1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

Studi Pembuatan Dan Karakterisasi Membran Biopolimer Kitosan Sebagai Membran Filtrasi

Ni Nyoman Rupiasih^1*, Made Sumadiyasa², Putri Windari³, Erika Winasri⁴, Umi Hariyani⁵

1Biophysics Laboratory, ² Applied Physics Laboratory, Department of Physics, Faculty of Mathematics and Natural Sciences, Udayana University, Denpasar, 80361, Indonesia,

Telp.: (0361)701954, Fax: (0361)701907

* E-mail: rupiasih69@yahoo.com

Abstrak

Penerapan teknologi membran untuk proses pemisahan telah menjadi opsional efisien untuk menghasilkan kualitas tinggi produk pemisahan. Proses ini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang industri. Oleh karena itu, pengetahuan tentang teknik pembuatan membran ini adalah penting untuk mengendalikan karakteristik membran yang dihasilkan. Tujuan penelitian ini adalah membuat dan mengetahui karakteristik fisik membran kitosan yang dihasilkan serta kemungkinan aplikasinya pada proses filtrasi. Sebagai bahan dasar pembuatan membran adalah biopolimer kitosan dan pelarutnya asam asetat 1%. Membran yang dibuat adalah membran kitosan 1%, dengan metoda inversi fase dan teknik pengendapan dengan penguapan pelarut. Karakterisasi membran meliputi ketebalan, analisa struktur pori dengan Nova 1200e, spektrofotometer FTIR, XRD dan pure water flux (PWF) dengan metoda filtrasi dengan variasi tekanan 50-60 kPa dan 75-85 kPa. Dari hasil penelitian diperoleh tebal membran adalah 0.041 mm, diameter dan kerapatan pori membran masing-masing adalah 38,254 Å dan 2,12×10⁹ pores/m³. Dari analisa spectra FTIR diperoleh gugus fungsi yang khas pada membran diantaranya -NH, -OH, -C=O dan CH. Difraktogram kitosan memperlihatkan puncak-puncak di sekitar 2 =10^o dan 20^o, yang merupakan puncak- puncak karakteristik membran kitosan dengan struktur terhidrat dan bersifat semikristalin. Dari proses filtrasi pada masing-masing tekanan diperoleh nilai PWF sebesar 933.003 dan 4876,311 l/m².jam.

Kata kunci: Biomembran kitosan; Inversi fase; FTIR; Nova 1200e; XRD; Membran filtrasi

Abstract

The application of membrane technology for the separation process has become optional efficiently to produce high quality product separation. This process has been widely used in various industrial fields. Therefore, knowledge of the membrane preparation technique is important to control the characteristics of the produced membrane. The purpose of this study is to prepare and determine the physical characteristics of the chitosan membrane produced as well as the possibility of its application in the filtration process. The membrane prepared using chitosan biopolymer as a matrix and acetic acid 1% as a solvent. The membrane prepared was membrane chitosan 1% using phase inversion method with precipitation by solvent evaporation. The characterization of the membrane covering the thickness, pore structure by Nova 1200e, FTIR spectrophotometer, XRD and pure water flux (PWF) using a filtration method at pressure 50-60 kPa and 75-85 kPa. The results obtained are membrane thickness is 0.041 mm, the diameter and density of pores is 38,254 Å and 2.12 × 10⁹ pores/m³, respectively. From the FTIR spectra analysis obtained that functional groups of the membrane are -NH, -OH, -C=O dan CH. The XRD diffractogram shows peaks at around 2 = 10^o and 20^o, which are the peaks characteristic of chitosan membrane with hydrated structure and are semi-crystalline. The PWF values obtained are 933.003 and 4876.311 l/m².h.

Keywords: Chitosan biomembrane; Inversi fase; FTIR; Nova 1200e; XRD; Filtration membrane

Pendahuluan

Penerapan teknologi membran untuk proses pemisahan telah menjadi opsional efisien untuk menghasilkan kualitas tinggi produk pemisahan. Proses ini telah banyak digunakan dalam berbagai bidang industri. Oleh karena itu, pengetahuan tentang teknik pembuatan membran ini adalah penting untuk mengendalikan karakteristik membran yang dihasilkan.

Membran dapat dibuat dari bahan organik maupun anorganik. Membran organik lebih dikenal dengan membran polimer karena bahan-bahan pembuatnya merupakan polimer baik polimer sintetik ataupun alami [1].

20

Membran anorganik dapat dibuat dari beberapa material seperti kaca, keramik, maupun logam [2]. Kitosan sebagai salah satu biopolymer yang melimpah di alam dapat juga digunakan sebagai bahan pembuat membran [3, 4].

Kitosan merupakan polisakarida yang terdapat dalam jumlah melimpah di alam. Kitosan adalah makromolekul (poli--(1,4)-2 amino-2 deoxy D-glukosamin), yang dapat diperoleh dari proses deasetilasi kitin (poli--(1,4)-N-asetil- D-glukosamin) yang tersedia melimpah pada cangkang kepiting, kulit udang dan cangkang serangga [5]. Kitosan telah banyak digunakan dalam bidang biomedis dan farmasetika karena bersifat biodegradable, biocompatible dan tidak beracun.

Saat ini telah banyak dikembangkan pembuatan membran dari polimer alam dengan alasan polimer alam lebih ramah lingkungan daripada polimer sintetis. Pada umumnya membran yang sering digunakan untuk proses pemisahan adalah membran yang terbuat dari selulosa asetat. Kitosan merupakan suatu polimer alam yang mempunyai struktur mirip dengan selulosa serta dapat dibentuk menjadi film tipis [4].

Penggunaan teknologi membran pada proses pemisahan, pemurnian dan pemekatan, mempunyai berbagai keunggulan dibandingkan metoda pemisahan konvensional, diantaranya prosesnya dapat dilakukan secara kontinyu, tidak memerlukan zat kimia tambahan, konsumsi energi rendah, pemisahan dapat dilakukan pada kondisi yang mudah diciptakan, dapat dilangsungkan pada suhu rendah sehingga dapat digunakan untuk pemisahan senyawa yang tidak tahan suhu tinggi, dapat dilakukan dalam skala besar, tidak membutuhkan kondisi yang ekstrim (pH dan suhu), material membran bervariasi sehingga mudah diadaptasikan pemakaiannya dan mudah dikombinasikan dengan proses pemisahan lainnya [2].

Proses membran filtrasi adalah merupakan salah satu metoda pemisahan dengan membran yang menggunakan gaya dorong berupa beda tekanan. Hasil filtrasinya sangat dipengaruhi oleh ukuran dan distribusi pori membran [6]. Proses pemisahan dengan membran yang menggunakan gaya dorong berupa beda tekanan tersebut umumnya dikelompokkan menjadi empat jenis diantaranya mikrofiltrasi (beroperasi pada tekanan diantara

< 2 bar dan ukuran pori membran yang digunakan adalah 0,05-10 m), ultrafiltrasi (beroperasi pada tekanan antara 1-10 bar dan ukuran pori membran adalah 1-100 nm), nanofiltrasi (beroperasi pada tekanan antara 10-25 bar dan ukuran pori membran adalah < 2 nm) dan reverse osmosis (beroperasi pada tekanan antara 15-25 bar untuk air payau dan 40-80 bar untuk air laut) [2, 7,8]. Parameter utama dalam proses pemisahan menggunakan membran yaitu permeabilitas dan permselektivitas.

Pada penelitian ini telah dibuat membran dengan bahan dasar (matrik) kitosan dan pelarut asam asetat.

Membran dibuat dengan metoda inversi fase dengan cara pengendapan melalui penguapan pelarut (precipitation by solvent evaporation). Untuk mengetahui karakteristik fisikanya, membran dikarakterisasi dengan beberapa teknik diantaranya: pengukuran ketebalan, spektrofotometer FTIR, Quantachrome instruments Nova 1200e (any gas sorption analyzer versions 10.05) dengan metoda BJH, XRD dan pure water flux (PWF) dengan metoda filtrasi.

Metodologi

A. Bahan

Serbuk kitosan udang windu dengan derajat deasetilasi (DD) adalah 87,9% dan kelarutannya dalam asam asetat 1% adalah 99,4%. Asam asetat, natrium hidroksida dan reagen lainnya adalah analytical grade dan digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.

B. Pembuatan Membran Kitosan

Larutan kitosan 1% (w/v) dibuat dengan mencampurkan 2,5 g bubuk kitosan dengan 250 ml larutan asam asetat 1%. Campuran diaduk selama 8 jam pada suhu ruang untuk mendapatkan campuran homogen (dope solution). Dope solution dituangkan ke sebuah plat kaca dan dikeringkan pada suhu ruang selama 6 hari. Membran yang diperoleh dicelupkan ke dalam larutan NaOH 1%, dilanjutkan dengan pencucian menggunakan aquades sebanyak 3 kali untuk menghilangkan sisa NaOH, kemudian dikeringkan. Dari proses tersebut diperoleh membran kitosan 1% kering, yang siap dikarakterisasi dan digunakan.

C.

Karakterisasi Membran Kitosan

Pengukuran FTIR dilakukan pada daerah bilangan gelombang 400-4000 cm^-1. Pengukuran pori dilakukan dengan alat Quantachrome instruments Nova 1200e (any gas sorption analyzer versions 10.05) dengan metoda BJH (Barrett, Joynerand Halenda). Pengukuran pure water flux (PWF) dilakukan dengan menggunakan metoda filtrasi dead-end dengan variasi tekanan 50-60 kPa dan 75-85 kPa dan analisa struktur kristal dengan X-ray Difractometer (XRD).

21 Hasil dan pembahasan

Dari hasil penelitian ini diperoleh membran kitosan 1% dengan ketebalan 0,041 mm dengan karakteristik fisik sebagai berikut.

Karakteristik FTIR Membran Kitosan

Gambar 1 memperlihatkan spektra FTIR dari membran kitosan 1%. Spektra menunjukkan adanya puncak- puncak pada bilangan gelombang: 3301,91 cm^-1 merupakan vibrasi ulur gugus –OH yang melebar. Melebarnya puncak gugus -OH pada membran kitosan disebabkan adanya tumpang tindih dengan gugus –NH dari amina [4, 7, 8]. Puncak pada 2883,38 cm^-1 menunjukkan rentangan asimetri gugus –CH₂, 1564,16 cm^-1 yang merupakan vibrasi tekuk N-H yang menunjukkan keberadaan amina (-NH₂) dan puncak 1676,03 cm^-1 adalah merupakan C=O amida.

Berdasarkan analisis di atas, maka dapat disimpulkan bahwa produk yang dihasilkan adalah membran kitosan [4, 7].

Gambar 1. Spectrum FTIR membran kitosan 1%.

Karakteristik Pori Membran Dengan Nova 1200e

Dari analisa struktur pori membran kitosan 1% dengan menggunakan alat Quantachrome instruments Nova 1200e diperoleh nilai surface area, pore volume, pore diameter, jumlah dan kerapatan pori berturut-turut seperti tampak pada Tabel 1.

Table 1. Nilai surface area, pore volume, pore diameter, jumlah dan kerapatan pori membran kitosan 1%

Membran Surface Area (m²/g)

Pore Volume (cc/g)

Pore Diameter (Å)

Jumlah Pori ( per g)

Kerapatan pori (pori/m³) Membran kitosan 1% 0,072 8,55x10^-5 38,254 1,82x10¹¹ 2,12 × 10⁹

Dari Tabel 1 tampak bahwa pore diameter membran adalah 38,254 Å. Menurut IUPAC (convention for nomenclature of porosity, 1972) [9] maka membran yang diperoleh tergolong membran mesopori yaitu dengan ukuran diameter pori > 20 Å dan < 500 Å. Sehingga membran yang diperoleh bisa diaplikasikan sebagai membran mikrofiltrasi [2].

Karakterisasi Membran dengan Metoda Filtrasi

Pengukuran pure water fluks (PWF) dilakukan dengan menggunakan metoda filtrasi dead-end dengan variasi tekanan 50-60 kPa dan 75-85 kPa. Dari hasil filtrasi air murni (aquades) atau pure water flux (PWF),

Bilangan gelombang (cm^-1)

22

diperoleh nilai fluks air murni rata-rata membran kitosan 1% seperti tampak pada Tabel 2, masing-masing adalah 933.003 ± 90,936 l/m².jam dan 4876,311 ± 290,864 l/m².jam.

Tabel 2. Nilai fluks air murni rata-rata (PWF) membran kitosan 1% pada masing-masing tekanan: 50-60 kPa and 75-85 kPa.

Membran Pure Water Flux (l/m².jam) Pada Masing-masing Tekanan

50-60 kPa 75-85 kPa

1% 933.003 ± 90,936 4876,311 ± 290,864

Kesimpulan

Dari hasil penelitian diperoleh serbuk kitosan udang windu dengan DD 87,9% dapat dibuat menjadi membrane kitosan 1% (w/v) dengan pelarut asam asetat 1%. Dari analisa FTIR memperlihatkan karakteristik khas dari membrane kitosan. Membrane kitosan yang diperoleh merupakan membrane mesopori dengan pore diameter 38,254 Å dan kerapatan pori 2,12 × 10⁹ pori/m³. Tebal membrane adalah 0,041 mm.

Daftar Pustaka

1. Kesting R E. “Synthetic Polymeric Membranes”. New York: McGraw-Hill. 1971.

2. Marcel Mulder. “Basic Prinsiples of Membrane Tecnology”. Netherlands: Kluwer Academic Publisher. 1996.

3. Aryanto AY. “Pemanfaatan kitosan dari limbah kulit udang (crustacea) sebagai bahan untuk pembuatan membrane”. Skripsi. Bogor: Departemen Teknologi Industri Pertanian IPB. 2002.

4. Meriatna. “Penggunaan Membran Kitosan untuk Menurunkan Kadar Logam Krom (Cr) dan Nikel (Ni) dalam Limbah Cair Industri Pelapisan Logam”. Universitas Sumatera Utara: Tesis USU. 2008.

5. Baxter, S., Zivanovic, S. and Weiss, J. “Molecular Weight and Degree of Acetylation of High-Intensity Ultrasonicated Chitosan”. Food Hydrocolloids, Vol.19, 2005: 821-830.

6. Malleviale, J. “Water Treatment Membran Processes”. AWWA, Lyonnaise des Eaux, Water Research Commision of South Africa. New York: Mc Graw Hill. 1996.

7. Khoirun Nisa. “Karakteristik Fluks Membran Kitosan Termodifikasi Poli(Vinil Alkohol) Dengan Variasi Poli(Etilena Glikol) Sebagai Porogen”. Skripsi S1, Dept Kimia, FMIPA, IPB Bogor. 2005.

8. Nita Kusumawati Dan Septiana Tania. “Pembuatan Dan Uji Kemampuan Membran Kitosan Sebagai Membran Ultrafiltrasi Untuk Pemisahan Zat Warna Rhodamin B”. Molekul, Vol. 7. No. 1. 2012: 43 – 52.

9. IUPAC. “Convention for Nomenclature of Porosity (IUPAC Recommendations 2005)”. Cambridge (UK).

1972.