modul-104-filtrasi.pdf

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

MODUL 1.04 Filtrasi

I. Pendahuluan

Proses filtrasi bertujuan memisahkan padatan dari campuran fasa cair dengan driving force perbedaan force  perbedaan tekanan sehingga mendorong fasa cair melewati lapisan suport lapisan suport  pada medium filter. Pada proses filtrasi, pemisahan padatan akan tertahan pada medium  penyaring. Sedangkan fasa cair yang melewati medium filter berupa limbah/ hasil sampingnya. Prosedur filtrasi sederhana dapat diterapkan langsung pada benda padat yang bentuknya tetap. Sebaliknya, diperlukan perlakuan-perlakuan khusus sebelum dan sesudah proses filtrasi jika padatan yang akan dipisahkan berupa cairan yang mudah terdeformasi atau berukuran kecil dan relatif sulit diambil dari suspensi cair. Filtrasi sering diterapkan pada proses-proses biologis seperti memisahkan ekstrak  juice atau memisahkan mikroorganisme dari medium fermentasinya. Pada proses-proses pemisahan yang sulit, proses filtrasi konvesional harus didukung dengan teknologi lain agar filtrasi lebih praktis, cepat, dan kualitas produk tidak terdegradasi. Pada umumnya, penerapan teknologi filtrasi pada industri kimia telah banyak mengalami modifikasi. Modifikasi ini terutama dilakukan untuk memperbaiki sifat dan karakteristik fisika dan kimiawi cake yang terakumulasi pada medium filter. Padatan cake umumnya dipisahkan dari medium filter dengan penambahan aditif tertentu. Padatan cake akan membentuk ageregat yang semakin lama semakin besar sehingga mudah dilepas dari medium filternya. Padatan lain yang biasa ditambahkan adalah filter adalah filter aid. Tanpa filter Tanpa filter aid akumulasi cake  pada medium filter akan sangat sedikit karena terbawa aliran cross  flow yang besar. Dengan melaksanakan praktikum ini, praktikan akan memahami bagaimana  proses filtrasi konvensional dilaksanakan. Pada teknologi filtrasi konvensional,  pembentukan cake sangat signifikan, sehingga aliran cross flow diabaikan. Proses filtrasi ini umumnya melibatkan padatan tak terdeformasi yang berukuran relatif besar. Pada praktikum ini digunakan press digunakan  press filter   berupa  plate and frame filter press. Filter terdiri atas plate atas  plate and frame yang frame yang tersusun secara selang-seling. Plate selang-seling. Plate terpisah dari  frame dengan suatu filter suatu filter cloth. cl oth. Pressing dilakukan untuk mendapatkan posisi  plate dan

-1/24-

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

 frame yang sesuai dan dikerjakan dengan putaran manual dan putaran hidrolik. Slurry dimasukkan melalui lubang-lubang frame lubang-lubang  frame dan filtrat mengalir melalui cloth ditiap sisi sehingga 2 produk ( sluury  sluury dan cake) cake) terbentuk secara simultan di tiap ruang penyaringan.

II. Tujuan

Tujuan pelasanaan praktikum Modul Filtrasi adalah: 1. Praktikan mengetahui karakteristik filtrasi (penyaringan), khususnya hubungan waktu dengan perolehan filtrat 2. Praktikan memahami tahanan/hambatan baik pada medium filter maupun cake  cake  pada operasi penyaringan

III. Sasaran

Berkenaan dengan tujuan praktikum, praktikan diharapkan dapat: 1. Menentukan persamaan penyaringan pada tekanan tetap. 2. Menghitung tahanan medium penyaring dan tahanan spesifik padatan saring. 3. Menentukan pengaruh tekanan terhadap tahanan spesifik padatan dan kekeringan  padatan.

IV. Tinjauan Pustaka

IV.1 Peralatan Proses Proses Filtrasi Konvensional Konvensional

Peralatan untuk proses filtrasi konvensional sangat bervariasi, dari conventional  plate and frame filter press sampai press sampai jenis rotary vacuum filters. Tipe plate Tipe plate and frame filter  press yang paling umum disajikan pada Gambar 1a. Plate 1a. Plate and frame filter p ress jenis ress jenis ini yang diaplikasikan di Industri umumnya terdiri atas tujuh bagian medium filter dari logam yang saling menutupi secara renggang dan tempat yang cukup untuk menampung cake sampai filtrasi selesai. Tipe lain memiliki pelat yang saling sejajar sehingga dapat digunakan dengan medium filter berupa penyaring kertas atau kain secara terpisah dari alat utama. Medium filter dapat dimasukkan pada peralatan filtrasi dengan membuka  frame   frame  yaitu tempat cake terbentuk. Tipe peralatan filtrasi jenis ini digunakan jika cake

Modul 1.04 Filtrasi

Halaman 2 dari 24

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

yang akan terbentuk relatif kering. Alat ini tidak dapat digunakan untuk bahan-bahan yang beracun dan berbahaya.

Gambar 1 Bermacam-macam tipe peralatan filtrasi konvensional

Tiga tipe lain dapat dilihat pada Gambar 1b, 1c, dan 1d. Jenis ini dapat digunakan untuk mengolah bahan aerosol ataupun yang berbahaya dan beracun. Peralatan-peralatan ini masih dalam pengembangan yang serius, sehingga umumnya digunakan pada skala kecil terutama pada laboratorium. Jenis horizontal plate filter disajikan pada Gambar 1b digunakan pada operasi  pemisahan skala kecil. Filtrasi terjadi hanya pada bagian atas setiap pelat yaitu di bagian  bawah cake, walaupun diterapkan operasi yang terputus-putus, cake yang terbentuk akan terus terakumulasi pada filter. Pada disain seperti Gambar 1b, struktur badan filter dapat dibongkar pasang untuk dibersihkan. Filter medium pun ditambahkan di luar perangkat alat filtrasi yang terlah terinstalasi sempurna. Variasi lain jenis ini adalah menerapkan  pengambilan cake dengan lubang kecil seperti valve yang difungsikan sebagai pengendali ketebalan cake  pada medium filter; atau variasi lain berupa cake yang dapat diambil dengan memutar-mutar bagian samping badan alat filtrasi. Vertical leaf filter press disajikan pada Gambar 1c. Jenis ini hanya membutuhkan area yang sempit untuk menempatkannya, tetapi ruang harus cukup tinggi untuk

Modul 1.04 Filtrasi

Halaman 3 dari 24

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

membongkar badan alat filtrasi yang tinggi tersebut saat mengambil cake. Jenis ini memiliki area filtrasi yang cukup luas per volumenya. Tipe alat filtrasi tubes on the candle dapat dilihat pada Gambar 1d. Alat ini tergantung pada tabung-tabung yang fungsinya mirip tali penarik. Cake terbentuk pada  bagian luar alat filtrasi itu dan filtrat mengalir melalui cake yang terakumulasi menuju  bagian atas untuk dibuang. Peralatan ini dibersihkan dengan carabackwash.

Gambar 2 Skema Rotary Vaccum Filter

Jenis lain adalah rotary vacuum filter. Jenis ini paling banyak digunakan pada skala besar di industri kimia karena dapat menangani padatan yang sulit difilter, dan  banyak dilengkapi sarana otomatis sehingga tenaga manual yang dibutuhkan tidak  banyak. Desain rotary vacuum filter juga sangat bervariasi. Bentuk dasar rotari vacuum  filter adalah Gambar 2. Filter ini dilengkapi drum yang terus berputar. Tekanan di luar drum adalah tekanan atmosferik, tetapi di dalam drum mendekati vakum. Drum ini dimasukkan ke dalam cairan yang mengandung suspensi padatan yang akan difilter, lalu drum diputar dengan kecepatan rendah selama operasi. Cairan tertarik melewati  filter cloth karena tekanan vakum, sedangkan padatan akan tertinggal di permukaan luar drum membentuk cake. Jika cake akan diambil dari drum, putaran drum dihentikan, drum dikeluarkan dari fasa cair, cake dicuci, dikeringkan, dan kemudian diambil. Pengambilan  padatan dari drum dilakukan dengan sejenis pisau yang juga bermcam-macam jenis dan disainnya bergantung jenis cake.

Modul 1.04 Filtrasi

Halaman 4 dari 24

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

IV.2 Filtrasi Cake

Medium filter pada filtrasi cake  relatif tipis dibandingkan dengan filter klarifikasi. Pada awal filtrasi sebagian partikel padat masuk ke dalam pori medium dan tidak dapat bergerak lagi, tetapi segera setelah itu bahan terkumpul lagi pada permukaan septum/ medium penyaringnya. Setelah tahap awal yang berlangsung beberapa menit tersebut zat padat cake  tersebut  berfungsi sebagai medium filtrasi, bukan septum lagi. Cake tersebut terakumulasi sampai ketebalan tertentu pada permukaan dan sewaktuwaktu harus dibersihkan. Filter cake  biasanya bekerja dengan tekanan lebih tinggi dari tekanan atmosfer  pada bagian hulu atau vaku m pada sisi hilir. Filter ini dapat b eroperasi kontinu dapat pula secara batch. Namun karena sulitnya mengeluarkan zat padat melawan tekanan positif , umumnya filter diopersikan secara batch.

IV.2.1 Medium Filter

Septum atau medium penyaring pada setiap filter harus memenuhi persyaratan sebagai berikut: 1. harus dapat menahan zat padat yang akan disaring dan menghasilkan filtrat yang cukup jernih 2. tidak mudah tersumbat 3. harus tahan secara kimiawi dan kuat secara fisik dalam kondisi proses 4. harus memungkinkan penumpukan cake dan pengeluaran cake secara total dan  bersih 5. tidak mahal. Dalam industri medium filter yang banyak dipakai adalah kain kanvas. Masing-masing  jenis kanvas dengan ketebalan dan pola anyaman tertentu juga memiliki kegunaan tertentu. Untuk zat cair yang bersifat korosi digunakan medium filter seperti kain wol, tenunan logam monel atau baja tahan karat, tenunan gelas, atau kertas. Kain sintesis seperti nilon, polipropilena, dacron juga t ahan secara kimia.

IV.2.2 Bahan Aditif untuk Proses Filtrasi

Zat padat yang lembek atau sangat halus, yang membentuk cake yang rapat dan impermeabel akan segera menyumbat medium filtrasi yang cukup halus untuk menahannya. Untuk menyaring bahan padat seperti itu porositas cake harus ditingkatkan

Modul 1.04 Filtrasi

Halaman 5 dari 24

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

agar cairan tersebut dapat lewat dengan laju yang cukup. Hal ini dilakukan dengan menambah bahan aditif filtrasi ( filter aid ) seeprti tanah diatom, silika, perlit, selulosa kayu yang dimurnikan, atau bahan-bahan padat lain yang tidak bereaksi. Penambahan itu dilakukan terhadap slurry umpan sebelum dilakukan filtrasi. Dalam filter batch  lapisan filter aid  biasanya tipis, sedangkan pada filter kontinu lapisan ini biasanya tebal dan  bagian atasnya terkikis bersama zat padat yang tertahan filter oleh pisau kikis, sehingga menghasilkan permukaan filtrasi yang baru. Penggunaan lapisan pendahuluan ini  biasanya dapat mencegah tersumbatnya medium filter sehingga dihasilkan filtrat yang  jernih.

IV.2.3. Filter Batch Berdasarkan Tekanan

Filter tekanan dapat memberikan perbedaan tekanan yang cukup besar melintas septum sehingga menghasilkan filtrasi yang cukup cepat dengan zat cair viskos atau zat  padat halus. Filter tekanan yang umum adalah filter press dan shell-and-leaf filter .

Filter Press

Filter ini terdiri dari seperangkat lempengan yang dirancang untuk memberi sederetan kompartemen untuk pengumpulan zat padat. Lempengan tersebut ditutup dengan medium filter seperti kanvas. Slurry umpan masuk ke dalam masing-masing lempengan dan medium filternya dengan tekanan, cairannya lewat melalui kanvas dan keluar melalui pipa keluaran dan meninggalkan zat padat basah di antara lempengan tersebut.

Gambar 3 Peralatan filter tekanan untukoperasi otomatis

Modul 1.04 Filtrasi

Halaman 6 dari 24

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

Lempengan  press yang digunakan ada yang berbentuk bujur sangkar atau lingkaran, ada yang terletak vertikal dan horisontal. Tetapi umumnya lempengan untuk zat padat itu dirancang dengan membuat tekukan pada permukaan lempeng, atau dalam  bentuk  plate-and-frame. Pada desain  plate and frame ini, lempengan berbentuk bujur sangkar dengan panjang sisi 6-28 in dan disusun silih berganti dengan bingkai terbuka. Lempengan tersebut tebalnya berkisar 0,25 sampai 2 in, sedangkan bingkainya setebal 0,25 sampai 8 inci. Lempengan dan bingkai itu didudukkan secara vertikal pada rak logam dengan medium filter dipasang menutupi setiap bingkai dan dirapatkan dengan  bantuan sekrup dan rem hidraulik. Bubur umpan masuk pada satu ujung rakitan lempeng dan bingkai tersebut. Slurry mengalir melalui saluran yang terpasang memanjang pada salah satu sudut rakitan dari sudut tersebut melalui saluran tambahan mengalir ke dalam masing-masing bingkai. Di sini zat padat itu diendapkan di atas permukaan pelat. Cairan mengalir menembus kain filter, melalui alur atau gelombang pada permukaan lempeng, sampai keluar press filter tersebut. Sesudah filter tersebut dirakit,  slurry dimasukkan dari pompa atau tangki  pendorong pada tekanan 3 sampai 10 atm. Filtrasi lalu diteruskan sampai tidak ada lagi zat cair yang keluar dan tekanan filtrasi naik secara signifikan. Hal ini terjadi bila bingkai sudah penuh dengan zat padat sehinggga slury tidak dapat masuk lagi. Filter itu disebut  jammed. Setelah itu, cairan pencuci dapat dialirkan untuk membersihkan zat padat dari  bahan-bahan pengotor y ang dapat larut. Cake tersebut kemudian ditutup dengan uap atau udara untuk membuang sisa zat cair tersebut sebanyak-banyaknya. Filter itu lalu dibongkar, cake  padatnya dikeluarkan dari medium filter sehingga jatuh ke konveyor menuju tempat penyimpanan. Pada kebanyakan press filter, operasi tersebut berlangsung secara otomatis. Sampai cake  bersih, proses pencucian memakan waktu beberapa jam karena cairan pencuci cenderung mengikuti jalur termudah dan melangkahi bagian-bagian cake yang terjejal rapat. Jika cake  tidak terlalu rapat, sebagian besar cairan pencuci tidak efektif membersihkan cake. Jika diinginkan pencucian sampai benar-benar bersih,  biasanya dibuat sluury lagi dengan cake yang belum tercuci sempurna. Pencucian lebih lanjut dapat menggunakan zat cair pencuci dalam kuantitas besar dan menyaringnya kembali dengan  shell-and-leaf filter sehingga memungkinkan pencucian yang lebih efektif dari pada plate and frame filter.

Modul 1.04 Filtrasi

Halaman 7 dari 24

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

 Shell-and-leaf Filter 

Shell-and-leaf Filter  memiliki beberapa keuntungan, antara lain: 1. dapat digunakan untuk proses filtrasi tekanan tinggi 2. tenaga manusia yang diperlukan sedikit 3. hasil pencucian cake lebih efektif

Gambar 4 Tekanan tangki horisontal shell and leaf filter

Salah satu model Shell-and-leaf Filter adalah tangki horisontal seperti pada Gambar 4. Seperangkat lempengan disusun pada suatu rak yang dapat ditarik keluar. Pada Gambar 4 terlihat unit tersebut sedang dibongkar untuk mengeluarkan cake. Pada waktu operasi, lempengan-lempengan itu terletak di dalam selongsong yang tertutup. Umpan masuk melalui sisi tangkai, filtrat lewat melalui daun dan keluar melalui sistem  pipa pembuangan.

 Press Filter Continue

Filter ini biasanya memerlukan banyak tenaga manusia untuk operasinya. Untuk mengatasinya digunakan tekanan vakum. Namun filter vakum juga terkadang kurang ekonomis pada zat padat yang sangat halus, tekanan uap zat cair tinggi, viskositas lebih dari 1 cP, atau bila zat cair berupa larutan jenuh yang akan mengkristal.

IV.3 Perlakuan Awal Sebelum Proses Filtrasi

Campuran tertentu seperti suspensi, padatan lumpur, atau larutan-larutan tertentu (seperti produk bioproses) sulit difiltrasi langsung. Hal ini disebabkan campuran tersebut merupakan fluida yang sangat non-newtonian, atau karena cake yang terbentuk sangat compressible

sehingga

Modul 1.04 Filtrasi

cake

dapat

terdeformasi

menjadi

lapisan

yang

tidak

Halaman 8 dari 24

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

 permeabel.Karena itu, umpan yang memasuki peralatan filtrasi harus dikondisikan dahulu seperti dengan pemanasan, koagulasi dan flokulasi, ataupu n adsorpsi pada filter cloth.

IV.3.1 Pemanasan

Prose pemanasan adalah pretreatment umpan filter yang paling sederhana. Proses ini umumnya terbatas oleh stabilitas termal cake. Pemanasan terkadang efektif dalam  pretreatment umpan filter karena pemanasan dapat mengubah karakteristik senyawa kimia menjadi bentuk tak stabil yang mudah difiltrasi. Contohnya pada campuran koloid,  pemanasan dapat mengakibatkan ketidakstabilan koloid sehingga partikel koloid yang semula terdistribusi homogen menjadi terganggu ikatan kimianya, terkoagulasi membentuk agregat, dan mengendap sehingga mudah difiltrasi.

IV.3.2 Koagulasi dan Flokulasi

Metoda kedua adalah penambahan elektrolit untuk mendukung terjadinya koagulasi dan flokulasi. Bahan elektrolit yang biasa ditambahkan bervariasi dari asam/  basa sederhana sampai bahan polielektrolit sintetik. Elektrolit

sederhana

menyebabkan

terjadinya

koagulasi-flokulasi

dengan

memilah-milah gaya tolak menolak elektrostatik yang terjadi antara partikel kololid. Jika gaya tolak menolak elektrostatik ini dikurangi, gaya tarik-menarik Londan-van der Walls akan mendominasi. Akibatnya koloid akan terkoagulasi menjadi partikel yang lebih  besar, lebih padat (dense) dan lebih mudah difiltrasi. Asam dan basa akan mengubah pH sehingga mengubah muatan partikel. Jika muatan berkurang, partikel akan banyak terkoagulasi dan makin mudah difiltrasi. Jika muatan bertambah, partikel yang terkoagulasi sedikit dan campuran makin susah difiltrasi. Polielektrolit sintetik dapat mengurangi gaya tolak-menolak elektrostatik, mengadsorbsi dan membuat partikel beragregasi, membentuk semacam jembatan antar  partikel-partikel tersebut. Dengan demikian partikel koloid akan membentuk flok-flok yang besar, agregat yang tidak begitu padat tetapi mudah difilter. Polielektrolit dapat  berupa anionik, kationik, dan nonionik.

IV.3.3 Adsorpsi dengan Filter Aids

Metoda pretreatment ketiga adalah penambahan filter aids. Partikel koloid pada cairan akan teradsorbsi pada filter aids. Filter aids ini akan mengurangi kompresibilitas

Modul 1.04 Filtrasi

Halaman 9 dari 24

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

cake, mengurangi penetrasi partikel kecil lain yang tidak diharapkan yang dapat menutupi  pori-pori membran sehingga mengurangi laju filtrasi.

IV.4 Teori Umum Filtrasi

Filtrasi adalah contoh khusus mengenai aliran melalui media berpori, khususnya kasus di mana tahanan terhadap aliran konstan. Dalam filtrasi, tahanan aliran meningkat sesuai dengan waktu, sesuai dengan pembentukan cake  di atas medium filter atau filter aid. Besaran-besaran utama yang penting adalah laju aliran melalui filter dan penurunan tekanan melintasi unit tersebut. Dengan berjalannya waktu selama filtrasi, laju aliran akan  berkurang atau penurunan tekanan akan meningkat. Pada proses filtrasi tekanan tetap,  penurunan tekanan dibuat konstan dan laju aliran dibiarkan menurun sesuai waktu.

IV.4.1 Hukum Darcy

Hukum  Darcy  menghubungkan laju partikel padatan melalui lapisan berpori dengan pressure drop yang menyebabkan aliran tersebut.

v=

k.∆P µ .L

 

(1)

dimana: v

= laju alir padatan dalam campuran cairannya

k

= konstanta proporsionalitas yang umum disebut konstanta permeabilitas Darcy

∆P

= pressure drop pada melalui kedua tebal pelat

L

= ketebalan pelat

µ

= viskositas cairan Analogi dengan Hukum Ohm, laju alir akan berbanding lurus dengan diriving

 force verupa potensial ∆P  pressure drop, dan berbanding terbalik dengan penghambat alirannnya (L/k).  Namun, Hukum Darcy untuk filtrasi hanya berlaku pada kondisi:

dv ρ  µ (1 - ε )