GRAPHENE OXIDE: BAHAN BARU MEMBRAN

Gema Sukmawati S

Program Studi Biofisika, Sekolah Pascasarjana

Institut Pertanian Bogor

1. Pendahuluan

Secara tradisional membran diklasifikasikan menjadi dua macam, yaitu membran

polimerik dan membran inorganik. Kedua jenis membran memiliki kelebihan dan

kekurangan masing-masing. Membran inorganik terutama yang terbuat dari keramik dan

logam, tahan terhadap suhu yang tinggi dan memiliki struktur yang kuat. Sedangkan

membran polimerik memiliki selektivitas tinggi dan permeasi yang cepat, tetapi memiliki

resistansi terbatas terhadap suhu, pelarut, dan lingkungan yang korosif.

Sebagaimana fungsinya, membran inorganik memiliki selektivitas yang sangat

tinggi namun memiliki permeabilitas terbatas sehingga sering melewatkan sesuatu yang

tidak diharapkan. Membran silika berpori mikro yang termasuk ke dalam membran

inorganik banyak digunakan sebelumnya dalam aplikasi penyaringan molekul. Kontrol

yang tepat terhadap ukuran pori dalam skala sub-nanometer untuk filtrasi molekuler,

adalah isu yang belum sepenuhnya terselesaikan yang kemudian disortir hingga batas

tertentu dalam membran ziolit. Membran berbasis ziolit yang stabil pada suhu tinggi

memiliki sifat hidrofilik dan organofilik. Karena karakteristiknya tersebut, membran ziolit

dapat menyaring dengan sangat baik dalam skala molekuler namun memiliki pengaruh

terhadap beberapa hal seperti keasaman solid, kemampuan pertukaran ion, adsorpsi, dan

sifat katalis ziolit yang sering membatasi penggunaannya. Karakteristik ini mungkin

menguntungkan untuk beberapa aplikasi, namun ziolit tidak dapat digunakan untuk

membuat membran yang bersifat netral.

Penelitian mengenai teknologi membran berkembang sangat pesat dengan berbagai

aplikasi nyata seperti desalinasi dan penjernihan air. Para ilmuwan terus berusaha untuk

mengembangkan teknologi membran yang lebih efektif dalam biaya dan tepat dalam

penggunaannya. Walaupun membran sudah banyak digunakan dalam kehidupan, namun

akurasi, kemampuan, dan efektivitas biaya bervariasi tergantung pada jenis membrannya.

Hingga sekarang, sulit untuk membuat membran pada pipa skala atomik yang dapat secara

sempurna melewatkan “sesuatu” dari larutan berdasarkan ukuran molekuler dan ionik.

1

2. Membran Bahan Karbon

Pada dekade terakhir, membran CNT (Carbon Nano Tube) menarik perhatian besar

untuk kemungkinannya digunakan dalam aplikasi filtrasi. Studi yang berkaitan dengan

membran CNT telah banyak dilakukan terkait dengan hubungannya terhadap mekanisme

filtrasi. Namun selain proses yang begitu rumit, aplikasinya terbatas karena kesulitan

dalam pembuatan diameter inner pada skala atomik. Namun demikian, upaya sukses telah

dilakukan oleh Jirage dkk untuk mengembangkan nano tube emas dengan diameter inner

sekitar 0,6 nm. Tabel 1 di bawah ini merangkum beberapa aplikasi membran yang penting

selain bahan graphene.

Sejak penemuan graphene pada tahun 2004, bahan ini telah dimanfaatkan untuk

berbagai aplikasi dan telah menunjukkan sifat luar biasa dalam setiap aplikasi. Membran

graphene murni tanpa pori-pori sangat kedap karena susunan kisi atom karbon yang sangat

rapat.

3. Graphene dan Graphene Oxide

Graphene (dalam bahasa Indonesia: Grafena) berasal dari kata “graphite” yang

diberi akhiran “-ene”, diberi nama oleh Hanns Peter Boehm. Grafit sendiri terdiri dari

banyak lembaran graphene yang ditumpuk secara bersama. Pada tahun 2010 Andre Geim

dan Konstantin Novoselov mendapat hadiah Nobel di bidang kimia karena karyanya dalam

mengembangkan graphene 2 dimensi.

Graphene merupakan alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis di mana

setiap atom karbon memiliki ikatan sp2 dan dikemas rapat dalam bentuk kisi kristal seperti

sarang lebah. Graphene dapat dilihat sebagai sebuah jaring-jaring berskala atom yang

terdiri dari atom karbon beserta ikatannya.

2

Gambar 1. Struktur beberapa alotrop karbon

Ikatan C-C pada graphene adalah sekitar 1,42 Å, sedangkan luas permukaan spesifik satu lembar graphene adalah sekitar 2630 m2/g. Ray (2015) menyatakan

beberapa sifat potensial graphene adalah sebagai berikut: (1) modulus young tinggi ~1000 Gpa; (2) penghalang kelembaban efektif; (3) konduktivitas listrik mirip dengan tembaga; (4) kepadatan empat kali lebih rendah dari tembaga (5) konduktivitas termal lima kali lipat dari tembaga; (6) pada dasarnya sebuah CNT yang terbuka; luas permukaan tinggi; (7) kepadatan lebih rendah dari baja tetapi 50 kali lebih kuat dari baja.

Graphene menjadi sangat menarik untuk dikaji karena memiliki sifat kelistrikan,

termal, dan mekanik yang luar biasa. Selain itu, keunggulan graphene adalah dapat

memperbaiki sendiri lubang pada lembaran, ketika terkena molekul yang mengandung

karbon seperti hidrokarbon. Graphene adalah material terkuat yang pernah dikenal atau

diuji hingga saat ini. Namun, proses pemisahan graphene dari grafit masih memerlukan

pengembangan teknologi lainnya sebelum ia cukup ekonomis untuk digunakan pada proses

industri.

Telah diperhitungkan bahwa fragmen-fragmen kecil lembaran graphene dihasilkan

ketika grafit dikikis. Dengan mengoksidasi graphene secara kimiawi dan kemudian

merendamnya dalam air di bawah ultrasonikasi, lapisan-lapisan teroksidasi bisa terkelupas membentuk lembaran tunggal dengan ikatan sangat kuat, yang disebut

lembaran Graphene Oxide (GO). Jadi, GO adalah sebuah bahan lapisan tunggal atom yang terdiri dari karbon, hidrogen, dan molekul oksigen oleh oksidasi kristal grafit, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

3

Gambar 2. Modifikasi kimia umum dalam pengelupasan lembaran GO

Kemajuan tekhnologi hingga saat ini telah menunjukkan bahwa bahan berbasis

graphene dapat memiliki dampak besar pada perangkat elektronik dan optoelektronik,

sensor kimia, nanokomposit, dan penyimpanan energi. Aplikasi graphene dapat

dimanfaatkan dalam berbagai hal. Graphene dalam bidang sumber energi dimanfaatkan

menjadi sel surya dan super kapasitor baterai. Graphene sebagai film tipis TCO

(transparent conductive oxide) menjadi panel layar sentuh yang fleksibel. Graphene

sebagai semikonduktor menjadi transistor RFIC (Radio Frequency Integrated Circuits)

berkecepatan tinggi juga dimanfaatkan sebagai sensor. Graphene sebagai tinta dan perekat

menjadi tinta konduktif atau tinta layar EMI (electromagnetic interference). Kemudian

graphene sebagai pembatas, dimanfaatkan sebagai sensor kimia seperti pada pemurnian

air. Graphene sebagai penyebar panas, yaitu LED Lighting ECUPC. Graphene sebagai

komposit digunakan sebagai komponen pada pesawat terbang, mobil, dan kendaraan

lainnya.

Gambar 3. Bagan Aplikasi Graphene dan Graphene Oxide (GO)1

1 Ray, S.C. Application of Graphene and Graphene-Oxide based Nanomaterials. Elsevier Inc. 2005, hal. 6

4

4. Membran Graphene Oxide (GO)

4.1 Membran GO untuk Separasi Gas

Baru-baru ini GO telah muncul sebagai bahan membran yang sangat baik. Nair dkk

(2012) melaporkan membran berbasis GO untuk pertama kalinya. Penelitiannya

menunjukkan bahwa membran GO tidak melewatkan apapun kecuali uap air. Membran

GO melewatkan uap air dan menghalangi seutuhnya uap etanol dan molekul alkohol

lainnya. GO disintesis dengan menggunakan modifikasi metode Hummer yang kemudian

diultrasonikasi dan sentrifugasi dengan kuat, menghasilkan lembaran GO dengan ukuran

rata-rata 1 m. Prosedur pembuatan membran GO secara ringkas digambarkan oleh bagan

di bawah ini.

Gambar 4. Bagan Prosedur Pembuatan Membran GO

Untuk mengukur kemungkinan permeasi, dipasang pengukur berat yang hilang,

dibuat dari wadah berisi alkohol dan disegel dengan membran GO. Hasil penelitian

menunjukkan bahwa tidak ada perubahan nyata pada berat wadah ketika diisi oleh ethanol.

Tetapi terdapat pengurangan berat yang linear ketika wadah diisi dengan air.

Gambar 5. Skema ekperimen pengukuran permeasi pada GO; (b) Grafik hasil permeasi uap;

5

Kim dkk (2013) menunjukkan bahwa lembaran GO dapat digunakan untuk aplikasi

pemisahan gas. Kim menggunakan dua metode coating yang berbeda dalam menyiapkan

GO. Metode pertama, beberapa lapis membran GO disiapkan dengan menghubungkan

permukaan membran pada permukaan cairan pada larutan GO, diikuti dengan spin-coating.

Sedangkan metode kedua, membran tipis GO dipersiapkan dengan spin-casting larutan GO

pada permukaan membran. Membran GO berlapis berperilaku baik sebagai membran

nanoporous (metode pertama), begitupun dengan membran penyaring molekul dengan

metode susun (metode kedua).

Difusi selektif gas dapat dicapai dengan mengendalikan saluran aliran gas dan pori-

pori melalui metode penyusunan yang berbeda. Selektivitas CO2/N2 yang tinggi didapatkan

dengan saling-tautan yang baik antar membran GO. Selain itu, permeasi gas berkurang

seiring dengan peningkatan kelembaban aliran umpan (feed). Artinya molekul air yang

dipadatkan juga mempengaruhi transportasi gas. Dengan demikian, membran ini adalah

bahan yang menjanjikan untuk industri pemisahan CO2, berkaitan dengan rekayasa

petrokimia (pembersihan gas CO2 dari gas alam), lingkungan (penangkapan CO2 dari pipa

pembuangan gas), dan energi biomassa (pembaruan gas CO2 dari sampah)

Penelitian lain dilakukan oleh Li dkk (2013) yang mempelajari pemisahan hidrogen

menggunakan membran GO ultrathin. Skema penelitian Li menunjukkan hasil permeasi

sebagai fungsi diameter kinetik molekul gas dan ketebalan membran. Membran GO ultrathin dengan ketebalan mendekati 1,8 nm, dibuat dengan proses filtrasi yang mudah. Membran ini menunjukkan selektivitas pemisahan campuran H2/CO2 dan H2/N2, dua kali lipat lebih tinggi daripada membran microporous.

Gambar 6. Skema eksperimen yang digunakan oleh Li untuk mengukur permeasi

6

Gambar 7. Hasil Penelitian Li (2013)

4.2 Membran GO sebagai Saringan Ionik dan Molekuler dalam Larutan

Sun dkk (2013) melaporkan bahwa garam natrium dapat dilewatkan dengan bebas

pada membran, sedangkan garam-garam dari logam berat memerlukan waktu lebih lama

untuk melewatinya. Membran menghalangi garam tembaga dan kontaminan organik.

Kemampuan pemisahan pada membran GO diselidiki pada campuran larutan CuSO4 (0.1

mol/L) - NaCl (0.1 mol/L) dan NaCl (0.1 mol/L) - RhB (0.1 mg/mL). Tembaga sulfat

(CuSO4) dan kontaminan organik seperti Rhodamin B sepenuhnya terhalangi oleh

membran karena interaksinya yang kuat dengan membran GO. Nanocapillaries yang

terbentuk pada membran GO berperan terhadap permeasi ion logam, sedangkan interaksi

antara ion logam berat dengan membran GO menghalangi ion untuk lewat. Akhirnya

proses penetrasi larutan hibrida diseleksi, hasilnya memperlihatkan bahwa garam natrium

dapat dipisahkan secara efektif dari garam tembaga dan kontaminan organik. Hasil

penelitian yang disajikan menunjukkan potensi aplikasi GO di berbagai bidang seperti

pemisahan penghalang dan pemurnian air.

Gambar 8. Perubahan konduktivitas (sebagai parameter permeasi) terhadap waktu untuk beberapa garam

Hu dan Mi (2013) melaporkan prosedur baru untuk mensintesis tipe baru membran

pemisahan air menggunakan lembaran nano GO, sehingga air dapat mengalir melalui kanal

7

nano antara lapisan GO sementara zat terlarut yang tidak diinginkan ditolak karena ukuran

yang khusus dan efek muatan.

Joshi dkk (2014) mempelajari permeasi berbagai larutan dengan berbagai muatan

ion yang berbeda. Joshi menguji berbagai pelarut air dan pelarut bukan air untuk

mengetahui permeasi melalui membran GO. Hasil pengamatan memperlihatkan bahwa

hanya larutan berbasis air yang dapat melalui kanal membran GO. Molekul yang terlarut

dalam air dapat masuk dan bergerak melalui kapiler graphene jika ukuran ion atau molekul

terhidrasi tidak melebihi 4,5Å. Dalam metodologi penelitiannya, membran GO

dipindahkan ke dalam foil tembaga, terpaku dan disegel di tabung U dan dirancang seperti

pada Gambar 9. Beberapa larutan garam yang mengandung ion-ion dengan ukuran yang

berbeda diuji untuk memeriksa permeasi melalui membran GO sebagai fungsi dari ukuran.

Gambar 9. (a) Membran GO menutupi 1 cm bagian terbuka pada foil tembaga; (b) skema rancangan eksperimen; (c) permeasi melalui membran GO setebal 5 m dari kompartemen

feed dengan larutan MgCl2 0,2 M

Dalam penelitian lain, Musico dkk (2014) melaporkan kegunaan membran GO

yang dimodifikasi untuk menghilangkan dan inaktivasi bakteri. Modifikasi membran

sebagai antibakteri karena produksi ROS (reactive oxygen species) yang mampu merusak

sel bakteri dan menghambat aktivitas metabolismenya sehingga menghambat pertumbuhan

bakteri. Dari pengamatan ini, tampak jelas bahwa membran ini memiliki potensi besar

dalam pengolahan air limbah.

Gambar 10. Sifat antibakteri membran

8

Permukaan filter membran yang digunakan dimodifikasi oleh dispersi dari poly(N-

vinylcarbazole) (PVK), graphene (G), poly(N-vinylcarbazole)-graphene (PVK-G),

graphene oxide (GO), dan poly(Nvinylcarbazole)-graphene oxide (PVK-GO) untuk

memberikan sifat antibakteri. Investigasi dilakukan pada filter membran menggunakan

Escherichia coli dan Bacillus subtilis menunjukkan bahwa kehadiran nanomaterials

berbasis graphene secara signifikan meningkatkan sifat antibakteri dari filter membran.

Salah satu mekanisme untuk meningkatkan sifat antibakteri dari filter ini disebabkan

produksi oksigen reaktif oleh nanomaterial. Di antara nanomaterial yang digunakan dalam

penelitian ini, filter membran modifikasi-PVK-GO menujukkan penghilangan terbaik dari

B. subtilis dan E. coli.

5. Kesimpulan

Graphene merupakan alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis yang

dikemas rapat berbentuk kisi kristal seperti sarang lebah. Graphene dapat dilihat sebagai

sebuah jaring-jaring berskala atom yang terdiri dari atom karbon beserta ikatannya.

Graphene menjadi sangat menarik untuk dikaji karena memiliki sifat kelistrikan, termal,

dan mekanik yang luar biasa. Selain itu, keunggulan graphene adalah dapat memperbaiki

sendiri lubang pada lembaran, ketika terkena molekul yang mengandung karbon seperti

hidrokarbon. Graphene adalah material terkuat yang pernah dikenal atau diuji hingga saat

ini. Dengan mengoksidasi graphene secara kimiawi dan kemudian merendamnya dalam air

di bawah ultrasonikasi, lapisan-lapisan teroksidasi bisa terkelupas membentuk

lembaran tunggal dengan ikatan sangat kuat, yang disebut lembaran Graphene Oxide

(GO).

Sejak penemuan graphene pada tahun 2004, bahan ini telah dimanfaatkan untuk

berbagai aplikasi dan telah menunjukkan sifat luar biasa dalam setiap aplikasi. Kemajuan

teknologi hingga saat ini telah menunjukkan bahwa bahan berbasis graphene dapat

memiliki dampak besar pada perangkat elektronik dan optoelektronik, sensor kimia,

nanokomposit, dan penyimpanan energi.

Baru-baru ini GO telah muncul sebagai bahan membran yang sangat baik. Nair dkk

(2102) melaporkan membran berbasis GO untuk pertama kalinya. Penelitiannya

menunjukkan bahwa membran GO tidak melewatkan apapun kecuali uap air. Kim dkk

(2013) menunjukkan bahwa lembaran GO dapat digunakan untuk aplikasi pemisahan gas.

Berdasarkan penelitiannya, membran yang digunakan dapat menjadi bahan yang

9

menjanjikan untuk industri pemisahan CO2, berkaitan dengan rekayasa petrokimia

(pembersihan gas CO2 dari gas alam), lingkungan (penangkapan CO2 dari pipa

pembuangan gas), dan energi biomassa (pembaruan gas CO2 dari sampah). Penelitian lain

dilakukan oleh Li dkk (2013) yang mempelajari pemisahan hidrogen menggunakan

membran GO ultrathin.

Selain sebagai bahan untuk pemisahan gas, membran GO dapat digunakan pula

sebagai saringan ionik dan molekuler dalam larutan. Penelitian Sun dkk (2013)

memperlihatkan bahwa membran GO dapat memisahkan garam natrium dari garam logam

berat dan kontaminan organik. Penelitian lain dilakukan oleh Musico dkk (2014)

memperlihatkan bahwa membran GO yang dimodifikasi dapat menghilangkan dan

inaktivasi bakteri. Beberapa penelitian membran GO sebagai saringan ionik dan molekuler

menunjukkan potensi aplikasi GO di berbagai bidang seperti pemisahan penghalang

(barrier) dan pemurnian air.

6. Referensi(1) Joshi, R.K, S. Alwarappan, M. Yoshimura, V. Sahajwalla, Y. Nishina, Graphene

oxide: the new membrane material, Elsevier- Applied Materials Today 1 (2015) 1-12.(2) K.B. Jirage, J.C. Hulteen, C.R. Martin, nanotuble-based Molecular-filtration

Membranes, Science 278 (1997) 655–658.

(3) Ray, S.C. Application of Graphene and Graphene-Oxide based Nanomaterials. Elsevier Inc. (2005)

(4) R.R. Nair, H.A. Wu, N. Jayaram, I.V. Grigorieva, A.K. Geim, Unimpeded permeation of water through helium leak-tight graphene based membranes, Science 335 (2012) 442–444.

(5) H.W. Kim, H.W. Yoon, S.M. Yoon, B.M. Yoo, B.K. Ahn, Y.H. Cho, et al., Selective gas transport through few-layered graphene and graphene oxide membranes, Science 342 (2013) 91–95.

(6) H. Li, Z. Song, X. Zhang, Y. Huang, S. Li, Y. Mao, et al., Ultrathin molecular sieving graphene oxide membrane for selective hydrogen separation, Science 4 (2013) 95–98.

(7) P. Sun, M. Zhu, K. Wang, M. Zhong, J. Wei, D. Wu, et al., Selective ion penetration of graphene oxide membrane, ACS Nano 7 (2013)428–437.

(8) R.K. Joshi, P. Carbone, F.C. Wang, V.G. Kravets, Y. Su, I.V. Grigorieva, et al., Precise and Ultrafast molecular sieving through graphene oxide membrane, Science 343 (2014) 752–754.

(9) Y.L.F. Musico, C.M. Santos, M.L.P. Dalida, D.F. Rodrigues, Surface modificationof membrane filters using graphene and graphene oxide based nanomaterialsfor bacterial inactivation and removal, ACS Sustain. Chem. Eng. 2 (2014)1559–1565.

(10) https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene 1/36 (11) https://id.wikipedia.org/wiki/Grafena

10