1
PAPER METODOLOGI PENELITIAN
Pembuatan Kitosan Berbasis Membran Elektrospun Nanofiber dan Kemampuannya dalam Adsorbsi Arsenat dalam Larutan
Disusun oleh
Erick Ryan Yulianto (M0312019)
Yohan Aldi Ismoyo (M0312084)
Yulianto Adi Nugroho (M0312085)
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
KIMIA
2015
Daftar Isi
Halaman Muka………………………………………………………………………….1
Daftar Isi…………………………………………………………………………………2
Abstract………………………………………………………………………………….3
Bab I Pendahuluan…………………………………………………………………….4
Latar Belakang…………………………………………………………………4
Tujuan…………………………………………………………………….……4
Rumusan Masalah……………………………………………………………...4
Bab II Tinjauan Pustaka……………………………………………………………….4
Kitosan………………………………………………………………………...5
Nanofiber……………………………………………………………………..5
Elektrospinning……………………………………………………………….5
Membran Nanofiber Elektrospun…………………………………………….6
Bab III Metodologi Penelitian………………………………………………………..6
Alat dan Bahan……………………………………………………………….6
Cara Kerja…………………………………………………………………....7
Bab IV Hasil dan Pembahasan………………………………………………………..9
Karakterisasi Kitosan berbasis Membran Nanofiber…………………………9
Kinerja adsorbs Arsenat pada CS-ENM……………………………………..12
Bab V Penutup…………………………………………………………………………15
Kesimpulan……………………………………………………………………15
Saran…………………………………………………………………………..15
Daftar Pustaka………………………………………………………………………….16
Abstract
Kitosan Berbasis Electrospun Nanofiber Membran (CS-ENM) dibuat sebagai adsorben untuk menghilangkan arsenat dari suatu larutan. Sifat fisikokimia CS-ENM dianalisis menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM), Thermogravimetric-Differential Thermal Analyzer (TG-DTA) dan analisis Brunauer-Emmett–Teller (BET). Percobaan adsorpsi secara batch secara sistematis dilakukan untuk mengevaluasi kinerja adsorpsi arsenat dengan parameter proses yang berbeda seperti pH, awal konsentrasi As (V), waktu kontak, kekuatan ion, keberadaannya terhadap anion dan bahan organik alami. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) digunakan untuk menyelidiki interaksi CS-ENM dengan arsenat selama adsorpsi. Hasil penelitian menunjukkan bahwa CS-ENM memiliki pori dengan luas permukaan spesifik yang besar. PH larutan memainkan peran dalam adsorbs As (V) ke CS-ENM, dan kapasitas adsorpsi yang lebih tinggi diperoleh pada pH rendah. Studi kinetika menunjukkan keseimbangan adsorpsi dicapai dalam 0,5 jam menunjukkan bahwa serapan As (V) oleh CS-ENM sangat cepat, dan proses kinetika didapat melalui model pseudo-orde kedua (R2 > 0,99). Adsorpsi isoterm data eksperimen berkorelasi dengan baik dengan model Langmuir, dan kapasitas adsorpsi maksimum ditemukan pada 30,8 mg/g yang lebih tinggi daripada kebanyakan adsorben kitosan dilaporkan. Studi efek kekuatan ion menunjukkan terserap As (V) membentuk kompleks permukaan outer-sphere dengan CS-ENM. Keberadaan CO32- dan F- berpengaruhi tidak begitu signifikan untuk adsorpsi As (V), namun kehadiran SO42-, PO43- dan asam himid menghasilkan efek negatif pada penyerapan arsenat. Analisis XPS menyarankan kelompok amina pada backbone kitosan terlibat dalam adsorpsi As (V).
BAB I
Pendahuluan
Latar Belakang
Perkembangan industri didunia semakin berkembang pesat, hal ini menyebabkan meningkat pula limbah industri yang dihasilkan dimana limbah tersebut mengandung ion logam berat. Salah satu logam berat yang terkandung dalam limbah industri ialah arsenat. WHO menetapkan ambang aman tertinggi arsenat dalam air tanah sebesar 50 ppb. Air tanah biasa digunakan sebagai sumber air minum bagi kelangsungan hidup manusia. Salah satu akibat yang merugikan dari arsenat adalah apabila dalam air minum mengandung unsur arsenat melebihi nilai ambang batas, yaitu bila kadarnya melebihi 100 ppb dalam air minum. Gejala keracunan kronis yang ditimbulkannya pada tubuh manusia berupa iritasi usus, kerusakan syaraf dan sel, kelainan kulit atau melanoma serta kanker usus (Min et al,2015)
Salah satu adsorben yang dapat menyerap logam berat adalah kitosan. Kitosan bisa diperoleh melalui deasetilasi kitin. Salah satu sumber kitin adalah cangkang bekicot. Bekicot khususnya di Indonesia telah dibudidayakan sebagai sumber protein dan menjadi komoditas ekspor. Besarnya pertumbuhan perdagangan ini menyebabkan timbulnya limbah cangkang bekicot dalam jumlah yang cukup besar.
Salah satu senyawa turunan kitin, yaitu kitosan banyak dimanfaatkan sebagai adsorben karena mempunyai kemampuan yang cukup tinggi dalam mengikat ion logam dan kemungkinan pengambilan kembali yang relatif mudah terhadap ion logam yang terikat pada kitosan dengan menggunakan pelarut tertentu. Keunggulan adsorben kitosan adalah dapat digunakan untuk penanganan limbah secara berulang-ulang (Darjito,2001). Kitosan memiliki gugus amina bebas yang menjadikan polimer ini bersifat polikationik sehingga polimer ini potensial untuk diaplikasikan dalam pengolahan limbah dan obat-obatan.
Dari uraian diatas perlu adanya penelitian lebih lanjut untuk memanfaatkan kitosan. Pada penelitian ini akan diteliti mengenai pembuatan kitosan berbasis membran elektrospun nanofiber dan kemampuannya dalam menyerap arsenat pada suatu larutan.
Tujuan
Tujuan dari makalah ini adalah
Melakukan Karakterisasi terhadap Membran Nanofiber Kitosan
Menganalisa kemampuan Membrane Nanofiber Kitosan sebagai adsorben logam arsenat dalam suatu larutan
Rumusan Masalah
Rumusan masalah dari makalah ini adalah
Bagaimanakah karakterisasi dari Membrane Nanofiber Kitosan?
Bagaimanakah kemampuan Membrane Nanofiber Kitosan sebagai adsorben logam arsenat dalam suatu larutan?
BAB II
Tinjauan Pustaka
Kitosan
Kitosan merupakan senyawa dengan rumus molekul (b-(1,4) -2-amino-2-deoksi-D-glukose) dan banyak ditemukan sebagai limbah bio-produk di industri kerang. Kitosan memiliki lapisan yang sangat baik membentuk sifat yang berasal dari kitin, polimer alami yang paling melimpah kedua di alam setelah selulosa. (Fernández Saiz et al.,2013). Kitosan larut dalam larutan asam seperti asam asetat atau asam klorida, di mana rantai molekul kitosan menjadi terprotonasi melalui pada gugus amina (Jiang et al.,2014). Berikut dibawah ini adalah struktur dari kitosan yang dijelaskan pada gambar 1.
Gambar. 1 Struktur Kitosan
Kitosan dikenal sebagai biosorben yang sangat baik untuk ion logam dalam larutan asam ataupun netral (Savant, 2000). Karakterisasi kitosan memiliki kapasitas penyerapan besar karena posisi gugus -OH dan -NH2 dan memiliki hidrofilisitas yang tinggi karena memiliki banyak gugus hidroksil dari glukosa dan terdapat banyak gugus fungsional lain seperti asetamida, amino primer dan / atau gugus hidroksil.
Kitosan memiliki susunan kaku unit berulang D-glucosamine yang teratur dengan gugus hidroksil dan amino yang membuat kelarutannya kurang dalam pelarut organik dan elektrospinabilitas yang lemah pula (Elsabee et al, 2012). Dari penelitian Gérente et al. (2010) menyatakan bahwa kitosan berpotensial dalam penghilangan arsenat dari air.
Nanofiber
Menurut Aliabadi et al. (2014), Nanofibers telah banyak digunakan sebagai adsorbent untuk menghilangkan ion logam berat dari air. Nanofiber dapat dikembangkan untuk filtrasi secara simultan dan solar fotokatalitik untuk disinfeksi / degradasi dalam air.
Nanofibers berbasis kitin dan kitosan memiliki potensi yang sangat penting dalam pengembangan produk farmasi baik konvensional maupun modern. Karena sifat yang menguntungkan biologis mereka seperti non-toksisitas, biokompatibilitas, biodegradabilitas, dan aktivitas antibakteri. Nanofibers ini merupakan calon yang menjanjikan untuk peningkatan penyerapan obat, imobilisasi enzim, proliferasi sel dan penyembuhan luka. (Jayakumar et al., 2010)
Elektrospinning
Liu et al. (2014) menyatakan elektrospinning merupakan teknik yang diakui dan biasa dilakukan untuk membuat mikro dan nanofiber dengan porositas serta rasio luas permukaan–volume tinggi secara efisien. Pembentukan nanofibers melalui electrospinning didasarkan pada peregangan uniaksial larutan viskoelastik (Maher et al., 2014).
Pada dasarnya ada tiga komponen dalam pemasangan elektrospining : power supply tegangan tinggi, pipa kapiler dengan jarum dan kolektor logam. Dalam proses electrospinning, medan listrik diterapkan antara akhir jarum kapiler dan kolektor sehingga muatan permukaan diinduksi pada cairan polimer deformasi liontin tetesan bola ke bentuk kerucut
Membran Nanofiber Elektrospun
Menurut Mahapatra et al. (2013), membran nanofiber elektrospun menggabungkan keuntungan dari nanomaterial yakni pada tinggi luas permukaan spesifik dan bahan bulk dengan sifat pemisahan yangmudah dari air. Keuntungan lainnya adalah biaya yang lebih efektif dikeluarkan ketimbang menggunakan teknik pembuatan nanofiber yang lain.
Sebagai contoh, Liu et al. (2012) telah mengembangkan membran nanofiber berbasis Ag/TiO2 mampu dengan baik dalam filtrasi dan fotokatalisis yang meliputi disinfeksi atau degradasi dibawah irradiasi matahari. Kemampuan yang sangat baik ini nantinya akan mengawali pada pemurnian air dengan pengeluaran yang efektif.
Pada kasus lain oleh Lee et al. (2013), komposit nanofiber berbasis TiO2/CuO menunjukkan kemampuan tambahan untuk secara bersamaan memperbanyak H2 sekaligus mendegradasi polutan organik. Peningkatan kinerja fotokatalitik komposit nanofibers berbasis TiO2/CuO disebabkan keistimewaannya memiliki: (1) struktur nanofibrous panjang yang meningkatkan mesoporositas dan luas permukaan spesifik sehingga memungkinkan adsorpsi reaktan efisien dan perpindahan massa, absorbansi cahaya dan transfer muatan interpartikel, (2) celah pita energi yang lebih rendah sehingga meningkatkan serapan dan pemanfaatan energi foton dari spektrum cahaya yang lebih luas, (3) heterojungsi TiO2/CuO dengan dispersi dan kontak yang baik sehingga memudahkan pemisahan yang efisien dari elektron terfotogenerasi dan lubang dan (4) CuO yang berperan sebagai co-katalis dengan menyediakan situs pengurangan HTH untuk produksi H2. Ditambah dengan penggunaan berulang tanpa kompromi, sinergi yang sangat baik dari sifat fisikokimia baru menegaskan potensi besar terasintesis komposit nanofibers TiO2 / CuO untuk dapat digunakan secara berkelanjutan dan fotokatalitik yang ekonomis dalam pengolahan air limbah berwarna dan produksi energi bersih.
Pada penelitian sebelumnya oleh Naseri et al. (2014) telah mengembangkan fiber kitosan electrospun menunjukkan kompatibilitas terhadap adipose turunan dari sel induk, lebih lanjut menegaskan penggunaan potensi mereka sebagai bahan wound dressing.
BAB III
Metodologi Penelitian
Alat dan Bahan
Alat
Alat yang digunakan antara lain Field Emission Scanning Electron Microscopy (SEM), Brunauer – Emmett – Teller (BET) analyzer, Thermogravimetric differential Thermal Analyzer (TG-DTA), dan X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)
Bahan
Bahan yang digunakan antara lain Natrium arsenat (Na3AsO4.12H2O), Natrium Hidroksida (NaOH), Asam Klor (HCl), Asam Asetat (CH3COOH), Natrium Bikarbonat (NaHCO3), Natrium sulfat (Na2SO4), Dinatrium Hidrogen Fosfat (Na2HPO4), Natrium Florida (NaF), dan Kalium Perklorat (KClO4) dalam tingkat Pro Analisis dan didapat dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (SCRC, Beijing, China). Asam Humid dipesan dari Tianjin Guangfu, China. Serbuk Kitosan dengan berat molekul rata rata 150,000 dan 91% derajat deasetilasi dibeli dari AOXIN, China, dan partikel poli(etilen oksida) dengan berat molekul rata rata 1000,000 disuplai oleh Changchun Dadi, China. Semua Bahan Kimia, kecuali yang lainnya, digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut. Ultrapure water dalam percobaan disuplai oleh Milli-Q system (USA). Larutan As(V) (1000 mg/L) telah dipersiapkan dengan melarutkan sejumlah Na3AsO4.12H2O dalam ultrapure water.
Cara Kerja
Preparasi Beads Kitosan
Larutan kitosan dibuat dengan melarutkan 5.0 g serbuk kitosan dalam 95,0 g larutan asam asetat. Diaduk dengan magnetik stirer untuk mencampurkan larutan hingga diperoleh larutan homogen. Jarum suntik dengan jarum 21G dipenuhi dengan larutan kitosan dan dimuat ke pompa jarum suntik. Pompa jarum suntik diekstrusi tetesan larutan kitosan dalam larutan 0,1 M NaOH membentuk manik kitosan homogen. Manik-manik dibilas dengan air deionisasi sampai pH filtrat mencapai sekitar 7,0. Setelah itu, manik-manik kitosan diangin-anginkan pada suhu kamar selama 72 jam, dan kemudian lebih lanjut dikeringkan pada suhu 80 oC dalam ruang vakum selama 48 jam. Masing-masing Diameter dan luas permukaan spesifik dari manik kitosan kering diukur dalam 1,0 mm dan 0,34 m2/g dengan Laser particle size analyzer (Malvern Mastersizer 2000, UK) dan BET (Quantachrome NOVA 1200E) Analyzer.
Pembuatan Elektrospinning Kitosan berbasis Membran Nanofiber
Pertama-tama, Larutan kitosan (4% b/v) dan PEO (4% b/v) disusun secara terpisah dengan melarutkan kitosan atau PEO masing-masing dalam asam asetat (50% v/v),. Kemudian campuran Kitosan/PEO dibuat dengan mencampur dua larutan utama pada rasio 100: 0; 97: 3; 95: 5; 90:10 dan 85:15. Campuran dibuat homogen dengan pengadukan yang kuat selama 24 jam, kemudian disimpan selama 4 jam untuk degassing. Electrospun Nanofibers disintesis menggunakan proses electrospinning sederhana yang dapat ditunjukkan pada gambar 2 dibawah ini.
Gambar 2. Skema Pemasangan Elektrospining
Campuran Kitosan/PEO dipindahkan ke 20 mL jarum suntik plastik dengan ujung jarum (21G). Laju aliran tegangan yang diberikan, jarak ujung kolektor dan larutan dari proses electrospinning masing-masing dibuat 15 kV, 15 cm dan 0,2 mL/jam. Ketika pelarut menguap, membran akan berbentuk lapisan terdapat pada permukaan kolektor. Setelah 3 jam, membran dapat dengan mudah dipisahkan dari aluminium foil. Kitosan berbasis Membran Electrospun Nanofiber (CS-ENM) kemudian dikeringkan dalam ruang vakum, dicuci bersih dengan air untuk menghilangkan PEO, kemudian dikeringkan dan digunakan sebagai adsorben untuk menghilangkan arsenat dalam air.
Karakterisasi
Field Emission Scanning Electron Microscopy (SEM), Brunauer – Emmett – Teller (BET) analyzer, Thermogravimetric differential Thermal Analyzer (TG-DTA), dan X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) digunakan untuk menyelidiki sifat fisikokimia adsorben, seperti morfologi permukaan, berarti diameter, mikro, luas permukaan spesifik, dan komposisi kimia.
Morfologi permukaan dan mikrostruktur adsorben divisualisasikan oleh SEM (Hitachi S-4800, Jepang). BET analyzer (Quantachrome NOVA 1200E) digunakan untuk menentukan luas permukaan spesifik dari adsorben dengan N2 sebagai adsorbat pada suhu operasi yang rendah. Sebelum analisis, sampel di degassing semalam di 50oC. Luas permukaan spesifik dihitung melalui persamaan BET. Pengujian Thermal Gravimetri dilakukan dengan menggunakan sampel 10 mg dalam crush alumina oleh termogravimetri analyzer (Netzsch Tarsus, Jerman) dalam atmosfir nitrogen dengan laju alir gas dari 100 mL/menit. Suhu yang digunakan dari 40oC - 800oC dengan laju pemanasan 10oC / menit.
Spektra XPS dari CS-ENM sebelum dan sesudah penyerapan arsenik diperoleh dengan menggunakan PHI Quantum-2000 electron spectrometer (Ulvac-Phi, Jepang) dengan radiasi monochromatized Al Ka 150W (1486,6 eV). Untuk scan spektra XPS secara luas dengan range energi yang digunakan 0- 1.200 eV dengan energi minimal dari 80 eV dan ukuran langkah 1,6 eV. Scan XPS Resolusi tinggi dilakukan sesuai dengan puncak yang diperiksa dengan energi minimal dari 40 eV dan ukuran langkah 0,125 eV. Hasil XPS dikumpulkan dalam bentuk energi ikatan dan disesuaikan menggunakan nonlinear least squares curve fitting program. Energi yang digunakan Elektron 1s dari karbon untuk mengikat sesuai dengan karbon grafit yaitu 284,8 eV dan digunakan sebagai referensi untuk keperluan kalibrasi.
Pengujian Adsorpsi secara Batch
Semua batch pengujian adsorpsi dibuat dengan menambahkan 0,5 g/L adsorben dan larutan arsenat berkonsentrasi kedalam gelas botol pada 25oC. Campuran kemudian dikocok selama 24 jam setelah itu diambil dan ditentukan konsentrasi residual arsenat.
Larutan arsenat yang disiapkam dengan pH awal rentang 3,3 sampai 11 untuk mempelajari pengaruh pH. Nilai pH baik pH awal dan ekuilibrium ditentukan dengan pH-meter (UB-7, Denver Beijing, China). Konsentrasi arsenat dianalisa dengan ICP mass spectroscopy (ICP-MS, Agilent 7500cx, USA). Instrumen dikalibrasi dari rentang 2-200 μg/L, sampel dilarutkan sampai konsentrasinya masuk kedalam range kalibrasi.
Studi kinetika adsorpsi dengan menambahkan 75 mg CS-ENM atau bead kitosan kedalam 150 mL larutan arsenat. Sampel diamati pada interval waktu tertentu dan konsentrasi arsenat dianalisa dengan ICP-MS. Pengujian adsorpsi isoterm dilakukan dengan menggunakan konsentrasi awal arsenat yang berbeda-beda (0,05-130mg/L) dengan dosis adsorben sebanyak 0,5 g/L. pH awal larutan kesemua studi dibuat 3,4.
KClO4 dengan konsentrasi 0 sampai 25 mM digunakan sebagai background elektrolit untuk mempelajari pengaruh kekuatan ionik dalam adsorpsi arsenat pada adsorben. Empat jenis anion yakni (SO42-, PO43-, CO32- and F-) disiapkan pada variasi konsentrasi 0 sampai 0,5 mM untuk mempelajari dari pengaruh keberadaan anion dalam adsorpsi arsenat. pH akhir dibuat 4,5. Pengaruh senyawa organik alam pada penghilangan arsenat diteliti dengan variasi konsentrasi dari asam humat (HA). TOC-analizer (TOC-VCPH, Shimadzu, Japan) digunakan untuk menentukan konsentrasi asam humat sebelum dan sesudah adsorpsi.
BAB IV
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi Kitosan berbasis Membran Nanofiber
Perbandingan berat kitosan/PEO secara signifikan mempengaruhi morfologi dan diameter nanofiber electrospun. Saat kitosan murni digunakan, fiber hampir tidak bisa terbentuk. Alasan utamanya karena kitosan adalah polielektrolit, yang dapat membentuk kepadatan muatan yang tinggi pada permukaan selama electrospinning. Alasan lain mungkin karena viskositas rendah dari larutan kitosan murni. Distribusi morfologi dan diameter fiber dari membran nanofiber elektrospun dapat dilihat pada gambar 3 berikut :
Gambar 3 Hasil SEM dari Kitosan/PEO dalam perbandingan 100:0; 95:5; 90:10; 85:15
Hasil yang berbeda ketika penambahan sejumlah kecil PEO dapat meningkatkan spinnabilitas dari larutan dan menghasilkan nanofibers kitosan dengan diameter mulai dari 90 nm ke 220 nm. Dengan peningkatan kandungan PEO di campuran larutan kitosan/ PEO, diameter fiber secara bertahap meningkat. Nanofib ers homogen dengan diameter rata-rata 129 nm dan 141 nm terbentuk ketika rasio berat kitosan/PEO yang masing-masing 95:5 dan 90:10. Peningkatan lebih lanjut dari rasio PEO menyebabkan beads di string, jumlah yang lebih tinggi berarti kapasitas adsorpsi kitosan lebih tinggi untuk ion dalam air karena berlimpahnya gugus fungsional dalam kitosan. Berikut adalah gambar kurva TGA yang dapat dilihat pada gambar 4 dibawah ini :
Gambar 4. Kurva TGA
Untuk mengukur komposisi kitosan dan PEO didalam nanofiber membrane yang dibuat perlu digunakan analisis TGA. Berdasarkan Analisis TGA dari campuran membran nanofiber kitosan/PEO terdapat kedua polimer yang berbeda. Suhu puncak yang berbeda terkait dengan dekomposisi kitosan dan PEO diamati dalam campuran nano membran serat, dengan hanya sedikit pergeseran posisi mereka, yang dapat dikaitkan dengan interaksi antara kitosan dan PEO. Untuk PEO yang dihilangkan dari membran, puncak PEO menghilang seperti yang diharapkan dan hanya terdapat puncak kitosan dengan kurva sangat mirip dengan yang ada pada kitosan murni. Hasil ini juga menunjukkan bahwa langkah ekstraksi cukup efisien untuk menghilangkan PEO dari nanofiber membran. Membran Nanofiber elektrospun Kitosan tanpa PEO/PEO (95: 5), yaitu Kitosan nanofiber membrane (CS-ENM), digunakan sebagai adsorben untuk penghilangan As (V) dalam percobaan adsorpsi selanjutnya
Kinerja adsorpsi arsenat pada CS-ENM
Pengaruh pH Larutan
Kurva Pengaruh pH larutan terhadap adsorbs As(V) dapat dijelaskan dalam gambar 5 dibawah ini
Gambar 5. Kurva Pengaruh dari pH terhadap Adsorbsi As(V)
Dapat dilihat dari kurva diatas bahwa adsorpsi As (V) pada CS-ENM dipengaruhi oleh pH larutan. Adsorpsi As (V) pada CS-ENM menurun tajam dengan meningkatnya pH larutan dan adsorpsi tidak teramati ketika pH larutn awal lebih dari 10. Kapasitas adsorpsi maksimum CS-ENM untuk arsenat terpantau berada pada pH larutan awal sekitar 3,4 (Ekuilibrium pH larutan 4,5). Hasil penelitian menunjukkan larutan pH memainkan peran penting dalam penghilangan As (V) dari air oleh CS-ENM. Perilaku tersebut bisa dijelaskan oleh gaya elektrostatik antara CS-ENM dan adsorbat. Kapasitas adsorpsi tertinggi dari CS-ENM untuk arsenat pada kesetimbangan pH larutan sekitar 4.5 adalah karena protonasi situs adsorpsi pada CS-ENM yang berinteraksi dengan jenis arsenat bermuatan negatif.
Kinetika Adsorpsi
Pengujian melalui metode batch didapat kinetika adsorpsi arsenat pada CS-ENM dan bead kitosan untuk mengevaluasi proses adsorpsi As (V) pada CS-ENM yang dapat dilihat pada gambar 6 dibawah ini
Gambar 6. Kurva Kinetika Adsorbsi
Gambar diatas menunjukkan bahwa waktu kesetimbangan untuk adsorpsi arsenat pada CS-ENM dan bead kitosan masing-masing 0,5 jam dan 10 jam. Hal ini menunjukkan bahwa penghapusan As (V) oleh CS-ENM jauh lebih cepat dari itu dengan bead kitosan pada kondisi percobaan yang sama. Hal ini dapat dijelaskan oleh perbedaan di daerah permukaan spesifik dari kedua adsorben. Luas permukaan spesifik dari bead kitosan sebesar 0,34 m2/g, yang jauh lebih rendah dari itu CS-ENM (13,0 m2 / g). Oleh karena itu, peningkatan yang signifikan dalam tingkat adsorpsi diperoleh dari bentuk terdahulu. Parameter yang diperoleh dari model kinetika pseudo-first order dan pseudo-second order diberikan dalam tabel 1. Berikut :
Tabel 1. Parameter model pseudo-first order dan pseudo-second order
Pseudo-First-Orded
Pseudo-Second-Order
qe (mg As/g)
K1 (min-1)
R2
qe (mg As/g)
K2(g/(mg min))
R2
Cs-ENM
3.46
0.265
0.982
3.62
1.71
0.995
Chitosan Beads
3.55
0.010
0.999
4.45
0.045
0.994
Tabel tersebut menunjukkan bahwa kedua k1 dan k2 yang diperoleh dari adsorpsi arsenat pada CS-ENM jauh lebih tinggi daripada bead kitosan. Untuk CS-ENM, koefisien korelasi (R2) untuk model kinetika pseudo-second order yang lebih tinggi dari itu untuk model kinetika pseudo-first order. Hal ini menunjukkan bahwa As (V) serapan di CS-ENM didominasi model kinetika pseudo-second order dan menunjukkan proses adsorpsi secara keseluruhan dikendalikan oleh chemisorption. Selain itu, proses adsorpsi sangat cepat. Perilaku adsorpsi ini menunjukkan proses adsorpsi tertentu di mana laju adsorpsi biasanya tergantung pada jumlah situs adsorpsi pada permukaan adsorben dan akhirnya dikendalikan oleh adsorbat pada permukaan. Tingkat penyerapan awal yang tinggi dan waktu kesetimbangan adsorpsi yang singkat menunjukkan bahwa permukaan nanofiber membran kitosan memiliki kepadatan tinggi situs aktif untuk As (V) adsorpsi.
Adsorpsi Isoterm
Studi adsorpsi isoterm dilakukan pada As (V) konsentrasi awal mulai 0,5-130 mg/L dan hasil yang diperoleh diilustrasikan pada gambar 7 berikut.
Gambar 7. Kurva Adsorbsi Isoterm
Membran nanofiber chitosan menunjukkan kapasitas adsorpsi maksimum sekitar 30 mg/g. Data eksperimen adsorpsi yang dilengkapi dengan dua model isoterm yang umum digunakan, persamaan Langmuir dan Freundlich. Persamaan Langmuir biasanya diterapkan untuk menjelaskan adsorpsi isoterm adsorbat di permukaan adsorben yang benar-benar homogen yang mengasumsikan tidak ada interaksi antar molekul adsorbat. Sementara persamaan Freundlich umumnya digunakan untuk deskripsi adsorpsi multilayer dari adsorbat di permukaan adsorben yang heterogen. Berikut adalah tabel parameter langmuir dan freundlich untuk adsorbsi As(V) dalam CS-ENM
Tabel 2. Tabel parameter Langmuir dan freundlich untuk adsorbs As(V)
Langmuir
Freundlich
Qmax (mg As/g)
b (L/mg)
R2
Kf ((mg/g)(mg/L)n)
1/n
R2
30.82
0.136
0.955
7.33
0.318
0.921
Data menunjukkan bahwa CS-ENM adsorben menunjukkan kapasitas adsorpsi lebih tinggi daripada banyak adsorben berbasis kitosan lainnya. Pada kesetimbangan pH larutan sekitar 4,5 kapasitas adsorpsi maksimum adsorben kitosan bervariasi pada 0,5-14,2 mg/g.
Pengaruh Kekuatan Ion
Adsorpsi spesies ionik pada adsorben dapat diklasifikasikan ke dalam mekanisme adsorpsi inner-sphere atau outer-sphere. Dalam penelitian ini, kekuatan ionik larutan ditentukan dengan penambahan KClO4 ke dalam larutan As (V). Berikut dibawah ini adalah gambar plot grafik dari kekuatan ion dalam adsorbsi As(V) pada CS-ENM yang akan dijelaskan pada gambar 8
Gambar 8. Plot grafik dari kekuatan ion dalam adsorbsi As(V) pada CS-ENM
Adsorpsi As (V) pada adsorben CS-ENM menurun dengan meningkatnya kekuatan ion. Adsorpsi arsenik akan menurun dengan peningkatan kekuatan ion jika arsenik yang teradsorp dibentuk permukaan kompleks outer-sphere. Hal tersebut tidak berlaku jika terbentuk permukaan kompleks inner-sphere.
Pengaruh Keberadaan Anion
Karena kompleksitas zat dalam air alami, ada kemungkinan adsorpsi kompetitif dari spesies lain yang sebagian besar dapat memperburuk kinerja adsorpsi arsenik pada CS-ENM. Dalam penelitian ini, pengaruh anion pada pH larutan keseimbangan 4,5 yang ditunjukkan dalam gambar 9 dibawah ini.
Gambar 9. Efek Coexisting anion pada adsorbsi As (V) dalam CS-ENM
Konsentrasi anion kompetitif yang digunakan dalam penelitian ini jauh lebih tinggi daripada konsentrasi arsenat dan hasil menunjukkan bahwa CS-ENM mampu untuk menghilangkan As (V) bahkan ketika tingginya konsentrasi anion kompetitif yang ada.
Pengaruh Bahan Organik Alami
Air permukaan dan air tanah sering mengandung beberapa macam bahan organik alami yang dapat menimbulkan efek negatif pada proses adsorpsi dengan bersaing atau memblokir situs adsorpsi pada permukaan adsorben. Berikut dibawah ini adalah grafik yang dihasilkan dalam pengaruh Asam Humad dalam proses adsorbsi As(V) yang akan dijelaskan pada gambar 10 dibawah ini
Gambar 10. Efek Asam humad dalam serapan As(V) pada CS-ENM
Adsorpsi As (V) pada CS-ENM menurun tajam seiring konsentrasi asam humat yang meningkat dari 0-18 mg/L. Hal ini menunjukkan bahwa keberadaan HA memblokir beberapa situs penyerapan aktif CS-ENM dan memiliki dampak yang signifikan terhadap kinerja adsorpsi. Alasannya adalah bahwa zat humat biasanya bermuatan negatif dalam lingkungan air alami, dan dapat secara elektrostatis tertarik dengan adsorben bermuatan positif.
BAB V
Penutup
Kesimpulan
Hasil sintesis polimer yang ramah lingkungan yakni elektrospun membran nanofiber berbasis kitosan (CS-ENM) memiliki efektivitas yang tinggi dalam menyerap Arsenat (V) dalam larutan.
Observasi SEM dan analisis BET menunjukkan bahwa adsorben CS-ENM memiliki porositas tinggi dan luas permukaan yang besar yang menyebabkannya mudah menyerap kontaminan. Dari kajian efek pH, kapasitas adsorbsi lebih besar didapatkan pada larutan dengan pH rendah.
Saran
Polimer ramah lingkungan berbasis elektrospun membrane nanofiber dapat diaplikasikan menjadi adsorben yang menjanjikan untuk penghilangan arsenik dan polutan organik lainnya.
DAFTAR PUSTAKA
A. Mahapatra, B.G. Mishra, G. Hota. 2013 .Electrospun Fe2O3–Al2O3 nanocomposite fibers as efficient adsorbent for removal of heavy metal ions from aqueous solution Journal of Hazardous Materials 258–259:116–123
C. Gérente, Y. Andrès, G. McKay, P. Le Cloirec. 2010. Removal of arsenic(V) onto chitosan: From sorption mechanism explanation to dynamic water treatment process. Chemical Engineering Journal 158: 593–598
Darjito.2001. Karakterisasi Adsorpsi Co(II) dan Cu(II) pada Adsorben Kitosan Sulfat. Tesis Program Pascasarjana. UGM. Yogyakarta.
Fernández-Saiz, P, G. Sánchez , C. Soler , J.M. Lagaron , M.J. Ocio. 2013. Chitosan films for the microbiological preservation of refrigerated sole and hake fillets. Food Control 34:61-68.
Jiang, T, Yun Cheng, Xiu Ying Cao, Rui Wei. 2014.Preparation and Physical Properties of Chitosan – Coated Calcium Sulphate Whiskers. Chemical Papers 68:1400-1407.
Lei Liu, Zhaoyang Liu, Hongwei Bai, Darren Delai Sun. 2012. Concurrent filtration and solar photocatalytic disinfection/degradation using high-performance Ag/TiO2 nanofiber membrane Water Research 46:1101-1112
Ling-Li Min, Zhi-Hua Yuan, Lu-Bin Zhong, Qing Liu, Ren-Xiang Wu, Yu-Ming Zheng 2015. Preparation of chitosan based electrospun nano ber membrane and its adsorptive removal of arsenate from aqueous solution. Chemical Engineering Journal 267:132–141
Maher Z. Elsabee, Hala F. Naguib, Rania Elsayed Morsi. 2012. Chitosan based nanofibers, review. Materials Science and Engineering C 32:1711–1726
Narges Naseri, Constance Algan, Valencia Jacobs, Maya John, Kristiina Oksman, Aji P. Mathew. 2014. Electrospun chitosan-based nanocomposite mats reinforced with chitin nanocrystals for wound dressing. Carbohydrate Polymers 109: 7–15
R. Jayakumar, M. Prabaharan, S.V. Nair, H. Tamura. 2010. Novel chitin and chitosan nanofibers in biomedical applications Novel chitin and chitosan nanofibers in biomedical applications. Biotechnology Advances 28:142–150
Savant, V.D and Torres, J.A. 2000. Chitosan-Based Coagulating Agents for Treatment of Cheddar Chees Whey. Biotechnology. 16:1091-1097.
Siew Siang Lee, Hongwei Bai, Zhaoyang Liu, Darren Delai Sun. 2013. Novel-structured electrospun TiO2/CuO composite nanofibers for high efficient photocatalytic cogeneration of clean water and energy from dye wastewater. Water Research 47:4059-4073
Tao Jiang, Meng Deng, Roshan James, Lakshmi S. Nair, Cato T. Laurencin. 2014. Micro and nanofabrication of chitosan structures for regenerative engineering. Acta Biomaterialia 10:1632–1645
Yanan Liu, Mira Park, Hye Kyoung Shin, Bishweshwar Pant, Soo-Jin Park,
Hak-Yong Kim. 2014. Preparation and characterization of chitosan-based nanofibers
by ecofriendly electrospinning Materials Letters 132:23–26
