PREPARASI DAN KARAKTERISASI KERAMIK TERIMPREGNASI GARAM FATTY IMIDAZOLINIUM SEBAGAI MATERIAL BIFUNGSIONAL MEMBRAN-ELEKTROLIT PADA SEL BAHAN BAKAR.

(1)

Raisa Khairani, 2013

Preparasi Dan Karakterisasi Keramik Terimpregnasi Garam Fatty Imidazolinium Sebagai Material Bifungsional Membran-Elektrolit Pada Sel Bahan Bakar

PREPARASI DAN KARAKTERISASI KERAMIK

TERIMPREGNASI GARAM FATTY IMIDAZOLINIUM SEBAGAI

MATERIAL BIFUNGSIONAL MEMBRAN-ELEKTROLIT PADA

SEL BAHAN BAKAR

SKRIPSI

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Syarat Memperoleh

Gelar Sarjana Sains di Bidang Program Studi Kimia

Oleh:

RAISA KHAIRANI

1002897

PROGRAM STUDI KIMIA

JURUSAN PENDIDIKAN KIMIA

FAKULTAS PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA

(2)

LEMBAR PENGESAHAN

PREPARASI DAN KARAKTERISASI KERAMIK TERIMPREGNASI GARAM FATTY IMIDAZOLINIUM SEBAGAI MATERIAL BIFUNGSIONAL

MEMBRAN-ELEKTROLIT PADA SEL BAHAN BAKAR

Oleh:

Raisa Khairani

1002897

DISETUJUI DAN DISAHKAN OLEH:

Pembimbing I

Dr. rer.nat. Asep Supriatna, M.Si. NIP. 196605021990031005

Pembimbing II

Dr. rer.nat. Ahmad Mudzakir, M.Si. NIP. 196611211991031002

Mengetahui,

Ketua Jurusan Pendidikan Kimia FPMIPA UPI

(3)

PREPARASI DAN KARAKTERISASI KERAMIK TERIMPREGNASI GARAM

FATTY IMIDAZOLINIUM SEBAGAI MATERIAL BIFUNGSIONAL

MEMBRAN-ELEKTROLIT PADA

SEL BAHAN BAKAR

Oleh

Raisa Khairani

Sebuah skripsi yang diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar

Sarjana Sains pada Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Universitas Pendidikan Indonesia

Maret 2013

Hak Cipta dilindungi undang-undang.

Skripsi ini tidak boleh diperbanyak seluruhya atau sebagian,

(4)

ABSTRAK

Material komposit keramik-fatty imidazolinium iodida berbahan baku alumina telah disintesis dengan metode impregnasi pada variasi waktu 6 jam, 12 jam, 1 hari, 3 hari, 5 hari, dan 7 hari. Material hasil sintesis diharapkan dapat menjadi material alternatif membran sel bahan bakar (fuel cell). Struktur fatty

imidazolinium iodida divariasikan dengan tiga gugus alkil R yang berbeda yakni oleil cis [cis-ω-9-CH3(CH2)16CH2-], stearil [CH3(CH2)16-CH2-], dan palmitil

[CH3(CH2)14-CH2-]. Material komposit keramik-cairan ionik (membran keramik)

yang dihasilkan berupa spesimen silinder (pellet) dengan ketebalan ±0,37 cm dan diameter 1,3 cm. Untuk mengetahui karakteristik membran keramik hasil sintesis dilakukan pengujian yang meliputi karakterisasi FTIR untuk mengetahui keberhasilan sintesis dan impregnasi, uji Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) untuk mengetahui konduktivitas membran, uji kapasitas penukar ion (KPI) untuk mengetahui kapasitas pertukaran proton pada membran, karakterisasi TG/DTA untuk mengetahui kestabilan termal membran keramik dan karakterisasi Scanning Electron Microscope (SEM) untuk mengetahui morfologi membran. Hasil karakterisasi gugus fungsi dengan FTIR menunjukkan keberhasilan sintesis material dan proses impregnasi cairan ionik pada keramik. Konduktivitas ionik tertinggi ditunjukkan pada membran keramik terimpregnasi cis-oleil imidazolinium iodida (Ol-Imz-I) selama 3 hari yaitu 0,2277 µS/cm pada suhu 60 oC dan nilai kapasitas pertukaran proton 0,0156 mmol/gram.

Karakterisasi TG/DTA menunjukkan membran keramik/Ol-Imz-I memiliki kestabilan termal yang tinggi dengan suhu dekomposisi 340,56 oC. Gambaran SEM menunjukkan adanya perbedaan antara keramik sebelum dan setelah diimpregnasi. Morfologi membran keramik memiliki struktur yang berpori dengan ukuran pori sekitar 0,083 µm (83 nm), sedangkan membran keramik/Ol-Imz-I memiliki struktur yang lebih rapat dan tidak berpori.

(5)

ABSTRACT

Ceramic-fatty imidazolinium iodide composite material made from alumina has been synthesized by impregnation method at the variation within 6 hours, 12 hours, 1 day, 3 days, 5 days, and 7 days. The material are expected to be an alternative fuel cell membrane’s material. Structure of fatty imidazolinium iodide varied by three different alkyl group R cis-oleil [cis-ω-9-CH3(CH2)16CH2-],

stearyl [CH3(CH2)16-CH2-], and palmityl [CH3(CH2)14-CH2-]. The composite

ceramic-ionic liquid materials (ceramic membrane) is a cylindrical specimen (pellets) with a thickness of ± 0.37 cm and a diameter of 1.3 cm. To determine the characteristics of the ceramic membrane synthesis results that include FTIR characterization to determine the successful synthesis and impregnation, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) to determine the membrane’s conductivity, ion exchange capacity (KPI) to determine the proton exchange capacity of the membrane, TG / DTA characterization to determine the thermal stability of ceramic membranes and of Scanning Electron Microscope (SEM) characterization to determine the membrane’s morphology. The results of FTIR analisys show the material synthesis and impregnation process has been successed. Highest ionic conductivity value is shown in ceramic impregnated by cis- oleil imidazolinium iodide (Ol-mz-I) membrane for 3 days is 0.2277 μS/cm at 60 °C and proton exchange capacity value 0.0156 mmol/gram. Characterization of TG/DTA shows ceramic /Ol-Imz-I membrane have a high thermal stability with a decomposition temperature of 340.56 oC. SEM picture showing the difference between before and after impregnated ceramic. Morphology of ceramic membrane

have a porous structure with pore sizes approximately 0.083 μm (83 nm), while

the ceramic/Ol-Imz-I membrane have a denser structure and non-porous.

(6)

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

UCAPAN TERIMA KASIH ... iv

DAFTAR ISI ... vi

1.3 Batasan Masalah Penelitian ... 6

1.4 Tujuan Penelitian ... 6

1.5 Manfaat Penelitian ... 7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 8

2.1 Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) ... 8

2.2 Membran ... 10

2.2.1 Membran Keramik ... 10

2.2.2 Alumina ... 17

2.3 Cairan Ionik (Ionic Liquid) ... 21

2.3.1 Sifat-Sifat Cairan Ionik ... 23

2.3.2 Toksisitas Cairan Ionik ... 24

2.3.3 Senyawa Fatty Imidazoline dan Turunannya ... 25

2.4 Modifikasi Membran dengan Cairan Ionik ... 26

2.5 Membran Keramik Terimpregnasi Cairan Ionik ... 28

BAB III METODE PENELITIAN ... 30

3.1 Waktu dan Lokasi Penelitian ... 30

3.2 Sistematika Penelitian... 30

(7)

3.3.1 Alat ... 32

3.3.2 Bahan ... 32

3.4 Sintesis Fatty Imidazolinium Iodida... 33

3.4.1 Sintesis Fatty Imidazolin ... 33

3.4.2 Sintesis Fatty Imidazolinium Iodida ... 35

3.5 Preparasi Membran Keramik ... 36

3.6 Impregnasi Membran Keramik dengan Fatty Imidazolinium Iodida ... 37

3.7 Tahapan Karakterisasi ... 38

3.7.1 Karakterisasi Struktur dengan FTIR ... 38

3.7.2. Uji Karakter Fisikokimia ... 38

3.7.2.1 Tahap Uji Daya Hantar Ionik dengan EIS ... 38

3.7.2.2 Tahap Uji Kapasitas Penukar Ion (KPI) ... 39

3.7.3 Karakterisasi Kestabilan Termal ... 40

3.7.4 Analisis SEM ... 40

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 42

4.1 Sintesis Fatty Imidazolinium Iodida ... 42

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 62

5.1 Kesimpulan ... 62

(8)

DAFTAR PUSTAKA ... 64

LAMPIRAN ... 67

(9)

DAFTAR TABEL

Tabel 1.1 Perbandingan Nilai Konduktivitas Membran Kitosan ... 3

Tabel 2.1 Sifat Keramik dan Aplikasinya ... 14

Tabel 4.1 Perbandingan Randemen Fatty imidazolinium Iodida ... 43

Tabel 4.2 Penambahan Massa Membran Keramik pada Proses Impregnasi .... 46

Tabel 4.3 Perbandingan Nilai KPI Membran ... 51

Tabel 4.4 Data Tahanan Fatty Imidazolinium Iodida Penelitian

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Skema Fuel Cell ... 7

Gambar 2.2 Struktur Molekul Aluminium Oksida ... 17

Gambar 2.3 Struktur Kristal Al2O3 ... 18

Gambar 2.4 Berbagai Jenis Kation Cairan Ionik ... 21

Gambar 2.5 Kelarutan Beberapa Jenis Anion Cairan Ionik Di Dalam Air... 22

Gambar 2.6 Struktur Molekul dari (i) Fatty Imidazoline dan (ii) Kation Fatty Imidazolinium... 25

Gambar 3.1 Desain Penelitian ...30

Gambar 3.2 Sintesis Senyawa Fatty Imidazolin ...33

Gambar 3.3 Sintesis Senyawa FattyImidazolinium Iodida ...34

Gambar 3.4 Preparasi Membran Keramik ...35

Gambar 3.5 Proses Impregnasi Membran Keramik ... 36

Gambar 4.1 Pal-Imz I (kiri), Ol-Imz I (tengah), dan St-Imz I (kanan) ... 41

Gambar 4.2 Reaksi Sintesis Fatty Imidazolinium Iodida ... 42

Gambar 4.3 Proses Impregnasi Membran Keramik Dengan Larutan Fatty Imidazolinium ... 45

Gambar 4.4 Kiri ke kanan : Membran Keramik; Membran Keramik/Ol-imz-I; Membran Keramik/Pa-imz-I; Membran Keramik/St-imz-I ... 47

(11)

Gambar 4.6 Perbandingan Spektra FTIR Membran Keramik Terimpregnasi

Fatty Imidazolinium Iodida ... 50

Gambar 4.7 Grafik Nilai Konduktivitas Membran Keramik/Oleil-Imz-I ... 53

Gambar 4.8 Grafik Nilai Konduktivitas Membran Keramik/Palmitil-Imz-I

Dan Keramik/Stearil-Imz-I ... 54

Gambar 4.9 Kurva TG/DTA Dari Membran Keramik/Oleil-Imz-I

3 Hari... 58

Gambar 4.10 Morfologi Membran Keramik (a); Morfologi Membran

Keramik/Ol-Imz-I (b) ... 59

(12)

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN 1

Perhitungan dan Data Konduktifitas Ionik Membran Keramik ... 67

LAMPIRAN 2

Spektra FTIR Fatty Imidazolinium Iodida ... 71

LAMPIRAN 3

Spektra FTIR Membran Keramik ... 73

LAMPIRAN 4

Kurva TG/DTA Membran Keramik/Ol-Imz-I (3 hari) ... 74

LAMPIRAN 5

(13)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

Konsumsi dunia terhadap energi listrik kian meningkat seiring pesatnya

teknologi elektronika. Alternatif yang menarik datang dari fuel cell, yang diharapkan dapat menghasilkan energi listrik dengan efisiensi tinggi dan

gangguan lingkungan yang minimal. Fuel cell merupakan sumber energi alternatif pengganti minyak bumi yang bersifat dapat diperbaharui, ramah lingkungan, dan

mempunyai efisiensi tinggi. Fuel cell dapat langsung mengubah energi kimia bahan bakar menjadi energi listrik seperti halnya baterai (Ledyastuti, 2007). Pada

elektrolisis, arus listrik digunakan untuk menguraikan air menjadi hidrogen dan

oksigen. Dengan membalik proses ini, hidrogen dan oksigen direaksikan dalam

fuel cell untuk memproduksi air dan arus listrik.

Fuel cell adalah pembangkit yang berupa sel bahan bakar yang menghasilkan listrik melalui proses elektrokimia dengan mengkombinasikan gas

hidrogen (H2) dan oksigen (O2). Fuel cell sudah dikembangkan sejak tahun 1839 oleh William R. Groove (“Gaseous Voltaic Battery”) dan kini sedang

dikembangkan industri untuk mengatasi ketergantungan terhadap bahan bakar

minyak yang semakin kritis. (Dewi, et al, 2008). Konversi energi fuel cell

biasanya lebih effisien daripada jenis pengubah energi lainnya. Efiensi konversi

energi dapat dicapai hingga 60-80%. Keuntungan lain fuel cell adalah mampu

(14)

2

hanya mampu mengandung material bahan bakar yang terbatas, fuel cell dapat secara kontinu diisi bahan bakar (hidrogen) dan oksigen dari sumber luar. Fuel

cell merupakan sumber energi ramah lingkungan karena tidak menimbulkan polutan dan sungguh-sungguh dapat digunakan terus-menerus jika ada suplai

hidogen yang berasal dari sumber daya alam yang dapat diperbarui

(Mahasiswanegarawan, 2007).

Walaupun Fuel Cell telah mulai digunakan dalam berbagai bidang

kegiatan, masih mahalnya beberapa komponen utama fuel cell, membuat teknologi ini kurang kompetitif secara ekonomis dalam pemanfatannya. Salah satu

permasalahan yang masih dicarikan solusinya agar fuel cell dapat mencapai produk target yang ekonomis dan memiliki efisiensi tinggi adalah pengembangan

bahan membran dan elektrolit/katalis.

Saat ini, penggunaan fuel cell seperti pada otomotif, beroperasi pada suhu sekitar 200 oC dan material yang digunakan biasanya polimer komposit atau

polimer nonkomposit. Saat ini membran yang banyak digunakan untuk aplikasi

fuel cell adalah membran yang terbuat dari polimer fluoro dengan menambahkan

rantai cabang yang mengandung gugus sulfonat, yang dikenal dengan nama

dagang Nafion. Kemampuan Nafion untuk penghantar proton sudah cukup baik

dengan konduktivitas sekitar 0,1 S/cm [Informasi produk DuPontTM] (Dewi et al,

2007). Nafion masih memiliki kekurangan yaitu konduktivitas proton semakin

menurun dengan meningkatnya humiditas udara akibat suhu yang semakin tinggi (

>80 oC), dimana syarat membran untuk konduktivitas proton yaitu harus kering.

(15)

3

permeabilitas yang tinggi terhadap metanol. Karena adanya aliran crossover

metanol melalui membran menuju katoda, kinerja fuel cell terkadang mengalami

penurunan. Karena alasan inilah maka penggunaan membran polimer organik

untuk fuel cell kurang ideal, dan diperlukan penemuan solusi baru. (Hennige et

al, 2004).

Penelitian sebelumnya juga telah dilakukan oleh Sumirat, 2010 yang

mensintesis membran kitosan sulfonat dan dimodifikasi dengan cairan ionik fatty

imidazolinium sebagai membran pada sel bahan bakar (fuel cell). Hasil penelitian menunjukkan bahwa impregnasi fatty imidazolinium dapat meningkatkan

konduktivitas dan kapasitas pertukaran proton membran, dengan data sebagai

berikut:

Tabel 1.1 Perbandingan Nilai Konduktivitas Membran Kitosan

Jenis Membran Nilai Konduktivitas Ion

Membran Kitosan 2,84 x 10-5

Membran Kitosan Sulfonat 2,87 x 10-5

Komposit Kitosan Sulfonat/Str-Imdzn-I 2,93 x 10-5

Komposit Kitosan Sulfonat/Pal-Imdzn-I 2,95 x 10-5

Komposit Kitosan Sulfonat/Ole-Imdzn-I 3,10 x 10-5

Membran kitosan tersebut mengalami peningkatan konduktivitas dengan adanya

penambahan fatty imidazolinium. Namun membran tersebut memiliki kestabilan

mekanik dan termal yang rendah sehingga mudah mengalami penggembungan

(swelling) dan dapat mengakibatkan konduktivitas membran menurun.

Telah ditemukan bahwa keramik, membran penghantar ion yang

(16)

4

bahkan pada suhu di atas 100 ° C. Selain itu, membran tersebut juga menunjukkan

permeabilitas metanol yang kecil dan tetap gastight bahkan pada tekanan tinggi.

Untuk meningkatkan daya hantar ionnya, membran keramik dapat diimpregnasi

dengan cairan ionik, yang memiliki titik didih lebih tinggi dari air. Dengan

menggunakan membran tersebut memungkinkan untuk menghasilkan fuel cell

dengan kinerja baik pada temperatur tinggi dalam kondisi lingkungan yang tetap

kering (Hennige et al, 2004).

Pada penelitian yang diusulkan akan dilakukan pengembangan material

membran dan elektrolit dalam bentuk komposit membran keramik dan cairan

ionik. Cairan ionik (Ionic Liquids, ILs) merupakan salah satu elektrolit yang potensial digunakan pada fuell cell, dikarenakan memiliki rentang cair yang sangat lebar, tidak menguap (non volatile), tidak terbakar (non flammable),

stabilitas panas, stabilitas kimia, dan stabilitas elektrokimia yang tinggi (dalam

bebarapa kasus mempunyai stabilitas termal sampai 400 °C), nilai tekanan uap

yang dapat diabaikan, kemampuan melarutkan banyak senyawa organik dan

anorganik serta sifat kedapatlarutan (miscibility) yang beragam dengan pelarut air dan pelarut organik (Davis, et al., 2003). Sifat dari cairan ini dapat disesuaikan

dengan mengubah struktur kation dan anionnya (tailored-made solvents)(Gordon, 2003). Sel bahan bakar yang menggunakan sistem komposit membran-elektrolit

cairan ionik ini dikenal sebagai ionic liquids fuel cell (ILFs) (Souza, 2003).

Hasil penelitian sebelumnya (Kosmulski et al, 2005) menunjukkan matriks komposit keramik berbasis alumina yang dimodifikasi dengan cairan ionik

(17)

5

menghasilkan konduktivitas hingga 684 µS/cm. Selain itu, material komposit

tersebut juga memiliki ketahanan mekanik yang tinggi serta kestabilan termal di

atas suhu 200 oC.

Cairan ionik yang akan dikompositkan pada penelitian ini adalah garam

organik berbasis kation fatty imidazolinium. Garam ini bersifat biodegradable; dapat disintesis dari sumber terbarukan lokal (asam lemak) dengan metode

gelombang mikro yang lebih green (Bajpai dan Tyagi, 2008); memiliki stabilitas

panas, stabilitas kimia, dan stabilitas elektrokimia yang tinggi; dan memiliki daya

hantar ionik yang juga tinggi (Mudzakir, et al., 2008).

Komposit membran-elektrolit keramik-fatty imidazolinium yang akan dikembangkan pada penelitian ini diharapkan dapat menjadi komposit

membran-elektrolit lokal yang ekonomis, ramah lingkungan dan memiliki efisiensi tinggi

sehingga dapat bermanfaat untuk aplikasi dan pengembangan ionic liquids fuel cells (ILFs) maupun sistem fuel cell pada umunya.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan hal-hal yang dikemukakan di atas, rumusan masalah

penelitian adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana cara mempreparasi komposit membran-elektrolit berbasis

keramik-fatty imidazolinium dengan memvariasikan tiga substitusi gugus alkil pada struktur kation elektrolit dengan gugus oleil cis [cis-ω

-9-CH3(CH2)16CH2-], stearil [CH3(CH2)16-CH2-], dan palmitil [CH3(CH2)14-CH2

(18)

6

2. Bagaimana karakteristik fisikokimia (daya hantar ionik, kestabilan termal, dan

kapasitas penukar ion) serta morfologi dari komposit membran-elektrolit

keramik-fatty imidazolinium tersebut?

1.3 Batasan Masalah Penelitian

Penelitian ini bertujuan untuk mendapatkan material membran-elektrolit

keramik-fatty imidazolinium untuk sel bahan bakar beserta karakter fisikokimia

dan morfologinya. Adapun material yang akan dibuat adalah kristal cair ionik

berbasis garam fatty imidazolinium dengan memvariasikaann tiga substitusi gugus

alkil pada kation dengan gugus palmitil [CH3(CH2)14-CH2-], stearil [CH3(CH2)16

-CH2-], dan oleil cis [cis-ω-9-CH3(CH2)16CH2-] dengan anion iodida; dan matriks

keramik berbasis alumina (Al2O3).

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Mendapatkan material komposit membran-elektrolit berbasis keramik-fatty

imidazolinium dengan memvariasikan tiga substitusi gugus alkil pada kation

elektrolit dengan gugus oleil cis [cis-ω-9-CH3(CH2)16CH2-], stearil

[CH3(CH2)16-CH2-], dan palmitil [CH3(CH2)14-CH2-], dengan anion iodida

(I-).

2. Mengetahui karakter fisikokimia dan morfologi dari komposit keramik-fatty

(19)

7

1.5 Manfaat Penelitian

Hasil yang didapatkan dari penelitian ini diharapkan mampu memberikan

sumbangan bagi perkembangan teknologi industri di Indonesia terutama dalam

material membran-elektrolit baru pada fuel cell yang memiliki berbagai kelebihan

dibanding membran dan elektrolit sebelumnya. Dengan demikian, fuel cell

memiliki efisiensi tinggi dan ramah lingkungan dengan biaya produksi murah

(20)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Lokasi Penelitian

Pelaksanaan penelitian dimulai sejak Februari sampai Oktober 2012.

Tahapan sintesis dilakukan di Laboratorium Riset Kimia Makanan dan Material

Jurusan Pendidikan Kimia FPMIPA Universitas Pendidikan Indonesia (UPI).

Tahapan karakterisasi material dilakukan di Laboratorium Kimia Analitik

Instrumen Jurusan Pendidikan Kimia FPMIPA dan di Department of Chemical

Engineering Hiroshima University Jepang.

3.2 Sistematika Penelitian

Sistematika penelitian dibagi dalam tiga tahap. Tahap pertama adalah

sintesis garam fatty imidazolinium sebanyak tiga jenis, yaitu dengan

memvariasikan tiga substitusi gugus alkil pada kation dengan gugus oleil cis

[cis-ω-9-CH3(CH2)16CH2-], stearil [CH3(CH2)16-CH2-], dan palmitil [CH3(CH2)14-CH2

-] dengan anion iodida (I-). Tahap kedua adalah sintesis matriks keramik dari bahan

alumina (Al2O3) dan dextrin. Tahap ketiga adalah proses impregnasi fatty

imidazolinium iodida terhadap matriks keramik sehingga menghasilkan membran

keramik. Seluruh produk sebelum dan setelah impregnasi dilakukan karakterisasi

struktur dengan menggunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR) Spectroscopy. Membran keramik yang telah diimpregnasi dilakukan karakterisasi fisikokimia

(21)

31

Ion/Proton (KPI), karakterisasi kestabilan termal menggunakan Thermal Gravimetric / Differntial Thermal Analysis (TG/DTA), dan karakterisasi

morfologi menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM). Gambar 3.1. memperlihatkan diagram alur yang dilakukan.

Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian

KERAMIK

ASAM LEMAK + DETA ALUMINA + DEXTRIN

 Diberi gelombang microwave 800 W hingga suhu maksimum

 Direfluks 30 menit oleh etil asetat

 Filtrat ditrefluks kembali oleh larutan metil iodida selama 4 jam

Ditimbang sebanyak 1

gram

Dicetak dan dipress dengan tekanan 60 gauge  Dikeringkan pada suhu

60oC selama 1 hari

 Disintering pada suhu

(22)

32

3.3 Alat dan Bahan

3.3.1 Alat

Peralatan yang digunakan untuk tahapan preparasi dan sintesis kristal cair

ionik fatty imidazolinium antara lain: microwave 800W, alat-alat gelas, satu set

alat refluks, termometer raksa, magnetic stirrer, pemanas listrik, corong Buchner, pompa vakum, satu set alat rotary evaporator, neraca analitik, aluminium foil, kertas saring. Sedangkan untuk karakterisasi struktur, studi elektrokimia, analisis

termal dan morfologi digunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR, SHIMADZU FTIR-8400) Spectrophotometer, Electrochemical Impedance

Spectroscope, Kapasitas Penukar Ion (KPI), Thermal Gravimetric/Differential Thermal Analyzer (TG/DTA, Shimadzu DTG-60A), dan Scanning Electron

Microscope (SEM, S-5000 Hitachi).

3.3.2 Bahan

Bahan-bahan yang digunakan untuk keseluruhan penelitian ini adalah:

asam oleat-cis ekstrak pure produk Merck, asam stearat p.a produk Merck, asam palmitat p.a produk Merck, metil iodida p.a produk Aldrich, dietilenatriamina p.a

produk Aldrich, metilen klorida teknis produk Bratachem, etil asetat teknis produk

Bratachem, metanol teknis produk Bratachem, n-heksana teknis produk

Bratachem, alumina p.a produk Merck, dextrin teknis produk Bratachem,

(23)

33

3.4 Sintesis Fatty Imidazolinium Iodida

Sintesis kristal cair ionik fatty imidazolinium dibagi ke dalam dua tahap

diantaranya sintesis fatty imidazolin dan metilasi-kuartenerisasi. Dalam sintesis

fatty imidazolin seringkali digunakan metode refluks, namun pada penelitian ini

digunakan metode microwave yang berhasil diujicobakan oleh Divya Bajpai dan Tyagi (2008) dan hasilnya sangat baik. Sedangkan dalam sintesis fatty

imidazolinium (metilasi-kuatenerisasi) digunakan metode refluks sesuai dengan

yang digunakan dalam penelitian Divya Bajpai dan Tyagi, 2008.

3.4.1 Sintesis Fatty Imidazolin

Ke dalam gelas kimia pyrex ukuran 50 mL, dimasukkan 2,06 gram (20

mmol) dietilenatriamina dan 40 mmol asam lemak (asam palmitat, asam stearat,

atau asam oleat-cis) secara hati-hati lalu diaduk hingga merata. Campuran

pereaksi diiradiasi menggunakan microwave dengan daya 800W selama waktu

tertentu dan suhu akhir dicatat. Pertama kali, dilakukan penentuan waktu optimal

reaksi dengan cara mengukur suhu dari campuran setiap 30 detik. Setelah

menunjukkan dua suhu maksimum, maka kemudian reaksi dihentikan. Setelah

waktu optimal reaksi diketahui, untuk reaksi selanjutnya microwave di set pada waktu tersebut. Campuran reaksi dibiarkan hingga mencapai suhu ruangan.

Kemudian campuran dipindahkan ke dalam labu dasar bulat leher tiga. Etilasetat

ditambahkan sebanyak 80 mL dan campuran kemudian dipanaskan sampai

mendekati titik didih (40oC) etilasetat, kurang lebih dibutuhkan waktu 30 menit.

(24)

34

dihubungkan dengan pompa vakum. Kemudian filtrat dipekatkan dengan

evaporator dengan cara memisahkan pelarut etil asetat. Gambar 3.2

memperlihatkan diagram alur sintesis senyawa fatty imidazolin yang telah dilakukan.

Gambar 3.2 Sintesis Senyawa Fatty Imidazolin

2,06 gram DETA (20 mmol)

campuran berwarna putih (lapisan bawah) dan coklat kekuningan (lapisan atas)

 Dimasukkan ke dalam gelas kimia pyrex 50 mL

 Ditambahkan 40 mmol asam lemak

 Diaduk hingga merata dengan batang pengaduk

 Diiradiasi dalam microwave (800W) selama selang waktu tertentu

 Dibiarkan hingga mendekati suhu ruangan

 Campuran digerus hingga halus (untuk stearil dan palmitil)

 Dipindahkan ke dalam labu dasar bulat leher tiga 500 ml

 Ditambahkan 80 mL etilasetat

 Di refluks hingga mendekati titik didih etil asetat ±30 menit

 Disaring dengan corong Buchner dalam keadaan panas

 Dievaporasi pada suhu 80 oC selama 2 jam

 Filtrate dikeringkan dalam keadaan vakum

 Cis oleil imidazolin (cairan kental berwarna coklat)

 Stearil imidazolin (padatan berwarna coklat kekuningan)

(25)

35

3.4.2 Sintesis Fatty Imidazolinium Iodida

1 mol fatty imidazolin ditambahkan metilen klorida hingga larut dan

kemudian dimasukkan ke dalam labu dasar bulat leher tiga. Ke dalam labu dasar

bulat ditambahkan 2 mol metil iodida, selanjutnya campuran di refluks pada suhu

konstan 40oC sambil diaduk dengan magnetic stirrer kurang lebih selama 4 jam. Kemudian hasilnya didinginkan hingga mencapai suhu ruangan, dan selanjutnya

dikeringkan dengan menggunakan evaporator pada suhu 80oC kurang lebih

selama 1 jam. Gambar 3.3 memperlihatkan diagram alur sintesis senyawa fatty

imidazolinium iodida yang telah dilakukan.

Gambar 3.3 Sintesis Senyawa Fatty Imidazolinium Iodida

1 mol fatty imidazoline

 Dilarutkan dalam metilen klorida

 Dimasukkan dalam labu dasar bulat leher tiga

 Ditambahkan 2 mol metil iodida

 Direfluks selama 4 jam sambil diaduk dengan magnetic stirrer

Larutan fatty imidazoline

Larutan hasil refluks

 Dievaporasi pada suhu 80oC selama 2 jam

produk hasil evaporasi

 Dimurnikan

(26)

36

3.5 Preparasi Membran Keramik

Suspensi alumina dengan konsentrasi 20 vol% dicampurkan dengan

larutan dextrin 3 wt% kemudian diaduk dengan magnetic stirrer. Campuran didekantasi dan dipisahkan dari pelarut (aquabides), kemudian dikeringkan.

Serbuk campuran ditimbang sebanyak 1 gram kemudian dipress dan dicetak

menjadi spesimen silinder (pellet) dengan tekanan 60 gauge. Spesimen

dikeringkan pada temperatur 60oC selama 1 hari kemudian disintering pada

temperatur 1100oC selama 2 jam. Gambar 3.4. memperlihatkan diagram alur

preparasi membran keramik yang telah dilakukan.

Gambar 3.4 Preparasi Membran Keramik

Suspensi alumina 20 vol%

 Ditimbang sebanyak 1 gram

(27)

37

3.6 Impregnasi Membran Keramik dengan Fatty Imidazolinium Iodida

Modifikasi membran keramik dilakukan dengan cara perendaman

membran dengan cairan ionik fatty imidazolinium iodida dalam metanol. Cairan ionik fatty imidazolinium iodida ditimbang sebanyak 10 gram dilarutkan dengan

40 ml methanol. Perendaman dilakukan dengan variasi waktu selama 6 jam, 12

jam, 1 hari, 3 hari, 5 hari, dan 7 hari pada suhu ruang, kemudian membran

dikeringkan dengan vacum selama ±10 menit. Gambar 3.5 memperlihatkan

proses impregnasi membran keramik yang telah dilakukan.

Gambar 3.5 Proses Impregnasi Membran Keramik Fatty imidazolinium

iodida 10 gram

Larutan Fatty

imidazolinium iodida Keramik

Keramik terimpregnasi

fatty imidazolinium iodida

 Impregnasi selama 6 jam, 12 jam, 1 hari, 3 hari, 5 hari, dan 7 hari pada suhu ruang.

 Dikeringkan dengan vacum ±10 menit

(28)

38

3.7 Tahapan Karakterisasi

3.7.1 Karakterisasi Struktur dengan FTIR

Pada penentuan struktur atau gugus fungsi dari fatty imidazolinium dan matriks keramik dilakukan analisis menggunakan metode spektroskopi Fourier

Transform Infra Red (FTIR) di Laboratorium Instrumen Jurusan Pendidikan Kimia FPMIPA UPI Bandung. Analisis tersebut bertujuan untuk menentukan

gugus fungsi suatu senyawa.

Hal yang diterapkan pada karakterisasi ini yaitu dengan membandingkan

spektra sebelum dan sesudah sintesis, adanya kesesuaian ataupun perbedaan

puncak yang teramati dapat menjelaskan struktur senyawa yang dihasilkan.

3.7.2 Uji Karakter Fisikokimia

3.7.2.1 Tahapan Uji Daya Hantar Ionik Dengan EIS

Untuk menentukan daya hantar ion dari membran keramik-fatty

imidazolinium dilakukan analisis menggunakan alat Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Analisis ini bertujuan untuk menentukan seberapa besar arus yang dapat dihantarkan melalui pengukuran tahanan dari fatty imidazolinium.

Pada tahapannya, membran diukur ketebalan dan luas permukaannya. Kemudian

membran dijepit dengan elektroda yang telah dihubungkan dengan sumber daya

dan multimeter. Sumber tegangan diatur sebesar 20V, lalu dicatat arus yang

dihasilkan. Nilai konduktivittas dapat diperoleh dengan perhitungan sebagai

(29)

39

dengan :

σ = konduktivitas (S/cm)

l = tebal membran (cm) A = luas permukaan (cm2)

I = kuat arus (ampere)

V = tegangan (volt)

3.7.2.2 Tahap Uji Kapasitas Penukar Ion (KPI)

Pada pengujian kapasitas penukar ion, membran direndam dalam 50 ml

HCl 0,01M selama 24 jam yang sudah dibakukan konsentrasinya dengan NaOH

0,01M standar yang sebelumnya telah distandarisasi dengan menggunakan asam

oksalat. Setelah itu, larutan HCl hasil rendaman membran dipipet sebanyak 10 ml,

kemudian dititrasi NaOH standar menggunakan indikator fenolpthalein. Nilai KPI

dapat diperoleh dengan menghitung hasil volume NaOH yang diperlukan untuk

titrasi.

KPI = (vblanko – vsampel) x [basa] x f

m

Keterangan:

m = massa membran (gram)

v = volume (mL)

(30)

40

[basa] = konsentrasi NaOH yang digunakan (M)

f = 5 (jika diambil aliquot 10 ml dari 50 ml)

3.7.3 Karakterisasi Kestabilan Termal

Tahapan studi karakter stabilitas termal dilakukan dengan tujuan untuk

mengetahui suhu dekomposisi dari membran keramik yang terimpregnasi fatty

imidazolinium yang disintesis. Analisis terhadap karakter stabilitas termal

menggunakan teknik termogravimetri. Termogravimetri adalah teknik untuk

mengukur perubahan berat dari suatu senyawa sebagai fungsi dari suhu ataupun

waktu. Pada prinsipnya, sampel dengan berat beberapa miligram dipanaskan pada

laju konstan (berkisar 1-20oC/menit), kemudian pemanasan dihentikan setelah

sampel terdekomposisi seluruhnya atau hingga berat tertentu (tidak menunjukkan

lagi dekomposisi).

Pengujian karakter kestabilan termal ini dilakukan di Laboratorium Kimia

Analitik Instrumen Jurusan Pendidikan Kimia FPMIPA Universitas Pendidikan

Indonesia. Spesifikasi instrumen yaitu Simultaneous DTA-TG Apparatus

Shimadzu tipe DTG-60A. Rangkaian alat dikondisikan pada temperatur kamar,

perningkatan suhu dari 28oC – 550oC, dialiri gas nitrogen dengan laju

260mL/menit, dan laju pemanasan (heating rate) 10oC/menit.

3.7.4 Analisis SEM

Karakterisasi morfologi untuk membran keramik-fatty imidazolinium

(31)

41

S-5000 Hitachi di Department of Chemical Engineering Hiroshima University

Jepang. Analisis Scanning Elektron Microscopy (SEM) dilakukan untuk

mengetahui gambaran permukaan membran serta mengetahui ukuran pori-pori

membran, sehingga dapat diketahui pengaruh dari impregnasi fatty imidazolinium

(32)

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

1. Komposit membran keramik-fatty imidazolinium iodida telah berhasil dipreparasi dengan metode impregnasi fatty imidazolinium iodida yang dilarutkan dalam methanol terhadap keramik berbasis alumina, dengan variasi

waktu impregnasi 6 jam, 12 jam, 1 hari, 3 hari, 5 hari, 7 hari.

2. Daya hantar ionik dan kapasitas penukar proton terbaik dimiliki membran

keramik terimpregnasi oleil imidazolinium iodida selama 3 hari, dengan nilai

konnduktivitas yaitu 0,2277 µS/cm pada suhu 60 oC dan nilai kapasitas

penukar ion sebesar 0,0156 mmol/gram. Membran ini memiliki kestabilan

termal yang tinggi, ditunjukkan oleh puncak terjadinya dekomposisi pada

suhu 340,56 oC. Dari hasil analisis SEM membran tersebut juga memiliki

struktur permukaan yang lebih rapat dan tidak berpori.

5.2 Saran

1. Perlu penelitian lebih lanjut mengenai kinerja membran keramik

terimpregnasi fatty imidazolinium iodida pada prototipe sel bahan bakar (fuel

(33)

62

2. Perlu dilakukan karakterisasi lebih lanjut berkaitan dengan karakter mekanis

dan permeabilitas terhadap metanol (sebagai Direct Methanol Fuel Cell,

DMFC).

3. Perlu penelitian lebih lanjut untuk memvariasikan bahan pembuatan membran

maupun bahan pembuatan cairan ionik, agar menghasilkan membran dengan

karakter fisikokimia yang lebih baik, tahan terhadap suhu tinggi, dan lebih

elastis.

4. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut untuk meningkatkan nilai transport

(34)

DAFTAR PUSTAKA

Aluminium Oksida [Online]. Tersedia : http: //id. wikipedia. org/wiki/ Aluminium

_oksida. (29 September 2012).

Anshari, Dedi. (2009). Impregnasi Asap Cair Tempurung Kelapa, Poliester Tak Jenuh Yukalac 157 Bqtn-Ex Dan Toluena Diisosianat Terhadap Kayu Kelapa Sawit. Tesis. Universitas Sumatra Utara.

Bajpai, D. and Tyagi, V. K. (2006). Fatty Imidazolines: Chemistry, Synthesis, Properties, and Their Industrial Applications. J. Oleo Scie., 55, (7), 319-329.

Carter, C.B, dan Norton, M.G. (2007). Ceramic Materials / Science and

Engineering. Springer.

Doyle, Marc, Choi, Susan K, dan Proulx, Grant. (2000). High-Temperature Proton Conducting Membranes Based on Perfluorinated Ionomer Membrane-Ionic Liquid Composites. Journal of The Electrochemical Society.

Gordon, C. M., (2003). Synthesis and Purification of ionik Liquid, dalam Ionik Liquid in Synthesis. P. Wasserscheid dan T. Welton (Eds.), Wiley Verlag, Frankfurt.

Handayani, S, et al. (2007). Preparasi Membran Elektrolit Berbasis Poliaromatik untuk Aplikasi Sel Bahan Bakar Metanol Langsung Suhu Tinggi. Jurnal Sains Materi Indonesia.

(35)

64

Hennige, V., et al. (2004). Cation-Conducting or Proton-Conducting Ceramic Membrane Infiltrated with An Ionic Liquid, Method for the Production Thereof and Use of the Same. US Patent Application Publication.

Hermanutz, Frank, Meister, Frank, dan Uerdingen, Eric. (2006). New Developments in the Manufacture of Cellulose Fibers with Ionic Liquids. Chemical Fibers International.

http://www.lenntech.com/ceramic-membranes.htm, (16 Oktober 2011)

Kosmulski, M, Szafran, M, Saneluta, M, Marczewska-Boczkowska, M. (2005).

Low-Temperature Ionic Liquids Immobilized in Porous Alumina. Department of Electrochemistry, Lublin University of Technology,

Poland.

Ladelta, Viko. (2007). Direct Methanol Fuel Cell (DMFC): Baterai Laptop tanpa Charger (online). Tersedia

http://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/berita/direct_methanol_fuel_cell_dmfc_baterai_lapto

p_tanpa_charger/ (16 Oktober 2011)

Ledyastuti, Mia. (2007). Sintesis Dan Karakterisasi Membran Berbasis Kitosan

Dalam Aplikasi Fuel Cell. Thesis. Institut Teknologi Bnadung.

Listiani Dewi, Eniya, Ismujanto, Tjutjuk, dan Tri Chandrasa, Ganesha. Pengembangan dan Aplikasi Fuel Cell. Jakarta : Pusat Teknologi Material, Badan Pengkaji dan Penerapan Teknologi

Mahasiswanegarawan. (2007). Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) Sebuah Energi

Alternatif Berkelanjutan Dan Ramah Lingkungan [online]. Tersedia:

http://mahasiswanegarawan.wordpress.com/2007/08/18/sel-bahan-bakar-fuel-cell-sebuah-energi-alternatif-berkelanjutan-dan-ramah-lingkungan/

(36)

65

pada Seminar Nasional Kimia dan Pendidikan Kimia, Jurusan Pendidikan

Kimia FPMIPA UPI.

Mulder, M. (1996). Basic Principles of Membrane Technology. Netherland: Kluwer Academic Publishers.

Murugesan, S, dan Lindhart R, J. (2005). Ionic Liquids in Carbohydrate Chemistry – Current Trends and Future Directions. Department of Chemical and Biological Engineering, Department of Chemistry and

Chemical Biology and Department of Biology, Rensselaer Polytechnic

Institute, Troy, New York, USA

Souza, F.R., Padilha, J., Goncalves, R., Dupont, J., “Room Temperature dialkylimidazolium ionic liquids –based fuel cell” Laboratory of Molecular

Catalysis and laboratory of Electrochemistry, Institute of Chemistry,

Brazil.

Sumirat,T. (2010). Pengaruh Impregnasi Cairan Ionik Fatty imidazolinium

Terhadap Morfologi Dan Karakter Elektrokimia Membran Polielektrolit Kitosan Sulfonat. Skripsi. Universitas pendidikan Indonesia.

Taufika, Rhama. (2011). Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) [Online]. Tersedia: http://umeblogsite.blogspot.com/2012/03/sel-bahan-bakar-fuel-cell.html.

(8 Oktober 2012)

Toma, G., Gotov, B., dan Solcaniova, E. (2000). Enantioselective Allylic Substitution Catalyzed by Pd0–Ferrocenylphosphine Complexes in [Bmim][PF6] IonicLiquid. Green Chem. 2000, 2, 149.

Ulyani, Visti. (2008). Reaksi Katalisis. Skripsi. FPMIPA Universitas Indonesia.