Penghilangan Fenol dari Air Limbah Secara Berkelanjutan Menggunakan Hidrogel Biopolimer Kitosan dan κ-Karagenan
1. Pendahuluan
Air limbah industri yang mengandung fenol menjadi permasalahan lingkungan yang signifikan. Fenol memiliki batas maksimum yang diperbolehkan dalam air limbah hanya sekitar 0,5 mg/L (menurut WHO), karena konsentrasi lebih tinggi dapat menyebabkan kerusakan pada sistem saraf, hati, dan ginjal manusia serta mengganggu kehidupan organisme akuatik.
Metode konvensional seperti oksidasi kimia, koagulasi, atau penggunaan karbon aktif memiliki keterbatasan, terutama pada biaya operasional dan limbah sekunder yang dihasilkan. Oleh karena itu, pendekatan berbasis biomaterial terbarukan menjadi solusi yang menarik untuk mendukung pengolahan air limbah berkelanjutan.
Hidrogel biopolimer kitosan dan κ-karagenan menawarkan keunggulan seperti biodegradabilitas, kemampuan pembentukan film dan gel, serta gugus fungsional aktif (–NH₂ dan –SO₃⁻) yang dapat berinteraksi kuat dengan molekul fenol melalui ikatan hidrogen dan gaya elektrostatik.
2. Sifat dan Potensi Biopolimer Kitosan dan κ-Karagenan
2.1 Kitosan
Kitosan merupakan polisakarida alami hasil deasetilasi kitin yang banyak ditemukan pada cangkang udang dan kepiting. Struktur kitosan mengandung gugus amino primer (–NH₂) yang mudah berprotonasi dalam kondisi asam, sehingga efektif untuk mengadsorpsi senyawa bermuatan negatif atau senyawa polar seperti fenol.
Selain itu, kitosan bersifat biokompatibel, mudah dimodifikasi, dan dapat membentuk hidrogel stabil melalui ikatan silang (crosslinking) menggunakan agen seperti glutaraldehida atau natrium tripolifosfat (TPP).
2.2 κ-Karagenan
κ-Karagenan merupakan polisakarida sulfat yang diekstraksi dari rumput laut merah (Rhodophyceae). Gugus sulfat (–SO₃⁻) pada struktur molekulnya meningkatkan hidrofilisitas dan kemampuan pembentukan gel. Dalam kombinasi dengan kitosan, κ-karagenan berfungsi sebagai penstabil struktur hidrogel sekaligus meningkatkan kekuatan mekanik dan kapasitas adsorpsi.
3. Prinsip dan Mekanisme Penghilangan Fenol
Interaksi Hidrogen antara gugus –OH fenol dan gugus amino atau hidroksil pada biopolimer.
-
Gaya Van der Waals antara cincin aromatik fenol dan rantai polimer.
-
Interaksi Elektrostatik antara muatan positif kitosan dan muatan negatif gugus sulfat pada κ-karagenan yang memperkuat struktur jaringan hidrogel, meningkatkan kapasitas penyerapan.
-
Difusi Molekul Fenol ke dalam pori-pori hidrogel yang terdistribusi secara homogen.
Hidrogel hasil kombinasi ini mampu mengadsorpsi fenol dalam waktu kontak yang relatif singkat dengan efisiensi tinggi, serta dapat diregenerasi melalui pencucian menggunakan etanol atau larutan basa lemah.
4. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Efisiensi Adsorpsi
Efisiensi penghilangan fenol oleh hidrogel biopolimer dipengaruhi oleh berbagai faktor, antara lain:
-
pH Larutan: pH menentukan bentuk ionisasi fenol dan muatan permukaan hidrogel. Efisiensi optimal biasanya dicapai pada pH 5–7.
-
Konsentrasi Fenol Awal: Semakin tinggi konsentrasi fenol, semakin besar gradien konsentrasi yang mempercepat proses adsorpsi, hingga mencapai titik jenuh.
-
Rasio Kitosan–κ-Karagenan: Rasio yang seimbang menghasilkan struktur hidrogel stabil dengan keseimbangan antara kekuatan mekanik dan kapasitas serapan.
-
Waktu Kontak: Waktu yang lebih lama memungkinkan kesetimbangan antara fenol teradsorpsi dan fenol bebas tercapai.
-
Suhu dan Ukuran Pori Hidrogel: Suhu mempengaruhi mobilitas molekul, sedangkan ukuran pori menentukan kemampuan difusi fenol ke dalam matriks hidrogel.
5. Keberlanjutan dan Keunggulan Lingkungan
Penggunaan hidrogel kitosan/κ-karagenan selaras dengan konsep ekoteknologi dan ekonomi sirkular karena:
-
Bahan baku berasal dari sumber terbarukan (limbah cangkang udang dan rumput laut).
-
Biodegradable dan tidak menimbulkan limbah berbahaya setelah digunakan.
-
Dapat didaur ulang (regenerasi) melalui proses desorpsi ringan tanpa menurunkan efisiensi secara signifikan.
-
Memiliki biokompatibilitas tinggi, sehingga aman untuk diterapkan dalam sistem pengolahan air alami.
Dengan demikian, sistem ini mendukung tujuan Sustainable Development Goals (SDG) nomor 6: Clean Water and Sanitation, serta nomor 12: Responsible Consumption and Production.
6. Prospek Aplikasi dan Pengembangan
Beberapa penelitian menunjukkan efisiensi penghilangan fenol oleh hidrogel kitosan/κ-karagenan dapat mencapai lebih dari 85–95% pada kondisi optimal. Untuk aplikasi industri, hidrogel dapat dikombinasikan dalam bentuk komposit dengan karbon aktif, zeolit, atau nanopartikel magnetik, sehingga mempermudah pemisahan dan meningkatkan kapasitas adsorpsi.
Pengembangan masa depan difokuskan pada:
-
Desain hidrogel pintar (smart hydrogel) yang responsif terhadap pH atau cahaya.
-
Pemanfaatan limbah biomassa lokal sebagai sumber bahan baku kitosan dan karagenan.
-
Integrasi sistem adsorpsi–biodegradasi, untuk menghasilkan pengolahan limbah yang efisien dan nol limbah (zero-waste treatment).
7. Kesimpulan
Hidrogel biopolimer berbasis kitosan dan κ-karagenan merupakan material ramah lingkungan yang berpotensi besar dalam penghilangan fenol dari air limbah secara berkelanjutan. Kombinasi kedua biopolimer ini menghasilkan struktur berpori dengan luas permukaan tinggi, kemampuan adsorpsi kuat, dan stabilitas mekanik baik. Pendekatan ini tidak hanya efektif dari sisi teknis, tetapi juga mendukung konsep green technology dan pengelolaan limbah berkelanjutan.
