Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran Hibrid Polisulfon-Lempung

  

Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013

Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai

Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada

  

Pembuatan Membran Hibrid Polisulfon-Lempung

Asmara Satria Akbar 1, Amilia Linggawati 2, T. Ariful Amri 2

1 Program Studi S1 Kimia, Laboratorium Kimia Fisika, Jurusan Kimia

  

Fakultas MIPA Universitas Riau

2 Dosen FMIPA Kimia Universitas Riau, Pekanbaru

  

Kampus Binawidya UR Km 12,5 Panam, Pekanbaru Telp. 0761-566937

Email: asmara.satria.akbar@gmail.com

Abstrak. PEG (Polietelen Glikol) adalah jenis polimer yang memiliki fungsi untuk

meningkatkan jumlah pori dan menyeragamkan pori membran. Sifatnya yang tak urai hayati

menyebabkan para peneliti menyelidiki bahan lain untuk menggantikan peran PEG pada

membran. Lempung alam telah dikenal sebagai bahan yang dapat mengganti fungsi PEG

terhadap membran karena tingginya kandungan SiO sebagai agen peningkat pori dan pemaut

₂

silang yang dapat meningkatkan permeabilitas dan sifat penyerapan air. Tujuan dari

penelitian ini adalah untuk mengetahui potensi lempung sebagai pengganti PEG dalam

meningkatkan pori membran hibrid polisulfon. Membran hibrid polisulfon-lempung

(MPSfL) dibuat dengan menggunakan metode inversi fasa. Hasil analisa Scanning electron

microscopy (SEM) membuktikan perubahan morfologi membran hibrid. Karakteristik

berbagai jenis membran (MPSf, MPSf+PEG, MPSfL, MPSfL+PEG) diukur dengan

menggunakan permeasi air murni dan rejeksi dekstran dengan berbagai ukuran (kDa) pada

tekanan 1, 1,5, 2, 3 dan 3,5 bar serta kecepatan pengadukan 500 rpm. Kombinasi dari

membran polisulfon-lempung dan PEG (MPSfL+PEG) menghasilkan rejeksi 98,82% dari

• _-5
₂

dekstran 400-500 kDa pada tekanan 3,5 bar dengan fluks 2,65 x 10 mL/cm .s. Sementara

pada kondisi yang sama membran polisulfon dengan menggunakan PEG (MPSf+PEG) dan

membran polisulfon-lempung (MPSfL) menunjukkan fluks dan rejeksi yang kurang

memuaskan. Hasil ini menunjukkan bahwa pori membran polisulfon dan karakteristik

permeasi berubah dengan menambahkan lempung dan PEG. MPSfL+PEG memberikan

selektivitas terbaik. Membran ini diperkirakan berada pada klasifikasi membran

mikrofiltrasi (MF).

  Kata Kunci. Lempung, PEG, Polisulfon, Membran Hibrid, Inversi Fasa, Agen Porogen.

  PENDAHULUAN kinerja, porositas dan ukuran pori

  membran. Berdasarkan penelitian tersebut, PEG (Polietilen Glikol) merupakan salah maka dilakuan kajian untuk menggali satu agen yang berfungsi untuk menambah potensi lempung sebagai porogen pengganti dan menyeragamkan pori pada proses PEG. pembuatan membran [1-2]. Namun karena

  Lempung merupakan produk akhir dari PEG adalah agen poros yang terbuat dari pelapukan batuan secara kimia, biasanya polimer dan tidak ramah lingkungan, maka terdapat dalam batuan sedimen sebagai diupayakan untuk mencari agen poros yang partikel yang sangat halus. Provinsi Riau dapat urai hayati. adalah salah satu provinsi yang mempunyai

  Dari beberapa literatur [3-4] diketahui banyak cadangan lempung. Beberapa jenis bahwa penambahan lempung pada bahan lempung asal Riau ini sudah diidentifikasi membran menyebabkan peningkatan jenisnya dan salah satunya adalah lempung

  

Asmara Satria Akbar dkk: Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai

Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran

Hibrid Polisulfon-Lempung

  Semirata 2013 FMIPA Unila asal Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru yang termasuk jenis lempung kaolin [5]. Lempung ini memiliki kandungan SiO2 yang tinggi yaitu 58%.

  SiO2 berpotensi dimanfaatkan sebagai bahan membran hibrid karena mampu meningkatkan permeabilitas dan penyerapan air pada membran hibrid [6].

  Pada penelitian ini membran dibuat secara hibrid dengan menggabungkan bahan organik (polisulfon), bahan anorganik (lempung) dan pembuatannya menggunakan metode inversi fasa. Pemilihan polisulfon sebagai salah satu bahan pembuat membran karena polisulfon memiliki ketahanan mekanik, elektrikal dan kimia yang sangat bagus. Oleh karena polisulfon akan menghasilkan membran yang tumpat (tidak berpori) maka PEG diperlukan sebagai porogen. Komposisi bahan membran hibrid yang dibuat merupakan modifikasi komposisi bahan membran yang digunakan oleh Radiman [7]. Pada kajian Radiman sebagai bahan porogen digunakan PEG, sedangkan pada kajian ini menggunakan campuran PEG dan lempung dengan komposisi 1:1.

  Sebagai pembanding kinerja setiap jenis porogen maka dibuat membran polisulfon yang hanya menggunakan porogen PEG dan membran yang hanya menggunakan porogen lempung. Potensi lempung alam sebagai porogen pengganti PEG pada pembuatan membran hibrid ini diketahui dari karakter membran yang dihasilkan. Parameter karakterisasi yang digunakan dalam penelitian ini adalah derajat kristalinitas, permeabilitas, selektivitas, analisis morfologi dan analisis unsur-unsur yang terkandung dalam membran. Penentuan derajat kristalinitas menggunakan XRD (X-Ray Diffraction), penentuan permeabilitas dengan menggunakan air suling serta dekstran, penentuan selektivitas menggunakan rejeksi dekstran, morfologi membran dengan SEM (Scanning Electron Microscopy) dan analisis unsur-unsur yang terkandung dalam membran menggunakan EDX (Energy Dispersive X-ray Microanalysis).

  

Gambar 1. Spektrum XRD lempung alam Desa Palas Kecamatan Rumbai Pekanbaru [5].

  

Gambar 2. Spektrum XRD membran polisulfon dan hibrid polisulfon-lempung.

  

Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013

METODE PENELITIAN dengan semua sampel dengan komposisi

  pada Tabel 1. Larutan kental dan homogen yang terbentuk dibiarkan selama 3 jam

  Persiapan Lempung Sampel diambil di tepi sungai Siak Desa untuk menghilangkan gelembung udara.

  Palas Kecamatan Rumbai, Pekanbaru. Larutan tuang kemudian dituang pada Terlebih dahulu lempung dibersihkan dari permukaan kaca yang sudah diolesi dengan partikel kasar dan direndam dengan aseton dan dicasting dengan merata. Setelah akuades kemudian didekantir. Lempung didiamkan selama 5 menit lapisan tipis yang telah direndam, dikeringkan pada direndam 5 menit dalam bak yang berisi suhu 105oC untuk menghilangkan kadar akuades sehingga menghasilkan membran. air. Selanjutnya lempung digerus dan Sampel yang dimaksudkan dapat dilihat diayak hingga 200 mesh. Tepung lempung pada Tabel 1. diidentifikasi menggunakan XRD dan

  Tabel 1. Penamaan sampel dan kandungan bahan

  disediakan untuk pembuatan membran penyusun. hibrid.

  Kode Lempung Polisulfo PE DMA Membran (%) n (%) G c Persiapan Membran (%) ( %) Polisulfon diterima dalam bentuk pelet.

  MPSf

  18

  82 DMAc (Dimetilasetamida) digunakan MPSf+PEG

  18

  18

  64 MPSfL

  18

  18

  64

  sebagai pelarut. Polisulfon dilarutkan dalam

  MPSfL+PE

  9

  18

  9

  64

  dimetilasetamida dengan perbandingan

  G

  berat 18:82 (Polisulfon/ DMAc) dibantu pengaduk magnet selama 15 jam sehingga menghasilkan larutan dope. Begitu juga

  

Asmara Satria Akbar dkk: Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai

Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran

Hibrid Polisulfon-Lempung

• –15 menit air melewati membran dimulai tetesan pertama air melewati membran. Air yang melewati

  Semirata 2013 FMIPA Unila

  

Gambar 3. SEM membran polisulfon dan hibrid polisulfon-lempung (dengan penambahan PEG)

Karakterisasi Membran

  Analisis kristalinitas dilakukan untuk mengidentifikasi lempung dan karakterisasi membran melalui penentuan kristalin bahan (amorf dan kristalin) dengan menggunakan

  XRD. Analisis kristalinitas dilakukan di Pusat Penelitian dan Pengembangan Keteknikan Kehutanan dan Pengolahan Hasil Hutan Bogor. Analisis dilakukan pada kisaran sudut imbasan 2θ dari 5o hingga 80o, ukuran tahap 0,02o dan waktu setiap tahapan 0,5 menit.

  Analisis morfologi dilakukan dengan menggunakan scanning electron microscope (SEM). Membran direndam dalam nitrogen cair dan selanjutnya dipotong menjadi dua bagian menggunakan mikroton. Hasil pemotongan selanjutnya dilapisi dengan emas (coating) menggunakan ion sputter kemudian diamati morfologi membran, dengan perbesaran data yang diperoleh yakni 500 hingga 100.000x. Analisis morfologi dilakukan di Unit Instrumen Universitas Kebangsaan

  Malaysia (UKM). Unsur-unsur yang terkandung dalam membran hibrid dapat diketahui dengan menggunakan metode Energy Dispersive X-ray Microanalysis (EDX). Analisis unsur juga dilakukan di Unit Instrumen Universitas Kebangsaan Malaysia (UKM).

  Uji Filtrasi

  Karakterisasi kinerja membran menggunakan uji permeabilitas dan selektivitas. Uji permeabilitas dilakukan dengan menggunakan akuades. Sebelum melakukan pengujian membran terlebih dahulu direndam dalam akuades selama ± 24 jam. Kemudian akuades dilewatkan melalui membran untuk mengetahui permeabilitas membran. Sebelum pengukuran permeabilitas membran dikompaksi pada tekanan 2 bar untuk mendapatkan keadaan stabil. Pengambilan data dilakukan setelah 10

  

Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013

  membran ditampung dengan gelas ukur hingga volume mencapai 5 ml. Waktu yang dibutuhkan air untuk melewati membran dari tetes pertama hingga mencapai volume tersebut dicatat sebagai waktu alir. Uji selektivitas dilakukan melalui rejeksi dekstran. Penentuan rejeksi dilakukan dengan dekstran pada berat molekul 8,5-11 kDa; 35-40 kDa dan 400-500 kDa. Dekstran dilarutkan hingga konsentrasi 100 ppm. Larutan dekstran diedarkan pada membran dengan tekanan 1, 1,5, 2, 3 dan 3,5 bar serta kecepatan pengadukan 500 rpm pada suhu kamar. Konsentrasi permeat dan retentat diukur dengan metode kolorimetri, yaitu dengan menambahkan 5 ml asam sulfat pekat dan 1 ml fenol 5% kedalam 1 ml larutan dekstran. Sampel diguncang hingga homogen dan dibiarkan pada temperatur kamar. Konsentrasi ditentukan berdasarkan serapan dekstran yang diukur dengan spektrofotometer UV- Vis pada panjang gelombang 490 nm.

  Hasil analisis XRD MPSf+PEG, MPSf dan MPSfL+PEG ditunjukkan oleh Gambar 1 dan 2. Gambar 1 adalah difaktogram dari lempung. Terdapat puncak 12,34 yang mengindikasikan adanya kaolin, puncak 17,73 dan 19,71 muskovit serta 20,84 dan 26,64 adalah kuarsa [5]. Gambar 2 menunjukkan difaktogram dari MPSf (a), MPSf+PEG (b) dan MPSfL+PEG (c). (a) memiliki derajat kristalinitas sebesar 48,19%. Derajat kristalinitas yang dimiliki (b) lebih besar daripada (a) yaitu 69,22%; hal tersebut menunjukkan bahwa penambahan PEG dalam pembuatan membran dapat meningkatkan kristalinitas. Peningkatan kristalinitas tersebut dikarenakan PEG mampu meningkatkan distribusi dan jumlah pori dengan baik (Gambar 3). Pada difaktogram (c) terlihat puncak-puncak baru yang sangat berbeda dari sampel membran lain, yaitu pada puncak 12,34; 17,73; 20,84 dan 26,64. Hal ini membuktikan bahwa lempung telah berhasil masuk kedalam atriks polimer polisulfon dan membentuk suatu hibrid polisulfon-lempung.

  Penambahan lempung pada pembuatan membran polisulfon mengakibatkan terjadinya penurunan nilai kristalinitas membran dari 69,22% (b) menjadi 63,12% (c) yang ditunjukkan pada Tabel 2. MPSfL+PEG (c) mengandung Si, Al dan Mg yang dibuktikan oleh analisis EDX pada Gambar 4. Penurunan nilai kristalinitas ini terjadi akibat masuknya logam-logam dari lempung berupa Mg, Al dan Si ke dalam matriks polimer yang membentuk ikatan silang dengan membran. Jenis logam yang berbeda menyebabkan kekuatan ikatan yang berbeda. Kekuatan ikatan yang beragam tersebut berdampak pada ketidakteraturan konfigurasi struktur polimer, terutama jarak antar struktur polimer yang mengakibatkan peningkatan fasa amorfous dan terjadinya penurunan derajat kristalinitas pada membran polisulfon.

HASIL DAN PEMBAHASAN

  Karakteristik morfologi membran polisulfon dianalisis menggunakan SEM. Salah satu faktor yang menentukan kinerja membran adalah karakteristik morfologi membran. Pada Gambar 3 penampang melintang membran polisulfon terlihat

  Tabel 2. Kristalinitas membran polisulfon dan membran hibrid polisulfon-lempung. Kode Membran Ia Ic Xc (%) MPSf+PEG (b) 0,5969 1,3427 69,22 MPSfL+PEG (c) MPSf (a)

  0,7744 0,7872 1,3253 0,7321

  63,12 48,19 Gambar 4.EDX membran hibrid polisulfon- lempung (dengan penambahan PEG).

• 5
• 5
• 5
• –3,42x10
• 5
>55>1,5
• 5
>55>2,8
• 5
• 5
>0,55
• 5

  mL/cm

  2

  .s dengan fluks 0,74x10

  mL/cm

  2

  .s dan permeabilitas MPSfL 0,2 x10

  2

  mL/cm

  .s dengan fluks 0,16 x10

  mL/cm

  2

  .s. Dari data tersebut

  R e jeksi (% ) Fluks x 10

• ^-5 (mL/cm
² .s) MPSf+PEG

  Dekstra n 8,5… R e jeksi (% ) Fluks x 10

• ^-5 (mL/cm
² .s)

  .s; permeabilitas MPSf 0,9x10

  mL/cm

  2

  mL/cm

  

Asmara Satria Akbar dkk: Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai

Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran

Hibrid Polisulfon-Lempung

  Semirata 2013 FMIPA Unila adanya perbedaan ukuran pori dan distribusi pori membran. MPSf+PEG (2,2- 3,3μm menunjukkan distribusi pori yang lebih banyak dibandingkan dengan MPSfL+PEG (0,3-

  6,2μm . Hal serupa juga diamati pada MPSf (1- 3,2μm dengan distribusi pori yang lebih banyak dibandingkan dengan MPSfL (1- 5,5μm . Distribusi pori yang baik dapat meningkatkan permeabilitas membran (Tabel 3). Berdasarkan ukuran pori tersebut, maka semua sampel termasuk jenis membran mikrofiltrasi (0,1- 1 μm . Akibat penambahan lempung terjadi interaksi antara polisulfon dengan lempung secara kimia. Interaksi yang terjadi adalah antara gugus sulfon dan alkoksi dalam polimer polisulfon dengan silika atau OH pada lempung membentuk hibrid. Selain itu, intensitas silika lempung Desa Palas mencapai 58% [5]. Tingginya intensitas silika memberikan peluang terjadinya peningkatan ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen ini menunjukkan bahwa lempung telah berhasil masuk ke dalam jaringan matriks polisulfon membentuk membran hibrid polisulfon-lempung. Gambar 3 menunjukkan bahwa penambahan lempung pada pembuatan membran mencegah terjadinya distribusi pori, hal itu dibuktikan dengan sedikitnya jumlah pori dibandingkan dengan membran yang tidak menggunakan lempung. Namun lempung berpengaruh dalam pembentukan pori kecil pada membran hibrid. Pori kecil tersebut terbentuk akibat molekul organik yang ada pada polimer polisulfon semakin terikat silang, dikarenakan peran logam Si dalam lempung. Linggawati [8] melaporkan bahwa logam Si dalam APTEOS dapat membuat polimer nilon-66 semakin terikat silang.

  Gambar 5. Rejeksi dekstran 8,5; 35 dan 400 kDa terhadap MPSf+PEG Gambar 6. Rejeksi dekstran 8,5; 35 dan 400 kDa terhadap MPSfL+PEG

  Analisa unsur yang terkandung dalam membran hibrid polisulfon-lempung (MPSfL+PEG) dikonfirmasi dengan menggunakan EDX. Spektrum EDX pada gambar 4 menunjukkan bahwa logam Si, Al dan Mg telah terdistribusi dalam matriks polimer polisulfon.

  Data permeabilitas dan selektivitas membran ditunjukkan pada Tabel 3 dan Gambar 5-6. Dari data tersebut didapat nilai permeabilitas air (Lp) MPSf+PEG yaitu 1x10

  2

  .s dengan fluks 0,55x10

  .s dengan kisaran nilai fluks antara 0,76x10

  mL/cm

  2

  .s; permeabilitas MPSfL+PEG 0,4x10

  mL/cm

  2

  MPSfL+PEG Dekstra n 8,5…

  

Prosiding Semirata FMIPA Universitas Lampung, 2013

  diketahui bahwa penambahan lempung pada pembuatan membran hibrid polisulfon menyebabkan permeabilitas menurun, hal tersebut sesuai dengan bentuk struktur SEM (Gambar 3). SEM menunjukkan bahwa penambahan lempung membuat distribusi pori pada membran berkurang yang berakibat terhadap penurunan permeabilitas. Distribusi pori yang berkurang pada penambahan lempung dikarenakan pengaruh berbagai logam yang terkandung pada lempung (Gambar 4).

  Penambahan lempung menunjukkan hasil memuaskan pada uji selektivitas yang ditunjukkan padaTabel 3. MPSfL+PEG menghasilkan rejeksi terbaik terhadap dekstran 400-500 kDa yaitu diatas 90%. Rejeksi terbaik tersebut didapatkan karena lempung membuat pori sangat kecil di dekat pori besarnya yang menunjukkan bentuk pori kerucut (Gambar 3), sehingga dekstran tertahan sempurna. Selain pengaruh logam dalam lempung, pembuatan membran secara inversi fasa yang dilakukan dengan manual mengakibatkan pembentukan pori menjadi kerucut. Karena ketika permukaan membran lebih dulu dense akibat pencelupan, membuat pelarut yang masih terkandung didalam membran sulit terdifusi keluar sehingga pori yang terbentuk menjadi kerucut [9].

  

Tabel 3. Fluks air dan dekstran serta % rejeksi membran polisulfon dan hibrid polisulfon-

  lempung

  

Asmara Satria Akbar dkk: Potensi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai

Pekanbaru sebagai Porogen Pengganti Polietilen Glikol pada Pembuatan Membran

Hibrid Polisulfon-Lempung

  Semirata 2013 FMIPA Unila

  1996. Membranes with a microparticulate morphology. Polymer. 37 (8): 1305-1310.

  Leo. 2012. Effect of APTEOS content and electron beam irradiation on physical and separation properties of hybrid nylon-66 membranes. Materials Chemistry and Physics. 133: 110-117. T.H. Young, L.W. Chen and L.P. Cheng.

  A. Linggawati, A.W. Mohammad dan C. P.

  Teknologi Membran di Indonesia sebagai Alternatif untuk Mendapatkan Air Bersih, disampaikan pada Seminar Nasional Pengelolaan Sumber Daya Air di Indonesia. GT. Penelitian Sumber Daya Air. ITB. Bandung.

  Synthesis and characterization of poly(methy1 methacrylate)/SiO2 hybrid mbranes: effect of silica contents on membrane structure. Jurnal Matematika dan Sains. 2: 4. Radiman, C.L. 1996. Upaya Penggunaan

  M. A. Zulfikar and A.W. Mohammad.006.

  Skripsi Jurusan Kimia FMIPA. Universitas Riau, Pekanbaru.

  Karakterisasi Lempung Alam Desa Palas Kecamatan Rumbai dan Desa Telanai Teratak Buluh Kecamatan Kampar.

  Permeability of polymer/clay nanocomposites: A review. European Polymer Journal. 45 (29) 967-984. Nadarlis. 2012. Identifikasi dan

  G. Choudalakis and A.D. Gotsis, (2009).

  Proceeding of Regional symposium membrane science 2003, Johor, Malaysia.

  A. Linggawati, Muhdarina, D. Lang and A.W. Mohammad. (2003). Synthesis and Characterization Of Clay Filled Polysulfone Membrane: The Effect Of Composition And Calcination Of Clay.

  (2005). Modification of polysulfone membranes with polyethylene glycol and lignosulfate: electrical characterization by impedance spectroscopy measurements. Journal of Colloid and Interface Science. (285). 273-280.

  Mex. Chem. Soc. 52 (2) : 140-144. J. Benavente, X. Zhang and R. G. Valls,

  A. Bhattacharya, K. Singh, S. Gupta, Yogesh and S. Javiya. (2008). Porometry Studies of the Polysulfon Membranes on Addition of Poly (Ethylene Glycol) in Gelation Bath During Preparation. J.

  Terimakasih penulis ucapkan kepada Lembaga Penelitian Universitas Riau yang telah membiayai penelitian ini melalui Dana Penelitian dan Pola Ilmiah Pokok atas nama Dr. Amilia Linggawati, M.Si

  Kombinasi dari membran polisulfon- lempung dan PEG (MPSfL+PEG) menunjukkan rejeksi 98,82% dari dekstran 400-500 kDa pada tekanan 3,5 bar dengan fluks 2,65 x 10-5 mL/cm2.s. Sementara pada kondisi serupa membran polisulfon dengan menggunakan PEG (MPSf+PEG) menghasilkan rejeksi yang kurang memuaskan, begitu juga dengan fluks membran polisulfon-lempung (MPSfL). Hasil ini menunjukkan bahwa pori membran polisulfon dan karakteristik permeasi berubah dengan menambahkan lempung dan PEG. MPSfL+PEG memberikan selektivitas terbaik. Berdasarkan hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa lempung alam Desa Palas Pekanbaru berpotensi sebagai bahan aditif pada pembuatan membran hibrid polisulfon-lempung dalam hal peningkatan selektivitas terhadap membran. Membran ini diperkirakan berada pada klasifikasi membran mikrofiltrasi (MF).

  KESIMPULAN