## Karakterisasi Membran Hibrid Polisulfon  Tersulfonasi/Bentonit
Characterization of Sulfonated Polysulfone/Bentonite Hybrid Membranes
B. Piluharto *) , I. Syafi’i, R. Indahsari, T. Haryati Jurusan Kimia, Fakultas MIPA Universitas Jember
*) Email: bampito.fmipa@unej.ac.id

## ABSTRACT
Sulfonated polysulfone membrane is one of the alternative membranes as replacing Nafion membrane for the fuel cell application. This membrane was prepared by introducing sulfonic group in the polysulfone structure backbone, so that provides the ionic membrane. However, more ionic groups in the SPSF membrane lead to loss mechanical stability. This study aims to prepare the hybrid membrane from SPSF and bentonite. In here, various  of  bentonite  concentrations  were  used  as  variable  to  study  water  uptake  and  ion-exchange  capacity properties. As the results, increasing bentonite concentrations lead to increase water uptake and ion-exchange capacity. By the functional group analysis, proved that adding bentonite in SPSF did not change structure of SPSF, means that interaction between SPSF and bentonite were physical interactions.
Keywords: sulfonated polysulfone, electrolyte membrane, water uptake, ion-exchange capacity

## PENDAHULUAN
Fuel  cell adalah  salah  satu  energi  alternatif yang  dapat  memproduksi  listri,  air,  dan  panas dengan  oksidasi  bahan  bakar  menggunakan reaksi  elektrokimia  (Smith et  al., 2001).  Ada tiga komponen yang sangat penting dalam fuel cell yakni  bahan  bakar,  elektroda  (anoda  dan katoda),  dan  Membran  Polimer  Elektrolit (MPE).  MPE  adalah  bagian  yang  sangat menarik  karena  merupakan  komponen  kunci dalam Proton  Exchange  Membrane  Fuel  Cell (PEMFC)  (Costamanga et  al .,  2001).  Sampai sekarang,  MPE  yang dipergunakan secara luas dalam Direct  Methanol  Fuel  Cell (DMFC) adalah  Nafion.  Nafion  masih  memiliki beberapa  kelemahan,  antara  lain  adalah harganya  mahal  dan  permeabilitas  metanol tinggi.  Salah  satu  cara  yang  digunakan  untuk meminimalisisr  kekurangan  ini  adalah  dengan mengganti nafion menggunakan polisulfon.
Polisulfon  adalah  polimer  termoplastik yang  dapat  dengan  mudah  disubtitusi  dengan menggunakan  proses  sulfonasi  (Handayani et al .,  2008).  Namun,  di  sisi  lain  peningkatan derajat  sulfonasi  umumnya  menyebabkan ketahanan  mekanik  yang  rendah  (Piluharto et al ,  2011).  Modifikasi  diperlukan  untuk meningkatkan  kinerja  dari  MPE  yang  berbasis polisulfon  (PSF).  Mekanisme  yang  dipilih untuk  memperbaiki  kelemahan  ini  adalah dengan hybrid menggunakan bentonit. Bentonit dipilih  sebagai  material  hibrid  karena
pertimbangan  harga,  ketersediaan,  sifat  fisik, ketahanan panas, dan ketahanan kimianya yang tinggi  (Linggawati et  al .,  2004).  Fokus  dari penelitian  ini  adalah  untuk  mengetahui pengaruh dari variasi konsentrasi bentonit yang dihibrid  pada  polisulfon  tersulfonasi  (SPSF) terhadap karakteristik kimia dan fisikanya.
Artikel  ini  mengkaji  pengaruh  jumlah bentonit  pada  sifat  daya  serap  air  (DSA)  dan kapasitas  penukar  ion  (KPI)  membrane  hybrid SPSF/Bentonit.  Analisis  gugus  fungsi  juga dilakukan  untuk  mengetahui  interaksi  antara SPSF dan Bentonit.

## METODE
Bahan-bahan  yang  digunakan  meliputi : Polisulfon (PSF,  35000  Da)  berasal  dari  Udel,  Lempung bentonit  berasal  dari  Aldrich  ,  Asam  asetat  97% berasal  dari  Merck,  dan  N,N-dimethylacetamide (DMAc) .

## Sintesis Polisulfon tersulfonasi
Polisulfon  tersulfonasi  (SPSF)  diperoleh  dengan merefluks  PSF  dalam  H 2 SO 4 (5  g  PSF;  50  mL H 2 SO 4 ,  5  M).  Proses  sulfonasi  disertai  dengan pengadukan  kuat  dan  dilakukan  pada  suhu  80°C selama  3  jam.  Setelah  proses  sulfonasi  selesai, padatan SPSF dipisahkan dari pelarut. Padatan SPSF dicuci  dengan  air  terdestilasi  untuk  menghilangkan residu  yang  terkandung  dalam  permukaan  padatan; padatan  SPSF  dikeringkan,  dan  ditimbang  untuk menentukan berat SPSF.

## Pembuatan membran PSF dan SPSF
Tabel 1. Komposisi membran hibrid SPSF/bentonit
Pembuatan membran PSF dan SPSF diawali dengan melarutkan  5  gram  dari  padatan  PSF  atau  SPSF  ke dalam  21,3  mL  pelarut  (DMAc, ρ =  0.94  g  /  mL) pada  ±  27  º  C  selama  16  jam  menghasilkan  larutan polimer  dengan  konsentrasi  20  w/w.  Setelah homogen,  larutan  didiamkan  selama  4  jam,  untuk menghilangkan  gelembung  udara.  Kemudian, membran  dicetak  pada  kaca  datar  dengan  tekhnik inversi fasa. Membran yang telah dicetak pada kaca datar  dibiarkan  selama  12  jam  untuk  evaporasi polimer.  Membran  dicuci  dengan  air  untuk menghilangkan  residu  dan  kemudian  dikeringkan dalam  oven  pada  60 o C  selama  4  jam  untuk menghilangkan residu. Selanjutnya, membran SPSF disimpan dalam desikator (Piluharto et al , 2011).

## Pembuatan Membran SPSF terhibrid
Pembuatan  membran  SPSF  dimulai  dengan melarutkan  5  gram  padatan  SPSF  kedalam  pelarut (DMAC, ρ = 0.94 g / mL) (sesuai dengan komposisi pada  tabel  1)  pada  27ºC  selama  16  jam  yang menghasilkan  larutan  polimer  dengan  konsentrasi 20%  w/w.  bentonit  kemudian  ditambahkan  sedikit demi sedikit dan diaduk kembali selama 4 jam pada ±27ºC. Setelah homogen, larutan dibiarkan selama ± 4  jam  untuk  menghilangkan  gelembung  udara. Setelah  itu,  membran  dicetak  pada  kaca  dengan teknik  inversi  fasa.    Membran  yang  telah  dicetak pada  kaca  datar  dibiarkan  selama  12  jam  untuk evaporasi polimer. Membran dicuci dengan air untuk kemudian  dikeringkan  dalam  oven  pada  60 o C selama  4  jam  untuk  menghilangkan  residu. Selanjutnya,  membran  SPSF  disimpan  dalam desikator (Piluharto et al, 2011).

## Analisis  gugus  fungsi  dengan Fourier  Transform infrared (FTIR)
Spektra  FTIR  dari  membran  PSF,  SPSF,  dan membran  terhibrid  ditentukan  menggunakan  FTIR dengan range bilangan gelombang 800 -4000 cm -1 .

## Pengukuran Kapasitas Penukar Ion (KPI)
KPI mengindikasikan jumlah dari mili-ekuivalen ion dalam  1  g  polimer  kering.  Jumlah  KPI  dihitung menggunakan persamaan: KPI = (B-P × 0.01 × 5) / M
Di mana: KPI: Kapasitas penukar ion (m-eq / g) B   : Jumlah dari H 2 SO 4 yang digunakan ketika titrasi (mL)
Q : Jumlah dari H 2 SO 4 yang digunakan untuk netralisasi membran PSF, SPSF, dan membran terhibrid yang dilarutkan dalam NaOH 0.01: konsentrasi H 2 SO 4
5:  factor  hubungan  yang  menunjukkan  perbedaan antara  jumlah  NaOH  yang  diambil  untuk dilarutkan  pada  polimer  dan  untuk  digunakan titrasi (Smitha et al., 2003).

## Analisis Daya Serap Air
Analisis  daya  serap  air  diperoleh  dengan menggunakan metode gravimetri melalui sebelumnya (Piluharto et al. ,2011).

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Analisis Gugus Fungsi
Perbedaan  spektra  FTIR  dari  membran  PSF, SPSF, dan membran terhibrid dapat dilihat dari hasil  pita  absorpsi  infrared  pada  enam membran  yang  diuji  dengan  FTIR.  Membrane SPSf  dan  membrane  hybrid  (Gambar  1) terdapat  serapan  panjang  gelombang  di  daerah ~3700  cm -1 yang  merupakan  puncak  –OH  dan pada  daerah  ~1025  cm -1 merupakan  puncak O=S=O  dari  gugus  sulfonat  sedangkan  pada membrane  PSf  tidak  menunjukkan  adanya kedua  puncak  tersebut.  Berdasarkan  hasil tersebut  dapat  dikatakan  bahwa  proses sulfonasi telah berhasil. Dengan analisis gugus fungsi,  terbukti  bahwa  penambahan  bentonit dalam  SPSF  tidak  mengubah  struktur  dari SPSF,  yang  berarti  bahwa  interaksi  antara SPSF dan bentonit merupakan interaksi fisik.

## Kapasitas Penukar Ion (KPI)
Gambar 2 menunjukkan bahwa membran SPSF dan terhibrid bentonit memiliki hasil KPI yang lebih tinggi dibandingkan membran PSF. Hasil ini  dikarenakan  subtitusi  gugus  ionik  (SO 3 H) dari  proses  sulfonasi  sebelumnya.  Pengaruh keberadaan  gugus  ionik  SO 3 H  menyebabkan penambahan  nilai  KPI  antara  membran  PSF (0.35  meq  /  g)  dengan  SPSF  (1.61  meq  /  g). Pengaruh keberadaan bentonit dalam membran terhibrid juga menyebabkan kenaikan nilai KPI meskipun  nilainya  tidak  sebesar  akibat pengaruh  sulfonasi,  ini  dikarenakan  partikel bentonit hanya menyebabkan eksfoliasi struktur antara polimer SPSF dengan bentonit.

## Analisis Daya Serap Air
Gambar  3 menunjukkan  pengaruh  sulfonasi terhadap  daya  serap  air. Daya  serap  air dari SPSF (43.56%) lebih tinggi dari pada membran PSF (11.82%).
Pelarut (DMAc) (%) Bentonit (%) SPSF (%) 78 2 20 76 4 20
74 6 20 72 8 20
Gambar 1.  Analisis gugus fungsu membranPSF, SPSF, dan membran terhibrid.
Gambar 2. Hasil KPI membran PSF, SPSF, dan terhibrid bentonit.
Gambar 3.Analisis Daya Serap Air
Hal  ini  dikarenakan  proses  sulfonasi  dalam SPSF  menyebabkan  adanya  subtitusi  gugus ionik  (-SO 3 H),  yang  mana  menyebabkan penambahan  sifat  hidrofilisitas  dari  membran. Pengaruh  dari  proses  hibrid  dengan  bentonit terhadap  daya  serap  air  juga  menyebabkan peningkatan  yang  signifikan.  Peningkatan kemampuan  daya  serap  air  secara  umum diakibatkan  karena  keberadaan  dari  partikel bentonit. Partikel bentonit dapat dengan mudah mengabsorb  air  karena  keberadaan  dari  gugus silanol (Si-OH) yang akan berinteraksi dengan air. Hal inilah yang menyebabkan peningkatan jumlah  bentonit  juga  meningkatkan  sifat hidrofilisitas dari membran terhibrid.

## KESIMPULAN
Membran  hibrid  dari  SPSF  dan  bentonit  telah berhasil  disintesis  dengan  variasi  konsentrasi bentonit  sabagai  material  hibrid.  Peningkatan konsentrasi bentonit menyebabkan
penambahan  daya  serap  air  dan  kapasitas penukar  ion.  Hasil  analisis  gugus  fungsi, menunjukkan  bahwa  penambahan  bentonit dalam SPSF tidak merubah struktur dari SPSF, hal  ini  menunjukkan  bahwa  interaksi  antara SPSF dengan bentonit adalah interaksi fisik.

## DAFTAR PUSTAKA
Costamanga  P  &  Srinivasan  S,    2001, Quantum  Jumps  In  The  PEMFC  Science And  Technology  From  The  1960  To  The Year  2000,  Part  I,  Fundamental  Scientific Aspects. J Power Sources , 102:242 –52 Handayani  S.,  Eniya  LD,  Widodo  WP  &
Roekmijati  WS,  2008,  Proton  Transport Properties at High Temperature of Modified Sulfonated Polyether-ether Ketone Membrane  for  Direct  Methanol  Fuel  Cells Application, Journal of Chemical Engineering of Japan Linggawati A., Muhdarina, Lang D, Mohammad  WA,  2004, Synthesis  And Characterization Of Clay Filled Polysulfone  Membran:  The  Effect  Of Composition  And  Calcination  Of  Clay , Selangor, Malaysia Piluharto B, Suendo V, & Ciptati T. Radiman, CL,  2011,  Strong  Correlation  Between Membrane  Effective  Fixed  Charge  And Proton  Conductivity  In  The  Sulfonated Polysulfone  Cation-Exchange  Membranes, Ionics , 17:229-238 Smith JM, Van Ness HC, & Abbott MM. 2001, Chemical  Engineering  Thermo-dynamics, 6 th ,  McGraw-Hill  Book  Company,  New York