Meri Suhartini dan Santoso Prayitno
Pusat Aplikasi Isotop Radiasi - BATAN Jl. Lebakbulus Raya No. 49 Jakarta
Email : meri@batan.go.id
ABSTRAK
PENYERAPAN ION LOGAM Cu(II) PADA LIMBAH CAIR MENGGUNAKAN ADSORBEN SELULOSA DARI JERAMI PADI. Limbah cair Industri yang mengandung ion logam berat, bila tidak diolah akan menyebabkan terjadinya ketidak seimbangan ekosistem dan gangguan kesehatan serius. Selulosa pada jerami padi yang dicangkok dengan N,N’-MetilendiAkrilamida (MDA) berkemampuan untuk menyerap ion logam Cu(II). Pencangkokan dilakukan dengan menggunakan inisiator sinar Gamma. Selulosa yang digunakan diisolasi dari jerami padi sebelum dicangkok dengan monomer MDA. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui dosis iradiasi optimum pencangkokan MDA pada selulosa, konsentrasi monomer optimum dan kemampuan adsorben MDA yang dicangkok pada selulosa (MDA-g-Selulosa) untuk penyerapan ion logam Cu(II). Hasil penelitian menunjukkan rendemen hasil isolasi selulosa pada jerami sebesar 29,07 %. Pada derajat pencangkokan 13,06%, dosis iradiasi sebesar 30 kGy dan konsentrasi MDA 5%. Penyerapan ion logam Cu(II) oleh MDA-g-Selulosa adalah sebesar 67,17 mg/g. Terdapat peningkatan suhu degradasi selulosa. Adsorben MDA-g-Selulosa berpotensi untuk digunakan sebagai adsorben penyerap ion logam Cu(II) pada limbah cair.
Kata Kunci: Selulosa, Jerami padi, N,N’-MetilendiAkrilamida (MDA), Pencangkokan.
ABSTRACT
THE ABSORPTION OF Cu(II) METAL ION IN WASTEWATER USING CELLULOSE ADSORBENT FROM RICE STRAW. Industrial waste water containing heavy metals ions caused the ecosystemimbalance and serious health disorders if it is not well treated. Grafted N,N'-MetilendiAkrilamida (MDA) onto cellulose of rice straw capable of adsorbing metal ion Cu (II) in waste water. Grafting is done using the initiator of Gamma rays. Cellulose used was isolated from rice straw prior to grafting with the MDA monomer. The purpose of this study is to determine the optimum irradiation dose of grafting of MDA onto cellulose (MDA-g-cellulose), the optimum concentration of monomer and the ability of MDA-g-cellulose adsorbent for adsorption of the metal ion Cu (II). The results showed the cellulose yield insulation at the straw of 29,07%. Grafting degree was 13.06% at irradiation dose of 30 kGy and concentration of MDA 5%. The adsorption of the metal ion Cu (II) on MDA-g-cell is equal to 67.17 mg/g. There isan increase inthe degradation temperatureof grafted cellulose. The Adsorbent of MDA-g-Cellulose has the potential tobe usedasadsorbents for metal ionCu(II) inwastewater.
Keywords: Cellulose, Rice straw, N,N’-MetilendiAkrilamida (MDA), Grafting.
PENDAHULUAN
Pesatnya pertumbuhan dalam bidang industri, termasuk industri pelapisan logam dan industri kimia menyebabkan semakin banyak limbah yang dihasilkan. Hal ini mengakibatkan permasalahan yang kompleks bagi lingkungan, terutama limbah yang mengandung ion logam berat seperti ion logam Cu (II). Ion Logam Cu(II) selalu ada di dalam limbah dengan jumlah yang tinggi. Pada manusia keracunan ion logam Cu(II) secara kronis menimbulkan gangguan kesehatan serius, selain itu ion logam Cu(II) juga bersifat racun terhadap semua tumbuhan pada konsentrasi larutan diatas 0,1 ppm, bersifat racun pada domba pada konsentrasi diatas 20 ppm, mematikan biota laut seperti fitoplankton pada konsentrasi diatas 0,01 ppm [1]. Menurut
Peraturan Pemerintah Nomor 82 Tahun 2001 tentang Pengelolaan Kualitas Air dan Pengendalian Pencemaran Air, konsentrasi Cu(II) yang aman untuk air minum manusia tidak lebih dari 1 ppm. Oleh karena itu, ion logam Cu(II) harus dihilangkan pada setiap limbah yang ada.
Berbagai metode telah dilakukan guna mengurangi atau bahkan menghilangkan limbah logam berat berbahaya. Metode tersebut antara lain : pengendapan, metode membran dan adsorpsi. Metode pengendapan kurang efektif dari segi ekonomi, disamping itu juga dihasilkan limbah baru berupa endapan. Metode membran juga kurang efektif dari segi ekonomi karena harga membran dan biaya operasi yang tinggi. Metode adsorpsi dilaporkan sebagai metode yang cukup efektif dan ekonomis [2].
122
Jerami sebagai limbah pertanian tanaman padi dapat digunakan sebagai bahan baku pulp, pemisah maupun adsorben. Sel-sel tumbuhan jerami padi dikelilingi oleh struktur polisakarida yang kaku dan kuat. Kerangka dinding sel terdiri dari lapisan-lapisan serat selulosa yang panjang, melebar, saling bersimpangan dan saling menguatkan. Kerangka seperti serabut ini diliputi oleh matriks seperti semen yang terdiri dari polisakarida dan struktur jenis lain yang disebut lignin. Selain lignin, jerami juga tersusun atas hemiselulosa. Gabungan selulosa, hemiselulosa, dan lignin disebut lignoselulosa [3].
Selulosa memiliki gugus fungsi yang dapat melakukan pengikatan dengan ion logam. Gugus fungsi tersebut adaIah gugus karboksil dan hidroksil [4]. Metode yang banyak dikembangkan untuk modifikasi yakni, dengan suatu monomer yang dapat dijadikan sebagai pengkelat ion logam atau dengan memfungsionalisasikan kembali monomer yang telah tercangkok tersebut dengan monomer lain yang dijadikan sebagai pengkelat ion logam. Dengan demikian, kapasitas dan selektivitas pertukaran ionnya dapat ditingkatkan [5].
Pada penelitian ini selulosa dimodifikasi secara kopolimerisasi cangkok dengan monomer N,N’-MetilendiAkrilamida menggunakan radiasi sinar gamma sebagai inisiator. Selulosa-g-N,N’-MetilendiAkrilamida yang terbentuk diharapkan memiliki kemampuan menyerap ion logam Cu(II) dan sifat kimia-fisika yang lebih baik dibandingkan selulosa murni.
TATA KERJA Bahan
Bahan yang digunakan adalah jerami padi, N,N’-Metilen bis Akrilamida (MDA), aquades (H2O), Natrium klorida (NaCl), Asam
asetat (CH3COOH), Kalium bromida (KBr),
Metanol (CH3OH), Toluena (C7H8), HCl 3%,
NaOH, H2O2, kertas saring, plastik polietilen
(PE), selulosa komersil mikro kristalin (Merck),
Ethylene diamine tetra-acetic acid (EDTA), CuSO4.5H2O dan indikator universal.
Alat
Peralatan yang digunakan adalah sumber radiasi gamma Irradiator Co-60 (irradiator karet alam, IRKA) sebagai sumber radiasi, Spektrofotometer FTIR (IRPrestige-21 Shimadzu) untuk mengidentifikasi gugus fungsi, DSC-60 (Shimadzu) untuk melihat perubahan termal pada sampel, spektrofotometer UV-Vis mini. 1240 (Shimadzu) untuk meng-analisa daya serap sampel terhadap logam warna, Shaker
(PROLABO), Neraca Analytic (GR-200 AND), Oven (Geer Oven Toyaseiki), blender, desikator,
saringan 30 mesh, seal vacum (Multivac), kertas saring, termometerdan peralatan gelas.
Prosedur Kerja Preparasi Sampel
Jerami padi dipisahkan antara jerami dengan daunnya. Kemudian dipotong sepanjang 2 Cm dan dicuci bersih dengan suhu 70oC selama
3 hari. Lalu dicacah halus dengan blender hingga menjadi serbuk lalu disaring dengan penyaring 30 mesh.
Tahap isolasi selulosa diawali dengan pemisahan protein dan lemak, sebanyak 200 gram diekstraksi dengan tehnik maserasi menggunakan toluena hingga serbuk jerami terendam sempurna selama 48 jam. Lalu disaring dan diangin-anginkan hingga kering. Tahap selanjutnya adalah demineralisasi dengan menambahkan HCl 3%, dipanaskan pada suhu 70°C selama 1 jam. Campuran kemudian dicuci hingga bebas asam. Residu kemudian dikeringkan pada suhu 50°C dilanjutkan dengan delignifikasi dengan menambahkan NaOH 20%, dipanaskan dan pada suhu 80°C selama 3 jam. Disaring dan dicuci dengan akuades hingga bebas basa, kemudian dikeringkan pada suhu 50°C. Hasil pulping diberi H2O2 0,5% serta
beberapa tetes NaOH 20% hingga pH mencapai 12. Campuran tersebut dipanaskan selama 6 jam dengan suhu 85°C kemudian dicuci hingga bebas basa, dan dikeringkan.
Radiasi Grafting dengan Iradiator Co-60
Teknik grafting yang digunakan adalah teknik iradiasi simultan. Selulosa sebanyak 5 gram dimasukkan ke dalam plastik polietilen (PE). Lalu ditambahkan N,N’- MetilenbisAkrilamida 5% b/b. Sampel diiradiasi menggunakan irradiator Co-60 dengan dosis radiasi 30 kGy. Hasil iradiasi dicuci menggunakan air panas selama 5 menit kemudian disaring dan dikeringkan dalam oven pada suhu 50 oC selama 2 hari sehingga
diperoleh MDA-g- selulosa.
Identifikasi Gugus Fungsi dengan FTIR
Gugus fungsi pada selulosa jerami padi sebelum dan sesudah proses pencangkokan
dikarakterisasi menggunakan FTIR. Sampel dimasukkan ke dalam lumpang sebanyak 1 mg yang telah berisi serbuk KBR sebanyak 10 mg. Kemudian digerus hingga halus. Selanjutnya dimasukkan ke dalam folder disk dan dianalisis menggunakan FTIR, pada daerah dengan panjang gelombang antara 2,5 µm dan 15 µm sesuai dengan bilangan gelombang (wave number) antara 4000 cm-1 sampai 400 cm-1.
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN
123
Analisis sifat termal dengan DSC
Untuk masing-masing sampel ditimbang sebanyak ± 10 mg ke dalam mangkuk alumunium. Sifat termal dianalisis pada kisaran suhu 60-600oC dan kecepatan 20oC/menit. Penyerapan Logam Berat
Pengujian penyerapan logam berat dilakukan dengan menggunakan logam berat Cu (II). Selulosa hasil modifikasi masing-masing sejumlah 50 mg dimasukkan kedalam erlenmeyer, ditambahkan 25 ml larutan tembaga (II) sulfat 300 ppm, dishaker selama 2 jam didiamkan semalam kemudian disaring dan hasil saringan dianalisis menggunakan AAS.
HASIL DAN PEMBAHASAN Isolasi Selulosa
Senyawa selulosa yang merupakan sampel utama sebagai polimer backbone pada kopolimerisasi cangkok tersebut berasal dari jerami padi. Dimana sampel jerami padi yang digunakan adalah jerami secara umum yang didapatkan dari wilayah Bogor dan sekitarnya. Dari selulosa yang diisolasi didapatkan persen rendemen selulosa serta karakteristik selulosa tersebut secara kualitatif seperti dalam Tabel 1 berikut ini.
Tabel 1. Karakteristi selulosa hasil isolasi
KarakteristikSelulosa % Rendemen isolasi Warna Kelarutan (aquadest) 29,07 % Putih Tidaklarut Dari selulosa yang dihasilkan beberapa karakteristik dari selulosa tersebut yang dilihat secara kualitatif. Seperti warna selulosa yang putih dan bila dibandingkan dengan selulosa komersil dari Merck, keduanya memiliki warna yang sama. Kemudian dari bentuk yang terlihat adalah amorfus dan bila diuji kelarutan dalam air, selulosa hasil isolasi tidak menunjukkan adanya kelarutan. Hal ini menunjukkan bahwa senyawa diatas merupakan selulosa dengan data kualitatif yang ditampilkan.
Selain itu dari tabel di atas dapat dilihat pula rendemen hasil isolasi selulosa yang didapat sebesar 29,07%. Hasil ini memiliki perbedaan yang cukup jauh dibanding penelitian sebelumnya. Dimana menurut Roberto [3], persen selulosa mencapai 32% sedangkan menurut Sofyan [6], persen selulosa yang terdapat pada jerami padi mencapai 33%. Hal ini dapat diakibatkan beberapa faktor, diantaranya karena jerami padi yang digunakan dihaluskan terlebih dahulu hingga ukuran butirnya menjadi 30 mesh.
Ketahanan Panas
124
Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa terdapat pergeseran puncak degradasi pada MDA-g- selulosa ke suhu yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan selulosa sebelum modifikasi. Degradasi selulosa terjadi pada suhu sekitar 440oC, sedangkan degradasi MDA-g-
selulosa terjadi pada suhu sekitar 470oC. dari
data termogram tersebut dapat disimpulkan pergeseran yang terjadi disebabkan adanya penambahan dari MDA. Dimana senyawa MDA ini pada dasarnya berbentuk kristalin, sehingga dibutuhkan panas yang lebih tinggi untuk mendegradasi selulosa yang tercangkok dengan MDA tersebut.
Selain itu, pencangkokan MDA pada selulosa menyebabkan suhu degradasi meningkat. Hal ini karena dibutuhkan energi lebih tinggi untuk mendegradasi MDA-g- selulosa dibandingkan selulosa murni dengan kata lain proses pencangkokan dapat meningkatkan ketahanan degradasi sampel terhadap kenaikan temperatur. Suhu sampel dan pembanding akan sama apabila tidak terjadi perubahan.Perbedaan suhu pada sampel dapat berada dibawah atau diatas baseline. Hal tersebut tergantung pada proses termokimia yang terjadi pada saat dekomposisi.Proses reaksi yang melepaskan panas (eksotermik) menyebabkan suhuakan meningkat maka akan terbentuk puncak. Sebaliknya apabila proses reaksi memerlukan panas (endotermik) menyebabkan suhu akan menurun dan terbentuk lembah. Puncak dan lembah pada termogram dihasilkan dari perubahan sifat fisika dan kimia karena pengaruh suhu.Sifat fisika yang bersifat endotermik adalah fusi, penguapan, sublimasi, absorpsi dan desorpsi sedangkan yang bersifat eksotermik adalah adsorpsi dan kristalisasi.Reaksi kimia yang bersifat endotermik meliputi dehidrasi, reduksi, dan dekomposis, sedangkan yang bersifat eksotermik meliputi oksidasi, polimerisasi dan reaksi katalitik [7].
Penyerapan Ion Logam Cu2+
Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada pada sampel 30 kGy dapat menyerap ion logam sebesar 67,17 mg ion Cu2+ / gram adsorben. Menurut hasil penelitian Rahmawati [8], yang melakukan pengukuran adsorben ion logam Cu2+ dengan sampel selulosa, didapatkan
hasil kemampuan serap selulosa terhadap ion logam Cu2+ sebanyak 14,5 mg/g. Dari data diatas
terlihat peningkatan kemampuan daya serap ion logam Cu2+ antara sampel sebelum dicangkok
MDA dan setelah dicangkok MDA. dimana dari data tersebut menunjukkan bahwa proses pencangkokkan MDA dapat meningkatkan daya
serap selulosa terhadap ion logam dibandingkan dengan selulosa sebelum dicangkok monomer.
Kemampuan adsorpsi terhadap ion Cu2+ terserap ke dalam sampel adsorben karena
adanya situs aktif dari sampel tersebut. Pada senyawa selulosa terdapat gugus hidroksil (-OH) sedangkan pada sampel yang telah tergrafting
terdapat situs aktif lain seperti vinyl (C=C) gugus amina (-NH-) dan karbonil (-C=O) yang dapat bereaksi dengan ion Cu sepanjang rantai molekulnya. Interaksi antara situs aktif dengan ion logam berupa ikatan kovalen koordinasi, atau membentuk ion logam dalam bentuk hidratnya melalui ikatan hidrogen dalam pori adsorben [9]. Adanya pasangan elektron bebas pada atom O dan N serta ikatan π pada gugus vinyl dapat menyebabkan terjadinya ikatan kovalen dan ikatan kompleks chelate.
KESIMPULAN
Dari penelitian diatas maka didapat hasil sebagai berikut:
1. Rendemen selulosa yang dihasilkan dalam jerami padi yang diambil dari wilayah Bogor sebesar 29,07%.
2. Terdapat peningkatan temperatur degradasi selulosa dari 440oC sebelum
grafting menjadi 470oC setelah grafting
dengan MDA.
3. Terdapat peningkatan daya serap ion Cu2+ oleh selulosa dari 14,5 mg/g
selulosa sebelum grafting menjadi 67,17 mg ion Cu2+ /g selulosa setelah grafting.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Sdr. Cahyono, staf Balai Iradiasi, PATIR- BATAN atas bantuannya meng-iradiasi sampel selulosa. Terimakasih khusus kepada Sdr. M.Toharoh, S.Si. dari Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta, atas bantuannya se- hingga penelitian ini dapat berjalan seperti yang diharapkan.
Pusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATAN
125
DAFTAR PUSTAKA
[1]. Hendri, Muhammad., Gusti Diansyah., Jetun Tampubolon. 2010. Konsentrasi Letal (LC50-48 jam) Logam Tembaga (Cu) dan Logam Kadmium (Cd) Terhadap Tingkat Mortalitas Juwana Kuda Laut(Hippocampus spp). Jurnal Sains. Vol. 13 no. 1 (D) 13107.
[2]. O’connel, David William, Birkinshaw, Collin, O’Dwyer, Thomas Francis.2008.
Heavy Metal Absorbents Prepared From The Modification of Cellulose: A Review. Bioresource Technology, vol99, P. 6709-6724.
[3]. Roberto, I. C; I. M. Mancilha, C. A, de Souza; M. G. A. Felipe; S. Sato; H. F, de Castro. 1994. Evaluation of Rice Straw Hemicellulose Hydrolisate in Production of Xylitol by Candida Guilleremondii. University of Sao Paolo, Faculty of Pharmaceutical Sciences, Brazil.
[4]. Herwanto,B., Santoso,E.,2006. Adsorpsi Ion LogamPb(II) pada Membran Selulosa Kitosan Terikat
Silang, Akta Kimia
Indonesia,Vol.2No.1,9-24.
[5]. Waly A., Abdel-Mohdy F.A., Aly A. S dan Hebeish A. 1998. Synthesis and Characterization of Cellulose Ion Exchanger.II. Pilot scale and utilization in Dye-Heavy Metal Removal, J. Appl. Polym. Sci, Vol 68.
[6]. Sofyan, M. I. 2004. Kinetika fermentasi selulosa murni oleh Trichoderma reesei QM 9414 menjadi glukosa dan penerapannya pada jerami padi bebas lignin. J. Of Food Sci. Tech. 25(3): 199-206.
[7]. Skogg DA, Holler FJ, Crouch SR.
Principles of instrumental analysis. 6th
edition. USA: Thomson Brooks/Cole; 2007. h.431-66, 897-906.
[8]. Rahmawati. 2013. Kopolimerisasi Cangkok Asam Akrilat pada Selulosa jerami padi dengan teknik Pra-Iradiasi: Kareakterisasi dan Aplikasinya Sebagai Penukar Ion. Depok: Fakultas MIPA UI.
[9]. Erizal. 2010. Sintesis Hidrogel Superabsorben Poli (Aksilamida-ko- Kalium Akrilat) dengan Teknik Radiasi dan Karakterisasinya. A Scientific Journal for The Applications of Isotopes and Radiation. Vol. 6 No. 2. ISSN 1907-0322. BATAN-Pasar Jumat.
126
