MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY DARI KOMPOSIT
POLISULFON-TiO
2UNTUK APLIKASI
MICROBIALFUEL CELL
BENI PAMBUDI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Membrane Electrode Assembly dari Komposit Polisulfon-TiO2 untuk Aplikasi Microbial 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, Januari 2016
ABSTRAK
BENI PAMBUDI. Membrane Electrode Assembly dari Komposit Polisulfon-TiO2
untuk Aplikasi Microbial Fuel Cell. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ARMI WULANAWATI.
Penelitian ini merakit membrane electrode assembly (MEA) berbasis membran komposit polisulfon-TiO2 untuk aplikasi microbial fuel cell (MFC).
Membran komposit diperoleh dengan menambahkan TiO2 sebagai matriks dengan
konsentrasi TiO2 5%, 10%, dan 15%. MEA dirakit menyalutkan membran
komposit PSf-TiO2 pada elektrode berkatalis Ag(AgNO3)/C 20% b/b dengan
metode hotpress. Keberhasilan pembuatan MEA terlihat dari morfologinya yang dicirikan menggunakan mikroskop elektron pemayaran dengan terbentuknya salut karbon dan membran komposit pada penampang lintang MEA. Nilai konduktivitas proton dan beda potensial tertinggi dihasilkan pada MEA PSf-TiO2
5% dengan nilai berturut-turut 0.1274 × 10-2 S/cm dan 0.202 V. Berdasarkan hasil
tersebut, MEA PSf-TiO2 dapat diaplikasikan dalam sistem MFC.
Kata kunci: membrane electrode assembly, membran komposit, polisulfon, sel bahan bakar mikrob, titanium dioksida
ABSTRACT
BENI PAMBUDI. Membrane Electrode Assembly Based on Composite of Polysulfone-Titanium Dioxide for Microbial Fuel Cell. Supervised by SRI MULIJANI and ARMI WULANAWATI.
The study isconcerned to membrane electrode assembly (MEA) based on polysulfone-TiO2 composite membrane for microbial fuel cell (MFC) application.
The composite membrane was assembled by adding titanium dioxide as a matrix with varying titanium dioxide concentrations of 5%, 10%, and 15%. The MEA was prepared by coating the activated PSF-TiO2 composite membrane with Ag/C
20% w/w catalyst layer using hot press method. The success of MEA preparation was assesed by its morphology as characterized using scanning electron microscope with the formation of carbon and composite membrane layers on its cross section. The MEA of 5% PSf-TiO2 gave the highest proton conductivity and
voltage of 0.1274 × 10-2 S/cm and 0.202 V, respectively. The result shows that
MEA PSF-TiO2 can be applied in MFC system.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY DARI KOMPOSIT
POLISULFON-TiO
2UNTUK APLIKASI
MICROBIALFUEL CELL
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR 2016
PRAKATA
Puji dan syukur kehadirat Allah SWT berkat rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah ini. Penelitian ini dilaksanakan dari bulan Maret sampai September 2015 yang bertempat di Laboratorium Kimia Fisik, Departemen Kimia; Laboratorium Biofisika Membran, Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam dan Fakultas Peternakan , Institut Pertanian Bogor.
Penulis banyak mengucapkan terima kasih kepada yang terhormat Ibu Dr Sri Mulijani, MS selaku pembimbing pertama dan Ibu Armi Wulanawati, SSi, MSi selaku pembimbing kedua yang telah memberikan bimbingan dan semangat kepada penulis selama penelitian dan penyusunan karya ilmiah ini. Terima kasih kepada Bapak Mail dan Ibu Ai yang telah membantu dalam berdiskusi selama penyusunan karya ilmiah, pemakaian alat dan bahan di laboratorium.
Ungkapan terima kasih kepada Ibu, Ayah, kakak, keponakan dan seluruh keluarga atas doa, dukungan dan semangatnya. Ucapan terima kasih kepada Rizky Adityawardana, A Hawari A, Malik, Rescy, Dita, Eva N, Vinna T, Eva S dan segenap Keluarga Kimia Angkatan 48 dan AKAPELA yang telah membantu, memberikan semangat, motivasi dan dorongan dalam menyusun karya ilmiah ini.
Semoga tulisan ini dapat bermanfaat dan menambah wawasan bagi penulis maupun bagi pambaca.
Bogor, Januari 2016
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR xiv
DAFTAR LAMPIRAN xiv
PENDAHULUAN 1
METODE 2
Alat dan Bahan 2
Metode 2
Pembuatan Membran Polisulfon Komposit TiO2 2
Pengukuran Bobot Jenis Membran 3
Pengujian Water Uptake Membran 3
Pembuatan Membrane Electrode Assembly 3
Pencirian Membran 4
Pengukuran Konduktivitas Proton Membran 4
Uji Permeabilitas Membran 4
Uji Aplikasi Sistem MFC 5
Perhitungan Total Mikroba dalam Air Perasan Rumen Sapi 5
HASIL DAN PEMBAHASAN 5
Membran Komposit Polisulfon-TiO2 5
Bobot Jenis Membran 6
Water Uptake Membran 6
Membrane Electrode Assembly 7
Morfologi Membran 7
Sifat Permeabilitas Membran 8
Konduktivitas Proton Membran 9
Aplikasi Sistem MFC 10
Total Mikrob dalam Air Perasan Rumen Sapi 12
SIMPULAN DAN SARAN 12
Simpulan 12
Saran 12
DAFTAR PUSTAKA 12
LAMPIRAN 15
DAFTAR GAMBAR
1 Rerata bobot jenis membran 6
2 Persentase rerata water uptake membran 7
3 Morfologi penampang lintang MEA dengan katalis (a dan c) dan MEA tanpakatalis (b dan d) pada perbesaran 100-500× 8 4 Data konduktivitas proton membran nonMEA dan MEA 10
5 Kompartemen sistem MFC 10
6 Beda potensial pada membran nonMEA dan MEA 11
DAFTAR LAMPIRAN
1 Bagan alir penelitian 15
2 Data penentuan water uptake membran 16
3 Data peningkatan water uptake membran 16
4 Data penentuan bobot jenis membran 17
5 Data peningkatan bobot jenis membran 18
6 Data konduktivitas proton membran 18
7 Data peningkatan konduktivitas proton membran 19
8 Data beda potensial dan arus listrik dalam sistem MFC 19
PENDAHULUAN
Pertambahan jumlah penduduk dan kemajuan teknologi memicu konsumsi energi yang lebih banyak. Hal ini mengakibatkan terjadinya krisis energi yang menjadi suatu permasalahan penting di dunia, termasuk Indonesia. Sekarang ini pemenuhan energi masih bergantung pada energi fosil sebanyak 96% (minyak bumi 48%, gas 18% dan batubara 30%) (Said 2014). Pemanfaatan energi fosil yang tidak dapat diperbaharui dengan konsumsi sebanyak itu akan mengakibatkan krisis energi. Salah satu alternatif untuk mengatasi masalah ini adalah sel bahan bakar (fuel cell) karena memanfaatkan bahan bakar terbarukan.
Fuel cell atau sel bahan bakar merupakan sel elektokimia yang mengonversi energi kimia menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia. Beberapa jenis sel bahan bakar, yaitu alkaline fuel cell (AFC), phosphoric acid fuel cell (PAFC), direct methanol fuel cell (DMFC), solid oxide fuel cell (SOFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), proton exchange membrane (PEMFC) (Handayani 2008). Selain itu ada pula sel bahan bakar yang pengaplikasiannya menggunakan bantuan mikroorganisme yang dikenal microbial fuel cell (MFC). Sel bahan bakar ini merupakan sumber energi yang mengonversi biomassa menjadi listrik melalui aktivitas mikroorganisme, terutama menggunakan limbah cair (Liu et al. 2009). Salah satu jenis limbah cair yang dapat dijadikan bahan bakar dalam MFC adalah air perasan rumen sapi yang memiliki jumlah mikroorganisme sekitar 108-1010
cfu/mL (Ogitomo dan Imai 1980).
Pada umumnya MFC menggunakan membran penukar ion (PEM) yang berfungsi sebagai membran elektrolit seperti Nafion. Membran elektrolit ini merupakan jenis polimer yang memiliki konduktifitas ionik yang tinggi yaitu 0.1 S.cm-1 pada 25 ºC serta kestabilan mekanik, termal dan kimia yang baik
(Hendrana et al. 2007). Namun, kendala utama dari Nafion adalah konduktivitas proton menurun pada suhu tinggi (>80 ºC) (Handayani 2007) dan harganya yang relatif mahal.
Hal tersebut dapat diatasi dengan mengganti Nafion dengan suatu poliaromatik seperti polibenzimidazol, polieter sulfon, polieter keton, polistirena dan polisulfon (Handayani et al. 2007). Salah satu polimer yang sedang dikembangkan adalah polisulfon. Keunggulan polisulfon adalah tahan terhadap panas, stabil antara pH 1.5-13, mempunyai kekuatan tarik yang baik dan tidak larut atau rusak oleh asam encer atau alkali (Juniarzadinata 2011). Hal lain untuk meningkatkan kinerja membran polisulfon perlu ditambahkan suatu komposit. Marita (2011) menyatakan bahwa kelebihan menggunakan membran komposit adalah kinerja membran yang lebih optimal sehubungan dengan selektivitas, stabilitas kimia dan termal, dan laju permeasi. Salah satu bahan komposit adalah TiO2 yang merupakan sebuah nanomaterial dengan keunggulan, yaitu kemampuan
untuk menahan dan mendekomposisi bakteri, tahan terhadap UV, super hidrofilik dan dapat sebagai fotokatalisator (Pramono 2012). Penambahan TiO2 pula dapat
meningkatkan kestabilan terhadap suhu tetapi dengan konsentrasi yang tinggi dapat menurunkan kelarutan dari komposit dan mengakibatkan membran rapuh (Devrim et al. 2009).
2
menggunakan membrane electrode assembly (MEA). MEA merupakan penggabungan dua elektrode (anode dan katode) dengan membran polimer menggunakan katalis. Keunggulan MEA adalah meningkatkan konduktivitas elektrik dan mempercepat reaksi elektrokimia (Tse 2006). Metode ini dapat meningkatkan efisiensi berkisar antara 10-20% untuk reaksi elektrokimia pada elektrode tersebut (Peck et al. 1999). Pada umumnya, katalis yang digunakan dalam pembuatan MEA adalah Pt/C karena bersifat inert dan kestabilan yang tinggi. Namun, penggunaan katalis tersebut memerlukan biaya yang relatif mahal. Oleh karena itu dalam penelitian ini digunakan katalis Ag/C dengan harga yang lebih murah dan mudah didapat dalam bentuk garamnya serta nilai potensial reduksinya sebesar 0.8 V yang mendekati nilai potensial reduksi Pt/C sebesar 1.2 V (Mulyani et al. 2012).
Berdasarkan uraian diatas, pada penelitian ini akan dibuat membrane electrode assembly menggunakan polisulfon yang dikompositkan dengan variasi konsentrasi TiO2 untuk aplikasi microbial fuel cell. Tujuan dari penelitian ini
mempelajari pengaruh penambahan konsentrasi komposit TiO2 terhadap kinerja
membran. MEA yang dihasilkan diharapkan memiliki sifat fisik yang kuat, memiliki konduktivitas yang tinggi serta dapat menjadi sumber energi alternatif, dapat diperbaharui dan mengurangi dampak negatif limbah dilingkungan.
METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan adalah peralatan gelas, oven, piknometer, neraca analitik, hotpress, elektrode karbon, seperangkat alat untuk menghitung total bakteri dengan metode total plate count (TPC), scanning electron microscope (SEM), LCR-meter, multimeter, dan alat MFC. Bahan-bahan yang digunakan adalah Polisulfon (Sigma-Aldrich), TiO2, kloroform, air perasan rumen sapi,
karbon grafit, AgNO3, kertas karbon, H2O2 3%, H2SO4 0.5 M, NaOH 1 N, HCl 1
N, larutan K3[Fe(CN)6], larutan K2HPO4, buffered peptone water (BPW), plate
count agar (PCA) dan air deionisasi.
Metode
Pembuatan Membran Polisulfon Komposit TiO2
Polisulfon sebanyak 3.75 gram dilarutkan dengan 25 mL kloroform. Setelah itu, campuran diaduk sampai homogen selama 2 jam. Kemudian ditambahkan TiO2 sebanyak 5%, 10%, dan 15% dari bobot Polisulfon. Campuran PSf-TiO2
3
Pengukuran Bobot Jenis Membran
Membran PSf-TiO2 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 sampel ditambahkan akuades hingga tidak terdapat gelembung udara dan ditimbang (w2). Bobot piknometer berisi akuades juga ditimbang dan bobotnya
dicatat (w3). Bobot jenis sampel dihitung menggunakan Persamaan 1.
d= w1-w0
Pengujian Water Uptake Membran
Membran komposit PSf-TiO2 berukuran 1×1 cm2 dikeringkan dalam oven
dengan suhu 120 °C selama 24 jam lalu ditimbang sebagai wkering. Setelah itu
membran direndam dalam air deionisasi pada suhu ruang selama 24 jam. Membran dikeluarkan dan dibersihkan dengan tisu lalu ditimbang sebagai wbasah.
Penimbangan dilakukan untuk mengetahui selisih bobot membran pada saat basah dan kering melalui Persamaan 2
Water uptake (%) = - × 100% (2)
Pembuatan Membrane Electrode Assembly
Membrane electrode assembly (MEA) dibuat dengan dua cara, yaitu dibuat tanpa dan dengan katalis. Membran tanpa katalis dibuat dengan cara dilapisi dengan lem pada kedua sisi membran. Setelah itu karbon ditaburkan pada kedua sisi membran sampai rata, kemudian dihimpitkan dengan kertas karbon yang sebelumnya sudah dilapisi lem dan dicetak menggunakan hotpress selama 3 menit. Membran dengan katalis dibuat dengan mencampurkan 20% katalis Ag(AgNO3)/C dengan 5% larutan PSf-TiO2 dengan pelarut kloroform dan diaduk
hingga membentuk pasta. Lapisan elektrode dibuat dengan mengoleskan campuran katalis di permukaan kertas karbon. MEA dibentuk dengan menghimpitkan membran yang sebelumnya telah diaktivasi dengan direndam dalam H2O2 3% selama 1 jam lalu membran direndam kembali dalam H2SO4
4
Pencirian Membran
Membran dianalisis menggunakan SEM untuk melihat morfologi permukaan dan lapisan dari membran berdasarkan penampang lintang. MEA PSf-TiO2 dibekukan dengan nitrogen cair selama 10 menit kemudian dipatahkan dan
ditempelkan pada cell holder. MEA dilapisi dengan emas lalu dimasukkan ke dalam chamber dan dipotret penampang lintang membran.
Pengukuran Konduktivitas Proton Membran
Pengukuran konduktivitas dilakukan menggunakan alat LCR meter, di Laboratorium Biofisika Membran, Departemen Fisika, FMIPA, IPB. Membran berukuran (4×0.85) cm2 diapit dengan dua elektrode karbon yang dihubungkan
dengan kutub positif dan negatif pada alat, sehingga diperoleh nilai konduktans membran. Elektrode yang digunakan adalah karbon. Elektrode diaktivasi dengan cara direndam ke dalam larutan HCl 1 N selama 24 jam, kemudian NaOH 1 N selama 24 jam, setelah itu elektrode aktif dibilas dengan air deionisasi dan direndam hingga akan digunakan.
Membran yang digunakan diukur ketebalannya menggunakan mikrometer digital sehingga diperoleh tebal membran yang berbanding lurus dengan jarak antara kedua elektrode karbon (L). Nilai konduktans (G) yang diperoleh dikonversi menjadi nilai konduktivitas per satuan jarak yang disebut dengan nilai konduktivitas proton (σ) melalui Persamaan 3.
σ = G AL (3)
Keterangan:
σ = konduktivitas proton (S/cm) A = luas permukaan (cm2)
L = tebal membran (cm) G = nilai konduktans (S)
Uji Permeabilitas Membran
5
Uji Aplikasi Sistem MFC
Pengukuran beda potensial listrik dalam sistem sel bahan bakar diukur menggunakan 2 sistem bejana, yaitu sistem anode dan katode. Bejana pertama yang bertindak sebagai anode diisi dengan 100 mL air perasan rumen sapi, sedangkan bejana kedua yang bertindak sebagai katode diisi dengan 50 mL larutan K3[Fe(CN)6] 50 mM dan 50 mL larutan K2HPO4 100 mM. Membran
direkatkan pada bagian tengah kedua bejana tersebut. Beda potensial listrik diukur dengan menghubungkan elektrode yang dimasukkan ke dalam bejana yang terhubungkan dengan kutub positif dan kutub negatif dari multimeter.
Perhitungan Total Mikroba dalam Air Perasan Rumen Sapi
Metode yang digunakan dalam perhitungan total mikroba dalam air perasan rumen sapi adalah metode total plate count (TPC). Air perasan rumen sapi sebanyak 25 mL dimasukkan ke dalam wadah steril, kemudian ditambahkan 225 mL larutan BPW dan diaduk hingga homogen yang kemudian merupakan larutan dengan konsentrasi 10-1. Sebanyak 1 mL suspensi dengan konsentrasi 10-1 diambil
dan dicampurkan dengan 9 mL larutan BPW, sehingga diperoleh suspensi dengan konsentrasi 10-2, kemudian dibuat suspensi hingga 10-8. Setelah itu masing-masing suspensi pengenceran, diambil 1 mL dan dipindahkan ke dalam cawan petri. Media PCA yang telah dicairkan bersuhu 45 ± 1 oC sebanyak 15 mL
ditambahkan ke dalam cawan petri yang berisi suspensi pengenceran, kemudian dilakukan pemutaran dan didiamkan hingga menjadi padat. Padatan tersebut diinkubasi selama 24 jam. Setelah itu, dihitung jumlah koloni pada setiap pengenceran. Rata-rata jumlah koloni dikalikan dengan faktor pengencerannya, kemudian hasilnya dinyatakan sebagai jumlah koloni mikrob per mililiter. Jika jumlahnya lebih dari 150 koloni, maka dinyatakan tidak dapat dihitung atau TBUD (ISO 2004).
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran Komposit Polisulfon-TiO2
Membran komposit adalah membran yang terdiri atas dua lapisan, lapisan aktif yang rapat dari material yang berbeda dan lapisan pendukung yang berpori. Adanya lapisan aktif tersebut membuat kinerja membran meningkat sehubungan dengan kestabilan kimia, selektivitas dan laju permeasi (Marita 2011).
Membran komposit PSf-TiO2 dibuat dalam 3 variasi konsentrasi TiO2, yaitu
5%, 10% dan 15%. Membran komposit PSf-TiO2 dibuat dengan teknik inversi
fase yaitu pembuatan membran fase cair menjadi fase padat. Membran PSf-TiO2
dilarutkan dengan kloroform, setelah homogen membran dicetak di atas pelat kaca dan dikeringudarakan untuk menghilangkan pelarutnya. Penambahan TiO2
menyebabkan membran lebih hidrofilik karena sifat TiO2 yang memiliki
6
proton akan meningkat. Namun, penambahan TiO2 tidak boleh berlebih karena
dapat mengganggu kestabilan kinerja membran (Pramono 2012).
Bobot Jenis Membran
Penentuan bobot jenis dilakukan untuk menentukan pengaruh penambahan komposit TiO2 terhadap bobot jenis membran PSf. Bobot jenis juga menunjukkan
kerapatan membran, semakin rapat suatu struktur maka nilai bobot jenisnya akan meningkat (Kemala et al. 2011). Penambahan komposit juga memengaruhi nilai dari bobot jenis. Peningkatan nilai bobot jenis seiring dengan kenaikan konsentrasi komposit. TiO2 dapat meningkatkan bobot jenis suatu membran
karena fungsinya sebagai pengisi pada membran sehingga dapat mengisi rongga pada membran yang menyebabkan kereapatan membran meningkat (Pramono et al. 2012). Berdasarkan data pada Lampiran 4, membran PSf-TiO2 15% memiliki
bobot jenis tertinggi, yaitu 1.7517 g/mL. Penambahan komposit TiO2 dapat
meningkatkan bobot jenis membran sebesar 33.66% pada PSf-TiO2 15%
(Lampiran 5). Peningkatan nilai bobot jenis ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1 Rerata bobot jenis membran PSf dan PSf-TiO2 pada
berbagai konsentrasi
Water Uptake Membran
Water uptake merupakan kemampuan membran untuk menyerap air. Semakin besar nilai water uptake, maka sifat hidrofilisitas membran juga semakin meningkat. Namun ketika hidrofilisitas suatu membran sangat tinggi, membran tersebut dapat larut dengan air dan tidak dapat digunakan sebagai media transfer proton pada sel bahan bakar. Water uptake dapat dihitung dengan cara menghitung selisih antara bobot basah dan bobot kering membran. Nilai yang didapatkan merupakan banyaknya air yang terserap ke dalam membran tersebut. Berdasarkan data pada Lampiran 2, PSf-TiO2 15% memiliki nilai rerata water
uptake tertinggi, yaitu sebesar 3.35%. PenambahanTiO2 sebagai matriks dapat
7
3). Hal ini dikarenakan meningkatnya sifat hidrofilisitas membran komposit dari TiO2. Uji water uptake dilakukan pada membran PSf, PSf-TiO2 5%, PSf-TiO2
10% dan PSf-TiO2 15%. Peningkatan nilai water uptake ditunjukkan pada
Gambar 2.
Gambar 2 Rerata persentase water uptake membran PSf-TiO2
Membrane Electrode Assembly
Membrane Electrode Assembly (MEA) merupakan komponen inti dalam suatu sistem fuel cell yang dibuat dengan menghimpitkan membran polimer elektrolit dengan elektrode berkatalis. Membran polimer elektrolit yang digunakan adalah PSf-TiO2 yang berfungsi sebagai media transportasi proton yang
dihasilkan dari reaksi anode ke katode sehingga menghasilkan energi listrik (Sari 2014). Selain itu elektrode berkatalis akan meningkatkan proses oksidasi bahan bakar pada sistem MFC sehingga kinerja membran lebih optimal. Elektrode berkatalis dibuat dengan perbandingan 20% (b/b) Ag(AgNO3)/C dan 5% (b/v)
larutan membran (Wisojodharmo dan Dewi 2008). Katalis Ag digunakan karena memiliki potensial reduksi sebesar 0.8 V mendekati potensial reduksi Pt sebesar 1.2 V (Mulyani et al. 2012). MEA dibuat menggunakan metode hotpress. Metode ini digunakan agar membran PSf-TiO2 dapat menempel dengan elektrode
sehingga kinerja MEA dapat optimum. MEA dengan katalis bertujuan untuk meningkatkan kinerja membran PSf-TiO2. Sementara itu, MEA tanpa katalis
dibuat untuk membandingkan morfologi penampang lintang MEA dengan katalis.
Morfologi Membran
Morfologi MEA dianalisis menggunakan scanning electron microscope (SEM). SEM digunakan untuk analisis morfologi penampang lintang MEA dengan perbesaran 100 sampai 500 kali. Salah satu indikator keberhasilan pembuatan MEA adalah terbentuknya lapisan katalis dan lapisanan membran yang terlihat pada penampang lintang membran (Kim et al. 2008) serta melihat bentuk
8
dari PSf danTiO2. Berdasarkan hasil yang diperoleh, terdapat perbedaan morfologi
antara MEA dengan katalis dan MEA tanpa katalis pada perbesaran 100 kali. MEA dengan katalis (Gambar 3a) terbentuk tiga lapisan yaitu, lapisan membran yang terdapat ditengah dan lapisan karbon dengan katalis yang menghimpitnya. Lapisan karbon dan lapisan membran terlihat kurang teratur karena adanya katalis Ag(AgNO3)/C. MEA tanpa katalis Ag(AgNO3)/C (Gambar 3b) juga terbentuk 3
lapisan, yaitu karbon dengan katalis dan membran. Namun, lapisan katalis dan lapisan membran yang terbentuk memiliki sifat yang teratur karena tidak adanya katalis Ag(AgNO3)/C pada permukaan membran.
Morfologi dari PSf dan TiO2 menurut Richards (2012) dan Ouradi (2014)
berbentuk menjari dan berbentuk seperti bulatan kecil. Berdasarkan hasil yang didapatkan pada perbesaran 500 kali yang ditunjukkan pada Gambar 3c dan 3d, terlihat morfologi dari PSf yang menjari dan terdapat morfologi TiO2 berbentuk
bulatan kecil yang menyebar di rongga-rongga.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 3 Morfologi penampang lintang MEA dengan katalis (a dan c) dan MEA tanpa katalis (b dan d) pada perbesaran 100-500×
Sifat Permeabilitas Membran
9
PSf-TiO2 menunjukkan tidak ada bahan bakar yang terdifusi dari anode ke katode.
Hal ini ditunjukkan dengan tidak terdifusinya bahan bakar ke katode. Membran PSf-TiO2 dan MEA PSf-TiO2 kering dipermukaan bagian bawah sehingga
membran baik digunakan pada sistem aplikasi MFC.
Konduktivitas Proton Membran
Konduktivitas proton pada suatu membran didefinisikan sebagai kemampuan membran untuk menghantarkan proton dari anode ke katode. Konduktivitas proton merupakan syarat penting, tanpa adanya nilai konduktivitas proton pada sebuah membran maka membran tidak bisa digunakan dalam sel bahan bakar (Mulijani et al. 2014). Penentuan konduktivitas proton dari membran diukur menggunakan alat LCR-meter menggunakan elektrode karbon. Penentuan dilakukan pada membran PSf, PSf-TiO2 5%, PSf-TiO2 10% dan PSf-TiO2 15%
dengan membandingkan antara membran aktivasi nonMEA dengan MEA (Lampiran 6).
Sebelum dilakukan pengujian konduktivitas, membran MEA diaktivasi terlebih dahulu. Aktivasi membran menggunakan oksidator kuat, yaitu H2O23%
dan H2SO4 0.5 M. Aktivasi bertujuan mendapatkan nilai konduktivitas proton
yang lebih tinggi dibanding nonaktivasi. Hal ini terjadi karena membran yang diaktivasi memiliki gugus penghantar proton yang lebih aktif serta dapat menghilangkan sisa-sisa radikal atau kontaminan dari air yang terserap yang mampu menghalangi proses pemindahan proton ketika melewati membran (Wisodjodharmo dan Dewi 2008). Selain itu pembuatan MEA juga dapat meningkatkan konduktivitas proton, karena pada MEA terdapat lapisan elektrode berkatalis Ag(AgNO3)/C yang dapat mempercepat reaksi oksidasi di anode.
Berdasarkan data pada Lampiran 6, nilai konduktivitas proton tertinggi pada MEA PSf-TiO2 5% sebesar 0.1274 ×10-2 S/cm. Nilai tersebut meningkat sebesar
115.39% dari nonMEA (0.0591 × 10-2 S/cm) (Lampiran 7). Nilai ini lebih tinggi
dibandingkan penelitian sebelumnya yang dilakukan Assufi (2014), yaitu membran PSf tersulfonasi-TiO2 5% sebesar 0.0485 × 10-2 S/cm. Namun nilai ini
masih lebih kecil dibandingkan konduktivitas proton membran Nafion, yaitu sebesar 8.6000 × 10-2 S/cm (Smitha et al. 2005). Hal ini dapat terjadi karena
Nafion memiliki banyak atom fluor (F) dan memiliki gugus sulfonat (-SO3H)
pada struktur kimianya. Gugus-gugus tersebut memiliki sifat elektronegativitas yang tinggi sehingga akan mempermudah proses transfer proton dari anode menuju katode.
Penambahan komposit TiO2 10% dan 15% akan menurunkan nilai
konduktivitas proton baik MEA maupun nonMEA. Hal ini dikarenakan pori-pori membran akan tertutupi oleh TiO2 sehingga fungsi membran sebagai penghantar
proton menurun. Menurut penelitian Li et al. (2007) dan Assufi (2014) penambahan TiO2 sebagai komposit optimum pada konsentrasi 5%. Semakin
besar nilai konduktivitas proton, maka semakin baik digunakan dalam sistem sel bahan bakar. Nilai konduktivitas proton membran PSf-TiO2 aktivasi dan MEA
10
Gambar 4 Konduktivitas proton membran PSf-TiO2 nonMEA ( ) dan MEA ( )
Aplikasi Sistem MFC
Membran PSf-TiO2 aktivasi dan MEA diuji pada sistem Microbial Fuel Cell
(MFC). Penelitian mengenai sistem MFC kali ini menggunakan air perasan rumen sapi sebagai analit dan larutan kalium ferisianida dalam buffer fosfat sebagai katalit yang dilakukan dalam sebuah bejana yang terdiri atas dua kompartemen serta elektrode karbon (Gambar 5).
Gambar 5 Kompartemen sistem MFC
Mikrob dalam air perasan rumen sapi akan melakukan aktivitas metabolisme terhadap medium di anode dengan mengatalisis penguraian glukosa menjadi energi listrik, dengan mentransfer elektron dari anode melalui kabel dan menghasilkan arus ke katode (Liu et al. 2010). Pada anode akan terjadi proses oksidasi bahan-bahan organik yang berasal dari pakan sapi. Bahan organik tersebut akan mengalami respirasi anaerob secara fermentatif dengan bantuan mikrob.
11
dimana asam asetat merupakan hasil fermentasi yang paling dominan (Campbell et al. 1999). Proton yang dihasilkan dari proses oksidasi di anode akan melewati membran menuju ke katode, sedangkan elektron yang dihasilkan akan bergerak ke sirkuit luar dan menuju katode pula, untuk terjadinya proses reduksi (Levin 2004). Atom yang teredeuksi adalah Fe3+ dari larutan K3[Fe(CN)6] menjadi Fe2+ oleh
aliran elektron dari anode yang ditandai dengan timbulnya warna hijau pada larutan. Reaksi yang terjadi dalam MFC sebagai berikut:
C6H12O6 + 2H2O 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2
CH3COOH CH4 + CO2
Anode : CH3COO-+ 4H2O 2HCO3-+ 9H+ +8e-
Katode : 8Fe3+ + 8e- 8Fe2+
(Liu et al. 2010) Hal ini dapat menyebabkan nilai beda potensial. Nilai beda potensial yang didapat pada setiap membran berbeda-beda (Lampiran 8). Membran PSf-TiO2 5%
memiliki nilai beda potensial tertinggi, yaitu sebesar 0.164 V. Hal ini dikarenakan penambahan TiO2 yang meningkatkan nilai beda potensial, namun pada Membran
PSf-TiO2 10% dan 15% mengalami penurunan nilai beda potensial. Hal ini karena
penambahan komposit TiO2 yang berlebih menutupi pori-pori dari PSf. Selain itu
pembuatan MEA juga dapat meningkatkan nilai beda potensial dibanding membran nonMEA, hal ini dapat terjadi karena MEA memiliki elektrode berkatalis Ag(AgNO3)/C sehingga oksidasi di anode terjadi semakin cepat. Nilai
beda potensial berbanding lurus dengan nilai konduktivitas proton. Nilai beda potensial tertinggi pada MEA PSf-TiO2 5% sebesar 0.202 V. Peningkatan dan
12
Total Mikrob dalam Air Perasan Rumen Sapi
Penentuan total mikrob dilakukan untuk mengetahui jumlah mikrob yang terdapat dalam 1 mL air perasan rumen sapi yang digunakan dalam sistem MFC. Penentuan total mikrob menggunakan metode Total Plate Count (TPC). Banyaknya mikrob dalam air perasan rumen sapi sangat berpengaruh terhadap besarnya beda potensial yang dihasilkan oleh sistem. Semakin banyak jumlah mikrob yang terdapat dalam air perasan rumen sapi, maka aktivitas metabolisme mikrob akan meningkat. Hal ini dapat meningkatkan juga nilai beda potensial (Liu et al. 2010).
Perhitungan total mikrob dilakukan dengan pengenceran bertingkat hingga delapan kali pengenceran. Hal ini dilakukan karena padapengenceran pertama hingga ke tujuh memiliki jumlah mikrob di atas 150 koloni, sehingga dinyatakan tidak bisa untuk dihitung (TBUD). Berdasarkan data pada Lampiran 9, total mikrob yang terdapat pada air perasan rumen sapi sebesar 5.58 ×108 cfu/mL.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Penambahan TiO2 sebagai komposit dapat meningkatkan kinerja membran
Psf. Kinerja membran PSf-TiO2 5% memiliki nilai konduktivitas dan beda
potensial yang tinggi dibandingkan PSf-TiO2 10% dan PSf-TiO2 15%,
berturut-turut sebesar 0.0591× 10-2 S/cm dan 0.164 V. Membrane electrode assembly
(MEA) berhasil dibuat dengan proses hotpress dengan lapisan katalis Ag(AgNO3)/C. MEA dapat meningkatkan kinerja membran komposit PSf-TiO2.
Konduktivias proton dan beda potensial tertinggi dihasilkan MEA PSf-TiO2 5%,
berturut-turut sebesar 0.1274× 10-2 S/cm dan 0.202 V. Hasil uji kualitatif permeabilitas bahan bakar menunjukkan tidak adanya bahan bakar yang terdifusi sehingga membran komposit PSf-TiO2 dapat digunakan untuk aplikasi MFC.
Saran
Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut komposit PSf-TiO2 dengan proses
penambahan gugus sulfonat (-SO3H) atau gugus lainnya agar membran bersifat
lebih hidrofilik. Selain itu, perlu dilakukan juga pengukuran beda potensial pada kondisi optimum dari mikrob air perasan rumen sapi rumen sapi.
DAFTAR PUSTAKA
13
Campbell, Neil A, Jane B, Reece, Lawrence GM. 1999. Biology 5th. Menlo Park: Addison Wesley Longman inc.
Devrim Y, Erkan S, Bac N, Eroglu I. 2009. Preparation and characterization of sulfonated polysulphone/titanium dioxide composite membranes for proton exchange membrane fuel cell. Journal of Hydrogen Energy. 34(2009):3467-3475
Hendrana S, Pujiastuti S, Sudirman, Rahayu I, Rustam YH. 2007. Pengaruh suhu dan tekanan proses pembuatan konduktivitas ionik membran PEMFC berbasis polistirena tersulfonasi. Jurnal Sains Material Indonesia. 8(3):187-191.
Handayani S, Dewi EL. 2007. Pengaruh suhu operasi terhadap karakteristik membran elektrolit polieter-eter keton tersulfonasi. Jurnal Sains Material Indonesia. 8(2) ISSN:1411-1098.
Handayani S. 2008. Membran elektrolit berbasis polieter-eter keton tersulfonasi untuk direct methanol fuel cell suhu tinggi [disertasi]. Jakarta (ID): Universitas Indonesia.
Gafoor AKA, Musthafa MM, Pradyumnan PP. 2012. AC conductivity and diffuse reflectance studies of Ag-TiO2 nanoparticles. Journal of Experimental
Medicine. 41(9):2387-2392.
[ISO] International Standard Operation. 2004. Microbiology of Food Animal Feeding Stuffs-Horizontal Method for The Detection and Enumeration of Enterobacteriaceae. 21528-2:2004.
Juniarzadinata R. 2011. Kajian struktur dan uji fluks membran polisulfon dengan metode inversi fasa [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
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. Pekanbaru, 18-19 Juli 2011. Pekanbaru Dewan Riset Nasional ISSN:2086-4310.
Kim S, Ahn NK, Mench MM. 2008. Physical degradation of membrane electrode assemblies undergoing freeze/thaw cycling: diffusion media effects. Journal of Power Sources. 179:140-146.
Kongkachuichay P, Pimprom S. 2008. Nafion/analcime and nafion/faujasite composite membranes for high temperature operation of PEMFC. Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science. San Francisco, 22-24 Oktober 2008. San Francisco (US): WCECS. ISBN:978-988-98671-0-2.
Levin DB, Pitt L, Love M. 2004.Biohydrogen production: prospect and limitation to practical application. Journal of Hydrogen Energy. 29(2004):173-185. Li X, Roberts EPL, Holmes SM, Zholobenko V. 2007. Functionalized TiO2e
A-nafion composite membranes for direct methanol fuel cells. Solid State Ionics. 178:1248-1255. doi:10.1016/j.ssi.2007.06.012.
Liu H, Hu H, Chignell J, Fan Y. 2010. Microbial electrolysis: novel technology for hydrogen production from biomass. Biofuels. 1(1):129-142.
Marita IM. 2011. Pembuatan dan karakterisasi komposit membran PEEk silika/clay untuk aplikasi direct methanol fuel cell [tesis]. Semarang (ID):Universitas Diponegoro.
14
methanol fuel cell (DMFC). International Journal Material, Mechanics and Manufacturing. 2(1):36-40.
Mulyani R, Buchari, Novriandi I, Ciptuti. 2012. Studi voltametri siklik sodium dedocyl benzen sulfonat dalam berbagai elektrode dan elektrolit pendukung. Journal of Waste Management Technology. 15(1) ISSN:1410-9656.
Ogimoto K, Imai S. 1980. Atlas of Rumen Microbiology. Tokyo: Japan Scientific Societies Press.
Ouradi A, Nguyen QT, Benaboura A. 2014. Polysulfone-AN69 blend membranes and its surface modification by polyelectrolyte-layer deposit-preparation and characterization. Journal of Membrane Science. 454(2014):20-35.
Peck DH, Chun YG, Kim CS, Jung DH, Shin DR. 1999. Preparation and performance evaluation of membrane electrode assemblies for polymer electrolyte fuel cell. Journal Mater ElectroSyst. 2(2):121-124.
Pramesti MD. 2012. Membran Polistirena Terfluorinasi untuk Aplikasi pada Microbial Fuel Cell [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Pramono E, Radiman CL Loos KU. 2012. Polysulphone/sulfonated-polysulphone/TiO2 composite membrane for fuel cell aplications. Journal of
Hydrogen Energy. 40(2012):45-51.
Richards HL, Baker PGL, Iwuoha E. 2012. Metal nanoparticle modiied polysulfone membranes for use in wastewater treatment: a critical review. Journal of Surface Enginereed Materials and Advanced Technology. 2(2012):183-193.
Said S. 2014. Outlook Energy 2014. Jakarta (ID): ESDM.
Sari EN. 2014. Peningkatan Kinerja Membran Elektrolit Polistirena tersulfonasi untuk aplikasi Membrane Electrode Assembly [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor.
Sidharta ML, Jamilah, Karamita D, Brianno W, Hamid A. 2007. Pemanfaatan limbah cair sebagai sumber energi listrik pada microbial fuel cell. [Karya Ilmiah]. Bandung (ID): Institut Teknologi Bandung bekerjasama dengan PT. Rekayasa Industri.
Smitha B, Sridhar S, Khan AA. 2005. Chitosan-sodium alginate polyion complexes as fuel cell membranes. Journal European Polymer. 41:1859-1866.doi:10.1016/j.memsci.2005.01.035.
Tse LA. 2006. Membrane electrode assembly (MEA) design for power density enhancement of direct methanol fuel cell (DMFCS) [disertasi]. Georgia (US): Georgia Institute of Technology.
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
LAMPIRAN
Bagan alir penelitian
16
Lampiran 2 Data penentuan water uptake
Membran Ulangan Bobot membran (g) uptake Water Rerata uptakewater
Kering Basah (%) (%)
Contoh perhitungan (membran PSf ulangan 1): Water uptake =wbasah - wkering
Lampiran 3 Data peningkatan water uptake
Membran Rerata water uptake (%) Peningkatan (%)
PSf 0.71 0
PSf-TiO2 5% 1.39 94.41
PSf-TiO2 10% 2.80 291.30
PSf-TiO2 15% 3.35 368.66
Contoh perhitungan peningkatan water uptake membran PSf-TiO2 15% :
Peningkatan (%) = % × 100%
Lampiran 4 Data penentuan bobot jenis
Contoh perhitungan (Membran PSf-TiO2 5% ulangan 1):
Suhu pada percobaan: 30 0C d= w1-w0
w3-w0 -(w 2-w1)× dl-da + da=
(20.1000-20.0981)g
44.7273-20.0981 -(44.7279-20.1000)g × 0.99567 -0.00125 g/m L+ 0.00125 g/m L
D = 1,4552 g/mL
Sd = ∑ ( ) = ( . . ) ( . . ) ( . . )
18
Lampiran 5 Data peningkatan bobot jenis
Membran Rerata bobot jenis, (g/mL) Peningkatan (%)
PSf 1.3105 0
PSf-TiO2 5% 1.4495 10.60
PSf-TiO2 10% 1.5143 15.55
PSf-TiO2 15% 1.7517 33.66
Contoh perhitungan peningkatan bobot jenis membran PSf-TiO2 15% :
Peningkatan (%) = % × 100% Peningkatan (%) = . . . ×100% = 33.66%
Lampiran 6 Data konduktivitas proton
Perlakuan Membran (G) (×10Konduktans, -2 S)
Contoh perhitungan membran PSf aktivasi: σ = G AL
19
Lampiran 7 Data peningkatan konduktivitas proton
Membran Konduktivitas proton (× 10
-3
S/cm) Peningkatan (%)
nonMEA MEA
PSf 0.2727 0.6420 135.42
PSf-TiO2 5% 0.5916 1.2743 115.39
PSf-TiO2 10% 0.5727 1.1489 100.61
PSf-TiO2 15% 0.5687 1.0498 84.59
Contoh perhitungan peningkatan membran PSf:
Peningkatan (%) = × 100%
Peningkatan (%) = . . . × 100% = 135.42%
Lampiran 8 Data beda potensial dan arus listrik dalam sistem MFC
Membran potensial Beda (V)
Konduktans,
(G) (× 10-3 S) Arus listrik (Ampere)
PSf 0.121 132.46 0.0160
PSf-TiO2 5% 0.164 251.43 0.0412
PSf-TiO2 10% 0.152 194.73 0.0295
PSf-TiO2 15% 0.131 161.15 0.0211
MEA PSf 0.150 136.43 0.0204
MEA PSf-TiO2 5% 0.202 254.86 0.0514
MEA PSf-TiO2 10% 0.176 205.61 0.0361
MEA PSf-TiO2 15% 0.166 178.47 0.0296
Contoh perhitungan pada membran MEA PSf: I = G × V
= (136.43× 10-3) × 0.150
20
Lampiran 9 Data penentuan jumlah mikrob dalam perasan rumen sapi
Ulangan 10-1 10-2 10-3 10Konsentrasi -4 10-5 10-6 10-7 10-8 (cfu/mL) Total
1 - - - 145 5.88 × 108
2 - - - 149
Keterangan: - = TBUD Contoh perhitungan: Total mikrob (cfu/mL)
(1.45 × 1010) + (1.49 × 1010) = 2.94 × 1010
. × = 1.47 ×1010
21
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Serang Banten pada tanggal 19 Oktober 1993 dari Ayah H Agus Jumadi dan Ibu Hj Hujaemah.Penulis merupakan putra kedua dari 2 bersaudara.Tahun 2011 penulis lulus dari SMA Negeri 4 Kota Serang dan pada tahun yang sama lulus seleksi masuk IPB melalui jalur SNMPTN Undangan. Penulis memilih Program Studi Kimia, Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten Praktikum Kimia Fisik (2015) untuk mahasiswa Departemen Kimia dan Ilmu Teknologi Pangan. Selain itu, penulis juga aktif di kegiatan non-akademik, seperti anggota Himpunan Profesi Ikatan Mahasiswa Kimia (Imasika) di departemen Pengembangan Kimia dan Seni (2013), menjadi ketua Chemistry Challenge (2013) dan aktif diberbagai kepanitiaan, ketua komunitas pecinta alam departemen kimia IPB (Akapela), ketua dan anggota komunitas perkusi calon ilmuwan perkusi chemistry (2013-2014) anggota Komunitas Seni dan Budaya-Masyarakat Roempoet di Fakultas Kehutanan IPB dan anggota komunitas supporter Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (Gegana 1.8) (2013-2014).
