Desain Proses Isolasi dan Aplikasi Nanokristalin Selulosa dari Frond Sagu sebagai Serat Penguat untuk Bead Komposit Adsorben Pewarna

Abstract

Frond sagu merupakan pucuk batang pohon sagu dengan panjang sekitar 10- 20% dari batang sagu yang dibuang sebagai limbah lignoselulosa dari proses produksi pati sagu. Indonesia merupakan penghasil sagu terbesar di dunia, sehingga frond sagu ketersediaan sangat berlimpah, namun tidak termanfaatkan. Disisi lain, limbah dari berbagai jenis pewarna sintetik juga dihasilkan dalam jumlah berlimpah dari kegiatan industri tekstil, karet, plastik, kertas, farmasi, kosmetik, percetakan dan makanan. Limbah-limbah ini perlu penanganan dan pengelolaan agar tidak mencemari lingkungan. Penelitian ini mempunyai 3 tujuan utama yaitu: (1) isolasi dan modifikasi selulosa dan NCC, (2) sintesis bead komposit pati, alginat/kitosan dengan penguat NCC, dan (3) pengujian kinerja adsorpsi-desorpsi adsorben bead komposit pada larutan pewarna kationik dan anionik. Serat frond sagu mengandung selulosa, hemiselulosa dan lignin masingmasing 23.70%, 26.14% dan 29.70% dengan derajat kristalinitas 30.90%. Serat ini berpotensi digunakan sebagai bahan selulosa. Proses isolasi selulosa dilakukan dalam dua tahap yaitu proses delignifikasi dan bleaching. Proses delignifikasi sebaiknya menggunakan konsentrasi NaOH 10% (b/v) selama 2 jam, pada suhu 100oC dan dilanjutkan dengan proses bleaching menggunakan agen alkali hidrogen peroksida selama 2 jam pada suhu 90oC, sehingga dihasilkan selulosa frond sagu. Proses delignifikasi dan bleaching mampu meningkatkan kemurnian selulosa yang ditandai dengan peningkatan derajat kristalinitas serat frond sagu dari 30.9% menjadi 60.30%, kadar selulosa dari 23.70% menjadi 68.42%, sedangkan kadar lignin menurun dari 29.70% menjadi 3.84% dan hemiselulosa dari 26.14% menjadi 2.81%. Karakteristik ini berpotensi digunakan sebagai bahan NCC. Isolasi NCC dari selulosa frond sagu dilakukan dengan optimasi hidrolisis asam sulfat pada berbagai variasi konsentrasi asam sulfat, suhu dan waktu proses menggunakan pemodelan dengan metode Respone Surface Methodology. Kondisi optimum proses isolasi NCC diperoleh pada konsentrasi asam sulfat 56.46%, suhu 60.51oC dan waktu proses 48.57 menit dengan nilai prediksi derajat kristalinitas dari model yaitu sekitar 74.01%. Isolasi NCC dengan asam sulfat mampu meningkatkan derajat kristalinitas dari 60.30% (selulosa) menjadi 70.63% (NCC) dengan ukuran diameter serat yaitu berkisar antara 6.89 nm sampai 22.91 nm. Modifikasi selulosa dan NCC telah berhasil dilakukan yang ditandai oleh perubahan muatan permukaan selulosa dan NCC dari bermuatan negatif menjadi positif. Proses modifikasi dengan agen kationik cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) dan 3-chloro-2-hydroxypropyltrimethylammonium chloride (CHPTAC) menyebabkan derajat kristalinitas selulosa termodifikasi menurun sekitar 30% terhadap selulosa dan NCC termodifikasi menurun 15% terhadap NCC. Stabilitas termal selulosa dan NCC termodifikasi juga menurun masing-masing sekitar 5% pada selulosa dan 10% pada NCC terhadap derajat kristalinitas serat sebelum dimodifikasi. Meskipun karakteristik selulosa dan NCC termodifikasi mengalami penurunan, namun perubahan muatan dari anionik menjadi kationik menunjukkan modifikasi kationik telah berhasil dilakukan. Selanjutnya, selulosa dan NCC termodifikasi berpotensi diaplikasikan dalam bidang yang lebih luas, terutama pada senyawa-senyawa polimer non-polar maupun hidrofobik. Sementara itu, NCC mempunyai nilai aspek rasio panjang terhadap diameter serat (L/d) tinggi, derajat kristalinitas dan stabilitas cukup tinggi, sehingga berpotensi diaplikasikan sebagai bahan penguat komposit. Aplikasi NCC sebagai penguat komposit pati, alginat/kitosan (Pati-Alg/Chi) menunjukkan bahwa konsentrasi NCC berpengaruh positif terhadap karakteristik fisik mekanik bead komposit. Peningkatan konsentrasi NCC dari 0% sampai 0.2% pada komposit Pati-Alg mampu meningkatkan kekerasan, kekuatan tekan, modulus Young dan stabilitas termal masing-masing sekitar 80%, 45%, 120% dan 14% terhadap bead komposit Pati-Alg tanpa NCC. Sementara itu, peningkatan konsentrasi NCC mencapai 0.6% (b/b) pada bead komposit Pati-Chi mampu meningkatkan kekerasan dan modulus Young sekitar 300%, tegangan tekan sekitar 60% dan stabilitas termal sekitar 2% terhadap bead komposit Pati-Chi tanpa NCC. Aplikasi bead komposit Pati-Alg-NCC sebagai adsorben pewarna kationik Methylene Blue (MB) dan Pati-Chi-NCC sebagai adsorben pewarna anionik Congo Red (CR) terbukti dapat digunakan sebagai adsorben pewarna sintetis. Kapasitas dan persentase adsorpsi pewarna MB dan CR oleh adsorben dipengaruhi oleh konsentrasi awal pewarna, waktu kontak, dosis adsorben, pH dan suhu. Secara umum, kapasitas maksimum adsorpsi pewarna MB dan CR diperoleh pada kondisi konsentrasi awal pewarna dan suhu semakin tinggi, namun dosis adsorben semakin rendah. Sementara, persentase adsorpsi tinggi diperoleh pada kondisi konsentrasi pewarna awal rendah, namun dosis adsorben dan suhu semakin tinggi. Waktu kontak semakin lama mengakibatkan kapasitas dan persentase adsorpsi pewarna semakin tinggi. Namun, laju adsorpsi menurun dengan meningkatnya konsentrasi awal pewarna. Adsorpsi pewarna MB dan CR merupakan adsorpsi monolayer dengan sisi aktif terdistribusi secara homogen pada permukaan adsorben, proses adsorpsi terjadi secara spontan dan didominasi oleh adanya interaksi kimia. Hal ini ditunjukkan dari model isotermis Langmuir dan kinetika pseudo-second-order. Sementara itu, model termodinamika adsorpsi menunjukkan bahwa interaksi antara pewarna dengan adsorben terjadi melalui reaksi endotermis (ΔHo positif) dan bersifat favorable dengan semakin meningkatnya suhu (ΔGo negatif). Adsorben bead Pati-Alg-NCC mempunyai kapasitas adsorpsi maksimum pewarna MB sebesar 21.10 mg/g, tidak jauh berbeda dengan selulosa sebesar 20.49 mg/g. Sementara itu, adsorpsi pewarna CR dengan adsorben selulosa-CTAB dan CHPTAC cenderung menghasilkan kapasitas pewarna CR lebih tinggi yaitu masing-masing 23.20 mg/g dan 22.73 mg/g dibandingkan dengan selulosa dan bead Pati-Chi-NCC yaitu masing-masing 16.56 mg/g dan 17.24 mg/g. Penambahan NCC pada bead komposit tidak hanya berfungsi sebagai penguat, tetapi juga meningkatkan kapasitas adsorpsi MB dengan bead Pati-Alg-NCC sekitar 7% dan adsorpsi CR dengan bead Pati-Chi-NCC sekitar 3%. Kapasitas adsorpsi adsorben setelah 4 kali siklus adsorpsi-desorpsi menggunakan etanol 70% (v/v) mengalami penurunan sekitar 30% dari kapasitas awal adsorben, menunjukkan bahwa adsorben dapat digunakan berulang-ulang.