PEMANFAATAN CANGKANG UDANG SEBAGAI BIOADSORBEN ION LOGAM Cu DAN Zn PADA SAMPEL AIR PERMUKAAAN KOTA BENGKULU
UTILIZATION OF SHRIMP SHELLS AS BIOADSORBENTS TO REMOVE COPPER (Cu) AND ZINC (Zn) IONS FROM SURFACE WATER IN BENGKULU CITY
Wiwit*, Habibus Syakura, M. Lutfi Firdaus
Program Studi Pendidikan Kimia FKIP Universitas Bengkulu, Bengkulu *E-mail : wiwit.alwi@gmail.com
ABSTRACT
The research aims to determine the potential extract shrimp shells into chitosan and chitosan modified (chitosan crosslinked glutaraldehyde) as bioadsorbent to remove Cu and Zn ions from surface water in Bengkulu City. Shrimp shells used are white shrimp shells. Shrimp shells extracted through deproteinization, demineralization, and deasetilization. The yield of chitosan produced by 19.5%. The metals were analyzed by using UV-Vis spectrophotometry method. Optimum adsorption conditions of copper (Cu) ions onto chitosan were in pH 7, the contact time of 100 minutes, and the weight of 0.5 grams adsorbent, while the adsorption of zinc (Zn) ions were in pH 5, the contact time of 80 minutes, and the weight of 0.625 grams adsorbent. Optimum adsorption conditions of Cu ions onto chitosan modified were in pH 8, the contact time of 80 minutes, and the weight of 0.375 grams, while the adsorption of Zn ions were in pH 6, the contact time of 60 minutes, and the weight of 0.5 grams. Ability of chitosan modified as a bioadsorbent metal ions was more effective than chitosan only. Chitosan and chitosan modified as bioadsorbents could remove Cu and Zn ions from surface water in Bengkulu City.
Keywords: chitosan, chitosan modified, adsorption, Cu, Zn
ABSTRAK
Penelitian bertujuan untuk mengetahui potensi ekstrak cangkang udang menjadi kitosan dan kitosan modifikasi (tautsilang dengan glutaraldehida) sebagai bioadsorben ion logam Cu dan Zn pada sampel air permukaan di Kota Bengkulu.Cangkang udang yang dimanfaatkan adalah cangkang udang putih.Cangkang udang diekstrak melalui tahap deproteinisasi, demineralisasi, dan deasetilisasi. Rendemen kitosan yang dihasilkan sebesar 19,5%. Penentuan kadar ion logam Cu dan Zn ditentukan dengan metode spektrofotometri UV-Vis. Adapun kondisi optimum penyerapan ion logam Cu oleh kitosan yaitu pada pH 7, waktu kontak 100 menit, dan berat adsorben 0,5 gram, sedangkan penyerapan ion logam Zn yaitu pada pH 5, waktu kontak 80 menit, dan berat adsorben 0,625 gram. Kondisi optimum penyerapan ion logam Cu oleh kitosan modifikasi yaitu pada pH 8, waktu kontak 80 menit, dan berat adsorben 0,375 gram, sedangkan penyerapan ion logam Zn yaitu pada pH 6, waktu kontak 60 menit, dan berat adsorben 0,5 gram. Dari hasil penelitian diketahui bahwa kitosan memiliki kemampuan adsorpsi ion logam Cu dan Zn yang lebih rendah dibandingkan dengan kitosan modifikasi.Bioadsorben kitosan dan kitosan modifikasi mampu menurunkan kadar ion logam Cu dan Zn pada sampel air permukaan di Kota Bengkulu.
1. PENDAHULUAN
Menurut Macklin (2008) dari usaha pengolahan udang dihasilkan limbah udang sebesar 30%-75% yang terbuang percuma tanpa diolah bahkan menyebabkan pencemaran [1]. Limbah sebanyak itu, jika tidak ditangani secara tepat, akan menimbulkan dampak negatif bagi lingkungan, karena selama ini pemanfaatan limbah cangkang udang hanya terbatas untuk pakan ternak saja dan bahkan sering dibiarkan membusuk.
Cangkang udang mengandung kitin sebesar 15–20 %. Kitin dapat diubah menjadi kitosan melalui beberapa tahapan antara lain deproteinisasi, demineralisasi, dan deasetilisasi. Deproteinasi merupakan suatu tahap dalam penghilangan protein yang dilakukan dengan cara menambahkan NaOH encer. Demineralisasi adalah tahap penghilangan mineral yang terkandung dalam cangkang udang dengan penambahan larutan HCl dengan konsentrasi rendah. Proses deasetilasi dilakukan dengan jalan mereaksikan hasil demineralisasi dengan basa kuat NaOH 50%, yang bertujuan untuk memutuskan ikatan antara gugus asetil dengan nitrogen, sehingga menjadi gugus amina.Reaksi yang terjadi dari pembentukan kitosan dari kitin dapat terlihat pada Gambar di bawah ini.
NaOH
Gambar 1. Reaksi Pembentukan Kitin menjadi Kitosan (Sugita dkk, 2009)
Penghilangan gugus esetil (CH3CO-) pada kitin dapat meningkatkan
kelarutannya.Kelarutan kitosan lebih tinggi daripada kitin, sehingga kitosan lebih banyak dapat dimanfaatkan di berbagai bidang seperti industri farmasi, biokimia, biomedikal, pangan, gizi, kertas, tekstil, pertanian dan kosmetik.Selain itu kitosan juga bersifat nontoksik, biokompatibel, dan biodegrabel sehingga aman untuk digunakan.
Kitosan, poli-(2-amino-2-deoksi-β-(1-4)-D-glukopiranosa) dengan rumus molekul (C6H11NO4)n adalah polimer linier berbobot molekul tinggi, yaitu sekitar 1,2x105 [2].
Kitosan berbentuk padatan amorf yang berwarna putih kekuningan. Kitosan dapat digunakan sebagai penjerap logam berat karena kitosan memiliki pasangan elektron bebas pada gugus hidroksil (OH) dan amina (NH2) yang akan berperan sebagai
pendonor elektron (basa Lewis) yang dapat berinteraksi dengan kation logam berat melalui mekanisme pembentukan kompleks.
Melihat potensi yang dimiliki kitosan maka dilakukan penelitian pembuatan dan pengujian kemampuan kitosan dan kitosan modifikasi (tertautsilang dengan glutaraldehida) sebagai bioadsorben dalam menurunkan kadar ion logam tembaga (Cu) dan ion logam seng (Zn) pada sampel air permukaan di Kota Bengkulu.
2. METODE PENELITIAN
Isolasi kitosan dari cangkang udang melalui 3 (tiga) tahapan yaitu deproteinisasi, demineralisasi, dan deasetilisasi. Kitosan modifikasi yakni kitosan tertautsilang glutaraldehida dibuat dengan cara kitosan dilarutkan dalam glutaraldehida dengan perbandingan 2:3. Setelah itu dilakukan penentuan kondisi optimum penyerapan ion logam tembaga (Cu) dan ion logam seng (Zn) terhadap bioadsorben kitosan dan kitosan modifikasi tersebut.
Parameter yang digunakan dalam penentuan kondisi optimum tersebut adalah pH larutan, waktu kontak, dan berat adsorben yang digunakan. Metoda yang digunakan dalam penentuan kadar ion logam yang diukur adalah dengan metoda spektrofotometer Uv-Vis (Spectronic 20D) pada wilayah sinar tampak. Metoda analisis yang detail mengikuti yang ada ditulis di dalam Vogel, 1989 [3].
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Isolasi Kitosan dari Cangkang Udang
Isolasi kitosan dari cangkang udang putih dilakukan dalam beberapa tahap yaitu tahap persiapan atau preparasi adsorben, tahap deproteinasi, tahap demineralisasi dan tahap deasetilasi.
3.1.1. Tahap Preparasi Adsorben
Cangkang udang didapat dari limbah cangkang udang putih (Penaeus merguiensis) yang diperoleh dari pasar ikan di Kota Bengkulu. Limbah cangkang udang putih yang telah diperoleh disortir, dicuci hingga bersih dengan air mengalir sampai bagian lain atau kotoran dan daging dari udang dapat dibuang. Setelah itu cangkang udang dikeringkan sampai benar-benar kering, dihaluskan dan diayak hingga ukuran 60 mesh.
3.1.2. Tahap Deproteinasi
Protein yang terikat pada cangkang udang ini sekitar 30-40% dari komponen organik totalnya. Pada tahap deproteinasi, protein diubah menjadi garam natrium proteinat yang larut dalam air. Hasil dari tahap ini disaring hingga diperoleh residu yang selanjutnya dikeringkan dalam oven. Diperoleh rendemen sebesar 81,8%.
3.1.3. Tahap Demineralisasi
Rendemen kering dari tahap deproteinasi kemudian dihilangkan mineralnya dengan penambahan HCl 1M. Reaksi yang terjadi dalam tahap demineralisasi adalah sebagai berikut:
Rendemen yang dihasilkan pada tahap ini yaitu sebesar 79,1%. Secara fisik dapat ditunjukkan kitin yang dihasilkan memiliki warna yang lebih putih dan tidak memiliki bau lagi dibandingkan dengan hasil deproteinasi sebelumnya.
3.1.4. Tahap Deasetilasi
Rendemen kitosan hasil deasetilasi ini adalah sebesar 79,3% dariberat hasil demineralisasi sebelumnya.Kitosan yang dihasilkan bewarna putih kekuningan dan tidak berbau lagi.Perbandingan kitosan yang dihasilkan dengan kitosan komersil ditunjukkan pada Tabel 1 di bawah ini.
Tabel 1. Perbandingan spesifikasi kitosan komersil dan kitosan penelitian
Sampel Parameter Ukuran partikel Kadar Air (%)
Kadar Abu (%) Warna serbuk
Kitosan Komersil
Serpihan
hingga serbuk ≤10,0 ≤ 3,0 Putih
Kitosan Penelitian Bubuk ukuran 60 mesh 4,4 3,8 Putih kekuningan
Kitosan modifikasi (kitosan tertautsilang glutaraldehida) dibuat dengan cara merendam kitosan kering hasil deasetilasi dengan glutaraldehida 4.5% (v/v) dengan rasio 2 : 3 (b/v) selama ±24 jam. Setelah itu rendemen dicuci dengan akuades hingga netral dan dikeringkan dalam oven hingga kering.
Reaksi yang terjadi adalah terbentuknya ikatan imine antara gugus amina pada kitosan dengan aldehida melalui reaksi basa sciff [4]. Reaksi yang terjadi pada kitosan yang tertaut silang dengan glutaraldehid dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Mekanisme reaksi pembentukan kitosan tautsilang glutaraldehida
CaCO3(s) + 2HCl(aq) CaCl2(aq) + CO2(g )+ H2O(l)
3.2. Penentuan Kondisi Optimum Adsorpsi
Adapun parameter yang digunakan untuk penentuan kondisi optimum penyerapan kitosan dan kitosan modifikasi sebagai bioadsorben adalah penentuan pH larutan, waktu kontak, dan berat adsorben.
3.2.1. Penentuan pH Optimum
Penentuan pH optimum ini dimaksudkan untuk meningkatkan efisiensi penyerapan dari masing-masing bioadsorben terhadap ionlogam Cu dan Zn. Kapasitas adsorpsi (Q) dan efisiensi adsorpsi (eff(%)) tertinggi kitosan pada ion logam Cu adalah pada pH 7. Hal ini dapat dilihat pada kapasitas adsorpsi logam Cu yaitu 1480,0 µg/g adsorben dengan eff. 49%. Sedangkan pada ion logam Zn adalah pada pH 5. Terlihat dari hasil kapasitas adsorpsi logam Zn yaitu 355.6 µg/g adsorben dan eff. 48,9%.
Kapasitas adsorpsi tertinggi oleh adsorben kitosan modifikasi pada logam Cu adalah pada pH 8 dengan kapasitas adsorpsi ion logam Cu yaitu 4000,000 µg/g adsorben dengan eff. 80%, sedangkan kapasitas adsorpsi tertinggi pada ion logam Zn adalah pada pH 6 dengan kapasitas adsorpsi logam Zn 705,882 µg/g adsorben dan eff. 77,8%. Perbandingan pH optimum antara adsorben kitosan dan kitosan modifikasi terhadap penyerapan ion logam Cu dan Zn dapat dilihat pada Gambar 3 di bawah ini.
Gambar 3. Perbandingan pH optimum pada penyerapan ion logam Cu dan Zn oleh bioadsorben
Gambar 3 menunjukkan bahwa kapasitas adsorpsi dari kitosan maupun kitosan modifikasi mengalami kenaikan sampai titik maksimumnya dan kemudian mengalami penurunan. Hal ini menunjukkan bahwa kapasitas adsorpsi suatu adsorben telah mencapai kestabilan atau kapasitas maksimum adsorben. Hal ini dikarenakan setelah mencapai titik maksimumnya, dimungkinkan terjadinya proses desorpsi atau pelepasan adsorbat kembali selama pengadukan berlangsung. Desorpsi ini terjadi karena permukaan adsorben yang telah mencapai titik jenuhnya, sehingga laju adsorpsi menjadi berkurang. 0 1000 2000 3000 4000 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Ka p asitas A d so rp si ( µg /g ) pH Zn Kitosan Zn Kit-Glu Cu Kitosan Cu Kit-Glu
3.2.2.Penentuan Waktu Kontak Optimum
Penentuan kondisi optimum berikutnya adalah penentuan waktu kontak optimum adsorben kitosan dan kitosan modifikasi dalam menyerap ion logam Cu dan Zn.Dalam penelitian ini, kapasitas adsorpsi dan dan efisiensi adsorpsi tertinggi antara kitosan dengan ion logam Cu adalah pada waktu kontak 100 menit, sedangkan kapasitas adsorpsi tertinggi pada ion logam Zn adalah pada waktu kontak 80 menit dengan kapasitas adsorpsi ion logam Zn yaitu 167,320 µg/g adsorben dan eff. 23%.
Sementara itu, Kapasitas adsorpsi tertinggi oleh adsorben kitosan modifikasi pada ion logam Cu adalah pada waktu kontak 80 menit dengan kapasitas adsorpsi logam ion Cu yaitu 2044,444 µg/g adsorben, sedangkan kapasitas adsorpsi tertinggi pada ion logam Zn adalah pada waktu kontak adsorben 60 menit. Perbandingan waktu kontak antara kitosan dan kitosan modifikasi seperti yang terlihat pada Gambar 4 di bawah ini.
Gambar 4. Perbandingan waktu kontak antara kitosan dan kitosan modifikasi terhadap penyerapan ion logam Cu dan Zn
Dari gambar di atas terlihat bahwa penyerapan ion logam Cu maupun ion logam Zn, kitosan modifikasi memiliki kapasitas adsorpsi yang lebih tinggi dibandingkan dengan kitosan tanpa tautsilang.
3.2.2. Penentuan Berat Adsorben Optimum
Penentuan berat adsorben optimumkitosan dan kitosan modifikasi dalam penyerapan terhadap ion logam Cu dan ion logam Zn seperti terlihat pada Gambar 5 di bawah ini.
Gambar 5. Perbandingan kapasitas adsorpsi ion logam Cu dan ion logam Zn tehadap berat adsorben kitosan dan kitosan modifikasi
0 500 1000 1500 2000 2500 0 20 40 60 80 100 120 140 Ka p asitas A d so rp si ( µg /g )
Waktu kontak (menit)
Zn Kit Zn Kit-Glu Cu Kit Cu Kit-Glu 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Ka p asitas A d so rp si (µg /g ) Berat (gram) Zn Kit Zn Kit-Glu Cu Kit Cu Kit-Glu
Pada gambar dapat terlihat bahwa kapasitas adsorpsi tertinggi kitosan pada ion logam Cu adalah pada berat kitosan 0,5 gram, sedangkan kapasitas adsorpsi tertinggi pada ion logam Zn adalah pada berat kitosan 0,625 gram yaitu 172,754 µg/g adsorben. Untuk kapasitas adsorpsi tertinggi kitosan modifikasi pada logam Cu adalah pada berat adsorben 0,375 gram, sedangkan kapasitas adsorpsi tertinggi pada ion logam Zn adalah pada berat 0,5 gram yaitu dengan kapasitas adsorbsi 323.5 µg/g adsorben.
Berdasarkan data penentuan kondisi optimum antara kitosan dan kitosan modifikasi dalam penyerapan ion logam Cu dan ion lgam Zn, dapat dilihat bahwa kitosan modifikasi yang tertautsilang dengan glutaraldehida mempunyai nilai kapasitas adsorpsi yang lebih tinggi. Ini berarti bahwa penyerapan ion logam Cu dan ion logam Zn oleh bioadsorben kitosan modifikasi lebih baik daripada kitosan tanpa tautsilang. Hal ini disebabkan karena kitosan tanpa tertaut silang yang mempunyai dua gugus aktif yaitu gugus amina (-NH2)
dan gugus hidroksil (-OH) yang memiliki kepolaran yang baik. Namun, jika dibandingkan dengan kitosan tertaut silang glutaraldehid jumlah gugus aktif tersebut memiliki kuantitas lebih banyak [5].
3.3. Pengukuran KadarLogam Cu dan Zn Pada Sampel Perairan
Pengukuran kadar logam Cu dan Zn pada sampel perairan sungai di Kota Bengkulu dilakukan dalam dua tahap yaitu pengukuran konsentrasi awal ketika sebelum ditambahkan adsorben dan pengukuran konsentrasi akhir setelah ditambahkan adsorben.Untuk hasil pengukuran kadar logam Cu dan Zn dapat dilihat pada Tabel 2 di bawah ini.
Tabel 2. Pengukuran kadar logam Cu dan Zn pada sampel perairan di Kota Bengkulu Sampel Air
Sungai
Cawal (ppm)
Kitosan Kitosan Glutaraldehida
Cakhir (ppm) Eff (%) Q (µg/g) Cakhir (ppm) Eff (%) Q (µg/g) Logam Cu 1,1 0,8 25,0 13,9 0,8 25 18,5 Logam Zn 2,8 1,3 53,3 59,3 0,2 93,3 129,6 4. KESIMPULAN
Rendemen kitosan yang dihasilkan dari cangkang udang sebesar 19,5%. Adapun kondisi optimum penyerapan ion logam Cu oleh kitosan yaitu pada pH 7, waktu kontak 100 menit, dan berat adsorben 0,5 gram, sedangkan penyerapan ion logam Zn yaitu pada pH 5, waktu kontak 80 menit, dan berat adsorben 0,625 gram. Kondisi optimum penyerapan ion logam Cu oleh kitosan modifikasi tertautsilang glutaraldehida yaitu pada pH 8, waktu kontak 80 menit, dan berat adsorben 0,375 gram, sedangkan penyerapan ion logam Zn
yaitu pada pH 6, waktu kontak 60 menit, dan berat adsorben 0,5 gram. Dari hasil penelitian diketahui bahwa kitosan memiliki kemampuan adsorpsi ion logam Cu dan Zn yang lebih rendah dibandingkan dengan kitosan modifikasi.Bioadsorben kitosan dan kitosan modifikasi mampu menurunkan kadar ion logam Cu dan Zn pada sampel air sungai di Kota Bengkulu.
5. UCAPAN TERIMAKASIH
Terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi sebagai pemberi dana untuk kegiatan penelitian ini dalam Hibah PEKERTI Tahun 2015.
6. PUSTAKA
[1]. Hastuti, B., Masykur, A., & Fariha, I. Modifikasi Kitosan Melalui Proses Swelling Dan Crosslinking Menggunakan Glutaraldehit Sebagai Pengadsorpsi Logam Cr (VI) Pada Limbah Industri Batik, 2011, III(3).
[2]. Maclyn, Boy. Limbah Cangkang Udang Menjadi Kitosan. 2008; http://onlinebuku.com.
[3]. Sugita P, Wukirsari T, Sjahriza A, Wahyono D. Kitosan: Sumber Biomaterial Masa Depan. Penerbit IPB Press; 2009.
[4]. Vanesssa, L. Gonçalves, Mauro C. M. Laranjeira, Valfredo T. Fávere. Effect of Crosslinking Agents on Chitosan Microspheres in Controlled Release of Diclofenac Sodium, 2005; 15, 6–12.
[5]. Vogel. Textbook of Quantitative Chemical Analysis. New York: Great Britain by Bath Press; 1989.
