Judul: Design of Slow-Release Urea Fertilizer Composite Matrix with the Addition of Cellulose Nanofiber (CNF)
Abstrak: Sekitar 200 juta ton pupuk urea di seluruh dunia digunakan untuk memenuhi permintaan global. Namun, urea yang diaplikasikan ke tanah hilang ke lingkungan karena efisiensi yang buruk sehingga membatasi hasil panen, produksi emisi gas berbahaya, dan eutrofikasi air. Sinkronisasi pelepasan hara dan kebutuhan fisiologis tanaman dapat dicapai melalui penggunaan pupuk dengan karakteristik pelepasan terkendali/lambat (SRF) sehingga menyediakan nutrisi sesuai dengan kebutuhan metabolisme tanaman. Pupuk berdasarkan lapisan biopolimer tandan kosong kelapa sawit (TKKS) sebagai sumber lignoselulosa dipilih karena ketersediaan melimpah, mengurangi emisi lingkungan, biodegradable, dan terbarukan. Perubahan ukuran serat menjadi skala nanometer mampu meningkatkan interaksi pengikatan nitrogen serta perubahan sifat fisikokimia komposit akibat besarnya luas permukaan. Selain itu, pertumbuhan tanaman menghasilkan sekitar 150 miliar ton lignin setiap tahunnya dan telah menunjukkan potensinya dalam aplikasi SRF/CRF melalui sejumlah teknologi proses. Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan prototype atau rancangan matriks pupuk urea laju lepas lambat berbasiskan nanofiber selulosa (CNF) dan turunan lignin serta mempelajari faktor-faktor yang mempengaruhi kinetika pelepasannya. Rancangan ini diharapkan mampu mengikat nitrogen dalam jumlah yang tinggi dengan metode sederhana. TKKS (<5 mm) didelignifikasi menggunakan NaOH 10% (b/v) (T=95-100 oC, 1 jam) dan dilanjutkan dengan proses pemutihan menggunakan H2O2 30% (v/v) (T=95-100 oC; 1,5 jam). Serat netral dikarakterisasi menggunakan field emission scanning electron microscope (FE-SEM), fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), x-ray diffraction (XRD), serta analisa komposisi kimia. Suspensi 1% (b/v) selulosa putih dikecilkan ukurannya secara mekanik menggunakan supergrinder dan ultrasonikator untuk menghasilkan CNF yang dikarakterisasi dengan FE-SEM dan XRD. Sementara itu, Na-lignosulfonat dikarakterisasi berdasarkan analisa FE-SEM, FTIR, dan XRD. Komposit SRF disintesis dengan menjerap urea dalam matriks selulosa/nanofiber selulosa (CNF) dan Na-lignosulfonat yang diikat silang dalam matriks alginat dan CaCl2. Suspensi CNF, Na-lignosulfonat, dan alginat didispersikan dalam 100 ml akuades secara bertahap pada 90 oC, 600 rpm, dan 60 menit. Urea ditambahkan ketika suhu mengalami penurunan di sekitar 35-40 oC. Selanjutnya, suspensi diikat silang dalam larutan CaCl2 5% (b/v) yang disertai dengan pengadukan magnetik. Granula kering dikarakterisasi dan diuji berdasarkan analisa FE-SEM, FTIR, XRD, kapasitas pembengkakan, rasio penahanan air tanah, dan uji release nitrogen di tanah. Kinetika pelepasan nitrogen ditentukan berdasarkan pendekatan model zero order, first order, second order, higuchi matrix, dan korsmeyer-peppas. Proses delignifikasi dan bleaching mampu menurunkan kadar hemiselulosa menjadi 2,37% kadar lignin menjadi 1,84%, serta meningkatkan kadar selulosa hingga 80,88%. Struktur morfologi menunjukkan bahwa proses delignifikasi dan bleaching mampu mengurangi bundel yang diikat bersama komponen lignin dan hemiselulosa. CNF berhasil diisolasi secara mekanik dengan diameter rata-rata 38,08 ± 13,76 nm dengan sebaran dominan pada 30-40 nm. Sementara itu, morfologi Na-lignosulfonat berbentuk bulatan dengan diameter yang bervariasi. Perlakuan delignifikasi dan bleaching mampu meningkatkan tingkat kristalinitas serat dari 24,41% menjadi 58,40%. Perlakuan mekanik tampaknya tidak meningkatkan indeks kristalinitas CNF. Indeks kristalinitas CNF ditemukan sekitar 56,0% lebih tinggi dibandingkan Na-Lignosulfonat (40,04%). Analisa FTIR menunjukkan bahwa terjadi perubahan dan kemunculan puncak pada bilangan gelombang akibat perlakuan delignifikasi dan bleaching yang menghilangkan komponen amorf. Pada komposit SRF, matriks komposit menjerap nitrogen dalam kadar 12,9% hingga 20%. Selulosa menghasilkan struktur granula yang lebih besar dibandingkan dengan penambahan CNF dan Na-lignosulfonat. Pengamatan FE-SEM menunjukkan bahwa masing-masing bahan baku terdispersi secara merata dan mempunyai struktur berpori. Komposisi bahan baku
Keyword: Biodegradable, Komposit, Lignosulfonat, Nanofiber selulosa, Pupuk Laju Lepas Lambat/Terkontrol