MEMBRAN KOMPOSIT POLISULFON
TERSULFONASI-ZEOLIT UNTUK APLIKASI DIRECT METHANOL
FUEL CELL
SUCI RAHMADANI
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 Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit 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, September 2014
Suci Rahmadani
ABSTRAK
SUCI RAHMADANI. Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ARMI WULANAWATI.
Direct methanol fuel cell (DMFC) dapat dijadikan sebagai alternatif sumber energi yang dapat diperbarui dan ramah lingkungan. Penelitian ini menyintesis dan mencirikan membran komposit polisulfon tersulfonasi-zeolit (sPSf-zeolit), serta menentukan kinerja membran untuk aplikasi DMFC. Proses sulfonasi telah berhasil dilakukan. Hal ini dibuktikan dengan nilai derajat sulfonasi yang diperoleh sebesar 45% dan keberadaan gugus baru yang tertrisubstitusi 1,2,4- pada bilangan gelombang 1724 cm-1 yang ditentukan menggunakan spektrofotometer inframerah transformasi Fourier. Morfologi permukaan membran berubah setelah sulfonasi yang ditentukan menggunakan mikroskop elektron payaran. Penambahan zeolit pada membran meningkatkan kinerja membran. Kinerja membran paling baik diperoleh membran sPSf-zeolit 5% aktivasi, menggunakan elektrode logam. Hal ini ditunjukkan oleh nilai konduktivitas proton dan beda potensial paling tinggi sebesar 1.2377 × 10-3S/cm dan 416 mV. Dapat disimpulkan bahwa membran komposit sPSf-zeolit dapat diaplikasikan untuk DMFC.
Kata kunci: komposit, polisulfon tersulfonasi, sel bahan bakar , zeolit.
ABSTRACT
SUCI RAHMADANI. Composite Membrane of Sulfonated Polysulfone-Zeolite for the Application in Direct Methanol Fuel Cell. Supervised by SRI MULIJANI and ARMI WULANAWATI.
Direct methanol fuel cell (DMFC) is potential as an alternative renewable energy source and unhazardous to environmental. In this study, composite membrane of sulfonated polysulfone-zeolite (sPSf-zeolite) was synthesized and characterized, and observed the performance of the resulted membranes for DMFC. The process of sulfonation has been successful. It showed by the degree of sulfonation as high as 45% and the existence of a new group that trisubstituted 1,2,4 - that shown in the wave numbers of 1724 cm-1 as determined using Fourier transform infrared spectrophotometer. The morphology of membrane surface changed after sulfonation. It was determined using scanning electron microscope. The addition of zeolite to membranes improved membrane’s performance. The composite membrane of sPSf-zeolite 5% activation, using a metal electrode gave the best membrane’s performance. It showed by the highest proton conductivity and voltage with values 1.2377 × 10-3 S/cm and 416 mV. This result showed that the composite membrane of sPSf-zeolite can be applied in DMFC system.
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Kimia
MEMBRAN KOMPOSIT POLISULFON
TERSULFONASI-ZEOLIT UNTUK APLIKASI DIRECT METHANOL
FUEL CELL
SUCI RAHMADANI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Skripsi: Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit untuk Aplikasi
Direct Methanol Fuel Cell
Nama : Suci Rahmadani NIM : G44100076
Disetujui oleh
Dr Sri Mulijani, MS Pembimbing I
Armi Wulanawati, MSi Pembimbing II
Diketahui oleh
Prof Dr Dra Purwantiningsih Sugita, MS Ketua Departemen
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas rahmat dan karunia-Nya sehingga karya ilmiah yang berjudul “Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell” ini berhasil diselesaikan. Karya ilmiah ini disusun berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan di Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor pada bulan Februari hingga Juni 2014.
Penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis selama menjalankan kegiatan penelitian dan dalam menyelesaikan karya ilmiah ini, khususnya kepada Ibu Dr Sri Mulijani, MS selaku pembimbing I, Ibu Armi Wulanawati, MSi selaku pembimbing II atas bimbingan, arahan, dan ilmu yang telah diberikan. Ungkapan terima kasih yang sebesar-besarnya juga disampaikan kepada ayah, ibu, dan adik-adikku tercinta Rafi, Serlin, Fikri serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Selain itu, terima kasih juga kepada Bapak Mail dan teman-teman Vallian Ghali, Ginna Ramadhini Putri, Ahmad Hawari Assufi, Hasna TN, dan Ali atas kerjasama dan semangat yang telah diberikan.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, September 2014
DAFTAR ISI
DAFTAR GAMBAR vi
DAFTAR LAMPIRAN vi
PENDAHULUAN 1
BAHAN DAN METODE 2
Bahan dan Alat 2
Sintesis Polisulfon Tersulfonasi (sPSf) 2
Penentuan Derajat Sulfonasi 3
Preparasi Membran Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit (sPSf-Zeolit) 3
Pencirian Membran 3
Kinerja Membran 4
HASIL DAN PEMBAHASAN 6
Polisulfon Tersulfonasi 6
Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit 8
Ciri-Ciri Membran 9
Gugus Fungsi 9
Morfologi Membran 9
Bobot Jenis 10
Kinerja Membran 11
Water Uptake dan Permeabilitas Metanol 11
Konduktivitas Proton 12
Beda Potensial dalam DMFC 13
SIMPULAN DAN SARAN 15
Simpulan 15 Saran 15
DAFTAR PUSTAKA 16
DAFTAR GAMBAR
1 Reaksi polisulfon tersulfonasi 7
2 Perubahan warna larutan sebelum (a) dan setelah (b) proses sulfonasi 8
3 Membran sPSf (a) dan sPSf-zeolit (b) 8
4 Spektrum Inframerah PSf ( ), sPSf ( ), sPSf-zeolit 3% ( ),
dan zeolit ( ) 9
5 Morfologi penampang lintang membran PSf (a), sPSf (b), dan sPSf-zeolit 5% (c) dengan perbesaran 10000× serta penampang lintang membran sPSf-60 Lufrano et al. (2008) (d). 10
6 Bobot jenis membran 11
7 Water uptake membran. 11
8 Konduktivitas proton membran nonaktivasi dengan elektrodekarbon
( ) dan logam ( ) serta aktivasi ( ) 13
9 Bejana pada sistem DMFC 13
10 Prinsip skematis dari DMFC 14
11 Beda potensial membran teraktivasi dan pengukuran menggunakan
elektrode karbon ( ) serta logam ( ) 14
DAFTAR LAMPIRAN
1
Bagan alir penelitian 182 Penentuan derajat sulfonasi (DS) 19
3 Data hasil analisis FTIR 19
4 Data bobot jenis membran 21
5 Datawater uptake membran 22
6 Data konduktivitas proton 2
7 Beda potensial yang dihasilkan membran 23
1
PENDAHULUAN
Kebutuhan akan sumber energi bahan bakar fosil terus meningkat seiring dengan perkembangan aktivitas manusia. Di sisi lain sumber energi bahan bakar fosil tidak dapat diperbarui dan menghasilkan produk samping yang mencemari lingkungan. Hal ini menyebabkan cadangan sumber energi bahan bakar fosil semakin menipis sehingga terjadi krisis energi. Salah satu sumber energi alternatif yang dapat diperbarui dan ramah lingkungan adalah sel bahan bakar.
Sel bahan bakar merupakan sumber energi non-konvensional yang menghasilkan energi listrik melalui oksidasi elektrokimia dari bahan bakar. Beberapa jenis sel bahan bakar di antaranya jenis membran penukar proton (PEMFC), yang menggunakan gas hidrogen sebagai bahan bakar, dan direct methanol fuel cell (DMFC), yang menggunakan metanol sebagai bahan bakar. Dalam sistem DMFC, metanol akan berdifusi dari anode menuju katode melewati membran polimer elektrolit. Membran ini berfungsi sebagai sarana transportasi ion hidrogen (H+) yang dihasilkan dari reaksi oksidasi di anode dan juga sebagai pembatas antara kedua elektrode tersebut (Handayani et al. 2007a). Saat ini, membran yang banyak digunakan untuk hantaran proton dalam DMFC adalah Nafion yang terbuat dari fluoro-polimer dengan rantai cabang mengandung gugus sulfonat (−SO3H). Nafion 117 memiliki konduktivitas proton yang tinggi, yaitu 0.0820 S/cm pada suhu 25 oC, ketahanan termal dan stabilitas kimia yang baik. Namun, harga Nafion mahal dan memiliki methanol crossover atau permeabilitas metanol melalui membran yang tinggi (Shin et al. 2005). Selain itu, konduktivitas proton menurun pada perlakuan suhu di atas 80 oC akibat kehilangan air (Handayani et al. 2007b). Permeasi metanol dapat menghilangkan sebagian kecil bahan bakar (metanol) yang digunakan sehingga memperlambat laju reaksi di katode dan menurunkan kinerja tegangan sel secara keseluruhan.
2
besar. Konduktivitas proton dari membran sangat bergantung pada kelembapan dalam membran. Membran tidak dapat bekerja pada suhu terlalu tinggi karena menurunnya kadar air dalam membran tersebut.
Hidrofilisitas membran hidrofobik dapat ditingkatkan dengan penambahan bahan-bahan hidrofilik. Penggunaan paduan polimer berisi polimer hidrofilik sebagai bahan membran, diharapkan dapat memperbaiki hidrofilisitas membran (Moon et al. 2005). Salah satunya adalah dengan menambahkan partikel oksida logam hidrofilik seperti SiO2, ZrO2, dan TiO2 untuk mempertinggi sifat retensi air (Kongkachuichay dan Pimprom 2008). Zeolit termasuk golongan kristalin yang secara alami terbentuk dari mineral aluminosilikat, memiliki struktur tiga dimensi dari kerangka [SiO4]4- dan [AlO4]5-, dan bentuk koordinasi polihedral. Oleh karena itu, zeolit dapat digunakan sebagai penukar ion dan dapat terhidrasi dengan jumlah air yang tinggi (Breck 1974).
Berdasarkan hal tersebut, penelitian ini bertujuan menyintesis serta mencirikan membran komposit polisulfon tersulfonasi-zeolit dengan variasi konsentrasi komposit. Kinerja membran tersebut untuk aplikasi DMFC juga ditentukan dengan membran Nafion sebagai pembanding.
BAHAN DAN METODE
Bahan dan Alat
Bahan-bahan yang digunakan adalah polisulfon (Sigma-Aldrich), zeolit (Sukabumi), asam sulfat berasap yang mengandung 65% SO3 (oleum), gas nitrogen, kloroform teknis, diklorometana, metanol, NaOH, HCl, larutan K3[Fe(CN)6], larutan Na2HPO4, fenolftalein, dan air deionisasi. Alat-alat yang digunakan adalah peralatan gelas, oven, labu leher tiga, piknometer, neraca analitik, voltmeter, water bath ultrasonic, SEM JEOL JSM 836 OLA, FTIR BRUCKER TENSOR 27, dan impendance analyzer LCR-meter.
Sintesis Polisulfon Tersulfonasi (sPSf) (Modifikasi Xing et al. 2004)
3
Penentuan Derajat Sulfonasi (Modifikasi Martins dan Hallwass 2007)
Polisulfon tersulfonasi (sPSf) yang telah dinetralkan ditimbang sebanyak 0.1 g dan direndam dalam 10 mL NaOH 1 N selama 3 hari. Sisa NaOH kemudian dititrasi dengan HCl 1 N dan digunakan indikator fenolftalein sebanyak 3 tetes untuk melihat titik akhir proses titrasi. Titrasi dilakukan hingga terjadi perubahan warna dari merah muda hingga tidak berwarna (Dhuhita dan Kusuma 2010). Derajat sulfonasi didapatkan melalui Persamaan 1:
DS = × 100% (1)
Keterangan:
Vblanko = Volume HCl blangko (mL) Vsampel = Volume HCl sampel (mL) N = Normalitas HCl (N) BE = Bobot ekuivalen (g/ek) Bobot sampel (g)
Preparasi Membran Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit (sPSf-Zeolit) (Modifikasi Handayani dan Dewi 2007)
Polisulfon yang telah tersulfonasi (sPSf) dilarutkan dengan diklorometana menggunakan pengaduk stirrer. Kemudian, larutan ditambahkan zeolit sebanyak 3% dan 5% dari bobot sPSf dan diaduk kembali hingga homogen lalu disonikasi selama 30 menit. Larutan sPSf-zeolit yang diperoleh dituangkan ke dalam pelat kaca yang telah dilapisi solatip pada bagian tepi (1 lapis) dan membran dicetak.
Pencirian Membran
Analisis Gugus Fungsi
Membran PSf, sPSf, sPSf-zeolit 3% dalam bentuk lapis tipis, dan zeolit dalam bentuk serbuk diuji menggunakan spektrofotometer FTIR pada daerah bilangan gelombang 400-4000 cm-1 dengan resolusi 4 dan payar 32.
Analisis Morfologi
Membran diuji menggunakan SEM dilakukan untuk menentukan morfologi membran berdasarkan penampang lintangnya. Membran PSf, sPSf, dan sPSf-zeolit dibekukan dengan nitrogen cair selama 10 menit kemudian dipatahkan dan ditempelkan pada cell holder. Membran dilapisi dengan emas lalu dimasukkan ke dalam chamber, dan difoto penampang lintangnya dengan perbesaran 10000×.
4
Pengukuran Bobot Jenis
Penentuan bobot jenis PSf, sPSf, dan sPSf-zeolit dilakukan dengan sampel membran yang dipotong dengan ukuran yang seragam, kemudian dimasukkan ke dalam piknometer yang telah diketahui bobot kosongnya (W0). Bobot piknometer
dan sampel ditimbang dan dicatat (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
bobotnya dicatat (W3).Bobot jenis sampel dihitung menggunakan Persamaan 2:
D =
-- - -
-
(2)
Keterangan:
D : bobot jenis sampel (g/mL) D1 : bobot jenis air (g/mL)
Da: bobot jenis udara (g/mL)
Kinerja Membran
PengujianWater Uptake (Byun 2001)
Membran PSf, sPSf, dan sPSf-zeolit dikeringkan dalam oven pada suhu 120
o
C selama 24 jam lalu ditimbang sebagai Wkering. Setelah kering, membran
direndam dalam air deionisasi pada suhu ruang selama 24 jam. Selanjutnya, membran dikeluarkan dan dibersihkan dengan tisu lalu ditimbang sebagai Wbasah.
Penimbangan dilakukan untuk mengetahui selisih bobot membran pada saat basah dan kering melalui Persamaan 3:
%Water uptake = - (3)
Pengukuran Permeabilitas Metanol
Permeabilitas metanol diuji secara kualitatif untuk melihat metanol yang terdifusi melalui membran. Membran dijepit diantara dua kompartemen. Kompartemen A diisi dengan 160 mL metanol 0.3 M dan kompartemen B dibiarkan kosong. Setelah 30 menit, bagian sisi permukaan membran dilap dengan tisu untuk melihat metanol yang terdifusi melalui membran yang masuk ke kompartemen B.
Pengukuran Konduktivitas Proton
Membran dipotong sesuai ukuran elektrode. Kemudian, dilakukan aktivasi membran dengan merendam setiap membran dalam H2O2 selama 1 jam lalu
direndam kembali dalam H2SO4 selama 1 jam, setelah itu membran dibilas dengan
air deionisasi. Elektrode yang digunakan, yaitu karbon dan logam (tembaga-besi). Aktivasi elektrode juga dilakukan dengan cara direndam ke dalam larutan HCl 1 N selama 1 hari, kemudian dengan NaOH 1 N selama 1 hari, setelah itu elektrode
5
aktif dicuci dengan air deionisasi dan direndam hingga akan digunakan (Wisojodharmo dan Dewi 2008).
Nilai konduktansi diukur dengan cara membran yang tidak diaktivasi atau telah diaktivasi tersebut diapit di antara dua elektrode, kemudian kedua elektrode tersebut dihubungkan dengan kutub positif dan negatif pada alat impendance analyzer LCR-meter, sehingga muncul nilai konduktansi membrannya. Kemudian, diukur pula luas membran sesuai ukuran elektrode (A) dan ketebalannya menggunakan mikrometer digital karena tebal membran sebanding dengan jarak antara kedua elektrode karbon (l). Nilai konduktansi (G) yang diperoleh, dikonversi menjadi nilai konduktivitas per satuan jarak yang disebut dengan nilai konduktivitas proton (σ) melalui Persamaan 4:
σ = G (4)
Keterangan :
σ : konduktivitas proton (S/cm) A : luas permukaan (cm2)
l : jarak antar kedua elektroda (cm) G : nilai konduktansi (S)
Parameter yang digunakan Frekuensi : 100.00 kHZ CC : 1.00 mA V-lim : 10 mV Range : Auto 10 Ω Open : Off Short : Off
Uji Aplikasi Sistem DMFC
6
HASIL DAN PEMBAHASAN
Polisulfon Tersulfonasi
7
Gambar 1 Reaksi polisulfon tersulfonasi
8
(a) (b)
Gambar 2 Perubahan warna larutan sebelum (a) dan setelah (b) proses sulfonasi
Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit
Membran dengan bahan aditif zeolit diharapkan dapat berfungsi sebagai bahan yang dapat menyerap air maupun metanol. Zeolit dapat menyerap air yang berfungsi sebagai media transpor proton pada sulfonat sehingga konduktivitas ionik akan meningkat. Selain itu, adanya pori pada zeolit dapat menahan metanol pada membran sehingga permeabilitas metanol akan lebih kecil dibanding dengan tanpa penambahan aditif. Namun, penambahan aditif yang terlalu berlebih dapat menyebabkan tertutupnya gugus sulfonat sehingga mengganggu peran sulfonat sebagai penghantar proton dan dapat menyebabkan terbentuknya asam lemah yaitu asam silikat. Konsentrasi asam yang semakin pekat menyebabkan ion H+ yang terdisosiasi semakin berkurang sehingga konduktivitas ionik semakin kecil (Sukaet al. 2010). Oleh karena itu, pada penelitian ini membran komposit dibuat dengan mencampurkan sPSf dan zeolit dengan variasi konsentrasi 3 dan 5% menggunakan diklorometana sebagai pelarut. sPSf mudah larut secara homogen dalam diklorometana karena adanya kesamaan sifat non polar, sedangkan zeolit sulit larut sehingga dilakukan proses sonikasi agar dapat larut. Membran yang telah dicetak, kemudian dikeringudarakan untuk menghilangkan pelarut yang mudah menguap. Membran sPSf yang diperoleh memiliki sifat lebih kaku dan berwarna putih (Gambar 3a), sedangkan membran sPSf-zeolit memiliki tekstur lebih kasar, lebih fleksibel, dan penampakan lebih transparan dibandingkan membran sPSf (Gambar 3b).
(a) (b)
9 Ciri-Ciri Membran
Gugus Fungsi
Analisis FTIR dilakukan pada membran PSf, sPSf, sPSf-zeolit 3%, dan zeolit untuk mengetahui adanya gugus –SO3H yang masuk pada struktur polisulfon tersulfonasi hasil sintesis dan melihat pengaruh komposit terhadap membran komposit sPSf-zeolit. Gambar 4 dan Lampiran 3 menunjukkan perbedaan spektrum inframerah membran PSf dan sPSf yaitu munculnya pita serapan baru pada membran sPSf bilangan gelombang 1724 cm-1 yang diberi simbol huruf ‘a’. Hal ini menunjukkan adanya gugus baru yang tertrisubstitusi 1,2,4- pada struktur polisulfon (Pavia et al. 2009). Gugus tersebut diduga gugus – SO3H hasil sintesis yang masuk cincin aromatik pada posisi orto dari C-O-C struktur polisulfon. Selain itu, adanya pita serapan gugus OH bebas dari –SO3H pada bilangan gelombang 3650-3600 cm-1 yang semakin melebar yang diberi simbol huruf ‘b’. Penambahan zeolit pada polisulfon tidak menunjukkan adanya perbedaan spektrum dengan membran sPSf. Sehingga, dapat disimpulkan bahwa proses sulfonasi telah berhasil dilakukan dan interaksi yang terjadi antara sPSf dengan zeolit hanya interaksi fisik sehingga tidak menyebabkan terbentuknya gugus baru.
Gambar 4 Spektrum Inframerah PSf ( ), sPSf ( ), sPSf-zeolit 3% ( ), dan zeolit ( )
Morfologi Membran
Morfologi membran dianalisis menggunakan mikroskop elektron payaran melalui penampang lintang membran (Gambar 5). Berdasarkan penampang lintangnya, membran PSf terlihat memiliki rongga-rongga (Gambar 5a). Masuknya gugus sulfonat yang bersifat hidrofilik menyebabkan terjadinya
10
pelebaran rongga dan terlihat lebih rapat dan homogen dibandingkan membran PSf (Gambar 5b). Zeolit memiliki struktur yang berongga. Penambahan zeolit menyebabkan rongga-rongga pada zeolit akan menutupi rongga-rongga pada sPSf sehingga stuktur penampang lintang membran terlihat lebih halus. Namun, zeolit akan membentuk agregat yang tidak larut secara homogen sehingga terdapat bagian penampang lintang membran yang terlihat kasar (Gambar 5c). Struktur penampang lintang membran sPSf yang dihasilkan terlihat mirip dengan membran sPSf-60 yang telah dikerjakan oleh Lufrano et al. (2008) (Gambar 5d).
(a) (b) (c)
(d)
Gambar 5 Morfologi penampang lintang membran PSf (a), sPSf (b), dan sPSf-zeolit 5% (c) dengan perbesaran 10000× serta penampang lintang membran sPSf-60 Lufrano et al. (2008) (d).
Bobot Jenis
11
Gambar 6 Bobot jenis membran
Kinerja Membran
Water Uptake dan Permeabilitas Metanol
Konduktivitas proton dipengaruhi oleh banyaknya gugus asam yang ada dan kemampuannya terdisosiasi dalam air yang diiringi oleh generasi proton. Molekul air berfungsi dalam disosiasi asam dan memudahkan transpor proton (Xing et al. 2004). Banyaknya air yang dapat diserap oleh membran dapat ditunjukkan oleh nilai water uptake. Semakin besar water uptake pada membran maka media transpor proton lebih baik, tetapi jika nilai water uptake membran terlalu besar akan menurunkan sifat mekanik membran yang menyebabkan kerapuhan membran (Handayani et al. 2007a). Lampiran 5 menunjukkan nilai water uptake
membran PSf, sPSf, sPSf-zeolit 3%, dan sPSf-zeolit 5% berturut-turut adalah sebesar 0.77, 1.59, 5.10, dan 7.65%. Membran sPSf bersifat lebih hidrofilik dibandingkan PSf menyebabkan semakin banyak air yang dapat terserap oleh membran sehingga nilai water uptake meningkat. Penambahan zeolit yang bersifat higroskopik (mudah menyerap air) dan peningkatan konsentrasi zeolit menyebabkan nilai water uptake bertambah besar (Gambar 7). Nilai water uptake
yang diperoleh lebih kecil dibandingkan membran Nafion 117 pada suhu 25 oC yaitu sebesar 37% (Shin et al. 2005).
PSf sPSf sPSf-zeolit 3% sPSf-zeolit 5%
Bobot jenis (g/m
PSf sPSf sPSf-zeolit 3% sPSf-zeolit 5%
W
ater uptake
(%)
12
Hasil uji kualitatif permeabilitas metanol didapatkan bahwa tidak adanya metanol yang terdifusi melewati membran. Hal ini terbukti dari keringnya bagian permukaan membran yang telah dilewati metanol, sehingga membran tersebut baik digunakan untuk aplikasi DMFC.
Konduktivitas Proton
Konduktivitas proton diukur untuk mengetahui kemampuan membran dalam menghantarkan proton. Semakin besar konduktivitas proton yang dihasilkan, maka membran tersebut semakin baik digunakan dalam sistem sel bahan bakar. Konduktivitas proton dari membran diukur dengan alat impendance analyzer
LCR-meter menggunakan elektrode karbon dan logam. Pengukuran dilakukan terhadap membran sebelum dan setelah diaktivasi. Aktivasi membran dilakukan dengan menggunakan oksidator kuat yaitu H2O2 dan H2SO4 yang berfungsi untuk mengaktifkan gugus penghantar proton. Berdasarkan Gambar 8, elektrode logam merupakan elektrode yang paling baik dalam menghasilkan konduktivitas proton karena logam bersifat konduktor yang dapat menghantarkan arus lebih baik dibandingkan elektrode karbon. Membran yang telah diaktivasi, memiliki nilai konduktivitas proton yang lebih besar dibandingkan membran nonaktivasi. Konduktivitas proton membran PSf meningkat setelah dilakukan sulfonasi dan penambahan zeolit serta kenaikan konsentrasi zeolit. Hal ini sesuai dengan nilai
water uptake membran, yaitu adanya gugus sulfonat dan zeolit membuat membran bersifat lebih hidrofilik menyebabkan semakin banyak air yang dapat terserap oleh membran yang berfungsi sebagai media transpor proton sehingga konduktivitas proton meningkat.
13
Gambar 8 Konduktivitas proton membran nonaktivasi dengan elektrode karbon( ) dan logam ( ) serta aktivasi ( )
Beda Potensial dalam DMFC
Konduktivitas dalam sistem sel bahan bakar diukur menggunakan 2 sistem bejana yaitu sistem anode dan katode. Bejana pertama sebagai sistem anode diisi dengan larutan metanol sebagai bahan bakar, sedangkan bejana kedua sebagai sistem katode diisi dengan larutan K3[Fe(CN)6] dan bufer fosfat. Membran direkatkan pada bagian tengah kedua bejana tersebut (Gambar 9). Larutan K3[Fe(CN)6] berfungsi sebagai agen pengoksidasi dan akan mengalami reduksi dari Fe3+ menjadi Fe2+ akibat aliran elektron dari anode tersebut dengan ditandai timbulnya warna kuning kehijauan pada larutan.
Gambar 9 Bejana pada sistem DMFC
Dalam DMFC metanol akan dioksidasi pada anode menghasilkan elektron, proton, dan karbondioksida. Proton akan ditransportasikan melalui membran polimer elektrolit dari anode menuju katode, kemudian bereaksi dengan oksigen dan elektron. Sementara elektron akan menuju katode melalui rangkaian alat spektrometer impendans dan menghasilkan nilai beda potensial yang terbentuk pada sistem sel bahan bakar. Sehingga, dihasilkan listrik dengan air sebagai produk samping (Gambar 10).
0.0000 0.2000 0.4000 0.6000 0.8000 1.0000 1.2000 1.4000
PSf sPSf sPSf-Zeolit 3% sPSf-Zeolit 5%
Konduktivitas proton
(x10
-3
S/cm
)
14
Gambar 10 Prinsip skematis dari DMFC
(Wootthikanokkhan dan Seeponkai 2006) Berikut adalah reaksinya:
Anode : CH3OH (l) + H2O (l)→ 6H++ 6e−+ CO2 (g) Katode : O2 (g) + 6H++ 6e−→ 3H2O (l)
Reaksi keseluruhan : CH3OH (l) + O2 (g) → 2H2O (l) + CO2 (g)
(Kundu dan Sharma 2007) Beda potensial yang dihasilkan membran dengan pengukuran menggunakan elektrode logam lebih besar dibandingkan elektrode karbon (Gambar 11). Hal ini disebabkan oleh sifat logam sebagai konduktor listrik yang baik. Nilai beda potensial terbesar dihasilkan oleh membran sPSf-zeolit 5% yaitu sebesar 416 mV dengan elektrode logam. Proses sulfonasi dan penambahan zeolit serta kenaikan konsentrasi zeolit pada membran meningkatkan nilai beda potensial (Lampiran 7). Hal ini sesuai dengan nilai konduktivitas proton membran yang diperoleh yaitu adanya gugus sulfonat dan zeolit akan meningkatkan kemampuan membran dalam menghantarkan proton sehingga nilai beda potensial yang dihasilkan meningkat.
Gambar 11 Beda potensial membran teraktivasi dan pengukuran menggunakan elektrode karbon ( ) serta logam ( )
0 100 200 300 400 500
PSf sPSf sPSf-zeolit
3%
sPSf-zeolit 5%
Beda potensial (mV)
Jenis membran /
15
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Proses sulfonasi polisulfon telah berhasil dilakukan. Hal ini dibuktikan dengan nilai derajat sulfonasi yang diperoleh sebesar 45% dan keberadaan gugus baru yang tertrisubstitusi 1,2,4- pada struktur polisulfon, yaitu pada bilangan gelombang 1724 cm-1. Hasil uji kualitatif permeabilitas metanol menunjukkan tidak adanya metanol yang terdifusi melewati membran. Proses sulfonasi dan penambahan zeolit serta peningkatan konsentrasi zeolit dapat meningkatkan nilai bobot jenis, water uptake, beda potensial, dan konduktivitas proton dari membran. Kinerja membran paling baik diperoleh membran sPSf-zeolit 5% aktivasi, menggunakan elektrode logam. Hal ini ditunjukkan oleh nilai konduktivitas proton tertinggi sebesar 1.2377 × 10-3 S/cm yang hampir mendekati nilai konduktivitas proton membran Nafion sebesar 8.2000 × 10-2 S/cm sehingga membran komposit polisulfon tersulfonasi-zeolit dapat digunakan untuk aplikasi DMFC.
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
Breck DW. 1974. Zeolite Molecular Sieves: Structure, Chemistry and Use. New York (US): J Wiley. hlm. 379-440.
Byun HS. 2001. Preparation of pore-filled ion-exchange membranes using poly(vinylbenzyl ammonium salt). J Membr. 11:109-115.
Dhuhita A, Kusuma DA. 2010. Karakterisasi dan uji kinerja SPEEK, cSMM, dan Nafion untuk aplikasi direct methanol fuel cell (DMFC) [skripsi]. Semarang (ID): Universitas Diponegoro.
Handayani S dan Dewi EL. 2007. Pengaruh suhu operasi terhadap karakteristik membran elektrolit polieter eter keton tersulfonasi. J Sains Mat Indones. 43-47.
Handayani S, Dewi EL, Purwanto WW, Soemantojo RW. 2007a. Preparasi membran elektrolit berbasis poliaromatik untuk aplikasi sel bahan bakarmetanol langsung suhu tinggi. J Sains Mat Indones. 8(3):192-197. Handayani S, Purwanto WW, Dewi EL, H Singgih, Soemantojo RW. 2007b.
Blending polisulfon dengan poli eter-eter keton tersulfonasi untuk sel bahan bakar metanol langsung. J Teknol. 158-164.
Kaeselev B, Pieracci J, Belfort G. 2001. Photoinduced grafting of ultrafiltration membrans: comparison of poly(ether sulfone) and poly(sulfone). J Membr Sci. 194(2):245-261.
Kilduff JE, Mattaraj S, Pieracci JP, Belfort G. 2000. Photochemical modification of poly(ether sulfone) and sulfonated (polysulfone) nanofiltration membrans for control of fouling of natural organic matter. Desalination. 132(1-3):133-142.
Kongkachuichay P, Pimprom S. 2008. Nafion/Analcime and Nafion/Faujasite Composite Membrans for High Temperature Operation of PEMFC.
Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science WCECS; 22-24 Okt 2008. San Francisco (US).
Kundu PP dan Sharma V. 2007. Composites of proton-conducting polymer electrolyte membrane in direct methanol fuel cells. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 32:51-66.
Lufrano F, Baglio V, Staiti P, Arico A, Antonucci V. 2008. Polymer electrolytes based on sulfonated polysulfone for direct methanol fuel cell. Journal of Power Sources. 179:34-41.
Martins CR dan Hallwass F. 2007. Solid-state 13C NMR analysis of sulfonated polystyrene. Ann Magn Reson. 6(1/2):46-55.
Moon EJ, Kim JW, Kim CK. 2005. Fabrication of membrans for the liquid separation Part 2: microfiltration membrans prepared from immiscible blends containing polysulfone and poly(1-vinylpyrrolidone-co- acrylonitrile) copolymers. J Membr Sci. 156-756.
Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS. 2009. Introduction to Spectroscopy. Washington (US): Thomson Learning.
Pramono E, Wicaksono A, Priyadi, Wulansari J. 2012. Pengaruh derajat sulfonasi terhadap degradasi termal polistirena tersulfonasi. Indones J Appl Phys.
17 Shin JP, Chang BJ, Kim JH, Lee SB, Suh DH. 2005. Sulfonated
polystyrene/PTFE composite membranes. J Membr Sci. 251:247-254. Suka IG, Rif’an M, Pandiangan KD, Simajuntak W, Dewi EL. 2009. Sulfonasi
membran poliakrilonitril butadiene stirena (ABS) sebagai membran polimer elektrolit direct methanol fuell cell (DMFC). J Sains MIPA.15(1):28-34. Suka IG, Simanjuntak W, Dewi EL. 2010. Pembuatan membran polimer elektrolit
berbasis polistiren akrilonitril (SAN) untuk aplikasi direct methanol fuel cell. Jurnal Natur Indonesia. 13(1):1-6.
Wisojodharmo LA, Dewi LE. 2008. Pembuatan membrane electrode assembly (MEA) dengan katalis platina karbon pada PEMFC. Prosiding Seminar Teknoin Bidang Teknik Mesin; Yogyakarta, 22 Nov 2008. Yogyakarta (ID): BPPT. Hlm 105-108.
Wootthikanokkhan J dan Seeponkai N. 2006. Methanol permeability and properties of DMFC membrans based on sulfonated PEEK/PVDF blends. J Appl Polym Sci. 102:5941-5947.
18
LAMPIRAN
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
Polisulfon (PSf)
Polisulfon Tersulfonasi (sPSf)
Membran Polisulfon Tersulfonasi-Zeolit
(sPSf-Zeolit)
Pencirian Membran
Kinerja Membran
1. Pengujian Water Uptake
2. Pengukuran Konduktivitas Membran 3. Pengukuran Permeabilitas Metanol 4. Uji Aplikasi Sistem DMFC
1. FTIR 2. SEM 3. Bobot Jenis
Komposit sPSf-Zeolit
Sulfonasi pada T = 40 oC, 60 menit
+Zeolit
19
Lampiran 2 Penentuan derajat sulfonasi (DS)
Contoh perhitungan (ulangan 1): Diketahui:
VHCl blanko = 9.70 mL
VHCl sampel (terpakai) = 9.20 mL NHCl = 1.0046 N
BE SO3 = 80.06 g/ek
DS = × 100%
= - x 100%
DS = 40.21%
Lampiran 3 Data hasil analisis FTIR
Gugus fungsi Bilangan gelombang membran (cm -1
)
PSf sPSf sPSf-zeolit 3%
Ikatan C=C pada cincin
aromatik 1586.40-1488.71 1586.64-1488.57 1588.93-1485.27 Ikatan C-H pada cincin
aromatik 3093.51-3067.57 3094.73-3067.58 3094.42-3067,57
Ikatan Hidrogen O-H - 3628.77 3656.09
Ikatan C-O pada eter 1250.01 1249.18 1259.36
Cincin aromatik
tertrisubstitusi 1,2,4- - 1724.29 1724.76
Ikatan S=O asimetrik 1323.58 1323.53 1364.06
Ikatan S=O simetrik 1153.34 1151.66 1150.23
Ulangan Bobot sampel (g)
VNaOH (mL)
VHCl(mL) Derajat Sulfonasi (%) awal akhir terpakai
1 0.1000 10.00 0.00 9.20 9.20 40.21
2 0.1019 10.00 9.20 18.30 9.10 47.36
3 0.1012 10.00 18.30 27.40 9.10 47.68
Rerata 45.09
) (
20
Lanjutan Lampiran 3
21 Lampiran 4 Data bobot jenis membran
Jenis membran Ulangan
Bobot (g)
Dl(g/mL) Da(g/mL) D(g/mL)
Rerata D (g/mL)
W0 W1 W2 W3
PSf
1 20.2273 20.2307 44.4992 44.4986 0.99805 0.00125 1.2116
1.2064 2 20.2273 20.2314 44.4993 44.4986 0.99805 0.00125 1.2033
3 20.2273 20.2308 44.4992 44.4986 0.99805 0.00125 1.2043
sPSf
1 20.2271 20.2292 44.5022 44.5018 0.99805 0.00125 1.2326
1.2251 2 20.2271 20.2287 44.5021 44.5018 0.99805 0.00125 1.2281
3 20.2271 20.2299 44.5023 44.5018 0.99805 0.00125 1.2147
sPsf-zeolit 3%
1 20.2228 20.2254 44.4955 44.4950 0.99567 0.00125 1.2324
1.2324 2 20.2217 20.2243 44.4786 44.4781 0.99567 0.00125 1.2324
3 20.2218 20.2244 44.4827 44.4822 0.99567 0.00125 1.2324
sPsf-zeolit 5%
1 20.2245 20.2285 44.4676 44.4668 0.99583 0.00125 1.2445
1.2423 2 20.2245 20.2284 44.4676 44.4668 0.99583 0.00125 1.2525
3 20.2245 20.2266 44.4662 44.4658 0.99583 0.00125 1.2298
Contoh perhitungan (Membran sPSf-zeolit 5% ulangan 1):
D =
-- - -
-=
-- - -
22
Lampiran 5 Data water uptake membran
Jenis
membran Ulangan
Bobot membran (g)
Water uptake
Reratawater uptake
Kering Basah (%) (%)
PSf
1 0.0291 0.0293 0.69
0.77 2 0.0382 0.0385 0.79
3 0.0475 0.0479 0.84
sPSf
1 0.0291 0.0295 1.37
1.59 2 0.0234 0.0238 1.71
3 0.0239 0.0243 1.67 sPSf-zeolit 3% 1 0.0097 0.0102 5.15
5.10 2 0.0156 0.0164 5.13
3 0.0159 0.0167 5.03 sPSf-zeolit 5% 1 0.0166 0.0179 7.83
7.65 2 0.0192 0.0207 7.81
3 0.0164 0.0176 7.32 Contoh perhitungan (membran PSf ulangan 1):
%Water uptake =
= = 0.69%
Lampiran 6 Data konduktivitas proton Rerata water uptake(%) =
23 Lampiran 6 Data konduktivitas proton
Elektrode karbon-karbon
Jenis membran Tebal (cm)
Luas (cm2)
Konduktans (x10-3 S) Konduktivitas (x10
-3
S/cm)
Aktivasi Nonaktivasi Aktivasi Nonaktivasi PSf 0.008 5.31 176.95 155.77 0.2666 0.2347 SPSf 0.005 5.31 322.24 318.32 0.3034 0.2997 sPSf-zeolit 3% 0.010 5.31 325.58 314.61 0.6131 0.5925 sPSf-zeolit 5% 0.009 5.31 363.09 356.17 0.6154 0.6037
Elektrode tembaga-besi
Jenis membran Tebal (cm)
Luas (cm2)
Konduktans (x10-3 S) Konduktivitas (x10
-3
S/cm)
Aktivasi Nonaktivasi Aktivasi Nonaktivasi PSf 0.008 4.72 303.25 297.73 0.5140 0.5046
sPSf 0.005 4.72 546.71 515.73 0.5791 0.5463
sPSf-zeolit 3% 0.010 4.72 532.12 463.17 1.1274 0.9813
sPSf-zeolit 5% 0.009 4.72 649.09 635.67 1.2377 1.2121
Contoh perhitungan (membran sPSf aktivasi, elektrode karbon): σ = Gх
= 322.24 S х σ = 0.3034 S/cm Keterangan :
σ : konduktivitas proton (S/cm) A : luas permukaan (cm2)
l : jarak antar kedua elektrode (cm) G : nilai konduktansi (S)
Lampiran 7 Beda potensial yang dihasilkan membran
Jenis membran Beda potensial (mV)
Karbon-karbon Tembaga-besi
PSf 130 305
sPSf 140 335
sPSf-zeolit 3% 150 402
24
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Sicincin, Padang Pariaman pada tanggal 04 Maret 1993 dari pasangan Bapak Zulkarnaini dan Ibu Masraini. Penulis merupakan putri pertama dari empat bersaudara. Tahun 2010 penulis lulus dari Sekolah Menengah Atas Negeri 1 Cilaku-Cianjur dan pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan di Institut Pertanian Bogor melalui jalur undangan seleksi masuk IPB (USMI) dan diterima di Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama masa perkuliahan, penulis mendapatkan bantuan berupa beasiswa dari pemerintah, yaitu program Bidikmisi.
