MEMBRAN KOMPOSIT POLISULFON TERSULFONASITITANIUM DIOKSIDA UNTUK APLIKASI DIRECT METHANOL FUEL CELL
AHMAD HAWARI ASSUFI
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Titanium Dioksida untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, November 2014 Ahmad Hawari Assufi NIM G44100069
ABSTRAK AHMAD HAWARI ASSUFI. Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi– Titanium Dioksida untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ARMI WULANAWATI. Penelitian ini menyintesis dan mencirikan membran polisulfon tersulfonasititanium dioksida (sPSf-TiO2). Sulfonasi dilakukan pada suhu 40 °C selama 60 menit menggunakan oleum sebagai agen sulfonasi dan TiO2 ditambahkan untuk meningkatkan kinerja membran. Derajat sulfonasi sebesar 47.5% dan morfologi membran menunjukkan bahwa tambahan TiO2 membuat membran lebih rapat dibandingkan tanpa tambahan TiO2. Membran yang dicirikan dengan spektrofotometer inframerah transformasi fourier menunjukkan puncak gugus sulfonat tertrisubtitusi 1,2,4- pada 1724 cm-1. Membran komposit diperoleh dengan menambahkan polisulfon tersulfonasi dengan TiO2 dengan ragam konsentrasi 3% dan 5%. Nilai konduktivitas dan beda potensial tertinggi dihasilkan pada membran sPSf-TiO2 5% dengan nilai berturut turut 1.07 × 10-3 S/cm dan 422 mV. Berdasarkan ciri tersebut, membran komposit sPSf-TiO2 dapat diaplikasikan untuk direct methanol fuel cell. Kata kunci: membran komposit, polisulfon tersulfonasi, sel bahan bakar, titanium dioksida
ABSTRACT AHMAD HAWARI ASSUFI. Composite of Sulfonated Polysulfone–Titanium Dioxide Membrane for Application on Direct Methanol Fuel Cell. Supervised by SRI MULIJANI and ARMI WULANAWATI. This experiment is to synthesize and to characterize sulfonated polysulfonetitanium dioxide composite membranes (sPSf-TiO2). The sulfonation was done in 40 °C for 60 minutes using oleum as the sulfonation agent and TiO2 was added to improve membrane performances. The degree of sulfonation through sulfonation process was 47.5% and the morphology of the membrane showed that the addition of TiO2 made the membrane denser than that without TiO2. The infared spectra showed there was 1,2,4- trisubstituted sulfonate group at 1724 cm-1. The composite membrane was produced by adding sulfonated polysulfone and TiO2 with concentration of 3% and 5%. The composite membrane sPSf-TiO2 5% gave the highest proton conductivity and voltage as of 1.07 × 10-3 S/cm and 422 mV, respectively. Based on the result, the composite membrane sPSf-TiO2 can be applied for direct methanol fuel cell system. Keywords: composite membrane, sulfonated polysulfone, fuel cell, titanium dioxide
MEMBRAN KOMPOSIT POLISULFON TERSULFONASITITANIUM DIOKSIDA UNTUK APLIKASI DIRECT METHANOL FUEL CELL
AHMAD HAWARI ASSUFI
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Skripsi : Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Titanium Dioksida untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell Nama : Ahmad Hawari Assufi NIM : G44100069
Disetujui oleh
Dr Sri Mulijani, MS Pembimbing 1
Armi Wulanawati, MSi Pembimbing 2
Diketahui oleh
Prof Dr Dra Purwantiningsih Sugita, MS Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karuniaNya sehingga karya ilmiah yang berjudul “Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Titanium dioksida untuk Aplikasi Direct Methanol Fuel Cell” berhasil diselesaikan. Karya tulis ini disusun berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan di Laboratorium Kimia Fisik Departemen Kimia, Institut Pertanian Bogor pada bulan Januari hingga Juni 2014. Penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak yang turut membantu dalam penyusunan karya ilmiah ini sehingga dapat terselesaikan dengan baik khususnya kepada Ibu Dr Sri Mulijani, MS selaku pembimbing utama, Ibu Armi Wulanawati, MSi selaku pembimbing kedua atas bimbingan, arahan, dan ilmu yang telah diberikan. Penulis juga berterima kasih kepada Ibu, Ayah, Kakakkakak atas dukungan dan doanya, kepada Bapak Dr Jajang Juansah, Bapak Yani, Ibu Ai, Bapak Ismail, Bapak Didi, Ibu Aah, dan Umi atas bantuan serta masukkan selama penelitian berlangsung. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada rekan kerja, yaitu Vallian Ghali, Ginna Ramadhini Putri, Dita Iryani, Eva NS, dan Suci Rahmadani untuk kebersamaan, dukungan, dan semangat yang diberikan. Selain itu, terima kasih kepada Amima Aqmarina, Nanda Andrian, Aji Kusomo Wibowo, dan Bachtiar Mustakim yang senantiasa memberikan masukan, dorongan, dan semangat kepada penulis. Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat.
Bogor, November 2014 Ahmad Hawari Assufi
1
DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
xiv
PENDAHULUAN
1
BAHAN DAN METODE
2
Bahan dan Alat
2
Metode
2
Sintesis Polisulfon Tersulfonasi (sPSf)
2
Penentuan Derajat Sulfonasi
2
Preparasi Membran Polisulfon Tersulfonasi-Titanium Dioksida
3
Penentuan Densitas
3
Pengujian Water Uptake
3
Karakterisasi Membran
4
Pengukuran Konduktivitas Proton Membran
4
Pengukuran Permeabilitas Metanol
5
Uji Aplikasi Sistem DMFC
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
6
Polisulfon Tersulfonasi (sPSf)
6
Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Titanium dioksida
8
Water Uptake dan Permeabilitas Metanol
8
Densitas Membran
10
Konduktivitas Proton Membran
10
FTIR
Error! Bookmark not defined.
Morfologi Membran
13
Aplikasi Sistem DMFC
14
SIMPULAN DAN SARAN
17
Simpulan
17
Saran
17
DAFTAR PUSTAKA
17
LAMPIRAN
19
2
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6
Perubahan warna sebelum dan sesudah sulfonasi Reaksi polisulfon tersulfonasi Proses transfer proton pada membran polisulfon tersulfonasi- TiO2 Nilai water uptake membran Densitas jenis membran Konduktivitas proton membran dengan elektrode nonaktivasi dan aktivasi 7 Konduktivitas proton membran aktivasi 8 Spektrum inframerah PSf 9 Morfologi membran 10 Bejana pada sistem DMFC 11 Beda potensial membran aktivasi 12 Nilai arus yang dihasilkan membran
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 16
DAFTAR LAMPIRAN 1 Diagram alir penelitian 2 Penentuan derajat sulfonasi (DS) 3 Data penentuan water uptake 4 Data penentuan densitas 5 Data hasil FTIR 6 Data penentuan konduktivitas proton elektrode karbon-karbon 7 Data persentase peningkatan konduktivitas proton 8 Beda potensial yang dihasilkan pada setiap membran 9 Nilai arus yang dihasilkan pada setiap membran
19 20 20 22 22 23 24 24 24
1
PENDAHULUAN Sel bahan bakar adalah suatu sistem elektrokimia yang mengubah energi kimia dari hidrogen dan oksigen langsung menjadi energi listrik (Hasan 2007) tanpa menghasilkan emisi gas CO2 dan CO seperti bahan bakar fosil dan dapat diperbaharui. Prinsip sel bahan bakar adalah menggunakan pembakaran listrikkimiawi, sel akan memproduksi energi listrik arus searah (Suhada 2001). Sel bahan bakar terdiri dari anode dan katode dan dipisahkan oleh membran elektrolit yang hanya dapat menghantarkan ion saja sedangkan elektron tidak dapat melewati membran elektrolit. Saat ini banyak penelitian mengenai Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) sebagai bagian dari Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), yang memanfaatkan membran sebagai elektrolit. DMFC dengan metanol sebagai elektrolit biasanya beroperasi pada suhu kamar dengan kerapatan daya yang cukup tinggi (Irwan 2009). Sifat-sifat tersebut mempunyai peluang aplikasi dibidang transportasi, pembangkit listirk, dan perangkat elektronik portabel. Membran yang sering digunakan sebagai elektrolit adalah membran nafion yang terbuat dari fluoro polimer dengan menambahkan rantai cabang gugus sulfonat (Liu et al 2010). Kelebihan membran ini adalah memiliki konduktivitas proton yang tinggi sebesar 0.086 S/cm pada suhu 30-32 °C (Smitha et al. 2005), gugus sulfonat yang dimiliki mampu menghantarkan proton, ketahanan mekanik yang baik, dan stabilitas kimia yang baik (Devrim et al 2009). Kekurangan dari membran ini adalah memiliki permeabilitas metanol yang tinggi, mahal, dan penurunan kinerja membran di atas suhu 80 °C karena adanya methanol crossover pada katode sebesar 4.9 × 10-6 cm2/s (Handayani et al. 2007) Hal tersebut dapat diatasi dengan mengganti nafion dengan suatu poliaromatik seperti polibenzimidazol, polieter sulfon, polisulfon, polieter keton (Handayani et al. 2007). Salah satu poliaromatik yang sedang dikembangkan adalah polisulfon, yang mengandung gugus benzena, sehingga memungkinkan adanya penambahan gugus pada rantai polimer. Polisulfon adalah bahan polimer yang tahan terhadap panas, stabil antara pH 1.5-13, mempunyai kekuatan tarik yang baik, tidak larut atau rusak oleh asam encer atau alkali (Juniarzadinata 2011). Polisulfon adalah suatu produk polimer bersifat hidrofobik. Salah satu proses modifikasi yang sering dilakukan adalah sulfonasi yaitu penambahan gugus sulfonat ( -SO3H) pada rantai polimer (Pramono et al. 2012). Pada penelitian sebelumnya dilaporkan bahwa sulfonasi dapat menurunkan sifat ketahanan termal pada polistirena dan pada polisulfon tersulfonasi (Pramono et al. 2012). Hal tersebut dapat diatasi dengan menambahkan suatu komposit. Marita (2011) menyebutkan kelebihan menggunakan membran komposit adalah dapat memperoleh kinerja membran yang optimal sehubungan dengan selektivitas, stabilitas kimia dan termal, dan laju permeasi. TiO2 merupakan bahan yang dapat dijadikan sebagai komposit. Menurut Luntraru et al. (2013), TiO2 merupakan material anorganik yang dapat digunakan sebagai fotokatalisator, pigmen dan membran komposit. Kombinasi TiO2 dengan ion ferri, fero dan besi akan meningkatkan aktivitas fotokatalitik, sedangkan menurut Mingliang et al. (2011) TiO2 memiliki stabilitas dan hidrofilisitas yang tinggi. Menurut Devrim et al. (2009) penambahan TiO2 dapat meningkatkan kestabilan
2 terhadap suhu tetapi dengan konsentrasi yang tinggi dapat menurunkan kelarutan dari komposit dan mengakibatkan membran rapuh. Berdasarkan uraian tersebut maka pada penelitian ini dilakukan sintesis dan karakterisasi membran polisulfon tersulfonasi TiO2 untuk aplikasi Direct Methanol Fuel Cell pada suhu sulfonasi sebesar 40 °C serta mempelajari pengaruh penambahan konsentrasi komposit TiO2 terhadap kinerja membran. Membran polisulfon yang dihasilkan diharapkan memiliki sifat fisik yang kuat, biodegradabel, memiliki konduktivitas yang tinggi, ketahanan termal yang baik serta dapat menjadi sumber energi listrik yang ramah lingkungan, dapat diperbaharui, dan dapat mengurangi dampak negatif limbah di lingkungan.
BAHAN DAN METODE Bahan dan Alat Bahan-bahan yang digunakan adalah polisulfon (Sigma-Aldrich), titanium dioksida (TiO2), asam sulfat berasap yang mengandung 65% SO3 (oleum), kloroform, gas nitrogen, kloroform teknis, diklorometana, metanol, NaOH, HCl, larutan K3Fe(CN)6, larutan Na2HPO4, fenolftalein, dan air deionisasi. Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah peralatan gelas, oven, labu leher tiga, piknometer, neraca analitik, SEM JEOL JSM 836 OLA, FTIR BRUCKER TENSOR 27, impedance analyzer, dan alat DMFC.
Metode Sintesis Polisulfon Tersulfonasi (sPSf) (Xing et al. 2004) Polisulfon (PSf) sebanyak 10 g dilarutkan ke dalam kloroform sehingga diperoleh larutan PSf dengan konsentrasi 10% (b/v), selanjutnya oleum sebanyak 20 mL diteteskan secara bertahap dalam corong pisah yang dihubungkan dengan labu leher tiga dengan dialiri gas nitrogen, gas SO3 dari oleum didorong oleh gas nitrogen menuju larutan PSf, selanjutnya larutan tersebut dipanaskan pada suhu 40 °C lalu diaduk menggunakan pengaduk mekanik. Sintesis sPsf dilakukan selama 60 menit di ruang asam. Penentuan Derajat Sulfonasi (Martins et al. 2007) Keberhasilan proses sulfonasi dari polisulfon dapat ditentukan dengan cara titrasi. Polisulfon tersulfonasi ditimbang sebanyak 0.1 g kemudian direndam selama 3 hari dalam 10 mL NaOH 1 N. Sisa NaOH kemudian dititrasi dengan HCl 1 N dengan indikator fenolftalein sebanyak 3 tetes untuk melihat titik akhir titrasi. Titrasi dilakukan sampai terjadi perubahan warna dari merah muda menjadi tidak berwarna. Derajat sulfonasi diperoleh melalui persamaan 1:
3 DS =
× 100%
(1)
Keterangan: Vawal = Volume HCl blangko (mL) Vakhir = Volume HCl sampel (mL) N = Normalitas HCl (N) BE = Bobot ekuivalen (g/ek)
Preparasi Membran Polisulfon Tersulfonasi-Titanium Dioksida(sPSf-TiO2) (Devrim et al. 2009) Titanium dioksida masing-masing sebanyak 3% dan 5% dari bobot polisulfon ditambahkan ke dalam polisufon tersulfonasi (sPSf) yang telah kering dengan dilarutkan dalam diklorometana. Selanjutnya, campuran diaduk hingga homogen, kemudian didiamkan sampai tidak ada gelembung. Larutan sPSf-TiO2 dituangkan ke dalam pelat kaca yang telah dilapisi selotip pada bagian tepi (1 lapis) dan membran siap dicetak.
Penentuan Densitas Membran sPSf-TiO2 yang telah dicetak dipotong dengan ukuran yang seragam, kemudian dimasukkan ke dalam piknometer yang telah diketahui bobot kosongnya (w0). Bobot piknometer dan sampel ditimbang dan dicatat (w1). Kemudian piknometer yang berisi potongan sampel ditambahkan akuades hingga tidak terdapat gelembung udara dan ditimbang bobotnya (w2). Bobot piknometer berisi air juga ditimbang dan bobotnya dicatat (w3). Bobot jenis sampel dihitung menggunakan persamaan 2: d=
(2)
Keterangan: d : bobot jenis sampel (g/mL) dl: bobot jenis air (g/mL) da : bobot jenis udara (g/mL)
Pengujian Water Uptake (Devrim et al. 2009) Membran sPSf-TiO2 berukuran 1 × 1 cm2 dikeringkan dalam oven pada suhu 120 °C selama 24 jam lalu ditimbang sebagai wkering. Setelah kering, membran direndam dalam air deionisasi pada suhu ruang selama 24 jam. Selanjutnya, membran dikeluarkan dan dibersihkan dengan tisu lalu ditimbang sebagai wbasah. Penimbangan dilakukan untuk mengetahui selisih bobot membran pada saat basah dan kering melalui persamaan 3:
4
Water uptake (%) =
(3)
Karakterisasi Membran Gugus Fungsi Membran diuji menggunakan spektrofotometer FTIR, dengan resolusi 4 dan payar 32. Pengujian dengan FTIR dilakukan untuk sampel PSf, sPSf, sPSf-TiO2 5% dalam bentuk lapis tipis, dan titanium dioksida dalam bentuk serbuk. Morfologi Pengukuran morfologi membran yang terbentuk diuji menggunakan SEM berdasarkan penampang lintang dan bagian muka membran. Membran PSf, sPSf, dan sPSf-TiO2 dibekukan dengan nitrogen cair selama 10 menit kemudian dipatahkan dan ditempelkan pada cell holder. Membran dilapisi dengan emas lalu dimasukkan ke dalam chamber, dan dipotret permukaan dan penampang lintang membran.
Pengukuran Konduktivitas Proton Membran Pengukuran konduktivitas dilakukan menggunakan alat LCR meter (Laboratorium Biofisika Membran, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, IPB). Membran dipotong sesuai ukuran elektrode. Membran diaktivasi dengan merendam setiap membran dalam H2O2 selama 1 jam lalu direndam kembali dalam H2SO4 selama 1 jam, setelah itu membran dibilas dengan air deionisasi. Elektrode yang digunakan ialah karbon dan logam (tembaga-besi). Elektrode juga diaktivasi dengan cara merendam ke dalam larutan HCl 1 N selama 1 hari, kemudian dengan NaOH 1 N selama 1 hari, setelah itu elektrode aktif dicuci dengan air deionisasi dan direndam hingga akan digunakan (Wisojodharmo dan Dewi 2008). Membran yang telah diaktivasi maupun tidak diaktivasi diukur pula luasnya sesuai ukuran elektrode (A) dan ketebalannya menggunakan mikrometer digital karena tebal membran sebanding dengan jarak antara kedua elektrode karbon (l). Nilai konduktans diukur dengan cara membran-membran tersebut diapit di antara dua elektrode, kemudian kedua elektrode tersebut dihubungkan dengan kutub positif dan negatif pada alat, sehingga muncul nilai konduktansi membrannya.
5 Nilai konduktansi (G) yang diperoleh, dikonversi menjadi nilai konduktivitas per satuan jarak yang disebut dengan nilai konduktivitas proton (σ) melalui persamaan 4: σ=G
(4)
Keterangan : σ : konduktivitas proton (S/cm) A : luas permukaan (cm2) l : jarak antar kedua elektrode (cm) G : nilai konduktansi (S)
Pengukuran Permeabilitas Metanol (Shin et al. 2005) Permeabilitas metanol diuji secara kualitatif untuk mengetahui metanol yang terdifusi melalui membran. Sebuah bejana yang terdiri atas 2 kompartemen disiapkan untuk mengapit membran. Kompartemen A diisi dengan 160 mL metanol 0.3 M. Sistem dibiarkan selama 30 menit untuk melihat metanol yang terdifusi melalui membran yang masuk ke kompartemen B.
Uji Aplikasi Sistem DMFC Konduktivitas dalam sistem sel bahan bakar diukur menggunakan 2 sistem bejana, yaitu sistem anode dan katode. Bejana pertama sebagai sistem anode diisi dengan 160 mL larutan metanol 0.3 M, sedangkan bejana kedua sebagai sistem katode diisi dengan 80 mL larutan K3Fe(CN)61 mM dan 80 mL larutan Na2HPO4. Membran direkatkan pada bagian tengah kedua bejana tersebut. Elektrode dimasukkan ke dalam kedua larutan, kemudian dihubungkan dengan kutub positif dan negatif. Beda potensial diukur dengan voltmeter.
6
HASIL DAN PEMBAHASAN
Polisulfon Tersulfonasi (sPSf) Polisulfon tersulfonasi dapat diperoleh melalui reaksi polisulfon dengan agen sulfonasi seperti oleum. Sifat polisulfon yang hidrofobik menyebabkan berkurangnya kemampuan dalam proses transfer proton. Sifat hidrofobik dapat diubah menjadi hidrofilik dengan sulfonasi, yaitu proses memasukkan gugus sulfonat dalam kerangka polisulfon, sehingga menghasilkan suatu membran bermuatan positif yang berperan dalam meningkatkan sifat hidrofilisitas dan konduktivitasnya (Piluharto et al. 2012). Proses sintesis polisulfon tersulfonasi menggunakan kloroform sebagai pelarut dari polisulfon dengan prinsip like dissolve like dan pelarut yang digunakan tidak boleh bereaksi dengan oleum dan polisulfon tersebut. Polisulfon tersulfonasi disintesis dengan bantuan gas nitrogen yang berfungsi sebagai pendorong SO3H menuju ke larutan polisulfon. Sintesis ini dilakukan pada suhu 40 °C selama 60 menit dalam ruang asam. Perubahan warna yang terjadi sebelum dan sesudah sulfonasi yaitu dari tidak berwarna (Gambar 1a) menjadi kuning kecoklatan (Gambar 1b)
(a)
(b)
(a) (b) Gambar 1 Perubahan warna sebelum (a) dan sesudah (b) proses sulfonasi Agen sulfonasi yang dapat digunakan dalam sulfonasi antara lain asam sulfat (Dewi dan Handayani 2007), trimetil silil ester (Lufrano 2008), asam klorosulfonat (Devrim et al. 2009), dan oleum. Penelitian ini menggunakan oleum atau asam sulfat berasap sebagai agen sulfonasi. Pemilihan oleum ini didasarkan karena sulfonasi yang terjadi lebih cepat, lebih efesien, dan pereaksi yang digunakan sedikit. Adanya gugus sulfonat yang masuk ke larutan polisulfon menyebabkan membran bersifat hidrofilik dan berhubungan dengan kemampuannya transfer proton dan nilai konduktivitas proton yang dihasilkan. Derajat sulfonasi (DS) merupakan suatu indikator keberhasilan dari sulfonasi. Sulfonasi dilakukan pada suhu 40 °C selama 60 menit. Nilai derajat sulfonasi menyatakan banyaknya gugus sulfonat yang masuk ke dalam rantai polisulfon. Semakin besar nilai DS maka gugus sulfonat yang masuk ke dalam polisulfon semakin banyak. Peningkatan nilai ini dapat meningkatkan sifat hidrofilisitas dari membran dan memengaruhi dalam perpindahan proton. Nilai DS yang diperoleh sebesar 47.52% (Lampiran 2).
7 Hasil penelitian Handayani dan Dewi (2007) pada membran elektrolit polieter eter keton tersulfonasi pada suhu sulfonasi 45 °C dan 60 °C diperoleh nilai DS berturut - turut sebesar 47% dan 68%. Berikut ini adalah reaksi yang terjadi pada proses sulfonasi (Gambar 2):
Gambar 2 Reaksi polisulfon tersulfonasi (Devrim et al. 2009)
8 Membran Komposit Polisulfon Tersulfonasi-Titanium Dioksida Membran komposit adalah membran yang terdiri dari dua lapisan, lapis aktif yang rapat dari material yang berbeda dan lapis pendukung yang berpori. Menurut Marita (2011) membran komposit dapat meningkatkan kinerja membran sehubungan dengan stabilitas kimia, selektivitas, dan laju permeasi. Membran ini dibuat dengan teknik inversi fase yaitu pembuatan membran fase cair menjadi fase padat. Membran komposit dibuat dengan mencampurkan polisulfon tersulfonasi (sPSf) dengan komposit yaitu TiO2 dengan berbagai konsentrasi (3% dan 5%) dan melarutkannya dengan diklorometana. Larutan membran yang sudah homogen lalu dicetak di atas pelat kaca dan dibiarkan menguap. Penambahan TiO2 menyebabkan membran lebih hidrofilik karena sifat TiO2 yang memiliki hidrofilitas yang baik, selain itu fungsi TiO2 yaitu sebagai pengisi. Adanya komposit tersebut membuat konduktivitas proton semakin tinggi, proses transfer proton dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Proses transfer proton pada membran polisulfon tersulfonasi- TiO2
Water Uptake dan Permeabilitas Metanol Water uptake adalah kemampuan membran dalam menyerap air yang berguna sebagai media perpindahan proton yang berkaitan dengan konduktivitas proton. Nilai water uptake menyatakan banyaknya air yang terserap ke dalam membran. Perhitungan nilai water uptake dapat dilihat pada Lampiran 3. Pengujian water uptake dilakukan pada membran PSf, sPSf, sPSf-TiO2 3%, dan sPSf-TiO2 5% (Gambar 4).
9
sPSf- TiO2 3%
sPSf- TiO2 5%
Gambar 4 Nilai water uptake membran Berdasarkan hasil percobaan nilai water uptake pada polisulfon tersulfonasi lebih besar daripada membran polisulfon tanpa sulfonasi. Hal ini diakibatkan oleh sulfonasi, dapat menyebabkan membran bersifat hidroflik sehingga membran lebih baik menyerap air dan meningkatkan nilai water uptake hingga 2x lebih besar dibanding tanpa sulfonasi. Penambahan komposit juga dapat meningkatkan nilai water uptake. Shin et al. (2004) telah melakukan penelitian pada polistirena dan politetrafloroetilena tersulfonasi menyatakan membran komposit memiliki nilai water uptake yang lebih tinggi dibanding dengan membran tanpa komposit. Mingliang et al. (2011) menyatakan bahwa TiO2 memiliki stabilitas dan hidrofilisitas yang tinggi sehingga penambahan komposit TiO2 meningkatkan nilai water uptake. Penambahan komposit dengan konsentrasi masing-masing 3% dan 5% dapat meningkatkan nilai water uptake berturut – turut sebesar 1.2× dan 3× dibanding dengan polisullfon tersulfonasi tanpa komposit. Nilai ini menunjukkan semakin tinggi konsentrasi komposit yang ditambahkan maka semakin tinggi nilai water uptake yang dihasilkan. Hal ini berhubungan dengan perpindahan proton karena nilai water uptake yang tinggi dapat meningkatkan kemampuan membran dalam proses transfer proton sehingga meningkat juga nilai konduktivitas proton yang dihasilkan. Namun, water uptake yang terlalu tinggi dapat menyebabkan air yang terkandung dapat berikatan dengan metanol sehingga menyebabkan methanol cross-over. Dewi dan Handayani (2009) menyatakan methanol cross-over dapat menyebabkan hilangnya sebagian bahan bakar yang digunakan dan menyebabkan laju reaksi di katode semakin lambat yang menurunkan kinerja voltase sel secara keseluruhan. Uji kualitatif permeabilitas metanol menunjukkan bahwa tidak adanya metanol yang melewati membran. Hal ini terlihat dari keringnya bagian sisi permukaan membran setelah dilewati membran, sehingga membran tersebut baik digunakan untuk aplikasi DMFC.
10 Densitas Membran Penentuan densitas dilakukan untuk melihat pengaruh penambahan komposit dan sulfonasi terhadap kerapatan dan keteraturan membran. Data yang diperoleh (Gambar 5) menunjukkan proses sulfonasi dapat menaikkan nilai densitas, karena adanya gugus sulfonat dapat mengisi rongga pada membran. Penambahan gugus sulfonat dapat membuat struktur membran menjadi lebih rapat dan teratur, sehingga dapat menigkatkan nilai densitas sebesar 2.21% dibanding tanpa sulfonasi. Penambahan komposit juga memengaruhi nilai dari densitas. Peningkatan nilai densitas seiring dengan kenaikkan konsentrasi komposit. TiO2 bersifat sebagai pengisi pada membran polisulfon tersulfonasi-titanium dioksida sehingga dapat mengisi rongga pada membran dan keteraturan dan kerapatan membran dapat meningkat (Pramono et al. 2012). Penambahan komposit TiO2 dengan konsentrasi masing-masing 3% dan 5% juga meningkatkan nilai densitas berturut - tuut sebesar 0.68% dan 1.14%. Berikut nilai densitas yang diperoleh (Gambar 5) dan perhitungan lengkap densitas membran dapat dilihat pada Lampiran 4.
sPSf-TiO2 3%
sPSf-TiO2 5%
Gambar 5 Densitas jenis membran
Konduktivitas Proton Membran Membran polimer elektrolit yang baik digunakan untuk aplikasi DMFC seharusnya memiliki permeabilitas metanol yang rendah dan memiliki konduktivitas proton yang tinggi (Shin et al. 2004). Penentuan konduktivitas proton menggunakan alat impedance analyzer LCR-meter dengan elektrode karbon dan logam. Penentuan dilakukan pada membran PSf, sPSf, sPSf-TiO2 3%, dan sPSf-TiO2 5% dengan membandingkan antara membran aktivasi dan nonaktivasi (Lampiran 6). Hasil yang diperoleh ditunjukkan pada Gambar 6a dan 6b.
11
-
sPSf TiO2 3% -
sPSf TiO2 5%
(a)
sPSfTiO2 3%
sPSfTiO2 5%
(b) Gambar 6 Konduktivitas proton membran nonaktivasi (a) dan aktivasi (b) Gambar (6a dan 6b) menunjukkan membran yang diaktivasi memiliki nilai konduktivitas proton yang lebih besar dibandingkan membran nonaktivasi baik elektode karbon maupun logam. Hal ini disebabkan oksidator kuat yang digunakan pada proses aktivasi yaitu H2O2 dan H2SO4 dapat mengaktifkan gugusgugus penghantar proton pada membran sehingga meningkatkan nilai konduktivitas. Selain itu, proses sulfonasi dan penambahan TiO2 dapat meningkatkan nilai konduktivitas proton. Hal ini dikarenakan penambahan TiO2 dan adanya gugus sulfonat dapat meningkatkan sifat membran menjadi hidrofilik (Devrim et al. 2009) dan meningkatkan nilai water uptake. Nilai water uptake
12 yang semakin besar menyebabkan transfer proton pada membran semakin baik dan meningkatkan nilai konduktivitas proton. Perhitungan persentase peningkatan konduktivitas tercantum pada Lampiran 7. Selain itu, elektode logam menghasilkan nilai konduktivitas proton yang lebih tinggi dibanding dengan elektrode karbon (Gambar 7). Hal ini dikarenakan logam bersifat konduktor yang dapat menghantarkan arus listrik sedangkan elektrode karbon bersifat inert. Hasil yang diperoleh untuk membran sPSf-TiO2 5% dengan elektrode karbon dan logam, berturut- turut sebesar 0.4857 × 10-3 dan 1.0684 × 10-3S/cm. Elektrode logam memberikan hasil 2× lebih besar daripada elektrode karbon. Nilai tersebut masih lebih kecil dibanding konduktivitas membran nafion yaitu sebesar 8.2 × 10-2 S/cm.
sPSf-TiO2 3%
sPSf-TiO2 5%
Elektrode logam
Gambar 7 Konduktivitas proton membran aktivasi
Karakterisasi Membran Gugus Fungsi Pengujian FTIR dilakukan pada membran PSf dan sPSf untuk melihat adanya subtitusi gugus –SO3H pada cincin aromatik polisulfon sedangkan pada membran sPSf-TiO2 5% untuk melihat adanya pengaruh penambahan TiO2 sebagai komposit. Keberhasilan sulfonasi ditunjukkan dengan munculnya pita serapan gugus OH bebas dari –SO3H pada bilangan gelombang 3650-3600 cm-1 yang semakin melebar (Pavia et al. 2009). Spektrum inframerah dari gugus yang ada pada membran (Lampiran 5). Perbedaan spektum PSf dan sPSf terlihat dengan munculnya pita serapan baru pada membran sPSf pada bilangan gelombang 1724 cm-1. Menurut Pavia et al. (2009) pada bilangan gelombang tersebut mengindikasikan adanya gugus yang tersubtitusi 1, 2, 4-. Pada gugus tersebut diduga gugus –SO3H yang masuk pada cincin aromatik pada posisi orto dari C-O-C dari struktur polisulfon. Tambahan TiO2 pada polisulfon tersulfonasi tidak menunjukkan perbedaan atau munculnya serapan baru. Hal ini mengindikasikan tidak ada pengaruh penambahan TiO2 terhadap pita serapan
13 baru, artinya tidak ada interaksi antara membran dengan TiO2, TiO2 hanya berfungsi sebagai pengisi.
Trisubtitusi 1, 2,4 -
OH Bebas
Bilangan gelombang
Gambar 8 Spektrum inframerah PSf (
), sPSf (
), dan sPSf-TiO2 5% (
)
Morfologi Membran Morfologi permukaan membran PSf, sPSf, dan sPSf-kitosan 5% dianalisis dengan menggunakan Scanning Electron Microscope dengan perbesaran 10000 kali. Hasil analisis morfologi membran dapat dilihat pada Gambar 9. Pada permukaan atas membran PSf (9a) lebih heterogen dibanding dengan membran PSf (9b) dan sPSf-TiO2 (9c). Menurut Devrim et al. (2009) polimer polisulfon merupakan polimer yang amorf dengan struktur polimer yang kaku, sedangkan polisulfon tersulfonasi merupakan polimer yang kristalin. Hal ini berhubungan dengan kehomogenan membran. Kehomogenan tersebut karena pengaruh adanya gugus sulfonat sehingga struktur membran menjadi lebih rapat (9b). Penambahan TiO2 dapat meningkatkan kehomogenan (9c) dan berfungsi sebagai pengisi.
TiO2
(a)
(b)
(c)
14
(d)
(e)
(f)
Gambar 9 Struktur permukaan atas membran PSf (9a), sPSf (9b), dan sPSf-TiO2 5% (9c) serta penampang lintang membran PSf (9d), sPSf (9e), dan sPSf- TiO2 5% 98f) dengan perbesaran 10000х. Berdasarkan hasil penampang lintang menunjukkan membran PSf (9d) lebih berongga dibanding dengan sPSf (9e) dan sPSf-TiO2 5% (9f). Hal ini berkaitan densitas yang dihasilkan, densitas berhubungan dengan keteraturan dan kerapatan membran. Membran sPSf-TiO2 5% memiliki densitas lebih tinggi dibanding sPSf dan PSf. Hal ini dikarenakan penambahan TiO2 dapat meningkatkan kerapatan rongga pada membran (Pramono et al. 2012), rongga yang semakin rapat akan menyebabkan membran lebih rapat.
Aplikasi Sistem DMFC Membran elektrolit yang dihasilkan diuji pada sistem DMFC, uji ini dilakukan pada sebuah bejana yang terdiri atas 2 kompartemen. Kompartemen A (anode) berisi larutan metanol yang berfungsi sebagai bahan bakar sedangkan kompartemen B (katode) berisi larutan kalium ferisianida dalam buffer fosfat (Gambar 10). Sistem DMFC menggunakan membran penukar proton sebagai penghubung antara reaksi di katode dan anode (Marita 2011). Sistem DMFC menggunakan metanol sebagai bahan bakar. Metanol digunakan sebagai bahan bakar karena memiliki potensial reduksi yang lebih kecil dibanding dengan air yaitu 0.76 V < 0.83V sehingga metanol lebih mudah dioksidasi dibanding dengan air.
15
Gambar 10 Bejana pada sistem DMFC Beda potensial tertinggi yang dihasilkan dalam uji aplikasi ini terdapat pada membran sPSf-TiO2 sebesar 422 mV dengan elektrode logam. Kenaikan konsentrasi TiO2 dapat meningkatkan nilai beda potensial, penambahan TiO2 akan meningkatkan transfer ion atau konduktivitas membran, konduktivitas berbanding lurus dengan beda potensial (Pramono et al. 2012). Adanya TiO2 dan gugus sulfonat dapat mempercepat transfer proton. Peningkatan presentase konduktivitas proton dapat dilihat pada Lampiran 7. Dalam DMFC metanol langsung diubah menjadi energi listrik melalui proses kimia dengan menggunakan membran sebagai penghalang selektif (Marita 2011). Proses oksidasi metanol menghasilkan elektron, proton, dan gas CO2. Gas CO2 dikeluarkan dari sistem sementara proton bergerak melewati membran menuju katode kemudian bereaksi dengan O2 dan menghasilkan air, sedangkan tumpukan elektron di anode akan mengalir ke katode dengan menghasilkan beda potensial (Marita 2011). Fe3+ dari larutan K3Fe(CN)6 akan tereduksi menjadi Fe2+ oleh aliran elektron dari anode tersebut dengan ditandai timbulnya warna kuning kehijauan pada larutan. Berikut reaksi yang terjadi dalam sistem. Reaksi 1: Anoda : CH3OH (l) + H2O (l)CO2(g)+ 6H++ 6eKatoda : 3/2 O2(g) + 6H++ 6e-3H2O(l) Reaksi keseluruhan : CH3OH(l) + 3/2 O2(g) CO2(g) + 2H2O(l) (Kundu dan Sharma 2007) Reaksi 2: Reduksi : Fe3+ + e- Fe2+ E° = 0.77 V 2+ Oksidasi : Fe Fe + 2e E° = 0.44 V Beda potensial yang dihasilkan elektorode karbon lebih rendah daripada elektrode logam (Gambar 11). Hal ini disebabkan elektrode karbon bersifat inert sehingga tidak ada reaksi baik di katode maupun anode, sedangkan elektode logam merupakan elektrode aktif yang ikut bereaksi terutama di anodenya dapat mengalami oksidasi, sehingga Fe akan teroksidasi menjadi Fe2+. Hal ini ditunjukkan dengan timbulnya endapan hijau kekuningan yang menempel pada elektrode besi sehingga meningkatkan nilai beda potensial.
16
sPSf-TiO2 3%
sPSf-TiO2 5%
Elektrode karbon Elektrode logam
Gambar 11 Beda potensial membran aktivasi Arus yang dihasilkan dapat diperoleh dengan mengkonversi nilai beda potensialnya (Lampiran 9). Gambar 12 menunjukkan nilai arus yang dihasilkan pada sistem. Penambahan komposit dan gugus sulfonat dapat meningkatkan arus yang dihasilkan, hal ini dikarenakan arus berbanding lurus dengan beda potensial. Nilai arus yang dihasilkan menunjukkan banyaknya muatan listrik akibat pergerakan elektron pada sistem DMFC. Semakin banyak elektron yang bergerak maka nilai kuat arus yang dihasilkan akan semakin tinggi.
sPSf-TiO2 3% Elektrode karbon Elektrode logam
Gambar 12 Nilai arus yang dihasilkan membran
sPSf-TiO2 5%
17
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Pembuatan membran polisulfon tersulfonasi-TiO2 telah berhasil dilakukan pada suhu 40 °C. Hal ini dibuktikan dengan hasil substitusi sulfonat yang masuk cincin aromatik dengan nilai derajat sulfonasi sebesar 47.52%. Selain itu dari hasil FTIR juga ditunjukkan adanya puncak gugus sulfonat 1,2,4- pada serapan 1724 cm-1. Keberadaan komposit TiO2 dengan konsentrasi 5% pada membran meningkatkan nilai konduktivitas dan beda potensial yang dihasilkan berturutturut, yaitu sebesar 1.07 × 10-3 S/cm dan 422 mV dengan elektrode logam. Uji kualitatif kemampuan menunjukkan tidak ada metanol yang terdifusi melewati membran ditandai dengan keringnya bagian sisi permukaan membran sehingga hal ini dapat diaplikasikan pada sistem direct methanol fuel cell.
Saran Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut sintesis polisulfon tersulfonasiTitanium dioksida dengan konsentrasi polisulfon yang lebih besar, penentuan konsentrasi optimum dari TiO2 yang digunakan untuk melihat pengaruh beda nyata dari penambahan TiO2 dan suhu sulfonasi optimum, serta uji analisis DSC untuk mengetahui ketahanan termal dari membran, Uji XRD untuk melihat krisatalinitas membran. Serta dilakukan variasi suhu sistem DMFC untuk mengetahui sifat elektrokimia sistem sel bahan bakar terhadap pengaruh kinetikanya. Lebih baik lagi jika dibuat membrane electrode assembly (MEA) dari membran polisulfon tersulfonasi-TiO2 agar menghasilkan nilai konduktivitas proton yang lebih besar.
DAFTAR PUSTAKA Devrim Yilser, Erkan Sedar, Bac Nurcan, Eroglu Inci. 2009. Preapration and characterization of sulfonated polysulphone/titanium dioxide composite membranes for proton exchange membrane fuel cells. J of Hydrogen Energy. 34(2009):3467-3475. Handayani S, Dewi EL. 2007. Pengaruh suhu operasi terhadap karakteristik membran elektrolit polieter eter keton tersulfonasi. J Material Science. 8(2) ISSN:1411-1098. Handayani S. 2008. Membran elektrolit berbasis polieter-eter keton tersulfonasi untuk direct methanol fuel cell suhu tinggi [disertasi]. Jakarta (ID): Universitas Indonesia. Hasan A. 2007. Aplikasi sistem fuel cell sebagai energi ramah lingkungan di sektor transportasi dan pembangkit. J Environment Science Technology. 8(3):277-286.
18 Juniarzadinata R. 2011. Kajian struktur dan uji fluks membran polisulfon dengan metode inversi fasa [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Kundu PP dan Sharma Vinay. 2007. Composites of proton- conducting polymer electolyte membrane in direct methanol fuel cels. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 32:51-66. Liu L, Chakm A, & Feng X. 2004. Preparation of hollow fiber poly (ether block amide)/ polysulfone composite membrans for separation of carbon dioxide from nitrogen. Chemical Engineering Journal. 105:43-51. Lufrano F, Baglio V, Staiti P, Arico AS, Antonucci V. 2008. Polymer electrolytes based on sulfonated polysulfone fordirect methanol fuel cells. J Power Source. 179:34–41. Luntraru VI, Vaireanu DI, Ghindeanu DL, Nechifor G. 2013. The synthesis and characterization of a new composite material: polysulfone- Fe3O4/TiO2. Sci.Bull. 75. Marita IM. 2011. Pembuatan dan karakterisasi komposit membran PEEK silika/clay untuk aplikasi direct methanol fuel cell [tesis]. Semarang (ID): Universitas Diponegoro. Martins CR, Hallwass F, Almeida YMB, Paoli MA. 2007. Solid-state 13C NMR analysis of sulfonated polystyrene. Ann Magn Reson 6:46-55. Mingliang Luo, Qingzhi W, Jialin Liu, Zilong JIA. 2011. Fabrication of SPES/Nano-TiO2 composite ultrafiltration membrane and its anti-fouling mechanism. Chinese Journal of Chemical Engineering. 19(1)45-51. Pavia DL, Lampman GM, Kriz GS, Vyvyan JR 2009. Introduction to Spectroscopy 4th Ed. Washington (US): Thomson Learning, Inc. Piluharto B, Cynthia LR, Tanti H. 2012. Pengembangan membran penukar proton berbasis polisulfon tersulfonasi untuk aplikasi direct methanol fuel cell (DMFC) [laporan]. Jember (ID): Universitas Jember. Pramono E, Wicaksono A, Priyadi, Wulansari J. 2012. Pengaruh derajat sulfonasi terhadap degradasi termal polistirena tersulfonasi. J physics 2(2):157. Pramono E, Radiman CL Loos KU. 2012. Polysulphone/sulfonatedpolysulphone/TiO2 composite membrane for fuel cell aplications. J of Hydrogen Energy. 40(2012):45-51. Shin JP, Chang BJ, Kim JH, Le SB, Suh DH. 2005. Sulfonated polystyrene/PTFE composite membrane. J Membrane Science. 251:247-254. Smitha B, Anjali Devi D, Sridhar S. 2008. Proton-conducting composite membranes of chitosan andsulfonated polysulfone for fuel cell application. J Energy Fuel. 33:4138–4146. Suhada H. 2001. Fuel cell sebagai penghasil energi abad 21. Jurnal Teknik Mesin. 3(2):92-100. Suka I G, Rifan M, Pandiangan KD, Simanjuntak W, Dewi EL. 2009. Sulfonasi membran poliakrilonitril butadiena stirena (ABS) sebagai membran polimer elektrolit direct metahnol fuel cell (DMFC). J Sains MIPA. 15(1):28-34. Wisojodharmo LA, Dewi LE. 2008. Pembuatan membrane electrode assembly (MEA) dengan katalis platina karbon pada PEMFC. Prosiding Seminar Teknoin Bidang Teknik Mesin. Yogyakarta, 22 November 2008. Yogyakarta (ID): BPPT. Hlm 105-108.
19 Xing P, Gilles PR, Michael DG, Serguei DM, Keping W, Serge K. 2004. Synthesis and characterization of sulfonated poly(ether ether ketone) for Proton Exchange Membranes. J Membrane Science. 229:95-106.
LAMPIRAN Lampiran 1 Diagram alir penelitian
Polisulfon (PSf) Penambahan oleum pada suhu 40 °C selama 60 menit. Sintesis Polisulfon Tersulfonasi (sPSf)
Penentuan
Penambahan Titanium Dioksida
Derajat Sulfonasi Membran Polisulfon TersulfonasiTitanium Dioksida (sPSf-TiO2)
Pencirian
Kinerja Membran
Aplikasi pada DMFC
1. FTIR 2. SEM
1. Pengukuran Bobot Jenis 2. Pengujian Water Uptake 3. Pengukuran Konduktivitas Membran 4. Pengukuran Permeabilitas Metanol
20
Lampiran 2 Penentuan derajat sulfonasi (DS) Ulangan
Bobot sampel (g)
VNaOH (mL)
awal
VHCl (mL) Akhir terpakai
1
0.1019
10.00
9.20
18.30
9.10
47.36
2
0.1012
10.00
18.30
27.40
9.10
47.68
Derajat Sulfonasi (%)
Rerata
47.52
Contoh perhitungan (ulangan 1): Diketahui: Vawal = VHCl blanko = 9.70 mL Vakhir = VHCl terpakai = 9.10 mL NHCl = 1.0046 N BE SO3 = 80.06 g/ek DS =
x 100%
=
x 100%
DS = 47.36% Lampiran 3 Data penentuan water uptake Jenis membran
Ulangan
PSf sPSf sPSf-TiO2 3% sPSf-TiO2 5%
Water Uptake
Rerata Water Uptake (%)
Bobot membran (g) Kering
Basah
(%)
1
0.0382
0.0385
0.79
2
0.0475
0.0479
0.84
1
0.0234
0.0238
1.71
2
0.0239
0.0243
1.67
1
0.0239
0.0244
2.09
2
0.0201
0.0205
1.99
1
0.0104
0.011
5.77
2
0.0243
0.0257
5.76
Contoh perhitungan (membran sPSf-TiO2 5% ulangan 1) Water uptake (%) = = =5.77% Rerata Water Uptake (%) = = 5.77%
0.82 1.69 2.04 5.77
22
Lampiran 4 Data penentuan densitas Jenis membran PSf sPSf sPSf-TiO2 3% sPSf-TiO2 5%
Ulangan
w (g) 0
1
2
3
d (g/mL) 1
d
1
20.2273
20.2314
44.4993
44.4986
0.99805
(g/mL) 1.2033
2
20.2273
20.2308
44.4992
44.4986
0.99805
1.2043
1
20.2271
20.2292
44.5022
44.5018
0.99805
1.2326
2
20.2271
20.2287
44.5021
44.5018
0.99805
1.2281
1
20.2158
20.2194
44.4885
44.4878
0.99875
1.2395
2
20.2158
20.222
44.489
44.4878
0.99875
1.2381
1
20.2151
20.2196
44.4969
44.496
0.99875
1.2481
2
20.2151
20.2192
44.4968
44.496
0.99875
1.2406
Rerata d (g/mL)
1.2038 1.2034 1.2388 1.2444
Contoh perhitungan (membran sPSf-TiO2 5% ulangan 1) d= = d =1.2481 g/mL Ket: w0,1,2,3 berturut-turut= bobot pikno kosong, bobot pikno+sampel, bobot pikno+sampe+akuades, bobot pikno+akuades dl, da, dan d berturut-turut= densitas air, densitas udara (0.00125 g/mL), dan densitas sampel
21
22 Lampiran 5 Data hasil FTIR Bilangan gelombang membran (cm-1)
Gugus fungsi PSf
sPSf
sPSf-TiO2 5%
Ikatan C=C pada cincin aromatik
1586.40-1488.71
1586.64-1488.57
1586.71-1491.96
Ikatan C-H pada cincin aromatik
3093.51-3067.57
3094.73-3067.58
3094.57-3067,61
Ikatan Hidrogen O-H
-
3628.77
3653.36
Ikatan C-O pada eter Cincin aromatik tertrisubstitusi 1,2,4-
1250.01 -
1249.18 1724.29
1252.60 1725.04
Ikatan S=O asimetrik
1323.58
1323.53
1323.27
Ikatan S=O simetrik
1153.34
1151.66
1153.96 Lab orato ry Test Resu l t
7 7.0 70 1747.21 3711.27 3593.80
60
3541.57 3551.64
50
918.45
2080.08 2653.13 2410.65
3163.95
2041.37
2449.23 2595.75
3643.94
945.35 962.07
1774.87
621.25 795.48
1904.24
3652.03
756.38
1363.94
2873.29 3067.57 2934.21
%T 3 0
665.17
1386.53
3093.51 3036.78
40
461.46
PSf
635.89 740.58
1410.56
20
715.86
1206.33 2968.45
1080.87 1014.14
10
693.05 853.74
0
1323.58
1586.40
-12 .0
1504.27
4 00 0.0
3 00 0
2 00 0
873.84
1107.12 1294.77 1153.34 1169.72 1250.01
1488.71
1 50 0
1 00 0
4 50 .0 Lab orato ry Test Resu l t
cm-1
Lab orato ry Test Resu l t
8 8.0 80
559.53
834.92 Lab orato ry Test Resu l t
3902.75
3628.77 3547.15
60
963.08 945.21 917.66
2221.30 1775.99 2594.49 2078.57 2447.42 2041.30 2411.09 1902.82 1724.29
70 3164.20
3094.73 3067.58 3036.72 2934.38 2872.96
50 40
465.03
795.64 1386.59 1364.00
664.95 635.86 740.30
Lab orato ry Test Resu l t
%T 1410.70
30
sPSf 715.90 Lab orato ry Test 1206.17 1080.84 692.98 1488.57 1169.81 Lab orato ry Test Resu l t 1151.66 853.80 1014.21 1323.53 873.90 1586.64 1294.73 1107.37 835.14 559.23 1503.96 1249.18
20 2968.27
10 0
Resu l t
-10 -14 .0 4 00 0.0
3 00 0
2 00 0
1 50 0
1 00 0
4 50 .0
cm-1
Lab orato ry Test Resu l t
6 5.3 60 55
2178.72
3890.93 2654.33
50 45
35
2693.09 2280.47 2080.63 2593.23
3553.56 3164.34
40
918.53
2220.42
2409.49
3651.51
2450.56
1774.13
945.78
466.65
961.39
2040.89 1904.39
30 %T
25 20
1725.29 3094.07 3037.00
795.37
1386.57
2873.19
15
1364.01
3067.60
10
666.82
2934.07
sPSf-TiO2 5%
5
1410.67 738.15
0 -5
1590.93
2968.36
-10 1487.67
-14 .5 4 00 0.0
635.80 1206.18 1014.24 1080.80 872.54 715.73 1110.53 837.88 1251.84 557.12 1150.66 693.16 1294.80
3 00 0
2 00 0
1 50 0 cm-1
853.43
1 00 0
4 50 .0
23 Lampiran 6 Data penentuan konduktivitas proton elektrode karbon Konduktans (×10-3 S)
Konduktivitas (×10-3 S/cm) nonaktivasi aktivasi
Jenis membran
Tebal (cm)
nonaktivasi
aktivasi
PSf
0.008
155.77
176.95
6.4197
5.6513
0.2347
0.2666
sPSf sPSf-TiO2 3% sPSf-TiO2 5%
0.005
318.32
322.24
3.1415
3.1033
0.2997
0.3034
0.006
337.54
353.9
2.9626
2.8257
0.3814
0.3999
0.007
365.57
368.46
2.7355
2.7140
0.4819
0.4857
Resistansi (Ω) nonaktivasi aktivasi
Luas permukaan elektrode: 5.31 cm2 Jenis membran
Tebal (cm)
PSf sPSf sPSf- TiO2 3% sPSf- TiO2 5%
Konduktans (×10-3 S)
Resistansi (Ω) nonaktivasi aktivasi
Konduktivitas (×10-3 S/cm) nonaktivasi Aktivasi
nonaktivasi
aktivasi
0.008
297.73
303.25
3.3587
3.2976
0.5046
0.514
0.005
515.73
546.71
1.9390
1.8291
0.5463
0.5791
0.006
573.17
598.19
1.7447
1.6717
0.7268
0.7604
0.007
666.73
740.42
1.4999
1.3506
0.9888
1.0684
Luas permukaan elektrode: 4.72 cm2 Contoh perhitungan (membran sPSf-TiO2 3% elektrode karbon): σ=G× Keterangan : -3 σ : konduktivitas proton (S/cm) = 353.90 × 10 S × A : luas permukaan (cm2) -3 σ= 0.3999 × 10 S/cm l : jarak antar kedua elektrode G : nilai konduktansi (S) Parameter: Frekuensi CC V-lim Range Open Short
: 100.00 kHz : 1.00 mA : 10 mV : Auto 10Ω : Off : Off
24 Lampiran 7 Data persentase peningkatan konduktivitas proton Elektrode
Konduktivitas (mS/cm)
Jenis membran
Peningkatan (%)
Aktivasi
Nonaktivasi
Aktivasi
Nonaktivasi
PSf
0.2666
0.2347
0
0
sPSf
0.3034
0.2997
13.80
27.69
sPSf-TiO2 3%
0.3999
0.3814
31.81
27.26
sPSf- TiO2 5%
0.4857
0.4819
21.46
26.35
PSf
0.5140
0.5046
0
0
sPSf
0.5791
0.5463
12.67
8.26
sPSf- TiO23%
0.7604
0.7286
31.31
33.37
sPSf- TiO25%
1.0684
0.9888
40.50
35.71
Karbon
Logam
Contoh perhitungan peningkatan konduktivitas akibat penambahan gugus sulfonat (elektrode karbon, membran aktivasi sPSf-TiO2 5%): Peningkatan (%) = = 21.46%
Peningkatan (%) =
Lampiran 8 Beda potensial yang dihasilkan pada setiap membran Beda potensial (mV)
Jenis membran
Karbon
Logam
PSf
130
305
sPSf
140
335
sPSf-TiO23%
153
410
sPSf-TiO2 5%
171
422
Lampiran 9 Nilai arus yang dihasilkan pada setiap membran G (S)
Membran
V (Volt)
I (Ampere)
Karbon
Logam
Karbon
Logam
Karbon
Logam
PSf
0.1770
0.3033
0.130
0.305
0.0230
0.0925
sPSf
0.3222
0.5467
0.140
0.335
0.0451
0.1831
sPSf-TiO23%
0.3539
0.5928
0.153
0.410
0.0541
0.2430
sPSf- TiO25%
0.3685
0.7404
0.171
0.422
0.0630
0.3124
Contoh perhitungan (membran sPSf-TiO2 5%, elektrode karbon): I=G×V = 0.3685 Sх0.171 I = 0.0630 A
25
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta 23 Maret 1993. Penulis merupakan anak ke 8 dari pasangan H. Muhamad Hasan dan Hj. Siti Huriyah. Tahun 2010 penulis lulus dari Sekolah Menengah Atas Negeri 48 Jakarta dan melanjutkan pendidikan di Institut Pertanian Bogor dengan jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam melalui jalur undangan seleksi masuk IPB (USMI). Penulis merupakan penerima beasiswa peningkatan prestasi akademik. Penulis aktif di kegiatan non-akademik, seperti menjadi anggota (2012) departemen Pengembangan Kimia dan Seni Ikatan Mahasiswa Kimia (Imasika) dan Wakil Ketua Umum Ikatan Mahasiswa Kimia (Imasika) (2013), (2012-2014) Anggota departemen kewirusahaan Ikatan Himpunan Mahasiswa Kimia Indonesia (Ikahimki), dan Anggota Komunitas Pecinta Alam departemen kimia IPB (Akapela), (2012) menjadi Wakil Ketua Chemistry Challenge Pesta Sains Nasional, dan aktif diberbagai kepanitian. Penulis juga aktif mengajar mata kuliah kimia di bimbingan belajar Primagama. Bulan Juli-Agustus 2014 penulis melaksanakan Praktik Lapangan di Direktorat Pengolahan Resarch & Development PT Pertamina (Persero) dengan judul laporan Kajian Kinerja Surfaktan Alkil Poliglikosida dan Polimer Poliakrilamida untuk Enhanced Oil Recovery. Penulis juga aktif mengikuti rapat tingkat nasional. Tahun 2013 penulis mengikuti Rapat Kerja Nasional Ikahimki di Pekanbaru, Riau dan Musyawarah Tahunan Ikahimki di Palu, Sulawesi Tengah. Penulis juga aktif mengikuti lomba karya tulis ilmiah baik tingkat nasional maupun internasional. Beberapa prestasi yang diraih Program Kreativitas Mahasiswa didanai DIKTI tahun 2011 dan Paper Accepted dalam acara The First Annual International Scholars Conference In Taiwan
