HASIL DAN PEMBAHASAN
4.2 Percobaan Pervaporas
4.2.1 Fluks Permeas
Pada percobaan pervaporasi diperoleh data-data massa permeat dalam selang waktu tertentu. Kemudian data-data tersebut diolah untuk memperoleh fluks permeasi. Fluks permeasi pada berbagai membran dengan berbagai konsentrasi umpan dan temperatur 60 oC dapat dilihat dalam tabel D.1 dalam lampiran D yang dialurkan dalam gambar 4.5 dan 4.6.
Gambar 4.5 Fluks permeasi air vs konsentrasi umpan pada membran M1, M2, M3, dan M4
Gambar 4.5 dan 4.6 menunjukkan bahwa fluks permeasi air pada masing- masing membran mengalami kenaikan pada konsentrasi azeotrop 95,6 % (w/w) etanol dan juga mengalami kenaikan dengan penambahan zeolit alam sampai pada komposisi zeolit alam 20 % (w/w) zeolit terhadap berat selulosa asetat, sedangkan pada komposisi zeolit alam 25 dan 30 % (w/w) zeolit terhadap berat selulosa asetat mengalami penurunan sampai di bawah harga untuk membran dengan komposisi zeolit 20 % (w/w). Kenaikan fluks permeasi air di atas titik azeotrop campuran etanol-air disebabkan oleh driving force yang bekerja pada titik tersebut
hanya perbedaan tekanan antara bagian hilir dan hulu sehingga tahanan yang dialaminya kecil bila dibandingkan dengan keadaan di bawah titik azeotrop, di
mana driving force yang bekerja adalah perbedaan tekanan dan perbedaan
temperatur yang menyebabkan tahanan menjadi besar (Bowen, et al., 2003).
Gambar 4.7, 4.8, dan 4.9 menunjukkan bahwa pada umumnya fluks permeasi total bernilai sama pada berbagai konsentrasi umpan untuk setiap jenis membran dan mengalami kenaikan dengan bertambahnya komposisi zeolit dalam membran sampai komposisi zeolit alam 20 % (w/w) zeolit terhadap berat selulosa asetat. Seperti halnya fluks permeasi air, fluks permeasi total pada komposisi zeolit 25 dan 30 % (w/w) zeolit terhadap berat selulosa asetat mengalami penurunan sampai di bawah harga untuk membran dengan 20 % (w/w).
Gambar 4.6 Fluks permeasi air vs konsentrasi umpan pada membran M5, M5’, M6, dan M7
Baik fluks pemeasi air maupun fluks permeasi total pada membran bekas pakai relatif sama dengan membran asal. Hal ini menunjukkan bahwa pada umumnya membran memiliki kestabilan yang relatif tinggi. Pada umumnya setiap membran mampu menghasilkan fluks permeasi etanol yang jauh lebih rendah bila dibandingkan dengan fluks permeasi air. Hal ini menunjukkan bahwa membran selulosa asetat termodifikasi zeolit alam bersifat permselektif terhadap air.
Permselektivisitas atau sifat retensi dari membran ditentukan oleh material membran itu sendiri. Interaksi antara membran dan cairan dapat disebabkan oleh bermacam-macam mekanisme, seperti interaksi ionik, interaksi Van der Waals, dan ikatan hidrogen (Bhave, 1991). Gugus –OH dari selulosa asetat akan mengikat air dan terjadi interaksi berdasarkan ikatan hidrogen (Kesting, 1995). Sementara itu aluminium dalam zeolit akan menahan air berdasarkan sifat hidrofilisitas zeolit (Crespo and Boddeker, 1995). Berdasarkan kedua peristiwa inilah maka membran akan mempunyai sifat retensi yang tinggi terhadap air. Modifikasi permukaan membran dapat meninggikan efektivitas pemisahan karena merubah sifat interaksi membran dengan cairan yang akan dipisahkan serta merubah sifat pemisahannya (Porter, 1990).
Gambar 4.7 Fluks permeasi total vs konsentrasi umpan pada membran M1, M2, dan M3
Fluks permeasi air tertinggi adalah 0,79 kg/m2.jam yang diperoleh pada percobaan dengan membran selulosa asetat yang ditambahkan 20 % (w/w) zeolit terhadap selulosa asetat pada konsentrasi umpan etanol 90 sampai dengan 98 % (w/w) etanol di mana faktor pemisahan pada kondisi tersebut adalah 843 (lihat tabel D.1). Pada penelitian terdahulu dengan menggunakan membran selulosa asetat yang dimodifikasi dengan zeolit NaY+ diperoleh fluks permeasi air tertinggi adalah 1,37 kg/m2.jam, di mana faktor pemisahannya adalah 1634 (Nasrun, 2005).
Pada penggunaan zeolit sintetis ternyata faktor pemisahan yang diperoleh lebih tinggi dari pada penggunaan zeolit alam. Hal ini disebabkan karena zeolit sintetis telah diaktivasi pada temperatur di atas 400 oC sehingga luas permukaan zeolit bertambah besar (Liang and Ni, 2009).
Gambar 4.8 Fluks permeasi total vs konsentrasi umpan pada membran M4, M5, dan M5’
Gambar 4.9 Fluks permeasi total vs konsentrasi umpan pada membran M6 dan M7
Bila dibandingkan dengan Kuhn, et al., (2009) pada penggunaan zeolit alam
asal Spanyol diperoleh faktor pemisahan 20 pada temperatur 373 K dan 40 pada 348 K menunjukkan bahwa zeolit alam asal Ujong Pancu masih lebih unggul. Nikolakis, (2001) memperoleh faktor pemisahan 160 pada pemisahan benzena/sikloheksana, 144 pada pemisahan benzena/n-heksana, 45 pada pemisahan toluena/n-heptana, 6,2 pada pemisahan propilena/propana, dan 8,4 pada pemisahan etilena/metana dengan menggunakan zeolit alam faujasit yang memiliki rasio Si/Al, 1 – 1,5. Fakta tersebut juga menunjukkan salah satu keunggulan yang dimiliki zeolit alam asal Ujong pancu.
Fluks permeasi total yang dapat dicapai dalam penelitian ini adalah 0,84 kg/m2.jam yang diperoleh pada membran dengan 20 % (w/w) zeolit pada konsentrasi umpan 98 % w/w etanol. Haryadi, dkk., 2006 telah melakukan
dehidrasi etanol dengan teknik pervaporasi di mana membran yang digunakan adalah poli (vinil alkohol) (PVA) yang dimodifikasi dengan asam malat dengan tujuan menurunkan derajat pengembangan PVA dengan jalan pembentukan ikatan silang di antara rantai polimer. Ikatan silang di antara rantai polimer akan menyebabkan rantai polimer menjadi pendek sehingga derajat pengembangan akan turun (Mulder, 2006). Fluks total yang mampu dicapai oleh Haryadi, dkk.,
(2006) adalah 0,151 kg/m2.jam. Dengan demikian penelitian ini telah mampu meningkatkan fluks permeasi total pada dehidrasi etanol secara pervaporasi. 4.2.2 Pengaruh Derajat Pengembangan (Degree of Swelling), (Ds) terhadap Fluks Permeasi Total (J)
Pengaruh derajat pengembangan (degree of swelling) terhadap fluks
permeasi total dapat dianalisa dari gambar 4.7 - 4.9. Berdasarkan gambar-gambar tersebut dapat dijelaskan bahwa pada umumnya derajat pengembangan (degree of
swelling) pada setiap membran cenderung menurun seiring dengan meningkatnya
konsentrasi umpan. Apabila konsentrasi umpan tinggi maka komposisi etanol dalam umpan jelas tinggi pula, sementara komposisi air akan sedikit. Bila komposisi air sedikit maka laju permeasi air akan turun akibat terhalang oleh molekul-molekul etanol dalam campuran umpan.
Fluks permeasi total cenderung konstan pada setiap konsentrasi umpan. Jadi dalam hal ini tidak dapat diambil suatu hubungan yang signifikan antara derajat pengembangan (degree of swelling) dan fluks permeasi total. Suatu hal yang perlu
diperhatikan bahwa derajat pengembangan (degree of swelling) akan bertambah
dengan bertambahnya komposisi zeolit alam yang ditambahkan ke dalam selulosa asetat. Demikian juga halnya dengan fluks permeasi total akan bertambah dengan bertambahnya komposisi zeolit alam yang ditambahkan ke dalam selulosa asetat. Apabila komposisi zeolit tinggi maka jelas komposisi aluminium dalam zeolit akan tinggi pula, di mana sifat aluminium yang hidrofilik akan cenderung menarik air dari campuran umpan etanol-air dan akhirnya akan dilepaskan ke dalam fasa uap berupa permeat akibat dari daya dorong berupa perbedaan tekanan antara bagian hilir dan hulu pada alat pervaporasi.
Interaksi fisika antara membran dengan penetran terutama air menyebabkan terjadinya pengembangan (swelling) (Sano, et al., 1995). Derajat pengembangan
(degree of swelling) bergantung pada jumlah penetran yang tersorpsi ke
dalam membran. Dengan bertambahnya konsentrasi etanol dalam umpan (konsentrasi air berkurang) maka derajat pengembangan (degree of swelling) akan
berkurang. Bila zeolit ditambahkan ke dalam selulosa asetat maka derajat pengembangan (degree of swelling) akan bertambah karena zeolit cenderung
menyerap air sehingga fluks permeasi juga akan bertambah.
Fluks pada membran dipengaruhi oleh perubahan struktur membran berupa ikatan silang akibat dari modifikasi membran dengan penambahan zeolit alam. Perubahan struktur membran mengakibatkan perubahan daya serap dalam membran. Sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya bahwa struktur ikatan silang yang terjadi akan mengakibatkan rantai polimer menjadi leluasa dan bebas bergerak sehingga mudah menyerap air. Air akan terserap pada bagian amorf
polimer dan bagian amorf zeolit sehingga membran dengan penambahan zeolit
akan memiliki daya serap air yang lebih besar dibandingkan membran tanpa zeolit sehingga fluks yang dihasilkan juga akan lebih besar (terutama fluks air) (Mulder, 2006).
Makin banyak zeolit alam yang ditambahkan maka akan makin banyak bagian amorf yang dapat menyerap air sampai komposisi optimumnya [20 %
(w/w) zeolit terhadap berat selulosa asetat]. Bagian amorf yang banyak akan dapat
meningkatkan sifat permeabilitas membran sehingga menjadi suatu indikasi yang bagus terhadap tahanan perpindahan melalui membran (Wong, et al., 2001).
Peningkatan sifat permeabilitas membran juga akan mengakibatkan performansi membran menjadi stabil selama pervaporasi (Zhou, et al., 2012).
Penelitian ini memperlihatkan bahwa campuran azeotrop etanol-air [95,6 % (w/w) etanol] dapat dipisahkan karena adanya perbedaan polaritas antara membran dan komponen yang dipisahkan sehingga cairan umpan akan terserap pada permukaan membran (Kesting, 1995). Polaritas di sini adalah berupa perbedaan tekanan antara bagian hilir dan bagian hulu yang merupakan daya dorong yang dapat menyebabkan terjadinya pemisahan campuran azeotrop tersebut. Pemisahan campuran azeotrop dengan membran umumnya berkaitan dengan perbedaan polaritas, bukan pada perbedaan komponen mudah menguap
(volatile) seperti pada pemisahan dengan destilasi.
Pemisahan dengan membran terjadi karena daya dorong berupa perbedaan temperatur, perbedaan tekanan, perbedaan konsentrasi, dan perbedaan potensial (Mulder, 2006). Pemisahan dengan pervaporasi terjadi karena daya dorong berupa perbedaan tekanan. Berbeda dengan distilasi, di mana pemisahan terjadi karena perbedaan titik didih komponen-komponen dalam campuran.
Saat ini, pervaporasi menggunakan membran zeolit merupakan metoda alternatif dalam operasi pemisahan campuran berbagai komponen yang memerlukan energi aktivasi lebih rendah dan penggunaan energi aktivasinya lebih efisien bila dibandingkan dengan destilasi (Chen, et al., 2011). Bagian amorf dari
polimer bersifat mudah mengembang sehingga bagian rantai polimer menjadi mudah bergerak yang mengakibatkan berkurangnya energi yang dibutuhkan untuk perpindahan melalui membran (Gao et al., 1996). Konsumsi energi pada
pervaporasi umumnya digunakan untuk permeasi molekul air pada meterial membran yang selektif terhadap air (Feng and Huang, 1996). Di samping itu,
penelitian ini telah dapat meningkatkan konsentrasi etanol dari 95,6 % (w/w) etanol menjadi 99,8 % (w/w) etanol (lihat Lampiran C.7.2).