Fuel Cell Limbah

download Fuel Cell Limbah

of 45

Transcript of Fuel Cell Limbah

LAPORAN LOMBA KARYA ILMIAH MAHASISWA ITB BIDANG ENERGI PENGHARGAAN PT REKAYASA INDUSTRI

PEMBUATAN MEMBRAN FUEL CELL DARI LIMBAH PLASTIK LDPE (LOW DENSITY POLY-ETHYLENE)

Oleh: Ketua: Emir Jamal R (10501019) Anggota: Meta Widiastri Ristny Fitri Awaliyyah Mukti Wahyuningjati Erma Maryana (10503015) (10503033) (10503060) (10503064)

Kerjasama ITB dengan PT REKAYASA INDUSTRI 2007

LEMBAR PENGESAHAN

Judul Penelitian Himpunan Mahasiswa Bidang Penelitian Ketua Pelaksana Penelitian Nama Lengkap NIM Prodi/Fakultas Alamat dan No Telp E-mail Anggota Pelaksana Penelitian Biaya Penelitian yang diusulkan Jangka Waktu Pelaksanaan

: Pembuatan Membran Fuel Cell dari Sampah Plastik LDPE (Low Density Poly-Ethylene) : HMK Amisca : Energi Fuel Cell : Emir Jamal R : 10501019 : Kimia/FMIPA : G. Mentor I no.8 Komp Sukaraja II Bandung 40175, Telp (022)70264030 : [email protected] : 4 orang : Rp. 4.878.900,00 : 8 Bulan Bandung, 21 November 2007

Waktu untuk Kegiatan Penelitian : 6 jam/minggu Pembimbing, Ketua Pelaksana Penelitian,

Dr. M..Bachri.Amran NIP 131 690 332

Emir Jamal R NIM 10501019 Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu

Ketua Program Studi Kimia,

Pengetahuan Alam,

Dr. Bunbun Bundjali NIP 130 890 924

Akhmaloka, Ph. D. NIP 131 690 330 2

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN............................................................................................2 1 Membran Fuel Cell dari Sampah Plastik: Investasi yang Menjanjikan ..................8 1.1 1.2 1.3 2 Bahan Bakar Fosil Akan Habis dalam 18 Tahun...........................................8 Fuel Cell: Sumber Energi Masa Depan .........................................................8 Membran Fuel Cell dari Sampah Plastik .......................................................9

Tinjauan Pustaka ...................................................................................................11 2.1 2.2 2.3 2.4 Plastik LDPE................................................................................................11 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) ..................................12 Polistiren Tersulfonasi .................................................................................16 Karakterisasi Membran Fuel Cell................................................................17

3

Metode Penelitian..................................................................................................19 3.1 3.2 3.3 Alat dan Bahan.............................................................................................19 Diagram Alir Penelitian ...............................................................................20 Deskripsi Penelitian .....................................................................................22

4

Pelaksanaan Program ............................................................................................26 4.1 4.2 Waktu dan Tempat Pelaksanaan ..................................................................26 Tahapan Pelaksanaan ...................................................................................26 3

4.3 5

Instrumen Pelaksanaan.................................................................................26

Hasil dan Pembahasan...........................................................................................27 5.1 5.2 5.3 5.4 Sintesis LDPEgF......................................................................................27 Sintesis Agen Sulfonasi ...............................................................................30 Sintesis Polistiren Tersulfonasi....................................................................31 Analisis Gugus Fungsi dengan FTIR...........................................................33

6

Kesimpulan dan Saran...........................................................................................42 6.1 6.2 Kesimpulan ..................................................................................................42 Saran ............................................................................................................42

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................43

4

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Diagram kerja fuel cell jenis PEMFC ......................................................14 Gambar 2.2 Polistiren ..................................................................................................16 Gambar 2.3 Polistiren tersulfonasi...............................................................................17 Gambar 3.1 Diagram alir penelitian secara garis besar ...............................................20 Gambar 3.2 Diagram alir preparasi asetil sulfat ..........................................................20 Gambar 3.3 Diagram alir sulfonasi polistiren..............................................................21 Gambar 3.4 Diagram alir karakterisasi polimer dan membran....................................21 Gambar 3.5 Pembuatan membran secara inversi fasa .................................................24 Gambar 5.1 Spektrum serapan infra merah: ................................................................29 Gambar 5.2 Proses sintesis agen sulfonasi (a); agen sulfonasi (b) ..............................31 Gambar 5.3 Proses sintesis PSS (a dan b); PSS sebelum dimurnikan (c); proses pemurnian PSS (d) .......................................................................................................32 Gambar 5.4 Spektrum overlay serapan infra merah: ...................................................33 Gambar 5.5 Perbesaran spektrum overlay serapan infra merah: .................................34 Gambar 5.6 Spektrum serapan infra merah polistiren murni.......................................35 Gambar 5.7 Spektrum serapan infra merah polistiren tersulfonasi (PSS) ...................36 Gambar 5.8 Alat FTIR .................................................................................................37 Gambar 5.9 Proses casting membran komposit (a); membran komposit (b); pencelupan membran komposit (c)..............................................................................39 5

Gambar 5.10 Proses difusi ion H+ melalui membran komposit dengan pengadukan menggunakan magnetic stirer (a); pengukuran pH pada kompartemen umpan dan permeat dari sel difusi (b dan c)...................................................................................40 Gambar 5.11 Kurva permeabilitas ion H+ (konduktivitas proton) untuk membran komposit.......................................................................................................................41

6

DAFTAR TABEL Tabel 5.1 Analisis FTIR LDPE-g-F............................................................................29 Tabel 5.2 Analisis FTIR polistiren..............................................................................35 Tabel 5.3 Analisis FTIR polistiren tersulfonasi (PSS)................................................36 Tabel 5.4 Konduktivitas proton pada larutan umpan dan permeat .............................40

7

1

Membran Fuel Cell dari Limbah Plastik: Investasi yang Menjanjikan

1.1

Bahan Bakar Fosil Akan Habis dalam 18 Tahun Penyebab dari masalah

Minyak bumi diperkirakan akan habis dalam 18 tahun.

tersebut datang karena minyak bumi merupakan sumber daya alam yang tidak dapat diperbarui, sehingga untuk mendapatkannya kembali memerlukan waktu ratusan juta tahun lamanya (Seminar Salman Nature Expo II, 2006). Peran minyak bumi dalam penyediaan energi nasional pun masih dominan. Sekitar 53% dari kebutuhan energi nasional dipenuhi dari minyak bumi. Jumlah tersebut tidak cukup dipenuhi dari produksi dalam negeri. Sehingga, untuk memenuhinya, negara kita harus mengimpor dari luar negeri. Walaupun masih mampu mengekspor minyak bumi, tetap saja saat ini Indonesia menjadi net oil importing country (Seminar Salman Nature Expo II, 2006). Untuk mengatasi permasalahan cadangan minyak bumi yang semakin terbatas dan harga minyak yang terus meningkat, perlu dikembangkan energi alternatif untuk menggantikan minyak bumi. Salah satu energi alternatif yang potensial untuk dikembangkan adalah fuel cell mengingat potensinya yang cukup besar dan termasuk jenis sumber energi yang terbarukan (Seminar Salman Nature Expo II, 2006). 1.2 Fuel Cell: Sumber Energi Masa Depan

Teknologi konvensional menggunakan minyak bumi sebagai sumber energi dipandang kurang efisien serta menimbulkan polusi udara. Pembakaran minyak bumi menghasilkan karbon monoksida (CO) dan karbondioksida (CO2) yang berbahaya. Sebagai solusi, baru-baru ini telah dikembangkan teknologi fuel cell yang terus mengalami riset dan pengembangan di beberapa negara maju. Teknologi fuel cell ini dipandang lebih efisien, tidak menimbulkan polusi seperti halnya pembangkit energi tenaga minyak bumi (Kompas, 2005; Sopiana, 2005; Lu, 2005; Bae, 2005; Alberti, 2003). 8

Beberapa negara maju seperti Jepang, Amerika Serikat, Jerman, Inggris, dan Prancis pun sudah mulai menerapkan teknologi fuel cell pada pembangkit energi di gedunggedung bertingkat, rumah tangga, bus, mobil, atau alat-alat elektronik seperti PDA dan handphone dalam bentuk prototipe. Bahkan, beberapa pihak sudah mengkomersialkan teknologi ini seperti yang dilakukan pabrik Toyota dan Mercedes Benz. Oleh sebab itu, di masa depan fuel cell diperkirakan menjadi sumber energi utama di dunia (Kompas, 2005). 1.3 Membran Fuel Cell dari Limbah Plastik

Pada sistem fuel cell terdapat membran elektrolit yang merupakan jantung dari sistem ini. Fungsi dari membran pada fuel cell adalah sebagai elektrolit dan pemisah dua gas reaktan. Sebagai elektrolit, membran fuel cell menjadi sarana transportasi ion hidrogen yang dihasilkan oleh reaksi anoda menuju katoda, sehingga reaksi pada katoda yang menghasilkan energi listrik dapat terjadi (Kordesch, 1996; Yohan, dkk, 2005). Saat ini, membran yang digunakan terbuat dari politetrafluoroetilena dengan cabang gugus asam sulfonat (Nafion) (Parra, 2004; Cho, 2005; Yohan, dkk, 2005). Di pasaran, harga Nafion masih sangat mahal, sehingga menjadi kendala untuk mengembangkannya di Indonesia. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian untuk mendapatkan membran alternatif sebagai pengganti Nafion, tetapi memiliki kualitas yang sama atau bahkan lebih daripada Nafion (Yohan, dkk, 2005). Pada penelitian ini, akan dibuat membran fuel cell yang berasal dari limbah plastik LDPE. Pemanfaatan LDPE dalam membuat membran fuel cell ini didasarkan pada jumlah konsumsi polietilen yang besar terutama di Indonesia. Survei Strategis gc ca International Market Research, suatu lembaga survei dan analisa ekonomi di Kanada, menyatakan bahwa konsumsi plastik LDPE di negara Indonesia tahun 2005 adalah 650.000 ton. Nilai tersebut berada diperingkat kedua setelah konsumsi Polipropilen. Dengan nilai konsumsi demikian, akan dihasilkan sampah plastik dalam jumlah lebih dari 650.000 setiap tahunnya. (Budiman, 2006). Pembuatan membran dilakukan melalui beberapa tahap. Tahap pertama pembuatan membran ini adalah fluorinasi LDPE menggunakan larutan HF yang dibantu dengan 9

iradiasi sinar UV, sehingga dihasilkan LDPE-g-F.

Tahap kedua adalah laminasi

polistirena tersulfonasi pada permukaan LDPE-g-F. Selanjutnya membran tersebut dikarakterisasi dengan pengujian struktur menggunakan FTIR, pengujian mekanik, elektrokimia, proton konduktivitas, serta uji terhadap suhu dan tekanan (Yohan, dkk, 2005). Membran yang akan dihasilkan diharapkan dapat menjadi alternatif membran sebelumnya, yaitu Nafion, yang selama ini masih sulit terjangkau oleh para peneliti di Indonesia karena harganya yang mahal. Di masa depan, diharapkan membran ini dapat benar-benar diaplikasikan pada fuel cell, sehingga permasalahan kelangkaan energi dapat dengan mudah teratasi.

10

2

Tinjauan Pustaka

2.1

Plastik LDPE

Plastik merupakan bahan kemasan utama saat ini. Salah satu jenis plastik adalah Polytehylene (PE). Polietilen dapat dibagi menurut massa jenisnya menjadi dua jenis, yaitu: Low Density Polyethylene (LDPE) dan High Density Polyethylene (HDPE). LDPE mempunyai massa jenis antara 0,91-0,94 gmL-1, separuhnya berupa kristalin (50-60%) dan memiliki titik leleh 115oC. Sedangkan HDPE bermassa jenis lebih besar yaitu 0,95-0,97 gmL-1, dan berbentuk kristalin (kristalinitasnya 90%) serta memiliki titik leleh di atas 127oC (beberapa macam sekitar 135oC) (Billmeyer,1971). Secara kimia, LDPE mirip dengan HDPE. Tetapi secara fisik LDPE lebih fleksibel dan kerapatannya lebih kecil dibandingkan HDPE. Perkembangan selanjutnya, telah diproduksi LDPE yang memiliki bentuk linier dan dinamakan Low Linear Density Poliethylene (LLDPE) (designinsite.dk). Kebanyakan LDPE dipakai sebagai pelapis komersial, plastik, lapisan pelindung sabun, dan beberapa botol yang fleksibel. Kelebihan LDPE sebagai material pembungkus adalah harganya yang murah, proses pembuatan yang mudah, sifatnya yang fleksibel, dan mudah didaur ulang. Selain itu, LDPE mempunyai daya proteksi yang baik terhadap uap air, namun kurang baik terhadap gas lainnya seperti oksigen. LDPE juga memiliki ketahanan kimia yang sangat tinggi, namun melarut dalam benzena dan tetrachlorocarbon (CCl4) (Nurminah, 2002; Billmeyer, 1971). Keunggulan lain jenis plastik berkerangka dasar polietilen dibandingkan dengan jenis plastik lainnya ialah jenis plastik ini mempunyai nilai konstanta dielektrik yang kecil, sehingga sifat kelistrikannya lebih baik (Billmeyer,1971). Sifat tersebut semakin baik dengan tingginya jumlah hidrogen atau klorida dan fluorida yang terikat pada tulang punggung Polietilen (exceedmpe.com).

11

LDPE diklasifikasikan sebagai materi semipermeabel karena permeabilitasnya terhadap bahan kimia yang volatil. LDPE diproduksi dari gas etilen pada tekanan dan suhu tinggi dalam reaktor yang berisi pelarut hidrokarbon dan katalis logam yaitu Ziegler Catalysts. Polimer yang dihasilkan berupa bubur yang kemudian difiltrasi dari pelarutnya (digilib.batan.go.id). LDPE disintesis secara komersial pada tahun 1940. Sintesis tersebut menghasilkan LDPE dengan rantai bercabang. Hasil ini dibuktikan dengan spektroskopi IR. Percabangan LDPE dapat mengandung 50 cabang pendek dan paling sedikit 1 cabang panjang setiap basisnya. Percabangan yang terbentuk menghasilkan bentuk ikatan silang. (Billmeyer,1971) 2.2 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) disebut juga proton exchange membrane fuel cell. Membran ini berupa lapisan tipis padat yang berfungsi sebagai elektrolit pemisah katoda dan anoda. Membran ini secara selektif mengontrol transport proton dari anoda ke katoda dalam fuel cell. PEMFC mengandung katalis platina. Untuk menghasilkan energi, PEMFC hanya memerlukan hidrogen, oksigen dari udara, dan air untuk mengoperasikannya. Selain itu, pada fuel cell ini tidak dipakai fluida yang bersifat korosif seperti jenis lainnya (ifci-iipc.nrc-cnrc.gc.ca). PEMFC merupakan sebuah sistem bebas pelarut. Sistem fuel cell ini menggunakan fasa penghantar bersifat ionik berupa gugus garam yang matriks polimernya bersifat polar, seperti pada garam anion F-, Cl-, I-, SCN-, ClO4-, CF3SO3-, BF4-, dan AsF6-. Semakin besar ukuran anion dan semakin terdelokalisasi muatan, maka semakin sulit tersolvasi sehingga dapat terjadi ikatan non permanen antara anion dan proton (Fiona M, 1997). Penelitian mengenai anion pada gugus fungsi tersebut, sampai sekarang, baru dilakukan hanya sampai CF3SO3-. Pada penelitian selanjutnya akan dilakukan penelitian terhadap gugus anion lainnya, seperti sulfonamida dan polibenzilimidazol (Staiti, 2001). Sampai sekarang telah banyak dikembangkan berbagai basis elektrolit dalam pembuatan sel elektrokimia. Basis elektrolit yang sudah dikembangkan antara lain: 12

padatan kristal, gelas, lelehan, dan elektrolit. Material berbasis polimer ternyata memiliki beberapa keunggulan (yang salah satunya sudah disebutkan di atas) sebagai material elektrolit polimer. Keunggulan tersebut antara lain: Mempunyai hantaran yang cocok untuk aplikasi sel elektrokimia Mempunyai hantaran listrik yang rendah Mempunyai sifat mekanik yang baik Mempunyai kestabilan kimia, elektrokimia dan fotokimia yang baik Murah dalam pembuatannya (Fiona M, 1997). Mekanisme penghantaran ion pada polimer elektrolit sudah banyak dipelajari dan dimodelkan oleh peneliti. Salah satu model penghantaran ion adalah pergerakan ion dalam material kristalin sepanjang terowongan berbentuk silinder. Namun, model ini mulai ditinggalkan orang, karena ditemukan sebuah rumusan Arrhenius yang menyatakan hubungan pergerakan torsi antara ikatan C-C dan C-O sebagai fungsi eksak dari hantaran proton. yang dinyatakan sebagai persamaan Vogen-TammanFulcher (VTF). Persamaan ini dibuktikan dengan hasil difraksi sinar X. (Fiona M, 1997). PEM fuel cell bekerja pada temperatur yang relatif rendah, yaitu sekitar 80C (176F). Rendahnya suhu operasi ini menyebabkan rendahnya waktu pemanasan (warm-up time). Selain itu PEM memiliki kerapatan daya yang cukup tinggi karena sifat-sifat inilah maka PEM banyak digunakan sebagai sumber daya bagi alat-alat elektronik portable dan alat-alat transportasi (sciencedirect.com). Membran polimer merupakan komponen yang sangat penting dalam PEM fuel cell. Membran polimer ini dapat memisahkan reaktan dan menjadi sarana transportasi ion hidrogen yang dihasilkan di anoda menuju katoda sehingga menghasilkan energi listrik. Persamaan reaksi yang terjadi di anoda dan katoda dapat dituliskan sebagai berikut: Anoda : H2 2H+ + 2eH2O (Yohan, dkk, 2005).

Katoda : 1/2O2 + H+ + 2e-

13

Gambar 2.1 Diagram kerja fuel cell jenis PEMFC

Kemurnian gas hidrogen sangat mempengaruhi emisi buang sistem fuel cell berbasis polimer tersebut. Kemurnian hidrogen yang tinggi memberikan tingkat emisi yang mendekati zero emission. Penggunaan hidrogen dengan tingkat kemurnian tinggi juga dapat memperpanjang waktu hidup membran fuel cell dan mencegah pembentukan karbonmonoksida (CO) yang beracun, pada permukaan katalis (Yuliandi, 2002). Peranan elektroda sangat penting pada proses pengubahan fluks difusi proton menjadi energi listrik. Pada elektroda, perbedaan potensial kimia dikonversi menjadi potensial listrik sesuai persamaan Nernst. Pada perkembangan fuel cell terakhir, telah diteliti suatu cara perakitan yang baik untuk menghasilkan energi listrik paling maksimal, yaitu dengan Membrane Assembly Electrodes (MEA). Perakitan elektroda dilakukan dengan cara pencangkokan elektrokatalis secara langsung pada waktu pembentukan polimer TFPE (Yasuda, et.al, 2005) Salah satu membran fuel cell yang digunakan secara komersial adalah membran tetrafloro-polietilen. Membran ini bersifat selektif semipermeabel terhadap proton dan memiliki sifat elektrik yang baik sebagai konduktor. Sifat konduktivitas tersebut ditunjukkan dengan tetapan dielektriknya yang kecil. Namun, sebagai membran fuel cell TFPE juga harus berperan sebagai media tranport proton (engr.psu.edu).

14

Sifat transport proton dari membran ini dapat dipenuhi dengan menambahkan gugus sulfonat (SO3-) sebagai rantai sampingnya. Bagian rantai samping inilah yang dapat dijadikan media transit proton. Fungsi gugus sulfonat tersebut akhirnya dapat dijadikan patokan bagi sebuah membran untuk dipilih sebagai membran fuel cell (stratingh.eldoc.ub.rug.nl). Kecepatan transport proton yang terjadi, dipengaruhi oleh sifat difusi proton dalam membran polielektrolit yang dipakai. Difusi yang terjadi dinyatakan sebagai nilai difusi transport Ficks, sebagai fungsi dari konsentrasi proton. Difusi ini mengaitkan antara fluks transport dengan fluks transfer muatan pada elektroda. Hubungan tersebut dinyatakan dalam hukum pertama Ficks untuk difusi kimia (John OM, et.al, 2000). JD = -D dC/dx Hukum pertama tersebut menyatakan variasi waktu dan ruang sebagai fungsi konsentrasi. Semakin besar nilai tetapan difusi yang terjadi, maka kecepatan transport proton akan semakin besar. Kecepatan transport sebanding dengan nilai konsentrasi H+ yang dioksidasi (John OM, et.al, 2000). Peneliti sebelumnya telah berhasil memodelkan transport massa, panas, dan muatan dalam suatu persamaan yang umum yaitu Maxwell-Stefan (Schultz, et.al, 2006; Gnusin, 2005; Nikonenko, 2005). Secara teknis, bahan dari TFPE ini masih kurang baik dalam hal menahan gas dan belum dapat mencegah methanol cross-over secara baik. Adanya methanol cross-over menyebabkan terhambatnya transfer proton. Pencangkokkan polimer pendukung polistiren secara radiasi adalah salah satu metode untuk memodifikasi membran polietilen tersulfonasi ini sehingga dihasilkan adanya polimer ikatan yang silang lebih pada kompak. polimer Pencangkokkan menyebabkan

(ingentaconnect.com). Selain permasalahan cross over methanol, TFPE juga memiliki kelemahan lain yaitu ketahanan termal yang rendah. Hal ini telah diteliti oleh para pakar sebelumnya yang menyatakan bahwa pada suhu di atas 120oC kelembaban membran tidak terjadi dengan baik (Reed, 2004). Akibatnya, hantaran proton yang dihasilkan tidak 15

maksimum. Namun, kondisi demikian tidak mengurangi nilai jual Nafion, karena umumnya fuel cell diterapkan pada sistem dengan suhu operasional yang rendah (Yohan, dkk, 2005; Yuliandi, dkk, 2002). Dalam rangka optimalisasi sifat membran fuel cell dilakukan penggabungan membran dengan material pendukung. Penggabungan umumnya dilakukan dengan pembentukan kopolimer, blending polimer maupun penggabungan dengan suatu komposit (Xing, dll, 2004). Penggabungan ini bertujuan untuk memperbaiki sifat-sifat membran seperti ketahanan termal, ketahanan kimia, ketahanan mekanik, sifat hantaran dan sifat resistensi membran (pubs.acs.org). 2.3 Polistiren Tersulfonasi

2.3.1 Polistiren Stiren merupakan suatu senyawa organik dengan rumus molekul C6H5CH=CH2. Gugus vinil yang terdapat pada stiren menjadikan stiren dapat mengalami reaksi adisi kontinu membentuk suatu polimer polistiren.

CH2 CHn

Gambar 2.2 Polistiren

Pada temperatur ruang, polistiren secara normal merupakan padatan termoplastik, akan tetapi pada temperatur tinggi, polistiren dapat meleleh. Polimerisasi polistiren menjadi rantai panjang berlangsung pada ikatan rangkap karbon viniliknya. Walaupun polimerisasi larutan atau imulsi biasanya digunakan, sebagian besar polistiren digunakan dengan polimerisasi suspensi atau dengan polimerisasi massa. Polimerisasi stiren dimulai dengan proses yang disebut prepolimerizer, suatu wadah yang didalamnya terdapat stiren yang akan dipolimerisasi (biasanya dengan menggunakan poroksida sebagai oksidator) diaduk hingga campuran reaksi terkonsentrasi menjadi polimer akibat adanya proses pencampuran yang efisien dan perpindahan panas yang 16

baik. Umumnya, larutan tersebut mengandung sekitar 30% polimer dengan kekentalan yang sesuai untuk diolah lebih lanjut 2.3.2 Sulfonasi Polistiren Reaksi sulfonasi merupakan suatu reaksi substitusi yang bertujuan untuk mensubstitusi atom H dengan gugus ~SO3H pada molekul organik melalui ikatan kimia pada atom karbonnya. Polimer dan agen sulfonasi harus berada pada fase yang sama. Pelarut yang digunakan tidak boleh bereaksi dengan polimer maupun dengan agen sulfonasi. Polistiren tersulfonasi (PSS) akan memiliki gugus ~SO3H pada posisi para. Pada PSS akan ditemui ikatan silang yang berguna untuk aplikasi pertukaran ion dan membran penukar proton. Secara natural, PSS bersifat higroskopis.CH2 CH CH2 CH

O

S OH

O

Gambar 2.3 Polistiren tersulfonasi

2.4

Karakterisasi Membran Fuel Cell

2.4.1 Analisis Struktur Analisis struktur terhadap membran dapat dilakukan dengan beberapa macam cara, yaitu: Spektroskopi IR (Infra Red), NMR (Nuclear Magnetic Resonance), XRD (Xray Difraction), Small Angel XRD, TEM, dan SEM (Gray, 1997; Yuliandi, 2002; Reed, 2004). Pada penelitian digunakan spektroskopi FTIR (Fourier Transform Infra Red) untuk menganalisis struktur (sciencedirect.com). FTIR merupakan salah satu jenis spektroskopi yang bersifat kualitatif. FTIR menggunakan energi yang bersumber dari sinar inframerah sebagai energi pengganggu. Penyinaran sampel dengan FTIR menyebabkan peristiwa transisi energi 17

vibrasi

molekul

polimer.

Sinyal

hasil

penangkapan

detektor

selanjutnya

ditransformasikan dari bentuk sinyal biasa menjadi sinyal yang lebih kontinu dengan menggunakan transformasi fourier. Hasil analisis diharapkan menunjukkan sinyal yang khas untuk ikatan C-C alkil dan S=O gugus sulfonat (sciencedirect.com).

18

3

Metode Penelitian

3.1

Alat dan Bahan

Peralatan: Neraca analitis Reaktor vakum gas dan chambernya Hotplate Magnetic stirer Tabung Gas N2 Corong Pemisah 250 ml Gelas kimia 1000, 400, dan 100 ml Gelas ukur 50 ml Lampu UV Flowmeter Casting Film Apparatus Bahan: Sampah Plastik LDPE Aquadest H2SO4 95%-97% Gas N2 Polistiren Diklorometana Anhidrida asetat 2-Propanol

19

3.2

Diagram Alir PenelitianPlastik jenis LDPEPolistiren

Sulfonasi

Sintesis LDPE-g-F Florinasi LDPE Pematangan LDPE

Polistiren tersulfonasi (PSS)Laminasi

LDPE-g-F

Membran LD PE-g-F-l-PSS komposit

Karakterisasi

Sifat membran

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian secara garis besar

Diklorometana

Anhidrida asetat

- Dicampurkan dengan kondisi atmosfir inert dengan mengalirkan gas N 2 - Didinginkan 0 oC

H 2SO 4 pkt

Asetil sulfat

Gambar 3.2 Diagram alir preparasi asetil sulfat

20

Diklorometana

PS

- Dipanaskan 40 oC sambil dialirkan gas N 2 30 menit - Diaduk

Asetil sulfatSuhu dipertahankan 40 o C selama 120 menit

Larutan kuning jernih

2-Propanol

PSS

Gambar 3.3 Diagram alir sulfonasi polistiren

LDPE

LDPE-g-F

PS

PSS

Membran LDPE-g-F-l-PSS Komposit

Pengujian struktur

Analisis secara spektrometri FTIR

Kurva serapan

Gambar 3.4 Diagram alir karakterisasi polimer dan membran

21

3.3

Deskripsi Penelitian

3.3.1 Sintesis LDPEgF Sintesis membran LDPE-g-F dilakukan di Laboratorium Kimia Fisik Material Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung. Sintesis dilakukan dengan menggunakan plastik LDPE bersih. Polimer LDPE hasil daur ulang diflorinasi menggunakan larutan HF dan disinari dengan sinar UV untuk pematangan. Dari sini didapatkan LDPE-g-F. 3.3.2 Sntesis polistiren tersulfonasi 1. Preparasi larutan asetil sulfat

Sebanyak 2 mL diklorometana dicampurkan dengan 0,014 mol anhidrida asetat. Kedua larutan tersebut harus dicampurkan dalam kondisi atmosfer inert dengan mengalirkan gas nitrogen. Larutan tersebut kemudian didinginkan pada suhu 0oC lalu ditambahkan H2SO4 98% sebanyak 0,084 mol sambil diaduk ing homogen. Larutan yang terbentuk adalah asetil sulfat. 2. Sulfonasi polistiren

Sebanyak 2 gram polistiren ditambahkan pada 20 mL larutan diklorometana kemudian dimasukkan ke dalam labu leher tiga dan diaduk lalu dipanaskan pada suhu 40oC hingga homogen. Selanjutnya larutan tersebut dialiri gas nitrogen selama 30 menit lalu ditambahkan asetil sulfat. Larutan tetap diaduk dan suhu dipertahankan 40oC selama 120 menit. Larutan kuning bening yang terbentuk merupakan polistiren yang telah tersulfonasi (PSS). 3. Pemurnian PSS

PSS hasil sintesis dimurnikan dengan menambahkan air mendidih ke dalam PSS kemudian disaring menggunakan kertas saring lalu dikeringkan dalam vakum dan terakhir disimpan dalam desikator. PSS ini siap untuk dilarutkan dan dilaminasikan pada LDPE-g-F.

22

3.3.3 Sintesis membran fuel cell 1. Pembuatan larutan membran

Didalam Erlenmeyer bertutup dilarutkan PSS yang telah dimurnikan dalam pelarut DMF dengan konsentrasi 10% (b/b) dan 20% (b/b). Campuran diaduk sampai terbentuk larutan yang homogen. Larutan dibiarkan selama satu malam untuk menghilangkan gelembung udara yang terbentuk selama pengadukan. Larutan ini kemudian disebut larutan cetak dan siap untuk proses pencetakan. 2. Pencetakan membran

Untuk mendapatkan membran komposit, pencetakan membran dilakukan dengan teknik inversi fasa. Pelat kaca dicuci dan dibersihkan dengan aseton lalu ditempatkan polimer LDPE-g-F. Pada bagian pinggir polimer LDPE-g-F tersebut ditempelkan selotip dengan ketebalan tertentu. Larutan cetak PSS dituang diatas polimer LDPE-gF secukupnya. Dengan menggunakan batang kaca, larutan cetak ditarik sehingga membentuk film tipis. Film ini dibiarkan selama 10 menit dan 25 menit untuk terjadinya penguapan parsial pelarutnya. Selanjutnya, film dimasukkan kedalam bak koagulasi berisi aquades pada suhu ruang dan dibiarkan selama satu malam untuk mendapatkan koagulasi sempurna. Membran tipis yang terbentuk dicuci dengan aquades untuk menghilangkan sisa pelarut kemudian dikeringkan di udara terbuka. Proses pembuatan membran secara inversi fasa ditunjukkan pada Gambar 3.5.

23

Plastik di atas pelat

Gambar 3.5 Pembuatan membran secara inversi fasa

3.3.4 Karakterisasi 1. Pengujian Struktur

Pengujian struktur polimer LDPE-g-F dan PSS dilakukan di Laboratorium Kimia Analitik Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung. Pengujian struktur dilakukan secara spektrofotometri FTIR. Sampel yang dianalisis dibuat serbuk dan dihomogenkan dalam KBr sehingga terbentuk pellet KBr. 2. Analisis morfologi membran

Analisa morfologi membran dilakukan dengan menggunakan peralatan Scanning Electron Microscopy (SEM) JEOL JSM-6360LA di PPPGL. Analisa SEM dilakukan untuk setiap variasi komposisi yang diteliti. Membran kering dibekukan dengan nitrogen cair sehingga membran menjadi beku. Membran beku kemudian dipatahkan dan ditempelkan pada holder. Membran dilapisi dengan emas lalu dimasukkan kedalam chamber. Selanjutnya dilakukan pemotretan membran terhadap permukaan dan penampang lintang membran.

24

3.

Pengujian konduktivitas proton

Pengukuran transpor ion H+ dilakukan untuk menentukan laju alirnya. Pengukuran dilakukan dengan menempatkan larutan pH 1 pada kompartemen umpan dan aqua dm pada kompartemen permeat. Pengukuran pH pada kedua kompartemen dilakukan setiap 1 jam. Aluran konsentrasi ion H+ baik pada kompartemen umpan maupun permeat dibuat terhadap waktu. Permeabilitas ion H+ ditentukan dalam satuan mmol.jam-1. Perlakuan yang sama diberikan pada setiap membran dengan variasi konsentrasi dan waktu evaporasi tertentu.

25

44.1

Pelaksanaan Program

Waktu dan Tempat Pelaksanaan

Tempat pelaksanaan penelitian yaitu di Laboratorium Kimia Analitik Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung. Semua tahap sampai pada karakterisasi menggunakan infra merah dilaksanakan di laboratorium ini. Waktu pelaksanaan penelitian dilaksanakan pada beberapa periode tiap bulan menyesuaikan dengan jadwal masing-masing peneliti. 4.2 Tahapan Pelaksanaan

Penelitian ini dibagi menjadi tiga tahap secara garis besar, yaitu tahap pendahuluan, tahap sintesis, dan tahap karakterisasi. Tahap pendahuluan meliputi perancangan metode sintesis, pengumpulan alat dan bahan, dan dilanjutkan dengan uji coba sintesis. Tahap sintesis meliputi sintesis LDPE-g-F, PSS, dan membran komposit. Tahap karakterisasi meliputi uji struktur menggunakan FTIR, uji konduktivitas proton, dan uji SEM. 4.3 Instrumen Pelaksanaan

Instrumen yang telah digunakan dalam penelitian ini antara lain seperangkat lampu UV, reaktor sulfonasi, dan alat analisis FTIR.

26

55.1 Sintesis LDPEgF

Hasil dan Pembahasan

Secara umum, membran dapat dibuat dari sejumlah besar material yang berbeda. Polimer merupakan material utama yang banyak digunakan untuk sintesis membran organik. Modifikasi polimer kerapkali dilakukan untuk mendapatkan sifat-sifat yang diinginkan. Pada penelitian ini, telah dilakukan modifikasi polietilen dari sampah plastik LDPE untuk memperoleh suatu polimer dengan karakteristik yang mirip dengan TFPE. Modifikasi LDPE menjadi TFPE telah dilakukan melalui pencangkokan polietilen dengan asam fluorida. meradiasi polietilen menggunakan sinar UV. Pencangkokan secara iradiasi merupakan salah satu metode untuk memodifikasi bahan-bahan polimer. Metode ini telah banyak digunakan misalnya untuk menyiapkan membran selektif penukar ion, membuat bahan elastomer, mengembangkan polimer yang ramah lingkungan, dan pengujian proses pembuatan membran penukar ion. Apabila suatu polimer diradiasi, terdapat dua kemungkinan yang dapat terjadi, yaitu terdegradasi atau berikatan silang. Pada proses degradasi terjadi pemutusan ikatan rantai utama polimer, sedangkan pada pengikatan silang terbentuk ikatan antara molekul polimer. Menurut Sun, pembentukan struktur ikatan silang pada TFPE dapat menyebabkan terjadinya penurunan titik leleh, kenaikan suhu transisi gelas, dan nilai ZST (Zero Strength Temperature). Kondisi ini berpengaruh pada saat terjadinya perubahan struktur ikatan dari molekul linier menjadi struktur jaringan tiga dimensi. Pada peristiwa degradasi, terjadi pengurangan berat molekul yang berdampak pada penurunan sifat-sifat mekanik. Sedangkan pada pengikatan silang terjadi penambahan berat molekul karena adanya rantai cabang pada polimer. Pertambahan berat molekul ternyata sama sekali tidak berpengaruh pada penambahan kekuatan ikatan, malahan sifat-sifat mekaniknya mengalami sedikit penurunan. Teknik pengcangkokan dengan iradiasi sebagai penginduksi bagian aktif matriks polimer dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu pencangkokan film dengan monomer secara bersamaan dan langsung (simultaneous grafting) dan pencangkokan dengan monomer setelah polimer diiradiasi (pre-irradiation grafting). Dalam penelitian ini dipilih teknik kedua. Teknik 27 Pencangkokan dilakukan dengan

ini sangat baik digunakan untuk polimer semacam TFPE yang merupakan material semikristalin karena radikal bebas yang dihasilkan dari proses iradiasi mempunyai umur yang lebih panjang.dan homopolimer yang terbentuk dapat dicegah seminimal mungkin sehingga dapat disiapkan kopolimer cangkok yang relatif murni. Mekanisme reaksi rantai pembentukan polimer dalam proses kopolimerisasi meliputi tahap-tahap inisiasi, propagasi, dan terminasi. Kekhasan reaksi polimerisasi adalah pada tahap inisiasi. Pada pencangkokan secara iradiasi, inisiasinya adalah radikal yang dihasilkan dari proses iradiasi polimer. Radikal polimer yang terbentuk pada tahap propagasi akan bereaksi dengan asam fluorida menghasilkan LDPE yang tercangkok F-. Pada tahap terminasi terjadi penggabungan antar LDPE yang tercangkok F- membentuk suatu rantai panjang polimer yang baru. Pada penelitian ini dilakukan analisis gugus fungsi terhadap polimer hasil pencangkokan menggunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR). Sebelum dianalisis polimer hasil pencangkokan dicuci terlebih dahulu dengan air untuk menghilangkan sisa asam fluorida yang menempel pada polimer setelah itu polimer dikeringkan dan sampel siap dianalisis. Spektrum serapan FTIR pada LDPE sebelum dan sesudah pencangkokan diperlihatkan pada Gambar 5.1. Pada Gambar 5.1 terlihat bahwa spektrum LDPE dan LDPEgF mempunyai posisi serapan yang sama pada daerah gugus fungsi. Hal ini menunjukkan bahwa iradiasi dengan sinar UV tidak mengubah struktur asli LDPE.

28

105 %T

Multipoint Baselinecorrection Multipoint Baselinecorrection

1002.98

852.54 831.32 767.67

902740.85 2740.85 2659.84 2634.76 2634.76 1367.53

75

60729.09 729.09 719.45 719.45

451471.69 1469.76 1462.04 1462.04

30

15

0

-15

4500 4000 plastik-std

3500

3000

2926.01 2929.87 2914.44 2912.51 2848.86 2848.86 2843.07

2500

2000

1750

1500

1250

1000

750

Gambar 5.1 Spektrum serapan infra merah: LDPE mula-mula LDPE-g-F

Tabel 5.1 Analisis FTIR LDPE-g-F

Bilangan gelombang (cm-1) 719,45 729,09 1002,98 1462,04 1469,76 2740,85 2848,86 2912,51 2929,87

Gugus fungsi >C=CH2- rock CH=CH2- vinil rock >C-F saturated CH2- metilen bend CH3-CH- metil bend C-H stretching CH3-CH2- etil alkana C-H alkana CH3- CH- metil alkana

Berdasarkan tabel di atas, terlihat bahwa untuk spektrum LDPEgF terdapat puncak baru pada daerah sidik jari 1002, 98 cm-1. Puncak ini merupakan pita serapan yang khas untuk vibrasi CF pada alkana. Ini membuktikan bahwa proses pencangkokan Fpada LDPE dengan menggunakan kondisi yang disarankan telah berhasil. Optimasi 29

549.71 516.92

500 1/cm

pencangkokan F- pada LDPE dapat dilakukan dengan menggunakan sumber iradiasi yang lebih kuat seperti sinar dengan dosis tertentu sehingga diduga akan dihasilkan pita serapan untuk vibrasi CF2. Peningkatan konsentrasi HF yang digunakan pada penelitian ini juga dapat digunakan sebagai langkah lain untuk mengoptimasi pencangkokan. 5.2 Sintesis Agen Sulfonasi

Agen sulfonasi yang digunakan dalam percobaan ini adalah asetil sulfat. Asetil sulfat ini dibuat dengan mereaksikan diklorometana, asam sulfat dan anhidrida asetat. Diklorometana pada reaksi ini berfungsi sebagai pelarut. Anhidrida asetat ini ditambahkan ke dalam larutan untuk menghindari terbentuknya air pada saat reaksi terjadi karena anhidrida asetat ini higroskopis sehingga dapat mengikat air. Reaksi pembentukan asetil sulfat ini harus se-inert mungkin, oleh karena itu, saat pembuatan asetil sulfat perlu dialirkan gas nitrogen.o

Suhu saat pembuatan asetil sulfat ini Hal ini dilakukan untuk

diturunkan menjadi 0 C saat penambahan asam sulfat.

mencegah bumping saat penambahan H2SO4. Selain itu, penurunan suhu ini dilakukan untuk mencegah penguapan pada diklorometan karena reaksi yang terjadi saat H2SO4 ditambahkan ke dalam diklorometana dan anhidrida asetat adalah reaksi eksoterm. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:O O H3C O O CH3 H3C O O S OH O

+

H2SO4

+

CH3COOH

Asetil sulfat sebagai agen sulfonasi harus segera dipakai (fresh) karena asetil sulfat mudah teroksidasi sehingga akan ada oksigen yang terlarut saat pembentukan polistiren tersulfonasi. Asetil sulfat yang didapat dari reaksi tersebut adalah larutan berwarna kuning jernih.

30

(a)

(b)

Gambar 5.2 Proses sintesis agen sulfonasi (a); agen sulfonasi (b)

5.3

Sintesis Polistiren Tersulfonasi

Sintesis polistiren tersulfonasi ini sama seperti saat sintesis polistiren bahwa keadaan harus seinert mungkin untuk mencegah adanya gas oksigen yang terlarut. Sintesis PSS dilakukan dengan mencampurkan polistiren yang telah dilarutkan dalam diklorometana dengan asetil sulfat. Proses ini dilakukan kurang lebih 2 jam pada suhu 40oC. Suhu 40oC ini merupakan suhu yang optimal agar reaksi sulfonasi berjalan sempurna. Setelah 2 jam akan terbentuk larutan berwarna kuning jernih. Reaksi sulfonasi ini kemudian dihentikan dengan menambahkan 2-propanol selama 30 menit dan kemudian didinginkan pada temperatur ruang. Terakhir PSS dapat diisolasi. Reaksi pembentukan polistiren tersulfonasi adalah sebagai berikut:CH2 CHO O S OH O O S OH O

O

CH2 CH

CH2 CHn

+

H3C

+

CH3COOH

31

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 5.3 Proses sintesis PSS (a dan b); PSS sebelum dimurnikan (c); proses pemurnian PSS (d)

Pemurnian PSS dilakukan dengan meneteskan PSS hasil sintesis ke dalam air mendidih, akan tetapi pada percobaan ini, PSS yang terbentuk merupakan padatan berwarna kuning. Oleh karena itu padatan PSS hasil sintesis tersebut kemudian langsung dimasukkan ke dalam air mendidih. Padatan PSS yang sudah dimurnikan berwarna putih. Karena PSS ini sangat higroskopis maka PSS tersebut dikeringkan dalam vakum kemudian didiamkan dalam desikator. Reaksi sulfonasi ini dapat terjadi dengan adanya pembentukan sulfon dikarenakan adanya reaksi ikatan silang antara dua gugus sulfon dari unit PS-SO3H yang berbeda melewati mekanisme intermolekul maupun intramolekul. Ikatan silang dapat meningkat dengan meningkatnya keberadaan gugus sulfonat. Keberadaan gugus sulfonat ini ditingkatkan dengan menambahkan konsentrasi dari agen sulfonasi pada larutan polimer dan juga dapat dengan meningkatkan temperatur reaksi.

32

PSS dapat menghantarkan proton, tetapi karena sifat fisiknya yang rapuh sehingga tidak dapat dibuat sebagai membran fuel cell. Oleh karena itu, pada penelitian ini, pembuatan membran dari PSS pada suatu support yang terbuat dari LDPE-g-F. Pemberian support berupa LDPE-g-F dilakukan karena LDPE-g-F memiliki ketahanan mekanik yang lebih baik selain dapat juga melewatkan proton melalui porinya. 5.4105 %T 90

Analisis Gugus Fungsi dengan FTIRMultipoint Baselinecorrection PSS12

75

60

45

30

15

0 4500 PS 4250 4000 3750 3500 3250 3000 2750 2500 2250 2000 1750 1500 1250 1000 750 500 1/cm

Gambar 5.4 Spektrum overlay serapan infra merah: PS PSS

33

100 %T

Multipoint Baselinecorrection PSS12

90

80

1278.81

501311.59 1311.591327.03

1246.02

1195.87

401328.95

1180.44

30

20

1180.44

1153.43

1153.43

1109.07

60

1226.73 1224.80

70

1109.07

1350PSS1

1325

1300

1275

1250

1225

1200

1175

1150

1125

11001/cm

Gambar 5.5 Perbesaran spektrum overlay serapan infra merah: PS PSS

34

90%T

751747.511541.121226.731109.07

1869.02

1801.51

601942.32

943.19

1002.98 979.84 964.41

1327.03 1311.59

1581.63

1180.44 1153.43

453101.54

1371.39

1068.56

840.96

302999.31

153080.32 3059.10 3022.45

2848.86

1028.06

906.54

667.37

621.08

0

1600.92

1492.90 1452.40

2929.87 2914.44

758.02 694.37

4500 PS

4000

3500

3000

2500

2000

1750

1500

1250

1000

750

500 1/cm

Gambar 5.6 Spektrum serapan infra merah polistiren murni

Bilangan gelombang (cm-1) 694,37; 758,02 1452,40; 1492,90; 1600,92 2914,44 3022,45

Tabel 5.2 Analisis FTIR polistiren

Gugus fungsi Ikatan C-H pada monosubstitusi benzen Ikatan C=C pada cincin aromatik Ikatan C-H alifatik Ikatan C-H pada cincin aromatik

35

540.07

105%T

90

75

1870.95

1109.07

601801.511278.81 1246.02 1195.87

453101.54

1328.95 1311.59

1180.44 1153.43

1002.98 979.84 964.41 943.19

1942.32

1735.93

840.96

1583.56

30

1371.39

1068.56

15

3080.32 3059.10 3024.38 3001.24 2922.16 2848.86

1600.92

1028.06

906.54

667.37

621.08

1492.90 1452.40

0

-15

758.02 696.30

4500 PSS1

4000

3500

3000

2500

2000

1750

1500

1250

1000

750

500 1/cm

Gambar 5.7 Spektrum serapan infra merah polistiren tersulfonasi (PSS)

Bilangan gelombang (cm-1) 906,54 1452,40; 1492,90 1195,87; 1246,20 1278,81; 1328,95 2922,16 3101,54

Tabel 5.3 Analisis FTIR polistiren tersulfonasi (PSS)

Gugus fungsi Ikatan C-H pada benzen tersubstitusi 1,4 Ikatan C=C pada cincin aromatik Vibrasi simetrik S(=O)2 Ikatan hidrogen O-H pada gugus sulfonat Ikatan C-H alifatik Ikatan hidrogen O-H

Spektrum FTIR dari polistiren dan polistiren tersulfonasi ini dimulai dari bilangan 400-4500 cm-1. Pada polistiren terdapat spektrum yang menunjukkan adanya monosubstitusi benzen yaitu pada sekitar; 694,37 cm-1 dan 758,02 cm-1. Monosubstitusi ini menunjukkan adanya etilen yang tersubstitusi pada cincin benzen. Sekitar 1452,40; 1492,90; dan 1600,92 cm-1 terdapat vibrasi dari ikatan rangkap C=C pada cincin benzen. Pada 2914,44 cm-1 menunjukkan adanya ikatan C-H alifatik dari gugus etilen dan pada 3022,45 cm-1 menunjukkan adanya ikatan C-H pada cincin

36

540.07

aromatik. Dari hasil analisis ini dapat disimpulkan bahwa sintesis dari polistiren telah berhasil dilakukan. Polistiren yang tersulfonasi memiliki spektrum yang hampir sama dengan spektrum polistiren, hanya saja pada bilangan gelombang 696,30 cm-1 dan 756,10 cm-1 yang menunjukkan monosubstitusi spektrum tersebut hilang dan digantikan dengan spektrum pada bilangan gelombang 906,54 cm-1 yang menunjukkan substitusi benzen pada posisi 1,4. Pada spektrum PSS ini juga muncul spektrum baru yaitu pada panjang gelombang 1195,87 cm-1 dan 1246,02 cm-1 yang menunjukkan adanya vibrasi dari gugus fungsi O=S=O yang simetris dan gugus fungsi S-O. Menurut analisis literatur, gugus sulfonat berada pada rentang 1000 dan 1400 cm-1. Pita vibrasi gugus sulfonat ini akan mendekati 1040 dan 1180 cm-1. Menurut literatur, spektrum sulfonat yang mendekati 1180 cm-1 ini merupakan anion sulfonat yang terikat pada cincin fenil. Adapun terjadinya perbedaan nilai pita vibrasi sulfonat hasil sintesis dibandingkan dengan literatur disebabkan karena terbentuknya ikatan baru berupa gugus sulfonat sehingga pita vibrasi awal mengalami pergeseran. Data spektrum FTIR tersebut menunjukkan bahwa polistiren telah tersulfonasi. Pada bilangan gelombang 3101,54 cm-1 muncul spektrum dengan pita yang lebar yang tidak ditemukan pada polistiren. Spektrum pada 3101,54 cm-1 ini menunjukkan adanya ikatan hidrogen O-H dari gugus SO3H.

Gambar 5.8 Alat FTIR

5.5

Sintesis membran komposit

Membran komposit pada penelitian ini disintesis melalui teknik inversi fasapengendapan dengan pencelupan (immersion precipitation). Pembuatan larutan cetak 37

dilakukan dengan melarutkan PSS dalam DMF dan dibutil ftalat sebagai bahan perekat. Secara termodinamika, suatu polimer akan larut dengan baik apabila memenuhi dua parameter, yaitu: parameter kelarutan () dan parameter antaraksi pasangan polimer-pelarut (g12). Pemilihan pelarut merupakan faktor penting dalam pembuatan membran karena akan mempengaruhi struktur dan bentuk membran yang diperoleh. Untuk mendapatkan larutan cetak yang homogen, polimer dan pelarut harus memiliki parameter kelarutan () yang berdekatan. Parameter kelarutan () merupakan salah satu parameter yang berperan dalam proses koagulasi secara pencelupan. Parameter ini diperlukan karena pada metode inversi fasa, penyiapan membran dilakukan dengan polimer yang terlarut. Berdasarkan penelitian sebelumnya, PSS dapat larut dengan baik dalam DMF. Pelarutan PSS oleh DMF terjadi melalui dua proses yaitu, penggembungan (swelling) yang lambat dan dispersi. Pada saat swelling, molekul pelarut teradsorpsi pada permukaan molekul polimer sehingga terjadi perubahan dimensi rata-rata. Molekul polimer menggembung dengan faktor yang berhubungan dengan antaraksi intramolekul antara segmen suatu rantai. Pada proses dispersi, polimer akan terdispersi membentuk larutan polimer dan tidak ada ikatan kimia yang putus. Polimer yang berikatan silang dapat menggembung dalam pelarut yang baik tetapi tidak dapat larut pada tahap ini. Tahapan pembuatan membran komposit dengan teknik inversi fasa melewati beberapa tahap, diantaranya: pembuatan larutan cetak yang homogen, pencetakan larutan cetak, penguapan sebagian pelarut, pencelupan ke dalam bak koagulasi, dan difusi pelarut dengan non pelarut. Penguapan sebagian pelarut diatas pelat kaca menyebabkan pelarut DMF pada lapisan atas akan mengalami difusi ke atmosfer. Ini menyebabkan lapisan atas akan kekurangan pelarut sedangkan lapisan bawahnya kaya pelarut. Faktor penguapan ini dapat dipengaruhi oleh suhu ruang dan kelembaban udara pada saat pencetakan. Pada saat pencelupan kedalam non pelarut, DMF akan mengalami difusi ke air dan meninggalkan ruang-ruang yang akan membentuk pori membran. Pada proses ini akan terjadi pemisahan fasa. Selama pemisahan fasa berlangsung, fasa yang kaya polimer akan membentuk matriks membran, sedangkan fasa yang mengandung polimer terlarut (miskin 38

polimer) akan membentuk pori. Karena lapisan atas film memiliki sedikit pelarut daripada lapisan bawahnya, maka lapisan atas akan mempunyai pori dengan ukuran yang lebih kecil dari lapisan bawahnya. Ukuran pori yang berbeda antara lapisan atas dan bawah membran menyebabkan membran berbentuk asimetrik. Selektifitas membran asimetrik ditentukan oleh lapisan atas (lapisan aktif) membran.

(a)

(b)

(c)Gambar 5.9 Proses casting membran komposit (a); membran komposit (b); pencelupan membran komposit (c)

5.6

Uji konduktivitas proton

Pada penelitian ini telah dibuat membran komposit yang berasal dari limbah plastik LDPE sebagai membran fuel cell. Kinerja dari membran komposit ini dilakukan melalui pengukuran konduktivitas proton (sebagai pengganti fluks membran). Terjadinya transpor ion hidrogen (konduktivitas proton) pada penelitian ini dilakukan dengan mengamati/mengukur perubahan pH pada larutan umpan dan permeat. Pada kompartemen umpan dari sel difusi digunakan larutan pH 1. Ini digunakan didasarkan kepada stabilitas membran komposit sehingga penggunaan pH yang ekstrim tidak 39

akan merusak membran. Mekanisme transpor pada membran dapat terjadi berdasarkan pada sifat fisik dan kimia membran. Berdasarkan penelitian ini, konsentrasi ion hidrogen pada kompartemen umpan semakin lama semakin menurun. Sebaliknya, konsentrasi ion hidrogen pada kompartemen permeat semakin lama semakin meningkat. Ini mengindikasikan bahwa telah terjadi transpor ion hidrogen melalui membran.Tabel 5.4 Konduktivitas proton pada larutan umpan dan permeatWaktu (jam) 0.5 1 1.5 2 2.5 Umpan pH 1 1.11 1.35 1.62 2 Permeat

[H ] (M)0.1 0.077 0.045 0.024 0.0099

+

mmol H6 4.62 2.7 1.44 0.594

+

pH 5.76 5.13 4.9 4.7 4.55

[H+].10-6 (M)1.738 7.413 12.547 20.021 27.908

mmol H+ .10-41.043 4.448 7.528 12.013 16.745

(a)

(b)

(c)Gambar 5.10 Proses difusi ion H+ melalui membran komposit dengan pengadukan menggunakan magnetic stirer (a); pengukuran pH pada kompartemen umpan dan permeat dari sel difusi (b dan c)

40

Kemiringan kurva dari aluran jumlah ion H+ terhadap waktu menyatakan nilai permeabilitas ion H+ yang dinyatakan dalam mmol/jam. Aluran kurva permeabilitas ion H+ ditunjukkan pada Gambar 5.11. Pada kurva terlihat bahwa semakin lama waktu operasi maka semakin banyak ion H+ yang berpermeasi melalui membran.

20

ko n sen trasi H + (m m o l.10-4)

15 10 5 0

y = 3.8969x - 3.3353 R2 = 0.9913

0.5

1

1.5 waktu (jam)

2

2.5

Gambar 5.11 Kurva permeabilitas ion H+ (konduktivitas proton) untuk membran komposit

Dari persamaan kurva diatas terlihat bahwa gradien pada kurva menunjukkan nilai fluks membran, yaitu sebesar 3,8969.10-4 mmol/jam dengan R2 =0,9913. Dengan diperolehnya nilai fluks pada membran ini, mengindikasikan bahwa proton atau ion H+ telah dapat melewati membran. Ini berarti membran komposit yang dibuat pada penenlitian ini telah dapat digunakan sebagai membran penghantar proton atau membran fuel cell meskipun dengan nilai fluks yang masih relatif kecil.

41

66.1 Kesimpulan

Kesimpulan dan Saran

Pada penelitian ini telah berhasil disintesis LDPE-g-F dan PSS sebagai bahan membran komposit untuk fuel cell. Hasil analisis FTIR menunjukkan bahwa terdapat gugus C-F pada LDPE-g-F yang ditunjukkan oleh puncak pada bilangan gelombang 1002,98 cm-1. Polistiren juga berhasil disulfonasi yang ditunjukkan oleh adanya puncak pada bilangan gelombang 1195,87 cm-1 dan 1246,02 cm-1 yang menunjukkan adanya vibrasi dari gugus fungsi O=S=O yang simetris dan gugus fungsi S-O, puncak pada 3442,94 cm-1 yang menunjukkan adanya ikatan hidrogen O-H pada gugus SO3H, dan puncak pada 883,40 cm-1 yang menunjukkan adanya substitusi benzen pada posisi para. 6.2 Saran

Pencangkokan F- pada LDPE dapat dilakukan dengan menggunakan sumber iradiasi yang lebih kuat seperti sinar dengan dosis tertentu sehingga diduga akan dapat dihasilkan pita serapan untuk vibrasi CF2. Peningkatan konsentrasi HF yang digunakan pada penelitian ini juga dapat digunakan sebagai langkah lain untuk mengoptimasi pencangkokan. Selain itu, perlu adanya optimasi kondisi dalam pembuatan PSS untuk memperoleh PSS yang lebih baik. Untuk membuktikan lebih lanjut bahwa membran komposit yang telah dibuat pada penelitian ini benar-benar dapat digunakan sebagai membran fuel cell, perlu dilakukan pengujian kinerja membran yang lain agar diperoleh data yang lebih menyeluruh mengenai sifat-sifat dari membran komposit ini.

42

DAFTAR PUSTAKA

Direktur Jenderal Listrik dan Pemanfaatan Energi. Kebijakan Pemerintah dalam Pengembangan Bioenergi. Seminar Salman Nature Expo II, Bandung (Indonesia), 19 Maret 2006. Fanny Budiman. http://strategis.gc.ca/International Research-Indonesias

Consumption of Plastic Raw Materials (PP and PE) Predicted to Increase. html last approved: 1 April 2006. http://digilib.batan.go.id/sipulitbang/abstrak.php?id=0031 (25 Maret 2006). http://ifci-iipc.nrc-cnrc.gc.ca/research_pemfc.html (15 Maret 2006). http://pubs.acs.org/cgi-bin/article.cgi/iecred/2005/44/i20/pdf/ie0501172.pdf (17 April 2006). http://stratingh.eldoc.ub.rug.nl/FILES/root/PicchioniF/2000/JMembrSciCarretta/2000 JMembrSciCarretta.pdf (17 April 2006). http://www.designinsite.dk/htmsider/m0003.htm (25 Maret 2006). http://www.engr.psu.edu/h2e/index.htm (17 April 2006). http://www.exceedmpe.com/Public_Products/Polyethylene/Polyethylene/Worldwide/ Grades_and_Datasheets/PE_GradeInfo_LDPE.asp (25 Maret 2006). http://www.freshpatents.com/Fullerene-based-electrolyte-for-fuel-cellsdt20050120ptan20050014051.php?type=description (15 April 2006). http://www.ingentaconnect.com/search/article?title=Ionexchange+membranes&title_type=tka&year_from=1998&year_to=2005&database=1 &pageSize=20&index=7 (7 April 2006).

43

http://www.prophysik.de/phy/pdfs/NEWS_PDF_GER_1773.pdf#search=fluronafion%2Amechanis m%2Ain%2Apolymer (21 Maret 2006). http://www.sciencedirect.com/science?_ob=JournalURL&_cdi=5766&_auth=y&_acc t=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=956207be1f679daf4 155e5f86488089f (17 April 2006). http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MImg&_imagekey=B6TWW4HMNG6W-512&_cdi=5573&_user=10&_orig=search&_coverDate=04%2F30%2F2006&_sk=999 579995&view=c&wchp=dGLbVtzzSkzk&md5=ed37d4337c90ea7ea4a4c1e3deb43463&ie=/sdarticle.pdf 2006). Kompas. Ilmuwan Dunia Desak Perangi Perubahan Iklim. Jumat, 10 Juni 2005. Hal:39. Kordesch, Karl and Simander, Gunter. 1996. Fuel Cells and Their Applications. Germany : VCH. Yohan, dkk. Pembuatan Bahan Membran Sel Bahan Bakar : Pengaruh Pengkondisian Film PTFE terhadap Hasil Pencangkokan dengan Teknik Iradiasi Awal. Seminar Nasional MIPA 2005 FMIPA-Universitas Indonesia Depok, 24-26 Nopember 2005. Kamaruzzaman Sopiana, and Wan Ramli Wan Daud (2005.). "Challenges and future developments in proton exchange membrane fuel cells." renewable energi 31(5): 719727. S. Parra, L. H., E. Mielczarski, J. Mielczarski, P. Albers, E. and J. G. Suvorova, and J. Kiwi. (2004). "Synthesis, Testing, and Characterization of a Novel Nafion Membrane with Superior Performance in Photoassisted Immobilized Fenton Catalysis." American Chemical Society 20: 5621 -5629. (17 April

44

S.A. Cho, E. A. C., , , I.-H. Oh, H.-J. Kim, H.Y. Ha, S.-A. Hong and J.B. Ju (2005). "Surface modified Nafion membrane by ion beam bombardment for fuel cell applications." Journal of Power Sources 155(2): 286-290. G. Q. Lu, a. F. Q. L., b and Chao-Yang Wanga,b,z (2005). "Water Transport Through Nafion 112 Membrane in DMFCs." Electrochemical and Solid-State Letters, Letters, 8: A1-A4. Byungchan Bae, H. Y. H. a. D. K. (2005). "Nafion-graft-polystyrene sulfonic acid membranes for direct methanol fuel cells." Journal of Membrane Science 276(1-2): 51-58. GIULIO ALBERTI, M. C., MONICA PICA and GIUSI DI and CESARE (2003). "Preparation of Nano-Structured Polymeric Proton Conducting Membranes for Use in Fuel Cells." Annals of the New York Academy of Sciences 984: 208-225. BILLMEYER, Textbook Of Polymer Science, 1971 GRAY, Fiona M, Polimer Electrolytes, 1997 BUDIMAN@www. Strategis gc ca International Market Research.com (1 April 2006)

45