Sintesis Membran Kitosan-Tetraetilortosilikat (TEOS) Sebagai Membran Fuel Cell Pada Suhu Tinggi Synthesis Membrane Chitosan-Tetraetilortosilicate (TEOS) as Membrane for Higher Temperature Fuel Cells
SKRIPSI
NILA TANYELA BERGHUIS 10503030
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Yang bertanda tangan dibawah ini :
Nama : NILA TANYELA BERGHUIS NIM
: 10503030
Menyatakan bahwa penulis skripsi dengan Judul : Sintesis Membran Kitosan-Silika sebagai elektrolit pada Direct Methanol Fuel Cell dibawah bimbingan : Ibu Sadijah Achmad, DEA dan Dr.M.Ali Zulfikar Adalah benar-benar skripsi tersebut hasil karya tulis berdasarkan data hasil eksperimen penulis selama melakukan Tugas Akhir Sarjana di Program Studi Kimia FMIPA-ITB.
Dengan ini penulis melimpahkan Hak Cipta dari karya tulis Skripsi tersebut kepada Program Studi Kimia FMIPA-ITB.
Bandung,
2008
Sintesis Membran Kitosan-Tetraetilortosilikat (TEOS) Sebagai Membran Fuel Cell Pada Suhu Tinggi
SKRIPSI
NILA TANYELA BERGHUIS 10503030
PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
Abstract Nowaday, oil fuel is main resources energy in the world. So, petroleum crisis was making a big problem which have to find out the alternative. One of the alternative is a fuel cell. Direct methanol fuel cell (DMFC) is a kind of fuel cell. Fuel cell construction generally consists of a fuel electrode (anode) and an oxidant electrode (cathode) separated by an ion-conducting membrane. In fuel cell construction, electrolite membrane play an important rule.The purpose of this research is synthesis chitosan and chitosan-tetraetilortosilicate (TEOS) membrane as a electrolite membrane for high temperature fuel cells. Result of this research showed that chitosan give 79,3% deasetilation degree. Beside that membrane chitosan-TEOS was succesfully synthesize under the suggestion condition. Existance of silica and silanol group in membrane matrix was prove by spectra IR. The membrane was named with CTSN, CTSN-0,5, CTSN-1, CTSN-1,5, and CTSN-2 code for easy of analysis. Resistance membrane toward temperatures as a one of the characterization membran reach to 1200C. The biggest value of ionic exchange was showed in CTSN-1,5 membrane as big as 0,114 meq/gram. The permeability measurement of methanol showed that the membrane have to modification. SEM analysis showed that membrane are porous.
Key word : Chitosan, Membrane Chitosan-TEOS, DMFC
Abstrak
Bahan bakar minyak merupakan sumber energi utama di dunia saat ini. Krisis minyak bumi telah menyebabkan masalah besar. Oleh karena itu harus dicari energi alternatif. Salah satunya adalah fuel cell. DMFC merupakan salah satu jenis fuel cell. DMFC terdiri dari katoda, anoda, dan membran elektrolit. Membran elektrolit sangat penting peranannya dalam fuel cell. Tujuan dari penelitian ini adalah mensintesis membran kitosan dan kitosan-TEOS sebagai membran elektrolit yang digunakan pada fuel cell suhu tinggi. Pada penelitian ini telah berhasil disintesis kitosan dengan derajat deasetilasi 79,3 %. Membran kitosan-TEOS telah berhasil disintesis. Keberadaan gugus silika dan silanol pada matrik membran telah dibuktikan melalui spektrum IR .Untuk memudahkan analisis, membran dinamai dengan kode CTSN, CTSN-0,5, CTSN-1, CTSN-1,5, dan CTSN-2. Karakterisasi membran berupa: ketahanan terhadap suhu mencapai suhu 120 0C, adapun nilai pertukaran ion yang terbesar diperoleh pada membran CTSN-1,5 sebesar 0,114 meq/gram. Pengukuran permeabilitas metanol menunjukkan perlunya modifikasi terhadap membran. Analisis SEM menunjukkan bahwa membran berpori. Kata Kunci : Kitosan, Membran Kitosan-TEOS, DMFC
Program Studi Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Bandung
Menerangkan bahwa skripsi yang disusun oleh:
Nama : Nila Tanyela Berghuis NIM
: 10503030
telah disetujui sebagai persyaratan untuk mendapatkan gelar Sarjana Kimia
Bandung,
Juni 2008
Pembimbing I
Pembimbing II
Drs. Sadijah Achmad, DEA.
Dr. Muhammad Ali Zulfikar
NIP 130 543 846
NIP 132 162 444
“ Allah akan meninggikan orang-orang yang beriman diantara kamu. Dan orangorang yang diberi ilmu pengetahuan beberapa derajat. Dan Allah Maha Mengetahui apa yang kamu kerjakan” (QS Al-Mujadilah 58:1)
KETIKA KITA HIDUP UNTUK KEPENTINGAN PRIBADI ,HIDUP INI TAMPAK SANGAT PENDEK DANyang KERDIL, Untuk Allah SWT Maha Memiliki ILMU, Ia Bermula saat Kita Mulai Mengerti Ibu dan Akan Tercinta, Sahabat-sahabat yang Sedang Usia Berjuang Di Jalan berakhir bersama Berakhrinya Kita Yang ALLAH, terbatas. Keep Fight, serta ikhwahfillah yang merindukan Tapi Apabilawanginya Kita Hidup Untuk orang surga. ALLAHU AKBAR
Lain, Yakni Hidup Untuk memperjuangkan sebuah fikhrah maka kehidupan ini akan terasa panjang dan Memiliki Makna Yang Dalam.
Ia bermula Bersama Mulainya Kehidupan manusia dan membentang beberapa masa setelah kita berpisah dengan Permukaan Bumi.(Sayyid Qutbh)
Untuk ALLAH SWT Yang Maha Memiliki ILMU serta Kehidupan, Ibu Tercinta dan Ayah beserta keluarga besar Ibu Amilah.
Penghargaan Allah terhadap para syuhada'
Sesungguhnya Allah telah membeli dari orang-orang mukmin diri dan harta mereka dengan memberikan surga untuk mereka. Mereka berperang pada jalan Allah; lalu mereka membunuh atau terbunuh. (Itu telah menjadi) janji yang benar dari Allah di dalam Taurat, Injil dan Al Quran. Dan siapakah yang lebih menepati janjinya (selain) daripada Allah? Maka bergembiralah dengan jual beli yang telah kamu lakukan itu, dan itulah kemenangan yang besar. (Q.S AT-TAUBAH : 111)
ix
Ucapan Terima Kasih
Alhamdulillahirrabilalamin, Segala puji hanya milik Allah SWT, Shalawat serta salam selalu tercurahkan kepada Nabi Besar Kita, Nabi Muhammad SAW. Atas ijin Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi tugas akhir ini. Pada kesempatan kali ini, penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih , penghargaan dan penuh rasa cinta, kasih sayang, kepada Ibu, Kakak ,adik, serta Ayah, dan adik-adik nan jauh disana, Semoga Allah melimpahkan keberkahanNya atas segala pengorbanan yang diberikan kepada penulis selama penulis diberi kesempatan untuk hidup didunia ini.Termasuk dalam penyelesaian skripsi ini. Penulisan skripsi ini tentunya tidak lepas dari bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan permintaan maaf yang sebesar-besarnya dan terima kasih yang setulus-tulusnya serta teriring doa semoga Allah SWT membalas setiap kebaikan dengan kebaikan yang berlipat ganda, kepada 1. Ibu Sadijah Achmad, DEA, selaku pembimbing I penulis, atas segala bimbingan dalam penyusunan skripsi ini. Semoga Allah memberikan kesehatan, serta limpahan keberkahan kepada Ibu sekeluarga. 2. Bapak Muhammad Ali Zulfikar, selaku Pembimbing ke-dua, 3. Ibu Deana Wahyuningrum, yang telah banyak memberikan nasihat kepada penulis. 4. Bapak Achmad Rochliadi selaku wali penulis . 5. Seluruh staf dosen Program Studi Kimia ITB terutama kepada bapak Ahmad Rochliadi yang pernah menjadi dosen wali penulis, atas motivasi yang pernah diberikan, atas do’a, dan kepercayaan yang telah diberikan kepada penulis sehingga penulis bisa menyelesaikan masa kuliah di Kimia ini. 6. Seluruh staff dan karyawan Prodi Kimia, terutama Pak Dede Suhendar atas segala bantuan, dukungan, dan berbagi cerita selama ini, Pak Sukawi, Pak Lanang, Pak Sudrajat, Pak Enchu, Pak Yadi, Pak Budi, Pak Win, Bu Soni, Pak Wandi, M’ Handi dan rekan-rekan yang selalu sabar dalam membuka jalan menuju selesainya TA ini, dan para petugas perpustakaan. 7. Para Murrabi, terutama (alm. Ustad Rahmat Abdullah) yang telah memberikan inspirasinya kepada penulis, yang telah menjadi jalan bagi penulis untuk Mengenal
x
8. Allah, untuk mengenal hakikat kehidupan ini. Semoga Allah memberkahi setiap langkah perjalanan Ikhwahfillah . 9. Adik-adik ISC yang telah memberikan warna kepada penulis, yang telah menemani penulis untuk mengenal keMahabesaran Allah SWT : Ghaida Tsurayya, Endah Widaningsih, Irma Jelita, Frizda Priambana, Merisa Damayanti, Rahmi, Amaliyah Dwi Kanty, Dwi Ayu Oktaviani, Fillian umumiah, Dwita , Miftha ,Wiwit Ridhani, Endah nur Endah dll. 10. Adik-adik di UNPAS,: Ayu, Ika, Tika, dan Nur.
Anti adalah aset peradaban
kebangkitan Islam. Terus Berjuang Ukh, hingga Allah memberikan janjiNya yaitu tempat yang terbaik disisi-Nya. 11. Sahabat-sahabat di Kamamuki,, : Dian Kurniasih, Fani Ferdiana, Elviera, Nurin, Waffa Ubaid Salam, Wiwit kurniasih tulus, Werdi Retno , Yuli, Rizki Triandini, Sofi Siti Sofiah, Fitrah Sabrina, Sandyka Agustina, Elsie Viendra, Ervin Dwi Marsha , dll.Ditangan akhwatfillah sekalian Peradaban Islam akan kembali terwujud. 12. Sahabat-sahabat di GAMAIS, serta seluruh aktivis (ikhwahfillah) di ITB, terutama angkatan 2003, : helni, linda, mutiara, arin serta yang lainnya yang tidak bisa penulis ungkapkan. 13. Sahabat –sahabat kimia 2003, terutama : Fitri, Erma ,Meta, Puji, Mukti, Ristny, Ami. 14. Teteh-teteh dan akang-akang Kimia 2001,2002. serta adik-adik kimia 2005, dan 2006. Teruslah Berkarya. 15. Dan Yang terakhir, siapapun antum, dimanapun antum berada .Jazakillah atas penantiannya, semoga Allah mempertemukan kita pada waktu dan tempat yang terbaik. Mari kita bersama-sama luruskan niat serta mempersiapkan diri untuk mendapatkan rahmat Allah Yang Maha Besar, ketika Allah pertemukan kita dalam sebuah ikatan suci yang berlandaskan Cinta-NYA. Amin Maaf bagi yang tidak tertuliskan namanya, karena keterbatasan penulis untuk melihat kebaikan sahabat-sahabat. Semoga Allah yang melimpahkan Berkah-Nya. Semoga Allah melimpahkan segala kebaikan yang selama ini bapak, ibu, sahabat-sahabat, serta adik2 berikan .(Segala Kebaikan itu akan kembali kepada pemiliknya ) Bandung, 9 Juni 2008 Penulis Nila Tanyela Berghuis (Seorang hamba yang mengharapkan Keridhaan-NYA)
xi
Daftar Isi Abstract .................................................................................................................................... ii Abstrak .................................................................................................................................... vi Ucapan Terima Kasih............................................................................................................... x Daftar Isi ................................................................................................................................xii Daftar Gambar.......................................................................................................................xiii 1
Pendahuluan ................................................................................................................. 3 1.1
Latar Belakang Masalah........................................................................................... 3
1.2
Perumusan Masalah ................................................................................................. 3
1.3
Tujuan Penelitian ..................................................................................................... 4
1.4
Ruang Lingkup Penelitian........................................................................................ 4
2
Tinjauan Pustaka .......................................................................................................... 5 2.1
Fuel Cell .................................................................................................................. 5
2.1.1
Sejarah dan perkembangan fuel cell .................................................................... 5
2.1.2 Prinsip kerja fuel cell............................................................................................ 6 2.1.3
Tipe-tipe fuel cell ................................................................................................. 7
2.1.4
Kelebihan fuel cell.............................................................................................. 12
2.2
Direct Metanol Fuel Cell (DMFC)..................................................................... 14
2.3
Kitin 16
2.3.1
Sumber kitin ....................................................................................................... 16
2.3.2
Struktur dan sifat kimia...................................................................................... 18
2.4
Kitosan ................................................................................................................... 21
2.4.1
Struktur dan sifat kimia...................................................................................... 21
2.4.2
Aplikasi kitosan.................................................................................................. 23
2.5
Tetraetilortosilikat (TEOS) ................................................................................ 24
2.6
Membran ................................................................................................................ 24
2.6.1
Pengertian dan klasifikasi .................................................................................. 24
2.6.2
Teknik pembuatan membran.............................................................................. 26
2.6.3
Membran sebagai elektrolit............................................................................... 28
2.6.4
Transfor membran.............................................................................................. 29
2.6.5
Mekanisme transfor proton pada nafion ............................................................ 30
2.7
Sol-Gel ................................................................................................................... 33
2.8
Karakterisasi........................................................................................................... 35
2.8.1
FTIR (Fourier Transmitan Infra Red) ............................................................... 35
2.8.2
Berat molekul rata-rata (Mv ) ......................................................................... 36
2.8.3
Permeabilitas membran terhadap metanol ................................................... 37
2.8.4
Konduktivitas proton....................................................................................... 40
2.8.5
Scanning Electron Microscopy (SEM ) ......................................................... 41
3
Metodologi Penelitian ................................................................................................ 43 3.1
Alat dan Bahan....................................................................................................... 44
3.1.1 Alat
44
3.1.2
45
3.2
Bahan
Prosedur Penelitian................................................................................................. 45
3.2.1
Isolasi Kitin ........................................................................................................ 46
3.2.2
Konversi Kitin menjadi Kitosan......................................................................... 47
3.2.3
Sintesis Membran Kitosan ................................................................................. 47
3.2.4
Sintesis Membran Kitosan-TEOS ..................................................................... 47
3.3
Karakterisasi Kitosan ............................................................................................. 48
3.3.1
Karakterisasi FTIR ............................................................................................. 48
3.3.2
Penentuan Derajat Deasetilasi............................................................................ 48
3.3.3
Penentuan Masa molekul rata-rata (MV)............................................................ 48
3.3.4
Uji Kelarutan Kitosan dalam Larutan Asam Asetat........................................... 49
3.4
Karakterisasi Membran Kitosan –TEOS................................................................ 49
4.1.1
Analisis spektrofotometri FTIR ......................................................................... 49
4.1.2
Derajat penyerapan air ....................................................................................... 49
4.1.3
Kapasitas penukar ion ( Ion H+)......................................................................... 50
4.1.4
Parameter suhu terhadap membran .................................................................... 50
4.1.5
Penentuan permeabilitas metanol....................................................................... 50
4.1.6
Konduktivitas proton.......................................................................................... 50
4.1.7
SEM
4
51
Hasil dan Pembahasan ............................................................................................... 52 4.1
Isolasi Kitin ............................................................................................................ 52
4.2
Konversi Kitin menjadi Kitosan............................................................................. 54
4.3
Karakterisasi Kitin dan Kitosan ............................................................................. 55
4.4
Membran Kitosan dan Membran Kitosan-TEOS................................................... 58 xiii
4.5
Pengaruh Suhu terhadap Membran ........................................................................ 62
4.6
Analisis Derajat Penyerapan Air............................................................................ 64
4.7
Analisis Kapasitas Penukar Ion.............................................................................. 65
4.8
Analisis Permeabilitas Metanol.............................................................................. 66
4.9
Analisis Konduktivitas Membran .......................................................................... 68
4.10
Scanning Electron Microscopy (SEM) ................................................................. 70
5
6
Kesimpulan dan Saran................................................................................................ 72 5.1
Kesimpulan ............................................................................................................ 72
5.2
Saran 72 Daftar Pustaka ............................................................................................................ 73
xiv
Daftar Tabel
Tabel 2.1 Aplikasi Fuel Cell dalam sistem H2/O2................................................................12 Tabel 2.2 Emisi Pencemaran Udara dari Jenis-jenis FuelCell.............................................12 Tabel 2.3 Sumber kitin ........................................................................................................16 Tabel 4.1
Persen kehilangan berat dari sintesis kitosan......................................................54
Tabel 4.2
Persen Kelarutan Kitosan…................................................................................56
Tabel 4.3 Data Spektrum Inframerah Kitosan......................................................................57 Tabel 4.4 Data Spektrum Inframerah Kitosan-TEOS (CTSN-1,5)......................................60 Tabel 4.5 Data Persen Kehilangan Berat pada Berbagai Suhu............................................63 Tabel 4.6 Data Persen Penyerapan Air Variasi Suhu...........................................................64 Tabel 4.7 Data Nilai Ion H+ pada setiap suhu......................................................................66 Tabel 4.8 Data Permeabilitas Metanol pada Membran........................................................68
xv
Daftar Gambar
Gambar 2.1
Sel tunggal suatu sistem fuel cell (Renewable energy,2007) ...............................7
Gambar 2.2
Skema kerja dari molten carbonat fuel cell (Renewable energy,2002).………............................................................................... .............8
Gambar 2.3
Skema kerja SOFC (Renewable energy technologies,2002)……………......….9
Gambar 2.4
Skema kerja dari PAFC(Renewable energy technologies,2002)….…...…........10
Gambar 2.5
Skema kerja dari PEMFC(Renewable energy technologies,2002)…….............11
Gambar 2.6
Skema kerja dari AFC(Renewable energy technologies,2002)………..…........11
Gambar 2.7
Perbandingan efisiensi fuel cell dengan mesin konvensional (Micro-vett.it, 2006)...................................................................................... ….........................13
Gambar 2.8
Transformasi energi untuk keluaran energi mekanik.................. .......................14
Gambar 2.9
Skema sel Direct Methanol Fuel Cell (DMFC).................................................15
Gambar 2.10
Level hierarki pada matrik kitin-protein pada kutikula crustacean. ….............17
Gambar 2.11
Strukturkitin........................................................................................................18
Gambar 2.12
Perbedaan kitin, sellulosa, dan kitosan, terletak pada C 2…..............................18
Gambar 2.13
Struktur kristal α-kitin pada berbagai bidang kisi kristal (Rinaudo,2006)..........19
Gambar 2.14
Struktur anhydrous β-kitin (Rinaudo,2006)........................................................19
Gambar 2.15
Rantai polimer dari kitin......................................................………….……......19
Gambar 2.16
Ikatan hidrogen intramolekul pada struktur kitin…………….…....…..….........20
Gambar 2.17
Struktur glukosamin dan N-acetylglukosamin....................................................20
Gambar 2.18
Struktur unit kitosan ...........................................................................................22
Gambar 2.19
Struktur polimer kitosan......................................................................................22
Gambar 2.20
Interaksi hidrogen intramolekuler pada kitosan..................................................23
Gambar 2.21
Struktur TEOS ....................................................................................................24
Gambar 2.22
Skema umum membran (Mulder, 1996).............................................................25
Gambar 2.23
Polielektrolit penukar kation dan anion........................................................25
Gambar 2.24
Struktur nafion..............................................................................................28
Gambar 2.25
Proses transpor pasif dalam membran...........................................................29
Gambar 2.26
Gejala fouling................................................................................................30
Gambar 2.27
Transpor proton dalam air.............................................................................31
Gambar 2.28
Konformasi pasangan CFSO dan ion hidronium dengan dua molekul air...32
Gambar 2.29
Konformasi pasangan CFSO dan ion hidronium dengan lima molekul air..32
Gambar 2.30
Konformasi dua gugus sulfonat dengan enam molekul air..........................33
Gambar 2.31
Reaksi umum proses pembentukan fasa.......................................................34
Gambar 2.32
Mekanisme hidrolisis....................................................................................34
Gambar 2.33
Mekanisme kondensasi.................................................................................34
Gambar 2.34
Analisa semi kuantitatif dalam spektrometri IR dengan metode baseline....36
Gambar 2.35
Skema alat sel difusi .....................................................................................38
Gambar 2.36
Skema pendekatan dalam proses difusi ........................................................38
Gambar 2.37
Kurva IS membran BAM ............................................................................40
Gambar 2.38
Sirkuit listrik yang analog dengan kurva IS..................................................41
Gambar 2.39
Skema proses SEM.......................................................................................42
Gambar 3.1
Skema alur umum sintesis kitosan................................................................44
Gambar 3.2
Diagram Alir Sintesis kitosan........................................................................46
Gambar 4.1
Struktur astaxanthi dan cantaxantin.............................................................53
Gambar 4.2
Mekanisme rekasi konversi kitin menjadi kitosan........................................55
Gambar 4.3
Spektrum inframerah khitosan…..................................................................56
Gambar 4.4
Spektrum inframerah kitin............................................................................57
Gambar 4.5
Mekanisme hidrolisis dan kondensasi dari TEOS........................................59
Gambar 4.6
Spektrum inframerah membran CTSN-1,5..................................................60
Gambar 4.7
Mekanisme pengikatsilangan kitosan-TEOS …...........................................61
Gambar 4.8
Interasksi kitosan-TEOS...............................................................................62
Gambar 4.9
Mekanisme lepasnya air................................................................................63
Gambar 4.10
Grafik perubahan nilai ion H+ variasi penambahan TEOS...........................65
-
®
Gambar 4.11
Grafik perubahan konsentrasi metanol terhadap waktu permeasi.................67
Gambar 4.12
Grafik penentuan koefisien permeabilitas metanol.......................................68
Gambar 4.13
Grafik konduktivitas proton pada membran CTSN dan membran CTSN-1,5 1.................................................................................................,.69
Gambar 4.14
SEM dari membran CTSN dan membran CTSN-1,5....................................71
