2.3. Membran
2.3.2. Kinerja membran
d. Osmosa Balik
Osmosa balik merupakan proses yang didorong oleh adanya tekanan, menahan semua ion, dan meloloskan air. Membran reverse osmosis ini juga rentan terjadinya fouling karena diakibatkan oleh zat-zat dalam air baku misalnya kerak, pengendapan koloid, oksida logam, organik dan silika.
Dengan demikian pemilihan jenis membran dapat didasarkan atas kebutuhan penggunannya. Karena untuk pengoperasian jenis membran tertentu perlu dilakukan pretreatment terlebih dahulu, misalnya melalui proses pengendapan, floatasi dan flokulasi. Sehingga membran mampu bekerja secara maskimal. Berikut ini merupakan Tabel 6 perbandingan jenis membran yang satu dengan lainnya dari berbagai sifat.
Tabel 6. Perbandingan sifat berbagai jenis membran (Wagner, 2001), (Suwarsono, 2010).
Sifat membrane Osmosa Balik Ultrafiltrasi Mikrofiltrasi Tekanan 10 – 30 bar 2 – 6 bar 2 – 6 bar) Konsumsi energi Tinggi Rendah Rendah Efisiensi
penyaringan
50- 80 % Maksimal 95% Maksimal 100%
Keasaman Toleransi pH 2 -11 Toleransi pH 1-13 Toleransi pH 1-13 Suhu operasi max.40 0C max. 80 0C Tahan suhu tinggi Ketahanan
Oksidasi
Tidak tahan oksidasi Tahan oksidasi Tahan oksidasi
2.3.2. Kinerja Membran
Faktor utama yang menentukan sifat membran dalam proses penyaringan adalah struktur membran, komposisi kimia bahan dan kondisi
23 operasi. Struktur membran, berkaitan dengan ukuran pori, distribusi pori, jumlah pori dan ketebalan lapisan. Adapun faktor–faktor yang dapat mempengaruhi kerja dan performa membran secara umum adalah struktur penyusun membran, ukuran pori membran, dan kondisi operasi.
1. Struktur Membran
Umumnya membran dibuat dalam bentuk lembaran dan silinder. Dengan mengetahui bentuk bangunan membran maka dapat diketahui pula karakteristik fisika membran seperti, densitas, porositas dan kapasitas penyimpanan air. Dengan begitu dapat diketahui pula pengaruhnya terhadap kinerja membran dalam melakukan proses pemisahan. Berikut ini sedikit penjelasan bagaimana sifat fisika membran mempengaruhi kinerjanya.
a. Densitas.
Densitas adalah suatu besaran yang menyatakan perbandingan antara massa dalam gram dengan volume dalam cm3 (Keenan, 1980). Penentuan Densitas dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu (Anonim, 2008):
Densitas sejati, yaitu massa dibagi volume tidak termasuk rongga yang terbuka dan tertutup.
Densitas nyata, yaitu massa dibagi volume tidak termasuk pori/lubang terbuka, tetapi termasuk pori yang tertutup.
Densitas efektif, yaitu massa partikel dibagi volume termasuk pori yang terbuka dan tertutup.
24 Semakin besar densitas suatu benda, maka semakin besar pula massa tiap satuan volumenya. Densitas dapat ditentukan menggunakan metode Archimedes (standar ASTM Cement) yaitu sebagai berikut.
………(3)
Dimana,
Ms = Massa kering (g)
Mb = Massa sampel setelah direndam air (g)
Mg = Massa sampel yang digantung didalam air (g) Mk = Massa kawat penggantung (g)
(Keenan, 1980) b. Porositas (void space) dan Kapasitas penyimpanan fluida.
Porositas merupakan perbandingan antara volume ruang yang terdapat dalam benda yang berupa pori-pori terhadap volume secara keseluruhan (volume sampel + volume pori). Besar kecilnya porositas suatu sampel akan menentukan kapasitas penyimpanan cairan (fluida reservoir). Secara matematis porositas benda dapat ditentukan dengan mengetahui volume pori atau void space (rongga antar partikel) dapat dinyatakan melalui persamaan sebagai berikut:
...(4) (Soltani, et.al.,2009), Dimana, Msat adalah massa sampel (g) yang dijenuhkan menggunakan Nitrogen cair selama 24 jam, Mdry adalah massa sampel (g) yang dikeringkan dalam pengering oven pada suhu 60o C, hingga tercapai massa yang konstan,
25 dan Vm adalah voleme sampel (cm3). Selain itu, terdapat pula perhitungan
lain yang digunakan untuk menentukan harga porositas nyata (apparent porosity), yaitu sebagai berikut.
………(5)
(Thokchom et.al.,2009) Dimana P adalah porositas, Mb adalah massa sampel (g) yang direndam didalam air selama 48 jam, Ms adalah massa sampel (g) yang dikeringkan pada 85oC selam 24 jam, Mg adalah massa sampel yang digantung didalam air dan Mk adalah massa kawat penggantung (g). Sedangkan untuk menentukan
seberapa besar kapasitas penyimpanan air atau derajat pengembangan (degree of swollen) pada suatu sampel dapat ditentukan melalui persamaan sebagai berikut.
….………..….…(6)
(Ghazali and Tram, 2004), (Suherman, 2009) Dimana,
% DS = Derajat pengembangan sampel (degree of swollen)
Ms = Massa sampel didalam air (g) Md = Massa sampel kering (g)
2. Komposisi Kimia Bahan
Umumnya penggunaan bahan membran memiliki tujuan khusus dalam pemanfaatannya. Sehingga pada prakteknya dikenal suatu pembagian atau klasifikasi membran berdasarkan material penyusunnya yang dibedakan menjadi dua yaitu:
26 a. Membran biologis yang berasal dari sel makhluk hidup
b. Membran sintetis, yang berasal dari bahan polimer (membran organik) dan berasal dari keramik, zeolit, serat logam (membran anorganik).
3. Unjuk kerja membran
Dari segi pengoperasiannya, membran dapat dioperasikan secara
dead-end ataupun cross flow. Pada modul operasi dead-end, arah aliran umpan tegak lurus terhadap membran. Pada operasi ini, seluruh air umpan dipaksa melewati membran secara kontinu, dan tidak ada sirkulasi air didalam modul membran. Sedangkan pada pola aliran cross flow aliran umpan dengan arah sejajar dengan permukaan membran dan terjadi sirkulasi umpan.
Prinsip separasi membran seperti yang dikemukakan oleh Timoti (2005) dan Boussu (2007) adalah pemisahan antar dua bagian yang terpisah oleh membran untuk tujuan tertentu. Meskipun sebenarnya gaya tekan umpan juga dihasilkan akibat gaya beratnya atau lebih dikenal dengan tekanan hidrostatik.
Tekanan hidrostatik adalah berat kolom air yang biasa diukur dalam atmosfir (atm). Tekanan air pada setiap arah pada suatu badan air memiliki besaran yang sama, air akan bergerak dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan lebih rendah. Tekanan hidrostatik dapat dinyatakan dengan persamaan berikut (Resnick, 1985):
Phidrostatik= ρ. g. h ……….………..(7) Dimana:
Phidrostatik = Tekanan hidrostatik (tekanan/unit area)
27 g = Percepatan gravitasi (9,8 m/det2)
h = Kedalaman dibawah permukaan air (cm)
Tekanan hidrostatik bertambah secara konstan seiring dengan bertambahnya kedalaman air. Setiap kedalaman 10 m tekanan hidrostatik bertambah sebesar 1 atm yang setara dengan 1,03 kg/cm2. Meskipun begitu, umumnya operasi membran memerlukan gaya dorong dari luar (gradien tekanan) sehingga spesi tertentu mampu melewati membran dan spesi yang tidak diinginkan tetap tertahan pada permukaan membran secara efisien.
Selanjutnya untuk menentukan laju rata-rata filtrasi membran (average filtration rate) dapat ditentukan melalui persamaan berikut ini.
………(8)
Ahmad and Ismail (2001), (Liu, et.al.2008) Dimana W adalah massa dari permeat dalam satuan kg atau liter (L) jika dihitung dalam volume, A luas permukaan membran dalam satuan m2dan
t adalah waktu dalam satuan jam. Menurut Ghazali and Tram (2004) perhitungan laju filtrasi membran dapat disederhanakan menjadi.
………(9)
Dimana Q adalah berat (kg) atau volume (L) filtrat pada waktu tertentu dan A adalah luas efektif area membran (m2). Untuk penggunaaan aliran membran secara vertikal (dead end) dapat digambarkan pada Gambar 3. berikut ini:
28 Gambar 3. Prinsip aliran membran secara vertical (dead end filtration)
(kiri) dan grafik laju perpindahan massa persatuan waktu (kanan).
Menurut Zhong et.al (2009) untuk pengukuran efektifitas area membran dapat ditentukan melalui persamaan :
A = N . π. do. l ………(10)
Dimana,
A = Luas permukaan membran (m2)
do = Diameter luar membran (m) N = Jumlah lapisan membran
l = Ketebalan membran (m)
Selain ditentukan fluks membran atau laju filtrasi yang juga perlu diketahui adalah penentuan koefisien rejeksi (permselektivitas). Menurut Notodermoko dan Deniva (2004) koefisien rejeksi suatu membran merupakan ukuran kemampuan suatu membran untuk menahan suatu spesi (konsentrat) atau melewatkan suatu spesi (konsentrat) tertentu. Parameter yang digunakan untuk menggambarkan tingkat pemisahan membran terhadap suatu konsentrat tertentu, dapat diekspresikan melalui nilai adalah koefisien rejeksi (R) atau dapat pula disebut persen pemisahan (% Removal). Namun, seringkali nilai rejeksi atau pemisahan membran dapat dijadikan rujukan langsung untuk
29 menggambarkan efisiensi penyaringan suatu membran. Untuk mendapatkan persen efisiensi penyaringan dapat digunakan persamaan sebagai berikut:
...(11) (Las, 1989) dimana:
R = Persen pemisahan membran atau effisiensi penyaringan membran terhadap zat tertentu
Ct = Konsentrasi zat terlarut dalam permeat atau filtrate (ppm)
Co = Konsentrasi zat terlarut dalam umpan (ppm)
Penggunaan membran tidak selalu menguntungkan, kekurangan teknologi membran antara lain, dapat diidentifikasi melalui laju fluks dan selektifitas membran. Semakin tinggi fluks seringkali berakibat menurunnya selektifitas dan sebaliknya. Sedangkan hal yang diinginkan selama proses penyaringan adalah mempertinggi fluks dan selektifitas, seperti terlihat pada gambar berikut ini.
Gambar 4. Selektifitas membran yang didasarkan atas ukuran partikel pada model aliran dead end.(Wilbert, 1999).
Kelemahan yang utama adalah terjadinya fouling, yaitu proses terakumulasinya komponen secara permanen akibat proses filtrasi itu sendiri. Kemungkinan terjadinya fouling sangat besar pada metode dead end filtration,
30 karena aliran larutan umpan mengalir secara vertikal. Namun begitu fouling
dapat dikurangi dengan melakukan pembilasan seperti back flow. Dapat dilihat pada gambar 5 berikut ini, bahwa penyerapan sejumlah partikel dipermukaan membran selama periode penggunaan membran tertentu akan menghasilkan pemampatan membran (membrane fouling).
Gambar 5. Ilustrasi terjadinya proses penyerapan membran dan pemampatan yang terjadi selama periode tertentu (Williams, 2006).
