Fabrikasi dan karakterisasi membran nilon dari benang integrated gelatin-hematit dengan metode Inversi Fasa

ABSTRAK:

Multidimensi terhadap krisis lingkungan semakin memburuk akibat peningkatan konsumsi tekstil yang diproyeksi naik 63% pada tahun 2030 dan menyumbang sekitar 20% limbah global. Penelitian ini bertujuan memfabrikasi membran melalui metode Non-Solvent Induced Phase Separation (NIPS) menggunakan limbah benang nilon dengan pelarut HCl 22,5%. Tiga variasi fabrikasi yaitu membran nilon (MN), membran nilon-hematit (MNH), dan membran nilon-gelatin-hematit (MNGH). Modifikasi dilakukan dengan penambahan gelatin untuk meningkatkan biodegradabilitas dan hematit untuk kinerja katalitik. Karakterisasi menggunakan SEM menunjukkan struktur pori asimetris dengan morfologi sponge-like tanpa makrovoid pada MN dan MNH. Namun, pada MNGH ditemukan makrovoid sferis akibat penambahan gelatin yang mempercepat proses demixing selama inversi fasa. Rata-rata ukuran pori masing-masing adalah 5,102 µm (MN), 4,987 µm (MNH), dan 3,015 µm (MNGH), sehingga seluruh membran termasuk kategori mikrofiltrasi. Ketebalan membran yang dihasilkan pada rentang antara 0,1 mm hingga 0,3 mm. Analisis XRD menunjukkan MN memiliki struktur dominan amorf, sementara penambahan hematit (α-Fe₂O₃) meningkatkan intensitas difraksi. Kombinasi dengan gelatin pada MNGH menghasilkan sifat kristalin dengan puncak tambahan pada 2θ (15,84°). Spektrum FTIR menunjukkan gugus fungsi poliamida (N–H dan C=O) serta keberadaan pita Fe–O pada 680 cm⁻¹ dan 576 cm⁻¹. MNGH terjadi interaksi ikatan hidrogen yang kuat antara nilon, gelatin, dan hematit. Penelitian ini membuktikan bahwa penambahan gelatin dan hematit berpengaruh terhadap struktur pori dan karakter kimia membran komposit berbasis nilon limbah.

ABSTRACT:

Multidimensional aspects of the environmental crisis are worsening due to the increase in textile consumption, which is projected to rise by 63% by 2030 and contributes approximately 20% of global waste. This research aims to fabricate membranes through the Non-Solvent Induced Phase Separation (NIPS) method using nylon yarn waste with 22,5% hydrochloric acid (HCl) as a solvent. Three fabrication variations were developed nylon membrane (MN), nylon–hematite membrane (MNH), and nylon–gelatin–hematite membrane (MNGH). Modifications were performed by adding gelatin to enhance biodegradability and hematite (α-Fe2O3) to improve catalytic performance. Characterization using SEM demonstrated an asymmetric pore structure with a sponge-like morphology and no macrovoids in MN and MNH. However, spherical macrovoids were observed in MNGH due to the addition of gelatin, which accelerated the demixing process during phase inversion. The average pore sizes were 5,102 µm for MN, 4,987 µm for MNH, and 3,015 µm for MNGH, respectively, classifying all membranes within the microfiltration category. The resulting membrane thickness ranged from 0,1 mm to 0,3 mm. XRD analysis indicated that MN possesses a predominantly amorphous structure, while the addition of hematite (α-Fe2O3) increased the diffraction intensity. The combination with gelatin in MNGH resulted in crystalline properties with an additional peak at a 2-θ value of 15,84 degrees. FTIR spectra revealed polyamide functional groups, including N–H and C=O bonds, as well as the presence of Fe–O bands at wavenumbers of 680 inverse centimeters (cm⁻¹) and 576 inverse centimeters (cm⁻¹). In MNGH, strong hydrogen bonding interactions occurred between nylon, gelatin, and hematite. This study demonstrates that the addition of gelatin and hematite significantly influences the pore structure and chemical characteristics of waste nylon-based composite membranes.

مستخلص البحث:

تتفاقم الأبعاد المتعددة للأزمة البيئية نتيجة لزيادة استهلاك المنسوجات، والذي من المتوقع أن يرتفع بنسبة ٦٣٪ بحلول عام ٢٠٣٠، حيث يساهم بنحو ٢٠٪ من النفايات العالمية. تهدف هذه الدراسة إلى تصنيع أغشية باستخدام طريقة انفصال الطور المستحث باللا-مذيب (NIPS) اعتمادًا على نفايات خيوط النايلون، مع استخدام حمض الهيدروكلوريك بتركيز ٢٢,٥٪ كمذيب. تم تطوير ثلاثة أنواع من الأغشية، وهي: غشاء النايلون (MN)، وغشاء النايلون–هيماتيت (MNH)، وغشاء النايلون–جيلاتين–هيماتيت (MNGH). أُجريت التعديلات من خلال إضافة الجيلاتين لتعزيز القابلية للتحلل الحيوي، وإضافة الهيماتيت لتحسين الأداء التحفيزي. أظهرت نتائج التوصيف باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بنية مسامية غير متماثلة مع مورفولوجيا شبيهة بالإسفنج، دون وجود فراغات كبيرة في غشائي MN وMNH. ومع ذلك، لوحظت فراغات كروية كبيرة في غشاء MNGH نتيجة إضافة الجيلاتين، التي أدت إلى تسريع عملية انفصال الخليط أثناء عملية عكس الطور. بلغ متوسط حجم المسام ٥,١٠٢ ميكرومتر لغشاء MN، و٤,٩٨٧ ميكرومتر لغشاء MNH، و٣,٠١٥ ميكرومتر لغشاء MNGH على التوالي، مما يصنف جميع الأغشية ضمن فئة الترشيح الدقيق. وتراوح سمك الأغشية الناتجة بين ٠,١ ملم و٠,٣ ملم.أشار تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) إلى أن غشاء MN يمتلك بنية غير متبلورة سائدة، في حين أدت إضافة الهيماتيت من نوع ألفا-أكسيد الحديد الثلاثي (α-Fe2O3) إلى زيادة شدة قمم الحيود. كما أدى دمج الجيلاتين في غشاء MNGH إلى ظهور خصائص شبه بلورية مع قمة إضافية عند زاوية ٢-ثيتا تساوي ١٥,٨٤ درجة. كشف تحليل مطيافية الأشعة تحت الحمراء (FTIR) عن وجود المجموعات الوظيفية للبولي أميد، مثل روابط N-H وC=O، بالإضافة إلى ظهور نطاقات Fe-O عند أعداد موجية مقدارها ٦٨٠ و٥٧٦ سنتيمتر عكسي. وفي غشاء MNGH، لوحظت تفاعلات روابط هيدروجينية قوية بين النايلون والجيلاتين والهيماتيت. تثبت هذه الدراسة أن إضافة الجيلاتين والهيماتيت تؤثر بشكل ملحوظ على بنية المسام والخصائص الكيميائية للأغشية المركبة المصنّعة من نفايات النايلون