Penelitian tentang Preparasi dan Sifat Polivinil Alkohol yang Dimodifikasi

Di bidang teknik lingkungan, pengolahan air limbah dengan konsentrasi nitrogen amonia tinggi masih menjadi tantangan yang signifikan. Metode pengolahan biologis tradisional seringkali kesulitan ketika menghadapi kualitas air yang kompleks dan beragam. Akibatnya, teknologi mikroba terimobilisasi telah banyak diterapkan karena kemampuannya untuk meningkatkan konsentrasi mikroba relatif dan meningkatkan efisiensi pengolahan biologis.

Sebagai agen penyemat yang paling umum digunakan untuk teknologi ini, Polivinil Alkohol (PVA) PVA menonjol karena biaya rendah, kekuatan mekanik tinggi, dan ketahanan terhadap dekomposisi mikroba. Namun, PVA alami telah menunjukkan beberapa "titik lemah" dalam aplikasi praktis, seperti toksisitas biologis terhadap mikroorganisme, tingkat pemulihan yang rendah, dan ekspansi kelarutan air yang tinggi (pembengkakan). Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti sedang mengeksplorasi modifikasi ikatan silang permukaan untuk mengoptimalkan kinerja PVA secara komprehensif.

1. Mengapa PVA perlu dimodifikasi?

Meskipun PVA alami memiliki sifat pembentukan film dan serat yang baik, stabilitasnya dalam air relatif buruk, seringkali menyebabkan pembengkakan yang dapat merusak integritas membran yang diimobilisasi. Dengan memperkenalkan agen pengikat silang, reaksi dipicu antara agen tersebut dan gugus hidroksil yang melimpah dalam molekul PVA, sehingga membentuk jaringan yang stabil.

PVA memiliki beragam agen pengikat silang, seperti asam maleat, formaldehidadan glutaraldehida (GA). Di antara keduanya, GA telah menjadi pilihan utama karena beroperasi dalam kondisi ringan dan tidak memerlukan perlakuan panas untuk mendorong reaksi. Lebih lanjut, pengenalan Graphene Oxide (GO) merupakan langkah yang brilian. GO memiliki luas permukaan spesifik yang besar dan kaya akan gugus fungsional yang mengandung oksigen, yang secara signifikan meningkatkan sifat mekanik dan stabilitas kimia material komposit.

2. Rincian Eksperimen: Dari Oksida Grafena ke Butiran Gel Magnetik

Penelitian ini menggunakan proses yang ketat untuk menciptakan material berkekuatan tinggi dan mudah didaur ulang:

• Polivinil Alkohol 1788 (PVA 1788) Pemilihan: Studi ini menggunakan PVA 1788 (derajat polimerisasi: 1788; berat molekul: 84.000–89.000 g/mol; alkoholisis minimum: 87,4%) sebagai polimer dasar.
• Pembuatan Grafena Oksida (GO): Dengan menggunakan metode Hummers yang telah disempurnakan, grafit alami dioksidasi dalam tiga tahap (suhu rendah, menengah, dan tinggi) menggunakan asam sulfat pekat dan kalium permanganat. Proses ini memperluas lapisan grafit untuk menciptakan GO yang terfungsionalisasi.
• Modifikasi Glutaraldehida (GA): Untuk mengurangi pembengkakan, larutan PVA 5% direaksikan dengan GA untuk memicu reaksi asetalisasi.
• Magnetisasi (MGO-PVA): Untuk mengatasi masalah pemulihan, nanopartikel magnetik Fe3O4 dimasukkan ke dalam matriks GO melalui kopresipitasi. Hal ini memungkinkan material untuk dipulihkan dengan mudah menggunakan medan magnet eksternal.
• Pembuatan Gel Bead: Larutan PVA-GA yang dimodifikasi dicampur dengan 1% natrium alginat dan strain mikroba spesifik (misalnya, bakteri pengoksidasi amonia), kemudian dihubungkan silang dalam larutan asam borat jenuh dan kalsium klorida.

3. Hasil dan Analisis Data

Melalui SEM, XRD, dan berbagai uji kinerja fisik, penelitian ini mencapai kesimpulan inti sebagai berikut:

Optimalisasi Pembengkakan: Titik Kritis 3%

Percobaan menunjukkan bahwa ketika fraksi massa GA adalah 3%, kadar air PVA yang dimodifikasi mencapai titik terendah (8,524%), dan derajat pembengkakan berkurang secara signifikan. Hal ini menunjukkan bahwa GA berhasil bereaksi dengan PVA, mengurangi jumlah radikal hidroksil hidrofilik dan meningkatkan stabilitas material dalam air.

Verifikasi Struktural: Magnetisasi Berhasil

Karakterisasi XRD menunjukkan puncak difraksi FexO yang tajam pada sekitar 2θ = 32,61°, yang mengkonfirmasi kristalinitas tinggi dari magnetit yang disintesis. Seiring peningkatan kandungan GO, puncak GO khas pada 2θ = 10,09° melemah, membuktikan bahwa GO terdispersi secara merata dan berhasil terintegrasi dengan PVA.

Kekuatan Mekanis dan Performa Pantulan

Dalam uji osilasi kecepatan tinggi pada 200 r/min, butiran gel dengan penambahan GO 0,3 wt% menunjukkan kinerja terbaik:

• Tingkat fragmentasi adalah 0%.
• Kisaran pantulan rata-rata mencapai 18–23 cm.

Hal ini menunjukkan bahwa rasio 0,3 wt% memungkinkan butiran gel untuk mengimbangi gaya geser dan kompresi hidrolik melalui elastisitasnya sendiri sambil mempertahankan kekerasan yang cukup untuk memberikan daya tahan.

4. Kinerja Transfer Massa: Memastikan Respirasi Mikroba

Untuk mikroorganisme yang diimobilisasi, kinerja transfer massa menentukan apakah nutrisi dapat dengan lancar masuk ke bagian dalam butiran. Pengujian menunjukkan bahwa butiran dengan 0,1 wt% dan 0,3 wt% GO mencapai kecepatan pembasahan tercepat (100%). Ini menunjukkan bahwa konsentrasi GO yang rendah membantu membentuk pori-pori yang berkembang, sehingga memastikan efisiensi transfer massa yang tinggi.

Penelitian ini tidak hanya menyediakan jalur baru untuk Polivinil Alkohol yang Dimodifikasi (PVA yang Dimodifikasi) tetapi juga secara langsung memenuhi kebutuhan lingkungan yang sangat penting untuk pengolahan air limbah nitrogen amonia konsentrasi tinggi.

Situs web: www.elephchem.com

WhatsApp: (+)86 13851435272

Email: admin@elephchem.com