BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
D. Sintesis Membran Komposit
1. Analisis Gugus Fungsi Membran Komposit
Analisis gugus fungsi membran komposit dilakukan dengan spektroskopi IR dan hasil analisis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.
Gambar 19. Spektra IR membran komposit
Analisis gugus fungsi terhadap membran komposit bertujuan untuk mengetahui serapan bilangan gelombang dari masing-masing gugus fungsi pada
membran komposit. Membran komposit dapat memiliki karakteristik serapan bilangan gelombang dari gugus fungsi material penyusunnya. Adanya interaksi spesifik antara gugus-gugus fungsi dari material penyusun membran dapat menyebabkan pergeseran serapan bilangan gelombang. Interaksi tersebut akan mempengaruhi karakteristik membran komposit yang dihasilkan. Pergeseran pita serapan dapat diketahui dengan membandingkan pita serapan material penyusun awal dengan pita serapan membran. Serapan bilangan gelombang masing-masing gugus fungsi pada membran komposit ditunjukkan Tabel 4.
Tabel 4. Serapan Bilangan Gelombang Gugus Fungsi Membran Komposit
Jenis vibrasi
Bilangan gelombang ( cm -1 )
PST 30 KTZ KZS KZA
Ikatan vibrasi tekuk Si-O - - 457,13 459,06 Vibrasi tekuk Si-O pada
kerangka zeolit
- - 800,46 833,25
Ikatan C-H pada
monosubstitusi benzen
756,02 759,95 758,02 759,95 Ikatan rentangan Si-O-Si - - 1089,78 1097,5 Ikatan vibrasi dari gugus fungsi
O=S=O
1174,65 1105,21 1219,01 1215,15 Ikatan C=C pada cincin
aromatik
1452,40 1452,4 1452,40 1452, 40 Ikatan vibrasi tekuk gugus O-H
teradsorb
- - 1633,71 1600,92
Ikatan C-H alifatik 2922,16 2918,3 2920,23 2920,23 Ikatan C-H pada cincin
aromatik
3024,38 3024,38 3059,10 3059,10 Ikatan vibrasi regangan O-H 3437,15 3423,65 3429,43 3410, 15
Spektra IR membran komposit (Gambar 19) menunjukkan adanya pergeseran bilangan gelombang, yaitu vibrasi ulur Si-O-Si dari 1047,35 cm-1 pada zeolit alam dan 1062,75 cm-1 pada zeolit sintetik (Gambar 9) bergeser menjadi 1097,5 cm-1 pada KZA dan 1089,78 cm-1 pada KZS. Selain itu juga terjadi pergeseran bilangan gelombang pada serapan gugus sulfonat dari 1174,65 cm-1
commit to user
Terjadinya pergeseran bilangan gelombang ini dapat disebabkan terjadinya interaksi spesifik antara gugus sulfonat dari polistirena tersulfonasi dengan gugus hidroksil dari kerangka zeolit.
2. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK) dan Derajat Pengembangan (DP) Membran Komposit
Kemampuan membran komposit dalam menukarkan kation memegang peranan penting dalam aplikasinya sebagai membran elektrolit, hal ini karena nilai KTK bertanggung jawab dalam penghantaran proton dan merupakan perkiraan secara tidak langsung terhadap konduktivitas proton (Smitha et al., 2003). Tabel 5 menunjukkan bahwa penambahan zeolit mampu meningkatkan nilai KTK pada membran, kecenderungan hampir sama untuk membran komposit zeolit alam (KZA) maupun membran komposit zeolit sintetik (KZS). Perhitungan nilai KTK dan derajat pengembangan (DP) dari membran komposit dapat dilihat pada Lampiran 4 dan 5.
Tabel 5. Nilai KTK dan DP Membran Komposit
Jenis komposit
Komposisi % b/b DMAc : PST : PEG : Zeolit
KTK meq/g DP % KTZ 70 : 20 : 10 : 0 0,96 26,01 KZS 67 : 20 : 10 : 3 1,12 36,45 65 : 20 : 10 : 5 1,171 22,43 63 : 20 : 10 : 7 1,004 15,68 KZA 67 : 20 : 10 : 3 1,02 37,60 65 : 20 : 10 : 5 1,172 43,43 63 : 20 : 10 : 7 1,05 33,40
Interaksi gugus sulfonat dengan gugus hidrofil dari kerangka zeolit menjadi faktor penting dalam peningkatan KTK membran, hal ini ditunjukkan dengan terjadinya peningkatan nilai KTK pada membran KZA maupun KZS dengan penambahan zeolit 3 % dan 5 % (b/b) dibandingkan tanpa penambahan
zeolit (0 %), akan tetapi pada penambahan zeolit yang lebih banyak lagi baik pada KZA 7 % dan KZS 7 % (b/b) mengalami penurunan nilai KTK. Hal tersebut disebabkan interaksi antara gugus sulfonat dengan zeolit yang berlebihan menyebabkan banyak gugus sulfonat dari PST terjebak di dalam partikel zeolit sehingga jumlah gugus sulfonat menjadi berkurang. Selain itu pori-pori membran menjadi rapat sehingga air yang diserap oleh membran menjadi berkurang dan menyebabkan jumlah kation yang dipertukarkan menjadi kecil. Hasil ini mirip dengan penelitian yang dilakukan Choi et al. (2009), dimana penambahan zeolit dari 0 % hingga 10 % pada pembuatan membran komposit dari poli(1,4-fenilen sulfida) (SPPS) yang semula bernilai 1,5 meq/g berangsur-angsur berkurang menjadi 1,03 meq/g. Pengaruh konsentrasi zeolit sintetik terhadap nilai KTK dan derajat pengembangan dapat dilihat pada Gambar 20.
Gambar 20. Pengaruh konsentrasi zeolit sintetik terhadap nilai KTK dan derajat
commit to user
hidrofil yaitu gugus sulfonat dari PST dan gugus hidroksil dari kerangka zeolit dan interaksi antara kedua gugus tersebut. Dari data tersebut dapat diketahui bahwa membran komposit PST/zeolit memiliki nilai derajat pengembangan yang lebih tinggi daripada membran tanpa zeolit (KTZ), hal ini disebabkan karena adanya partikel zeolit yang bersifat higroskopis sehingga penyerapan air lebih banyak, meski demikian dengan penambahan zeolit yang lebih banyak lagi juga cenderung menurunkan DP. Penurunan derajat pengembangan memberikan efek yang positif dalam aplikasi membran polimer elektrolit karena akan menghambat terjadinya fuel crossover (proses permeasi bahan bakar melalui membran) akan tetapi menurunnya nilai derajat pengembangan juga menyebabkan penyerapan air menjadi berkurang sehingga jumlah air sebagai media transport proton menjadi berkurang dan hal ini menyebabkan penurunan kapasitas ionik membran komposit. Pengaruh konsentrasi zeolit alam terhadap nilai KTK dan derajat pengembangan (DP) ditunjukkan Gambar 21.
Gambar 21. Pengaruh konsentrasi zeolit alam terhadap nilai KTK dan derajat pengembangan (DP)
Gambar 21 menunjukkan bahwa nilai KTK membran komposit KZA lebih tinggi dibandingkan dengan nilai KTK membran tanpa zeolit (KTZ). Penambahan zeolit sebagai pengisi terbukti mampu meningkatkan kapasitas ionik dalam membran komposit karena zeolit bersifat higroskopis menyebabkan air yang terserap dalam membran membran lebih banyak sehingga transport proton semakin baik. Peningkatan nilai KTK juga disebabkan kerangka zeolit yang bersifat anionik dan kation-kation penyeimbangnya dalam kerangka yang bisa dipertukarkan menjadikan KTK membran mengalami peningkatan.
Berdasarkan Gambar 20 dan Gambar 21, terlihat bahwa membran KZS terlihat mengalami penurunan nilai DP dari KZS 3%, KZS 5%, dan KZS 7 %, sedangkan pada KZA terlihat peningkatan nilai DP dari KZA 3% ke KZA 5% tetapi mengalami penurunan pada KZA 7%. Penurunan nilai DP ini dapat disebabkan karena terjadinya interaksi yang kuat antara sulfonat dengan zeolit, dimana pada penambahan zeolit yang semakin banyak akan mengurangi jumlah sulfonat yang ada dan menyebabkan membran menjadi lebih rapat. Gambar 20 dan Gambar 21 juga menunjukkan bahwa nilai DP membran komposit PST/zeolit alam (KZA) lebih tinggi dibanding membran KZS, kemungkinan disebabkan oleh distribusi yang tidak merata dari partikel zeolit alam maupun perbedaan ukuran partikel kedua jenis zeolit. Nilai KTK membran KZA dan KZS yang disintesis masih di atas nilai KTK membran Nafion® (0,89 meq/g) sedangkan untuk nilai derajat pengembangan membran KZA dan KZS hampir sama bahkan lebih kecil dari Nafion® yang memiliki nilai DP sekitar 38 % (Dupont Product Information, 2002). Berdasarkan data tersebut, maka membran komposit yang dihasilkan memiliki potensi yang besar untuk aplikasi membran polimer elektrolit.