II. TINJAUAN PUSTAKA
2.2. Proses Pemisahan Dengan Membran
Teknologi membran telah tumbuh dan berkembang secara dinamis sejak
pertama kali dikomersilkan oleh Sartorius-Werke di Jerman pada tahun 1927,
khususnya untuk membran mikrofiltrasi. 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 akibat adanya permintaan yang sangat besar terutama untuk aplikasi proses desalinasi.
Saat ini teknologi pemisahan menggunakan membran sedang menjadi topik menarik baik kalangan industri maupun di lembaga riset dan pengembangan. Teknologi ini berkembang sejalan dengan perkembangan ilmu polimer dan penemuan Scanning electron microscope (SEM). Perkembangan teknologi membran
berlangsung cepat dimulai ketika beberapa ilmuwan dan insinyur kimia menemukan
kemungkinan penggunaan reverse osmosis (RO) untuk proses desalinasi air laut dan
air payau dengan tujuan hemat energi. Program ini meraih sukses dan diikuti sukses lain ketika proses ini juga berhasil diaplikasikan untuk proses pemisahan dengan skala yang lebih besar yaitu untuk pengolahan limbah cair industri (Cheryan, 1986).
Teknologi pemisahan menggunakan membran memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan proses pemisahan konvensional lain seperti distilasi dan evaporasi. Keunggulan yang dimilikinya antara lain :
1. Pemisahan berdasarkan ukuran molekul, sehingga pemisahan dapat beroperasi
pada temperatur rendah (temperatur ambient). Hal ini dapat menghindari
kerusakan zat pelarut maupun partikel terlarut yang sensitif terhadap panas.
2. Pemakaian energi yang relatif lebih rendah, karena biasanya pemisahan
menggunakan membran tidak melibatkan perubahan fasa. Meskipun terjadi perubahan fasa seperti pada distilasi membran, namun temperatur yang dibutuhkan jauh lebih rendah daipada titik didih larutan yang akan dipisahkan.
3. Tidak menggunakan zat bantu kimia dan tidak ada tambahan produk buangan.
4. Bersifat modular, artinya di scale-up dengan memperbanyak unitnya.
5. Dapat digabungkan dengan jenis operasi lainnya (Wenten, 2001).
32
Farida Hanum : Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari Unit Deoiling Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi, 2009
USU Repository © 2008
Mulder (1996) mendefinisikan membran sebagai penghalang atau pembatas selektif yang diletakkan diantara dua fasa. Membran memiliki kemampuan untuk melewatkan suatu komponen dengan mudah dan cepat daripada komponen lain. Hal ini disebabkan oleh adanya perbedaan sifat fisik atau kimia diantara komponen yang tertahan (retentat) dengan komponen yang berpermeasi (permeat). Perpindahan
melalui membran dapat berlangsung apabila ada gaya dorong (driving force) yang
bekerja pada komponen yang berada di fasa 1. Driving force bisa dalam bentuk beda
tekanan (∆P), beda konsentrasi (∆C), beda temperatur (∆T), ataupun beda potensial
listrik (∆E). Menurut Nakao (1994) adanya gaya dorong yang menyebabkan suatu
komponen berpindah dari fasa 1 ke fasa 2. Pada fasa 1 masih banyak terdapat partikel-partikel yang kemudian padanya diberikan gaya dorong sehingga partikel yang memiliki ukuran molekul yang lebih kecil dari ukuran pori membran akan masuk dan melewati pori membran, sedangkan partikel dengan ukuran molekul yang lebih besar akan tertahan dan menempel di permukaan pori membran.
Skematik proses pemisahan dengan membran terlihat pada Gambar 1 di bawah ini :
Gambar 1. Skema Proses Pemisahan Dengan Membran
Proses pemisahan dengan membran berdasarkan gaya dorongnya dibagi dalam tiga kelas utama, yaitu : kelas pertama terdiri dari mikrofiltrasi (MF) ,
ultrafiltrasi (UF), dan reverse osmosis (RO) dengan beda tekanan (∆P) atau yang
lebih dikenal dengan TMP (trans membrane pressure) sebagai gaya dorongnya. Kelas
kedua adalah dialisis dengan beda konsentrasi (∆C )sebagai gaya dorong. Kelas
terakhir adalah elektrodialisis dengan gaya dorong adalah beda potensial listrik (∆E).
Mulder (1996) menambahkan perbedaan temperatur sebagai kelas keempat. Klasifikasi proses pemisahan dengan membran berdasarkan gaya dorongnya dapat dilihat pada Tabel 3 berikut ini :
Tabel 3. Klasifikasi Proses Pemisahan Dengan Membran Berdasarkan Gaya Dorongnya
Beda Tekanan Beda Konsentrasi Beda Potensial Listrik
Beda
Temperatur
34
Farida Hanum : Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari Unit Deoiling Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi, 2009
USU Repository © 2008
Mikrofiltrasi Pervaporasi Elektrodialisis Termo-osmosis
Ultrafiltrasi Pemisahan Gas Elektro-osmosis Distilasi
Membran
Nanofiltrasi Difusi Dialisis Membran
Elektrolisis -- Reversa Osmosis Perpindahan melalui media pembawa -- -- Piezodialisis -- -- -- Sumber : Mulder (1996)
Proses membran dengan driving force berdasarkan beda tekanan dapat
digunakan untuk memekatkan atau memurnikan suatu larutan. Ukuran partikel dan besaran kimia dari zat yang terlarut menentukan struktur (ukuran pori dan distribusi pori) dari membran yang digunakan. Perbandingan dari beberapa proses dengan driving force berdasarkan beda tekanan adalah sebagai berikut :
1. Mikrofiltrasi : digunakan untuk pemisahan partikel (bakteri, jamur), tekanan
osmotik dapat diabaikan, tekanan rendah (< 2 bar), membran yang digunakan mempunyai struktur simetrik, ketebalan lapisan pemisah 10 – 150 m, proses pemisahan berdasarkan ukuran partikel.
2. Ultrafiltrasi : digunakan untuk pemisahan makromolekul (protein), tekanan
digunakan berstruktur asimetrik, ketebalan lapisan membran 0,1 – 10 m, proses pemisahan didasarkan pada perbedaan solubilitas dan difusifitas.
3. Nanofiltrasi : digunakan untuk pemisahan zat terlarut dengan berat molekul
rendah (garam, glukosa, laktosa), tekanan osmotik tinggi (5-25 bar), tekanan operasi tinggi (10-60 bar), membran yang digunakan berstruktur asimetrik, ketebalan lapisan pemisah 0,1 – 1,0 m, proses pemisahan didasarkan perbedaan solubilitas dan difusifitas.
2.2.2. Proses Pembuatan Membran
Membran dapat dibuat dari sejumlah besar material yang berbeda-beda dan
dengan bermacam-macam teknik pembuatan antara lain sintering, track etching,
stretching, dan inversi fasa. Membran mikrofiltrasi dapat dibuat dari berbagai macam material baik organik maupun anorganik Hal ini memungkinkan untuk membuat membran dengan konfigurasi dan ukuran seperti yang diinginkan. Membran
mikrofiltrasi yang digunakan pada penelitian ini dibuat dengan cara sintering. Pada
proses sintering ini material ditekan dan dipanaskan hingga melewati titik didihnya. Tabel 4 berikut ini akan menyajikan pengaruh metoda preparasi terhadap porositas dan distribusi ukuran pori.
36
Farida Hanum : Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari Unit Deoiling Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi, 2009
USU Repository © 2008
Proses Porositas Distribusi ukuran
pori
Sintering Rendah/sedang Sempit/luas
Streatching Sedang/tinggi Sempit/luas
Track etching Rendah Sempit
Inversi fasa tinggi Sempit/luas
Sumber : Wenten (2001)
Saat ini terdapat sejumlah rancangan modul yang semuanya didasarkan oleh dua tipe konfigurasi membran, yaitu konfigurasi datar (flat) dan tubular. Membran datar merupakan konfigurasi pertama yang ada dipasaran umumnya digunakan pada
modul plate and frame dan modul spiral wound, sedangkan membran tubular
digunakan pada modul shell and tube.. Berdasarkan ukuran diameter tubular
membran yang dipakai, modul shell and tube digolongkan atas tiga modul yaitu modul tubular dengan ukuran tubular lebih besar dari 10 mm, modul kapiler yang
berukuran antara 0,5 hingga 10 mm, dan modul hollow fiber yang berukuran lebih
kecil dari 0,5 mm (Mulder 1996).
Konfigurasi spiral wound merupakan salah satu rancangan yang menghasilkan modul yang kompak. Modul ini terdiri atas dua lembaran membran datar yang dipisahkan oleh penyangga berpori yang direkatkan diantara kedua lembaran tersebut. Salah satu dari tepi ketiga lembaran yang telah menjadi satu itu ditautkan dengan
perekat yang tahan terhadap tekanan tinggi ke dinding pipa berlekuk yang berfungsi untuk mengumpulkan permeat. Kemudian pipa ini dibungkus dengan gabungan ketiga lembaran tersebut sehingga berada tepat di tengah-tengah bungkusan membran. Umpan mengalir secara aksial (paralel sepanjang pipa tengah) melalui modul, sedangkan permeat mengalir secara radial menuju pipa tengah. Modul spiral wound biasanya diterapkan pada proses desalinasi air payau dan air laut untuk dijadikan sebagai air minum dan air industri. Dibandingkan dengan bentuk modul lainnya, membran hollow fiber merupakan rancangan modul membran yang relatif lebih baru. Membran ini mempunyai kisaran diameter tubular 0,19-1,25 mm dan ketebalan sekitar 200 mikron. Setiap modul biasanya berisi 50-3.000 buah hollow fiber, tergantung pada diameter hollow fiber dan shell. Sedangkan pada penelitian ini digunakan membran modul tubular, karena menghasilkan fluks permeat yang tinggi dan sangat baik untuk menahan padatan. Membran mikrofiltrasi keramik secara umum dipabrikasi dalam bentuk tubular.
Gambar 2 berikut ini menampilkan beberapa modul membran yang sering
a. Modul plate and frame b. Modul hollow fiber
c. Modul spiral wound
Sumber :. Proses perpindahan pada membran, I Gede Wenten, 2007)
Gambar 2. Beberapa Jenis Modul Membran
Pemilihan konfigurasi membran dan penyusunan modul di dalam sistem biasanya didasarkan pada pertimbangan ekonomi agar biaya yang dikeluarkan sekecil mungkin. Untuk mendukung hal tersebut, beberapa aspek mestinya turut juga dipertimbangkan, seperti tipe pemisahan yang akan dilakukan, kemudahan
operasional, kekompakan sistem, kemungkinan scale-up, penggantian membran,
kemudahan pembersihan serta pemeliharaan membran. Rincian karakteristik beberapa modul membran diperlihatkan pada Tabel 5 di bawah ini :
Tabel 5. Karakteristik Beberapa Modul Membran
Karakteristik Plat and Frame
Spiral Wound
Densitas Packing (m2/m3) Sedang (200-400) Sedang (300-900) Rendah (<300) Agak Tinggi (600-1200) Tinggi (9000-30.000) Kemampuan menahan padatan tersuspensi
Sedang Jelek Baik Baik Baik
Pembersihan Mudah Mudah Mudah Sedang Sukar
Instalasi Sedang Sedang Tinggi Sedang Rendah
Scale up Agak sukar Mudah Sukar Sukar Mudah
Fluks Permeat Tinggi Sedang Tinggi Tinggi Rendah
Sumber : Wenten (2001)
Adapun membran yang digunakan pada penelitian ini memiliki modul tubular. Modul tubular ini memiliki beberapa keunggulan yang antara lain : mudah dalam pembersihan atau backwash, bekerja efektif dalam penahanan padatan, dan memiliki fluks permeat yang tinggi.
2.2.3. Aplikasi Industri Dari Membran
Aplikasi industri dari membran terus berkembang dengan pesat. Namun yang masih menjadi primadona adalah pengolahan air minum dengan reverse osmosis. Teknologi membran banyak dipilih karena tidak menggunakan proses kimia sehingga tidak merusak struktur molekul dari larutan yang dipisahkan, disamping pemakaian
40
Farida Hanum : Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari Unit Deoiling Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi, 2009
USU Repository © 2008
energi yang relatif lebih rendah jika dibandingkan teknik pemisahan lainnya, serta biaya maintenance peralatan lebih murah.
Tabel 6 menampilkan berbagai aplikasi industri dari proses membran. Tabel 6. Aplikasi Industri Dari Membran
1.Reverse Osmosis - Desalinasi air laut
- Pengolahan air permukaan dan air tanah - Pemisahan alkohol dari bir dan anggur
2. Dialisis - Pemisahan nikel sulfat dari asam sulfat
3. Elektrodialisis - Produksi garam meja dari air laut
- Pengolahan air buangan dari proses elektroplating -Produksi air ultra-murni untuk industri semikonduktor
4. MF - Sterilisasi obat-obatan - Pemurnian antibiotik
- Pengolahan Limbah Cair
5. UF -Pemisahan warna dari lindi hitam (kraft) pada pembuatan kertas
-Pemulihan vaksin dari antibiotik dari kaldu fermentasi
6. Gas permeation -Pemisahan CO2 atau H2 dari metana dan hidrokarbon
- Pemilihan metan dari biogas
7. Pervaporation - Dehidrasi sistem azeotrop ethanol-air - Pemisahan zat-zat organik dari air
8.Distilasi Membran
-Desalinasi air payau dan air laut
-Pemekatan larutan elektrolit (NaCl) dan larutan non elektrolit (glukosa)
-Pemekatan darah manusia -Pemekatan sari buah Sumber : Mulder (1996)
