SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN …...perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id commit to user iv SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI DENGAN ZEOLIT

perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id

commit to user

i

SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KOMPOSIT

POLISTIRENA TERSULFONASI DENGAN ZEOLIT UNTUK

APLIKASI MEMBRAN POLIMER ELEKTROLIT

Disusun oleh:

ARIS WICAKSONO

NIM. M0307030

SKRIPSI

Ditulis dan diajukan untuk memenuhi sebagian

persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Kimia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SEBELAS MARET

SURAKARTA

JULI, 2012


commit to user

ii


commit to user

iii

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul

“SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA

TERSULFONASI DENGAN ZEOLIT UNTUK APLIKASI MEMBRAN

POLIMER ELEKTROLIT” adalah benar-benar hasil penelitian sendiri dan tidak

terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu

perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat kerja atau

pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara

tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, Juli 2012

Aris Wicaksono


commit to user

iv

SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI DENGAN ZEOLIT UNTUK APLIKASI

MEMBRAN POLIMER ELEKTROLIT

ARIS WICAKSONO Jurusan Kimia. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.

Universitas Sebelas Maret

ABSTRAK

Telah dilakukan pembuatan membran komposit polistirena tersulfonasi/zeolit untuk aplikasi membran polimer elektrolit (PEM). Dalam penelitian ini, polistirena tersulfonasi (PST) disintesis melalui proses sulfonasi pada polistirena (PS) menggunakan agen sulfonasi asetil sulfat dalam pelarut diklorometana dengan variasi konsentrasi asetil sulfat. Pembuatan membran komposit menggunakan metode inversi fasa dengan pencetakan larutan campuran pada plat gelas. Larutan campuran dibuat dengan melarutkan PST, polietilen glikol (PEG), dan zeolit dalam pelarut dimetil asetamida (DMAc) dengan variasi jenis dan konsentrasi zeolit % (b/b). Polimer dan membran komposit yang dihasilkan dikarakterisasi dengan spektroskopi inframerah (IR), X-ray Difractometer (XRD), analisis kapasitas tukar kation (KTK), analisis derajat pengembangan, analisis morfologi, dan analisis termal.

Hasil analisis gugus fungsi menunjukkan bahwa PST dan membran kompositnya berhasil disintesis. Kehadiran partikel zeolit dalam komposisi membran mampu meningkatkan nilai KTK dan derajat pengembangan membran. Nilai KTK membran komposit PST/zeolit alam (KZA) hampir sama dengan membran komposit PST/zeolit sintetik (KZS) yaitu sebesar 1,17 meq/g akan tetapi membran KZS memiliki nilai derajat pengembangan yang lebih rendah daripada KZA yaitu sebesar 15,68 %. Analisis morfologi menunjukkan permukaan membran KZS lebih homogen dibanding membran KZA. Analisis kristalografi menunjukkan PS dan PST bersifat amorf sedangkan membran kompositnya mengalami peningkatan kristalinitas. Analisis termal menunjukkan penambahan zeolit mampu meningkatkan ketahanan termal membran dan hampir semua membran komposit yang dihasilkan mengalami tiga tahap degradasi yaitu pelepasan molekul air, degradasi rantai utama PEG, dan degradasi rantai utama PST. Berdasarkan data yang diperoleh, membran komposit ini berpotensi besar untuk diaplikasikan sebagai material membran polimer elektrolit. Kata Kunci : polistirena, sulfonasi, zeolit, komposit, membran polimer elektrolit


commit to user

v

SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF SULFONATED POLYSTYRENE WITH ZEOLITE COMPOSITE MEMBRANE FOR

POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE APPLICATIONS

ARIS WICAKSONO Department of Chemistry. Mathematic and Natural Science Faculty.

Sebelas Maret University

ABSTRACT

Synthesis of sulfonated polystyrene/zeolite composite membrane for polymer electrolyte membrane (PEM) applications has been done. In this research, sulfonated polystyrene (SPS) was synthesized through sulfonation of polystyrene (PS) using the acetyl sulfate as sulfonation agent in dichloromethane with varying concentration of acetyl sulfate. The composite membranes were prepared with casting solution onto glass plate. The solutions were prepared by dissolving the sulfonated polystyrene, poly(ethylene glycol), and zeolite in DMAc (dimethylacetamide) with varying type and concentration of zeolite % (w/w). Polymer and the resulting composite membranes were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffractometer (XRD), cation exchange capacity (CEC), swelling degree, morphology, and thermal analysis.

Analysis of functional group indicated that sulfonated polystyrene and the composite membrane have been synthesized. The CEC and swelling degree of the composite membrane increased with the presence of zeolite particle in membrane composition. The CEC value of the natural zeolite composite membrane (NZC) equal with the synthetic zeolite composite membrane (SZC) that is 1.17 meq/g. However, SZC membrane has lower of swelling degree than NZC membrane that’s 15.68 %. Morphology analysis showed that the surface of SZC membrane seen more homogeneous than NZC membrane. Crystallography analysis indicated that both PS and SPS are amorphous, while the crystallinity of composite membrane is increased. Thermal analysis showed that the presence of zeolite particle in membrane composition can enhanced thermal stability of the composite membrane. According data result, these composite membranes are can be uses as PEM material. Keyword : polystyrene, sulfonation, zeolite, composite, polymer electrolyte

membrane


commit to user

vi

MOTTO

v ”UNS, World Class University !!!”, Mahasiswa perkasa, UNS juara !!!

v “Kesuksesan adalah 99 % kerja keras dan 1 % doa”

v “Lebih baik gagal setelah mencoba daripada diam tidak melakukan apa-

apa”

v “Tidak ada kata terlambat untuk belajar”

v “….coba kau lihat dirimu dahulu, sebelum kau nilai kurangnya

diriku…apa salahnya hargai diriku, sebelum kau nilai siapa diriku”

(Armada)

v “Lakukan apa yang bisa dikerjakan hari ini tanpa harus menunda hingga

esok hari”

v Satu kata, satu hati, satu suara….”We are the Champion”


commit to user

vii

PERSEMBAHAN

Skripsi ini aku persembahkan kepada :

Ø Bapak dan Ibu tercinta

Ø Kakak-kakakku dan adik-adikku yang kusayang

Ø Keponakan-keponakanku yang selalu memberikan

keceriaan kepadaku

Ø Dosen-dosen jurusan Kimia yang telah mendidikku

Ø Teman-teman seperjuangan Kimia angkatan 2007

semuanya

Ø Jurusan Kimia, tempatku berjuang menuntut ilmu

Ø UNS, almamaterku yang sangat aku banggakan

Ø Segenap Pembaca karya tulis ini


commit to user

viii

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala atas

segala limpahan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan

skripsi dengan judul “Sintesis dan Karakterisasi Membran Komposit Polistirena

Tersulfonasi dengan Zeolit Untuk Aplikasi Membran Polimer Elektrolit”. Pada

kesempatan kali ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada :

1. Bapak Prof. Ir. Ari Handono Ramelan, M.Sc.(Hons), Ph.D, selaku Dekan

FMIPA UNS

2. Bapak Dr. Eddy Heraldy, M.Si., selaku Ketua Jurusan Kimia FMIPA UNS

3. Bapak Edi Pramono, M.Si., selaku Pembimbing I

4. Bapak I. F. Nurcahyo, M.Si., selaku Pembimbing II sekaligus ketua Lab

Dasar Kimia FMIPA UNS

5. Bapak Drs. Mudjijono, Ph.D, selaku pembimbing akademik penulis

6. Bapak Dr. rer. nat. A. Heru Wibowo, M.Si., selaku Ketua Sub-Lab Kimia

Pusat MIPA UNS

7. Bapak dan Ibu dosen Jurusan Kimia FMIPA UNS

8. Teman-teman Kimia FMIPA UNS khususnya angkatan 2007

9. Semua pihak yang telah membantu terselesaikannya skripsi ini, yang tidak

bisa penulis sebutkan satu-persatu.

Semoga Allah SWT membalas jerih payah dan pengorbanan yang telah

diberikan dengan balasan yang lebih baik. Amiin.

Penulis menyadari bahwa banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini.

Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran untuk

menyempurnakannya. Namun demikian, penulis berharap semoga skripsi ini

bermanfaat bagi pembaca.

Surakarta, Juli 2012

Penulis


commit to user

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL.......................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN............................................................................ ii

HALAMAN PERNYATAAN ........................................................................... iii

HALAMAN ABSTRAK..................................................................................... iv

HALAMAN ABSTRACT.................................................................................. v

HALAMAN MOTTO......................................................................................... vi

HALAMAN PERSEMBAHAN......................................................................... vii

KATA PENGANTAR....................................................................................... viii

DAFTAR ISI ...................................................................................................... ix

DAFTAR TABEL.............................................................................................. xii

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiii

DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN .................................................................................. 1

A. Latar Belakang Masalah .................................................................. 1

B. Perumusan Masalah ......................................................................... 2

1. Identifikasi Masalah ..................................................................... 2

2. Batasan Masalah .......................................................................... 5

3. Rumusan Masalah ........................................................................ 5

C. Tujuan Penelitian ............................................................................. 5

D. Manfaat Penelitian ........................................................................... 6

BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................ 7

A. Tinjauan Pustaka .............................................................................. 7

1. Sel Bahan Bakar (Fuel Cell) ....................................................... 7

2. Membran Polimer Elektrolit dalam Sel Bahan Bakar ................. 10

3. Agen Sulfonasi ............................................................................. 12

4. Polistirena (PS) ............................................................................ 13

5. Polistirena Tersulfonasi (PST) ..................................................... 14

6. Zeolit ............................................................................................ 15

7. Karakterisasi Sampel.................................................................... 18


commit to user

x

B. Kerangka Pemikiran ........................................................................ 22

C. Hipotesis .......................................................................................... 24

BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................................... 25

A. Metode Penelitian ............................................................................ 25

B. Tempat dan Waktu Penelitian .......................................................... 25

C. Alat dan Bahan ................................................................................. 25

D. Prosedur Penelitian .......................................................................... 26

1. Preparasi dan Karakterisasi Zeolit ............................................... 26

2. Pembuatan Asetil Sulfat ............................................................... 26

3. Pembuatan Polistirena Tersulfonasi ............................................. 26

4. Pembuatan Membran Komposit................................................... 27

5. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK) ...................................... 27

6. Analisis Gugus Fungsi ................................................................. 28

7. Analisis Kristalinitas Sampel ....................................................... 28

8. Analisis Termal ............................................................................ 28

9. Analisis Derajat Pengembangan (DP) .......................................... 29

E. Teknik Pengumpulan Data ............................................................... 29

F. Teknik Analisis Data .. ..................................................................... 30

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................... 32

A. Analisis Mineral Zeolit .................................................................... 32

B. Analisis Gugus Fungsi Sampel Zeolit .............................................. 33

C. Sintesis Polistirena Tersulfonasi ...................................................... 35

1. Analisis Gugus Fungsi Polistirena dan Polistirena

Tersulfonasi .................................................................................. 38

2. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK), Derajat Sulfonasi

(DS), dan Rendemen dari Polistirena Tersulfonasi ....................... 40

3. Analisis Termal Polistirena (PS), Polistirena Tersulfonasi (PST),

dan Zeolit ..................................................................................... 42

D. Sintesis Membran Komposit ............................................................ 45

1. Analisis Gugus Fungsi Membran Komposit .............................. 47


commit to user

xi

2. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK) dan Derajat

Pengembangan (DP) Membran Komposit ................................. 49

3. Analisis Morfologi .................................................................... 52

4. Analisis Kristalinitas Membran Komposit ................................ 54

5. Analisis Termal Membran Komposit ........................................ 56

BAB V PENUTUP............................................................................................. 60

A. Kesimpulan ..................................................................................... 60

B. Saran ................................................................................................ 61

DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................... 62

LAMPIRAN ...................................................................................................... 66


commit to user

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Perbandingan Komposisi Material Penyusun Membran

Komposit ........................................................................................... 27

Tabel 2. Data Pengukuran KTK Membran Komposit .................................... 29

Tabel 3. Perbandingan Nilai d Sampel Zeolit ................................................. 33

Tabel 4. Serapan Bilangan Gelombang Gugus Fungsi dari Membran

Komposit ........................................................................................... 48

Tabel 5. Nilai KTK dan DP Membran Komposit. ........................................... 49

Tabel 6. Data Perhitungan Rendemen PST. ..................................................... 66

Tabel 7. Data Perhitungan Kapasitas Tukar Kation (KTK) dari PST. ............. 67

Tabel 8. Data Perhitungan Derajat Sulfonasi (DS) dari PST. .......................... 68

Tabel 9. Data Perhitungan Kapasitas Tukar Kation (KTK) dari

Membran Komposit. .......................................................................... 69

Tabel 10. Data Perhitungan Derajat Pengembangan (DP) dari Membran

Komposit. ........................................................................................... 70


commit to user

xiii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Skema sel bahan bakar .................................................................. 7

Gambar 2. Reaksi pembuatan asetil sulfat ...................................................... 13

Gambar 3. Struktur polistirena ........................................................................ 13

Gambar 4. Struktur polistirena tersulfonasi .................................................... 14

Gambar 5. Tetrahedra alumina dan silika (TO4) pada struktur zeolit ............ 16

Gambar 6. Struktur kimia zeolit ...................................................................... 16

Gambar 7. Struktur pori dalam zeolit .............................................................. 16

Gambar 8. Spektra XRD sampel zeolit .......................................................... 32

Gambar 9. Spektra IR sampel zeolit .............................................................. 34

Gambar 10. Reaksi sulfonasi polistirena .......................................................... 36

Gambar 11. Polistirena (A) dan polistirena tersulfonasi (B) ........................... 37

Gambar 12. Spektra IR polistirena dan dan polistirena tersulfonasi ................ 38

Gambar 13. Pengaruh konsentrasi agen sulfonasi terhadap nilai KTK dan

rendemen ....................................................................................... 40

Gambar 14. Pengaruh konsentrasi agen sulfonasi terhadap derajat

sulfonasi (DS) ................................................................................. 41

Gambar 15. Termogram PS dan PST dengan variasi konsentrasi agen

sulfonasi ....................................................................................... 43

Gambar 16. Termogram zeolit, PS, PST, dan membran PST .......................... 44

Gambar 17. Membran komposit PST tanpa penambahan zeolit (KTZ) ........ 46

Gambar 18. Membran KZS dengan variasi konsentrasi zeolit sintetik (A)

dan membran KZA dengan variasi konsentrasi zeolit

alam (B) ........................................................................................ 46

Gambar 19. Spektra IR membran komposit ..................................................... 47

Gambar 20. Pengaruh konsentrasi zeolit sintetik terhadap nilai KTK dan

derajat pengembangan (DP) ......................................................... 50

Gambar 21. Pengaruh konsentrasi zeolit alam terhadap nilai KTK dan

derajat pengembangan (DP) ......................................................... 51

Gambar 22. Morfologi permukaan membran KTZ berbagai posisi ................. 53


commit to user

xiv

Gambar 23. Morfologi membran komposit KZA 3 % (A), KZA 5 % (B),

dan KZA 7 % (C) ......................................................................... 53

Gambar 24. Morfologi membran komposit KZS 3 % (A), KZS 5 % (B),

dan KZS 7 % (C) ......................................................................... 54

Gambar 25. Spektra XRD PST, membran KZA, dan membran KZS ............. 55

Gambar 26. Termogram membran KZA dengan variasi konsentrasi

zeolit alam .................................................................................... 57

Gambar 27. Termogram membran KZS dengan variasi konsentrasi

zeolit sintetik ................................................................................ 58


commit to user

xv

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Perhitungan Rendemen PST ..................................................... 66

Lampiran 2. Perhitungan Kapasitas Tukar Kation (KTK) dari PST ............. 67

Lampiran 3. Perhitungan Derajat Sulfonasi (DS) dari PST ........................... 68

Lampiran 4. Perhitungan Kapasitas Tukar Kation (KTK) Membran

Komposit .................................................................................... 69

Lampiran 5. Perhitungan Derajat Pengembangan (DP) Membran

Komposit .................................................................................... 70

Lampiran 6. Hasil Analisis Spektroskopi IR Sampel Zeolit Alam ................ 72

Lampiran 7. Hasil Analisis Spektroskopi IR Sampel Zeolit Sintetik ............ 73

Lampiran 8. Hasil Analisis Spektroskopi IR Polistirena Murni .................... 74

Lampiran 9. Hasil Analisis Spektroskopi IR Polistirena Tersulfonasi 10

(PST 10) .................................................................................... 75


(PST 20) .................................................................................... 76


(PST 30) .................................................................................... 77


(PST 40) .................................................................................... 78

Lampiran 13. Hasil Analisis Spektroskopi IR Membran KZA 7 % ................ 79

Lampiran 14. Hasil Analisis Spektroskopi IR Membran KZS 7 % ................. 80

Lampiran 15. Data XRD untuk Mineral Mordenit Standar .............................. 81

Lampiran 16. Hasil Analisis XRD Zeolit Sintetik ........................................... 82

Lampiran 17. Hasil Analisis XRD Zeolit Alam .............................................. 84

Lampiran 18. Hasil Analisis XRD Membran KZA 7 % .................................. 85

Lampiran 19. Hasil Analisis XRD Membran KZS 7 % .................................. 86

Lampiran 20. Hasil Analisis XRD Polistirena Tersulfonasi (PST 30) ............ 88

Lampiran 21. Perhitungan Intensitas Relatif dan Persentase Kandungan

Mineral Sampel Zeolit .............................................................. 90


commit to user

1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah

Konsumsi minyak bumi yang terus meningkat telah menyebabkan

cadangan minyak bumi semakin berkurang. Pemakaian bahan bakar fosil secara

terus-menerus juga memberikan dampak yang negatif terhadap lingkungan.

Permasalahan tersebut dapat diatasi dengan mencari sumber energi lain yang

dapat diperbaharui dan ramah lingkungan. Sel bahan bakar (fuel cell) merupakan

salah satu sumber energi alternatif yang ramah lingkungan dan telah banyak

dikembangkan. Sel bahan bakar bekerja dengan mengkonversi energi kimia secara

langsung menjadi energi listrik dengan efisiensi tinggi dengan dampak terhadap

lingkungan yang rendah (William, 2004). Polymer Electrolyte Membrane Fuel

Cell (PEMFC) merupakan salah satu jenis sel bahan bakar yang menjanjikan

untuk aplikasi pada kendaraan dan perangkat portable karena dapat menghasilkan

densitas energi tinggi pada suhu operasi relatif rendah (60-80 °C), bersih, dan

ramah lingkungan (William, 2004).

Membran polimer elektrolit merupakan salah satu komponen penting

dalam Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) (Yohan dkk., 2005).

Membran polimer yang digunakan dalam aplikasi PEMFC adalah berbasis

perfluorosulfonic acid (PFSA) misalnya Nafion® karena sifat konduktivitas ionik

yang tinggi, stabilitas kimia, serta sifat mekanik yang tinggi (Chen et al., 2004).

Meski demikian, Nafion® masih memiliki kekurangan seperti tingginya

permeabilitas membran Nafion® terhadap bahan bakar (fuel crossover), mahalnya

harga membran, dan suhu operasi yang terbatas pada 80 °C.

Saat ini telah dikembangkan sel bahan bakar yang bekerja pada temperatur

di atas 100 ºC. Usaha tersebut dilakukan untuk mengatasi permasalahan yang

muncul pada temperatur operasi rendah (< 100 ºC), seperti efisiensi reaksi,

manajemen air, kontaminasi CO, pemecahan gas hidrogen, dan pengaturan termal.

Aplikasi sel bahan bakar temperatur tinggi membutuhkan material membran

elektrolit yang memiliki ketahanan termal tinggi, sehingga diperlukan suatu usaha

1


commit to user

2

pencarian material pengganti Nafion®. Salah satu usaha tersebut adalah pemilihan

polimer tersulfonasi beserta membran komposit anorganiknya (Li et al., 2003).

Membran komposit organik/anorganik telah dikembangkan secara luas karena

banyak material anorganik yang dapat dioperasikan pada temperatur yang lebih

tinggi daripada polimer murninya (Choi et al., 2009; Chi et al., 2011).

Polistirena telah digunakan sebagai material dasar dalam pembuatan

membran polimer elektrolit karena stabilitas termalnya cukup tinggi dan

karakteristik yang baik melalui modifikasi. Modifikasi secara kimia polistirena

dapat dilakukan melalui proses sulfonasi untuk menghasilkan polistirena

tersulfonasi (Martins et al., 2003; Smitha et al., 2003; Carretta et al., 2000).

Namun demikian, derajat sulfonasi yang tinggi pada kerangka aromatiknya dapat

menyebabkan pengembangan yang berlebihan di dalam air dan menyebabkan sifat

fisiknya kurang baik sehingga sifat-sifat membran tersebut perlu ditingkatkan.

Karakteristik membran polimer elektrolit dapat ditingkatkan dengan penggunaan

pengisi (filler) anorganik seperti Al2O3, TiO2, SiO2, P2O5, ZrO2, dan zeolit (Shen

et al., 2006; Kim et al., 2006; Dewi dan Rochmadi, 2007; Dewi dan Handayani,

2007; Choi et al., 2009).

Zeolit telah digunakan sebagai pengisi dalam pembuatan membran

komposit. Keberadaan zeolit dalam sistem membran polimer mampu menguatkan

konduktivitas proton, kekuatan mekanik, dan kemampuan mempertahankan air

dalam membran (Dewi, 2009; Choi et al., 2009; Paisan dan Siraprapa, 2008).

Sintesis membran komposit polistirena tersulfonasi dengan zeolit diharapkan

mampu menghasilkan membran yang memiliki sifat fisik dan sifat kimia yang

baik sehingga mampu diaplikasikan sebagai membran polimer elektrolit dalam sel

bahan bakar.

B. Perumusan Masalah

1. Identifikasi Masalah

Pemilihan agen sulfonasi tergantung dari sifat kompatibilitas antara agen

sulfonasi dengan polimernya karena akan berpengaruh terhadap produk reaksi

sulfonasi. Beberapa agen sulfonasi yang sering digunakan untuk sulfonasi polimer


commit to user

3

adalah asetil sulfat, asam sulfat pekat, dan asam klorosulfonat. Sifat polimer yang

mudah bereaksi dengan agen sulfonasinya akan menghasilkan kondisi reaksi yang

lebih homogen dan distribusi sulfonat pada rantai polimernya diharapkan lebih

merata.

Proses sulfonasi akan menghasilkan derajat sulfonasi polimer yang

berbeda. Derajat sulfonasi perlu dikontrol karena akan meningkatkan kelarutan

polimer tersulfonasi di dalam air. Salah satu metode untuk mengontrol derajat

sulfonasi adalah mengatur konsentrasi agen sulfonasi yang digunakan. Penelitian

Martins et al. (2003) menunjukkan derajat sulfonasi yang meningkat dari 15-40 %

pada polistirena (PS) tersulfonasi dapat dicapai dengan mengatur konsentrasi agen

sulfonasi dari 15-275 mL. Studi pendahuluan kami mencoba variasi konsentrasi

agen sulfonasi dari 10 hingga 80 mL. Hasil penelitian menunjukkan semua

polimer mulai larut pada konsentrasi 50 mL sehingga kami menggunakan variasi

konsentrasi dari 10 hingga 50 mL. Derajat sulfonasi juga dapat dikontrol dengan

mengatur waktu sulfonasi dan temperatur sulfonasi (Lufrano et al., 2000;

Handayani dkk., 2007).

Metode inklusi partikel anorganik meliputi sebagian besar serbuk yang

terdispersi dalam larutan polimer. Kim et al. (2006) telah membuat membran

komposit PVdF-HFP/TiO2 dengan teknik inversi fasa dan membran yang

dihasilkan memiliki stabilitas elektrokimia yang unggul dan membran tersebut

berpori. Metode inversi fasa dapat dilakukan dengan pencetakan larutan yang

dicelupkan dalam air maupun dengan penguapan pelarut dalam kondisi ruang.

Membran yang dihasilkan dengan pencelupan dalam air akan menyebabkan

membran memiliki pori yang besar karena proses penghilangan pelarut terjadi

secara tiba-tiba, sedangkan membran yang dihasilkan dengan penguapan akan

memiliki pori yang lebih kecil karena penghilangan pelarut terjadi secara

perlahan. Dalam aplikasi membran elektrolit diperlukan membran yang rapat

(ukuran pori kecil), karena membran diharapkan memiliki nilai derajat

pengembangan yang tidak terlalu tinggi.

Penelitian ini menggunakan material anorganik berupa zeolit. Zeolit

dipilih untuk digunakan sebagai pengisi karena memiliki ketahanan termal yang


commit to user

4

tinggi dan kemampuan sebagai konduktor proton. Konsentrasi zeolit dalam

komposisi membran dapat mempengaruhi karakteristik membran. Paisan dan

Siraprapa (2008) telah berhasil membuat membran komposit Nafion/zeolit dengan

variasi konsentrasi dan jenis zeolit. Membran komposit yang dihasilkan

mengalami peningkatan nilai kapasitas tukar kation (KTK) dan derajat

pengembangan, namun juga mengalami penurunan konduktivitas proton dengan

meningkatnya konsentrasi zeolit dari 0-35 % (b/b). Penelitian lainnya

menunjukkan pengaruh variasi konsentrasi zeolit terhadap membran komposit

poli(1,4-fenilen sulfida)/zeolit, dimana konsentrasi zeolit dari 0-10 % (b/b)

mampu menurunkan derajat pengembangan dan meningkatkan ketahanan termal

membran komposit yang dihasilkan (Choi et al., 2010). Dalam studi pendahuluan

kami telah mencoba menggunakan konsentrasi zeolit 0, 1, 3, 5, 7, dan 9 % (b/b)

dalam komposisi membran. Namun, pada konsentrasi 1 % dan 9 % tidak

dihasilkan membran. Peristiwa ini dapat disebabkan karena larutan cetak terlalu

encer ataupun terlalu kental sehingga penguapan pelarut tidak sempurna.

Mineral zeolit dan penyebarannya yang cukup banyak di Indonesia

mempunyai potensi yang besar sebagai sumber daya mineral. Setiap daerah akan

memiliki kandungan mineral zeolit yang berbeda, sehingga aplikasinya sebagai

filler akan mempengaruhi karakteristik membran komposit yang disintesis.

Beberapa lokasi di Indonesia telah diteliti diantaranya Tasikmalaya, Sukabumi,

Bogor, Pacitan, Malang, Lampung, dan Wonosari. Endapan zeolit umumnya

mengandung mineral mordenit dan klinoptilolit (Sutarti dan Rahmawati, 1994).

Zeolit alam dari Pandansimping, Klaten belum dimanfaatkan secara optimal

sehingga penggunaannya dalam pembuatan membran komposit akan

meningkatkan nilai guna zeolit tersebut. Penelitian ini juga menggunakan zeolit

sintetik yang diperoleh dari Lemigas karena memiliki kristalinitas dan nilai

kapasitas tukar kation yang cukup tinggi. Penggunaan kedua jenis zeolit tersebut

untuk membandingkan karakteristik membran komposit yang dihasilkan dengan

pemakaian kedua zeolit tersebut.


commit to user

5

2. Batasan Masalah

a. Proses sulfonasi polistirena menggunakan agen sulfonasi asetil sulfat.

b. Sulfonasi pada polistirena dikontrol dengan mengatur konsentrasi asetil

sulfat yang digunakan yaitu 10, 20, 30, 40, dan 50 mL, sedangkan waktu

sulfonasi dan suhu sulfonasi dibuat tetap yaitu selama 1 jam dan pada suhu

± 50 ºC.

c. Pembuatan membran komposit polistirena tersulfonasi/zeolit dilakukan

menggunakan metode inversi fasa dengan penguapan larutan cetak.

d. Zeolit yang digunakan ada 2 jenis yaitu zeolit alam dari daerah

Pandansimping, Klaten dan zeolit sintetik tipe mordenit.

e. Variasi konsentrasi zeolit alam maupun zeolit sintetik yang digunakan

dalam pembuatan membran komposit dibuat sama, yaitu 0, 3, 5, dan 7 %

(b/b) dari berat total larutan cetak.

3. Rumusan Masalah

a. Bagaimana pengaruh konsentrasi agen sulfonasi asetil sulfat terhadap

kelarutan, derajat sulfonasi, dan nilai kapasitas tukar kation dari polistirena

tersulfonasi ?

b. Bagaimana pengaruh variasi konsentrasi zeolit terhadap nilai kapasitas

tukar kation, derajat pengembangan, dan sifat termal membran komposit

polistirena tersulfonasi/zeolit ?

C. Tujuan Penelitian

1. Mengetahui pengaruh konsentrasi asetil sulfat terhadap kelarutan, derajat

sulfonasi, dan nilai kapasitas tukar kation dari polistirena tersulfonasi.

2. Mengetahui pengaruh variasi konsentrasi zeolit terhadap nilai kapasitas

tukar kation, derajat pengembangan, dan sifat termal membran komposit

polistirena tersulfonasi/zeolit.


commit to user

6

D. Manfaat Penelitian

1. Secara praktis dapat memberikan metode alternatif dalam pembuatan

membran komposit untuk aplikasi membran polimer elektrolit dalam sel

bahan bakar.

2. Secara teoritis dapat memberikan informasi tentang sifat fisik dan kimia

membran komposit polistirena tersulfonasi/zeolit untuk aplikasi membran

polimer elektrolit dalam sel bahan bakar.


commit to user

7

BAB II

LANDASAN TEORI

A. Tinjauan Pustaka

1. Sel Bahan Bakar (Fuel Cell)

Sel bahan bakar adalah suatu perangkat elektrokimia yang mampu

mengkonversikan energi kimia dalam bahan bakar menjadi energi listrik secara

langsung, dapat menghasilkan energi dengan efisien tinggi, dan emisi polutan

yang rendah terhadap lingkungan. Sel bahan bakar dapat menghasilkan energi

dengan emisi polutan yang rendah karena tidak melewati proses pembakaran

bahan bakar. Operasi sel bahan bakar dapat berlangsung secara terus-menerus

selama bahan bakar sel diisi kembali secara kontinu (William, 2004). Skema sel

bahan bakar seperti yang terlihat pada Gambar 1.

Gambar 1. Skema sel bahan bakar

Sel bahan bakar terdiri dari elektrolit yang memisahkan katoda dari anoda.

Elektrolit hanya dapat menghantarkan proton, sedangkan elektron tidak bisa

melewati elektrolit. Pada anoda akan dialirkan bahan bakar secara

7


commit to user

8

berkesinambungan dan pada katoda dialirkan oksigen. Terdapat dua reaksi kimia

yang terjadi pada sel bahan bakar, yaitu oksidasi di anoda dan reduksi di katoda.

Apabila digunakan gas H2 sebagai bahan bakar maka reaksi yang terjadi sebagai

berikut:

Anoda : 2H2 ® 4H+ + 4e-

Katoda : O2 + 4H+ + 4e-® 2H2O

Reaksi keseluruhan : 2H2 + O2® 2H2O (Suhada, 2001)

Reaksi kimia yang terjadi pada kedua elektroda menghasilkan arus listrik,

arus listrik ini dapat dijadikan sumber energi bagi berbagai keperluan. Lapisan

elektrolit pada rangkaian alat sel bahan bakar dapat berupa padatan elektrolit

misalnya membran. Berdasarkan jenis elektrolit yang digunakan, sel bahan bakar

dibagi menjadi beberapa macam (William, 2004; Suhada, 2001; Carrete et al.,

2001 dalam Luo, 2005), diantaranya :

a. Alkaline Fuel Cells (AFC)

Sel bahan bakar jenis ini biasanya menggunakan kalium hidroksida

sebagai elektrolitnya dan beroperasi pada temperatur tinggi (~250 ºC). Dapat

menghasilkan efisiensi hingga 70 %, namun biaya yang dibutuhkan mahal karena

AFC sangat rentan terhadap kontaminasi CO dan CO2 sehingga membutuhkan

oksigen dan hidrogen murni.

b. Proton Exchange Membrane/ Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC)

Jenis elektrolit dalam sel bahan bakar ini adalah membran polimer

elektrolit. Membran ini berfungsi menghantarkan ion H+ dari anoda ke katoda.

Pada kedua sisinya dilapisi elektroda karbon dengan elektrokatalis platina,

efisiensinya dapat mencapai 40-50 % dan biasanya bekerja pada temperatur 60-80

ºC. Suhu operasi yang rendah membuat sel bahan bakar ini lebih cepat mencapai

suhu optimumnya, dapat menghasilkan rapat arus tinggi, dan masalah korosi

menjadi minimal karena cairan yang dihasilkan hanya air. Namun temperatur

operasi yang rendah menyebabkan pengaturan termal menjadi sulit, selain itu

pengaturan air menjadi tantangan lain untuk menyediakan hidrasi yang cukup bagi


commit to user

9

elektrolit tanpa membanjiri elektrolit. Disisi lain, PEMFC sangat sensitif terhadap

kontaminasi CO, sulfur, dan amonia yang dapat diatasi dengan rapat arus operasi

yang lebih rendah dan meningkatkan jumlah elektroda katalis, tetapi keduanya

akan meningkatkan biaya sistem.

c. Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC)

Jenis ini menggunakan elektrolit asam posfat (H3PO4), biasanya beroperasi

pada daerah temperatur 150-220 ºC dan menggunakan Pt sebagai elekrokatalis di

anoda dan katoda. Gas hidrogen yang dimasukkan pada anoda dirubah menjadi

ion dan dipindahkan menuju katoda melalui elektrolit. Aplikasinya banyak

digunakan untuk penghasil listrik dan transportasi. Sel bahan bakar ini kurang

sensitif terhadap CO dibanding PEMFC dan AFC, temperatur operasi

memberikan kemudahan untuk pengaturan termal, dan panas yang dihasilkan

dapat digunakan untuk aplikasi komersial dan pembantu pembangkit listrik

(cogeneration) industri.

d. Molten Carbonat Fuel Cells (MCFC)

Jenis ini menggunakan elektrolit kombinasi alkali karbonat, yang berada

dalam matriks keramik LiAlO2. Pada sel bahan bakar ini menggunakan garam

karbonat molten sebagai elektrolit dan beroperasi pada temperatur 650 ºC, ion

karbonat mengalir dari katoda menuju anoda. Pada anoda gas hidrogen bereaksi

dengan ion tersebut dan menghasilkan air, CO2, dan elektron. Elektron menuju

katoda dengan memberikan tenaga listrik sedangkan karbondioksida pada anoda

direaksikan dengan oksigen di katoda, dan dengan adanya elektron akan

membentuk ion CO32- yang akan dilewatkan kembali melalui elektrolit menuju

anoda dalam sel bahan bakar. Sel bahan bakar jenis ini banyak diaplikasikan

untuk pembangkit listrik.

e. Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Bahan yang digunakan sebagai elektrolit adalah keramik atau oksida

logam tak berpori seperti Y2O3-terstabilisasi ZrO2 yang dioperasikan pada

temperatur 650-1000 ºC. Biasanya anoda menggunakan Co-ZrO2 atau Ni-ZrO2

dan katoda Sr-terdoping LaMnO3. Oksigen yang bermuatan negatif mampu


commit to user

10

berpindah dari katoda menuju anoda yang akan mengoksidasi bahan bakar yang

mengandung hidrogen pada anoda, sehingga memungkinkan digunakan untuk

temperatur tinggi. Sel bahan bakar ini banyak dicoba untuk keperluan pembangkit

tenaga listrik. Elektron yang berpindah dari anoda menuju katoda dipergunakan

sebagai tenaga listrik dengan efisiensi sekitar 60 %.

f. Direct Methanol Fuel Cells (DMFC)

Prinsip yang digunakan mirip dengan Proton Exchange Membrane (PEM)

yaitu sama-sama menggunakan membran polimer elektrolit sebagai elektrolitnya

sehingga ion H+ bisa dilewatkan menuju katoda. Namun pada DMFC, hidrogen

diambil secara langsung oleh katalisator anoda yang berasal dari metanol cair.

Saat ini telah dikembangkan sel bahan bakar jenis PEMFC yang

beroperasi pada temperatur di atas 100 ºC. Usaha ini dilakukan untuk mengatasi

permasalahan yang berhubungan dengan temperatur operasi rendah, seperti :

manajemen air yang sulit, pengaruh kontaminasi CO, pemecahan gas hidrogen

yang membutuhkan temperatur tinggi, energi panas yang dibebaskan sistem

sedikit, dan pengaturan termal yang sulit (Li et al., 2003). Pengembangan

membran elektrolit yang mampu beroperasi pada temperatur di atas 100 ºC

diharapkan mampu memecahkan permasalahan tersebut. Beberapa keuntungan

yang didapatkan pada temperatur operasi tinggi antara lain : kinetika reaksi di

kedua elektroda akan meningkat, manajemen air mudah karena air berada dalam

bentuk uap (satu fasa), daya tahan terhadap CO akan meningkat, sistem

pendinginan menjadi mudah, dan efisiensi sistem akan meningkat. Oleh karena itu

dibutuhkan suatu material membran yang memiliki ketahanan termal tinggi agar

dapat diaplikasikan sebagai membran polimer elektrolit dalam sel bahan bakar.

2. Membran Polimer Elektrolit dalam Sel Bahan Bakar

Sel bahan bakar jenis Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)

telah menarik perhatian karena efisiensi konversi energi yang tinggi, rendah emisi

polutan, dan temperatur operasi yang rendah sehingga cocok untuk aplikasi

transportasi dan perumahan (Chen et al., 2005). Membran polimer elektrolit

merupakan salah satu bagian penting dalam gabungan elektroda membran


commit to user

11

(membrane electrode assembly (MEA)) yang digunakan dalam PEMFC.

Membran polimer elektrolit bertindak sebagai elektrolit padatan yang

menghantarkan proton dari anoda menuju katoda untuk melengkapi reaksi redoks

(Piboonsatsanasakul et al., 2007).

Saat ini polimer masih menjadi material utama pembuatan membran dalam

teknologi membran dengan keuntungan fleksibilitas, kekuatan, dan sifat-sifat

pemisahan yang baik. Namun karena keterbatasan sifat kimia, sifat mekanik, dan

ketahanan termal telah membatasi aplikasinya (Yang and Wang, 2006). Polimer

berbasis asam perflourosulfonat seperti Nafion® telah digunakan secara luas

sebagai konduktor proton dalam PEMFC karena nilai konduktivitas ionik yang

tinggi, stabilitas kimia, serta sifat mekanik yang tinggi (Chen et al., 2004).

Nafion® termasuk membran yang mahal, permeasi metanol yang cukup tinggi

dalam aplikasi DMFC, dan kinerja membran yang menurun pada temperatur di

atas 80 oC telah membatasi aplikasinya sebagai membran elektrolit yang saat ini

membutuhkan temperatur operasi tinggi (Handayani dkk., 2007). Beberapa

metode telah digunakan untuk mengatasi kelemahan Nafion® diantaranya :

memodifikasi Nafion®, penggunaan polimer tersulfonasi beserta membran

kompositnya, dan penggunaan membran kompleks asam-basa (Li et al., 2003).

Saat ini telah dikembangkan pemakaian polimer tersulfonasi untuk

mengatasi permasalahan pemakaian Nafion®. Sejumlah besar material polimer

dipersiapkan dan dilakukan modifikasi sebagai membran polimer elektrolit untuk

PEMFC. Syarat yang harus dipenuhi polimer sebagai membran sel bahan bakar

diantaranya : konduktivitas proton, stabilitas kimia, stabilitas termal, sifat

mekanik, permeabilitas terhadap gas yang rendah, penyerapan terhadap air

rendah, kinetika reaksi untuk elektroda cepat, dan biaya murah serta mudah

diperoleh. (Li et al., 2003).

Gugus bermuatan dapat ditambahkan pada struktur polimer guna

meningkatkan konduktivitas proton. Hal tersebut dapat dilakukan melalui

modifikasi secara kimia pada struktur polimer, salah satunya dengan sulfonasi.

Proses sulfonasi dapat dicapai melalui beberapa cara seperti : sulfonasi secara

langsung, litiasi-sulfonasi-oksidasi, grafting (cangkok) gugus yang mengandung


commit to user

12

asam sulfonat pada polimer, grafting kopolimerisasi dengan radiasi energi tinggi,

dan melalui sintesis dari monomer yang mengandung gugus asam sulfonat (Li et

al., 2003).

Modifikasi lain yang dapat dilakukan untuk meningkatkan karakteristik

membran polimer elektrolit seperti konduktivitas proton, kekuatan mekanik,

stabilitas termal, kandungan air dalam membran, dan permeabilitas metanol, yaitu

dengan pembuatan membran komposit organik/anorganik. Beberapa pengisi

(filler) anorganik seperti Al2O3, TiO2, SiO2, P2O5, ZrO2, dan zeolit telah

digunakan dalam pembuatan membran komposit (Shen et al., 2006; Kim et al.,

2006; Dewi dan Rochmadi, 2007; Dewi dan Handayani, 2007; Choi et al., 2009).

3. Agen Sulfonasi

Kriteria pemilihan agen sulfonasi berdasarkan kompatibilitas dengan

polimer, sifat pembentukan film, dan kekuatan mekanik dari polimer tersulfonasi

yang diinginkan (Smitha et al., 2003). Beberapa agen sulfonasi yang sering

digunakan dalam reaksi sulfonasi antara lain :

a. Asam Sulfat

Pada penggunaan asam sulfat sebagai agen sulfonasi, derajat sulfonasi

tidak dapat dikontrol. Walaupun jumlah asam yang ditambahkan sedikit, namun

polimer yang dihasilkan larut dalam air karena tingginya derajat sulfonasi yang

dihasilkan.

b. Asam Klorosulfonat

Sulfonasi poli(fenilen oksida) dan polisulfon dapat menggunakan reagen

ini. Sulfonasi dapat dikontrol dan dihasilkan polimer yang mengembang dalam air

tetapi tidak terlarut total. Kekuatan mekanik dan pembentukan film yang baik dari

polimer menjadi alasan penggunaan reagen ini.

c. Asetil Sulfat

Polistirena yang disulfonasi menggunakan reagen asetil sulfat akan

menghasilkan distribusi gugus asam sulfonat yang homogen. Namun,

polikarbonat terlalu reaktif terhadap asetil sulfat serta poli(fenilen oksida), dan


commit to user

13

polisulfon tidak dapat disulfonasi menggunakan agen ini karena tidak memiliki

kompatibilitas dengan reagen. Asetil sulfat dibuat dengan mereaksikan asetat

anhidrida dan asam sulfat pekat. Reaksi pembuatan asetil sulfat dapat dilihat pada

Gambar 2.

(CH3CO)2O + H2SO4 → CH3COOH + CH3CO(OSO3H)

Gambar 2. Reaksi pembuatan asetil sulfat (Martins et al., 2003)

4. Polistirena (PS)

Polistirena adalah polimer linier yang tersusun dari monomer stirena.

Polistirena memiliki rantai hidrokarbon panjang dengan gugus fenil terikat pada

salah satu gugus karbon dari setiap monomernya, seperti terlihat pada Gambar 3.

Polistirena murni berbentuk padatan tidak berwarna. Polistirena komersil

umumnya bersifat ataktik dan amorf (Billmeyer, 1962 dalam Febryani, 2008).

Pada temperatur ruangan, polistirena umumnya merupakan suatu termoplastik

yang berwujud padat, tetapi dapat meleleh pada temperatur tinggi (240 ºC) untuk

dicetak dan kemudian dibentuk menjadi padatan kembali. Polistirena merupakan

plastik keras dengan kelenturan terbatas. Gugus vinil yang terdapat pada stirena

menjadikan stirena dapat mengalami reaksi adisi kontinu membentuk suatu

polimer polistirena.

Gambar 3. Struktur polistirena

Polistirena banyak diproduksi untuk aplikasi barang kebutuhan sehari-hari

karena proses sintesisnya yang mudah dan murah. Kegunaan polistirena

diantaranya adalah untuk bahan pembungkus, peralatan rumah tangga, peralatan

kendaraan bermotor, dan aneka macam bahan lainnya.


commit to user

14

5. Polistirena Tersulfonasi (PST)

Adanya gugus benzena pada rantai polistirena memungkinkan adanya

penambahan gugus samping pada polimer tersebut. Modifikasi secara sulfonasi

dapat dilakukan pada polistirena untuk menghasilkan polistirena tersulfonasi

(PST) (Makowski et al., 1975). Polistirena tersulfonasi dalam bentuk polimer

murni, campuran, ataupun komposit polimer telah banyak dipelajari pada aplikasi

PEM. Membran polistirena tersulfonasi memiliki konduktivitas proton tinggi,

biaya pembuatan yang cukup murah, serta bersifat lebih fleksibel dibandingkan

membran Nafion®. Namun, polistirena tersulfonasi memiliki batasan derajat

sulfonasi karena polimer dapat larut dalam air pada derajat sulfonasi yang tinggi

(Won et al., 2003). Interaksi ikatan hidrogen cukup kuat dapat terjadi antara

molekul air dengan gugus asam sulfonat (~SO3H) pada membran. Interaksi ini

dapat mempengaruhi transport air dan proton melalui membran.

Sulfonasi dapat memberikan konduktivitas proton polimer secara simultan

sebaik sifat hidrofil alami. Polimer tersulfonasi dapat memiliki gugus asam bebas

(~SO3H), garam (contoh : ~SO3-Na+) atau ester (~SO3R) (Smitha et al., 2003).

Derajat sulfonasi dapat dikontrol sesuai keinginan dengan mengatur lama waktu

polimerisasi dan jumlah agen sulfonasi yang ditambahkan. Proses sulfonasi dapat

dilakukan pada tahap awal sintesis polimer yang akan disulfonasi atau pada

polimer yang telah dihasilkan. Pada homopolimer apapun yang memiliki cincin

aromatik atau ikatan ganda dapat dilakukan proses sulfonasi. Struktur polistirena

tersulfonasi seperti yang terlihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Struktur polistirena tersulfonasi

Reaksi sulfonasi merupakan suatu reaksi substitusi yang bertujuan untuk

menggantikan atom H dengan gugus ~SO3H pada molekul organik melalui ikatan


commit to user

15

kimia pada atom karbonnya. Polimer dan agen sulfonasi harus berada pada fase

yang sama. Pelarut yang digunakan tidak boleh bereaksi dengan polimer maupun

dengan agen sulfonasi. Polistirena tersulfonasi (PST) akan memiliki gugus ~SO3H

pada posisi para hasil dari ikatan silang. Adanya gugus ~SO3H menyebabkan

polistirena tersulfonasi mudah melepaskan ion H+. Kemudahan polimer untuk

melepaskan ion H+ mengakibatkan peningkatkan sifat konduktifitas ioniknya dan

menyebabkan PST bermuatan, sehingga dapat diaplikasikan menjadi membran

polimer elektrolit (PEM) untuk sel bahan bakar (Jamal dkk., 2007).

6. Zeolit

Zeolit merupakan kristal mikropori alumino silikat terhidrasi yang

dibangun dari jaringan tiga dimensional panjang tidak terbatas dari tetrahedral

[SiO4]4- dan [ AlO4]

5- yang dihubungkan satu sama lain oleh pembagian atom

oksigen. Biasanya struktur zeolit dapat diperlakukan sebagai bangun polimer

anorganik dari unit tetrahedral TO4, dimana T adalah ion Si4+ atau Al3+. Masing-

masing atom O terbagi diantara dua atom T. Gambar 5 menunjukkan struktur TO4

zeolit. Rumus struktur zeolit didasarkan pada unit sel kristalografi (Breck, 1974

dan Bekkum et al., 1991 dalam Georgiev et al., 2009) :

Mx/n [(AlO2)x(SiO2)y]. wH2O

dimana M adalah kation alkali atau alkali tanah, n adalah kation valensi, w adalah

jumlah molekul air per unit sel, x dan y adalah jumlah total tetrahedral per unit

sel, dan ratio y/x biasanya mempunyai nilai 1 sampai 5 meski demikian zeolit

dengan silika tinggi, y/x dapat mempunyai harga dari 10 sampai 100.

Zeolit merupakan material yang stabil secara termal dan bergantung dari

rasio Si/Al. Beberapa zeolit dengan kandungan silika tinggi memiliki stabilitas

termal hingga 1300 ºC. Zeolit secara luas dikenal sebagai “molecular sieves”,

yang memiliki pori berukuran skala dimensi molekuler. Distribusi ukuran pori

zeolit bergantung pada karakteristik struktural dan memiliki range sekitar 0.35-

1.25 nm (Shi, 2008).


commit to user

16

Gambar 5. Tetrahedra alumina dan silika (TO4) pada struktur zeolit (Rakhmatullah dkk., 2007)

Gambar 6. Struktur kimia zeolit (Fatimah dan Wijaya, 2005)

Kerangka zeolit yang bersifat anionik (Gambar 6) yang disebabkan oleh

adanya perbedaan elektronegatifitas alumina dan silika dapat diseimbangkan oleh

adanya kation-kation seperti ion natrium, kalium, kalsium, magnesium, serta

kation golongan alkali dan alkali tanah lainnya. Ion-ion logam pada struktur zeolit

dapat digantikan oleh kation lain tanpa merusak struktur zeolit dan dapat

menyerap air secara reversibel. Zeolit mempunyai struktur yang berongga

(Gambar 7) dapat diisi oleh air dan kation yang bisa dipertukarkan dan memiliki

ukuran pori tertentu. Oleh sebab itu zeolit dapat dimanfaatkan sebagai penyaring

molekul, penukar ion, adsorben, dan katalisator (Sutarti dan Rahmawati, 1994).

Gambar 7. Struktur pori dalam zeolit (Weller, 1994 dalam Srihapsari, 2006)


commit to user

17

Zeolit merupakan salah satu material anorganik yang telah digunakan

dalam pembuatan membran komposit. Penggunaan zeolit sebagai pengisi (filler)

dapat menjadi tantangan tersendiri selama material ini memberikan perbedaan

parameter seperti rasio Si/Al dan sifat-sifat penukaran ion yang dapat digunakan

sebagai alat untuk membentuk sifat-sifat membran komposit sesuai tujuan yang

diinginkan (Aksoy et al., 2006). Penambahan material ini ke dalam sistem

membran polimer mampu menguatkan konduktivitas proton, kekuatan mekanik,

dan kemampuan mempertahankan air dalam membran (Dewi, 2009; Choi et al.,

2009; Paisan and Siraprapa, 2008).

Konsentrasi dan jenis mineral zeolit dapat mempengaruhi karakteristik

membran komposit yang dihasilkan. Penelitian sebelumnya menunjukkan

membran komposit Zeolit Beta-Poliuretan memiliki stabilitas termal dan stabilitas

mekanik yang lebih tinggi daripada membran awal yang tanpa zeolit (Aksoy et

al., 2006). Paisan and Siraprapa (2008) telah berhasil membuat membran

komposit Nafion/Zeolit dengan variasi konsentrasi zeolit. Mineral zeolit yang

digunakan adalah analcime dan faujasite. Membran komposit tersebut mengalami

peningkatan nilai kapasitas tukar kation (KTK) dan derajat pengembangan, namun

juga mengalami penurunan konduktivitas ionik dengan meningkatnya konsentrasi

zeolit. Penelitian lainnya menunjukkan pengaruh variasi konsentrasi zeolit

terhadap membran komposit poli(1,4-fenilen sulfida) dengan zeolit, dimana

membran komposit tersebut mengalami penurunan nilai KTK, derajat

pengembangan, dan konduktivitas proton dengan meningkatnya konsentrasi zeolit

di dalam membran. Namun demikian penambahan zeolit juga mampu

meningkatkan stabilitas termal membran komposit yang dihasilkan (Choi et al.,

2010). Penelitian Dewi dan Handayani (2007) menunjukkan bahwa penambahan

zeolit sebanyak 3 % (b/b) dalam membran komposit Akrilonitril Butadiena

Stirena (ABS) tersulfonasi/zeolit mampu meningkatkan konduktivitas proton dan

menurunkan permeabilitas metanol membran.


commit to user

18

7. Karakterisasi Sampel

Karakterisasi sampel bertujuan untuk mengetahui sifat fisik maupun kimia

dari suatu sampel. Karakterisasi yang umum dilakukan untuk aplikasi membran

elektrolit sel bahan bakar yaitu analisis gugus fungsi menggunakan alat

spektroskopi inframerah (IR), analisis termal menggunakan alat

Thermogravimetric Analyzer (TGA), analisis derajat pengembangan dengan

perendaman, analisis kapasitas tukar kation (KTK) dengan metode titrasi, dan

analisis morfologi dengan mikroskop/SEM. Beberapa penjelasan tentang analisis

tersebut adalah sebagai berikut :

a. Kapasitas Tukar Kation ( KTK )

Polimer yang digunakan sebagai material dalam pembuatan membran

polimer elektrolit dalam sel bahan bakar harus memiliki kemampuan untuk

menghantarkan proton, oleh karena itu perlu dilakukan pengujian KTK. Kapasitas

penukar kation menunjukkan jumlah mili ekivalen ion dalam 1 g polimer kering.

Kapasitas tukar kation (KTK) merupakan perkiraan secara tidak langsung dari

konduktivitas proton (Smitha et al., 2003). Penggunaan metode titrasi asam-basa

merupakan metode yang umum digunakan dalam analisis KTK, dimana polimer

direndam dalam larutan garam NaCl kemudian dititrasi dengan larutan NaOH

(Lufrano et al., 2000; Fu and Manthiram, 2006). Cara lainnya bisa dilakukan

dengan merendam polimer dalam larutan NaOH kemudian ditirasi dengan asam

sulfat (Handayani dkk., 2007; Smitha et al., 2003; Dewi, 2009).

Nilai KTK dari polimer tersulfonasi dipengaruhi oleh derajat sulfonasi dari

polimer tersebut, sehingga sulfonasi perlu dikontrol. Penelitian Carretta et al.

(2000) menunjukkan polistirena tersulfonasi memiliki nilai KTK semakin besar

(dari 0,93-1,41 meq/g) dengan meningkatnya konsentrasi agen sulfonasi asetil

sulfat yang digunakan dari 10-20 % mol. Peningkatan nilai KTK disebabkan

jumlah gugus sulfonat yang dihasilkan juga semakin besar, hal ini menyebabkan

membran bersifat lebih hidrofil yang mampu menyerap air lebih banyak sehingga

transport proton akan semakin baik (Handayani dkk., 2007).

Nilai KTK dari membran komposit juga dipengaruhi oleh konsentrasi

pengisi yang digunakan. Choi et al. (2010) melaporkan membran komposit


commit to user

19

poli(1,4-fenilen sulfida) tersulfonasi dengan variasi konsentrasi zeolit dari 0 %

hingga 10 % memiliki nilai KTK yang berangsur-angsur berkurang dari 1,50

meq/g hingga 1,03 meq/g, hal ini dihubungkan dengan berkurangnya jumlah

gugus sulfonat dalam membran karena interaksi gugus sulfonat dari polimer

dengan gugus hidroksil dari partikel zeolit.

b. Derajat Pengembangan (Swelling Degree)

Penyerapan air oleh membran sangat penting dalam aplikasinya sebagai

membran polimer elektrolit dalam sel bahan bakar. Kandungan air yang tinggi

dalam membran akan memfasilitasi transport proton, akan tetapi jika air yang

diserap tertalu banyak akan menghasilkan membran yang secara mekanik kurang

stabil karena sifat hidrofil yang tinggi dari membran (Swaminathan and

Dharmalingam, 2009). Analisis derajat pengembangan dilakukan dengan

merendam membran di dalam air dan dihitung dengan cara mengurangi berat

membran basah dengan berat berat membran kering dibagi terhadap berat

membran kering (Handayani dkk., 2007).

Derajat pengembangan berhubungan dengan jumlah gugus sulfonat yang

ada dalam membran. Penelitian Handayani dkk. (2007) menunjukkan derajat

pengembangan membran meningkat dengan semakin bertambahnya konsentrasi

agen sulfonasi dan waktu sulfonasi, hal ini disebabkan jumlah gugus sulfonat

yang bergabung pada membran lebih besar. Kemampuan penyerapan air pada

membran komposit juga dipengaruhi oleh konsentrasi pengisi. Choi et al. (2010)

melaporkan membran komposit poli(1,4-fenilen sulfida) tersulfonasi dengan

konsentrasi zeolit yang semakin besar dari 0 % hingga 10 % mampu menurunkan

derajat pengembangan membran. Penelitian lainnya, membran komposit

polistirena etilen butilen polistirena (PSEBS) tersulfonasi yang dimodifikasi

dengan montmorilonit dengan variasi yang meningkat dari 0-10 % menunjukkan

derajat pengembangan membran semakin berkurang karena terjadinya interaksi

gugus sulfonat dengan montmorilonit (Swaminathan and Dharmalingam, 2009).


commit to user

20

c. Analisis Gugus Fungsi

Analisis gugus fungsi pada suatu sampel dapat dilakukan dengan

spektroskopi inframerah (IR). Aplikasi sel bahan bakar membutuhkan suatu

material yang bermuatan pada strukturnya. Material polimer bermuatan dapat

diperoleh melalui modifikasi secara kimia dengan sulfonasi. Gugus sulfonat yang

terbentuk pada rantai polimer dapat dilakukan dengan membandingkan serapan

bilangan gelombang dari spektra IR polimer yang belum tersulfonasi dan polimer

yang telah tersulfonasi (Krishnan et al., 2006).

Smitha et al. (2003) telah melaporkan analisis IR terhadap polistirena

murni dan polistirena tersulfonasi. Polistirena memiliki serapan bilangan

gelombang pada daerah 700 dan 780 cm-1 yang menunjukkan deformasi bidang

luar C-H yang mengindikasikan monosubstitusi. Puncak baru yang muncul pada

520 cm-1 menunjukkan substitusi para yang mengindikasikan gugus sulfonat yang

menyerang cincin fenil pada posisi para. Puncak pada 1360 cm-1 diidentifikasi

berhubungan dengan stretching asimetrik ikatan S=O. Vibrasi simetrik ikatan

S=O dihasilkan karakteristik pita serapan yang tersplit pada 1150-1185 cm-1. Juga

telah diamati perubahan yang tidak signifikan pada puncak 2925 cm-1

menunjukkan ikatan C-C dan puncak 3000 cm-1 yang menunjukkan ikatan C-H.

Rubinger et al. (2007) mengamati spektra IR dari polistirena tersulfonasi

pada daerah bilangan gelombang 400-4000 cm-1, tetapi untuk analisis gugus

sulfonat diamati pada spektra dari daerah 800-1400 cm-1. Vibrasi gugus sulfonat

teramati pada daerah 1040-1180 cm-1. Pita serapan 1040 cm-1 menunjukkan

vibrasi ulur simetrik gugus sulfonat dan pada 1127 cm-1 menunjukkan anion

sulfonat yang meyerang cincin fenil (Kucera et al., 1998 dalam Martins et al.,

2003). Rubinger et al. (2007) melaporkan vibrasi asimetrik S=O pada 1180 cm-1

yang ditunjukkan sebagai pita lebar pada daerah sekitar 1100-1350 cm-1.

Menurut penelitian Febryani (2008), terdapat tiga puncak serapan khas

polistirena tersulfonasi yaitu pada bilangan gelombang 1180,44-1161,15 cm-1

yang dihasilkan dari vibrasi stretching simetrik O=S=O, vibrasi O-H pada

bilangan gelombang 3446,79 cm-1, serta pada bilangan gelombang 904,61 cm-1

yang menunjukkan pada para-subtitusi benzena.


commit to user

21

Membran komposit juga dapat dianalisis dengan spektroskopi IR, hal ini

bertujuan untuk mengetahui interaksi gugus-gugus aktif pada material penyusun

membran yang dapat diketahui dari pergeseran serapan gugus fungsi dari material

yang digunakan dalam pembuatan membran komposit. Choi et al. (2010)

melaporkan analisis IR dari membran polimer elektrolit berbasis komposit

organik/anorganik dari poli(1,4-fenilen sulfida) (PPS) tersulfonasi dengan zeolit.

Vibrasi ulur simetris dari gugus sulfonat teramati pada 1190 cm-1 pada membran

SPPS murni, dengan pencampuran zeolit pita vibrasi ulur ini bergeser menuju

bilangan gelombang yang lebih pendek yaitu pada 1168 cm-1, yang

mengindikasikan interaksi gugus sulfonat dari PPS tersulfonasi dengan partikel

zeolit. Pita vibrasi ulur gugus hidroksil pada 3414 cm-1, berangsur-angsur terlihat

mengalami pergeseran menuju bilangan gelombang yang lebih pendek yaitu pada

3366 cm-1 dengan meningkatnya jumlah zeolit, hal ini mengindikasikan gugus

sulfonat berinteraksi dengan gugus hidroksil dari zeolit melalui interaksi spesifik.

d. Analisis Termal

Analisis termal suatu polimer dapat dilakukan dengan Thermogravimetric

Analyzer (TGA). Analisis TGA merupakan metode untuk menentukan ketahanan

termal suatu sampel. Analisis TGA menunjukkan nilai perubahan massa sebagai

fungsi kenaikan temperatur. Aplikasi sel bahan bakar membutuhkan material

polimer dengan ketahanan termal yang cukup tinggi karena proses pembentukan

H+ dari H2 di dalam sistem sel bahan bakar membutuhkan pemanasan terlebih

dahulu dan semakin tinggi suhu sistem maka pemecahan molekul H2 akan

semakin sempurna yaitu pada temperatur sekitar 100-200 ºC. Smitha et al. (2003)

telah menganalisis ketahanan termal dari beberapa polimer seperti polistirena,

polisulfon, polikarbonat, dan poli(fenilen oksida) yang berpotensi untuk aplikasi

membran penukar proton dalam PEMFC. Analisis TGA ini bertujuan untuk

mengetahui ketahanan termal dari polimer dan pengaruh gugus sulfonat yang

bergabung pada rantai polimer terhadap ketahanan termal dari polimer. Hasil

penelitian menunjukkan adanya gugus sulfonat menurunkan ketahanan termal

polimer karena gugus sulfonat terdegradasi pada temperatur yang lebih rendah.


commit to user

22

Piboonsatsanasakul et al. (2007) telah mengamati ketahanan termal dari

polistirena tersulfonasi. Hasil penelitiannya menunjukkan polimer tersebut

mengalami 3 tahap degradasi yaitu pada temperatur 80-160 ºC yang menunjukkan

lepasnya molekul air yang berada dalam membran. Tahap degradasi yang kedua

terjadi pada temperatur 360-460 ºC yang menunjukkan depolimerisasi polistirena

tersulfonasi dan yang ketiga terjadi pada daerah temperatur 500-700 ºC yang

menunjukkan degradasi padatan residu.

Penambahan pengisi anorganik dalam pembuatan membran terbukti

mampu meningkatkan ketahanan termal membran komposit. Membran polistirena

etilena butilena polistirena (PSEBS) tersulfonasi menunjukkan ketahanan termal

hingga 219 ºC yang menunjukkan degradasi termal gugus sulfonat. Proses

sulfonasi mengurangi ketahanan termal membran karena degradasi gugus sulfonat

terjadi pada temperatur yang lebih rendah. Ketika dibuat membran komposit

dengan penambahan montmorilonit, membran yang dibuat memiliki stabilitas

termal lebih tinggi yang ditunjukkan oleh pelepasan gugus sulfonat dari rantai

polimer terjadi pada temperatur 291 ºC (Swaminathan and Dharmalingam, 2009).

Choi et al. (2010) melaporkan analisis TGA membran poli(1,4-fenilena

sulfida) (PPS) tersulfonasi dan membran kompositnya dengan penambahan zeolit.

Hasil analisis TGA menunjukkan membran komposit PPS tersulfonasi/zeolit

mengalami tiga tahap degradasi, yaitu pada daerah 100 ºC yang mengindikasikan

hilangnya air yang teradsorb oleh membran. Tahap kedua terjadi pada daerah 270

ºC yang menunjukkan degradasi gugus sulfonat dari rantai utama polimer, dan

yang terakhir terjadi pada temperatur 460 ºC yang menunjukkan degradasi

kerangka utama polimer. Berat residu dari membran komposit yang meningkat

dengan semakin meningkatnya konsentrasi zeolit mengindikasikan stabilitas

termal mengalami penguatan dengan keberadaan zeolit.

B. Kerangka Pemikiran

Polistirena memiliki gugus aromatik pada rantai sampingnya sehingga

dapat dilakukan modifikasi secara kimia dengan sulfonasi. Proses sulfonasi pada

polistirena akan menghasilkan derajat sulfonasi yang berbeda, tergantung dari


commit to user

23

bagaimana reaksi sulfonasi dikontrol. Sulfonasi pada polistirena dapat dikontrol

dengan variasi konsentrasi agen sulfonasi asetil sulfat. Adanya gugus sulfonat

yang bergabung pada rantai samping polimer akan meningkatkan sifat hidrofil

dari polistirena tersulfonasi. Semakin besar konsentrasi agen sulfonasi yang

digunakan maka derajat sulfonasi polimer meningkat, hal ini mengindikasikan

jumlah gugus sulfonat yang bergabung pada rantai polimer semakin besar. Derajat

sulfonasi yang tinggi akan menyebabkan polimer bersifat semakin polar sehingga

akan mudah berinteraksi dengan air. Kemudahan polimer berinteraksi dengan air

akan meningkatkan kelarutan polimer. Gugus sulfonat (~SO3H) yang bergabung

pada PST juga menyebabkan kemudahan polimer untuk melepaskan ion H+ yang

berpengaruh terhadap nilai kapasitas tukar kation (KTK) polimer. Semakin

banyak gugus sulfonat yang bergabung pada rantai polimer maka jumlah ion H+

yang dipertukarkan akan semakin besar sehingga nilai KTK akan meningkat.

Sulfonasi pada polimer akan menurunkan ketahanan termal dari polimer karena

gugus sulfonat yang bergabung akan mengalami degradasi pada temperatur yang

lebih rendah dibanding polimer awalnya.

Sifat fisik dan kimia membran polistirena tersulfonasi dapat ditingkatkan

dengan penambahan suatu pengisi berupa material anorganik seperti zeolit. Zeolit

memiliki ketahanan termal yang tinggi dan telah dilaporkan sebagai material

penghantar proton. Konsentrasi zeolit dalam pembuatan membran komposit akan

mempengaruhi sifat fisik dan kimia membran. Penambahan zeolit pada komposisi

membran akan meningkatkan nilai KTK membran, akan tetapi pada konsentrasi

yang semakin besar dapat menurunkan nilai KTK. Penurunan nilai KTK

disebabkan adanya interaksi spesifik antara gugus sulfonat dari PST dengan gugus

hidroksil dari kerangka zeolit sehingga jumlah gugus sulfonat menjadi semakin

kecil. Adanya interaksi tersebut juga menyebabkan membran menjadi bersifat

lebih hidrofil sehingga air yang diserap membran menjadi lebih banyak.

Penyerapan air akan meningkatkan derajat pengembangan membran, akan tetapi

pada konsentrasi pengisi yang semakin besar dapat menurunkan derajat

pengembangan membran karena membran menjadi lebih rapat. Masuknya partikel

zeolit dalam membran akan meningkatkan ketahanan termal membran komposit


commit to user

24

karena zeolit memiliki stabilitas termal yang lebih tinggi daripada polimer awal.

Berdasarkan perkiraan sifat fisik dan kimia yang ada, maka membran komposit

yang disintesis dapat diaplikasikan sebagai membran elektrolit dalam sel bahan

bakar.

C. Hipotesis

Berdasarkan tinjauan pustaka dan rumusan masalah yang ada, maka dapat

diajukan hipotesis sebagai berikut :

1. Semakin besar konsentrasi agen sulfonasi yang digunakan dalam proses

sulfonasi PS akan menyebabkan peningkatan derajat sulfonasi, kelarutan,

dan kapasitas tukar kation dari polistirena tersulfonasi.

2. Semakin besar konsentrasi zeolit yang digunakan dalam komposisi

membran komposit polistirena tersulfonasi/zeolit akan meningkatkan nilai

kapasitas tukar kation (KTK), derajat pengembangan (DP), dan ketahanan

termal membran komposit. Namun pada konsentrasi zeolit yang semakin

besar dapat menurunkan nilai KTK dan DP membran komposit.


commit to user

25

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

A. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah eksperimental

laboratorium untuk memperoleh data dan hasil. Proses sulfonasi pada polistirena

dikontrol dengan memvariasikan konsentrasi agen sulfonasi untuk menghasilkan

polistirena tersulfonasi (PST) dengan berbagai derajat sulfonasi. Membran

komposit dibuat dengan mencampurkan antara PST dan zeolit yang dikontrol

dengan variasi konsentrasi dan jenis zeolit. Polimer dan membran komposit yang

dihasilkan selanjutnya dikarakterisasi dengan uji kapasitas tukar kation (KTK),

derajat pengembangan (DP), spektroskopi inframerah (IR), X-ray Diffractometer

(XRD), Thermogravimetric Analyzer (TGA), dan mikroskop digital.

B. Tempat dan Waktu Penelitian

Penelitian ini dilaksanakan di Laboratorium Dasar Kimia MIPA UNS,

Laboratorium Pusat MIPA Sub Laboratorium Kimia UNS, dan Laboratorium

MIPA Terpadu Fakultas MIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta pada bulan

Juli 2011 - selesai.

C. Alat dan Bahan

Penelitian ini menggunakan alat dan bahan sebagai berikut :

Alat yang digunakan antara lain : Peralatan gelas, seperangkat alat refluks,

seperangkat alat titrasi, stirrer, hot plate, oven, plat kaca, termometer, neraca

digital, mikroskop digital Nicon Eclipse E200, spektrofotometer IR Prestige-21

SHIMADZU, X-Ray Diffractometer 6000 SHIMADZU, dan STA PT 1600

LINSEIS .

Bahan yang digunakan antara lain : Polistirena (Mw = 350.000) dari

Aldrich, zeolit alam dari perusahaan SASTROSUGITO-Pandansimping, Klaten,

zeolit sintetik dari Lemigas Jakarta, asam sulfat 96 % (E. Merck), anhidrida asetat

(E. Merck), 1,2-diklorometan (E. Merck), 2-propanol (E. Merck), NaOH (E.

25


commit to user

26

Merck), HCl 37 % (E. Merck), NaCl (E. Merck), polietilen glikol (E. Merck),

akuades, kertas saring Whatman 42, indikator PP, dan dimetil asetamida (E.

Merck).

D. Prosedur Penelitian

1. Preparasi dan Karakterisasi Zeolit

Zeolit alam dihaluskan dan diayak 150 mesh. Zeolit yang didapat

selanjutnya dikarakterisasi dengan XRD, FTIR, TGA, dan kapasitas tukar kation

(KTK). Pada zeolit sintetik juga dilakukan karakterisasi yang sama seperti pada

zeolit alam.

2. Pembuatan Asetil Sulfat

Pembuatan asetil sulfat mengacu prosedur yang dilakukan oleh Makowski

et al. (1975). Sebanyak 395,7 mL 1,2-diklorometana dimasukkan ke dalam

erlenmeyer 100 mL yang sudah direndam es batu kemudian ditambahkan

anhidrida asetat sebanyak 76,3 mL dan diaduk. Campuran tersebut didinginkan

sampai suhu kurang dari 10 ºC kemudian ditambahkan asam sulfat 96 % sebanyak

28 mL dan diaduk sehingga diperoleh 500 mL larutan asetil sulfat 1 M.

3. Pembuatan Polistirena Tersulfonasi

Sulfonasi polistirena mengacu pada prosedur yang dilakukan oleh Martins

et al. (2003) dan Smitha et al. (2003). Sebanyak 20 mL 1,2-diklorometana

dimasukkan dalam labu leher dua kemudian ditambahkan polistirena sebanyak 8

gram, distirer sampai semua polistirena larut dan jenuh. Setelah polistirena larut

dan jenuh kemudian ditambahkan asetil sulfat dari 10 mL sampai dengan 50 mL

dan direfluks pada suhu ± 50 ºC selama 1 jam. Reaksi diterminasi dengan

penambahan 2-propanol sebanyak 10 mL. Polistirena tersulfonasi (PST) diisolasi

dengan meneteskan larutan PST ke dalam air mendidih sehingga diperoleh

padatan polistirena tersulfonasi basah, kemudian dioven pada suhu ± 60 ºC selama

satu malam untuk mendapatkan polistirena tersulfonasi kering, selanjutnya

dilakukan karakterisasi.


commit to user

27

4. Pembuatan Membran Komposit

Zeolit direndam dalam larutan DMAc selama satu malam. Polistirena

tersulfonasi dan PEG yang ditambahkan masing-masing dibuat tetap yaitu 20 %

dan 10 % dari berat total 10 gram. Pengadukan dibantu dengan stirer sampai

diperoleh campuran yang homogen kemudian didiamkan selama satu malam.

Campuran tersebut dicetak pada plat kaca dan dikeringkan pada suhu ruang.

Membran komposit yang dihasilkan selanjutnya dikarakterisasi dengan uji KTK,

derajat pengembangan, XRD, TGA, FTIR, dan mikroskop digital. Perbandingan

masing-masing komposisi material yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Perbandingan Komposisi Material Penyusun Membran Komposit

Jenis Membran Komposisi Material % (b/b)

PST PEG Zeolit DMAc

KTZ

(Komposit Tanpa Zeolit) 20 10 0 70

KZA

(Komposit Zeolit Alam)

20 10 3 67

20 10 5 65

20 10 7 63

KZS

(Komposit Zeolit Sintetik)

20 10 3 67

20 10 5 65

20 10 7 63

5. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK)

Analisis KTK mengacu prosedur yang dilakukan Lufrano et al. (2000)

polistirena tersulfonasi (PST) kering sebanyak 0,5 gram dimasukkan ke dalam

gelas beker lalu ditambahkan HCl 0,1 M sebanyak 50 mL dan ditutup dengan

alumunium foil selanjutnya dioven pada suhu 50-60 ºC selama satu jam. Setelah

satu jam campuran tersebut disaring dan dipisahkan antara filtrat dengan

adatannya. Padatan tersebut selanjutnya direndam dengan NaCl 1 M sebanyak 100

mL dan distirer selama 12 jam lalu disaring. Filtrat yang diperoleh diambil 25 mL

dan ditambahkan 3 tetes indikator PP, kemudian dititrasi dengan NaOH 0,05 M


commit to user

28

sampai terjadi perubahan warna dari bening menjadi merah muda. Saat terjadi

perubahan warna, dicatat volume NaOH yang dibutuhkan. Pengukuran KTK

zeolit juga menggunakan prosedur yang sama dengan PST, sedangkan untuk

analisis KTK dari membran komposit, terlebih dahulu membran dipotong dengan

ukuran 2 cm x 2 cm kemudian dilakukan langkah yang sama dengan analisis

KTK dari PST dan dititrasi dengan NaOH 0,005 M. Nilai KTK dihitung dengan

persamaan (1) sebagai berikut:

Dimana V adalah volume NaOH (mL) yang dibutuhkan untuk mencapai

titik ekivalen titrasi, sedangkan M adalah konsentrasi dari larutan NaOH (M) yang

digunakan sebagai titran.

6. Analisis Gugus Fungsi

Analisis gugus fungsi zeolit, polistirena, polistirena tersulfonasi dan

membran komposit ditentukan dengan menggunakan alat spektrofotometer IR

Prestige-21 SHIMADZU. Spektra IR komposit membran dicatat pada bilangan

gelombang antara 4000 dan 400 cm-1 dengan resolusi 4 cm-1. Sampel

dicampurkan dengan KBr dan dibuat dalam bentuk pelet KBr kemudian dianalisis

IR.

7. Analisis Kristalinitas Sampel

Polistirena tersulfonasi, zeolit, dan membran komposit PST/Zeolit

dianalisis menggunakan difraksi sinar-X Cu Kα, λ = 1,54060 Å (XRD-6000

SHIMADZU) pada 2θ = 5 s/d 70º untuk mengetahui kristalinitas sampel yang

dianalisis.

8. Analisis Termal

Ketahanan termal dari zeolit, polistirena, PST, dan membran komposit

ditentukan dengan alat TG/DTA (STA PT 1600 LINSEIS). Sampel dipanaskan

dengan laju 20 °C/menit sampai dengan 700 °C pada kondisi atmosfer ruang.


commit to user

29

9. Analisis Derajat Pengembangan (DP)

Membran dipotong ukuran 2 cm x 2 cm kemudian dioven pada suhu 50 –

60 ºC selama 12 jam dan ditimbang berat keringnya. Membran tersebut lalu

direndam dengan aquades selama 24 jam dan ditimbang berat basahnya. Derajat

pengembangan dihitung dengan persamaan sebagai berikut :

E. Teknik Pengumpulan Data

Dalam sintesis polistirena tersulfonasi (PST), dengan variasi konsentrasi

agen sulfonasi akan didapatkan titik kepolaran yang ditandai dengan larutnya

polistirena tersulfonasi saat diisolasi. Selanjutnya dilakukan uji kapasitas tukar

kation (KTK) terhadap masing-masing PST untuk memperoleh data KTK.

Berdasarkan data KTK tersebut maka dapat ditentukan derajat sulfonasi dari

masing-masing polistirena tersulfonasi. Polisiren tersulfonasi yang digunakan

dalam pembuatan membran komposit adalah PST dengan nilai KTK dan nilai

rendemen yang cukup tinggi. Setelah diperoleh membran komposit, selanjutnya

juga dilakukan uji KTK untuk memperoleh data seperti pada Tabel 2.

Tabel 2. Data Pengukuran KTK Membran Komposit

Jenis membran Berat

(g)

V NaOH

(mL)

[NaOH]

(M)

KTK (meq/g)

25 mL 100 mL

KTZ

KZA 3 %

KZA 5 %

KZA 7 %

KZS 3 %

KZS 5 %

KZS 7 %


commit to user

30

Pengujian lainnya yang dilakukan untuk mengumpulkan data antara lain :

1. Serapan bilangan gelombang masing-masing gugus fungsi dari zeolit, PS,

PST, dan membran kompositnya dilakukan analisis menggunakan FTIR.

2. Tingkat kristalinitas material penyusun membran dan membran

kompositnya dianalisis menggunakan XRD.

3. Tingkat/derajat pengembangan membran komposit dalam air diuji melalui

derajat pengembangan (DP).

4. Morfologi dan homogenitas dari permukaan membran komposit dianalisis

menggunakan mikroskop digital.

5. Ketahanan termal dari material penyusun membran dan membran

kompositnya dianalisis menggunakan TGA.

F. Teknik Analisis Data

Masing-masing data yang diperoleh dalam penelitian ini dianalisis dengan

beberapa metode diantaranya :

1. Hubungan konsentrasi agen sulfonasi dengan nilai KTK dan

rendemen/kelarutan dibuat grafik untuk mengetahui pengaruh variasi

konsentrasi agen sulfonasi terhadap nilai KTK dan rendemen/kelarutan

PST.

2. Spektra IR dari PS dan PST dibandingkan untuk menegaskan bahwa

polimer telah memiliki gugus sulfonat, dan dibandingkan pula dengan

literatur. Spektra IR zeolit juga dibandingkan dengan literatur untuk

memastikan serapan bilangan gelombang dari masing-masing gugus

fungsi adalah milik zeolit. Spektra IR PST, zeolit, dan membran

kompositnya dibandingkan untuk mengetahui interaksi antara PST dengan

zeolit dengan melihat pergeseran serapan bilangan gelombang dari

masing-masing gugus fungsi.

3. Data puncak pada 2θ difraktogram hasil analisis XRD zeolit alam dan

zeolit sintetik dengan intensitas tertinggi dibandingkan dengan data nilai d

dari zeolit standar. Pembandingan ini untuk memastikan bahwa sampel

adalah mineral zeolit. Pola difraktogram polistirena tersulfonasi dan


commit to user

31

membran kompositnya juga dibandingkan untuk mengetahui perubahan

tingkat kristalinitas sampel.

4. Data analisis derajat pengembangan dari membran tanpa zeolit (KTZ)

dibandingkan dengan variasi konsentrasi zeolit baik pada membran KZA

maupun KZS dan masing–masing nilai KTK-nya juga dibandingkan untuk

mengetahui hubungan ketiga variabel tersebut.

5. Data morfologi permukaan membran KTZ dibandingkan dengan data

morfologi membran KZA dan KZS untuk mengetahui homogenitas dan

pengaruh konsentrasi zeolit terhadap sebaran partikel dalam komposit.

6. Termogram TGA dari PS dengan PST dibandingkan untuk mengetahui

pengaruh sulfonasi terhadap ketahanan termal material. Ketahanan termal

ditentukan dengan melihat pergeseran termogram sampel, dimana

pergeseran semakin ke arah kanan menunjukkan peningkatan ketahanan

termal. Selain itu dapat juga dengan melihat pergeseran termogram delta

massa yang hilang, dimana pergeseran termogram delta massa semakin ke

arah bawah menunjukkan penurunan ketahanan termal. Selanjutnya data

termogram dari membran komposit tanpa zeolit (KTZ) dibandingkan

dengan data termogram dari membran KZA maupun membran KZS untuk

mengetahui pengaruh zeolit dengan variasi konsentrasi pada membran

komposit.


commit to user

32

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Analisis Mineral Zeolit

Spektra difraksi sinar-X sampel zeolit alam (ZA) dan zeolit sintetik (ZS)

(Gambar 8) memberikan informasi tentang jenis mineral dan tingkat kristalinitas

komponen penyusun sampel. Analisis jenis mineral penyusun sampel dilakukan

dengan membandingkan nilai d atau 2θ pada sampel dengan nilai d atau 2θ dari

data standar sehingga akan diketahui jenis mineral di dalam sampel, sedangkan

tingkat kristalinitas komponen penyusun sampel ditunjukkan oleh tinggi

rendahnya intensitas puncak.

Gambar 8. Spektra XRD sampel zeolit

Gambar 8 di atas menunjukkan kemiripan pola spektra XRD zeolit alam

dan zeolit sintetik. Kemiripan spektra kedua jenis sampel tersebut dapat

disebabkan karena kesamaan kandungan jenis mineral penyusun sampel. Nilai d

untuk kedua jenis sampel dibandingkan dengan nilai d dari standar (dapat dilihat

32


commit to user

33

pada Lampiran 15) yang menunjukkan karakteristik mineral mordenit. Nilai d yang

muncul untuk sampel ZA dan ZS ditunjukkan pada Tabel 3.

Tabel 3. Perbandingan Nilai d Sampel Zeolit

Nilai d (Å)

Zeolit Alam Zeolit Sintetik Standar (mordenit)

3,921

3,422

3,168

3,941

3,433

3,166

3,880

3,476

3,156

Kedua jenis zeolit menunjukkan derajat kristalinitas yang cukup tinggi, hal

tersebut dapat diketahui dari persentase intensitas relatif (Irelatif). Sampel zeolit

alam memiliki intensitas relatif sebesar 82,79 % sedangkan untuk zeolit sintetik

memiliki intensitas relatif sebesar 88,85 % (Lampiran 21). Hasil ini menunjukkan

tingkat kemurnian zeolit sintetik lebih tinggi yang dapat disebabkan jumlah

pengotor yang lebih sedikit dibanding zeolit alam. Kandungan mineral mordenit

antara kedua jenis sampel zeolit hampir sama. Hasil perhitungan (Lampiran 21)

menunjukkan kandungan mineral mordenit dalam zeolit sintetik sebesar 73,73 %

dan dalam sampel zeolit alam sebesar 73,73 %. Mineral mordenit merupakan jenis

mineral penyusun zeolit, sehingga dapat disimpulkan bahwa kedua jenis sampel

ini adalah batuan zeolit. Kristalinitas yang cukup tinggi dari sampel zeolit dapat

mempengaruhi kristalinitas membran komposit ketika digunakan sebagai pengisi

(filler) sehingga dapat diketahui pengaruh masuknya partikel zeolit dalam

komposisi membran.

B. Analisis Gugus Fungsi Sampel Zeolit

Analisis gugus fungsi dilakukan untuk penentuan serapan bilangan

gelombang dari gugus fungsi dalam padatan zeolit. Analisis gugus fungsi dengan

spektroskopi IR dilakukan pada daerah bilangan gelombang 4000-400 cm-1, hal

ini bertujuan untuk mengamati gugus fungsi spesifik dari kerangka zeolit. Hasil

pengamatan dengan spektrofotometer IR pada sampel zeolit diperoleh spektra


commit to user

34

seperti yang terlihat pada Gambar 9. Spektra IR tersebut menunjukkan bahwa

zeolit alam mempunyai puncak serapan pada daerah bilangan gelombang 3439,08;

1637,5; 1047,35; 794,67; dan 464,84 cm-1. Hasil yang hampir sama ditunjukkan

pada serapan bilangan gelombang pada zeolit sintetik yaitu pada 3454,4; 1633,66;

1062,75; 785,01; dan 460,98 cm-1. Hasil analisis gugus fungsi kedua jenis sampel

zeolit dapat dilihat pada Gambar 9.

Gambar 9. Spektra IR sampel zeolit

Puncak serapan pada 3439,08 cm-1 (ZA) dan 3454,4 cm-1 (ZS) merupakan

vibrasi ulur (stretching) OH dari molekul air yang teradsorb. Hasil yang hampir

sama dengan karakter mordenit pada kisaran 3453,37 cm-1 (Moreno et al., 2010)

dan karakter zeolit alam Gunung Kidul pada kisaran 3451,41 cm-1 (Tjie Kok,

2008). Serapan pada 1637,5 cm-1 (ZA) dan 1633,66 cm-1 (ZS) merupakan vibrasi

tekuk gugus OH dari molekul air yang teradsorb. Hasil yang hampir sama dengan

karakter mordenit pada kisaran 1627,92 cm-1 (Bhadauria et al., 2011). Moreno et


commit to user

35

al. (2010) melaporkan vibrasi tekuk OH pada mordenit terjadi pada daerah

1648,49 cm-1.

Puncak pada daerah 1000-1150 cm-1 merupakan vibrasi ulur (stretching)

asimetris Si-O-Si atau Al-O-Al pada TO4 (Bhadauria et al., 2011). Serapan

tersebut ditunjukkan oleh adanya puncak pada daerah 1047,35 cm-1 (ZA) dan

1062,75 cm-1 (ZS). Hasil yang hampir sama dengan karakter mordenit pada

kisaran 1045,1 cm-1 (Bhadauria et al., 2011). Sedangkan puncak 794,67 cm-1 (ZA)

dan 785,01 cm-1 (ZS) menunjukkan vibrasi stretching simetris gugus Si-O atau

Al-O. Hasil yang hampir sama dengan serapan zeolit alam Gunung Kidul pada

bilangan gelombang 798,38 cm-1 (Tjie Kok, 2008). Bhadauria et al. (2011)

mengamati hal tersebut pada mordenit yang memiliki serapan bilangan gelombang

pada 785,03 cm-1 sedangkan Moreno et al. (2010) melaporkan vibrasi stretching

simetris Si-O atau Al-O terjadi pada 793,56 cm-1.

Puncak serapan pada kisaran 420-500 cm-1 menunjukkan vibrasi ikatan

tekuk TO4 jalinan internal kerangka zeolit. Hasil analisis terhadap kedua jenis

sampel zeolit menunjukkan serapan tersebut terjadi pada 464,84 cm-1 (ZA) dan

460,98 cm-1 (ZS). Srihapsari (2006) mengamati hal tersebut pada zeolit alam

Bandung yang menunjukkan serapan pada 466,7 cm-1, sedangkan Bhadauria et al.

(2011) melaporkan vibrasi tekuk TO4 mordenit terjadi pada 460,99 cm-1.

Berdasarkan hasil analisis spektra IR dapat diketahui bahwa kedua sampel zeolit

menunjukkan karakteristik gugus fungsi yang sama, yaitu karakteristik kerangka

struktur zeolit tipe mordenit. Adanya kesamaan jenis mineral penyusun dan gugus

fungsi pada kerangka zeolit diharapkan mampu menghasilkan membran komposit

dengan karakteristik yang mirip.

C. Sintesis Polistirena Tersulfonasi (PST)

Sintesis polistirena tersulfonasi dilakukan untuk mempelajari pengaruh

konsentrasi agen sulfonasi terhadap nilai KTK dan kelarutan polimer hasil

sulfonasi serta pengaruhnya terhadap derajat sulfonasi polimer. Ketiga faktor

tersebut erat kaitannya dengan sulfonasi suatu polimer, sehingga dengan

penelitian ini akan dapat diketahui hubungan dari ketiga faktor tersebut. Proses


commit to user

36

sulfonasi dilakukan pada polistirena (PS) untuk menghasilkan polistirena

tersulfonasi (PST) dengan gugus sulfonat (~SO3H) pada rantai sampingnya.

Reaksi sulfonasi merupakan reaksi substitusi elektrofilik yang bertujuan

menggantikan atom H dengan gugus ~SO3H pada cincin aromatik melalui ikatan

kimia pada atom karbonnya. Adanya gugus sulfonat pada cincin aromatis tersebut

menyebabkan PS memiliki gugus bermuatan sehingga dapat menghantarkan

proton. Polimer dan agen sulfonasi harus berada pada fase yang sama. Pelarut

yang digunakan tidak boleh bereaksi dengan polimer maupun dengan agen

sulfonasi. Pemilihan agen sulfonasi berperan penting dalam kehomogenan suatu

reaksi sulfonasi. Pada penelitian ini dipilih agen sulfonasi asetil sulfat, hal ini

didasarkan pada sifat kompatibilitas antara polimer dengan agen sulfonasi dan

diharapkan distribusi sulfonat pada polistirena menjadi lebih merata (Makowski et

al,. 1975; Martins et al., 2003; Smitha et al., 2003).

Pembuatan agen sulfonasi asetil sulfat dan sintesis PST menggunakan

diklorometana sebagai pelarut dari agen sulfonasi dan polistirena untuk

mendapatkan kondisi reaksi sulfonasi yang lebih homogen. Pembuatan asetil

sulfat dilakukan pada temperatur kurang dari 10 °C untuk mencegah kerusakan

dan penguapan pelarut karena asetil sulfat bersifat tidak stabil dan harus segera

digunakan setelah pembuatannya. Reaksi sulfonasi pada polistirena seperti yang

terlihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Reaksi sulfonasi polistirena (Martins et al., 2003)

Gambar 10 menunjukkan bahwa proses sulfonasi PS menghasilkan PST

yang memiliki gugus sulfonat (~SO3H) pada rantai sampingnya. Polistirena

memiliki gugus (~CH) yang merupakan gugus pendorong elektron, hal ini

menyebabkan posisi para/orto menjadi lebih negatif daripada posisi meta. Gugus


commit to user

37

sulfonat yang berasal dari asetil sulfat dengan mudah dapat menyerang pada posisi

orto/para. Adanya efek sterik menyebabkan gugus sulfonat lebih mudah

menyerang posisi para daripada posisi orto karena lebih stabil.

Derajat sulfonasi pada polistirena dikontrol dengan mengatur konsentrasi

agen sulfonasi yang ditambahkan pada proses sulfonasi. Pada penelitian ini

dilakukan variasi penambahan asetil sulfat dari 10 mL hingga 50 mL untuk

mendapatkan polistirena tersulfonasi dengan derajat sulfonasi yang berbeda.

Penelitian Martins et al. (2003) menunjukkan polistirena dengan derajat sulfonasi

yang terlalu tinggi akan menyebabkan polimer terlarut di dalam air. Kelarutan

PST dalam air tidak diinginkan karena akan menurunkan kemampuan polimer

dalam aplikasinya sebagai membran polimer elektrolit.

Polistirena awal sebelum proses sulfonasi berupa kristal berwarna bening

seperti yang terlihat pada Gambar 11 (A). Proses sulfonasi mampu meningkatkan

massa polistirena, hal ini disebabkan adanya gugus sulfonat yang ditambahkan

pada polimer berkontribusi dalam meningkatkan massa polimer. Pada penelitian

ini, dari berat rata-rata PS 8 g dapat menghasilkan PST sekitar 9 g. Polistirena

tersulfonasi yang dihasilkan dengan penambahan 10 mL asetil sulfat diberi simbol

PST 10, begitu juga untuk penambahan asetil sulfat 20, 30, 40, dan 50 mL diberi

simbol PST 20, PST 30, PST 40, dan PST 50. Polistirena tersulfonasi yang

dihasilkan pada penelitian ini berupa padatan berwarna putih seperti yang terlihat

pada Gambar 11 (B).

Gambar 11. Polistirena (A) dan polistirena tersulfonasi (B)


commit to user

38

1. Analisis Gugus Fungsi Polistirena dan Polistirena Tersulfonasi

Analisis gugus fungsi dilakukan untuk menegaskan adanya gugus fungsi

baru yang bergabung pada kerangka polimer PS. Gugus fungsi polistirena dan

polistirena tersulfonasi dianalisis dengan membandingkan serapan bilangan

gelombang dari masing-masing gugus fungsional polimer sebelum dan sesudah

sulfonasi. Spektra IR polistirena dan polistirena tersulfonasi ditunjukkan oleh

Gambar 12.

Gambar 12. Spektra IR polistirena dan polistirena tersulfonasi


commit to user

39

Hasil analisis gugus fungsi (Gambar 12) menunjukkan polistirena

tersulfonasi telah berhasil disintesis yang ditandai adanya serapan pita lebar yang

khas pada daerah bilangan gelombang 1124,5-1222,87 cm-1. Serapan pada daerah

tersebut menunjukkan vibrasi ulur (stretching) asimetrik gugus O=S=O.

Penelitian Martins et al. (2003) menunjukkan bahwa vibrasi ulur simetrik gugus

sulfonat PST ditunjukkan adanya pita serapan pada daerah 1040 cm-1, sedangkan

vibrasi ulur asimetrik O=S=O ditunjukkan oleh adanya pita serapan lebar pada

daerah 1100-1350 cm-1. Perbedaan serapan pita vibrasi gugus sulfonat hasil

sintesis dengan penelitian sebelumnya dapat disebabkan karena terbentuknya

ikatan baru berupa gugus sulfonat pada rantai polimer sehingga pita vibrasi

mengalami pergeseran.

Gambar 12 juga menunjukkan pita serapan lain yang muncul, yaitu pada

daerah 696,23-758,02 cm-1 yang mengindikasikan vibrasi ikatan C-H pada mono-

substitusi benzena. Vibrasi ikatan C=C pada cincin aromatik ditunjukkan pada

daerah 1452,4-1600,92 cm-1. Pita serapan pada 2922,09-2922,16 cm-1

menunjukkan ikatan vibrasi pada cincin alifatik sedangkan vibrasi ikatan C-H

pada cincin aromatik ditunjukkan oleh pita serapan pada 3024,38 cm-1. Vibrasi

stretching O-H ditunjukkan oleh pita serapan lebar pada 3419,79-3437,15 cm-1.

Hasil pengamatan spektra IR (Gambar 12) hampir mirip dengan penelitian

sebelumnya. Smitha et al. (2003) telah melaporkan polistirena tersulfonasi

memiliki serapan bilangan gelombang pada daerah 700 dan 780 cm-1 yang

menunjukkan deformasi bidang luar C-H yang mengindikasikan mono-substitusi.

Puncak pada 1360 cm-1 diidentifikasi sebagai vibrasi stretching asimetrik ikatan

O=S=O. Vibrasi simetrik ikatan O=S=O ditunjukkan oleh karakteristik pita

serapan pada daerah 1150-1185 cm-1. Telah diamati pula perubahan yang tidak

signifikan pada puncak 2925 cm-1 menunjukkan ikatan C-H alifatik dan puncak

3000 cm-1 yang menunjukkan ikatan C-H aromatik. Piboonsatsanasakul et al.

(2007) telah mengamati pita vibrasi O-H stretching pada PST terjadi di daerah

3407 cm-1.


commit to user

40

2. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK), Derajat Sulfonasi (DS), dan Rendemen dari Polistirena Tersulfonasi

Aplikasi sel bahan bakar membutuhkan suatu material polimer yang

memiliki kemampuan menukarkan ion sehingga perlu dianalisis melalui uji KTK.

Semakin besar nilai KTK maka kinerja sel bahan bakar akan semakin baik karena

jumlah kation yang dipertukarkan semakin banyak sehingga energi listrik yang

dihasilkan juga semakin besar. Kapasitas tukar kation menyatakan jumlah mili

ekivalen asam sulfonat per gram berat polimer. Tujuan analisis KTK disini adalah

untuk mengetahui kemampuan PST untuk menukarkan kation yang terikat pada

gugus fungsinya dengan kation lain yang diberikan pada sistem. Pengaruh

konsentrasi agen sulfonasi terhadap nilai KTK dan rendemen ditunjukkan oleh

Gambar 13.

Gambar 13. Pengaruh konsentrasi agen sulfonasi terhadap nilai KTK dan rendemen

Gambar 13 di atas menunjukkan bahwa semakin besar konsentrasi agen

sulfonasi yang ditambahkan maka nilai KTK-nya juga semakin besar, hasil ini

seperti penelitian yang telah dilakukan Elabd and Napadensky (2004).

Perhitungan nilai KTK dan rendemen dapat dilihat pada Lampiran 1 dan 2.


commit to user

41

Semakin banyak jumlah agen sulfonasi yang ditambahkan maka gugus sulfonat

(~SO3H) akan semakin banyak sehingga ion H+ yang bisa dipertukarkan juga

semakin banyak, hal ini akan menyebabkan peningkatan kapasitas tukar

kationnya.

Gambar 13 juga menunjukkan bahwa PST 40 mengalami penurunan nilai

KTK, yang seharusnya memiliki nilai KTK yang lebih tinggi dari PST 30

sedangkan untuk PST 50 tidak diperoleh hasil. Nilai KTK PST 40 yang menurun

kemungkinan disebabkan gugus sulfonat dari PST 40 banyak yang terlarut di

dalam air sehingga pada saat dianalisis KTK nilainya menjadi kecil. Fakta ini juga

didukung dengan rendemen PST 40 yang lebih kecil daripada PST 30 sedangkan

pada PST 50 tidak diperoleh hasil karena semua polimer larut dalam air ketika

diisolasi. Pengaruh konsentrasi agen sulfonasi terhadap derajat sulfonasi

ditunjukkan Gambar 14.

Gambar 14. Pengaruh konsentrasi agen sulfonasi terhadap derajat sulfonasi

Gambar 14 di atas menunjukkan peningkatan derajat sulfonasi dengan

semakin meningkatnya konsentrasi agen sulfonasi. Perhitungan derajat sulfonasi

dapat dilihat pada Lampiran 3. Gambar 14 juga menunjukkan PST 30 yang

memiliki derajat sulfonasi yang lebih tinggi dibanding PST 40, oleh karena itu


commit to user

42

nilai KTK PST 30 juga lebih tinggi. Penurunan derajat sulfonasi PST 40

disebabkan derajat sulfonasi yang terlalu tinggi sehingga banyak gugus sulfonat

dari PST 40 yang larut di dalam air saat diisolasi. Ketika dilakukan analisis derajat

sulfonasi maka hanya gugus sulfonat yang terisolasi saja yang dapat dianalisis,

sedang gugus sulfonat yang larut di dalam air tidak ikut dianalisis. Fakta ini juga

didukung oleh PST 50 yang tidak didapatkan hasil karena derajat sulfonasi yang

lebih tinggi dari PST 40 sehingga semua polimer terlarut di dalam air saat

diisolasi. Berdasarkan data yang diperoleh, maka dipilih PST 30 untuk digunakan

dalam pembuatan membran komposit PST/zeolit karena memiliki nilai KTK dan

rendemen yang cukup tinggi dibanding komposisi yang lainnya. Ketika digunakan

dalam sintesis membran komposit diharapkan mampu menghasilkan membran

nilai KTK yang cukup baik untuk aplikasi membran elektrolit.

3. Analisis Termal Polistirena (PS), Polistirena Tersulfonasi (PST), dan Zeolit

Stabilitas termal dari polistirena (PS) dan polistirena tersulfonasi (PST)

dianalisis menggunakan TGA. Dalam analisis TGA, sampel mulai mengalami

perubahan massa atau reaksi degradasi ditunjukkan oleh penyimpangan terhadap

garis horizontal dan degradasi telah sempurna apabila tercapai kurva horizontal

dan tidak mengalami perubahan kembali. Suatu reaksi degradasi yang tidak diikuti

oleh adanya perubahan massa, tidak dapat dianalisis dengan TGA. Untuk

menentukan tahap degradasi suatu sampel dapat dilakukan dengan cara melihat

suhu awal degradasi dan suhu akhir degradasi. Suhu awal degradasi sampel dapat

disebabkan karena pelepasan air, pelarut, atau mulai terdegradasinya molekul-

molekul kecil dalam sampel, sedangkan pada suhu akhir degradasi dapat

disebabkan karena pemutusan rantai utama material menghasilkan molekul yang

lebih kecil. Termogram hasil analisis TGA polistirena dan polistirena tersulfonasi

ditunjukkan pada Gambar 15.


commit to user

43

Gambar 15. Termogram PS dan PST dengan variasi konsentrasi agen sulfonasi

Gambar 15 menunjukkan bahwa PS murni mengalami satu tahap

degradasi, yaitu degradasi rantai utama polistirena pada suhu sekitar 350 oC.

Sedangkan PST mengalami 2 tahap degradasi, yaitu degradasi pertama terjadi

pada suhu sekitar 100 oC merupakan lepasnya molekul air. Adanya kandungan air

dalam PST diakibatkan oleh adanya gugus sulfonat yang bersifat higroskopis yang

mampu menyerap air. Degradasi yang kedua adalah degradasi rantai utama

polistirena yang mulai terdegradasi pada suhu sekitar 300 oC. Hasil penelitian ini

mirip dengan penelitian sebelumnya. Piboonsatsanasakul et al. (2007) telah

mengamati ketahanan termal dari polistirena tersulfonasi. Hasil penelitiannya

menunjukkan polimer tersebut mengalami 2 tahap degradasi yaitu pada

temperatur 80-160 ºC yang menunjukkan lepasnya molekul air yang berada dalam

membran. Tahap degradasi yang kedua terjadi pada temperatur 360-460 ºC yang

menunjukkan depolimerisasi polistirena tersulfonasi.

Gambar 15 menunjukkan pada PST 10, PST 20, PST 30, dan PST 40

memiliki pola termogram yang mirip, namun PST 10 dan PST 20 masih memiliki


commit to user

44

sifat stabilitas termal yang lebih tinggi dari PST 30 dan PST 40 meski tidak jauh

berbeda. Hal tersebut ditunjukkan oleh termogram PST 10 dan 20 yang sedikit

bergeser ke arah kanan dan memiliki selisih kehilangan massa yang lebih kecil.

Jadi dapat disimpulkan semakin banyak agen sulfonasi yang ditambahkan maka

mengakibatkan ketahanan termal dari polimernya semakin menurun. Gambar 16

menunjukkan hasil analisis TGA material penyusun membran.

Gambar 16. Termogram zeolit, PS, PST, dan membran PST

Dari Gambar 16 tersebut dapat diketahui kedua sampel zeolit belum

mengalami degradasi pada temperatur hingga 700 ºC, hal ini menunjukkan bahwa

kedua sampel tersebut memiliki ketahanan termal yang cukup tinggi. Gambar

tersebut juga menunjukkan bahwa membran komposit PST mengalami 3 tahap

degradasi, yaitu pada suhu sekitar 100 °C yang menunjukkan terjadinya pelepasan

molekul air yang terkandung di dalam membran, suhu degradasi kedua terjadi

pada suhu sekitar 180 °C yang menunjukkan terdegradasinya rantai utama PEG

karena dalam pembuatan membran komposit digunakan PEG sebagai pemlastis,

hal ini sesuai dengan pola pada PST yang memiliki 2 tahap degradasi. Sedangkan

tahap degradasi yang terakhir membran PST terjadi pada suhu di atas 300 °C yang

menunjukkan degradasi rantai utama polimer menjadi molekul yang lebih kecil.


commit to user

45

D. Sintesis Membran Komposit

Pembuatan komposit bertujuan untuk meningkatkan sifat fisik dan sifat

kimia membran sebagai material elektrolit. Pembuatan membran komposit

menggunakan metode inversi fasa dengan pencetakan larutan. Metode ini meliputi

beberapa tahapan yaitu pembuatan larutan cetak yang homogen, pencetakan

larutan, penguapan pelarut, dan difusi antara pelarut dengan non pelarut (Mulder,

1996). Pada penelitian ini polistirena tersulfonasi dicampurkan zeolit dengan

konsentrasi bervariasi % (b/b), yang berfungsi sebagai pengisi untuk

menghasilkan membran komposit. Pembuatan membran komposit juga

menggunakan polietilena glikol (PEG) sebagai pemlastis (plasticizer) agar

membran yang dihasilkan tidak retak, memiliki permukaan yang halus, dan

bersifat lebih elastis. Material penyusun membran dilarutkan dalam pelarut

dimetilasetamida (DMAc), pelarut ini dipilih karena dapat melarutkan dengan

baik material yang digunakan.

Pada saat larutan campuran dicetak di atas plat kaca, sebagian pelarut pada

lapisan atas akan menguap dengan mengalami difusi ke udara. Proses ini akan

menyebabkan lapisan atas kekurangan pelarut sedangkan lapisan bawah menjadi

kaya akan pelarut. Temperatur ruang dan kelembaban udara akan mempengaruhi

penguapan pelarut, kemudian akan terjadi pemisahan fasa. Selama pemisahan fasa

berlangsung, fasa yang kaya polimer akan membentuk matriks membran

sedangkan fasa yang miskin polimer akan membentuk pori. Lapisan atas yang

kekurangan pelarut akan membentuk pori yang berukuran lebih kecil daripada

lapisan bawah. Perbedaan ukuran pori ini akan menghasilkan membran

berstruktur asimetrik. Lapisan atas dari membran asimetrik akan menentukan

selektivitas membran. Membran yang dihasilkan berbentuk lembaran tipis dan

transparan, seperti yang terlihat pada Gambar 17 dan Gambar 18.


commit to user

46

Gambar 17. Membran komposit PST tanpa penambahan zeolit (KTZ)

Gambar 18. Membran KZS dengan variasi konsentrasi zeolit sintetik (A) dan membran KZA dengan variasi konsentrasi zeolit alam (B)

Komposisi material penyusun membran merupakan faktor penting dalam

pembuatan membran karena membran akan sulit dicetak bila larutan membran

terlalu encer atau kental. Pada penelitian ini, komposisi polistirena tersulfonasi

dan PEG dibuat tetap yaitu masing-masing sebesar 20 % dan 10 %, sedangkan

jumlah dan jenis dari zeolit divariasikan. Membran komposit yang dihasilkan

diberi kode sesuai dengan jenis dan jumlah zeolit yang digunakan. Membran

komposit PST tanpa zeolit diberi kode KTZ, sedangkan membran komposit

PST/zeolit alam diberi nama KZA dan membran komposit PST/zeolit sintetik


commit to user

47

diberi nama KZS. Persentase (%) pada masing-masing membran komposit

menunjukkan konsentrasi zeolit yang digunakan (b/b).

1. Analisis Gugus Fungsi Membran Komposit

Analisis gugus fungsi membran komposit dilakukan dengan spektroskopi

IR dan hasil analisis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.

Gambar 19. Spektra IR membran komposit

Analisis gugus fungsi terhadap membran komposit bertujuan untuk

mengetahui serapan bilangan gelombang dari masing-masing gugus fungsi pada


commit to user

48

membran komposit. Membran komposit dapat memiliki karakteristik serapan

bilangan gelombang dari gugus fungsi material penyusunnya. Adanya interaksi

spesifik antara gugus-gugus fungsi dari material penyusun membran dapat

menyebabkan pergeseran serapan bilangan gelombang. Interaksi tersebut akan

mempengaruhi karakteristik membran komposit yang dihasilkan. Pergeseran pita

serapan dapat diketahui dengan membandingkan pita serapan material penyusun

awal dengan pita serapan membran. Serapan bilangan gelombang masing-masing

gugus fungsi pada membran komposit ditunjukkan Tabel 4.

Tabel 4. Serapan Bilangan Gelombang Gugus Fungsi Membran Komposit

Jenis vibrasi Bilangan gelombang ( cm -1 )

PST 30 KTZ KZS KZA

Ikatan vibrasi tekuk Si-O - - 457,13 459,06

Vibrasi tekuk Si-O pada kerangka zeolit

- - 800,46 833,25

Ikatan C-H pada monosubstitusi benzen

756,02 759,95 758,02 759,95

Ikatan rentangan Si-O-Si - - 1089,78 1097,5

Ikatan vibrasi dari gugus fungsi O=S=O

1174,65 1105,21 1219,01 1215,15

Ikatan C=C pada cincin aromatik

1452,40 1452,4 1452,40

1452, 40

Ikatan vibrasi tekuk gugus O-H teradsorb

- - 1633,71 1600,92

Ikatan C-H alifatik 2922,16 2918,3 2920,23 2920,23

Ikatan C-H pada cincin aromatik

3024,38 3024,38 3059,10

3059,10

Ikatan vibrasi regangan O-H 3437,15 3423,65 3429,43 3410, 15

Spektra IR membran komposit (Gambar 19) menunjukkan adanya

pergeseran bilangan gelombang, yaitu vibrasi ulur Si-O-Si dari 1047,35 cm-1 pada

zeolit alam dan 1062,75 cm-1 pada zeolit sintetik (Gambar 9) bergeser menjadi

1097,5 cm-1 pada KZA dan 1089,78 cm-1 pada KZS. Selain itu juga terjadi

pergeseran bilangan gelombang pada serapan gugus sulfonat dari 1174,65 cm-1

pada PST menjadi 1215,15 cm-1 pada KZA dan 1219,01 cm-1 pada KZS.


commit to user

49

Terjadinya pergeseran bilangan gelombang ini dapat disebabkan terjadinya

interaksi spesifik antara gugus sulfonat dari polistirena tersulfonasi dengan gugus

hidroksil dari kerangka zeolit.

2. Analisis Kapasitas Tukar Kation (KTK) dan Derajat Pengembangan (DP) Membran Komposit

Kemampuan membran komposit dalam menukarkan kation memegang

peranan penting dalam aplikasinya sebagai membran elektrolit, hal ini karena nilai

KTK bertanggung jawab dalam penghantaran proton dan merupakan perkiraan

secara tidak langsung terhadap konduktivitas proton (Smitha et al., 2003). Tabel

5 menunjukkan bahwa penambahan zeolit mampu meningkatkan nilai KTK pada

membran, kecenderungan hampir sama untuk membran komposit zeolit alam

(KZA) maupun membran komposit zeolit sintetik (KZS). Perhitungan nilai KTK

dan derajat pengembangan (DP) dari membran komposit dapat dilihat pada

Lampiran 4 dan 5.

Tabel 5. Nilai KTK dan DP Membran Komposit

Jenis

komposit

Komposisi % b/b

DMAc : PST : PEG : Zeolit KTK

meq/g

DP %

KTZ 70 : 20 : 10 : 0 0,96 26,01

KZS 67 : 20 : 10 : 3 1,12 36,45

65 : 20 : 10 : 5 1,171 22,43

63 : 20 : 10 : 7 1,004 15,68

KZA 67 : 20 : 10 : 3 1,02 37,60

65 : 20 : 10 : 5 1,172 43,43

63 : 20 : 10 : 7 1,05 33,40

Interaksi gugus sulfonat dengan gugus hidrofil dari kerangka zeolit

menjadi faktor penting dalam peningkatan KTK membran, hal ini ditunjukkan

dengan terjadinya peningkatan nilai KTK pada membran KZA maupun KZS

dengan penambahan zeolit 3 % dan 5 % (b/b) dibandingkan tanpa penambahan


commit to user

50

zeolit (0 %), akan tetapi pada penambahan zeolit yang lebih banyak lagi baik pada

KZA 7 % dan KZS 7 % (b/b) mengalami penurunan nilai KTK. Hal tersebut

disebabkan interaksi antara gugus sulfonat dengan zeolit yang berlebihan

menyebabkan banyak gugus sulfonat dari PST terjebak di dalam partikel zeolit

sehingga jumlah gugus sulfonat menjadi berkurang. Selain itu pori-pori membran

menjadi rapat sehingga air yang diserap oleh membran menjadi berkurang dan

menyebabkan jumlah kation yang dipertukarkan menjadi kecil. Hasil ini mirip

dengan penelitian yang dilakukan Choi et al. (2009), dimana penambahan zeolit

dari 0 % hingga 10 % pada pembuatan membran komposit dari poli(1,4-fenilen

sulfida) (SPPS) yang semula bernilai 1,5 meq/g berangsur-angsur berkurang

menjadi 1,03 meq/g. Pengaruh konsentrasi zeolit sintetik terhadap nilai KTK dan

derajat pengembangan dapat dilihat pada Gambar 20.

Gambar 20. Pengaruh konsentrasi zeolit sintetik terhadap nilai KTK dan derajat pengembangan (DP)

Kemampuan penyerapan air pada membran KTZ dan membran komposit

PST/zeolit, baik KZA maupun KZS sangat dipengaruhi oleh banyaknya gugus


commit to user

51

hidrofil yaitu gugus sulfonat dari PST dan gugus hidroksil dari kerangka zeolit

dan interaksi antara kedua gugus tersebut. Dari data tersebut dapat diketahui

bahwa membran komposit PST/zeolit memiliki nilai derajat pengembangan yang

lebih tinggi daripada membran tanpa zeolit (KTZ), hal ini disebabkan karena

adanya partikel zeolit yang bersifat higroskopis sehingga penyerapan air lebih

banyak, meski demikian dengan penambahan zeolit yang lebih banyak lagi juga

cenderung menurunkan DP. Penurunan derajat pengembangan memberikan efek

yang positif dalam aplikasi membran polimer elektrolit karena akan menghambat

terjadinya fuel crossover (proses permeasi bahan bakar melalui membran) akan

tetapi menurunnya nilai derajat pengembangan juga menyebabkan penyerapan air

menjadi berkurang sehingga jumlah air sebagai media transport proton menjadi

berkurang dan hal ini menyebabkan penurunan kapasitas ionik membran

komposit. Pengaruh konsentrasi zeolit alam terhadap nilai KTK dan derajat

pengembangan (DP) ditunjukkan Gambar 21.

Gambar 21. Pengaruh konsentrasi zeolit alam terhadap nilai KTK dan derajat pengembangan (DP)


commit to user

52

Gambar 21 menunjukkan bahwa nilai KTK membran komposit KZA lebih

tinggi dibandingkan dengan nilai KTK membran tanpa zeolit (KTZ). Penambahan

zeolit sebagai pengisi terbukti mampu meningkatkan kapasitas ionik dalam

membran komposit karena zeolit bersifat higroskopis menyebabkan air yang

terserap dalam membran membran lebih banyak sehingga transport proton

semakin baik. Peningkatan nilai KTK juga disebabkan kerangka zeolit yang

bersifat anionik dan kation-kation penyeimbangnya dalam kerangka yang bisa

dipertukarkan menjadikan KTK membran mengalami peningkatan.

Berdasarkan Gambar 20 dan Gambar 21, terlihat bahwa membran KZS

terlihat mengalami penurunan nilai DP dari KZS 3%, KZS 5%, dan KZS 7 %,

sedangkan pada KZA terlihat peningkatan nilai DP dari KZA 3% ke KZA 5%

tetapi mengalami penurunan pada KZA 7%. Penurunan nilai DP ini dapat

disebabkan karena terjadinya interaksi yang kuat antara sulfonat dengan zeolit,

dimana pada penambahan zeolit yang semakin banyak akan mengurangi jumlah

sulfonat yang ada dan menyebabkan membran menjadi lebih rapat. Gambar 20

dan Gambar 21 juga menunjukkan bahwa nilai DP membran komposit PST/zeolit

alam (KZA) lebih tinggi dibanding membran KZS, kemungkinan disebabkan oleh

distribusi yang tidak merata dari partikel zeolit alam maupun perbedaan ukuran

partikel kedua jenis zeolit. Nilai KTK membran KZA dan KZS yang disintesis

masih di atas nilai KTK membran Nafion® (0,89 meq/g) sedangkan untuk nilai

derajat pengembangan membran KZA dan KZS hampir sama bahkan lebih kecil

dari Nafion® yang memiliki nilai DP sekitar 38 % (Dupont Product Information,

2002). Berdasarkan data tersebut, maka membran komposit yang dihasilkan

memiliki potensi yang besar untuk aplikasi membran polimer elektrolit.

3. Analisis Morfologi

Morfologi permukaan membran KTZ, KZA, dan KZS dianalisis dengan

melakukan analisis morfologi menggunakan mikroskop digital dengan perbesaran

1000 kali. Hasil analisis morfologi membran KTZ dapat dilihat pada Gambar 22.


commit to user

53

Gambar 22. Morfologi permukaan membran KTZ berbagai posisi

Gambar 22 menunjukkan bahwa membran komposit tanpa penambahan

zeolit (KTZ) menghasilkan membran dengan permukaan yang cukup homogen.

Meski demikian masih terlihat adanya bercak-bercak yang kemungkinan

disebabkan oleh PST yang belum larut sempurna dalam pelarutnya (DMAc)

sehingga masih berbentuk gumpalan-gumpalan. Permukaan yang kurang rata

dapat disebabkan pula adanya gelembung udara yang terbentuk diantara distribusi

material penyusunannya. Analisis morfologi permukaan untuk membran KZA dan

KZS dapat dilihat masing-masing pada Gambar 23 dan Gambar 24.

Gambar 23. Morfologi membran komposit KZA 3 % (A); KZA 5 % (B); dan KZA 7 % (C)

Gambar 23 menunjukkan penambahan zeolit alam dalam komposisi

membran komposit menghasilkan morfologi membran yang kurang homogen. Hal

ini dikarenakan partikel zeolit alam yang kurang halus menyebabkan zeolit


commit to user

54

tersebut kurang larut dalam larutan cetak, sehingga pada saat larutan dicetak pada

plat kaca, partikel zeolit dalam larutan terdistribusi tidak merata.

Jika dibandingkan dengan morfologi membran KZS pada Gambar 24

terlihat bahwa membran KZA memiliki rongga dan permukaannya cenderung

kurang homogen dibanding membran KZS. Hal ini disebabkan ukuran partikel

zeolit sintetik yang lebih kecil sehingga dapat terdistribusi secara merata dan lebih

homogen dalam komposisi membran. Adanya faktor tersebut akan menghasilkan

morfologi membran KZS yang lebih rapat sehingga air yang diserap membran

KZS lebih sedikit dan hal ini menyebabkan nilai derajat pengembangannya (DP)

lebih kecil, sedangkan pada membran KZA terlihat kurang homogen dan memiliki

rongga sehingga air yang diserap menjadi lebih banyak, hal ini menyebabkan nilai

DP menjadi lebih tinggi.

Gambar 24. Morfologi membran komposit KZS 3 % (A); KZS 5 % (B); dan KZS

7 % (C)

4. Analisis Kristalinitas Membran Komposit

Penentuan tingkat kristalinitas membran komposit dilakukan dengan

analisis X-ray Diffractometer (XRD), dengan range scan 3-70 o, laju scan 5 o/menit, dan menggunakan sumber radiasi Cu-Kα. Hasil analisis XRD

menghasilkan pola difraktogram seperti yang ditunjukkan pada Gambar 25.


commit to user

55

Gambar 25. Spektra XRD PST, membran KZA, dan membran KZS

Spektra XRD polistirena tersulfonasi (Gambar 25) menunjukkan puncak

lebar yang mengindikasikan bahwa material tersebut bersifat amorf. Penelitian

Martins et al. (2003) menunjukkan bahwa polistirena tersulfonasi memiliki sifat

amorf karena polimer awal yaitu PS murni juga bersifat amorf dan memiliki

puncak pada daerah 2θ sekitar 20º. Hasil penelitian ini sesuai dengan penelitian

sebelumnya karena juga dihasilkan puncak di daerah 2θ sekitar 20º untuk PST.

Ketika PST dan zeolit dicampurkan menjadi membran komposit, pada membran

KZA menunjukkan peningkatan tingkat kristalinitas pada daerah 2θ 12,28°.

Penyebab peningkatan kristalinitas membran KZA dapat dikarenakan memiliki

ukuran partikel yang besar sehingga distribusi partikel zeolit pada permukaan

membran tidak merata. Hal ini diperjelas dari analisis morfologi yang telah


commit to user

56

dilakukan sehingga dimungkinkan saat analisis XRD bagian membran dengan

sebaran partikel zeolit yang terkumpul itulah yang teranalisis. Alasan lainnya

dapat disebabkan pula karena fasa amorf dari PST dengan intensitas rendah

didominasi fasa kristalin dengan intensitas yang tinggi yang berasal dari partikel

zeolit alam.

Pada membran KZS memiliki kecenderungan yang berbeda dengan

membran KZA, dimana membran tersebut memiliki kristalinitas yang lebih kecil

dari KZA. Hal tersebut dapat disebabkan ukuran partikel zeolit sintetik yang lebih

kecil dibanding membran KZA. Ketika ukuran partikel zeolit kecil, maka matriks

polimer akan menyelimuti partikel zeolit secara homogen. Interaksi antara matriks

polimer dengan zeolit menjadi lebih kuat akan menyebabkan matriks polimer

menyelimuti dengan baik partikel zeolit sehingga fasa amorf meningkat

sedangkan fasa kristalin dari zeolit berkurang. Ketika dianalisis XRD akan terjadi

false scattering yang dari matriks polimer dan menyebabkan kristalinitas

membran menurun. Hasil ini mirip dengan penelitian Swaminathan and

Dharmalingam (2009), dimana hasil analisis XRD menunjukkan fasa amorf

polistirena(etilena butilena)polistrena (PSEBS) tersulfonasi mendominasi fasa

kristalin dari montmorilonit sehingga kristalinitasnya kecil.

5. Analisis Termal Membran Komposit

Analisis termal membran komposit dilakukan dengan menggunakan TGA,

yang bertujuan untuk mengetahui ketahanan termal dari membran komposit. Sel

bahan bakar jenis PEMFC beroperasi pada suhu yang tidak terlalu tinggi yaitu 60-

80 0C. Guna meningkatkan efisiensi reaksi dan untuk pemecahan gas hidrogen

yang membutuhkan suhu tinggi, saat ini telah dikembangkan PEMFC dengan

suhu operasi di atas 100 °C (Li et al., 2003). Oleh karena itu dibutuhkan membran

yang memiliki ketahanan termal tinggi, dimana proses pembentukan H+ dari H2 di

dalam sistem sel bahan bakar membutuhkan pemanasan terlebih dahulu dan

semakin tinggi suhu sistem maka pemecahan molekul H2 akan semakin sempurna

yaitu pada temperatur sekitar 100-200 ºC. Berdasarkan hal tersebut, maka material

penyusun membran ini harus memiliki ketahanan termal yang tinggi yaitu masuk


commit to user

57

dalam rentang kerja sel bahan bakar, sehingga dalam aplikasinya akan

memberikan kinerja yang semakin baik. Hasil analisis termal membran KZA

ditunjukkan pada Gambar 26.

Gambar 26. Termogram membran KZA dengan variasi konsentrasi zeolit alam

Gambar 26 menunjukkan bahwa membran komposit tanpa zeolit (KTZ)

mengalami 3 tahap degradasi, yaitu pada suhu sekitar 100 °C yang menunjukkan

terjadinya pelepasan molekul air yang terkandung di dalam membran, suhu

degradasi kedua terjadi pada suhu sekitar 180 °C yang kemungkinan

menunjukkan terdegradasinya rantai utama PEG karena dalam pembuatan

membran komposit digunakan PEG sebagai pemlastis. Tahap degradasi yang

terakhir terjadi pada suhu sekitar 300 °C yang menunjukkan degradasi rantai

utama polimer menjadi molekul yang lebih kecil.

Analisis termal membran KZA (Gambar 26) juga menunjukkan bahwa

material ini juga mengalami 3 tahap degradasi seperti yang terjadi pada membran

KTZ, yaitu pada suhu sekitar 100 °C, 180 °C, dan 300 °C. Penambahan zeolit

sebagai pengisi pada membran komposit tidak menyebabkan adanya peningkatan

ketahanan termal secara signifikan, meskipun zeolit memiliki ketahanan termal

yang tinggi terlihat bahwa pola termogram yang dihasilkan hampir mirip dengan

pola termogram membran KTZ, hal tersebut disebabkan karena jumlah matriks


commit to user

58

polimer yang lebih banyak dibanding partikel zeolit sehingga matriks polimer

menyelimuti sebagian besar permukaan membran komposit. Ketika membran

komposit dibakar dalam analisis dengan TGA maka energi panas yang diserap

pada permukaan membran itulah yang terekam oleh alat kemudian baru partikel

zeolit. Meski demikian membran komposit PST/zeolit masih memiliki berat

residu lebih besar daripada membran komposit KTZ yang ditandai perubahan

massa yang hilang lebih sedikit dibanding membran KTZ. Termogram membran

KZA sedikit mengalami pergeseran ke kanan, hal ini menunjukkan pengaruh

penguatan stabilitas termal oleh partikel zeolit. Hasil analisis termal membran

KZS dapat dilihat pada Gambar 27.

Gambar 27. Termogram membran KZS dengan variasi konsentrasi zeolit sintetik

Gambar 27 menunjukkan bahwa membran KZS juga mengalami tiga

tahapan degradasi yaitu pelepasan molekul air yang terjadi pada suhu sekitar 100 oC, degradasi PEG terjadi sekitar 180 oC dan degradasi rantai utama PST sekitar

300 oC. Penambahan partikel zeolit sintetik dalam membran komposit juga tidak

meningkatkan ketahanan termal membran secara signifikan. Meski demikian dari

hasil analisis TGA dapat diketahui bahwa hampir membran komposit mengalami

degradasi pada suhu yang sama yaitu sekitar 180 oC. Suhu degradasi ini masih di

atas suhu degradasi membran KTZ. Dalam aplikasinya membran elektrolit akan


commit to user

59

bekerja pada suhu 60–150 oC. Hasil analisis termal menunjukkan membran yang

dihasilkan masih memiliki ketahanan termal di atas temperatur operasi sel bahan

bakar.

Berdasarkan hasil analisis KTK, analisis termal, dan derajat

pengembangan yang telah dilakukan terhadap membran komposit dapat diketahui

bahwa membran KZA maupun KZS berpotensi besar untuk diaplikasikan sebagai

material membran polimer elektrolit dalam sel bahan bakar. Namun karakteristik

dari membran komposit tersebut masih perlu ditingkatkan.


commit to user

60

BAB V

PENUTUP

A. Kesimpulan

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :

1. Semakin besar konsentrasi agen sulfonasi yang digunakan untuk proses

sulfonasi polistirena maka

a. Kelarutan polistirena tersulfonasi (PST) meningkat yang ditandai

dengan nilai rendemen yang semakin kecil

b. Derajat sulfonasi PST meningkat, namun pada PST 40 mengalami

penurunan karena banyak gugus sulfonat yang larut di dalam air

c. Nilai kapasitas tukar kation PST meningkat, namun terjadi penurunan

pada PST 40 karena banyak gugus sulfonat yang larut di dalam air.

Pada PST 50 tidak diperoleh hasil karena semua polimer larut di

dalam air yang disebabkan derajat sulfonasi terlalu tinggi.

2. Semakin besar konsentrasi zeolit yang digunakan dalam komposisi

membran PST/zeolit maka

a. Nilai kapasitas tukar kation (KTK) membran komposit akan

meningkat, namun pada membran komposit PST/zeolit alam 7 %

(KZA 7 %) dan komposit PST/zeolit sintetik 7 % (KZS 7 %)

mengalami penurunan nilai KPK. Membran KZA 5 % dan KZS 5 %

memiliki nilai KTK yang hampir sama yaitu sebesar 1,17 meq/g

b. Derajat pengembangan (DP) membran komposit akan meningkat,

namun pada KZA 7 % dan KZS 7 % mengalami penurunan. Analisis

DP menunjukkan membran KZS masih memiliki nilai DP lebih rendah

dibandingkan membran KZA yaitu sebesar 15,68 %

c. Ketahanan termal membran komposit akan meningkat. Meskipun tidak

signifikan, analisis termal menunjukkan hampir semua membran

komposit yang dihasilkan memiliki ketahanan termal sekitar 180 oC.

60


commit to user

61

B. Saran

Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan maka dapat diajukan saran

sebagai berikut :

a. Perlu dilakukan sintesis membran komposit polistirena tersulfonasi dengan

menggunakan oksida logam lain untuk meningkatkan nilai KTK membran

komposit

b. Nilai KTK polistirena tersulfonasi perlu ditingkatkan dengan mengontrol

waktu sulfonasi sedangkan konsentrasi agen sulfonasi yang digunakan

dibuat tetap agar polimer tidak larut dalam air saat diisolasi

c. Proses pengadukan larutan saat proses sulfonasi perlu dijaga agar kontinu

supaya reaksi sulfonasi berlangsung sempurna

d. Perlu pengujian kinerja membran yang lain untuk membuktikan bahwa

membran komposit yang telah dibuat pada penelitian ini benar-benar dapat

digunakan sebagai membran sel bahan bakar sehingga diperoleh data yang

lebih menyeluruh mengenai sifat-sifat dari membran komposit yang

dihasilkan.

Documents

SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN …...perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id commit to user iv SINTESIS DAN KARAKTERISASI MEMBRAN KOMPOSIT POLISTIRENA TERSULFONASI DENGAN ZEOLIT