KINETIKA REAKSI SULFONASI LIGNIN DAN
PENCIRIAN NATRIUM LIGNOSULFONAT
SEBAGAI SURFAKTAN
RAHMAWAN DICKY WIDYANTORO
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008
ABSTRAK
RAHMAWAN DICKY WIDYANTORO. Kinetika Reaksi Sulfonasi Lignin dan Pencirian Natrium Lignosulfonat sebagai Surfaktan. Dibimbing oleh GUSTINI SYAHBIRIN dan DYAH ISWANTINI PRADONO.
Lignin adalah komponen kimia terbesar pada lindi hitam yang terdiri atas unit-unit fenil propana. Sifat lignin yang sukar larut di dalam pelarut polar membuatnya perlu dimodifikasi, salah satunya ialah dengan mengubahnya menjadi lignin sulfonat yang lebih bersifat hidrofilik sehingga lebih berdaya guna pada bidang surfaktan. Kinetika reaksi sulfonasi dilakukan pada ragam suhu reaksi (85, 90, 95 ºC) dan waktu reaksi (45, 30, 135, 180, 225, dan 270 menit). Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa reaksi mengikuti orde 1 terhadap rendemen lignin (% [b/b]) yang tersulfonasi. Tetapan laju reaksi pada suhu 85, 90, dan 95 ºC adalah 0,0010; 0,0014; dan 0,0016 menit-1 dengan energi pengaktifan sebesar 51,57 kJ mol-1. Tegangan permukaan air dan antarmuka air−xilena menurun sebesar 34,21% dan 61,65% setelah ditambahkan NaLS 10% dengan kemurnian 83%. Kemampuan NaLS dalam menurunkan tegangan permukaan dan antarmuka menyebabkan NaLS dapat bertindak sebagai surfaktan
ABSTRACT
RAHMAWAN DICKY WIDYANTORO. Lignin Sulfonation Reaction Kinetics and Characterization of Sodium Lignosulphonate as Surfactant. Under supervision of GUSTINI SYAHBIRIN and DYAH ISWANTINI PRADONO.
Lignin is a the most component found in black liquor which consist of phenylpropane units. Insoluble property of lignin in polar solvent makes lignin have to be modified, by change it into sodium lignosulphonic (NaLS) which is more hydrophilic and can act as surfactant. The sulphonation kinetics of lignin was carried out in various temperatures (85, 90, 95ºC), and reaction times (45, 30, 135, 180, 225, and 270 minutes). The result showed that sulfonation was confirmed to be in first order with respect to the concentration of the sulphonated lignin (%w/w). The sulphonation rate at temperature 85, 90, and 95ºC, were 0,0006; 0,0012; and 0,0016 minute-1 respectively, with activation energy of 51,57 kJ mol-1. Water surface tension and water-xylene interface tension were reduced by 34,21% and 61,65%, after the addition of 10% NaLS with 83% purity. The ability of NaLS in reducing surface and interface tension has made NaLS be active as surfactant.
KINETIKA REAKSI SULFONASI LIGNIN DAN
PENCIRIAN NATRIUM LIGNOSULFONAT
SEBAGAI SURFAKTAN
RAHMAWAN DICKY WIDYANTORO
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2008Judul : Kinetika Reaksi Sulfonasi Lignin dan Pencirian Natrium Lignosulfonat sebagai Surfaktan
Nama : Rahmawan Dicky Widyantoro NIM : G44203059
Disetujui:
Dra. Gustini Syahbirin, MS
NIP 131 842 414
Dr. Dyah I Pradono, M.Agr
NIP 132 956 706
Diketahui:
Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. drh. Hasim, DEA
NIP 131 578 806
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Shalawat dan salam semoga terlimpahkan kepada nabi Muhammad SAW, keluarga, sahabat, serta umatnya hingga akhir zaman. Tema yang dipilih dalam karya ilmiah ini adalah Kinetika Reaksi Sulfonasi Lignin dan Pencirian Natrium Lignosulfonat sebagai Surfaktan.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ibu Gustini Syahbirin, Ibu Dyah Iswantini Pradono, dan Kak Budi Arifin yang telah membimbing penulis dalam menyelesaikan karya ilmiah ini. Kepada keluarga (mama, papa, dan adinda tercinta Shinta) terima kasih atas doa, kasih sayang, dan inspirasinya, Ichsan dan Kak Dewi sebagai teman seperjuangan penelitian, Dede, Firdaus, dan Mamet atas dukungan dan fasilitasnya, Kak Budhi Asti, Kak Tuti, dan Kak David atas literaturnya, rekan-rekan Organik 40, Kimia-q, Kimia 40, Rani, Julia, Eko, Robi, Ratna, Nunu, Bebeth, Uti, Dewi, staf Laboratorium Organik, Pak Sabur, Bu Yeni, Bu Aah atas bantuan alat dan bahan penelitian.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, April 2008
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 23 Mei 1986 dari ayah Yulianto dan ibu Maryumi. Penulis merupakan putra pertama dari dua bersaudara.
Tahun 2003 penulis lulus dari SMU Negeri IV Depok dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru. Penulis memilih Program Studi Kimia, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai petugas pengambil contoh pada Laboratorium Terpadu 2006−2007, Institut Pertanian Bogor. Pada Juli−Agustus 2006 penulis melaksanakan praktik lapangan di Balai Besar Pengawasan Obat dan Makanan, Jakarta Pusat.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... vii
DAFTAR LAMPIRAN ... viii
PENDAHULUAN ... 1
TINJAUAN PUSTAKA Lignin Proses Kraft ... 1
Sisi Aktif dan Mekanika Reaksi Sulfonasi Lignin ... 2
Natrium Lignosulfonat sebagai Surfaktan ... 3
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat ... 3
Isolasi Lignin ... 3
Pencirian Lindi Hitam ... 4
Pencirian Lignin ... 4
Kinetika Sintesis Natrium Lignosulfonat (NaLS) ... 4
Pencirian NaLS... 5
Pencirian NaLS sebagai Surfaktan ... 5
HASIL DAN PEMBAHASAN Isolasi Lignin ... 6
Pencirian Lignin ... 7
Kinetika Sintesis Natrium Lignosulfonat ... 7
Pencirian Lignin dan NaLS Menggunakan Spektrofotometer FTIR. ... 9
Kadar Air dan Abu NaLS ... 10
Pencirian Kandungan Senyawa Anorganik NaLS ... 10
Pencirian NaLS sebagai Surfaktan ... 10
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan ... 11
Saran ... 11
DAFTAR PUSTAKA ... 11
vii
DAFTAR TABEL
Halaman
1 Karakteristik lindi hitam proses kraft... 6
2 Kandungan senyawa anorganik pada NaLS ... 10
DAFTAR GAMBAR
Halaman 1 Struktur lignin kraft ... 22 Prazat lignin: unit koniferil alkohol (unit guaiasil) (a), 2) sinapil alkohol (unit siringil) (b), 3) p-kumaril alkohol (unit p-hidroksi fenil) (c) ... 2
3 Reaksi protonasi atom Opada C-α dan C-γ ... 2
4 Lignin tersulfonasi pada posisi C-α dan C-γ... 3
5 Reaksi pengasaman gugus fenolat ... 6
6 Reaksi esterifikasi lignin... 7
7 Produk NaLS yang terbentuk pada suhu 85 (), 90 (), dan 95 ºC () ... 7
8 Reaksi substitusi nukleofilik ion bisulfit terhadap lignin... 7
9 Orde reaksi ke-0 (a), ke-1 (b), ke-2 (c) sulfonasi pada suhu 95 ºC ... 8
10 Kurva pengaruh lama reaksi sulfonasi berorde satu terhadap rendemen NaLS Pada 85 (), 90 (), 95 ºC () ... 8
11 Peningkatan laju reaksi sulfonasi dengan bertambahnya nilai konstanta laju reaksi sulfonasi ... 9
12 Energi pengaktifan reaksi sulfonasi lignin ... 9
13 Spektrum FTIR lignin isolat ... 9
viii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1 Data karakterisasi lindi hitam kraft ... 14
2 Kemurnian lignin dengan metode asetil bromida ... 16
3 Hasil kinetika reaksi sulfonasi lignin ... 17
4 Ciri gugus fungsi lignin isolat dan NaLS ... 23
5 Kadar air dan abu NaLS... 24
6 Kadar air dan abu lignin... 25
1
PENDAHULUAN
Produksi pulp dari tahun ke tahun semakin meningkat seiring dengan meningkatnya kebutuhan kertas. Menurut data Pulp and Paper Industry (2006), permintaan dunia untuk berbagai jenis kertas pada tahun 1990 sebesar 239.428.000 ton dan meningkat menjadi 369.085.000 ton pada tahun 2005.
Peningkatan ini disertai pula dengan
bertambahnya limbah yang dihasilkan, antara lain lindi hitam.
Komponen kimia terbesar dalam lindi hitam adalah lignin, sisanya berupa produk degradasi karbohidrat, zat ekstraktif, dan
komponen lain.Kandungan lignin dalam lindi
hitam proses kraft mencapai sekitar 46% dari
padatan totalnya (Sjöström 1995).
Keterbatasan penggunaan lignin, yaitu sebagai bahan bakar dan sifat hidrofilisitas yang rendah, menyebabkan lignin kurang bernilai ekonomis. Sebagian besar turunan lignin ini diaplikasikan sebagai surfaktan. Pada industri surfaktan diperlukan suatu senyawa yang memiliki bagian yang suka air (hidrofilik) dan
tidak suka air (hidrofobik). Untuk
meningkatkan hidrofilisitas lignin, lignin
dimodifikasi membentuk natrium
lignosulfonat (NaLS).
Jain dan Kulkarni (1991) menyatakan
bahwa hidrofilisitas gugus sulfonat
menyebabkan lignosulfonat dapat digunakan sebagai zat pendispersi. Pada saat digunakan untuk beton, lignosulfonat teradsorpsi pada permukaan semen sehingga penambahan air dapat dikurangi. Sifat fluiditas campuran yang diperoleh setelah penambahan lignosulfonat menghasilkan beton yang kuat dan sulit ditembus oleh air (Mao 2006).
Terdapat beberapa penelitian terdahulu yang membahas sulfonasi lignin. Syahmani (2000) melakukan sulfonasi menggunakan 1 g lignin yang berasal dari tandan kosong kelapa sawit dengan NaHSO3 pada pH 5, suhu 100 ºC, dan waktu reaksi 4 jam didapatkan 2,249 g NaLS dengan kemurnian 83,93%. Sulfonasi lignin hasil isolasi dari lindi hitam proses soda dengan nisbah lignin-NaHSO3 1:0,4, 1:0,5, dan 1:0,6 pada ragam pH 5, 6, dan 7 menghasilkan NaLS dengan kemurnian
68,62-
83,57% (Dzikrullah 2007). Penelitian aplikasi lignosulfonatpun telah banyak dilakukan,
Ouyang et al. (2006) yang mencirikankalsium
lignosulfonat sebagai zat water reducer pada beton. Shen et al. (2008) membandingkan sifat permukaan lignin dan lignosulfonat
menggunakan spektroskopi inframerah
transformasi Fourier (FTIR) dan teknik
Wicking. Penelitian tersebut berhasil
mendapatkan bahwa sulfonasi tidak merubah struktur utama lignin dan menaikkan energi bebas permukaan lignin.
Sejauh ini, belum ada penelitian yang
dilakukan untuk menentukan parameter
kinetik dari sulfonasi lignin. Beatson et al. (1984) meneliti pengaruh ragam suhu dan waktu reaksi sulfonasi kayu spruce hitam pada pH 7 dan didapati reaksi berorde satu terhadap konsentrasi lignin dengan energi pengaktifan sebesar 15 kkal/mol. Terdapat penelitian lain yang berhubungan dengan kinetika reaksi sulfonasi senyawa bergugus benzilik. Shibuya dan Portret (1994) mecoba mencari parameter kinetika reaksi sulfonasi
PEEK
(polioksi-1,4-fenilena-oksi-1,4-fenilena-karbonil-1,4-fenilena) menggunakan
H2SO4 96,3%. Penelitian tersebut
menghasilkan bahwa reaksi berlangsung mengikuti orde 1 dengan energi pengaktifan sebesar 82,8 kJ mol-1.
Penelitian ini bertujuan menentukan
parameter kinetika reaksi sulfonasi lignin sekaligus mencirikan aktivitas permukaan
natrium lignosulfonat. Sulfonasi lignin
dilakukan dengan metode Dilling et al. (1990), yaitu menggunakan nisbah lignin
kraft-NaHSO3 1:2 pada pH 7. Kemudian
parameter kinetika yang meliputi orde reaksi, tetapan laju dan energi pengaktifan ditentukan
melalui metode grafis dengan cara
menghubungkan konsentrasi NaLS yang
terbentuk, ln [NaLS], 1/[NaLS], dan
1/[NaLS]2 terhadap lamanya waktu reaksi
pada suhu reaksi yang berbeda. Selanjutnya, sifat surfaktan dari NaLS yang diperoleh juga ditentukan, yang meliputi parameter tegangan permukaan dan tegangan antarmuka.
TINJAUAN PUSTAKA
Lignin Proses Kraft
Proses pulp kraft adalah suatu proses pulp kimia dengan bahan kimia pemasak berupa NaOH dan Na2S serta menghasilkan produk samping berupa lindi hitam (Fengel dan Wegener 1995). Lindi hitam merupakan limbah cair berwarna hitam yang berbau seperti telur busuk dengan persen padatan
2,0−80,0%, pH 10−13, dan bobot jenis
1,02−1,60 g/ml (Weyerhaeuser Company 2004). Pada umumnya, pengolahan lindi hitam di dalam industri pulp dan kertas hanya berorientasi pada upaya pemanfaatan kembali bahan kimia pemasak yang terkandung di
