Potensi Pemanfaatan Serat Selulosa sebagai Material Bahan Baku dalam Sintesis Filter Udara Non-Woven sesuai Standar TAPPI T 205
Irwan Suriaman 1,a,* ,  Mardiyati 2 ,  Jooned Hendrarsakti 3 dan Ari Darmawan Pasek 4
1,2,3,4 Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, Institut Teknologi Bandung, Indonesia
a Jurusan Teknik Mesin, STT Wastukancana, Purwakarta, Indonesia
1.* irwan@stt-wastukancana.ac.id, 2 mardiyati@material.itb.ac.id, 3 jooned@ftmd.itb.ac.id, 4 aripasek@itb.ac.id,

## Abstract
Industry  4.0  era  materials  used  by  entrepreneurs  should  be  recycled,  environmentally  friendly,  renewable  with less  chemical  content.  Indonesia  as  a  tropical  country  has  a  large  land  area  with  the  potential  to  produce  the largest  natural  fiber  in  the  world.  One  opportunity  that  can  be  applied  to  the  utilization  of  natural  fibers  in  air filters  that  currently  use  dominant  materials  is  synthetic  fibers.  natural  fiber  has  the  advantage  because  it  does not  contain  toxic  chemicals,  local  raw  materials,  and  is  easily  produced.  This  research  will  analyze  the mechanical  and  morphological  characteristics  of  biological  fibers  that  have  great  potential  as  pre-filter  raw material. Analysis of mechanical properties through tensile strength testing for single fibers and morphological analysis through scanning electron microscopy (SEM). Tensile testing was the results are; palm oil has a tensile strength of 620 MPa; 998 MPa and 213 MPa flax coconut fiber. For the  morphological  test results  from  SEM analysis for  ramie  fiber, it looks solid  without fiber holes; The fibers appear to be many small  fibers  bound to one another while coir fibers have many pore holes in one observed fiber.
Kata kunci : Filter udara, serat hayati, serat sintetik, kekuatan tarik dan morpologi.

## 1. Pendahuluan
Pertumbuhan  ekonomi  dan  jumlah  penduduk akan  berefek  pada  peningkatan  polusi  udara  luar ruangan ( ambient ). Data dari Kementerian Lingkungan  Hidup,  2017  polusi  udara  dari  sektor transportasi  sekitar  70%  dan  industri  20%  (Wang, 2016). Polusi udara terdiri dari gas (CO 2 , SOx, NOx) dan  partikel  padat  (PM 10 dan  PM 2,5 ).  Peningkatan jumlah  polusi  udara ambient akan  terjadi  depresiasi kualitas udara dalam ruangan. Hal ini akan destruktif terhadap  kesehatan  dan  produktifitas  manusia (Fazlzadeh, 2015 dan Chen, 2015).
Derajat  depresiasi  kualitas  udara  dalam ruangan  dapat  dicegah  secara  mekanik  dan konvensional  (McGill,  2015).  Metode  mekanik melalui sistem filtrasi menggunakan air conditioning (AC) atau purifier , sedangkan mekanisme konvensional  dengan  menempatkan  beberapa  jenis tanaman  yang  dapat  mengabsorpsi  polutan  yang terdapat dalam ruangan (Bennett, 2014). Implementasi sistem mekanik menggunakan peralatan  dengan  memerlukan  sumber  energi  dalam operasional,  metode  konvensional  tidak  demikian. Untuk  hasil  dan  kecepatan  peningkatan  indeks kualiats udara dalam ruangan metode mekanik lebih efektif  dibandingkan  dengan  metode  konvensional, hal ini  karena  metode  mekanik  kelajuan udara  yang melewati  sistem  filtrasi  lebih  cepat  dengan  volume yang  lebih  banyak.  Namun  dengan  metode
konvensional  terjadi  depresiasi  jumlah  polutan melalui  penyerapan  pada  bagian stomata tumbuhan akibat efek gravitasi dan massa partikel (Allen, 2009 dan Syafri, 2018).
Material filter pada sistem filtrasi udara sebagai mekanisme  yang  paling  efektif,  masih  didominasi bahan  polimer  sintetik  dari  residu  minyak  bumi. Polimer  merupakan  material  yang  memiliki  gugus fungsi  yang  berulang  secara  teratur,  dipengaruhi oleh  derajat  polimerisasi  (Pickering,  2005  dan Rameh,  2017).  Bahan  baku  polimer  sintetik  banyak mengandung  bahan  kimia  beracun,  tidak  mudah diproduksi dan pemicu penyakit kanker (Bao, 2016). Oleh  karena  itu  ada  potensi  untuk  mengganti material ini dari serat hayati yang banyak diproduksi di Indonesia.
Serat  hayati  merupakan  polimer  yang  salah satunya  berasal  dari  bahan  selulosa  yang  mudah diproduksi serta berbahan baku lokal. Pada riset kali ini akan dianalisis sifat mekanik dan morpologi dari serat hayati yang menjadi faktor penting pertimbangan  dalam  pemilihan  material  pra  filter udara  untuk  digunakan  pada  sistem  filtrasi  pada air conditioning (AC)  agar indeks kualitas udara dalam ruangan  dapat  meningkat.  Hal  ini  akan  berefek positif bagi kesehatan hidup manusia.

## 2. Bahan dan Metode
Serat  hayati  yang  diujikan  berasal  dari  tiga jenis  tanaman  pada Gambar  1 yaitu:  ijuk  ( Arenga pinnata ),  rami  ( Beohmeria  nivea) dan  sabut  kelapa ( Cocos  nucifera ),  serat  ini  berasal  dari  Kabupaten Garut,  Jawa  Barat,  Indonesia.  Serat  ini  diperoleh melalui  dekortikasi  dari  bulu  batang  (ijuk),  kulit batang (rami) dan kulit buah (sabut kelapa).
Serat  terdiri  dari  bahan  baku  seperti  tampak pada Gambar  2 tanpa  perlakuan  dan  perlakuan alkali 3% menggunakan natrium hidroksida (NaOH) pada  suhu  kamar,  selama  6  jam.  Serat  kemudian dikeringkan secara alami dengan menggunakan sinar matahari sampai kadar air sekitar 10%.
Sifat  mekanik  diperoleh  melalui  pengujian kekuatan  tarik  ( tensile  strength )  untuk  serat  tunggal dengan  menggunakan  mesin textechno  favigraph yang dilakukan di BBTB, Jawa Barat, sesuai standar ASTM  3822.    Serat  yang  diujikan  pada  rentang diameter  0.15-1.15  mm.  Pengujian  dilakukan  pada gauge  length 5  mm  dengan test  speed 20  mm/min pada  kondisi  suhu  kamar  sekitar  temperature ruangan sekitar 26 ⁰ C dengan RH 56.
Uji  morpologi  dilakukan  melalui  analisis scanning  electron  microscopic (SEM)  dengan  jenis JEOL  JSM-6510,  dilakukan  di  Balai  Besar  Tekstil Bandung, Jawa Barat. Setiap sampel terlebih dahulu dipotong  kecil-kecil  dengan  ukuran  sekitar  1  cm, kemudian  ditempatkan  pada  pelat  aluminium  untuk diberikan  lapisan  emas  (Au)  agar  sampel  yang diujikan dapat bermuatan dengan alat sputter coater JEOL JEC-3000FC.
Material pra filter udara diproduksi dari bahan baku  serat  hayati  yang  digunakan  sesuai  standar Technical  Association  of  the  Pulp  and  Paper Industry (TAPPI)  T-200  dan  T-205  diproduksi  di laboratorium Kertas dan pulp ITSB, Cikarang, Jawa Barat.  Lalu  uji  performa  untuk  material  pra  filter udara  sesuai  standar  ASHRAE  52.2  untuk  sistem filtrasi  pada  partikel  PM  2,5  µm,  dilakukan  di laboratorium fisika, ITB.

## 3.  Hasil dan Pembahasan
Hasil  uji  kekuatan  tarik  serat  hayati  seperti tampak  pada  Gambar.  3  menunjukkan  peningkatan secara  signifikan  setelah  diberikan  perlakuan  alkali, ijuk sebelum alkali 435 MPa menjadi 620 MPa, rami sebelum alkali 812 MPa menjadi 998 MPa dan sabut kelapa  sebelum  alkali  127  MPa  menjadi  213  MPa. Hal  ini  karena  dengan  perlakuan  NaOH  terjadi ikatan  hidroksil  antar  elemen  serat  hayati  baik  gum dan unsur lignin dengan natrium  hidrosida (NaOH), lalu  terlarut  dalam  air  sehingga  unsur  selulosa dominan (Rowell, 2000).
Kenaikan  kekuatan  tarik  yang  terjadi  setelah diberikan  perlakuan  alkali  serat  ijuk  sekitar  41%, rami  44%  dan  sabut  kelapa  37%.  Terjadinya  proses alkalisasi  menyebabkan  depresiasi  kandungan  gum dan  lignin,  sehingga  kandungan  selulosa  lebih banyak,  hal  ini  menyebabkan  ikatan  struktur  pada serat  menjadi  lebih  teratur  yang  berefek  pada  sifat kekuatan serat tarik meningkat (Taalah, 2014).
Hasil uji SEM yang telah dilakukan untuk serat hayati  tampak  pada  Gambar.  4  yang  menunjukkan adanya  perbedaan  tanpa  perlakuan  lebih  banyak kandungan  gum  dan  lignin  dibandingkan  setelah perlakuan  alkali  (NaOH).  Serat  ijuk  tampak microfibril terikat kuat satu sama lain tanpa ada pori Gambar  4 ,  rami  memiliki  serat  lebih  padat  dan kokoh  sedangkan serat sabut kelapa tampak banyak terdapat  pori-pori  kecil  pada microfibril dengan kekuatan  yang  kurang  padat  antar  serat    dengan ikatan  yang terjadi satu sama lain (Shahinur, 2017).
0 200 400 600 800 1000 1200 Ijuk Rami Sabut Kelapa K e ku atan t ar ik (M Pa) Serat hayati Tanpa Perlakuan Perlakuan NaOH A Gambar 1 Tanaman bahan baku serat hayati: (A) ijuk;
(B) rami; (C) sabut kelapa.
B C Gambar 2 Bahan baku serat hayati: (A) ijuk; (B) rami; (C) sabut kelapa. A B C
Gambar 3 Kekuatan tarik serat hayati; ijuk, rami dan sabut kelapa untuk kondisi tanpa perlakuan dan perlakuan alkali (NaOH)
Tanpa Perlakuan                                                           Perlakuan Alkali (NaOH) D A E B F C
Gambar 4 Morpologi serat hayati dari hasil SEM sebelah kiri tanpa perlakuan: (A) ijuk; (B) rami dan (C) sabut dan sebelah kanan dengan perlakuan alkali (NaOH): (D) ijuk; (E) rami dan (F) sabut kelapa.
Material filter udara telah diproduksi dari serat hayati berdasarkan standar TAPPI T-200 dan T-205. Tampak pada Gambar 5 proses pembuatan material filter  yang  dimulai  dengan  mesin  beater  (T-200) ditunjukkan Gambar  5(A) lalu  dicetak  dengan mesin handsheet (T-205)  tampak  pada Gambar 5(B) . Serat hayati yang digunakan adalah serat rami perlakuan alkali 3%, dengan pertimbangan memiliki kekuatan  tarik  terbaik  diantara  tiga  serat  yang diujikan,  selain  itu  tampilan  morpologi  serat  lebih padat dan kokoh (Angelini, 2013 dan Song, 2018).
Materil  filter  udara  yang  sudah  diproduksi tampak  pada Gambar  6 kemudian  telah  diujikan performanya  sesuai  dengan  standar  ASHRAE  52.2. Untuk  variabel  penurunan  tekanan  ( pressure  drop ) dan efisiensi filter udara. Penurunan tekanan tampak pada Gambar  7 tampak  dari  grafik  pada  gramatur yang  berbeda  30,  35  dan  40  g/m 2 cederung meningkat  sebanding  dengan  peningkatan  nilai gramatur dari filter udara.
Hasil  pengujian  untuk  efisiensi  filter  udara ditunjukan  pada Gambar  8 ,  dengan  peningkatan gramatur  dari  filter  udara,  maka  efisiensi  juga  akan semakin  meningkat.  Hal  ini  karena  kerapatan  dari material  filter  semakin  baik,  namun  penurunan tekanan yang terjadi juga semakin besar akibat pori- pori semakin mengecil (Bennet, 2014).
0 100 200 300 400 500 600 1.11.62.33.03.74.34.8 Pr es u u re Dr o p (Pa) Face velocity (cm/s) 30 gsm 35 gsm 40 gsm 58.60 61.89 62.55 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 30 35 40 Ef isi en si f ilte r (% ) Filter udara, gramatur (g/m²)
Gambar 5 Teknologi mesin produksi material filter udara sesuai standar TAPPI: (A) mesin beater (B)
mesin handshett . A B Gambar 7 Penurunan tekanan untuk material filter berbahan serat hayati untuk gramatur 30, 35 dan 40 g/m ² .
Gambar 6 Material filter udara yang diproduksi sesuai standar TAPPI, berbahan serat rami dengan perlakuan alkali 3%.

## 4. Kesimpulan dan Saran
Serat  hayati  berdasarkan  hasil  data  pengujian sifat  mekanik  dan  morpologi  diperoleh  bahwa, polimer  hayati  sangat  potensial  untuk  dijadikan material  pra  filter  udara.  Alasan  lain  adalah potensinya  untuk  menggantikan  material  saat  ini yang  berasal  dari  polimer  sintetik  karena  sintetik memiliki  kekurangan  terutama  berbahaya  bagi kesehatan.
Hasil  uji  kekuatan  tarik  tertinggi  adalah  serat rami  setelah  diberikan  alkali  3%  sekitar  998  MPa yang  didukung  dengan  hasil  uji  morpologi  tampak bahwa  serat  rami  lebih  padat  ikatan  antar  elemen dan  tidak  memiliki  pori-pori  microfibril.  Selain  itu hasil  uji  performa  filter  dari  serat  hayati  mampu menyaring  partikel  udara  untuk  ukuran  PM  2,5  µm walaupun  masih  memiliki  kekurangan  karena memiliki pressure drop yang tinggi.
Pada  riset  ini  penulis  menyarankan  untuk memberikan  perhatian  yang  serius  dari  seluruh pihak,  baik  institusi  pendidikan,  pemerintah  serta industri  terkait  kelayakan  polimer  hayati  untuk digunakan  sebagai  pengganti  pada  material  filter udara,  dengan  melakukan  penelitian  agar  kualitas filter  udara  betul-betul  siap  untuk  memasuki  pasar konsumen  karena  memiliki  banyak  keunggulan dibandingkan polimer sintetik yang saat ini dominan digunakan di dunia air conditioning (AC).

## 5. Ucapan Terima kasih
Pada  kesempatan  ini  ucapan  terima  kasih  dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada Kementerian  Riset  dan  Teknologi  melalui  program Beasiswa  Unggulan  Dosen  Indonesia  Dalam  Negeri (BUDI-DN)  yang  bekerja  sama  dengan  Lembaga Pengelola  Dana  Pendidikan  (LPDP)  yang  telah memberikan beasiswa selama menempuh pendidikan  program  Doktor  di  Institut  Teknologi Bandung (ITB). Rektor ITSB yang telah memberikan  kesempatan  untuk  melakukan  riset  di laboratorium kertas dan pulp .

## Daftar Pustaka:
Allen, R. W., Leckie, S., Millar, G., dan Brauer, M.  (2009).  The  impact  of  lwood  stove  technology upgrades on indoor residential air quality. Atmospheric Environment , (43) 37 , 5908–5915. Angelini, L. G., dan Tavarini, S. (2013). Ramie (Boehmeria  nivea  Gaud.)  as  a  potential  new  fibre crop  for  the  Mediterranean  region:  Growth,  crop yield  and  fibre  quality  in  a  long-term  field experiment  in  Central  Italy. Industrial  Crops  & Products , 51 , 138–144.
Bao, T., Chen, T., Wille, M. L., Ahmadi, N. E., Rathnayake,  S.  I.,  Chen,  D.,  dan  Frost,  R.  (2016). Synthesis, application and evaluation of non-sintered zeolite  porous  filter  (ZPF)  as  novel  filter  media  in
biological  aerated  filters  (BAFs). Journal  of Environmental  Chemical  Engineering , (4) 3 ,  3374– 3384.
Bennett,  A.  (2014).  Industrial  air  filtration: Innovations  in  air  filtration  technology. Filtration and Separation , 51 (4), 30–35. Chen,  C.  H.,  Chan,  C.  C.,  Chen,  B.  Y.,  Cheng, T. J., dan Leon Guo, Y. (2015). Effects of particulate air  pollution  and  ozone  on  lung  function  in  non- asthmatic  children. Environmental  Research , 137 , 40–48.
Fazlzadeh,  M.,  Rostami,  R.,  Hazrati,  S.,  dan Rastgu,  A.  (2015).  Concentrations  of  carbon monoxide  in  indoor  and  outdoor  air  of  Ghalyun cafes. Atmospheric  Pollution  Research , (6) 4 ,  550– 555. McGill,  G.,  Oyedele,  L.  O.,  dan  McAllister,  K.
(2015). Case study investigation of indoor air quality in  mechanically  ventilated  and  naturally  ventilated UK  social  housing. International  Journal  of Sustainable Built Environment , (4) 1 , 58–77.
Pickering,  K.  L.,  Efendy,  M.  G.  A.,  dan  Le,  T. M.  (2015).  A  review  of  recent  developments  in natural  fibre  composites  and  their  mechanical performance. Composites  Part  A:  Applied  Science and Manufacturing , 83 , 98–112.
Ramesh, M., Palanikumar, K., dan Reddy, K. H.
(2017). Plant fibre based bio-composites: Sustainable and renewable green materials. Renewable  and  Sustainable  Energy  Reviews ,
79 (April 2016), 558–584.
Rowell,  R.  M.,  Han,  J.  S.,  dan  Rowell,  J.  S. (2000). Characterization and Factors Effecting Fiber Properties. Natural Polymers an Agrofibers Composites , 115–134 .
Shahinur,  S.,  dan  Sharif,  A.  M.  M.  (2017). Quantifying  the  uncertainty  associated  with  the material  properties  of  a  natural  fiber. Procedia CIRP , 61 , 541–546.
Song,  Y.,  dkk.  (2018).  Industrial  Crops  & Products Short communication A  green degumming process  of  ramie. Industrial  Crops  &  Products , 120 (308), 131–134.
Syafri, E., Kasim, A., Abral, H., Tj, G., Sanjay, M. R.,  dan Herlina, N. (2018). International Journal of  Biological  Macromolecules  Synthesis  and characterization  of  cellulose  nano  fi  bers  (CNF) ramie  reinforced  cassava  starch  hybrid  composites. International Journal of Biological Macromolecules , 120 , 578–586.
Taalah  B.,  Guettala  A.,  Guetala  S.,  dan  Kriker
A., (2014), “Mechanical properties and hygroscopicity  behavior  of  compressed  earth  block filled  by  date  palm  fibers”.  Conbuildmat,  pp.  161– 168.
Wang, I. J., Tung, T. H., Tang, C. S., dan  Zhao, Z.  H.  (2016).  Allergens,  air  pollutants,  and childhood allergic diseases. International Journal of Hygiene  and  Environmental  Health , 219 ( 1 ),  66–71- 679.