PADA SINTESIS KOMPOSIT PVA-ZEOLIT CLAY Bayu Wiyantoko 1 , Yateman Arryanto 2 , dan Eko Sri Kunarti
II. METODE PENELITIAN 1 Bahan
Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah zeolit alam Klaten, clay alam Boyolali, PVA (derajat hidrolisis 98-99%), NaOH, akuabides, glutaraldehida, aseton, asam klorida, dan etanol (Merck p.a).
II.2 Peralatan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat gelas, timbangan analitik, pemanas, pengaduk magnet, alat penggerus, ayakan 200 mesh, difraktometer sinar-X (Shimadzu XRD-6000), spektrometer FTIR (Shimadzu 8201), alat uji compressive strength (Material Testing Machine DO- FB0.5TS ASTM E4), dan kromatografi gas (Hewlett Packard Gas Chromatography 5890 series II). II.3 Prosedur
Perlakuan basa filler zeolit-clay
Sebanyak 50 gram campuran zeolit alam dan clay alam diaduk dengan perbandingan 4:1, kemudian direfluks dalam 100 mL larutan NaOH 1M, 2M, dan 4M selama 8 jam pada temperatur 85- 90 °C. Campuran zeolit-clay yang diperoleh kemudian disaring dan dikeringkan dalam oven, lalu digerus sehingga diperoleh zeolit-clay teraktivasi NaOH.
Preparasi komposit PVA-zeolit-clay
Sebanyak 2 gram PVA dilarutkan dalam 50 mL akuabides sembari diaduk serta dipanaskan hingga PVA larut sepenuhnya. Campuran 5 gram, 8 gram, 10 gram, dan 15 gram zeolit-clay teraktivasi NaOH 2M dimasukkan ke dalam larutan PVA sembari diaduk perlahan lahan hingga padatan tercampur homogen. Selanjutnya komposit masuk tahap pencetakan untuk dikeringkan dalam oven pada temperatur 40 °C.
Sebanyak 2 gram PVA dilarutkan dalam 50 mL akuabides sembari diaduk serta dipanaskan hingga PVA larut sepenuhnya. Campuran 10 gram zeolit-clay teraktivasi NaOH 2M dimasukkan ke dalam larutan PVA sembari diaduk perlahan lahan hingga padatan tercampur homogen. Selanjutnya komposit masuk tahap pencetakan untuk dikeringkan dalam oven pemanas. Komposit yang dihasilkan direndam dalam larutan berisi aseton, HCl, dan glutaraldehida pada variasi konsentrasi 2,5%, 5%, 10%, dan 15%. Komposit termodifikasi glutaraldehida kemudian direndam dalam akuabides yang dilanjutkan dengan pengeringan menggunakan oven pemanas.
Penentuan waktu adsorpsi-desorpsi air dan etanol pada komposit
Sebanyak 1 mL etanol p.a diteteskan pada permukaan komposit yang telah diketahui massanya dan dihitung waktu adsorpsinya hingga etanol terserap sepenuhnya. Waktu desorpsi dihitung saat etanol terserap hingga komposit kembali ke berat semula. Hal yang sama dilakukan pada penentuan waktu adsorpsi-desorpsi air pada komposit PVA-zeolit-clay.
Uji pendahuluan pervaporasi tanpa pemanasan
Proses pervaporasi tanpa pemanasan diawali oleh perendaman komposit sebagai media pemisahan menggunakan etanol. Udara digunakan sebagai gas pendorong sehingga etanol akan terkondensasi di dalam kondensor untuk ditampung hasilnya. Hasil yang diperoleh diukur konsentrasinya dengan menggunakan kromatografi gas.
III. PEMBAHASAN
III.1 Perlakuan basa pada filler
Sintesis komposit menggunakan bahan dasar campuran zeolit alam dan clay alam dan PVA. Campuran zeolit alam dan clay alam sebagai filler diberi perlakuan basa dengan tujuan untuk meningkatkan kualitas komposit yang dihasilkan. Metode yang digunakan mengacu pada penelitian
yang dilakukan oleh Nath (2009), dimana filler teraktivasi basa dikarakterisasi menggunakan spektrofotometer inframerah.
Gambar 1. Spektra inframerah (a) ZC non aktivasi, dan ZC yang diaktivasi dengan refluks NaOH pada (b) 1M (c) 2M (d) 4M
Pada Gambar 1 terlihat bahwa spektra inframerah zeolit-clay non aktivasi terdapat puncak di bilangan gelombang 1049 cm-1 merujuk pada vibrasi regangan asimetris Si-O/Al-O internal pada TO
4. Perlakuan basa pada zeolit-clay menunjukkan puncak di daerah serapan 900 – 1250 cm-1 bergeser ke arah bilangan gelombang lebih kecil (1049 cm-1 – 1010 cm-1) seiring bertambahnya konsentrasi NaOH yang digunakan. Pergeseran puncak mengindikasikan perombakan ikatan Si-O atau Al-O pada TO4 yang menyusun zeolit-clay oleh adanya perlakuan basa menggunakan NaOH. Intensitas serapan puncak pada daerah bilangan gelombang 900 – 1250 cm-1 juga mengalami penurunan seiring kenaikan konsentrasi NaOH oleh karena menghilangnya Si dan Al setelah proses perlakuan basa. Di daerah serapan 3000 – 3600 cm-1 yaitu pada bilangan gelombang 3425,58 cm-1 memperlihatkan penurunan intensitas serapan untuk vibrasi regangan –OH dari air terhidrasi. Hal ini diperkirakan akibat berkurangnya gugus –OH dari H2O, diperkuat oleh adanya pergeseran puncak di daerah 1600 – 1750 cm-1 pada bilangan gelombang 1635,64 cm-1 ke 1651,07 cm-1. Selain itu perlakuan basa pada campuran zeolit-clay memunculkan puncak baru dimana puncak tersebut berada pada bilangan gelombang 1458,18 cm-1 yang memiliki intensitas cukup kuat. Puncak ini diindikasikan berupa presipitasi jenis aluminat terhidrat pada permukaan material (Panagiotopoulou dkk., 2007). Perlakuan basa pada filler membuat silika dalam campuran zeolit-clay terhidrolisis yang disebut sebagai desilication. Kenaikan konsentrasi NaOH yang digunakan dalam proses perlakuan membuat kerangka silika alumina terputus sehingga alumina amorf dan silika amorf terlarut membentuk spesies ion silikat [Si(OH)4]4- dan aluminat [Al(OH)4]5- dalam sistem larutan. Keberadaan Si-OH dan Al-OH membuat sistem lebih negatif sehingga keberadaan ion Na+ yang berlebih dalam larutan berguna untuk menyeimbangkan muatan negatif pada struktur tetrahedral alumina dalam kerangka zeolit. III.2 Pengaruh jumlah filler zeolit-clay terhadap kualitas komposit
Rasio filler terhadap matriks menjadi salah satu faktor yang menentukan kualitas komposit karena akan memberi karakter yang berbeda untuk masing-masing komposit. Untuk mengetahui pengaruh jumlah filler terhadap kualitas komposit, maka dilakukan sintesis komposit dengan variasi jumlah filler.
Tabel 1. Kuat tekan dan kapasitas adsorpsi komposit pada variasi jumlah filler Jumlah filler
(g) PVA (g) Kuat tekan (N) Kapasitas adsorpsi (%)
5 2 171,99 21,51
8 2 195,88 31,56
10 2 332,37 41,62
Bayu Wiyantoko / Studi Pengaruh Jumlah …
Seperti terlihat pada Tabel 1 bahwa jumlah filler ke dalam matriks polimer menaikkan kekuatan mekanik dari komposit yang dihasilkan. Jumlah filler sebesar 10 gram menunjukkan kekuatan mekanik yang paling besar yaitu 332,37 N sedangkan penambahan lebih lanjut filler hingga 15 gram menurunkan kuat tekan komposit menjadi 287,70 N. Penurunan kekuatan mekanik komposit diindikasikan karena adanya peningkatan interaksi antarmuka partikel-partikel filler dibandingkan interaksi filler dengan matriks PVA. Pada penelitian terdahulu juga dinyatakan penambahan jumlah fly ash dalam matriks PVA mampu menaikkan kekuatan komposit (Nath dkk., 2010). Kumar dkk (2010) mengungkapkan bahwa penambahan jumlah filler zeolit AlPO4 dalam matriks poliuretan meningkatkan kekerasan permukaan (surface hardness) salah satunya kuat tekan komposit. Dari Tabel 1 juga memperlihatkan kapasitas adsorpsi komposit mengalami peningkatan. Jumlah filler yang bertambah menghasilkan lebih banyak situs aktif seperti silanol (Si-OH), aluminol (Al-OH), silikat, dan aluminat. Situs aktif yang lebih banyak membuat hidrofilisitas komposit bertambah sehingga molekul air terikat lebih banyak meningkatkan kapasitas adsorpsinya.
Untuk kajian adsorpsi-desorpsi juga dilakukan menurut variasi jumlah filler ke dalam matriks polivinil alkohol.
Tabel 2. Waktu adsorpsi-desorpsi air dan etanol pada komposit berdasarkan variasi jumlah filler Jumlah filler
(g) Adsorpsi Desorpsi
Etanol Air Etanol Air
5 70 detik 60 detik 40 menit 23 jam
8 55 detik 50 detik 65 menit 28 jam
10 45 detik 30 detik 80 menit 32 jam
15 40 detik 20 detik 95 menit 48 jam
Seperti terlihat pada Tabel 2 bahwa jumlah filler berpengaruh pada waktu adsorpsi-desorpsi air maupun etanol. Jumlah partikel filler yang sedikit memerlukan waktu adsorpsi lebih lama karena gugus silanol atau aluminol lebih digunakan untuk berikatan dengan matriks PVA. Jumlah filler yang bertambah membuat keberadaan gugus -OH dari silanol/aluminol maupun silikat aluminat dari lebih banyak sehingga hidrofilisitas komposit meningkat. Selain itu jumlah filler yang bertambah membuat mobilisasi molekul pada matriks PVA lebih sedikit shingga molekul air dapat lebih cepat terserap. Penambahan jumlah filler membuat komposit memiliki interaksi yang lebih kuat serta lebih selektif terhadap air dibandingkan terhadap etanol. Untuk waktu desorpsi terlihat perbedaan yang siginifikan antara molekul etanol dan air. Etanol yang memiliki ukuran molekul lebih besar akan tertahan pada permukaan komposit sehingga lebih cepat terdesorpsi. Situs aktif silanol/aluminol dari filler yang bertambah mampu mengikat etanol maupun etanol lebih kuat sehingga waktu desorpsi lebih lama. Namun waktu desorpsi etanol masih lebih rendah daripada air karena energi ikatan hidrogen antara gugus silanol dengan molekul air lebih tinggi daripada gugus silanol dengan etanol.
III.3 Pengaruh konsentrasi glutaraldehida terhadap kualitas komposit
Modifikasi pada PVA sebagai bahan dasar juga dapat menentukan kualitas komposit, seperti menggunakan glutaraldehida dapat merubah karakter komposit yang dihasilkan seperti kekuatan mekanik dan kapasitas adsorpsi. Pengaruh konsentrasi glutaraldehida terhadap kualitas komposit seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3 berikut ini.
Tabel 3. Kuat tekan dan kapasitas adsorpsi komposit termodifikasi glutaraldehida Konsentrasi
glutaraldehida (%) PVA (g) Kuat tekan (N) Kapasitas adsorpsi (%)
tanpa glutaraldehida 2 123,11 37,62 2,5 2 141,18 37,43 5 2 162,71 30,65 10 2 196,09 21,69 15 2 256,94 13,04
K-39
Kekuatan mekanik komposit menunjukkan compressive strength meningkat deng bertambhnya konsentrasi glutaraldehida. Peningkatan compressive strength komposit disebabkan jaringan ikatan yang terbentuk antara gugus hidroksil dalam keadaan bebas dari polimer PVA semakin banyak. Konsentrasi glutraldehida yang bertambah membuat ikatan asetal yang terbentuk dari interaksi gugus aldehida dengan gugus -OH dari PVA semakin banyak. Ikatan asetal yang terbentuk merupakan indikasi adanya peningktan kerapatan jaringan yang membuat struktur komposit lebih kaku dan padat sehingga meningkatkan compressive strength. Namun fenomena yang berbeda terjadi pada kapasitas adsorpsi dari komposit termodifikasi glutraldehida, dimana mengalami penurunan. Hal ini berkaitan dengan gugus-gugus hidroksil dari PVA yang berikatan dengan aldehida membentuk ikatan asetal. Modifikasi ini membuat jumlah gugus hidroksil PVA dalam keadaan bebas menjadi berkurang sehingga ikatan hidrogen yang terbentuk dengan molekul air menjadi lebih sedikit. Ikatan hidrogen yang berkurang erat kaitannya dengan kapasitas adsorpsi komposit yang mengalami penurunan.
Modifikasi komposit menggunakan glutaraldehida juga dikaji terhdapa sifat adsorpsi terhadap etanol dan air. Hasl uji adsorpsi air maupun etanol pada komposit termodifikasi glutaraldehida disajikan pada pada Tabel 4 berikut ini.
Tabel 4. Waktu adsorpsi komposit termodifikasi glutaraldehida Konsentrasi
glutaraldehida (%) PVA (g) Etanol Adsorpsi Air tanpa glutaraldehida 2 45 detik 34 detik
2,5 2 50 detik 39 detik
8 2 60 detik 51 detik
10 2 75 detik 69 detik
15 2 95 detik 84 detik
Pada Tabel 4 diperlihatkan waktu adsorpsi air dan etanol meningkat setelah komposit dimodifikasi menggunakan glutaraldehida. Waktu adsorpsi air yang bertambah mengindikasikan hidrofilisitas komposit menurun karena gugus hidroksil PVA bereaksi dengan gugus aldehida sehingga interaksinya dengan molekul air berkurang. Sedangkan untuk adsorpsi etanol membutuhkan waktu yang lebih lama karena ukuran molekulnya yang lebih besar daripada air. Selain itu komposit yang telah dimodifikasi glutaraldehida membentuk jaringan polimer yang lebih rapat sehingga etanol sulit untuk berdifusi masuk ke dalam komposit.
IV. Uji Pendahuluan Pervaporasi Campuran Etanol/Air
Proses pervaporasi pada penelitian ini dilakukan tanpa pemanasan dam berdasar kuat interaksi antara etanol dan air serta perbedaan laju desorpsi antar keduanya terhadap komposit. Proses pervaporasi menggunakan umpan etanol 75% dan menghasilkan peningkatan konsentrasi sampai 82%. Kenaikan konsentrasi yang dihasilkan pada pervaporasi ini memperlihatkan bahwa komposit ini dapat berlaku sebagai media pemisahan yang efisien meskipun belum maksimal.
V. KESIMPULAN
1. Perlakuan basa pada filler zeolit-clay menjadikan sistem filler lebih mudah berikatan dengan matriks PVA.
2. Jumlah filler yang bertambah dalam matriks PVA menghasilkan kekuatan mekanik dan kapasitas adsorpsi yang meningkat.
3. Modifikasi PVA menggunakan glutaraldehida dalam proses sintesis komposit meningkatkan compressive strength namun menurunkan kapasitas adsorpsi.
4. Komposit PVA-Zeolit-Clay dapat digunakan sebagai media pemisahan campuran etanol/air yang efisien.
Bayu Wiyantoko / Studi Pengaruh Jumlah … VI. DAFTAR PUSTAKA
Huang Z., Shi, Y., Wen, R., Guo, Y.H., Su, J.F., and Matsuura, T., 2006, Multilayer Poly(vinyl alcohol)-Zeolite 4A Composite Membranes for Ethanol Dehydration by Means of Pervaporation, Sep. Purif. Technol., 51, 126-136.
Huang, Z., Guan, H.M., Tan, W.L., Qiao, X.Y., and Kulprathipanja, S., 2006, Pervaporation Study of Aqueous Ethanol Solution Through Zeolite-Incorporated Multilayer Poly(vinyl alcohol) Membranes; Effect of Zeolites, J. Membr. Sci., 276, 260-271.
Kumar, B.V.S., Siddaramaiah., Shayan, M.B., Manjula, K.S., Ranganathaiah, C., Rao, G.V.N., Basavalingu, B., and Byrappa, K., 2010, Effect of Zeolite Particulate Filler On The Properties of Polyurethane Composites, J. Polym. Res., 17, 135-142.
Ling, L.K., Nawawi, M.G., and Sadikin, A.N., 2008, Pervaporation of Ethanol-Water Mixture Using PVA Zeolite-Clay Membranes, J. Teknologi., 167-177.
Mulder, M., 1996, Basic Principle of Membrane Technology, Second Edition., Kluwer Academic Publisher, Netherlands, 325-339.
Nath, D.C.D., Bandyopadhyay, S., Boughton, P., Yu, A., Blackburn, D., and White, C., 2010, Chemically Modified Fly Ash for Fabricating Super-Strong Biodegradable Poly(vinylalcohol) Composite Films., J. Mater. Sci., Springer Science.
Nath, D.C.D., Bandyopadhyay, S., Boughton, P., Yu, A., Blackburn, D., and White, C., 2009, High Strength Bio-composite Films of Poly(vinyl alcohol) Reinforced with Chemically Modified Fly Ash., J. Mater. Sci., 45, 1354-1360.
Panagiotopoulou, Ch., Kontori, E., Perraki, Th., and Kakali, G., 2007, Dissolution of Aluminosilicate Minerals and By-Products in Alkaline Media, J. Mater. Sci.,42, 2967-2973.
Praptowidodo, V.S., 2005, Influence of Swelling On Water Transport Through PVA Based Membrane, Journal of Molecular Structure., 739, 207-212.
Ramaraj, B., 2006, Crosslinked Poly(vinyl alcohol) and Starch Composite Films: Study of Their Physicochemcial, Thermal, and Swelling Properties, J. App. Polym. Sci., 103, 1127-1132. Smitha, B., M, Ramakrishna., S, Sridhar., and D, Suhanya., 2004, Separation of Organic-Organic
Mixtures by pervaporation: A Review., Journal of Membrane Science., 241, 1-21.
Xu, Z.L., Yu, L.Y., and Han, L.F., Polymer-Nanoinorganic Particles Composite Membrane: A Brief Overview, Front. Chem. Eng., 3, 318-329.
K-41
K-07