MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI (PST) …/Membran... · Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret ABSTRAK ... salah satu sumber energi alternatif

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

i

MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI

(PST) BERPENGISI LEMPUNG SEBAGAI MEMBRAN

POLIMER ELEKTROLIT UNTUK APLIKASI SEL BAHAN

BAKAR (FUEL CELL)

Disusun oleh :

PRIYADI

M0307076

SKRIPSI

Ditulis dan diajukan untuk memenuhi sebagian

Persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Kimia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

JULI, 2012


commit to user

ii


commit to user

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul

“MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI (PST)

BERPENGISI LEMPUNG SEBAGAI MEMBRAN POLIMER ELEKTROLIT

UNTUK APLIKASI SEL BAHAN BAKAR (FUEL CELL)” adalah benar-benar

hasil penelitian sendiri dan tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk

memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang

pengetahuan saya juga tidak terdapat kerja atau pendapat yang pernah ditulis atau

diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan

disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, Juli 2012

Priyadi


commit to user

iv

MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI (PST) BERPENGISI LEMPUNG SEBAGAI MEMBRAN

POLIMER ELEKTROLIT UNTUK APLIKASI SEL BAHAN BAKAR (FUEL CELL)

Priyadi

Jurusan Kimia. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Telah dilakukan penelitian mengenai karakterisasi membran komposit polistirena tersulfonasi (PST) berpengisi lempung sebagai membran polimer elektrolit untuk aplikasi sel bahan bakar (fuel cell) dengan memvariasikan komposisi sulfonat, jenis, dan komposisi lempung. Sel bahan bakar merupakan salah satu sumber energi alternatif secara elektrokimia yang mereaksikan gas dan oksigen untuk menghasilkan listrik, panas dan air. Salah satu komponen sel bahan bakar yaitu membran polimer elektrolit. Membran tersebut berfungsi menghantarkan kation dari anoda ke katoda. Membran sel bahan bakar ideal memiliki harga terjangkau, memiliki kapasitas tukar kation (KTK), derajat pengembangan (DP) rendah, serta kestabilan termal yang relatif tinggi.

Pada penelitian ini membran dibuat dengan metode inversi fasa dan dikarakterisasi dengan analisis termal, derajat pengembangan (DP), kapasitas tukar kation (KTK). Hasil analisis KTK menunjukkan nilai KTK membran komposit lempung coklat (KLC) lebih besar daripada komposit lempung abu-abu (KLA) yaitu sebesar 1,74 meq/g dan memiliki nilai derajat pengembangan sebesar 18,92 %. Hasil analisis termal menunjukkan bahwa membran komposit terjadi tiga tahap degrasi yaitu pelepasan molekul air, degradasi PEG, dan rantai utama PST, dimana seluruh membran terdegradasi di atas 150 oC. Dari nilai KTK, kestabilan termal yang tinggi, dan derajat pengembangan yang rendah ini menunjukkan bahwa membran KLC dan KLA memiliki kemampuan transpor proton yang baik sehingga memiliki potensi untuk dikembangkan sebagai membran polimer elektrolit untuk aplikasi sel bahan bakar (fuel cell).

Kata kunci : Polistirena tersulfonasi, lempung, membran komposit


commit to user

v

SULFONATED POLYSTYRENE (SPS) MEMBRANES COMPOSITE

FILLED CLAY AS POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FOR

FUEL CELLS APLICATION

PRIYADI

Department of Chemistry, Faculty of Mathematics and Natural Sciences Sebelas Maret University

ABSTRACT

Research on the sulfonated polystyrene (SPS) membranes composite filled clay as polymer electrolyte membrane for fuel cells aplication with variety the composition of sulfonate, type and composition of the clay has been done. Fuel cells are one source of alternative energy by electrochemically reacting gas and oxygen to produce electricity, heat and water. One component of fuel cells are the polymer electrolyte membrane fuel cell. The membrane's function is to deliver cations from the anode to the cathode. The characteristics of fuel cells membrane has high cation exchange capacity (CEC), low swelling degree (SD) and high thermal stability.

The membranes were prepared by phase inversion method and the resulting membranes were characterized by cation exchange capacity (CEC), swelling degree (SD), and thermal analysis. The analysis results shows the value of CEC of brown clay composite (BCC) membrane is greater than the gray clay composite (GCC) is 1.74 meq/g. BCC membrane has lower than GCC of SD value that is 18.92 %. Thermal analysis showed that the composite membrane occurred three stages degradation, dehydration of water molecules, and degradation of PEG and main chain of SPS, which all of composite membrane degraded above temperature 150 0C. The high CEC value, high thermal stability and low SD, the BCC and GCC membrane showed a good proton transport capability and has the potential to be developed as a polymer electrolyte membrane for fuel cells aplication.

Keywords: Polystyrene sulfonated, clay, composite membranes


commit to user

vi

MOTTO

”Orang yang baik, takkan mengatakan kalau dirinya baik“

“Doa memberikan kekuatan pada orang yang lemah, membuat orang tidak

percaya menjadi percaya dan memberikan keberanian pada orang yang

ketakutan.” (Anonim)

”man jadda wa jadda“


commit to user

vii

PERSEMBAHAN

Teriring ucapan syukur alhamdulillah, karya kecil ini aku persembahkan untuk:

Ibu, Bapak Tercinta, Mba Lies, Mas Agus, Mas Tri, dan semua orang

yang selalu memberikan semangat........

Seorang wanita yang aku yakini dia tercipta dari tulang rusukku yang

selalu ada.....


commit to user

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Allah SWT atas segala nikmat dan karuniaNya,

sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi. Shalawat dan salam

senantiasa penulis haturkan kepada Rasulullah SAW sebagai pembimbing seluruh

umat manusia.

Skripsi ini tidak akan selesai tanpa adanya bantuan dari banyak pihak,

karena itu penulis menyampaikan terima kasih kepada :

1. Bapak dan Ibu tercinta yang senantiasa selalu memberikan dukungan dan

semangat.

2. Bapak Dr. Eddy Heraldy, M. Si selaku ketua jurusan Kimia

3. Bapak Edi Pramono, M. Si selaku dosen pembimbing I skripsi

4. Bapak I.F Nurcahyo, M. Si selaku dosen pembimbing II skripsi

5. Bapak Candra Purnawan, M. Si selaku dosen pembimbing akademik

6. Bapak/Ibu Dosen dan seluruh staf Jurusan Kimia FMIPA UNS atas semua

ilmu yang bermanfaat.

7. Seluruh staf dan laboran Laboratorium Kimia Dasar FMIPA UNS, Sub

Laboratorium Kimia, Laboratorium Pusat FMIPA UNS, dan Laboratorium

MIPA TERPADU FMIPA UNS.

8. Teman-teman dan semua pihak yang telah membantu hingga selesainya

penyusunan skripsi ini.

Semoga Allah SWT membalas jernih payah dan pengorbanan yang telah

diberikan dengan balasan yang lebih baik. Amiin.

Penulis menyadari bahwa banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini.

Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran untuk

menyempurnakannya. Namun demikian penulis berharap semoga karya kecil ini

bermanfaat bagi pembaca.

Penulis

Priyadi


commit to user

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ....................................................................... ii

HALAMAN PERNYATAAN....................................................................... iii

HALAMAN ABSTRAK ............................................................................... iv

HALAMAN ABSTRACT............................................................................. v

HALAMAN MOTTO .................................................................................. vi

HALAMAN PERSEMBAHAN ................................................................... vii

KATA PENGANTAR ................................................................................. viii

DAFTAR ISI ............................................................................................... ix

DAFTAR TABEL ........................................................................................ xii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................. xiv

BAB I. PENDAHULUAN ........................................................................... 1

A. Latar Belakang ........................................................................ 1

B. Perumusan Masalah .................................................................. 2

1. Identifikasi Masalah ............................................................ 2

2. Batasan Masalah ................................................................. 3

3. Rumuan Masalah ................................................................ 3

C. Tujuan Penelitian ...................................................................... 4

D. Manfaat Penelitian .................................................................... 4

BAB II. LANDASAN TEORI ...................................................................... 5

A. Tinjauan Pustaka ...................................................................... 5

1. Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) dan Membran Polimer Elektrolit 5

2. Jenis Sel Bahan Bakar ......................................................... 6

3. Bagian-bagian PEMFC ....................................................... 8

4. Polimer Termodifikasi sebagai Membran Polimer Elektrolit 9

5. Polistirena ........................................................................... 10

6. Polistirena Tersulfonasi ....................................................... 10

7. Agen Sulfonasi ................................................................... 12


commit to user

x

8. Lempung ............................................................................ 12

9. Karakterisasi ....................................................................... 13

a. Analisis Gugus Fungsi .................................................. 13

b. Analisis Derajat Pengembangan .................................... 14

c. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK) ....................... 15

d. Penentuan Derajat Sulfonasi .......................................... 16

B. Kerangka Pemikiran ................................................................. 16

C. Hipotesis .................................................................................. 17

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN...................................................... 18

A. Metode Penelitian ..................................................................... 18

B. Tempat dan Waktu Penelitian ................................................... 18

C. Alat dan Bahan ........................................................................ 18

D. Prosedur Penelitian ................................................................... 18

1. Preparasi Lempung ............................................................. 18

2. Pembuatan Asetil Sulfat ...................................................... 19

3. Pembuatan Polistirena Tersulfonasi..................................... 19

4. Pembuatan Membran Komposit .......................................... 19

5. Karakterisasi Membran Komposit ....................................... 20

a. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK) ....................... 20

b. Analisis Derajat Pengembangan (DP) ............................ 21

c. Analisis Struktur ........................................................... 21

d. Analisis Termal ............................................................. 21

E. Teknik Pengumpulan Data ...................................................... 21

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................... 23

A. Sintesis Polistirena Tersulfonasi ............................................... 23

1. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK), Derajat Sulfonasi

(DS) dan Rendemen............................................................. 24

2. Analisis Gugus Fungsi ........................................................ 27

3. Analisis Termal................................................................... 29

B. Sintesis Komposit ..................................................................... 30

1. Analisis Gugus Fungsi ....................................................... 32


commit to user

xi

2. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK), Derajat

pengembangan …………………………………………….. 33

3. Analisis Termal .................................................................. 35

4. Analisis XRD...................................................................... 38

5. Analisis Morfologi Membran Komposit .............................. 40

BAB IV KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................... 41

A. Kesimpulan .............................................................................. 42

B. Saran ........................................................................................ 42

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

LAMPIRAN ................................................................................................. 46


commit to user

xii

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 1. Perbandingan Komposisi dalam Sintesis Membran Komposit 20


commit to user

xiii

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1. Skema bahan bakar sel ..................................................... 5

Gambar 2. Struktur polistirena .......................................................... 10

Gambar 3. Reaksi sulfonasi polistirena .............................................. 11

Gambar 4. Reaksi pembuatan asetil sulfat ......................................... 12

Gambar 5. Struktur tiga dimensi dari montmorilonit.......................... 13

Gambar 6a. Polistirena ........................................................................ 24

Gambar 6b. Polistirena tersulfonasi (PST) ........................................... 24

Gambar 7. Hubungan komposisi sulfonat, KTK, dan rendemen ......... 25

Gambar 8. Hubungan komposisi sulfonat dan derajat sulfonasi (DS) . 26

Gambar 9. Spektra IR polistirena dan polistiren tersulfonasi (PST) ... 27

Gambar 10. Spektra IR polistirena tersulfonasi (PST) ......................... 28

Gambar 11. Termogram TGA PS dan PST ......................................... 29

Gambar 12. Membran komposit .......................................................... 31

Gambar 13. Spektra IR PST, lempung dan kompositnya ..................... 32

Gambar 14. Hubungan komposisi lempung coklat, KTK, dan derajat

pengembangan ………………………………....... 34

Gambar 15. Hubungan komposisi lempung abu-abu, KTK, dan derajat

pengembangan ................................................. 34

Gambar 16. Termogram komposit lempung abu-abu ........................... 36

Gambar 17. Termogram komposit lempung coklat .............................. 37

Gambar 18. Termogram campuran ...................................................... 38

Gambar 19. Difraktogram PST, lempung, dan komposit...................... 39

Gambar 20. Hasil mikroskop komposit tanpa lempung ........................ 40

Gambar 21. Hasil mikroskop komposit lempung coklat 3, 5, dan 7 % . 41

Gambar 22. Hasil mikroskop komposit lempung abu-abu 3, 5, dan 7 % 41


commit to user

xiv

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Diagram Alir Kerja .......................................................... 46

Lampiran 2. Contoh Perhitungan Rendemen Polistirena Tersulfonasi

(PST) ................................................................................. 50

Lampiran 3. Tabel Rendemen Polistirena Tersulfonasi (PST) .............. 50

Lampiran 4. Perhitungan Derajat sulfonasi (DS) .................................. 51

Lampiran 5. Tabel Derajat Sulfonasi PST ............................................ 52

Lampiran 6. Analisis Kapasitas tukar kation (KTK) PST ..................... 53

Lampiran 7. Tabel Nilai Kapasitas Tukar Kation (KTK) PST .............. 54

Lampiran 8. Tabel Nilai Kapasitas Tukar Kation (KTK) Membran

Komposit ......................................................................... 55

Lampiran 9. Tabel Nilai Kapasitas Tukar Kation (KTK) Lempung ...... 55

Lampiran 10. Contoh Perhitungan Derajat Pengembangan (DP) ............ 56

Lampiran 11. Tabel Nilai Derajat Pengembangan (DP) Membran

Komposit ......................................................................... 56

Lampiran 12. Fourier Transform Infra Red (FTIR) Polistirena Standar .. 57

Lampiran 13. Fourier Transform Infra Red (FTIR) PST 10 .................... 57

Lampiran 14. Fourier Transform Infra Red (FTIR) PST 20 ................... 58



Lampiran 17. Fourier Transform Infra Red (FTIR) Lempung Abu-abu .. 59

Lampiran 18. Fourier Transform Infra Red (FTIR) Lempung Coklat ..... 60

Lampiran 19. Fourier Transform Infra Red (FTIR) Komposit Tanpa

Lempung (KTL) ............................................................ 60

Lampiran 20. Fourier Transform Infra Red (FTIR) KLA 7 % ................ 61

Lampiran 21. Fourier Transform Infra Red (FTIR) KLA 7 % ................ 61

Lampiran 22. Termogram TGA Polistirena dan polistirena tersulfonasi

(PST) ............................................................................... 62

Lampiran 23. Termogram TGA Komposit Lempung Coklat (KLC) ....... 62


commit to user

xv

Lampiran 24. Termogram TGA Komposit Lempung Abu-abu (KLA) ... 63

Lampiran 25. Termogram TGA KTL, KLA dan KLC ............................ 63

Lampiran 26. Dokumentasi Penelitian ................................................... 64


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Semakin menipisnya cadangan minyak bumi tanpa diimbangi dengan

penurunan pemakaian telah berdampak pada terjadinya kelangkaan bahan bakar

pada masyarakat. Pemakaian bahan bakar fosil secara terus menerus juga

memberikan dampak negatif terhadap lingkungan seperti kenaikan suhu bumi atau

pemanasan global, serta polusi udara yang saat ini mulai dirasakan masyarakat

Indonesia dan Dunia (Hambali dkk., 2007) oleh karena itu penelitian terus

dilakukan untuk mendapatkan sumber energi yang murah, efisien, dan ramah

lingkungan, salah satunya adalah sel bahan bakar (fuel cell). Fuel cell atau sel

bahan bakar merupakan salah satu sumber energi alternatif yang ramah

lingkungan dengan efektivitas tinggi dan rendah emisi, menghasilkan air dan

panas sebagai produk residu. Salah satu jenis sel bahan bakar yaitu Polymer

Electrolyte Membran Fuel Cell (PEMFC). Polymer Electrolyte Membran Fuel

Cell (PEMFC) bekerja pada suhu operasi relatif rendah (antara 60-150 oC).

Aplikasi PEMFC banyak dipakai sebagai sumber energi untuk kendaraan,

perumahan, dan telepon selular. Salah satu komponen penting sumber energi

PEMFC adalah membran polimer elektrolit. Membran tersebut merupakan salah

satu komponen inti dari PEMFC yang berfungsi menghantarkan kation dari anoda

ke katoda. Hingga saat ini membran komersial yang telah banyak digunakan yaitu

membran perflorosulfonat dari Nafion® karena memiliki konduktivitas proton,

kekuatan mekanik, dan kimia tinggi (Li dkk., 2003; Byungchan, 2005).

Disisi lain, Nafion® memiliki beberapa kelemahan antara lain tingginya

permeabilitas membran Nafion® terhadap bahan bakar, harganya mahal, dan

ketahanan termalnya rendah, sehingga dibutuhkan material baru sebagai bahan

untuk membuat membran pengangkut proton dengan karakteristik yang sama atau

lebih baik dari Nafion® (Li dkk., 2003; Byungchan, 2005; Lu dkk., 2005).

Pencarian material baru yang dapat digunakan sebagai pengganti Nafion®, yang

memiliki kapasitas tukar kation, murah, dan tahan terhadap termal yang tinggi

terus dilakukan. Penggunaan polimer sebagai membran polimer elektrolit mulai


commit to user

2

dikembangkan, salah satunya adalah polimer berstruktur aromatik seperti

polistirena. Polistiren (PS) merupakan polimer bergugus aromatik yang mudah

disintesis dari monomernya, stiren. Namun, PS tidak dapat menghantarkan proton

sehingga dibutuhkan proses sulfonasi untuk menghasilkan gugus sulfonat yang

dapat menghantarkan proton (Smitha dkk., 2003; Handayani dkk., 2007).

Peningkatan sifat-sifat membran polimer elektrolit seperti kapasitas tukar kation

(KTK), dan stabilitas termal dapat dilakukan dengan penambahan oksida. Oksida

merupakan material anorganik dengan karakteristik tahan terhadap suhu tinggi

dan memiliki ion-ion yang dapat dipertukarkan memberikan nilai lebih baik untuk

kinerja membran elektrolit dalam proses transfer proton (Yang, 2006). Oksida

yang memiliki karakteristik tersebut salah satunya adalah lempung. Lempung

merupakan material yang melimpah di alam. Selain memiliki stabilitas termal

yang baik, lempung bisa mengembang, gugus OH pada lempung dapat

terprotonasi dalam air, dan berperan sebagai penghantar proton (Wijaya dkk.,

2005).

B. Perumusan Masalah

1. Identifikasi Masalah

Dalam penelitian studi pendahuluan membran komposit polistirena

tersulfonasi (PST) berpengisi lempung sebagai membran polimer elektrolit untuk

aplikasi sel bahan bakar terdapat beberapa masalah antara lain:

Tingginya derajat sulfonasi (DS) mengakibatkan polimer larut dalam air,

sehingga polimer tidak bisa diisolasi. Derajat sulfonasi dapat dikontrol dengan

berbagai cara, antara lain: berat molekul (BM), massa polimer yang digunakan,

waktu proses sulfonasi, komposisi sulfonasi yang ditambahkan, dan pemilihan

agen sulfonasi yang tepat. Jenis agen sulfonasi antara lain asetil sulfat, asam sulfat

pekat, dan asam klorosulfonat. Menurut Jamal dkk (2007) asam sulfat pekat tidak

cocok digunakan sebagai agen sulfonasi untuk polistirena, asam sulfat pekat dapat

mengakibatkan polimer yang disulfonasi terdegradasi. Menurut Mutiara (2008)

kompatibilitas asam klorosulfonat tidak sesuai dengan polistirena, karena


commit to user

3

polistirena tersulfonasi yang dihasilkan memilki kekuatan mekanik rendah,

kurang homogen, dan susah dicetak.

Kandungan mineral lempung tiap daerah berbeda-beda, baik kandungan

logam maupun non logamnya. Selain itu kandungan juga dipengaruhi oleh

kedalaman tanah, material pembentuknya, dan jenis lempung. Kandungan

berbeda tersebut mengakibatkan karakteristik KTK, dan DP yang berbeda.

Pengguanan pemlastis yang tidak cocok mengakibatkan membran sulit

dicetak sehingga menghasilkan membran yang getas dan kurang homogen. Selain

itu penambahan pemlastis berlebihan mengakibatkan larutan cetak terlalu encer,

sehingga membran yang terbentuk terlalu tipis. Jenis pemlastis antara lain

polietilen glikol (PEG), polivinil alkohol (PVA), gliserol (GLY), etilen glikol

(EG), atau propilen glikol (PG). Jamal dkk (2007) menambahkan pemlastis

dengan konsentrasi 10 % (b/b) dari larutan cetak membran. Menurut penelitian

Lim dkk (2003) penggunaan PEG dengan BM rendah yaitu antara 200 hingga

1500 dapat menghasilkan suatu membran dengan kekuatan mekanik yang baik.

Kesalahan menggunakan metode penentukan derajat pengembangan (DP)

akibatnya membran tidak bisa diaplikasikan untuk membran polimer elektrolit

dalam sel bahan bakar. Derajat pengembangan (DP) dapat ditentukan dengan

menggunakan metode perendaman dalam larutan metanol (methanol uptake) atau

perendaman dalam air (water uptake). Metode perendamam dalam metanol

(methanol uptake) biasanya digunakan untuk menentukan nilai DP membran

Direct Methanol Fuel Cells (DMFC), karena bahan bakar yang digunakan untuk

DMFC adalah methanol. Metode perendaman dalam air (water uptake) digunakan

untuk menentukan nilai DP Polymer Elektrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC),

sebab PEMFC menghasilkan listrik, air, dan panas.

2. Batasan Masalah

a. Membatasi waktu sulfonasi selama 1 jam, dan komposisi sulfonasi yang

ditambahkan 10, 20, 30, 40, dan 50 mmol.

b. Agen sulfonasi yang digunakan adalah asetil sulfat.

c. Oksida yang ditambahkan adalah lempung.


commit to user

4

d. Lempung yang digunakan adalah lempung coklat dan abu-abu yang

berasal dari Dukuh Bandungan, Desa Kumusu, Kecamatan Wonosegoro

Boyolali dan diambil secara generalisasi.

e. Pemlastis yang digunakan adalah poli etilen glikol 1000.

f. Analisis DP menggunakan metode perendaman dalam air (water uptake).

3. Rumusan Masalah

1. Bagaimana pengaruh variasi komposisi sulfonat terhadap sifat termal dan KTK

membran komposit?

2. Apakah komposisi lempung mempengaruhi sifat termal dan KTK membran

komposit?

C. Tujuan Penelitian

1. Untuk mengetahui pengaruh variasi komposisi sulfonat terhadap sifat termal

dan KTK membran komposit

2. Untuk mengetahui pengaruh variasi komposisi lempung terhadap sifat termal

dan KTK membran komposit.

D. Manfaat Penelitian

1. Dapat mengetahui pengaruh variasi komposisi sulfonat terhadap sifat termal


2. Dapat mengetahui pengaruh variasi komposisi lempung terhadap sifat termal



commit to user

5

BAB II

LANDASAN TEORI

A. Tinjauan Pustaka

1. Sel Bahan Bakar (Fuel cell) dan Membran Polimer Elektrolit

Sel bahan bakar adalah suatu sumber energi penghasil listrik secara

elektrokimia yang mereaksikan gas dan oksigen dari udara secara kimiawi

sehingga menghasilkan listrik, selain itu juga panas dan air. Prinsip kerjanya mirip

dengan baterai, namun terdapat perbedaan karena pada sel bahan bakar dirancang

untuk dapat terus menghasilkan energi. Produksi energi akan dapat terus berjalan

selama bahan sel (H2, metanol, dan lain-lain) terus masih ada dalam sistem sel

bahan bakar (Williams, 2000). Sebagai tambahan, elektroda dalam baterai

bereaksi dan berganti pada saat baterai diisi atau dibuang energinya, sedangkan

elektroda sel bahan bakar adalah katalitik dan relatif stabil. Adapun bentuk dasar

dari sel bahan bakar ditunjukan pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema sel bahan bakar (Jamal dkk., 2007)

Dalam sel bahan bakar terdapat sebuah lapisan elektrolit yang bersentuhan

langsung dengan anoda pada satu sisi dan katoda pada sisi lainnya. Secara umum

cara kerja sel bahan bakar tersebut adalah bahan bakar (H2, metanol, dan lain-

lain) dialirkan pada bagian anoda dan oksigen dialirkan ke katoda. Terdapat dua

reaksi kimia yang terjadi pada sel bahan bakar, yaitu oksidasi di anoda dan

reduksi di katoda. Apabila digunakan gas H2 sebagai bahan bakar maka reaksi

yang terjadi sebagai berikut:


commit to user

6

Anoda : 2H2 ® 4H+ + 4e-

Katoda : O2 + 4H+ + 4e-® 2H2O

Reaksi keseluruhan : 2H2 + O2® 2H2O

Reaksi kimia yang terjadi pada kedua elektroda menghasilkan arus listrik,

arus listrik ini dapat dijadikan sumber energi bagi berbagai keperluan. Lapisan

elektrolit pada rangkaian alat sel bahan bakar dapat berupa padatan elektrolit

misalnya membran. Membran elektrolit merupakan komponen penting dalam

Polymer Electrolyte Membran Fuel Cell (PEMFC) dan Direct Methanol Fuel

Cell (DMFC). Syarat utama membran yang dapat digunakan sebagai komponen

sel bahan bakar adalah memiliki muatan pada strukturnya dan memiliki

konduktifitas ionik yang baik. Muatan tersebut akan memfasilitasi transport

proton dari anoda ke katoda (Hall dkk., 2003).

2. Jenis Sel Bahan Bakar

Sel bahan bakar umumnya diklasifikasikan berdasar suhu operasi dan tipe

elektrolit yang digunakan. Terdapat beberapa tipe sel bahan bakar, yang masing-

masing menggunakan bahan kimia berbeda dan memiliki aplikasi berbeda,

diantaranya (Hirschenhofer dkk., 2000):

1. Solid Oxide Fuel cell (SOFC)

Jenis sel bahan bakar ini sesuai untuk generator skala besar yang dapat

menghasilkan energi listrik untuk pabrik atau suatu kota. SOFC beroperasi

pada suhu sangat tinggi (700-1000 oC). suhu operasi yang sangat tinggi

membuat bagian-bagian sel bahan bakar dapat rusak setelah pengulangan

siklus on-off. Namun, SOFC sangat stabil pada penggunaan secara

berkelanjutan. SOFC memiliki waktu operasi terlama dibandingkan dengan

sel bahan bakar jenis lain dengan keadaan pengoperasian yang sama.

Tingginya suhu operasi memiliki beberapa keuntungan dari uap panas yang

dihasilkan untuk dapat dihubungkan dengan turbin sehingga dapat

menghasilkan lebih banyak energi listrik.


commit to user

7

2. Alkaline Fuel cell (AFC)

AFC merupakan jenis sel bahan bakar yang telah digunakan yaitu sejak tahun

1960. AFC sangat rentan terhadap kontaminasi sehingga membutuhkan

hidrogen dan oksigen murni. Hal ini membuat harga pemakaian AFC cukup

mahal dan kurang komersil.

3. Molten-Carbonate Fuel cell (MCFC)

Seperti SOFC, MCFC sesuai untuk pemakaian generator energi tinggi.

MCFC dioperasikan pada suhu 600 oC dan dapat menghasilkan uap panas

yang digunakan untuk menghasilkan lebih banyak energi. Karena MCFC

beroperasi pada suhu lebih rendah dari SOFC, pada MCFC tidak diperlukan

material khusus tahan panas tinggi sehingga pemakaian MCFC lebih murah

dibanding SOFC.

4. Phosphoric-Acid Fuel cell (PAFC)

PAFC memiliki potensi untuk penggunaan pada sistem generator energi

rendah. PAFC beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dibanding PEMFC.

PAFC membutuhkan waktu pemanasan lebih lama sehingga tidak sesuai

untuk aplikasi pada kendaraan bermotor.

5. Direct-Methanol Fuel cell (DMFC)

DMFC memiliki suhu operasi mendekati suhu operasi PEMFC namun

mamiliki efisiensi lebih rendah dibanding PEMFC. DMFC membutuhkan

platinum dalam jumlah besar sebagai katalis, sehingga pemakaian DMFC

mahal.

6. Polymer Exchange Membran Fuel cell (PEMFC)

PEMFC merupakan sumber energi ramah lingkungan dan efisien, kerapatan

energi tinggi, dan dapat dioperasikan pada suhu relatif rendah (60-80 oC).

Suhu operasi yang rendah membuat sel bahan bakar lebih cepat mencapai

suhu optimumnya dan menghasilkan energi listrik. PEMFC menggunakan

salah satu reaksi paling sederhana dari sel bahan bakar.

Komponen vital PEMFC ialah membran penukar proton yang merupakan

pemisah fisik antara anoda dan katoda dan berfungsi mentransport proton.

Dalam beberapa dekade yang lalu, studi membran penukar proton untuk


commit to user

8

PEMFC terfokus pada membran asam perflorosulfonat seperti Nafion®

(Dupont). Hal ini disebabkan karena membran komersil tersebut memiliki

konduktivitas ion, kekuatan mekanik, dan derajat pengembangan relatif

rendah terhadap air. Namun karena harganya yang mahal, tingginya laju

permeabilitas terhadap bahan bakar (fuell cross-over) pada material ini, dan

bahaya limbah pada lingkungan, pemakaian membran komersil tersebut tidak

diinginkan untuk aplikasi sel bahan bakar. Fuel cross-over terjadi saat bahan

bakar (methanol dan hidrogen) melewati membran secara silang (menuju

anoda) sehingga menurunkan potensial katoda dan efisiensi energi

(Handayani dkk., 2008).

Membran sel bahan bakar ideal memiliki harga terjangkau, memiliki

konduktivitas proton tinggi, kestabilan kimia tinggi, dan tetap memiliki

integritas mekanik dalam air panas (Chen dkk., 2004). Dari keunggulan sifat

yang dimiliki, PEMFC paling banyak diaplikasikan untuk sumber energi

kendaraan bermotor.

3. Bagian-bagian PEMFC

Menurut Hirschenhofer dkk (2000) PEMFC terdiri dari empat bagian dasar yaitu:

1. Anoda

Anoda pada PEMFC memiliki suatu lintasan sehingga gas hidrogen

terdispersi menuju permukaan katalis. Pada anoda terjadi reaksi oksidasi

hidrogen menjadi elektron dan ion H+, dengan bantuan katalis. Elektron yang

dihasilkan dari molekul hidrogen mengalir pada sirkuit eksternal sehingga

menghasilkan arus listrik.

2. Katoda

Katoda pada PEMFC merupakan elektroda positif yang memiliki suatu

lintasan sehingga oksigen dapat terdistribusi menuju katalis. Katoda

menghantarkan elektron dari sirkuit eksternal balik menuju katalis, sehingga

dapat terjadi reaksi antara ion hidrogen dan oksigen menjadi air.


commit to user

9

3. Elektrolit

Pada PEMFC, elektrolit merupakan membran penukar proton yang dapat

menghantarkan ion bermuatan. Untuk mendapatkan fungsi penukar proton

membran membutuhkan keadaan terhidrasi.

4. Katalis

Katalis dalam PEMFC dapat mempercepat reaksi redoks yaitu reaksi oksidasi

hidrogen menjadi elektron dan ion H+ pada anoda, dan reaksi reduksi oksigen

menjadi air pada katoda. Katalis umunya dibuat dari nanopartikel platinum

sangat tipis pada kertas karbon. Katalis memiliki pori dan permukaan kasar

sehingga luas permukaan platinum maksimum sehingga dapat terjadi kontak

dengan hidrogen atau oksigen. Sisi katalis yang terlapisi platinum berada

berhadapan dengan membran penukar proton.

4. Polimer Termodifikasi sebagai Membran Polimer Elektrolit

Dewasa ini pembuatan material baru berbahan dasar polimer sebagai

membran polimer elektrolit terus dikembangkan. Dari sekian banyak jenis

membran polimer elektrolit yang telah dikembangkan salah satunya adalah

membran penukar ion atau Polymer Exchange Membran (PEM) berbasis

perfluorinated atau polimer asam perflorosulfat misalnya Nafion®. Nafion®

merupakan membran yang menjadi pilihan utama dan mudah ditemukan

dipasaran karena sifat konduktifitas ionik yang tinggi, stabilitas kimia, serta sifat

mekanik yang tinggi (Martins dkk., 2003). Selain harganya yang mahal, terdapat

beberapa hal yang membatasi waktu pemakaian (life time) yaitu degradasi,

korosif, dan suhu operasi. Nafion® dalam aplikasinya terdapat pembatasan suhu

yaitu tidak bisa melebihi 80 oC (Handayani dkk., 2007). Beberapa metode telah

digunakan untuk mengatasi masalah pembatasan aplikasi sel bahan bakar

diantaranya dengan mencari material baru yang dapat digunakan sebagai

pengganti Nafion® yang memiliki stabilitas termal tinggi dan relatif murah.

Saat ini mulai dikembangkan pemakaian polimer untuk mengatasi

permasalahan pemakaian Nafion®. Syarat yang harus dipenuhi polimer sebagai

membran sel bahan bakar adalah bermuatan, oleh karena itu perlu dilakukan


commit to user

10

modifikasi. Salah satu metode yang dapat dilakukan agar polimer bermuatan

adalah dengan sulfonasi. Modifikasi lain yang dapat dilakukan pada polimer

adalah kompositnya. Tujuan dari komposit polimer tersebut adalah menghasilkan

material baru dengan karakter yang lebih baik diantaranya sifat termal, mekanik,

dan konduktivitas yang lebih tinggi (Jamal dkk., 2007).

5. Polistirena (PS)

Polistirena adalah jenis polimer linier yang tersusun dari monomer stirena.

Polistirena memiliki rantai hidrokarbon panjang dengan gugus fenil terikat pada

salah satu gugus karbon dari setiap monomernya, seperti terlihat pada Gambar 2.

Polistirena murni berbentuk padatan tidak berwarna. Polistiren komersil umunya

bersifat amorf (Billmeyer, 1971). Pada temperatur ruangan, polistirena umunya

merupakan suatu termoplastik yang berwujud padat, tetapi dapat meleleh pada

temperatur tinggi (240 oC) untuk dicetak dan kemudian dibentuk menjadi padatan

kembali. Polistirena merupakan plastik keras dengan kelenturan terbatas.

Polistirena banyak diproduksi untuk aplikasi barang kebutuhan sehari-hari

karena proses sintesisnya yang mudah dan murah. Kegunaan polistirena

diantaranya adalah untuk bahan pembungkus, peralatan rumah tangga, peralatan

kendaraan bermotor, dan aneka macam bahan lainnya.

Gambar 2. Struktur polistirena

6. Polistirena Tersulfonasi (PST)

Polistirena tersulfonasi dalam bentuk polimer murni, campuran, ataupun

komposit polimer telah banyak dipelajari pada aplikasi PEM. Membran PST

memiliki konduktivitas proton tinggi, biaya pembuatan yang cukup murah, serta

bersifat lebih fleksibel dibandingkan membran Nafion®. Namun, polistirena

tersulfonasi memiliki batasan derajat sulfonasi karena polimer dapat larut dalam


commit to user

11

air pada derajat sulfonasi yang tinggi (Smitha dkk., 2003; Jamal dkk., 2007).

Interaksi ikatan hidrogen cukup kuat dapat terjadi antara molekul air dengan

gugus asam sulfonat (~SO3H) pada membran. Interaksi ini dapat mempengaruhi

transport air dan proton melalui membran.

Sulfonasi dapat memberikan konduktivitas proton polimer secara simultan

sebaik sifat hidrofil alami. Polimer tersulfonasi dapat memiliki gugus asam bebas

(~SO3H), garam (~SO3- Na+), atau ester (~SO3R) (Smitha dkk., 2003). Derajat

sulfonasi dapat dikontrol sesuai keinginan dengan mengatur lama waktu

polimerisasi dan jumlah agen sulfonasi yang ditambahkan. Proses sulfonasi dapat

dilakukan pada tahap awal sintesis polimer yang akan disulfonasi atau pada

polimer yang telah dihasilkan. Pada homopolimer apapun yang memiliki cincin

aromatik atau ikatan ganda dapat dilakukan proses sulfonasi (Gambar 3).

Gambar 3. Reaksi sulfonasi polistirena

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. Polistirena tersulfonasi (PST) akan memiliki gugus ~SO3H

pada posisi para hasil dari ikatan silang. Adanya gugus ~SO3H menyebabkan

polistirena tersulfonasi mudah melepaskan ion H+. Kemudahan polimer untuk

melepaskan ion H+ mengakibatkan peningkatkan sifat konduktifitas ioniknya dan

menyebabkan PST bermuatan, sehingga dapat diaplikasikan menjadi membran

polimer elektrolit (PEM) baru untuk sel bahan bakar (fuel cell) (Jamal dkk.,

2007).


commit to user

12

7. Agen Sulfonasi

Asam sulfat dan asetil sulfat merupakan beberapa contoh agen pada proses

sulfonasi. Kriteria pemilihan agen sulfonasi berdasarkan kompatibilitas dengan

polimer, sifat pembentukan film, dan kekuatan mekanik dari polimer tersulfonasi

yang diinginkan (Smitha dkk., 2003).

1. Asam sulfat 98 % : walaupun jumlah asam yang ditambahkan sedikit, namun

polimer yang dihasilkan larut dalam air karena tingginya derajat sulfonasi

yang dihasilkan. Pada penggunaan asam sulfat sebagai agen sulfonasi, derajat

sulfonasi tidak dapat dikontrol.

2. Asetil sulfat : polistirena yang disulfonasi menggunakan reagen asetil sulfat

akan menghasilkan distribusi gugus asam sulfonat yang homogen. Namun,

polikarbonat terlalu reaktif terhadap asetil sulfat serta polifenilen oksida dan

polisulfon tidak dapat disulfonasi menggunakan agen ini karena tidak

memiliki kompatibilitas dengan reagen. Reaksi pembuatan aetil sulfat dapat

dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Reaksi pembuatan asetil sulfat

8. Lempung

Mineral lempung merupakan salah satu kekayaan alam Indonesia yang

berlimpah dan belum dimanfaatkan secara optimal (Sudrajat dan Apandi, 1989;

Riyanto, 1994). Tanah lempung secara geologis adalah mineral alam dari keluarga

silikat yang berbentuk kristal dengan struktur berlapis (sering disebut dengan

struktur dua dimensional), dan mempunyai ukuran partikel lebih kecil dari 2 µm,

berwarna agak kecoklat-coklatan dan mudah dibentuk dalam keadaan basah, serta

mengeras dengan warna kemerah–merahan jika dibakar. Diantara lapisannya

terdapat kation-kation yang berfungsi menyetimbangkan muatan negatif yang ada

pada bidang lapisnya (Wijaya dkk., 2004; Wijaya dkk, 2005).


commit to user

13

Montmorilonit merupakan mineral lempung berstruktur lapis dengan tipe

2:1. Lempung alam Indonesia didominasi oleh lempung kelompok montmorilonit

yang mudah menyerap air. Montmorilonit adalah jenis yang paling banyak

menarik perhatian, karena montmorilonit mempunyai kemampuan untuk

mengembang. Selain itu mineral ini memiliki kapasitas penukar ion yang tinggi

sehingga mampu untuk mengakomodasi kation dalam antar lapisnya dalam

jumlah besar.

Gambar 5. Struktur tiga dimensi dari montmorilonit (Tan, 1982)

Olphen (1997) mengemukakan nilai KTK montmorilonit kira-kira 70

meq/100 gram dan oleh karena besarnya nilai ini maka montmorilonit

memperlihatkan sifat plastis dan melekat kuat jika basah

9. Karakterisasi

Karakterisasi sampel bertujuan untuk mengetahui sifat fisik maupun kimia

dari suatu sampel. karakterisasi yang umum dilakukan untuk aplikasi membran

elektrolit sel bahan bakar yaitu analisis gugus fungsi menggunakan alat Fourier

Transform Infra Red (FTIR), analisis termal menggunakan alat Thermo

Gravimetry Analysis (TGA), analisis derajat pengembangan (DP), Kapasitas

Tukar Kation (KTK), kelarutan, dan analisis morfologi dengan mikroskop.

a. Analisis Gugus Fungsi

Analisis gugus fungsi dalam suatu sampel dapat dilakukan dengan

mengunakan alat Fourier Transform Infra Red (FTIR). Spektroskopi IR ini


commit to user

14

berfungsi untuk menentukan adanya suatu gugus fungsi dalam sampel dengan

menganalisis ikatan kovalen yang terdapat dalam molekul (Fesenden, 1986).

Menurut penelitian Mutiara (2008), terdapat tiga puncak serapan khas

polistirena tersulfonasi yaitu pada bilangan gelombang 1180,44 cm-1 – 1161,15

cm-1 yang dihasilkan dari vibrasi streching simetrik O=S=O, vibrasi O-H pada

bilangan gelombang 3446,79 cm-1, serta pada bilangan gelombang 904,61 cm-1

yang menunjukkan pada para-subtitusi benzena.

Berdasarkan penelitian Wijaya (2005) pada lempung terdapat serapan

pada bilangan gelombang 1637,5 cm-1 yang merupakan serapan dari H2O

secara lengkung (O-H tekuk). Serapan gugus OH yang cukup kuat

menunjukkan kuatnya ikatan OH dengan kation-kation yang ada pada antar

lapis lempung. Pita serapan pada bilangan gelombang 1035,7 cm-1 diakibatkan

oleh vibrasi regang Si-O-Si (stretching) oktahedral yang teramati sebagai

puncak serapan yang lebar dengan intensitas yang jelas. Pita serapan pada

914,2 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi OH dari ~Al2OH pada lapisan

oktahedral. Serapan pada bilangan gelombang 522,7 cm-1 adalah serapan

karakteristik Si-O-Al (Al oktahedral), sedangkan pita serapan pada bilangan

gelombang 464,8 cm-1 merupakan vibrasi tekuk Si-O-Si.

b. Analisis Derajat Pengembangan (DP)

Analisis pengembangan bertujuan untuk mengetahui kemampuan

sampel mengembang didalam cairan. Saat polimer dimasukkan dalam suatu

cairan dapat terjadi suatu pelarutan dan pengembangan. Saat terjadi

pengembangan molekul kecil cairan berdifusi ke dalam polimer dan

menyebabkan penggembungan. pengembangan merupakan bagian dari proses

pelarutan. Saat mengembang polimer hanya memiliki kemampuan kelarutan

terbatas dalam cairan terebut. Pelarutan polimer dalam suatu cairan merupakan

proses kelanjutan dari pengembangan. Secara umum, peningkatan massa

molekul dan derajat kristalinitas, penurunan temperatur dapat menurunkan

kemampuan pengembangan, dan pelarutan suatu polimer.


commit to user

15

Kemampuan pengembangan berkaitan dengan transport proton dan

kestabilan membran dalam air. Pada aplikasi sel bahan bakar, membran

penghantar proton membutuhkan sejumlah air untuk berkoordinasi dengan

proton (membran berada dalam keadaan terhidrasi) (Cui dkk., 2007). Akan

tetapi membran dengan kemampuan mengangkut air (water uptake) yang

berlebihan akan tidak diinginkan karena dapat merubah dimensi membran,

menurunkan sifat mekanik, dan kemampuan menghantar proton.

c. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK)

Pertukaran ion merupakan salah satu proses penting untuk mengontrol

distribusi elemen dalam larutan dan fasa partikulat yang dapat meregulasi

polutan-polutan logam dalam hidrosfer. Sebagai polimer anorganik, mineral

lempung dikelompokkan pada penukar ion anorganik yang secara alami dapat

mengadakan pertukaran dengan ion lain dari luar dengan adanya pengaruh air.

Jumlah total kation yang mampu dipertukarkan oleh lempung didefinisikan

sebagai kapasitas tukar kation (KTK). Kemampuannya berbeda-beda

tergantung pada jenis komponen penyusunnya. Sifat inilah yang mewakili

pemanfaatannya sebagai resin. Menurut Olphen (1997), lempung alam

memiliki KTK berkisar antara 70 meq/100 gram.

Penelitian membran polimer elektrolit sel bahan bakar sebelumya telah

dilakukan oleh Manthiram dkk (2005) yaitu mengenai karakterisasi KTK, DP

polisulfon tersulfonasi yang digunakan sebagai membran DMFC sel bahan

bakar dengan variasi konsentrasi metanol. Hasil penelitian menunjukkan

bahwa membran polistirena tersulfonasi dengan sulfonasi 50-70 %

menunjukkan hasil yang dapat dibandingkan dengan Nafion 115 sehubungan

dengan penurunan konsentrasi metanol, tetapi hasil tertinggi dicapai dengan

konsentrasi metanol yang tinggi (2 M) daripada Nafion 115. Tetapi polimer ini

masih memiliki kestabilan termal yang rendah. Sedangkan pada penelitian

Lufrano dkk (2006) mengkaji tentang sintesis membran polisulfon tersulfonasi

yang dapat digunakan untuk menggantikan asam perfluorosulfonat sebagai

polimer elektrolit sel bahan bakar. Hasil penelitian menunjukkan tahap


commit to user

16

sulfonasi dari 20 sampai 50 % dengan mudah dicapai oleh agen sulfonasi yang

bervariasi dan waktu reaksinya. Kapasitas pertukaran ionnya 0,5-1,2 mmol

~SO3H/g. Konduktivitas proton antara 10-6 dan 10-2 S/cm. Analisis termal

polisulfon tersulfonasi memiliki temperatur transisi glass yang lebih tinggi dan

temperatur dekomposisi yang lebih rendah dibandingkan dengan material yang

tidak tersulfonasi.

Selain itu Handayani dkk (2007) dalam penelitiannya yaitu tentang

penambahan polisulfon pada poli eter-eter keton untuk sel bahan bakar metanol

langsung. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan polisulfon terbaik

adalah 10 % menghasilkan membran dengan kapasitas penukar ion 1,9 meq/g

polimer, konduktivitas ioniknya 0,0017 S/cm, permeabilitas metanol 6,4.10-8

cm2/s (mengalami penurunan 6x jika tidak ditambahkan polisulfon), derajat

pengembangan (DP) terhadap air 18 %, dan DP terhadap metanol 17 %.

d. Penentuan Derajat Sulfonasi (DS)

Derajat sulfonasi ialah presentase jumlah mol sulfonat dalam polimer

tersulfonasi (Martins dkk., 2003). Penentuan derajat sulfonasi dilakukan untuk

mengetahui berapa banyak jumlah gugus sulfonat yang telah berikatan dengan

polimer tersulfonasi.

B. Kerangka Pemikiran

Membran komposit PST/lempung dipengaruhi oleh variasi komposisi

sulfonat terhadap nilai KTK komposit. Semakin banyak jumlah sulfonat yang

ditambahkan maka nilai KTK akan semakin besar dan semakin polar tetapi

rendemen yang dihasilkan semakin rendah. Polistirena tersulfonasi (PST)

memiliki gugus sulfonat (~SO3H), adanya gugus ~SO3H menyebabkan polistirena

tersulfonasi mudah melepaskan ion H+. Semakin banyak gugus sulfonat (~SO3H)

yang ditambahkan maka ion H+ yang dapat dipertukarkan juga semakin besar,

sehingga meningkatkan nilai KTK, dan menurunkan kestabilan termalnya.

Variasi komposisi lempung akan mempengaruhi kestabilan termal dari

komposit yang dihasilkan. Semakin besar komposisi lempung yang ditambahkan


commit to user

17

maka stabilitas termal komposit akan semakin meningkat, sebab lempung

memiliki ketahanan termal yang tinggi. Selain itu juga penambahan lempung

menaikkan nilai KTK membran, semakin banyak lempung maka kation yang

dapat dipertukarkan juga akan semakin besar.

C. Hipotesis

1. Variasi komposisi sulfonat akan mempengaruhi nilai KTK, dan termal

komposit yang dihasilkan, semakin tinggi sulfonat yang ditambahkan maka

nilai KTK juga akan semakin meningkat, tetapi kestabilan termalnya

menurun.

2. Komposisi lempung akan mempengaruhi kestabilan termal komposit yang

dihasilkan. Semakin banyak komposisi lempung maka nilai KTK dan

kestabilan termal komposit juga semakin tinggi.


commit to user

18

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

A. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode

eksperimental laboratorium untuk memperoleh data, hasil dan sintesis

komposit polistirena tersulfonsi berpengisi lempung. Komposit yang diperoleh

selanjutnya dikarakterisasi menggunakan fourier transform infra red (FT-IR),

analisis termal, derajat pengembangan (DP), kapasitas tukar kation (KTK),

derajat sulfonasi (DS), X-rays difractometer (XRD), dan mikroskop.

B. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan selama 9 bulan di Laboratorium Dasar Kimia

MIPA UNS, Laboratorium Pusat Universitas Sebelas Maret Surakarta Sub

Laboratorium Kimia, dan Laboratorium MIPA terpadu UNS.

C. Alat dan Bahan

Alat: Seperangkat alat gelas, seperangkat alat refluks, ember plastik, stirrer,

timbangan (Metler Toledo), plat kaca, oven (Memmert), Mikroskop Nikon

Eclipse, FT-IR (Shimadzu Prestige 21) , XRD (Shimadzu 600), dan TGA (Linseis

STA PT-1600).

Bahan: Polistirena Mw 350000 (Aldrich), Lempung dari Kecamatan

Wonosegoro Boyolali, H2SO4 96 % (Merck), anhidrat Asetat (Merck),

diklorometana (Merck), 2-propanol p.a (Merck), NaOH (Merck), HCl (Merck),

NaCl (Merck), akuades, Poli etilen glikol (PEG) 1000 (Merck), Dimetil asetamida

(DMAc) (Merck).

D. Prosedur Penelitian

1. Preparasi Lempung

Lempung dilarutkan dalam 2 L aquades kemudian disaring menggunakan

kain. Endapan diambil dan dikeringkan di bawah sinar matahari. Pengeringan


commit to user

19

selanjutnya menggunakan oven pada suhu 120 oC hingga kering kemudian

dihaluskan dan diayak 150 mesh (Wijaya dkk., 2005).

2. Pembuatan Asetil Sulfat

Sebanyak 395,7 mL 1,2-diklorometana dimasukkan ke dalam erlenmeyer

yang sudah direndam es batu lalu ditambahkan anhidrida asetat sebanyak 76,3 mL

dan diaduk. Campuran tersebut didinginkan sampai suhu di bawah 10 oC dan

ditambahkan asam sulfat 96 % sebanyak 28 mL serta diaduk sehingga diperoleh

500 mL larutan asetil sulfat 1 M (Smitha dkk., 2003; Makowski dkk., 1975, 1980;

Martins dkk., 2003; Rubinger dkk., 2007)

3. Pembuatan Polistirena Tersulfonasi

Sebanyak 20 mL 1,2-diklorometana dimasukkan dalam labu leher dua lalu

ditambahkan polistirena sebanyak 8 gram, distirrer sampai semua polistirena larut.

Setelah polistirena larut ditambahkan asetil sulfat sebanyak 10 mL sampai dengan

50 mL dan direfluks pada suhu 50 oC selama 1 jam. Reaksi diterminasi dengan

penambahan 2-propanol sebanyak 10 mL. Polistirena tersulfonasi (PST) diisolasi

dengan meneteskan larutan PST kedalam air mendidih sehingga diperoleh padatan

polistirena tersulfonasi. PST dioven pada suhu 60 oC selama satu malam untuk

mendapatkan polistirena tersulfonasi kering (Smitha dkk., 2003 Makowski dkk.,

1975, 1980; Martins dkk., 2003; Rubinger dkk., 2007).

4. Pembuatan Membran Komposit

Polistirena tersulfonasi sebanyak 2 gram dan PEG sebanyak 1 gram

dilarutkan dalam larutan dimetil asetamida (DMAc) hingga berat totalnya 10

gram. Kemudian dicampur dengan lempung yang telah dihaluskan dan disaring

dengan penyaring berpori 150 mesh. Pada Tabel 1 merupakan data komposisi

massa material penyusun membran komposit. Kandungan PST dan PEG dalam

membran dibuat tetap yaitu 20 dan 10 % dari berat total larutan cetak, dan

kandungan lempung serta DMAc dibuat bervariasi. Pembentukan campuran

homogen dibantu dengan stirer sampai campuran homogen lalu didiamkan


commit to user

20

semalam. Setelah terbentuk campuran yang homogen kemudian membran dicetak

pada plat kaca dan dikeringkan pada suhu ruang (Jamal dkk., 2007; Handayani

dkk., 2008).

Tabel 1. Perbandingan Komposisi dalam Sintesis Membran Komposit

Membran PST (%) PEG (%) Lempung (%) DMAc (%) KTL 20 10 0 70

KLC 20 10 3 67 20 10 5 65 20 10 7 63

KLA 20 10 3 67 20 10 5 65 20 10 7 63

5. Karakterisasi Membran Komposit

a. Analisa Kapasitas Tukar Kation (KTK) dan Derajat Sulfonasi (DS)

Polistirena tersulfonasi, atau lempung, atau membran dimasukkan dalam

gelas beker lalu ditambahkan HCl 0,1 M sebanyak 50 mL, ditutup dengan

alumunium foil dan dioven pada suhu 50-60 oC selama satu jam. Setelah satu

jam campuran tersebut disaring sehingga diperoleh endapan/padatan dan

filtrat. Padatan tersebut selanjutnya direndam dengan NaCl 1 M sebanyak 100

mL dan distirer selama 12 jam kemudian disaring. Filtrat yang diperoleh

diambil 25 mL dan ditambahkan 3 tetes indikator fenoftalein (PP) kemudian

dititrasi dengan NaOH 0,05 M sampai terjadi perubahan warna dari bening ke

merah muda. Saat terjadi perubahan warna catat volume NaOH yang

dibutuhkan (Chen dkk., 2004; Lufrano dkk., 2001, 2000)

Rumus yang digunakan untuk menghitung KTK (Smitha dkk., 2003)

adalah :

Rumus yang digunakan untuk menghitung DS (Mutiara., 2008) adalah :

…………………………………………………...... 1

………………………………………….... 2 ……………………...... 3


commit to user

21

b. Derajat Pengembangan (DP)

Potongan membran 2 cm x 2 cm dioven pada suhu 50-60 oC selama 12

jam kemudian ditimbang berat keringnya. Setelah itu direndam dengan aquades

selama 24 jam lalu ditimbang berat basahnya lalu dihitung derajat

pengembangannya (DP). (Smitha dkk., 2003). Rumus yang digunakan adalah :

Ms = massa polimer basah

Md = masa polimer kering

c. Analisis Struktur

Perkembangan struktur membran komposit, PS, PST, dan lempung

ditentukan dengan menggunakan alat spektrofotometer FTIR. Spektrum FTIR

dicatat antara bilangan gelombang 4000 hingga 400 cm-1 dengan metode plat KBr.

d. Analisa Termal

Stabilitas termal membran komposit, PS, PST, dan lempung dianalisa

menggunakan alat TGA dengan range suhu 40-700 0C dan laju pemanasan 20 oC/menit serta menggunakan krus Al2O3.

E. Teknik Pengumpulan Data

Material dan komposit yang diperoleh dikarakterisasi menggunakan FT-IR,

XRD, analisa termal (TGA), KTK, DP, DS, dan mikroskop. Dari analisis dengan

FTIR akan diperoleh informasi mengenai gugus-gugus fungsi dalam komposit

polistirena tersulfonasi berpengisi lempung. Analisis XRD akan dihasilkan data

tentang derajat kristalinitas dari komposit tersebut. TGA akan diperoleh informasi

mengenai kestabilan termalnya, derajat sulfonasi dan KTK untuk mengetahui

seberapa besar kapasitas tukar kationnya. Derajat pengembangan untuk

……………..……………...... 4

……………..…...... 5


commit to user

22

mengetahui kemampuan mengembang terhadap air serta morfologi permukaannya

dapat dilihat dengan mikroskop.


commit to user

23

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Sintesis Polistiren Tersulfonasi

Polistirena merupakan polimer yang terdiri dari rantai karbon dan benzena,

hal ini yang menyebabkan polistirena tidak larut dalam pelarut air (polar). Dimana

semakin banyak kandungan karbon dan benzena dalam senyawa maka senyawa

tersebut memilki sifat semakin non-polar. Adanya penambahan gugus fungsi

dalam suatu polimer akan mampu merubah sifat kelarutannya terhadap pelarut

yang sama dibandingkan polimer awalnya. Salah satunya adalah reaksi sulfonasi.

Polistirena mengandung gugus benzena yang bisa dimodifikasi dengan proses

reaksi subtitusi seperti sulfonasi.

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. Dalam sulfonasi, kita dapat menggunakan asam sulfat

pekat atau asam sulfat berasap. Elektrofiliknya dapat berupa sulfur trioksida

(~SO3) atau sulfur trioksida terprotonasi (~SO3H+) (Fesenden, 1986).

Dalam penelitian ini dilakukan penambahan gugus sulfonat (sulfonasi)

pada polistirena untuk meningkatkan kemampuan penghantar proton. Sulfonasi

dapat dilakukan dengan penambahan agen sulfonat yaitu asetil sulfat. Pemilihan

asetil sulfat sebagai agen sulfonasi didasarkan pada sifat polistirena yang mudah

bereaksi dengan asetil sulfat sehingga distribusi gugus sulfonat homogen, selain

itu derajat sulfonasi dapat dikontrol (Smitha dkk., 2003). Dengan dilakukannnya

sulfonasi pada polistirena akan mengakibatkan senyawa yang terbentuk memiliki

muatan yang berasal dari sulfonasi tersebut (~SO3H). Hal ini mengakibatkan

senyawa yang terbentuk (PST) akan memiliki sifat lebih polar dibandingkan

dengan sebelum dilakukan sulfonasi.

Pembuatan larutan asetil sulfat sebagai agen sulfonasi dilakukan dalam

suhu kurang dari 10 oC untuk mencegah bumping dan penguapan pelarut. Saat


commit to user

24

pembuatan asetil sulfat dan polistirena tersulfonasi (PST), digunakan

diklorometana sebagai pelarut dari agen sulfonasi dan polimer, agar kondisi reaksi

sulfonasi lebih homogen. Reaksi sintesis asetil sulfat dan reaksi sulfonasi

polistirena dapat dilihat pada Gambar 4 dan 3 (Martins dkk., 2003).

Polistirena tersulfonasi (PST) terdapat gugus sulfonat yang berguna untuk

aplikasi pertukaran ion. Secara natural PST bersifat higroskopis. Penambahan

asetil sulfat sebanyak 10 mmol diberi kode PST 10, begitu juga dengan

penambahan asetil sulfat sebanyak 20 mmol diberi kode PST 20 dan seterusnya.

Polistirena tersulfonasi (PST) yang dihasilkan pada penelitian ini berupa padatan

berwarna putih. PS dan PST yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 6.

a b

Gambar 6. a) Polistirena b) Polistirena tersulfonasi (PST)

1. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK), Derajat Sulfonasi (DS), dan

Rendemen.

Kapasitas tukar kation (KTK) merupakan kemampuan suatu material

untuk menukarkan kation yang terikat pada gugus fungsinya dengan kation lain

yang diberikan pada sistem. Secara teori, semakin besar jumlah sulfonat yang

dimiliki polimer maka nilai KTK nya pun semakin tinggi, hal ini disebabkan

adanya gugus ~SO3H menyebabkan polistirena tersulfonasi mudah melepaskan

ion H+. Dalam pembuatan membran polimer elektrolit untuk sel bahan bakar

diperlukan polimer yang memiliki nilai KTK yang besar karena kapasitas

ioniknya semakin besar dan kemampuan menghantarkan listriknya pun semakin

besar. Analisis kelarutan/rendemen dilakukan untuk mengetahui kelarutan


commit to user

25

polistirena tersulfonasi (PST), sehingga diketahui nilai rendemennya. Hasil

analisis KTK dan kelarutan ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Hubungan komposisi sulfonat, KTK, dan rendemen

Gambar 7 dapat dilihat bahwa nilai KTK PST 40 yang seharusnya lebih

tinggi dari PST 30, tetapi pada penelitian ini PST 40 menjadi lebih kecil dari PST

30. Hal ini tidak sesuai dengan teori yang sudah dikemukakan. Kecilnya KTK

PST 40 dikarenakan distribusi sulfonat dalam polimer kecil, sehingga reaksi yang

terjadi antara sulfonat dengan polimernya tidak maksimal, hal ini dibuktikan

dengan data derajat sulfonasi (DS). Kemungkinan lain kecilnya nilai KTK PST 40

disebabkan bagian PST 40 yang banyak mengandung agen sulfonat larut dan

belum bisa isolasi, tetapi bagian yang sedikit mengandung sulfonat bisa diisolasi

sehingga diperoleh nilai KTK kecil apabila dilakukan analisa KTK. Dari keempat

PST variasi sulfonat di atas, yang digunakan untuk pembuatan membran polimer

elektrolit dalam penelitian ini adalah PST 30. Hal ini dikarenakan PST 30

memiliki nilai KTK besar yaitu 1,77 meq/g, rendemen 94, 23 %, dan DS yang

tinggi sehingga yang dipilih untuk pembuatan membran polimer elektrolit adalah

PST 30.

Data hubungan komposisi sulfonat, nilai KTK, dan kelarutan dapat dilihat

rendemen yang dihasilkan. Semakin banyak jumlah sulfonat yang ditambahkan

maka semakin besar nilai KTK dan kelarutannya sehingga rendemen yang


commit to user

26

dihasilkan akan semakin kecil. Tinggi rendahnya rendemen dipengaruhi oleh

gugus sulfonat yang terkandung dalam benzena, dimana semakin banyak jumlah

sulfonat yang ditambahkan maka polimer semakin polar. Dari Gambar 7,

menunjukkan bahwa semakin banyak komposisi gugus sulfonat yang

ditambahkan mengakibatkan rendemen polimer semakin kecil. Dari data

rendemen dapat dilihat nilai rendemen PST 10 adalah sebesar 98,65 %, sedangkan

PST 20 sebesar 96,11 %, PST 30 sebesar 94,23 %, dan PST 40 sebesar 71,71 %.

PST 30 memiliki nilai KTK dan rendemen yang tinggi, hal ini yang menjadi

alasan digunakannnya PST 30 dalam pembuatan membran komposit

PST/lempung. Polistirena tersulfonasi memiliki batasan derajat sulfonasi karena

polimer larut dalam air pada derajat sulfonasi yang tinggi. Interaksi ikatan cukup

kuat dapat terjadi antara molekul air dengan gugus asam sulfonat, interaksi ini

dapat mempengaruhi transport air dan proton melalui membran.

Derajat sulfonasi dapat dikontrol sesuai dengan keinginan dengan

mengatur lama waktu polimerisasi dan jumlah agen sulfonat yang ditambahkan.

Proses sulfonasi dapat dilakukan pada tahap awal sintesis polimer yang akan

disulfonasi, atau polimer yang telah dihasilkan. Pada homopolimer apapun yang

memilki cincin aromatik dapat dilakukan sulfonasi. Banyaknya komposisi

sulfonasi yang bereaksi dengan polimer ditunjukkan dengan hubungan komposisi

sulfonat dengan derajat sulfonasi (DS) yang ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8. Hubungan komposisi sulfonat dengan derajat sulfonasi (DS)


commit to user

27

Gambar 8 dapat dilihat bahwa PST 30 memberikan pengaruh

konduktivitas yang lebih tinggi dibanding PST 10, 20, dan 40 . Hal ini disebabkan

karena PST 30 memiliki derajat sulfonasi (DS) paling tinggi yaitu sebesar 32,57

% sehingga jumlah gugus fungsi penukar proton (agen sulfonat) pada PST

(~SO3H) lebih banyak dibanding jumlah agen sulfonat pada PST 10, 20, dan 40.

2. Analisis Gugus Fungsi

Untuk mengetahui gugus fungsi pada polistirena tersulfonasi (PST) dan

polistirena (PS) dilakukan analisis FTIR. Dari analisis FTIR tersebut dapat

diketahui bilangan gelombang dari masing-masing serapan, karena masing-

masing serapan tersebut menunjukkan gugus fungsional yang terkandung dari

material yang di analisis. Pada penelitian ini, dianalisis spektra IR dari PST 10,

20, 30, 40 dan membandingkannya dengan polistirena standar, hal ini dilakukan

untuk mengetahui apakah PST 10, 20, 30, dan 40 benar-benar terbentuk. Spektra

IR polistirena standar dan polistirena tersulfonasi (PST) ditunjukkan pada Gambar

9.

Gambar 9. Spektra IR polistirena dan polistirena tersulfonasi (PST)


commit to user

28

Gambar 9 menjelaskan bahwa polistirena tersulfonasi memiliki spektra

yang hampir sama dengan spektra polistirena standar. Pada spektra PST ini juga

muncul spektra baru yaitu pada bilangan gelombang 1222,87 cm-1, 1205,51 cm-1,

1176,58 cm-1, dan 1124,50 cm-1 yang menunjukkan adanya vibrasi dari gugus

fungsi O=S=O yang simetris dan gugus fungsi S-O. Menurut Smita (2003), gugus

sulfonat berada pada rentang 1000 dan 1400 cm-1. Spektra sulfonat ini merupakan

anion sulfonat yang terikat pada cincin fenil. Adanya 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 spektra IR tersebut menunjukkan bahwa polistirena

telah tersulfonasi. Spektra dan data IR polistirena tersulfonasi (PST) dengan

variasi sulfonat ditunjukkan pada Gambar 10.

Gambar 10. Spektra IR polistirena tersulfonasi (PST)


commit to user

29

Polistirena tersulfonasi memiliki spektra yang hampir sama dengan spektra

polistirena standar. Pada spektra PST ini juga muncul spektra serapan sulfonat

yang menunjukkan adanya vibrasi dari gugus fungsi O=S=O yang simetris dan

gugus fungsi S-O. Pada PST 10 serapan sulfonat berada pada 1174,65 cm-1,

1155,36 cm-1 dan 1124,50 cm-1, untuk PST 20 serapan sulfonat berada pada

1153,43 cm-1 dan 1124,50 cm-1, sedangkan PST 30 serapan sulfonat berada pada

1220,94 cm-1, 1174,65 cm-1 dan 1124,50 cm-1, dan PST 40 serapan sulfonat

berada pada 1222,87 cm-1, 1205,51 cm-1, 1176,58 cm-1, dan 1124,50 cm-1. Data

spektra IR tersebut menunjukkan bahwa polistirena telah tersulfonasi dengan

variasi komposisi sulfonat.

3. Analisis Termal

Untuk mengetahui stabilitas termal dari PS dan PST dilakukan analisis

termal TGA. Dalam analisis TGA, sampel mulai mengalami perubahan atau

reaksi ditunjukkan oleh penyimpangan terhadap garis horizontal dan reaksi telah

sempurna apabila tercapai kurva horizontal dan tidak mengalami perubahan

kembali (plateu). Suatu reaksi yang tidak diikuti oleh adanya perubahan massa,

tidak dapat dianalisis dengan TGA. Hasil TGA PS dan PST ditunjukkan pada

Gambar 11.

Gambar 11. Termogram PS dan PST


commit to user

30

Gambar 11 menunjukkkan bahwa PS murni mengalami satu tahap

degradasi, yaitu degradasi rantai utama polimer polistirena pada suhu 329 oC.

Sedangkan PST mengalami 2 tahap degradasi, yaitu degradasi pertama pada suhu

40-120 oC merupakan proses lepasnya air. Adanya kandungan air dalam PST

diakibatkan dari masuknya gugus sulfonat, dimana gugus sulfonat bersifat

higroskopis yang mampu membentuk ikatan hidrogen. Degradasi yang kedua

adalah degradasi rantai utama polimer polistirena yang mulai terdegradasi sekitar

suhu 296 oC.

Termogran PS dan PST dapat dilihat bahwa penambahan sulfonat

mengakibatkan penurunan kestabilan termal. Hal ini dapat dilihat bahwa rantai

utama polistirena untuk polistirena murni mulai terdegradasi pada suhu 329 oC,

sedangkan polistirena tersulfonasi 10 (PST 10) mengalami penurunan ketahanan

termal, ditandai dengan suhu awal kehilangan massa pada suhu 325 oC.

Polistirena tersulfonasi 20 (PST 20) mulai terdegradasi pada suhu 311 oC, PST 30

terdegradasi pada suhu 309 oC, dan PST 40 terdegradasi pada suhu 296 oC. Jadi

semakin banyak agen sulfonat yang ditambahkan maka mengakibatkan ketahanan

termal dari polimernya semakin menurun.

B. Sintesis Komposit

Sintesis komposit PST/lempung bertujuan untuk mendapatkan komposit

dengan sifat material yang lebih baik dibandingkan sifat material penyusunnya.

Pada penelitian ini dibuat komposit yang terdiri dari polistirena tersulfonasi

(PST), dan lempung sebagai material penyusunnya. Selain itu digunakan PEG

1000 sebagai pemlastis, supaya membran yang dihasilkan elastis atau tidak kaku.

Sedangkan dimetil asetamida (DMAc) dipilih sebagai pelarut karena DMAc dapat

melarutkan material penyusun membran komposit. Pada Tabel 1 menunjukkan

data komposisi massa material penyusun membran komposit. Kandungan PST

dan PEG dalam membran dibuat tetap yaitu 20 dan 10 % dari berat total larutan

cetak, dan kandungan lempung serta DMAc dibuat bervariasi, sehingga berat total

larutan cetak 10 g.


commit to user

31

Untuk mendapatkan membran komposit, pembuatan membran dilakukan

dengan teknik inversi fasa. Tahapan pembuatan membran komposit dengan teknik

inversi fasa melewati beberapa tahap, diantaranya pembuatan larutan cetak yang

homogen, pencetakan larutan cetak, penguapan sebagian pelarut, dan difusi

pelarut dengan non pelarut (Mulder, 1996). Penguapan sebagian pelarut diatas

pelat kaca menyebabkan pelarut DMAc 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 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 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. Membran yang dihasilkan dapat dilihat pada Gambar 12.

Gambar 62. Membran komposit

Penamaan membran disesuaikan dengan komposisi lempungnya, misalnya

membran dengan komposisi lempung coklat 3 % diberi nama KLC 3 % dan

seterusnya. KTL (Komposit Tanpa Lempung), KLC (Komposit Lempung Coklat),

dan KLA (Komposit Lempung Abu-abu). Dengan adanya gugus OH pada

lempung dan gugus sulfonat pada PST diharapkan membran komposit ini dapat

memiliki karakteristik sebagai penghantar proton dalam aplikasi sel bahan bakar.


commit to user

32

1. Analisis Gugus Fungsi

Untuk mengetahui gugus fungsi pada komposit PST/lempung dilakukan

analisis FTIR. Dari analisis FTIR tersebut dapat diketahui bilangan gelombang

dari masing-masing material penyusun komposit membran. Data FTIR komposit

membran PST/lempung ditunjukkan pada Gambar 13.

Gambar 13. Spektra IR PST, lempung dan kompositnya

Gambar 13 menunjukkan bahwa lempung coklat (LC), lempung abu-abu

(LA), komposit tanpa lempung (KTL), komposit lempung coklat (KLC) dan

komposit lempung abu-abu (KLA) mempunyai spektra yang tidak jauh berbeda.

Nampak adanya sedikit perbedaan dari spektra infra merah tersebut yaitu

hilangnya puncak refleksi dari lempung pada daerah sekitar 1600 cm-1 -1400 cm-1,

dan juga terjadi pergeseran bilangan gelombang pada beberapa puncak spektra


commit to user

33

seperti pada rentangan Si-O-Si dan dari 1047,35 cm-1 (LA) dan 1043,49 cm-1 (LC)

pada lempung menjadi 1033,85 cm-1 pada komposit KLC dan KLA. Pita serapan

pada 918,12 – 925,83 cm-1 menunjukkan adanya vibrasi OH dari ~Al2OH pada

lapisan oktahedral. Serapan bilangan gelombang 522,71 – 524,64 cm-1 adalah

serapan karakteristik Si-O-Al (Al oktahedral), sedangkan pita serapan pada

bilangan gelombang 468,7 cm-1 merupakan vibrai tekuk Si-O-Si. Hal ini

menunjukkan bahwa membran komposit polistiren tersulfonasi lempung telah

berhasil di sintesis.

2. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK) dan Derajat Pengembangan

(DP).

Kemampuan membran dalam menyerap air menentukan kinerjanya

sebagai membran penukar proton dalam sel bahan bakar. Kemampuan penyerapan

air pada membran PST dan membran komposit PST/lempung ditentukan oleh

banyaknya gugus hidrofil pada membran dan juga daya ikat antar rantai pada

membran. Membran komposit PST/lempung memiliki situs hidrofil yang

bersumber dari gugus ~SO3H dan lempung. Banyaknya gugus hidrofil tersebut

mengakibatkan penyerapan air sangat tinggi. Selain itu juga penambahan PEG

juga akan meningkatkan gugus OH dalam membran sehingga membran ini

memiliki karakter yang sangat hidrofil dan mudah menyerap air. Membran yang

bersifat hidrofil akan menyebabkan semakin banyak air yang terserap oleh

membran sehingga transpor proton akan semakin baik, tetapi jika nilai derajat

pengembangan terhadap air pada membran terlalu besar akan terjadinya fuel cross

over dan menurunkan sifat mekanik membran yang menyebabkan kerapuhan

pada membran (Handayani dkk., 2007). Hubungan KTK dan derajat

pengembangan hasil penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 14 dan 15.


commit to user

34

Gambar 14. Hubungan komposisi lempung coklat, KTK, dan DP

Gambar 15. Hubungan komposisi lempung abu-abu, KTK, dan DP

Gambar 14 dan 15 dapat dilihat bahwa lempung coklat memiliki nilai

KTK yang lebih tinggi daripada lempung abu-abu, jadi dapat disimpulkan bahwa

lempung coklat memiliki daya transpor proton yang lebih tinggi sehingga

kapasitas ioniknya pun lebih tinggi daripada lempung abu-abu. Sedangkan

membran komposit dengan penambahan lempung memiliki nilai KTK yang lebih

tinggi dibandingkan membran komposit tanpa lempung (KTL). Hal ini


commit to user

35

membuktikan bahwa lempung meningkatkan sifat penukar kation dalam

membran, karena lempung mengandung ion-ion yang menyebabkan membran

lebih bersifat hidrofil sehingga transpor proton dalam membran juga akan

semakin meningkat. Pada KLC, semakin meningkat komposisi lempung yang

ditambahkan, semakin meningkat nilai KTK nya, karena gugus OH dalam

membran pun semakin banyak dan makin bersifat hidrofil, tetapi pada KLA,

komposisi lempung 5 % memiliki nilai KTK lebih rendah daripada 3 %. Hal ini

kemungkinan disebabkan karena pada KLA 3 % distribusi lempung pada

membran lebih merata daripada KLA 5 %, sehingga pada analisis kemungkinan

potongan membran yang digunakan adalah potongan yang distribusi lempungnya

tidak merata sehingga nilai KTK KLA 5 % yang seharusnya lebih besar dari KLA

3 % menjadi lebih kecil.

Membran tanpa penambahan lempung memiliki nilai derajat

pengembangan yang tinggi dibandingkan dengan membran dengan lempung

(KLC dan KLA). Penambahan lempung ke dalam membran mengakibatkan

penurunan derajat pengembangan membran. Penurunan derajat pengembangan

memberikan efek positif dalam aplikasi membran karena akan menghambat

terjadinya fuel cross over proses permeasi bahan bakar melalui membran tetapi

menurunnya DP terhadap air juga mengakibatkan media transport untuk proton

jadi berkurang sehingga dapat menyebabkan menurunnya konduktivitas ionik

(proton). Menurut Chen (2004), Fuel cross over dapat terjadi apabila derajat

pengembangannya melebihi 30 %. Apabila suatu membran memiliki derajat

pengembangan lebih dari 30 %, maka membran tersebut tidak dapat dijadikan

membran polimer elektrolit untuk sel bahan bakar karena dengan derajat

pengembangan tersebut akan terjadi fuel cross over.

3. Analisis Termal

Dalam aplikasinya, PEMFC beroperasi pada suhu yang tidak terlalu tinggi

yaitu 60-150 oC, tetapi untuk pemakaian jangka panjang dibutuhkan membran

yang memiliki stabilitas/ketahanan termal yang tinggi. Untuk mengetahui


commit to user

36

stabilitas termal PST, lempung, dan komposit PST/lempung dilakukan analisis

dengan TGA.

Dalam proses pemecahan molekul Hidrogen (H2) menjadi H+

membutuhkan temperatur yang tinggi dan semakin tinggi temperatur operasi

maka semakin tinggi H+ yang dihasilkan. Dalam penelitian ini karakterisasi sifat

termal dilakukan pada material penyusun dan membran komposit yang dihasilkan.

Hasil TGA KLA ditunjukkan pada Gambar 16.

Gambar 16. Termogram komposit lempung abu-abu

Gambar 16 menunjukkan penambahan konsentrasi lempung dalam

membran merubah sifat termal membran, semakin banyak jumlah lempung yang

ditambahkan, maka stabilitas termal komposit semakin tinggi, Hal ini terbukti

pada termogram komposit lempung abu-abu, komposit tanpa lempung (KTL)

rantai utama polistirena mengalami terdegrasi termal pada suhu 336 oC,

sedangkan komposit lempung abu-abu 3 % (KLA 3 %) mengalami degradasi


commit to user

37

rantai utama polistirena pada suhu 354 oC, KLA 5 % pada suhu 374 oC, dan KLA

7 % pada suhu 355 oC. Sedangkan termogram KLC dapat dilihat pada Gambar 17.

Gambar 17. Termogram komposit lempung coklat

Gambar 17 menunjukkan fenomena yang sama terjadi pada komposit

lempung coklat, komposit lempung coklat 3 % (KLC 3 %) mengalami degradasi

rantai utama polistirena pada suhu 353 oC, KLC 5 % pada suhu 363 oC, dan KLC

7 % pada suhu 365 oC.

Termogram komposit lempung coklat menjelaskan bahwa penambahan

lempung menaikkan sifat termal dari komposit membran, hal ini terbukti dari

degradasi termal KLA dan KLC lebih tinggi daripada KTL. Untuk termogram

gabungan dapat dilihat pada Gambar 18.


commit to user

38

Gambar 18. Termogram gabungan

Gambar 18 menjelaskan bahwa terjadi tiga tahap degrasi yaitu pelepasan

molekul air yang terjadi pada suhu 40-120 oC, degradasi PEG terjadi antara 203-

280 oC dan rantai utama PST sekitar 290-440 oC. Hampir semua komposisi

mengalami degradasi pada suhu yang sama yaitu diatas 150 oC. Suhu degradasi

ini masih diatas degradasi membran tanpa adanya lempung. Dalam aplikasinya

membran penukar proton akan bekerja pada suhu 60–150 oC, oleh karena itu

membran yang dihasilkan dari penelitian ini sangat berpotensi dijadikan sebagai

membran penukar proton dalam sel bahan bakar.

4. Analisis XRD

Penentuan jenis mineral lempung dilakukan dengan difraktometer sinar x,

dengan range scan 3-70 o, laju scan 5 o/menit, dan menggunakan sumber radiasi

Cu-Kα. Dengan menggunakan difraksi sinar X (XRD), lempung memberikan pola

difraksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.


commit to user

39

Gambar 19. Difaktogram PST, lempung, dan komposit

Gambar 19 diatas menunjukkan adanya puncak-puncak yang muncul pada

sudut difraksi (2θ) tertentu. Dari difraktogram terlihat bahwa lempung dan

kompositnya memiliki puncak pada 2θ = 19,92 o dan 2θ = 6,5 o yang merupakan

daerah karakteristik mineral montmorilonit. Dari difraktogram tersebut, dapat

dikatakan bahwa lempung coklat banyak mengandung montmorilonit, sedangkan

lempung abu-abu sedikit mengandung montmorilonit. Jadi kedua lempung

merupakan lempung jenis montmorilonit.


commit to user

40

Difraktogram PST 30 menunjukkan bahwa polistirena tersulfonasi (PST)

memiliki puncak pada dua dheta sekitar 21 o, hal ini sesuai dengan penelitian yang

dilakukan Martins dkk (2003) bahwa PST memiliki puncak 2θ antara 19-21 o.

Difraktogram komposit menjelaskan bahwa sampel komposit memiliki

puncak yang sama dengan puncak LA, LC dan PST, hal ini membuktikan bahwa

dalam membran komposit mengandung LA, atau LC, dan PST. Sehingga

membran komposit berhasil disintesis, baik KTL, KLA, dan KLC.

5. Analisis Morfologi Membran Komposit

Untuk mengetahui struktur morfologi membran KTL, KLC dan KLA

dilakukan analisis mikroskop dengan pembesaran 1000 kali. Hasil analisis

mikroskop KTL dapat dilihat pada Gambar 20.

Gambar 20. Hasil mikroskop komposit tanpa lempung (KTL)

Gambar 20 di atas dapat dilihat bahwa membran komposit tanpa

penambahan lempung (KTL) menghasilkan membran dengan morfologi yang

cukup homogen/rata, meskipun masih ada bercak-bercak. Kemungkinan bercak-

bercak tersebut merupakan PST yang belum larut sempurna dengan pelarutnya

(DMAc), sehingga masih berbentuk gumpalan-gumpalan, atau ada debu yang

menempel pada saat pencetakan dan penguapan membran. Kemungkinan yang

lain adalah disebabkan oleh gelembung udara yang terbentuk diantara distribusi

material penyusunannya. Sedangkan morfologi KLA dan KLC dapat dilihat pada

Gambar 21 dan 22.


commit to user

41

Gambar 21. Hasil mikroskop (a) KLA 3 %, (b) KLA 5 %, (c) KLA 7 %.

Gambar 22. Hasil mikroskop (a) KLC 3 %, (b) KLC 5 %, (c) KLC 7 %.

Gambar 21 dan 22 di atas dapat dilihat bahwa penambahan lempung

dalam membran komposit menghasilkan membran komposit yang kurang

homogen. Hal ini dikarenakan partikel lempung yang kurang halus menyebabkan

lempung tersebut kurang larut dalam larutan cetak, sehingga pada saat larutan di

cetak pada media plat kaca, lempung dalam larutan terdistribusi tidak merata.

Selain itu juga semakin banyak jumlah lempung yang ditambahkan dalam

membran komposit mengakibatkan lempung yang terkandung dan tersebar dalam

membran semakin banyak, baik pada lempung coklat maupun lempung abu-abu.


commit to user

42

BAB V

KESIMPULAN

A. Kesimpulan

1. Semakin banyak komposisi sulfonat yang ditambahkan maka dapat

meningkatkan nilai KTK, tetapi kestabilan termal, dan rendemennya

menurun.

2. Semakin banyak kandungan lempung dalam membran komposit, maka

nilai KTK, dan kestabilan termal membran meningkat.

B. Saran

Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan, penulis memberikan saran

antara lain:

1. Modifikasi polistirena tersulfonasi dengan oksida lain seperti vermikulit,

ilit, atau kaolit untuk memperoleh nilai KTK yang lebih tinggi.

2. Pengaruh variasi ukuran partikel dari lempung sebagai material penyusun

membran komposit polimer elektrolit untuk aplikasi sel bahan bakar.

Documents

MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI (PST) …/Membran... · Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret ABSTRAK ... salah satu sumber energi alternatif