Sintesis dan Karakterisasi Carboxymethyl Cellulose (CMC) dari Selulosa Eceng Gondok (Eichhornia crassipes) dengan Media Reaksi Isopropanol Etanol PDF

Preview

Summary

Sintesis dan Karakterisasi Carboxymethyl Cellulose (CMC) dari Selulosa Eceng Gondok (Eichhornia crassipes) dengan Media Reaksi Isopropanol Etanol Samhani Mahendra Wijayaa, Alia Badra Pitalokab, Asep Handaya Saputrac a Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia,Depok 16424 E-mail...

Description

Accelerat ing t he world's research.

Sintesis dan Karakterisasi Carboxymethyl Cellulose (CMC) dari Selulosa Eceng Gondok (Eichhornia crassipes) denga... Samhani Mahendra Wijaya

Related papers

Download a PDF Pack of t he best relat ed papers 

SINT ESIS DAN KARAKT ERISASI SUPERABSORBEN POLIMER BERBASIS KARBOKSIMET IL SEL… Anggun R I S K A Wahyuni

Jurnal skirpsi kert as1 Noki Noki REVIEW JURNAL PRH 2018 (REKAYASA HAYAT I 2017) FULL Adam Syach

Sintesis dan Karakterisasi Carboxymethyl Cellulose (CMC) dari Selulosa Eceng Gondok (Eichhornia crassipes) dengan Media Reaksi Isopropanol Etanol Samhani Mahendra Wijayaa, Alia Badra Pitalokab, Asep Handaya Saputrac a

Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia,Depok 16424 E-mail : [email protected] b Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia,Depok 16424 E-mail : [email protected] C Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia,Depok 16424 E-mail : [email protected]

ABSTRAK Eceng gondok merupakan gulma perairan, namun memiliki kadar selulosa cukup tinggi. Selulosa eceng gondok merupakan sumber potensial bahan baku alternatif pembuatan carboxymethyl cellulose (CMC) pengganti kayu. Setelah proses isolasi, selulosa eceng gondok dicampurkan dalam campuran pelarut isopropanol-etanol. Kemudian dilanjutkan dengan mereaksikan selulosa eceng gondok dengan NaOH dan ClCH2COONa. Proses netralisasi dilakukan dengan menggunakan asam asetat dan etanol 96 % serta pengeringan dalam oven. Karakterisasi CMC optimum yang dihasilkan memiliki derajat substitusi (DS) 1,65 dan tingkat kemurnian 93,16 % pada kondisi konsentrasi NaOH 10 %, dengan komposisi media reaksi Isopropanol-Etanol 80 ml:20 ml.

ABSTRACT Water hyacinth is an aquatic weed, but has a high cellulose content. Water hyacinth cellulose is a potential source for alternative materials of carboxymethyl cellulose (CMC) synthesis as wood substitutes. Water hyacinth cellulose mixed in a solvent mixture of isopropanol-ethanol. Then reacting cellulose with NaOH and ClCH2COONa. Neutralization process using acetic acid and 96% ethanol and drying in the oven. Optimum characterization of the resulting CMC has a degree of substitution (DS) of 1.65 and a purity level of 93.16% on condition 10% NaOH concentration and the composition of the reaction media is Ethanol Isopropanol 20 ml: 80 ml. Keywords : Water Hyacinth Cellulose, Carboxymetyhl Cellulose (CMC), Degree of Substitution, Purity

1. PENDAHULUAN Carboxymethyl Cellulose (CMC) merupakan zat aditif penting yang banyak digunakan di berbagai industri seperti industry makanan, farmasi, deterjen, tekstil, kosmetik, dan pengeboran migas (minyak dan gas). Hal ini dikarenakan CMC memiliki fungsi sebagai pengental, penstabil emulsi dan bahan pengikat [1]. Menurut riset pasar Merchant Research & Consulting Ltd. Yang berbasis di Inggris, kebutuhan CMC dunia meningkat 1,7-1,8% setiap tahunnya [2]. Seiring dengan peningkatan kebutuhan CMC diperkirakan laju penebangan akibat penggunaan tumbuhan kayu semakin meningkat. Hal ini disebabkan pembuatan/sintesis CMC secara komersial berbahan baku selulosa dari tumbuhan kayu. Oleh karena itu diperlukan bahan baku alternatif yang berasal dari tumbuhan non kayu. Indonesia merupakan surga tumbuhan kayu dan non kayu, berbagai tumbuhan tumbuh subur di Indonesia, salah satunya adalah eceng gondok (Eichhornia crassipes). Eceng gondok yang memiliki tingkat pertumbuhan tinggi, mencapai 3,69% berat basah/hari [3] menimbulkan banyak

dampak negatif sehingga dianggap gulma. Selain itu eceng gondok yang merupakan tumbuhan non kayu diketahui memiliki kadar selulosa cukup tinggi mencapai 62,5% [4]. Hal ini menyebabkan eceng gondok dinilai berpotensi digunakan sebagai bahan baku alternatif sintesis CMC. Sintesis CMC dari selulosa tumbuhan non kayu telah banyak dilakukan diantaranya menggunakan pisang, ampas sagu, ampas tebu, dan tandan kosong kelapa sawit [5,6,7,8]. Selain itu sintesis CMC menggunakan eceng gondok juga telah berhasil dilakukan [1,9], namun tidak menggunakan variasi komposisi campuran pelarut. Sintesis CMC dalam penelitian ini berbahan baku selulosa eceng gondok yang telah terisolasi dan menggunakan campuran isopropanol etanol sebagai media reaksi. Isopropanol dan etanol diketahui memiliki sifat inert selama proses sintesis CMC [10]. CMC dihasilkan melalui reaksi eterifikasi gugus hidroksil pada selulosa dengan sodium monokloroasetat/ClCH2COONa (SMCA) [6]. Sintesis CMC meliputi beberapa tahap yakni alkalisasi, karboksimetilasi, netralisasi, purifikasi dan pengeringan.

Tahap alkalisasi dan karboksimetilasi merupakan tahapan penting dalam menentukan kualitas CMC yang dihasilkan. Alkalisasi menggunakan reagen NaOH yang bertujuan untuk mengaktifkan gugus-gugus OH pada molekul selulosa dan mengembangkan selulosa atau proses perubahan struktur kristalin pada selulosa menjadi amorf. Pengembangan selulosa ini memudahkan difusi reagen untuk proses selanjutnya, yaitu karboksimetilasi. Semakin banyak struktur amorf yang terbentuk akan memudahkan tahap karboksimetilasi dengan menggunakan reagen SMCA yang bertujuan untuk membentuk CMC itu sendiri, yakni dengan masuknya gugus –CH2COONa ke dalam struktur selulosa. Kualitas CMC yang dihasilkan dinyatakan dengan beberapa karakterisasi yaitu, nilai derajat substitusis (DS), viskositas, tingkat kemurnian, pH dan gugus fungsi. Namun diantara keempat parameter tersebut, DS merupakan parameter yang terpenting dalam menentukan kualitas CMC. DS merupakan perbandingan antara jumlah gugus hidroksil yang tersubstitusi oleh reagen SMCA dengan jumlah cincin anhidroglukosa (AGU) pada selulosa. DS maksimum bernilai 3. Nilai DS dipengaruhi oleh beberapa faktor. Faktor-faktor tersebut adalah jenis dan komposisi pelarut/media reaksi, konsentrasi alkali, konsentrasi kloroasetat, waktu reaksi, dan suhu reaksi [9]. Dalam penelitian ini variasi parameter sintesis yang digunakan adalah konsentrasi NaOH dan komposisi campuran media reaksi isopropanol-etanol. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan CMC dari selulosa eceng gondok dan mengetahui karakteristik CMC yang dihasilkan dengan adanya variasi komposisi campuran media reaksi dan variasi konsentrasi NaOH. DS dan tingkat kemurnian CMC diuji dengan metode standar DAI-ICHI KOGYO SEIYAKU CO, LTD serta didukung oleh analisis Fourier-Transform Infrared (FTIR). 2.

METODE DAN MATERIAL

2.1 Material Bahan baku yang digunakan dalam penelitian ini adalah selulosa eceng gondok, NaOH, SMCA, isopropanol (p.a), etanol (p.a), asam asetat, dan aquades. Selulosa eceng gondok didapatkan dari proses isolasi alfa selulosa eceng gondok yang memiliki ukuran 60 mesh. 2.2 Metode Penelitian Batang eceng gondok setelah dibersihkan dilakukan proses pengeringan, penggilingan dan pengayakan 60 mesh. Serbuk eceng gondok dilakukan tahapan isolasi alfa selulosa. Proses isolasi selulosa terdiri dari tahapan dewaxing, bleaching, dehemiselulosa, penetralan dan pengeringan. Tahapan dewaxing menggunakan pelarut toluena-etanol 2:1 dalam soxhlet apparatus, tahapan bleaching menggunakan NaClO2 1% selama 3 jam , tahapan dehemiselulosa menggunakan NaOH 17,5% selama 3 jam, serta tahapan penetralan menggunakan CH3COOH. Setelah didapatkan selulosa kering, dilakukan proses sintesis dan karakterisasi CMC yang dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Diagram Alir Sintesis Dan Karakterisasi CMC

Proses sintesis CMC dilakukan dalam labu leher 3 dengan motor pengaduk diatasnya. Pada tahap pencampuran, selulosa eceng gondok dicampurkan dengan media reaksi berupa campuran isopropanol-etanol dengan variasi yang ditentukan dalam labu kimia dan diaduk selama 10 menit, Kemudian masuk tahap alkalisasi yang dilakukan pada suhu 250C dengan penambahan NaOH dalam 20ml air distilat secara tetes demi tetes sesuai variasi yang diinginkan serta dilakukan pengadukan hingga 1 jam. Setelah itu masuk tahap karboksimetilasi yang dilakukan pada suhu 550C dengan penambahan SMCA tetap yakni sebanyak 6 gram, kemudian dilakukan pengadukan hingga 3,5 jam. Produk CMC dilakukan proses penentralan jika produk masih memiliki nilai pH diatas 7,5 dengan asam asetat dan dicuci dengan ethanol 96%, kemudian produk dipindahkan untuk dilakukan proses pengeringan menggunakan oven memert pada suhu 700C selama 2-3 jam. Produk CMC didapatkan dalam bentuk serbuk. Dilakukan 3 pengujian untuk mengetahui karakterisasinya yakni FTIR untuk pembuktian gugus fungsi, uji DS dan tingkat kemurnian untuk mengetahui karakteristik CMC yang dihasilkan. Pengujian DS Dan tingkat kemurnian dilakukan di Balai Penelitian Pulp dan Kertas. Adapun reaksi selama proses sintesis CMC adalah sebagai berikut : Tahap alkalisasi : RCellulose–OH + NaOH→RCellulose –ONa+H2O

(1)

Tahap Karboksimetilasi RCellulose–ONa+ClCH2COO-Na→RCellulose– OCH2COONa+NaCl

(2)

Tabel 1. Hasil Derajat Substitusi CMC

Komposisi Media Reaksi (Etanol:Isopropanol)

Konsentrasi NaOH

Derajat Substitusi (DS)

80 ml : 20 ml

5

0,06

10

0,14

20

0,12

30

0,13

35

0,33

5

0,16

10

0,51

20

-

30

0,04

35

1,47

50 ml : 50 ml Gambar 2. Spektra FTIR CMC

3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Isolasi Selulosa Serbuk eceng gondok yang didapatkan setelah pengeringan dan penggilingan dilakukan uji kandungan untuk mengetahui secara pasti komposisi yang terkandung dalam eceng gondok. Hasil uji kandungan eceng gondok diketahui terdiri dari kadar air 8,75% ; ekstraktif 1,98% ; lignin 8,62% ; hemiselulosa 35,70% ; selulosa 27,45% dan ash 17,5%. Kemudian setelah dilakukan serangkain tahapan isolasi selulosa, hasil isolasi diuji kembali kandungannya dengan tujuan untuk mengetahui komposisi setelah dilakukan isolasi dan membuktikan bahwa proses isolasi selulosa telah berhasil dilakukan. Hasil uji kandungan setelah isolasi didapatkan komposisi selulosa sebesar 95%, dimana sisa 5% merupakan hemiselulosa yang belum terdegradasi selama proses isolasi. Rata rata rendemen proses isolasi selulosa ini didapatkan sebesar 43,19% dimana dari 377,4 gram serbuk eceng gondok didapatkan 163 gram selulosa eceng gondok hasil isolasi. 3.2 FTIR CMC Uji FTIR CMC perlu dilakukan untuk membuktikan telah terbentuknya CMC dengan munculnya serapan pada gugus fungsi CMC. Gugus fungsi CMC akan terlihat serapan gugus karboksil pada kisaran 1600-an cm-1 dan 1400-an cm-1 yang menunjukkan keberadaan kelompok eter karboksimetil ((COO-) dan (-CH2)) [11]. Spektra FTIR CMC dapat dilihat pada Gambar 2 direntang bilangan gelombang 400 – 4000 cm-1. Terdapat serapan kuat pada bilangan gelombang 1615,93 cm-1 yang menunjukkan gugus eter (COO-). Hal ini merupakan bukti bahwa gugus eter telah mensubstitusi gugus hidroksil pada AGUselulosa. 3.3 Derajat Substitusi (DS) Uji derajat substitusi dilakukan untuk mengetahui secara langsung nilai DS dari CMC serta pengaruh variasi konsentrasi alkali dan variasi komposisi campuran media reaksi dalam sintesis CMC. Variasi konsentrasi alkali (NaOH) yang dilakukan yakni 5 %, 10 %, 20 %, 30 % dan 35 %, sedangkan variasi komposisi media reaksi (etanolisopropanol ) yang dilakukan yakni 20 ml : 80ml , 50 ml : 50 ml dan 80 ml : 20 ml. Hasil dari DS sampel CMC dapat dilihat pada Tabel 1.

20 ml : 80 ml

5

1,07

10

1,65

20

0,98

30

0,8

35

0,69

Peningkatan konsentrasi NaOH akan menaikkan nilai DS karena semakin banyak NaOH, akan meningkatkan tingkat pengembangan selulosa (konversi struktur kristalin selulosa menjadi struktur amorf). Semakin banyak selulosa yang mengembang memudahkan difusi reagen SMCA ke dalam cincin AGU selulosa untuk mensubstitusi gugus hidroksil pada selulosa dengan gugus fungsi CMC (CH2COONa). Namun terdapat konsentrasi kritis NaOH [12] yang berarti jika NaOH di bawah nilai kritis, peningkatan konsentrasi akan meningkatkan tingkat pengembangan selulosa. Namun jika NaOH telah diatas konsentrasi kritis, peningkatan konsentrasi akan menurunkan DS CMC akibat excess NaOH dalam media reaksi yang memicu terjadinya reaksi samping. Penggunaan media reaksi organik (isopropanol dan etanol) berfungsi untuk menyediakan aksesibilitas reagen SMCA ke pusat-pusat reaksi pada AGU selulosa dalam reaksi yang terjadi selama sintesis CMC [10]. Peningkatan komposisi isopropanol pada media reaksi akan meningkatkan nilai DS, karena peningkatan isopropanol berarti polaritas media reaksi akan semakin kecil [9]. Ketika polaritas media reaksi tersebut semakin kecil akan menyediakan aksesibilitas reagen SMCA yang semakin besar ke pusat-pusat reaksi pada AGU selulosa. Ketika polaritas media reaksi semakin kecil, sebagian besar NaOH akan mengembangkan selulosa. Sebaliknya ketika polaritas pelarut tersebut semakin besar akan menyebabkan NaOH semakin banyak larut dalam media reaksi, yang menyebabkan NaOH tidak dapat melakukan tahap pengembangan selulosa Hal ini disebabkan berkurangnya kereaktifan NaOH dalam larutan polaritas kecil [13]. 3.3 Tingkat Kemurnian Uji tingkat kemurnian bertujuan untuk mengetahui tingkat kemurnian CMC dari produk samping berupa NaCl

Tabel 2. Hasil Tingkat Kemurnian CMC

Komposisi Media Reaksi (Etanol:Isopropanol) 80 ml : 20 ml 50 ml : 50 ml

Polaritas

20 ml : 80 ml

4. KESIMPULAN

5,02 4,75

Tingkat Kemurnian (%) 92,01 93

4,48

93,16

dan Na-glikolat, yang mana juga akan menentukan kualitas dan karakteristik dari CMC tersebut. NaCl dan Na-glikolat (HOCH2COONa) merupakan hasil dari reaksi samping yang terjadi selama proses sintesis CMC. Hasil dari uji ini dapat dilihat pada tabel 2 dimana hasil dikaitkan dengan nilai polaritas media reaksi. Peningkatan komposisi isopropanol pada media reaksi akan meningkatkan nilai DS akibat menurunnya nilai polaritas media reaksi. Nilai DS dan tingkat kemurnian merupakan parameter yang saling terkait, karena DS semakin tinggi berarti semakin banyak reagen karboksimetilasi yakni SMCA yang bereaksi dengan selulosa membentuk CMC, hal ini berarti reaksi samping dari CMC dalam hal ini pembentukan produk samping berupa NaCl dan Na-glikolat akan semakin berkurang. Reaksi samping CMC terjadi ketika semakin banyaknya excess NaOH pada media reaksi. Dengan kata lain dengan menurunya polaritas dari pelarut akan menyebabkan peningkatan tingkat kemurnian CMC karena pembentukan produk samping berupa NaCl dan Na-glikolat berkurang. Reaksi samping CMC adalah sebagai berikut : ClCH2COO-Na + NaOH → HOCH2COONa + NaCl Ilustrasi dari efek polaritas media reaksi ini dapat dilihat pada Gambar 3. Polaritas Besar NaOH

NaOH Cellulose

NaOH

NaOH

Polaritas Kecil NaOH

Cellulose NaOH

NaOH

NaOH

Gambar3. Ilustrasi Efek Polaritas Pelarut dalam Tahap Alkalisasi

Carboxymethyl Celluose (CMC) dapat dihasilkan dari bahan baku selulosa eceng gondok dengan media reaksi isopropanol-etanol. Hal ini dibuktikan dengan munculnya gugus fungsi CMC pada spectra FTIR yakni pada bilangan gelombang 1615 cm-1 (COO-) dan 1418 cm-1 (-CH2). Semakin besar komposisi isopropanol dalam media reaksi akan menyebabkan nilai DS dan kemurnian CMC meningkat akibat menurunnya nilai polaritas campuran. Kondisi optimum sintesis CMC yaitu pada komposisi campuran media reaksi isopropanol-etanol sebesar 80ml:20ml, konsentrasi NaOH 10%, berat NaMCA 6gr, suhu 550C, waktu reaksi alkalisasi 1 jam dan waktu reaksi karboksimetilasi 3,5 jam. Karakteristik yang dihasilkan berupa DS sebesar 1,65 , tingkat kemurnian sebesar 93,16% dan pH 7,5.

5. UCAPAN TERIMA KASIH Kami berterima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Indonesia untuk pendanaan yang memberikan kontribusi untuk pekerjaan ini.

6. DAFTAR PUSTAKA [1] Wijayani, A., Ummah, K. & Tjahjani, S. 2005. Karakterisasi Karboksimetil Selulosa (CMC) dari Eceng Gondok (Eichornia crassipes(Mart) Solms). Indo. J. Chem, 5, 228-231. [2] Kulikova, M. 2007. Global Consumption Of Sodium Carboxymethyl Cellulose Grows By 2% A Year [Online]. Available: http://www.newswiretoday.com/news/18939/ [Accessed 27 April 2012]. [3] Haryanti, S., Setiani, N., Hastuti, R. B., Hastuti, E. D. & Nurchayati, Y. 2009. Respon Fisiologi dan Anatomi Eceng Gondok (Eichhornia crassipes(Mart) Solm) di Berbagai Perairan Tercemar. Jurnal Penelitian Sains dan Teknologi, 10, 30-40. [4] Gani, A., A. K. M. Rahman. (2002). Journal of Biological Science, 2(8), 558-559. [5] Adinugraha, M. P., Marseno, D. W. & Haryadi. 2005. Synthesis and Characterization of sodium carboxymethylcellulose from cavendish banana pseudo stem (Musa cavendishii LAMBERT). Carbohydrate Polymers, 62, 164-169. [6] Pushpamalar, V., Langford, S. J., Ahmad, M. & Lim, Y. Y. 2005. Optimization of Reaction Conditions for Preparing Carboxymethyl Cellulose from Sago Waste. Carbohydrate Polymers, 64, 312-318. [7] Soom, R. M. 2004. Production and characterization of carboxymethyl cellulose from oil palm empty fruit brunch fibres. Universiti Teknologi Mara. [8] Sitotaw, Y. W. 2011. Synthesis of Carboxymethyl Cellulose from Sugarcanne Bagasse. Addis Ababa University. [9] Barai, B. K., Singhal, R. S. & Kulkarni, P. R. 1996. Optimization of a process for preparing carboxymethyl cellulose from water hyacinth (Eichornia crassipes). Carbohydrate Polymers, 32, 229-231.

[10] Stiggson, V., Kloow, G. & Germgard, U. 2006. The Influence of The Solvent System Used During Manufacturing of CMC. Cellulose, 13, 705-712. [11] Varshney, V. K. & Naithani, S. 2011. Chemical Functionalization of Cellulose Derived from Nonconventional Sources. Cellulose Fibers: Bio- and Nano- Polymer Composites. Verlag Berlin Heidelberg: Springer. [12] Zhang, J., Li, D., Zhang, X. & Shi, Y. 1993. Solvent effect on carboxymethylation of cellulose. Journal of Applied Polymer Science, Volume 49, 741-746 [13] Fessenden & Fessenden. 1986. Kimia Organik Jilid 2. Jakarta: Erlangga....