88
4.1.5 Optimasi Kondisi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS terhadap Respon Nilai Konversi
A. Optimasi Nisbah Pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH, dan Suhu Reaksi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS terhadap Nilai
Konversi
Kondisi proses sulfonasi lignin sangat menentukan kualitas dan kuantitas produk NLS yang dihasilkan. Adapun peubah-peubah yang digunakan dalam
proses sulfonasi adalah nisbah pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH, serta suhu operasi, sedang waktu operasi diusahakan tetap. Optimasi proses
sulfonasi lignin menjadi NLS dengan memvariasikan peubah yang menghasilkan titik optimum. Peubah tersebut adalah nisbah pereaksi
NaHSO
3
terhadap lignin yaitu 40 sampai 70 , pH 4 sampai 7, serta suhu reaksi 70 sampai 100
O
C. Untuk mendapatkan kondisi proses optimum serta mendapatkan nilai
konversi terbaik digunakan metode permukaan respon. Metoda permukaan respon dapat digunakan untuk meramalkan respon yang akan diperoleh akibat
dari peubah-peubah yang mempengaruhinya. Pada dasarnya analisis permukaan respon adalah serupa dengan analisis regresi yaitu menggunakan
prosedur pendugaan parameter fungsi respon berdasarkan metoda kuadrat terkecil. Optimasi proses sulfonasi pada penelitian ini bertujuan untuk
mencari peubah optimal pengaruh nisbah pereaksi, pH, dan suhu reaksi yang dapat memaksimalkan nilai konversi lignin menjadi NLS dan tingkat
kemurnian NLS tinggi.
Pembentukan Model Ordo Satu
Matriks ordo satu optimasi pengaruh nisbah pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH, dan suhu reaksi sulfonasi lignin terhadap nilai konversi lignin
menjadi NLS Lampiran 18. Hasil analisis ragam ordo satu dapat dilihat pada Lampiran 19.
Hasil penelitian mengggunakan rancangan faktorial dan titik pusat dapat dilihat bahwa respon nilai konversi lignin menjadi NLS yang dihasilkan
akibat pengaruh nisbah pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH dan suhu reaksi berkisar antara 30,64 – 72,02 . Hasil analisis ragam yang
89 menunjukkan bahwa model linier p-value = .0001 dan model kuadratik p-
value = .0001, nilai tersebut signifikan karena p-value dari model linier dan
kuadratik kurang dari alfa 0,05. Artinya berpengaruh nyata terhadap perolehan nilai konversi Montgomery, 1991.
Hasil uji penyimpangan model seperti Lampiran 20, menunjukkan model bersifat sangat nyata dengan nilai 0,0441. Hal ini berarti model yang dibuat
tidak sesuai. Meskipun nilai koefisien determinan R
2
untuk ordo satu relatif tinggi yaitu sebesar 0,9592, dan hasil uji lack of fit bersifat nyata
α 0,05. Dengan demikian model ordo satu yang diperoleh tidak tepat digunakan
untuk menduga respon perolehan konversi, karena tidak memenuhi syarat model yang baik. Untuk itu perlu dilakukan pendugaan model ordo dua.
Menurut Box et al., 1978, syarat model yang baik mempunyai hasil uji penyimpangan model yang bersifat tidak nyata
α 0,05. Dengan demikian dari perancangan faktorial dan titik pusat ordo satu perlu ditambah titik
observasi rancangan komposit terpusat RKP untuk mendapatkan lokasi optimum yang tepat dalam analisis statistik selanjutnya untuk menduga model
ordo kedua model kuadratik.
Pembentukan Model Ordo Dua
Matriks ordo dua optimasi pengaruh nisbah pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH, serta suhu reaksi, terhadap nilai konversi lignin menjadi NLS
Lampiran 23. Hasil analisis ragam ordo dua dapat dilihat pada Lampiran 24. Dari hasil penelitian Lampiran 24, dapat dilihat bahwa hasil pembentukan
model ordo dua menggunakan rancangan faktorial, titik pusat, dan titik bintang menunjukkan bahwa respon nilai konversi lignin menjadi NLS yang
dihasilkan akibat pengaruh nisbah pereaksi lignin dengan agen penyulfonasi,
pH dan suhu berkisar antara 41,32 – 38,86 . Hasil analisis ragam
menunjukkan bahwa nisbah pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH, dan suhu reaksi berpengaruh nyata terhadap perolehan nilai konversi lignin menjadi
NLS, dan model merupakan persamaan kuadratik. Untuk memeriksa signifikansi model Lampiran 26, bahwa model
menunjukkan model linier p-value = .0001 dan model kuadratik p-value = .0001, nilai tersebut signifikan karena p-value dari model linier dan
90 kuadratik kurang dari alfa 0,05. Montgomery, 1991.
Menurut Box et al., 1978 dan Gasperz 1995 syarat model yang baik mempunyai hasil uji
penyimpangan model yang bersifat tidak nyata α 0,05. Hasil analisis uji
kesesuaian model lack of fit Lampiran 25, yang menunjukkan bahwa p- value
hasil uji kesesuaian model lack of fit bernilai 0,1428. Apabila digunakan alfa 5, maka kesimpulannya model yang dibuat sesuai dengan
data. Analisis statistik terhadap pengaruh linier dari faktor penentu reaksi terhadap
respon berguna untuk mengetahui besarnya pengaruh dari masing-masing faktor dan interaksinya terhadap respon. Hasil persamaan regresi nilai estimasi
proses sulfonasi ligin menjadi NLS dapat dilihat pada Tabel 4.5 Tabel 4.5 Nilai estimasi proses sulfonasi lignin menjadi NLS
Parameter Kode Nilai
Estimasi Intercept
Nisbah Pereaksi NP pH Ka
Suhu Reaksi T NP x NP
Ka x NP Ka x Ka
T x NP T x Ka
T x T X
1
X
2
X
3
X
1 2
X
2
X
1
X
2 2
X
3
X
1
X
3
X
2
X
3 2
71,424517 7,429468
-1,325554 2,738632
-20,265698 13,233228
-26,730698 4,462943
-5,262171 -35,955698
Estimasi koefisien regresi untuk nilai konversi lignin membentuk natrium- lignosulfonat NLS menunjukkan hasil taksiran parameter model, sebagai
berikut : Ŷ = 71,424517 + 7,429468 X
1
- 1,325554 X
2
+ 2,738632 X
3
- 20,265698X
1 2
+ 13,233228 X
1
X
2
– 26,730698 X
2 2
+ 4,462943 X
1
X
3
– 5,262171 X
2
X
3
– 35,955698 X
3 2
R - Kuadrat = 97,88
Keterangan: Y adalah : konversi lignin menjadi NLS
X
1
; X
2
; X
3
: adalah variabel nisbah pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin , pH serta suhu T
91
B. Pengaruh Nisbah ReaktanPereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH serta Suhu Reaksi terhadap Nilai Konversi
Berdasarkan hasil menunjukkan bahwa nilai konversi lignin menjadi NLS hasil sulfonasi dipengaruhi oleh nisbah pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH serta suhu operasi Lampiran 27. Ketiga faktor ini mempunyai pengaruh yang positif
terhadap peningkatan nilai konversi. Hal ini diperkirakan bahwa semakin tinggi nisbah pereaksi 40 , pH 4 dan suhu reaksi 70
O
C mengakibatkan semakin banyak lignin yang bereaksi dengan natrium bisulfit menjadi NLS. Hasil
analisis kanonik menunjukkan nilai konversi optimum adalah 72,20 yang terjadi pada nisbah pereaksi 60,32 , pH 6,03 dan suhu reaksi 90,28
O
C. Hasil validasi diperoleh nilai konversi yaitu 72,04 . Plot permukaan respon dan
kontur nilai konversi lignin menjadi NLS disajikan pada Gambar 4.6; 4.7; 4.8; 4.9; 4.10 dan 4.11.
3D Surface Plot yield.sta 4v22c Var4 = -525.3462+8.4653x+108.8618y-0.059xx-0.186xy-8.2075yy
60 50
40 30
20 10
92
3D Surface Plot yield.sta 4v22c Var4 = -1074.7638+6.3222x+20.5707y-0.0622xx+0.0158xy-0.1177yy
60 50
40 30
20 10
-10 3D Contour Plot yield.sta 4v22c
Var4 = -525.3462+8.4653x+108.8618y-0.059xx-0.186xy-8.2075yy
60 50
40 30
20 10
43.18 50.00
60.00 70.00
76.82 Nisbah Reaktan
4.0 4.5
5.0 5.5
6.0 6.5
7.0 7.5
8.0
pH
Gambar 4.7. Kontur respon nilai konversi sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan pH reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS.
Gambar 4.8 Respon permukaan nilai konversi sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan suhu reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS.
93
Gambar 4.9 Kontur respon nilai konversi sebagai fungsi dari nisbah reaktan dan suhu reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS.
Gambar 4.10 Respon permukaan nilai konversi sebagai fungsi pH dan suhu reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS.
3D Contour Plot yield.sta 4v22c Var4 = -1074.7638+6.3222x+20.5707y-0.0622xx+0.0158xy-0.1177yy
6 5
4 3
2 1
-1
43.18 50.00
60.00 70.00
76.82 Nisbah Reaktan
73.18 80.00
90.00 100.00
106.82
Suhu C
3D Surface Plot yield.sta 4v22c Var4 = -993.6674+62.1994x+19.1131y-8.7571xx+0.4678xy-0.1199yy
60 40
20 -2
-4
94
Dari hasil penelitian, pada Gambar 4.6, 4.8, dan 4.10 terlihat bahwa pengaruh nisbah pereaksi NaHSO
3
terhadap lignin, pH dan suhu reaksi berpengaruh nyata pada nilai konversi lignin NLS. Pada nisbah pereaksi, nilai
konversi yang terjadi masih rendah yaitu 40 , diikuti dengan kenaikan nilai konversi pada nisbah pereaksi yang lebih tinggi, hal ini menunjukkan bahwa
semakin tinggi nisbah pereaksi akan meningkatkan nilai konversi yang disebabkan oleh frekuensi terjadinya tumbukan atau interaksi antar pereaksi
yang semakin baik, sehingga menyebabkan masuknya gugus sulfonat dan garamnya -NaSO
3
mensubstitusi gugus hidroksil -OH lignin juga semakin sempurna. Adanya pengadukan juga membantu meningkatan nilai konversi. Hal
ini sesuai dengan prinsip Arrhenius bahwa nilai konstanta kecepatan reaksi k dipengaruhi oleh faktor tumbukan atau frekuensi tumbukan A yang pada
akhirnya akan meningkatkan laju reaksi r
A
.
Pada perbandingan pereaksi yang tinggi sampai batas nilai tertentu
tidak akan mempengaruhi peningkatan nilai konversi. Hal ini disebabkan karena telah terjadi kejenuhan atau kemampuan
masuknya gugus sulfonat dan garamnya -NaSO
3
mensubstitusi gugus hidroksil -OH lignin telah mencapai maksimum.
pH pada proses sulfonasi lignin juga mempengaruhi keberhasilan proses sulfonasi. Lignin hasil isolasi TKKS mempunyai pH 3,3 dan tidak larut dalam
air terkondensasi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sulfonasi lignin akan mendegradasi gugus – OH pada kondisi keasaman yang lebih tinggi minimal
Gambar 4.11 Kontur respon nilai konversi sebagai fungsi dari pH dan suhu reaksi sulfonasi lignin manjadi NLS.
3D Contour Plot yield.sta 4v22c Var4 = -993.6674+62.1994x+19.1131y-8.7571xx+0.4678xy-0.1199yy
6 4
2 -2
-4 4.0
4.5 5.0
5.5 6.0
6.5 7.0
7.5 8.0
pH 73.18
80.00 90.00
100.00 106.82
Suhu C
95 pH 5. Pada dasarnya reaksi lignin dengan natrium bisulfit telah meningkatkan
keasaman, semakin tinggi penambahan natrium bisulfit maka keasaman akan semakin meningkat dan nilai konversi akan semakin meningkat pula.
Penambahan NaOH sebagai katalis sangat baik, hal ini disamping membatasi penambahan agen penyulfonasi natrium bisulfit, juga membantu proses
pembentukan NLS yang lebih sempurna, karena terjadinya crosslinking pada pembentukan natrium sulfonat Kucera, 2001, seperti ditunjukkan reaksi
berikut: RH + SO
3
→ R-SO
3
H 2R-SO
3
H → R-SO
2
-R + H
2
SO
4
R-SO
2
-R + NaOH → R-SO
3
Na + RH Dari hasil penelitian pada kondisi pH 4, menunjukkan nilai konversi
masih rendah hal ini disebabkan pada kondisi tersebut lignin masih dalam keadaan terkondensasi sehingga sulit untuk terbentuknya reaksi yang sempurna.
Seiring dengan peningkatan pH sulfonasi, nilai konversi semakin meningkat. Hasil yang terbaik terjadi pada pH 6. Pada pH yang lebih tinggi diatas 6 lignin
akan mengalami degradasi yang lebih kuat, sehingga terbentuknya reaksi samping
Dari Gambar 4.6; 4.8 dan 4.10 juga menunjukkan pengaruh suhu reaksi terhadap nilai konversi yang dihasilkan. Semakin tinggi suhu reaksi , maka
semakin besar nilai konversi lignin menjadi natrium lignosulfonat NLS. Hal ini disebabkan karena tenaga kinetika yang dimiliki oleh molekul-molekul zat
pereaksi semakin besar. Dengan demikian semakin banyak molekul-molekul yang memiliki energi aktivasi, sehingga semakin banyak tumbukan antar molekul yang
berinteraksi antar reaktan. Pada suhu 70
O
C belum terjadi kenaikan konversi dan terjadi peningkatan pada suhu mencapai 90
O
C, pada suhu diatas 100
O
C terjadi penurunan nilai konversi. Temperatur diatas suhu reaksi 90
O
C, mengakibatkan penurunan konstanta kecepatan reaksi k yang juga mengakibatkan turunnya
konversi dan laju reaksi r
A
. Suhu diatas suhu reaksi juga mengakibatkan degradasi dan membentuk reaksi samping yang ditandai dengan perubahan warna
produk natrium lignosulfonat NLS yang cenderung semakin berwarna coklat tua.
96
4.1.6 Optimasi Kondisi Proses Sulfonasi Lignin Isolat Menjadi NLS terhadap