Sintesis dan Karakterisasi Membran Kitosan Sulfat Untuk Aplikasi Sel Bahan Bakar
SKRIPSI
Velianti NIM 10504055
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Sintesis dan Karakterisasi Membran Kitosan Sulfat Untuk Aplikasi Sel Bahan Bakar
Synthesis and Characterization Membrane Chitosan Sulfate for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
SKRIPSI
Velianti NIM 10504055
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Abstract Chitosan, obtained by deacetylation of chitin, is a potential biopolymer which can be used as raw material for fuel cell membranes. Chitosan has several advantages such as its hydrophilic property, good mechanical strength and easiness to be chemically modified. In order to increase the conductivity and decrease the permeability toward methanol, sulfonation of chitosan has been carried out in this work by using chlorosulfonic acid as reactant. The first method used a conventional way by dissolving the reactant in dichloromethane, while the second one was performed in a microwave oven using the same reactant in N,N-dimethylformamide . The IEC (Ion Exchange Capacity) of the resulting membranes were determined and the thermal properties were measured by TGA (Thermogravimetry Analysis). The results showed that the sulfonated chitosan membranes obtained by the conventional method had better thermal properties and higher ion exchange capacity than the ones obtained by using microwave. Unfortunately, the membranes resulted by the first method were very brittle. The SEM (Scanning Electron Microscope) photo of membrane surface confirmed that those brittle membranes had crack areas. On the other hand, the sulfonated membranes obtained by using microwave showed good mechanical properties so that they could be used further for permeation measurement. It was found that the sulfonated chitosan membranes showed a lower permeation toward methanol compared to the original chitosan membranes.
ii
Abstrak Kitosan yang dapat diperoleh dari deasetilasi kitin merupakan biopolimer yang potensial untuk dijadikan bahan dasar membran sel bahan bakar (fuel cell membranes). Keunggulan material ini adalah bersifat hidrofilik, mempunyai ketahanan mekanik yang tinggi serta mudah dimodifikasi secara kimia. Untuk meningkatkan konduktivitas membran kitosan dan menurunkan permeasi terhadap metanol, pada penelitian ini telah dilakukan proses sulfonasi terhadap kitosan dengan pereaksi asam klorosulfonat. Metoda pertama yang digunakan adalah secara konvensional dengan melarutkan pereaksi tersebut dalam diklorometan; sedangkan metoda kedua menggunakan tungku gelombang mikro (microwave oven) dengan melarutkan pereaksi yang sama dalam N,N-dimetilformamida. Membran yang terbentuk ditentukan IEC (Ion Exchange Capacity) dan sifat termal diukur dengan metoda TGA (Thermogravimetry Analysis). Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa membran kitosan sulfat yang dihasilkan dengan metoda konvensional memiliki sifat termal dan kapasitas penukar proton yang lebih tinggi dibandingkan membran yang diperoleh dengan bantuan gelombang mikro. Namun demikian, membran yang dihasilkan dari metoda pertama sangat rapuh. Foto permukaan membran yang diperoleh dengan SEM (Scanning Electron Microscope) menunjukkan adanya retakan pada film tersebut. Sebaliknya, membran kitosan tersulfonasi yang diperoleh dari hasil reaksi dengan bantuan gelombang mikro mempunyai kekuatan mekanik yang baik untuk uji permeasi selanjutnya. Data menunjukkan bahwa membran kitosan sulfat yang disintesis dengan gelombang mikro mempunyai nilai permeasi terhadap metanol yang lebih rendah dibandingkan dengan membran kitosan tanpa sulfonasi
iii
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa Skripsi dari : Nama : Velianti NIM
: 10504055
telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia
Pada tanggal ……………………
Pembimbing I
Pembimbing II
Dr.Ing.Cynthia L.Radiman
Dr.Sadijah Achmad
NIP 130604382
NIP 130543846
iv
Times are hard when things have got no meanings...(Oasis)
v
Ucapan Terimakasih Puji dan syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat, petunjuk, serta bimbinganNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dan penulisan skripsi tentang Sintesis dan Karakterisasi Membran Kitosan Sulfat Untuk Aplikasi Sel Bahan Bakar. Penelitian ini disusun untuk mencari membran alternatif berbahan dasar kitosan yang lebih murah dan memiliki konduktivitas proton yang lebih baik dari Nafion®. Membran kitosan sulfat sebagai salah satu membran alternatif diharapkan dapat diaplikasikan dalam sel bahan bakar. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir dan skripsi ini penulis dibantu oleh banyak pihak.. Oleh karena itu, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada: 1. Dr.Ing Cynthia L.Radiman dan Dr. Sadijah Achmad selaku pembimbing tugas akhir yang telah banyak membantu dalam penyelesaian tugas akhir dan penulisan skripsi ini. 2. Papa dan Mama yang selalu ada untuk memberikan semangat kepada penulis untuk terus maju. 3. Dr. Deana Wahyuningrum dan Dr.Veinardi Suendo selaku dosen penguji saat Seminar TA dan juga memberikan saran untuk Tugas Akhir penulis 4. Dr.M.Bahri Amran,MBA; Dr.Aminudin Sulaeman dan Dr.Bambang Prijamboedi yang telah banyak membantu penyelesaian Tugas Akhir. 5. Dr. Rukman Hertadi yang telah menjadi dosen wali penulis selama 3 tahun. 6. Dr.Fida M. yang telah membantu penulis mendapatkan beasiswa dari DIKTI. 7. Dr.Zeily Nurachman selaku pembimbing Seminar Unit Bidang 8. Dr. Achmad Saifudin Noer, Dr. Muh. Ali Zulfikar dan Dr. Djulia Onggo sebagai dosen penguji sidang 9. Seluruh staf pengajar Program Studi Kimia ITB yang telah memberikan ilmunya. 10. Seluruh staf karyawan Program Studi Kimia ITB terutama Bu Entin, Pak Wahyo dan Pak Dede, Pak Toto, Pak Handi, Pak Wandi, Pak Yadi, Pak Toyo, Pak Budi, Pak Aep dan Bu Sonny 11. Pak Suryono di Lab Uji Polimer Pusat Penelitian Fisika LIPI yang sabar, ramah dan selalu membantu penulis setiap saat. 12. Yuli, Ie Ming dan seluruh keluarga yang vi
selalu setia mendengar cerita penulis
13. Kepada teman-teman, Bebet, Maria, Dewi, Enny, Ratih, Iis, Nurhani, dan Eryth yang mengajarkan penulis arti persahabatan. 14. Frisda, Howie dan Ivan Theo yang menunjukkan keberadaannya untuk menemani dan memberikan senyuman di saat penulis benar-benar merasa dalam ‘kegelapan’. 15. Kepada Adit PJS dan Fahri, teman se-Lab, se-perjuangan, untuk semua bantuan yang diberikan. 16. Bambang Piluharto,SSi,MSi dan Laode Ramadhan,SSi,MSi yang selalu memberi masukan dan jurnal untuk penulis 17. Edo, Septin, Edu, Rian, dan Maul yang bersedia meminjamkan cawan petrinya untuk penulis 18. Sukben, Daniel, Howie, Tian dan Robbie yang selalu siap mengantar penulis ke mana pun dengan gratis. 19. Lelly, Luchana, Herlina, Anti, Mutiara, Maulana, Yuyus, Opik, Pak Bambang Pilu Harto, Pak Laode, Pak Hadi, Pak Maskuri, Pa Eka, dan teman-teman 2005 di Lab Kimia Fisik yang telah menemani dan meramaikan suasana Lab. 20. Ka Mia yang mengajarkan Origin, Ka Felicia yang banyak memberi masukan dan mewariskan barang-barang lab-nya dan Ka Mitha buat semua jurnal-jurnalnya 21. Rona, Coro dan Mutiw yang selalu menghibur dan menghilangkan kejenuhan dengan acara tenis dan makan-makannya 22. Naldo yang telah membantu penulis menyelesaikan Tugas Akhir dan berbagi cerita 23. Ka Rizal, Heru, Iim, Kocu dan Yoad si’alien’ yang mewarnai kehidupan di kampus 24. Teman-teman kimia 2004 yang telah menerima penulis sebagai teman 25. Pihak-pihak yang tidak disebutkan penulis di sini yang telah membantu dalam menyelesaikan tugas akhir dan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna, seperti kata pepatah, “Tak ada gading yang tak retak”. Penulis menerima saran dan kritik yang membangun untuk penyempurnaan skripsi ini. Penulis berharap bahwa skripsi ini dapat mendorong penelitian-penelitian lain yang meneruskan penelitian penulis sehingga dapat ditemukan membran alternatif lain yang lebih lebih baik untuk diaplikasikan dalam sel bahan bakar. Juni 2008
Penulis
vii
Daftar Isi Abstract .................................................................................................................................... ii Abstrak.................................................................................................................................... iii Ucapan Terimakasih ............................................................................................................... vi Daftar Isi ............................................................................................................................... viii 1. Daftar Gambar ..................................................................................................................... x 2. Daftar Tabel ........................................................................................................................ xi 2. Daftar Tabel ........................................................................................................................ xi 3. Daftar Lampiran................................................................................................................. xii 3. Daftar Lampiran................................................................................................................. xii 1.
Pendahuluan................................................................................................................ 1
1.1
Latar Belakang ............................................................................................................ 1
2.
Tinjauan Pustaka......................................................................................................... 4
2.1
2.1 Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) ................................................................................ 4
2.1.1
PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) ...................................................... 5
2.2
Kitin-Kitosan .............................................................................................................. 7
2.2.1
Struktur ....................................................................................................................... 7
2.3
Modifikasi Kitosan ..................................................................................................... 8
2.4
Sintesis dengan Gelombang Mikro............................................................................. 8
2.4.1
Gelombang Mikro (microwave).................................................................................. 9
2.4.2
Mekanisme Pemanasan dengan Gelombang Mikro.................................................... 9
2.4.3
Sintesis Kitosan Sulfat dengan Bantuan Gelombang Mikro..................................... 11
3.
Metodologi Penelitian............................................................................................... 13
3.1
Waktu dan Tempat Penelitian ................................................................................... 13
3.2
Alat dan Bahan yang Digunakan .............................................................................. 13
3.2.1
Alat............................................................................................................................ 13
3.2.2
Bahan ........................................................................................................................ 13
3.3
Pembuatan Membran Kitosan................................................................................... 14
3.3.1
Pembuatan Kitosan ................................................................................................... 14
3.3.2
Tahap Penghilangan Protein ( deproteinasi) ............................................................. 14
3.3.3
Tahap Penghilangan Mineral .................................................................................... 14
3.3.4
Tahap Deasetilasi Kitin............................................................................................. 14
3.3.5
Pembuatan Membran Kitosan................................................................................... 14 viii
3.3.6
Sintesis Membran Kitosan Sulfat dengan Gelombang Mikro................................... 15
3.3.7
Sintesis Membran Kitosan Sulfat dengan Metoda Konvensional............................. 15
3.4
Karakterisasi ............................................................................................................. 15
3.4.1
Karakterisasi dengan FTIR (Fourier Transform Infrared) ....................................... 15
3.4.2
Penentuan Derajat Deasetilasi Kitin ......................................................................... 16
3.4.3
Penentuan Massa Molekul Rata-Rata ....................................................................... 16
3.4.4
Penentuan Nilai Kapasitas Penukar Ion (Ion Exchange Capacity)........................... 16
3.4.5
Penentuan Nilai Temperatur Transisi Gelas dan Ketahanan Termal ........................ 17
3.4.6
Penentuan Nilai Permeabilitas Metanol.................................................................... 17
3.4.7
Uji Potensial Membran ............................................................................................. 18
3.4.8
Uji dengan Scanning Electron Microscope (SEM)................................................... 18
3.4.9
Penentuan Nilai Konduktivas Proton........................................................................ 19
4.
Hasil dan Pembahasan .............................................................................................. 20
4.1
Metoda Sintesis Membran Kitosan Sulfat Secara Konvensional dan dengan
Gelombang Mikro (Microwave) ............................................................................................ 20 4.2
Analisis Gugus Fungsi Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat.................................. 22
4.3
Analisis Nilai Kapasitas Penukar Ion (Ion Exchange Capacity) Membran Kitosan
dan Kitosan Sulfat.................................................................................................................. 23 4.4
Sifat Termal Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat.................................................. 25
4.4.1
Sifat Termal Berdasarkan Thermogravimetry Analysis/Differential
Thermogravimetry Analysis ................................................................................................... 25 4.4.2
Sifat Termal Berdasarkan Differential Scanning Calorimetry.................................. 26
4.5
Morfologi Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat ..................................................... 27
4.6
Analisis Hasil Uji Permeasi Metanol Membran ....................................................... 28
4.7
Potensial Membran dari Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat................................ 29
4.8
Konduktivitas Proton Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat.................................... 30
5.
Kesimpulan dan Saran .............................................................................................. 32
5.1
Kesimpulan ............................................................................................................... 32
5.2
Saran ......................................................................................................................... 32
Daftar Pustaka........................................................................................................................ 33 Lampiran ................................................................................................................................ 35
1.
ix
Daftar Gambar Gambar 1. 1 Jumlah sumber energi yang dibutuhkan dunia setiap tahun[1] ........................... 1 Gambar 1. 2 Emisi gas NOX, SOX, CO, hidrokarbon dan partikulat dari berbagai sumber polutan[2] ..................................................................................................................... 2 Gambar 2. 1 Struktur sel bahan bakar[3] ................................................................................. 4 Gambar 2. 2 Struktur dasar PEMFC[5].................................................................................... 5 Gambar 2. 3 Struktur Nafion .................................................................................................. 6 Gambar 2. 4 Struktur selulosa, kitin dan kitosan[6]................................................................. 7 Gambar 2. 5 Reaksi sulfonasi kitosan[9] ................................................................................. 8 Gambar 2. 6 Gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang gelombangnya ................... 9 Gambar 2. 7 Mekanisme pemanasan oleh gelombang mikro[12] .......................................... 10 Gambar 2. 8 Spektrum IR kitosan sulfat[14] .......................................................................... 11 Gambar 3. 1 Skema alat uji permeasi metanol[10] ................................................................. 18 Gambar 3. 2 Grafik pengaruh frekuensi terhadap nilai impedansi yang terukur.................. 19 Gambar 4. 1 Spektrum infra merah membran kitosan sulfat dari metoda konvensional...... 23 Gambar 4. 2 Spektrum infra merah membran kitosan sulfat yang disintesis dengan gelombang mikro ...................................................................................................... 23 Gambar 4. 3 Foto permukaan membran kitosan dan kitosan sulfat ..................................... 27 Gambar 4. 4 Potensial membran kitosan dan kitosan sulfat................................................. 29 Gambar 4. 5 Korelasi frekuensi dengan nilai impedansi nyata ............................................ 31
2.
x
Daftar Tabel Tabel 2. 1 Kitosan Sulfat yang Diperoleh dengan Gelombang Mikro pada Variasi Waktu Reaksi dan Daya Alat Penghasil Gelombang Mikro[14] ............................................ 12 Tabel 4. 1 Korelasi Daya Alat Penghasil Gelombang Mikro dan Temperatur...................... 21 Tabel 4. 2 Kapasitas Penukar Ion Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat ............................. 24 Tabel 4. 3 Sifat Termal Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat ............................................. 25 Tabel 4. 4 Temperatur Transisi Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat................................. 26 Tabel 4. 5 Permeabilitas Metanol pada Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat..................... 28 Tabel 4. 6 Hasil pengolahan data potensial membran ........................................................... 30
3.
xi
Daftar Lampiran Lampiran A. Spektrum IR Kitin, Kitosan dan Kitosan Sulfat.............................………….34 Lampiran B. Penentuan Derajat Deasetilasi dan Massa Molekul Kitosan............................37 Lampiran C. Termogram TG/DTA Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat.........................39 Lampiran D. Gambar Membran Kitosan dan Kitosan Sulfat............………….....….…..…42
xii
