Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari Unit Deoiling Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi

(1)

PENGOLAHAN LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT DARI

UNIT DEOILING PONDS MENGGUNAKAN MEMBRAN

MIKROFILTRASI

T E S I S

Oleh

FARIDA HANUM

057022002/TK

SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2009

S

E K O L A _H

P A

S C

A S A R JA

(2)

2

Farida Hanum : Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari Unit Deoiling Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi, 2009

PENGOLAHAN LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT DARI

UNIT DEOILING PONDS MENGGUNAKAN MEMBRAN

MIKROFILTRASI

T E S I S

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik dalam Program Studi Teknik Kimia

pada Sekolah Pascasarjana Universitas Sumatera Utara

Oleh

FARIDA HANUM

057022002/TK

SEKOLAH PASCASARJANA

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

(3)

Judul Tesis : PENGOLAHAN LIMBAH CAIR PABRIK KELAPA SAWIT DARI UNIT DEOILING PONDS

MENGGUNAKAN MEMBRAN MIKROFILTRASI

Nama Mahasiswa : Farida Hanum Nomor Pokok : 057022002 Program Studi : Teknik Kimia

Menyetujui, Komisi Pembimbing

(Dr. Ir. Tjahjono Herawan, M.Sc) Ketua

(Dr. Sutarman, M.Sc) (Dr.Ir. Irvan, MSi) Anggota Anggota

Ketua Program Studi, Direktur,

(Prof. Dr. Ir. Setiaty Pandia) (Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B., M.Sc)

(4)

4

Telah diuji pada :

Tanggal 27 Januari 2009

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Dr. Ir. Tjahjono Herawan, MSc Anggota : 1. Dr. Sutarman, MSc

2. Dr. Ir. Irvan, MSi

(5)

ABSTRAK

Produksi minyak sawit mentah (crude palm oil, CPO) di Indonesia terus meningkat sehingga akan menambah jumlah limbah cair yang dihasilkan. Oleh karena itu dilakukan penelitian skala laboratorium yang bertujuan untuk mengetahui unjuk kerja proses mikrofiltrasi menggunakan bahan keramik dalam pengolahan limbah cair pabrik kelapa sawit dari unit deoiling ponds serta menyusun model yang sesuai untuk karakteristik proses mikrofiltrasi . Sedangkan manfaat penelitian adalah untuk memberikan alternatif pengolahan limbah cair yang lebih baik bagi pabrik kelapa sawit. Penelitian dilakukan dalam tiga tahapan, pertama penentuan trans membrane pressure (TMP) optimum, kedua nilai TMP optimum tersebut digunakan untuk mengoperasikan membran untuk memperoleh permeat dengan kualitas analisis terbaik, ketiga proses pemekatan retentat untuk mengutip total padatan terlarut. Selanjutnya penelitian diakhiri dengan menyusun model untuk memperkirakan fluks permeat pada proses mikrofiltrasi dan model untuk memprediksi nilai COD permeat. Disamping itu juga dihitung konstanta pembentukan cake dan koefisien rejeksi. Hasil penelitian menunjukkan membran mikrofiltrasi dapat merejeksi COD dari limbah deoiling ponds sebesar 67,94 %, rejeksi total padatan (TS) sebesar 46,26 %, rejeksi total padatan melayang (TSS) sebesar 96 %, kenaikan pH dari 4,6-5,9.Model yang

diperoleh J=76,64 ∆P, sedangkan model untuk prediksi COD = -0,006t3+2,788t2

-392,3t+35847. Nilai konstanta pembentukan cake diperoleh 6.10-6 dan koefisien

rejeksi sebesar 47,19 %.

(6)

6

ABSTRACT

Crude palm oil (CPO) production would be increased in Indonesia, so it could create the amount of liquid waste. Therefore conducted by research in laboratory scale to know performance microfiltration ceramic membrane to process of liquid waste of oil palm factory from deoiling ponds and also compile the appropriate model for the characteristic of microfiltration processing. While research benefit the better liquid waste processing alternative for oil palm factory. Research done in three step, first determination of trans membrane pressure (TMP) optimum, second using the optimum TMP to operate membrane to get permeate with the best analysis quality, third condensed process of retentate to taking solid total. Research terminate by compiling model to estimate the flux permeate at microfiltration process and model for predicted assess the COD permeate. Beside that also calculated forming of cake constant and coefficient rejection. Result of research show the membrane microfiltration earn the rejection COD from waste of deoiling ponds equal to 67,94 %, total solid rejection equal 46,26 %, total suspended solid rejection equal 96 %,

increase pH from 4,6-5,9. Model obtained by J=76,64 ∆P, while model to predicted

COD=-0,006t3+2,788t2-392,3t+35847. Value of forming cake constant by 6.10-6 and

rejection coefficient equal 47,19 %.

(7)

KATA PENGANTAR

Segala puji berhak disampaikan kepada Allah SWT seiring dengan ucapan

Alhamdulillahi Rabbil’alamin atas segala karunia-Nya sehingga tesis ini dapat

diselesaikan. Tesis ini berjudul “ Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit Dari

Unit Deoiling Ponds Menggunakan Membran Mikrofiltrasi”. Tesis ini disusun setelah

melalui tahapan penelitian yang dilakukan di Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS)

Medan. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya atas

segala bantuan dan fasilitas yang telah diterima. Penulis mengucapkan terima kasih

dan penghargaan yang tinggi kepada dosen pembimbing Dr.Ir. Tjahjono Herawan,

MSc ; Dr. Sutarman, MSc ; Dr. Ir. Irvan, MSi atas bantuan, bimbingan, curahan ilmu,

serta asih dan asuh yang telah diberikan dari penelitian sampai penyusunan tesis.

Pada kesempatan ini disampaikan pula ucapan terima kasih kepada yang terhormat :

1. Prof. Chairuddin P. Lubis, DTM&H, Sp.A(K), selaku Rektor Universitas

Sumatera Utara atas kesempatan untuk mengikuti Pendidikan Program

Magister

2. Prof. Dr. Ir. T. Chairun Nisa B, MSc selaku Direktur Sekolah Pascasarjana

USU atas kesempatan menjadi mahasiswa Magister Teknik Kimia USU

3. Prof. Dr. Ir. Setiaty Pandia selaku Ketua Program Studi Magister Teknik

Kimia SPs USU sekaligus sebagai tim pembanding tesis

4. Dr. Halimatuddahliana, ST, MSc selaku sekretaris Program Studi Magister

Teknik Kimia SPs USU sekaligus sebagai tim pembanding tesis

5. Zuhrina Masyithah, ST, MSc dan Mersi Suriani Sinaga, ST, MT selaku tim

pembanding tesis

6. Kedua Orang tua, Muchtar Ibrahim dan Dra. Nurhafifah, serta abangandaku

(8)

8

7. Suamiku tercinta Suwandi serta anak-anakku tersayang Zulfikri Anwar dan

Rafie Maulana

8. Staf pengajar Magister Teknik Kimia USU

9. Staf pengajar Departemen Teknik Kimia USU

10.Pegawai administrasi Magister Teknik Kimia USU

11.Para Peneliti di PPKS beserta para teknisinya

12.Seluruh rekan-rekan mahasiswa Magister Teknik Kimia USU

Akhir kata saya memohon kritik dan saran untuk perkembangan penelitian

selanjutnya.

Medan, Januari 2009

(9)

RIWAYAT HIDUP

Nama : Farida Hanum

Tempat/Tgl lahir : Banda Aceh/ 10 Juni 1978

Agama : Islam

Pekerjaan : Staf Pengajar Departemen Teknik Kimia USU (thn

2001-sekarang)

Pendidikan : 1. SDN 060814 Medan (thn 1984-1990)

2. MTsN Medan (thn 1990-1993)

3. MAN 1 Medan (thn 1993-1996)

4. Program Studi Teknik Kimia USU (thn 1996-2001)

Status Keluarga : Menikah

Nama suami : Suwandi

Nama anak : 1. Zulfikri Anwar

(10)

10

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

RIWAYAT HIDUP ... v

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... xi

TATA NAMA ... xii

I.PENDAHULUAN ... 1

1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Perumusan Masalah ... 5

1.3. Tujuan Penelitian ... 6

1.4. Manfaat Penelitian ... 6

1.5. Lingkup Penelitian ... 7

II. TINJAUAN PUSTAKA ... 9

2.1. Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit ... 9

2.2. Proses Pemisahan Dengan Membran ... 14

2.2.1. Proses Perpindahan Pada Membran ... 15

2.2.2. Proses Pembuatan Membran ... 19

2.2.3. Aplikasi Industri dari Membran ... 23

2.3. Proses Mikrofiltrasi ... 25

2.4. Pola Aliran Dalam Membran ... 29

2.5. Penyusunan Model ... 33

2.5.1. Model Untuk Memperkirakan Fluks Permeat ... 33

2.5.2. Model Untuk memperkirakan Rejeksi COD Limbah ... 37

III. METODOLOGI PENELITIAN ... 39

3.1. Lokasi dan Waktu ... 39

3.2. Bahan dan Metoda ... 39

3.2.1. Bahan dan Alat ... 39

(11)

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 49

4.1. Karakterisasi Membran ... 49

4.2.Pengolahan Limbah Dari Unit Deoiling Ponds ... 51

4.2.1. Hubungan Antara Fluks Permeat Dengan Beda Tekanan (TMP) ... 51

4.2.2. Rejeksi COD Terhadap Waktu Operasi Pada TMP 0,6 Bar ... 53

4.2.3. Rejeksi Total Solid (TS) Terhadap Waktu Operasi Pada TMP 0,6 Bar ... 55

4.2.4. Rejeksi Total Suspended Solid (TSS) Terhadap Waktu Operasi Pada TMP 0,6 Bar ... 57

4.2.5. Kenaikan pH ... 59

4.2.6. Profil Penentuan VCR (Volume Concentration Ratio) ... 60

4.3. Penyusunan Model Untuk Proses Mikrofiltrasi ... 62

4.3.1. Model Untuk Memperkirakan Fluks Permeat ……… 62

4.3.2. Model untuk Memperkirakan Rejeksi COD Limbah ... 69

4.4. Menghitung Konstanta Pembentukan Cake ... 70

4.5. Menghitung Selektifitas Membran ... 72

V. PENUTUP ... 74

5.1. Kesimpulan ... 74

5.2. Saran ... 76

(12)

12

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

1. Komposisi Limbah Awal ………... 12

2. Komposisi Zat Nutrien Serat Buah, Padatan Terlarut/Tersuspensi, Daun Pelepah, Bungkil Inti Sawit, dan Dedak Padi ………. 13

3. Klasifikasi Proses Pemisahan Dengan Membran Berdasarkan Gaya Dorongnya ... 17

4. Porositas dan Distribusi Ukuran Pori Membran ... 19

5. Karakteristik Beberapa Modul Membran ... 22

6. Aplikasi Industri Dari Membran ... 24

7. Aplikasi Industri Membran Mikrofiltrasi ... 25

8. Karakteristik Membran yang Digunakan ... 50

9. Perbandingan Data Hasil Percobaan Dengan Model 1... 64

10. Perbandingan Data Hasil Percobaan Dengan Model 2 (menggunakan faktor koreksi 0,9) ... 66

11. Perbandingan Data Hasil Percobaan Dengan Model 3 ... 67

12. Data Koefisien Rejeksi Membran ... 72

(13)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

1. Skema Proses Pemisahan Dengan Membran ... 16

2. Beberapa Jenis Modul Membran ... 21

3. Modul Membran Mikrofiltrasi Keramik dan Housingnya ... 27

4. Bentuk Geometri Pori Membran Mikrofiltrasi ... 28

5. Ukuran Pori Membran Mikrofiltrasi, Ultrafiltrasi, dan Reverse Osmosis ... 29

6. Pola Aliran Dalam Membran ... 30

7. Model Hubungan Fluks Terhadap Waktu ... 31

8. Hubungan Antara Fluks Dengan ∆P Pada Mikrofiltrasi dan Ultrafiltrasi . 35 9. Skema Proses Aliran Fluida Melalui Pori Membran ... 36

10. Rangkaian Peralatan Membran Mikrofiltrasi Keramik ... 40

11 Membran Mikrofiltrasi Keramik ... ... 41

12. Hubungan Antara Fluks Permeat Dengan Beda Tekanan ... ... 52

13. Rejeksi COD Terhadap Waktu Operasi Pada TMP 0,6 Bar ... 54

14. Rejeksi Total Solid (TS) Terhadap Waktu Operasi Pada TMP 0,6 Bar ... 56

15. Rejeksi Total Suspended Solid (TSS) Terhadap Waktu Operasi Pada TMP 0,6 Bar ... 57

(14)

14

17. Hubungan VCR Dengan TS ... 61

18. Perbandingan Data Hasil Penelitian Dengan Model 1... ... 65

19. Perbandingan Model 1 dan 2 Dengan Variasi TMP ... 68

20. Model Untuk Memperkirakan Rejeksi COD Limbah ... 69

(15)

DAFTAR LAMPIRAN

Nomor Judul Halaman

1. Spesifikasi Peralatan Membran Mikrofiltrasi Keramik ... 80

2. Data Hasil Penelitian ... 84

3. Perhitungan Nilai Residu ... 90

4. Prosedur Percobaan ... 114

(16)

16

TATA NAMA

J fluks permeat, L/m2jam atau LMH

r Jari-jari saluran atau pori, m

∆P Beda tekanan (trans membrane pressure), bar

Viskositas cairan, PaS

Tortuosity

∆X Tebal membrane, m

Porositas permukaan membrane

k Konstanta pembentukan cake

t Waktu, jam dan menit

R Koefisien rejeksi

Cp Konsentrasi zat terlarut dalam permeat, mg/l

Cf Konsentarsi zat terlarut dalam umpan, mg/l

dp Diameter pori rata-rata

(17)

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Minyak sawit mentah (Crude Palm Oil, CPO) merupakan komoditas andalan

penghasil devisa bagi Indonesia dari sektor industri agro. Indonesia memegang

peranan penting dalam penguasaan pasar CPO dunia dimana sekitar 80 % minyak

kelapa sawit yang beredar di pasaran dunia dihasilkan oleh Indonesia dan Malaysia.

Selain itu dinyatakan juga bahwa kontribusi minyak sawit terhadap ekspor nasional

mencapai 6 % sehingga membuat komoditas ini menjadi nomor satu dari produksi

Indonesia. Sejak tahun 2005 minyak sawit telah menjadi minyak makan terbesar di

dunia. Konsumsi minyak sawit dunia mencapai 26 % dari total konsumsi minyak

makan dunia. Pasokan CPO untuk produksi dalam negeri juga meningkat menjadi

12,8 juta ton pada tahun 2005, bila dibandingkan dengan tahun 2004 yang hanya

mencapai 12,5 juta ton. Diperkirakan pada tahun 2010 perkebunan kelapa sawit dapat

menyerap hingga 500 ribu tenaga kerja dan menghasilkan 2,7 juta TBS (tandan buah

segar) per tahun dan dipekirakan Indonesia akan menjadi produsen minyak sawit

terbesar di dunia (Ditjenbun, 2006). Hal ini dimungkinkan karena ketersediaaan lahan

(18)

18

perkembangan dan persyaratan perdagangan Internasional perlu diantisipasi

(Ditjenbun, 2006).

Dengan bertambahnya produksi CPO berarti akan semakin bertambah pula

jumlah limbah yang dihasilkan. Baik limbah cair, limbah padat, maupun gas. Limbah

yang dihasilkan PKS termasuk kategori limbah berat dengan kuantitas yang tinggi

dan kandungan kontaminan mencapai hingga 20.000-60.000 mg/l untuk BOD

(biochemical oxygen demand) dan 40.000-120.000 mg/l untuk COD (chemical

oxygen demand). Kadar air 95%, padatan terlarut/tersuspensi 4,5%, serta sisa minyak

dan lemak emulsi 0,5 -1% (Buku panduan Teknologi Pengendalian Dampak

Lingkungan Industri Minyak Kelapa Sawit Di Indonesia). Limbah terutama

dihasilkan dari tahap perebusan, pengendapan, dekantasi, dan sentrifugasi yang

dilakukan selama proses klarifikasi CPO. Kapasitas limbah cair menurut pusat

penelitian kelapa sawit (1992-1993) berkisar 1-1,3 m3/ton tandan buah segar atau 2-3

ton limbah cair /ton minyak.

Pengolahan limbah cair industri kelapa sawit yang ada saat ini di Indonesia

umumnya menggunakan unit pengumpul (fatpit) biasanya berupa parit yang

kemudian dialirkan ke deoiling ponds (kolam pengutipan minyak) untuk diambil

minyaknya serta diturunkan suhunya, setelah itu dialirkan ke kolam anaerobik atau

aerobik dengan memanfaatkan mikroba sebagai perombakan BOD dan menetralisir

(19)

menggunakan teknik tersebut cukup sederhana dan dianggap murah. Namun

pengolahan dengan sistem kolam mempunyai banyak kelemahan, antara lain :

1. Lahan yang diperlukan untuk pengolahan limbah sangat luas, yaitu sekitar 7 ha

untuk pabrik kelapa sawit (PKS) dengan kapasitas 30 ton tandan buah segar

(TBS)/jam. Kebutuhan lahan yang cukup luas pada teknik pengolahan limbah

dengan menggunakan sistem kolam dapat mengurangi ketersediaan lahan untuk

kebun kelapa sawit.

2. Efisiensi perombakan limbah cair PKS dengan sistem kolam hanya 60 – 70%.

3. Sering mengalami pendangkalan sehingga masa retensi menjadi lebih singkat

dan baku mutu limbah tidak dapat tercapai.

4. Sistem dengan kolam tertutup pada temperatur ambient yang tinggi

menghasilkan produksi gas metana dan karbondioksida yang tidak terkendali,

yang mana keduanya merupakan gas rumah kaca.

Permasalahan utama yang dihadapi adalah kendala teknologi dimana

pengolahan limbah yang ada saat ini sulit untuk menghasilkan keluaran yang

mengarah pada PKS yang bebas limbah (Penelitian Kelapa Sawit, 2005,

ekonomis karena setelah diolah limbah langsung dibuang ke badan air.

Adapun alternatif yang dipilih untuk menjawab kedua permasalahan tersebut

(20)

20

menggunakan teknologi membran mikrofiltrasi berbahan keramik yang memiliki

ukuran pori 0,2 µm sehingga mudah diaplikasikan untuk limbah dengan kandungan

kontaminan yang tinggi seperti limbah cair PKS. Sedangkan dasar pemilihan material

keramik adalah agar mudah dalam pengoperasian dan pencucian (backwash) karena

material ini bertekstur licin sehingga partikel yang menempel padanya mudah

dibersihkan sehingga tidak merusak tekstur dari membran. Disamping itu pengolahan

limbah cair dengan teknologi membran tidak menggunakan energi yang besar dan

tidak membutuhkan lahan yang luas seperti pengolahan limbah cair PKS secara

konvensional yang menggunakan kolam. Keunggulan lainnya hasil pengolahannya

dapat digunakan kembali yaitu produk utama (permeat) dapat diolah lebih lanjut

menjadi air proses serta hasil samping (retentat) digunakan untuk pakan ternak. Jadi

tidak hanya mengolah limbah cair untuk dibuang ke badan air saja seperti pengolahan

limbah cair secara konvensional, tapi hasil pengolahan tersebut dapat direuse

(digunakan kembali) sehingga mempunyai nilai ekonomis.

Pengolahan limbah cair PKS menggunakan membran mikrofiltrasi belum

pernah dilakukan sebelumnya. Biasanya membran mikrofiltrasi digunakan untuk

mengolah limbah cair tekstil yang dilakukan oleh Fitrijani anggraini tahun 1999, serta

untuk pengolahan limbah pulp yang dilakukan oleh Natalia soeseno dkk tahun 2001.

Dalam penelitian ini dipilih membran mikrofiltrasi karena limbah cair PKS termasuk

limbah dengan kategori heavy phase yang masih banyak mengandung lumpur (cake),

(21)

kategori light phase seperti limbah cair industri tekstil, limbah cair emulsi minyak,

limbah cair ekstraksi metanol, dan penurunan zat organik dan kekeruhan pada air

sungai dan waduk. Sedangkan proses reverse osmosis biasanya digunakan untuk

desalinasi air laut.

Setelah melihat beberapa aspek tersebut peneliti mencoba untuk mengolah

limbah cair pabrik kelapa sawit dari unit deoiling ponds dengan menggunakan

membran mikrofiltrasi, dimana permeat diproses lebih lanjut dengan water treatment

menjadi air proses, sedangkan retentat digunakan untuk pakan ternak. Sebelum

dioperasikan limbah dipre-filter (penyaringan awal) dengan menggunakan kain kasa

yang berukuran mesh 200 atau 75-100 m. Hal ini bertujuan untuk mengurangi beban

membran, meningkatkan fluks dan diharapkan dapat memperpanjang waktu operasi

(runnimg time) dari membran.

1.2. Perumusan Masalah

Pengolahan limbah cair PKS secara konvensional memiliki banyak

kekurangan, sehingga peneliti mencoba untuk mengolah limbah cair PKS dari unit

deoiling ponds menggunakan proses mikrofiltrasi dengan membran berukuran 0,2

m. Untuk itu perlu dicari kondisi operasi membran mikrofiltrasi yang optimum, lalu

(22)

22

1.3. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Mengetahui unjuk kerja proses mikrofiltrasi menggunakan bahan keramik

dalam pengolahan limbah cair pabrik kelapa sawit dari unit deoiling

ponds.

2. Menyusun model yang sesuai untuk karakteristik proses mikrofiltrasi,

kemudian membandingkan hasil yang diperoleh dari penelitian dengan

model yang disusun.

1.4. Manfaat Penelitian

Adapun beberapa manfaat penelitian ini adalah :

1. Meningkatkan nilai ekonomis dari limbah cair pabrik kelapa sawit

menjadi air proses yang selama ini terbuang begitu saja, sehingga akan

mengurangi pemakaian air tanah atau air sungai dan juga pemanfaatan

padatan terlarut untuk pakan ternak

(23)

1.5. Lingkup Penelitian

Setiap memulai percobaan terlebih dahulu dilakukan pre-filter dengan

menggunakan kain kassa berukuran mesh 200 atau 75-100 m terhadap limbah

deoiling ponds. Penelitian dilakukan dalam tiga tahap, yaitu :

1. Penentuan Trans Membrane Pressure (TMP) yang memberikan fluks

maksimum

2. Nilai TMP tersebut digunakan dalam mengoperasikan membran untuk

memperoleh permeat (produk) dengan kualitas terbaik.

3. Penelitian selanjutnya pemekatkan retentat (hasil samping) dengan berbagai

perbandingan volume (Volume Concentration Ratio, VCR). Pemekatan ini

bertujuan mengutip seluruh solid atau padatan terlarut untuk pakan ternak.

Penelitian diakhiri dengan menyusun model untuk :

A. memperkirakan harga fluks permeat pada proses mikrofiltrasi

B. memperkirakan rejeksi COD terhadap waktu

Selanjutnya dilakukan perhitungan untuk :

1) menghitung konstanta pembentukan cake (k)

2) menghitung koefisien rejeksi (R)

(24)

24

Fluks (liter/m2jam atau LMH)

Variabel bebas :

1. Waktu (menit)

Penentuan TMP optimum = 10; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 100; 110; 120

(menit)

Penentuan fluks optimum dengan parameter analisis = 20; 40; 60; 80; 100; 120;

140; 160; 180; 200; 220; 240 (menit)

2. TMP (Trans Membrane Pressure) = 0,2 ; 0,4; 0,6 ; 0,8 bar

3. VCR (Volume Concentration Ratio) = 2; 3; 4; 5; 6

Analisis yang dilakukan adalah :

A. Analisis COD (Chemical Oxygen Demand)

B. Analisis TS (Total Solid )

C. Analisis TSS (Total Suspended Solid)

(25)

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Pengolahan Limbah Cair Pabrik Kelapa Sawit

Limbah cair pabrik kelapa sawit (PKS) dihasilkan dari 3 tahap proses, yaitu :

1. Proses sterilisasi (pengukusan) untuk mempermudah perontokan buah dari

tandannya, mengurangi kadar air, dan untuk inaktifasi enzim lipase dan oksidase.

2. Proses ekstraksi minyak untuk memisahkan minyak daging buah dari bagian

lainnya.

3. Proses pemurnian (klarifikasi) untuk membersihkan minyak dari kotoran lain

(Buku panduan Teknologi Pengendalian Dampak Lingkungan Industri Minyak

Kelapa Sawit Di Indonesia, 2001).

Sedangkan teknik pengolahan limbah cair yang biasanya diterapkan di PKS

adalah :

1. Kolam pengumpul (fatfit)

Kolam ini berguna untuk menampung cairan-cairan yang masih mengandung

minyak yang berasal dari air kondensat dan stasiun klarifikasi.

2. Kemudian dimasukkan ke unit deoiling ponds untuk dikutip minyaknya dan

diturunkan suhunya dari 70 – 80 0C menjadi 40-45 0C melalui menara atau

(26)

26

3. Kolam Pengasaman

Pada proses ini digunakan mikroba untuk menetralisir keasaman cairan

limbah. Pengasaman bertujuan agar limbah cair yang mengandung bahan

organik lebih mudah mengalami biodegradasi dalam suasana anaerobik.

Limbah cair dalam kolam ini mengalami asidifikasi yaitu terjadinya kenaikan

konsentrasi asam-asam yang mudah menguap. Waktu penahanan hidrolisis

(WPH) limbah cair dalam kolam pengasaman ini selama 5 hari. Kemudian

sebelum diolah di unit pengolahan limbah kolam anaerobik, limbah

dinetralkan terlebih dahulu dengan menambahkan kapur tohor hingga

mencapai pH antara 7,0-7,5.

4. Kolam Anaerobik Primer

Pada proses ini memanfaatkan mikroba dalam suasana anaerobik atau aerobik

untuk merombak BOD dan biodegradasi bahan organik menjadi senyawa

asam dan gas. WPH dalam kolam ini mencapai 40 hari.

5. Kolam Anaerobik Sekunder

Adapun WPH limbah dalam kolam ini mencapai 20 hari. Kebutuhan lahan

untuk kolam anaerobik primer dan sekunder mencapai 7 hektar untuk PKS

dengan kapasitas 30 ton TBS/jam.

(27)

Kolam pengendapan ini bertujuan untuk mengendapkan lumpur-lumpur yang

terdapat dalam limbah cair. WPH limbah dalam kolam ini berkisar 2 hari.

Biasanya ini merupakan pengolahan terakhir sebelum limbah dialirkan ke

badan air dan diharapkan pada kolam ini limbah sudah memenuhi standar

baku mutu air sungai (Pedoman Pengolahan Limbah Industri Kelapa Sawit,

2006).

Dari uraian di atas terlihat bahwa pengolahan limbah cair PKS konvensional

memiliki banyak kekurangan diantaranya kebutuhan lahan yang sangat luas dan WPH

yang berkisar 67 hari. Oleh karena itu dikembangkan pengolahan limbah cair PKS

dengan sistem reaktor atau tangki yang dikenal dengan reaktor anaerobik unggun

tetap (RANUT) . Teknik pengohan limbah cair dengan sistem RANUT ini adalah

salah satu sistem pengolahan limbah yang dilakukan secara anaerobik dengan

kecepatan tinggi dan masa retensi relatif singkat. Prinsip kerjanya adalah degradasi

bahan organik oleh bakteri secara anaerobik. Metode yang diterapkan adalah sistem

tangki biofilter kecepatan tinggi (Highrate Biofilter Tank). WPH dalam RANUT

adalah 10 hari dan perombakan COD sebesar 80,8 %. Jika dibandingkan dengan

sistem kolam konvensional, RANUT dapat mengurangi WPH dari 50 hari menjadi 10

hari atau sebesar 80 % dan mengurangi kebutuhan lahan untuk kolam anaerobik

(28)

28

Selain itu ada alternatif lain untuk pengolahan limbah cair PKS yaitu dengan

proses membran. Membran yang biasa dipakai untuk pengolahan limbah cair adalah

membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, dan reverse osmosis. Namun untuk kategori

heavy phase lebih baik digunakan membran mikrofiltrasi.

Komposisi limbah awal yang digunakan sebagai umpan pada penelitian ini

dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini :

Tabel 1. Komposisi Limbah Awal

Sumber Limbah COD (mg/l) TS (mg/l) TSS (mg/l) pH

Deoiling Ponds 39.117 21.960 875 4,6

Data yang terdapat dalam Tabel 1 merupakan hasil analisis yang dilakukan

terhadap limbah segar. Dari Tabel terlihat bahwa limbah deoiling ponds kadar

kontaminannya masih sangat tinggi, hal ini disebabkan karena limbah deoiling ponds

merupakan limbah cair yang belum diolah hanya kadar minyaknya sudah berkisar 1

% serta penurunan suhu dari 65 0C menjadi 30 0C. Daya saing suatu industri tidak

hanya ditentukan oleh jumlah, kualitas, dan harga produk yang dihasilkan, tetapi

juga ditentukan oleh proses produksi yang digunakan terutama untuk produk

berorientasi ekspor. Beranjak dari permasalahan yang dijumpai di lapangan, solusi

terpadu program zero waste effluent dan integrasi kebun-ternak dalam PKS

merupakan alternatif yang sangat atraktif untuk menyelesaikan persoalan limbah

(29)

semua hasil samping dan limbah yang dihasilkan agar dapat meningkatkan nilai

ekonomis dan menjaga kelestarian lingkungan. Sedangkan integrasi kebun-ternak

dapat diterapkan dengan mengolah limbah PKS berupa serat buah sawit, padatan

terlarut/tersuspensi, dan bungkil inti sawit menjadi pakan ternak.

Tabel 2. Komposisi Zat Nutrien Serat Buah, Padatan Terlarut/Tersuspensi, Daun Pelepah, Bungkil Inti Sawit, dan Dedak Padi

Zat nutrien (%)

Serat buah sawit

padatan terlarut

Bungkil inti sawit

Daun pelepah sawit

Dedak padi

Bahan kering 91,69 94,00 91,11 86,2 87,70

Protein 5,90 13,25 15,40 5,8 13,00

Lemak 5,20 13,00 7,71 5,8 8,64

Serat 40,80 16,00 10,50 48,6 13,90

Calcium 0,54 0,30 0,30 0,32 0,09

Phosphor 0,13 0,19 0,19 0,27 1,39

Energi

(kkal/kg)

1776 2840 2810 2412 2670

Sumber : Laboratorium Nutrisi dan Makanan Ternak Jurusan Peternakan Fakultas

(30)

30

Padatan terlarut/tersuspensi adalah larutan terbuang yang dihasilkan selama

proses pemerasan dan ekstraksi minyak. Bahan ini merupakan emulsi yang

mengandung sekitar 4-5% padatan, 0,5-1% sisa minyak, dan sekitar 94% air. Di PKS

larutan ini langsung dialirkan ke kolam pengumpul (fatfit) untuk diproses lebih lanjut.

Padatan terlarut/tersuspensi dapat digunakan sebagai pengganti dedak padi sampai

100% pada sapi perah. Pemberiannya dalam bentuk kering. Pengeringannya

dilakukan menggunakan sludge dryer yang juga terdapat di pabrik pengolahan kelapa

sawit (Hasnudi, 2005).

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

(31)

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)

32

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

(33)

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

[image:33.612.221.440.112.272.2]

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)

34

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

(35)

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

[image:35.612.151.456.286.410.2]

porositas dan distribusi ukuran pori.

(36)

36

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.

(37)

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

[image:37.612.114.537.555.683.2]

(38)

a. Modul plate and frame b. Modul hollow fiber

c. Modul spiral wound

[image:38.612.114.534.138.350.2]

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

[image:38.612.116.559.637.694.2]

(39)

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

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

(40)

40

energi yang relatif lebih rendah jika dibandingkan teknik pemisahan lainnya, serta

[image:40.612.160.457.253.439.2]

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

(41)

- 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)

2.3. Proses Mikrofiltrasi

Proses mikrofiltrasi merupakan salah satu proses berbasis membran yang

berkembang sangat pesat di awal perkembangan teknologi membran. Pertumbuhan

dan perkembangannya pada tahun-tahun terakhir hanya mampu disaingi oleh reverse

osmosis, akibat adanya permintaan yang sangat besar terutama untuk aplikasi proses

desalinasi. Secara umum, mikrofiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan

(42)

42

mikroorganisme, dan padatan tersuspensi. Beberapa aplikasi industri membran

[image:42.612.113.502.192.496.2]

mikrofiltrasi dapat dilihat pada Tabel 7 di bawah ini :

Tabel 7. Aplikasi Industri Membran Mikrofiltrasi

No. Kegunaan membran mikrofiltrasi

1 Industri sterilisasi dan klarifikasi

2 industri makanan dan obat-obatan

3 klarifikasi juice

4 recovery logam dalam bentuk kolid

5 pengolahan limbah cair

6 fermentasi kontinue

7 pemisahan emulsi minyak-air

8 memisahkan partikel selama proses pembuatan air ultramurni pada

industri semi konduktor

9 pengambilan sel dan bioreaktor membran, serta teknologi biomedik

yaitu pemisahan plasma dari sel darah

Membran mikrofiltrasi memiliki ukuran pori antara 0,02 sampai 10 µm dan

tebal antara 10 sampai 150 µm. Dalam aplikasinya membran digunakan dalam betuk

modul-modul yang ditempatkan dalam suatu housing. Satu modul membran keramik

untuk aplikasi industri biasanya terdiri dari 19 saluran. Dimensi dan konfigurasi

housing sangat bervariasi. Untuk aplikasi skala industrial, satu buah housing dapat

(43)

diameter 30 mm dan panjang 1 meter. Jumlah ini setara dengan luasan membran

sekitar 4,5m2.

Konfigurasi modul membran keramik dan housing yang digunakan untuk

(44)

44

[image:44.612.124.521.134.541.2]

Sumber : GDP Filter (2006)

Gambar 3. Modul Membran Mikrofiltrasi Keramik dan Housingnya

Membran mikrofiltrasi memiliki dua struktur geometri pori, yaitu : simetrik

dan asimetrik. Namun umumnya membran mikrofiltrasi berstruktur pori asimetrik.

(45)

0,1-1 µm. Untuk memberikan kekuatan mekanik, lapisan skin ini ditunjang oleh

lapisan berikutnya yang dikenal sebagai support. Lapisan support memiliki ketebalan

antara 50-150 µm dan sangat berpori.

Bentuk geometri pori tersebut dapat dilihat pada Gambar 4 berikut ini

[image:45.612.114.555.256.483.2]

(Mulder 1996) :

Gambar 4. Bentuk Geometri Pori Membran Mikrofiltrasi

Membran mikrofiltrasi dapat dibedakan dari membran reverse osmosis dan

ultrafiltrasi berdasarkan ukuran partikel yang dipisahkan, seperti tersaji pada Gambar

(46)

46

0,0001µm 0,001µm 0,01µm 0,1 m

Reverse Osmosis Ultrafiltrasi Mikrofiltrasi

[image:46.612.162.499.109.261.2]

1A 10A 1000A 100,000A

Gambar 5. Ukuran Pori Membran Mikrofiltrasi, Ultrafiltrasi, dan Reverse Osmosis

2.4. Pola Aliran dalam Membran

Pola aliran dalam membran biasanya dibedakan atas 2 pola yaitu

dead-end filtration dan cross flow filtration. Namun pola aliran cross-flow lebih banyak

dan lebih baik diaplikasikan pada membran mikrofiltrasi skala industri karena pada

pola aliran cross-flow umpan dialirkan dengan arah sejajar dengan permukaan

membran. Konsentrat disirkulasikan pada kecepatan yang lebih tinggi dengan tujuan

menciptakan turbulensi di permukaan membran. Dengan perlakuan seperti ini,

pembentukan lapisan cake terjadi sangat lambat karena tersapu oleh gaya geser yang

diakibatkan oleh aliran cross-flow umpan. Pada setiap operasi cross-flow kecepatan

aliran umpan sangat menentukan besarnya perpindahan massa dalam modul.

Kelebihan sistem ini adalah tendensi fouling dapat dikurangi karena laju cross-flow

(47)

akan menurun di awal proses dan akan menuju pada kondisi stabil dalam kurun

waktu tertentu ketika ketebalan lapisan foulant dipermukaan membran tidak

meningkat lagi. Membran yang baik adalah jika jalannya proses dapat berlangsung

lama untuk mendapatkan fluks yang stabil, dengan arti lain proses pembentukan

[image:47.612.112.527.250.549.2]

lapisan foulant berlangsung lama. Pola aliran dalam membran ditunjukkan pada

Gambar 6 berikut ini (Wenten, 1998) :

Gambar 6. Pola Aliran Dalam Membran

Sedangkan model hubungan fluks terhadap waktu pada kedua pola aliran

(48)

48

[image:48.612.161.474.111.417.2]

Gambar 7. Model Hubungan Fluks Terhadap Waktu

Permasalahan utama yang terjadi pada proses membran adalah adanya

penurunan fluks karena polarisasi konsentrasi dan fouling. Polarisasi konsentrasi

disebabkan karena zat terlarut tertahan oleh membran yang akan terakumulasi dan

membentuk suatu lapisan di dekat permukaan membran. Polarisasi konsentrasi pada

membran menyebabkan penurunan fluks secara terus menerus dan penurunan fluks

ini merupakan fungsi waktu. Fouling yaitu perubahan yang bersifat irreversibel yang

disebabkan oleh interaksi secara fisik dan kimiawi antara membran dengan partikel

yang terdapat dalam proses pemisahan. Membran fouling diidentikkan dengan

penurunan fluks permeat dan perubahan selektifitas membran. Perubahan ini dapat

(49)

penggantian membran. Polarisasi konsentrasi dan fouling ini merupakan salah satu

faktor yang menyebabkan keterbatasan penggunaan membran berpori. Oleh karena

itu pada penelitian ini dipilih pola aliran cross-flow yang bertujuan untuk mengurangi

fouling sehingga fluks membran dapat dikurangi laju penurunannya (Geankoplis,

1983).

Untuk menghilangkan fouling pada membran dilakukan back washing, yaitu

pencucian membran dengan metoda aliran balik. Metode regenerasi membran dengan

pencucian balik (back washing) menggunakan air untuk mengangkat zat pengotor

(fouling) yang terakumulasi dipermukaan membran (Wenten, 2001). Dengan

perlakuan seperti disebut di atas diharapkan membran mikrofiltrasi yang digunakan

untuk pengolahan limbah cair pabrik kelapa sawit dapat dipertahankan kinerjanya

untuk proses pengoperasian yang relatif lama. Perlakuan penanganan fouling

dilakukan dengan pengaturan tekanan, pencucian balik (back washing) dengan air

maupun pencucian dengan larutan asam jika produktivitas membran tidak dapat

kembali seperti semula dengan pencucian balik. Bahan kimia yang digunakan adalah

asam klorida (HCl) untuk mengatasi fouling akibat garam mineral dan logam-logam

(GDP Filter, 2006).

(50)

50

2.5.1. Model Untuk Memperkirakan Fluks Permeat

Penyusunan model ini bertujuan untuk memperkirakan harga fluks permeat

pada tekanan rendah untuk proses mikrofiltrasi berbahan keramik. Model disusun

untuk menggambarkan mekanisme perpindahan zat cair melalui membran yang

dibentuk berdasarkan data-data yang dilakukan pada penelitian. Hubungan antara

fluks permeat terhadap beda tekanan akan menghasilkan persamaan linier untuk air

murni, dimana menurut Hagen-Poisseuille fluks merupakan perkalian dari konstanta

permeabilitas (k) dengan beda tekanan (∆P).

J = k ∆P (2.1)

Sedangkan nilai k =

r

2

(2.2)

8 ∆X

Pada keadaan ideal membran yang dilewati oleh fluida dengan konsentrasi zat

terlarut tertentu mempunyai sifat-sifat antara lain :

1. Distribusi pori yang seragam pada permukaan membran

2. Tidak ada fouling

3. Polarisasi konsentrasi diabaikan

Dari perbandingan literatur diperoleh model yang paling baik untuk

(51)

struktur membran asimetrik dan modul tubular didasarkan oleh Hukum

Hagen-poiseuille. Model ini digunakan untuk karakterisitik membran tertentu, antara lain :

1. Pori-pori membran berbentuk silinder

2. Memiliki jari-jari yang sama

3. Panjang pori sama dengan tebal membran

Model ini menghubungkan penurunan tekanan (Pressure Drop), viskositas,

densitas, dan ukuran saluran terhadap laju alir.

Model tersebut dituliskan :

r

2 ∆P

J = (2.3)

8 ∆X

Dimana : J = fluks fluida yang melalui membran (LMH)

r = jari-jari saluran atau pori (m)

∆P = Beda tekanan, Trans Membrane Pressure (bar)

= viskositas cairan (pa,S)

= tortuosity

∆X = tebal membran (m)

= porositas permukaan membran

Dalam penelitian ini didapatkan J = k ∆P yang tidak linier, karena parameter

(52)

52

pembentuk k yang berubah adalah porositas dan jari-jari pori membran. Perubahan ini

disebabkan oleh polarisasi konsentrasi dan fouling pada membran yang akan

bergantung pada beda tekanan. Perubahan ini terutama disebabkan karena selama

waktu operasi cake atau lumpur yang terdapat pada umpan deoiling ponds menempel

pada permukaan pori-pori membran sehingga akan mengurangi ukuran porositas dan

jari-jari pori membran tersebut.

Untuk memperkirakan hubungan fluks permeat terhadap beda tekanan (TMP)

dapat digunakan model yang diberikan oleh Marcel Mulder dalam buku Basic

Principles of Membrane Technology dan Munir Cheryan dalam buku Ultrafiltration

Handbook. Keduanya memberikan model yang sama untuk hubungan fluks permeat

terhadap beda tekanan (TMP) pada proses mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi.

[image:52.612.152.453.402.609.2]

Model tersebut ditunjukkan pada Gambar 8 berikut ini :

Gambar 8. Hubungan Antara Fluks Dengan ∆P Pada Mikrofiltrasi dan Ultrafiltrasi

Gambar 8 menerangkan bahwa fluks permeat yang dihasilkan tidak akan sama

(53)

membran dengan ∆P untuk daerah tekanan tinggi. Hal itu terjadi karena adanya

polarisasi konsentrasi dan fouling yang disebabkan molekul-molekul padatan yang

besar ditahan dan terakumulasi pada permukaan membran. Pada keadaan steady state

(tunak) aliran padatan dari larutan ke permukaan membran akan sama dengan aliran

difusi balik dari membran ke larutan. Kenaikan selanjutnya dari tekanan tidak akan

menaikkan fluks karena tahanan dari lapisan aktif telah mencapai nilai yang

memberikan fluks yang konstan. Dari model di atas diperkirakan pada rentang beda

tekanan 5 – 10 bar akan tercapai nilai fluks konstan, dimana sebelumnya terlebih

dahulu akan terjadi penurunan percepatan fluks.

UMPAN

P

f f

Kulit ∆X

2 r

Membran membran

PERMEAT

[image:53.612.114.511.334.582.2]

P

p p

Gambar 9. Skema Proses Aliran Fluida Melalui Pori Membran

Keterangan gambar :

(54)

54

f = tekanan osmosis umpan

Pp = gradien tekanan permeat

p = tekanan osmosis permeat

Net driving force untuk sebuah proses membran yang ideal (P dalam

persamaan 2.3) seharusnya ∆PT - ∆ , dimana ∆PT adalah (PF – PP) dan ∆ adalah ( F -

P) seperti yang terlihat dari gambar diatas. Pada prakteknya untuk hampir seluruh

aplikasi proses mikrofiltrasi, tekanan osmotik dari larutan yang tertahan diabaikan

karena mempunyai berat molekul yang besar, sehingga menggunakan ∆PT saja sudah

cukup seperti pada Persamaan 2.3.

2.5.2. Model Untuk Memperkirakan Rejeksi COD Limbah

COD (chemical oxygen demand) adalah nilai oksien yang dibutuhkan untuk

oksidasi seluruh materi baik organic maupun anorganik. COD ini merupakan

parameter yang sangat penting untuk menentukan tingkat pencemaran atau mutu air.

Jika kandungan senyawa organic dan anorganik cukup besar, maka oksigen terlarut

dalam air mencapai nol sehingga tidak memungkinkan hidupnya biota air. Untuk itu

perlu dibuat suatu model untuk memprediksi hubungan COD terhadap waktu. Model

tersebut diperoleh dengan cara memplotkan grafik hubungan fluks terhadap COD

(55)

COD akan meningkat seiring dengan meningkatnya waktu operasi. Dengan kata lain

rejeksi COD merupakan fungsi waktu.

(56)

56

3.1. Lokasi dan Waktu

Penelitian dilakukan di Laboratorium Bioproses Engineering Pusat Penelitian

Kelapa Sawit (PPKS) Medan. Jalan Brigjend Katamso No. 51 Kp, Baru Medan.

Waktu penelitian selama 9 bulan mulai November 2007 sampai Agustus 2008.

3.2. Bahan dan Metoda

3.2.1. Bahan dan Alat

A. Bahan

Bahan baku yang digunakan sebagai umpan adalah limbah cair dari deoiling

ponds pabrik kelapa sawit Adolina Perbaungan, Medan. Sedangkan untuk

keperluan analisis digunakan bahan-bahan sebagai berikut :

1. Larutan K2Cr2O7

2. Larutan asam sulfat-perak sulfat

3.Indikator feroin

4. Larutan FeSO4

5. kain kassa ukuran 75 -100 m

(57)

1 set pilot plant membran mikrofiltrasi keramik

Keterangan gambar : RV = Regulator valve

[image:57.612.135.531.140.539.2]

P = Pressure gauge

(58)

58

[image:58.612.150.528.112.551.2]

Gambar 11. Membran Mikrofiltrasi Keramik

(59)

A. Kerja Teoritik

Kerja teoritik meliputi penyusunan model yang diperoleh dari data

yang dilakukan di laboratorium Bioproses Engineering Pusat Penelitian Kelapa Sawit

(PPKS) Medan. Jalan Brigjend Katamso No. 51 Kp, Baru Medan. Penyusunan model

pada penelitian ini, yaitu :

1. Model Untuk Memperkirakan Fluks Permeat

Model tersebut dijelaskan pada bab II pada persamaan 2.3 yang ditulis :

r

2 ∆P

J =

8 ∆X

Dimana : J = fluks fluida yang melalui membran (LMH)

r = jari-jari saluran atau pori (m)

∆P = Beda tekanan, Trans Membrane Pressure (bar)

= viskositas cairan (pa,S)

= tortuosity

∆X = tebal membran (m)

= porositas permukaan membran

Bebapa asumsi digunakan untuk menurunkan model pada Persamaan 2.3. tersebut,

(60)

60

a) Aliran yang melalui pori adalah Laminar yang mempunyai Bilangan

Reynolds kurang dari 1800

b) Densitas ( ) konstan atau cairan bersifat incompressible

c) Aliran tidak bergantung pada waktu (dalam keadaan tunak)

d) Fluida termasuk fluida Newtonian yang tidak tergantung pada waktu

2. Model Untuk Memperkirakan Rejeksi COD Limbah

Model ini diperoleh dari persamaan yang diperoleh langsung dari grafik

hubungan COD terhadap waktu operasi. Persamaan tersebut dapat digunakan untuk

memprediksi nilai COD pada berbagai waktu.

Disamping itu ada 2 perhitungan yang dilakukan dalam penelitian ini, yaitu :

1. Menghitung Konstanta Pembentukan Cake

Konstanta pembentukan cake merupakan parameter untuk memperkirakan

fenomena fouling pada membran. Fouling adalah terjadinya deposisi partikel akibat

pengoperasian membran. Fouling meliputi penyumbatan pori, presipitasi

(pengendapan), dan pembentukan cake. Fouling merupakan faktor utama yang

menyebabkan keterbatasan penggunaan membran berpori. Fouling merupakan

perubahan yang bersifat irreversibel yang disebabkan oleh interaksi secara fisik dan

kimia antara berbagai padatan terlarut dengan membran. Membran fouling

(61)

membran. Perubahan ini dapat berlangsung selama proses dan membutuhkan

penanganan yang serius dan mahal termasuk penggantian membran (Geankoplis,

1983).

Pendekatan fouling yang digunakan pada penelitian ini yaitu model sederhana

dari model pembentukan cake, dimana tahanan cake mengendalikan fluks permeat.

Persamaan tersebut dirumuskan (Malleviele, 1996) :

J0 2

J 2 = (3.1) 1 + J0 2 k’t

Dimana :

J = Fluks akhir (L/m2/jam atau LMH)

J0 = Fluks awal (L/m2/jam atau LMH)

k’ = Konstanta pembentukan cake

t = Waktu (jam)

Linierisasi persamaan (1) di atas dapat digunakan untuk mencari nilai

konstanta pembentukan cake, ditulis :

1 1

(62)

62

Harga k’ diperoleh dari kemiringan garis (slope) pada pemetaan linier (1/J2)

terhadap waktu (t). Semakin besar nilai k’ menunjukkan semakin cepat laju

pembentukan cake pada permukaan membran. Nilai ini dapat dijadikan sebagai acuan

dalam menilai terjadinya fouling karena pembentukan cake merupakan kendali bagi

terjadinya fouling pada membran (Suprihanto notodarmojo, 2004).