268
PENENTUAN KOMPOSISI OPTIMUM DAN KARAKTERISASI MEMBRAN ELEKTRODA SELEKTIF ION Cu2+
Aman Sentosa Panggabean1*, Fima Ayu1, Suhadi Mulyono2, Idris Mandang2
1Program Studi Kimia FMIPA Universitas Mulawarman-75119 2Program Studi Fisika FMIPA Universitas Mulawarman-75119
*E-mail : amanspanggabean@yahoo.com
ABSTRAK
Penelitian tentang pembuatan dan Karakterisasi membran elektroda selektif ion Cu2+ berbasis Polivinilklorida (PVC) dengan menggunakan etilen diamin tetra asetat (EDTA) sebagai ionofor telah dilakukan. EDTA mengandung unsur nitrogen yang memiliki pasangan elektron bebas, mampu mengikat ion Cu2+ melalui ikatan kovalen koordinasi, sehingga dapat meningkatkan konduktivitas membran. Untuk memperbaiki kekuatan fisik membran, digunakan PVC sebagai matriks dan dioktil fenil fosfonat (DOP) sebagai pemlastisnya. Hasil penelitian menunjukkan bahwa komposisi optimum membran adalah pada perbandingan; EDTA : PVC: DOP adalah 60 : 30 : 10. Konsentrasi optimum dopan Cu2+ adalah 1 M dengan harga konduktivitas 4,62 x 10-2 Ohm1m-1. Hasil analisis FT-IR menunjukkan adanya perubahan bilangan gelombang pada gugus karboksil dan gugus N-H dari EDTA sehingga dimungkinkan terjadinya ikatan dengan ion Cu2+.
Kata Kunci : Membran, Elektroda Selektif Ion, EDTA, Cu2+.
ABSTRACT
A research on the manufacture and characterization of ion selective electrode membrane Cu2+ based polyvinylchloride (PVC) by using ethylene diamine tetra acetate (EDTA) as ionophores has been done. EDTA containing nitrogen has a lone pair able to bind Cu2+ ions through coordination covalent bond and capable to increase the conductivity of the membrane. The physical strength of the membrane can be improved with used PVC as matrix and dioctyl phenyl phosfonate (DOP) as plasticizer. The result of research showed the optimum composition of the membrane with comparison was EDTA : PVC : DOP = 60 : 30 : 10. The optimum dopant concentration of Cu2+ was 1 M with conductivity value was 4,62 x 10-2 Ohm1m-1. FT-IR data analysis indicates a change in the wave number of carboxyl groups and N-H groups of the EDTA, it is possible the binding with Cu2+ ions.
Keywords : Membrane, Ion Selective Electrode, EDTA, Cu2+.
1. PENDAHULUAN
Pertambahan jumlah penduduk yang sangat pesat, yang mengakibatkan aktivitas manusia juga semakin meningkat, sering sekali menimbulkan permasalahan terhadap pencemaran lingkungan. Meningkatnya kegiatan indutri seperti pertambangan telah banyak mengganggu ekosistem lingkungan hidup. Salah satu jenis pencemaran lingkungan yang dihadapi saat ini adalah disebabkan oleh ion logam-logam berat yang
269
salah satunya adalah ion logam tembaga (Cu2+). Secara alamiah ion Cu2+ dapat berada di dalam perairan, dan dapat timbul sebagai dampak aktivitas manusia seperti industri elektronika, penggunaan fungisida dan insektida yang berlebihan.
Efek yang ditimbulkan dari pencemaran ion Cu2+ adalah dapat menyebabkan kemunduran IQ dan kerusakan otak pada anak-anak. Konsumsi Cu2+ dalam jumlah yang besar dapat menyebabkan tembaga bersifat toksik dan menimbulkan gejala-gejala yang akut. Berdasarkan Keputusan Menteri Lingkungan Hidup No 51 Tahun 2004 yang diperbolehkan dalam lingkungan perairan untuk keperluan budidaya adalah ≤ 0,02 mg/l, dan untuk kehidupan biota yaitu ≤ 0,008 mg/l.
Beberapa metoda analisis telah digunakan untuk penentuan ion Cu2+ seperti polarografi, gravimetri, maupun spektrofotometer serapan atom. Metode spektrofotometri memiliki akurasi yang tinggi, namun memiliki kelemahan diakibatkan reaksi kimia yang terjadi selama atomisasi, sehingga mengubah sifat-sifat absorpsi. Biaya analisis cukup mahal dan tidak dapat digunakan langsung di lapangan [1]. Metode analisis lain yang layak digunakan untuk analisis ion Cu2+ adalah teknik elektrokimia seperti elektroda selektif ion (ESI).
ESI merupakan sensor elektrokimia yang sangat luas penggunaannya, hal ini disebabkan karena ESI dapat dikontrol secara laboratorium dan dapat digunakan dalam dunia nyata [2]. Istilah ESI ini muncul karena tidak satupun elektroda bersifat spesifik terhadap ion tertentu, yaitu tidak ada elektroda yang secara sempurna bebas dari gangguan [3]. ESI pertama kali dibuat dari membran kaca yang telah digunakan untuk mengukur pH larutan [4]. ESI dapat digunakan dalam analisis lingkungan. Keunggulan yang di dapat dari metode ini bila dibandingkan dengan metode lain antara lain yaitu, biaya yang jauh lebih kecil, selain itu penentuan ESI tidak terganggu oleh warna pada sampel dan dapat digunakan langsung dilapangan. Bahan membran yang berbeda terbukti memberikan respon yang optimal untuk spesies tertentu. Sehingga sangat diperlukan modifikasi pada membran elektroda selektif ion ini.
Asam etilen diamin tetra asetat (EDTA) merupakan salah satu jenis asam amina polikarboksilat yang seringkali digunakan sebagai titran dalam titrasi kompleksometri. EDTA sebenarnya merupakan ligan heksadentat yang dapat berkoordinasi dengan suatu ion logam lewat kedua nitrogen dan keempat gugus karboksilnya [5]. EDTA dapat dibuat menjadi membrane dengan menggunakan matriks PVC sebagai penguat dan menambahkan sejumlah tertentu pemlastis (plasticizer) [6]. Konduktivitas membran EDTA dapat ditingkatkan dengan menambahkan sejumlah logam tertentu ke dalam membran. Logam yang ditambahkan ini disebut sebagai logam dopan. Konsentrasi logam khas pada setiap membran sehingga diperoleh konduktivitas yang optimum [7].
270
Pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan membran elektroda selektif ion (ESI) Cu2+ dengan EDTA sebagai ionofor dengan cara memasukkan dopan Cu2+ ke dalam membran EDTA yang bermatriks PVC melalui perendaman dan menentukan konsentrasi optimum dopan serta penentuan sifat karakteristik membran EDTA-PVC-DOP meliputi analisis konduktivitas, spektrofotometer serapan atom dan FT-IR.
2. METODOLOGI PENELITIAN 2.1 Alat dan Bahan
Peralatan yang digunakan untuk mencetak membran adalah plat kaca, peralatan gelas seperti labu takar, gelas ukur, pipet volume dan beaker gelas (E’ Merck), multimeter digital untuk mengukur resistensi, untuk menentukan jumlah ion Cu2+ yang diserap oleh membran digunakan spektrofotometer serapan atom (GBC Avanta 6506), untuk mengamati pergeseran bilangan gelombang dari gugus-gugus fungsi yang dapat membentuk kompleks setelah membran didop dengan ion logam Cu2+ digunakan spektroskopi FT-IR (Prestige 21-D).
Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah etilen diamin tetra asetat, tetrahidrofuran (THF), tembaga sulfat (E’Merck), polivinilklorida (PVC), dioktilftalat (DOP) (Sigma) dan aquades.
2.2 Prosedur Kerja
2.2.1 Pembuatan Membran
PVC dilarutkan dalam 20 mL THF setelah itu ditambahkan DOP sambil diaduk dengan menggunakan stirer, kemudian ditambahkan EDTA yang telah dihaluskan ke dalam campuran secara berangsur-angsur, diaduk hingga homogen pada suhu kamar. Campuran dituangkan ke dalam plat kaca dan dibiarkan sampai seluruh pelarutnya menguap dan diperoleh membran EDTA-PVC-DOP. Pembuatan membran ini dibuat dengan beberapa variasi komposisi untuk masing-masing membran EDTA-PVC-DOP = 50:40:10 ; 55:35:10 ; 60:30:10 ; 65:25:10. Variasi ini dilakukan untuk menentukan komposisi optimum dari membran [1].
2.2.2 Pendopan Membran
Membran EDTA-PVC-DOP dipotong menjadi beberapa bagian. tiga bagian dicelupkan ke dalam larutan CuSO4 pada berbagai variasi konsentrasi selama 5 hari, lalu
271 2.2.3 Karakterisasi Membran EDTA-PVC-DOP
2.2.3.1 Penentuan Persentase Penyerapan Membran dengan AAS
Untuk mengamati komposisi membran yang paling optimum dilakukan dengan analisis AAS. Sebanyak 10 mL larutan standar Cu2+ 10 ppm dipersiapkan dalam botol film. Potongan membrane EDTA-PVC-DOP pada berbagai komposisi perbandingan yang telah dipersiapkan dimasukkan ke dalam masing-masing larutan standar Cu2+ dan direndam selama 24 jam. Membran dipisahkan dan filtratnya diukur dengan AAS dan diperoleh data absorbansi pengukuran.
2.2.3.2 Penentuan Konduktivitas Membran
Membran yang telah direndam dalam larutan CuSO4 pada berbagai konsentrasi
ditentukan konduktivitasnya. Pengukuran konduktivitas dilakukan dengan metoda penduga empat titik (four point probe) dengan cara melewatkan arus pada dua titik dan mengukur tegangan yang timbul pada dua titik yang lain. Dari hasil pengukuran konduktivitas yang paling tinggi dapat ditentukan konsentrasi optimum dopan [7].
2.3 Analisis Spektroskopi FT-IR
Untuk mengamati terikatnya dopan Cu2+ pada membran dilakukan dengan melihat perubahan bilangan gelombang gugus amin dan karbonil dari EDTA yang memungkinkan membentuk senyawa kompleks dengan ion Cu2+. Hal ini dilakukan dengan melakukan analisis FT-IR.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Optimasi Komposisi Membran
Pada penelitian ini, bahan membran yang digunakan terdiri dari EDTA sebagai bahan aktif dimana ciri-ciri ionofor yang baik yaitu memilki sisi aktif yang dapat berupa elektron bebas serta memiliki luas permukaan yang besar [2], PVC yang berfungsi sebagai matriks yang merupakan polimer non polar, dan bahan tambahan berupa DOP yang berfungsi sebagai pemlastis. Pelarut yang digunakan untuk melarutkan PVC adalah THF. Penambahan EDTA sangat mempengaruhi proses transport ion yang terjadi, apabila jumlah EDTA yang ditambahkan terlalu sedikit maka proses transport ion dari analit menuju membran tidak akan berjalan secara optimum, sedangkan apabila penambahan jumlah EDTA terlalu banyak maka yang terjadi adalah membran akan bersifat swelling sehingga menyebabkan membran kurang hidrofobik dan mudah bocor [3], komposisi yang paling umum digunakan adalah komposisi ionofor kurang dari 60% [8].
272
Penambahan PVC berpengaruh pada kekuatan membran yang akan dibuat, apabila jumlah PVC yang ditambahkan terlalu sedikit mengakibatkan kekuatan sifat mekanik dari membrane menjadi lemah dan mudah sobek, apabila jumlah PVC yang ditambahkan terlalu banyak maka akan terjadi peningkatan jumlah ikatan sehingga kebebasan pergerakan ion pada rantai molekul terbatas [1]. Selain itu proses pertukaran ion-ion akan menjadi lebih sedikit sehingga mengakibatkan respon potensial menjadi kecil.
Penambahan DOP akan mempengaruhi pada tingkat kelenturan membran yang akan dibuat, apabila penambahan DOP terlalu sedikit maka akan membuat membran lebih kaku namun apabila penambahan DOP terlalu berlebih maka akan membuat membran kurang hidrofobik dan akan menyebabkan lepasnya bahan aktif ke dalam larutan analit sehingga proses pertukaran ion akan terhambat.
Pembuatan membran ini dilakukan dengan mencampurkan EDTA, PVC dan DOP ke dalam THF selama 2 jam pada suhu ruang. Campuran tersebut di cetak ke dalam wadah plat kaca, kemudian campuran dibiarkan hingga pelarut menguap dan diperoleh membran tipis yang berwarna putih dengan ketebalan 1,33 mm. pada proses pencampuran ini tidak terjadi reaksi antara PVC,EDTA dan DOP. EDTA hanya terikat secara fisik dan menempel pada PVC.
3.2 Penentuan Persentase Penyerapan Membran dengan AAS
Perbandingan komposisi bahan dalam pembuatan membran dapat bepengaruh pada proses penyerapan Cu2+, semakin besar jumlah bahan aktif maka semakin besar pula penyerapan yang dilakukan oleh membran. Dari data hasil pengukuran AAS ini dapat diketahui konsentrasi ion dopan yang terikat oleh membran, dengan mengukur absorbansi filtrat hasil perendaman membrane dengan larutan dopan Cu2+ 10 ppm selama 5 hari. Hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 1.
Komposisi optimum yang dipilih adalah pada membran dengan perbandingan komposisi EDTA : PVC : DOP yaitu 60 : 30 : 10. Pada komposisi ini, % penyerapan ion Cu2+ oleh membrane sudah diatas 75 % dan sudah memungkinkan digunakan sebagai elektroda kerja ESI [8]. Untuk komposisi membran diatas 60 : 30 : 10 tidak dapat digunakan, karena secara visual dan fisiknya sangat lemah dan mudah rapuh, walaupun % penyerapannya terhadap ion Cu2+ juga besar.
273
Gambar 1. Persentase Penyerapan membran EDTA-PVC-DOP terhadap ion Cu2+
3.3 Penentuan Konduktivitas Membran
Pendopan membran kitosan dengan logam Cu2+ bertujuan untuk mengurangi resistensi membran. Hal ini ditandai dengan meningkatnya harga konduktivitas membran dibanding dengan sebelum pendopan. Tujuan pengukuran konduktivitas adalah untuk menentukan konsentrasi optimum dopan Cu2+ karena konsentrasi optimum dopan adalah khas untuk setiap jenis logam dopan dan membran aktifnya, sehingga untuk pendopan membran dilakukan pada konsentrasi optimum [7].
Untuk menentukan harga konduktivitas membran digunakan multitester dengan metode penduga empat titik (four point probe). Alat ini akan mengukur hambatan suatu bahan sehingga dapat ditentukan nilai konduktivitas membran tersebut. Hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 2.
274
Konsentrasi optimum ion logam dopan dapat dilihat pada Gambar 2, pada konsentrasi optimum dopan 1 M dengan harga konduktivitas 4,62 x 10-2 Ohm1m-1. Pada keadaan ini resistivitas membran menurun sehingga daya hantar membran meningkat. Konsentrasi dopan diatas 1 M menunjukkan penurunan harga konduktivitas membran. Hal ini disebabkan kelebihan ion Cu2+ yang masuk pada membran jauh lebih besar di banding jumlah atom N pada gugus amina dari EDTA. Kelebihan ion Cu2+ ini membentuk atmosfer ionik yang meningkatkan derajat ketidakteraturan pada membran, bahkan kelebihan ion-ion ini membentuk fase tersendiri yang tidak terikat satu sama lain sehingga resistivitas membran akan meningkat [9],[10].
3.4 Analisis Spektroskopi FT-IR
Untuk memperoleh gambaran terhadap gugus-gugus apa ion Cu2+ terikat dengan membran EDTA-PVC-DOP, dapat diketahui dari data pengukuran spektrum FT-IR dengan membandingkan spektrum FT-IR sebelum dan sesudah diinteraksikan dengan ion Cu2+, seperti dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4.
500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1/cm 65 70 75 80 85 90 95 100 %T 3 4 4 6 .7 9 3 4 2 1 .7 2 2 9 6 2 .6 6 2 9 2 4 .0 9 2 8 6 0 .4 3 1 7 2 2 .4 3 1 6 2 7 .9 2 1 4 6 5 .9 0 1 3 8 6 .8 2 1 2 8 6 .5 2 1 1 9 7 .7 9 1 1 3 0 .2 9 1 0 7 2 .4 2 1 0 1 6 .4 9 9 5 4 .7 6 9 2 0 .0 5 9 0 0 .7 6 8 1 5 .8 9 7 4 2 .5 9 7 0 2 .0 9 638 .4 4 6 1 5 .2 9 5 4 9 .7 1 4 9 3 .7 8 4 4 3 .6 3 mtlo
Gambar 3. Spektrum FT-IR membran sebelum di dop dengan Cu2+
Spektrum FT-IR pada Gambar 3 menunjukkan adanya pita serapan pada bilangan gelombang : 1016.14 cm-1, 1072.42 cm-1, 1130.29 cm-1 dan 1197.79 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi ulur C-O. Pita serapan pada bilangan gelombang 1627.92 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi N-H dari amida sekunder dan 1722.43 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi C=O yang berasal dari EDTA, pita serapan pada bilangan gelombang 3421.72 cm-1 dan 3446.79 cm-1 merupakan vibrasi ulur -OH yang berasal dari EDTA.
275 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2500 3000 3500 4000 4500 1/cm 0 15 30 45 60 75 90 %T 3 4 4 4 .8 7 3 4 1 7 .8 6 3 3 5 6 .1 4 3 2 9 6 .3 5 1 6 2 9 .8 5 1 3 7 7 .1 7 1 1 9 7 .7 9 1 1 4 7 .6 5 1 0 9 5 .5 7 9 9 5 .2 7 8 7 3 .7 5 7 7 3 .4 6 6 6 1 .5 8 6 1 7 .2 2 5 9 0 .2 2 4 7 8 .3 5 4 4 5 .5 6 mcu
Gambar 4. Spektrum FT-IR membran yang setelah di dop dengan Cu2+
Spektrum FT-IR membran setelah di dop dengan ion Cu2+ (Gambar 4.) menunjukkan adanya perubahan intensitas pita serapan dan sedikit mengalami pergeseran bilangan gelombang jika dibandingkan dengan spektrum IR membran sebelum di dop. Perubahan ini dapat dilihat dengan hilangnya pita serapan gugus C=O pada bilangan gelombang 1722.43 cm-1 dan menurunnya intensitas pita serapan N-H dari amida sekunder pada bilangan gelombang 1627.92 cm-1, menunjukkan ion Cu2+ yang bersifat elektropositif dan memiliki massa atom relatif yang besar dapat mengganggu vibrasi dengan cara menarik elektron dari N sehingga ikatan N-H menjadi lemah dan atom C menarik elektron bebas yang dimiliki atom O yang mengakibatkan ikatan C dengan O menjadi hilang dan beberapa pita serapan mengalami pergeseran bilangan gelombang [1].
4. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa membran EDTA-PVC-DOP dapat dibuat dengan komposisi optimum 60 : 30 : 10, membran dapat menyerap ion Cu2+ > 75%. Konsentrasi optimum dopan Cu2+ adalah 1 M dengan harga konduktivitas 4,62 x 10-2 Ohm1m-1. Hasil analisis FT-IR menunjukkan adanya perubahan bilangan gelombang pada gugus karboksil dan gugus N-H dari EDTA sehingga dimungkinkan terjadinya ikatan dengan ion Cu2+.
276 5. UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih diucapkan kepada SIM-LITABMAS-Kementerian Riset dan DIKTI Jakarta-Indonesia, melalui Proyek Penelitian Hibah Fundamental 2015. Juga kepada Lembaga penelitian Universitas Mulawarman atas dukungan yang diberikan.
6. DAFTAR PUSTAKA
[1] Panggabean, A.S. Preparation and Charazterization Ion Selective Electrode Cd(II) Based on Chitosan in PVC Membrane. Indonesian Journal of Chemistry. 2011;
11(3):285–289.
[2] Edmonds. T. E. Chemical Sensors. New York: Blackie and Sons; 1988.
[3] Florence. M. T. Ion-selective Electrodes. Proceeding of electrochemistry the Royal Australia Chemical Institute, 1971, Hal. 261-269.
[4] Bailey. P.L., (1976). Analysis with Ion-selective Electrodes. Heyden and Sons, New York.
[5] Underwood, A.L dan Day, R.A. Analisis Kimia Kuantitatif. Jakarta: Erlangga; 1994. [6] Yang, X., Johnson, S., Shi, J., Holsinger, T., and Swanson, B. Polyelectrolyte and
Molecular Host ion-assembly to MultilayerThin Film; An Approach to Thin film
Chemical Sensors. Sensors and Actuators B Chemical, 1997; 45: 87 - 92.
[7] Lozano, B.C., Comnelis, C.H., and Battisti, A. Preparation of SnO2-Sb2O5 Film by
the Spray Pyrolisis Technique. J. Appl. Electrochim. 1996; 26: 83 - 89.
[8] Evans. A., Potensiometry and Ion-selective Electrodes. Chilchester: John Wiley and Sons; 1987
[9] Atkins, P.W. Physical Chemistry. London: Oxford Universty Press; 1980.
[10] Morf. W. E. The Principles of Ion - selective Electrodes and of Membrane Transport. Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Company; 1991.
