Rizki Pratama Zarra Miantina Putrie
(2308 100 142) (2308 100 143)
Dosen Pembimbing : Prof. Dr. Ir. Heru Setyawan, M.Eng Laboratorium Elektrokimia dan Korosi
Membran Nafion Relatif mahal
ELECTROLYZED OXIDIZED WATER Relatif murah, ramah lingkungan , tidak toxic pada manusia
Elektrolisa larutan garam menggunakan membran kation nafion
Nurhadianty (2010) mensintesis EOW menggunakan resin kation sebagai pengganti membran nafion
Anion dapat lolos melalui celah – celah antar tumpukan /bed resin kation
Perlu dikembangkan Membran Pengganti yang lebih Efektif
Membran
Gugus silanol (Si-OH)
Penukar Kation
Silika gel Grafting Gugus Sulfonat Sodium silikat atau TEOS
Membran silika grafting sulfonat berpotensi besar sebagai pengganti membran nafion
1996, Bae dkk. Menggrafting molekul polistirene ke permukaan membran nafion
1992, Shimizhu & Hurusawa Sintesis EOW Memiliki efek bakterisidal bakteri patogen
2007, Hendrana dkk. Mensintesis PEMFC dengan metode hotpress
2007, Marschall dkk. Mengukur konduktivitas proton pada pellet yang terbuat dari serbuk silika dengan metode press
2000, Morita dkk. Mengelektrolisis air ledeng dengan penambahan NaCl, dimana antara anoda dan katoda dipisahkan membran kation
2007, Yokoyama dkk. Mengelektrolisis air saline untuk menstandardkan EOW
2010, Beydaghi dkk. Mensintesis dan mengkarakterisasi proton conducting hybrid membrane untuk PEMFC dengan bahan dasar PVA dan silika nanopori 2011, Nurhadianty mensintesis EOW dari air saline dan mempelajari pengaruh kondisi operasi dan penggunaan jenis membran
Mempelajari teknik pembuatan membran silika dari sodium silikat dan TEOS
Mempelajari teknik grafting gugus sulfonat pada membran silika
Proses Pembuatan Membran Silika Grafting Sulfonat 1. Pembuatan gel silika dari bahan sodium silikat-resin, sodium silikat-HCl dan TEOS
2. Pembentukan membran sol-gel silika dan serbuk silika 3. Pembuatan membran press silika
4. Proses sintering
5. Grafting gugus sulfonat pada membran silika
Karakterisasi Membran Silika Grafting Sulfonat Aplikasi Membran dalam Pembuatan EOW
Sodium silikat-HCl
Sodium silikat-resin Sodium Silikat 2,5% Dilewatkan resin kation pada suhu ruang selama 30 menit
Dititrasi dengan HCl 3N
Silicic Acid, pH 2 Dititrasi dengan NH4OH 1M, pH 7
Diaduk pada suhu ruang (dengan atau tanpa PEG) Aging selama 18 jam
GEL
Pembuatan gel silika dari TEOS Membuat larutan stock TEOS: Etanol: Air demin: HCl (22,3: 22,16: 1,7: 0,1) Dicampur dan diaduk pada suhu ruang selama 1 jam Membuat larutan kedua Etanol: Air demin: Amonia (20,4: 0,468: 0,08) Dicampur dan diaduk pada suhu ruang selama 15 menit 4,6 mL larutan stock dicampur dengan larutan kedua, diaduk pada suhu ruang selama 1 jam (dengan atau tanpa penambahan PEG) Proses aging selama 18 jam
GEL
Pembentukan membran sol-gel silika dan serbuk silika Gel Silika
Dioven selama 24 jam T = 60,80,100 oC Membran tipis
Membran retak
Penggerusan hingga membentuk serbuk silika
Pembentukan membran press silika dan proses sintering Mengolesi cetakan dengan serbuk lilin
Membran press silika dimasukkan dalam furnace pada T=800oC selama 5 jam
Serbuk silika dimasukkan ke dalam cetakan membran dan dipress dengan alat Membran press kompaksi pada silika didinginkan tekanan 75 - 100 didalam eksikator bar. selama 24 jam
Grafting Gugus Sulfonat pada Membran Silika Mencuci membran silika dengan air demin Mengeringkan pada suhu 100oC Karakterisasi Membran
Hexane sulfonic acid 0.4 M (104oC)
Morfologi Membran dengan SEM
Gugus Fungsi menggunakan FTIR
Penentuan Volume, Luas permukaan dan diameter pori menggunakan metode BET Analisa Dekomposisi Gugus sulfonat dengan TGA Kapasitas ionik membran dengan titrimetri
Penentuan Konduktivitas membran dengan EIS
Power Supply
Amperemeter Voltmeter ( 10 V ) Anoda
Diuji Total Residual free Chlorine menggunakan tester ESTIK CL200
C
C
katoda
EOW
ERW
Elektroda Carbon (inert)
Membran Silika Grafting Sulfonat
Membran Sol-gel silika Tabel 4.1 Variabel pada proses sintesis membran silika Bahan Pendukung
No.
Bahan Baku
1.
Polyethylen
Penamaan
Resin Kation
HCL 3N
Glycol (PEG)
Sampel
Sodium Silikat
√
-
√
S1
2.
Sodium Silikat
√
-
-
S2
3.
Sodium Silikat
-
√
√
S3
4.
Sodium Silikat
-
√
-
S4
5.
TEOS
-
-
√
S5
6.
TEOS
-
-
-
S6
( a) (b) (c) (d) Gb.4.1 Membran sol-gel silika (a) Gel silika setelah aging selama 18 jam, (b) Gel silika setelah pemanasan T=80 oC selama 3 jam, (c) membran silika S1 setelah pemanasan selama 24jam, (d) Silika S2 setelah pemanasan selama 24jam
Membran Press silika
Gb.4.2 Membran press silika S1
Morfologi Membran Press Silika
(a)
(c)
terdapat beberapa retakan
(b)
(d)
lebih halus tanpa retakan
Karakteristik Gugus Fungsi Adanya gugus sulfonat(-SO3H) pada panjang gelombang 3425,58 cm-1 110 100
Sesudah grafting
90
%T (a.u)
80 70
Peak 3425,58 SO3H
60
Peak 813,96 Si-O-Si
Sebelum grafting
50 Peak 881,47 Si-OH
40 30
Peak 813,96 Si-O-Si
20 4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
Wave Number (1/cm) Gb. 4.4 HasilUji FTIR pada membran silika S6
500
550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.0
Adsorpsi Desorpsi
Volume STP(cc/g)
Volume STP(cc/g)
Kurva Adsorpsi-Desorpsi Nitrogen
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
P/Po
Gb. 4.5a Kurva Adsorpsi-Desorpsi Membran Silika S1 type IV (klasifikasi IUPAC) material bersifat mesopori
550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.0
Adsorpsi Desorpsi
0.2
0.4
0.6
0.8
P/Po
Gb.4.5c Kurva Adsorpsi-Desorpsi Membran Silika S3 type V (klasifikasi IUPAC) adsorpsi terjadi pada permukaan berpori
1.0
Adsorpsi Desorpsi
Volume STP(cc/g)
Volume STP(cc/g)
550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.0
0.2
0.4
P/Po
0.6
0.8
1.0
550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.0
Adsorpsi Desorpsi
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
P/Po
Gb.4.5e Kurva Adsorpsi-Desorpsi Membran Silika S5
Gb.4.5f Kurva Adsorpsi-Desorpsi Membran Silika S6
Type I (klasifikasi IUPAC) material bersifat mikropori
Tabel 4.2 Hasil Uji BET pada membran silika Luas Permukaan Diameter Pori
Sampel
Volume Pori
Karakter
(m2/g)
(nm)
(cc/g)
Pori
S1
457,865
4,935
0,5733
Mesopori
S2
406,156
6,501
0,6279
Mesopori
S3
45,403
17,046
0,2103
Mesopori
S4
137,949
17,96
0,8472
Mesopori
S5
261,383
3,834
0,1783
Mikropori
S6
386,276
3,375
0,2216
Mikropori
Terjadi penurunan volume pori membran silika ketika penambahan PEG.
Distribusi Ukuran Pori
1.5
3
dV(log d)cm /g
2.0
Distribusi sempit, ukuran porinya seragam, ukuran pori membran silika mendekati monodisperse.
1.0 0.5 0.0 0
250
500
750
1000
1250
1500
o
Diameter Pori(A ) Gambar 4.6a Kurva Distribusi Ukuran Pori Membran Silika S1
Kapasitas ionik membran silika
Dekomposisi 2.65 H2O
massa (mgr)
2.60 2.55
Dekomposisi SO3H
2.50 Weight Loss 2.45 = 6,67 % Weight Loss = 5,16 % 2.40 100 200 300 400 500 600 Temperatur (oC) (a)
Dekomposisi 1.38 H2O
1.36 1.34
Massa (mgr)
2.70
Dekomposisi SO3H
1.32 1.30 Weight 1.28 Loss= 4,596 % 1.26 1.24
100
Weight Loss= 6,033 % 200 300 400 Temperature (oC) (b)
Grafik Uji TGA pada Membran Silika, (a) Silika S4, (b) Silika S6
500
600
Kapasitas ionik membran silika Tabel 4.3 Hasil Perhitungan jumlah sulfonat yang tergrafting melalui TGA
Tabel 4.4 Kapasitas Ionik pada Membran Silika melalui titrimetri
Silika
mMol eq. Sulfonat / gram Sampel
tergrafting
S1
0,367
(mmol eq/g sampel)
S2
2,039
S4
2.09
S3
3,385
S6
1.32
S4
4,4
S5
2,85
S6
1,6
Jumlah sulfonat yang
Membran Silika
Volume pori besar
Sulfonat yang tergrafting semakin banyak Kapasitas ioniknya semakin besar.
Konduktivitas Membran Silika 60000 Penambahan PEG
50000 Z''(Ω)
40000 30000 20000 10000
Tanpa PEG
0 0
30000 60000 90000 120000 Z'(Ω)
Gambar 4.8 Nyquist plot pada Membran Silika Silika S1 dan S2,
Gambar 4.9 Sirkuit dari kurva fitting Nyquist, membran silika S1
(Beydaghi, Hossein, dkk.2010)
Konduktivitas Membran Silika Tabel 4.5 Hambatan dan Konduktivitas pada Membran Silika Membran Silika S1
Hambatan Membran (Ω) 137.000
Konduktivitas Membran (S/cm) 1,62 x 10-4
S2
39.700
1,68 x 10-4
S3
19.000
3,51 x 10-4
S4
14.800
4,5 x 10-4
S5
90.900
1,38 x 10-4
S6
108.000
6,2 x 10-5
Konduktivitas membran nafion sebesar 2x10-3 S/cm.
Cukup efektif sebagai Proton Exchange Membrane
Elektrolisis EOW Tabel 4.6 Hasil Elektrolisis EOW dari Membran Silika Arus
pH
Kadar free
Sampel
(Ampere)
EOW
ERW
chlorine (ppm)
1
0,02
3
10
60,16
2
0,11
3
12
65,28
3
0,15
3
12
70,4
4
0,15
3
11
322,56
5
0,02
5
12
0,04
6
0,06
5
12
0,08
(Nurhadianty, 2010) mensintesis EOW resin kation free chlorine ± 500 ppm
Membran silika S4 cukup efektif sebagai pengganti resin kation.
Pembuatan membran sol-gel silika dengan pengeringan pada suhu 100oC berhasil dilakukan dengan bahan baku sodium silikat – resin – PEG 0,5 g (0,5cm x 0,7 cm) Pembuatan membran press dari serbuk silika berhasil dilakukan pada tekanan 75-100 bar dengan ukuran diameter sebesar 1,3 cm Proses grafting gugus sulfonat pada membran silika sudah berhasil dilakukan pada titik didih larutan 1hexane sulfonic acid (104 oC) dengan konsentrasi larutan 0.4 M Penambahan PEG berpengaruh pada saat pengeringan membran sol gel silika dan pengepresan yaitu membran lebih keras, namun tidak terlalu berpengaruh pada nilai konduktivitas membran silika
Membran silika dari sodium silikat – HCl 3N mempunyai kapasitas ionik terbesar yaitu 4,4 mmol eq. sulfonat/gram sampel Konduktivitas ionik membran silika dari sodium silikat dengan HCl 3N 4,5 x 10-4 S/cm dan sudah mendekati nilai konduktivitas membran nafion 2 x 10-3 S/cm
Elektrolisis larutan garam menggunakan membran silika grafting sulfonat dari sodium silikat-HCl 3N dengan potensial 10 V dan konsentrasi NaCl 2,5% menghasilkan EOW dengan kadar free chlorine sebesar 322,56 ppm Membran silika grafting sulfonat dari sodium silikat-HCl berpotensi menggantikan membran nafion dan resin kation dalam sintesis EOW
Terima Kasih
