Buletin Fisika Vol 20 No. 2 Agustus 2019: 35 – 40

Pengaruh Paparan Radiasi UVC Terhadap Struktur dan Swelling Membran Kitosan Yang Terpapar Medan Magnet

The Effect of UVC Irradiation on the Structure and Swelling Properties of Chitosan Membranes Exposed to Magnetic Fields

Ida Wisnu Sari1, Wolfharditia Oktaviana Nita2, Ni Nyoman Rupiasih3*, Made Sumadiyasa4

1, 2, 3, 4 Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran, Badung, Bali, Indonesia 80361

Email:  idawisnusari@student.unud.ac.id;  wolfharditia@student.unud.ac.id;  *rupiasih@unud.ac.id;

sumadiyasa@unud.ac.id

Abstrak –Telah dilakukan penelitian pengaruh paparan radiasi UVC terhadap struktur dan sifat swelling membran kitosan yang terpapar medan magnet. Membran yang digunakan yaitu membran kitosan 2% yang sudah dipapari medan magnet 1,5 mT dalam arah sejajar selama 2 jam pada saat pencetakannya (reaksi pembentukannya). Selanjutnya membran kering yang diperoleh dipotong dengan ukuran tertentu dan dipapari radiasi UVC selama 5, 10, 15 dan 30 menit, yang masing-masing sampel tersebut diberi nama M1, M2, M3 dan M4. Sebagai pembanding adalah membran kitosan 2% dengan paparan medan magnet selama 2 jam tanpa paparan radiasi UVC, yang disebut membran kontrol (M0). Karakterisasi yang dilakukan meliputi tebal, swelling (kemampuan serap air) dan spektrofotometer FTIR. Hasil analisis FTIR menunjukkan bahwa gugus fungsi OH, N-H, C-H, C=O, C-N, C-O dan C-O-C yang teramati pada membran M0 juga teramati pada membran M1, M2, M3 dan M4, dengan puncak-puncak yang mengalami pergeseran bilangan gelombang ke bilangan gelombang lebih kecil atau lebih besar. Persentase transmitansi dari gugus-gugus fungsi tersebut meningkat dengan bertambahnya waktu paparan radiasi UVC dari 5 sampai 15 menit dan menurun pada waktu paparan 30 menit.

Kata kunci: membran kitosan, medan magnet, radiasi UVC, swelling, gugus fungsi.

Abstract – Research on the effect of UVC radiation exposure on the structure and swelling properties of chitosan membranes exposed to magnetic fields has been carried out. The membrane used is the 2% chitosan membrane that has been exposed to a magnetic field of 1.5 mT in a parallel direction for 2 hours at the time of its formation (formation reaction). Furthermore, the dry membrane obtained was cut to a certain size and irradiated by using UVC radiation for 5, 10, 15 and 30 minutes, each of which was given the names M1, M2, M3 and M4. A comparison is a 2% chitosan membrane with exposure to a magnetic field for 2 hours without exposure to UVC radiation, which is called the control membrane (M0). Characterizations conducted include thickness, swelling (water absorption) and FTIR spectrophotometer. FTIR analysis shows that the OH, NH, CH, C = O, CN, CO and COC functional groups observed on the M0 membrane as well as on the M1, M2, M3, and M4 membranes, with the peaks shifted to smaller or larger wavenumbers. The percentage of transmittance of these functional groups increases with increasing irradiation time from 5 to 15 minutes and decreases in 30 minutes irradiation.

Key words: chitosan membrane, magnetic field, UVC radiation, swelling test, functional groups.

  • 1.    Pendahuluan

Membran merupakan suatu lapisan tipis yang bersifat semipermiabel, yang artinya melewatkan komponen tertentu dan menahan komponen lainnya [1]. Saat ini teknologi membran dikembangkan ke arah pembuatan membran berbahan dasar polimer alam karena lebih ramah lingkungan, salah satu contohnya yaitu membran kitosan. Kitosan adalah senyawa polimer alam (biopolimer) yang diperoleh dari hasil proses deasetilasi kitin, yaitu proses penghilangan gugus asetil dengan menggunakan basa kuat (NaOH). Senyawa kitin biasanya banyak diperoleh dari kerangka kulit hewan tingkat rendah seperti udang, cumi-cumi, kepiting dan juga banyak terdapat pada dinding sel tumbuhan tingkat rendah seperti jamur [2]. Kitosan sudah banyak dimanfaatkan secara komersial pada berbagai bidang, diantaranya industri farmasi dan pertanian. Namun membran kitosan memiliki kelemahan yaitu sensitif terhadap

radiasi ultraviolet (UV). Apabila terpapar radiasi UV, membran akan mengalami perubahan pada struktur kimia, sifat fisik dan sifat listriknya [3].

Penelitian terkait paparan UVC pada membran kitosan sudah banyak dilakukan, diantaranya yaitu Winasri pada tahun 2014 telah melaporkan bahwa lama paparan UVC mengakibatkan penurunan konduktansi ion dari membran kitosan di dalam larutan NaCl [4]. Paramitha, dkk, 2016 melaporkan bahwa rapat arus difusi ion bertambah seiring dengan bertambah besarnya perbandingan konsentrasi larutan di ke dua ruang, jumlah kitosan pembentuk membran (1%, 2%, 3% dan 4%), dan waktu paparan radiasi UVC [5].

  • 2.    Landasan Teori

    A.    Membran kitosan

Membran kitosan adalah membran yang terbuat dari polimer alam, kitosan sebagai bahan dasar (matrik) dan pelarutnya. Sebagai pelarut dapat digunakan larutan asam asetat 1%, asam format 10% dan asam sitrat 10%, karena keterlarutan kitosan adalah paling baik dalam larutan-larutan tersebut [6]. Membran kitosan mempunyai karakteristik atau sifat yang sangat bergantung pada beberapa faktor yaitu metode atau cara pembuatan, komposisi kitosan terhadap pelarutnya, serta kondisi lingkungan pada saat membran dibuat [7]. Beberapa metode yang biasa digunakan dalam mengkarakterisasi membran diantaranya spektrofotometer FTIR (Fourier Transform Infra-Red), uji tarik dan uji daya serap air (swelling).

  • B.    Sinar UV

Radiasi ultraviolet (UV) merupakan bagian dari spektrum elektromagnetik, yang memiliki panjang gelombang antara 200-400 nm [8]. Sumber UV dapat berasal dari alam (sinar matahari) dan buatan, yaitu dari lampu germicidal, lampu merkuri dan lampu halogen. Sinar UV menurut panjang gelombangnya dibedakan atas UV-A (320 – 400 nm), UV-B (290 – 320 nm) dan UV-C (200 - 290 nm) [9]. Paparan radiasi UV pada suatu materi, khususnya membran, dapat mengakibatkan membran terdegradasi. Degradasi tersebut dapat menyebabkan perubahan warna sampai mempengaruhi struktur kimia, sifat fisika dan sifat listrik membran [5].

  • C.    Medan Magnet

Daerah yang ada di sekitar magnet dimana objek-objek magnetik lain dapat terpengaruh oleh gaya magnetismenya disebut medan magnet. Medan magnet tidak hanya dihasilkan oleh magnet, tetapi juga dapat dihasilkan oleh arus yang mengalir dalam sebuah kawat penghantar, dalam hal ini medan magnet bersifat sementara. Salah satunya adalah medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan Helmholtz yang dialiri arus listrik. Dua kumparan Helmholtz dengan jari-jari sama, dipasang pada jarak yang sama dengan jari-jarinya dapat menghasilkan medan magnet homogen dalam suatu daerah atau luasan tertentu [10].

  • D.    Karakterisasi membran

Karakterisasi membran perlu dilakukan untuk mengetahui karakteristik dari membran. Beberapa metode yang biasa digunakan dalam karakterisasi membran diantaranya spektrofotometer FTIR (Fourier Transform Infra-Red), uji tarik dan uji daya serap air (swelling).

Karakterisasi dengan spektrofotometer FTIR digunakan untuk mengidentifikasi gugus fungsi yang terdapat pada membran kitosan. Metode ini didasarkan pada interaksi antara radiasi inframerah dengan materi. Interaksi mengakibatkan penyerapan radiasi pada bilangan gelombang tertentu yang berhubungan dengan energi transisi antara berbagai keadaan energi vibrasi pada molekul. Uji kemampuan serap air (swelling) membran dilakukan untuk mengetahui kemampuan membran menyerap air atau menyerap uap air di udara. Karakteristik tersebut merupakan suatu parameter yang dapat digunakan untuk menjelaskan sifat suatu membran dalam mengikat air (hydrophilicity). Uji swelling hanya menggangu ikatan intermolekuler saja dan tidak menyebabkan ikatan kimia dalam rantai suatu polimer. Semakin rapat struktur suatu bahan, menyebabkan proses difusi air ke dalam bahan tersebut menjadi lebih sulit [11]. Persentase swelling dari membran dapat dihitung dengan Persamaan (1) [12]:

Swelling (%)=—w---d-x 100%                                                 (1)

md

Dimana mw adalah massa membran basah (setelah perendaman) dan md adalah massa membran kering.

  • 3.    Eksperimen

Alat dan bahan yang digunakan yaitu kumparan Helmholtz, lampu UVC Sankyo Denki 20 W, mikrometer sekrup Tricle Brand, aqua-dm, serbuk kitosan, asam asetat 1%, dan NaOH 1%. Membran kitosan yang dibuat adalah membran kitosan 2% dengan paparan medan magnet 1,5 mT pada arah sejajar selama 2 jam, yang diberikan pada saat pencetakan (reaksi pembentukan membran). Selanjutnya membran dikeringkan pada temperatur ruang yaitu 20-25oC, direndam dengan larutan NaOH 1% selama ± 12 menit, dicuci menggunakan aqua-dm (demineralized water) dan dikeringkan kembali pada

temperatur ruang. Kemudian membran kering tersebut dipapari radiasi UVC selama 5, 10, 15 dan 30 menit, yang secara berurutan disebut membran M1, M2, M3 dan M4. Sebagai pembanding adalah membran kitosan 2% yang dipapari medan magnet dan tidak dipapari radiasi UVC, yang disebut membran kontrol (M0). Karakterisasi membran yang telah dilakukan meliputi pengukuran tebal, kemapuan serap air (swelling) dan gugus fungsi menggunakan FTIR.

  • 4.    Hasil Dan Pembahasan

Dari hasil pengamatan diperoleh data-data sebagai berikut.

  • 4.1    Tebal membran

Dari hasil pengukuran tebal membran diperoleh tebal rata-rata masing-masing membran seperti tampak pada Gambar 1.

Gambar 1. Grafik tebal rata-rata dari membran M0, M1, M2, M3 dan M4.

Pada Gambar 1 tampak bahwa membran kitosan dengan paparan radiasi UVC memiliki tebal yang berbeda-beda. Tampak bahwa membran M3 lebih tebal dibandingkan dengan membran M0, M1, M2, M3 dan M4.

  • 4.2    Kemampuan serap air (swelling)

Data uji swelling untuk masing-masing membran dan dengan menggunakan persamaan (1) diperoleh persentase swelling dari masing-masing membran sebagai fungsi waktu perendaman, seperti tampak pada Gambar 2.

Pada Gambar 2 tampak bahwa semua membran menunjukkan pola persentase swelling yang meningkat tajam dalam selang waktu 15 menit, kemudian meningkat perlahan sampai tercapai keadaan jenuh setelah lama perendaman 180 menit untuk membran M0, M1, M2 dan M3, dan 150 menit untuk membran M4. Dari data pada Gambar 2 diperoleh persentase swelling maksimum untuk masing-masing membran seperti tampak pada Gambar 3.

Gambar 2. Grafik persentase swelling sebagai fungsi waktu, dari membran M0, M1, M2, M3 dan M4.

Gambar 3. Grafik swelling maksimum dari membran M0, M1, M2, M3 dan M4.

Pada Gambar 3 tampak bahwa nilai persentase swelling tertinggi ditunjukkan oleh membran M3 yakni 73,17%, diikuti oleh membran M2, M0, M4 dan M1 masing-masing sebesar 71,97%, 71,75%, 69,62% dan 69,43%. Hasil-hasil pengamatan ini menunjukkan bahwa paparan radiasi UVC sangat mempengaruhi kemampuan serap air membran. Hal ini berarti M3 lebih suka air atau lebih mudah berinteraksi dengan air (hydrophilicity improved) dibandingkan membran M0, M1, M2 dan M4. Hasil ini didukung oleh tebal membran, dimana membran M3 merupakan membran yang paling tebal yaitu 0,172 mm dibandingkan membran M0, M1, M2 dan M4 (masing-masing 0,164; 0,162; 0,158 dan 0,156 mm).

  • 4.3    Analisis Spektrofotometer FTIR

Dari hasil analisis FTIR diperoleh spektrum infrared (IR) dari masing-masing membran seperti tampak pada Gambar 4. Masing-masing spektrum tampak memiliki pola yang serupa dengan perbedaan pada intensitas dan posisi dari beberapa puncak. Untuk pemberian label, spektrum membran M0 digambarkan kembali seperti tampak pada Gambar 5.

Gambar 4. Spektrum FTIR dari membran M0, M1, M2, M3 dan M4.

Gambar 5. Sprektrum FTIR dari membran kontrol (M0).

Gambar 5 memperlihatkan spektrum FTIR dari membran kontrol (M0). Pada spektrum tampak puncak-puncak serapan di sekitar 3612,07 dan 3504,65 cm-1 yang merupakan vibrasi gugus OH dan NH (Coates, 2000). Puncak-puncak serapan lainnya yaitu pucak di sekitar 2904,35 cm-1 adalah gugus CH, puncak di sekitar 1656,47 cm-1 adalah gugus C=O, puncak di sekitar 1575,45 cm-1 merupakan gugus – NH bending, puncak di sekitar 1183,22 cm-1 merupakan gugus CN, puncak di sekitar 1048,80 cm-1 merupakan vibrasi dari ikatan C-O-C (Fabian et al., 1995) dan puncak di sekitar 679,90 cm-1 adalah vibrasi dari gugus CH bend. Analisis gugus fungsi membran M1, M2, M3 dan M4 selengkapnya ditunjukkan pada Tabel 1.

Tabel 1. Gugus-gugus fungsi pada membran M0, M1, M2, M3 dan M4.

Gugus Fungsi

Referensi

(*)

Bilangan Gelombang (cm-1); Transmitansi (%) Pada masing-masing Membran

M0

M1

M2

M3

M4

OH stretch

3645-3600

3612,07; 8,96

3635,4; 2,58

3612,07; 7,46

3612,07; 7,46

3615,14; 5,53

N-H stretch

3510-3460

3504,65; 10,18

3500,97; 2,10

3491,15; 8,36

3491,15; 8,36

3500,97; 5,75

C-H stretch

2900-2880

2904,35; 9,90

2890,84; 3,46

2893,91; 8,54

2893,91; 8,54

2900,66; 7,01

C=O

1670-1620

1656,47; 10,11

1666,29; 2,14

1659,54; 7,17

1663,22; 7,05

1659,54; 5,63

NH bend

1650-1550

1575,45; 9,91

1562,56; 2,95

1582,20; 7,44

1582,2; 7,44

1552,12; 5,66

CN stretch

1190-1130

1183,22; 8,68

1186,29; 1,84

1173,40; 6,06

1176,47; 6,03

1176,47; 4,92

C-O stretch

1150-1050

1126,14; 9,54

1123,07; 1,73

1123,07; 6,49

1123,07; 6,49

1126,14; 4,64

C-O-C stretching

1053-1045

1048,8; 14.82

1052,48; 3,14

1048,80;11,09

1052,48; 11,14

1048,80; 8,26

CH bend

680-610

679,9; 12,67

619,74; 2,20

679,90; 9,95

679,90; 9,95

676,83; 7,58

* Coates (2000); Fabian et al. (1995).

Pada Tabel 1 tampak bahwa gugus NH stretch, CH stretch, pada membran yang mendapatkan paparan UVC (M1, M2, M3 dan M4) mengalami pergeseran bilangan gelombang ke daerah yang lebih kecil sedangkan gugus C=O mengalami pergeseran bilangan gelombang ke daerah yang lebih besar dibandingkan dengan membrane M0. Gugus NH bend pada membran M1 dan M4 mengalami pergeseran bilangan gelombang ke daerah yang lebih kecil, sedangkan membran M2 dan M3 bergeser ke bilangan gelombang lebih besar. Gugus OH stretch pada membran M1 dan M4 mengalami pergeseran bilangan gelombang ke daerah yang lebih besar sedangkan membran M2 dan M3 memiliki bilangan gelombang yang sama dengan M0 (tidak mengalami pergeseran). Gugus CH bend pada membran M1 dan M4 mengalami pergeseran bilangan gelombang ke daerah yang lebih kecil, sedangkan membran M2 dan M3 tidak mengalami pergeseran. Gugus C-O-C stretch pada membran M1 dan M3 mengalami pergeseran bilangan gelombang ke daerah yang lebih besar, sedangkan membran M2 dan M4 tidak mengalami pergeseran. Gugus CO stretch pada membran M1, M2 dan M3 tampak mengalami pergeseran bilangan gelombang ke daerah yang lebih kecil, sedangkan M4 tidak mengalami pergeseran. Nilai transmitansi dari membran M1, M2, M3 dan M4 lebih kecil dibandingkan M0. Nilai transmitansi dari membran terpapar radiasi UVC meningkat dari paparan selama 5 menit sampai 10 menit, kemudian nilainya tetap (konstan) untuk waktu paparan 15 menit, dan pada lama paparan 30 menit, nilai transmitansinya turun. Nilai transmitansi terkecil ditunjukkan oleh membran M1. Hasil-hasil pengamatan ini menunjukkan bahwa, paparan radiasi UVC mempengaruhi gugus-gugus fungsi pada membran kitosan, dimana besar dampaknya bergantung pada lama paparan radiasi UVC yang diberikan.

  • 5.    Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian maka dapat disimpulkan bahwa, paparan radiasi UVC berpengaruh terhadap karakteristik tebal, swelling dan gugus fungsi dari membran kitosan. Membran M3 memiliki tebal tertinggi yaitu 0,164 mm dan diikuti oleh membran M2, M0, M4 dan M1 masing-masing 0,162, 0,158 dan 0,156 mm. Hasil ini bersesuaian dengan persentase swelling yang dimiliki masing-masing membran, yaitu membran M3 (73,17%), M2 (71,97%), M0 (71,75%), M4 (69,62%) dan M1 (69,43%). Gugus-gugus fungsi yang teramati pada membran M0 juga teramati pada membran M1, M2, M3 dan M4, dengan puncak-puncak mengalami pergeseran bilangan gelombang ke bilangan gelombang yang lebih kecil atau

lebih besar. Persentase transmitansi tertinggi ditunjukkan oleh membran M3 dan diikuti oleh membran M0, M2, M4 dan M1.

Ucapan Terima Kasih

Terimakasih kepada Program Studi Fisika, FMIPA, Universitas Udayana atas dukungan fasilitas yang diberikan dalam pelaksanaan penelitian untuk publikasi ini.

Daftar Pustaka

  • [1]    D. D. Fernanda, Aplikasi Membran Komposit Kitosan-AgNP Untuk Menyaring Logam Perak (Ag) Dalam Limbah Fixer Radiografi, Skripsi, Universitas Udayana, 2018.

  • [2]    D. D. Fernanda, Kitosan Sebagai Adsorben Perak (Ag) Pada Limbah Fixer Fotografi Rumah Sakit, Buletin Fisika, vol. 20, no.1, 2019, pp. 6-10.

  • [3]    P. I. P. Putri, Efek Paparan Radiasi UV-C Terhadap Karakteristik Rapat Arus Difusi Ion Pada Membran Kitosan, Skripsi, Universitas Udayana, 2015.

  • [4]    P. E. Winasri, Efek Lama Paparan Radiasi UV-C Terhadap Karakteristik I-V Membran Kitosan, Buletin Fisika, vol.15, no.1, 2015, pp. 24 – 30.

  • [5]    P. I. P. Putri, Pengaruh Waktu Paparan Radiasi UV-C Terhadap Karakteristik Rapat Arus Difusi Ion Pada Membran Kitosan, Buletin Fisika, vol. 17, no.1, 2016, pp. 49 – 56.

  • [6]    N. Kusumawati dan S. Tania, Pembuatan Dan Uji Kemampuan Membran Kitosan Sebagai Membran Ultrafiltrasi Untuk Pemisahan Zat Warna Rhodamin B, Molekul, vol. 7, no. 1, 2012, pp. 43 - 52.

  • [7]    A. B. Kusumaningtyas, Pengaruh Temperatur Larutan Terhadap Krakteristik Rapat Arus-Beda Potensial Membran Kitosan, Buletin Fisika, vol. 17, no.2, 2016, pp. 16 – 24.

  • [8]    R. Agustin, Pengontrolan Kecepatan Motor DC Pada Penyimpanan Tempe Menggunakan Sinar Ultraviolet Berbasis Kontrol Logika Fuzzy, Skripsi, Universitas Brawijaya, 2013.

  • [9]    S. Pratiwi dan P. Husni, Artikel Tinjauan: Potensi Penggunaan Tanaman Indonesia Sebagai Bahan Aktif Tabir Surya, Farmaka, vol.15, no.4, 2017, pp. 18-25.

  • [10]    I. A. P. I. Gayatri, Pengaruh Paparan Medan Magnet Dalam Pembuatan Membran Kitosan Terhadap Sifat Mekaniknya, Skripsi, Universitas Udayana, 2018.

  • [11]    E. Puspawiningtiyas dan D. Neni, Kajian Sifat Fisik Film Tipis Nata De Soya Sebagai Membran Ultrafiltrasi, Techno, vol.12, no.1, 2011, pp. 01-07.

  • [12]    Y.Wang, et. al, Chitosan Membranes Filled by GPTMS-Modified Zeolite Beta Particles with Low Methanol Permeability for DMFC, Chemical Engineering and Processing 49, 2010, pp. 278–285.

40