i
MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI
–
SiO
2UNTUK APLIKASI
DIRECT
METHANOL FUEL CELL
DAMIYATI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
iii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi–SiO2 untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, April 2015
Damiyati
v
ABSTRAK
DAMIYATI. Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi–SiO2 untuk Aplikasi
Direct Methanol Fuel Cell. Dibimbing oleh ARMI WULANAWATI dan SRI MULIJANI.
Nafion® merupakan membran elektrolit pada direct methanol fuel cell
(DMFC) yang memiliki nilai permeabilitas metanol yang tinggi. Oleh karena itu, membran alternatif seperti polistirena tersulfonasi (PSS) yang ditambahi SiO2 dikembangkan untuk mengurangi tingginya permeabilitas metanol tersebut. Penelitian ini bertujuan menentukan pengaruh tambahan SiO2 pada kinerja PSS. Keberhasilan proses sulfonasi ditunjukkan oleh nilai derajat sulfonasi (DS) dari PSS dengan konsentrasi PS 15% sebesar 81%. Membran komposit dibuat dengan ragam konsentrasi 3%, 5%, dan 7%. Spektrum inframerah transformasi fourier membran komposit menunjukkan gugus sulfonat (-SO3) pada 1008 cm-1 dan O-Si-O pada 1013 cm-1. Nilai konduktivitas proton dan beda potensial tertinggi dihasilkan pada membran PSS-SiO2 3% dengan nilai berturut-turut 2.1 × 10-4 S/cm dan 79 mV. Berdasarkan hasil tersebut, membran komposit PSS-SiO2 dapat diaplikasikan untuk DMFC.
Kata kunci: membran komposit, SiO2, polistirena tersulfonasi, sel bahan bakar metanol
ABSTRACT
DAMIYATI. Composite Sulfonated Polystyrene–SiO2 Membrane for Application on Direct Methanol Fuel Cell. Supervised by ARMI WULANAWATI and SRI MULIJANI.
Nafion® is an electrolyte membrane used in direct methanol fuel cell (DMFC) with high methanol permeability. Therefore, an alternative membrane such as sulfonated polystyrene (PSS) with SiO2 addition was developed to reduce its methanol permeability. The aim of this research was to determine the effect of SiO2 on PSS performance. The success of sulfonation process was indicated by sulfonation degree (DS) value of PSS with 15% PS concentration of 81%. Composite membranes were prepared using various concentrations, i.e. 3%, 5%, and 7%. Fourier transform infrared spectra of the composite membranes showed sulfonate functional group (-SO3) at 1008 cm-1 and O-Si-O at 1013 cm-1. The composite membrane PSS-SiO2 3% gave the highest proton conductivity and voltage of 2.1 × 10-4 S/cm and 79 mV respectively. The result shows that the composite membrane of PSS-SiO2 can be applied as DMFC.
vii
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI
–
SiO
2UNTUK APLIKASI
DIRECT
METHANOL FUEL CELL
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
ix
Judul Skripsi : Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi–SiO2 untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell
Nama : Damiyati
NIM : G44090007
Disetujui oleh
Armi Wulanawati, SSi, MSi Pembimbing I
Dr Sri Mulijani, MS Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Dra Purwantiningsih Sugita, MS Ketua Departemen
xi
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena berkat anugerah dan rahmat-Nya sehingga penulis dapat meyelesaikan karya ilmiah yang berjudul Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi–SiO2 untuk Aplikas Direct
Methanol Fuel Cell. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan penelitian yang dilaksanakan pada bulan September 2014 hingga Februari 2015 di Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia IPB.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Ibu Armi Wulanawati, SSi, MSi dan Ibu Dr Sri Mulijani, MS selaku pembimbing atas bimbingan dan dukungan yang diberikan kepada penulis. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada orang tua, kakak, dan seluruh keluarga atas doa, dukungan, perhatian, dan pengertiannya serta pihak-pihak di Laboratorium Kimia Fisik, antara lain Pak Mail dan Ibu Ai. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada Kak Budi Arifin, rekan-rekan seperjuangan penelitian, dan teman-teman Kimia 46 dan Kimia 47 atas perhatian, saran, dan bantuannya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat bagi penulis maupun pembaca.
Bogor, April 2015
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR LAMPIRAN xiii
PENDAHULUAN 1
Latar Belakang 1
BAHAN DAN METODE 2
Alat dan Bahan 2
Metode 2
Pembuatan Membran Polistirena Tersulfonasi 2
Pembuatan Membran Komposit 3
Pencirian Membran 3
Pengukuran Derajat Sulfonasi 3
Pengujian Water Uptake 3
Penentuan Bobot Jenis 4
Permeabilitas Metanol 4
Pengukuran Konduktivitas Proton 4
Uji Aplikasi Sistem DMFC 5
HASIL DAN PEMBAHASAN 5
Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi-SiO2 5
Pencirian Membran 7
FTIR 7
Derajat Sulfonasi 8
Water Uptake 9
Bobot Jenis Membran 10
Permeabilitas Metanol 10
Konduktivitas Proton 11
Uji Aplikasi Sistem DMFC 12
SIMPULAN DAN SARAN 13
Simpulan 13
Saran 14
DAFTAR PUSTAKA 14
LAMPIRAN 16
xiii
DAFTAR GAMBAR
1 Uji aplikasi DMFC 5
2 Reaksi polistirena tersulfonasi pada posisi para 6
3 Ikatan silang polistirena tersulfonasi posisi para 6
4 Larutan polistirena sebelum (a) dan sesudah (b) proses sulfonasi 7
5 Spektrum inframerah membran 8
6 Derajat sulfonasi pada membran PSS 9
7 Water uptake pada membran 9
8 Bobot jenis berbagai membran 10
9 Konduktivitas proton pada membran 11
10 Bejana pada sistem DMFC 12
11 Beda potensial membran aktivasi 13
12 Nilai arus yang dihasilkan membran 13
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram alir penelitian 16
2 Derajat sulfonasi membran 17
3 Water uptake membran 18
4 Bobot jenis membran 19
5 Konduktivitas proton membran dengan aktivasi maupun nonaktivasi 20
6 Data persentase peningkatan konduktivitas proton membran 20
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Krisis energi merupakan tantangan besar yang harus dihadapi saat ini karena semakin menipisnya cadangan sumber energi fosil, sementara kebutuhan akan energi terus mengalami peningkatan seiring dengan perkembangan aktifitas manusia. Adanya ketergantungan manusia terhadap minyak bumi dan semakin berkurangnya cadangan minyak bumi telah mendorong manusia untuk menemukan bahan bakar alternatif seperti bahan bakar gas, listrik, baterai, sel bahan bakar (fuel cell), biodisel, dan lain-lain. Di antara beragam pilihan penghasil energi substituen, fuel cell merupakan salah satu contoh teknologi energi alternatif yang berpotensi untuk dikembangkan dengan memanfaatkan hidrogen murni sebagai sumber energi (donor elektron). Teknologi fuel cell
dipandang lebih efisien dan tidak menimbulkan polusi (Sopian dan Daud 2005). Sel bahan bakar adalah suatu alat elektrokimia yang mengubah energi kimia secara langsung menjadi energi listrik, air, dan panas dari reaksi bahan bakar dan oksigen tanpa pembakaran sehingga mengurangi polusi dan risiko timbulnya ledakan (Li et al. 2003). Salah satu sel bahan bakar yang sedang dikembangkan, yaitu Direct Methanol Fuel Cell (DMFC). Suhada (2001) menjelaskan DMFC menggunakan polimer sebagai membran elektrolit dan biasanya sel ini beroperasi pada suhu kamar dengan kerapatan daya yang cukup tinggi. Saat ini membran polimer yang banyak digunakan adalah membran elektrolit komersial Nafion® yang terbuat dari fluoro polimer dengan menambahkan rantai cabang gugus sulfonat (Liu et al. 2010). Kelebihan dari membran Nafion® adalah memiliki gugus sulfonat yang mampu menghantarkan proton (H+) dan ketahanan mekanik yang baik (Hendrawan 2007).
Nafion® memiliki konduktivitas proton yang tinggi sebesar 8.6 × 10-2 S/cm pada suhu 30-32 °C (Smitha et al. 2005) serta kestabilan mekanik dan kimia yang baik pada suhu rendah, yaitu 60-100 oC (Hendrana et al. 2007), namun kurang stabil pada suhu tinggi (Cho et al. 2005). Kekurangan membran Nafion® adalah adanya permeasi metanol melalui membran (methanol crossover) yang cukup besar, termasuk dalam polimer yang mahal serta kinerja membran Nafion® menurun di atas 80 °C. Namun demikian, telah banyak usaha yang dilakukan untuk mengganti Nafion® antara lain dengan polieter-eter keton, polisulfon, dan polistirena (Handayani 2009).
Polistirena dari styrofoam dapat dijadikan membran alternatif pengganti Nafion® karena styrofoam mengandung 90-95% polistirena serta 5-10% gas n -butana dan n-pentana. Selain itu, styrofoam merupakan limbah yang sangat sulit penanggulangannya dan tidak dapat diuraikan oleh alam (BPOM 2008).
Styrofoam dapat dimodifikasi melalui proses sulfonasi untuk digunakan sebagai
Proton Exchange Membrane (PEM). Membran polistirena tersulfonasi (PSS) yang dihasilkan diharapkan memiliki sifat fisik seperti halnya Nafion®, yaitu kuat,
polistirena yang dibuat dalam penelitian ini akan dimodifikasi dengan penambahan SiO2.
Silika dioksida (SiO2) merupakan oksida anorganik yang bersifat higroskopis. Adanya aditif oksida anorganik dalam membran komposit akan memberikan peningkatan daya tahan air pada suhu tinggi sehingga diharapkan dapat menjaga konduktivitas ionik akan tetap pada suhu tinggi. Selain itu, penggunaan aditif tersebut dapat menurunkan efek methanol crossover (Arico et al. 2003).
Penelitian ini bertujuan menentukan pengaruh penambahan SiO2 terhadap karakteristik polistirena tersulfonasi sebagai membran Direct Methanol Fuel Cell. Fungsi penambahan SiO2 pada membran polistirena tersulfonasi agar dapat meminimalisasi methanol crossover. DMFC dibuat dengan memanfaaatkan limbah styrofoam. Membran PSS berbahan baku styrofoam diuji dengan spektrofotometer inframerah transformasi fourier (FTIR), serta diukur water uptake, dan konduktivitas proton pada membran, sedangkan kinerja DMFC dilakukan dengan pengukuran beda potensial listrik. Dengan demikian, membran PSS berbahan baku styrofoam untuk aplikasi DMFC diharapkan dapat digunakan sebagai sumber energi listrik yang ramah lingkungan dan dapat mengurangi dampak negatif limbah di lingkungan.
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan antara lain peralatan gelas, labu leher tiga, piknometer, neraca analitik, oven, FTIR Shimadzu Prestige–21, dan LCR–meter HIOKI 3532– 50. Bahan yang digunakan adalah styrofoam, diklorometana, SiO2, H2SO4 pekat (98%), H2O2, kloroform, metanol, NaOH, HCl, larutan K3Fe(CN)6, larutan Na2HPO4, gas nitrogen (N2) dan air deionisasi.
Metode
Pembuatan Membran Polistirena Tersulfonasi(Modifikasi Azimi 2011)
3
Pembuatan Membran Komposit(Dewi dan Handayani 2007)
Sebanyak 7.5 gram PSS dilarutkan ke dalam diklorometana dan ditambahkan SiO2 3%, 5%, 7% dari berat PSS. Selanjutkan diaduk hingga homogen lalu dituangkan ke dalam pelat kaca dan siap dicetak.
Pencirian Membran
Analisis dengan menggunakan spektrofotometer inframerah transformasi fourier (FTIR)
Sampel membran PS, PSS, PSS–SiO2 digerus dan dicampur ke dalam serbuk KBr kemudian ditempatkan dalam cell holder dan diukur spektrumnya. Pengujian dengan FTIR dilakukan untuk menentukan perubahan gugus fungsi membran polistirena–SiO2 (Handayani 2008).
Pengukuran Derajat Sulfonasi (Dhuhita dan Kusuma 2010)
Derajat sulfonasi ditentukan dengan metode titrasi. Sebanyak 0.1 gram PSS (5%, 10%, dan 15%) direndam dengan 10 mL NaOH 1 N selama 3 hari. Selanjutnya dititrasi dengan HCl 1 N dan digunakan indikator fenolftalin sebanyak 3 tetes. Titrasi dilakukan hingga terjadi perubahan warna dari merah muda hingga tak berwarna. Volume HCl yang digunakan untuk titrasi NaOH tanpa sampel sebagai volume awal, sedangkan volume HCl yang digunakan untuk titrasi NaOH dengan sampel sebagai volume akhir. Standardisasi HCl dilakukan menggunakan NaOH. Penentuan derajat sulfonsai dapat diketahui melalui persamaan 1:
w -
(1)
Keterangan: Vawal = volume HCl blangko (mL) Vakhir = volume HCl sampel (mL)
N = normalitas HCl (N)
BE = bobot ekuivalen (g/ek)
Pengujian Water Uptake (Shin et al. 2005 dan Liu et al. 2010)
Membran PSS–SiO2 digunting sebesar 1 × 1 cm2, kemudian dikeringkan dalam oven pada suhu 120 ºC selama 24 jam, lalu ditimbang sebagai wkering. Setelah kering, membran direndam dalam air deionisasi pada suhu kamar selama 48 jam. Kemudian membran dikeluarkan, lalu ditimbang sebagai wbasah. Penentuan kadar air dalam membran dihitung menggunakan persamaan 2:
Penentuan Bobot Jenis
Membran dipotong dengan ukuran yang seragam, kemudian dimasukkan ke dalam piknometer yang telah diketahui bobot kosongnya (w0). Bobot piknometer dan sampel dicatat sebagai (w1). Kemudian piknometer yang berisi potongan sampel ditambahkan akuades hingga tidak terdapat gelembung udara dan ditimbang bobotnya (w2). Bobot piknometer berisi air juga ditimbang dan
Permeabilitas Metanol (Shin et al. 2005)
Permeabilitas metanol diuji secara kualitatif untuk mengukur dapat tidaknya metanol lewat melalui membran. Kompartemen A diisi dengan 50 mL metanol 3 N dan kompartemen B diisi dengan akuades. Kemudian posisi kompartemen A sistem dibalik agar metanol berada di atas membran selama 30 menit, kemudian bagian bawah membran dilap dengan tisu untuk melihat metanol yang terdifusi melalui membran.
Pengukuran Konduktivitas Proton
Konduktans PS, PSS, PSS–SiO2 3%, PSS–SiO2 5%, dan PSS–SiO2 7% diukur menggunakan alat impedance analyzer LCR–meter HIOKI 3532–50. Elektrode karbon dari baterai dibersihkan dan dibuat pipih pada salah satu sisinya. Selanjutnya, aktivasi elektrode dengan merendam ke dalam larutan HCl 1 N selama 1 hari, kemudian perendaman dengan NaOH 1 N selama 1 hari, setelah itu elektrode aktif dicuci dengan air deionisasi sebanyak 3 kali dan direndam hingga akan digunakan (Wisojodharmo dan Dewi 2008).
Setiap membran diaktivasi dengan cara direndam dalam air deionisasi selama 1 jam. Selanjutnya membran direndam dalam H2O2 selama 1 jam dan direndam kembali dalam H2SO4 selama 1 jam, kemudian membran dibilas dengan air deionisasi sebanyak 3 kali. Membran yang telah diaktivasi dan yang tidak diaktivasi diukur luasnya sesuai dengan luas elektrode dan diukur ketebalannya, kemudian dijepit di antara kedua karbon. Selanjutnya nilai konduktans diukur dengan alat impedance analyzer. Nilai konduktivitas proton ditentukan berdasarkan persamaan 4:
5
Keterangan: σ = konduktivitas proton (S.cm-1) L = tebal membran (cm)
G = konduktans (S)
A = luas elektrode (cm2)
Uji Aplikasi Sistem DMFC
Sistem DMFC memiliki 2 sisi, yaitu sisi katode dan anode. Sisi anode berisi 100 mL metanol 3 N, sedangkan sisi katode berisi 50 mL K3Fe(CN)6 dan 50 mL Na2HPO4. Membran diletakkan diantara kedua sisi anode dan katode, kemudian kedua sisi dihubungkan elektrode karbon yang telah diaktivasi. Konduktivitas proton ditentukan menggunakan impedance analyzer LCR–meter HIOKI 3532–50 (Gambar 1), sedangkan beda potensial diukur menggunakan voltmeter.
Gambar 1 Uji aplikasi DMFC
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran Komposit Polistirena Tersulfonasi–SiO2
Sintesis polistirena tersulfonasi dilakukan dengan meneteskan larutan polistirena ke dalam H2SO4 pekat (98%) yang dialiri gas nitrogen sebagai pembawa uap kloroform keluar. Pereaksi sulfonasi selain menggunakan asam sulfat pekat dapat juga menggunakan asam sulfat berasap (oleum) (Dewi dan Handayani 2007). Polistirena tahan terhadap asam, basa, dan zat pengarat lainnya, tetapi mudah larut dalam hidrokarbon aromatik dan berklor (Cowd 1991). Proses sulfonasi termasuk reaksi substitusi elektrofilik aromatik karena terjadinya substitusi atom –H yang terikat pada salah satu atom C aromatik polistirena dengan gugus –SO3 yang bertindak sebagai elektrofilik (McMurry 2008). Reaksi sulfonasi ini dapat terjadi pada posisi orto dan para karena adanya gugus etilena yang memberikan efek dorongan elektron pada cincin aromatik. Berdasarkan hasil yang diperoleh, tersubstitusinya gugus sulfonat pada membran PSS terjadi pada posisi orto dan para yang didukung dengan pencirian gugus fungsi. Posisi para
menunjukkan tidak adanya halangan sterik antara gugus stirena dengan gugus sulfonat, sedangkan posisi orto menunjukkan adanya halangan sterik antara gugus stirena dengan gugus sulfonat. Reaksi sulfonasi yang terjadi pada posisi orto dan
para dilakukan selama 2 jam pada suhu 80 °C dalam ruang asam. Reaksi sulfonasi pada posisi para ditunjukkan pada Gambar 2.
100 mL metanol 3 N
50 mL K3Fe(CN)6
50 mL Na2HPO4
Gambar 2 Reaksi polistirena tersulfonasi pada posisi para
Substitusi pada posisi para menyebabkan PSS dapat berikatan silang dengan sesamanya dan membentuk PSS dalam bentuk anhidrat (Gambar 3). Hal ini berguna untuk proses penukaran proton dan membuat membran lebih higroskopis.
Gambar 3 Ikatan silang polistirena tersulfonasi posisi para
7
(a) (b)
Gambar 4 Larutan polistirena sebelum (a) dan sesudah (b) proses sulfonasi
Selanjutnya, padatan PSS dilarutkan dalam diklorometana agar menjadi pasta. Pasta PSS ini segera dicetak pada pelat kaca dan dikeringudarakan untuk menghilangkan pelarutnya. Membran komposit dihasilkan dengan mencampurkan padatan PSS dengan SiO2 dalam berbagai variasi konsentrasi (3%, 5%, dan 7%) yang dilarutkan dalam diklorometana dan kemudian dicetak menggunakan pelat kaca. Membran dari ketiga konsentrasi SiO2 tidak menunjukkan perbedaan fisik yang signifikan.
Pencirian Membran
FTIR
Gambar 5 Spektrum inframerah membran PS (a), PSS (b), dan PSS–SiO2 7% (c)
Spektrum membran komposit PSS–SiO2 7% (Gambar 5c) menunjukkan serapan pada 1012.67 cm-1 yang menunjukkan puncak serapan khas untuk gugus fungsi O-Si-O (Pavia et al. 2001). Spektrum komposit PSS–SiO2 7% tidak menunjukkan terbentuknya gugus baru, yang menandakan bahwa pencampuran terjadi secara fisik.
Derajat Sulfonasi
Keberhasilan sulfonasi dapat ditunjukkan dengan derajat sulfonasi (DS). Derajat sulfonasi ditentukan dengan metode titrasi asam-basa. Besarnya nilai DS menandakan banyaknya gugus sulfonat (-SO3) yang mensubstitusi atom –H pada gugus aromatik. Berdasarkan Lampiran 2 derajat sulfonasi yang dihasilkan dengan penambahan konsentrasi PS 5%, 10%, dan 15% berturut-turut sebesar 73.52%, 80.01%, dan 81.13%. Nilai DS menunjukkan kemampuan menyerap air pada membran yang berfungsi sebagai media perpindahan proton. Semakin tinggi konsentrasi PS maka akan semakin besar nilai derajat sulfonasi yang dihasilkan. Namun, PS 10% menghasilkan nilai derajat sulfonasi yang tidak jauh berbeda dengan PS 15% dengan kenaikan sebesar 1.12% (Gambar 6). Hal ini menunjukkan bahwa pada konsentrasi tersebut gugus sulfonat yang terbentuk sudah maksimal sehingga penambahan PS dengan konsentrasi yang lebih tinggi akan menghasilkan nilai DS yang tidak signifikan. Konsentrasi PS yang memiliki nilai DS tertinggi digunakan untuk tahap pembuatan membran komposit.
9
Gambar 6 Derajat sulfonasi pada membran PSS
Water Uptake
Pengujian water uptake dilakukan untuk mengukur kemampuan membran dalam menyerap air, karena air pada membran berfungsi sebagai media transport proton (H+) yang erat kaitannya dengan konduktivitas proton. Water uptake
dilakukan pada PSS 15% dengan penambahan SiO2 3%, 5%, dan 7%. Lampiran 3 memperlihatkan terjadi peningkatan bobot membran setelah perendaman yang dinyatakan sebagai bobot basah. Hal ini menunjukkan bahwa membran mempunyai kemampuan untuk mengikat air bebas meskipun penambahan bobotnya tidak signifikan. Gambar 7 menunjukkan nilai water uptake yang dihasilkan pada membran PS lebih kecil dibandingkan dengan PSS. Hal ini disebabkan terjadinya perubahan sifat membran dari hidrofobik menjadi hidrofilik, sehingga semakin banyak kandungan air yang terserap di dalam membran. Penyerapan oleh membran akan mempengaruhi perpindahan proton. Membran komposit PSS–SiO2 7% memiliki nilai water uptake tertinggi sebesar 73.94% dengan peningkatan sebesar 86.72% dari nilai water uptake PSS. Penambahan komposit akan meningkatkan kemampuan membran dalam menyerap air. Semakin tinggi penambahan SiO2 maka semakin besar daya serap membran tersebut sehingga air yang terserap ke dalam membran akan semakin banyak. Suatu polimer akan mengembang ketika molekul-molekul pelarut menembus jaringannya (Stevens 2007).
Bobot Jenis Membran
Penentuan bobot jenis dilakukan menggunakan metode piknometri. Pengukuran dilakukan untuk menentukan kerapatan dan keteraturan molekul dalam menempati ruang dari membran yang dihasilkan. Semakin tinggi nilai bobot jenis maka semakin tinggi tingkat kerapatan dan keteraturan molekul dalam membran tersebut (Kemala et al. 2011). Namun, tersubstitusinya gugus sulfonat yang cukup besar pada posisi orto mempengaruhi struktur PS yang teratur menjadi kurang teratur atau acak serta memungkinkan terjadinya interaksi antarmolekul (Pramono et al. 2012). Berdasarkan data bobot jenis pada Lampiran 4, membran PSS memiliki nilai bobot jenis yang lebih tinggi dibandingkan PS. Hal ini karena adanya gugus sulfonat yang menyebabkan struktur dari PSS menjadi lebih rapat dibandingkan PS. Gambar 8 memperlihatkan nilai bobot jenis yang semakin meningkat seiring dengan meningkatnya konsentrasi SiO2. PSS– SiO2 7% menghasilkan nilai bobot jenis tertinggi sebesar 1.8274 g/mL. Hal ini disebabkan penambahan komposit SiO2 juga dapat meningkatkan kerapatan membran karena fungsinya sebagai pengisi pori-pori PSS.
Gambar 8 Bobot jenis berbagai membran
Permeabilitas Metanol
Permeabilitas metanol diuji secara kualitatif untuk mengetahui adanya
11
Konduktivitas Proton
Membran polimer elektrolit yang baik digunakan untuk aplikasi DMFC seharusnya memiliki permeabilitas metanol yang rendah dan memiliki konduktivitas proton yang tinggi (Shin et al. 2005). Penentuan konduktivitas proton menggunakan alat impedance analyzer LCR-meter dengan elektrode karbon. Penentuan dilakukan pada membran PS, PSS, PSS-SiO2 3%, PSS-SiO2 5%, dan PSS-SiO2 7% dengan membandingkan antara membran aktivasi dan nonaktivasi (Lampiran 5).
Membran yang diaktivasi menggunakan H2O2 dan H2SO4 memiliki nilai konduktivitas proton yang lebih tinggi dibandingkan membran nonaktivasi. Hal ini terjadi karena membran yang diaktivasi dengan berbagai oksidator kuat tersebut memiliki gugus penghantar proton yang lebih aktif sehingga konduktivitas protonnya akan semakin meningkat. Berdasarkan Lampiran 5, PSS dengan penambahan zat aditif dapat meningkatkan nilai konduktivitas proton. Sebaliknya, semakin tinggi konsentrasi SiO2 pada membran baik yang diaktivasi maupun nonaktivasi justru menurunkan nilai konduktivitas proton.
Gambar 9 menunjukkan PSS–SiO2 3% memiliki konduktivitas proton tertinggi dibandingkan membran yang lain. PSS–SiO2 3% nonaktivasi menghasilkan konduktivitas proton sebesar 1.812 × 10-4 S/cm, sedangkan penambahan SiO2 5% dan 7% menurun sebesar 0.82% dan 3.51% (Lampiran 6). PSS–SiO2 3% yang diaktivasi sebesar 2.112 × 10-4 S/cm, sedangkan penambahan SiO2 5% dan 7% menurun sebesar 7.20% dan 5.56% (Lampiran 6). Hal ini menunjukkan bahwa penambahan zat aditif yang berlebih dapat menyebabkan tertutupnya gugus sulfonat sebagai penghantar proton sehingga akan menurunkan nilai konduktivitas proton. Nilai konduktivitas proton yang diperoleh pada penelitian ini lebih tinggi jika dibandingkan dengan penelitian yang dilakukan Anggraeni dan Rani (2013), yaitu membran PSS–natrium alginat 3% dan PSS-zeolit 5% yang secara berturut-turut memiliki nilai konduktivitas proton sebesar 4.1825 × 10-6 S/cm dan 2.0339 × 10-6 S/cm. Semakin besar konduktivitas proton yang dihasilkan, maka membran tersebut semakin baik digunakan dalam sistem sel bahan bakar. Berdasarkan hasil yang diperoleh pada membran PSS–SiO2 3% baik nonaktivasi maupun yang diaktivasi, nilai tersebut masih lebih kecil dibanding konduktivitas membran Nafion® yaitu sebesar 8.6 × 10-2 S/cm (Smitha
et al. 2005).
Gambar 9 Konduktivitas proton pada membran A (PS), B (PSS 15%), C, D, dan E berturut-turut PSS–SiO2 dengan konsentrasi 3%, 5%, dan 7%
Uji Aplikasi Sistem DMFC
Membran elektrolit yang dihasilkan diuji pada sistem DMFC. Uji ini dilakukan pada sebuah bejana yang terdiri atas 2 kompartemen. Kompartemen A (anode) berisi larutan metanol yang berfungsi sebagai bahan bakar, sedangkan kompartemen B (katode) berisi larutan kalium ferisianida dalam buffer fosfat (Gambar 10).
Gambar 10 Bejana pada sistem DMFC
Dalam DMFC metanol langsung diubah menjadi energi listrik melalui proses kimia dengan menggunakan membran sebagai penghalang selektif (Marita 2011). Proses oksidasi metanol menghasilkan elektron, proton, dan gas CO2. Gas CO2 dikeluarkan dari sistem, sementara proton bergerak melewati membran menuju katode kemudian bereaksi dengan O2 dan menghasilkan air, sedangkan tumpukan elektron di anode akan mengalir ke katode dengan menghasilkan beda potensial (Marita 2011). Fe3+ dari larutan K3Fe(CN)6 akan tereduksi menjadi Fe2+ oleh aliran elektron dari anode tersebut dengan ditandai timbulnya warna kuning kehijauan pada larutan. Berikut reaksi yang terjadi dalam sistem.
Reaksi 1:
Anoda : CH3OH(l) + H2O(l) CO2(g)+ 6H++ 6e -Katoda : 3/2 O2(g) + 6H++ 6e- 3H2O(l)
Reaksi keseluruhan : CH3OH(l) + 3/2 O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) (Kundu dan Sharma 2007)
Reaksi 2:
Reduksi : Fe3+ + e- Fe2+ E° = 0.77 V
Oksidasi : Fe Fe2+ + 2e- E° = 0.44 V
13
Gambar 11 Beda potensial pada berbagai membran yang telah diaktivasi
Arus yang dihasilkan dapat diperoleh dengan mengkonversi nilai beda potensialnya (Lampiran 7). Gambar 12 menunjukkan nilai arus yang dihasilkan pada sistem DMFC. Penambahan komposit dan gugus sulfonat dapat meningkatkan arus yang dihasilkan, hal ini dikarenakan arus berbanding lurus dengan beda potensial. Nilai arus yang dihasilkan menunjukkan banyaknya muatan listrik akibat pergerakan elektron pada sistem DMFC. Semakin banyak elektron yang bergerak maka nilai kuat arus yang dihasilkan akan semakin tinggi.
Gambar 12 Nilai arus yang dihasilkan membran
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Membran komposit polistirena tersulfonasi-SiO2 dapat diaplikasikan dalam
Direct Methanol Fuel Cell dengan nilai konduktivitas proton dan beda potensial yang diperoleh berturut-turut sebesar 2.112 × 10-4 S/cm dan 79.3 mV tanpa adanya methanol crossover.
Saran
Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut meliputi uji Differential Scanning Calorimetry (DSC) untuk analisis uji ketahanan membran terhadap suhu tinggi dan uji X-Ray Diffraction (XRD) untuk mengukur kristalinitas membran yang dapat mempengaruhi nilai konduktivitas proton membran.
DAFTAR PUSTAKA
Anggraini Y. 2013. Membran komposit polistirena tersulfonasi-natrium alginat untuk aplikasi direct methanol fuel cell [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Arico AS, Baglio V, Di Blasi A, Creti P, Antonucci PL, Antonucci V. 2003. Influence of the acid-base characteristics of inorganic fillers on the high temperature performance of composite membranes in direct methanol fuel
cells. Solid State Ionics.
161(3-4):251-256.doi:10.1016/S0167-2738(03)00283-2.
Azimi M. 2011. Preparation of N, N-dichloropolystyrene sulfonamide nanofiber as a regenerable self-decontaminating material for protection against chemical warfare agents. IJND. 2(4):253-259. ISSN: 2008-8868.
[BPOM] Badan Pengawas Obat dan Makanan. 2008. Kemasan Polistirena Foam (Styrofoam). Jakarta (ID): BPOM.
Cho SA, Oh IH, Kim HJ, Ha HY, Hong SA, Ju JB. 2005. Surface modified Nafion® membrane by ion beam bombardment for fuel cell aplications. J Power Sources. 155(2):286-290.doi:10.1016/j.jpowsour.2005.05.040.
Cowd MA. 1991. Kimia Polimer. Firman H, penerjemah; Padmawinata K, editor. London (UK): J Murray. Terjemahan dari: Polymer Chemistry.
Dewi EL, Handayani S. 2007. Karakterisasi komposit hidrokarbon polimer tersulfonasi (sABS-Z) sebagai alternatif polielektrolit untuk fuel cell. JSMI. 43(1):1-4. ISSN:1411-1098
Evaani DY, Sari EC. 2012. Sintesis dan pemanfaatan kitosan–alginat sebagai membran ultrafiltrasi ion K+. UNESA J Chem. 1(2):1-7.
Handayani S. 2009. Membran elektrolit berbasis polieter-eter keton tersulfonasi untuk direct methanol fuel cell suhu tinggi [disertasi]. Jakarta (ID): Universitas Indonesia.
Handayani S, Dewi EL. 2008. Pengaruh suhu operasi terhadap karakteristik membran elektrolit polieter eter keton tersulfonasi. JSMI. 8(2):43-47.
Handayani S, Dewi EL. 2009. Blending akrilonitril butadiena stiren dengan polietereterketon tersulfonasi untuk sel bahan bakar metanol langsung. Seminar Nasional Teknik Kimia Indonesia–SNTKI. ISBN 978-979-98300-1-2.
Hendrana S, Pujiastuti S, Sudirman, Rahayu I, Rustam YH. 2007. Pengaruh suhu dan tekanan proses pembuatan konduktivitas ionik membran PEMFC berbasis polstirena tesulfonasi. JSMI. 8(3):187-191.
15
Kemala T, Sjahriza A, Felani N. 2011. Sifat mekanis polipaduan polistirena pati menggunakan zat pemlastis epoksida minyak jarak pagar. Di dalam: Delvira N, editor. Prosiding Seminar Himpunan Kimia Indonesia; 2011 Jul 18-19; Pekanbaru, Indonesia. Pekanbaru (ID): Dewan Riset Nasional. ISSN: 2086-4310.
Kundu PP, Sharma Vinay. 2007. Composites of proton-conducting polymer electolyte membrane in direct methanol fuel cels. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 32:51-66.doi:10.1080/10408430701364354 Li L, Xu L, Wang Y. 2003. Novel proton conducting composite membranes for
direct methanol fuel cell. Mat Lett. 57(8):1406-1410.doi:10.1016/S0167-577X(02)00998-9.
Liu Q, Song L, Zhang Z, Liu X. 2010. Preparation and characterization of the PVDF-based composite membrane for direct methanol fuel cell. IJEE.
1:643-656. ISSN 2076-2909
Marita IM. 2011. Pembuatan dan karakterisasi komposit membran PEEK silika/clay untuk aplikasi direct methanol fuel cell (DMFC) [tesis]. Semarang (ID): Universitas Diponegoro.
McMurry J. 2008. Organic Chemistry. Washington (US): Thomson Learning. Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS. 2001. Introduction to Spectroscopy. Ed ke-3.
Washington (US): Thomson Learning.
Pramono E, Wicaksono A, Priyadi, Wulansari J. 2012. Pengaruh derajat sulfonasi terhadap degradasi termal polistirena tersulfonasi. IJAP. 2(2):157-163. Rani YS. 2013. Membran komposit polistirena tersulfonasi-zeolit untuk aplikasi
direct methanol fuel cell [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Shin JP, Chang BJ, Kim JH, Le SB, Suh DH. 2005. Sulfonated polystyrene/PTFE
composite membrane. J Membr Sci.
251(1):247-254.doi:10.1016/j.memsci.2004.09.050.
Smitha B, Sridhar S, Khan AA. 2005. Solid polymer electrolyte membranes for fuel cell applications—a review. J Membr Sci. 259(1):10-26. doi:10.1016/j.memsci.2005.01.035
Sopian K, Daud WRW. 2005. Challenges and future developments in proton
exchange membrane fuel cells. Renewable energy
31(5):719-727.doi:10.1016/j.renene.2005.09.003
Stevens M. 2007. Kimia Polimer. Sopyan I, penerjemah. Jakarta (ID): Pradnya Pramita. Terjemahan dari: Polymer Chemistry: An Introduction.
Suhada H. 2001. Fuel cell sebagai penghasil energi abad 21. J Tek Mes. 3(2):92-100.
Wisojodharmo LA, Dewi LE. 2008. Pembuatan membrane electrode assembly
LAMPIRAN
Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Polistirena tersulfonasi (PSS)
Membran PSS-SiO2
FTIR Kualitatif
Pencirian membran Aktivasi membran
Permeabilitas metanol
Derajat sulfonasi
Water uptake Bobot jenis
Konduktivitas proton
Uji aplikasi DMFC
Kuantitatif
Polistirena
Ditambahkan ke dalam asam sulfat pekat pada suhu 80 ºC selama 2 jam
17
Lampiran 2 Derajat sulfonasi membran
Membran Bobot
membran (g)
Volume HCl (mL) Derajat
Sulfonasi (%)
awal akhir terpakai
PSS 5 % 0.1000 25.00 33.90 8.90 73.52
PSS 10 % 0.1027 22.20 31.00 8.80 80.01
PSS 15 % 0.1007 0.00 8.80 8.80 81.13
Contoh perhitungan membran PSS 5%:
Diketahui:
Volume NaOH 1 N = 10.00 mL
V awal = V HCl blanko = 9.80 mL Vakhir = V HCl terpakai = 8.90 mL
BE SO3 = 80.06 g/ek
Standardisasi HCl
V NaOH × N NaOH = V HCl ×V HCl 10 mL × 1.0000 N = 9.80 mL × N HCl
N HCl = 1.0204 N
w
- ⁄ ⁄
Lampiran 3 Water uptake membran
Membran Ulangan
Bobot, w (g) Water
uptake
(%)
Rerata
water uptake
(%)
kering basah
1 0.0062 0.0063 1.6129
PS 2 0.0063 0.0065 3.1746 3.18
3 0.0063 0.0066 4.7619
1 0.0015 0.0020 33.3333
PSS 2 0.0020 0.0028 40.0000 39.60
3 0.0022 0.0032 45.4545
1 0.0056 0.0086 53.5714
PSS–SiO2 3% 2 0.0044 0.0068 54.5455 50.53
3 0.0046 0.0066 43.4783
1 0.0064 0.0113 76.5625
PSS–SiO2 5% 2 0.0080 0.0123 53.7500 62.31
3 0.0053 0.0083 56.6038
1 0.0092 0.0163 77.1739
PSS–SiO2 7% 2 0.0086 0.0145 68.6047 73.94
3 0.0071 0.0125 76.0563
Contoh perhitungan membran PSS–SiO2 7% ulangan 1:
–
–
Water uptake = 77.1739%
19
Lampiran 4 Bobot jenis membran
Membran Ulangan
Bobot, w (g/mL) Bobot jenis, d (g/mL)
Rerata d (g/mL)
w0 w1 w2 w3
1 10.9905 11.1991 36.6962 36.6649 1.1719
PS 2 10.9905 11.1746 36.7097 36.6649 1.3162 1.2719 3 10.9905 11.2098 36.7197 36.6649 1.3277
1 10.9765 11.0132 36.5612 36.5434 1.9333
PSS 2 10.9765 11.0084 36.5523 36.5434 1.3812 1.5793 3 10.9765 11.0098 36.5534 36.5434 1.4233
1 10.9975 11.0082 36.6142 36.6102 1.5902
PSS–SiO2 3% 2 10.9975 11.0093 36.6152 36.6102 1.7278 1.6240 3 10.9975 11.0078 36.6139 36.6102 1.5540
1 10.9868 11.0023 36.5965 36.5896 1.7945
PSS–SiO2 5% 2 10.9868 11.0015 36.5963 36.5896 1.8295 1.7365 3 10.9868 11.0075 36.5973 36.5896 1.5856
1 10.9918 11.0152 36.5926 36.5813 1.9254
PSS–SiO2 7% 2 10.9918 11.0148 36.5918 36.5813 1.8320 1.8274 3 10.9918 11.0138 36.5906 36.5813 1.7248
Contoh perhitungan untuk membran PS ulangan 1:
Diketahui:
Suhu pada percobaan 30 oC
Bobot jenis air (d1) = 0.99623 g/mL Bobot jenis udara (da) = 0.00125 g/mL
–
Lampiran 5 Konduktivitas proton membran dengan aktivasi maupun nonaktivasi
Membran Perlakuan Konduktans, G
( × 10-3 S)
Luas permukaan membran, A = 3.52 cm2
Tebal membran, L = 0.005 cm
Contoh perhitungan membran PS nonaktivasi:
σ
σ σ 1.200 × 10-4 S/cm
Lampiran 6 Data persentase peningkatan konduktivitas proton membran
Elektrode Membran
Konduktivitas ( × 10-4 S/cm)
Peningkatan konduktivitas (%) Nonaktivasi Aktivasi Nonaktivasi Aktivasi
Karbon
Keterangan: tanda (-) menunjukkan persentase penurunan konduktivitas proton
21
Lampiran 7 Beda potensial dan arus listrik dalam sistem DMFC
Membran Konduktans, G
(S)
Beda potensial, V (mV)
Arus listrik, I (Ampere)
PS 0.1283 29.4 0.0038
PSS 0.2910 33.9 0.0099
PSS-SiO2 3% 0.5777 79.3 0.0458
PSS-SiO2 5% 0.5533 63.5 0.0351
PSS-SiO2 7% 0.5346 58.3 0.0312
Contoh perhitungan pada membran PSS:
I = G × V
х
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Tangerang pada tanggal 27 Februari 1991 dari ayah Rasim dan ibu Asnariyah. Penulis adalah putra kelima dari lima bersaudara. Tahun 2006 penulis lulus dari SMPN I Sepatan. Tahun 2009 penulis lulus dari MA Negeri Mauk Tangerang dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) dan diterima di Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama masa perkuliahan, penulis pernah menjadi asisten praktikum Kimia Fisik (mayor) pada tahun ajaran 2012/2013 dan asisten praktikum Kimia Fisik (layanan) pada tahun ajaran 2013/2014. Selain itu, penulis juga aktif mengajar di Serambi Belajar Cipta Cendekia (SBCC) Bukit Cimanggu City dari tahun 2011 sampai 2012 dan di Bimbingan Konseling dan Belajar (BKB) Nurul Fikri dari awal tahun 2013 sampai sekarang. Penulis juga pernah aktif sebagai ketua Komisi I DPM TPB IPB (2009-2010), ketua departemen Class Rohis Management
(CRM) (2010-2011) dan ketua departemen Human Resource Development (HRD) (2011-2012) Serum-G FMIPA IPB. Bulan Juli sampai Agustus 2013 penulis melaksanakan Praktik Lapangan di Balai Besar Penelitian Veteriner (BBalitvet) Bogor dengan judul Analisis Residu Senyawa Trenbolon dalam Daging dan Hati Sapi Impor.
