BAB III METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Metode Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen yang dilakukan di laboratorium. Dalam penelitian ini dilakukan sintesis poli(propilen itakonat) dari asam itakonat dan 1,3-propandiol, sintesis MOF [Cu3(BTC)2] dari logam Cu dan ligan benzene-1,3,5-tricarboxylic acid dan preparasi film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2]. Parameter yang diteliti adalah karakteristik poli(propilen itakonat) diketahui perubahan gugus fungsi dengan IR. Karakteristik film matriks poli(propilen itakonat) diketahui perubahan gugus fungsi dengan IR, luas permukaan dan volume pori dengan SAA, stabilitas panas menggunakan TGA, morfologi permukaan dengan SEM dan analisis adsorpsi gas CO2 dengan rangkaian alat adsorpsi gas CO2. Karakteristik MOF [Cu3(BTC)2] diketahui perubahan gugus fungsi dengan IR, struktur kristal dengan XRD, luas permukaan dan volume pori dengan SAA, stabilitas panas menggunakan TGA, morfologi permukaan dengan SEM dan analisis adsorpsi gas CO2 dengan rangkaian alat adsorpsi gas CO2.. Karateristik film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] diketahui dari perubahan gugus fungsi dengan IR, stabilitas panas menggunakan TGA, morfologi permukaan dengan SEM, luas permukaan dan volume pori dengan SAA dan analisis adsorpsi gas CO2 dengan rangkaian alat adsorpsi gas CO2.
3.2 Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan pada bulan Maret 2015 – September 2015 yang dilakukan di UPT Laboratorium Pusat MIPA Universitas Sebelas Maret, Laboratorium Kimia Anorganik Universitas Sebelas Maret dan Laboratorium Grup Riset Solid Inorganic Framework Universitas Indonesia.
24
25
3.3
Alat dan Bahan
3.3.1 Alat-alat yang digunakan a)
Satu set reaktor kondensasi
b) Satu set alat elektrolisis c)
Alat - alat gelas
d) Buret e)
Statif
f)
Neraca analitis
g) Hot plate h) Magnetic stirer i)
Termometer
j)
Desikator
k) Oven Memmert UN 55 l)
Sonikator Branson 1510
m) Fourier Transform Infrared (FTIR) Shimadzu tipe 8201 PC n) X-Ray Diffraction (XRD) Rigaku Miniflex 600 Benchtop o) Scanning Electron Microscopy (SEM) EVO MA 10 p) Surface Area Analyzer (SAA) Nova 1200e q) Thermogravimetric Analysis (TGA) Shimadzu tipe DTG 60H Linseis Pt1600 r)
Rangkaian alat adsorpsi gas CO2
3.3.2 Bahan-bahan yang digunakan a)
Asam itakonat ≥ 99% p.a (Aldrich Chemical)
b) 1,3-Propandiol ≥ 98%p.a (E. Merck) c)
Hidrokuinon p.a (E. Merck)
d) Zinc(II) acetate p.a (E. Merck) e)
Toluene p.a (E. Merck)
f)
Kloroform p.a (E. Merck)
g) Aseton p.a (E. Merck) h) Etanol p.a (E. Merck) i)
Plat logam Cu
j)
Benzene-1,3,5-tricarboxylic acid p.a (ABCR)
26
k) Tetrabutylammonium tetrafluoroborate (TBATFB) p.a (ABCR) l)
Aquades
m) HCL p.a (E. Merck) n) NaOH p.a (E. Merck) o) Boraks p) Fenolftalein (PP) q) Metil Jingga (MJ) r)
Gas nitrogen (N2)
s)
Gas karbondioksida (CO2)
t)
Silicon oil
u) Silica gel
3.4
Prosedur Penelitian
3.4.1 Sintesis poli(propilen itakonat) Sintesis poli(propilen itakonat) dilakukan dengan modifikasi dari penelitian Crysandi (2014). Sintesis poli(propilen itakonat) menggunakan bahan utama asam itakonat dan 1,3-propandiol dengan perbandingan mol 1 : 1,05 (mol/mol). Bahan tersebut di atas dimasukkan ke dalam reaktor 250 mL yang dilengkapi dengan kondensor dan gas nitrogen. Selanjutnya ditambahkan hidrokuinon sebanyak 1 % dari total berat asam dan zinc(II) acetate sebanyak 0,25 % dari mol asam. Semua bahan di atas dimasukkan ke dalam reaktor dan ditutup. Formulasi dan perhitungan formulasi sintesis poli(propilen itakonat) dapat dilihat pada Lampiran 5 dan 6. Reaksi dilakukan pada suhu 150 oC dengan dialiri gas nitrogen hingga semua bahan meleleh. Setelah leleh suhu dinaikkan menjadi 170 oC selama 100 menit. Setelah 100 menit suhu diturunkan pada suhu 150 oC. Reaksi dihentikan ketika air tidak menetes lagi ke dalam labu destilat. Setelah itu, dilanjutkan proses vakum dengan cara menurunkan tekanan dengan variasi tekanan 410 mBar pada suhu 150 oC selama 1 jam, tekanan 410 mBar pada suhu 160 oC selama 30 menit, tekanan 260 mBar pada suhu 160 oC selama 1 jam, tekanan 260 mBar pada suhu 170 oC selama 30 menit dan pada tekanan 60 mBar pada suhu 170 oC selama 1 jam 30 menit. Bagan alir sintesis poli(propilen itakonat) dapat dilihat pada Lampiran 1.
27
3.4.2 Pemurnian poli(propilen itakonat) Sebanyak 0,4 gram poliester dilarutkan dalam kloroform hingga tepat larut. Poliester yang telah larut diteteskan ke dalam etanol dingin dengan distirer. Endapan dipisahkan dengan filtrat dengan kertas saring. Endapan di keringkan pada vakum selama 24 jam pada suhu ruang.
3.4.3 Sintesis Metal-Organic Framework [Cu3(BTC)2] Sintesis
Metal-Organic
Framework
[Cu3(BTC)2] dilakukan
dengan
modifikasi dari penelitian Kumar et al., (2013). Sintesis Metal-Organic Framework [Cu3(BTC)2] dengan bahan utama logam Cu dan ligan benzene-1,3,5tricarboxylic acid. 5 mmol ligan benzene-1,3,5-tricarboxylic acid dan 1 mmol elektrolit tetrabutylammonium tetrafluoroborate (TBATFB) dilarutkan dalam campuran etanol dan aquades (1:1) yang telah distirer 15 menit. Formulasi dan perhitungan formulasi sintesis MOF [Cu3(BTC)2] dapat dilihat pada Lampiran 8 dan 9. Kemudian dilakukan proses elektrolisis dengan menggunakan logam Cu pada anoda dan katoda selama 2,5 jam. Endapan biru yang dihasilkan disaring dan dicuci dengan etanol. Kemudian endapan biru diaktivasi 200 oC selama 2 jam. Bagan alir sintesis MOF [Cu3(BTC)2] dapat dilihat pada Lampiran 2.
3.4.4 Preparasi film matriks poli(propilen itakonat) Sebanyak 2 gram poli(propilen itakonat) dilarutkan dalam kloroform sehingga diperoleh larutan PPI. Larutan kemudian disonifikasi selama satu jam dan dipanaskan pada suhu 180 oC selama 15 jam.
3.4.5 Preparasi film hybrid poli(propilen itakonat)-MOF [Cu3(BTC)2] Preparasi film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dilakukan dengan modifikasi dari penelitian Shahid and Nijmeijer, (2014). MOF [Cu3(BTC)2] dilarutkan dalam etanol. MOF [Cu3(BTC)2] yang larut kemudian disonifikasi selama 1 jam. MOF [Cu3(BTC)2] yang telah disonifikasi lalu diaduk. Selanjutnya 10 wt% poli(propilen itakonat) ditambahkan pada MOF [Cu3(BTC)2] dengan variasi 1, 3, 5, 10, 20 dan 40% (dalam 2 gram campuran) lalu diaduk dan disonifikasi 5 kali selama 10 menit. Setelah itu 20 wt% poli(propilen
28
itakonat) ditambahkan lagi pada MOF [Cu3(BTC)2] dengan variasi 1, 3, 5, 10, 20 dan 40% lalu diaduk. Proses diulang hingga semua poli(propilen itakonat) ditambahkan pada MOF [Cu3(BTC)2] dengan variasi 1, 3, 5, 10, 20 dan 40% lalu disonifikasi final selama 10 menit. Hasil campuran poli(propilen itakonat) dengan MOF [Cu3(BTC)2] variasi 1, 3, 5, 10, 20 dan 40% kemudian dilakukan casting pada plat gelas dan dimasukkan dalam oven suhu 150 oC selama 18 jam. Lalu film hybrid didinginkan pada suhu kamar dan dikelupas. Bagan alir pembuatan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dapat dilihat pada Lampiran 3.
3.4.6 Uji adsorpsi gas CO2 Gas CO2 dialirkan menuju 0,1 gram sampel dengan laju alir 50 cm3/menit melalui flowmeter selama 10 menit. Gas CO2 yang tidak teradsorp oleh sampel kemudian ditampung dalam larutan NaOH 0,1 M sebanyak 100 ml dan diukur dengan menggunakan metode titrimetri. Sebanyak 10 mL larutan di titrasi dengan larutan HCl 0,1 M dengan dua tahap titrasi dimana titrasi pertama menggunakan indikator fenolftalein (PP) dan tahap kedua menggunakan indikator metil jingga (MJ). Selisih volume HCl yang digunakan untuk titrasi kedua tahap tersebut digunakan untuk menghitung jumlah CO2 terlarut. CO2 terlarut dalam perhitungan titrasi ini merupakan CO2 yang tidak teradsorp oleh adsorben. Mol CO2 sisa sampel kemudian dibandingkan dengan mol CO2 sisa blanko untuk mengetahui banyaknya mol CO2 teradsorp. Uji adsorpsi CO 2 blanko merupakan pengujian tanpa disertai sampel. Semua larutan yang dipakai dalam uji adsorpsi CO2 distandarisasi terlebih dahulu. Larutan HCl 0,1 M distandarisasi dengan larutan boraks 0,1 M sedangkan larutan NaOH 0,1 M distandrisasi dengan larutan HCl yang telah distandarisasi. Rumus perhitungan mol CO2 sisa dan mol CO2 teradsorp adalah sebagai berikut: 1
Mol CO2 sisa = 2 {mol awal NaOH – (M HCl x ΔV HCl)} Mol CO2 teradsorp = mol CO2 sisa blanko – mol CO2 sisa sampel
29
3.4.7 Analisis spektroskopi inframerah Spektra
inframerah
dari
sampel
yang
disintesis
diukur
dengan
spektofotometer FT-IR Shimadzu tipe 8201 PC. Pengukuran FT-IR dilakukan pada panjang gelombang 500 sampai 4000 cm-1.
3.4.8 Analisis struktur kristal Analisis struktur kristal ditentukan dengan X-Ray Diffraction (XRD) Rigaku Miniflex 600 Benchtop. Pengujian dengan menggunakan radiasi Cu Kα (λ = 1,54 nm) pada 2θ dari 5o sampai 90o.
3.4.9 Analisis luas permukaan dan volume pori Pengamatan luas permukaan dan volume pori dilakukan dengan Surface Area Analyzer (SAA) Nova 1200e. Pengujian MOF [Cu3(BTC)2] dipanaskan pada suhu 225 oC, film matriks poli(propilen itakonat) dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dipanaskan pada suhu 150 oC dengan mengalirkan gas nitrogen.
3.4.10 Analisis thermal Analisis thermal sampel ditentukan dengan TG-DTA termogram diukur dengan Linseis PT1600 TG-DTA yang dikalibrasi dengan indium pada kecepatan pemanasan 20 oC/menit pada atmosfer udara dan suhu pemanasan 30 – 700 oC.
3.4.10 Analisis morfologi Pengamatan morfologi permukaan dilakukan dengan Scanning Electron Microscopy (SEM) EVO MA 10. MOF [Cu3(BTC)2] perbesaran 6000x, film matriks poli(propilen itakonat) perbesaran 200x dan 5000x, dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] perbesaran 1000x, 1200x dan 1500x serta ditembak dengan elektron berkekuatan 15.00 kV.
30
3.5 1.
Teknik Pengumpulan Data Gugus fungsi pada poli(propilen itakonat), film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dianalisis dengan FT-IR.
2.
Struktur kristal dari MOF [Cu3(BTC)2] dianalisis dengan XRD.
3.
Luas permukaan dan volume pori film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dianalisis dengan SAA.
4.
Kestabilan panas film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dianalisis dengan Thermogravimetric Thermal Analysis (TGA).
5.
Morfologi
permukaan
film
matriks
poli(propilen
itakonat),
MOF
[Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dianalisis dengan SEM. 6.
Adsorpsi gas CO2 film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] dianalisis dengan rangkaian alat adsorpsi gas CO2.
3.5 1.
Teknik Analisis Data Spektra inframerah Spektra inframerah digunakan untuk menganalisa perubahan gugus fungsi polimer yang terbentuk serta hilangnya gugus fungsi awal. Terbentuknya ester akan menggeser bilangan gelombang karbonil asam ke bilangan gelombang yang lebih besar dan hilangnya serapan hidroksi. Spektra inframerah juga digunakan untuk menganalisa perubahan gugus fungsi MOF [Cu3(BTC)2] yang terbentuk. Terbentuknya MOF [Cu3(BTC)2] menggeser bilangan gelombang karbonil ke bilangan gelombang yang lebih kecil dan peregangan gugus hidroksil kelompok karboksilat ke bilangan gelombang lebih besar. Spektra inframerah juga digunakan untuk menganalisa perubahan gugus fungsi film matriks poli(propilen itakonat) dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2]
31
10%. Masih terdapat serapan C=C pada film matriks poli(propilen itakonat) dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] 10%. Terdapat serapan khas Cu-O pada film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] 10%. 2.
XRD Data XRD berupa puncak difraksi dan pada tiap puncak yang muncul pada pola XRD mewakili satu bidang kristal yang memiliki orientasi tertentu dalam sumbu tiga dimensi. Puncak difraksi digunakan untuk mengetahui struktur kristal dan ukuran kristal dari MOF [Cu3(BTC)2].
3.
SAA Adsorbsi gas nitrogen pada SAA dapat digunakan untuk mengetahui volume gas yang terjerap pada film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2] sehingga luas permukaan, volume pori dan radius rata-rata pori dapat diketahui.
4.
Termogram TGA Data TGA berupa kurva penurunan berat dan suhu dekomposisi dari film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2]. Dari termogram TGA dapat dianalis kestabilan panas dari film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2].
5.
Mikrogram SEM Pencitraan SEM dapat digunakan sebagai analisa morfologi permukaan film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2].
6.
Rangkaian alat adsorpsi CO2 Data rangkaian alat adsorpsi CO2 berupa diagram yang menunjukkan jumlah gas CO2 yang teradsorp pada film matriks poli(propilen itakonat), MOF [Cu3(BTC)2] dan film hybrid poli(propilen itakonat) dengan dopan MOF [Cu3(BTC)2].
