i
PENGARUH JENIS LARUTAN ELEKTROLIT TERHADAP KARAKTERISTIK ARUS-TEGANGAN MEMBRAN KITOSAN
SKRIPSI
BIDANG MINAT BIOFISIKA
Ni Made Rasmini
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS UDAYANA
ii
FAKTA INTEGRITAS
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah
diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi dan sepanjang
sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau
diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan
disebutkan dalam daftar pustaka
Bukit Jimbaran, Juli 2016
Pembuat Fakta Integritas
iii
PENGARUH JENIS LARUTAN ELEKTROLIT TERHADAP KARAKTERISTIK ARUS-TEGANGAN MEMBRAN KITOSAN
[Skripsi]
Sebagai Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains Bidang Fisika
pada Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Udayana
Ni Made Rasmini 1208205009
Pembimbing I Pembimbing II
iv
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
Judul : Pengaruh Jenis Larutan Elektrolit terhadap Karakteristik Arus-Tegangan Membran Kitosan
Bidang Minat : Biofisika
Nama Penyusun : Ni Made Rasmini
NIM : 1208205009
Tanggal Ujian : 15 Juli 2016
Disetujui oleh:
Pembimbing I Pembimbing II
Ni Nyoman Rupiasih, S.Si., M.Si., Ph.D Drs. Made Sumadiyasa, M.Si. NIP. 196904081994122001 NIP. 196401161992031002
Mengetahui,
Ketua Jurusan Fisika
FMIPA UNUD
v
LEMBAR PERSETUJUAN
PENGARUH JENIS LARUTAN ELEKTROLIT TERHADAP KARAKTERISTIK ARUS-TEGANGAN MEMBRAN KITOSAN
Disusun Oleh :
Penyusun : Ni Made Rasmini
NIM : 1208205009
Tanggal Ujian : 15 Juli 2016
Telah diuji pada hari Jumat, 15 Juli 2016 dan dinyatakan telah memenuhi syarat untuk diterima :
1. Ketua : Ni Nyoman Rupiasih, S.Si., M.Si., Ph.D (…………...) 2. Sekretaris : Drs. Made Sumadiyasa, M.Si (…………...) 3. Penguji I : I Gde Antha Kasmawan, S.Si., M.Si (…………...)
4. Penguji II : I.G.A Widagda, S.Si., M.Kom (…………...) 5. Penguji III : Ni Komang Tri Suandayani, S.Si., M.Si (…………...)
Mengetahui
Jurusan Fisika FMIPA UNUD Ketua
vi ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang pengaruh jenis larutan elektrolit terhadap karakteristik kurva arus-beda tegangan (I-V) membran kitosan. Membran yang digunakan adalah membran biopolimer kitosan 2%, larutan elektrolit HCl, KCl, CaCl2,
MgCl2 dan AlCl3 dengan konsentrasi 0,025 M dan arus 0 - 19 mA. Proses transport ion
dilakukan dalam sebuah model ruang cell yang terdiri dari 2 bilik dan beda tegangan diukur menggunakan elektroda kalomel. Semua pengukuran dilakukan pada suhu ruang yaitu 28,7 oC. Membran dibuat dengan metoda inverse fase dengan teknik pengendapan melalui penguapan pelarut. Sebagai matrik adalah biopolimer kitosan dengan pelarut asam asetat 1%. Karakterisasi membran meliputi pengukuran ketebalan, spektrofotometer FTIR dan arus - beda tegangan (I - V). Dari hasil penelitian diperoleh tebal membran adalah 0,0264 mm. Analisis spektra FTIR diperoleh gugus fungsi pada membran yaitu -OH,-CH, C=O, CO dan CN. Untuk semua jenis larutan elektrolit, diperoleh kurva I –V linear dan bersifat ohmik. Nilai konduktansi membran pada setiap larutan elektrolit adalah berbeda satu sama lainnya. Perbedaan tersebut diakibatkan oleh perbedaan jenis larutan elektrolit dan perbedaan valensi ion. Semakin besar konduktivitas molar dan valensi ion dari larutan elektrolit yang digunakan maka nilai konduktansi membran yang diperoleh semakin besar, kecuali larutan HCl.
Kata Kunci: membran kitosan, larutan elektrolit, konduktivitas molar, konduktansi.
ABSTRACT
An investigation of effects of the electrolyte solution to the current curve characteristics depending voltage (I-V) chitosan membrane has been done. Membrane used was chitosan membrane with matrix concentration 2%, electrolyte solution of HCl, KCl, CaCl2, MgCl2 and AlCl3 with a concentration 0.025 M and current 0-19 mA. Ion
transport process is carried out in a model cell chamber consisting of two chambers and a voltage difference is measured using a calomel electrode. All measurements were performed at room temperature is 28.7 °C. Membrane made by the method of inverse phase with precipitation through solvent evaporation technique. As the matrix is a biopolymer chitosan and 1% acetic acid solvent. Characterization of the membranes covering thickness measurements, FTIR spectrophotometer and current - voltage difference (I - V). The results were obtained membrane thickness is 0.0264 mm. Analysis of FTIR spectra obtained by the functional groups on the membrane are OH, -CH, C = O, CO and CN. For all types of electrolytic solution, obtained curve I - V linear and ohmic. Membrane conductance value at any electrolyte solution is different from each other. The differences are caused by differences in the type of electrolyte solution and ion valence difference. The greater the molar and valence ion conductivity of the electrolyte solution is used then the membrane conductance values obtained greater, except HCl.
vii
KATA PENGANTAR
Puji syukur penyusun panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya penyusun dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul “Pengaruh Jenis Larutan Elektrolit terhadap Karakteristik Arus-Tegangan Membran Kitosan”.
Penyusun mengucapkan terimakasih kepada seluruh pihak yang telah membantu dan mendukung terbentuknya tugas akhir ini. Ucapan terimakasih tersebut penyusun sampaikan kepada:
1. Ibu Ni Nyoman Rupiasih S.Si., M.Si., Ph.D selaku dosen pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, dukungan dan pengetahuan tentang konsep yang telah diberikan demi terselesaikannya tugas akhir ini.
2. Bapak Drs. Made Sumadiyasa M.Si selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan bimbingan serta arahan yang sangat bermanfaat demi terselesaikannya tugas akhir ini.
3. Bapak Ir. S. Poniman, M.Si selaku Ketua Jurusan Fisika FMIPA Universitas
Udayana yang telah mengesahkan tugas akhir ini.
4. Bapak dan Ibu dosen Fisika FMIPA Universitas Udayana yang telah memberikan masukan dan pengetahuan.
5. Keluarga yang telah mendukung, khusunya kedua orang tua saya.
6. Teman-teman mahasiswa Jurusan Fisika Universitas Udayana khususnya angkatan 2012 yang telah bersedia membantu dan memberi masukan.
Penyusun menyadari bahwa pemaparan materi dalam proposal tugas akhir ini kurang sempurna dan masih terdapat keterbatasan dalam penyampainnya. Oleh karena itu penyusun mengharapkan kritik dan saran dari pembaca agar tugas akhir ini menjadi baik lagi.
Bukit Jimbaran, Juli 2016
viii DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
KATA PENGANTAR ... ii
DAFTAR ISI ... iii
DAFTAR TABEL ... v
DAFTAR GAMBAR ... vi
DAFTAR LAMPIRAN ... vii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... ... 3
1.4 Tujuan Penelitian ... ... 4
1.5 Manfaat Penelitian ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Membran ... 5
2.2 Klasifikasi Membran ... 5
2.3 Kitin dan Kitosan ... 8
2.4 Larutan Elektrolit ... 11
ix
BAB III METODE PENELITIAN ... 15
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 15
3.2 Alat dan Bahan ... 15
3.3 Diagram Alur Penelitian ... 17
3.3.1 Persiapan penelitian ... 17
3.3.2 Pembuatan membran kitosan ... 17
3.3.3 Karakterisasi membran kitosan ... 18
3.3.4 Pelaksanaan eksperimen ... 19
3.4 Pengolahan Data ... 20
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 21
4.1 Hasil Penelitian ... 22
4.2 Pembahasan ... 22
4.2.1 Karakteristik membran kitosan ... 22
4.2.2 Pengaruh jenis larutan elektrolit terhadap kurva karakteristik arus-beda tegangan (I-V) ... 26
BAB V PENUTUP ... 34
5.1 Kesimpulan ... 34
5.2 Saran ... 34
x
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Karakteristik gugus fungsi kitin dari kulit udang ... 9
Tabel 2.2 Karakteristik gugus fungsi kitosan dari kulit udang ... 9
Tabel 3.1 Karakterisasi serbuk kitosan ... 16
Tabel 4.1 Tebal membran kitosan ... 21
Tabel 4.2 Gugus-gugus fungsi membran kitosan sebagai hasil identifikasi menggunakan FTIR Spektrofotometer ... 25
Tabel 4.3 Nilai arus-beda beda tegangan rata-rata (I-V) pada transport ion dengan larutan HCl, KCl, CaCl2, MgCl2, dan AlCl3 pada konsentrasi 0,025 M ... 27
xi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Struktur Kitin ... 10
Gambar 2.2 Struktur Kitosan ... 10
Gambar 2.3 Kurva arus-tegangan membran Cation Exchange Membrane (CMX) dalam larutan NACl 0,025 N ... 13
Gambar 3.1 Skema pelaksanaan penelitian ... 17
Gambar 3.2 Posisi titik pengukuran tebal membran ... 18
Gambar 4.1 Membran Kitosan 2% ... 21
Gambar 4.2 Spektra FTIR membran kitosan 2%: kontrol dan yang sudah dipakai transport ion, masing-masing dengan larutan elektrolit HCl, KCl, CaCl2, MgCl2 dan AlCl3 ... 22
Gambar 4.3 Spektra FTIR membran kitosan 2% kontrol ... 24
Gambar 4.4 Spektra FTIR membran kitosan 2%: kontrol dan yang sudah dipakai transport ion, masing-masing larutan elektrolit HCl, KCl, CaCl2, MgCl2 dan AlCl3 pada daerah 1500-400 cm-1 ... 26
Gambar 4.5 Grafik karakteristik arus-beda tegangan rata-rata (I-V) membran kitosan saat eksperimen transport ion dengan larutan elektrolit HCl, KCl, CaCl2, MgCl2 dan AlCl3 pada konsentrasi larutan 0,025 M. ... 29
Gambar 4.6 Grafik karakteristik arus-beda tegangan rata-rata (I-V) membran kitosan saat eksperimen transport ion menggunakan larutan HCl pada konsentrasi larutan 0,025 M... 30
xii
Gambar 4.8 Grafik karakteristik arus-beda tegangan rata-rata (I-V) membran kitosan saat eksperimen transport ion menggunakan larutan CaCl2 pada konsentrasi larutan
0,025 M... 31 Gambar 4.9 Grafik karakteristik arus-beda tegangan rata-rata (I-V)
membran kitosan saat eksperimen transport ion
menggunakan larutan MgCl2 pada konsentrasi larutan
0,025 M... 31 Gambar 4.10 Grafik karakteristik arus-beda tegangan rata-rata (I-V)
membran kitosan saat eksperimen transport ion menggunakan larutan AlCl3 pada konsentrasi larutan
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN 1 Data hasil analisa FTIR pada membran kontrol dan pada membran yang telah digunakan transport ion masing-masing dengan larutan HCl, KCl, CaCl2, MgCl2 dan AlCl3 pada konsentrasi 0,025 M.
LAMPIRAN 2 Data hasil pengukuran arus-beda tegangan (I-V) pada transport ion masing-masing dengan larutan HCl, KCl, CaCl2, MgCl2 dan AlCl3
pada konsentrasi 0,025 M.
LAMPIRAN 3 Data hasil perhitungan nilai konduktansi membran beserta standar deviasi
1 BAB I PENDAHULUAN
1.1Latar Belakang
Membran merupakan suatu lapisan tipis yang memisahkan dua larutan dan dapat berperan aktif pada proses perpindahan partikel dari ke dua larutan tersebut. Dalam hal ini, membran dapat memisahkan komponen larutan dengan cara spesifik, yaitu dengan menahan atau melewatkan salah satu komponen dari komponen lainnya (Meriatna, 2008). Berkenaan dengan sifat membran sebagai pemisah material, membran dapat dibedakan menjadi tiga jenis yaitu: membran impermeable, membran permeable dan membran semipermeable. Membran impermeable adalah membran yang tidak bisa dilewati oleh material atau unsur apapun, sehingga membran ini berfungsi sebagai pembatas saja bukan sebagai alat perpindahan (transport). Membran permeable adalah membran yang dapat dilewati oleh semua komponen larutan yaitu pelarut maupun zat pelarut. Sedangkan membran semipermeable adalah membran yang hanya dapat dilewati oleh salah satu komponen larutan, misalnya zat terlarut atau pelarutnya saja.
2
pengikat ion-ion logam berbahaya dalam limbah industri seperti Cr, Ni, Cu, Pb, Hg dan Cd. (Meriatna, 2008).
Pada saat ini, teknologi membran telah berkembang pesat dalam berbagai bidang diantaranya bidang industri, yaitu membran dimanfaatkan untuk desalinasi air, pemisahan gas, pengolahan limbah dan pemisahan larutan. Pada teknologi pemisahan larutan, membran digunakan sebagai penukar ion (membran bermuatan). Membran penukar ion ada dua jenis, yaitu membran penukar kation atau ion positif (Cation
Exchange Membran (CEM)) dan membran penukar anion atau ion negatif (Anion
Exchange Membran (AEM)). Membran penukar ion umumnya dibuat dari proses
crosslinking polymer dengan menambahkan gugus fungsi tertentu pada masing-masing
membran. Membran penukar kation diberikan gugus fungsi negatif sedangkan membran penukar anion diberikan gugus fungsi positif. Jika membran penukar ion diletakkan dalam suatu larutan elektrolit, maka afinitas atau daya ikat ion pada membran penukar ion adalah sesuai dengan muatan ion dalam larutan elektrolit tersebut. Kation atau ion bermuatan positif akan bergerak menembus membran penukar kation karena adanya gugus fungsi negatif di dalam membran. Sedangkan anion dalam larutan elektrolit akan
tertolak oleh membran penukar kation karena memiliki muatan yang sama dengan gugus fungsi negatif yang dimiliki oleh membran penukar kation. Hal sebaliknya terjadi pada membran penukar anion.
3
beda beda tegangan maka semakin besar pula arus yang mengalir pada membran (Mahaningsih, 2011).
Setiap membran memiliki mekanisme transport ion yang berbeda sehingga masing-masing membran memiliki karakteristik transport ion tersendiri. Secara umum diketahui bahwa timbulnya beda beda tegangan membran adalah akibat adanya perbedaan konsentrasi antara dua larutan elektrolit yang dipisahkan oleh membran tersebut, atau arus listrik yang dialirkan pada dua larutan yang dipisahkannya.
Elektrolit adalah suatu senyawa bila dilarutkan dalam pelarut (misalnya air)
akan menghasilkan larutan yang dapat menghantarkan arus listrik. Elektrolit diklasifikasikan berdasarkan kemampuannya dalam menghantarkan arus listrik yaitu elektrolit kuat dan elektrolit lemah. Suatu elektrolit dapat berupa asam, basa maupun garam. Menurut Michael Faraday, elektrolit merupakan suatu zat yang dapat menghantarkan listrik jika berada dalam bentuk larutan atau lelehannya. Dalam suatu larutan elektrolit, bila diberi dua batang elektroda inert dan diberi beda tegangan listrik diantaranya, maka anion-anion akan bergerak ke elektroda negatif (katoda) (Nurhayati, 2011).
Pada penelitian ini telah diteliti pengaruh larutan elektrolit terhadap karakteristik arus-beda tegangan (I - V) dari membran kitosan. Dalam hal ini beberapa jenis larutan elektrolit yang digunakan adalah HCl, KCl, CaCl2, MgCl2 dan AlCl3. Larutan ini
digunakan untuk melihat efek konduktivitas molar dan efek valensi ion terhadap proses transport ion pada membran kitosan.
1.2Rumusan Masalah
4
1.3Batasan Masalah
Permasalahan pada penelitian ini dibatasi sebagai berikut: 1. Membran yang digunakan adalah membran kitosan 2%.
2. Jenis larutan elektrolit yang digunakan adalah HCl, KCl, CaCl2, MgCl2 dan
AlCl3.
3. Konsentrasi larutan elektrolit yang digunakan adalah 0,025 M. 4. Elektroda yang digunakan adalah elektroda platina.
1.4Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah mempelajari pengaruh jenis larutan elektrolit terhadap karakteristik kurva arus-beda tegangan (I-V) dari membran kitosan.
1.5Manfaat Penelitian
5 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Membran
Membran merupakan suatu lapisan tipis yang memisahkan dua larutan. Salah satu sifat membran yang penting adalah sifat semipermeabel, yaitu hanya dapat dilewati oleh salah satu komponen larutan, misalnya zat terlarut atau pelarutnya saja. Dengan sifat semipermeabel tersebut, membran dapat digunakan sebagai alat untuk memisahkan suatu komponen dari komponen lainnya. Proses pemisahan dapat terjadi karena adanya driving force (gaya pendorong atau penggerak) yang bekerja pada komponen-komponen di dalam larutan umpan (feed). Gaya penggerak dapat berupa gradien konsentrasi (ΔC), gradien tekanan (ΔP), gradien suhu (ΔT) dan gradien potensial listrik (ΔV) (Meriatna,2008).
Teknologi pemisahan menggunakan membran memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan teknik pemisahan lainnya. Keunggulan tersebut antara lain proses pemisahannya dapat dilakukan secara kontinu, konsumsi energi cenderung rendah, dapat dikombinasikan dengan proses pemisahan yang lain, sifat-sifat dan variabel membran dapat disesuaikan dan zat aditif yang digunakan tidak terlalu banyak (Suseno, 2003).
2.2 Klasifikasi Membran
Membran dapat diklasifikasikan berdasarkan material dasar pembuatannya, struktur/morfologi, prinsip pemisahan dan sifat listriknya.
A. Klasifikasi membran berdasarkan material dasar pembuatannya
Berdasarkan jenis material pembuatannya, membran dapat dikelompokkan menjadi 2 (Mulder, 1996), yaitu:
1. Membran alami adalah membran yang terdapat di jaringan makhluk hidup. Membran alami sering disebut membran sel. Salah satu fungsi dari membran sel adalah sebagai alat transport zat pada sel.
6
Membran sintetik dapat dibedakan menjadi membran organik dan anorganik. Membran organik adalah membran dengan bahan penyusun utamanya polimer
organik seperti selulosa, selulosa nitrat, polisulfon, poliamida, kitin, kitosan dan polimer sintetis lainnya. Membran anorganik adalah membran dengan bahan penyusun utamanya adalah logam (seperti membran plat logam tipis yang terbuat dari palladium, perak dan campuran keduanya), gelas (seperti Pyrex dan Vycor yang mengandung SiO2, B2O3 dan Na2O), atau campuran
keduanya, yang disebut sebagai keramik atau non logam, seperti
siliciumcarbide, zirconiumoxide dan titaniumoxide.
B. Struktur atau morfologi membran
Berdasarkan strukturnya, membran dikelompokkan menjadi 2, yaitu:
1. Membran simetri adalah membran yang mempunyai ukuran dan kerapatan pori yang homogen pada ke dua sisi membran. Ketebalan membran ini sekitar 10 – 200 µm.
2. Membran asimetri adalah membran yang mempunyai ukuran pori lebih kecil dan distribusi pori lebih rapat pada lapisan permukaan, sedangkan pada lapisan pendukung, ukuran porinya lebih besar atau membesar dan distribusi porinya lebih renggang. Ketebalan lapisan permukaan membran ini adalah 0,1 - 0,5 µm, sedangkan ketebalan lapisan pendukung adalah 50 – 150 µm. Membran ini dapat berasal dari satu jenis bahan polimer atau bisa juga dari dua atau lebih polimer yang dikenal sebagai membran komposit.
C. Prinsip pemisahan menggunakan membran
Berdasarkan prinsip pemisahannya, membran dapat dikelompokkan menjadi 3, (Mulder, 1996) yaitu:
7
pembuat membran tidak memberikan pengaruh yang begitu besar pada pemisahan tersebut.
2. Membran non pori. Membran jenis ini mampu memisahkan molekul yang berukuran hampir sama. Proses pemisahan terjadi melalui perbedaan daya kelarutan atau difusi. Dalam hal ini sifat intrinsik material sangat menentukan tingkat selektivitas dan permeabilitas membran. Membran ini digunakan dalam pervaporasi dan pemisahan gas.
3. Membran cair (berbentuk emulsi), di mana di dalam membran terdapat zat pembawa yang menentukan selektivitasnya terhadap komponen tertentu yang akan dipisahkan. Pemisahan menggunakan membran cair sering dilakukan dengan teknik difusi, yang dapat dilakukan dengan memilih jenis emulsi dan zat pembawa yang spesifik untuk zat tertentu.
D. Sifat listrik membran
Berdasarkan sifat listriknya, membran sintetik dikelompokkan menjadi 2 (Nuwair, 2009) yaitu:
1. Membran bermuatan tetap
Membran bermuatan tetap adalah membran dimana molekul-molekul ioniknya menempel pada kisi (lattice) membran secara kimia. Ion-ion tidak dapat berpindah dan membentuk lapisan tipis bermuatan pada membran. Membran ini dapat dilalui oleh ion-ion tertentu sehingga disebut sebagai membran pertukaran ion
(ion-exchange membrane). Membran ini dibagi menjadi tiga jenis, yaitu:
a. Membran penukar kation/Cation Exchange Membran (CEM) adalahmembran bermuatan negatif (anion) yanghanya dapat dilewati oleh kation.
b. Membran Penukar Anion/Anion Exchange Membran (AEM) adalah membran bermuatan positif (kation) yanghanya dapat dilewati oleh anion.
c. Double Fixed Charge Membran (DFCM) adalah membran bermuatan yang
8
2. Membran tidak bermuatan tetap
Membran tidak bermuatan tetap disebut juga membran netral. Membran ini terbuat
dari polimer yang tidak mengikat ion-ion sebagai ion tetap dan bersifat selektif terhadap larutan kimia. Selektivitas membran netral ditentukan oleh unsur-unsur penyusun, ikatan kimia, ukuran pori-pori, daya tahan terhadap tekanan dan suhu, resistivitas dan konduktansi, serta sifat listrik lainnya.
2.3 Kitin dan Kitosan
Kitin adalah polimer alami terbesar kedua yang terdapat di alam setelah selulosa. Senyawa kitin banyak terdapat pada dinding sel tumbuhan tingkat rendah seperti jamur dan juga terdapat pada kulit luar hewan mollusca seperti udang, kepiting dan cumi-cumi. Pada tumbuhan tersebut senyawa kitin berfungsi sebagai bahan pelindung/dinding sel dan pada hewan berfungsi sebagai kerangka luar (eksoskeleton). Kitin berbentuk serpihan dengan warna putih kekuningan, memiliki sifat tidak beracun dan mudah terurai secara alami (biodegradable). Senyawa kitin larut dalam larutan dimetil asetamida dan litium klorida (Harianingsih, 2010). Kitin tidak mudah larut dalam air, alkohol, asam atau basa encer serta pelarut-pelarut organik lainnya, sehingga kegunaannya terbatas. Hal tersebut disebabkan karena kitin secara alami berbentuk kristal yang mengandung rantai-rantai polimer berkerapatan tinggi yang terikat satu sama lain dengan ikatan hidrogen yang sangat kuat. Namun dengan modifikasi kimiawi dapat diperoleh senyawa turunan kitin yang mempunyai sifat kimia yang lebih baik. Salah satu turunan dari kitin adalah kitosan.
Identifikasi adanya senyawa kitin dapat dilakukan secara kualitatif dan kuantitatif. Identifikasi secara kualitatif dapat dilakukan dengan reaksi warna Van Wesslink. Cara ini dilakukan dengan mereaksikan kitin dengan I2–KI, yang
9
Kitosan merupakan senyawa turunan kitin yang diperoleh dari proses deasetilasi yaitu proses penghilangan gugus asetil (-COCH3) dengan menggunakan larutan NaOH
konsentrasi tinggi. Pada proses tersebut akan terjadi pergantian gugus asetamida (NHCOCH3) dengan gugus amino (NH2). Proses ini juga disebut sebagai reaksi
transformasi kitin menjadi kitosan. Besar perubahan kitin menjadi kitosan dinyatakan sebagai derajat deasetilasi (DD), yang dapat ditentukan melalui analisis FTIR. Dari analisis FTIR juga dapat ditentukan gugus-gugus fungsi pada kitosan, sebagai contoh dapat dilihat pada Tabel 2.2.
Tabel 2.1 Karakteristik gugus fungsi kitin dari kulit udang (Stuart, 2003)
Gugus fungsi Bilangan gelombang (cm-1)
OH 3448
N – H ulur 3300 – 3250
C – H ulur 2891,1
C = O ulur 1680 – 1640
N – H bengkokan 1560 – 1530
CH3 1419,5
C – O – C 1072,3
N – H kibasan 750 – 650
Tabel 2.2 Karakteristik gugus fungsi kitosan dari kulit udang (Stuart, 2003)
Gugus fungsi Bilangan gelombang (cm-1)
OH 3450,0
N – H ulur 3335,0
C – H ulur 2891,1 NH2 guntingan 1655,0
CH3 1419,5
C – O – C 1072,3
NH2 kibasan 850,0 – 750,0
10
Kitosan memiliki karakteristik sebagai penukar ion, salah satunya karena mengandung gugus amino NH2. Dalam hal ini, kitosan bersifat sebagai polimer
kationik yaitu polimer bermuatan positif. Kitosan bersifat tidak larut dalam air dan larutan alkali dengan pH di atas 6,5. Tetapi kitosan mudah larut dalam asam organik seperti asam formiat, asam asetat dan asam sitrat (Istiqomah, 2011).
Struktur bangun kimia kitin dan kitosan murni terlihat pada Gambar 2.1 dan 2.2 (Lestari, dkk, 2011). Terlihat bahwa kitin murni mengandung gugus asetamida (NHCOCH3) dan kitosan murni mengadung gugus amino (NH2). Perbedaan gugus ini
akan mempengaruhi sifat-sifat kimia senyawa tersebut. Perbedaan antara kitin dan kitosan adalah berdasarkan kandungan nitrogennya, bila kandungan nitrogennya kurang dari 7% maka polimer disebut kitin dan apabila lebih dari 7% maka disebut kitosan (Roberts, 1992). Rumus umum kitin adalah (C8H13NO5)n atau juga disebut sebagai poli
(2-asetamido-2-deoksi-β-(1→4)-D-glukopiranosa). Sedangkan rumus umum kitosan adalah (C6H11NO4)n atau disebut sebagai (1,4)-2-Amino-2-Deoksi-β-D-Glukosa.
Gambar 2.1 Struktur kitin (Lestari, dkk, 2011)
11
2.4Larutan Elektrolit
Larutan adalah campuran homogen dari dua atau lebih zat.Komponen atau zat yang jumlahnya paling banyak dalam larutan disebut pelarut (solvent) dan komponen yang jumlahnya lebih kecil disebut zat terlarut (solute) (Nuwair, 2009). Larutan dapat berupa gas, cairan atau padatan. Larutan encer adalah larutan yang sebagian kecil mengandung solute, relatif terhadap jumlah pelarutnya. Sedangkan larutan pekat adalah larutan yang sebagian besar mengandung solute. Pada umumnya zat yang digunakan sebagai pelarut adalah air. Kelarutan ditentukan oleh konsentrasi solute dalam larutan jenuhnya. Larutan jenuh adalah larutan yang tidak dapat menampung
solute lagi, dalam hal ini larutan tersebut tidak harus berupa suatu larutan pekat.
Berdasarkan daya hantar listriknya, larutan dapat dibagi menjadi larutan elektrolit dan non–elektrolit. Larutan elektrolit adalah larutan yang dapat menghantarkan arus listrik. Sedangkan larutan non-elektrolit merupakan larutan yang tidak dapat menghantarkan arus listrik. Larutan elektrolit dibagi menjadi dua yaitu larutan elektrolit kuat dan larutan elektrolit lemah. Larutan elektrolit kuat adalah larutan yang mempunyai daya hantar listrik yang kuat, karena zat terlarut (di dalam pelarut, umumnya air) seluruhnya berubah menjadi ion-ion (derajat ionisasi (α) = 1). Derajat ionisasi adalah perbandingan antara jumlah ion yang dihasilkan dengan jumlah zat mula-mula. Beberapa contoh larutan elektrolit kuat adalah asam kuat diantaranya HCl, MgCl2, H2SO4, CaCl2 dan AlCl3 basa kuat seperti NaOH dan KOH serta garam
yang mudah larut, seperti NaCl. Larutan elektrolit lemah adalah larutan yang mempunyai daya hantar listrik lemah dengan harga derajat ionisasi diantara 0 dan 1 (0<α<1). Yang tergolong elektrolit lemah adalah asam lemah seperti CH3COOH dan
HCN, basa lemah seperti NH4OH dan garam yang sukar larut seperti AgCl dan
CaCrO4. Jika larutan elektrolit pada masing-masing ruang yang dipisahkan oleh
12
2.5Mekanisme Transport Ion pada Membran
Transport ion pada membran merupakan proses perpindahan ion-ion dari satu ruang ke ruang yang lain yang dibatasi oleh membran tersebut. Hal ini dapat terjadi melalui proses transport pasif dan aktif. Transport pasif adalah transport di dalam membran yang digerakkan oleh perbedaan tekanan, perbedaan konsentrasi atau perbedaan temperatur di antara ke dua sisi membran.Sedangkan transport aktif adalah transport di dalam membran yang memerlukan energi.
Suatu fenomena polarisasi konsentrasi dapat terjadi pada proses pertukaran ion menggunakan membran pertukaran ion (ion-exchange membrane). Ketika arus listrik melewati sebuah sistem membran, maka arus yang mengalir di dalam larutan adalah berupa aliran kation-kation dan anion-anion, sedangkan pada membran, arus yang mengalir adalah aliran counterions (ion-ion larutan yang berlawanan jenis dengan muatan membran). Perbedaan antara mobilitas counterions di dalam membran dan di dalam larutan menyebabkan terjadinya deplesi konsentrasi larutan elektrolit pada permukaan membran. Akibatnya, terbentuk gradien konsentrasi pada lapisan tipis di dekat membran, fenomena ini disebut polarisasi konsentrasi.
Kurva arus-tegangan (I-V) biasanya menggambarkan sifat listrik dari membran dan memberikan informasi tentang mekanisme transport ion, termasuk polarisasi konsentrasi. Teori klasik polarisasi konsentrasi memprediksi terbentuknya daerah
plateau pada kurva I-V berdasarkan pada konsep terbentuknya lapisan tipis pada
permukaan membran akibat kondisi "unstirred" (tidak diaduk) dan netralitas muatan
(electroneutrality) lokal. Biasanya kurva I-V membran pertukaran ion dapat dibagi
menjadi tiga daerah, seperti tampak pada Gambar 2.3. Daerah I adalah daerah ohmik yaitu rapat arus bersesuaian dengan beda potensial listrik, yang memenuhi hukum Ohm. Daerah II adalah daerah plateau yaitu dengan meningkatnya rapat arus akan tercapai suatu titik dimana konsentrasi elektrolit pada permukaan membran pada daerah depleting mendekati nol. Titik tersebut adalah daerah batas kerapatan arus
(limiting current density (LCD)) pada daerah II. LCD adalah arus yang diperlukan
untuk mentransfer semua ion yang ada. Perubahan kurva I-V di daerah plateau tersebut diikuti oleh daerah III, dimana gradien (slope) kurva I-V meningkat lagi dan akhirnya mencapai nilai asymptotic, dimana besar slope biasanya lebih rendah dari
13
kondisi eksternal sistem transport seperti konsentrasi, laju aliran dan kondisi fisika-kimia permukaan membran. Menurut teori klasik polarisasi konsentrasi, nilai arus
yang lebih besar dari LCD tidak mungkin terjadi. Namun pada prakteknya, arus yang melebihi LCD (overlimtingcurrent density) pada daerah III bisa terjadi. Fenomena ini adalah merupakan akibat dari adanya interaksi medan listrik antara muatan atau ion-ion dalam larutan elektrolit yang digunakan. Hal ini menyebabkan terjadinya aliran ion-ion melalui membrane pada dua arah yang dapat menyebabkan overlimiting arus.
Gambar 2.3. Kurva arus-tegangan membran Cation Exchange Membrane (CMX) dalam larutan NaCl 0.025 N (J Hwan Choi, 2001)
Gambar 2.3 menunjukkan kurva arus-tegangan (I-V) dari membran cation
exchange membrane (CMX) dalam larutan NaCl 0,025 N. Batas rapat arus (LCD)
ditentukan oleh perpotongan dua slope (kemiringan) pada daerah Ohmik dan plateau (titik A). Titik kedua (titik B) didefinisikan sebagai perpotongan dari dua slop, daerah
plateau (daerah II) dan daerah III dari kurva I-V. Proyeksi titik A dan B pada sumbu
absis (horizontal) memberikan panjang daerah plateau dari kurva I-V (Gambar 2.3). Hambatan untuk masing masing daerah diperoleh dari nilai slop dari masing-masing daerah dalam kurva I-V.
Daerah I Daerah II Daerah III
Titik A Titik B
Potensial (V)
Ra
pa
t
a
rus
(
mA/cm
14
Selain arus dan tegangan, membran biopolimer kitosan memiliki sifat listrik seperti konduktansi. Konduktansi membran adalah merupakan suatu ukuran yang
menggambarkan kemampuan suatu membran untuk mengalirkan ion seperti tampak pada persamaan 2.1 (Charles dan Joe, 2005):
) ( m i
i V V
g
I (2.1)
dengan:
= konduktasi membran
I = arus listrik yang mengalir (A) = tegangan membran (V)
= tegangan ion (V)
Tegangan ion dapat dihitung menggunakan persamaan Nerst (Charles dan Joe, 2005): 2 1 ln i i i i C C F z RT
V (2.2)
Dengan
= tegangan ion (J C-1 atau V)
R = konstanta gas ideal = 8,31441(J mol-1 K-1) T = temperatur larutan (K)
= valensi ion
F = Konstanta Faraday= 96.484,56 (C mol-1)
