Pelepasan Pupuk pada Hidrogel Asam Akrilat Akrilamida Berbasis Selulosa Tongkol Jagung

Abstract

Sistem pemupukan yang dilakukan oleh petani sering kali kurang memperhatikan jumlah dan dosis pupuk yang dianjurkan. Petani umumnya menggunakan dosis yang tinggi tanpa menyadari bahayanya terhadap lingkungan. Sistem pemupukan seperti itu kurang efektif. Pupuk yang telah diberikan tidak sepenuhnya diserap oleh tanaman. Sebagian pupuk ada yang tercuci oleh air dan terbuang kedalam tanah. Pada jangka panjang, hal ini dapat menyebabkan terjadi pencemaran lingkungan, terutama pada tanah, perairan, dan udara. Oleh karena permasalahan pupuk dibidang pertanian dibutuhkan bahan dengan kemampuan menyerap air dalam jumlah tinggi dan melepaskannya melalui jangka waktu yang lama dalam kombinasi dengan pupuk. Salah satu cara untuk mengefektifkan pemberian air dan unsur hara bagi tanaman, serta memperbaiki sifat fisika dan kimia adalah dengan aplikasi hidrogel. Hidrogel memiliki beberapa kriteria antara lain: dapat menampung pupuk dalam jumlah yang besar, dapat melepaskan pupuk secara periodik, dapat menahan pupuk dalam waktu yang lama dan dapat menahan kelembaban tanah dan mengendalikan erosi tanah. Penting dan prospektifnya aplikasi hidrogel dalam sistem pemupukan pelepasan terkendali dan sistem absorbsi air mendapat perhatian yang besar. Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan hidrogel dengan kemampuan swelling, fraksi gel dan sifat mekanik yang baik menggunakan asam akrilat-akrilamida berbasis selulosa tongkol jagung dan dapat diaplikasikan sebagai matriks pembawa pupuk yang dengan strukturnya bisa mengatur release/pelepasan pupuk. Sintesis hidrogel dilakukan dengan menambahkan larutan selulosa pada inisiator amonium persulfat (APS). Konsentrasi selulosa-APS ditambahkan dengan larutan asam akrilat-akrilamida dengan perbandingan (0:1, 1:1 dan 1:2). N,N’-metilenbisakrilamida (MBA) sebagai agen pengikat silang dengan variasi konsentrasi terhadap total larutan selulosa-asam akrilat akrilamida sebesar 0, 1, dan 2% (berat/berat). Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai swelling meningkat dengan peningkatan akrilamida pada perlakuan perbandingan konsentrasi selulosa:Akrilamida (AAm). Akrilamida (AAm) merupakan salah satu jenis monomer yang bersifat hidrofilik,sifat hidrofilik inilah yang menyebabkan nilai swelling meningkat saat konsentrasi akrilamida meningkat karena semakin banyak air yang terikat oleh gugus hidrofilik disepanjang rantai polimer hidrogel. Perlakuan selulosa:AAm terhadap peningkatan akrilamida akan meningkatkan nilai fraksi gel dan swelling tetapi menurunkan nilai pelepasan pupuk, hal ini dikarenakan semakin tinggi akrilamida mempunyai sifat penyerapan yang tinggi sehingga menahan pupuk dalam jumlah besar dan melepaskannya secara perlahan. MBA yang ditambahkan sebagai pembentukan ikatan silang (crosslinking) pada saat polimerisasi akan menghasilkan jejaring polimer yang dapat menyerap air. Hasil swelling rata-rata tertinggi diperoleh dari perlakuan konsentrasi MBA 1%. Perlakuan pupuk optimal pada konsentrasi 5% karena konsentrasi pupuk tersebut menunjukkan suatu konsentrasi yang menyebabkan hidrogel semakin baik menahan air didalamnya. Nilai pelepasan pupuk sebanding dengan nilai swelling dan fraksi gel pada perlakuan MBA. Matriks hidrogel mengandung pupuk yang termuat, sehingga menunda pelepasan pupuk karena retensi air atau swelling. Swelling rata-rata tertinggi diperoleh pada perbandingan konsentrasi selulosa:AAm (1:2) yaitu 4986,37%. Nilai pupuk yang termuat pada MBA 1% adalah 60 mg dan pelepasan pupuk yang dihasilkan sebesar 2,9%. Hasil uji statistik terdapat pengaruh berbeda nyata kedua faktor perlakuan (faktor perbandingan konsentrasi selulosa:AAm dan konsentrasi MBA) terhadap nilai swelling hidrogel pada taraf nyata 5%. Uji lanjut Duncan menunjukkan adanya perbedaan yang signifikan antara perlakuan penambahan konsentrasi MBA pada 0 dan 1%. Perlakuan peningkatan pupuk pada nilai swelling ketiga konsentrasi 0, 5, dan 10% tidak berbeda nyata berdasarkan uji statistik. Kemampuan hidrogel dalam menyerap dan mengikat air per satuan waktu ditunjukkan dengan analisis kinetika swelling yang berhubungan dengan laju difusi hidrogel dalam menyerap air dan relaksasi rantai polimer hidrogel. Sifat mekanik hidrogel ditunjukkan dengan beberapa parameter diantaranya, hardness, cohesiveness, springiness, dan adhesiveness. Hidrogel dengan pupuk meningkatkan hardness, cohesiveness, dan springiness, serta menurunkan adhesiveness. Perlakuan MBA yang menunjukkan penurunan nilai swelling menghasilkan nilai hardness yang menurun sedangkan perlakuan selulosa:AAm dengan peningkatan akrilamida meningkatkan nilai swelling tetapi menurunkan nilai hardness. Hal ini terjadi karena dikarenakan struktur hidrogel tidak terlalu kaku sehingga hidrogel masih dapat meregang dan membengkak. Elastisitas merupakan bentuk respons dari suatu bahan yang mengacu pada deformasi langsung. Semakin tinggi regangan dan deformasi yang lebih besar menunjukkan semakin tinggi nilai modulus elastisitas dan hardness. Semakin tinggi hardness juga menunjukkan semakin tinggi jumlah rantai polimer aktif per satuan volume dalam jaringan. Semakin tinggi nilai fraksi gel maka kerapatan ikatan silang juga meningkat. Namun 2% menunjukkan hasil yang berbeda bahwa nilai fraksi gel menurun saat kerapatan ikatan silang meningkat. Hal ini disebabkan rantai panjang polimer alam dengan konsentrasi tinggi pada perlakuan selulosa:AAm tidak banyak terdegradasi membentuk senyawa radikal sehingga nilai fraksi gel cenderung turun namun kerapatan ikatan silang yang terjadi meningkat. Laju difusi yang semakin tinggi menunjukkan swelling yang meningkat serta nilai koefisien difusi (D) yang juga meningkat. Hubungan nilai swelling dan koefisien difusi (D) yang berkorelasi positif pada hidrogel metode ikat silang kimia dan variasi konsentrasi selulosa:AAm. Pada variasi MBA nilai D sebanding dengan nilai pelepasan pupuk sedangkan variasi selulosa:AAm peningkatan akrilamida menurunkan nilai pelepasan pupuk karena akrilamida merupakan asam karbosilat yang mempunyai ikatan rangkap terkonjugasi yang akan menyimpan pupuk dalam kapasitas besar dan melepaskan pupuk secara bertahap.

The fertilization system implemented by farmers often does not pay attention to the recommended amount and dose of fertilizer. Farmers generally use high doses fertilizer without realizing the danger to the environment. Such fertilization systems are less effective. The fertilizers that have been given are not fully absorbed by the plant. Some of the fertilizers are leached by water and wasted into the soil. In the long term, this can cause environmental pollution, especially on land, waters and air. Due to the problem of fertilizers in agriculture, a material with the ability to absorb high amounts of water is needed and release it over a long period of time in combination with fertilizers. One of the ways to effectively provide water and nutrients to plants, as well as improve physical and chemical properties is the application of hydrogels. Hydrogel has several criteria, among others: can accommodate large amounts of fertilizer, can release fertilizer periodically, can hold fertilizer for a long time and can hold soil moisture and control soil erosion. The importance and prospective application of hydrogels in controlled release fertilizing systems and water absorption systems has received great attention. This study aims to produce a hydrogel with good swelling ability, gel fraction and mechanical properties using acrylamide-acrylamide based on corn cobs cellulose and can be applied as a fertilizer carrier matrix whose structure can regulate fertilizer release. Hydrogel synthesis was carried out by adding cellulose solution to the ammonium persulfate (APS) initiator. The concentration of cellulose-APS was added with acrylic acid-acrylamide solution in the ratio (0:1, 1:1 and 1:2). N,N'-methylenebisacrylamide (MBA) as a crosslinking agent with a concentration variation of 0, 1, and 2% (w/w) of the total cellulose-acrylic acid acrylamide solution. The results showed that the swelling value increased with the increase in acrylamide in the cellulose:Acrylamide (AAm) concentration comparison treatment. Acrylamide (AAm) is one type of monomer that is hydrophilic, this hydrophilic nature causes the swelling value to increase when the concentration of acrylamide increases because more water is bound by hydrophilic groups along the hydrogel polymer chain. Treatment of cellulose:AAm on increasing acrylamide will increase the value of gel fraction and swelling but decrease the value of fertilizer release, this is because the higher acrylamide has high absorption properties so it holds fertilizer in large quantities and releases it slowly. MBA which is added as crosslinking during polymerization will produce polymer network (which can absorb water). The highest average swelling results were obtained from the 1% MBA concentration treatment. Optimal fertilizer treatment at a concentration of 5% because the concentration of the fertilizer shows a concentration that causes the hydrogel to better retain water in it. The fertilizer release value was proportional to the swelling value and gel fraction in the MBA treatment. The hydrogel matrix contains loaded fertilizer, thereby delaying the release of fertilizer due to water retention or swelling. The highest average swelling was obtained at the concentration ratio of cellulose:AAm (1:2), which was 4986.37%. The fertilizer value contained in MBA 1% is 60 mg and the release of fertilizer produced is 2,9%. The results of the statistical test showed that there was a significantly different effect of the two treatment factors (comparison factor of cellulose:AAm concentration and MBA concentration) on the swelling hydrogel value at a 5% significance level. Duncan's further test showed that there was a significant difference between treatment with addition of MBA concentration at 0 and 1%. The treatment of increasing fertilizer at the swelling values of the three concentrations of 0, 5, and 10% was not significantly different based on statistical tests. The ability of the hydrogel to absorb and bind water per unit time was shown by analysis of swelling kinetics related to the rate of diffusion of the hydrogel in absorbing water and the relaxation of the hydrogel polymer chain. The mechanical properties of hydrogels are indicated by several parameters including hardness, cohesiveness, springiness, and adhesiveness. Hydrogel with fertilizer increases hardness, cohesiveness, and springiness, and reduces adhesiveness. The MBA treatment which showed a decrease in the swelling value resulted in a decreased hardness value, while the cellulose:AAm treatment with an increase in acrylamide increased the swelling value but decreased the hardness value. This happens because the hydrogel structure is not too rigid so that the hydrogel can still stretch and swell. Elasticity is a form of response of a material which refers to direct deformation. The higher the strain and the greater the deformation, the higher the modulus of elasticity and hardness. The higher the hardness also indicates the higher the number of active polymer chains per unit volume in the network. The higher the gel fraction value, the cross-link density also increases. However, 2% showed different results that the gel fraction value decreased as the cross-link density increased. This is due to the long-chain natural polymers with high concentrations in the treatment of cellulose:AAm not much degraded to form radical compounds so that the gel fraction value tends to decrease but the cross-link density that occurs increases. The higher the diffusion rate, the higher the swelling and the higher the value of the diffusion coefficient (D). The relationship between swelling value and diffusion coefficient (D) which is positively correlated to the hydrogel chemical crosslinking method and variations in the concentration of cellulose:AAm. In the MBA variation, the D value is proportional to the fertilizer release value, while the cellulose:AAm variation, the increase in acrylamide decreases the fertilizer release value because acrylamide is a carboxylic acid which has conjugated double bonds which will store fertilizer in a large capacity and release fertilizer gradually.