PEMBUATAN HIDROGEL BIODEGRADABLE SELULOSAAKRILAMIDA MENGGUNAKAN RADIASI SEBAGAI CONTROLLED RELEASE FERTILIZER

DENI SWANTOMO, Prof. Ir. Rochmadi, SU., Ph.D.

2015 | Disertasi | S3 ILMU TEKNIK KIMIA

Penggunaan pupuk pelepasan terkendali atau controlled release fertilizer (CRF) dapat meningkatkan efisiensi pemupukan, mengurangi toksisitas tanah, meminimalkan dampak negatif yang terkait dengan overdosis dan mengurangi frekuensi pemupukan. Pada dekade terakhir, penelitian polimer hidrogel sebagai CRF telah menarik banyak perhatian. Banyaknya gugus hidroksil (OH) pada selulosa menyebabkan mudah untuk berikatan silang sehingga sifatnya sesuai sebagai bahan pembuat hidrogel. Modifikasi selulosa dengan kopolimerisasi grafting menggunakan radiasi telah menarik minat para peneliti. Dalam penelitian ini, pembuatan hidrogel kopolimer grafting selulosa-akrilamida sebagai matriks CRF dilakukan dengan metode iradiasi gamma simultan. Penelitian berfokus untuk mempelajari isolasi selulosa dari jerami padi, mekanisme dan kinetika proses grafting, pengaruh proses bleaching, dosis radiasi gamma, konsentrasi monomer akrilamida, dan filler silika terhadap proses grafting dan karakterisasi hidrogel. Jerami padi dihancurkan kemudian dipotong dengan ukuran partikel 60 mesh dan dicuci sebelum digunakan. Pulp selulosa dibuat dengan proses soda. Proses bleaching selulosa menggunakan hidrogen peroksida. Campuran selulosa dan akrilamida diiradiasi dengan radiasi gamma menggunakan Gamma Chamber-40 pada dosis 5; 7,5; 10; 20; 30; 40; dan 50 kGy. Spektroskopi FTIR dan XRD digunakan untuk menganalisis perubahan gugus fungsional dan kristalinitas selulosa selama proses grafting. Parameter proses grafting yang diukur yaitu efisiensi grafting, fraksi gel, dan swelling. Parameter yang paling penting pada karakterisasi jaringan hidrogel adalah densitas ikatan silang, berat molekul rantai polimer antara ikatan silang, dan ukuran mesh jaringan. Struktur jaringan Hidrogel dianalisis dengan menggunakan teori elastisitas dan Flory. Pupuk urea dimasukkan ke dalam matriks hidrogel dengan proses swelling. Pelepasan pupuk dilakukan pada medium akuades dan tanah. Studi biodegradasi hidrogel dilakukan dengan uji pemendaman di tanah. Hasil percobaan menunjukkan bahwa proses pulping dan bleaching mampu meningkatkan konsentrasi selulosa dari 23,48 % menjadi 62,30 % setelah pulping dan 89,27 % setelah proses bleaching. Parameter konstanta reaksi kopolimerisasi grafting selulosaakrilamida adalah (kp/kt 0.5) = 4.9922 l0.5.mol-0.5.s-0.5. Adanya perubahan spektra FTIR membuktikan bahwa akrilamida telah tergrafting pada selulosa dengan adanya iradiasi Gamma. Berdasarkan analisis XRD, kristalinitas dan orientasi kristal kopolimer grafting selulosa-akrilamida menurun. Proses bleaching selulosa menggunakan H2O2 yang mampu meningkatkan kandungan selulosa dan mengurangi kristalinitas sehingga akan meningkatkan efisiensi grafting dan fraksi gel. Peningkatan total dosis radiasi akan meningkatkan pembentukan radikal bebas pada campuran monomer akrilamida, selulosa, dan air yang dapat meningkatkan efisiensi grafting dan fraksi gel. Semakin besar dosis radiasi Gamma, rantai selulosa akan semakin mudah berikatan silang sehingga dapat meningkatkan densitas ikatan silang dan modulus Young, berbanding terbalik dengan derajat swelling, berat molekul rantai polimer antara ikatan silang, dan ukuran mesh jaringan. Mekanisme pelepasan pupuk urea dari matriks hidrogel untuk semua variasi dosis radiasi mengikuti difusi Fickian, dimana laju difusi jauh lebih lambat dibandingkan dengan laju relaksasi matriks hidrogel. Koefisien difusi semakin kecil untuk struktur rantai lebih padat yang dihasilkan oleh dosis radiasi yang besar. Efisiensi grafting dan fraksi gel akan meningkat dengan peningkatan konsentrasi akrilamida dari 1 M sampai 2,5 M yang disebabkan peningkatan tumbukan molekular dan peningkatan jumlah radikal yang terbentuk. Pada konsentrasi monomer yang lebih besar, jarak antar radikal bebas akan semakin dekat yang akan meningkatkan densitas ikatan silang dan menurunkan berat molekul berat molekul rantai polimer antara ikatan silang, ukuran mesh jaringan serta penurunan rasio swelling yang disebabkan penurunan volume ruang kosong dalam struktur jaringan. Nilai parameter yang menunjukkan jenis mekanisme difusi (n) diperoleh nilai yang lebih kecil dari 0,5 sehingga mekanisme pelepasan mengikuti difusi Fickian untuk semua variasi konsentrasi akrilamida. Koefisien difusi akan semakin kecil dengan peningkatan konsentrasi akrilamida yang menunjukkan bahwa struktur molekular yang lebih padat akan menurunkan volume bebas untuk proses difusi. Filler silika dari abu sekam padi telah berhasil ditambahkan ke dalam proses kopolimerisasi grafting yang didasarkan hasil analisis FTIR. Hasil analisis XRD menunjukkan penurunan persentase kristalinitas dan indeks kristal dengan adanya penambahan silika. Peningkatan jumlah filler silika akan meningkatkan modulus Young yang berbanding terbalik dengan efisiensi grafting. Peningkatan silika juga mampu meningkatkan fraksi gel, derajat swelling dan loading urea dalam hidrogel tetapi setelah mencapai optimum akan menurun. Mekanisme pelepasan pupuk urea hidrogel dengan penambahan silika mengikuti difusi Fickian. Koefisien difusi pelepasan urea semakin kecil dengan peningkatan jumlah silika yang ditambahkan. Model interaksi antara solut dengan matriks hidrogel cenderung mengikuti model volume bebas, sedangkan berdasarkan pengujian awal pelepasan pupuk urea pada medium tanah telah dapat memenuhi standar Comité Européen de Normalisation (CEN). Hasil penelitian menunjukkan matriks hidrogel dapat terdegradasi 43,739 % pada hari ke-37. Dapat diambil kesimpulan bahwa dosis radiasi Gamma, konsentrasi monomer akrilamida dan penambahan filler silika akan mempengaruhi struktur jaringan dan gugus fungsional hidrogel. Jumlah pupuk urea yang dapat dimuat dan kecepatan pelepasannya dapat dikendalikan dengan mengubah struktur jaringan. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa matriks hidrogel dapat diaplikasikan sebagai pupuk lepas terkendali.

The use of controlled-release fertilizers (CRF) causes an increase in their efficiency, reduces soil toxicity, minimizes the potential negative effects associated with overdosage and reduces the frequency of the application. Over the past decades, hydrogels polymers have attracted a great deal of attention as CRF. Cellulose is suitable candidate for the preparation of hydrogels material by grafting, as it has been shown to be a good precursor material for the preparation of hydrogels due to its great cross-linking and grafting ability in the presence of abundant hydroxyl (OH) groups. The modification of cellulose by graft copolymerization using radiation has generated interest among research. In this research, synthesis of cellulose-acrylamide graft copolymer hydrogels as CRF matrices were done by simultaneous gamma irradiation technique. The focus of this research were the study of cellulose isolation from rice straw, mechanism and kinetics of the grafting process, effect of bleaching processes, gamma radiation doses, acrylamide monomer concentration, and silica fillers on grafting processes and hydrogels characterization. Rice straw was crushed by disintegrator first then was grounded to a 60 mesh particle size and cleaned prior to use. Cellulose pulps were made by soda process and hydrogen peroxide was used for bleaching cellulose. The mixture of cellulose and acrylamide were irradiated under gamma radiation using Gamma Chamber-40 at 5, 7.5, 10, 20, 30, 40, and 50 kGy. FTIR spectroscopic and XRD characterization were carried out to analysis the change in the functionality and crystallinity of cellulose as a result of grafting. The measured grafting process parameters were grafting efficiency, gel fraction, and swelling. The most important parameters of hydrogel network characteristics are crosslink density, molecular weight of the polymer chain between crosslinking, and network mesh sizes. Hydrogels network structures were analyzed using elasticity and Flory theory. Urea fertilizer was loaded by swelling process into hydrogels matrices. Fertilizer release was measured by immersing the CRF in distilled water and soil. Biodegradation studies of hydrogels were carried out by soil burial test. The experiments show that pulping and bleaching processes could increase cellulose i.e 23.48 % to 62.30 % for pulping cellulose and 89.27 % for bleached cellulose. Rate constant parameter for cellulose-acrylamide graft copolymerization (kp/kt 0.5) is 4.9922 l0.5.mol- 0.5.s-0.5. FTIR spectra changes provided strong evidence supporting that grafting of acrylamide onto cellulose could be done by Gamma irradiation. Based on XRD analysis, crystallinity and orientation crystalline structure of cellulose-acrylamide graft copolymers decreases. Cellulose bleaching was carried using H2O2 which leads to increase of cellulose content and reduce crystallinity so it could increase grafting efficiency and gel fraction. An increase in total radiation dose enhances formation of free radicals in the reaction mixture of acrylamide monomer, cellulose, and water that could increase grafting efficiency and gel fraction. As Gamma radiation dose increases, cellulose chain can easily form more crosslinking that increased crosslink density and Young Modulus, inversely proportional to the swelling degree, molecular weight between crosslink, and network mesh sizes. Urea fertilizer release mechanisms from hydrogels follow Fickian diffusion for all of radiation doses. Diffusion coefficient decreases with denser molecular chains of cross linking as increasing of radiation doses. Grafting efficiency and gel fraction were found to increase by enhancement of acrylamide concentration from 1 M up to 2.5 M due to raise chances for molecular collisions and increase of radical formation. At higher concentrations of monomer, the free radicals come closer that tends to form more cross-links that could increase crosslink density and consequently smaller molecular weight between crosslink, network mesh sizes and swelling ratio decrease due to reduced vacant space of network. The number to determine the type of diffusion (n) was found to be equal or less than 0.5 hence release mechanisms were Fickian diffusion for all monomer concentration. Diffusion coefficient decreases with the increase of acrylamide concentration which implies that denser molecular network would reduce free volume for diffusion. FTIR spectra show that silica fillers from rice hush ash have been successfully modified cellulose-acrylamide graft copolymerization. XRD confirmed the reduction in crystallinity percentage and crystallinity index with silica added. The increase of silica fillers content increases the Young Modulus inversely proportional to grafting efficiency. Moreover, the increase of silica fillers increases gel fraction, swelling degree and urea loaded in hydrogels but after reaching the optimum they decrease. Urea fertilizer release mechanisms from the silica filled hydrogels follow Fickian diffusion. The diffusion coefficient of urea release from loaded hydrogels decrease with increasing silica added. Model of solute interaction with hydrogel matrices tend to follow the free volume model, while founded on the initial test release of urea fertilizer on soil incubation medium has met Comité Européen de Normalisation (CEN) standard. The experiments demonstrate biodegradation of hydrogels matrices capable of 43.739% on the 37th day of the test. It can be concluded that Gamma radiation doses, acrylamide monomer concentration and silica filler added affected hydrogels network structure and functional groups. Amount of urea fertilizers loading and permeation can be controlled by changing the network structure. These properties make that cellulose-acrylamide hydrogels matrices can be applied as controlled release fertilizers.

Kata Kunci : -