TEKNOLOGI MEMBRAN

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

TEKNOLOGI MEMBRAN

OLEH: RUDI HARTONO, ST., MT.

JURUSAN TEKNIK KIMIA - FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA 2013 1

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

BAB I TEKNOLOGI MEMBRAN MEMBRAN

I.1. PROSES MEMBRAN 1.1.1. MEMBRAN [Mulder, 1999] Membran adalah suatu lapisan penghalang yang dapat membedakan dua tipe molekul, yang disebabkan oleh adanya perbedaan ukuran, bentuk, dan struktur kimia. Proses membran adalah pemisahan pada tingkat molekular atau partikel yang sangat halus. Membran di definisikan sebagai lapisan penghalang yang selektif antara dua fasa homogen.

Molekul atau partikel yang dipindahkan melalui membran dari satu fasa ke fasa lain, yang disebabkan oleh adanya: - Gradien Temperatur - Gradien Konsentrasi - Gradien Tekanan, dan - Gradien Potensial listrik. SKEMA PROSES PEMISAHAN MEMBRAN

Fasa 1

Membran

Fasa 2

Umpan

Permeat

Gaya Dorong ΔP, ΔC, ΔT, ΔE

Gambar 1.1. Proses pemisahan membran

2

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Menurut Nakao (1986) Berdasarkan gaya dorong yang menyebabakan suatu komponen berpindah dari fasa 1 ke fasa 2. Proses pemisahan dengan membran dibagi dalam tiga (3) kelas utama dapat dilihat pada Tabel 1.1. di bawah ini. Tabel 1.1. Proses Pemisahan Membran berdasarkan Gaya Dorong Kelas Pertama Gaya Kelas Gaya Kelas Gaya Dorong Kedua Dorong tiga Dorong Ultrafiltrasi (UF) Dialisis Elektro P C E Reverse Osmosis (RO) dialisis

Mulder (1996), menambah menambah kelas keempat yaitu yaitu T (delta temperatur), dan dapat dilihat pada Tabel 1.2. di bawah ini Tabel 1.2.Klasifikasi Proses Pemisahan dengan Membran Beda Tekanan

Beda Konsentrasi

Mikrofiltrasi Ultrafiltrasi RO Piezodialisis

Pervaporasi Pemisahan Gas Dialisis Perpindahan Molekul media Pembawa

Beda Potensial Listrik Elektrodialisis Elektro Osmosis -

Beda Temperatur Termal Osmosis Distilasi Membran -

MEMBRAN SAAT INI 1. Belum bisa digunakan digunakan pada skala industri besar (Pada skala industri kecil banyak digunakan) 2. Pemisahan dengan membran sejalan dengan perkembangan ilmu polimer a. Tidak bisa menahan tekanan tinggi b. Tidak bisa menahan menahan gaya gaya mekanik 3. Hanya bisa digunakan digunakan pada temperatur rendah (tidak tahan panas) Teknologi pemisahan menggunakan membran memiliki keunggulan dibandingkan dengan proses pemisahan konvensional lainnya. Keuntungan yang dilmilikinya antara lain: 1) Pemisahan berdasarkan ukuran molekular sehingga beroperasi pada temperatur rendah pemisahannya (Temperatur ambeint). Hal ini dapat menghindari kerusakan zat pelarut maupun partikel terlarut yang sensitif terhadap panas 2) Pemakaian energi yang relatif rendah 3) Tidak menggunakan zat bantu kimia dan tidak ada tambahan produk buangan. 4) Bersifat modular artinya modul modul membran dapat discale-up discale-up dengan memperbanyak unitnya. 3

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

5) Dapat digabung digabung dengan dengan jenis operasi lain. BAB II PENGGOLONGAN MEMBRAN

2.1.PENGGOLONGAN MEMBRAN MEMBRAN Membran dapat digolongkan berdasarkan : 1. Asal 2. Morfologi 3. Struktur dan Prinsip Pemisahan serta 4. Kerapatan Pori 2.1. 1. BERDASARKAN ASALNYA TERDAPAT DUA JENIS MEMBRAN  YAITU: 1. Membran Alamiah Terdapat dalam sel-sel mahluk hidup baik manusia maupun hewan. 2. Membran Sintetik Dibuat dari bahan: 1. Organik (Polimer) maupun 2. Inorganik Tabel 2.1. Perbandingan Organik dan Inorganik Organik Inorganik Sellulosa Acetate Keramik Sellulosa Esters Polyamide Metal Polycrylonitrile Gelas Polysulfone Composite Kelebihannya: Kelebihannya: Luas Permukaan persatuan Kuat volume tinggi Kekurangannya: Kekuatannya

Kekurangannya: - Tdk gampang dibentuk - Luas permukaan persatuan volume rendah

MEMBRAN INORGANIK

4

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Mempunyai kestabilan kimia dan termik yang jauh lebih tinggi dari polimer. Penggunaannya sebagai bahan pembentuk membran sudah 235 dimulai, dimulai, enrichment uranium hexafluoride ( U). Tipe membran inorganik yang sering digunakan adalah : 1. Glass 2. Metalic 3. Zeolititic Membran metalik membran yang terbuat dari satu atau beberapa jenis logam Diperoleh melalui S i n t e r i n g  bubuk   bubuk metal (Stainless steel, tungsten, atau molybdenum). Membran Keramik Membran yang dibuat dari kombinasi logam dan non logam dalam bentuk oksida nitrat dan karbidanya. [Dibentuk melalui melalui kombinasi kombinasi metal (alumunium, titanium, silicium, atau zirconium) dengan non-metal (oxide, nitride atau carbide)] Membran G l a s s Membran yang dibuat dari oksida silikon atau silika. Glass dapat dikondensasikan sebagai bahan keramik, yang dibuat melalui teknik l e a c h i n g    pada  pada d e m i x e d g l a s s   Membran yang banyak dikembangkan saat ini adalah membran zeolite, karena distribusinya sangat sempit dan dapat digunakan pada proses pemisahan gas dan gas dan pervaporasi. Kestabilan termik sangat tinggi, dan tabel berikut menunjukan titik leleh keramik Tabel 2.2. Titik Leleh Leleh Keramik Keramik Jenis Keramik  Alumina (Al2O3) Zirconia (ZrO2) Titania (TiO2) Silicon Carbide (Sic)

0

Titik leleh ( C) 2050 2770 1605 2500

Ketahanan terhadap temperatur tinggi menjadikan bahan tersebut dapat digunakan

pada

pemisahan

gas

temperatur

tinggi,

dan

dapat

dikombinasikan dengan reaksi kimia dimana membran dapat dipakai sebagai katalis dan sebagai penyeleksi komponen yang akan dipisahkan. 5

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Keramik adalah bahan yang keras dan rapuh dengan E tinggi

KERAMIK MIKROFILTRASI Membran

keramik

digunakan

karena

mempunyai

resistensi

tinggi

terhadap pelarut organik, mudah dibersihkan, kekuatan mekanik tinggi, dapat digunakan pada daerah pH yang lebar, siklus pemakaian panjang, dan rasio harga terhadap performasi baik.

Sistem filtrasi dikontruksi sebagai sebuah yang dilengkapi dengan tube keramik. Pipa keramik yang kuat dapat digunakan untuk kecepatan cross-flow yang tinggi dan menghasilkan aliran turbulen. Aliran turbulen ini dapat menjaga agar tidak terbentuk lapisan pengotor dan menjamin diperolehnnya fliks permeat yang tinggi. Pada bagian permeat  permeat   diberi tekanan (back pulse interval, 1x dalam 3  –   –  10 menit) sebesar 2-3 kali tekanan operasi, hal ini dimaksudkan agar kotoran tidak membentuk lapisan fluks permeat dapat dipertahankan.

Tabel 2.3. Keuntungan dan Kerugian membran keramik adalah KEUNTUNGAN

KERUGIAN

1. Tahan hingga hingga T= 280 C, untuk untuk membran yang khusus dapat 0 digunakan hingga 700 C 2. Tahan Korosi, pelarut organik 3. Sesuai untuk operasi cleaning dan steam sterilisation 4. Umur penggunaan panjang 5. Fluks tinggi 6. Inert terhadap bahan kimia, dan banyak kegunaannya di industri kimia

1. Brittle, sehingga penanganannya harus hatihati 2. Rasio luas permukaan terhadap volum kecil, sehingga dimensi alat menjadi besar 3. Investasi membran keramik besar

2.1.2.BERDASARKAN MORFOLOGINYA, MEMBRAN DIKELOMPOKAN MENJADI DUA (2) JENIS YAITU: 1. Membran simetrik 2. Membran Asimetrik 6

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Gambar 2.1. Memran Simetrik dan Asimetrik

2.1.2.1. Membran Simetrik Membran simetrik adalah : 1. membran yang memiliki kerapatan yang sama 2. mempunyai struktur pori homogen dengan ketebalan 10  – 200 m 3. Tidak memiliki lapisan penyangga 2.1.2.2. Membran Asimetrik Membran Asimetrik adalah : 1. Membran yang memiliki lapisan penyangga (pendukung/Supporting Layer) karena kekuatannya mekanismenya rendah. Lapisan penyangga penyangga (Pendukung) memiliki ketebalan   antara  antara 50  –150 m 7

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

2.

Membran yang terdiri dari dua lapisan, lapisan permukaan yang sangat tipis dan rapat dengan ketebalan antara 0,1 – 0,5 m

2.1.3.  BERDASARKAN STRUKTUR DAN PRINSIP PEMISAHANNYA, TERBAGI TIGA JENIS MEMBRAN 1. Membran berpori (M e m b r a n e P o r o u s  ) 2. Membran tidak berpori (M e m b r a n e N o n P o r o u s  ) er M e m b r a n e )  3. Membran Cair (C a r r i er

Membran berpori

Membran non pori

Membran cair

Gambar 2.2 Prinsip dan struktur pemisahan pemisahan membran 2.1.3.1. Membran berpori (M e m b r a n e P o r o u s  ) Selektifitas tinggi dapat diperoleh berukuran besar dapat tertahan

jika

partikel

yang

Prinsip pemisahannya: Didasarkan pada perbedaan ukuran partikel dengan ukuran pori membran Membran jenis ini digunakan untuk proses: 1. Mikrofiltrasi (Melewati air, air, Menahan mikroba) 2. Ultrafiltrasi (Melewatkan air, Menahan garam mineral 



2.1.3.2. Membran tidak berpori (M e m b r a n e N o n P o r o u s  ) Prinsip pemisahannya: Didasarkan pada perbedaan kelarutan dan kemampuan berdifusi. Sifat intrinsik polimer membran mempengaruhi tingkat selektifitas dan permeabilitas. Membran jenis ini digunakan untuk proses pemisahan 1. Gas 2. Pervaporasi 3. dan Dialisa 





8

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

2.1.3.3. Membran Cair (Carrier M e m b r a n e   ) Prinsip pemisahannya: Sangat ditentukan oleh molekul pembawa yang spesifik tidak dari material atau morfologi . “Molekul Pembawa” : (i) Carrier berada tetap di dalam membran dan (ii) Carrier dapat bergerak jika dilarutkan dalam cairan. Menunjukan afinitas yang sangat spesifik terhadap satu komponen atau suatu kelas komponen pada umpan sehingga diperoleh selektivitas yang tinggi. Permselectivity komponeen sangat tergantung pada spesifikasi bahan pembawa tersebut. Komponen yang dapat dipisahkan dapat berupa gas atau cair, ionik atau non ionik. 



Catatan : Carrier membran : Ada bahan tertentu dalam membran yang bersifat sebagai zat pembawa ( hanya menyenangi menyenangi 1 komponen saja)

2.1.4. BERDASARKAN KERAPATAN UKURAN PORI DIKENAL 3 JENIS MEMBRAN 1. Makropori : M dengan ukuran pori lebih besar dari 50 nm 2. Mesopori Mesopori : M dengan ukuran pori antara antara 2 – 50 nm 3. Mikropori : M dengan ukuran lebih kecil dari 2 nm nm

Table 2.4. Size of Materials Retained, Driving Force, and Type of Membrane Size of materials Process Driving force Type of membrane retained 0.1 - 10 µm Pressure difference Microfiltration Porous microparticles (0.5 - 2 bar) 1 - 100 nm Pressure difference Ultrafiltration Microporous macromolecules (1 - 10 bar) 0.5 - 5 nm Pressure difference  Nanofiltration Microporous molecules (10 - 70 bar) < 1 nm Pressure difference Reverse Osmosis  Nonporous molecules (10 - 100 bar) < 1 nm  Nonporous or Dialysis Concentration difference molecules microporous < 1 nm Electrical potential  Nonporous or Electrodialysis molecules difference microporous Pervaporation < 1 nm Concentration difference Nonporous 9

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Gas Permeation Membrane Distillation

molecules < 1 nm molecules < 1 nm molecules

Partial pressure difference (1 - 100 bar)

 Nonporous

Partial pressure difference

Microporous

Table 2.5 Examples of Applications and Alternative Separation Processes Process

Applications

Alternative Processes Sedimentation, Microfiltration Separation of bacteria and cells from solutions Centrifugation Separation of proteins and virus, Ultrafiltration Centrifugation concentration of oil-in-water emulsions Separation of dye and sugar, Distillation,  Nanofiltration water softening Evaporation Distillation, Desalination of sea and brackish water, Reverse Osmosis Evaporation,  process water purification Dialysis Dialysis Purification of blood (artificial kidney) Reverse osmosis Crystallization, Electrodialysis Separation of electrolytes from nonelectrolytes Precipitation Pervaporation Dehydration of ethanol and organic solvents Distillation Absorption, Hydrogen recovery from process gas streams, Gas Permeation Adsorption, dehydration and separation of air Condensation Membrane Distillation Water purification and desalination Distillation Website: http://www.formembranes.com/MembrSep.htm

10

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

BAB III MODUL MEMBRAN

Dalam prakteknya penggunaan membran untuk pemisahan harus ditempatkan dalam suatu alat yang sesuai sehingga membentuk konfigurasi tertentu. Konfigurasi tersebut sering disebut dengan namanya : Modul Membran Modul Membran dirancang sedemikian rupa sehingga memenuhi syarat untuk pemisahan dan aspek keteknikan lainnya dipertimbangkan.

Konfigurasi membran dalam modul membran dirancang agar:  Aliran menuju dan dari membran m embran mencapai keadaan yang optimum yaitu kehilangan tekanannya rendah, dapat mengurangi terjadinya as i K o n s e n t r a s i   “P o l a r i s as ” dan “M e m b r a n e F o u l i n g  ”

as i K o n s e n t r a s i   (P o l a r i s as : Konsentrasi Zat terlarut pada permukaan

membran menjadi lebih tinggi daripada larutan.

(F o u l i n g  : Proses terdekomposisinya suspensi atau zat terlarut pada permukaan membran(eksternal), pori atau jaringan berpori membran. Proses ini mengakibatkan berkurangnya unjuk kerja membran.

3.1. Konfigurasi Membran dalam Membran modul  Ada dua (2) type konfigurasi membran yaitu: 1. Konfigurasi Datar (Flat) 2. dan Konfigurasi Tubular 3.1.1. Konfigurasi Datar Konfigurasi pertama yang ada di Pasaran digunakan pada : - Plate and Frame - Dan Modul Spiral Wound

11

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Modul “Plate and Frame” 

Membran yang menyerupai alat filtrasi jenis “Plate and frame” 

Gambar 2.1. Modul “ Plate and Frame” Frame”

MODUL “ SPIRAL WOUND  ”

Merupakan lembaran-lembaran yang digulung menjadi satu kesatuan untuk membentuk modul membran. (murah untuk dikonsumsi, penggantian jenis membran mudah (2tahun sudah diganti).

Gambar 2.2. Modul “Spiral Wound” 3.1.2. KONFIGURASI TUBULAR Digunakan pada modul “ Shell and Tube” 12

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Berdasarkan ukuran diameter tubular membran yang dipakai, modul shell and tube digolongkan atas 3 modul: 1. Modul Tubular 2. Modul Kapiler 3. Modul Hollow fiber MODUL TUBULAR Umumnya memiliki diameter 5-25 mm, dan panjangnya 3 m Membran tubular adalah membran yang dibentuk pada bagian dalam tube plasktik, keramik atau stainless steel porous dengan fungsi sebagai penyangga. penyangga. -

Gambar 2.3. Modul “Tubular” MODUL KAPILER Memiliki diameter 0,5 hingga 10 mm

MODUL HOLLOW FIBER Memiliki ukuran lebih kecil dari 0,5 mm (Mulder, 1996) Atau berdiameter 0,2 –  0,2 –  2,0  2,0 mm dan Ketebalannya sekitar 200 mikron Untuk membentuk satu kesatuan (bundle) diperlukan ratusan hingga ribuan fiber

BAB IV KINERJA MEMBRAN

3.1. Kinerja membran ditentukan oleh Dua parameter yaitu selektivitas  dan laju alir melalui membran (fluk ) yang dinyatakan sebagai volum permeat per unit area perwaktu tertentu  yang dirumuskan sebagai berikut:

13

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

J=

V   A.t 

Dimana : 3

2

J = fluks ( m /m . jam ) V = volume permeat ( m3 ) 2

A = luas permukaan permukaan membrane membrane ( m  ) t = waktu ( jam )

3.2. Permeabilitas Membran adalah Ukuran yang menyatakan kecepatan suatu spesi untuk menembus membran.

Parameter yang digunakan untuk menyatakan menyatakan permeabilitas adalah :  Nilai fluk yang didefinisikan sebagai Jumlah volume permeat yang melewati satu satuan luas membran dalam waktu tertentu. 3.3. Permselektivitas didefinisikan sebagai Kemampuan suatu membran menahan suatu spesi tertentu Permselektivitas bergantung pada interaksi antar muka dengan spesi yang akan melewatinya, ukuran spesi dan ukuran pori  permukaan membran.  

Parameter yang digunakan untuk menyatakan permselektivitas membran adalah: Nilai Koefisien Rejeksi R  yang  yang dinyatakan dalam persamaan : R = 1 –  (C  (Cp –  C  Cf ) x 100% Dimana : R = Koefisien Rejeksi C p = Konsentrasi zat terlarut dalam permeat Cf = Konsentrasi zat terlarut dalam umpan

14

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

BAB V GENERASI PROSES PEMISAHAN MEMBRAN

15

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Skema Proses Membrane dan driving forcenya

16

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

BAB VI SISTEM DESIGN MEMBRAN

17

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

18

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

19

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

BAB VII KARAKTERISASI MEMBRAN

Beberapa penjelasan , misalnya jenis pori berdasarkan ukuranya menurut IUPAC sebagai berikut :  Makropori > 50 nm





Mesopori 2 nm , ukuran pori , 50 nm

  Mikropori Mikropori < 2 nm



Jika ukuran pori bervariasi makro dan mesopori, maka membran jenis tersebut tidak dikarakterisasi berdasarkan sifat bahan tetapi ukuran pori dan distribusi ukuran pori, yang umumnya ditentukan berdasarkan partikel atau molekul yang tertahan dapat lolos melalui membrane.

Maksud dari karakterisasi membran yang utama adalah : 1. Luas permukaan membran 2. Distribusi ukuran pori 3. Porositas 4. Rejeksi 5. Fluks 6. Kestabilan terhadap temperature 7. Ketahanan terhadap pelarut dan 8. Ketahanan terhadap tekanan

Dua tipe untuk mengkarakterisasi membrane pori adalah sebagai berikut: 1. Struk ture-related ture-related parameters

Menentukan ukuran pori dan distribusi ukuran pori, tebal lapisan tipis dan porositas dipermukaan

2. Permeation-related parameters

Penentuan parameter yang pemisahan menggunakan solute yang tertahan oleh membrane (Cut –Off measurement  )  ) 20

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

Kedua tipe di atas tidak mudah untuk dihubungkan karena ukuran pori dan bentuknya tidak pernah terdefinisi dengan baik

Beberapa metoda yang digunakan untuk karakterisasi membrane , yaitu:

MIKROFILTRASI   

Bubble point (largest pore diameter) Pure water flux Pore size distribution curves

ULTRAFILTRASI    

Molecular weight Cut-Off (MWCO) Pure water flux Pore size distribution curve Pore diameter (inorganic membrane)

NANOFILTRASI Pure water flux NaCl rejection atau Na2SO4 rejektion Mixed salt rejection Saccharide rejection   MWCO Surface Charge

     

REVERSE OSMOSIS Pure water flux NaCl rejection  

7.1. MIKROFILTRASI Ukuran pori 0,1 – 0,1 – 10  10 mikron dan metode yang dapat digunakan adalah: 1. Scanning electron microscopy 2. Metoda bubble-point  3. Mercury intrusion Mercury intrusion porometry 4. Permeation measurements

Tiga metode yang pertama untuk pengukuran morfologi atau struktur, sedangkan yang terakhir adalah metode  permeation. 21

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

ELEKTRON MIKROSCOPY (EM) Dua macam teknik yang dapat digunakan, yaitu Scanning electron microscopy (SEM (SEM)) dan Transmission electron microscopy (TEM (TEM). ). SEM adalah : Metode yang paling sederhana dan dapat mendeteksi struktur pori membran . Pori membrane mikrofiltrasi berkisar antara 0,1-10 mikron dan resolusi SEM 0,01 mikron (10 nm). Sample dilapisi oleh lapisan yang bersifat konduktif, missal lapisan tipis emas dan terhadap sample tersebut dipancarkan berkas electron (1-25 kV) dan berkas yang dipantulkan dari sample ditangkap oleh detector dan diproses selanjutnya dan dapat dilihat dalam bentuk gambar.

ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM)  Adalah metoda untuk menentukan struktur permukaan membrane

22

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

23

RUDI HARTONO ,ST., MT. TEKNOLOGI MEMBRAN FT.UNTIRTA CILEGON

24