Pembuatan Kitosan Berbasis Membran Elektrospun Nanofiber dan Kemampuannya dalam Adsorbsi Arsenat dalam Larutan

PAPER METODOLOGI PENELITIAN

Pembuatan Kitosan Berbasis Membran Elektrospun Nanofiberdan 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

1

Daftar Isi

Halaman Muka………………………………………………………………………….1

Daftar Isi…………………………………………………………………………………2

Abstract………………………………………………………………………………….3

Bab I Pendahuluan…………………………………………………………………….4

A. Latar Belakang…………………………………………………………………4B. Tujuan…………………………………………………………………….……4C. Rumusan Masalah……………………………………………………………...4

Bab II Tinjauan Pustaka……………………………………………………………….4

A. Kitosan………………………………………………………………………...5B. Nanofiber……………………………………………………………………..5C. Elektrospinning……………………………………………………………….5D. Membran Nanofiber Elektrospun…………………………………………….6

Bab III Metodologi Penelitian………………………………………………………..6

A. Alat dan Bahan……………………………………………………………….6B. Cara Kerja…………………………………………………………………....7

Bab IV Hasil dan Pembahasan………………………………………………………..9

A. Karakterisasi Kitosan berbasis MembranNanofiber…………………………9

B. Kinerja adsorbs Arsenat pada CS-ENM……………………………………..12

Bab V Penutup…………………………………………………………………………15

A. Kesimpulan……………………………………………………………………15B. Saran…………………………………………………………………………..15

Daftar Pustaka………………………………………………………………………….16

2

Abstract

Kitosan Berbasis Electrospun Nanofiber Membran (CS-ENM)dibuat sebagai adsorben untuk menghilangkan arsenat dari suatularutan. Sifat fisikokimia CS-ENM dianalisis menggunakanScanning Electron Microscopy (SEM), Thermogravimetric-Differential ThermalAnalyzer (TG-DTA) dan analisis Brunauer-Emmett–Teller (BET).Percobaan adsorpsi secara batch secara sistematis dilakukanuntuk mengevaluasi kinerja adsorpsi arsenat dengan parameterproses yang berbeda seperti pH, awal konsentrasi As (V), waktukontak, kekuatan ion, keberadaannya terhadap anion dan bahanorganik alami. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) digunakan untukmenyelidiki interaksi CS-ENM dengan arsenat selama adsorpsi.Hasil penelitian menunjukkan bahwa CS-ENM memiliki pori denganluas permukaan spesifik yang besar. PH larutan memainkan perandalam adsorbs As (V) ke CS-ENM, dan kapasitas adsorpsi yanglebih tinggi diperoleh pada pH rendah. Studi kinetikamenunjukkan keseimbangan adsorpsi dicapai dalam 0,5 jammenunjukkan bahwa serapan As (V) oleh CS-ENM sangat cepat, danproses kinetika didapat melalui model pseudo-orde kedua (R2 >0,99). Adsorpsi isoterm data eksperimen berkorelasi denganbaik dengan model Langmuir, dan kapasitas adsorpsi maksimumditemukan pada 30,8 mg/g yang lebih tinggi daripada kebanyakanadsorben kitosan dilaporkan. Studi efek kekuatan ionmenunjukkan terserap As (V) membentuk kompleks permukaanouter-sphere dengan CS-ENM. Keberadaan CO3

2- dan F- berpengaruhitidak begitu signifikan untuk adsorpsi As (V), namun kehadiranSO4

2-, PO43- dan asam himid menghasilkan efek negatif pada

penyerapan arsenat. Analisis XPS menyarankan kelompok aminapada backbone kitosan terlibat dalam adsorpsi As (V).

3

BAB IPendahuluan

A. Latar BelakangPerkembangan industri didunia semakin berkembang pesat, hal

ini menyebabkan meningkat pula limbah industri yang dihasilkandimana limbah tersebut mengandung ion logam berat. Salah satulogam berat yang terkandung dalam limbah industri ialaharsenat. WHO menetapkan ambang aman tertinggi arsenat dalamair tanah sebesar 50 ppb. Air tanah biasa digunakan sebagaisumber air minum bagi kelangsungan hidup manusia. Salah satuakibat yang merugikan dari arsenat adalah apabila dalam airminum mengandung unsur arsenat melebihi nilai ambang batas,yaitu bila kadarnya melebihi 100 ppb dalam air minum. Gejalakeracunan kronis yang ditimbulkannya pada tubuh manusia berupairitasi usus, kerusakan syaraf dan sel, kelainan kulit ataumelanoma serta kanker usus (Min et al,2015)

Salah satu adsorben yang dapat menyerap logam berat adalahkitosan. Kitosan bisa diperoleh melalui deasetilasi kitin.Salah satu sumber kitin adalah cangkang bekicot. Bekicotkhususnya di Indonesia telah dibudidayakan sebagai sumberprotein dan menjadi komoditas ekspor. Besarnya pertumbuhanperdagangan ini menyebabkan timbulnya limbah cangkang bekicotdalam jumlah yang cukup besar.

Salah satu senyawa turunan kitin, yaitu kitosan banyakdimanfaatkan sebagai adsorben karena mempunyai kemampuan yangcukup tinggi dalam mengikat ion logam dan kemungkinanpengambilan kembali yang relatif mudah terhadap ion logam yangterikat pada kitosan dengan menggunakan pelarut tertentu.Keunggulan adsorben kitosan adalah dapat digunakan untukpenanganan limbah secara berulang-ulang (Darjito,2001).Kitosan memiliki gugus amina bebas yang menjadikan polimer inibersifat polikationik sehingga polimer ini potensial untukdiaplikasikan dalam pengolahan limbah dan obat-obatan.

Dari uraian diatas perlu adanya penelitian lebih lanjutuntuk memanfaatkan kitosan. Pada penelitian ini akan ditelitimengenai pembuatan kitosan berbasis membran elektrospun

4

nanofiber dan kemampuannya dalam menyerap arsenat pada suatularutan.

B. TujuanTujuan dari makalah ini adalah

1. Melakukan Karakterisasi terhadap Membran Nanofiber Kitosan2. Menganalisa kemampuan Membrane Nanofiber Kitosan sebagai

adsorben logam arsenat dalam suatu larutan

C. Rumusan MasalahRumusan masalah dari makalah ini adalah

1. Bagaimanakah karakterisasi dari Membrane Nanofiber Kitosan?2. Bagaimanakah kemampuan Membrane Nanofiber Kitosan sebagai

adsorben logam arsenat dalam suatu larutan?

BAB IITinjauan Pustaka

A. KitosanKitosan merupakan senyawa dengan rumus molekul (b-(1,4) -2-

amino-2-deoksi-D-glukose) dan banyak ditemukan sebagai limbahbio-produk di industri kerang. Kitosan memiliki lapisan yangsangat baik membentuk sifat yang berasal dari kitin, polimeralami yang paling melimpah kedua di alam setelah selulosa.(Fernández Saiz et al.,2013). Kitosan larut dalam larutan asamseperti asam asetat atau asam klorida, di mana rantai molekulkitosan menjadi terprotonasi melalui pada gugus amina (Jiang etal.,2014). Berikut dibawah ini adalah struktur dari kitosan yangdijelaskan pada gambar 1.

5

Gambar. 1 Struktur Kitosan

Kitosan dikenal sebagai biosorben yang sangat baik untuk ionlogam dalam larutan asam ataupun netral (Savant, 2000).Karakterisasi kitosan memiliki kapasitas penyerapan besarkarena posisi gugus -OH dan -NH2 dan memiliki hidrofilisitasyang tinggi karena memiliki banyak gugus hidroksil dariglukosa dan terdapat banyak gugus fungsional lain sepertiasetamida, amino primer dan / atau gugus hidroksil.

Kitosan memiliki susunan kaku unit berulang D-glucosamineyang teratur dengan gugus hidroksil dan amino yang membuatkelarutannya kurang dalam pelarut organik danelektrospinabilitas yang lemah pula (Elsabee et al, 2012). Daripenelitian Gérente et al. (2010) menyatakan bahwa kitosanberpotensial dalam penghilangan arsenat dari air.

B. NanofiberMenurut Aliabadi et al. (2014), Nanofibers telah banyak

digunakan sebagai adsorbent untuk menghilangkan ion logamberat dari air. Nanofiber dapat dikembangkan untuk filtrasisecara simultan dan solar fotokatalitik untuk disinfeksi /degradasi dalam air.

Nanofibers berbasis kitin dan kitosan memiliki potensi yangsangat penting dalam pengembangan produk farmasi baikkonvensional maupun modern. Karena sifat yang menguntungkanbiologis mereka seperti non-toksisitas, biokompatibilitas,biodegradabilitas, dan aktivitas antibakteri. Nanofibers inimerupakan calon yang menjanjikan untuk peningkatan penyerapanobat, imobilisasi enzim, proliferasi sel dan penyembuhan luka.(Jayakumar et al., 2010)

C. ElektrospinningLiu et al. (2014) menyatakan elektrospinning merupakan teknik

yang diakui dan biasa dilakukan untuk membuat mikro dannanofiber dengan porositas serta rasio luas permukaan–volumetinggi secara efisien. Pembentukan nanofibers melaluielectrospinning didasarkan pada peregangan uniaksial larutanviskoelastik (Maher et al., 2014).

6

Pada dasarnya ada tiga komponen dalam pemasanganelektrospining : power supply tegangan tinggi, pipa kapilerdengan jarum dan kolektor logam. Dalam proses electrospinning,medan listrik diterapkan antara akhir jarum kapiler dankolektor sehingga muatan permukaan diinduksi pada cairanpolimer deformasi liontin tetesan bola ke bentuk kerucut

D. Membran Nanofiber ElektrospunMenurut Mahapatra et al. (2013), membran nanofiber elektrospun

menggabungkan keuntungan dari nanomaterial yakni pada tinggiluas permukaan spesifik dan bahan bulk dengan sifat pemisahanyangmudah dari air. Keuntungan lainnya adalah biaya yang lebihefektif dikeluarkan ketimbang menggunakan teknik pembuatannanofiber yang lain.

Sebagai contoh, Liu et al. (2012) telah mengembangkan membrannanofiber berbasis Ag/TiO2 mampu dengan baik dalam filtrasi danfotokatalisis yang meliputi disinfeksi atau degradasi dibawahirradiasi matahari. Kemampuan yang sangat baik ini nantinyaakan mengawali pada pemurnian air dengan pengeluaran yangefektif.

Pada kasus lain oleh Lee et al. (2013), komposit nanofiberberbasis TiO2/CuO menunjukkan kemampuan tambahan untuk secarabersamaan memperbanyak H2 sekaligus mendegradasi polutanorganik. Peningkatan kinerja fotokatalitik komposit nanofibersberbasis TiO2/CuO disebabkan keistimewaannya memiliki: (1)struktur nanofibrous panjang yang meningkatkan mesoporositasdan luas permukaan spesifik sehingga memungkinkan adsorpsireaktan efisien dan perpindahan massa, absorbansi cahaya dantransfer muatan interpartikel, (2) celah pita energi yanglebih rendah sehingga meningkatkan serapan dan pemanfaatanenergi foton dari spektrum cahaya yang lebih luas, (3)heterojungsi TiO2/CuO dengan dispersi dan kontak yang baiksehingga memudahkan pemisahan yang efisien dari elektronterfotogenerasi dan lubang dan (4) CuO yang berperan sebagaico-katalis dengan menyediakan situs pengurangan HTH untukproduksi H2. Ditambah dengan penggunaan berulang tanpakompromi, sinergi yang sangat baik dari sifat fisikokimia barumenegaskan potensi besar terasintesis komposit nanofibersTiO2 / CuO untuk dapat digunakan secara berkelanjutan dan

7

fotokatalitik yang ekonomis dalam pengolahan air limbahberwarna dan produksi energi bersih.

Pada penelitian sebelumnya oleh Naseri et al. (2014) telahmengembangkan fiber kitosan electrospun menunjukkankompatibilitas terhadap adipose turunan dari sel induk, lebihlanjut menegaskan penggunaan potensi mereka sebagai bahanwound dressing.

8

BAB III

Metodologi Penelitian

A. Alat dan Bahani) Alat

Alat yang digunakan antara lain Field Emission ScanningElectron Microscopy (SEM), Brunauer – Emmett – Teller (BET)analyzer, Thermogravimetric differential Thermal Analyzer (TG-DTA), dan X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

ii) BahanBahan yang digunakan antara lain Natrium arsenat

(Na3AsO4.12H2O), Natrium Hidroksida (NaOH), Asam Klor (HCl),Asam Asetat (CH3COOH), Natrium Bikarbonat (NaHCO3), Natriumsulfat (Na2SO4), Dinatrium Hidrogen Fosfat (Na2HPO4), NatriumFlorida (NaF), dan Kalium Perklorat (KClO4) dalam tingkat ProAnalisis dan didapat dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.(SCRC, Beijing, China). Asam Humid dipesan dari TianjinGuangfu, China. Serbuk Kitosan dengan berat molekul rata rata150,000 dan 91% derajat deasetilasi dibeli dari AOXIN, China,dan partikel poli(etilen oksida) dengan berat molekul ratarata 1000,000 disuplai oleh Changchun Dadi, China. Semua BahanKimia, kecuali yang lainnya, digunakan tanpa pemurnian lebihlanjut. Ultrapure water dalam percobaan disuplai oleh Milli-Qsystem (USA). Larutan As(V) (1000 mg/L) telah dipersiapkandengan melarutkan sejumlah Na3AsO4.12H2O dalam ultrapure water.

B. Cara Kerjai) Preparasi Beads Kitosan

Larutan kitosan dibuat dengan melarutkan 5.0 g serbukkitosan dalam 95,0 g larutan asam asetat. Diaduk denganmagnetik stirer untuk mencampurkan larutan hingga diperolehlarutan homogen. Jarum suntik dengan jarum 21G dipenuhi denganlarutan kitosan dan dimuat ke pompa jarum suntik. Pompa jarumsuntik diekstrusi tetesan larutan kitosan dalam larutan 0,1 MNaOH membentuk manik kitosan homogen. Manik-manik dibilasdengan air deionisasi sampai pH filtrat mencapai sekitar 7,0.Setelah itu, manik-manik kitosan diangin-anginkan pada suhu

9

kamar selama 72 jam, dan kemudian lebih lanjut dikeringkanpada suhu 80 oC dalam ruang vakum selama 48 jam. Masing-masingDiameter dan luas permukaan spesifik dari manik kitosan keringdiukur dalam 1,0 mm dan 0,34 m2/g dengan Laser particle sizeanalyzer (Malvern Mastersizer 2000, UK) dan BET (QuantachromeNOVA 1200E) Analyzer.

ii) Pembuatan Elektrospinning Kitosan berbasis MembranNanofiber

Pertama-tama, Larutan kitosan (4% b/v) dan PEO (4% b/v)disusun secara terpisah dengan melarutkan kitosan atau PEOmasing-masing dalam asam asetat (50% v/v),. Kemudian campuranKitosan/PEO dibuat dengan mencampur dua larutan utama padarasio 100: 0; 97: 3; 95: 5; 90:10 dan 85:15. Campuran dibuathomogen dengan pengadukan yang kuat selama 24 jam, kemudiandisimpan selama 4 jam untuk degassing. Electrospun Nanofibersdisintesis menggunakan proses electrospinning sederhana yangdapat ditunjukkan pada gambar 2 dibawah ini.

Gambar 2. Skema Pemasangan ElektrospiningCampuran Kitosan/PEO dipindahkan ke 20 mL jarum suntik

plastik dengan ujung jarum (21G). Laju aliran tegangan yangdiberikan, jarak ujung kolektor dan larutan dari proseselectrospinning masing-masing dibuat 15 kV, 15 cm dan 0,2mL/jam. Ketika pelarut menguap, membran akan berbentuk lapisanterdapat pada permukaan kolektor. Setelah 3 jam, membran dapatdengan mudah dipisahkan dari aluminium foil. Kitosan berbasisMembran Electrospun Nanofiber (CS-ENM) kemudian dikeringkandalam ruang vakum, dicuci bersih dengan air untuk

10

menghilangkan PEO, kemudian dikeringkan dan digunakan sebagaiadsorben untuk menghilangkan arsenat dalam air.

iii) KarakterisasiField Emission Scanning Electron Microscopy (SEM),

Brunauer – Emmett – Teller (BET) analyzer, Thermogravimetricdifferential Thermal Analyzer (TG-DTA), dan X-rayPhotoelectron Spectroscopy (XPS) digunakan untuk menyelidikisifat fisikokimia adsorben, seperti morfologi permukaan,berarti diameter, mikro, luas permukaan spesifik, dankomposisi kimia.

Morfologi permukaan dan mikrostruktur adsorbendivisualisasikan oleh SEM (Hitachi S-4800, Jepang). BETanalyzer (Quantachrome NOVA 1200E) digunakan untuk menentukanluas permukaan spesifik dari adsorben dengan N2 sebagaiadsorbat pada suhu operasi yang rendah. Sebelum analisis,sampel di degassing semalam di 50oC. Luas permukaan spesifikdihitung melalui persamaan BET. Pengujian Thermal Gravimetridilakukan dengan menggunakan sampel 10 mg dalam crush aluminaoleh termogravimetri analyzer (Netzsch Tarsus, Jerman) dalamatmosfir nitrogen dengan laju alir gas dari 100 mL/menit. Suhuyang digunakan dari 40oC - 800oC dengan laju pemanasan 10oC /menit.

Spektra XPS dari CS-ENM sebelum dan sesudah penyerapanarsenik diperoleh dengan menggunakan PHI Quantum-2000 electronspectrometer (Ulvac-Phi, Jepang) dengan radiasimonochromatized Al Ka 150W (1486,6 eV). Untuk scan spektra XPSsecara luas dengan range energi yang digunakan 0- 1.200 eVdengan energi minimal dari 80 eV dan ukuran langkah 1,6 eV.Scan XPS Resolusi tinggi dilakukan sesuai dengan puncak yangdiperiksa dengan energi minimal dari 40 eV dan ukuran langkah0,125 eV. Hasil XPS dikumpulkan dalam bentuk energi ikatan dandisesuaikan menggunakan nonlinear least squares curve fittingprogram. Energi yang digunakan Elektron 1s dari karbon untukmengikat sesuai dengan karbon grafit yaitu 284,8 eV dandigunakan sebagai referensi untuk keperluan kalibrasi.

iv) Pengujian Adsorpsi secara Batch11

Semua batch pengujian adsorpsi dibuat dengan menambahkan0,5 g/L adsorben dan larutan arsenat berkonsentrasi kedalamgelas botol pada 25oC. Campuran kemudian dikocok selama 24 jamsetelah itu diambil dan ditentukan konsentrasi residualarsenat.

Larutan arsenat yang disiapkam dengan pH awal rentang 3,3sampai 11 untuk mempelajari pengaruh pH. Nilai pH baik pH awaldan ekuilibrium ditentukan dengan pH-meter (UB-7, DenverBeijing, China). Konsentrasi arsenat dianalisa dengan ICP massspectroscopy (ICP-MS, Agilent 7500cx, USA). Instrumendikalibrasi dari rentang 2-200 μg/L, sampel dilarutkan sampaikonsentrasinya masuk kedalam range kalibrasi.

Studi kinetika adsorpsi dengan menambahkan 75 mg CS-ENMatau bead kitosan kedalam 150 mL larutan arsenat. Sampeldiamati pada interval waktu tertentu dan konsentrasi arsenatdianalisa dengan ICP-MS. Pengujian adsorpsi isoterm dilakukandengan menggunakan konsentrasi awal arsenat yang berbeda-beda(0,05-130mg/L) dengan dosis adsorben sebanyak 0,5 g/L. pH awallarutan kesemua studi dibuat 3,4.

KClO4 dengan konsentrasi 0 sampai 25 mM digunakan sebagaibackground elektrolit untuk mempelajari pengaruh kekuatan ionikdalam adsorpsi arsenat pada adsorben. Empat jenis anion yakni(SO4

2-, PO43-, CO3

2- and F-) disiapkan pada variasi konsentrasi 0sampai 0,5 mM untuk mempelajari dari pengaruh keberadaan aniondalam adsorpsi arsenat. pH akhir dibuat 4,5. Pengaruh senyawaorganik alam pada penghilangan arsenat diteliti dengan variasikonsentrasi dari asam humat (HA). TOC-analizer (TOC-VCPH,Shimadzu, Japan) digunakan untuk menentukan konsentrasi asamhumat sebelum dan sesudah adsorpsi.

12

BAB IVHasil dan Pembahasan

A. Karakterisasi Kitosan berbasis Membran Nanofiber

Perbandingan berat kitosan/PEO secara signifikanmempengaruhi morfologi dan diameter nanofiber electrospun.Saat kitosan murni digunakan, fiber hampir tidak bisaterbentuk. Alasan utamanya karena kitosan adalahpolielektrolit, yang dapat membentuk kepadatan muatan yangtinggi pada permukaan selama electrospinning. Alasan lainmungkin karena viskositas rendah dari larutan kitosan murni.Distribusi morfologi dan diameter fiber dari membran nanofiberelektrospun 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 PEOdapat meningkatkan spinnabilitas dari larutan dan menghasilkan

13

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 ershomogen dengan diameter rata-rata 129 nm dan 141 nm terbentukketika rasio berat kitosan/PEO yang masing-masing 95:5 dan90:10. Peningkatan lebih lanjut dari rasio PEO menyebabkanbeads di string, jumlah yang lebih tinggi berarti kapasitasadsorpsi kitosan lebih tinggi untuk ion dalam air karenaberlimpahnya gugus fungsional dalam kitosan. Berikut adalahgambar kurva TGA yang dapat dilihat pada gambar 4 dibawahini :

Gambar 4. Kurva TGAUntuk mengukur komposisi kitosan dan PEO didalam

nanofiber membrane yang dibuat perlu digunakan analisis TGA.Berdasarkan Analisis TGA dari campuran membran nanofiberkitosan/PEO terdapat kedua polimer yang berbeda. Suhu puncakyang berbeda terkait dengan dekomposisi kitosan dan PEOdiamati dalam campuran nano membran serat, dengan hanya

14

sedikit pergeseran posisi mereka, yang dapat dikaitkan denganinteraksi antara kitosan dan PEO. Untuk PEO yang dihilangkandari membran, puncak PEO menghilang seperti yang diharapkandan hanya terdapat puncak kitosan dengan kurva sangat miripdengan yang ada pada kitosan murni. Hasil ini juga menunjukkanbahwa langkah ekstraksi cukup efisien untuk menghilangkan PEOdari nanofiber membran. Membran Nanofiber elektrospun Kitosantanpa PEO/PEO (95: 5), yaitu Kitosan nanofiber membrane (CS-ENM), digunakan sebagai adsorben untuk penghilangan As (V)dalam percobaan adsorpsi selanjutnya

B. Kinerja adsorpsi arsenat pada CS-ENM1. Pengaruh pH LarutanKurva Pengaruh pH larutan terhadap adsorbs As(V) dapatdijelaskan 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 adsorpsitidak teramati ketika pH larutn awal lebih dari 10. Kapasitasadsorpsi maksimum CS-ENM untuk arsenat terpantau berada padapH larutan awal sekitar 3,4 (Ekuilibrium pH larutan 4,5).Hasil penelitian menunjukkan larutan pH memainkan peranpenting dalam penghilangan As (V) dari air oleh CS-ENM.Perilaku tersebut bisa dijelaskan oleh gaya elektrostatik

15

antara CS-ENM dan adsorbat. Kapasitas adsorpsi tertinggi dariCS-ENM untuk arsenat pada kesetimbangan pH larutan sekitar 4.5adalah karena protonasi situs adsorpsi pada CS-ENM yangberinteraksi dengan jenis arsenat bermuatan negatif.

2. Kinetika AdsorpsiPengujian melalui metode batch didapat kinetika adsorpsi

arsenat pada CS-ENM dan bead kitosan untuk mengevaluasi prosesadsorpsi As (V) pada CS-ENM yang dapat dilihat pada gambar 6dibawah ini

Gambar 6. Kurva Kinetika AdsorbsiGambar diatas menunjukkan bahwa waktu kesetimbangan untuk

adsorpsi arsenat pada CS-ENM dan bead kitosan masing-masing0,5 jam dan 10 jam. Hal ini menunjukkan bahwa penghapusan As(V) oleh CS-ENM jauh lebih cepat dari itu dengan bead kitosanpada kondisi percobaan yang sama. Hal ini dapat dijelaskanoleh perbedaan di daerah permukaan spesifik dari keduaadsorben. Luas permukaan spesifik dari bead kitosan sebesar0,34 m2/g, yang jauh lebih rendah dari itu CS-ENM (13,0 m2 /g). Oleh karena itu, peningkatan yang signifikan dalam tingkatadsorpsi diperoleh dari bentuk terdahulu. Parameter yangdiperoleh dari model kinetika pseudo-first order dan pseudo-secondorder diberikan dalam tabel 1. Berikut :Tabel 1. Parameter model pseudo-first order dan pseudo-secondorder

16

Pseudo-First-Orded Pseudo-Second-Orderqe (mgAs/g)

K1 (min-

1)R2 qe (mg

As/g)K2(g/(mgmin))

R2

Cs-ENM 3.46 0.265 0.982 3.62 1.71 0.995Chitos

anBeads

3.55 0.010 0.999 4.45 0.045 0.994

Tabel tersebut menunjukkan bahwa kedua k1 dan k2 yangdiperoleh dari adsorpsi arsenat pada CS-ENM jauh lebih tinggidaripada bead kitosan. Untuk CS-ENM, koefisien korelasi (R2)untuk model kinetika pseudo-second order yang lebih tinggi dariitu untuk model kinetika pseudo-first order. Hal ini menunjukkanbahwa As (V) serapan di CS-ENM didominasi model kinetika pseudo-second order dan menunjukkan proses adsorpsi secara keseluruhandikendalikan oleh chemisorption. Selain itu, proses adsorpsisangat cepat. Perilaku adsorpsi ini menunjukkan prosesadsorpsi tertentu di mana laju adsorpsi biasanya tergantungpada jumlah situs adsorpsi pada permukaan adsorben danakhirnya dikendalikan oleh adsorbat pada permukaan. Tingkatpenyerapan awal yang tinggi dan waktu kesetimbangan adsorpsiyang singkat menunjukkan bahwa permukaan nanofiber membrankitosan memiliki kepadatan tinggi situs aktif untuk As (V)adsorpsi.

3. Adsorpsi IsotermStudi adsorpsi isoterm dilakukan pada As (V) konsentrasi

awal mulai 0,5-130 mg/L dan hasil yang diperolehdiilustrasikan pada gambar 7 berikut.

17

Gambar 7. Kurva Adsorbsi IsotermMembran nanofiber chitosan menunjukkan kapasitas adsorpsi

maksimum sekitar 30 mg/g. Data eksperimen adsorpsi yangdilengkapi dengan dua model isoterm yang umum digunakan,persamaan Langmuir dan Freundlich. Persamaan Langmuir biasanyaditerapkan untuk menjelaskan adsorpsi isoterm adsorbat dipermukaan adsorben yang benar-benar homogen yang mengasumsikantidak ada interaksi antar molekul adsorbat. Sementarapersamaan Freundlich umumnya digunakan untuk deskripsiadsorpsi multilayer dari adsorbat di permukaan adsorben yangheterogen. Berikut adalah tabel parameter langmuir danfreundlich untuk adsorbsi As(V) dalam CS-ENMTabel 2. Tabel parameter Langmuir dan freundlich untuk adsorbsAs(V)

Langmuir FreundlichQmax (mgAs/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 kapasitasadsorpsi lebih tinggi daripada banyak adsorben berbasiskitosan lainnya. Pada kesetimbangan pH larutan sekitar 4,5kapasitas adsorpsi maksimum adsorben kitosan bervariasi pada0,5-14,2 mg/g.

18

4. Pengaruh Kekuatan IonAdsorpsi spesies ionik pada adsorben dapat diklasifikasikan

ke dalam mekanisme adsorpsi inner-sphere atau outer-sphere. Dalampenelitian ini, kekuatan ionik larutan ditentukan denganpenambahan KClO4 ke dalam larutan As (V). Berikut dibawah iniadalah gambar plot grafik dari kekuatan ion dalam adsorbsiAs(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 denganmeningkatnya kekuatan ion. Adsorpsi arsenik akan menurundengan peningkatan kekuatan ion jika arsenik yang teradsorpdibentuk permukaan kompleks outer-sphere. Hal tersebut tidakberlaku jika terbentuk permukaan kompleks inner-sphere.

5. Pengaruh Keberadaan AnionKarena kompleksitas zat dalam air alami, ada kemungkinan

adsorpsi kompetitif dari spesies lain yang sebagian besardapat memperburuk kinerja adsorpsi arsenik pada CS-ENM. Dalampenelitian ini, pengaruh anion pada pH larutan keseimbangan4,5 yang ditunjukkan dalam gambar 9 dibawah ini.

19

Gambar 9. Efek Coexisting anion pada adsorbsi As (V) dalamCS-ENM

Konsentrasi anion kompetitif yang digunakan dalam penelitianini jauh lebih tinggi daripada konsentrasi arsenat dan hasilmenunjukkan bahwa CS-ENM mampu untuk menghilangkan As (V)bahkan ketika tingginya konsentrasi anion kompetitif yang ada.

6. Pengaruh Bahan Organik AlamiAir permukaan dan air tanah sering mengandung beberapa macam

bahan organik alami yang dapat menimbulkan efek negatif padaproses adsorpsi dengan bersaing atau memblokir situs adsorpsipada permukaan adsorben. Berikut dibawah ini adalah grafikyang dihasilkan dalam pengaruh Asam Humad dalam prosesadsorbsi As(V) yang akan dijelaskan pada gambar 10 dibawah ini

20

Gambar 10. Efek Asam humad dalam serapan As(V) pada CS-ENMAdsorpsi As (V) pada CS-ENM menurun tajam seiring

konsentrasi asam humat yang meningkat dari 0-18 mg/L. Hal inimenunjukkan bahwa keberadaan HA memblokir beberapa situspenyerapan aktif CS-ENM dan memiliki dampak yang signifikanterhadap kinerja adsorpsi. Alasannya adalah bahwa zat humatbiasanya bermuatan negatif dalam lingkungan air alami, dandapat secara elektrostatis tertarik dengan adsorben bermuatanpositif.

21

BAB VPenutup

A. Kesimpulan1. Hasil sintesis polimer yang ramah lingkungan yakni elektrospunmembran nanofiber berbasis kitosan (CS-ENM) memilikiefektivitas yang tinggi dalam menyerap Arsenat (V) dalamlarutan.

2. Observasi SEM dan analisis BET menunjukkan bahwa adsorben CS-ENM memiliki porositas tinggi dan luas permukaan yang besaryang menyebabkannya mudah menyerap kontaminan. Dari kajianefek pH, kapasitas adsorbsi lebih besar didapatkan padalarutan dengan pH rendah.

B. SaranPolimer ramah lingkungan berbasis elektrospun membranenanofiber dapat diaplikasikan menjadi adsorben yangmenjanjikan untuk penghilangan arsenik dan polutan organiklainnya.

22

DAFTAR PUSTAKA

A. Mahapatra, B.G. Mishra, G. Hota. 2013 .Electrospun Fe2O3–Al2O3 nanocomposite fibers as efficient adsorbent forremoval of heavy metal ions from aqueous solution Journal ofHazardous Materials 258–259:116–123

C. Gérente, Y. Andrès, G. McKay, P. Le Cloirec. 2010. Removalof arsenic(V) onto chitosan: From sorption mechanismexplanation to dynamic water treatment process. ChemicalEngineering Journal 158: 593–598

Darjito.2001. Karakterisasi Adsorpsi Co(II) dan Cu(II) padaAdsorben 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.Preparationand Physical Properties of Chitosan – Coated CalciumSulphate Whiskers. Chemical Papers 68:1400-1407.

Lei Liu, Zhaoyang Liu, Hongwei Bai, Darren Delai Sun. 2012.Concurrent filtration and solar photocatalyticdisinfection/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-XiangWu, Yu-Ming Zheng 2015. Preparation of chitosan basedelectrospun nano ber membrane and its adsorptive removalfiof arsenate from aqueous solution. Chemical Engineering Journal267:132–141

Maher Z. Elsabee, Hala F. Naguib, Rania Elsayed Morsi. 2012.Chitosan based nanofibers, review. Materials Science andEngineering C 32:1711–1726

Narges Naseri, Constance Algan, Valencia Jacobs, Maya John,Kristiina Oksman, Aji P. Mathew. 2014. Electrospunchitosan-based nanocomposite mats reinforced with chitin

23

nanocrystals for wound dressing. Carbohydrate Polymers 109: 7–15

R. Jayakumar, M. Prabaharan, S.V. Nair, H. Tamura. 2010. Novelchitin and chitosan nanofibers in biomedical applicationsNovel chitin and chitosan nanofibers in biomedicalapplications. Biotechnology Advances 28:142–150

Savant, V.D and Torres, J.A. 2000. Chitosan-Based CoagulatingAgents 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 compositenanofibers for high efficient photocatalytic cogenerationof clean water and energy from dye wastewater. WaterResearch 47:4059-4073

Tao Jiang, Meng Deng, Roshan James, Lakshmi S. Nair, Cato T.Laurencin. 2014. Micro and nanofabrication of chitosanstructures for regenerative engineering. Acta Biomaterialia10:1632–1645

Yanan Liu, Mira Park, Hye Kyoung Shin, Bishweshwar Pant, Soo-Jin Park,Hak-Yong Kim. 2014. Preparation and characterization ofchitosan-based nanofibersby ecofriendly electrospinning Materials Letters 132:23–26

24