Sintesis dan Pencirian Superabsorben Onggok-g-Asam Akrilat
SINTESIS DAN PENCIRIAN SUPERABSORBEN
ONGGOK-g-ASAM AKRILAT
EBTA BRAMADA FITRIYANTO
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Sintesis dan Pencirian
Superabsorben Onggok-g-Asam Akrilat adalah benar karya saya dengan arahan
dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Desember 2012
Ebta Bramada Fitriyanto
NIM G44104012
ABSTRAK
EBTA BRAMADA FITRIYANTO. Sintesis dan Pencirian Superabsorben
Onggok-g-Asam Akrilat. Dibimbing oleh MOHAMMAD KHOTIB dan M.
ANWAR NUR.
Onggok merupakan salah satu limbah padat hasil pembuatan tapioka.
Tujuan dari penelitian ini ialah memodifikasi onggok menjadi polimer
superabsorben. Modifikasi dilakukan melalui pencangkokan dan penautan-silang
asam akrilat (AA) pada kerangka utama onggok dengan N,N’-metilenabisakrilamida (MBA) sebagai penaut-silang dan amonium persufat (APS) sebagai
inisiator. Sintesis dilakukan pada suhu 70 oC selama 3 jam kemudian produk
kopolimer ditentukan kapasitas serap airnya. Didapatkan nilai 761.01 g/g dari
komposisi 4.5 g onggok, 25.5 g AA, 24 mg MBA, dan 24 mg APS. Terbentuknya
kopolimer cangkok-taut-silang dapat dilihat dari spektrum inframerah yang
menunjukkan pita serapan fraksi polisakarida dalam onggok maupun AA.
Kapasitas serap superabsorben ditentukan dalam larutan pada kisaran pH 2 sampai
11. Nilai maksimum ialah 630.65 g/g pada pH 6.65. Kapasitas serap
superabsorben di dalam larutan garam juga ditentukan. Kapasitas serap menurun
dengan meningkatnya kekuatan ionik hingga konsentrasi NaCl 0.342 M. Kinetika
penyerapan superabsorben juga dipelajari dan parameter laju superabsorben di
dalam air didapatkan sebesar 2.61 menit untuk onggok ukuran 60 mesh.
Kata kunci: asam akrilat, kapasitas serap onggok, sintesis, superabsorben
ABSTRACT
EBTA BRAMADA FITRIYANTO. Synthesis and Characterization of Onggok-gAcrilate Acid. Supervised by MOHAMMAD KHOTIB and M. ANWAR NUR.
Onggok is a solid waste from tapioca processing. The aim of this study is to
modify onggok into superabsorbent polymer. The modification was conducted
through grafting and crosslinking of acrylic acid (AA) on onggok backbone, with
N,N’-methylene-bis-acrylamide (MBA) as crosslinker, and ammonium persulfate
(APS) as initiator. The synthesis was conducted at 70 oC for 3 hours and the
water absorption capacity of the copolymer products were then measured. A
761.01 g/g value was obtained from copolymer composed of 4.5 g onggok, 25.5 g
AA, 24 mg MBA, and 24 mg APS. The occurence of grafting-crosslinking
copolymer was confirmed by infrared spectra, which exhibited all characteristic
bands of both polysaccharide fractions of onggok and AA units. The absorbency
of superabsorbents were measured in solutions having pH ranging from 2 to 11.
The maximum value was 630.65 g/g at pH 6.65. The superabsorbent’s absorbency
in salt solution was decreased with increasing ionic strength up to 0.342 M
concentration of NaCl. The absorbency kinetics of superabsorbents were studied
as well and the rate parameter in water was found to be 2.61 minutes for onngok
with 60 mesh particle size.
Key words: absorbency, acrylic acid, onggok, superabsorbent, synthesis
SINTESIS DAN PENCIRIAN SUPERABSORBEN
ONGGOK-g-ASAM AKRILAT
EBTA BRAMADA FITRIYANTO
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
2013
Judul Skripsi : Sintesis dan Pencirian Superabsorben Onggok-g-Asam Akrilat
Nama
: Ebta Bramada Fitriyanto
NIM
: G44104012
Disetujui oleh
Mohammad Khotib, SSi, MSi
Pembimbing I
Prof (em) Dr Ir Anwar Nur, MSc
Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala
limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya
ilmiah yang berjudul “Sintesis dan Pencirian Superabsorben Onggok-g-Asam
Akrilat”. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan penelitian yang dilaksanakan pada
bulan Maret hingga Agustus 2012 di Laboratorium Terpadu Institut Pertanian
Bogor.
Penulis mengucapkan terima kasih atas semua bimbingan, dukungan, dan
kerjasama yang telah diberikan oleh Bapak Mohammad Khotib, SSi, MSi selaku
pembimbing I dan Bapak Prof (em) Dr Ir Anwar Nur, MSc selaku pembimbing II.
Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Ayah, Ibu, serta keluarga
atas segala doa dan semangat yang diberikan. Terima kasih juga kepada Sujono,
Yuris, Doni, Devi dan teman-teman analis Laboratorium Terpadu atas bantuan
yang telah diberikan selama penelitian.
Semoga skripsi ini dapat bermanfaat. Terima kasih.
Bogor, Desember 2012
Ebta Bramada Fitriyanto
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
METODE
Alat dan Bahan
Langkah Kerja
HASIL DAN PEMBAHASAN
Polimer Superabsorben Onggok-g-AA
Pencirian Superabsorben Onggok-g-AA
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP
vii
vii
1
2
2
2
3
3
6
9
9
9
9
16
DAFTAR GAMBAR
1 Pengaruh AA (a), MBA (b), dan APS (c) terhadap respons kapasitas
serap PSA onggok-g-AA
2 Spektrum FTIR onggok-g-AA (1) dan onggok (2)
3 Laju penyerapan air PSA onggok-g-AA
4 Kurva kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam berbagai nilai pH
5 Gaya tolak anion dalam matriks PSA
6 Kurva kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan NaCl
5
6
7
7
8
8
DAFTAR LAMPIRAN
1 Hipotesis reaksi pencangkokan dan penautan-silang pati dengan
monomer AA dan penaut-silang MBA
2 Hasil Anova untuk kapasitas serap air PSA onggok-g-AA
3 Kinetika penyerapan PSA onggok-g-AA
4 Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan dengan berbagai pH
5 Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan NaCl
11
12
13
14
15
1
PENDAHULUAN
Pengolahan singkong menjadi tepung tapioka menghasilkan limbah padat
berupa onggok sebanyak 11% (Virlandia 2005). Onggok mengandung senyawa
karbohidrat sekitar 65.90% (Kurniadi 2010). Beberapa upaya telah dilakukan
untuk meningkatkan nilai tambah onggok, seperti pengayaan onggok melalui
fermentasi dengan Aspergillus niger yang dapat digunakan sebagai pakan ternak
(Oboh 2000). Hidrolisis onggok yang difermentasi dapat dimanfaatkan untuk
pembuatan etanol (Srinorakutara 2006). Purnawati (2007) melaporkan bahwa
onggok dapat digunakan sebagai sumber karbon untuk produksi bioinsektisida
Bacillus thuringirnsis subsp. israelens. Potensi senyawaan karbohidrat dalam
onggok dapat juga dimanfaatkan sebagai bahan dasar superabsorben. Polimer
superabsorben (PSA) adalah suatu bahan yang dapat menyerap dan menyimpan
air lebih dari bobot asalnya dan tidak melepasnya dalam waktu singkat atau
melepasnya secara perlahan.
Sintesis PSA dapat dilakukan dengan proses pencangkokan dan penautansilang. Inisiator yang sering digunakan adalah amonium persulfat dan serium
sulfat, sedangkan penaut-silang yang sering digunakan antara lain trimetil
propana triakrilat, 1,4-butadienol dimetakrilat, dan N,N’-metilena-bisakrilamida
(Swantomo et al. 2008). Penelitian sebelumnya telah dilakukan mengenai
sintesis PSA berbasis karbohidrat dari onggok tapioka. Kurniadi (2010)
melakukan kopolimerisasi pencangkokan monomer asam akrilat menggunakan
serium sulfat sebagai inisiator. Produk PSA yang dihasilkan memberikan
kapasitas serap sebesar 4.2450 g/g. Amroni (2011) menyintesis PSA melalui
kopolimerisasi pencangkokan dan penautan-silang onggok dengan akrilamida.
Setelah proses saponifikasi dihasilkan kapasitas serap sebesar 1033.47 g/g. Sari
(2011) melakukan sintesis PSA onggok-g-akrilamida dan melihat pengaruh
konsentrasi inisiator serta penaut-silang terhadap kapasitas serap air. Produk
PSA setelah proses saponifikasi memiliki kapasitas serap maksimum sebesar
578.23 g/g.
Parameter optimum dalam kopolimerisasi pencangkokan dan penautansilang PSA dapat dipelajari dan telah dilakukan menggunakan rancangan
statistik seperti rancangan faktorial (Murat dan Hande 2011), Box-Bohnken
(Parvathy dan Jyothi 2012), dan Taguchi (Pourjavadi et al. 2010). Parameter
yang dikaji adalah konsentrasi monomer, suhu, inisiator, penaut-silang, dan
waktu sintesis. Rancangan faktorial digunakan dalam penelitian ini karena dapat
melihat faktor yang berpengaruh dan keberadaan interaksi antar faktor secara
bersamaan. Kombinasi antartaraf dari 2 atau lebih faktor juga dapat dilakukan
sekaligus. Montgomery (2001) menjelaskan bahwa rancangan faktorial
dibedakan menjadi rancangan faktorial lengkap dan fraksional. Rancangan
faktorial lengkap mengharuskan setiap kombinasi perlakuan dilakukan dalam
percobaan, sedangkan rancangan fraksional faktorial mereduksi jumlah
perlakuan yang dicobakan dengan tidak mengurangi keabsahan hasil yang
didapatkan sehingga lebih efektif dan efisien dalam waktu pengerjaan dan biaya.
Penelitian ini bertujuan menyintesis PSA onggok-g-AA dan menentukan
pengaruh bobot N,N’-metilena-bisakrilamida (MBA) sebagai penaut-silang,
amonium persulfat (APS) sebagai inisiator, dan asam akrilat (AA) sebagai
2
monomer terhadap kapasitas serap PSA yang dihasilkan menggunakan
rancangan fraksional faktorial. Produk PSA onggok-g-AA dicirikan dengan
spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR), kinetika penyerapan
air, serta kapasitas serapnya dalam larutan dengan berbagai nilai pH dan dalam
berbagai konsentrasi larutan NaCl.
METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan antara lain spektrofotometer Shimadzu FTIR
Prestige-21, neraca analitik, alat-alat kaca, pH-meter, dan saringan 100 mesh.
Bahan-bahan (p.a) yang digunakan meliputi onggok (industri tapioka di daerah
Bogor), AA yang telah dinetralisasi, APS, MBA, asam sulfat, natrium hidroksida
(Merck®), dan gas nitrogen.
Langkah Kerja
Penelitian ini terbagi dalam 3 tahap, yaitu persiapan bahan, sintesis, dan
pencirian PSA onggok-g-AA. Kombinasi perlakuan ditentukan dengan bantuan
perangkat lunak Minitab 14 menggunakan rancangan fraksional faktorial 23,
dengan faktor-faktor sebagai berikut: AA sebagai monomer, APS sebagai
inisiator, dan MBA sebagai penaut-silang. Digunakan 2 taraf tiap faktor
sehingga didapatkan 8 perlakuan.
Persiapan Onggok
Onggok dicuci dengan air hingga filtrat hasil pencucian jernih kemudian
dikering-udarakan. Limbah padat kering dihaluskan dengan ukuran 100 mesh.
Sintesis PSA Onggok-g-AA
Serbuk onggok dilarutkan dengan akuades menggunakan nisbah 1:10 di
dalam labu leher tiga yang telah terangkai dengan kondensor. Campuran
dipanaskan hingga berbentuk bubur pada suhu 90−95 °C selama 30 menit
sambil diaduk dengan kecepatan 200 rpm. Gas nitrogen kemudian dialirkan
dan suhu diturunkan ke 60−65 °C. Selanjutnya AA yang telah dinetralisasi
hingga pH 4.83 dengan larutan NaOH 40% dimasukkan dan diaduk selama 5
menit. Setelah itu, berturut-turut ditambahkan penaut-silang MBA dan inisiator
APS yang masing-masing telah dilarutkan dalam akuades dengan diaduk selama
5 menit setiap penambahan, kemudian suhu campuran dinaikkan ke 70−75 °C.
Reaksi dibiarkan berlangsung selama 3 jam hingga terbentuk gel.
Produk PSA onggok-g-AA diendapkan dengan menggunakan metanol
kemudian aseton. Endapan lalu dikeringkan pada suhu 60 °C hingga bobotnya
konstan. Produk yang telah kering dihaluskan hingga berukuran 100 mesh.
3
Pencirian PSA Onggok-g-AA
Pencirian spektrum inframerah dilakukan dengan menggunakan
spektrofotometer Shimadzu FTIR Prestige-21. Sebanyak 100 mg KBr dan 10 mg
PSA onggok-g-AA dicampur hingga homogen. Campuran dibuat pelet lalu
ditempatkan pada wadah sampel. Pemayaran dilakukan pada kisaran bilangan
gelombang 400−4000 cm-1.
Uji kapasitas serap dilakukan dengan menimbang PSA onggok-g-AA
sebanyak kira-kira 0.1 g (W o ) lalu direndam dalam 200 mL air bebas ion
selama 24 jam. Hidrogel yang telah mengembang disaring dengan saringan 100
mesh dan ditimbang bobot akhirnya (W1) setelah didapat bobot konstan. Hanya
PSA onggok-g-AA dengan kapasitas serap tertinggi yang digunakan untuk uji
kapasitas serap selanjutnya. Kapasitas serap (Q) dihitung dengan menggunakan
persamaan
W1 -W0
× 100%
W0
Uji kapasitas serap pada berbagai nilai pH dilakukan dengan merendam
0.1 g PSA onggok-g-AA dalam 200 mL larutan pH 2 hingga 11 selama 24 jam.
Uji kapasitas serap dalam larutan NaCl dilakukan dengan merendam 0.1
g PSA onggok-g-AA dalam 200 mL larutan NaCl 0.04, 0.08, 0.12, 0.16,
0.20, 0.50, dan 1 M selama 24 jam. Kinetika penyerapan ditentukan
dengan merendam 0.1 g PSA onggok-g-AA dalam 200 mL air bebas ion
dengan berbagai waktu perendaman: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 60 menit.
Hidrogel yang telah mengembang pada setiap perlakuan disaring dengan
saringan 100 mesh. Setelah mendapat bobot konstan, bobot akhir
ditimbang.
Q=
HASIL DAN PEMBAHASAN
Polimer Superabsorben Onggok-g-AA
PSA onggok-g-AA pada penelitian ini didapatkan melalui reaksi
kopolimerisasi radikal bebas dengan dugaan mekanisme reaksi diberikan pada
Lampiran 1. Kombinasi komposisi AA, APS, dan MBA untuk sintesis PSA
onggok-g-AA ditentukan melalui rancangan fraksional faktorial menggunakan
perangkat lunak Minitab 14. Kemudian pengaruh bobot AA, APS, dan MBA
terhadap kapasitas serap ditentukan dengan analysis of variance (Anova) yang
tersaji pada Lampiran 2. Kapasitas serap maksimum diperoleh sebesar 761.01
g/g dengan komposisi AA 25.5 g, MBA 24 mg, dan APS 24 mg (Tabel). Nilai
kapasitas serap tersebut lebih besar bila dibandingkan dengan hasil Sari (2011)
yang mendapatkan kapasitas serap maksimum sebesar 578.23 g/g untuk PSA
onggok-g-akrilamida. Oleh sebab itu, dapat disimpulkan bahwa PSA onggok-gAA memiliki kualitas yang baik bila ditinjau dari kemampuan menyerap air.
4
Tabel Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dengan berbagai komposisi
Perlakuan
AA (g)
1
2
3
4
5
6
7
8
19.50
19.50
19.50
19.50
25.50
25.50
25.50
25.50
MBA (mg)
24.00
24.00
36.00
36.00
24.00
24.00
36.00
36.00
APS (mg)
24.00
36.00
24.00
36.00
24.00
36.00
24.00
36.00
Absorpsi (g/g)
75.98
129.05
56.91
83.99
761.01
619.77
583.64
695.01
Bobot AA memberikan pengaruh nyata terhadap respons kapasitas serap
berdasarkan hasil Anova. Bobot AA sebesar 25.5 g menghasilkan kapasitas
serap lebih tinggi dibandingkan bobot AA sebesar 19.5 g (Gambar 1a). Menurut
Ivanov (1992), sebelum kondisi optimum, penambahan bobot AA meningkatkan
proses difusi ke dalam matriks polimer sehingga meningkatkan potensi
pencangkokan. Namun, setelah melewati kondisi optimum penambahan lebih
banyak AA justru menghambat difusi sehingga menurunkan potensi
pencangkokan. Dapat disimpulkan bahwa peningkatan kapasitas serap
berbanding lurus dengan potensi pencangkokan.
Bobot MBA 24 dan 36 mg belum menunjukkan pengaruh nyata terhadap
respons kapasitas serap berdasarkan hasil Anova (Gambar 1b). Bobot MBA
yang digunakan tersebut belum optimum. Sadeghi dan Ghasemi (2012)
mendapatkan nilai kapasitas serap maksimum sebesar 94 mg MBA untuk
sintesis PSA kolagen-g-poli(AA-co-IA). Kondisi optimum akan didapatkan jika
digunakan kisaran bobot MBA yang lebih luas. Kuruwita (2008) menjelaskan
bahwa penaut-silang dapat membentuk ruang 3 dimensi dengan cara
menghubungkan molekul-molekul kecil. Ruang 3 dimensi yang terbentuk
menjadi salah satu faktor penentu kapasitas serap. Saat konsentrasi penaut-silang
melewati kondisi optimum, kerapatan ruang tiga dimensi yang terbentuk
menyebabkan gel sulit mengembang sehingga kapasitas serap menurun.
Bobot APS 24 dan 36 mg yang digunakan juga belum menunjukkan
pengaruh nyata terhadap respons kapasitas serap berdasarkan hasil Anova
(Gambar 1c). Pourjavadi et al. (2005) memperoleh nilai kapasitas serap
maksimum pada penggunaan 50 mg APS untuk sintesis PSA alginat-gpolimetakrilamida. Pengaruh APS terhadap respons kapasitas serap akan terlihat
nyata bila didapatkan kondisi optimum yang belum ditunjukkan dalam penelitian
ini. Pembentukan radikal persulfat dapat membentuk tapak aktif rantai glukosa
pada onggok yang sebanding dengan meningkatnya nilai kapasitas serap suatu
PSA.
5
700
Kapasitas serap (g/g)
600
500
400
300
200
100
0
19,5
25,5
AA (g)
(a)
600
Kapasitas serap (g/g)
500
400
300
200
100
24
36
MBA (mg)
(b)
800
Kapasitas serap (g/g)
700
600
500
400
300
200
24
36
APS (mg)
(c)
Gambar 1 Pengaruh AA (a), MBA (b), dan APS (c) terhadap respons kapasitas
serap PSA onggok-g-AA
6
Pencirian Superabsorben Onggok-g-AA
Analisis Gugus Fungsi Menggunakan Spektrofotometer FTIR
Gugus fungsi pada sampel onggok dan PSA onggok-g-AA dianalisis
berdasarkan spektrum FTIR pada Gambar 2 untuk menentukan keberhasilan
proses pencangkokan. Spekrum FTIR onggok menunjukkan puncak serapan
lebar pada bilangan gelombang 3200 cm-1 yang merupakan serapan khas dari
vibrasi ulur –OH. Pita serapan vibrasi ulur –CH muncul pada bilangan
gelombang 2900 cm-1, sedangkan vibrasi ulur C–C muncul pada 1100 cm-1.
Spektrum onggok yang telah mengalami proses pencangkokan menunjukkan
juga vibrasi ulur C–O pada 1270 cm-1 dan C=O pada 1670 cm-1. Kedua pita
serapan ini membuktikan bahwa proses pencangkokan onggok dengan monomer
asam akrilat telah berlangsung.
Gambar 2 Spektrum FTIR onggok-g-AA (1) dan onggok (2)
Laju Penyerapan Air
Laju penyerapan air oleh PSA onggok-g-AA didapati meningkat secara
signifikan pada awal proses kemudian cenderung konstan dan mencapai
kesetimbangan setelah 60 menit (Gambar 3) dengan nilai kapasitas serap 654 g/g
(Lampiran 3). Parameter laju penyerapan hidrogel di dalam air (τ) ditentukan
menggunakan persamaan Voigt (Pourjavadi et al. 2010) sebagai berikut:
e τ
St (g/g) merupakan kapasitas serap saat waktu tertentu, Se (g/g) kapasitas serap
saat kesetimbangan, sedangkan t merupakan waktu saat gel mengembang.
Persamaan Voigt yang didapatkan pada laju penyerapan PSA onggok-g-AA
ialah
.
.
Kapasitas serap (g/g)
7
.
702
90
.
585
75
.
468
60
.45
351
.
234
30
.15
117
0
0.0
0.0
5.5
11.0
16.5
22.0
27.5
33.0
Waktu (menit)
Gambar 3 Laju penyerapan air PSA onggok-g-AA
Semakin kecil nilai τ, laju penyerapan air suatu PSA semakin cepat untuk
mencapai kesetimbangan. Menurut Zhang et al. (2005), laju penyerapan air
dipengaruhi oleh ukuran partikel, luas permukaan, dan densitas PSA. Nilai τ
PSA onggok-g-AA ialah 2.61 menit dengan ukuran 60 mesh. Nilai τ yang
didapat lebih baik dibandingkan dengan Wang et al. (2010) yang mendapatkan
nilai τ = 3.74 menit dengan ukuran partikel 60 mesh untuk superabsorben
poliakrilat yang dikomposit dengan hidroksiapatit. Pourjavadi et al. (2010)
mendapatkan nilai τ = 7.5 menit dengan ukuran partikel 60 mesh untuk
superabsorben pati-karaginan kopolimer poliakrilonitril dengan radiasi sinar γ.
Kapasitas serap (g/g)
Kapasitas Serap PSA Onggok-g-AA dalam Berbagai Nilai pH
Kapasitas serap PSA onggok-g-AA diamati pada kisaran pH 2 hingga 11
(Gambar 4 dan Lampiran 4). Pada pH 2 dan 3, kapasitas serap dipengaruhi oleh
kekuatan ionik larutan asam kuat sehingga hidrogel sulit mengembang. Pada pH
3 hingga 8, kapasitas serap meningkat yang menunjukkan perubahan gugus –
COOH menjadi anion COO . Deprotonasi ini meningkatkan gaya tolak anion
sehingga kapasitas serap meningkat secara maksimum (Kuruwita 2008). Pada
nilai pH 8 hingga 11, kapasitas serap menurun karena terbentuknya garam –
COONa yang menurunkan gaya tolak anion (Pourjavadi et al. 2010).
Perhitungan melalui persamaan kuadratik y = –548 + 344x – 25.1x2
menghasilkan kapasitas serap maksimum sebesar 630.6461 g/g pada pH 6.65.
.
714
30
.
595
55
.
476
80
.0 5
358
.
239
30
.
120
55
0
1.8
1.1
2.9
4.7
6.5
8.3
10.1
11.9
pH
Gambar 4 Kurva kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam berbagai nilai pH
8
Kapasitas Serap PSA Onggok-g-AA dalam Larutan Garam
Kapasitas serap PSA onggok-g-AA hasil penelitian dalam larutan garam
jauh lebih rendah dibandingkan dengan dalam air bebas-ion (Lampiran 5).
Menurut Kuruwita (2008), penurunan kemampuan penyerapan dalam larutan
garam disebabkan berkurangnya tolakan elektrostatik anion di dalam matriks
polimer sehingga gel polimer tidak mengembang (Gambar 5). Gaya tolak
elektrostatik terjadi akibat perbedaan konsentrasi di dalam dan di sekitar gel.
Hubungan kapasitas serap dengan konsentrasi garam dapat dijelaskan dengan
persamaan
garam
Persamaan yang didapatkan dari kurva kapasitas serap dalam larutan NaCl untuk
PSA onggok-g-AA (Gambar 6) ialah
.
garam .
Nilai k sebesar 29.87 g/g, menggambarkan kapasitas serap PSA onggok-gAA saat konsentrasi larutan NaCl 1 M. Nilai n = 0.342 mengindikasikan bahwa
pada konsentrasi di atas 0.342 M, kapasitas serap PSA onggok-g-AA tidak
berbeda nyata. Nilai n akan berbeda untuk jenis garam yang berbeda (Pourjavadi
et al. 2010).
Gambar 5 Gaya tolak anion dalam matriks PSA
Kapasitas Serap (g/g)
50
98.
50
85.
50
72.
50
59.
50
46.
50
33.
50
20. 0.0
0.2
0.4
0.6
0.7
0.9
1.1
NaCl (M)
Gambar 6 Kurva kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan NaCl
9
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
PSA onggok-g-AA berhasil disintesis melalui kopolimerisasi
pencangkokan dan penautan-silang pada onggok dengan monomer AA, penautsilang MBA, dan inisiator APS. Kapasitas serap air tertinggi sebesar 761.01 g/g
dengan AA 25.5 g, MBA 24 mg, dan APS 24 mg. Bobot AA berpengaruh nyata
terhadap respons kapasitas serap PSA onggok-g-AA, sedangkan bobot APS, dan
MBA tidak berpengaruh nyata. PSA onggok-g-AA mempunyai nilai parameter
laju (τ) sebesar 2.61 menit dengan ukuran partikel 60 mesh, kapasitas serap
optimum pada pH 6.65, dan kapasitas serap tidak berbeda nyata pada konsentrasi
NaCl di atas 0.342 M.
Saran
Kisaran taraf yang lebih luas perlu dicoba pada faktor APS dan MBA
karena belum memberikan perbedaan nyata terhadap kapasitas serap PSA
onggok-g-AA. Selain itu, perlu penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan
kapasitas serap PSA onggok-g-AA pada larutan garam.
DAFTAR PUSTAKA
Amroni M. 2011. Sintesis superabsorben melalui kopolimerisasi pencangkokan
dan penautan silang onggok dengan akrilamida [skripsi]. Bogor (ID):
Institut Pertanian Bogor.
Ivanov VS. 1992. Radiation Chemistry of Polymers. New Concept in Polymers
Science. Ed ke-1. Utrecht (NL): Khimiya-Leningrad.
Kurniadi T. 2010. Kopolimerisasi grafting monomer asam akrilat pada singkong
dan karakterisasinya [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Kuruwita T. 2008. Smart polymer materials [disertasi]. Ohio (US): Bowling
Green State University.
Montgomery D. 2001. Design and Analysis of Experimenta. Ed ke-5. New York
(US): J Wiley.
Murat S, Hande H. 2011. Radiation synthesis and characterization of the
network structure of natural/synthesis double-network superabsorbent
polymers. Rad Phys Chem, 81:1378-1382.
Oboh. 2000. Nutrient and anti-nutrient content of Aspergillus niger fermented
cassava product (flour and garri). J Food Compos Anal. 15(5):617-622.
Parvathy P, Jyothi A. 2012. Synthesis, characterization and swelling behavior of
superabsorbent polymers from cassava strach-graft-poly(acrylamide).
Strach/Starke. 64:207-218.
10
Pourjavadi A, Soleyman R, Bardajee, Seidi F. 2010. γ-Irradiation synthesis of a
smart hydrogel: optimization using Taguchi method and investigation of
its swelling behavior. Chem Eng. 17:15-23.
Pourjavadi A, Amini F, Hosseinzadeh H. 2005. Partially hydrolyzed crosslinked
alginate-g-polymethacrylamide
as
a
novel
biopolymer-based
superabsorbent hydrogel having pH-responsive properties. Macromol Res.
13:45-53
Purnawati R. 2007. Pengembangan produksi bioinsektisida oleh Bacillus
thuringiensis subsp. israelensis secara curah menggunakan substrat
onggok [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Sadeghi M, Ghasemi N. 2012. Synthesis and study on effect of various chemical
conditions on the swelling property of collagen-g-poly(AA-co-IA)
superabsorbent hydrogel. Indian J Sci Technol. 5:1879-1884.
Sari N. 2011. Sintesis polimer superabsorben onggok tapioka-akrilamida:
pengaruh konsentrasi inisiator dan penaut silang [skripsi]. Bogor (ID):
Institut Pertanian Bogor.
Srinorakutara T. 2006. Approach of cassava waste pretreatments for fuel ethanol
productions in Thailand. J Sci Res Chulalengkorn Univ. 31(1):77-84.
Swantomo D, Megasari K, Saptaaji R. 2008. Pembuatan komposit polimer
superabsorben dengan mesin berkas elektron. JFN. 2:143-156
Virlandia F. 2005. Pemanfaatan onggok tapioka sebagai bahan baku pembuatan
minyak melalui teknologi biokonversi [skripsi]. Bandung (ID): Universitas
Padjajaran.
Wang J, Zhang Y, Wang A. 2010. Synthesis and swelling behaviors of
poly(sodium acrylate)/hydroxyapatite superabsorbent nanocomposites.
Adv Mar Res 96:227-232.
Zhang J, Chen H, Wang A. 2005. Studybon superabsorbent composite. III.
Swelling behaviors of polyacrylamide/attapulgite composite based on
acidified attapulgite and organo-attpulgite. Europ Polym J. 41:2434-2442.
11
n dan penauutan-silang pati dengan
n
Lampiran 1 Hipotesis reaksi peencangkokan
monomeer AA dan penaut-silan
p
ng MBA
Tahap inissiasi
Tahap proopagasi
Tahap Terrminasi
12
Lampiran 2 Hasil Anova untuk kapasitas serap air PSA onggok-g-AA
Estimated Effects and Coefficients for % Absorpsi (coded units)
Term
Constant
Asam Akrilat
N,N-metilena-bisakrilamida
Amonium Persulfat
S = 66,7375
R-Sq = 97,42%
Effect
578,38
-41,57
12,57
Coef
375,67
289,19
-20,78
6,28
SE Coef
23,60
23,60
23,60
23,60
T
15,92
12,26
-0,88
0,27
P
0,000
0,000
0,428
0,803
R-Sq(adj) = 95,49%
Analysis of Variance for % Absorpsi (coded units)
Source
Main Effects
Residual Error
Total
DF
3
4
7
Seq SS
672813
17816
690629
Adj SS
672813
17816
Adj MS
224271
4454
F
50,35
P
0,001
Estimated Coefficients for % Absorpsi using data in uncoded units
Term
Constant
Asam Akrilat
N,N-metilena-bisakrilamida
Amonium Persulfat
Alias Structure
I
Asam Akrilat
N,N-metilena-bisakrilamida
Amonium Persulfat
Coef
-1720,75
96,3963
-3,46399
1,04727
13
Lampiran 3 Kinetika penyerapan PSA onggok-g-AA
Waktu (menit)
1
Bobot Awal (g)
0.1098
0.1064
0.1033
0.1335
0.1180
0.1208
0.1249
0.1044
0.1283
0.1342
0.1131
0.1206
0.1040
0.1267
0.1170
0.1310
0.1049
0.1225
2
3
4
5
10
20
30
60
Contoh perhitungan:
Kapasitas serap air (Qeq)
Bobot akhir Bobot awal
Bobot awal
.
.
.
g/g
.
Bobot Akhir (g)
27.1745
25.6942
31.7616
34.6924
51.5421
35.7245
70.5717
56.7747
72.1815
76.9072
70.2171
67.9547
62.8974
76.1360
68.0615
91.5988
68.6567
79.9406
Qeq (g/g)
246.49
240.49
306.47
258.87
435.80
294.73
564,03
542.82
561.60
572.08
619.84
562.47
603.78
599.92
580.72
698.23
653.50
651.58
14
Lampiran 4 Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan dengan berbagai
pH
pH
2
Bobot awal (g)
0.1045
0.1156
0.1072
0.1360
0.1311
0.1119
0.1259
0.1010
0.1130
0.1033
0.2192
0.1329
0.1227
0.1029
0.1032
0.1076
0.1261
0.1117
0.1215
0.1113
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Contoh perhitungan:
Kapasitas serap air (Qeq)
Bobot akhir Bobot awal
Bobot awal
.
.
.
g/g
.
Bobot akhir (g)
2.2894
1.7950
34.2360
52.6799
52.1540
43.6399
60.1555
54.5777
69.3097
58.4276
133.4142
81.6245
79.4076
67.4160
51.1750
60.8682
54.8926
53.9942
17.0379
15.3986
Qeq (g/g)
20.90
14.52
318.36
386.35
396.81
388.99
476.80
539.37
612.36
564.61
607.64
613.17
646.16
654.16
494.88
564.68
434.31
482.38
139.22
137.35
15
Lampiran 5 Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan NaCl
NaCl (M)
0.0400
0.0800
0.1200
0.1600
0.2000
0.5000
1.0000
Bobot Awal (g)
0.1098
0.1458
0.1031
0.1900
0.1125
0.1132
0.1001
0.1130
0.1280
0.1304
0.1162
0.1190
0.1039
0.1199
Bobot Akhir (g)
10.4945
13.2915
7.2843
11.0690
8.1317
6.0621
6.4886
5.8464
6.2021
7.2329
5.1249
4.9375
3.0590
3.2225
Contoh perhitungan:
Kapasitas serap air (Qeq)
Bobot akhir Bobot awal
Bobot awal
.
.
.
g/g
.
Qeq (g/g)
94.58
90.16
69.65
57.26
71.28
52.55
63.82
50.74
47.45
54.47
43.10
40.49
28.44
25.88
16
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 15 Mei 1989 dari Ayah
Mugiyanto dan Ibu Dri Asmara Kurniasih. Penulis merupakan anak kedua dari
tiga bersaudara. Penulis menyelesaikan studi di SMA 1 Rengasdengklok pada
tahun 2007. Pada tahun yang sama penulis diterima pada Program Diploma 3
Analisis Kimia Institut Pertanian Bogor (IPB). Kemudian pada tahun 2010
penulis melanjutkan studi di Program Alih Jenis Departemen Kimia Institut
Pertanian Bogor.
Selama mengikuti masa perkuliahan penulis aktif dalam komunitas Catur
IPB. Selain itu, penulis pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Kimia
Industri, Kimia Anorganik, dan Mikrobiologi di D3 Analisis Kimia IPB pada
tahun 2011-2012.
ONGGOK-g-ASAM AKRILAT
EBTA BRAMADA FITRIYANTO
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Sintesis dan Pencirian
Superabsorben Onggok-g-Asam Akrilat adalah benar karya saya dengan arahan
dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada
perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya
yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam
teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Desember 2012
Ebta Bramada Fitriyanto
NIM G44104012
ABSTRAK
EBTA BRAMADA FITRIYANTO. Sintesis dan Pencirian Superabsorben
Onggok-g-Asam Akrilat. Dibimbing oleh MOHAMMAD KHOTIB dan M.
ANWAR NUR.
Onggok merupakan salah satu limbah padat hasil pembuatan tapioka.
Tujuan dari penelitian ini ialah memodifikasi onggok menjadi polimer
superabsorben. Modifikasi dilakukan melalui pencangkokan dan penautan-silang
asam akrilat (AA) pada kerangka utama onggok dengan N,N’-metilenabisakrilamida (MBA) sebagai penaut-silang dan amonium persufat (APS) sebagai
inisiator. Sintesis dilakukan pada suhu 70 oC selama 3 jam kemudian produk
kopolimer ditentukan kapasitas serap airnya. Didapatkan nilai 761.01 g/g dari
komposisi 4.5 g onggok, 25.5 g AA, 24 mg MBA, dan 24 mg APS. Terbentuknya
kopolimer cangkok-taut-silang dapat dilihat dari spektrum inframerah yang
menunjukkan pita serapan fraksi polisakarida dalam onggok maupun AA.
Kapasitas serap superabsorben ditentukan dalam larutan pada kisaran pH 2 sampai
11. Nilai maksimum ialah 630.65 g/g pada pH 6.65. Kapasitas serap
superabsorben di dalam larutan garam juga ditentukan. Kapasitas serap menurun
dengan meningkatnya kekuatan ionik hingga konsentrasi NaCl 0.342 M. Kinetika
penyerapan superabsorben juga dipelajari dan parameter laju superabsorben di
dalam air didapatkan sebesar 2.61 menit untuk onggok ukuran 60 mesh.
Kata kunci: asam akrilat, kapasitas serap onggok, sintesis, superabsorben
ABSTRACT
EBTA BRAMADA FITRIYANTO. Synthesis and Characterization of Onggok-gAcrilate Acid. Supervised by MOHAMMAD KHOTIB and M. ANWAR NUR.
Onggok is a solid waste from tapioca processing. The aim of this study is to
modify onggok into superabsorbent polymer. The modification was conducted
through grafting and crosslinking of acrylic acid (AA) on onggok backbone, with
N,N’-methylene-bis-acrylamide (MBA) as crosslinker, and ammonium persulfate
(APS) as initiator. The synthesis was conducted at 70 oC for 3 hours and the
water absorption capacity of the copolymer products were then measured. A
761.01 g/g value was obtained from copolymer composed of 4.5 g onggok, 25.5 g
AA, 24 mg MBA, and 24 mg APS. The occurence of grafting-crosslinking
copolymer was confirmed by infrared spectra, which exhibited all characteristic
bands of both polysaccharide fractions of onggok and AA units. The absorbency
of superabsorbents were measured in solutions having pH ranging from 2 to 11.
The maximum value was 630.65 g/g at pH 6.65. The superabsorbent’s absorbency
in salt solution was decreased with increasing ionic strength up to 0.342 M
concentration of NaCl. The absorbency kinetics of superabsorbents were studied
as well and the rate parameter in water was found to be 2.61 minutes for onngok
with 60 mesh particle size.
Key words: absorbency, acrylic acid, onggok, superabsorbent, synthesis
SINTESIS DAN PENCIRIAN SUPERABSORBEN
ONGGOK-g-ASAM AKRILAT
EBTA BRAMADA FITRIYANTO
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
2013
Judul Skripsi : Sintesis dan Pencirian Superabsorben Onggok-g-Asam Akrilat
Nama
: Ebta Bramada Fitriyanto
NIM
: G44104012
Disetujui oleh
Mohammad Khotib, SSi, MSi
Pembimbing I
Prof (em) Dr Ir Anwar Nur, MSc
Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Ir Tun Tedja Irawadi, MS
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas segala
limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya
ilmiah yang berjudul “Sintesis dan Pencirian Superabsorben Onggok-g-Asam
Akrilat”. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan penelitian yang dilaksanakan pada
bulan Maret hingga Agustus 2012 di Laboratorium Terpadu Institut Pertanian
Bogor.
Penulis mengucapkan terima kasih atas semua bimbingan, dukungan, dan
kerjasama yang telah diberikan oleh Bapak Mohammad Khotib, SSi, MSi selaku
pembimbing I dan Bapak Prof (em) Dr Ir Anwar Nur, MSc selaku pembimbing II.
Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Ayah, Ibu, serta keluarga
atas segala doa dan semangat yang diberikan. Terima kasih juga kepada Sujono,
Yuris, Doni, Devi dan teman-teman analis Laboratorium Terpadu atas bantuan
yang telah diberikan selama penelitian.
Semoga skripsi ini dapat bermanfaat. Terima kasih.
Bogor, Desember 2012
Ebta Bramada Fitriyanto
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
METODE
Alat dan Bahan
Langkah Kerja
HASIL DAN PEMBAHASAN
Polimer Superabsorben Onggok-g-AA
Pencirian Superabsorben Onggok-g-AA
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
RIWAYAT HIDUP
vii
vii
1
2
2
2
3
3
6
9
9
9
9
16
DAFTAR GAMBAR
1 Pengaruh AA (a), MBA (b), dan APS (c) terhadap respons kapasitas
serap PSA onggok-g-AA
2 Spektrum FTIR onggok-g-AA (1) dan onggok (2)
3 Laju penyerapan air PSA onggok-g-AA
4 Kurva kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam berbagai nilai pH
5 Gaya tolak anion dalam matriks PSA
6 Kurva kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan NaCl
5
6
7
7
8
8
DAFTAR LAMPIRAN
1 Hipotesis reaksi pencangkokan dan penautan-silang pati dengan
monomer AA dan penaut-silang MBA
2 Hasil Anova untuk kapasitas serap air PSA onggok-g-AA
3 Kinetika penyerapan PSA onggok-g-AA
4 Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan dengan berbagai pH
5 Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan NaCl
11
12
13
14
15
1
PENDAHULUAN
Pengolahan singkong menjadi tepung tapioka menghasilkan limbah padat
berupa onggok sebanyak 11% (Virlandia 2005). Onggok mengandung senyawa
karbohidrat sekitar 65.90% (Kurniadi 2010). Beberapa upaya telah dilakukan
untuk meningkatkan nilai tambah onggok, seperti pengayaan onggok melalui
fermentasi dengan Aspergillus niger yang dapat digunakan sebagai pakan ternak
(Oboh 2000). Hidrolisis onggok yang difermentasi dapat dimanfaatkan untuk
pembuatan etanol (Srinorakutara 2006). Purnawati (2007) melaporkan bahwa
onggok dapat digunakan sebagai sumber karbon untuk produksi bioinsektisida
Bacillus thuringirnsis subsp. israelens. Potensi senyawaan karbohidrat dalam
onggok dapat juga dimanfaatkan sebagai bahan dasar superabsorben. Polimer
superabsorben (PSA) adalah suatu bahan yang dapat menyerap dan menyimpan
air lebih dari bobot asalnya dan tidak melepasnya dalam waktu singkat atau
melepasnya secara perlahan.
Sintesis PSA dapat dilakukan dengan proses pencangkokan dan penautansilang. Inisiator yang sering digunakan adalah amonium persulfat dan serium
sulfat, sedangkan penaut-silang yang sering digunakan antara lain trimetil
propana triakrilat, 1,4-butadienol dimetakrilat, dan N,N’-metilena-bisakrilamida
(Swantomo et al. 2008). Penelitian sebelumnya telah dilakukan mengenai
sintesis PSA berbasis karbohidrat dari onggok tapioka. Kurniadi (2010)
melakukan kopolimerisasi pencangkokan monomer asam akrilat menggunakan
serium sulfat sebagai inisiator. Produk PSA yang dihasilkan memberikan
kapasitas serap sebesar 4.2450 g/g. Amroni (2011) menyintesis PSA melalui
kopolimerisasi pencangkokan dan penautan-silang onggok dengan akrilamida.
Setelah proses saponifikasi dihasilkan kapasitas serap sebesar 1033.47 g/g. Sari
(2011) melakukan sintesis PSA onggok-g-akrilamida dan melihat pengaruh
konsentrasi inisiator serta penaut-silang terhadap kapasitas serap air. Produk
PSA setelah proses saponifikasi memiliki kapasitas serap maksimum sebesar
578.23 g/g.
Parameter optimum dalam kopolimerisasi pencangkokan dan penautansilang PSA dapat dipelajari dan telah dilakukan menggunakan rancangan
statistik seperti rancangan faktorial (Murat dan Hande 2011), Box-Bohnken
(Parvathy dan Jyothi 2012), dan Taguchi (Pourjavadi et al. 2010). Parameter
yang dikaji adalah konsentrasi monomer, suhu, inisiator, penaut-silang, dan
waktu sintesis. Rancangan faktorial digunakan dalam penelitian ini karena dapat
melihat faktor yang berpengaruh dan keberadaan interaksi antar faktor secara
bersamaan. Kombinasi antartaraf dari 2 atau lebih faktor juga dapat dilakukan
sekaligus. Montgomery (2001) menjelaskan bahwa rancangan faktorial
dibedakan menjadi rancangan faktorial lengkap dan fraksional. Rancangan
faktorial lengkap mengharuskan setiap kombinasi perlakuan dilakukan dalam
percobaan, sedangkan rancangan fraksional faktorial mereduksi jumlah
perlakuan yang dicobakan dengan tidak mengurangi keabsahan hasil yang
didapatkan sehingga lebih efektif dan efisien dalam waktu pengerjaan dan biaya.
Penelitian ini bertujuan menyintesis PSA onggok-g-AA dan menentukan
pengaruh bobot N,N’-metilena-bisakrilamida (MBA) sebagai penaut-silang,
amonium persulfat (APS) sebagai inisiator, dan asam akrilat (AA) sebagai
2
monomer terhadap kapasitas serap PSA yang dihasilkan menggunakan
rancangan fraksional faktorial. Produk PSA onggok-g-AA dicirikan dengan
spektrofotometer inframerah transformasi Fourier (FTIR), kinetika penyerapan
air, serta kapasitas serapnya dalam larutan dengan berbagai nilai pH dan dalam
berbagai konsentrasi larutan NaCl.
METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan antara lain spektrofotometer Shimadzu FTIR
Prestige-21, neraca analitik, alat-alat kaca, pH-meter, dan saringan 100 mesh.
Bahan-bahan (p.a) yang digunakan meliputi onggok (industri tapioka di daerah
Bogor), AA yang telah dinetralisasi, APS, MBA, asam sulfat, natrium hidroksida
(Merck®), dan gas nitrogen.
Langkah Kerja
Penelitian ini terbagi dalam 3 tahap, yaitu persiapan bahan, sintesis, dan
pencirian PSA onggok-g-AA. Kombinasi perlakuan ditentukan dengan bantuan
perangkat lunak Minitab 14 menggunakan rancangan fraksional faktorial 23,
dengan faktor-faktor sebagai berikut: AA sebagai monomer, APS sebagai
inisiator, dan MBA sebagai penaut-silang. Digunakan 2 taraf tiap faktor
sehingga didapatkan 8 perlakuan.
Persiapan Onggok
Onggok dicuci dengan air hingga filtrat hasil pencucian jernih kemudian
dikering-udarakan. Limbah padat kering dihaluskan dengan ukuran 100 mesh.
Sintesis PSA Onggok-g-AA
Serbuk onggok dilarutkan dengan akuades menggunakan nisbah 1:10 di
dalam labu leher tiga yang telah terangkai dengan kondensor. Campuran
dipanaskan hingga berbentuk bubur pada suhu 90−95 °C selama 30 menit
sambil diaduk dengan kecepatan 200 rpm. Gas nitrogen kemudian dialirkan
dan suhu diturunkan ke 60−65 °C. Selanjutnya AA yang telah dinetralisasi
hingga pH 4.83 dengan larutan NaOH 40% dimasukkan dan diaduk selama 5
menit. Setelah itu, berturut-turut ditambahkan penaut-silang MBA dan inisiator
APS yang masing-masing telah dilarutkan dalam akuades dengan diaduk selama
5 menit setiap penambahan, kemudian suhu campuran dinaikkan ke 70−75 °C.
Reaksi dibiarkan berlangsung selama 3 jam hingga terbentuk gel.
Produk PSA onggok-g-AA diendapkan dengan menggunakan metanol
kemudian aseton. Endapan lalu dikeringkan pada suhu 60 °C hingga bobotnya
konstan. Produk yang telah kering dihaluskan hingga berukuran 100 mesh.
3
Pencirian PSA Onggok-g-AA
Pencirian spektrum inframerah dilakukan dengan menggunakan
spektrofotometer Shimadzu FTIR Prestige-21. Sebanyak 100 mg KBr dan 10 mg
PSA onggok-g-AA dicampur hingga homogen. Campuran dibuat pelet lalu
ditempatkan pada wadah sampel. Pemayaran dilakukan pada kisaran bilangan
gelombang 400−4000 cm-1.
Uji kapasitas serap dilakukan dengan menimbang PSA onggok-g-AA
sebanyak kira-kira 0.1 g (W o ) lalu direndam dalam 200 mL air bebas ion
selama 24 jam. Hidrogel yang telah mengembang disaring dengan saringan 100
mesh dan ditimbang bobot akhirnya (W1) setelah didapat bobot konstan. Hanya
PSA onggok-g-AA dengan kapasitas serap tertinggi yang digunakan untuk uji
kapasitas serap selanjutnya. Kapasitas serap (Q) dihitung dengan menggunakan
persamaan
W1 -W0
× 100%
W0
Uji kapasitas serap pada berbagai nilai pH dilakukan dengan merendam
0.1 g PSA onggok-g-AA dalam 200 mL larutan pH 2 hingga 11 selama 24 jam.
Uji kapasitas serap dalam larutan NaCl dilakukan dengan merendam 0.1
g PSA onggok-g-AA dalam 200 mL larutan NaCl 0.04, 0.08, 0.12, 0.16,
0.20, 0.50, dan 1 M selama 24 jam. Kinetika penyerapan ditentukan
dengan merendam 0.1 g PSA onggok-g-AA dalam 200 mL air bebas ion
dengan berbagai waktu perendaman: 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 60 menit.
Hidrogel yang telah mengembang pada setiap perlakuan disaring dengan
saringan 100 mesh. Setelah mendapat bobot konstan, bobot akhir
ditimbang.
Q=
HASIL DAN PEMBAHASAN
Polimer Superabsorben Onggok-g-AA
PSA onggok-g-AA pada penelitian ini didapatkan melalui reaksi
kopolimerisasi radikal bebas dengan dugaan mekanisme reaksi diberikan pada
Lampiran 1. Kombinasi komposisi AA, APS, dan MBA untuk sintesis PSA
onggok-g-AA ditentukan melalui rancangan fraksional faktorial menggunakan
perangkat lunak Minitab 14. Kemudian pengaruh bobot AA, APS, dan MBA
terhadap kapasitas serap ditentukan dengan analysis of variance (Anova) yang
tersaji pada Lampiran 2. Kapasitas serap maksimum diperoleh sebesar 761.01
g/g dengan komposisi AA 25.5 g, MBA 24 mg, dan APS 24 mg (Tabel). Nilai
kapasitas serap tersebut lebih besar bila dibandingkan dengan hasil Sari (2011)
yang mendapatkan kapasitas serap maksimum sebesar 578.23 g/g untuk PSA
onggok-g-akrilamida. Oleh sebab itu, dapat disimpulkan bahwa PSA onggok-gAA memiliki kualitas yang baik bila ditinjau dari kemampuan menyerap air.
4
Tabel Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dengan berbagai komposisi
Perlakuan
AA (g)
1
2
3
4
5
6
7
8
19.50
19.50
19.50
19.50
25.50
25.50
25.50
25.50
MBA (mg)
24.00
24.00
36.00
36.00
24.00
24.00
36.00
36.00
APS (mg)
24.00
36.00
24.00
36.00
24.00
36.00
24.00
36.00
Absorpsi (g/g)
75.98
129.05
56.91
83.99
761.01
619.77
583.64
695.01
Bobot AA memberikan pengaruh nyata terhadap respons kapasitas serap
berdasarkan hasil Anova. Bobot AA sebesar 25.5 g menghasilkan kapasitas
serap lebih tinggi dibandingkan bobot AA sebesar 19.5 g (Gambar 1a). Menurut
Ivanov (1992), sebelum kondisi optimum, penambahan bobot AA meningkatkan
proses difusi ke dalam matriks polimer sehingga meningkatkan potensi
pencangkokan. Namun, setelah melewati kondisi optimum penambahan lebih
banyak AA justru menghambat difusi sehingga menurunkan potensi
pencangkokan. Dapat disimpulkan bahwa peningkatan kapasitas serap
berbanding lurus dengan potensi pencangkokan.
Bobot MBA 24 dan 36 mg belum menunjukkan pengaruh nyata terhadap
respons kapasitas serap berdasarkan hasil Anova (Gambar 1b). Bobot MBA
yang digunakan tersebut belum optimum. Sadeghi dan Ghasemi (2012)
mendapatkan nilai kapasitas serap maksimum sebesar 94 mg MBA untuk
sintesis PSA kolagen-g-poli(AA-co-IA). Kondisi optimum akan didapatkan jika
digunakan kisaran bobot MBA yang lebih luas. Kuruwita (2008) menjelaskan
bahwa penaut-silang dapat membentuk ruang 3 dimensi dengan cara
menghubungkan molekul-molekul kecil. Ruang 3 dimensi yang terbentuk
menjadi salah satu faktor penentu kapasitas serap. Saat konsentrasi penaut-silang
melewati kondisi optimum, kerapatan ruang tiga dimensi yang terbentuk
menyebabkan gel sulit mengembang sehingga kapasitas serap menurun.
Bobot APS 24 dan 36 mg yang digunakan juga belum menunjukkan
pengaruh nyata terhadap respons kapasitas serap berdasarkan hasil Anova
(Gambar 1c). Pourjavadi et al. (2005) memperoleh nilai kapasitas serap
maksimum pada penggunaan 50 mg APS untuk sintesis PSA alginat-gpolimetakrilamida. Pengaruh APS terhadap respons kapasitas serap akan terlihat
nyata bila didapatkan kondisi optimum yang belum ditunjukkan dalam penelitian
ini. Pembentukan radikal persulfat dapat membentuk tapak aktif rantai glukosa
pada onggok yang sebanding dengan meningkatnya nilai kapasitas serap suatu
PSA.
5
700
Kapasitas serap (g/g)
600
500
400
300
200
100
0
19,5
25,5
AA (g)
(a)
600
Kapasitas serap (g/g)
500
400
300
200
100
24
36
MBA (mg)
(b)
800
Kapasitas serap (g/g)
700
600
500
400
300
200
24
36
APS (mg)
(c)
Gambar 1 Pengaruh AA (a), MBA (b), dan APS (c) terhadap respons kapasitas
serap PSA onggok-g-AA
6
Pencirian Superabsorben Onggok-g-AA
Analisis Gugus Fungsi Menggunakan Spektrofotometer FTIR
Gugus fungsi pada sampel onggok dan PSA onggok-g-AA dianalisis
berdasarkan spektrum FTIR pada Gambar 2 untuk menentukan keberhasilan
proses pencangkokan. Spekrum FTIR onggok menunjukkan puncak serapan
lebar pada bilangan gelombang 3200 cm-1 yang merupakan serapan khas dari
vibrasi ulur –OH. Pita serapan vibrasi ulur –CH muncul pada bilangan
gelombang 2900 cm-1, sedangkan vibrasi ulur C–C muncul pada 1100 cm-1.
Spektrum onggok yang telah mengalami proses pencangkokan menunjukkan
juga vibrasi ulur C–O pada 1270 cm-1 dan C=O pada 1670 cm-1. Kedua pita
serapan ini membuktikan bahwa proses pencangkokan onggok dengan monomer
asam akrilat telah berlangsung.
Gambar 2 Spektrum FTIR onggok-g-AA (1) dan onggok (2)
Laju Penyerapan Air
Laju penyerapan air oleh PSA onggok-g-AA didapati meningkat secara
signifikan pada awal proses kemudian cenderung konstan dan mencapai
kesetimbangan setelah 60 menit (Gambar 3) dengan nilai kapasitas serap 654 g/g
(Lampiran 3). Parameter laju penyerapan hidrogel di dalam air (τ) ditentukan
menggunakan persamaan Voigt (Pourjavadi et al. 2010) sebagai berikut:
e τ
St (g/g) merupakan kapasitas serap saat waktu tertentu, Se (g/g) kapasitas serap
saat kesetimbangan, sedangkan t merupakan waktu saat gel mengembang.
Persamaan Voigt yang didapatkan pada laju penyerapan PSA onggok-g-AA
ialah
.
.
Kapasitas serap (g/g)
7
.
702
90
.
585
75
.
468
60
.45
351
.
234
30
.15
117
0
0.0
0.0
5.5
11.0
16.5
22.0
27.5
33.0
Waktu (menit)
Gambar 3 Laju penyerapan air PSA onggok-g-AA
Semakin kecil nilai τ, laju penyerapan air suatu PSA semakin cepat untuk
mencapai kesetimbangan. Menurut Zhang et al. (2005), laju penyerapan air
dipengaruhi oleh ukuran partikel, luas permukaan, dan densitas PSA. Nilai τ
PSA onggok-g-AA ialah 2.61 menit dengan ukuran 60 mesh. Nilai τ yang
didapat lebih baik dibandingkan dengan Wang et al. (2010) yang mendapatkan
nilai τ = 3.74 menit dengan ukuran partikel 60 mesh untuk superabsorben
poliakrilat yang dikomposit dengan hidroksiapatit. Pourjavadi et al. (2010)
mendapatkan nilai τ = 7.5 menit dengan ukuran partikel 60 mesh untuk
superabsorben pati-karaginan kopolimer poliakrilonitril dengan radiasi sinar γ.
Kapasitas serap (g/g)
Kapasitas Serap PSA Onggok-g-AA dalam Berbagai Nilai pH
Kapasitas serap PSA onggok-g-AA diamati pada kisaran pH 2 hingga 11
(Gambar 4 dan Lampiran 4). Pada pH 2 dan 3, kapasitas serap dipengaruhi oleh
kekuatan ionik larutan asam kuat sehingga hidrogel sulit mengembang. Pada pH
3 hingga 8, kapasitas serap meningkat yang menunjukkan perubahan gugus –
COOH menjadi anion COO . Deprotonasi ini meningkatkan gaya tolak anion
sehingga kapasitas serap meningkat secara maksimum (Kuruwita 2008). Pada
nilai pH 8 hingga 11, kapasitas serap menurun karena terbentuknya garam –
COONa yang menurunkan gaya tolak anion (Pourjavadi et al. 2010).
Perhitungan melalui persamaan kuadratik y = –548 + 344x – 25.1x2
menghasilkan kapasitas serap maksimum sebesar 630.6461 g/g pada pH 6.65.
.
714
30
.
595
55
.
476
80
.0 5
358
.
239
30
.
120
55
0
1.8
1.1
2.9
4.7
6.5
8.3
10.1
11.9
pH
Gambar 4 Kurva kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam berbagai nilai pH
8
Kapasitas Serap PSA Onggok-g-AA dalam Larutan Garam
Kapasitas serap PSA onggok-g-AA hasil penelitian dalam larutan garam
jauh lebih rendah dibandingkan dengan dalam air bebas-ion (Lampiran 5).
Menurut Kuruwita (2008), penurunan kemampuan penyerapan dalam larutan
garam disebabkan berkurangnya tolakan elektrostatik anion di dalam matriks
polimer sehingga gel polimer tidak mengembang (Gambar 5). Gaya tolak
elektrostatik terjadi akibat perbedaan konsentrasi di dalam dan di sekitar gel.
Hubungan kapasitas serap dengan konsentrasi garam dapat dijelaskan dengan
persamaan
garam
Persamaan yang didapatkan dari kurva kapasitas serap dalam larutan NaCl untuk
PSA onggok-g-AA (Gambar 6) ialah
.
garam .
Nilai k sebesar 29.87 g/g, menggambarkan kapasitas serap PSA onggok-gAA saat konsentrasi larutan NaCl 1 M. Nilai n = 0.342 mengindikasikan bahwa
pada konsentrasi di atas 0.342 M, kapasitas serap PSA onggok-g-AA tidak
berbeda nyata. Nilai n akan berbeda untuk jenis garam yang berbeda (Pourjavadi
et al. 2010).
Gambar 5 Gaya tolak anion dalam matriks PSA
Kapasitas Serap (g/g)
50
98.
50
85.
50
72.
50
59.
50
46.
50
33.
50
20. 0.0
0.2
0.4
0.6
0.7
0.9
1.1
NaCl (M)
Gambar 6 Kurva kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan NaCl
9
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
PSA onggok-g-AA berhasil disintesis melalui kopolimerisasi
pencangkokan dan penautan-silang pada onggok dengan monomer AA, penautsilang MBA, dan inisiator APS. Kapasitas serap air tertinggi sebesar 761.01 g/g
dengan AA 25.5 g, MBA 24 mg, dan APS 24 mg. Bobot AA berpengaruh nyata
terhadap respons kapasitas serap PSA onggok-g-AA, sedangkan bobot APS, dan
MBA tidak berpengaruh nyata. PSA onggok-g-AA mempunyai nilai parameter
laju (τ) sebesar 2.61 menit dengan ukuran partikel 60 mesh, kapasitas serap
optimum pada pH 6.65, dan kapasitas serap tidak berbeda nyata pada konsentrasi
NaCl di atas 0.342 M.
Saran
Kisaran taraf yang lebih luas perlu dicoba pada faktor APS dan MBA
karena belum memberikan perbedaan nyata terhadap kapasitas serap PSA
onggok-g-AA. Selain itu, perlu penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan
kapasitas serap PSA onggok-g-AA pada larutan garam.
DAFTAR PUSTAKA
Amroni M. 2011. Sintesis superabsorben melalui kopolimerisasi pencangkokan
dan penautan silang onggok dengan akrilamida [skripsi]. Bogor (ID):
Institut Pertanian Bogor.
Ivanov VS. 1992. Radiation Chemistry of Polymers. New Concept in Polymers
Science. Ed ke-1. Utrecht (NL): Khimiya-Leningrad.
Kurniadi T. 2010. Kopolimerisasi grafting monomer asam akrilat pada singkong
dan karakterisasinya [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Kuruwita T. 2008. Smart polymer materials [disertasi]. Ohio (US): Bowling
Green State University.
Montgomery D. 2001. Design and Analysis of Experimenta. Ed ke-5. New York
(US): J Wiley.
Murat S, Hande H. 2011. Radiation synthesis and characterization of the
network structure of natural/synthesis double-network superabsorbent
polymers. Rad Phys Chem, 81:1378-1382.
Oboh. 2000. Nutrient and anti-nutrient content of Aspergillus niger fermented
cassava product (flour and garri). J Food Compos Anal. 15(5):617-622.
Parvathy P, Jyothi A. 2012. Synthesis, characterization and swelling behavior of
superabsorbent polymers from cassava strach-graft-poly(acrylamide).
Strach/Starke. 64:207-218.
10
Pourjavadi A, Soleyman R, Bardajee, Seidi F. 2010. γ-Irradiation synthesis of a
smart hydrogel: optimization using Taguchi method and investigation of
its swelling behavior. Chem Eng. 17:15-23.
Pourjavadi A, Amini F, Hosseinzadeh H. 2005. Partially hydrolyzed crosslinked
alginate-g-polymethacrylamide
as
a
novel
biopolymer-based
superabsorbent hydrogel having pH-responsive properties. Macromol Res.
13:45-53
Purnawati R. 2007. Pengembangan produksi bioinsektisida oleh Bacillus
thuringiensis subsp. israelensis secara curah menggunakan substrat
onggok [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Sadeghi M, Ghasemi N. 2012. Synthesis and study on effect of various chemical
conditions on the swelling property of collagen-g-poly(AA-co-IA)
superabsorbent hydrogel. Indian J Sci Technol. 5:1879-1884.
Sari N. 2011. Sintesis polimer superabsorben onggok tapioka-akrilamida:
pengaruh konsentrasi inisiator dan penaut silang [skripsi]. Bogor (ID):
Institut Pertanian Bogor.
Srinorakutara T. 2006. Approach of cassava waste pretreatments for fuel ethanol
productions in Thailand. J Sci Res Chulalengkorn Univ. 31(1):77-84.
Swantomo D, Megasari K, Saptaaji R. 2008. Pembuatan komposit polimer
superabsorben dengan mesin berkas elektron. JFN. 2:143-156
Virlandia F. 2005. Pemanfaatan onggok tapioka sebagai bahan baku pembuatan
minyak melalui teknologi biokonversi [skripsi]. Bandung (ID): Universitas
Padjajaran.
Wang J, Zhang Y, Wang A. 2010. Synthesis and swelling behaviors of
poly(sodium acrylate)/hydroxyapatite superabsorbent nanocomposites.
Adv Mar Res 96:227-232.
Zhang J, Chen H, Wang A. 2005. Studybon superabsorbent composite. III.
Swelling behaviors of polyacrylamide/attapulgite composite based on
acidified attapulgite and organo-attpulgite. Europ Polym J. 41:2434-2442.
11
n dan penauutan-silang pati dengan
n
Lampiran 1 Hipotesis reaksi peencangkokan
monomeer AA dan penaut-silan
p
ng MBA
Tahap inissiasi
Tahap proopagasi
Tahap Terrminasi
12
Lampiran 2 Hasil Anova untuk kapasitas serap air PSA onggok-g-AA
Estimated Effects and Coefficients for % Absorpsi (coded units)
Term
Constant
Asam Akrilat
N,N-metilena-bisakrilamida
Amonium Persulfat
S = 66,7375
R-Sq = 97,42%
Effect
578,38
-41,57
12,57
Coef
375,67
289,19
-20,78
6,28
SE Coef
23,60
23,60
23,60
23,60
T
15,92
12,26
-0,88
0,27
P
0,000
0,000
0,428
0,803
R-Sq(adj) = 95,49%
Analysis of Variance for % Absorpsi (coded units)
Source
Main Effects
Residual Error
Total
DF
3
4
7
Seq SS
672813
17816
690629
Adj SS
672813
17816
Adj MS
224271
4454
F
50,35
P
0,001
Estimated Coefficients for % Absorpsi using data in uncoded units
Term
Constant
Asam Akrilat
N,N-metilena-bisakrilamida
Amonium Persulfat
Alias Structure
I
Asam Akrilat
N,N-metilena-bisakrilamida
Amonium Persulfat
Coef
-1720,75
96,3963
-3,46399
1,04727
13
Lampiran 3 Kinetika penyerapan PSA onggok-g-AA
Waktu (menit)
1
Bobot Awal (g)
0.1098
0.1064
0.1033
0.1335
0.1180
0.1208
0.1249
0.1044
0.1283
0.1342
0.1131
0.1206
0.1040
0.1267
0.1170
0.1310
0.1049
0.1225
2
3
4
5
10
20
30
60
Contoh perhitungan:
Kapasitas serap air (Qeq)
Bobot akhir Bobot awal
Bobot awal
.
.
.
g/g
.
Bobot Akhir (g)
27.1745
25.6942
31.7616
34.6924
51.5421
35.7245
70.5717
56.7747
72.1815
76.9072
70.2171
67.9547
62.8974
76.1360
68.0615
91.5988
68.6567
79.9406
Qeq (g/g)
246.49
240.49
306.47
258.87
435.80
294.73
564,03
542.82
561.60
572.08
619.84
562.47
603.78
599.92
580.72
698.23
653.50
651.58
14
Lampiran 4 Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan dengan berbagai
pH
pH
2
Bobot awal (g)
0.1045
0.1156
0.1072
0.1360
0.1311
0.1119
0.1259
0.1010
0.1130
0.1033
0.2192
0.1329
0.1227
0.1029
0.1032
0.1076
0.1261
0.1117
0.1215
0.1113
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Contoh perhitungan:
Kapasitas serap air (Qeq)
Bobot akhir Bobot awal
Bobot awal
.
.
.
g/g
.
Bobot akhir (g)
2.2894
1.7950
34.2360
52.6799
52.1540
43.6399
60.1555
54.5777
69.3097
58.4276
133.4142
81.6245
79.4076
67.4160
51.1750
60.8682
54.8926
53.9942
17.0379
15.3986
Qeq (g/g)
20.90
14.52
318.36
386.35
396.81
388.99
476.80
539.37
612.36
564.61
607.64
613.17
646.16
654.16
494.88
564.68
434.31
482.38
139.22
137.35
15
Lampiran 5 Kapasitas serap PSA onggok-g-AA dalam larutan NaCl
NaCl (M)
0.0400
0.0800
0.1200
0.1600
0.2000
0.5000
1.0000
Bobot Awal (g)
0.1098
0.1458
0.1031
0.1900
0.1125
0.1132
0.1001
0.1130
0.1280
0.1304
0.1162
0.1190
0.1039
0.1199
Bobot Akhir (g)
10.4945
13.2915
7.2843
11.0690
8.1317
6.0621
6.4886
5.8464
6.2021
7.2329
5.1249
4.9375
3.0590
3.2225
Contoh perhitungan:
Kapasitas serap air (Qeq)
Bobot akhir Bobot awal
Bobot awal
.
.
.
g/g
.
Qeq (g/g)
94.58
90.16
69.65
57.26
71.28
52.55
63.82
50.74
47.45
54.47
43.10
40.49
28.44
25.88
16
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 15 Mei 1989 dari Ayah
Mugiyanto dan Ibu Dri Asmara Kurniasih. Penulis merupakan anak kedua dari
tiga bersaudara. Penulis menyelesaikan studi di SMA 1 Rengasdengklok pada
tahun 2007. Pada tahun yang sama penulis diterima pada Program Diploma 3
Analisis Kimia Institut Pertanian Bogor (IPB). Kemudian pada tahun 2010
penulis melanjutkan studi di Program Alih Jenis Departemen Kimia Institut
Pertanian Bogor.
Selama mengikuti masa perkuliahan penulis aktif dalam komunitas Catur
IPB. Selain itu, penulis pernah menjadi asisten praktikum mata kuliah Kimia
Industri, Kimia Anorganik, dan Mikrobiologi di D3 Analisis Kimia IPB pada
tahun 2011-2012.