PEMBUATAN SURFAKTAN NATRIUM LIGNOSULFONAT DARI TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT DENGAN SULFONASI LANGSUNG Putri Fiona Rachim *, Eva Linda Mirta, M. Yusuf Thoha Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jln. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Inderalaya Ogan Ilir (OI) 30662 Abstrak Surfaktan adalah zat yang ditambahkan pada cairan untuk meningkatkan sifat penyebaran atau pembasahan dengan menurunkan tegangan muka. Banyak industri menggunakan surfaktan antara lain sebagai emulsifier, corrosion inhibition, defoaming, detergency, emuliency, dll. Penelitian ini mencoba memanfaatkan tandan kosong kelapa sawit sebagai bahan baku pembuatan surfaktan natrium lignosulfonat dikarenakan kandungan ligninnya yang cukup besar sekitar 22,84%. Selain itu bahan baku yang relatif murah tentunya akan memberikan nilai ekonomi yang cukup tinggi dan mengurangi pencemaran lingkungan. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan reaktor labu leher tiga pada suhu 80 o C,90 o C, 100 o C,110 o C dan 120 o C. Lama waktu perebusan 15 menit, 30 menit, 45 menit, 60 menit, 75 menit, ph 4, kecepatan pengadukan 80 rpm. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui temperature dan waktu perebusan yang optimum. Dari hasil penelitian didapatkan kondisi optimum suhu pembuatan surfaktan natrium lignosulfonat pada 90 C dan semakin lama waktu perebusan maka semakin besar pula kadar lignosulfonat yang didapatkan. Berdasarkan analisa dengan spektrofotometer didapatkan konsentrasi lignosulfonat sebesar 458,206 ppm untuk kondisi optimum. Kata kunci : lignin, natrium lignosulfonat, surfaktan, tandan kosong kelapa sawit Abstract Surfactant is detergent- like substance that is added to liquid to increase wetness property by lowering the surface tension of the liquid. Many industries use surfactant as emulsifier, corrosion inhibition, defoaming, detergency, emuliency, etc. This research is objected to use empty fruit bunches of oil palm (TKKS) as the base material of producing surfaktan natrium lignosulfonat, because its content of lignin about 22,84%. Raw materials will certainly provide a relatively high economic value because theirs are cheap. The use of wate can also reduce the environmental pollution. The research was done in a reactor with temperature of 80 o C,90 o C, 100 o C,110 o C dan 120 o C. 15 min, 30 min, 45 min, 60 min,75 min reation time, ph4, 80 rpm agitation rate. The objective of tis research is temperature and optimum time of cooking or reaction surfactan. From this research, it was known that optimum temperature for production surfactan is 90 C and the longer the boiling time, the greater the level of lignosulfonate is obtained. The analysis of the concentration of lignosulfonate obtained with a spectrophotometer at 458.206 ppm is optimum conditions. Keywords : empty fruit bunches of oil palm (TKKS), lignin, natrium lignosulfonate, surfactan 1. PENDAHULUAN Surfaktan (surface active agent) adalah zat yang ditambahkan pada cairan untuk meningkatkan sifat penyebaran dengan menurunkan tegangan permukaan cairan. Kemampuan surfaktan dalam menurukan tegangan dikarenakan surfaktan memiliki struktur molekul amphiphatic yaitu mempunyai struktur molekul yang terdiri dari gugus hidrofilik dan gugus hidrofobik Surfaktan telah diaplikasikan secara luas pada berbagai industri antara lain sebagai emulsifier, emuliency, defoaming, detergency, dan lainnya. Kebutuhan surfaktan di Indonesia meningkat seiring dengan perkembangan industri sedangkan produksi surfaktan terbatas. Jurnal Teknik Kimia No. 1, Vol. 18, Januari 2012 Page 41
Potensi Indonesia sebagai produsen surfaktan yang disintesis dari tandan kosong kelapa sawit sangat besar. Hal ini disebabkan Indonesia merupakan negara penghasil minyak sawit terbesar di dunia. Kelapa sawit (Elaeis guineensis Jacq.) termasuk dalam kelas Angiospermae, subkelas Monocotyledonae, divisi Tracheophyta, ordo Palmae, famili Arecaceae, genus elaeis dan spesies guineensis. Kelapa sawit adalah tumbuhan industri penting penghasil minyak dan bahan bakar biodiesel. Dari satu ton tandan buah segar (TBS) yang diolah akan dihasilkan minyak sawit kasar (CPO) sebanyak 0,21 ton (21%) serta minyak inti sawit (PKO) sebanyak 0,05 ton (5%) dan sisanya merupakan limbah dalam bentuk tandan buah kosong, serat dan cangkang biji yang jumlahnya masing-masing sekitar 23%, 13,5% dan 5,5% dari tandan buah segar. Tandan kosong kelapa sawit mengandung unsur kimiawi lemak, protein, selulosa, lignin dan hemiselulosa. Sehingga memungkinkan limbah TTKS dimanfaatkan sebagai substrat dalam pembuatan asam-asam organik, pelarut aseton, butanol, etanol, protein sel tunggal, zat antibiotika, xanthan dan bahan kimia lainnya melalui biokonversi. Lignin Lignin terbentuk dari gugus aromatik yang saling dihubungkan dengan rantai alifatik, yang terdiri dari 2-3 karbon. Lignin terdapat di antara sel-sel dan dalam dinding sel serta berfungsi sebagai perekat untuk mengikat selsel agar tetap bersama. Berdasarkan unsur strukturalnya, lignin dapat dibagi ke dalam beberapa kelompok yaitu Lignin guaiasil dan Lignin guaiasilsiringil. Struktur bangun lignin adalah ikatan bersama dari rantai/ikatan eter (C- O-C) dan ikatan karbon (C-C). Ikatan antar unit tersebut pada lignin hardwood dan softwood membentuk struktur β-o-4. Gambar 1. Struktur Monomer Lignin Lignin dapat dimanfaatkan secara komersial sebagai bahan pengikat, perekat, pengisi, surfaktan, produk polimer, dan sumber bahan kimia lainnya. Tabel 1. Komposisi lignin pada berbagai zat Material Kadar Lignin (%) Softwoods 26-28,8 Hardwoods 22 Baggase 19,6 Kenaf 7.9 Surfaktan Surfaktan (Surface Active Agent) adalah zat yang ditambahkan pada cairan untuk meningkatkan sifat penyebaran atau pembasahan dengan menurunkan tegangan permukaan cairan khususnya air. Struktur molekul surfaktan terdiri dari : 1. Gugus hidrofilik (kepala surfaktan) a. Bermuatan negatif adalah surfaktan anionik. b. Bermuatan positif adalah surfaktan kationik. c. Bermuatan positif dan negatif adalah surfaktan amfoter (zwitterion). d. Tidak bermuatan adalah surfaktan non ionik. 2. Gugus hidrofobik (ekor surfaktan) a. Hidrokarbon,. b. Perfluorohidrokarbon, c. Polyoxypropylene atau polyoxybutylene Penggolongan Surfaktan Surfaktan dapat digolongkan menjadi empat golongan berdasarkan muatan surfaktan, yaitu : 1. Surfaktan anionik 2. Surfaktan kationik 3. Surfaktan non ionik 4. Surfaktan amfoter Kegunaan Surfaktan Surfaktan banyak digunakan dalam industri antara lain sebagai zat pembasah, zat pembusa, zat pengemulsi, zat anti busa, deterjen, zat pencegah korosi, dan lain-lain. Surfaktan dapat juga digunakan sebagai bahan pencuci yang bersih karena mengandung zat antikuman yang membuat surfaktan banyak digunakan di rumah sakit. Mekanisme Kerja Surfaktan Surfaktan menurunkan tegangan permukaan air dengan mematahkan ikatan-ikatan hydrogen pada permukaan. Surfaktan dapat membentuk misel (micelles), suatu molekul surfaktan yang mengandung suatu rantai hidrokarbon panjang plus ujung ion. Konsentrasi terbentuknya misel disebut Critical Micelle Concentration (CMC). Tegangan permukaan akan menurun hingga Page 42 Jurnal Teknik Kimia No. 1, Vol. 18, Januari 2012
CMC tercapai. Setelah CMC tercapai, tegangan permukaan akan konstan yang menunjukkan bahwa antar muka menjadi jenuh dan terbentuk misel yang berada dalam keseimbangan dinamis dengan monomernya Sifat Larutan yang Mengandung Surfaktan Larutan surfaktan dalam air menunjukkan perubahan sifat fisik yang mendadak pada daerah konsentrasi yang tertentu. Perubahan yang mendadak ini disebabkan oleh pembentukan agregat atau penggumpalan dari beberapa molekul surfaktan menjadi satu, yaitu pada konsentrasi kritik misel (CMC). Pembuatan Surfaktan Surfaktan dihasilkan dari proses sulfite pulping pada kayu. Pada proses sulfite pulping, lignin dibuat larut dalam solven polar (air) melalui proses sulfonasi dan hidrolisis. Mekanisme terbentuknya surfaktan natrium lignosulfonat (NLS) diawali dengan mekanisme terbentuknya lignosulfonate. Sulfonasi merupakan reaksi antara ion bisulfite dengan molekul lignin. Reaksi yang terjadi pada proses sulfonasi lignin ini termasuk reaksi irreversible dan bersifat endotermis. Suhu dan ph merupakan faktor yang paling berpengaruh pada reaksi pembentukan lignosulfonate ini. Semakin tinggi tingkat keasamannya maka laju hidrolisis akan semakin meningkat dan semakin tinggi temperature laju reaksi akan semakin besar. Gambar 2. Proses sulfite pulping Sulfonasi Sulfonasi adalah reaksi kimia yang melibatkan penggabungan gugus asam sulfonat, -SO 3 H, ke dalam suatu molekul ataupun ion, termasuk reaksi-reaksi yang melibatkan gugus sulfonil halida ataupun garam-garam yang berasal dari gugus asam sulfonat, misalnya penggabungan SO 3 ke dalam senyawa organik Jenis-jenis zat pensulfonasi antara lain : 1. Persenyawaan SO 3, termasuk didalamnya asam sulfat 2. Persenyawaan SO 2 3. Senyawa sulfoalkilasi Sedangkan zat-zat yang disulfonasi adalah zat alifatik, misalnya hidrokarbon jenuh, oleofin, alkohol, selulosa, senyawa aromatis, napthalena dan lain-lain. Reaksi sulfonasi merupakan reaksi yang melibatkan pemasukan gugus sulfonat ke dalam lignin. Natrium Lignosulfonat Natrium lignosulfonat adalah surfaktan anionik yang terbentuk dari hasil reaksi antara lignin dengan natrium bisulfit (NaHCO 3 ), dimana rantai hidrokarbonnya sebagai gugus - hidrofobik dan ion SO 3 sebagai gugus hidrofiliknya.. NLS bisa juga disebut lignin sulfonat atau sulphite lignin merupakan suatu surfaktan yang dihasilkan dari proses sulfite pulping pada kayu. Pada proses sulfite pulping, lignin dibuat larut dalam solven polar (air) melalui proses sulfonasi dan hidrolisis. Gambar 3. Struktur Molekul Lignosulfonat 2. METODOLOGI Alat dan Bahan Alat yang digunakan antara lain : 1. Labu leher tiga 2. Kondenser 3. Statif 4. Magnetik stirer 5. ph meter 6. Pemanas 7. Gelas kimia 500 ml 8. Erlenmeyer 250 ml 9. Gelas ukur 250 ml 10. Labu ukur 100 ml 11. Labu ukur 250 ml 12. Labu ukur 1000 ml 13. Spatula dan pengaduk 14. Neraca analitik 15. Pipet tetes 16. Piknometer 17. Corong pemisah 18. Spektrofotometer Bahan yang digunakan, yaitu : Bahan Pembuatan Surfaktan 1. Tandan kosong kelapa sawit 2. Sodium bisulfit (NaHSO 3 ) 3. Asam sulfat (H 2 SO 4 ) 4. Sodium hidroksida (NaOH) 5. Aquadest Jurnal Teknik Kimia No. 1, Vol. 18, Januari 2012 Page 43
Prosedur Penelitian SizeReducer TandanKosong Sesuai Variabel Residu Screening Reaktor Filter Filtrat Spektofotometer UV/Vis Kelapa Sawit Surfaktan Natrium Lignosulfonat Gambar 4. Blok Diagram Penelitian Penelitian dilakukan di laboratorium dalam 3 tahap. Tahap pertama adalah pembuatan surfaktan natrium lignosulfonat. Tahap kedua adalah analisa surfaktan sodium lignosulfonat berdasarkan SNI 06-6989.51-2005. Tahap ketiga adalah menentukan kondisi optimum pembuatan surfaktan natrium lignosulfonat dari tandan kosong kelapa sawit. Variasi variabel yang digunakan pada penelitian. Suhu ( C) Waktu (menit) 80 15 90 30 100 45 110 60 120 75 Pembuatan Surfaktan Sodium Lignosulfonat 1. Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dibersihkan lalu diurai menjadi serat dan dikeringkan di udara terbuka (sinar matahari). 2. Serat TKKS lalu dihancurkan dan di ayak. 3. Sebanyak 7 gr serat TKKS dimasukkan ke dalam labu leher tiga bersama larutan natrium bisulfit (NaHSO 3 ) 25% sebanyak 300 ml. 4. Atur keasaman (ph) menjadi 4, dengan menggunakan asam sulfat (H 2 SO 4 ) dan natrium hidroksida (NaOH). 5. Labu leher tiga dipanaskan sesuai variasi variabel suhu yang diinginkan dan gunakan magnetik stirer. 6. Lama waktu perebusan (reaksi) sesuai dengan variasi variabel yang diinginkan. 7. Kemudian pisahkan filtrat dan residu hasil reaksi dengan menggunakan kertas saring. Analisa Surfaktan berdasarkan SNI 06-6989.51-2005 Pembuatan larutan kerja surfaktan anionik a. Larutkan 1 gr ABS dengan aquadest 100 ml dalam labu ukur 1000 ml kemudian tambahan aquadest sampai tanda tera dan dihomogenkan. b. Pipet 10 ml larutan induk surfaktan anionik 1000 mg/l dan masukkan dalam labu ukur 100 ml, kemudian tambahkan aquadest sampai tanda tera dan dihomogenkan c. Pipet 1,0 ml; 2,0 ml, 3,0 ml dan 5,0 ml larutan ABS 100 mg/l dan masukkan masing-masing ke dalam labu ukur 250 ml. d. Tambahkan aquadest sampai tanda tera sehingga diperoleh kadar surfaktan anionik 0,4; 0,8; 1,2 dan 2,0 mg/l. Pembuatan Kurva Kalibrasi a. Optimalkan alat spektrofotometer sesuai dengan petunjuk alat untuk pengujian kadar surfaktan anionik. b. Ambil masing-masing 100 ml aquadest dan larutan kerja dengan kadar surfaktan anionik 0,4; 0,8; 1,2 dan 2,0 mg/l kemudian masukkan ke dalam corong pemisah 250 ml. c. Tambahkan larutan biru metilen sebanyak 25 ml. d. Tambahkan 10 ml CHCl 3, dikocok dengan kuat selama 30 detik dan tutup corong dibuka sesekali. e. Biarkan hingga terjadi pemisahan fase, goyangkan corong perlahan-lahan, jika terbentuk emulsi tambahkan sedikit isopropil alkohol sampai emulsinya hilang. f. Pisahkan lapisan bawah (fasa kloroform) dan ditampung dalam corong pemisah yang lain. g. Ekstraksi kembali fasa air dalam corong pemisah dengan mengulangi langkah d sampai f sebanyak 2 kali dan satukan semua fasa kloroform. h. Tambahkan 50 ml larutan pencuci ke dalam fasa kloroform dan kocok kuat-kuat selama 30 detik. Page 44 Jurnal Teknik Kimia No. 1, Vol. 18, Januari 2012
Konsentrasi Lignosulfonat (ppm) i. Biarkan terjadi pemisahan fasa, goyangkan perlahan-lahan kemudian masukan ke dalam labu ukur. j. Tepatkan isi labu ukur pada langkah i hingga tanda tera dengan kloroform. k. Ukur dengan spektrofotometer pada panjang gelombang 652 nm dan catat serapannya. Prosedur Uji a. Ukur sample sebanyak 100 ml dan masukkan dalam corong pemisah 250 ml. b. Tambahkan 3 sampai 5 tetes indikator fenolftalin dan NaOH 1N tetes demi tetes hingga timbul warna merah muda, kemudian hilangkan dengan menambahkan H 2 SO 4 1N tetes demi tetes. c. Selanjutnya lakukan langkah c sampai k (kurva kalibrasi). 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Penelitian pembuatan surfaktan natrium lignosulfonat dengan metode sulfonasi langsung. Bahan baku yang digunakan adalah tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dan Natrium Bisulfit (NaHSO 3 ) sebagai agen penyulfonasi. Larutan NaHSO 3 25% dan 7 gr TKKS direaksikan dalam labu leher tiga dengan suhu 80, 90, 100, 110, dan 120 C selama 15, 30, 45, 60, 75 menit. Parameter yang akan dianalisa adalah konsentrasi lignosulfonat menggunakan metode spektrofotometer secara metilen biru. Hasil Analisa Absorbansi dengan Spektofotometer Suhu (ºC) 110 120 Waktu (menit) Absorbansi 15 0,288 30 0,329 45 0,358 60 0,397 75 0,487 15 0,298 30 0,315 45 0,343 60 0,383 75 0,451 Pengaruh Waktu terhadap Konsentrasi Lignosulfonat 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 T = 80 C T = 90 C T = 100 C T = 110 C T = 120 C 0 15 30 45 60 75 90 waktu, menit Gambar 5. Pengaruh Waktu Terhadap Konsentrasi Lignosulfonat Suhu (ºC) 80 90 100 Waktu (menit) Absorbansi 15 0,254 30 0,283 45 0,325 60 0,355 75 0,422 15 0,324 30 0,368 45 0,476 60 0,502 75 0,556 15 0,304 30 0,321 45 0,378 60 0,455 75 0,527 Berdasarkan hasil penelitian diketahui bahwa lawa waktu perebusan yang dilakukan dalam labu leher tiga berpengaruh terhadap konsentrasi lignosulfonat yang dihasilkan. Dari grafik terlihat bahwa semakin lama waktuperebusan maka semakin besar pula konsentrasi lignosulfonat Hal tersebut dikarenakan semakin lama waktu perebusan dalam labu leher tiga maka semakin banyak pula lignin yang tersulfonasi menjadi natrium lignosulfonat. Namun perlu dilakukan penelitian kembali jika waktu reaksi lebih lama karena ada kemungkinan terjadinya penurunan pada waktu tertentu akibat sudah jenuhnya lignin bereaksi terhadap natrium bisulfit. Jurnal Teknik Kimia No. 1, Vol. 18, Januari 2012 Page 45
Konsentrasi Lignosulfonat (ppm) Pengaruh Suhu Perebusan terhadao Konsentrasi Lignosulfonat 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 70 80 90 100 110 120 130 Suhu ( C) t = 15 menit t = 30 menit t = 45 menit t = 60 menit t = 75 menit Gambar 6. Pengaruh Suhu Terhadap Konsentrasi Lignosulfonat Dari penelitian yang telah dilakukan dapat diketahui bahwa variabel suhu optimum pada pembuatan surfaktan lignosulfonat adalah 90 C yang ditunjukkan pada kurva berwarna merah dimana kadar lignosulfonat paling tinggi didapat. Konsentrasi lignosulfonat mengalami kenaikan hingga pada suhu 100 C terjadi penurunan kadar lignosulfonat. Hal tersebut terjadi karena pada suhu di atas 90 C surfaktan mulai terdegradasi Penelitian ini secara umum mempunyai %yield yang kecil berkisar 0,8 1,9%. Kecilnya %yield kemungkinan dikarenakan proses sulfonasi pada penelitian tidak melalui proses delignifikasi terlebih dahulu. Hal ini menyebabkan hanya sedikit lignin yang mampu mengalami proses sulfonasi. Sedangkan sebagian besar lignin masih berbentuk lignoselulosa Karakteristik Larutan Lignosulfonat yang dihasilkan 1. ph Dari hasil analisis karakteristk ph dapat diketahui bahwa suhu dan lama waktu perebusan tidak berpengaruh terhadap ph surfaktan yang terbentuk. 2. Warna Berdasarkan hasil analisa warna dari surfaktan natrium lignosulfonat hasil sulfonasi. dapat diketahui bahwa larutan surfkatan natrium lignosulfonat berwarna kuning kecoklatan dan coklat kekuningan 3. Bau Hasil analisa karakteristik bau larutan surfaktan natrium lignosulfonat hasil sulfonasi menunjukkan adanya bau asam dan berbau belerang. Bau ini disebabkan karena adanya penambahan asam sulfat yang menyebabkan adanya bau asam. Bau belerang dikarenakan penambahan gugus -SO - 3. 4. Kelarutan dalam air Hasil analisa menunjukkan bahwa surfaktan hasil penelitian mampu larut dengan sempurna di dalam air sama dengan larutan surfaktan sintesis yang digunakan sebagai surfaktan pembanding. 4. KESIMPULAN 1. Dari hasil penelitian didapatkan kondisi optimum suhu pembuatan surfaktan natrium lignosulfonat pada 90 C. 2. Hasil penelitian menunjukkan semakin lama waktu perebusan maka semakin besar pula kadar lignosulfonat yang didapatkan. 3. Berdasarkan analisa surfaktan anionik dengan spektrofotometer secara metilen biru didapatkan konsentrasi lignosulfonat sebesar 458,206 ppm untuk kondisi optimum DAFTAR PUSTAKA A. L. Underwood, R. A. Day. 1987. Analisa Kimia Kuantitatif. Erlangga: Jakarta. Ari P, Heri dkk. 2008. Studi Awal Mengenai Pembuatan Surfaktan dari Ampas Tebu. Universitas Dipenogoro: Semarang. Kirk, R.E., and Othmer, D.P. 1981. Encyclopedia of Chemical Technology. Fourth Edition, Volume 15. Kurniawan, Apris. Kajian Awal Pembuatan Surfaktan dari Tempurung Kelapa. Universitas Dipenogoro: Semarang. Rosen, Milton J. 2004. Surfactants and Interfacial Phenomena. Third Edition Page 46 Jurnal Teknik Kimia No. 1, Vol. 18, Januari 2012