i Judul : Pembuatan Dan Karakterisasi Membran Selulosa Asetat
Dari Limbah Kulit Durian (Durio zibethinus) Dengan Penambahan Polietilen Glikol
Kategori : Skripsi
Nama : Frisca Elfrina Sinurat Nomor Induk Mahasiswa : 170801076
Program Studi : Sarjana Fisika
Fakultas : MIPA – Universitas Sumatera Utara
Disetujui di Medan, 13 Oktober 2021
Ketua Program Studi, Pembimbing,
Dr. Tulus Ikhsan Nasution, S.Si., M.Sc Dr.Diana Alemin Barus, M.Sc
NIP. 197407162008121002 NIP. 196607291992032002
ii
PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI MEMBRAN SELULOSA ASETAT DARI LIMBAH KULIT DURIAN (Durio zibethinus)
DENGAN PENAMBAHAN POLIETILEN GLIKOL (PEG)
ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian tentang pembuatan dan karakterisasi membran SA/PEG dari limbah kulit durian. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui potensi dari kulit durian sebagai bahan baku pembuatan membran dengan memanfaatkan selulosanya yang cukup tinggi, yaitu 60,45%. Proses pembuatannya dilakukan melalui proses preparasi kulit durian, isolasi selulosa, sintesis selulosa asetat dan pembuatan membran dengan menambahkan aditif Polietilen Glikol (PEG) 600 sebanyak 0, 1, 2 dan 3 ml. Selanjutnya membran diuji ketebalan, kuat tarik dan elongasinya serta dikarakterisasi dengan analisis FTIR dan SEM. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sifat fisis dan mekanik membran mempengaruhi morfologinya. Untuk hasil kuat tarik membran SA/PEG 0% yaitu 0%, 10%, 20% dan 30% masing-masing nilainya sebesar 22,85 MPa, 19,57 MPa, 17,14 MPa dan 13,37 MPa. Sedangkan persentase elongasi membran SA/PEG 0% yaitu 0%, 10%, 20% dan 30% masing-masing sebesar 8,59%, 7,44%, 5,46% dan 2,72%. Untuk hasil analisis SEM, membran SA/PEG 30% memberikan distribusi pori-pori lebih besar daripada membran tanpa campuran PEG 600. Ini sesuai dengan kegunaan PEG 600 untuk memperbanyak dan memperbesar pori. Sedangkan hasil karakterisasi FTIR juga menyatakan bahwa adanya perubahan bilangan gelombang yang nyata pada serapan gugus O-H stretch, C-H stretch, O-H stretch dan gugus C-C.
Kata Kunci : Kulit Durian, Membran, Polietilen Glikol 600, Selulosa, Selulosa Asetat
iii
MANUFACTURING AND CHARACTERIZATION OF CELLULOSE ACETATE MEMBRANE FROM WASTE DURIAN (Durio zibethinus) SKIN WITH THE ADDITION OF POLYETYLENE GLYCOL (PEG)
ABSTRACT
Research has been carried out on the manufacture and characterization of SA/PEG membranes from durian skin waste. This study aims to determine the potential of durian skin as a raw material for making membranes by utilizing its high cellulose content, which is 60.45%. The manufacturing process is carried out through the durian peel preparation process, cellulose isolation, cellulose acetate synthesis and membrane manufacture by adding 0, 1, 2 and 3 ml of polyethylene glycol (PEG) 600 additive. Furthermore, the membrane was tested for thickness, tensile strength and elongation and characterized by FTIR and SEM analysis. The results showed that the physical and mechanical properties of the membrane affected its morphology. For the results of the 0% SA/PEG membrane tensile strength, namely 0%, 10%, 20% and 30% respectively, the values were 22.85 MPa, 19.57 MPa, 17.14 MPa and 13.37 MPa. Meanwhile, the percentage of elongation of the SA/PEG membrane was 0%, namely 0%, 10%, 20% and 30% respectively 8.59%, 7.44%, 5.46% and 2.72%. For the results of SEM analysis, the 30% SA/PEG membrane gave a larger pore distribution than the membrane without PEG 600 mixture. This is in accordance with the use of PEG 600 to enlarge and enlarge pores. While the results of FTIR characterization also stated that there was a significant change in wave number in the absorption of the O-H stretch, C-H stretch, O-H stretch and C-C groups absorption.
Keywords: Cellulose, Cellulose Acetate, Durian Peel, Membrane, Polyethylene Glycol 600
iv
PENGHARGAAN
Puji dan syukur penulis sampaikan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas kasih dan karunia yang dilimpahkan sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini dengan judul Pembuatan Dan Karakterisasi Membran Selulosa Asetat Dari Limbah Kulit Durian (Durio zibethinus) Dengan Penambahan Polietilen Glikol (PEG).
Penulis menyadari bahwa tanpa bimbingan, bantuan, dorongan dan doa dari berbagai pihak, skripsi ini tidak akan dapat diselesaikan tepat pada waktunya. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Ibu Dr. Nursahara Pasaribu, M.Sc selaku dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Dr. Tulus Ikhsan Nasution, S.Si., M.Sc dan Bapak Awan Maghfirah, S.Si., M.Si selaku ketua dan sekretaris Program Studi S-1 Fisika serta seluruh staf pengajar dan pegawai administrasi di lingkungan FMIPA USU yang telah banyak memberi bimbingan, ilmu, motivasi dan nasihat pada penulis terutama dalam proses perkuliahan dan penyusunan skripsi.
3. Ibu Dr. Diana Alemin Barus, M.Sc selaku dosen pembimbing yang telah memberikan banyak motivasi, nasihat serta membimbing penulis.
4. Bapak Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc dan Bapak Yuan Alfinsyah Sihombing, S.Pd., M.Sc selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan dan bimbingan kepada penulis.
5. Kedua orang tua penulis yaitu bapak Rudolf Sinurat dan ibu Sinta br. Simbolon yang selalu mendoakan, mendukung, memberi nasihat, memotivasi dan tempat berbagi keluh kesah penulis selama proses perkuliahan hingga penyusunan skripsi ini dan yang tiada henti memberikan pengorbanan yang tak terkira sehingga penulis bisa sampai berada di tahap ini.
6. Ketiga saudara kandung penulis yaitu Christina Yulisnawati Sinurat, Rocky Marchiano Sinurat dan Lawrent Mauli Raja Sinurat yaitu sebagai tempat berbagi cerita, menjadi pendukung dan penyemangat penulis selama ini.
v 7. Teman sharing penulis yaitu Christyn Shatrin Nainggolan, Zainal Mu’azziz Zega, Ruspianti Hasibuan, Yishmail Harefa, Wina Miranti, Tika Mirdha, Yoel Malau, Lilik Waldyansyah dan Irfan Sianturi yang sudah banyak membantu selama ini, mulai dari proses perkuliahan, penelitian hingga penyelesaian skripsi.
8. Teman-teman asisten Laboratorium Fisika Dasar UPT. PP. LIDA USU yang sejak tahun 2018 hingga 2021 sebagai tempat berbagi ilmu, bertukar pikiran, teman bermain dan menjadi tempat terbaik penulis selama perkuliahan hingga saat ini
9. Physics Infinity dan Fisika 2017 sebagai keluarga pertama penulis di Fisika USU, yang menjadi tempat berbagi cerita, pengalaman, ilmu, keluh kesah, tugas dan informasi sejak awal perkuliahan hingga sampai tahap ini.
10. Rekan-rekan dari Ikatan Mahasiswa Fisika USU, UKM KMK St. Aloysius Gonzaga dan Perhimpunan Mahasiswa Katolik Republik Indonesia Cab. Medan yang menjadi wadah untuk penulis dapat menambah relasi, pengetahuan dan pengalaman organisasi yang luar biasa baik.
11. Terkhusus kepada sahabat terbaik penulis, Alm. Meydinda Valda Azzahra yang telah dipanggil Yang Maha Kuasa 23 Oktober 2020 lalu, terimakasih untuk setiap cerita, doa baik, dukungan dan masukan kepada penulis sejak 2011.
12. Keluarga, teman, kenalan penulis yang tidak dapat disebutkan satu persatu, yang telah memberikan semangat dan doa kepada penulis.
Demikianlah yang dapat penulis sampaikan. Penulis menyadari bahwa penulisan ini masih jauh dari kesempurnaan. Maka dari itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk menyempurnakan skripsi ini. Semoga dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca.
Medan, 13 Oktober 2021
Frisca Elfrina Sinurat
vi
DAFTAR ISI
PENGESAHANSKRIPSI i
ABSTRAK ii ABSTRACT iii PENGHARGAAN iv DAFTAR ISI vi
DAFTAR TABEL viii
DAFTAR GAMBAR ix
DAFTAR LAMPIRAN x
DAFTAR SINGKATAN xi BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 2
1.3 Batasan Masalah 2
1.4 Tujuan Penelitian 3
1.5 Manfaat Penelitian 3
BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Membran 4 2.1.1 Klasifikasi Membran 5
2.1.1.1 Berdasarkan strukturnya 5
2.1.1.2 Berdasarkan materialnya 5
2.1.1.3 Berdasarkan geometri dan konfigurasinya 6
2.1.1.4 Berdasarkan prosesnya 7
2.1.2 Teknik Pembuatan Membran 8
2.1.3 Faktor - Faktor Yang Mempengaruhi Kinerja Membran 10
2.1.4 Sifat-Sifat Membran 12
2.2 Kulit Durian 13
2.3 Selulosa 14
2.3.1 Sifat – Sifat Selulosa 16
2.3.2 Jenis – Jenis Selulosa 16
2.4 Selulosa Asetat 17
2.5 Polietilen Glikol 19
2.6 Pengujian Sampel 19
2.6.1 Uji Sifat Fisis 20
2.6.1.1 Ketebalan 20
2.6.2 Uji Sifat Mekanik 20
2.6.2.1 Kuat tarik 20
2.6.2.2 Uji Perpanjangan Putus Membran (Elongasi) 20 2.7 Karakterisasi Sampel 2.7.1 Fourier Transform Infra Red (FTIR) 21
2.7.2 Scanning Electron Microscope (SEM) 21
vii BAB 3 METODOLOGI PENELTIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian 22
3.2 Peralatan dan Bahan 22
3.2.1 Peralatan Penelitian 23
3.1 Peralatan yang digunakan dalam pembuatan membran 23
3.2 Peralatan pengujian dan karakterisasi membran 23
3.2.2 Bahan Penelitian 23
3.3 Variabel dan Parameter 24
3.3.1 Variabel Penelitian 24
3.3.2 Parameter Uji 24
3.4 Diagram Alir Penelitian 25
3.5 Prosedur Penelitian 26 3.5.1 Preparasi Limbah Kulit Durian 26
3.5.2 Isolasi Selulosa Kulit Durian 27
3.5.3 Sintesis Selulosa Asetat 29
3.5.4 Pembuatan Membran Selulosa Asetat-PEG 30 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Pembuatan Membran SA/PEG Kulit Durian 32
4.1.1 Preparasi Limbah Kulit Durian 32
4.1.2 Isolasi Selulosa 32
4.1.3 Sintesis Selulosa Asetat 34
4.1.4 Pembuatan Membran . 35
4.2 Hasil Pengujian Membran 37
4.2.1 Pengujian Sifat Fisis 37
4.2.2 Pengujian Sifat Mekanik 38
4.3 Hasil Karakterisasi 39
4.3.1 Analisa Fourier Transform Infra-Red (FTIR) 39 4.3.2 Analisa Scanning Electron Microscope (SEM) 41 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan 43
5.2 Saran 43
DAFTAR PUSTAKA 44
LAMPIRAN 48
viii
DAFTAR TABEL
Nomor
Tabel Judul Halaman
2.1 Komposisi kimia kulit durian 14
3.1 Peralatan yang digunakan dalam pembuatan membran
SA/PEG 22
3.2 Peralatan untuk pengujian dan karakterisasi membran
SA/PEG 23
3.3 Bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan membran
SA/PEG 23
3.4 Variabel yang digunakan dalam pembuatan membran
SA/PEG 24
4.1 Hasil gugus fungsi selulosa kulit durian menggunakan
analisis FTIR 34
4.2 Hasil gugus fungsi selulosa asetat kulit durian
menggunakan analisis FTIR 35
4.3 Komposisi membran SA/PEG 36
4.4 Hasil serapan membran SA/PEG 41
ix DAFTAR GAMBAR
Nomor
Gambar Judul Halaman
2.1 Proses pemisahan dengan membran 4
2.2 Durian lokal Medan 13
2.3 Kulit durian lokal Medan 13
2.4 Struktur selulosa 15
2.5 Rumus struktur α – selulosa 17
2.6 Rumus struktur β – selulosa 17
2.7 Struktur selulosa asetat 18
2.8 Reaksi sintesis selulosa asetat 18
2.9 Struktur Polietilen Glikol (PEG) 19
3.1 Diagram alir penelitian 25
3.2 Diagram alir preparasi bubuk kulit durian 26 3.3 Diagram alir proses isolasi selulosa kulit durian 28 3.4 Diagram alir proses sintesis selulosa asetat 29 3.5 Diagram alir proses pembuatan membran SA/PEG 31 4.1 Hasil (a)pengeringan kulit durian dan (b)pengayakan
kulit durian 32
4.2 Hasil isolasi selulosa kulit durian 33
4.3 Hasil analisis FTIR selulosa klit durian 34
4.4 Hasil sintesis selulosa asetat 34
4.5 Hasil analisis FTIR selulosa asetat kulit durian 35
4.6 Tampilan fisik larutan SA/PEG 36
4.7 Hasil pembuatan membran SA/PEG 37
4.8 Hubungan ketebalan membran terhadap konsentrasi PEG
600 37
4.9 Grafik hubungan konsentrasi PEG terhadap kuat tarik
dan elongasi membran 39
4.10 Hasil karakterisasi FTIR membran (a)SA/PEG 0%;
(b)SA/PEG 10%; (c)SA/PEG 20%; dan (d)SA/PEG 30% 40 4.11
Hasil karakterisasi morfologi permukaan membran (a)SA/PEG 0%, (b)SA/PEG 10%, (c)SA/PEG 20% dan (d) SA/PEG 30% dengan perbesaran 5.000x
41
x
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor
Lampiran Judul Halaman
1.1 Peralatan Penelitian 49
1.2 Peralatan Pengujian dan Karakterisasi 51
1.3 2.1
Bahan Penelitian Pengujian Kuat Tarik
52 53 2.2 Pengujian Perpanjangan Putus Membran (Elongasi) 54
xi
DAFTAR SINGKATAN
SEM = Scanning Electron Microscope FTIR = Fourier Transform Infra-Red PEG = Polietilen Glikol/Plyethylene Glycol SA/CA = Selulosa Asetat/Cellulose Acetate TKKS = Tandan Kosong Kelapa Sawit
PC = Polycarbonate
RO = Reverse Osmosis
PVDF = Polyvinylidene Fluoride
PES = Polysulfone
HFM = Hollow Fiber Membrane PTFE = Polytetrafluoroethylene
PE = Polyethylene
PP = Polypropylene
PVA = Polyvinyl Alcohol
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Tanaman durian merupakan buah asli Indonesia yang menempati posisi ke-4 buah nasional dengan produksi lebih kurang 700 ribu ton per tahun (Yuniastuti et al., 2018). Berdasarkan data Badan Pusat Statistik, pada tahun 2011 produksi durian mencapai 883.969 ton sedangkan pada tahun 2012 mencapai 888.130 ton. Namun, jumlah bagian buah durian yang dapat dimakan hanya sekitar 20-35%, sedangkan sisanya berupa limbah, yaitu biji sekitar 5-15% dan kulit yang mencapai 60-75%
dari bobot total buah (Widiastuti, 2016). Dari data tersebut, maka dapat diperkirakan limbah yang dihasilkan akan lebih banyak.
Kebanyakan limbah kulit durian dikumpulkan dan dibakar sehingga menghasilkan pencemaran udara di suatu daerah. Pencemaran udara yang dihasilkan dapat mengganggu kesehatan makhluk hidup, terutama pada alat pernapasan. Untuk itu perlu dilakukan kegiatan yang bertujuan untuk mengurangi limbah kulit durian yang semakin meningkat sekaligus memberikan nilai tambah bagi limbah kulit durian tersebut (Kusumaningtyas et al., 2018). Salah satu upaya yang dapat dilakukan adalah mengolah limbah kulit durian menjadi bahan utama pembuatan teknologi membran.
Membran secara umum didefinisikan sebagai penghalang antara dua fasa yang bersifat selektif, yang memungkinkan suatu fasa tertentu menembus lebih cepat dibandingkan fasa lainnya dibawah pengaruh gaya penggerak (Etriana, 2017).
Keunggulan teknologi membran yaitu aplikasinya yang sederhana dan bersifat ramah lingkungan. Jenis polimer yang banyak digunakan untuk membuat membran salah satunya adalah selulosa asetat. Selulosa asetat diperoleh dari proses asetilasi selulosa dengan menggunakan selulosa yang memiliki kemurnian tinggi, seperti dari kapas dan serat tanaman (Thaiyibah et al., 2016).
Selulosa adalah senyawa seperti serabut, liat, tidak larut dalam air dan ditemukan pada dinding sel pelindung tumbuhan terutama pada tangkai batang, dahan dan semua bagian berkayu dari jaringan tumbuhan. Diketahui kandungan selulosa pada kulit durian mencapai 60,45% (Rohman, 2020). Ini berarti besar
kemungkinan bahwa selulosa kulit durian dapat menjadi bahan baku pembuatan kandungan selulosa sekitar 45,80% dan pelepah pisang yang mempunyai kandungan selulosa sekitar 63% berhasil dijadikan membran selulosa asetat dengan teknik inversi fasa (Apriani et al., 2017).
Dengan perbandingan kandungan selulosa yang lebih tinggi, maka penelitian ini dimaksudkan untuk mengetahui potensi dari limbah kulit durian sebagai bahan pembuatan membran selulosa asetat. Sebagai campurannya, ditambahkan polimer sintetis seperti polietilen glikol (PEG) yang berpengaruh terhadap sifat mekanik dan pori-pori dari membran. Untuk itu variasi penambahan polimer PEG pada penelitian ini ditujukan untuk melihat pengaruhnya terhadap ketebalan, kuat tarik, persentase elongasi, serta karakterisasi struktur gugus fungsi dan morfologi membran.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dikemukakan, maka dapat dirumuskan beberapa rumusan masalah sebagai berikut:
1. Dengan kandungan selulosa yang tinggi, apakah kulit durian baik dijadikan membran selulosa asetat?
2. Bagaimana pengaruh variasi komposisi PEG 600 terhadap sifat mekanik (kuat tarik dan persentase elongasi) membran selulosa asetat kulit durian?
3. Bagaimana pengaruh variasi komposisi PEG 600 terhadap sifat fisis (ketebalan) membran selulosa asetat kulit durian?
4. Bagaimana pengaruh variasi komposisi PEG 600 terhadap struktur morfologi dan gugus fungsi membran selulosa asetat kulit durian?
1.3 Batasan Masalah
Penelitian ini difokuskan pada beberapa hal sebagai berikut:
1. Durian yang digunakan adalah jenis durian lokal dari daerah Bukit Lawang, Sumatera Utara.
2. Kulit durian yang digunakan masih segar dan tidak berbau busuk.
3. Kulit durian yang akan diisolasi berupa serbuk berukuran 100 mesh (149 μm).
4. Proses isolasi selulosa dilakukan dengan penambahan HNO3 3,5 % dan pemutihan sebanyak dua kali dengan menggunakan larutan NaOCl 1,75% dan H2O2 10%.
5. Proses sintesis selulosa asetat menggunakan asam asetat glasial dan asetat anhidrida sebagai agen asetilasi serta H2SO4 2% sebagai katalisnya.
6. Polietilen Glikol 600 digunakan sebagai zat aditif dan aseton sebagai pelarutnya.
7. Variabel bebas dalam penelitian ini yaitu komposisi PEG 600 sebanyak 0 ml, 1 ml, 2 ml dan 3 ml.
8. Pengujian yang dilakukan adalah pengujian sifat fisis yaitu mengukur ketebalan membran dan sifat mekanik yaitu kuat tarik dan persentase elongasi membran.
9. Karakterisasi dilakukan dengan analisis gugus fungsi dengan FTIR dan morfologi membran dengan SEM.
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah:
1. Untuk membuat membran selulosa asetat dengan bahan baku kulit durian.
2. Untuk mengetahui pengaruh komposisi PEG 600 terhadap sifat fisis pada membran selulosa asetat dari bahan limbah kulit durian.
3. Untuk mengetahui pengaruh komposisi PEG 600 terhadap sifat mekanik pada membran selulosa asetat dari bahan limbah kulit durian.
4. Untuk mengetahui pengaruh komposisi PEG 600 terhadap analisis gugus fungsi dan morfologi membran selulosa asetat dari bahan limbah kulit durian.
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini ialah:
1. Memanfaatkan limbah dari kulit durian yang seringkali menjadi permasalahan lingkungan di kota Medan, khususnya Medan Amplas.
2. Meningkatkan nilai ekonomis dan daya guna sumber daya alam yang ada di Indonesia, khususnya wilayah Sumatera Utara.
3. Dapat memberikan kontribusi terhadap perkembangan teknologi membran terkhususnya membran selulosa asetat.
4. Menambah data referensi tentang pembuatan dan karakterisasi membran selulosa asetat.
BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1 Membran
Kata membran diambil dari bahasa Latin “membrana” yang artinya kulit kertas, yang sekarang diperluas artinya menjadi lembaran tipis bersifat semipermeabel dan selektif terhadap spesi tertentu (Pratiwi, 2018).Membran adalah suatu lapisan tipis antara dua fasa fluida yaitu fasa umpan dan fasa permeat yang bersifat sebagai penghalang terhadap suatu spesi tertentu, yang dapat memisahkan zat dengan ukuran yang berbeda serta membatasi transport dari berbagai spesi berdasarkan sifat fisik dan kimianya (Elma, 2017).
Proses pemisahan terjadi pada tingkat molekular atau partikel yang sangat kecil Proses pemisahan dengan membran dimungkinkan karena kemampuannya memindakan salah satu komponen lebih cepat daripada komponen lain, berdasarkan perbedaan sifat fisik dan kimia membran serta komponen yang dipisahkan (Widayanti, 2013). Perpindahan pada membran terjadi karena adanya gaya dorong (driving forc) dalam umpan yang berupa beda tekanan (ΔP), beda konsentrasi (ΔC), beda potensial (ΔE) dan beda temperatur (ΔT) membran. Proses pemisahan dengan teknologi membran dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
Gambar 2.1 Proses pemisahan dengan membran (Etriana, 2017)
Kekurangan teknologi membran yaitu dimana fluks dan selektifitas umumnya terjadi fenomena yang berbanding terbalik. Semakin tinggi fluks seringkali berakibat menurunnya selektivitas pada membran dan sebaliknya. Adapun yang diinginkan dalam proses berbasis teknologi membran adalah mempertinggi fluks dan selektifitasnya yang dilihat melalui pori dan ketebalannya (Zanna, 2018).
2.1.1 Klasifikasi Membran
Kinerja membran sangat dipengaruhi oleh sifat polimer membran, struktur berpori dan penampakan permukaannya (Jose et al., 2018). Secara umum membran dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis, antara lain:
2.1.1.1 Berdasarkan strukturnya
Berdasarkan strukturnya dan prinsip pemisahannya (Widayanti, 2013), dapat diklasifikasikan sebagai berikut:
1. Membran berpori
Membran berpori memiliki ruang terbuka atau kosong dan penggunaanya berdasarkan ukuran pori. Jenis membran ini biasa digunakan untuk pemisahan mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi.
Membran berpori digunakan sebagai pemisah baterai, katalisator sintesis dan pengolahan air (Hong et al., 2020). Berdasarkan kerapatan porinya, membran terbagi atas 3 yaitu:
1. Makropori : membran dengan ukuran pori > 50 nm.
2. Mesopori : membran dengan ukuran pori 2 - 50 nm.
3. Mikropori : membran dengan ukuran pori < 2 nm.
2. Membran tidak berpori
Membran ini digunakan untuk memisahkan spesi yang memiliki ukuran yang sangat kecil yang tidak dapat dipisahkan oleh membran berpori. Membran ini berupa lapisan tipis dengan kerapatn pori yang rendah yaitu ukurannya < 0,001 μm.
2.1.1.2 Berdasarkan materialnya
Berdasarkan material bahannya, membran dibagi menjadi 3 bahan (Alawiyah, 2017) yaitu:
1. Material alami
Merupakan jenis membran yang terbentuk secara alami dan dijumpai pada jaringan makhluk hidup. Membran alami sering disebut membran sel. Salah satu fungsinya adalah sebagai alat transpor zat pada sel.
2. Material sintetis atau buatan
Jenis membran yang dibuat sesuai dengan kebutuhan dan kesesuaian dengan sifat-sifat membran alami. Membran dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu membran organik dan membran anorganik. Membran organik adalah membran yang bahan penyusun utamanya adalah polimer organik seperti selulosa, selulosa nitrat, polisulfon, poliamida, kitin, kitosan dan polimer sintetis lainnya. Membran anorganik adalah membran yang bahan penyusun utamanya adalah logam, gelas atau campuran keduanya.
2.1.1.3 Berdasarkan geometri dan konfigurasinya
Selain itu membran dapat pula dibagi berdasarkan geometri dan konfigurasinya, ini dapat dilihat pada penjelasan dibawah ini (Saleh et al., 2016) yaitu:
1. Membran asimetris
Membran asimetris adalah membran dengan pori-pori yang bervariasi di seluruh strukturnya. Membran ini memiliki dua lapisan, yaitu kulit yang tipis dan rapat (0,1-0,5 μm. Membran struktur asimetris menghasilkan selektivitas yang lebih tinggi karena memiliki lapisan atas membran yang tipis, sedangkan dengan lapisan kulit membran yang tipis menghasilkan kecepatan permeasi yang tinggi.
2. Membran simetris
Membran simetri adalah jenis membran dengan pori-pori yang seragam atau homogen di seluruh struktur mereka. Membran berpori simetris memiliki struktur yang bermacam seperti cylin- drical berpori, spons atau mirip celah. Membran ini memiliki ketebalan pori berkisar 10-200 μm, sehingga kurang efektif digunakan karena mudah mengalami penyumbatan pori saat penggunaannya.
2.1.1.4 Berdasarkan prosesnya
Ada 4 proses pemisahan dengan membran (Sharma, 2020), yaitu : 1. Mikrofiltrasi
Proses filtrasi fisik dimana fluida yang terkontaminasi dilewatkan melalui membran berukuran pori khusus sekitar 0,05- 10 μm untuk memisahkan mikoorganisme dan partikel tersuspensi dari umpan.
2. Ultrafiltrasi
Ultrafiltrasi adalah salah satu proses yang paling umum digunakan dalam industri dan penelitian untuk memurnikan dan memusatkan makromolekul. Padatan tersuspensi dan zat terlarut dengan berat molekul tinggi dipertahankan, sedangkan pelarut dan zat terlarut dengan berat molekul rendah melewati membran di permeat (filtrat). Hingga kini, proses ultrafiltrasi dipelajari dapat digunakan dalam menghilangkan padatan tersuspensi, bakteri, virus, endotoksin dan pathogen lainnya dari dalam kandungan air (Jie et al., 2020)
3. Nanofiltrasi
Nanofiltrasi ialah proses filtrasi membran yang dapat dikatakan relatif baru yang menargetkan air total padatan terlarut (sebelum pengolahan) yang rendah seperti air permukaan dan air tanah segar, untuk melunakkan dan menghilangkan precursor produk sampingan desinfeksi seperti bahan organik alami dan bahan organik.
4. Reverse Osmosis
Proses terakhir ini merupakan salah satu proses pemisahan membran yang melibatkan penggunaan tekanan hidrolik untuk mengatasi tekanan osmotik terhadap membran untuk memurnikan cairan tanpa memasukkan perubahan fasa.
2.1.2 Teknik Pembuatan Membran
Morfologi pori struktural membran ditentukan melalui teknik persiapan dalam pembuatannya (Gohil et al., 2019), yang diantaranya adalah:
1. Pemanasan (Sintering)
Ini adalah teknik pembuatan membran berpori dari bahan organik dan anorganik dengan titik leleh tinggi, dengan penerapan panas dan tekanan tanpa pencairan bahan. Serbuk dari partikel tertentu diubah menjadi film dengan memanaskan bahan tepat di bawah titik lelehnya.
Ukuran pori-pori membran dan distribusi ukuran pori bergantung pada partikel dan distribusi ukuran partikel bubuk, sedangkan bahan menentukan stabilitas termokimia dan sifat struktur sinter.
2. Pemintalan (Spinning)
Ini adalah teknik pembuatan membran serat berongga dari keramik dan polimer. Ekstrusi adalah proses umum untuk membuat profil tabung, sedangkan pemintalan digunakan untuk pembuatan serat berlubang.
Polimer seperti CA, PVDF, PES, dll, melibatkan 4 proses yang meliputi pembentukan larutan atau lelehan, ekstrusi, koagulasi dan pembilasan serat. Membran dengan teknik ini dapat dibuat:
1. Pemintalan leleh, dimana biasanya polimer termoplastik dilebur dan diekstrusi melalui pemintal udara dan kemudian didinginkan.
2. Pemintalan kering, dimana obat bius polimer diekstrusi melalui alat pemintal ke udara.
3. Pemintalan basah jet kering, dimana larutan obat bius polimer diekstrusi ke udara dan kemudian di koagulasi (biasanya dalam air).
3. Track-etching
Teknik selanjutnya merupakan proses industri untuk membuat membran polimer berpori dengan cara ditembak partikel radiasi. Biasanya film PC yang memiliki ketebalan sekitar 6 μm – 35 μm terkena ion berat yang dipercepat (partikel bermuatan) secara terkontrol. Densitas tergantung pada waktu pemaparan di dalam reaktor, semakin lama waktunya maka kepadatan pori akan lebih besar.
4. Template Leaching
Teknik ini berguna untuk pembuatan membran mikro simetris dari PE, dan PTFE, serta dari kaca, paduan logam atau keramik, yang tidak larut dalam pelarut umum pada suhu kamar. Untuk pembuatan membran polimer, dispersi halus dan matriks polimer dicampur dan diesktrusi sebagai film tipis. Lalu direndam dengan pelarut yang sesuai guna menghilangkan konstituen yang dapat larut, ini diekstrusi untuk menghasilkan struktur mikro dalam membran. Parafin cair, PVA, PS, dan PEG dapat digunakan sebagai konstituen yang dapat larut.
5. Peregangan (Stretching)
Peregangan adalah teknik serbaguna untuk menginduksi porositas di sebagian film polimer kristalin dan prekursor serat berlubang meltspun dengan pecah mekanis. Proses ini mengatur kristalit dalam film sepanjang arah gambar, film kadang mengalami peregangan panas pada laju regangan yang lebih lambat untuk meningkatkan pori-porinya. Ini memungkinkan untuk membentuk film membran asimetris dengan pori- pori sekitar 0,2– 20 μm.
6. Inversi fasa (phase inversion)
Inversi fasa atau pemisahan fasa adalah teknik mengubah lelehan polimer dari fasa cair menjadi fasa padat dengan cara terkontrol melalui proses pengendapan, untuk mendapatkan membran asimetris (Tiron et al., 2017). Ada 4 metode utama yang diterapkan untuk preparasi membran teknik inversi fasa yaitu:
1. Penguapan pelarut diinduksi pemisahan fasa
Dalam metode ini, polimer homogen (polivinil klorida, polivinil asetat, polistiren, dll) dibuat dari dua atau lebih pelarut yang mudah menguap dengan titik didih dan kapasitas disolusi yang berbeda dan kemudian disebarkan dalam bentuk film tipis. Pelarut yang lebih mudah menguap dari film larutan polimer tuang menginduksi presipitasi/demixing polimer untuk membentuk membran.
2. Pemisahan fasa yang diinduksi secara termal
Dalam metode ini polimer seperti Polietilen (PE) dilarutkan dalam amina yang sesuai pada suhu tinggi dan dimasukkan dalam film pada suhu tinggi. Larutan polimer kemudian didinginkan ke titik dimana pengendapan polimer menginduksi gelasi termal terkontrol.
Setelah pengendapan sempurna, pelarut diekstraksi, diuapkan atau didinginkan/dibekukan. Ukuran pori membran simetris bergantung pada parameter termodinamika seperti suhu dan konsentrasi obat bius polimer, sistem pelarut dan laju pendinginan larutan.
3. Pemisahan fasa yang diinduksi uap
Dalam metode ini, larutan polimer menyebar terkena uap penyerapan non-pelarut (biasanya uap air), absorpsi uap non-pelarut ke dalam larutan polimer dope dan mengendapkan polimer ke membran fasa padat.
4. Pemisahan fasa diinduksi bukan pelarut
Metode ini pertama kali digunakan dalam preparasi membran RO berbasis selulosa asetat asimetris. Polimer selulosa asetat dilarutkan dalam pelarut yang sesuai dan film larutan polimer tebal 20-200 μm dimasukkan pada penyangga pelat atau kain dan direndam ke dalam non-pelarut, koagulasi larutan polimer menghasilkan fasa kaya polimer padat dan pelarut cair yang membentuk membran simetris atau asimetris. Metode ini dapat digunakan dalam pembuatan membran lembaran datar, kapiler atau serat berongga.
2.1.3 Faktor – Faktor Yang Mempengaruhi Morfologi Membran
Berikut beberapa faktor yang dapat mempengaruhi morfologi membran diantaranya (Tanjung, 2015) adalah :
1. Jenis sistem pelarut non-pelarut
Non-pelarut digunakan sebagai koagulan harus dapat larut dalam pelarut. Air adalah non-pelarut yang umum digunakan dalam proses inversi fasa. Proses pencampuran dapat berlangsung secara sempurna
jika komposisi semua bahan penyusun membran mempunyai daya larut yang sama. Kelarutan polimer berkurang dengan bertambahnya massa molekul. Jika suatu polimer dapat larut dalam pelarut yang cocok ditambahkan bukan pelarut, maka polimer akan mengendap.
2. Penambahan aditif
Aditif memiliki fungsi spesifik yang meliputi perlindungan terhadap pengaruh lingkungan seperti penolak nyala, penyerap radiasi ultraviolet, antioksidan, antiozon (stabilitas termal dan kimia), mempermudah pemrosesan, memperbaiki kekuatan mekaniknya.
3. Pemilihan polimer (jenis polimer)
Ini merupakan factor penting karena akan membatasi jenis pelarut dan non-pelarut yang digunakan. Pemilihan material membran penting dengan memperhatikan faktor fouling (efek adsorpsi, karakteristik hidrofilik/hidrofobik) kestabilan termal dan kimia.
4. Komposisi larutan polimer
Komposisi larutan polimer harus tetap berada pada satu fasa agar tidak terjadi demixing, sehingga penambahan bahan lain dalam larutan polimer akan mempengaruhi struktur membran. Penambahan air sebagai non-pelarut ke dalam larutan polimer menyebabkan terjadinya peristiwa instantaneous demixing. Apabila larutan polimer tidak mengandung air pembentukan membran terjadi melalui mekanisme pemisahan tertunda (delayed demixing), sehingga diperoleh membran tidak berpori.
5. Komposisi bak koagulasi
Jumlah pelarut maksimum yang dapat ditambahkan ditentukan oleh posisi bimodal. Saat binodal berganti arah mendekati sumbu polimer/pelarut, maka pelarut yang ditambahkan ke dalam bak koagulasi akan lebih banyak. Jika bak koagulasi hanya mengandung air murni, instantaneous demixing akan terjadi karena jalur komposisi awal akan memotong binodal.
6. Komposisi pelarut
Ini merupakan parameter yang sangat mempengaruhi jenis struktur membran yang akan terbentuk.
7. Waktu penguapan larutan dope
Ini berkaitan dengan kuantitas pelarut yang meninggalkan film polimer ketika proses pembentukan pori-pori membran sedang berlangsung.
Dalam hal ini pelarut berfungsi sebagai pembentuk pori. Semakin lama waktu penguapan, maka semakin sedikit dan kecil diameter pori yang terbentuk.
2.1.4 Sifat-sifat Membran
Saat ini, teknologi membran berkembang cukup signifikan dalam industri kimia, terutama dalam rekayasa pemisahan. Faktanya teknologi membran telah menjadi teknologi yang dominan di berbagai bidang, seperti desalinasi air laut dan pengolahan limbah (Yan et al., 2020). Oleh sebab itu untuk dapat digunakan dengan baik dalam pemisahan, setidaknya membran harus memiliki sifat sebagai berikut (Kamal et al., 2014):
1. Memiliki sifat mekanik yang baik. Hal ini diperlukan untuk dapat menahan kerusakan saat digunakan dalam pemisahan aliran gas atau cairan saat membran digunakan. Metode yang paling sering digunakan adalah pengujian tarik yaitu pengujian untuk menentukan elastisitas, plastis, kekerasan serta sifat patah dari membran (Wang et al., 2016).
2. Memiliki ketebalan yang optimum, yaitu 10-200 μm untuk membran asimetri dan 50-250 μm untuk membran simetri (Kurniawan, 2014).
3. Memiliki pori-pori yang efektif yang dapat digunakan untuk teknologi membran dalam pemisahan dan pengolahan air. Membran yang memiliki struktur pori lapisan atas yang berbeda menghasilkan sifat transport yang berbeda dan memiliki kegunaan yang berbeda pula.
4. Memiliki desain modul yang sederhana, mudah dioperasikan dan tidak membutuhkan peralatan tambahan dalam jumlah banyak. Dengan sifat ini proses membran dapat dilakukan tanpa membutuhkan penambahan bahan kimia sehingga ramah bagi lingkungan (Wenten, 2004).
2.2 Kulit Durian
Durian adalah jenis buah yang berasal dari beberapa spesies pohon dalam marga Durio. Durian atau Durio zibethinus termasuk dalam famili Bombacaceae dan merupakan satu-satunya spesies yang beredar di pasaran internasional. Buah ini memiliki rasa unik yang disebabkan oleh adanya lemak, gula, senyawa ester dan senyawa yang mengandung sulfur (Sinulingga et al., 2020)
Gambar 2.2 Durian lokal Medan
Durian memiliki berbagai macam fenotipe yang ditunjukkan oleh tinggi tanaman, lingkar batang, panjang daun, panjang buah, lingkar buah, bobot buah dan biji, rasa buah, tebal daging buah (Yuniastuti et al., 2018).
Durian telah berkembang pesat dan menjadi multidisiplin industri pengolahan makanan, tetapi hanya sepertiga dari durian saja yang dapat dimakan, sedangkan biji dan cangkangnya menjadi limbah (Penjumras et al., 2014). Untuk bagian buah yang dapat dimakan, tergolong rendah, hanya 20,52%. Sisanya 79,48%
merupakan bagian yang tidak dikonsumsi seperti kulit dan biji durian sehingga dapat diperkirakan limbah yang dihasilkan sekitar 556.360 ton per tahun, ini merupakan nilai yang cukup tinggi. (Safitri, 2020).
Gambar 2.3 Kulit durian lokal Medan
Produksi benih dan kulit durian meningkat selama beberapa periode ini, yang menghasilkan sekitar 60%-70% limbah dalam bentuk kulit (Kunarto, 2018). Limbah kulit durian tersebut nyatanya sebagian besar hanya dibuang menjadi sampah dan tidak memiliki nilai ekonomis, sehingga hal tersebut sangat mempengaruhi kebersihan lingkungan.
Diketahui juga bahwa kulit durian memiliki kandungan selulosa sekitar 50- 60%, serta kandungan lignin lebih sedikit (Widiastuti, 2016) yang ini bisa diekstraksikan untuk pembuatan selulosa asetat. Adapun limbah kulit durian mempunyai komposisi kimia (Ana et al., 2015) sebagai berikut:
Tabel 2.1 Komposisi kimia kulit durian
Selain adanya kandungan kimia, limbah kulit durian juga mengandung komposisi karbohidrat, lemak, protein, serat, kalsium, fosfor, asam folat, magnesium, potassium, kalium, zat besi, zink, mangan, tembaga, karoten, thiamin, niasin dan riboflavin (Muawanah et al., 2019).
Dari hasil penelitian yang ada, kulit durian dimanfaatkan dalam bentuk ekstraksi kulit durian digunakan sebagai bahan pengusir nyamuk atau lalat, pengental dalam makanan, pencegah kanker dan sebagai bahan campuran dalam pembuatan material industri (Ana et al., 2015).
Selain itu, adanya kandungan selulosa yang tinggi pada kulit durian ini, sehingga kulit durian salah satu kegunaannya yaitu bisa dimanfaatkan sebagai biopolimer dalam bahan tambahan yang diformulasikan ke dalam koagulan (Rohman, 2020).
2.3 Selulosa
Biopolimer yang sangat melimpah di alam adalah selulosa. Selulosa merupakan senyawa organik polisakarida yang terdiri dari rantai linier beberapa monomer glukosa. Berdasarkan sumbernya, selulosa mempunyai bobot molekul bervariasi antara 50.000-2,5 juta (Yulandri, 2020).
Senyawa Bobot (%)
Selulosa 60,45
Lignin 15,45
Hemiselulosa 13,01
Ekstraktif 11,09
Selulosa adalah senyawa organik yang tidak larut dalam air dengan formula (C6H10O5)n yang merupakan kandungan utama dalam serat tumbuhan dan berfungsi sebagai komponen struktur tumbuhan. Selulosa hampir tidak pernah ditemui dalam keadaan murni di alam, melainkan selalu berikatan dengan bahan lain seperti lignin dan hemiselulosa (Girsang, 2018).
Gambar 2.4 Struktur selulosa
Lignin adalah zat yang bersama-sama dengan selulosa terdapat dalam kayu.
Lignin merupakan polimer dengan struktur aromatik yang sulit terdegradasi karena strukturnya yang kompleks dan heterogen yang berikatan dengan selulosa dan hemiselulosa dalam jaringan tanaman. Untuk mendapatkan mutu selulosa yang baik maka lignin harus dihilangkan terlebih dahulu.
Proses ekstraksi selulosa dilakukan untuk memisahkan komponen selulosa dari komponen lainnya (lignin dan hemiselulosa) melalui proses ekstraksi asam dan ekstraksi basa (biasanya dipakai larutan NaOH) maupun kombinasi keduanya yang melibatkan proses delignifikasi (Asmoro et al., 2018).
Pada proses delignifikasi semakin banyak NaOH yang diberikan maka semakin mudah lignin terdegradasi dan kandungan selulosa semakin meningkat. Kenaikan kandungan selulosa juga disebabkan karena sebagian lignin dan hemiselulosa terlarut pada saat proses delignifikasi sehingga kandungan selulosa meningkat (Sari et al., 2020).
Waktu pemasakan yang tinggi akan menghasilkan kadar selulosa yang cenderung menurun dan kadar lignin semakin besar. Jika semakin tinggi lignin yang terkandung, maka proses bleaching semakin sulit dan kualitas pulp yang dihasilkan pun kurang baik. Sehingga disimpulkan bahwa lignin sangat berpengaruh pada perubahan warna suatu pulp (Thaib et al., 2020).
2.3.1 Sifat-sifat Selulosa
Selulosa dengan rantai panjang mempunyai sifat fisik yang lebih kuat, lebih tahan lama terhadap degradasi yang disebabkan oleh pengaruh panas dan bahan kimia. Adapun sifat fisik lain dari selulosa (Girsang, 2018) antara lain:
1. Dapat terdegradasi oleh hidrolisa, oksidasi, secara kimia maupun mekanis sehingga berat molekulnya menurun.
2. Tidak larut dalam air maupun pelarut organik, tetapi sebagian larut dalam larutan alkali.
3. Pada keadaan kering, selulosa bersifat higroskopis, keras dan rapuh.
Selulosa akan bersifat lunak bila mengandung banyak air.
4. Selulosa dalam bentuk Kristal mempunyai kekuatan lebih baik jika dibandingkan dengan bentuk amorfnya.
5. Selulosa merupakan polimer yang relatif stabil dikarenakan adanya ikatan hidrogen.
2.3.2 Jenis-jenis Selulosa
Berdasarkan derajat polimerisasi (DP) dan kelarutan dalam senyawa natrium hidroksida (NaOH) 17,5%, selulosa dapat dibagi atas tiga jenis, yaitu (Rohman, 2020):
1. α-selulosa (alpha cellulose) adalah selulosa berantai panjang, tidak larut dalam larutan NaOH 17,5% atau larutan basa kuat dengan DP 600–
15000. α-selulosa dipakai sebagai penduga dan atau tingkat kemurnian selulosa. Selulosa dengan derajat kemurnian α>92 % digunakan untuk bahan baku utama pembuatan propelan atau bahan peledak. Sedangkan selulosa kualitas dibawahnya digunakan sebagai bahan baku pada industri kertas dan kain (serat rayon). Semakin tinggi kadar alfa selulosa, maka semakin baik mutu bahannya.
Gambar 2.5 Rumus struktur α–selulosa
2. β-selulosa (betha cellulose) adalah selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat dengan DP derajat polimerisasi 15–
90, dapat mengendap bila dinetralkan.
Gambar 2.6 Rumus struktur β-selulosa
3. γ-selulosa (gamma cellulose) adalah selulosa berantai pendek, larut dalam larutan NaOH 17,5% atau basa kuat dengan DP kurang dari 15, kandungan utamanya adalah hemiselulosa.
2.4 Selulosa Asetat
Saat ini sebagian besar proses pemisahan membran menggunakan membran yang terbuat dari polimer organik karena bentuk dan struktur dapat disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi tertentu seperti pemisahan fasa, pelapisan dan polimerisasi (Silva et al., 2020). Untuk menghasilkan membran dengan karakteristik yang baik, penelitian ini menggunakan berbagai polimer konsentrasi, yaitu polimer selulosa asetat (SA). Selulosa asetat diperoleh sebagai hasil asetilasi selulosa dari berbagai sumber, termasuk selulosa bakteri (Vaulina et al., 2018).
Gambar 2.7 Struktur selulosa asetat
Selulosa asetat berwarna putih, padat (serbuk), berbau menyengat, tidak beracun, warnanya bagus dan stabil serta mempunyai sifat kimia yang larut dalam aseton, dimetilformanida, dimetilsulfoksida, dimetilasetamida dan asam asetat (Widayanti, 2013).
Secara kimia, selulosa asetat adalah hasil asetilasi proses esterifikasi dari asam asetat dan selulosa, yang ini digunakan sebagai komponen dalam bahan perekat dan bahan sintetik. Tahapan sintesis selulosa asetat (Fitriyano, 2016) yaitu:
1. Tahap swelling yang bertujuan untuk aktivasi selulosa, memperluas permukaan selulosa asetat dan membantu meningkatkan reaktivitas selulosa asetat terhadap reaksi asetilasi.
2. Tahap asetilasi yaitu bertujuan untuk membuat gugus setil dalam kondisi berlebih, sehingga akan lebih mudah untuk menggantikan gugus hidroksil pada selulosa. Proses asetilasi sebaiknya dilakukan pada suhu berkisar 50-85oC.
3. Tahap netralisasi yaitu bertujuan untuk mengencerkan asam asetat glasial.
Gambar 2.8 Reaksi sintesis selulosa asetat
2.5 Polietilen Glikol
Polimer sintetis seperti polietilen digunakan sebagai bahan dasar untuk penyusunan membran sintetik. Polimer ini dapat menunjukkan pengaruhnya pada sifat mekanik kekuatan, stabilitas kimia dan termal dari ester selulosa. Polietilen glikol digunakan karena bahan hidrofiliknya (Nurkhamidah et al., 2019).
Gambar 2.9 Struktur Polietilen Glikol (PEG)
Polietilen glikol merupakan polimer larut air, tidak berbau dan kekentalannya berbeda-beda tergantung jumlah n yang maksimumnya berjumlah 180. Polimer dengan berat molekul rendah disebut dietil glikol (n=2) dan tetra etil glikol (n=4), sedangkan polimer dengan berat molekul yang tinggi disebut polietilena glikol (Mudmainah, 2017).
Oleh karena nilai n yang bervariasi, sehingga berat molekul dari PEG dapat berkisar antara 150-10.000. Dimana berat molekul 150-700 berbentuk cairan dan berat molekul 1.000-10.000 berbentuk padatan (Sari, 2017). Peningkatan berat molekul aditif PEG juga memberikan kecenderungan yang sama terhadap karakteristik membran yang dihasilkan (Safiah et al, 2018).
Polietilen glikol dipilih dan menonjol karena biayanya yang rendah dan biokompatibilitas yang baik serta dapat menjadi agen pembentuk pori pada membran (Vinodhini et al., 2017)
2.6 Pengujian Sampel
Pengujian pada penelitian ini dilakukan dengan pengujian fisis dan mekanik.
Pengujian fisis dilakukan untuk melihat secara fisik tampilan membran yang sudah terbentuk, sedangkan pengujian mekanik dilakukan untuk melihat ketahanan membran dalam penggunaannya sebagai penyaring.
2.6.1 Uji Sifat Fisis 2.6.1.1 Ketebalan
Ketebalan membran merupakan salah satu karakterisasi membran yang diukur untuk mengetahui salah satu karakterisasi membran yang diukur untuk mengetahui laju permeasi membran. Ketebalan diukur dengan menggunakan alat mikrometer (Zanna, 2018). Ketebalan ini akan berpengaruh terhadap kuat tarik dan morfologi membran.
2.6.2 Uji Sifat Mekanik 2.6.2.1 Kuat tarik
Uji kekuatan tarik dilakukan untuk mengetahui kekuatan tarik dan fleksibilitas membran saat diberi gaya dari luar yang mungkin dapat merusak membran. Semakin teratur struktur membran, maka membran akan memiliki kekuatan tarik dan regangan yang tinggi (Lusiana et al., 2019).
Sehingga semakin besar kekuatan tarik, maka membran semakin baik dalam menahan kerusakan mekanis. Uji kuat tarik dilakukan dengan menggunakan alat Tensile Testing Machine. Kuat tarik ditentukan berdasarkan beban maksimum pada saat film pecah. Dapat ditulis dengan persamaan (Musta et al., 2019) sebagai berikut:
Ts = 𝐹
𝐴 (2.1) Keterangan:
Ts= Kuat Tarik (𝑁 𝑚𝑚⁄ 2)
F = gaya kuat tarik maksimal (N) A = luas penampang (mm2)
2.6.2.2 Persentase pemanjangan (elongasi)
Uji persentase pemanjangan atau persentase elongasi didasarkan atas pemanjangan film saat film putus. Pengujian juga menggunakan alat yang sama dengan alat uji kuat tarik yaitu Universal Testing Machine.
Secara matematis (Husni et al., 2018) dapat ditulis dengan rumus sebagai berikut:
% Elongasi = ∆𝐿
𝐿 × 100% (2.2) Keterangan:
∆L = perpanjangan membran (mm) L = panjang awal membran (mm) 2.7 Karakterisasi Membran
2.7.1 Fourier Transform Infra-Red (FTIR)
Spektrofotometer Fourier Transform Infra-Red digunakan untuk mengindentifikasi keberadaan gugus fungsi berdasarkan ikatan yang terdapat dalam satu senyawa. Dimana, perbedaan gugus fungsi suatu senyawa akan memberikan pola serapan spesifik dengan spektrum yang berbeda satu dengan yang lainya (Silitonga et al., 2019). Spektroskopi inframerah berkaitan dengan rentang panjang gelombang dari 0,8 hingga 1000 μm (dalam bilangan gelombang 12.500-10 cm-1) dari spektrum elektromagnetik (Mollman et al., 2013). Tujuan dilakukan analisa ini adalah untuk mengetahui gugus fungsi dari setiap sampel dan ada tidaknya gugus baru yang terbentuk, karena spektrum yang dihasilkan spesifik untuk senyawa tersebut (Harahap, 2018).
2.7.2 Scanning Electron Microscope (SEM)
Scanning Electron Microscope adalah alat pembesaran yang menggunakan berkas elektron terfokus untuk mendapatkan informasi topografi, morfologi dan komposisi dengan gambar tiga dimensi beresolusi tinggi (Choundhary et al., 2017). Analisa SEM menunjukkan bentuk dan perubahan morfologi membran dari sampel yang dianalisis.
Scanning Electron Microscope memiliki resolusi yang lebih tinggi dibanding mikroskop optik. Karena makin kecil panjang gelombang yang digunakan, maka makin tinggi resolusi mikroskop. SEM mempunyai lensa magnetik yang besar, yang dapat memfokuskan jumlah sampel yang lebih banyak pada satu waktu dan menghasilkan bayangan yang baik dari sampel tiga dimensi (Widayanti, 2013).
BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian “Pembuatan Dan Karakterisasi Membran Selulosa Asetat Dari Limbah Kulit Durian (Durio zibethinus) Dengan Penambahan Polietilen Glikol (PEG)” dilakukan dengan dua kajian, yaitu secara teori dan secara eksperimen.
Kajian secara teori merupakan kegiatan pencarian dan pengumpulan referensi dari buku ilmiah, jurnal, tesis dan skripsi, baik nasional maupun internasional.
Sedangkan kajian secara eksperimen yaitu proses pembubukan limbah kulit durian, isolasi selulosa, sintetis selulosa asetat, pembuatan membran selulosa asetat, pengujian dan karakterisasi sampel membran.
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fisika Dasar dan Kimia Dasar UPT PP LIDA USU. Dan setelahnya untuk pengujian sampel membran dilakukan di Laboratorium Teknologi Hasil Hutan Fakultas Kehutanan USU. Sedangkan untuk karakterisasi FTIR dan SEM dilakukan di Laboratorium Penelitian Fakultas Farmasi USU dan Laboratorium Terpadu dan Sentra Inovasi Teknologi Universitas Lampung. Adapun lama waktu penelitian ini dilakukan mulai dari bulan Maret 2021 sampai Juni 2021.
3.2 Peralatan dan Bahan Penelitian 3.2.1 Peralatan Penelitian
Tabel 3.1 Peralatan yang digunakan dalam pembuatan membran selulosa asetat
No Nama Alat Fungsi
1 Pisau/Cutter Untuk memisahkan kulit durian dari durinya.
2 Gunting Untuk memotong kulit durian yang telah kering.
3 Baskom Sebagai wadah mencuci kulit durian.
4 Blender kering Untuk menghaluskan kulit durian.
5 Ayakan 100 mesh (149 µm)
Untuk mengayak kulit durian yang telah diblender.
6 Beaker glass Sebagai wadah untuk pengenceran dan pencampuran larutan.
7 Neraca digital Untuk menimbang berat kulit durian yang basah, kering dan sudah diayak.
Tabel 3.2 Peralatan Pengujian dan Karakterisasi Membran SA/PEG
3.2.2 Bahan Penelitian
Tabel 3.3 Bahan-bahan Pembuatan Membran SA/PEG
No Nama Bahan Kemurnian Produksi Fungsi
1 Kulit durian - - Sebagai bahan utama
pembuatan membran.
2 Asam Nitrat 3,5% Rofa
Laboratorium
Untuk memutuskan ikatan lignoselulosa.
3 Natrium Hidroksida
2% dan 17,5%
Merck Untuk pemurnian
selulosa.
8 Gelas ukur Untuk mengukur banyak larutan yang akan digunakan/dicampurkan.
9 Hot plate magnetic Untuk memanaskan dan mencampurkan bahan.
10 Magnetic stirrer Untuk membantu menghomogenkan larutan.
11 Pipet tetes Untuk memindahkan larutan dari satu wadah ke wadah lain dengan jumlah kecil.
12 Oven Untuk mengeringkan selulosa kulit durian dan selulosa asetat.
13 pH digital
Untuk mengukur derajat keasaman pada proses isolasi selulosa kulit durian dan sintesis selulosa asetat.
14 Stopwatch Untuk mengukur lama waktu pada tiap proses pembuatan membran.
15 Pelat akrilik Untuk mencetak membran selulosa asetat kulit durian.
16 Batang stainless Untuk meratakan membran yang dicetak pada pelat akrilik hingga diperoleh lapisan tipis.
17 Lakban hitam Untuk membatasi pelat akrilik.
18 Baki besar Sebagai bak koagulasi metode inversi fasa.
19 Botol reagen Sebagai wadah pembuatan larutan selulosa asetat.
20 Botol borosilikat Sebagai wadah pencampuran selulosa asetat dengan PEG.
No Nama Alat Fungsi
1 Fourier Transform Infra-Red Untuk mengidentifikasi gugus fungsi selulosa, selulosa asetat dan membran.
2 Scanning Electron Microscope Untuk menganalisis morfologi membran.
3 Micrometer Untuk mengukur ketebalan membran.
4 Tensile Testing Machine Untuk pengujian kuat tarik dan elongasi membran.
4 Natrium sulfit 2% Rofa
Laboratorium
Bahan untuk pengaktivasi selulosa.
5 Natrium Hipoklorit
1,75% Rofa
Laboratorium
Sebagai bahan pemutih selulosa.
6 Hidrogen Peroksida
10% One Med Sebagai bahan pemutih selulosa.
7 Asetat glasial 98% Smart Lab Sebagai bahan aktivasi.
8 Asetat Anhidrida Rofa
Laboratorium
Bahan untuk asetilasi selulosa.
9 Asam Sulfat 2% Merck Sebagai bahan katalis.
10 Aquadest - - Untuk mengencerkan dan
menetralkan pH pada selulosa dan selulosa asetat.
11 Aseton 98% Planet Kimia Sebagai bahan pelarut membran.
12 Polietilen glikol (PEG) 600
Planet Kimia Sebagai bahan aditif membran.
3.3 Variabel dan Parameter 3.3.1 Variabel Penelitian
Tabel 3.4 Variabel yang digunakan pada pembuatan membran SA/PEG
3.3.2 Parameter Uji
1. Sifat fisis : Ketebalan.
2. Sifat mekanik : Kuat tarik dan persentase pemutusan (elongasi).
3. Analisa gugus fungsi : FTIR.
4. Analisa morfologi : SEM.
Sampel Selulosa Asetat (v/v) Polietilen Glikol (v/v)
1 10 ml 0 ml
2 10 ml 1 ml
3 10 ml 2 ml
4 10 ml 3 ml
3.4 Diagram Alir Penelitian
Pelaksanaan penelitian ini secara keseluruhan didasarkan pada kajian secara teori dan secara eksperien. Berikut adalah rancangan penelitian yang diuraikan dalam diagram alir di bawah ini..
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
Preparasi kulit durian menjadi bubuk dengan ukuran 100 mesh.
Isolasi selulosa kulit durian melalui proses alkalisasi dan pemutihan.
Selulosa asetat (v/v) dicampur dengan PEG 600 dengan variasi SA/PEG 0%, 10%, 20% dan 30%
Sintesis selulosa asetat melalui proses aktivasi dan asetilasi asam asetat
Penmbuatan membran SA/PEG denga menggunakan teknik inversi fasa
Pengujian sifat fisis dan sifat mekanik membran
Karakterisasi gugus fungsi dan morfologi membran Mulai
Selesai Analisa Data
3.5 Prosedur Penelitian
3.5.1 Preparasi Limbah Kulit Durian
Limbah kulit durian dipilih yang masih dalam kondisi baik dan tidak busuk. Limbah kulit durian itu dipisahkan dari durinya, dicuci bersih dan dipotong kecil-kecil dengan ukuran sekitar 1-2 cm. Setelah itu kulit durian dijemur dibawah sinar matahari sampai berwarna kuning kecoklatan. Kulit durian yang sudah kering dihaluskan menggunakan blender kering dan bubuk kasar hasil blender kering diayak dengan menggunakan ayakan berukuran 100 Mesh (149 µm). Hal ini berguna untuk menghilangkan serat yang masih kasar agar memudahkan proses isolasi selulosa. Adapun proses preparasi bubuk kulit durian ini dapat dilihat melalui bagan di bawah ini.
Gambar 3.2 Diagram alir preparasi bubuk kulit durian Kulit durian dipisahkan dari durinya
Dijemur di bawah sinar matahari
Diblender kering sampai halus
Diayak dengan ayakan 100 mesh Mulai
Dicuci bersih dan dipotong kecil kecil
Selesai
3.5.2 Isolasi Selulosa Kulit Durian
Proses isolasi selulosa kulit durian meliputi dua proses yaitu proses alkalisasi dan bleaching. Proses alkalisasi diawali dengan mencampurkan 50 gram bubuk kulit durian berukuran 100 mesh dengan 500 ml larutan HNO3 3,5%, dipanaskan dan diaduk menggunakan hot plate magnetic stirrer dengan suhu 90°C selama 120 menit. Endapan yang didapatkan disaring dan dicuci menggunakan aquadest.
Selanjutnya digesti dengan menggunakan 350 ml larutan NaOH 2% dan Na2SO3 2%, dipanaskan dan diaduk menggunakan hot plate magnetic stirrer dengan suhu 50ºC selama 1 jam. Diamkan hingga membentuk endapan, lalu endapan disaring dan dicuci menggunakan aquadest.
Selanjutnya dilakukan pemutihan dengan 340 ml NaOCl 1,75%, dipanaskan dan diaduk menggunakan hot plate magnetic stirrer dengan suhu 80ºC selama 30 menit. Diendapkan, selanjutnya disaring dan dicuci menggunakan aquadest.
Selanjutnya proses bleaching atau pemutihan selulosa dilakukan dengan menambahkan 340 ml larutan NaOH 17,5%, dipanaskan dan diaduk menggunakan hot plate magnetic stirrer dengan suhu 40ºC selama 30 menit. Setelah 30 menit, ditambahkan larutan H2O2 10%
sebanyak 1 mL, dipanaskan dan diaduk menggunakan hot plate magnetic stirrer dengan suhu 60ºC selama 15 menit, proses ini dilakukan sebanyak dua kali. Setelah itu, diamkan hingga membentuk endapan, lalu disaring dan dicuci dengan aquadest hingga netral. Sesudah netral, endapan dikeringkan menggunakan oven pada suhu 70ºC selama 5 jam dan didapatkan serbuk selulosa dari kulit durian, selanjutmya dianalasis dengan FTIR. Proses isolasi selulosa kulit durian dapat dilihat pada skema dibawah ini.
Gambar 3.3 Diagram alir proses isolasi selulosa kulit durian 50 gram bubuk kulit durian
Ditambahkan 350 ml larutan NaOH 2% dan Na2SO3 2%
Ditambahkan 340 larutan NaOCl 1,75%
Ditambahkan 500 ml larutan HNO3 3,5%
Pengadukan (120 menit, suhu 90°C)
Pengadukan (60 menit, suhu 50°C)
Pengadukan (30 menit, suhu 80°C)
Ditambahkan 340 ml larutan NaOH 17,5%
Pengadukan (15 menit, suhu 60°C)
Ditambahkan larutan H2O2 10%
Pengadukan (30 menit, suhu 40°C)
Endapan disaring dan dicuci
aquadest sampai pH netral Diulangi
sebanyak 2 kali
Dioven (suhu 70ºC, 4 jam) Mulai
Selesai Analisa FTIR
3.5.3 Sintesis Selulosa Asetat
Sebanyak 15 gram serbuk selulosa dicampur dengan 150 ml larutan asam asetat glasial, diaduk menggunakan hot plate magnetic stirrer pada suhu 40°C selama 60 menit. Selanjutnya dilakukan proses aktivasi kimia dengan larutan H2SO4 2% sebanyak 1 ml, diaduk pada suhu 40°C selama 60 menit. Setelah itu dilakukan proses asetilasi dengan 100 ml asam asetat anhidrida, diaduk selama 5 menit pada suhu 40°. Selanjutnya proses asetilasi dihentikan dengan menambahkan 10 ml aquadest dan asam asetat glasial 20 ml, diaduk selama 30 menit dengan suhu 50°C. Selanjutnya diendapkan ke dalam 500 ml aquadest selama 2 jam dan dinetralkan dengan aquadest sampai bau asam hilang serta dikeringkan dalam oven pada suhu 55°C. Selanjutnya hasil selulosa diuji dengan FTIR agar diketahui gugus fungsi yang terbentuk dari selulosa asetat kulit durian.
Proses sintesis selulosa asetat ini ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.4 Diagram alir proses sintesis selulosa asetat 15 gram selulosa kulit durian
Aktivasi (40oC, 60 menit)
Asetilasi (40oC, 45 menit) Mulai
150 ml asam asetat glasial 1 ml H2SO4 2%
100 ml asetat anhidrida
Menghentikan asetilasi (50oC 30 menit) 10 ml asam asetat glasial
20 ml aquadest
Pengendapan selama 2 jam
Dicuci dengan aquadest hingga pH netral
Dioven (55oC, 4 jam)
Selesai 500 ml aquadest
Analisa FTIR
3.5.4 Pembuatan Membran Selulosa Asetat-PEG
Pembuatan membran dilakukan dengan teknik inversi fasa, yaitu dengan cara pencelupan. Proses ini diawali dengan melarutkan 10 gram selulosa asetat ke dalam 50 ml aseton 98% dan diaduk selama 24 jam pada suhu 20oC. Setelah itu, selulosa asetat (v/v) dimasukkan ke dalam botol borosilikat masing-masing berisi 10 ml. Selanjutnya PEG 600 ditambahkan ke dalam botol borosilikat yang berisi larutan selulosa asetat dengan variasi komposisi 0 ml, 1 ml, 2 ml dan 3 ml, dihomogenkan menggunakan hot plate magnetic stirrer pada suhu 20oC selama 8 jam, dan didiamkan selama 2 jam.
Selanjutnya, siapkan akrilik berukuran 20 x 15 cm dan dilakban sisi- sisinya, lalu larutan polimer dituangkan ke atas akrilik dan diratakan dengan cara menekan batang stainless sampai diperoleh lapisan tipis dan didiamrkan selama 1 menit. Kemudian, cetakan dimasukkan ke dalam baki besar yang berisi air dan tunggu sampai membran terlepas dari cetakan, lalu membran dibiarkan di udara terbuka sampai kering. Proses pembuatan membran ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
dilarutkan ke dalam
diaduk selama 24 jam
dipisahkan ke dalam botol
borosilikat sebanyak
dicampurkan dengan PEG 600 dengan komposisi
diaduk selama 8 jam
diamkan selama 2 jam
diamkan selama 1 menit
dalam suhu ruangan
digoyang pelat hingga membran terlepas
Pengujian dan karakterisasi sampel
Gambar 3.5 Diagram alir proses pembuatan membran SA/PEG 10 gram serbuk selulosa asetat
Diperoleh larutan selulosa asetat 20%
50 ml aseton 98%
10 ml larutan selulosa asetat 20%
Larutan SA/PEG konsentrasi 0%, 10%, 20%, 30%
Mulai
0 ml 1 ml 2 ml 3 ml
Dituang dan dicetak di atas pelat akrilik
Dicelupkan ke dalam bak koagulasi
Dihasilkan membran SA/PEG
Selesai
BAB 4
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Pembuatan Membran SA/PEG Kulit Durian 4.1.1 Preparasi limbah kulit durian
Penelitian ini dimulai dengan preparasi limbah kulit durian dari pemilihan kulit durian yang masih baik (tidak busuk), pembersihan, pengeringan hingga pengayakan.
Proses pemilihan kulit durian yang masih baik dilihat dari tekstur kulit yang masih bagus, tidak mengerut, tidak berwarna coklat atau hitam, tidak mengeluarkan lendir dan tebal kulitnya. Setelah dipilih, limbah kulit durian dibersihkan, lalu dipotong- potong kecil dan dijemur dibawah sinar matahari selama tiga hari hingga berwarna sedikit kecoklatan (Gambar 4.1a). Setelah itu, kulit durian dihaluskan menggunakan blender kering dan diayak dengan menggunakan ayakan 100 mesh (Gambar 4.1b) pengayakan dilakukan untuk mempermudah dalam proses mengisolasi selulosa.
(a) (b)
Gambar 4.1 Hasil (a)pengeringan kulit durian dan (b)pengayakan kulit durian
4.1.2 Isolasi Selulosa
Isolasi selulosa dari kulit durian dilakukan melalui dua proses yaitu proses alkalisasi dan proses pemutihan (bleaching). Proses alkalisasi dimaksudkan untuk memutuskan ikatan lignoselulosa serta menghilangkan lignin dan hemiselulosa yang terkandung dalam kulit durian, sedangkan pada proses pemutihan (bleaching) dimaksudkan untuk memutihkan selulosa yang telah dihasilkan oleh proses alkalisasi.
Hasil isolasi selulosa kulit durian dari penelitian ini, dapat dilihat pada Gambar 4.2.
Gambar 4.2 Hasil isolasi selulosa kulit durian
Selulosa yang dihasilkan pada penelitian ini berbentuk serbuk putih dan tidak berbau. Setelah itu, hasil isolasi selulosa kulit durian dianalisis gugus fungsinya terlebih dahulu menggunakan FTIR sebelum diasetilasi menjadi selulosa asetat.
Adapun gugus fungsi yang terbentuk dalam selulosa dapat dilihat pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Hasil analisis FTIR selulosa kulit durian
Berdasarkan pada Gambar 4.3 dapat dilihat bahwa adanya terbentuk serapan untuk gugus fungsi O-H stretch pada panjang gelombang 3437,15 cm-1. Gugus –OH yang terbentuk menyatakan adanya ikatan hidrogen intra molekular dan sekaligus sebagai gugus utama pada selulosa, karena selulosa merupakan rantai panjang dari β-
glukosa (Lismeri et al., 2016). Selanjutnya, pada panjang gelombang 2900,94 cm-1 terlihat adanya serapan gugus hidrokarbon yaitu C-H stretch. Sedangkan pada puncak lainnya terdapat serapan gugus C-H bend dan C-O stretch yang masing-masing nilai terlihat dengan panjang gelombang 1323,17 cm-1 dan 1029,99 cm-1. Dari hasil FTIR selulosa kulit durian diatas, disimpulkan bahwa isolasi selulosa kulit durian berhasil, ini ditandai dengan adanya serapan gugus O-H stretch, C-H stretch dan C-O stretch yang merupakan gugus utama selulosa (Masyithah et al., 2020).
Tabel 4.1 Hasil gugus fungsi selulosa kulit durian menggunakan analisis FTIR
Sumber: (1) Nurhayati, 2014 4.1.3 Sintesis Selulosa Asetat
Proses asetilasi merupakan proses penting dalam pembuatan selulosa asetat, dimana proses ini dilakukan dengan melibatkan penggunaan larutan asetat anhidrida dan asam asetat glasial sebagai agen asetilasi dan asam sulfat (H2SO4) sebagai katalisnya. Dari selulosa hasil asetilasi sebelumnya, maka dihasilkan selulosa asetat hasil sintesis yang kemudian akan digunakan sebagai bahan utama pembuatan membran, gambarnya dapat dilihat di bawah ini.
Gambar 4.4 Hasil sintesis selulosa asetat
Hasil analisis gugus fungsi dengan menggunakan analisis FTIR dapat dilihat pada Gambar 4.5. Untuk serapan gugus C=O stretch terlihat pada panjang gelombang
No Gugus Fungsi Bil. Gelombang (cm-1)
Selulosa1 Murni (cm-1)
Selulosa Kulit Durian (cm-1)
1 O-H stretch 3300-3500 3350 3437,15
2 C-H stretch 2800-2960 2800 2900,94
3 C-H bend 1300-1475 1300 1323,17
4 C-O stretch 1020-1060 1035 1029,99
