1 1.1 Latar Belakang
Bahan bakar fosil menjadi sumber daya alam yang sangat melimpah di bumi ini. Bahan bakar fosil antara lain seperti minyak bumi, gas alam dan batu bara. Bahan bakar fosil tersebut dipergunakan untuk memproduksi berbagai material yang dibutuhkan oleh manusia misalnya polimer. Polimer dari minyak bumi dan batu bara memiliki sifat yang tidak terbarukan dan tidak ramah lingkungan, maka penggunaan bahan alternatif yang berbasis alam perlu dilakukan. Bahan alternatif yang berbasis alam antara lain seperti asam itakonat, asam suksinat, butanadiol, propanadiol, etilena glikol dan lain sebagainya (Chajecka, 2011; Ford, 1973). Asam itakonat dapat diproduksi melalui biosintesis dari karbondioksida (CO2) oleh Synechocystis sp PCC 6803 (Chin et al., 2015). Asam itakonat
merupakan asam organik hidrofil yang berasal dari fermentasi karbohidrat oleh jamur Aspergillus terreus (Klement and Buchs dalam Chin, 2015). Asam itakonat dapat diproduksi oleh bakteri Escherichia coli dengan mengekspresikan amilase rekombinan, menggunakan pati sebagai sumber karbon (Okamoto et al., 2015). Asam itakonat memiliki satu gugus vinil dan dua gugus karboksilat (Willke and Vorlop, 2001). Gugus karboksilat pada kedua ujungnya dapat bereaksi dengan diol membentuk polimer, sehingga berpotensi sebagai monomer terbarukan, biokompatibel dan bersifat fotoaktif.
Salah satu polimer yang dikembangkan dari sumber bahan alam yaitu poliester yang dapat dibentuk melalui reaksi kondensasi dari monomer difungsional seperti diasam, diester dan diol (Albertsson et al., 1986). Reaksi kondensasi poliester dilakukan melalui esterifikasi secara langsung dari diasam dan diol dengan air sebagai produk sampingnya. Poliester tersebut dapat disintesis dari diasam seperti asam itakonat, asam suksinat, asam adipat, asam maleat, dan diol seperti butandiol, propandiol, etilena glikol, heksandiol (Chajecka, 2011; Ford, 1973). Crysandi (2014) telah berhasil melakukan sintesis poli(propilen
itakonat) yang merupakan poliester dengan monomer asam itakonat dan 1,3-propandiol.
Metal-organic framework (MOF) adalah senyawa kristalin berpori membentuk jaringan tiga dimensi berupa logam cluster misalnya seng, tembaga, besi, kromium dan aluminium (Ferey dalam Kim, 2012) yang saling berhubungan dengan linker organik multidentat, bi atau trivalen asam karboksilat aromatik misalnya 1,4-benzene dicarboxylate, biphenyl-4,4-dicarboxylate dan benzene -1,3,5-tricarboxylate (Nik et al., 2012). MOF menyediakan area permukaan dan volume pori yang besar, ukuran pori seragam dan kandungan logam yang berpotensi sebagai situs aktif untuk katalisis dan adsorpsi gas, maka MOF banyak digunakan sebagai media penyimpanan gas seperti gas CO2 atau gas CH4 (Nik et
al., 2012), adsorben untuk pemisahan gas (Basu et al., 2010 ).
Poli(propilen itakonat) yang dihasilkan tidak berpori tetapi memiliki fleksibilitas yang baik sehingga dapat dijadikan sebagai host matriks. MOF memiliki luas permukaan dan volume pori yang besar, ukuran pori seragam dan kandungan logam yang berpotensi sebagai situs aktif untuk adsorpsi gas tetapi MOF hanya berbentuk serbuk sehingga membutuhkan suatu supporting matriks berupa poli(propilen itakonat) agar memiliki bentuk yang lebih fleksibel. Selain itu, poli(propilen itakonat) sebelumnya belum pernah digunakan sebagai matriks pada MOF untuk adsorber gas CO2. Dari hal-hal yang telah diuraikan tersebut,
membuka peluang pemanfaatan poli(propilen itakonat) sebagai matriks dengan dopan MOF membentuk film hybrid sebagai adsorber gas CO2 karena produksi
CO2 di alam semakin meningkat sehingga dapat menyebabkan pemanasan global.
Penghasil utama emisi gas CO2 di bumi adalah pembakaran bahan bakar fosil,
kegiatan industri dan hasil pembakaran dari knalpot kendaraan bermotor. Pemanasan global telah menjadi isu global yang semakin penting di dunia, maka peneliti mencoba melakukan berbagai upaya memanfaatkan poli(propilen itakonat) sebagai matriks dengan dopan MOF seperti cooper(II)-benzene-1,3,5 -tricarboxylate, cooper(II)-benzene-1,4-dicarboxylate, MIL-53(Al) dan NH2
-MIL-53(Al) (Feijani et al., 2015) sebagai adsorber gas CO2 dalam bentuk film hybrid.
Dengan melihat latar belakang tersebut, maka peneliti mencoba menerapkan poli(propilen itakonat) sebagai matriks dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dalam
bentuk film hybrid sebagai adsorber gas CO2. Dengan melihat diagram kapasitas
adsorpsi gas CO2 terhadap variasi penambahan MOF [Cu3(BTC)2]. Pada
penelitian ini diusulkan variasi penambahan MOF [Cu3(BTC)2] terhadap
poli(propilen itakonat) sebagai adsorber gas CO2.
1.2 Perumusan Masalah 1.2.1 Identifikasi Masalah
Poliester dibentuk dari dua gugus yang berbeda seperti diasam, diol dan diester dengan transferifikasi dimetil ester dengan diol dan esterifikasi langsung dari diasam dan diol yang langsung dilanjutkan dengan polikondensasi (Pang et al., 2003). Poliester berbasis alam disintesis dari monomer diasam seperti asam suksinat (Tsai et al., 2008), asam adipat (Biebl et al., 1999), asam maleat (Edlund and Albertsson, 2003) dan beberapa jenis diol seperti butandiol (Burk, 2010; Elango et al., 2010), heksandiol, propandiol (Nakamura and Whited, 2003), etilen glikol (Chajecka, 2011; Ford, 1973).
Perbandingan kuantitas dari monomer poliester sangat berpengaruh terhadap berat molekul pada produk akhir. Keseimbangan reaksi akan terjadi jika jumlah monomer satu dengan yang lainnya sesuai secara stokiometri (Ford, 1973). Kepastian untuk estimasi pencapaian berat molekul yang tinggi pada sintesis poliester, terjadi ketika perbandingan mol antara diol dan diasam adalah sama, dengan asumsi bahwa dua gugus asam dari diasam bereaksi dengan dua gugus hidroksi dari diol (Chajecka, 2011).
Proses polikondensasi bergantung pada suhu pemanasan, waktu pemanasan, kecepatan pengadukan, dan penurunan tekanan (Chajecka, 2011). Pembentukan poliester melalui reaksi polikondensasi memerlukan waktu sintesis diantaranya 24 jam, 48 jam, 6 jam, 4 jam dan 3 jam (Chajecka, 2011; Mohammadnia et al., 2012; Tang et al., 2006). Suhu sintesis poliester yang sering digunakan diantaranya 190-230, 150-220, 170-180, 180, 160, 150, 120-140 ºC (Chajecka, 2011; Mohammadnia et al., 2012; Tang et al., 2006).
Metal-Organic Framework (MOF) dibentuk dari linker organik multidentat, bi atau trivalen asam karboksilat aromatik seperti misalnya 1,4-benzene dicarboxylate, biphenyl-4,4-dicarboxylate dan benzene-1,3,5-tricarboxylate (Nik
et al., 2012) yang digunakan untuk membentuk kerangka tiga dimensi dengan seng, tembaga, besi, kromium, atau aluminium (Ferey dalam Kim, 2012).
Metal-Organic Framework (MOF) yang biasanya digunakan misalnya cooper
(II)-benzene-1,3,5-tricarboxylate, cooper(II)-benzene-1,4-dicarboxylate, MIL-53(Al) dan NH2-MIL-53(Al) (Feijani et al., 2015). MOF dapat diproduksi dengan sintesis
secara solvothermal, elektrolisis, refluks, ultrasonic irradiation, microwave dan mechanochemical (Schlesinger et al., 2010).
MOF [Cu3(BTC)2] terdiri dari dimer tembaga dikoordinasikan ke atom
oksigen benzene-1,3,5-tricarboxylate membentuk jaringan tiga dimensi berpori dengan luas permukaan yang besar (Schlichte dalam Kim, 2012) dan stabilitas panas yang baik (Chui dalam Kim, 2012). MOF [Cu3(BTC)2] memiliki volume
pori 0,496 cm3/g , BET surface area 1071 m2/g (Basu et al., 2010) serta stabil sampai suhu 300 oC. MOF [Cu3(BTC)2]menyediakan area permukaan dan volume
pori yang besar, ukuran pori seragam dan kandungan logam yang berpotensi sebagai situs aktif untuk katalisis dan adsorpsi gas, maka MOF [Cu3(BTC)2]
banyak digunakan sebagai media penyimpanan gas seperti gas He/CH4, He/N2 dan
CO2/CH4 (Feijani et al., 2015).
Proses pembentukan MOF [Cu3(BTC)2] dengan cara elektrolisis
membutuhkan waktu sintesis selama 2,5 jam menggunakan logam Cu dan dengan elektrolit tetrabutylammonium tetrafluoroborate (TBATFB) (Kumar et al., 2013). Pelarut yang digunakan dalam sintesis MOF [Cu3(BTC)2] dengan cara elektrolisis
adalah etanol-air (Joaristi et al., 2012), metanol-air (Kumar et al., 2013). Peningkatan konsentrasi elektrolit TBATFB > 0.02 M membutuhkan tegangan lebih dari 15 V. Metode elektrolisis memerlukan tegangan konstan yaitu dengan menjaga arus bervariasi untuk membuat tegangan konstan, sehingga dihasilkan MOF dengan hasil yang lebih baik, luas permukaan dan volume pori yang besar serta kemurnian tinggi (Kumar et al., 2013).
Poli(propilen itakonat) memiliki fleksibilitas yang baik sehingga dapat dijadikan sebagai host matriks untuk MOF [Cu3(BTC)2] agar MOF [Cu3(BTC)2]
memiliki bentuk yang lebih fleksibel. Poli(propilen itakonat) dijadikan host matriks dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dalam bentuk film hybrid yang
memiliki luas permukaan dan volume pori yang besar, ukuran pori seragam dan kandungan logam yang berpotensi sebagai situs aktif adsorpsi gas. Sehingga film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] berpotensi
sebagai adsorber gas CO2
Karakteristik poli(propilen itakonat) dapat dianalisis dengan IR, NMR, GPC, viskositas dengan Rheometer, SEM dan TG-DTA/DSC. Karakteristik film matriks poli(propilen itakonat) dapat dianalisis dengan IR, SAA, TGA, SEM dan rangkaian alat adsorpsi gas CO2. Karakteristik MOF [Cu3(BTC)2] dapat dianalisis
dengan XRD, IR, SAA, TGA, SEM dan rangkaian alat adsorpsi gas CO2.
Karateristik film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2]
dapat dianalisis dengan IR, SEM, SAA, TGA dan rangkaian alat adsorpsi gas CO2.
1.2.2 Batasan Masalah
1. Perbandingan mol monomer asam itakonat dan 1,3-propandiol yang digunakan adalah 1 : 1,05 (mol/mol) (Crysandi, 2014).
2. Esterifikasi langsung dilakukan pada suhu 150-170 oC selama 100 menit (Crysandi, 2014).
3. Metal-Organic Framework (MOF) yang digunakan adalah [Cu3(BTC)2].
4. Sintesis Metal-Organic Framework [Cu3(BTC)2] dilakukan dengan cara
elektrolisis dengan elektoda logam Cu selama 2,5 jam (Kumar et al., 2013) dan tegangan 15 V dengan pelarut etanol-air 1 : 1.
5. Perbandingan mol ligan benzene-1,3,5-tricarboxylic acid dan elektrolit
tetrabutylammonium tetrafluoroborate (TBATFB) yang digunakan adalah
5 : 1 (mmol/mmol) (Kumar et al., 2013)
6. Poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dalam bentuk
film hybrid sebagai adsorber gas CO2.
7. Variasi penambahan MOF [Cu3(BTC)2] pada poli(propilen itakonat)
adalah 1, 3, 5, 10, 20 dan 40% (b/b) poliester.
8. Poli(propilen itakonat) dikarakterisasi gugus fungsi dengan IR.
9. Film matriks poli(propilen itakonat) dikarakterisasi gugus fungsi dengan IR, luas permukaan dan volume pori dengan SAA, stabilitas panas dengan
TGA, morfologi permukaan dengan SEM dan analisis adsorpsi gas CO2
dengan rangkaian alat adsorpsi gas CO2.
10. MOF [Cu3(BTC)2] dikarakterisasi gugus fungsi dengan IR, struktur
kristalnya dengan XRD, luas permukaan dan volume pori dengan SAA, stabilitas panas dengan TGA, morfologi permukaan dengan SEM dan analisis adsorpsi gas CO2 dengan rangkaian alat adsorpsi gas CO2..
11. Film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2]
dikarakterisasi gugus fungsi dengan IR, stabilitas panas menggunakan TGA, morfologi permukaan dengan SEM, luas permukaan dan volume pori dengan SAA, dan analisis adsorpsi gas CO2 dengan rangkaian alat
adsorpsi gas CO2.
1.2.3 Rumusan Masalah
1. Apakah matriks poli(propilen itakonat) dapat meningkatkan stabilitas panas dari film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] untuk mendukung adsorber gas CO2 ?
2. Bagaimana pengaruh penambahan variasi MOF [Cu3(BTC)2] terhadap
kapasitas adsorpsi gas CO2 dari film hybrid poli(propilen itakonat) dengan
dopan MOF [Cu3(BTC)2] ?
3. Apakah poli(propilen itakonat) dapat dijadikan sebagai matriks tanpa menghambat kinerja dopan MOF [Cu3(BTC)2]membentuk film hybrid ?
1.3 Tujuan Penelitian
1. Mengetahui pengaruh penambahan matriks poli(propilen itakonat) terhadap stabilitas panas dari film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] untuk mendukung adsorber gas CO2.
2. Mengetahui pengaruh penambahan variasi MOF [Cu3(BTC)2] terhadap
kapasitas adsorpsi gas CO2 dari film hybrid poli(propilen itakonat) dengan
dopan MOF [Cu3(BTC)2].
3. Mengetahui apakah poli(propilen itakonat) dapat dijadikan sebagai matriks tanpa menghambat kinerja dopan MOF [Cu3(BTC)2] membentuk film
1.4 Manfaat Penelitian
1. Dapat memberikan informasi mengenai pembuatan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2].
2. Memberikan solusi alternatif untuk menghadapi pemanasan global akibat peningkatan konsentrasi gas CO2, dengan cara memanfaatkan poliester
dari monomer alam dijadikan sebagai matriks dengan dopanMOF sebagai adsorber gas CO2 dalam bentuk film hybrid.
