BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Tanaman Rumput Alang-Alang
Alang-alang atau ilalang yang memiliki nama ilmiah yaitu Imperata cylindrica yang merupakan rumput asli Indonesia yang sangat mudah sekali tumbuh dan berkembang. Alang-alang ialah sejenis rumput berdaun tajam, yang kerap menjadi gulma di lahan pertanian. Alang-alang menyebar secara alami mulai dari India hingga ke Asia Timur, Asia Tenggara, Mikronesia, dan Australia (Wibisono, 2011). Menurut Moenandir (1988), alang-alang (Imperata Cylindrica) dalam sistematika (taksonomi) tumbuhan dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
Divisi : Spermatophyta Sub divisi : Angiospermae Kelas : Moncotyledonae Bangsa : Poales
Suku : Gramineae Marga : Imperata
Jenis : Imperata cylindrica. Nama umum : Alang-alang
* O alang-alang dapat ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Kandungan Kimia Alang-Alang
No. Kandungan Kimia Persentase (%)
1. Kadar Abu 5,42
2. Ekstraktif 3,6
3. Lignin 18,12
4. Alfa Selulosa 44,28
5. Pentosan/Hemiselulosa 28,58
(Wibisono, 2011)
2.2. Selulosa
2.2.1 Struktur Selulosa
Selulosa merupakan senyawa organik yang paling melimpah di bumi. Diperkirakan sekitar 1011 ton selulosa dibiosintesis tiap tahun dan selulosa mencakup sekitar 50% dari karbon tak bebas di bumi. Selulosa membentuk komponen serat dari dinding sel tumbuhan .Selulosa mempunyai rumus empirik (C6H10O5)n dengan n~1500 dan berat molekul ~ 243.000 (Fessenden, 1986). Struktur selulosa terdiri dari rantai polimer β-glukosa yang dihubungkan dengan ikatan glikosida 1,4 yang ditunjukkan pada Gambar 2.1.
2.2.2 Sifat - Sifat Selulosa
Selulosa merupakan komponen utama dalam pembuatan kertas. Selulosa adalah senyawa organik penyusun utama dinding sel dari tumbuhan. Adapun sifat dari selulosa adalah berbentuk senyawa berserat, mempunyai tegangan tarik yang tinggi, tidak larut dalam air dan pelarut organic Wibisono (2011). Bahan berbasis selulosa sering digunakan karena memiliki sifat mekanik yang baik seperti kekuatan dan modulus regang yang tinggi, kemurnian tinggi, kapasitas mengikat air tinggi, dan struktur jaringan yang sangat baik (Gea, et al. 2011).
2.2.3 Sumber Selulosa
Selulosa merupakan struktur dasar sel-sel tanaman, oleh karena itu merupakan bahan alam yang paling penting yang dibuat oleh organisme hidup. Selulosa terdapat pada semua tanaman dari pohon bertingkat tinggi hingga organisme primitif seperti rumput laut, flagelata dan bakteria. Kadar selulosa yang tinggi terdapat dalam rambut biji (kapas, kapok) dan serabut kulit (rami, flax, henep), lumut, ekor kuda dan bacteria yang mengandung selulosa (Wegener, 1985).
2.3. Mikrokristal Selulosa
Umumnya, selulosa mikrokristal dibuat dengan proses hidrolisis menggunakan asam. Rowe, et al. (2009) menyatakan bahwa selulosa mikrokristal dibuat dengan cara hidrolisis terkontrol alfa selulosa, suatu pulp dari tumbuhan yang berserat dengan larutan asam mineral encer. Proses pembuatan selulosa mikrokristal adalah proses menghilangkan bagian amorf dan meninggalkan bagian kristalin dari selulosa.
2.4. Kitosan
Kitosan adalah suatu polisakarida yang diperoleh melalui deasetilasi kitin. Perbedaan di antara kitin dan kitosan terdapat dalam derajat deasetilasinya. Kitosan mempunyai derajat deasetilasi 80–90%, akan tetapi kebanyakan publikasi menggunakan istilah kitosan apabila derajat deasetilasi lebih besar 70%(Kaban, 2009). Kitosan merupakan polimer rantai panjang yang disusun oleh monomer-monomer gluko samin (2-amino-2-deoksi-D-glikosa). Biopolimer ini disusun oleh 2 jenis amino yaitu glukosamin (2-amino-2-deoksi-D-glukosa, 70-80%) dan N-asetilglukosamin (2- asetamino-2-deoksi-D-glukosa, 20-30%). Berat molekul kitosan adalah 1,036 x 106 Dalton (Astuti, 2008). Rumus umum kitosan adalah (C6H11NO4)n atau disebut sebagai (1,4)-2-Amino-2-Deoksi-beta-D-Glukosa.
2.4.1. Sifat - Sifat Kitosan
Sifat dari kitosan adalah tidak larut dalam air, memiliki ketahanan kimia cukup baik, larut dalam larutan asam tetapi tidak larut dalam basa dan ikatan silang kitosan memiliki sifat tidak larut dalam media campuran asam dan basa, memiliki reaktivitas kimia yang tinggi karena mengandung gugus -OH dan gugus -NH2 (Muzzarelli, 1985). Tetapi menurut (Kumar et al., 2000) kitosan
mempunyai sifat yang lebih spesifik yaitu dengan adanya sifat bioaktif, biokomposit, pengkelat, antibakteria dan dapat terdegradasi.
Keberadaan gugus amina bebas dan hidroksil menjadikan kitosan sebagai polisakarida yang reaktif untuk adsorpsi dan dapat berinteraksi dengan molekul yang bermuatan negatif. Kitosan sering digunakan sebagai adsorben pada ion logam dan spesies organik. Hal ini disebabkan oleh adanya gugus amina dan gugus hidroksil dari rantai kitosan yang dapat dijadikan sebagai tempat untuk berkoordinasi dan bereaksi (Lee, et al. 2009).
2.4.2. Kegunaan Kitosan
2.4.3. Kemampuan Kitosan Untuk Menyerap Logam
Kemampuan kitosan untuk mengikat logam dengan cara pengkhelat adalah dihubungan dengan kadar nitrogen yang tinggi pada rantai polimernya. Kitosan mempunyai satu kumpulan amino linier bagi setiap unit glukosa. Kumpulan amino ini mempunyai sepasang electron yang dapat berkoordinat atau membentuk ikatan-ikatan aktif dengan kation-kation logam. Unsur nitrogen pada setiap monomer kitosan dikatakan sebagai gugus yang aktif berkoordinat dengan kation logam (Hutahaean, 2001).
Interaksi kitosan dengan ion logam terjadi karena proses pengkompleksan dimana penukaran ion, penyerapan dan pengkhelatan terjadi selama proses berlangsung. Ketiga proses tersebut tergantung dari ion logam masing-masing seperti penukaran ion logam Ca. Kitosan menunjukkan afinitas yang tinggi pada logam transisi golongan 3, begitu pula pada logam yang bukan golongan alkali dengan konsentrasi rendah (Muzzarelli, 1985).
Menurut Mc Kay (1987), kitosan mempunyai kemampuan untuk mengikat logam dan membentuk kompleks kitosan dengan logam. Contoh mekanismenya dapat dilihat pada gambar 2.3 berikut:
2R-NH2+ + Cu2+ + 2 Cl- 2(RNH2)CuCl2
2.5. Penggunaan Kitosan – Selulosa sebagai Adsorben
Menurut Bilal (2001) bahwa selulosa mempunyai kemampuan untuk mengadsorpsi logam berat dengan biaya yang rendah. Selain itu berdasarkan percobaan sebelumnya telah diketahui bahwa kayu dan komponennya, seperti selulosa, lignin, hemiselulosa, dan sebagainya, telah digunakan dalam industri perawatan air untuk menghilangkan logam berat seperti Cu(II), Pb(II), Cd(II), Cr(III) dan sebagainya. Disisi lain, penghilangan ion logam berat dari air buangan dan limbah cair industi telah memberikan banyak perhatian selama beberapa tahun terakhir ini. Hal tersebut disebabkan karena ion logam tersebut telah menyebabkan masalah kesehatan dalam kehidupan manusia dan hewan.
Kitosan murni pada umumnya digunakan sebagai biosorben logam berat dalam bentuk serpihan dan serbuk, sedangkan bentuk kitosan termodifikasi meliputi kitosan ikat silang dan dipadukan dengan material pendukung selulosa menjadi hidrogel kitosan-selulosa (Bai et al.(2005). Selulosa dipilih sebagai bahan pendukung karena termasuk bahan biopolimer dengan struktur kimiawi yang mirip dengan kitosan, dimana kemiripan struktur kimiawi kitosan dan selulosa akan menjadikan kedua biopolimer bersifat kompatibel dan mempunyai gaya adhesi yang baik.
2.6. Gel
Gelasi atau pembentukan gel merupakan gejala penggabungan atau pengikatan silang rantai-rantai polimer membentuk jaringan tiga dimensi yang sinambung dan dapat memerangkap air di dalamnya menjadi suatu struktur yang kompak dan kaku yang tahan terhadap aliran bertekanan (Fardiaz, 1989). Gel dari kitosan dalam pembuatan biasanya dibuat dalam beberapa bentuk seperti membran (film) dan manik-manik (beads). Gel beads kitosan dibuat dengan melarutkannya dalam asam asetat dan kemudian diteteskan kedalam suatu koagulasi alkali seperti NaOH dan KOH. (Adarsh, 2014)
2.7. Adsorpsi
Adsorpsi adalah proses akumulasi substansi di permukaan antara dua fase yang terjadi secara fisika dan kimia. Akumulasi yang terjadi dapat berlangsung pada proses cair-cair, cair-padat dan padat-padat. Proses adsorpsi sangat cocok untuk memisahkan bahan dengan konsentrasi yang kecil dari campuran lain yang mengandung bahan dengan konsentrasi tinggi. Adsorpsi digunakan dalam pengolahan air buangan industri, terutama untuk mengurangi komponen-komponen organik misalnya warna, fenol, detergen, zat-zat toksik yang sukar diuraikan (Mc Cabe, et al. 1989).
Adsorpsi yang terjadi karena adanya gaya tarik dari permukaan adsorban dan energi kinetik molekul adsorbat, dapat berupa adsorpsi fisika, adsorpsi kimia dan adsorpsi isoterm. Pada adsorpsi fisika terjadi gaya van der Waals antara molekul adsorbat dan adsorben untuk berikatan. Pada adsorpsi kimia terjadi interaksi antara elektron-elektron pada permukaan adsorben dengan molekul-molekul adsorbat membentuk ikatan yang lebih kuat dibandingkan dengan adsorpsi fisika (Bernasconi, 1995).
Proses adsorpsi berlangsung tiga tahap yaitu pergerakan molekul-molekul adsorbat menuju permukaan adsorben, penyebaran molekul-molekul adsorbat ke dalam rongga-rongga adsorben dan penarikan molekul-molekul adsorbat oleh permukaan aktif membentuk ikatan yang berlangsung sangat cepat (sorpsi) (Metcalf, 1979).
2.8 Ikat Silang (Crosslink)
Crosslink (ikat silang) merupakan suatu ikatan yang menghubungkan satu rantai
polimer dengan rantai polimer lainnya, dapat berupa interaksi kovalen maupun interaksi non kovalen dan dapat meningkatkan massa molekul polimer. Hidrogel yang terikat-silang secara kovalen disebut gel kimia sedangkan secara non kovalen disebut gel fisik (Hennik, 2002). Cara untuk membentuk ikat silang secara fisik yaitu dengan interaksi hidrofobik, interaksi muatan, atau dengan membentuk ikatan hidrogen. Metode ikat silang kimia meliputi polimerisasi radikal, reaksi kimia dari gugus komplementer, energi tinggi irradiasi dan penggunaan enzim. Pada ikat silang kimia, dibutuhkan agen pengikat silang yang mungkin dapat bereaksi dengan zat-zat lainnya (Berg. et al. 2010)
2.9 Logam Timbal
Logam timbal Pb adalah jenis logam lunak berwarna coklat kehitaman dan mudah dimurnikan. Logam Pb lebih tersebar luas dibanding kebanyakan logam toksik lainnya dan secara alamiah terdapat pada batu-batuan serta lapisan kerak bumi. Dalam pertambangan, logam ini berbentuk sulfida logam (PbS) yang sering disebut galena (Darmono, 1995).
Logam Pb banyak digunakan sebagai bahan pengemas, saluran air, alat-alat rumah tangga dan hiasan. Dalam bentuk oksida timbal digunakan sebagai pigmen/zat warna dalam industri kosmetik dan glace serta indusri keramik yang sebagian diantaranya digunakan dalam peralatan rumah tangga. Dalam bentuk aerosol anorganik dapat masuk ke dalam tubuh melalui udara yang dihirup atau makanan seperti sayuran dan buah-buahan. Logam Pb tersebut dalam jangka waktu panjang dapat terakumulasi dalam tubuh karena proses eliminasinya yang lambat. (Librawati, 2005).
2.10. Beberapa Metode Analisis dan Karakterisasi Hidrogel Beads
2.10.1 Spektroskopi Infra Merah Fourier-Transform (FT-IR)
Spektroskopi inframerah merupakan salah satu teknik analisis yang paling penting yang tersedia untuk para ilmuwan saat ini. Salah satu keuntungan besar dari spektroskopi inframerah adalah bahwa hampir semua sampel dapat dipelajari. Cairan, larutan, pasta, bubuk, film, serat, gas dan permukaan semuanya dapat dianalisis. Spektroskopi FT-IR telah meningkatkan kualitas spektrum inframerah dan meminimalkan waktu yang dibutuhkan untuk memperoleh data. Spektroskopi inframerah adalah teknik yang didasarkan pada getaran dari atom molekul. Spektrum inframerah biasanya diperoleh dengan melewatkan radiasi inframerah melalui sampel dan menentukan bagian mana dari radiasi yang diserap pada energi tertentu. Energi yang muncul di setiap puncak dalam spektrum penyerapan dapat disamakan dengan frekuensi getaran dari bagian molekul sampel (Stuart, 2004). Komponen dasar sebuah FT-IR ditunjukkan secara skematis pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Skema komponen dasar FT-IR (Stuart, 2004)
2.10.2. Mikroskop Pemindai Elektron (SEM)
SEM berbeda dengan mikroskopi elektron transmisi (TEM) dalam hal ini suatu berkas insiden elektron yang sangat halus di-scan menyilangi permukaan sampel dalam sinkronisasi dengan berkas tersebut dalam tabung sinar katoda. Electron-elektron yang terhambur digunakan untuk memproduksi sinyal yang memodulasi
Detektor Pemprosesan data dan sinyal Sampel
Interferometer Sumber
Dalam penelitian morfologi permukaan SEM terbatas pemakaiannya, tetapi memberikan informasi yang bermanfaat mengenai topologi pemukaan dengan resolusi sekitar 100 Ǻ. Aplikasi -aplikasi yang khas mencakup penelitian disperse-dispersi pigmen dalam cat, pelepuhan atau peretakan koting, batas-batas fasa dalam polipaduan yang tak dapat campur, struktur sel busa-busa polimer, dan kerusakan pada bahan perekat. SEM teristimewa berharga dalam mengevaluasi penanaman (implant) bedah polimerik bereaksi baik dengan lingkungan bagian-bagiannya (Stevens,2001).
2.10.3. Spektrofotometer Serapan Atom (AAS)
Gambar 2.5. Komponen-komponen spektrofotometer serapan atom (Hendayana, 1994)
1. Sumber Sinar
Sumber sinar yang lazim dipakai adalah lampu katoda berongga (hollow cathode
lamp). Lampu ini terdiri atas tabung kaca tertutup yang mengandung suatu katoda
dan anoda. Katoda sendiri berbentuk silinder berongga yang terbuat dari logam atau dilapisi dengan logam tertentu. Tabung logam ini diisi dengan gas mulia (neon atau argon) dengan tekanan rendah (10-15 torr). Neon biasanya paling sering dipakai karena memberikan intensitas pancaran yang lebih rendah. Bila antara katoda dan anoda diberikan tegangan yang tinggi (600 volt), maka katoda akan memancarkan berkas-berkas electron yang bergerak menuju anoda yang mana kecepatan dan energinya sangat tinggi. Elektron-elektron dengan energi tinggi ini dalam perjalanannya menuju anoda akan bertabrakan dengan gas-gas mulia yang diisikan tadi.
Akibat dari tabrakan-tabrakan ini membuat unsur-unsur gas mulia akan kehilangan elektron dan menjadi ion bermuatan positif. Ion-ion gas mulia yang bermuatan positif selanjutnya akan bergerak ke katoda dengan kecepatan dan energi yang tinggi pula. Sebagaimana disebutkan di atas, pada katoda terdapat unsur-unsur yang sesuai dengan unsur yang akan dianalisis. Unsur-unsur ini akan ditabrak oleh ion-ion positif gas mulia. Atom-atom unsur dari katoda ini kemudian akan mengalami eksitasi ke tingkat energi-energi elektron yang lebih
Tabung Katoda berongga
Pemotong
berputar Nyala Monokromato Detektor
Penguat
arus Pencatat
Sumber
Tenaga Motor
Bahan
2. Tempat sampel
Sampel yang akan dianalisis harus diuraikan menjadi atom-atom netral yang masih dalam keadaan gas. Ada berbagai macam alat yang dapat digunakan untuk mengubah suatu sampel menjadi uap atom-atom yaitu :
a. Nyala (Flame)
Nyala digunakan untuk mengubah sampel yang berupa padatan atau cairan menjadi bentuk uap atomnya, dan juga berfungsi untuk atomisasi. Pada cara spektrofotometri emisi atom, nyala ini berfungsi untuk mengeksitasikan atom dari tingkat dasar ke tingkat yang lebih tinggi.
Suhu yang dapat dicapai oleh nyala tergantung pada gas-gas yang digunakan, misalnya untuk gas batubara-udara, suhunya kira-kira sebesar 1800
0
C, gas alam-udara 1700 0C, asetilen-udara 2200 0C, dan gas asetilen-dinitrogen oksida (N2O) sebesar 3000 0C.
b. Tanpa nyala (Flameless)
Proses pengatoman tanpa nyala dapat dilakukan dalam tungku dari grafit seperti tungku yang dikembangkan oleh Masmann. Sistem pemanasan dengan tanpa nyala ini dapat melalui tiga tahap yaitu pengeringan (drying) yang membutuhkan suhu yang rendah, pengabuan (ashing) yyang membutuhkan suhu yang lebih tinggi karena untuk menghilangkan matriks kimia dengan mekanisme volatilitasi atau pirolisis, dan pengatoman (atomising). Pada umumnya waktu dan suhu pemanasan tanpa nyala dilakukan dengan cara terprogram.
3. Monokromator
Pada spektrofotometri serapan atom, monokromator dimaksudkan untuk memisahkan dan memilih panjang gelombang yang digunakan dalam analisis. Disamping sistem optik, dalam monokromator juga terdapat suatu alat yang digunakan untuk memisahkan radiasi resonansi dan kontinyu yang disebut dengan
4. Detektor
Detektor digunakan untuk mengukur intensitas cahaya yang melalui tempat pengatoman. Biasanya digunakan tabung penggandaan foton (photomultiplier
tube). Ada dua cara yang dapat digunakan dalam sistem deteksi yaitu yang
memberikan respon terhadap radiasi resonansi dan radiasi kontinyu, dan yang hanya memberikan respon terhadap radiasi resonansi
5. Readout
Readout merupakan suatu alat penunjuk atau dapat juga diartikan sebagai sistem
pencatat hasil. Pencatat hasil dilakukan dengan suatu alat yang telah terkalibrasi untuk pembacaan suatu angka transmisi atau absorbs. Hasil pembacaan dapat berupa angka atau berupa kurva dari suatu recorder yang menggambarkan absorbansi atau intensitas emisi (Rohman, 2007).
2.10.4 Rasio Swelling
Swelling adalah salah satu sifat fisika yang khas dari gel, menggambarkan
kemampuan gel dalam menyerap air. Jika polimer gel mengembang (swelling) dalam mediumnya, ini menunjukkan bahwa gel mampu mengadsorb medium cairnya tanpa larut didalamnya. Semakin banyak rantai yang berikatan silang dalam suatu polimer, kemampuan mengembangnya akan menurun dan gel menjadi semakin keras/kuat.
Gel direndam dalam akuades hingga mencapai keadaan kesetimbangan. Lalu diambil dan setelah sisa air dihilangkan, kemudian ditimbang. Pengukuran persen rasio swelling dapat ditentukan dengan rumus berikut :
Dimana W akhir adalah berat gel setelah direndam dan W awal adalah berat gel sebelum direndam. Selain akuades juga digunakan asam asetat, asam format dan NaOH (Patrulea, et al. 2013).
2.10.5 Derajat Ikat Silang
Reaksi ikat silang kitosan dengan glutaraldehid dapat diketahui dengan menentukan jumlah gugus amina bebas yang terkandung yaitu dengan menggunakan metode titrasi. Kandungan gugus amina dapat ditentukan dengan persamaan :
%NH2 =
x 100 %
Dimana, f : molaritas NaOH (M) w : berat sampel (g)
