LAPORAN LOMBA KARYA ILMIAH MAHASISWA ITB BIDANG ENERGI

PENGHARGAAN PT REKAYASA INDUSTRI

PEMBUATAN MEMBRAN FUEL CELL DARI LIMBAH PLASTIK LDPE

(LOW DENSITY POLY-ETHYLENE)

Oleh: Ketua:

Emir Jamal R (10501019)

Anggota: Meta Widiastri (10503015) Ristny Fitri Awaliyyah (10503033) Mukti Wahyuningjati (10503060) Erma Maryana (10503064)

Kerjasama ITB dengan PT REKAYASA INDUSTRI

2007

LEMBAR PENGESAHAN

Judul Penelitian : Pembuatan Membran Fuel Cell dari Sampah

Plastik LDPE (Low Density Poly-Ethylene)

Himpunan Mahasiswa : HMK Amisca

Bidang Penelitian : Energi Fuel Cell

Ketua Pelaksana Penelitian

Nama Lengkap : Emir Jamal R

NIM : 10501019

Prodi/Fakultas : Kimia/FMIPA

Alamat dan No Telp : G. Mentor I no.8 Komp Sukaraja II Bandung

40175, Telp (022)70264030

E-mail : s101emir@mail.chem.itb.ac.id

Anggota Pelaksana Penelitian : 4 orang

Biaya Penelitian yang diusulkan : Rp. 4.878.900,00

Jangka Waktu Pelaksanaan : 8 Bulan

Waktu untuk Kegiatan Penelitian : 6 jam/minggu

Pembimbing,

Dr. M..Bachri.Amran

NIP 131 690 332

Bandung, 21 November 2007

Ketua Pelaksana Penelitian,

Emir Jamal R

NIM 10501019

Ketua Program Studi Kimia,

Dr. Bunbun Bundjali

NIP 130 890 924

Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam,

Akhmaloka, Ph. D.

NIP 131 690 330

2

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN............................................................................................2

1 Membran Fuel Cell dari Sampah Plastik: Investasi yang Menjanjikan..................8

1.1 Bahan Bakar Fosil Akan Habis dalam 18 Tahun...........................................8

1.2 Fuel Cell: Sumber Energi Masa Depan .........................................................8

1.3 Membran Fuel Cell dari Sampah Plastik .......................................................9

2 Tinjauan Pustaka ...................................................................................................11

2.1 Plastik LDPE................................................................................................11

2.2 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) ..................................12

2.3 Polistiren Tersulfonasi .................................................................................16

2.4 Karakterisasi Membran Fuel Cell ................................................................17

3 Metode Penelitian..................................................................................................19

3.1 Alat dan Bahan.............................................................................................19

3.2 Diagram Alir Penelitian ...............................................................................20

3.3 Deskripsi Penelitian .....................................................................................22

4 Pelaksanaan Program ............................................................................................26

4.1 Waktu dan Tempat Pelaksanaan ..................................................................26

4.2 Tahapan Pelaksanaan ...................................................................................26

3

4.3 Instrumen Pelaksanaan.................................................................................26

5 Hasil dan Pembahasan...........................................................................................27

5.1 Sintesis LDPEgF......................................................................................27

5.2 Sintesis Agen Sulfonasi ...............................................................................30

5.3 Sintesis Polistiren Tersulfonasi....................................................................31

5.4 Analisis Gugus Fungsi dengan FTIR...........................................................33

6 Kesimpulan dan Saran...........................................................................................42

6.1 Kesimpulan ..................................................................................................42

6.2 Saran ............................................................................................................42

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................43

4

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram kerja fuel cell jenis PEMFC ......................................................14

Gambar 2.2 Polistiren ..................................................................................................16

Gambar 2.3 Polistiren tersulfonasi...............................................................................17

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian secara garis besar ...............................................20

Gambar 3.2 Diagram alir preparasi asetil sulfat ..........................................................20

Gambar 3.3 Diagram alir sulfonasi polistiren..............................................................21

Gambar 3.4 Diagram alir karakterisasi polimer dan membran....................................21

Gambar 3.5 Pembuatan membran secara inversi fasa .................................................24

Gambar 5.1 Spektrum serapan infra merah: ................................................................29

Gambar 5.2 Proses sintesis agen sulfonasi (a); agen sulfonasi (b) ..............................31

Gambar 5.3 Proses sintesis PSS (a dan b); PSS sebelum dimurnikan (c); proses

pemurnian PSS (d) .......................................................................................................32

Gambar 5.4 Spektrum overlay serapan infra merah: ...................................................33

Gambar 5.5 Perbesaran spektrum overlay serapan infra merah: .................................34

Gambar 5.6 Spektrum serapan infra merah polistiren murni.......................................35

Gambar 5.7 Spektrum serapan infra merah polistiren tersulfonasi (PSS) ...................36

Gambar 5.8 Alat FTIR .................................................................................................37

Gambar 5.9 Proses casting membran komposit (a); membran komposit (b);

pencelupan membran komposit (c)..............................................................................39 5

Gambar 5.10 Proses difusi ion H+ melalui membran komposit dengan pengadukan

menggunakan magnetic stirer (a); pengukuran pH pada kompartemen umpan dan

permeat dari sel difusi (b dan c)...................................................................................40

Gambar 5.11 Kurva permeabilitas ion H+ (konduktivitas proton) untuk membran

komposit.......................................................................................................................41

6

DAFTAR TABEL

Tabel 5.1 Analisis FTIR LDPE-g-F............................................................................29

Tabel 5.2 Analisis FTIR polistiren..............................................................................35

Tabel 5.3 Analisis FTIR polistiren tersulfonasi (PSS)................................................36

Tabel 5.4 Konduktivitas proton pada larutan umpan dan permeat .............................40

7

1 Membran Fuel Cell dari Limbah Plastik: Investasi yang Menjanjikan

1.1 Bahan Bakar Fosil Akan Habis dalam 18 Tahun

Minyak bumi diperkirakan akan habis dalam 18 tahun. Penyebab dari masalah

tersebut datang karena minyak bumi merupakan sumber daya alam yang tidak dapat

diperbarui, sehingga untuk mendapatkannya kembali memerlukan waktu ratusan juta

tahun lamanya (Seminar Salman Nature Expo II, 2006).

Peran minyak bumi dalam penyediaan energi nasional pun masih dominan. Sekitar

53% dari kebutuhan energi nasional dipenuhi dari minyak bumi. Jumlah tersebut

tidak cukup dipenuhi dari produksi dalam negeri. Sehingga, untuk memenuhinya,

negara kita harus mengimpor dari luar negeri. Walaupun masih mampu mengekspor

minyak bumi, tetap saja saat ini Indonesia menjadi net oil importing country (Seminar

Salman Nature Expo II, 2006).

Untuk mengatasi permasalahan cadangan minyak bumi yang semakin terbatas dan

harga minyak yang terus meningkat, perlu dikembangkan energi alternatif untuk

menggantikan minyak bumi. Salah satu energi alternatif yang potensial untuk

dikembangkan adalah fuel cell mengingat potensinya yang cukup besar dan termasuk

jenis sumber energi yang terbarukan (Seminar Salman Nature Expo II, 2006).

1.2 Fuel Cell: Sumber Energi Masa Depan

Teknologi konvensional menggunakan minyak bumi sebagai sumber energi

dipandang kurang efisien serta menimbulkan polusi udara. Pembakaran minyak bumi

menghasilkan karbon monoksida (CO) dan karbondioksida (CO2) yang berbahaya.

Sebagai solusi, baru-baru ini telah dikembangkan teknologi fuel cell yang terus

mengalami riset dan pengembangan di beberapa negara maju. Teknologi fuel cell ini

dipandang lebih efisien, tidak menimbulkan polusi seperti halnya pembangkit energi

tenaga minyak bumi (Kompas, 2005; Sopiana, 2005; Lu, 2005; Bae, 2005; Alberti,

2003).

8

Beberapa negara maju seperti Jepang, Amerika Serikat, Jerman, Inggris, dan Prancis

pun sudah mulai menerapkan teknologi fuel cell pada pembangkit energi di gedung-

gedung bertingkat, rumah tangga, bus, mobil, atau alat-alat elektronik seperti PDA

dan handphone dalam bentuk prototipe. Bahkan, beberapa pihak sudah

mengkomersialkan teknologi ini seperti yang dilakukan pabrik Toyota dan Mercedes

Benz. Oleh sebab itu, di masa depan fuel cell diperkirakan menjadi sumber energi

utama di dunia (Kompas, 2005).

1.3 Membran Fuel Cell dari Limbah Plastik

Pada sistem fuel cell terdapat membran elektrolit yang merupakan jantung dari

sistem ini. Fungsi dari membran pada fuel cell adalah sebagai elektrolit dan pemisah

dua gas reaktan. Sebagai elektrolit, membran fuel cell menjadi sarana transportasi ion

hidrogen yang dihasilkan oleh reaksi anoda menuju katoda, sehingga reaksi pada

katoda yang menghasilkan energi listrik dapat terjadi (Kordesch, 1996; Yohan, dkk,

2005).

Saat ini, membran yang digunakan terbuat dari politetrafluoroetilena dengan cabang

gugus asam sulfonat (Nafion) (Parra, 2004; Cho, 2005; Yohan, dkk, 2005). Di

pasaran, harga Nafion masih sangat mahal, sehingga menjadi kendala untuk

mengembangkannya di Indonesia. Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian untuk

mendapatkan membran alternatif sebagai pengganti Nafion, tetapi memiliki kualitas

yang sama atau bahkan lebih daripada Nafion (Yohan, dkk, 2005).

Pada penelitian ini, akan dibuat membran fuel cell yang berasal dari limbah plastik

LDPE. Pemanfaatan LDPE dalam membuat membran fuel cell ini didasarkan pada

jumlah konsumsi polietilen yang besar terutama di Indonesia. Survei Strategis gc ca

International Market Research, suatu lembaga survei dan analisa ekonomi di Kanada,

menyatakan bahwa konsumsi plastik LDPE di negara Indonesia tahun 2005 adalah

650.000 ton. Nilai tersebut berada diperingkat kedua setelah konsumsi Polipropilen.

Dengan nilai konsumsi demikian, akan dihasilkan sampah plastik dalam jumlah lebih

dari 650.000 setiap tahunnya. (Budiman, 2006).

Pembuatan membran dilakukan melalui beberapa tahap. Tahap pertama pembuatan

membran ini adalah fluorinasi LDPE menggunakan larutan HF yang dibantu dengan

9

iradiasi sinar UV, sehingga dihasilkan LDPE-g-F. Tahap kedua adalah laminasi

polistirena tersulfonasi pada permukaan LDPE-g-F. Selanjutnya membran tersebut

dikarakterisasi dengan pengujian struktur menggunakan FTIR, pengujian mekanik,

elektrokimia, proton konduktivitas, serta uji terhadap suhu dan tekanan (Yohan, dkk,

2005).

Membran yang akan dihasilkan diharapkan dapat menjadi alternatif membran

sebelumnya, yaitu Nafion, yang selama ini masih sulit terjangkau oleh para peneliti

di Indonesia karena harganya yang mahal. Di masa depan, diharapkan membran ini

dapat benar-benar diaplikasikan pada fuel cell, sehingga permasalahan kelangkaan

energi dapat dengan mudah teratasi.

10

2 Tinjauan Pustaka

2.1 Plastik LDPE

Plastik merupakan bahan kemasan utama saat ini. Salah satu jenis plastik adalah

Polytehylene (PE). Polietilen dapat dibagi menurut massa jenisnya menjadi dua jenis,

yaitu: Low Density Polyethylene (LDPE) dan High Density Polyethylene (HDPE).

LDPE mempunyai massa jenis antara 0,91-0,94 gmL-1, separuhnya berupa kristalin

(50-60%) dan memiliki titik leleh 115oC. Sedangkan HDPE bermassa jenis lebih

besar yaitu 0,95-0,97 gmL-1, dan berbentuk kristalin (kristalinitasnya 90%) serta

memiliki titik leleh di atas 127oC (beberapa macam sekitar 135oC) (Billmeyer,1971).

Secara kimia, LDPE mirip dengan HDPE. Tetapi secara fisik LDPE lebih fleksibel

dan kerapatannya lebih kecil dibandingkan HDPE. Perkembangan selanjutnya, telah

diproduksi LDPE yang memiliki bentuk linier dan dinamakan Low Linear Density

Poliethylene (LLDPE) (designinsite.dk).

Kebanyakan LDPE dipakai sebagai pelapis komersial, plastik, lapisan pelindung

sabun, dan beberapa botol yang fleksibel. Kelebihan LDPE sebagai material

pembungkus adalah harganya yang murah, proses pembuatan yang mudah, sifatnya

yang fleksibel, dan mudah didaur ulang. Selain itu, LDPE mempunyai daya proteksi

yang baik terhadap uap air, namun kurang baik terhadap gas lainnya seperti oksigen.

LDPE juga memiliki ketahanan kimia yang sangat tinggi, namun melarut dalam

benzena dan tetrachlorocarbon (CCl4) (Nurminah, 2002; Billmeyer, 1971).

Keunggulan lain jenis plastik berkerangka dasar polietilen dibandingkan dengan jenis

plastik lainnya ialah jenis plastik ini mempunyai nilai konstanta dielektrik yang kecil,

sehingga sifat kelistrikannya lebih baik (Billmeyer,1971). Sifat tersebut semakin baik

dengan tingginya jumlah hidrogen atau klorida dan fluorida yang terikat pada tulang

punggung Polietilen (exceedmpe.com).

11

LDPE diklasifikasikan sebagai materi semipermeabel karena permeabilitasnya

terhadap bahan kimia yang volatil. LDPE diproduksi dari gas etilen pada tekanan dan

suhu tinggi dalam reaktor yang berisi pelarut hidrokarbon dan katalis logam yaitu

Ziegler Catalysts. Polimer yang dihasilkan berupa bubur yang kemudian difiltrasi dari

pelarutnya (digilib.batan.go.id).

LDPE disintesis secara komersial pada tahun 1940. Sintesis tersebut menghasilkan

LDPE dengan rantai bercabang. Hasil ini dibuktikan dengan spektroskopi IR.

Percabangan LDPE dapat mengandung 50 cabang pendek dan paling sedikit 1 cabang

panjang setiap basisnya. Percabangan yang terbentuk menghasilkan bentuk ikatan

silang. (Billmeyer,1971)

2.2 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)

Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) disebut juga proton exchange

membrane fuel cell. Membran ini berupa lapisan tipis padat yang berfungsi sebagai

elektrolit pemisah katoda dan anoda. Membran ini secara selektif mengontrol

transport proton dari anoda ke katoda dalam fuel cell. PEMFC mengandung katalis

platina. Untuk menghasilkan energi, PEMFC hanya memerlukan hidrogen, oksigen

dari udara, dan air untuk mengoperasikannya. Selain itu, pada fuel cell ini tidak

dipakai fluida yang bersifat korosif seperti jenis lainnya (ifci-iipc.nrc-cnrc.gc.ca).

PEMFC merupakan sebuah sistem bebas pelarut. Sistem fuel cell ini menggunakan

fasa penghantar bersifat ionik berupa gugus garam yang matriks polimernya bersifat

polar, seperti pada garam anion F-, Cl-, I-, SCN-, ClO4-, CF3SO3-, BF4-, dan AsF6-.

Semakin besar ukuran anion dan semakin terdelokalisasi muatan, maka semakin sulit

tersolvasi sehingga dapat terjadi ikatan non permanen antara anion dan proton (Fiona

M, 1997).

Penelitian mengenai anion pada gugus fungsi tersebut, sampai sekarang, baru

dilakukan hanya sampai CF3SO3-. Pada penelitian selanjutnya akan dilakukan

penelitian terhadap gugus anion lainnya, seperti sulfonamida dan polibenzilimidazol

(Staiti, 2001).

Sampai sekarang telah banyak dikembangkan berbagai basis elektrolit dalam

pembuatan sel elektrokimia. Basis elektrolit yang sudah dikembangkan antara lain: 12

padatan kristal, gelas, lelehan, dan elektrolit. Material berbasis polimer ternyata

memiliki beberapa keunggulan (yang salah satunya sudah disebutkan di atas) sebagai

material elektrolit polimer. Keunggulan tersebut antara lain:

Mempunyai hantaran yang cocok untuk aplikasi sel elektrokimia Mempunyai hantaran listrik yang rendah Mempunyai sifat mekanik yang baik Mempunyai kestabilan kimia, elektrokimia dan fotokimia yang baik Murah dalam pembuatannya (Fiona M, 1997).

Mekanisme penghantaran ion pada polimer elektrolit sudah banyak dipelajari dan

dimodelkan oleh peneliti. Salah satu model penghantaran ion adalah pergerakan ion

dalam material kristalin sepanjang terowongan berbentuk silinder. Namun, model ini

mulai ditinggalkan orang, karena ditemukan sebuah rumusan Arrhenius yang

menyatakan hubungan pergerakan torsi antara ikatan C-C dan C-O sebagai fungsi

eksak dari hantaran proton. yang dinyatakan sebagai persamaan Vogen-Tamman-

Fulcher (VTF). Persamaan ini dibuktikan dengan hasil difraksi sinar X. (Fiona M,

1997).

PEM fuel cell bekerja pada temperatur yang relatif rendah, yaitu sekitar 80C (176F).

Rendahnya suhu operasi ini menyebabkan rendahnya waktu pemanasan (warm-up

time). Selain itu PEM memiliki kerapatan daya yang cukup tinggi karena sifat-sifat

inilah maka PEM banyak digunakan sebagai sumber daya bagi alat-alat elektronik

portable dan alat-alat transportasi (sciencedirect.com).

Membran polimer merupakan komponen yang sangat penting dalam PEM fuel cell.

Membran polimer ini dapat memisahkan reaktan dan menjadi sarana transportasi ion

hidrogen yang dihasilkan di anoda menuju katoda sehingga menghasilkan energi

listrik. Persamaan reaksi yang terjadi di anoda dan katoda dapat dituliskan sebagai

berikut:

Anoda : H2 2H+ + 2e-

Katoda : 1/2O2 + H+ + 2e- H2O (Yohan, dkk, 2005).

13

Gambar 2.1 Diagram kerja fuel cell jenis PEMFC

Kemurnian gas hidrogen sangat mempengaruhi emisi buang sistem fuel cell berbasis

polimer tersebut. Kemurnian hidrogen yang tinggi memberikan tingkat emisi yang

mendekati zero emission. Penggunaan hidrogen dengan tingkat kemurnian tinggi juga

dapat memperpanjang waktu hidup membran fuel cell dan mencegah pembentukan

karbonmonoksida (CO) yang beracun, pada permukaan katalis (Yuliandi, 2002).

Peranan elektroda sangat penting pada proses pengubahan fluks difusi proton menjadi

energi listrik. Pada elektroda, perbedaan potensial kimia dikonversi menjadi potensial

listrik sesuai persamaan Nernst. Pada perkembangan fuel cell terakhir, telah diteliti

suatu cara perakitan yang baik untuk menghasilkan energi listrik paling maksimal,

yaitu dengan Membrane Assembly Electrodes (MEA). Perakitan elektroda dilakukan

dengan cara pencangkokan elektrokatalis secara langsung pada waktu pembentukan

polimer TFPE (Yasuda, et.al, 2005)

Salah satu membran fuel cell yang digunakan secara komersial adalah membran

tetrafloro-polietilen. Membran ini bersifat selektif semipermeabel terhadap proton

dan memiliki sifat elektrik yang baik sebagai konduktor. Sifat konduktivitas tersebut

ditunjukkan dengan tetapan dielektriknya yang kecil. Namun, sebagai membran fuel

cell TFPE juga harus berperan sebagai media tranport proton (engr.psu.edu).

14

Sifat transport proton dari membran ini dapat dipenuhi dengan menambahkan gugus

sulfonat (SO3-) sebagai rantai sampingnya. Bagian rantai samping inilah yang dapat

dijadikan media transit proton. Fungsi gugus sulfonat tersebut akhirnya dapat

dijadikan patokan bagi sebuah membran untuk dipilih sebagai membran fuel cell

(stratingh.eldoc.ub.rug.nl).

Kecepatan transport proton yang terjadi, dipengaruhi oleh sifat difusi proton dalam

membran polielektrolit yang dipakai. Difusi yang terjadi dinyatakan sebagai nilai

difusi transport Ficks, sebagai fungsi dari konsentrasi proton. Difusi ini mengaitkan

antara fluks transport dengan fluks transfer muatan pada elektroda. Hubungan tersebut

dinyatakan dalam hukum pertama Ficks untuk difusi kimia (John OM, et.al, 2000).

JD = -D dC/dx

Hukum pertama tersebut menyatakan variasi waktu dan ruang sebagai fungsi

konsentrasi. Semakin besar nilai tetapan difusi yang terjadi, maka kecepatan transport

proton akan semakin besar. Kecepatan transport sebanding dengan nilai konsentrasi

H+ yang dioksidasi (John OM, et.al, 2000).

Peneliti sebelumnya telah berhasil memodelkan transport massa, panas, dan muatan

dalam suatu persamaan yang umum yaitu Maxwell-Stefan (Schultz, et.al, 2006;

Gnusin, 2005; Nikonenko, 2005).

Secara teknis, bahan dari TFPE ini masih kurang baik dalam hal menahan gas dan

belum dapat mencegah methanol cross-over secara baik. Adanya methanol cross-over

menyebabkan terhambatnya transfer proton. Pencangkokkan polimer pendukung

polistiren secara radiasi adalah salah satu metode untuk memodifikasi membran

polietilen tersulfonasi sehingga dihasilkan polimer yang lebih kompak.

Pencangkokkan ini menyebabkan adanya ikatan silang pada polimer

(ingentaconnect.com).

Selain permasalahan cross over methanol, TFPE juga memiliki kelemahan lain yaitu

ketahanan termal yang rendah. Hal ini telah diteliti oleh para pakar sebelumnya yang

menyatakan bahwa pada suhu di atas 120oC kelembaban membran tidak terjadi

dengan baik (Reed, 2004). Akibatnya, hantaran proton yang dihasilkan tidak

15

maksimum. Namun, kondisi demikian tidak mengurangi nilai jual Nafion, karena

umumnya fuel cell diterapkan pada sistem dengan suhu operasional yang rendah

(Yohan, dkk, 2005; Yuliandi, dkk, 2002).

Dalam rangka optimalisasi sifat membran fuel cell dilakukan penggabungan membran

dengan material pendukung. Penggabungan umumnya dilakukan dengan

pembentukan kopolimer, blending polimer maupun penggabungan dengan suatu

komposit (Xing, dll, 2004). Penggabungan ini bertujuan untuk memperbaiki sifat-sifat

membran seperti ketahanan termal, ketahanan kimia, ketahanan mekanik, sifat

hantaran dan sifat resistensi membran (pubs.acs.org).

2.3 Polistiren Tersulfonasi

2.3.1 Polistiren

Stiren merupakan suatu senyawa organik dengan rumus molekul C6H5CH=CH2.

Gugus vinil yang terdapat pada stiren menjadikan stiren dapat mengalami reaksi adisi

kontinu membentuk suatu polimer polistiren.

CH2 CHn

Gambar 2.2 Polistiren

Pada temperatur ruang, polistiren secara normal merupakan padatan termoplastik,

akan tetapi pada temperatur tinggi, polistiren dapat meleleh. Polimerisasi polistiren

menjadi rantai panjang berlangsung pada ikatan rangkap karbon viniliknya. Walaupun

polimerisasi larutan atau imulsi biasanya digunakan, sebagian besar polistiren

digunakan dengan polimerisasi suspensi atau dengan polimerisasi massa. Polimerisasi

stiren dimulai dengan proses yang disebut prepolimerizer, suatu wadah yang

didalamnya terdapat stiren yang akan dipolimerisasi (biasanya dengan menggunakan

poroksida sebagai oksidator) diaduk hingga campuran reaksi terkonsentrasi menjadi

polimer akibat adanya proses pencampuran yang efisien dan perpindahan panas yang

16

baik. Umumnya, larutan tersebut mengandung sekitar 30% polimer dengan

kekentalan yang sesuai untuk diolah lebih lanjut

2.3.2 Sulfonasi Polistiren

Reaksi sulfonasi merupakan suatu reaksi substitusi yang bertujuan untuk

mensubstitusi atom H dengan gugus ~SO3H pada molekul organik melalui ikatan

kimia pada atom karbonnya. Polimer dan agen sulfonasi harus berada pada fase yang

sama. Pelarut yang digunakan tidak boleh bereaksi dengan polimer maupun dengan

agen sulfonasi.

Polistiren tersulfonasi (PSS) akan memiliki gugus ~SO3H pada posisi para. Pada PSS

akan ditemui ikatan silang yang berguna untuk aplikasi pertukaran ion dan membran

penukar proton. Secara natural, PSS bersifat higroskopis.

CH2 CH

S OO

OH

CH2 CH

Gambar 2.3 Polistiren tersulfonasi

2.4 Karakterisasi Membran Fuel Cell

2.4.1 Analisis Struktur

Analisis struktur terhadap membran dapat dilakukan dengan beberapa macam cara,

yaitu: Spektroskopi IR (Infra Red), NMR (Nuclear Magnetic Resonance), XRD (X-

ray Difraction), Small Angel XRD, TEM, dan SEM (Gray, 1997; Yuliandi, 2002;

Reed, 2004). Pada penelitian digunakan spektroskopi FTIR (Fourier Transform Infra

Red) untuk menganalisis struktur (sciencedirect.com).

FTIR merupakan salah satu jenis spektroskopi yang bersifat kualitatif. FTIR

menggunakan energi yang bersumber dari sinar inframerah sebagai energi

pengganggu. Penyinaran sampel dengan FTIR menyebabkan peristiwa transisi energi 17

vibrasi molekul polimer. Sinyal hasil penangkapan detektor selanjutnya

ditransformasikan dari bentuk sinyal biasa menjadi sinyal yang lebih kontinu dengan

menggunakan transformasi fourier. Hasil analisis diharapkan menunjukkan sinyal

yang khas untuk ikatan C-C alkil dan S=O gugus sulfonat (sciencedirect.com).

18

3 Metode Penelitian

3.1 Alat dan Bahan

Peralatan:

Neraca analitis Reaktor vakum gas dan chambernya Hotplate Magnetic stirer Tabung Gas N2 Corong Pemisah 250 ml Gelas kimia 1000, 400, dan 100 ml Gelas ukur 50 ml Lampu UV Flowmeter Casting Film Apparatus

Bahan:

Sampah Plastik LDPE Aquadest H2SO4 95%-97% Gas N2 Polistiren Diklorometana Anhidrida asetat 2-Propanol

19

3.2 Diagram Alir Penelitian

Sintesis LDPE-g-FFlorinasi LDPEPematangan LDPE

LDPE-g-F

Karakterisasi

Sifatmembran

Plastikjenis

LDPE

Polistiren

Polistirentersulfonasi

(PSS)

LD

Sulfonasi

Laminasi

PE-g-F-l-PSSMembran komposit

Gambar 3.1 Diagram alir penelitian secara garis besar

- Dicampurkaatmosfir inertmengalirkan - Didinginkan

Diklorometana Anhidridaasetat

H2SO4 pkt

Gambar 3.2 Diagram alir

n dengan kondisi dengangas N2 0oC

Asetilsulfat

preparasi asetil sulfat

20

- Dipanaskan 40oC sambildialirkan gas N2 30 menit- Diaduk

Suhu dipertahankan40oC selama 120

menit

PSS

PSDiklorometana

Asetil sulfat

Larutankuning jernih

2-Propanol

Gambar 3.3 Diagram alir sulfonasi polistiren

Pengujian struktur

Analisis secaraspektrometri FTIR

Kurvaserapan

Membran LDPE-g-F-l-PSSLDPE LDPE-g-F PS PSS

Komposit

Gambar 3.4 Diagram alir karakterisasi polimer dan membran

21

3.3 Deskripsi Penelitian

3.3.1 Sintesis LDPEgF

Sintesis membran LDPE-g-F dilakukan di Laboratorium Kimia Fisik Material

Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung. Sintesis dilakukan dengan

menggunakan plastik LDPE bersih. Polimer LDPE hasil daur ulang diflorinasi

menggunakan larutan HF dan disinari dengan sinar UV untuk pematangan. Dari sini

didapatkan LDPE-g-F.

3.3.2 Sntesis polistiren tersulfonasi

1. Preparasi larutan asetil sulfat

Sebanyak 2 mL diklorometana dicampurkan dengan 0,014 mol anhidrida asetat.

Kedua larutan tersebut harus dicampurkan dalam kondisi atmosfer inert dengan

mengalirkan gas nitrogen. Larutan tersebut kemudian didinginkan pada suhu 0oC lalu

ditambahkan H2SO4 98% sebanyak 0,084 mol sambil diaduk ing homogen. Larutan

yang terbentuk adalah asetil sulfat.

2. Sulfonasi polistiren

Sebanyak 2 gram polistiren ditambahkan pada 20 mL larutan diklorometana

kemudian dimasukkan ke dalam labu leher tiga dan diaduk lalu dipanaskan pada suhu

40oC hingga homogen. Selanjutnya larutan tersebut dialiri gas nitrogen selama 30

menit lalu ditambahkan asetil sulfat. Larutan tetap diaduk dan suhu dipertahankan

40oC selama 120 menit. Larutan kuning bening yang terbentuk merupakan polistiren

yang telah tersulfonasi (PSS).

3. Pemurnian PSS

PSS hasil sintesis dimurnikan dengan menambahkan air mendidih ke dalam PSS

kemudian disaring menggunakan kertas saring lalu dikeringkan dalam vakum dan

terakhir disimpan dalam desikator. PSS ini siap untuk dilarutkan dan dilaminasikan

pada LDPE-g-F.

22

3.3.3 Sintesis membran fuel cell

1. Pembuatan larutan membran

Didalam Erlenmeyer bertutup dilarutkan PSS yang telah dimurnikan dalam pelarut

DMF dengan konsentrasi 10% (b/b) dan 20% (b/b). Campuran diaduk sampai

terbentuk larutan yang homogen. Larutan dibiarkan selama satu malam untuk

menghilangkan gelembung udara yang terbentuk selama pengadukan. Larutan ini

kemudian disebut larutan cetak dan siap untuk proses pencetakan.

2. Pencetakan membran

Untuk mendapatkan membran komposit, pencetakan membran dilakukan dengan

teknik inversi fasa. Pelat kaca dicuci dan dibersihkan dengan aseton lalu ditempatkan

polimer LDPE-g-F. Pada bagian pinggir polimer LDPE-g-F tersebut ditempelkan

selotip dengan ketebalan tertentu. Larutan cetak PSS dituang diatas polimer LDPE-g-

F secukupnya. Dengan menggunakan batang kaca, larutan cetak ditarik sehingga

membentuk film tipis. Film ini dibiarkan selama 10 menit dan 25 menit untuk

terjadinya penguapan parsial pelarutnya. Selanjutnya, film dimasukkan kedalam bak

koagulasi berisi aquades pada suhu ruang dan dibiarkan selama satu malam untuk

mendapatkan koagulasi sempurna. Membran tipis yang terbentuk dicuci dengan

aquades untuk menghilangkan sisa pelarut kemudian dikeringkan di udara terbuka.

Proses pembuatan membran secara inversi fasa ditunjukkan pada Gambar 3.5.

23

Plastik di atas pelat

Gambar 3.5 Pembuatan membran secara inversi fasa

3.3.4 Karakterisasi

1. Pengujian Struktur

Pengujian struktur polimer LDPE-g-F dan PSS dilakukan di Laboratorium Kimia

Analitik Program Studi Kimia Institut Teknologi Bandung. Pengujian struktur

dilakukan secara spektrofotometri FTIR. Sampel yang dianalisis dibuat serbuk dan

dihomogenkan dalam KBr sehingga terbentuk pellet KBr.

2. Analisis morfologi membran

Analisa morfologi membran dilakukan dengan menggunakan peralatan Scanning

Electron Microscopy (SEM) JEOL JSM-6360LA di PPPGL. Analisa SEM dilakukan

untuk setiap variasi komposisi yang diteliti. Membran kering dibekukan dengan

nitrogen cair sehingga membran menjadi beku. Membran beku kemudian dipatahkan

dan ditempelkan pada holder. Membran dilapisi dengan emas lalu dimasukkan

kedalam chamber. Selanjutnya dilakukan pemotretan membran terhadap permukaan

dan penampang lintang membran.

24

3. Pengujian konduktivitas proton

Pengukuran transpor ion H+ dilakukan untuk menentukan laju alirnya. Pengukuran

dilakukan dengan menempatkan larutan pH 1 pada kompartemen umpan dan aqua dm

pada kompartemen permeat. Pengukuran pH pada kedua kompartemen dilakukan

setiap 1 jam. Aluran konsentrasi ion H+ baik pada kompartemen umpan maupun

permeat dibuat terhadap waktu. Permeabilitas ion H+ ditentukan dalam satuan

mmol.jam-1. Perlakuan yang sama diberikan pada setiap membran dengan variasi

konsentrasi dan waktu evaporasi tertentu.

25

4 Pelaksanaan Program

4.1 Waktu dan Tempat Pelaksanaan

Tempat pelaksanaan penelitian yaitu di Laboratorium Kimia Analitik Program Studi

Kimia Institut Teknologi Bandung. Semua tahap sampai pada karakterisasi

menggunakan infra merah dilaksanakan di laboratorium ini.

Waktu pelaksanaan penelitian dilaksanakan pada beberapa periode tiap bulan

menyesuaikan dengan jadwal masing-masing peneliti.

4.2 Tahapan Pelaksanaan

Penelitian ini dibagi menjadi tiga tahap secara garis besar, yaitu tahap pendahuluan,

tahap sintesis, dan tahap karakterisasi. Tahap pendahuluan meliputi perancangan

metode sintesis, pengumpulan alat dan bahan, dan dilanjutkan dengan uji coba

sintesis. Tahap sintesis meliputi sintesis LDPE-g-F, PSS, dan membran komposit.

Tahap karakterisasi meliputi uji struktur menggunakan FTIR, uji konduktivitas

proton, dan uji SEM.

4.3 Instrumen Pelaksanaan

Instrumen yang telah digunakan dalam penelitian ini antara lain seperangkat lampu

UV, reaktor sulfonasi, dan alat analisis FTIR.

26

5 Hasil dan Pembahasan

5.1 Sintesis LDPEgF

Secara umum, membran dapat dibuat dari sejumlah besar material yang berbeda.

Polimer merupakan material utama yang banyak digunakan untuk sintesis membran

organik. Modifikasi polimer kerapkali dilakukan untuk mendapatkan sifat-sifat yang

diinginkan. Pada penelitian ini, telah dilakukan modifikasi polietilen dari sampah

plastik LDPE untuk memperoleh suatu polimer dengan karakteristik yang mirip

dengan TFPE. Modifikasi LDPE menjadi TFPE telah dilakukan melalui

pencangkokan polietilen dengan asam fluorida. Pencangkokan dilakukan dengan

meradiasi polietilen menggunakan sinar UV.

Pencangkokan secara iradiasi merupakan salah satu metode untuk memodifikasi

bahan-bahan polimer. Metode ini telah banyak digunakan misalnya untuk menyiapkan

membran selektif penukar ion, membuat bahan elastomer, mengembangkan polimer

yang ramah lingkungan, dan pengujian proses pembuatan membran penukar ion.

Apabila suatu polimer diradiasi, terdapat dua kemungkinan yang dapat terjadi, yaitu

terdegradasi atau berikatan silang. Pada proses degradasi terjadi pemutusan ikatan

rantai utama polimer, sedangkan pada pengikatan silang terbentuk ikatan antara

molekul polimer. Menurut Sun, pembentukan struktur ikatan silang pada TFPE dapat

menyebabkan terjadinya penurunan titik leleh, kenaikan suhu transisi gelas, dan nilai

ZST (Zero Strength Temperature). Kondisi ini berpengaruh pada saat terjadinya

perubahan struktur ikatan dari molekul linier menjadi struktur jaringan tiga dimensi.

27

Pada peristiwa degradasi, terjadi pengurangan berat molekul yang berdampak pada

penurunan sifat-sifat mekanik. Sedangkan pada pengikatan silang terjadi penambahan

berat molekul karena adanya rantai cabang pada polimer. Pertambahan berat molekul

ternyata sama sekali tidak berpengaruh pada penambahan kekuatan ikatan, malahan

sifat-sifat mekaniknya mengalami sedikit penurunan. Teknik pengcangkokan dengan

iradiasi sebagai penginduksi bagian aktif matriks polimer dapat dilakukan dengan dua

cara, yaitu pencangkokan film dengan monomer secara bersamaan dan langsung

(simultaneous grafting) dan pencangkokan dengan monomer setelah polimer

diiradiasi (pre-irradiation grafting). Dalam penelitian ini dipilih teknik kedua. Teknik

ini sangat baik digunakan untuk polimer semacam TFPE yang merupakan material

semikristalin karena radikal bebas yang dihasilkan dari proses iradiasi mempunyai

umur yang lebih panjang.dan homopolimer yang terbentuk dapat dicegah seminimal

mungkin sehingga dapat disiapkan kopolimer cangkok yang relatif murni. Mekanisme

reaksi rantai pembentukan polimer dalam proses kopolimerisasi meliputi tahap-tahap

inisiasi, propagasi, dan terminasi. Kekhasan reaksi polimerisasi adalah pada tahap

inisiasi. Pada pencangkokan secara iradiasi, inisiasinya adalah radikal yang dihasilkan

dari proses iradiasi polimer. Radikal polimer yang terbentuk pada tahap propagasi

akan bereaksi dengan asam fluorida menghasilkan LDPE yang tercangkok F-. Pada

tahap terminasi terjadi penggabungan antar LDPE yang tercangkok F- membentuk

suatu rantai panjang polimer yang baru.

Pada penelitian ini dilakukan analisis gugus fungsi terhadap polimer hasil

pencangkokan menggunakan Fourier Transform Infra Red (FTIR). Sebelum

dianalisis polimer hasil pencangkokan dicuci terlebih dahulu dengan air untuk

menghilangkan sisa asam fluorida yang menempel pada polimer setelah itu polimer

dikeringkan dan sampel siap dianalisis. Spektrum serapan FTIR pada LDPE sebelum

dan sesudah pencangkokan diperlihatkan pada Gambar 5.1.

Pada Gambar 5.1 terlihat bahwa spektrum LDPE dan LDPEgF mempunyai posisi

serapan yang sama pada daerah gugus fungsi. Hal ini menunjukkan bahwa iradiasi

dengan sinar UV tidak mengubah struktur asli LDPE.

28

50075010001250150017502000250030003500400045001/cm

-15

0

15

30

45

60

75

90

105

%T

2926

.01

2914

.44

2848

.86 2

843.

0727

40.8

526

34.7

6

1471

.69

1462

.04

852.

5483

1.32

729.

0971

9.45

516.

92

2929

.87

2912

.51

2848

.86

2740

.85

2659

.84

2634

.76

1469

.76

1462

.04

1367

.53

1002

.98

767.

6772

9.09

719.

45

549.

71

Multipoint BaselinecorrectionMultipoint Baselinecorrection

plastik-std

Gambar 5.1 Spektrum serapan infra merah: LDPE mula-mula LDPE-g-F

Tabel 5.1 Analisis FTIR LDPE-g-F Bilangan

gelombang (cm-1) Gugus fungsi

719,45 >C=CH2- rock 729,09 CH=CH2- vinil rock

1002,98 >C-F saturated 1462,04 CH2- metilen bend 1469,76 CH3-CH- metil bend 2740,85 C-H stretching 2848,86 CH3-CH2- etil alkana 2912,51 C-H alkana 2929,87 CH3- CH- metil alkana

Berdasarkan tabel di atas, terlihat bahwa untuk spektrum LDPEgF terdapat puncak

baru pada daerah sidik jari 1002, 98 cm-1. Puncak ini merupakan pita serapan yang

khas untuk vibrasi CF pada alkana. Ini membuktikan bahwa proses pencangkokan F-

pada LDPE dengan menggunakan kondisi yang disarankan telah berhasil. Optimasi

29

pencangkokan F- pada LDPE dapat dilakukan dengan menggunakan sumber iradiasi

yang lebih kuat seperti sinar dengan dosis tertentu sehingga diduga akan dihasilkan

pita serapan untuk vibrasi CF2. Peningkatan konsentrasi HF yang digunakan pada

penelitian ini juga dapat digunakan sebagai langkah lain untuk mengoptimasi

pencangkokan.

5.2 Sintesis Agen Sulfonasi

Agen sulfonasi yang digunakan dalam percobaan ini adalah asetil sulfat. Asetil sulfat

ini dibuat dengan mereaksikan diklorometana, asam sulfat dan anhidrida asetat.

Diklorometana pada reaksi ini berfungsi sebagai pelarut. Anhidrida asetat ini

ditambahkan ke dalam larutan untuk menghindari terbentuknya air pada saat reaksi

terjadi karena anhidrida asetat ini higroskopis sehingga dapat mengikat air. Reaksi

pembentukan asetil sulfat ini harus se-inert mungkin, oleh karena itu, saat pembuatan

asetil sulfat perlu dialirkan gas nitrogen. Suhu saat pembuatan asetil sulfat ini

diturunkan menjadi 0oC saat penambahan asam sulfat. Hal ini dilakukan untuk

mencegah bumping saat penambahan H2SO4. Selain itu, penurunan suhu ini dilakukan

untuk mencegah penguapan pada diklorometan karena reaksi yang terjadi saat H2SO4

ditambahkan ke dalam diklorometana dan anhidrida asetat adalah reaksi eksoterm.

Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut:

O

OCH3

S OO

OH

O

OO

CH3 CH3 + H2SO4 + CH3COOH

Asetil sulfat sebagai agen sulfonasi harus segera dipakai (fresh) karena asetil sulfat

mudah teroksidasi sehingga akan ada oksigen yang terlarut saat pembentukan

polistiren tersulfonasi. Asetil sulfat yang didapat dari reaksi tersebut adalah larutan

berwarna kuning jernih.

30

(a) (b)

Gambar 5.2 Proses sintesis agen sulfonasi (a); agen sulfonasi (b)

5.3 Sintesis Polistiren Tersulfonasi

Sintesis polistiren tersulfonasi ini sama seperti saat sintesis polistiren bahwa keadaan

harus seinert mungkin untuk mencegah adanya gas oksigen yang terlarut. Sintesis

PSS dilakukan dengan mencampurkan polistiren yang telah dilarutkan dalam

diklorometana dengan asetil sulfat. Proses ini dilakukan kurang lebih 2 jam pada

suhu 40oC. Suhu 40oC ini merupakan suhu yang optimal agar reaksi sulfonasi

berjalan sempurna. Setelah 2 jam akan terbentuk larutan berwarna kuning jernih.

Reaksi sulfonasi ini kemudian dihentikan dengan menambahkan 2-propanol selama

30 menit dan kemudian didinginkan pada temperatur ruang. Terakhir PSS dapat

diisolasi. Reaksi pembentukan polistiren tersulfonasi adalah sebagai berikut:

CH2 CHn

CH3COOH+

O

OCH3

S OO

OH

CH2 CH

S OO

OH

CH2 CH

+

31

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 5.3 Proses sintesis PSS (a dan b); PSS sebelum dimurnikan (c); proses pemurnian PSS (d)

Pemurnian PSS dilakukan dengan meneteskan PSS hasil sintesis ke dalam air

mendidih, akan tetapi pada percobaan ini, PSS yang terbentuk merupakan padatan

berwarna kuning. Oleh karena itu padatan PSS hasil sintesis tersebut kemudian

langsung dimasukkan ke dalam air mendidih. Padatan PSS yang sudah dimurnikan

berwarna putih. Karena PSS ini sangat higroskopis maka PSS tersebut dikeringkan

dalam vakum kemudian didiamkan dalam desikator.

Reaksi sulfonasi ini dapat terjadi dengan adanya pembentukan sulfon dikarenakan

adanya reaksi ikatan silang antara dua gugus sulfon dari unit PS-SO3H yang berbeda

melewati mekanisme intermolekul maupun intramolekul. Ikatan silang dapat

meningkat dengan meningkatnya keberadaan gugus sulfonat. Keberadaan gugus

sulfonat ini ditingkatkan dengan menambahkan konsentrasi dari agen sulfonasi pada

larutan polimer dan juga dapat dengan meningkatkan temperatur reaksi.

32

PSS dapat menghantarkan proton, tetapi karena sifat fisiknya yang rapuh sehingga

tidak dapat dibuat sebagai membran fuel cell. Oleh karena itu, pada penelitian ini,

pembuatan membran dari PSS pada suatu support yang terbuat dari LDPE-g-F.

Pemberian support berupa LDPE-g-F dilakukan karena LDPE-g-F memiliki

ketahanan mekanik yang lebih baik selain dapat juga melewatkan proton melalui

porinya.

5.4 Analisis Gugus Fungsi dengan FTIR

5007501000125015001750200022502500275030003250350037504000425045001/cm

0

15

30

45

60

75

90

105

%T

Multipoint BaselinecorrectionPSS12

PS

Gambar 5.4 Spektrum overlay serapan infra merah: PS PSS

33

110011251150117512001225125012751300132513501/cm

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%T

1328

.95

1311

.59

1278

.81

1246

.02

1224

.80

1195

.87

1180

.44

1153

.43

1109

.07

1327

.03

1311

.59

1226

.73

1180

.44

1153

.43

1109

.07

Multipoint BaselinecorrectionPSS12

PSS1

Gambar 5.5 Perbesaran spektrum overlay serapan infra merah:

PS PSS

34

50075010001250150017502000250030003500400045001/cm

0

15

30

45

60

75

90

%T

3101

.54

3080

.32

3059

.10

3022

.45

2999

.31

2929

.87

2914

.44

2848

.86

1942

.32 1

869.

02

1801

.51 1

747.

51

1600

.92

1581

.63

1541

.12

1492

.90

1452

.40

1371

.39

1327

.03

1311

.59

1226

.73

1180

.44

1153

.43

1109

.07

1068

.56

1028

.06

1002

.98

979.

8496

4.41

943.

1990

6.54

840.

9675

8.02

694.

3766

7.37

621.

0854

0.07

PS

Gambar 5.6 Spektrum serapan infra merah polistiren murni

Tabel 5.2 Analisis FTIR polistiren Bilangan gelombang (cm-1) Gugus fungsi

694,37; 758,02 Ikatan C-H pada monosubstitusi benzen 1452,40; 1492,90; 1600,92 Ikatan C=C pada cincin aromatik

2914,44 Ikatan C-H alifatik 3022,45 Ikatan C-H pada cincin aromatik

35

50075010001250150017502000250030003500400045001/cm

-15

0

15

30

45

60

75

90

105

%T

3101

.54

3080

.32

3059

.10

3024

.38

3001

.24

2922

.16

2848

.86

1942

.32 1

870.

95

1801

.51

1735

.93

1600

.92

1583

.56

1492

.90

1452

.40

1371

.39

1328

.95

1311

.59

1278

.81

1246

.02

1195

.87

1180

.44

1153

.43

1109

.07

1068

.56

1028

.06

1002

.98 9

79.8

496

4.41 9

43.1

990

6.54

840.

9675

8.02

696.

3066

7.37

621.

0854

0.07

PSS1

Gambar 5.7 Spektrum serapan infra merah polistiren tersulfonasi (PSS)

Tabel 5.3 Analisis FTIR polistiren tersulfonasi (PSS) Bilangan gelombang (cm-1) Gugus fungsi

906,54 Ikatan C-H pada benzen tersubstitusi 1,4 1452,40; 1492,90 Ikatan C=C pada cincin aromatik 1195,87; 1246,20 Vibrasi simetrik S(=O)21278,81; 1328,95 Ikatan hidrogen O-H pada gugus sulfonat

2922,16 Ikatan C-H alifatik 3101,54 Ikatan hidrogen O-H

Spektrum FTIR dari polistiren dan polistiren tersulfonasi ini dimulai dari bilangan

400-4500 cm-1. Pada polistiren terdapat spektrum yang menunjukkan adanya

monosubstitusi benzen yaitu pada sekitar; 694,37 cm-1 dan 758,02 cm-1.

Monosubstitusi ini menunjukkan adanya etilen yang tersubstitusi pada cincin benzen.

Sekitar 1452,40; 1492,90; dan 1600,92 cm-1 terdapat vibrasi dari ikatan rangkap C=C

pada cincin benzen. Pada 2914,44 cm-1 menunjukkan adanya ikatan C-H alifatik dari

gugus etilen dan pada 3022,45 cm-1 menunjukkan adanya ikatan C-H pada cincin

36

aromatik. Dari hasil analisis ini dapat disimpulkan bahwa sintesis dari polistiren telah

berhasil dilakukan.

Polistiren yang tersulfonasi memiliki spektrum yang hampir sama dengan spektrum

polistiren, hanya saja pada bilangan gelombang 696,30 cm-1 dan 756,10 cm-1 yang

menunjukkan monosubstitusi spektrum tersebut hilang dan digantikan dengan

spektrum pada bilangan gelombang 906,54 cm-1 yang menunjukkan substitusi benzen

pada posisi 1,4. Pada spektrum PSS ini juga muncul spektrum baru yaitu pada

panjang gelombang 1195,87 cm-1 dan 1246,02 cm-1 yang menunjukkan adanya

vibrasi dari gugus fungsi O=S=O yang simetris dan gugus fungsi S-O. Menurut

analisis literatur, gugus sulfonat berada pada rentang 1000 dan 1400 cm-1. Pita vibrasi

gugus sulfonat ini akan mendekati 1040 dan 1180 cm-1. Menurut literatur, spektrum

sulfonat yang mendekati 1180 cm-1 ini merupakan anion sulfonat yang terikat pada

cincin fenil. Adapun terjadinya perbedaan nilai pita vibrasi sulfonat hasil sintesis

dibandingkan dengan literatur disebabkan karena terbentuknya ikatan baru berupa

gugus sulfonat sehingga pita vibrasi awal mengalami pergeseran. Data spektrum FTIR

tersebut menunjukkan bahwa polistiren telah tersulfonasi. Pada bilangan gelombang

3101,54 cm-1 muncul spektrum dengan pita yang lebar yang tidak ditemukan pada

polistiren. Spektrum pada 3101,54 cm-1 ini menunjukkan adanya ikatan hidrogen O-H

dari gugus SO3H.

Gambar 5.8 Alat FTIR

5.5 Sintesis membran komposit

Membran komposit pada penelitian ini disintesis melalui teknik inversi fasa-

pengendapan dengan pencelupan (immersion precipitation). Pembuatan larutan cetak

37

dilakukan dengan melarutkan PSS dalam DMF dan dibutil ftalat sebagai bahan

perekat. Secara termodinamika, suatu polimer akan larut dengan baik apabila

memenuhi dua parameter, yaitu: parameter kelarutan () dan parameter antaraksi

pasangan polimer-pelarut (g12). Pemilihan pelarut merupakan faktor penting dalam

pembuatan membran karena akan mempengaruhi struktur dan bentuk membran yang

diperoleh. Untuk mendapatkan larutan cetak yang homogen, polimer dan pelarut

harus memiliki parameter kelarutan () yang berdekatan.

Parameter kelarutan () merupakan salah satu parameter yang berperan dalam proses

koagulasi secara pencelupan. Parameter ini diperlukan karena pada metode inversi

fasa, penyiapan membran dilakukan dengan polimer yang terlarut. Berdasarkan

penelitian sebelumnya, PSS dapat larut dengan baik dalam DMF.

Pelarutan PSS oleh DMF terjadi melalui dua proses yaitu, penggembungan (swelling)

yang lambat dan dispersi. Pada saat swelling, molekul pelarut teradsorpsi pada

permukaan molekul polimer sehingga terjadi perubahan dimensi rata-rata. Molekul

polimer menggembung dengan faktor yang berhubungan dengan antaraksi

intramolekul antara segmen suatu rantai. Pada proses dispersi, polimer akan

terdispersi membentuk larutan polimer dan tidak ada ikatan kimia yang putus. Polimer

yang berikatan silang dapat menggembung dalam pelarut yang baik tetapi tidak dapat

larut pada tahap ini.

Tahapan pembuatan membran komposit dengan teknik inversi fasa melewati beberapa

tahap, diantaranya: pembuatan larutan cetak yang homogen, pencetakan larutan cetak,

penguapan sebagian pelarut, pencelupan ke dalam bak koagulasi, dan difusi pelarut

dengan non pelarut. Penguapan sebagian pelarut diatas pelat kaca menyebabkan

pelarut DMF pada lapisan atas akan mengalami difusi ke atmosfer. Ini menyebabkan

lapisan atas akan kekurangan pelarut sedangkan lapisan bawahnya kaya pelarut.

Faktor penguapan ini dapat dipengaruhi oleh suhu ruang dan kelembaban udara pada

saat pencetakan. Pada saat pencelupan kedalam non pelarut, DMF akan mengalami

difusi ke air dan meninggalkan ruang-ruang yang akan membentuk pori membran.

Pada proses ini akan terjadi pemisahan fasa.

Selama pemisahan fasa berlangsung, fasa yang kaya polimer akan membentuk

matriks membran, sedangkan fasa yang mengandung polimer terlarut (miskin

38

polimer) akan membentuk pori. Karena lapisan atas film memiliki sedikit pelarut

daripada lapisan bawahnya, maka lapisan atas akan mempunyai pori dengan ukuran

yang lebih kecil dari lapisan bawahnya. Ukuran pori yang berbeda antara lapisan atas

dan bawah membran menyebabkan membran berbentuk asimetrik. Selektifitas

membran asimetrik ditentukan oleh lapisan atas (lapisan aktif) membran.

(a) (b)

(c)

Gambar 5.9 Proses casting membran komposit (a); membran komposit (b); pencelupan membran komposit (c)

5.6 Uji konduktivitas proton

Pada penelitian ini telah dibuat membran komposit yang berasal dari limbah plastik

LDPE sebagai membran fuel cell. Kinerja dari membran komposit ini dilakukan

melalui pengukuran konduktivitas proton (sebagai pengganti fluks membran).

Terjadinya transpor ion hidrogen (konduktivitas proton) pada penelitian ini dilakukan

dengan mengamati/mengukur perubahan pH pada larutan umpan dan permeat. Pada

kompartemen umpan dari sel difusi digunakan larutan pH 1. Ini digunakan didasarkan

kepada stabilitas membran komposit sehingga penggunaan pH yang ekstrim tidak

39

akan merusak membran. Mekanisme transpor pada membran dapat terjadi

berdasarkan pada sifat fisik dan kimia membran. Berdasarkan penelitian ini,

konsentrasi ion hidrogen pada kompartemen umpan semakin lama semakin menurun.

Sebaliknya, konsentrasi ion hidrogen pada kompartemen permeat semakin lama

semakin meningkat. Ini mengindikasikan bahwa telah terjadi transpor ion hidrogen

melalui membran.

Tabel 5.4 Konduktivitas proton pada larutan umpan dan permeat

Waktu Umpan Permeat (jam) pH [H+] (M) mmol H+ pH [H+].10-6 (M) mmol H+ .10-4

0.5 1 0.1 6 5.76 1.738 1.043 1 1.11 0.077 4.62 5.13 7.413 4.448

1.5 1.35 0.045 2.7 4.9 12.547 7.528 2 1.62 0.024 1.44 4.7 20.021 12.013

2.5 2 0.0099 0.594 4.55 27.908 16.745

(a) (b)

(c)

Gambar 5.10 Proses difusi ion H+ melalui membran komposit dengan pengadukan menggunakan magnetic stirer (a); pengukuran pH pada kompartemen umpan dan permeat dari sel difusi (b dan c)

40

Kemiringan kurva dari aluran jumlah ion H+ terhadap waktu menyatakan nilai

permeabilitas ion H+ yang dinyatakan dalam mmol/jam. Aluran kurva permeabilitas

ion H+ ditunjukkan pada Gambar 5.11. Pada kurva terlihat bahwa semakin lama

waktu operasi maka semakin banyak ion H+ yang berpermeasi melalui membran.

y = 3.8969x - 3.3353R2 = 0.9913

0

5

10

15

20

0.5 1 1.5 2 2.5

waktu (jam)

kons

entra

si H

+ (m

mol

.10-

4)

Gambar 5.11 Kurva permeabilitas ion H+ (konduktivitas proton) untuk membran komposit

Dari persamaan kurva diatas terlihat bahwa gradien pada kurva menunjukkan nilai

fluks membran, yaitu sebesar 3,8969.10-4 mmol/jam dengan R2 =0,9913. Dengan

diperolehnya nilai fluks pada membran ini, mengindikasikan bahwa proton atau ion

H+ telah dapat melewati membran. Ini berarti membran komposit yang dibuat pada

penenlitian ini telah dapat digunakan sebagai membran penghantar proton atau

membran fuel cell meskipun dengan nilai fluks yang masih relatif kecil.

41

6 Kesimpulan dan Saran

6.1 Kesimpulan

Pada penelitian ini telah berhasil disintesis LDPE-g-F dan PSS sebagai bahan

membran komposit untuk fuel cell. Hasil analisis FTIR menunjukkan bahwa terdapat

gugus C-F pada LDPE-g-F yang ditunjukkan oleh puncak pada bilangan gelombang

1002,98 cm-1. Polistiren juga berhasil disulfonasi yang ditunjukkan oleh adanya

puncak pada bilangan gelombang 1195,87 cm-1 dan 1246,02 cm-1 yang menunjukkan

adanya vibrasi dari gugus fungsi O=S=O yang simetris dan gugus fungsi S-O, puncak

pada 3442,94 cm-1 yang menunjukkan adanya ikatan hidrogen O-H pada gugus SO3H,

dan puncak pada 883,40 cm-1 yang menunjukkan adanya substitusi benzen pada posisi

para.

6.2 Saran

Pencangkokan F- pada LDPE dapat dilakukan dengan menggunakan sumber iradiasi

yang lebih kuat seperti sinar dengan dosis tertentu sehingga diduga akan dapat

dihasilkan pita serapan untuk vibrasi CF2. Peningkatan konsentrasi HF yang

digunakan pada penelitian ini juga dapat digunakan sebagai langkah lain untuk

mengoptimasi pencangkokan. Selain itu, perlu adanya optimasi kondisi dalam

pembuatan PSS untuk memperoleh PSS yang lebih baik. Untuk membuktikan lebih

lanjut bahwa membran komposit yang telah dibuat pada penelitian ini benar-benar

dapat digunakan sebagai membran fuel cell, perlu dilakukan pengujian kinerja

membran yang lain agar diperoleh data yang lebih menyeluruh mengenai sifat-sifat

dari membran komposit ini.

42

DAFTAR PUSTAKA

Direktur Jenderal Listrik dan Pemanfaatan Energi. Kebijakan Pemerintah dalam

Pengembangan Bioenergi. Seminar Salman Nature Expo II, Bandung (Indonesia), 19

Maret 2006.

Fanny Budiman. http://strategis.gc.ca/International Research-Indonesias

Consumption of Plastic Raw Materials (PP and PE) Predicted to Increase. html last

approved: 1 April 2006.

http://digilib.batan.go.id/sipulitbang/abstrak.php?id=0031 (25 Maret 2006).

http://ifci-iipc.nrc-cnrc.gc.ca/research_pemfc.html (15 Maret 2006).

http://pubs.acs.org/cgi-bin/article.cgi/iecred/2005/44/i20/pdf/ie0501172.pdf (17 April

2006).

http://stratingh.eldoc.ub.rug.nl/FILES/root/PicchioniF/2000/JMembrSciCarretta/2000

JMembrSciCarretta.pdf (17 April 2006).

http://www.designinsite.dk/htmsider/m0003.htm (25 Maret 2006).

http://www.engr.psu.edu/h2e/index.htm (17 April 2006).

http://www.exceedmpe.com/Public_Products/Polyethylene/Polyethylene/Worldwide/

Grades_and_Datasheets/PE_GradeInfo_LDPE.asp (25 Maret 2006).

http://www.freshpatents.com/Fullerene-based-electrolyte-for-fuel-cells-

dt20050120ptan20050014051.php?type=description (15 April 2006).

http://www.ingentaconnect.com/search/article?title=Ion-

exchange+membranes&title_type=tka&year_from=1998&year_to=2005&database=1

&pageSize=20&index=7 (7 April 2006).

43

http://www.pro-

physik.de/phy/pdfs/NEWS_PDF_GER_1773.pdf#search=fluronafion%2Amechanis

m%2Ain%2Apolymer (21 Maret 2006).

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=JournalURL&_cdi=5766&_auth=y&_acc

t=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=956207be1f679daf4

155e5f86488089f (17 April 2006).

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MImg&_imagekey=B6TWW-

4HMNG6W-5-

12&_cdi=5573&_user=10&_orig=search&_coverDate=04%2F30%2F2006&_sk=999

579995&view=c&wchp=dGLbVtz-

zSkzk&md5=ed37d4337c90ea7ea4a4c1e3deb43463&ie=/sdarticle.pdf (17 April

2006).

Kompas. Ilmuwan Dunia Desak Perangi Perubahan Iklim. Jumat, 10 Juni 2005.

Hal:39.

Kordesch, Karl and Simander, Gunter. 1996. Fuel Cells and Their Applications.

Germany : VCH.

Yohan, dkk. Pembuatan Bahan Membran Sel Bahan Bakar : Pengaruh Pengkondisian

Film PTFE terhadap Hasil Pencangkokan dengan Teknik Iradiasi Awal. Seminar

Nasional MIPA 2005 FMIPA-Universitas Indonesia Depok, 24-26 Nopember 2005.

Kamaruzzaman Sopiana, and Wan Ramli Wan Daud (2005.). "Challenges and future

developments in proton exchange membrane fuel cells." renewable energi 31(5): 719-

727.

S. Parra, L. H., E. Mielczarski, J. Mielczarski, P. Albers, E. and J. G. Suvorova, and J.

Kiwi. (2004). "Synthesis, Testing, and Characterization of a Novel Nafion

Membrane with Superior Performance in Photoassisted

Immobilized Fenton Catalysis." American Chemical Society 20: 5621 -5629.

44

S.A. Cho, E. A. C., , , I.-H. Oh, H.-J. Kim, H.Y. Ha, S.-A. Hong and J.B. Ju (2005).

"Surface modified Nafion membrane by ion beam bombardment for fuel cell

applications." Journal of Power Sources 155(2): 286-290.

G. Q. Lu, a. F. Q. L., b and Chao-Yang Wanga,b,z (2005). "Water Transport Through

Nafion 112 Membrane in DMFCs." Electrochemical and Solid-State Letters, Letters,

8: A1-A4.

Byungchan Bae, H. Y. H. a. D. K. (2005). "Nafion-graft-polystyrene sulfonic acid

membranes for direct methanol fuel cells." Journal of Membrane Science 276(1-2):

51-58.

GIULIO ALBERTI, M. C., MONICA PICA and GIUSI DI and CESARE (2003).

"Preparation of Nano-Structured Polymeric Proton

Conducting Membranes for Use in Fuel Cells." Annals of the New York Academy of

Sciences 984: 208-225.

BILLMEYER, Textbook Of Polymer Science, 1971

GRAY, Fiona M, Polimer Electrolytes, 1997

BUDIMAN@www. Strategis gc ca International Market Research.com (1 April 2006)

45