MODIFIKASI PERMUKAAN DAN KARAKTERISASI

MIKROKRISTALIN SELULOSA DARI LIMBAH TANDAN

KOSONG KELAPA SAWIT DENGAN SENYAWA

AMINOSILAN

Disusun Oleh :

KURNIA

M0313033

SKRIPSI

Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar sarjana

sains dalam bidang ilmu kimia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

Oktober 2017

ii

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “MODIFIKASI

PERMUKAAN DAN KARAKTERISASI MIKROKRISTALIN SELULOSA

DARI LIMBAH TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT DENGAN SENYAWA

AMINOSILAN” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di

suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis

atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah

ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, Oktober 2017

Kurnia

iv

MODIFIKASI PERMUKAAN DAN KARAKTERISASI

MIKROKRISTALIN SELULOSA DARI LIMBAH TANDAN KOSONG

KELAPA SAWIT DENGAN SENYAWA AMINOSILAN

KURNIA

Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Telah dilakukan modifikasi permukaan mikrokristalin selulosa (MKS) dari

limbah tandan kosong kelapa sawit (TKKS) dengan senyawa aminosilan. MKS

diperoleh dari hasil isolasi selulosa melalui reaksi hidrolisis asam sulfat (H2SO4)

45%. Senyawa aminosilan diperoleh melalui reaksi aminolisis senyawa epoksi

3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) oleh etilendiamina dengan rasio

perbandingan 1:3 mmol. Senyawa aminosilan hasil sintesis dikarakterisasi

menggunakan spektrofotometer Fourier Transform Infra Red (FTIR) dan Proton

Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR). Rasio perbandingan antara senyawa

aminosilan dengan MKS divariasikan, yaitu 1:1, 3:1 dan 5:1 mmol.g-1. Rasio

perbandingan optimum adalah 1:1 mmol.g-1, yaitu pada produk sMKS1 dengan

persen (%) loading aminosilan tertinggi sebesar 79,20%. Senyawa aminosilan yang

terbentuk ditunjukkan melalui hilangnya serapan milik cincin epoksida pada daerah

bilangan gelombang 910 cm-1 dan munculnya serapan baru milik –NH2 pada daerah

bilangan gelombang 1600 cm-1 pada spektra FTIR serta hilangnya sinyal khas

proton epoksida digantikan dengan munculnya sinyal baru milik –CH(OH) pada

δH = 3,88 ppm dan –N-CH2 pada δH = 2,87-2,71 ppm pada spekta 1H-NMR.

Produk sMKS1 tergolong ke dalam kelompok mesopori dengan rata-rata jejari pori

3,69 nm, luas permukaan BET 25,73 m2.g-1 dan kristalinitas sebesar 61,41%.

Kata kunci: aminosilan, etilendiamina, mikrokristalin, selulosa,

3-glycidoxypropyltrimethoxysilane

v

SURFACE MODIFICATION AND CHARACTERIZATION

MICROCRYSTALLINE CELLULOSE FROM OIL PALM EMPTY

FRUIT BUNCH WASTE WITH AMINOSILANE COMPOUND

KURNIA

Department of Chemistry. Faculty of Mathematic and Natural Sciences

Sebelas Maret University

ABSTRACT

Surface modification of microcrystalline cellulose (MCC) from waste oil

palm empty fruit bunch (OPEFB) with aminosilane compound has been conducted.

MCC was isolated from cellulose through hydrolysis of 45% sulfuric acid (H2SO4).

Aminosilane compound was synthesized through aminolysis reaction using

3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) and ethylenediamine with ratio 1:3

mmole. This product was characterized using spectrophotometer FTIR and 1H-NMR. The ratio of aminosilane and MKS was varied to 1:1, 3:1 and 5:1

mmole.g-1. Based on loading analysis, the silanized product with ratio

1:1 mmol.g-1 (sMKS1), was noted as ratio optimum and having high loading yield

about 79.20%. From FTIR analysis, the formation of aminosilane compound was

shown by the loss of epoxides ring at 910 cm-1 region and the presence of new peak

at 1600 cm-1 of –NH2. Besides, 1H-NMR analysis spectrum also showed the loss

of typical epoxide signals being replaced by new signals of –CH(OH) at δH = 3.88

ppm and –N-CH2 δH = 2.87-2.71 ppm. sMKS1 was classified as mesoporous with

average pore radius 3.69 nm, the BET surface area was 25.74 m2.g-1 and the

crystallinity index 61.41%.

Keyword : aminosilane, cellulose, etilendiamine, microcrystalline,

3-glycidoxypropyltrimethoxysilane

vi

MOTTO

Sebab Tuhan ialah tempat perlindunganmu, “Bila ia berseru kepada-Ku,

Aku akan menjawab, Aku akan menyertai dia dalam kesesakan, Aku akan

meluputkannya dan memuliakannya”

(Mazmur 91: 9; 14)

“Aku tidak akan meninggalkan kamu sebagai yatim piatu”

(Yohanes 14: 18)

“Akulah pokok anggur yang benar dan Bapa-Kulah pengusahanya. Jikalau

kamu tinggal di dalam Aku dan firman-Ku tinggal di dalam kamu, mintalah

apa saja yang kamu kehendaki, dan kamu akan menerimanya”

(Yohanes 15: 1; 7)

vii

PERSEMBAHAN

Puji Tuhan mengucap syukur tiada hentinya kepada Tuhan Yesus Kristus

Karya kecil ini aku persembahkan untuk :

Ibu dan Bapak tercinta, yang selalu memberikan dukungan doa, moral dan

materiil untuk keberhasilanku. Ibu dan bapak adalah semangatku dalam

menyelesaikan semua ini.

Mas Iaa, Muti, Mama, Mas Rendy, Mba Dina yang selalu menghibuku.

Terimakasih atas semangat dan doanya.

Mas Ozi, Septi, Marta dan Wahyu yang sudah banyak membantu. Terimakasih

atas penghiburan dan semangatnya.

Teman-teman kimia angkatan 2013, terimakasih atas kebersamaannya selama ini.

Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu yang selalu sabar

menunggu dan membantu dalam keberhasilanku.

viii

KATA PENGANTAR

Salam Sejahtera,

Puji Tuhan, mengucap syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas semua

berkat, rahmat, kasih, karunia serta penyertaan yang tiada hentinya diberikan oleh-

Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini untuk memenuhi

sebagian persyaratan guna mencapai gelar Sarjana Sains dari Program Studi Kimia

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sebelas Maret.

Skripsi ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dari banyak pihak, oleh

karena itu penulis menyampaikan terimakasih kepada:

1. Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si, selaku Kepala Prodi Kimia FMIPA UNS

2. Dr. Triana Kusumaningsih, M.Si, selaku pembimbing I

3. Dr. Abu Masykur, M.Si, selaku pembimbing II

4. Dr. Fitria Rahmawati, M.Si, selaku pembimbing akademik

5. Bapak dan Ibu Dosen serta seluruh staf Prodi Kimia FMIPA UNS

6. Seluruh staf dan laboran Laboratorium Kimia Dasar FMIPA UNS, Sub

Laboratorium Kimia, dan Laboratorium Pusat FMIPA UNS

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan skripsi ini masih jauh dari

kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan bimbingan, kritik dan saran

sebagai bahan pertimbangan untuk membuat karya yang lebih baik.

Surakarta, Oktober 2017

Kurnia

ix

DAFTAR ISI

Halaman

HALAMAN JUDUL.................................................................................................i

HALAMAN PENGESAHAN..................................................................................ii

HALAMAN PERNYATAAN................................................................................iii

HALAMAN ABSTRAK.........................................................................................iv

HALAMAN ABSTRACT..........................................................................................v

HALAMAN MOTTO.............................................................................................vi

HALAMAN PERSEMBAHAN.............................................................................vii

KATA PENGANTAR.......................................................................................... viii

DAFTAR ISI...........................................................................................................ix

DAFTAR TABEL...................................................................................................xi

DAFTAR GAMBAR.............................................................................................xii

DAFTAR LAMPIRAN.........................................................................................xiii

DAFTAR SINGKATAN.......................................................................................xiv

BAB I. PENDAHULUAN........................................................................................1

A. Latar Belakang.......................................................................................1

B. Perumusan Masalah...............................................................................4

1. Identifikasi Masalah........................................................................ 4

2. Batasan Masalah..............................................................................5

3. Rumusan Masalah............................................................................5

4. Tujuan Penelitian.............................................................................6

5. Manfaat Penelitian...........................................................................6

BAB II. LANDASAN TEORI..................................................................................7

A. Tinjauan Pustaka................................................................................... 7

1. Tandan Kosong Kelapa Sawit..........................................................7

2. Mikrokristalin Selulosa................................................................... 9

3. Reaksi Aminolisis Senyawa Epoksi.............................................. 12

4. Modifikasi Material Menggunakan Senyawa Aminosilan.............14

5. Senyawa 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane................................17

6. Senyawa Etilendiamina................................................................ 20

x

7. Karakterisasi Senyawa Aminosilan dan Mikrokristalin Selulosa.. 22

a. Spektroskopi FTIR.................................................................. 22

b. X-Ray Diffraction (XRD).........................................................24

c. Proton Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR)....................25

d. Surface Area Analyzer (SAA)..................................................26

B. Kerangka Pikir.....................................................................................28

C. Hipotesis..............................................................................................30

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN.............................................................. 31

A. Metodologi Penelitian.......................................................................... 31

B. Tempat dan Waktu Penelitian...............................................................31

C. Alat dan Bahan Penelitian.....................................................................31

1. Alat Penelitian................................................................................31

2. Bahan Penelitian.............................................................................32

D. Prosedur Penelitian...............................................................................32

1. Preparasi MKS dari Limbah TKKS................................................32

2. Sintesis Senyawa Aminosilan.........................................................33

3. Modifikasi Permukaan MKS..........................................................34

4. Penentuan Rasio Perbandingan Optimum sMKS........................... 34

5. Karakterisasi Material.................................................................... 34

E. Teknik Pengumpulan Data................................................................... 35

F. Teknik Analisis Data............................................................................ 35

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN...............................................................37

A. Sintesis Senyawa Aminosilan...............................................................37

B. Modifikasi Permukaan MKS................................................................41

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN................................................................51

A. Kesimpulan.......................................................................................... 51

B. Saran.....................................................................................................51

DAFTAR PUSTAKA.............................................................................................52

LAMPIRAN...........................................................................................................59

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Data Kapasitas Adsorpsi Sep-APTES dan Pal-APTES........................16

Tabel 2. Data Efisiensi Absorpsi Ion Logam pada MFC dan APS/MFC...........16

Tabel 3. Perbandingan Bilangan Gelombang FTIR pada GPTMS dan Senyawa

Aminosilan dengan Pustaka..................................................................38

Tabel 4. Perbandingan Bilangan Gelombang FTIR pada Etilendiamina dan

Senyawa Aminosilan dengan Pustaka..................................................39

Tabel 5. Jumlah Senyawa Aminosilan yang Terikat pada Permukaan MKS.....42

Tabel 6. Perbandingan Bilangan Gelombang MKS, sMKS1, sMKS3, dan sMKS5

dengan Pustaka.....................................................................................45

Tabel 7. Data Intensitas Puncak dan % Kristalinitas MKS serta sMKS1.............47

Tabel 8. Data Jejari Pori dan Luas Permukaan MKS dan sMKS1......................49

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. (A) Pohon kelapa sawit berukuran 3-15 m, (B) Tandan buah segar

berukuran 50-60 cm, (C) TKKS, (D) TKKS yang dibiarkan

membusuk di perkebunan....................................................................8

Gambar 2. Struktur Selulosa dengan ikatan β 1-4 glikosidik dan ikatan hidrogen

intramolekul..................................................................................... 10

Gambar 3. Mekanisme reaksi antara etilendiamina dengan GPTMS..................12

Gambar 4. Mekanisme reaksi pembentukan jembatan siloksan antara gugus

silanol dengan substrat...................................................................... 15

Gambar 5. Spektra FTIR GPTMS.......................................................................17

Gambar 6. Struktur dan spektra 1H-NMR GPTMS............................................ 18

Gambar 7. Produk hasil pembukaan cincin epoksida GPTMS oleh NaOH.........19

Gambar 8. Struktur etilendiamina.......................................................................20

Gambar 9. Konversi fase kristal selulosa melibatkan etilendiamina dan reaksi

hidrotermal........................................................................................21

Gambar 10. Spektra FTIR (a) CNC, (b) STCNC dan (c) APS...............................23

Gambar 11. Difraktogram CNC dan STCNC........................................................24

Gambar 12. Contoh grafik distribusi pori..............................................................28

Gambar 13. Spektra FTIR GPTMS, etilendiamina dan senyawa aminosilan........37

Gambar 14. Spektra 1H-NMR senyawa aminosilan hasil sintesis.........................40

Gambar 15. Mekanisme reaksi antara aminosilan dengan selulosa......................41

Gambar 16. Spektra FTIR dari MKS, sMKS1, sMKS3 dan sMKS5 .......................43

Gambar 17. Difraktogram XRD MKS dan sMKS1 ..............................................46

Gambar 18. Grafik distribusi jejari pori MKS dan sMKS1 ....................................48

Gambar 19. Grafik isotermal adsorpsi-desorpsi MKS dan sMKS1 .......................49

xiii

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Perhitungan Konsentrasi Aminosilan dalam sMKS........................59

Lampiran 2. Diagram Alir Preparasi MKS dari Limbah TKKS.........................59

a. Preparasi TKKS bleaching.......................................................59

b. Preparasi TKKS alkalisasi........................................................60

c. Preparasi MKS dari TKKS alkalisasi........................................60

Lampiran 3. Diagram Alir Sintesis Senyawa Aminosilan..................................61

Lampiran 4. Diagram Alir Modifikasi Permukaan MKS...................................61

Lampiran 5. Diagram Alir Penentuan Rasio Perbandingan Optimum sMKS......62

Lampiran 6. Perhitungan % Kristalinitas sMKS1 dan MKS................................62

Lampiran 7. Perhitungan % Loading Aminosilan pada sMKS............................63

Lampiran 8. Spektra FTIR GPTMS....................................................................64

Lampiran 9. Spektra FTIR Etilendiamina...........................................................64

Lampiran 10. Spektra FTIR Aminosilan...............................................................65

Lampiran 11. Spektra FTIR MKS.........................................................................65

Lampiran 12. Spektra FTIR sMKS1......................................................................66

Lampiran 13. Spektra FTIR sMKS3 .................................................................... 66

Lampiran 14. Spektra FTIR sMKS5 .....................................................................67

Lampiran 15. Spektra 1H-NMR Senyawa Aminosilan........................................ 67

Lampiran 16. Prediksi Spektra 1H-NMR, Aplikasi MestReNova.........................68

Lampiran 17. Data SAA MKS dan sMKS1 ..........................................................68

a. Data BET MKS ........................................................................68

b. Data BET sMKS1......................................................................69

c. Data Volume Pori MKS............................................................69

d. Data Volume Pori sMKS1 ........................................................70

Lampiran 18. Hasil Karakterisasi XRD MKS dan sMKS1....................................70

Lampiran 19. Foto Penelitian................................................................................71

xiv

DAFTAR SINGKATAN

APS N-(β-aminoethyl)-γ-aminopropyltrimethoxysilane

APS/MFC Microfibrillated cellulose termodifikasi APS

APTES 3-aminopropyltriethoxysilane

BET Brunauer Emmet-Teller

CNC Nanokristalin selulosa

FTIR Fourier Transform Infrared

GPTMS 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane

1H-NMR Proton Nuclear Magnetic Resonance

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry

MFC Microfibrillated cellulose

MKS Mikrokristalin selulosa

Pal-APTES polygorskite termodifikasi APTES

SAA Surface Area Analyzer

SEM Scanning Electron Microscopy

Sep-APTES sepiolite termodifikasi APTES

sMKS MKS termodifikasi aminosilan

sMKS1 MKS termodifikasi aminosilan 1 mmol.g-1

sMKS3 MKS termodifikasi aminosilan 3 mmol.g-1

sMKS5 MKS termodifikasi aminosilan 5 mmol.g-1

STCNC Nanokristalin selulosa hasil treatment silan

TBS Tandan buah segar

TEM Transmission Electron Microscopy

TGA Thermogravimetric Analysis

TKKS Tandan Kosong Kelapa Sawit

TKKS-a TKSS hasil alkalisasi