1

PEMANFAATAN LIMBAH STYROFOAM UNTUK MEMBRAN

SEL BAHAN BAKAR (FUEL CELL)

Nida Mariam, Indah Dewi Puspitasari, Ali Syari’ati.

Pembimbing: Prof. Dr. I Made Arcana. Institut Teknologi Bandung. 2011

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Styrofoam merupakan trademark dari Dow Chemical Co. untuk

polystyrenea foam. Styrofoam adalah suatu polystyrene yang sudah dipadatkan

dan dibentuk sesuai dengan kebutuhan. Masyarakat biasanya menggunakan

styrofoam sebagai pembungkus makanan, hiasan, pelindung elektronik, dan

lainnya. Salah satu kekurangan dari styrofoam adalah sulitnya bahan tersebut

terurai di alam.

Selain sulit terurai di alam, limbah styrofoam memiliki masalah apabila

penanggulangannya kurang tepat. Apabila pengolahan limbah styrofoam

dilakukan dengan cara dibakar maka akan berakibat buruk bagi kesehatan dan

apabila dibuang ke laut secara langsung akan merusak kehidupan ekosistem laut.

Penelitian sebelumnya telah memanfaatkan limbah styrofoam untuk hiasan daur

ulang, batako (Wancik, 2008), dan koagulan polinzer. Namun, upaya pemanfaatan

limbah tersebut masih memerlukan energi yang cukup tinggi. Hal ini karena

polystyrene sebagai penyusun styrofoam memiliki titik leleh 240 oC.

Oleh karena itu, diperlukan upaya yang lebih baik dan efisien dalam

penanggulangan. Cara yang diajukan untuk mengurangi limbah styrofoam adalah

dengan memanfaatkan styrofoam sebagai membran penukar proton untuk

keperluan membran fuel cell. Fuel cell merupakan salah satu solusi energi massa

depan selain bahan bakar nabati. Sebagai sistem pembangkit listrik, fuel cell

menghasilkan energi yang diperoleh dari reaksi kimia antara gas hidrogen dari air

dengan oksigen di udara. Penggunaan fuel cell dalam skala luas akan memangkas

konsumsi bahan bakar minyak. Dengan adanya pemanfaatan limbah styrofoam

tersebut, diharapkan dapat menciptakan lingkungan lebih bersih dan dapat

menjadi bahan untuk energi alternatif baru.

Tujuan

1. Mencari informasi terkini tentang penelitian dan pengembangan pemanfaatan

limbah styrofoam di Indonesia.

2. Mencari informasi terkini mengenai penelitian dan pengembangan sel bahan

bakar (fuel cell) di dunia.

3. Mengidentifikasi potensi pemanfaatan limbah styrofoam di Indonesia.

4. Mencari alternatif pengembangan dan pemanfaatan limbah styrofoam untuk

membran sel bahan bakar (Fuel Cell).

2

Metode

1. Studi literatur melalui buku dan diktat kuliah.

2. Pencarian data informasi melalui media internet.

3. Wawancara dengan dosen bidang terkait.

4. Observasi lapangan mengenai membran dan limbah stryrofoam.

URAIAN GAGASAN

Tentang Styrofoam

Styrofoam berasal dari kata stiren (zat kimia bahan dasar), dan foam

(busa/buih). Styrofoam adalah polimer turunan plastik. Styrofoam dibuat dari

monomer stirena yang dipolimerisasi suspensi pada suhu dan tekanan tertentu.

Bahan dasar yang digunakan dalam pembuatan styrofoam ini terdiri dari 90-95%

polystyrene dan 5-10% gas n-butana.

Polystyrene bersifat sangat amorphous dan tembus cahaya, mempunyai

indeks refraksi tinggi, sukar ditembus oleh gas kecuali uap air. Dapat larut dalam

alkohol rantai panjang, kitin, dan ester hidrokarbon yang mengikat khlorin.

Polimer ini mudah rapuh sehingga banyak dikopolimerisasikan dengan batu diena

atau akrilonitril.

Cara pembuatan styrofoam dimulai dengan pembentukan polystyrene dari

styrene (monomer) kemudian dihembuskan udara ke dalam polystyrene dengan

menggunakan CFC (Cloro Fluro Carbon) sebagai blowing agent. Sifat stiren dapat

larut dalam panas, lemak, alkohol/aseton, toluene, dan susu. Oleh karena itu,

styrofoam tidak baik untuk pengemas makanan karena zat stiren (bersifat

neurotoksik (menyerang syaraf)) dapat mengkontaminasi tubuh.

Limbah Styrofoam

Penggunaan styrofoam ternyata memiliki dampak yang tidak baik terhadap

lingkungan. Pengunaan styrofoam yang berlebih akan menghasilkan limbah yang

bertumpuk. Styrofoam merupakan limbah yang sulit terurai secara alamiah karena

perlu waktu yang sangat lama, hampir seribu tahun lamanya. Selain itu, styrofoam

bukan hanya mencemari lingkungan darat saja. Apabila terbawa ke laut,

styrofoam pun dapat merusak ekosistem dan biota laut. Disamping itu, styrofoam

merupakan salah satu peyebab banjir, styrofoam yang tersangkut tersebut menjadi

pemicu sampah lain ikut tersangkut pula. Akibatnya, sampah akan menumpuk dan

menutup aliran air sehingga apabila musim hujan datang, dan debit air cukup

besar, maka kemungkinan besar untuk banjir di atas 50%. Data dari EPA

(Environmental Protection Agency) menyebutkan bahwa styrofoam ini adalah

limbah berbahaya terbesar ke-5 di dunia.

Beberapa perusahaan memang mendaur ulang styrofoam. Namun

sebenarnya, yang dilakukan hanya menghancurkan styrofoam lama,

3

membentuknya menjadi styrofoam baru dan menggunakannya kembali. Selain itu,

pengolahan styrofoam dapat dilakukan dengan menjadikannya sebagai salah satu

bahan pembuatan batako, yaitu dengan mencampurkan styrofoam dengan semen

(Wancik, 2008). Namun, pengolahan tersebut belum mendayagunakan limbah

styrofoam secara signifikan. Selain itu, proses-proses tersebut memerlukan energi

yang cukup tinggi pula. Oleh karena itu, diperlukan usaha pemanfaatan limbah

yang memiliki manfaat besar dan dapat mengefisiensikan energi.

Pemanfaatan Limbah Styrofoam sebagai Membran Sel Bahan Bakar

Sel Bahan Bakar (Fuel Cell)

Pada dekade mendatang sektor energi akan menghadapi kompleksitas

masalah yang saling terkait antara tantangan perekonomian, geopolitik, teknologi

dan lingkungan. Pertambahan penduduk yang terus meningkat di negara-negara

berkembang memerlukan pasokan energi yang cukup besar.

Gambar 1. Permintaan Energi per Sektor

Pada saat ini, 85 persen dari produk komersial energi masih berbasis bahan bakar

fosil.

Gambar 2. Komposisi Konsumsi Energi di Indonesia

Minyak Bumi54%Gas Bumi

22%

Batu Bara18%

Tenaga Air4%

Panas Bumi2%

4

Meskipun peranannya cukup penting, namun pengaruhnya akan diambil

alih oleh sumber-sumber energi baru dan terbarukan. Oleh karena itu, diperlukan

suatu proses pemanfaatan energi baru lain, salah satunya sel bahan bakar (Fuel

Cell).

Teknologi sel bahan bakar (Fuel Cell) telah berkembang secara cepat

dalam beberapa tahun belakangan ini. Teknologi sel bahan bakar bersifat dasar,

yang memanfaatkan suatu proses elektrokimia yang menggabungkan hidrogen

dan oksigen untuk menghasilkan energi listrik.

Gambar 3. Skema Fuel Cell

Saat ini, ada tiga jenis sel bahan bakar (Fuel Cell) yang sedang giat-

giatnya dikembangkan, yaitu Phosporic Acid Fuel Cell (PAFC), Molten-

Carbonate Fuel Cell (MCFC), dan Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Pada umumnya

beberapa keuntungan potensial dapat diperoleh apabila sel bahan bakar (Fuel

Cell) dipergunakan sebagai sistem pembangkit, diantaranya mempunyai efisiensi

yang tinggi sekitar 40-60 %, sistem pembangkit ini berwawasan lingkungan,

memiliki potensi cogeneration (plant efficiency sebesar 80 %), dapat ditempatkan

secara fleksibel (penempatan langsung pada tempat yang diinginkan tanpa

perantara transmisi), penggunaannya luas (dari mulai skala kecil hingga skala

yang sangat besar), dan inovasi yang digagas adalah membuat membran fuel cell

dari limbah styrofoam.

Membran Fuel Cell Penukar Proton

Membran fuel cell penukar proton, yang lebih dikenal dengan polimer

elektrolit membran, merupakan tipe fuel cell yang diciptakan untuk aplikasi

transpor dan fuel cell statis serta fuel cell portabel. Membran penukar proton dapat

mengubah energi kimia (dilepaskannya hidrogen dan oksigen selama reaksi

elektrokimia) menjadi energi listrik.

5

Gambar 4. PEM Fuel Cell

Sebelum membran penukar ion (PEM) ditemukan, terdapat fuel cell yang

hanya dapat diaplikasikan pada kondisi ekstrim, yaitu solid oksida fuel cell.

Namun fuel cell tersebut membutuhkan material yang mahal dan ukurannya

terlalu besar. Beberapa tahun kemudian, PEM yang berbahan polystyrene

tersulfonasi (PSS) ditemukan. Namun PSS memiliki kelemahan tersendiri, yaitu

dibutuhkannya tingkat derajat sulfonasi yang tinggi. Hal ini dapat menyebabkan

penggembungan membran dan berkurangnya stabilitas dimensi. Disinilah penulis

melihat adanya peluang untuk menciptakan suatu PSS yang berasal dari limbah

styrofoam dan mengatasi kelemahannya.

Upaya Untuk Mengatasi Kelemahan PSS

Untuk mengatasi kelemahan PSS, PSS dapat dipolyblend dengan polimer

tertentu atau crosslink dengan senyawa lain. Polyblend merupakan pencampuran

dua polimer untuk menghasilkan sifat yang diinginkan. Sementara crosslink

(ikatan silang) adalah penggabungan rantai polimer satu dengan yang lain atau

sesama jenis melalui ikatan silang. Crosslink merupakan cara umum dan efektif

untuk meningkatkan properti mekanik, mengurangi penggembungan dan

meningkatkan durabilitas membran.

Telah banyak penelitian mengenai crosslink PS (Polystyrene), salah

satunya penelitian mengenai PS dan DVB. Divinil benzen merupakan senyawa

yang memiliki dua gugus vinil (-HC=CH2). Sementara styrene, monomer

polystyrene, hanya memiliki satu gugus vinil. Aktivasi gugus vinil pada DVB dan

styrene menyebabkan adanya crosslink. PS yang telah tercrosslink inilah yang

direaksikan dengan gugus sulfonat kemudian menghasilkan membran penukar

proton. Crosslink ini dapat terjadi jika bahan baku yang digunakan adalah styrene,

crosslink tidak dapat terjadi jika DVB direaksikan dengan PSS. Selain DVB,

terdapat senyawa lain yang dapat membantu terjadinya ikatan silang. Senyawa

tersebut adalah SiO2 dan PPMA (phosporous pentaoxide methasulfonic acid) .

6

PSS yang Berikatan Silang Dengan PPMA

PSS yang dicrosslink dengan PPMA merupakan hal yang baru dicoba oleh

peneliti Cina (Jing Xu, 2009). Dalam jurnal, “A New Crosslinked Sulfonated

Polystyrene For Proton Exchange Fuel Cell’, crosslink PPMA belum tentu

menaikkan tingkat konduktivitas pada membran. Oleh karena itu, perlu dilakukan

penelitian mengenai seberapa banyak PPMA yang di-crosslink dan berapa waktu

efektif crosslink tersebut. Berikut variasi waktu crosslink PPMA dan PSS yang

telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya.

Gambar 5. Variasi waktu crosslink PPMA dan PSS

Tabel 1. Hubungan waktu crosslink dengan kualitas PSS membran

Semakin banyak gugus sulfonic yang tertempel pada rantai polimer maka

hidrofolitas akan meningkat dan menyebabkan penggembungan. Dari tabel diatas

diketahui bahwa, semakin lama waktu crosslink, IEC (kapasitas penukaran ion)

dari PSS membran semakin menurun. Hal ini dikarenakan gugus sulfonic

termakan saat crosslink berlangsung. Walaupun crosslink PPMA menurunkan

konduktivitas ion, tetapi sifat fisik dari membran seperti penggembungan dan

penyerapan air dapat berkurang. Selain itu, crosslink ini juga meningkatkan

stabilitas termal dari membran.

7

Gambar 6. Hubungan waktu crosslink dengan Stabilitas Termal

Gagasan yang diusulkan adalah polystyrene yang digunakan berasal dari

limbah styrofoam. Polystyrene tersebut disulfonasi menjadi PSS dan akhirnya

membran PSS di-crosslink dengan PPMA. Kemudian, membran yang diperoleh

akan diuji kualitasnya dan dibandingkan dengan membran yang berasal dari jurnal

penelitian sebelumnya. Kualitas dan perbandingan membran dapat dilihat dari

karakterisasinya. Selain itu, dalam pula dilakukan beberapa modifikasi untuk

menaikkan nilai IEC dan konduktivitas.

Pembuatan Limbah Styrofoam sebagai Membran Sel Bahan Bakar

Isolasi Polystyrene

Sejumlah styrofoam dilarutkan dalam kloroform. Polystyrene yang terlarut

dalam kloroform disaring kemudian dipanaskan sampai setengah volume.

Setengah volume polystyrene tersebut dimasukkan ke dalam corong pisah dan

diteteskan metanol. Polystyrene yang larut dalam kloroform tersebut dipanaskan

sehingga metanol dapat menguap dan yang tersisa hanyalah polystyrene.

Proses sulfonasi polystyrene

Polystyrene dilarutkan terlebih dahulu kedalam kloroform, dimana

sebelumnya asetil sulfat telah dibuat. Proses sulfonasi ini harus berjalan dalam

keadaan inert sehingga perlu dialirkan gas N2 dalam keadaan vakum. Reaksi ini

berlangsung pada suhu 50oC selama 24 jam. Endapan yang didapat disaring

kemudian dicuci dengan heksana sampai mencapai pH 6-7. Padatan yang telah

disaring dibiarkan pada ruang vakum selama 12 jam pada suhu 50oC.

8

Persiapan membran dan Crosslink

Membran kering PSS dicelupkan kedalam PPMA 1:10 (w:w) dalam

jangka waktu tertentu. PSS crosslink dicuci dengan air bebas ion sampai mencapai

pH 7. Dibiarkan selama 24 jam pada keadaan vakum untuk menghilangkan air

pada membran.

Karakterisasi Membran

Sejumlah gram sampel dari PSS dipersiapkan untuk karakterisasi dengan

menggunakan FTIR, sedangkan hasil membran PSS yang di-crosslink PPMA

dikarakterisasi sifat termal, sifat mekanik, dan hantarannya.

Implementasi

Dalam penelitian ini, pemanfaatan limbah styrofoam dilakukan dengan

cara yang ramah lingkungan. Beda halnya dengan penanggulangan styrofoam saat

ini yaitu melalui pembakaran yang dapat menyebabkan meningkatnya emisi CO2

di udara. Disamping itu, penelitian ini pun menghasilkan suatu tujuan yaitu

dihasilkannya energi alternatif. Penelitian ini sangat prospektif untuk terus

dikembangkan. Semua pihak dapat turut berperan dalam kemajuan penelitian ini,

seperti perusahaan-perusahaan, lembaga-lembaga sosial, dosen, peneliti, bahkan

mahasiswa atau pelajar pun dapat turut mengembangkan penelitian ini. Berikut

skema prosedur pengolahan limbah hingga menghasilkan energi:

Gambar 7. Skema Prosedur Pengolahan Limbah Styrofoam

Produk Sel Bahan Bakar

Membran dan crosslink Proses Sulfonasi Lilmbah Styrofoam

9

KESIMPULAN DAN SARAN

Kesimpulan

Limbah styrofoam merupakan salah satu masalah bagi lingkungan. Hal ini

dikarenakan susah terurainya limbah styrofoam tersebut di alam. Pengelolaan

limbah styrofoam dengan cara dibakar atau dibuang begitu saja memberikan

dampak yang buruk bagi lingkungan. Saat ini, pemanfaatan limbah styrofoam

masih memerlukan energi tinggi dan kurang bernilai ekonomi. Karya tulis ini

menyajikan gagasan lain, yakni pemanfaatan limbah styrofoam sebagai membran

yang digunakan untuk fuel cell. Limbah styrofoam dilakukan proses sulfonasi

kemudian dimodifikasi menjadi membran penukar proton yang nantinya dapat

digunakan sebagai sel bahan bakar (fuel cell). Mengingat krisis energi yang

sedang marak dewasa ini, penelitian ini dapat terus dikembangkan sehingga dapat

menjadi alternatif energi selain energi yang dihasilkan oleh bahan bakar fosil.

Saran

Beberapa hal yang penulis sarankan adalah pengembangan yang lebih luas

dari penelitian ini, mengingat manfaatnya yang begitu luas dan berdampak besar.

Selain itu, dengan pemanfaatan energi alternatif baru diharapkan dapat mencukupi

kebutuhan energi nasional tanpa terfokus pada bahan bakar fosil saja. Selain itu,

perlu adanya sosialisasi dan pemberian wawasan bagi masyarakat luas sehingga

upaya-upaya untuk pemanfaatan energi alternatif yang ramah lingkungan dan

pengelolaan lingkungan hidup dapat lebih baik serta menumbuhkan kesadaran

masyarakat akan manfaatnya.