Hidrogel Berbasis CMC/AAc-AAm/Kitosan-Nanopartikel sebagai Matriks Pupuk Pelepas Lambat Urea

Abstract

Keberadaan residu pupuk urea dalam tanah dapat memberikan dampak negatif terhadap kualitas tanah. Hidrogel dapat mengurangi jumlah residu pupuk yang terlepas ke dalam tanah dengan teknik pelepasan pupuk secara lambat. Pemuatan pupuk sebanyak dua kali diharapkan dapat membuat pupuk lebih lambat dalam melepaskan pupuk menggunakan nanopartikel kitosan (CS) sebagai pemuat pertama dan hidrogel sebagai pemuat kedua. Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan pupuk urea lepas terkendali berbasis double loading urea dari kitosan nanopartikel ke dalam hidrogel CMC/AAc-AAm; mengidentifikasi pengaruh konsentrasi kitosan terhadap ukuran diameter, porositas, dan pemuatan pupuk pada nanopartikel (CS-Urea); menganalisis pelepasan pupuk urea yang dimuat dua kali dalam CS-Urea dan hidrogel CMC/AAc-AAm untuk mencapai kategori slow release fertilizer. Rata-rata diameter partikel CS-Urea berada pada kisaran 140,53 nm-787,53 nm, ukuran dibawah 200 nm dapat dikategorikan nanopartikel. Analisis morfologi permukaan menunjukkan bahwa nanopartikel CS-urea memiliki struktur berpori dengan tingkat porositas 75%-78%. CS-urea menunjukkan adanya gugus fungsi N-H yang terikat pada kitosan, C-N yang terikat pada urea, dan agen pengikat silang ionik natrium tripolyphosphate (NaTPP), serta senyawa nitro aromatik yang menunjukkan adanya interaksi antara kitosan dengan agen pengikat silang ionik NaTPP. Pembengkakan hidrogel dengan CS-Urea diperoleh pada kisaran 9844%-18120%, sedangkan hidrogel tanpa CS-Urea sebesar 6284%-12089%, dengan model kinetika yang termasuk difusi Fickian. Pada sifat mekanik hidrogel penambahan CS-Urea dapat meningkatan hardness dan adhesiveness. Namun tidak memberikan perubahan pada cohesiveness. Spektrum FTIR hidrogel menunjukkan adanya perbedaan pada kekuatan ikatan silang yang terbentuk yaitu gugus hidroksil -OH pada hidrogel dengan CS-Urea dan tanpa CS-Urea. Hasil pengujian pelepasan pupuk urea oleh hidrogel di medium air dan tanah dengan CS-Urea dapat melepaskan pupuk selama 11-15 hari pada medium air dan 14 – 20 hari pada medium tanah, sedangkan hidrogel tanpa CS-Urea selama 9-12 hari pada medium air dan 13 – 17 hari pada medium tanah. Penambahan CS-Urea dapat meningkatkan performa dari hidrogel sehingga dapat memperlambat pupuk keluar. Secara keseluruhan sampel model Higuchi yang paling cocok untuk menjelaskan pelepasan pupuk. Hidrogel yang paling baik adalah sampel CS 0,5%; rasio AAc/AAm:CMC 1:2 dan MBA 2% dengan jumlah pupuk yang terlepas pada 24 jam kurang dari 15%, waktu pelepasan pupuk terlama, dan pelepasan maksimumnya lebih dari 70% baik pada medium air dan tanah. Berdasarkan perlakuan terbaik, pemuatan pupuk sebanyak dua kali pada hidrogel berpeluang untuk diterapkan pada tanah dengan kondisi kurang unsur hara.

This study aims to produce controlled release urea fertilizer based on double loading urea from chitosan nanoparticles into CMC/AAc-AAm hydrogel, identify the effect of chitosan concentration on the diameter size, porosity, and fertilizer loading on nanoparticles (CS-Urea), and analyze the release of urea fertilizer loaded twice in CS-Urea and CMC/AAc-AAm hydrogel to achieve the slow release fertilizer category. The average diameter of CS-Urea particles is 140.53 nm-787.53 nm. Sizes below 200 nm can be categorized as nanoparticles. Surface morphology analysis shows that CS-urea nanoparticles have a porous structure with a 75% -78% porosity level. CS-urea shows the presence of N-H functional groups bound to chitosan, C-N bound to urea, and ionic cross-linking agent sodium tripolyphosphate (NaTPP), as well as aromatic nitro compounds, indicating an interaction between chitosan and ionic cross-linking agent NaTPP. The swelling of hydrogels with CS-Urea was obtained in the range of 9844% -18120%, while hydrogels without CS-Urea were 6284% -12089%, with a kinematic model including fickian diffusion, air movement following the air potential gradient from high to low and also its rate is lower than polymer chain relaxation. Adding CS-Urea can increase hardness and adhesion in the mechanical properties of hydrogels. However, it does not provide changes in compactness. The FTIR spectrum of the hydrogel shows a difference in the strength of the cross-links formed, namely the hydroxyl group -OH in hydrogels with CS-Urea and without CS-Urea. The results of the urea fertilizer release test by hydrogel in water and soil media with CS-Urea can release fertilizer for 11-15 days in water media and 14-20 days in soil media, while hydrogel without CS-Urea for 9-12 days in water media and 13-17 days in medium soil. Adding CS-Urea can improve the hydrogel's performance and slow the fertilizer's release. Overall, the Higuchi model sample is most suitable for explaining fertilizer release. The best hydrogel is the CS 0.5% sample; AAc/AAm:CMC ratio 1:2 and MBA 2% with the amount of fertilizer released in 24 hours less than 15%, the longest fertilizer release time, and maximum release of more than 70% in both air and soil media. According to the best treatment, loading fertilizer twice has the potential to be applied to soil that is deficient in nutrients.