Membran polistirena dengan penambahan pluronic® untuk pervaporasi etanol
MEMBRAN POLISTIRENA DENGAN PENAMBAHAN
PLURONIC UNTUK PERVAPORASI ETANOL
RANTI DIAN PRANAWATI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
ABSTRAK
RANTI DIAN PRANAWATI. Membran Polistirena dengan Penambahan
Pluronic® untuk Pervaporasi Etanol. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ARMI
WULANAWATI.
Salah satu aplikasi pemanfaatan membran adalah pervaporasi. Pervaporasi
merupakan proses pemisahan cairan yang efisien menggunakan membran. Salah
satu senyawa yang dapat dimurnikan ialah etanol. Membran polistirena yang
digunakan untuk pervaporasi etanol memiliki kelebihan di antaranya mudah
dalam pengerjaan dan hemat energi. Membran polistirena dibuat dengan
menambahkan surfaktan nonionik (Pluronic®) sebagai pembentuk pori.
Penambahan Pluronic® yang dilakukan adalah 0; 0,5; 1; 1,5; dan 2 g dengan
ragam waktu pengadukan 10 dan 20 jam untuk setiap komposisi. Pencirian
membran dilakukan dengan Spektroskopi inframerah transformasi Fourier
permukaan membran menggunakan mikroskopi elektron payaran. Uji pervaporasi
yang dilakukan menghasilkan faktor pemisahan (αsep) terbesar , yaitu 38,9082,
pada pengadukan 20 jam dengan tambahan Pluronic® 1,5 g. Konsentrasi etanol
meningkat dari 60% menjadi 87%.
ABSTRACT
RANTI DIAN PRANAWATI. Polystyrene Membranes With Variation Pluronic ®
Addition for Ethanol Pervaporation. Under direction of SRI MULIJANI and
ARMI WULANAWATI.
One of the applications of membrane is pervaporation. Pervaporation is an
efficient liquid separation using membrane. One of the compounds that can be
purified is ethanol. Polystyrene membrane for ethanol pervaporation has several
advantages, including easy for handling and reduced energy demand. Polystyrene
membrane was prepared by adding nonionic surfactant (Pluronic ®) as pore
former. Pluronic® was added at various levels, i.e. 0; 0,5; 1; 1,5; and 2 g with time
stirring of 10 and 20 hours for each composition. Characterization membranes
was performed by Fourier Transform Infrared and surface morphology of
membrane was determined by Scanning Electron Microscope. Pervaporation
wathat produced the highest separation factor (αsep) of 38,9082 was obtained
upon 20 hours stirring with addition of Pluronic® 1,5 g. The concentration of
ethanol increased from 60% to 87%.
MEMBRAN POLISTIRENA DENGAN PENAMBAHAN
PLURONIC UNTUK PERVAPORASI ETANOL
RANTI DIAN PRANAWATI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
Judul : Membran Polistirena dengan Penambahan Pluronic® Untuk
Pervaporasi Etanol
Nama : Ranti Dian Pranawati
NRP : G44060741
Menyetujui
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Dr. Sri Mulijani, MS.
NIP. 19630401 199103 2 001
Armi Wulanawati, S.Si., M. Si.
NIP. 19690725 200003 2 001
Mengetahui,
Ketua Departemen Kimia FMIPA IPB
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS.
NIP. 19501227 197603 2 002
Tanggal lulus :
PRAKATA
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat
dan hidayah-Nya sehingga skripsi yang berjudul “Membran Polistirena dengan
Penambahan Ragam Pluronic® untuk Pervaporasi Etanol”, dapat terselesaikan.
Untuk itu, Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Ibu Dr. Sri Mulijani,
MS. selaku pembimbing pertama, dan Ibu Armi Wulanawati, S.Si., M.Si, selaku
pembimbing kedua yang telah memberikan pengarahan, sumbangan pikiran, dan
waktu dalam penulisan laporan ini. Secara khusus penulis ucapkan terima kasih
yang tak terhingga kepada Bapak dan Mamah yang selama ini memberikan kasih
sayang, motivasi, serta doa yang tak ada habisnya hingga Penulis dapat mencapai
hasil yang sekarang ini. Serta kakak-kakakku yang memberikan dorongan,
karyawan laboratorium kimia fisik serta teman-teman, yaitu Karin, Tyas, Fiul,
Rony, Mitha, Agnes, Tiwi, Nadya, Lele, dan Keke yang membantu mengeluarkan
aspirasinya dalam laporan ini
Kiranya Allah jualah yang dapat membalas segala budi baik yang telah
Penulis terima selama ini. Akhirnya Penulis berharap agar laporan ini dapat
berguna/bermanfaat bagi semua yang membutuhkan.
Bogor, Mei 2011
Ranti Dian Pranawati
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta, pada tanggal 26 Februari 1988 dari Ayah
Suherman dan Ibu Suharmini. Penulis merupakan putri ke-4 dari empat
bersaudara.
Tahun 2006 penulis lulus SMA Negeri 68 Jakarta dan pada tahun yang sama
lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru
(SPMB). Penulis memilih Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, yaitu tahun 2009 penulis melaksanakan
Praktik Lapang di PPPTMGB “LEMIGAS”, Jakarta.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR ................................................................................ vi
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................. vii
PENDAHULUAN ....................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA
Membran Polistirena ........................................................................
Pluronic® .........................................................................................
Pervaporasi ......................................................................................
1
2
2
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan ................................................................................
Metode ............................................................................................
2
2
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran Polistirena dengan Penambahan Pluronic® .......................
Pervaporasi Etanol ...........................................................................
3
5
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan ........................................................................................
Saran ..............................................................................................
6
6
DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................
6
LAMPIRAN .............................................................................................
8
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Struktur polistirena .............................................................................
1
2
Struktur Pluronic® ...............................................................................
2
3
Penampang lintang membran polistirena .............................................
3
4
Penampang lintang membran PS 0,5 ...................................................
3
5
Penampang lintang membran PS 1 .....................................................
4
6
Penampang lintang membran PS 1,5 ...................................................
4
7
Penampang lintang membran PS 2 .....................................................
4
8
Spektrum IR membran polistirena dan polistirena dengan penambahan
Pluronic®.............................................................................................
5
Grafik hubungan konsentrasi membran polistirena terhadap faktor
pemisahan . .........................................................................................
5
9
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Bagan alir penelitian . ............................................................................
9
2
Rangkaian pervaporasi . ......................................................................... 10
3
Nilai faktor pemisahan pervaporasi etanol . ............................................. 11
4
Spektrum IR Pluronic® ............................................................................ 12
PENDAHULUAN
Etanol lazim digunakan sebagai pelarut,
disinfektan, bahan baku minuman, kimia, dan
farmasi. Kemurnian etanol menjadi hal yang
penting dalam penggunaan tersebut. Beberapa
industri membutuhkan etanol absolut. Namun,
pemurnian menggunakan proses distilasi
hanya mampu menghasilkan etanol dengan
kadar 94,5−95% karena terbentuk kondisi
azeotrop. Untuk menghasilkan etanol absolut,
dibutuhkan proses pemurnian lanjut, seperti
distilasi azeotrop, pertukaran ion, dan distilasi
ekstraktif dengan penambahan garam. Namun,
teknik tersebut juga terbatas pada kebutuhan
pereaksi kimia dan konsumsi energinya yang
tinggi (Rongqi & Zhanting 1998).
Pemurnian etanol kini dapat dilakukan
dengan teknologi membran. Aplikasi
membran untuk pemisahan telah banyak
digunakan dalam industri. Proses pemisahan
menggunakan membran di antaranya
mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, elektrodialisis,
pervaporasi, pemisahan gas, dan osmosis
balik. Keunggulan penggunaan membran
ialah dapat beroperasi pada suhu kamar,
hemat energi, waktu pemisahannya relatif
singkat, tidak merusak bahan yang akan
dipisahkan, mudah cara mengerjakannya,
aman terhadap lingkungan, dan tidak
memerlukan penambahan zat kimia pada
proses pemisahannya (Rahayu et al. 2009).
Campuran
cair-uap
etanol
dapat
dipisahkan dengan proses pervaporasi melalui
membran tidak berpori. Beberapa penelitian
antara lain telah dilakukan menggunakan
membran poli(vinilalkohol) (PVA) oleh
Widodo S, Widiasa IN, dan Wenten IG
(2004), Cordierite dengan ZSM-5 oleh Zhou
et al. (2005), polieter uretan oleh Das et al.
(2008), kitosan dengan zeolit-A oleh Ghazali
et al. (2007), poli(etilen tereftalat)-graftpolistirena oleh Khayet et al. (2005), dan
polisulfon oleh Tsai et al. (2000).
Polistirena merupakan polimer yang kuat,
tahan lama, mudah dibentuk, dan murah.
Membran polistirena tidak berpori dan
bersifat hidrofobik. Membran ini dapat dibuat
berpori agar kinerjanya dalam pemisahan bisa
lebih baik. Pembuatan membran komposit
polistirena dengan selulosa asetat dan
penambahan porogen telah dilakukan oleh
Martin M dan Nuryono (2008) menggunakan
poli(etilena glikol), serta Onggowosito T
(2008) menggunakan natrium lauril sulfat,
yang menghasilkan membran mikropori.
Surfaktan juga dapat digunakan sebagai
porogen, diantaranya Span-80 seperti yang
digunakan oleh Tsai et al (2000), dan Pluronic
oleh Raslan R dan AW Mohammad (2010).
Pluronic® yang ramah lingkungan memiliki
kelebihan sebagai anti fouling, meningkatkan
kinerja ultrafiltrasi dan stabil dalam campuran
membran.
Pada penelitian ini membran polistirena
dibuat
dengan
penambahan surfaktan
nonionik, yaitu Pluronic®, serta pengadukan
ultrasonik. Pencirian morfologi dengan
mikroskopi elektron payaran (SEM) dilakukan
untuk menentukan ukuran dan struktur dari
pori-pori membran. Spektroskopi inframerah
transformasi Fourier (FTIR) digunakan untuk
melihat ada tidaknya surfaktan pada membran
yang telah terbentuk. Kinerja membran dalam
memurnikan etanol dilakukan dengan
pengukuran pervaporasi sehingga
akan
didapat nilai faktor pemisahan (αsep). Etanol
hasil pervaporasi diuji dengan kromatografi
gas (GC) untuk menentukan tingkat
kemurniannya.
TINJAUAN PUSTAKA
Membran Polistirena
Polistirena (Gambar 1) adalah salah satu
polimer vinil yang mempunyai nama IUPAC
poli(1-feniletilena) (Steven MP 1999).
Polimer ini tersusun atas monomer stirena
yang berpolimerisasi adisi membentuk
homopolimer. Polistirena tahan terhadap
asam, basa, dan zat pengkarat. (Cowd MA
1991). Polistirena larut dalam etilbenzena,
CHCl3, CCl4, tetrahidrofuran, metil etil keton
(Lide 2005).
Gambar 1
Struktur polistirena (Cowd MA
1991).
Kegunaan polistirena diantaranya bahan
pengemas, perabotan rumah tangga, mainan
anak, dan dapat dibuat menjadi membran.
Membran (Ghosh R 2003) adalah struktur
yang memiliki dimensi lateralnya lebih besar
daripada ketebalan, melalui transfer massa
yang terjadi di bawah berbagai gaya
penggeraknya.
Metode yang paling banyak digunakan
dalam pembuatan membran sintetik adalah
inversi fase dengan presipitasi imersi (Baker
2
2004). Pada metode ini polimer akan
ditransformasi dari cairan menjadi padat atau
yang biasa disebut proses solidifikasi. Proses
ini biasanya diinisiasi dengan transisi dari
keadaan cair ke dalam dua cairan (liquidliquid demixing). Selama proses demixing,
salah satu fase cairan (yakni fase dengan
konsentrasi polimer paling tinggi) akan
berubah menjadi padatan.
Presipitasi imersi terjadi ketika lapisan
membran disiapkan dengan terlebih dahulu
membuat larutan polimer (berisi polimer dan
pelarutnya) kemudian larutan tersebut
dituangkan di atas permukaan kaca untuk
membuat lembaran polimer, proses ini disebut
casting solution. Setelah itu, casting solution
direndam di dalam bak koagulasi yang berisi
anti pelarut dari polimer tersebut. Di dalam
bak koagulasi tersebut akan terjadi presipitasi
yang disebabkan terjadinya pertukaran antara
pelarut dan anti pelarut pada casting solution.
Pluronic®
Pluronic (Gambar 2) merupakan nama
dagang dari surfaktan noninonik polietilena
oksida dan polipropilena oksida yang
membentuk kopolimer. Kelebihan Pluronic®
daripada surfaktan nonionik lain adalah bobot
molekul dan keseimbangan hidrofilik-lipofilik
(HLB) yang berbeda dari setiap bagian
hidrofilik dan hidrofobik sehingga nilainya
bervariasi. Pluronic® memiliki berbagai
macam jenis, berbeda wujud dan sifat dapat
disesuaikan dengan kebutuhan.
Pluronic® F-127 merupakan salah satu
jenisnya, Pluronic® ini berwarna putih dan
berbentuk serbuk. Surfaktan ini berbobot
molekul rata-rata 13000 dengan bentuk umum
etilena oksida106 propilena oksida70 etilena
oksida106 (Chavez et al. 2006). Polietilena
oksida menjadi bagian yang hidrofilik,
sedangkan polipropilena oksida bagian
hidrofobik. Surfaktan ini Nilai HLBnya
18-23.
®
Gambar 2 Struktur Pluronic® (Chavez et al.
2006).
Pervaporasi
Pervaporasi ialah teknik pemisahan
berdasarkan transfer selektif melalui lapisan
padat dan dihubungkan dengan evaporasi
permeatnya. Efisiensi proses pervaporasi
bergantung pada sifat intrinsik polimer yang
digunakan sebagai bahan dasar membran
(Tsai 2000). Pada proses pervaporasi,
campuran cairan akan bersentuhan dengan
membran dan salah satu komponen cairan
akan melewati sebagai uap. Uap komponen
yang lebih mudah menyerap akan didinginkan
melalui kondensor dan digerakan dengan
vakum (Baker 2004).
α sep = faktor pemisahan, P dan F = fraksi
massa permeat dan umpan (Kittur et al. 2000).
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan adalah pengaduk
ultrasonik, GC merek Shimadzu 17A, SEM
merek JEOL JSM 6360 LA, spektrofotometer
FTIR merek Perkin Elmer Spectrumone, dan
pervaporator.
Bahan-bahan yang digunakan adalah
polistirena (Merck), diklorometana, akuades,
etanol, dan Pluronic® F-127 (Sigma-Aldrich).
Metode
Pembuatan Membran Polistirena
Polistirena sebanyak 17 g dicampurkan
dengan Pluronic® dengan variasi bobot, yaitu
sebanyak 0,0; 0,5; 1,0; 1,5 dan 2,0 g.
Campuran dilarutkan dalam diklorometana
hingga 100 mL kemudian diaduk dengan
gelombang ultrasonik dengan variasi waktu
selama 10 dan 20 jam, sehingga akan
didapatkan 6 larutan. Masing-masing larutan
dituang ke atas pelat kaca yang telah
ditempeli selotip pada keempat sisinya, dan
diratakan dengan bantuan pengaduk kaca
dengan cara digulingkan. Larutan dipastikan
menempel sempurna pada pelat kaca dan
mempunyai ketebalan yang sama sehingga
membentuk lapisan. Lapisan yang telah kering
diambil dari pelat dalam wadah berisi akuades
hangat (60 oC). Lapisan membran polistirena
akan lepas dari pelat, dan siap untuk diuji
menggunakan SEM, FTIR, dan pervaporator,
serta GC (Lampiran 1).
Pengukuran Kinerja Membran Polistirena
Analisis SEM
Permukaan
membran
polistirena
direkatkan pada silinder logam yang
berdiameter 1 cm dengan menggunakan
perekat ganda. Membran kemudian dilapisi
3
dengan logam emas dalam kondisi vakum.
Selanjutnya membran dimasukkan ke dalam
instrumen lalu diatur dan difoto dengan
perbesaran tertentu.
Lapisan
atas
Lapisan
bawah
Analisis FTIR
Membran polistirena yang berdiameter
1,5 cm ditempatkan dalam cell holder.
Pengujian dengan FTIR dilakukan terhadap
membran
polistirena,
Pluronic®,
dan
campurannya.
Pervaporasi
Alat untuk pervaporasi menggunakan alat
sederhana (Lampiran 2). Etanol 60% (larutan
umpan) sebanyak 50 mL dimasukkan dalam
labu Erlenmeyer kemudian dipanaskan hingga
titik didih etanol, yaitu suhu 78 oC. Uap etanol
naik dan mengalir baik sebagai uap maupun
cairan kemudian akan melewati membran
polistirena. Luas membran polistirena adalah
9,0746 cm2. Etanol yang melewati membran
ditampung ke dalam botol sebagai permeat.
Etanol yang tidak melewati membran akan
mengalir kembali ke dalam labu Erlenmeyer
yang berisi larutan umpan. Proses dilakukan
selama 1 jam. Bobot dari larutan umpan dan
permeat masing-masing dihitung sesuai
dengan rumus faktor pemisahan (α sep).
Kromatografi Gas
Sebanyak 2 µL masing-masing larutan
permeat dan umpan disuntikkan untuk
mengetahui tingkat kemurniannya. Kondisi
alat yang digunakan ialah kolom quadrex
(kolom kapiler) dengan isi metil 5% fenil
silika sepanjang 60 m, I.D 0,25 mm, dan
ketebalan 0,25 µm, suhu 80 ºC, suhu injektor
200 ºC, dan suhu FID 200 ºC.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran Polistirena dengan Penambahan
Pluronic®
Membran polistirena dibuat dengan
melarutkan
polistirena
menggunakan
diklorometana dan diaduk dengan gelombang
ultrasonik. Gelombang ultrasonik membantu
meningkatkan interaksi antara polistirena dan
diklorometana. Pelarutan polistirena menjadi
lebih homogen dan tidak membentuk
gelembung udara. Membran polistirena
merupakan membran tidak berpori dan
berbentuk seperti jari pada lapisan bawah
(Gambar 3).
Gambar 3
Penampang lintang membran
polistirena.
Penambahan surfaktan Pluronic® bertujuan
merubah pola lapisan bawah membran
berbentuk jari menjadi pori (Gambar 4, 5, 6,
dan 7). Pluronic® merupakan surfaktan
nonionik yang mempunyai dua sifat, yaitu
polar dan nonpolar. Bagian nonpolar (ekor),
yaitu polipropilena oksida, akan berinteraksi
dengan membran polistirena yang bersifat
hidrofobik. Sementara bagian polar (kepala),
yaitu polietilena oksida, akan saling
berinteraksi sehingga membentuk misel.
Konsentrasi Pluronic® yang ditambahkan
melebihi konsentrasi misel kritis (CMC), yaitu
0,3 % b/v (Christian SD 1995). Sehingga
misel inilah yang kemudian membentuk pori
pada membran polistirena setelah direndam
dalam air. Pluronic® bagian polar larut dalam
air rendaman yang juga bersifat polar dan
meninggalkan pori pada membran polistirena.
Membran yang dihasilkan dikategorikan
berdasarkan
penambahan
konsentrasi
Pluronic®, yaitu membran PS 0,5; membran
PS 1; membran PS 1,5; dan membran PS 2.
Lapisan bawah
Lapisan
atas
Gambar 4 Penampang lintang membran PS
0,5.
4
Lapisan
atas
Lapisan bawah
Gambar 5 Penampang lintang membran PS 1.
Lapisan
atas
Lapisan bawah
Gambar 6 Penampang lintang membran PS
1,5.
Lapisan bawah
Lapisan
atas
Gambar 7 Penampang lintang membran PS 2.
Pori yang terbentuk pada membran
polistirena lapisan bawah setelah penambahan
Pluronic®, berukuran nano dan asimetrik.
Semua konsentrasi (0,5; 1,0; 1,5; 2,0)
membran polistirena setelah penambahan
Pluronic® mengalami perubahan morfologi.
Pada lapisan bawah terbentuk pori yang
mempengaruhi kinerja dari membran tersebut.
Pori yang terbentuk masing-masing membran
tidak sama. Pada membran PS 0,5 (Gambar 4)
ukuran pori paling kecil dan merata. Membran
PS 1 (Gambar 5) dan membran PS 1,5
(Gambar 6) memiliki morfologi yang mirip,
yaitu tidak merata. Membran PS 2 (Gambar 7)
pori tersebar merata dan ukurannya lebih
besar. Pori yang terbentuk tersebut akan
mempengaruhi proses pervaporasi membran.
Pluronic® berfungsi sebagai pembentuk
pori, karena saat perendaman, Pluronic® larut
dalam air. Namun, pada membran polistirena
ini masih mengandung Pluronic®. Hal ini
ditunjukkan oleh spektrum inframerah (IR)
pada Gambar 8.
Spektrum IR membran polistirena
mempunyai serapan yang kuat pada bilangan
gelombang 2849,74 cm-1 yang menunjukkan
regangan C-H serta pada 756,87 dan 698,97
cm-1 yang menunjukkan serapan benzena
monosubstitusi. Hal yang sama ditunjukkan
oleh spektrum membran polistirena dengan
penambahan Pluronic®. Serapan kuat pada
bilangan
gelombang
2911,91
cm-1
menunjukkan regangan C-H dan serapan pada
755,90 dan 698,11 cm-1 merupakan serapan
benzena monosubstitusi. Adanya serapan
Pluronic® terlihat pada Gambar 8, serapan di
antara bilangan gelombang 1154,02 dan
1069,50 cm-1. Pada spektrum tersebut tidak
diketahui secara pasti serapannya, tapi di
antara bilangan gelombang tersebut terdapat
puncak spektrum yang berasal dari serapan
Pluronic®. Hal ini dapat dilihat adanya
serapan yang penciri yang sama pada
spektrum Pluronic® murni, yaitu pada serapan
1116,40 cm-1 yang menunjukaan serapan C-O
serta pada bilangan gelombang 3200-3600
yang menunjukkan serapan O-H di Lampiran
4. Serapan tersebut membuktikan bahwa
Pluronic® tidak lepas atau tidak larut
sempurna dalam air saat perendaman dan
tetap menghasilkan pori. Pluronic® yang tidak
larut sempurna dalam air saat perendaman
karena air saat perendaman sudah jenuh oleh
Pluronic® sehingga tidak dapat lagi
melarutkan Pluronic® lebih banyak. Perlu
dilakukan penggantian air saat perendaman.
5
93.0
90
Laboratory Test Result
85
80
75
70
Polistirena
Membran
Polistirena
65
60
55
50
45
O-H
%T
40
35
30
25
Pluronic
20 jam
Membran
20
Polistirena +
Pluronic®
15
10
5
C-O
0
-3.0
4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
cm-1
450.0
®
Gambar 8 Spektrum IR membran polistirena dan polistirena dengan penambahan Pluronic .
Membran tanpa penambahan Pluronic®
(Gambar 3) tidak berpori pada lapisan atas
dan lapisan bawah membentuk seperti jari
yang mengakibatkan etanol bisa terjebak
dalam pola dari jari tersebut.
45
40
35
30
αsep
Pervaporasi Etanol
Membran polistirena yang telah dibuat
dilihat kinerja pervaporasi untuk memisahkan
etanol. Pervaporasi didasarkan pada sifat
hidrofilitas membran terhadap larutan yang
akan dipisahkan. Penghilangan air dari
komponen
organik
(etanol)
melalui
pervaporasi, penyerapan selektif air menjadi
faktor terpenting (Schwarz 2001). Secara
umum, membran hidrofobik mempunyai
interaksi yang kuat terhadap alkohol (Tsai
2000). Membran polistirena yang bersifat
hidrofobik akan melewatkan larutan atau uap
yang juga bersifat hidrofobik. Etanol yang
bersifat polaritasnya lebih rendah daripada air
akan melewati membran polistirena. Etanol
akan berdifusi melewati membran. Sementara
air akan tertahan dan tidak akan melewati
membran.
Penambahan Pluronic® pada pembuatan
membran menghasilkan membran polistirena
yang berpori dan mempengaruhi kinerja
pemisahan etanol dan air melalui proses
pervaporasi. Besarnya pemisahan etanol
akibat penambahan Pluronic® dapat dihitung
dari besarnya faktor pemisahan (αsep).
Membran polistirena dengan pengadukan
10 jam memiliki nilai faktor pemisahan yang
relatif sama. Membran polistirena tanpa
penambahan Pluronic® memiliki nilai faktor
pemisahan yang lebih besar daripada
membran polistirena dengan penambahan
Pluronic®, kecuali pada konsentrasi 1% (b/v).
25
20
15
10
5
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
konsentrasi
10 jam
Gambar 9
20 jam
Grafik hubungan konsentrasi
membran polistirena terhadap
faktor pemisahan.
Pada pengadukan 20 jam memiliki nilai
faktor pemisahan yang lebih tinggi daripada
pengadukan 10 jam dan membran PS 1,5 atau
6
konsentrasi 1,5% (b/v) merupakan nilai faktor
pemisahan
tertinggi,
yaitu
38,9082.
Konsentrasi ini memiliki nilai faktor
pemisahan yang sangat tinggi terhadap nilai
faktor pemisahan konsentrasi lainnya. Faktor
yang mempengaruhi proses pada membran di
antaranya struktur kimia dan morfologi
membran tersebut yang menjadi parameter
proses yang terjadi pada membran tersebut,
misalnya suhu, tekanan, dan kondisi
hidrodinamik
(Schwarz
2001).
Pada
konsentrasi tersebut, pori yang terbentuk juga
terdapat pada lapisan atas membran, hal yang
tidak terjadi pada membran polistirena dengan
konsentrasi lain. Pori pada lapisan bawah
tidak terlalu banyak diseluruh lapisan
sehingga lebih selektif.
Konsentrasi lain pada pengadukan 20 jam
memiliki nilai faktor pemisahan yang tidak
jauh berbeda. Konsentrasi 0,5% (membran PS
0,5) dan 2% (membran PS 2) dapat dilihat
dari hasil SEM (Gambar 4 dan 7) pori yang
terbentuk pada lapisan bawah merata
diseluruh lapisan tersebut. Hal ini menunjukan
larutan yang melewati membran lebih banyak
baik etanol maupun air. Bobot dari etanol
yang dihasilkan lebih banyak daripada
membran PS 1,5 dan sisa pervaporasi (air)
lebih sedikit (Lampiran 3), tapi tidak
menunjukkan kemurnian etanol yang lebih
tinggi. Hasil pengujian menggunakan GC
memperlihatkan hasil kemurnian etanol
melalui membran PS 1,5 lebih tinggi (86,98%
(v/v)) dibandingkan dengan membran PS 0,5
(77,13% (v/v)). Sedangkan membran PS 1
dapat melewatkan etanol yang lebih sedikit
daripada membran PS 0,5 dan membran PS 2
serta sisa pervaporasi (air) yang lebih sedikit.
Maka faktor pemisahannya lebih besar
(Lampiran 3). Pada membran ini (Gambar 4)
lapisan atas tidak ada pori dan pada lapisan
bawah terdapat pori asimetrik dan tidak
merata serta ukuran pori cenderung lebih kecil
daripada membran PS 1,5 (Gambar 6).
Membran PS 1,5 menunjukkan faktor
pemisahan terbesar. Nilai faktor pemisahan ini
berbeda jauh dari faktor pemisahan membran
lainnya. Penambahan Pluronic® 1,5% (b/v)
dengan pengadukan 20 jam memperlihatkan
jumlah optimum penambahan surfaktan
tersebut dalam polistirena. Keadaan optimum
inilah yang mengakibatkan matriks dari
polistirena dan Pluronic® menjadi kuat. Pori
yang dihasilkan juga lebih besar sehingga
lebih memudahkan etanol untuk berdifusi.
Hasil pervaporasi yang dilihat dari faktor
pemisahan
membran
polistirena
ini
menunjukkan bahwa semakin sedikit etanol
yang dilewatkan dan semakin banyak air yang
tersisa maka semakin besar nilai faktor
pemisahannya. Pada membran PS 1,5
membuktikan bahwa faktor pemisahan paling
besar memiliki kemurnian etanol yang paling
tinggi.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Penambahan surfaktan dan pengadukan
dengan gelombang ultrasonik menghasilkan
membran polistirena yang berpori asimetrik
dan berukuran nano. Membran polistirena,
yaitu membran PS 1,5 dengan penambahan
Pluronic® 1,5% (b/v) dapat digunakan untuk
pervaporasi etanol yang paling baik.
Saran
Rangkaian alat untuk pervaporasi dibuat
lebih baik. Untuk melepaskan surfaktan juga
sebaiknya dilakukan menggunakan metode
perendaman lebih baik.
DAFTAR PUSTAKA
Baker Richard W. 2004. Membrane
Technology and Applications second
edition. California : Wiley.
Chavez E, et al. 2006. Applications of
Thermoreversible Pluronic F-127 Gels in
Pharmaceutical Formulations. Pharm
Pharmaceut Sci 9:339-358.
Christian SD. 1995. Solubilization in
Surfactant Aggregrates Surfactant Science.
New York : IRC Press.
Cowd MA. 1991. Kimia Polimer. Firman H,
penerjemah; Padmawinata K, editor.
London: J Murray. Terjemahan dari:
Cowd, Polymer Chemistry.
Ghazali M, Nawawi M, and Tram. 2007.
Pervaporation dehydration of isopropanolwater mixtures using chitosan zeolite-a
membranes. Teknologi 41:61-72.
Ghosh R. 2003. Protein Bioseparation Using
Ultrafiltration : Theory, Application, and
New Development. London : Imperial
College Pr.
7
Khayet M, et al. 2006. Application of
poly(ethylene
terephthalate)-graftpolystyrene membranes in pervaporation.
Desalination 193:109-118.
Kittur A A, et al. Pervaporation separation of
water-isopropanol mixtures using ZSM-5
zeolite incorporated poly (vinyl alcohol)
membranes.
Lide DR, editor. 2004-2005. Handbook of
Chemistry and Physics, Ed ke-85. CRC Pr.
Martin M. 2008. Aplikasi membran komposit
selulosa asetat-polistirena berporogen
poli(etilena glikol) 6000 dalam pemisahan
Fe3+ [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika
dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut
Pertanian Bogor.
Nuryono. 2008. Kajian desalinasi membran
komposit
selulosa
asetat-polistirena
dengan poli(etilena glikol) sebagai
porogen [skripsi]. Bogor: Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Institut Pertanian Bogor.
Onggowosito T. 2008. Peningkatan mutu
membran komposit nanopori selulosa
asetat-polistirena menggunakan natrium
lauril sulfat sebagai porogen [skripsi].
Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Pertanian
Bogor.
Rahayu I, Ahmad S, Wulansari R. 2009.
Pengaruh variasi suhu larutan pintal
terhadap karakteristik membran serat
berongga polisulfon [skripsi]. Bandung:
Fakultas
Matematika
dan
Ilmu
Pengetahuan
Alam,
Universitas
Padjadjaran.
Rongqi Z, Zhanting D. 1998. Extractive
Distillation with Salt in Solvent. Beijing.
Department of Chemical Engineering,
Tsinghua University.
Raslan R and AW Muhammad. 2010.
Polysulfone/Pluronic
F-127
blend
ultrafiltration membranes: Preparation and
characterizations. J Applied Sci 10:26282632.
Schwarz Hans-Hartmut, Regine Apostel, and
Dieter Paul. 2001. Membranes based on
polyelectrolyte-surfactant complexes for
methanol separation. Membrane Science
194:91-102.
Stevens Malcolm P. 1999. Polymer Chemistry
an Introduction third edition. New York :
Oxford University Press.
Tsai HA, et al. 2000. Effect of surfactant
addition on the morphology and
pervaporation performance of asymmetric
polysulfone membranes. Membrane Sci
176:97-103.
Widodo S, Widiasa IN, dan Wenten IG. 2004.
Pengembangan Teknlogi pervaporasi
untuk produksi etanol absolut. [Prosiding]
Semarang:
Universitas
Dipenogoro.
Rekayasa Kimia dan Proses ISSN:14114216.
Zhou L, et al. 2005. Cordierite-supported
ZSM-5 membrane: preparation and
pervaporation properties in the dehydration
of water-alcohol mixture. Separation
Purification Tech 44:266-270.
8
LAMPIRAN
9
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
®
Pluronic dengan
variasi bobot
Polistirena 17 g
1.
2.
3.
Diklorometana
hingga 100 ml
Sonikasi dengan variasi waktu
pengadukan
Cetak pada pelat kaca
o
Rendam dalam akuades 60 C
Membran
polistirena
Pervaporasi
etanol
Analisis
dengan SEM
Membran
dengan α sep
terbesar
Analisis
menggunakan
kromatografi gas
Nilai kemurnian
etanol
Pori membran
yang terbentuk
Analisis FTIR
Gugus fungsi
yang
terkandung
10
Lampiran 2 Rangkaian pervaporasi
Keterangan:
A = Penampung larutan umpan
C = Reaktor membran
D = Penampung permeat
11
Lampiran 3 Nilai faktor pemisahan pervaporasi alkohol
Pengadukan 10 jam
Konsentrasi
(% b/v)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Bobot Larutan Umpan, F (g)
Bobot Larutan Permeat, P (g)
Air
Etanol
Air
Etanol
19,9757
20,3166
20,1036
19,6280
19,7444
24,7083
24,4127
24,5758
24,7433
25,4074
13,5376
11,7902
21,2552
29,5386
7,0925
8,6665
19,4369
11,2271
12,1816
17,6108
Faktor
Pemisahan
(αsep)
1,9321
0,7289
2,3144
0,5196
0,5182
Pengadukan 20 jam
Konsentrasi
(% b/v)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Bobot Larutan Umpan, F (g)
Bobot Larutan Permeat, P (g)
Air
Etanol
Air
Etanol
20,3121
20,3877
20,0985
20,2237
20,2468
24,4764
24,3729
24,7048
24,5805
24,1979
19,4604
26,8154
31,5117
41,0064
28,8065
8,0698
13,1769
8,1754
1,8022
13,3726
Contoh perhitungan :
Faktor
Pemisahan
(αsep)
2,9058
2,4328
4,7380
38,9082
2,5745
12
Lampiran 4 Spektrum IR Pluronic®
26.0
Laboratory Tes t Result
24
22
20
18
16
528.97
14
12
%T
10
8
O−H
6
4
2
1116.40
1467.57
0
Pluronic F-127
963.28
1281.08
1343.47
2895.78
841.82
C−O
-2.0
4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
1600
cm-1
1400
1200
1000
800
600
450.0
PLURONIC UNTUK PERVAPORASI ETANOL
RANTI DIAN PRANAWATI
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
ABSTRAK
RANTI DIAN PRANAWATI. Membran Polistirena dengan Penambahan
Pluronic® untuk Pervaporasi Etanol. Dibimbing oleh SRI MULIJANI dan ARMI
WULANAWATI.
Salah satu aplikasi pemanfaatan membran adalah pervaporasi. Pervaporasi
merupakan proses pemisahan cairan yang efisien menggunakan membran. Salah
satu senyawa yang dapat dimurnikan ialah etanol. Membran polistirena yang
digunakan untuk pervaporasi etanol memiliki kelebihan di antaranya mudah
dalam pengerjaan dan hemat energi. Membran polistirena dibuat dengan
menambahkan surfaktan nonionik (Pluronic®) sebagai pembentuk pori.
Penambahan Pluronic® yang dilakukan adalah 0; 0,5; 1; 1,5; dan 2 g dengan
ragam waktu pengadukan 10 dan 20 jam untuk setiap komposisi. Pencirian
membran dilakukan dengan Spektroskopi inframerah transformasi Fourier
permukaan membran menggunakan mikroskopi elektron payaran. Uji pervaporasi
yang dilakukan menghasilkan faktor pemisahan (αsep) terbesar , yaitu 38,9082,
pada pengadukan 20 jam dengan tambahan Pluronic® 1,5 g. Konsentrasi etanol
meningkat dari 60% menjadi 87%.
ABSTRACT
RANTI DIAN PRANAWATI. Polystyrene Membranes With Variation Pluronic ®
Addition for Ethanol Pervaporation. Under direction of SRI MULIJANI and
ARMI WULANAWATI.
One of the applications of membrane is pervaporation. Pervaporation is an
efficient liquid separation using membrane. One of the compounds that can be
purified is ethanol. Polystyrene membrane for ethanol pervaporation has several
advantages, including easy for handling and reduced energy demand. Polystyrene
membrane was prepared by adding nonionic surfactant (Pluronic ®) as pore
former. Pluronic® was added at various levels, i.e. 0; 0,5; 1; 1,5; and 2 g with time
stirring of 10 and 20 hours for each composition. Characterization membranes
was performed by Fourier Transform Infrared and surface morphology of
membrane was determined by Scanning Electron Microscope. Pervaporation
wathat produced the highest separation factor (αsep) of 38,9082 was obtained
upon 20 hours stirring with addition of Pluronic® 1,5 g. The concentration of
ethanol increased from 60% to 87%.
MEMBRAN POLISTIRENA DENGAN PENAMBAHAN
PLURONIC UNTUK PERVAPORASI ETANOL
RANTI DIAN PRANAWATI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains pada
Departemen Kimia
DEPARTEMEN KIMIA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2011
Judul : Membran Polistirena dengan Penambahan Pluronic® Untuk
Pervaporasi Etanol
Nama : Ranti Dian Pranawati
NRP : G44060741
Menyetujui
Pembimbing I,
Pembimbing II,
Dr. Sri Mulijani, MS.
NIP. 19630401 199103 2 001
Armi Wulanawati, S.Si., M. Si.
NIP. 19690725 200003 2 001
Mengetahui,
Ketua Departemen Kimia FMIPA IPB
Prof. Dr. Ir. Tun Tedja Irawadi, MS.
NIP. 19501227 197603 2 002
Tanggal lulus :
PRAKATA
Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas rahmat
dan hidayah-Nya sehingga skripsi yang berjudul “Membran Polistirena dengan
Penambahan Ragam Pluronic® untuk Pervaporasi Etanol”, dapat terselesaikan.
Untuk itu, Penulis mengucapkan banyak terima kasih kepada Ibu Dr. Sri Mulijani,
MS. selaku pembimbing pertama, dan Ibu Armi Wulanawati, S.Si., M.Si, selaku
pembimbing kedua yang telah memberikan pengarahan, sumbangan pikiran, dan
waktu dalam penulisan laporan ini. Secara khusus penulis ucapkan terima kasih
yang tak terhingga kepada Bapak dan Mamah yang selama ini memberikan kasih
sayang, motivasi, serta doa yang tak ada habisnya hingga Penulis dapat mencapai
hasil yang sekarang ini. Serta kakak-kakakku yang memberikan dorongan,
karyawan laboratorium kimia fisik serta teman-teman, yaitu Karin, Tyas, Fiul,
Rony, Mitha, Agnes, Tiwi, Nadya, Lele, dan Keke yang membantu mengeluarkan
aspirasinya dalam laporan ini
Kiranya Allah jualah yang dapat membalas segala budi baik yang telah
Penulis terima selama ini. Akhirnya Penulis berharap agar laporan ini dapat
berguna/bermanfaat bagi semua yang membutuhkan.
Bogor, Mei 2011
Ranti Dian Pranawati
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta, pada tanggal 26 Februari 1988 dari Ayah
Suherman dan Ibu Suharmini. Penulis merupakan putri ke-4 dari empat
bersaudara.
Tahun 2006 penulis lulus SMA Negeri 68 Jakarta dan pada tahun yang sama
lulus seleksi masuk IPB melalui jalur Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru
(SPMB). Penulis memilih Departemen Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam.
Selama mengikuti perkuliahan, yaitu tahun 2009 penulis melaksanakan
Praktik Lapang di PPPTMGB “LEMIGAS”, Jakarta.
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR GAMBAR ................................................................................ vi
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................. vii
PENDAHULUAN ....................................................................................
1
TINJAUAN PUSTAKA
Membran Polistirena ........................................................................
Pluronic® .........................................................................................
Pervaporasi ......................................................................................
1
2
2
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan ................................................................................
Metode ............................................................................................
2
2
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran Polistirena dengan Penambahan Pluronic® .......................
Pervaporasi Etanol ...........................................................................
3
5
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan ........................................................................................
Saran ..............................................................................................
6
6
DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................
6
LAMPIRAN .............................................................................................
8
DAFTAR GAMBAR
Halaman
1
Struktur polistirena .............................................................................
1
2
Struktur Pluronic® ...............................................................................
2
3
Penampang lintang membran polistirena .............................................
3
4
Penampang lintang membran PS 0,5 ...................................................
3
5
Penampang lintang membran PS 1 .....................................................
4
6
Penampang lintang membran PS 1,5 ...................................................
4
7
Penampang lintang membran PS 2 .....................................................
4
8
Spektrum IR membran polistirena dan polistirena dengan penambahan
Pluronic®.............................................................................................
5
Grafik hubungan konsentrasi membran polistirena terhadap faktor
pemisahan . .........................................................................................
5
9
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman
1
Bagan alir penelitian . ............................................................................
9
2
Rangkaian pervaporasi . ......................................................................... 10
3
Nilai faktor pemisahan pervaporasi etanol . ............................................. 11
4
Spektrum IR Pluronic® ............................................................................ 12
PENDAHULUAN
Etanol lazim digunakan sebagai pelarut,
disinfektan, bahan baku minuman, kimia, dan
farmasi. Kemurnian etanol menjadi hal yang
penting dalam penggunaan tersebut. Beberapa
industri membutuhkan etanol absolut. Namun,
pemurnian menggunakan proses distilasi
hanya mampu menghasilkan etanol dengan
kadar 94,5−95% karena terbentuk kondisi
azeotrop. Untuk menghasilkan etanol absolut,
dibutuhkan proses pemurnian lanjut, seperti
distilasi azeotrop, pertukaran ion, dan distilasi
ekstraktif dengan penambahan garam. Namun,
teknik tersebut juga terbatas pada kebutuhan
pereaksi kimia dan konsumsi energinya yang
tinggi (Rongqi & Zhanting 1998).
Pemurnian etanol kini dapat dilakukan
dengan teknologi membran. Aplikasi
membran untuk pemisahan telah banyak
digunakan dalam industri. Proses pemisahan
menggunakan membran di antaranya
mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, elektrodialisis,
pervaporasi, pemisahan gas, dan osmosis
balik. Keunggulan penggunaan membran
ialah dapat beroperasi pada suhu kamar,
hemat energi, waktu pemisahannya relatif
singkat, tidak merusak bahan yang akan
dipisahkan, mudah cara mengerjakannya,
aman terhadap lingkungan, dan tidak
memerlukan penambahan zat kimia pada
proses pemisahannya (Rahayu et al. 2009).
Campuran
cair-uap
etanol
dapat
dipisahkan dengan proses pervaporasi melalui
membran tidak berpori. Beberapa penelitian
antara lain telah dilakukan menggunakan
membran poli(vinilalkohol) (PVA) oleh
Widodo S, Widiasa IN, dan Wenten IG
(2004), Cordierite dengan ZSM-5 oleh Zhou
et al. (2005), polieter uretan oleh Das et al.
(2008), kitosan dengan zeolit-A oleh Ghazali
et al. (2007), poli(etilen tereftalat)-graftpolistirena oleh Khayet et al. (2005), dan
polisulfon oleh Tsai et al. (2000).
Polistirena merupakan polimer yang kuat,
tahan lama, mudah dibentuk, dan murah.
Membran polistirena tidak berpori dan
bersifat hidrofobik. Membran ini dapat dibuat
berpori agar kinerjanya dalam pemisahan bisa
lebih baik. Pembuatan membran komposit
polistirena dengan selulosa asetat dan
penambahan porogen telah dilakukan oleh
Martin M dan Nuryono (2008) menggunakan
poli(etilena glikol), serta Onggowosito T
(2008) menggunakan natrium lauril sulfat,
yang menghasilkan membran mikropori.
Surfaktan juga dapat digunakan sebagai
porogen, diantaranya Span-80 seperti yang
digunakan oleh Tsai et al (2000), dan Pluronic
oleh Raslan R dan AW Mohammad (2010).
Pluronic® yang ramah lingkungan memiliki
kelebihan sebagai anti fouling, meningkatkan
kinerja ultrafiltrasi dan stabil dalam campuran
membran.
Pada penelitian ini membran polistirena
dibuat
dengan
penambahan surfaktan
nonionik, yaitu Pluronic®, serta pengadukan
ultrasonik. Pencirian morfologi dengan
mikroskopi elektron payaran (SEM) dilakukan
untuk menentukan ukuran dan struktur dari
pori-pori membran. Spektroskopi inframerah
transformasi Fourier (FTIR) digunakan untuk
melihat ada tidaknya surfaktan pada membran
yang telah terbentuk. Kinerja membran dalam
memurnikan etanol dilakukan dengan
pengukuran pervaporasi sehingga
akan
didapat nilai faktor pemisahan (αsep). Etanol
hasil pervaporasi diuji dengan kromatografi
gas (GC) untuk menentukan tingkat
kemurniannya.
TINJAUAN PUSTAKA
Membran Polistirena
Polistirena (Gambar 1) adalah salah satu
polimer vinil yang mempunyai nama IUPAC
poli(1-feniletilena) (Steven MP 1999).
Polimer ini tersusun atas monomer stirena
yang berpolimerisasi adisi membentuk
homopolimer. Polistirena tahan terhadap
asam, basa, dan zat pengkarat. (Cowd MA
1991). Polistirena larut dalam etilbenzena,
CHCl3, CCl4, tetrahidrofuran, metil etil keton
(Lide 2005).
Gambar 1
Struktur polistirena (Cowd MA
1991).
Kegunaan polistirena diantaranya bahan
pengemas, perabotan rumah tangga, mainan
anak, dan dapat dibuat menjadi membran.
Membran (Ghosh R 2003) adalah struktur
yang memiliki dimensi lateralnya lebih besar
daripada ketebalan, melalui transfer massa
yang terjadi di bawah berbagai gaya
penggeraknya.
Metode yang paling banyak digunakan
dalam pembuatan membran sintetik adalah
inversi fase dengan presipitasi imersi (Baker
2
2004). Pada metode ini polimer akan
ditransformasi dari cairan menjadi padat atau
yang biasa disebut proses solidifikasi. Proses
ini biasanya diinisiasi dengan transisi dari
keadaan cair ke dalam dua cairan (liquidliquid demixing). Selama proses demixing,
salah satu fase cairan (yakni fase dengan
konsentrasi polimer paling tinggi) akan
berubah menjadi padatan.
Presipitasi imersi terjadi ketika lapisan
membran disiapkan dengan terlebih dahulu
membuat larutan polimer (berisi polimer dan
pelarutnya) kemudian larutan tersebut
dituangkan di atas permukaan kaca untuk
membuat lembaran polimer, proses ini disebut
casting solution. Setelah itu, casting solution
direndam di dalam bak koagulasi yang berisi
anti pelarut dari polimer tersebut. Di dalam
bak koagulasi tersebut akan terjadi presipitasi
yang disebabkan terjadinya pertukaran antara
pelarut dan anti pelarut pada casting solution.
Pluronic®
Pluronic (Gambar 2) merupakan nama
dagang dari surfaktan noninonik polietilena
oksida dan polipropilena oksida yang
membentuk kopolimer. Kelebihan Pluronic®
daripada surfaktan nonionik lain adalah bobot
molekul dan keseimbangan hidrofilik-lipofilik
(HLB) yang berbeda dari setiap bagian
hidrofilik dan hidrofobik sehingga nilainya
bervariasi. Pluronic® memiliki berbagai
macam jenis, berbeda wujud dan sifat dapat
disesuaikan dengan kebutuhan.
Pluronic® F-127 merupakan salah satu
jenisnya, Pluronic® ini berwarna putih dan
berbentuk serbuk. Surfaktan ini berbobot
molekul rata-rata 13000 dengan bentuk umum
etilena oksida106 propilena oksida70 etilena
oksida106 (Chavez et al. 2006). Polietilena
oksida menjadi bagian yang hidrofilik,
sedangkan polipropilena oksida bagian
hidrofobik. Surfaktan ini Nilai HLBnya
18-23.
®
Gambar 2 Struktur Pluronic® (Chavez et al.
2006).
Pervaporasi
Pervaporasi ialah teknik pemisahan
berdasarkan transfer selektif melalui lapisan
padat dan dihubungkan dengan evaporasi
permeatnya. Efisiensi proses pervaporasi
bergantung pada sifat intrinsik polimer yang
digunakan sebagai bahan dasar membran
(Tsai 2000). Pada proses pervaporasi,
campuran cairan akan bersentuhan dengan
membran dan salah satu komponen cairan
akan melewati sebagai uap. Uap komponen
yang lebih mudah menyerap akan didinginkan
melalui kondensor dan digerakan dengan
vakum (Baker 2004).
α sep = faktor pemisahan, P dan F = fraksi
massa permeat dan umpan (Kittur et al. 2000).
BAHAN DAN METODE
Alat dan Bahan
Alat-alat yang digunakan adalah pengaduk
ultrasonik, GC merek Shimadzu 17A, SEM
merek JEOL JSM 6360 LA, spektrofotometer
FTIR merek Perkin Elmer Spectrumone, dan
pervaporator.
Bahan-bahan yang digunakan adalah
polistirena (Merck), diklorometana, akuades,
etanol, dan Pluronic® F-127 (Sigma-Aldrich).
Metode
Pembuatan Membran Polistirena
Polistirena sebanyak 17 g dicampurkan
dengan Pluronic® dengan variasi bobot, yaitu
sebanyak 0,0; 0,5; 1,0; 1,5 dan 2,0 g.
Campuran dilarutkan dalam diklorometana
hingga 100 mL kemudian diaduk dengan
gelombang ultrasonik dengan variasi waktu
selama 10 dan 20 jam, sehingga akan
didapatkan 6 larutan. Masing-masing larutan
dituang ke atas pelat kaca yang telah
ditempeli selotip pada keempat sisinya, dan
diratakan dengan bantuan pengaduk kaca
dengan cara digulingkan. Larutan dipastikan
menempel sempurna pada pelat kaca dan
mempunyai ketebalan yang sama sehingga
membentuk lapisan. Lapisan yang telah kering
diambil dari pelat dalam wadah berisi akuades
hangat (60 oC). Lapisan membran polistirena
akan lepas dari pelat, dan siap untuk diuji
menggunakan SEM, FTIR, dan pervaporator,
serta GC (Lampiran 1).
Pengukuran Kinerja Membran Polistirena
Analisis SEM
Permukaan
membran
polistirena
direkatkan pada silinder logam yang
berdiameter 1 cm dengan menggunakan
perekat ganda. Membran kemudian dilapisi
3
dengan logam emas dalam kondisi vakum.
Selanjutnya membran dimasukkan ke dalam
instrumen lalu diatur dan difoto dengan
perbesaran tertentu.
Lapisan
atas
Lapisan
bawah
Analisis FTIR
Membran polistirena yang berdiameter
1,5 cm ditempatkan dalam cell holder.
Pengujian dengan FTIR dilakukan terhadap
membran
polistirena,
Pluronic®,
dan
campurannya.
Pervaporasi
Alat untuk pervaporasi menggunakan alat
sederhana (Lampiran 2). Etanol 60% (larutan
umpan) sebanyak 50 mL dimasukkan dalam
labu Erlenmeyer kemudian dipanaskan hingga
titik didih etanol, yaitu suhu 78 oC. Uap etanol
naik dan mengalir baik sebagai uap maupun
cairan kemudian akan melewati membran
polistirena. Luas membran polistirena adalah
9,0746 cm2. Etanol yang melewati membran
ditampung ke dalam botol sebagai permeat.
Etanol yang tidak melewati membran akan
mengalir kembali ke dalam labu Erlenmeyer
yang berisi larutan umpan. Proses dilakukan
selama 1 jam. Bobot dari larutan umpan dan
permeat masing-masing dihitung sesuai
dengan rumus faktor pemisahan (α sep).
Kromatografi Gas
Sebanyak 2 µL masing-masing larutan
permeat dan umpan disuntikkan untuk
mengetahui tingkat kemurniannya. Kondisi
alat yang digunakan ialah kolom quadrex
(kolom kapiler) dengan isi metil 5% fenil
silika sepanjang 60 m, I.D 0,25 mm, dan
ketebalan 0,25 µm, suhu 80 ºC, suhu injektor
200 ºC, dan suhu FID 200 ºC.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Membran Polistirena dengan Penambahan
Pluronic®
Membran polistirena dibuat dengan
melarutkan
polistirena
menggunakan
diklorometana dan diaduk dengan gelombang
ultrasonik. Gelombang ultrasonik membantu
meningkatkan interaksi antara polistirena dan
diklorometana. Pelarutan polistirena menjadi
lebih homogen dan tidak membentuk
gelembung udara. Membran polistirena
merupakan membran tidak berpori dan
berbentuk seperti jari pada lapisan bawah
(Gambar 3).
Gambar 3
Penampang lintang membran
polistirena.
Penambahan surfaktan Pluronic® bertujuan
merubah pola lapisan bawah membran
berbentuk jari menjadi pori (Gambar 4, 5, 6,
dan 7). Pluronic® merupakan surfaktan
nonionik yang mempunyai dua sifat, yaitu
polar dan nonpolar. Bagian nonpolar (ekor),
yaitu polipropilena oksida, akan berinteraksi
dengan membran polistirena yang bersifat
hidrofobik. Sementara bagian polar (kepala),
yaitu polietilena oksida, akan saling
berinteraksi sehingga membentuk misel.
Konsentrasi Pluronic® yang ditambahkan
melebihi konsentrasi misel kritis (CMC), yaitu
0,3 % b/v (Christian SD 1995). Sehingga
misel inilah yang kemudian membentuk pori
pada membran polistirena setelah direndam
dalam air. Pluronic® bagian polar larut dalam
air rendaman yang juga bersifat polar dan
meninggalkan pori pada membran polistirena.
Membran yang dihasilkan dikategorikan
berdasarkan
penambahan
konsentrasi
Pluronic®, yaitu membran PS 0,5; membran
PS 1; membran PS 1,5; dan membran PS 2.
Lapisan bawah
Lapisan
atas
Gambar 4 Penampang lintang membran PS
0,5.
4
Lapisan
atas
Lapisan bawah
Gambar 5 Penampang lintang membran PS 1.
Lapisan
atas
Lapisan bawah
Gambar 6 Penampang lintang membran PS
1,5.
Lapisan bawah
Lapisan
atas
Gambar 7 Penampang lintang membran PS 2.
Pori yang terbentuk pada membran
polistirena lapisan bawah setelah penambahan
Pluronic®, berukuran nano dan asimetrik.
Semua konsentrasi (0,5; 1,0; 1,5; 2,0)
membran polistirena setelah penambahan
Pluronic® mengalami perubahan morfologi.
Pada lapisan bawah terbentuk pori yang
mempengaruhi kinerja dari membran tersebut.
Pori yang terbentuk masing-masing membran
tidak sama. Pada membran PS 0,5 (Gambar 4)
ukuran pori paling kecil dan merata. Membran
PS 1 (Gambar 5) dan membran PS 1,5
(Gambar 6) memiliki morfologi yang mirip,
yaitu tidak merata. Membran PS 2 (Gambar 7)
pori tersebar merata dan ukurannya lebih
besar. Pori yang terbentuk tersebut akan
mempengaruhi proses pervaporasi membran.
Pluronic® berfungsi sebagai pembentuk
pori, karena saat perendaman, Pluronic® larut
dalam air. Namun, pada membran polistirena
ini masih mengandung Pluronic®. Hal ini
ditunjukkan oleh spektrum inframerah (IR)
pada Gambar 8.
Spektrum IR membran polistirena
mempunyai serapan yang kuat pada bilangan
gelombang 2849,74 cm-1 yang menunjukkan
regangan C-H serta pada 756,87 dan 698,97
cm-1 yang menunjukkan serapan benzena
monosubstitusi. Hal yang sama ditunjukkan
oleh spektrum membran polistirena dengan
penambahan Pluronic®. Serapan kuat pada
bilangan
gelombang
2911,91
cm-1
menunjukkan regangan C-H dan serapan pada
755,90 dan 698,11 cm-1 merupakan serapan
benzena monosubstitusi. Adanya serapan
Pluronic® terlihat pada Gambar 8, serapan di
antara bilangan gelombang 1154,02 dan
1069,50 cm-1. Pada spektrum tersebut tidak
diketahui secara pasti serapannya, tapi di
antara bilangan gelombang tersebut terdapat
puncak spektrum yang berasal dari serapan
Pluronic®. Hal ini dapat dilihat adanya
serapan yang penciri yang sama pada
spektrum Pluronic® murni, yaitu pada serapan
1116,40 cm-1 yang menunjukaan serapan C-O
serta pada bilangan gelombang 3200-3600
yang menunjukkan serapan O-H di Lampiran
4. Serapan tersebut membuktikan bahwa
Pluronic® tidak lepas atau tidak larut
sempurna dalam air saat perendaman dan
tetap menghasilkan pori. Pluronic® yang tidak
larut sempurna dalam air saat perendaman
karena air saat perendaman sudah jenuh oleh
Pluronic® sehingga tidak dapat lagi
melarutkan Pluronic® lebih banyak. Perlu
dilakukan penggantian air saat perendaman.
5
93.0
90
Laboratory Test Result
85
80
75
70
Polistirena
Membran
Polistirena
65
60
55
50
45
O-H
%T
40
35
30
25
Pluronic
20 jam
Membran
20
Polistirena +
Pluronic®
15
10
5
C-O
0
-3.0
4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
cm-1
450.0
®
Gambar 8 Spektrum IR membran polistirena dan polistirena dengan penambahan Pluronic .
Membran tanpa penambahan Pluronic®
(Gambar 3) tidak berpori pada lapisan atas
dan lapisan bawah membentuk seperti jari
yang mengakibatkan etanol bisa terjebak
dalam pola dari jari tersebut.
45
40
35
30
αsep
Pervaporasi Etanol
Membran polistirena yang telah dibuat
dilihat kinerja pervaporasi untuk memisahkan
etanol. Pervaporasi didasarkan pada sifat
hidrofilitas membran terhadap larutan yang
akan dipisahkan. Penghilangan air dari
komponen
organik
(etanol)
melalui
pervaporasi, penyerapan selektif air menjadi
faktor terpenting (Schwarz 2001). Secara
umum, membran hidrofobik mempunyai
interaksi yang kuat terhadap alkohol (Tsai
2000). Membran polistirena yang bersifat
hidrofobik akan melewatkan larutan atau uap
yang juga bersifat hidrofobik. Etanol yang
bersifat polaritasnya lebih rendah daripada air
akan melewati membran polistirena. Etanol
akan berdifusi melewati membran. Sementara
air akan tertahan dan tidak akan melewati
membran.
Penambahan Pluronic® pada pembuatan
membran menghasilkan membran polistirena
yang berpori dan mempengaruhi kinerja
pemisahan etanol dan air melalui proses
pervaporasi. Besarnya pemisahan etanol
akibat penambahan Pluronic® dapat dihitung
dari besarnya faktor pemisahan (αsep).
Membran polistirena dengan pengadukan
10 jam memiliki nilai faktor pemisahan yang
relatif sama. Membran polistirena tanpa
penambahan Pluronic® memiliki nilai faktor
pemisahan yang lebih besar daripada
membran polistirena dengan penambahan
Pluronic®, kecuali pada konsentrasi 1% (b/v).
25
20
15
10
5
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
konsentrasi
10 jam
Gambar 9
20 jam
Grafik hubungan konsentrasi
membran polistirena terhadap
faktor pemisahan.
Pada pengadukan 20 jam memiliki nilai
faktor pemisahan yang lebih tinggi daripada
pengadukan 10 jam dan membran PS 1,5 atau
6
konsentrasi 1,5% (b/v) merupakan nilai faktor
pemisahan
tertinggi,
yaitu
38,9082.
Konsentrasi ini memiliki nilai faktor
pemisahan yang sangat tinggi terhadap nilai
faktor pemisahan konsentrasi lainnya. Faktor
yang mempengaruhi proses pada membran di
antaranya struktur kimia dan morfologi
membran tersebut yang menjadi parameter
proses yang terjadi pada membran tersebut,
misalnya suhu, tekanan, dan kondisi
hidrodinamik
(Schwarz
2001).
Pada
konsentrasi tersebut, pori yang terbentuk juga
terdapat pada lapisan atas membran, hal yang
tidak terjadi pada membran polistirena dengan
konsentrasi lain. Pori pada lapisan bawah
tidak terlalu banyak diseluruh lapisan
sehingga lebih selektif.
Konsentrasi lain pada pengadukan 20 jam
memiliki nilai faktor pemisahan yang tidak
jauh berbeda. Konsentrasi 0,5% (membran PS
0,5) dan 2% (membran PS 2) dapat dilihat
dari hasil SEM (Gambar 4 dan 7) pori yang
terbentuk pada lapisan bawah merata
diseluruh lapisan tersebut. Hal ini menunjukan
larutan yang melewati membran lebih banyak
baik etanol maupun air. Bobot dari etanol
yang dihasilkan lebih banyak daripada
membran PS 1,5 dan sisa pervaporasi (air)
lebih sedikit (Lampiran 3), tapi tidak
menunjukkan kemurnian etanol yang lebih
tinggi. Hasil pengujian menggunakan GC
memperlihatkan hasil kemurnian etanol
melalui membran PS 1,5 lebih tinggi (86,98%
(v/v)) dibandingkan dengan membran PS 0,5
(77,13% (v/v)). Sedangkan membran PS 1
dapat melewatkan etanol yang lebih sedikit
daripada membran PS 0,5 dan membran PS 2
serta sisa pervaporasi (air) yang lebih sedikit.
Maka faktor pemisahannya lebih besar
(Lampiran 3). Pada membran ini (Gambar 4)
lapisan atas tidak ada pori dan pada lapisan
bawah terdapat pori asimetrik dan tidak
merata serta ukuran pori cenderung lebih kecil
daripada membran PS 1,5 (Gambar 6).
Membran PS 1,5 menunjukkan faktor
pemisahan terbesar. Nilai faktor pemisahan ini
berbeda jauh dari faktor pemisahan membran
lainnya. Penambahan Pluronic® 1,5% (b/v)
dengan pengadukan 20 jam memperlihatkan
jumlah optimum penambahan surfaktan
tersebut dalam polistirena. Keadaan optimum
inilah yang mengakibatkan matriks dari
polistirena dan Pluronic® menjadi kuat. Pori
yang dihasilkan juga lebih besar sehingga
lebih memudahkan etanol untuk berdifusi.
Hasil pervaporasi yang dilihat dari faktor
pemisahan
membran
polistirena
ini
menunjukkan bahwa semakin sedikit etanol
yang dilewatkan dan semakin banyak air yang
tersisa maka semakin besar nilai faktor
pemisahannya. Pada membran PS 1,5
membuktikan bahwa faktor pemisahan paling
besar memiliki kemurnian etanol yang paling
tinggi.
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Penambahan surfaktan dan pengadukan
dengan gelombang ultrasonik menghasilkan
membran polistirena yang berpori asimetrik
dan berukuran nano. Membran polistirena,
yaitu membran PS 1,5 dengan penambahan
Pluronic® 1,5% (b/v) dapat digunakan untuk
pervaporasi etanol yang paling baik.
Saran
Rangkaian alat untuk pervaporasi dibuat
lebih baik. Untuk melepaskan surfaktan juga
sebaiknya dilakukan menggunakan metode
perendaman lebih baik.
DAFTAR PUSTAKA
Baker Richard W. 2004. Membrane
Technology and Applications second
edition. California : Wiley.
Chavez E, et al. 2006. Applications of
Thermoreversible Pluronic F-127 Gels in
Pharmaceutical Formulations. Pharm
Pharmaceut Sci 9:339-358.
Christian SD. 1995. Solubilization in
Surfactant Aggregrates Surfactant Science.
New York : IRC Press.
Cowd MA. 1991. Kimia Polimer. Firman H,
penerjemah; Padmawinata K, editor.
London: J Murray. Terjemahan dari:
Cowd, Polymer Chemistry.
Ghazali M, Nawawi M, and Tram. 2007.
Pervaporation dehydration of isopropanolwater mixtures using chitosan zeolite-a
membranes. Teknologi 41:61-72.
Ghosh R. 2003. Protein Bioseparation Using
Ultrafiltration : Theory, Application, and
New Development. London : Imperial
College Pr.
7
Khayet M, et al. 2006. Application of
poly(ethylene
terephthalate)-graftpolystyrene membranes in pervaporation.
Desalination 193:109-118.
Kittur A A, et al. Pervaporation separation of
water-isopropanol mixtures using ZSM-5
zeolite incorporated poly (vinyl alcohol)
membranes.
Lide DR, editor. 2004-2005. Handbook of
Chemistry and Physics, Ed ke-85. CRC Pr.
Martin M. 2008. Aplikasi membran komposit
selulosa asetat-polistirena berporogen
poli(etilena glikol) 6000 dalam pemisahan
Fe3+ [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika
dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut
Pertanian Bogor.
Nuryono. 2008. Kajian desalinasi membran
komposit
selulosa
asetat-polistirena
dengan poli(etilena glikol) sebagai
porogen [skripsi]. Bogor: Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Institut Pertanian Bogor.
Onggowosito T. 2008. Peningkatan mutu
membran komposit nanopori selulosa
asetat-polistirena menggunakan natrium
lauril sulfat sebagai porogen [skripsi].
Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam, Institut Pertanian
Bogor.
Rahayu I, Ahmad S, Wulansari R. 2009.
Pengaruh variasi suhu larutan pintal
terhadap karakteristik membran serat
berongga polisulfon [skripsi]. Bandung:
Fakultas
Matematika
dan
Ilmu
Pengetahuan
Alam,
Universitas
Padjadjaran.
Rongqi Z, Zhanting D. 1998. Extractive
Distillation with Salt in Solvent. Beijing.
Department of Chemical Engineering,
Tsinghua University.
Raslan R and AW Muhammad. 2010.
Polysulfone/Pluronic
F-127
blend
ultrafiltration membranes: Preparation and
characterizations. J Applied Sci 10:26282632.
Schwarz Hans-Hartmut, Regine Apostel, and
Dieter Paul. 2001. Membranes based on
polyelectrolyte-surfactant complexes for
methanol separation. Membrane Science
194:91-102.
Stevens Malcolm P. 1999. Polymer Chemistry
an Introduction third edition. New York :
Oxford University Press.
Tsai HA, et al. 2000. Effect of surfactant
addition on the morphology and
pervaporation performance of asymmetric
polysulfone membranes. Membrane Sci
176:97-103.
Widodo S, Widiasa IN, dan Wenten IG. 2004.
Pengembangan Teknlogi pervaporasi
untuk produksi etanol absolut. [Prosiding]
Semarang:
Universitas
Dipenogoro.
Rekayasa Kimia dan Proses ISSN:14114216.
Zhou L, et al. 2005. Cordierite-supported
ZSM-5 membrane: preparation and
pervaporation properties in the dehydration
of water-alcohol mixture. Separation
Purification Tech 44:266-270.
8
LAMPIRAN
9
Lampiran 1 Bagan alir penelitian
®
Pluronic dengan
variasi bobot
Polistirena 17 g
1.
2.
3.
Diklorometana
hingga 100 ml
Sonikasi dengan variasi waktu
pengadukan
Cetak pada pelat kaca
o
Rendam dalam akuades 60 C
Membran
polistirena
Pervaporasi
etanol
Analisis
dengan SEM
Membran
dengan α sep
terbesar
Analisis
menggunakan
kromatografi gas
Nilai kemurnian
etanol
Pori membran
yang terbentuk
Analisis FTIR
Gugus fungsi
yang
terkandung
10
Lampiran 2 Rangkaian pervaporasi
Keterangan:
A = Penampung larutan umpan
C = Reaktor membran
D = Penampung permeat
11
Lampiran 3 Nilai faktor pemisahan pervaporasi alkohol
Pengadukan 10 jam
Konsentrasi
(% b/v)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Bobot Larutan Umpan, F (g)
Bobot Larutan Permeat, P (g)
Air
Etanol
Air
Etanol
19,9757
20,3166
20,1036
19,6280
19,7444
24,7083
24,4127
24,5758
24,7433
25,4074
13,5376
11,7902
21,2552
29,5386
7,0925
8,6665
19,4369
11,2271
12,1816
17,6108
Faktor
Pemisahan
(αsep)
1,9321
0,7289
2,3144
0,5196
0,5182
Pengadukan 20 jam
Konsentrasi
(% b/v)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Bobot Larutan Umpan, F (g)
Bobot Larutan Permeat, P (g)
Air
Etanol
Air
Etanol
20,3121
20,3877
20,0985
20,2237
20,2468
24,4764
24,3729
24,7048
24,5805
24,1979
19,4604
26,8154
31,5117
41,0064
28,8065
8,0698
13,1769
8,1754
1,8022
13,3726
Contoh perhitungan :
Faktor
Pemisahan
(αsep)
2,9058
2,4328
4,7380
38,9082
2,5745
12
Lampiran 4 Spektrum IR Pluronic®
26.0
Laboratory Tes t Result
24
22
20
18
16
528.97
14
12
%T
10
8
O−H
6
4
2
1116.40
1467.57
0
Pluronic F-127
963.28
1281.08
1343.47
2895.78
841.82
C−O
-2.0
4000.0
3600
3200
2800
2400
2000
1800
1600
cm-1
1400
1200
1000
800
600
450.0