat aditif penguat basah (PAE) dan blending pulp (coir-eucalyptus dan coir-nata de coco) serta mengkarakterisasi lembaran kertas. Karakter lembaran kertas meliputi sifat fisik (grammatur, ketebalan, dan kerapatan), sifat cetak (formasi, porositas dan daya serap air), dan sifat mekanik (kekuatan tarik dan kekuatan sobek) serta morfologi permukaan kertas. I.3.2 Manfaat Penelitian 1. Mendapatkan informasi mengenai data karakteristik pulp dan lembaran kertas berbahan dasar serat coir. 2. Mendapatkan informasi mengenai nilai parameter kinetika delignifikasi serat coir melalui proses soda dan SAQ yang sekaligus menjadi dukungan ilmiah bila kelak akan dilakukan scale up dalam dunia industri. 3. Mendukung upaya peningkatan nilai guna buah kelapa terutama sabut kelapa dan memberikan konstribusi pada pengembangan ilmu pengetahuan.