Membran Ultrafiltrasi [PDF]

Citation preview

BAB I PE N DAH U LUAN 1.1.Latar Belakang Masalah Teknologi membran telah tumbuh dan berkembang secara dinamis sejak pertama kali dikomersilkan Sartorius-Werke di Jerman pada tahun 1927. Pengembangan dan aplikasi teknologi ini semakin beragam dan penemuan-penemuan baru pun semakin banyak dipublikasikan. Teknologi membran pada akhirnya menjadi salah satu teknologi alternatif yang paling kompetitif saat ini dan telah memberikan beragam solusi bagi manusia dalam pemenuhan kebutuhan sehari-hari. Membran ultrafiltrasi dan reverse osmosis merupakan beberapa jenis dari teknologi membran yang memiliki spesifikasi ukuran membran berturut-turut, 0.001-0.1 µm dan 0,0001-0,001 µm. Secara umum ultrafiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsur- unsur partikulat dari larutannya dengan memanfaatkan beda tekan dalam proses kerjanya. Untuk membran reverse osmosis digunakan untuk memisahkan zat terlarut berukuran kecil. Secara umum, ultrafiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsur-unsur partikulat, makromolekul (fraksionasi), koloid, dan polimer organik maupun anorganik dari larutannya. Aplikasi proses ultrafiltrasi di industri di antaranya adalah untuk proses sterilisasi obat-obatan dan produksi minuman, klarifikasi ekstrak juice, pemrosesan air ultramurni pada industri semi konduktor, metal recovery, dan sebagainya. Sedangkan membran reverse osmosis sendiri sudah banyak diterapkan pada berbagai industri pengolahan misalnya desalinisasi air laut dan demineralisasi air. Pada proses pemurnian harus diperhatikan kondisi operasi yang optimal agar membran dapat memurnikan suatu cairan secara optimal yang ditunjukkan oleh parameter berupa fluks, permeabilitasm dan faktor rejeksi dari membran.



BAB II T I N JAUAN PU S TAKA 2.1.Pengertian Membran Ultrafiltrasi Ultrafiltrasi / Ultrafiltration / UF 0.01 Mikron, mesin penyaring ultrafiltrasi, filter uf 0.01 Mikron adalah suatu teknologi filtrasi dengan besaran pori 0.01 mikron) dimana proses pemisahan menggunakan membran dengan tekanan, biasanya digunakan untuk menyaring makro molekul. Membran ultrafiltrasi adalah proses pemisahan yang menahan komponen dengan berat molekul tinggi (protein, makro molekul, polisakarida) sedangkan melewatkan komponen berberat molekul rendah. Proses pemisahan dalam modul ultrafiltrasi terjadi secara cross flow dimana umpan mengalir secara tangensial sepanjang permukaan membran. Membran ultrafiltrasi dapat digolongkan berpori, namun strukturnya lebih asimetris dibandingkan membran mikrofiltrasi. Membran ultrafiltrasi memiliki ukuran pori lapisan teratas 20 – 1000 A, ketebalan 0,1 – 1,0 μm, dan bekerja pada tekanan 1 – 10 bar. Proses ultrafiltrasi biasanya digunakan untuk memisahkan partikel dengan ukuran berkisar antara 0,05 μm – 1 nm. Proses pemisahan menggunakan membran ultrafiltrasi biasanya digunakan di bidang industri dan penelitian untuk penjernihan air karena ukuran yang dapat diolah adalah air pekat yang mengandung makromolekul yang memiliki berat atom sekitar 103-106 Da (1 Da = 0,000714 gram). Pengolahan menggunakan ultrafiltrasi pada umumnya menggunakan membran berukuran 0.001 mikron – 0.01 mikron. Dalam teknologi pemurnian air, membran ultrafiltrasi dengan BM membran 1000-20000 lazim untuk penghilangan pirogen, sedangkan BM membran 80000-100000 untuk penghilangan koloid. Pirogen dengan BM 10000-20000 terkadang dapat dipisahkan dengan membran 80000 karena adanya membran dinamis. Tekanan sistem ultrafiltrasi biasanya rendah 10100 psi (70-700 kPa) maka dapat menggunakan pompa sentrifugal biasa. Membran UF sehubungan dengan pemurnian air dipergunakan untuk



menghilangkan koloid (penyebab fouling), mikroba, pirogen, dan partikel modul higienis. Membran ultrafiltrasi dapat menghasilkan fluks yang sangat tinggi, namun pada umumnya membran ini hanya digunakan untuk menghasilkan fluks antara 50-200 galon perhari dengan tekanan operasi sekitar 50 psi. Membran ultrafiltrasi dapat berbentukplateand frame, spiral-wound, dan tubular. Setiap konfigurasi memiliki aplikasinya masing-masing. Untuk air dengan kemurnian tinggi, spiralwound lebih umum untuk digunakan. Konfigurasi dipilih berdasarkan jenis dan konsentrasi dari material berkoloid atau emulsi. Untuk semua konfigurasi, desain sistem yang optimum harus memperhatikan laju alir, hilang tekan, konsumsi energi, fouling, dan juga harga membran itu sendiri. Membran ultrafiltrasi dibuat dengan mencetak membran selulosa asetat (SA) sebagai lembaran tipis. Membran selulosa asetat mempunyai sifat pemisahan namun sayangnya dapat dirusak oleh bakteri dan zat kimia serta rentan terhadap pH. Adapula membran dari polimer polisulfon, akrilik, polikarbonat, PVC, poliamida, poliviniliden fluorida, kopolimer AN-VC, poliasetal, poliakrilat, kompleks polielektrolit, dan PVA ikat silang. Selain itu, membran dapat dibuat dari keramik, aluminium oksida, zirkonium oksida, dsb. 2.2.Sistem kerja membrane ultrafiltrasi Sistem kerja dariUltrafiltrasi / Ultrafiltration / UF 0.01 Mikron sebagai berikut : Air masuk dengan tekanan rendah +/- 1.5 bar melalui lubang halus dengan diameter 0.5-2 mm. Ukuran pori filter 0.01-0.05 μm (sebagai pembanding sehelai rambut memiliki besar 50μm - jadi pori-pori dari UF ini 500 kali lebih besar) Kontaminasi dengan ukuran yang lebih besar dari 0.05μm tertahan dan terbuang secara berkala pada saat dilakukan back flushing ataupun forward flushing. Keunggulan dari sistem UF ini adalah pori-pori yang memiliki nilai absolut dibandingkan dengan filter biasa. Filter UF memiliki ukuran sangat kecil dibandingkan dengan bakteri sehingga lebih steril dari filterisasi biasa.



Kinerja membran dapat dilihat dari dua parameter yaitu aliran melalui membran (fluks) dan selektifitas. Fluks merupakan perbandingan antara volume dengan luas dan waktu. Untuk proses filtrasi dengan membran yang menggunakan beda tekan sebagai driving force, fluks merupakan fungsi dari beda tekan dan konstanta permeabilitas yang dapat dinyatakan dengan persamaan:



Konstanta permeabilitas merupakan konstanta yang menyatakan kemampuan membrane untuk melewatkan aqua dm. Sejalan dengan waktu, permeabilitas membran akan berkurang. Hal ini disebabkan oleh pembentukan fouling. Fouling merupakan proses dimana zat terlarut atau partikel terdeposisi pada permukaan membran atau pada pori membran sehingga terjadi penurunan kinerja membran. Foaling dapat disebabakan oleh zat koloid, biologis, organik, dan mineral. Untuk meningkatkan kembali kinerja membran, membran dapat dibersihkan dengan secara hidrolik (back wash dengan aqua dm), kimiawi, mekanik dan juga dengan menggunakan listrik. Selektifitas membran ditentukan oleh dua parameter yaitu faktor rejeksi (R) dan factor pemisahan (α). Persen rejeksi adalah persen dari konsentrasi yang terpisahkan dari umpan (feedwater) oleh membran. Secara matematis persen rejeksi dinyatakan oleh persamaan:



Cf = konsentrasi zat terlarut dalam umpan Cp= konsentrasi zat terlarut dalam permeat R bernilai 100% (retensi total dari zat terlarut) yang berarti ideal semipermeabel membran dan 0% yang berati pelarut dan zat terlarut bebas melewati membran.



2.3.Prinsip kerja membrane ultrafiltrasi



Prinsip Kerja Ultrafiltrasi / Ultrafiltration / UF 0.01 Mikron : Ultrafiltrasi / Ultrafiltration adalah proses pemisahan molekul berdasarkan molekul terlarut. Membran Ultrafiltrasi / Ultrafiltration dapat menyaring molekul berukuran kecil dan membuat molekul besar tertahan Gambar 2.3 Ilustrasi Pemisahan Membran dengan Ultrafiltrasi 2.4. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kinerja Ultrafiltrasi / Ultrafiltration / UF 0.01 Mikron



Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi kinerja sistem ultrafiltrasi: 1.Arus seberang (cross flow) Permukaan Membran . Kenaikan Tingkat serapan dengan kecepatan aliran cairan di permukaan membran Arus kecepatan (flowrate) hal ini sangat penting diperhatikan untuk cairan yang mengandung emulsi atau suspensi Aliran yang lebih tinggi juga berarti konsumsi energi yang lebih tinggi dan pompa yang lebih besar. Peningkatan kecepatan aliran juga mengurangi fouling/kegagalan dari permukaan membran. Umumnya, kecepatan aliran optimum dicapai oleh keseimbangan antara besarnya pompa dan peningkatan laju serapan. 2.Tekanan operasi. (OperatingPressure) Menembus tingkat berbanding lurus dengan tekanan diterapkan di seluruh permukaan membran namun , karena meningkatnya kegagalan dan pemadatan kotoran, tekanan operasi jarang melebihi 100 psig dan umumnya sekitar 50 psig karena akan merusak dan merobek pori membran 3.Suhu Operasional Air Hasil akan meningkat searah dengan meningkatnya suhu. Namun , suhu umumnya bukanlah variabel terkontrol Hal ini penting untuk mengetahui pengaruh suhu pada membran fluks untuk membedakan



antara penurunan serapan karena penurunan suhu dan pengaruh parameter lainnya .Sistem Ultrafiltrasi ( Ultrafiltration) yang bisa menghasilkan output hasil yang besar menggunakan lebih sedikit ruang dan energy serat berongga UF membran yang banyak digunakan untuk menggantikan metode pengolahan air tradisional dan sebagai pra penyaringan reverse osmosis. 2.5.Aplikasi Membran ultrafiltrasi di bidang Industri Aplikasi yang dapat dilakukan dengan menggunakan teknologi Ultrafiltrasi sangat beragam dari pemprosesan makro yang sederhana hingga pengolahan limbah. Aplikasi ini seperti, Depot Air Minum Isi Ulang, Pengolahan air bersih, Penyaring dari air sungai,Air Minum Dalam Kemasan (AMDK), Pengolahan air limbah, dll. Keuntungan menggunakanUltrafiltrasi / Ultrafiltration / UF 0.01 Mikron: Dibandingkan dengan metode lain maka sistem ini relatif lebih mudah dalam aplikasinya, kemudahan merawat, membersihkan dan instalasi. Penghambat mikroorganismE dan bakteri yang lengkap. Qualitas hasil yang difilter tidak tergantung dari air masuk Ultrafiltrasi juga dapat membuang chlorine resistant germs seperti cryptosporidium. Konsentrat (air limbah) juga akan terbuang . Dalam sistem yang dirangkai secara lengkap dapat menurunkan biaya investasi.dan juga biaya perawatan. Memungkinkan sistem yang full otomatis. Dapat membuang hampir semua film-forming pada membrane reverse osmosis, sehingga dapat memperpanjang umur membrane Namun, sistem membran ultrafiltrasi memiliki beberapa kekurangan, salah satu masalah besar yang sering terjadi pada masalah ultrafiltrasi, khususnya ultrafiltrasi dengan umpan multi komponen, adalah fouling. Fouling adalah suatu fenomena yang disebabkan oleh deposisi dan akumulasi secara irreversible dari partikel-partikel submikron pada permukaan membran dan atau kristalisasi serta prepitasi dari partikel-partikel yang berukuran kecil pada permukaan atau di dalam membran-membran itu sendiri. Ultrafiltrasi Dalam Pengolahan Limbah Berminyak



Saat ini pengolahan limbah emulsi minyak umumnya dilakukan dengan pemberian koagulan, asam dan pemanasan untuk memecah emulsi minyak, selanjutnya minyak dan air dipisahkan dengan prinsip gravitasi dan menggunakan proses oksidasi, koagulasi dengan DAF. Penggunaan teknologi tersebut memungkinkan untuk menghasilkan keluaran sesuai dengan standar buangan yang diizinkan, namun disisi lain menghasilkan sludge yang termasuk limbah B3 dengan volume yang cukup banyak. Teknologi membran khususnya ultrafiltrasi dan mikrofiltrasi merupakan salah satu metode alternatif untuk memisahkan minyak dari air. Teknologi ini memiliki efisiensi yang tinggi dalam memisahkan minyak, tidak memerlukan bahan kimia dalam prosesnya, dapat menghasilkan air dengan kualitas yang konsisten dan juga teknologi ini dapat mengolah emulsi minyak dalam air dengan partikel berdiameter kurang dari 5 mikron, yang tidak dapat diolah dengan hidrosiklon. Membran telah digunakan untuk mengolah umpan berupa emulsi minyak seperti emulsi crude oil, emulsi minyak kerosene dan crude oil, emulsi cutting oil. Hasil dari beberapa penelitian menyebutkan bahwa membran ultrafiltrasi rata-rata dapat merejeksi minyak, COD serta surfaktan di atas 90%. Berikut ini merupakan penelitian yang dilakukan oleh mahasiswa Universitas Diponegoro Semarang untuk pengolahan limbah berminyak yang berupa emulsi minyak-air dengan membran ultrafiltrasi. Pada penelitian ini digunakan umpan model limbah emulsi minyak dengan fasa terdispersi berupa minyak pelumas, bensin dan solar. Fasa kontinu adalah air, sedangkan surfaktan adalah sebagai mediator. Minyak pelumas, bensin, dan solar digunakan untuk mewakili limbah kilang minyak bumi yang berasal dari kolom-kolom distilasi serta limbah dari operasi peralatan proses pada utility plant. Penelitian ini difokuskan pada pengujian kinerja membran (fluks dan rejeksi) ultrafiltrasi limbah emulsi minyak-air. Dengan model emulsi minyak-air yang lebih sederhana maka pengaruh spesifik minyak terhadap kinerja membran dapat diketahui. Umpan emulsi minyak-air dibuat dengan mendispersikan fase minyak( bensin, minyak pelumas, dan solar) sebagai fase terdispersi, fase kontinu



aquades serta Tween 80 sebagai emulsifier. Konsentrasi minyak dalam pembuatan emulsi adalah 200 mg/l dengan konsentrasi surfaktan 0,1%. Fase minyak didispersikan dalam fase kontinu menggunakan IKA Manual Ultra Turax Homogenizer dengan kecepatan 21.200 rpm selama 2 menit. Membran ultrafiltrasi yang digunakan adalah flat sheet Polyethersulfone dengan ukuran pori nominal 10 kDa dan luas permukaan 0,00138 m2 . Membran tersebut dipasang pada modul dead end ultrafiltrasi. Untuk mengetahui karakteristik membran, dilakukan analisis terhadap morfologi membran dengan Scanning Electron Microscope dan permeabilitas membran. Permeabilitas menggambarkan laju filtrasi per unit area filtrasi (fluks) tiap unit beda tekanan. Sebelum melakukan evaluasi kinerja dengan menggunakan model emulsi, membran dikompaksi dengan tekanan 1 Bar selama 180 menit. Uji performasi membran ultrafiltrasi dilakukan dengan mengoperasikan membran pada tekanan 1 Bar selama 120 menit, dengan pengukuran fluks permeat tiap 5 menit. Pengukuran fluks dilakukan dengan menghitung volume dan waktu yang diperlukan permeat untuk melewati membran. Analisis rejeksi dihitung dari konsentrasi Chemical Oxygen Demand (COD) menggunakan HANA COD Meter dan total oil content (menggunakan Gas Chromatography) pada permeat. Jadi kesimpulan dari penelitian tersebut, membran ultrafiltrasi telah digunakan untuk pemisahan model emulsi minyak-air. Model limbah emulsi minyak-air terdiri dari fase terdispersi berupa bensin,pelumas, dan solar. Fasa kontinu adalah air, sedangkan surfakta adalah sebagai mediator. Pengujian kinerja membran ultrafiltrasi dilakukan dengan mengetahui profil fluks dan rejeksi (COD dan total oil content). Profil fluks emulsi bensin, minyak,pelumas, dan solar menunjukkan bahwa penurunan fluks bensin yang tertinggi. Hal ini disebabkan ukuran tetes emulsi bensin yang paling kecil dan kestabilan emulsi dipengaruhi oleh ukuran tetesnya. Makin kecil ukuran tetesnya, maka emulsi tersebut semakin stabil dan lebih sulit dipisahkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa membran polyethersulfone yang digunakan mampu merejeksi COD sebesar 98% dan minyak sebesar 98% untuk umpan emulsi bensin( konsentrasi COD permeat sebesar 81 mg/l dan total oil content sebesar 3,69 mg/l). Untuk emulsi minyak



pelumas, 94% COD dan 99% minyak dapat direjeksi (konsentrasi COD pada permeat 228 mg/l dan total oil content pada permeat 1,27 mg/l). Sedangkan untuk umpan emulsi minyak solar, rejeksi COD sebesar 90% dan rejeksi minyak sebesar 98% (konsentrasi COD pada permeat 230 mg/l dan total oil content pada permeat 2,43 mg/l).



BAB III DESKRIPSI PR0SES 3.1.Blok Diagram Pengoperasian Membran Data æP Ukuran volume permeat tiap 3 menit. Mulai Isi sampel dengan cairan umpan. Atur konfigurasi pompa dalam setting operasi pompa Nyalakan pompa Atur laju alur umpan.tunggu hingga stabil. Atur tekanan pompa sesuai yang di inginkan Tampung retentat dan permeat



Data volume permeat Lakukan backwash dengan aqua dm selama 1 menit dengan intermittent 3 menit. Matikan pompa setelah di peroleh data volume permeat 10x3 menit. Selesai



Rangkuman



:



o Mengisi sampel dengan cairan umpan o Mengatur konfigurasi pompa dalam setting operasi pompa



o Nyalakan pompa dan mengatur laju alur umpan hingga stabil o Mengatur tekanan pompa sesuai yang diinginkan o Menampung retentate dan permeat, mencatat ukuran volume permeat tiap 3 menit o Melakukan backwash dengan aqua dm selama 1 menit dengan intermitten 3menit o Mencatat volume permeat o Matikan pompa setelah diperoleh volume permeat 10 x 3 menit



BAB IV K E S I M PU LAN 4.1.Kesimpulan P Ultrafiltrasi / Ultrafiltration / UF 0.01 Mikron, mesin penyaring ultrafiltrasi, filter uf 0.01 Mikron adalah suatu teknologi filtrasi dengan besaran pori 0.01 mikron) dimana proses pemisahan menggunakan membran dengan tekanan, biasanya digunakan untuk menyaring makro molekul. PMembran ultrafiltrasi dapat menghasilkan fluks yang sangat tinggi, namun pada umumnya membran ini hanya digunakan untuk menghasilkan fluks antara 50-200 galon perhari dengan tekanan operasi sekitar 50 psig PPrinsip Kerja Ultrafiltrasi / Ultrafiltration / UF 0.01 Mikron :Ultrafiltrasi /ltrafiltration adalah proses pemisahan molekul berdasarkan molekul terlarut. P Keunggulan dari sistem UF ini adalah pori-pori yang memiliki nilai absolut dibandingkan dengan filter biasa. Filter UF memiliki ukuran sangat kecil dibandingkan dengan bakteri sehingga lebih steril dari filterisasi biasa.



D AF TAR P U S TAK A http://www.igwenten.com/2013/02/teknologi-membran-untuk-pengelolaanair.html http://www.academia.edu/8517606/PEMBUATAN_DAN_KARAKTERISASI_M EMBRAN_NANOFILTRASI_UNTUK_PENGOLAHAN_AIR_Tesis_Untuk_me menuhi_sebagian_persyaratan_Mencapai_derajat_Sarjana_S2_Magister_Teknik_Kimia_MAGISTER_TEKNIK_KIMIA http://eprints.undip.ac.id/13965/1/BAB_1.pdf http://rezaputraahmad.blogspot.co.id/ http://ndarucs.blogspot.co.id/2009/10/membran-ultrafiltrasi.html