Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Parahyangan Bandung
Pengaruh pH Larutan Buffer pada Ultrafiltrasi BSA Menggunakan
Membran Polietersulfon Modifikasi dengan Quaternary Ammonium
Fachrul Razi
1*1 Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala * fachrurrazi@che.unsyiah.ac.id
Abstrak
Fenomena fouling pada membran menyebabkan terjadinya penurunan performa membran dalam melakukan proses pemisahan dan juga peningkatan biaya operasi karena meningkatnya frekuensi pencucian (backwash). Pada penelitian ini akan dilihat sejauhmana pengaruh pH larutan buffer pada proses ultrafiltrasi larutan Bovine Serum Albumin (BSA) dan larutan asam humat (HA) sebagai model foulant dengan menggunakan membran hollow fiber polietersulfone (PES) yang dimodifikasikan permukaannya dengan kuaternari ammonium monomer yang memiliki muatan positip dengan metode radiasi sinar UV yang menginduksi polimerisasi grafting. Perubahan struktur permukaan PES membran termodifikasi diobservasi dengan FE-SEM dan untuk mengetahui gugus fungsi yang terbentuk akan diamati dengan Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR). Perubahan sifat hidrofilisitas pada PES membran termodifikasi dilakukan dengan mengukur sudut kontak yang terbentuk antara tetesan (drop) air pada permukaan membran. Untuk mengetahui performa PES membran termodifikasi dilakukan dengan melihat ketahanan membran terhadap fouling pada proses filtrasi larutan BSA dan HA pada pH larutan buffer 3; 5; 7 dan 9. Gambar SEM memperlihatkan adanya perubahan struktur permukaan PES membran termodifikasi dimana sebaran dan jumlah pori yang terdeteksi lebih sedikit jika dibandingkan dengan PES membran tanpa modifikasi. Adanya gugus fungsi kuaternari ammonium yang terdeteksi pada PES membran termodifikasi menunjukkan bahwa terjadinya pembentukan lapisan pada permukaan PES membran yang menyebabkan peningkatan sifat hidrofilisitas PES membran termodifikasi mengalami peningkatan dimana sudut kontak antara air - permukaan membran sebesar 45o. Performansi PES membran termodifkasi
menunjukkan ketahanan yang cukup baik terhadap BSA sebagai model protein foulant dan asam humat (HA) sebagai model foulant senyawaan organik alamiah pada rentang pH larutan buffer yang tinggi (pH 3-pH 9) jika dibandingkan PES membran tanpa modifkasi.
Kata Kunci: pH larutan buffer, ultrafiltrasi , BSA, HA, membran PES, kuaternari ammonium, fouling.
Abstract
Fouling phenomena on membrane could reduce the membrane separation performance and increase the operation cost due to frequent cleaning or backwashing. The aims of this reseach are to study the effect of pH buffer solution during an ultrafiltration procces of bovine serum albumin (BSA) and humic acid (HA) as single foulant-model using the modified hollow fiber polyethersulfone (PES) membrane. PES membrane was surface modified by a quaternary ammonium monomer which has a positive charge by UV irradiation induced grafting polymerization method. FE-SEM was used to observe the PES membran surface morphological change and the functional groups of modifying agent was detected by FT-IR. The hidrofilicity of modified PES membranes were measure by a water contact angle meter by dropped water on membrane surface. To study the modified PES membrane performance against fouling the filtration of BSA and HA were conducted at various pH buffer solution of pH 3; 5; 7 and pH 9. SEM image shown that there is a structural change on surface modified PES membrane as the membrane pore numbers decreased and became smaller in compare to unmodified PES membrane. Functional groups of quarternary ammonium were detected on modified PES membrane surface. This evidence proven that the monomer was grafted on modified PES membrane. Besides the hidrofilicity of modified PES membrane was increased as the water contact angle reached of 45o. The performance of modified PES membrane against
fouling shown an excellent results on ulfiltration BSA and humic acid (HA) which represent protein and natural organic matters (NOM) foulant model in a wide range pH of buffer solution (pH3-pH9) in compare to unmodified PES membrane.
Keywords: Buffer solution pH, ultrafiltration, BSA, HA, PES membrane, quatenary ammonium, fouling. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi membran untuk proses pemisahan telah berkembang dengan begitu cepatnya.
Terutama membran mikrofiltrasi (MF) dan membran ultrafilitrasi (UF) banyak digunakan untuk proses purifikasi dan konsentrasi protein, produksi minuman sari
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Parahyangan Bandung
buah-buahan, pengolahan air limbah dan untuk produksi air minum (Fane dkk., 2006: 112). Aplikasi membran ultrafiltrasi pada berbagai proses pemisahan didorong oleh berkembangan sintesis material polimer sebagai bahan dasar membran diantaranya polyvinylidene fluoride (PVDF), polypropylen (PP), polysulfone (PS) dan polyethersulfone (PES). Terutama PES polimer memiliki stabilitas kimia dan termal yang baik serta ketahanan mekanik yang baik (Pinnau dkk., 2000: 2). Disamping memiliki ketahanan kimia, dan mekanik yang baik, PES polimer juga bersifat hidrofobik sehingga membran yang berbahan dasar PES polimer cenderung memiliki tendensi fouling yang tinggi (Pinnau dkk., 2000: 3).
Fouling pada ultrafiltrasi membran mengakibatkan penurunan performa membran dalam melakukan proses pemisahan. Fouling juga dipengaruhi oleh jenis pengotor (foulant) dan biasanya bersifat hidrofobik misalnya protein, polisakarida dan senyawa asam humat. Tendensi fouling pada PES membran didorong oleh adanya interaksi antara material PES membran yang bersifat hidrofobik dengan jenis foulant yang umumnya juga bersifat hidrofobik. Organik fouling biasanya diakibatkan oleh adanya pengotor organik (organic matters) seperti protein, polisakarida dan asam humat yang terlibat pada proses pemisahan (Huissman dkk., 2000:82; Fane dkk., 2006:110). Banyak penelitian telah dilakukan untuk mengatasi permasalahan fouling padamembran yang meliputi pengembangan material baru, teknik fabrikasi membran dan modifikasi permukaan. Ketahanan PES membran terhadap fouling senyawaan organik (natural organic matters atau (NOM) yaitu asam humat dan protein bovine serum albumin (BSA) juga dapat dilakukan dengan grafting N-vinyl-2-pyrrolidinone (NVP) monomer pada permukaan PES membran yang dapat memperbaiki hidrofilisitas PES membrane (Taniguchi dkk., 2003:67; Taniguchi dkk., 2004:150; Pierraci dkk., 2000:2125). Adapun Kim dkk (2010; 127) melaporkan peningkatan ketahanan PES membran terhadap protein fouling dengan blended PES polimer dengan surface modifying agent (SMA) yaitu polietilen glikol (PEG) yang dapat meningkatkan hidrofilisitas permukaan PES membran dan juga menurunkan kekasaran permukaan (surface roughness) membran PES.
Diantara berbagai metode modifikasi membran yang ada, modifikasi permukaan banyak digunakan karena tidak merusak ataupun merubah keseluruhan struktur (bulk property) membran karena hanya permukaan membran yang termodifikasikan. Metode ini meliputi pelapisan tipis (coating), adsorpsi senyawa makromolekul melalui self assembly monolayer (SAM) dan graftting adalah berbagai metode yang umum digunakan. Metode grafting pada permukaan dengan radiasi sinar UV untuk menginduksi polimerasi grafting (UV irradiation induced graft-polymerization) senyawa polimer atau monomer pada permukaan membran merupakan metode yang lazim digunakan karena dapat meningkatkan dan memperbaiki hidrofilisitas permukaan, sifat adhesif, kebasahan, biokompatibiliti dan ketahanan
akan fouling (Deng dkk., 2009: 170). Disamping itu metode ini dapat dilakukan pada suhu yang relatif rendah sehingga dapat mengurangi resiko alterasi pada keseluruhan struktur membran dan terbukti mudah dalam mengaktivasi permukaan membran dengan memilih panjang gelombang sinar UV yang sesuai (Zhang dkk., 2006: 2270; Deng dkk., 2009: 175).
Banyak penelitian yang telah dilakukan untuk memperbaiki hidrofilisitas permukaan PES membran dengan grafting vinil monomer yang tidak bermuatan diantaranya Acrylic amide (AAm), Acrylic acid (AA) dan Methyil methacrylate (MMA) (Pierraci dkk., 2000: 2125; Nady dkk., 2011: 2-7) dan relatif terbatas pada modifikasi flat PES membrane (Abu Seman dkk.,2010: 135). Sedangakan Malaisamy dkk (2010: 361–370) melapisi permukaan membran dengan lapisan tipis brush structure yang terbukti efektif dalm mencegah biofouling Namun demikian hanya sedikit penelitian yang melaporkan tentang modifikasi hollow fiber membran PES untuk katahanan akan fouling (Sawada dkk., 2012:2; Razi dkk., 2012:293). Oleh karena itu tujuan penelitian ini diarahkan pada modifikasi permukaan membran PES hollow fiber dengan grafting monomer, 2-dimethylaminoethyl methacrylate methyl chloride quaternary salt (DMAEMAq) yang memiliki muatan positif dengan metode photografting, kemudian akan dipelajari sejauhmana pengaruh muatan positip DMAEMAq monomer terhadap peningkatan hidrofilisitas permukaan hollow fiber PES membran. Untuk melihat ketahanan PES membran termodifikasi atau disebut PES-g-DMAEMAq terhadap fouling dilakukan dengan filtrasi protein BSA pada berbagai pH Phosfat Buffer Solution (PBS) dan juga filtrasi larutam asam humat sebagai model larutan pengotor (foulant).
METODE Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini yaitu membran hollow fiber PES dengan diameter dalam dan luar berturut-turut 0,685 dan 1,250 mm dengan ukuran MWCO 150 kDa dibeli dari Daicel Membrane-Systems (Daicel Chemical Industries, Ltd., Osaka, Japan). Monomer yang digunakan sebagai bahan modifikasi adalah (2-dimethylamino) ethyl methacrylate methyl chloride quaternary salt (DMAEMAq) dibeli Sigma-Aldrich Japan. Photo iniator agen yang digunakan yaitu Benzophenone (Bp), metanol, Bovine Serum Albumin (BSA) Cohn fraction V, pH 7 produksi Wako Pure Chemical Industries Ltd, Osaka, Japan). Untuk membuat larutan Phosfate Buffer Solution (PBS) 0.15 M digunakan NaH2PO4, Na2HPO4, sebagai pengontrol pH
(Wako Pure Chemical Industries Ltd, Japan), sedangkan larutan asam humat 50 ppm dibuat dengan melarutan 50 mg Humic acid (HA) (Wako Pure Chemical Industries Ltd, Japan) dalam 1 liter air murni (deionized water) yang difurifikasi dengan Milli-Q system (Millipore, Milford, M.A, USA). Struktur kimia dari polimer PES dan monomer DMAEMAq diperlihatkan pada Gambar 1.
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Parahyangan Bandung
!
!
Gambar 1. Struktur molekul polimer PES dan monomer DMAEMAq.
Modifikasi Permukaan PES Membran dengan DMAEMAq Monomer
Modifikasi permukaan membran hollow fiber PES dilakukan dengan metode photografting. Membran hollow fiber PES dengan panjang 12 cm ditimbang beratnya kemudian dicelupkan ke dalam larutan 0,1 M Benzophenon (BP) didalam metanol sebagai photo initiator. Kemudian membran hollow fiber PES diangkat dan diletakkan di atas kertas saring, kemudian dikeringkan pada suhu ruang selama 1 jam. Larutan monomer DMAEMAq 0,10 - 2,5 M dibuat dengan melarutkan monomer DMAEMAq dengan DI water, larutan monomer kemudian diletakkan kedalam peralatan photo reaktor yang dilengkapi dengan lampu UV. Kemudian PES membran yang telah dikeringkan direndam kedalam larutan DMAEMAq monomer. Untuk mencegah adanya oksigen yang terlarut dalam larutan monomer yang dapat menghambat photo-polimerisasi maka kedalam larutan monomer dialirkan gas Argon (Ar) selama 15 menit kemudian kemudian diiradiasikan dengan lampu UV-Hg bertekanan tinggi (UM-102, Ushio Inc, Japan).
Detail proses modifikasi PES membran dengan metode iradiasi sinar UV menginduksi polimerisasi dapat dirujuk pada Razi dkk (2012; 294). Setelah waktu polimerisasi tertentu tercapai, membran PES termodifikasi DMAEMAq selanjutnya disebut PES-g-DMAEMAq dicuci dengan air mengalir dan direndam dalam larutan metanol-air (1:20 v/v) untuk menghilangkan sisa monomer yang tak terpolimerisasi. Kemudian PES membran dikeringkan dengan vacuum freeze dryer selama satu malam untuk mendapatkan berat konstant. Derajat modifikasi dari PES membran dinyatakan sebagai jumlah monomer yang tergrafting per satuan luas permukaan membrane atau disebut derajat grafting atau grafting amount (GA) dihitung berdasarkan penambahan berat pada membran termodifikasi dan dinyatakan oleh persamaan (1) berikut ini.
Derajat Grafting (GA) = W1−W0
A (1)
Dimana GA dalam mg/cm2, sedangkan W
0 dan W1
merupakan berat kering PES membran sebelum dan sesudah modifikasi dalam mg. Sedangkan A adalah luas permukaan PES membran dalam cm2. Berat kering
membran PES membran ditimbang dengan timbangan mikro (AB204; Mettler Toledo GmbH., Switzerland).
Analisis Gugus Fungsi pada Permukaan PES Membran Termodifikasi
Untuk mengetahui ada tidaknya grafting monomer DMAEMAq pada permukaan PES membran termodifikasi dapat diketahui dengan mendeteksi gugus fungsi dari DMAEMAq dengan menggunakan FTIR spectroscopy (ATR-FTIR-8100A; Shimadzu Co. Ltd., Japan). Sebelum dianalisis dengan FT-IR, PES membran dan PES membran termodifikasi dikeringkan dengan vacuum freeze dryer (FDU-1200 EYELA; Tokyo Rikakikai Co. Ltd., Japan) selama satu malam. Kemudian IR spektrum dari membran PES dan membran PES termodifikasi direkam pada rentang bilangan gelombang 600-2000 cm-1.
Analisis Struktur Morfologi Permukaan Membran dan Sudut Kontak Air-Membran
Untuk mengetahui perubahan struktur morfologi permukaan PES membran termodifikasi dilakukan dengan field scanning electron microscopy (FE-SEM) (JSF-7500F; JEOL Co. Ltd., Japan) pada akselerasi tegangan 5 kV. Sampel PES membran dicelup dan dipatahkan didalam nitrogen cair untuk mencegah terjadinya perubahan struktur membran dan selanjutnya dikeringkan dengan vacuum freeze dryer selama satu malam. Kemudian sampel PES membran dicoating dengan Pd/Pt pada kondisi vacuum sesaat sebelum diobeservasi dengan FE-SEM.
Sudut kontak yang terbentuk pada saat tetesan air dijatuhkan pada permukaan PES membran, diukur untuk mengetahui perubahan hidrofilisitas PES membran termodifikasi. Dimana 0.5 µL air terionisasi (DI water) diteteskan ke atas permukaan sample PES membran dan sudut kontak air yang terbentuk pada permukaan PES membran diukur secara otomatis menggunakan water contact angle meter (CAA-Drop Master 300; Kyowa Interface Science Co. Ltd., Japan).
Performansi PES Membran Termodifikasi pada Filtrasi BSA untuk Berbagai pH Larutan Buffer PBS
Untuk mengetahui performansi dari PES membran termodifikasi, filtrasi BSA sebagai model protein pada berbagai pH larutan buffer yaitu pH3; 5; 7 dan 9 dilakukan dengan menggunakan modul pemisahan skala lab yang berisikan membran hollow fiber tunggal. Skematis peralatan filtrasi BSA ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Diagram skematis proses ultrafiltrasi menggunakan membran PES hollow fiber tunggal
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Parahyangan Bandung
Pada filtrasi protein BSA 50 ppm, 50 mg BSA dilarutkan kedalam 1-liter larutan phospate buffer solution (PBS) 0.15 M yang terdiri dari Na2HPO4 dan NaH2PO4.
Sedangkan filtrasi larutan 50-ppm asam humat (humic acid) pada pH 7 larutan dionized water (DI water) sebagai model organic foulant. Sebelum filtrasi larutan BSA dilakukan, filtrasi air murni (DI water) dilakukan pada tekanan 5 bar selama 1 jam sehingga tercapai fluks permeat yang stabil, J0, kemudian dilanjutkan dengan
filtrasi larutan BSA selama 4 jam atau dengan mencatat fluks permeat sampai tercapai keadaan tunak, J. Fluks permeat dihitung berdasarkan persamaan (2) berikut.
J = V
A.ΔP.Δt (2)
Dimana J adalah fluks permeat dalam liter /m2.atm.jam,
V adalah volum permeat dalam liter, ∆P dan ∆t berturut-turut adalah beda tekanan dan waktu dalam satuan atm dan jam. Untuk mengetahui indikator fouling dapat ditentukan dari rasio fluks permeat pada filtrasi larutan BSA, J, terhadap fluks permeat air murni, J0, dinotasikan
sebagai J/J0. Jika rasio J/J0 mendekati 1 maka membran
memiliki ketahanan yang cukup baik terhadap fouling.
HASILDANPEMBAHASAN
Photografting dan Derajat Grafting (GA) PES Membran Termodifikasi
Pengaruh konsentrasi DMAEMAq monomer terhadap derajat grafting (GA) DMAEMAq pada PES membran termodifikasi diperlihatkan pada Gambar 3.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 2 4 6 8 10 12 D er aj at gr af ting D M A E M A q (m g/ cm 2)
Konsentrasi DMAEMAq monomer (M)
Gambar 3. Pengaruh konsentrasi DMAEMAq monomer terhadap derajat grafting (GA) pada
membran PES termodifikasi
Dapat dilihat bahwa derajat grafting (GA) pada permukaan PES membran meningkat dengan meningkatnya konsentrasi DMAEMAq monomer. Hal ini terjadi dikarenakan photo-polimerisasi diinduksi oleh radiasi sinar UV dan initiator Bp yang akan menyediakan daerah reaktif (active site) yang akan menarik radikal bebas (H*) dari PES polimer karena adanya pembukaan ikatan antara rantai karbon (C) dan sulfur (S) pada sambungan ikatan sulfonyl-SO2-pada PES polimer. Pada
kedua ujung ikatan aryl sufonyl (-SO2-) yang terputus
sehingga DMAEMAq monomer akan terpolimerisasi pada kedua ujung yang terbuka. Dan dengan
meningkatnya konsentrasi monomer DMAEMAq tentu akan memperbesar kemungkinan terjadinya polimerisasi yang pada akhirnya akan meningkat derajat grafting monomer pada PES permukaan PES membran (Deng dkk., 2009: 175; Nady dkk., 2011:3-5; Malaisamy dkk., 2010: 364).
Evaluasi gugus fungsi DMAEMAq monomer pada PES membran
Spektrum IR dari PES membran dan PES membran termodifikasi diperlihatkan pada Gambar 4. PES membran tanpa modifikasi dicirikan dengan ikatan-SO2
-pada bilangan gelombang 1170-1200 cm-1 dan gugus
fungsi pada bilangan gelombang 1577 cm-1 and 1460 cm
-1 yang menandakan ikatan aromatic (Shang dkk., 2009:
1597). Sedangkan pada PES membran termodifikasi DMAEMAq terdeteksinya gugus yang fungsi yang baru pada bilangan gelombang 954 cm-1 yang merupakan gugus tersiari amina- N+(CH
3)3 dan intensitas yang kuat
terdeteksi pada bilangan gelombang 1730 cm-1 yang
merupakan streching gugus karbonil (C=O) yang berasal dari monomer DMAEMAq (Majumdar dkk., 2009: 1128-1129).
Gambar. 4. FT-IR PES membran danDMAEMAq membran. (a) PES, (b)
PES-g-DMAEMAq (GA: 0.77 mg/cm2), (c)
PES-g-DMAEMAq (GA: 3.70 mg/cm2).
Struktur Permukaan PES Membran Termodikasi dan Hidrofilisitas
Perubahan morfologi struktur permukan PES membran termodifikasi dapat dilihat pada Gambar 5. Pada PES membran tanpa modifkasi dapat terlihat adanya adanya pori membran dengan distribusi dan ukuran pori yang hampir seragam terlihat dengan jelas pada magnifikasi 10.000 (Gambar 5(a)). Sedangkan pada Gambar 5(b) ukuran pori yang terdeteksi pada permukaan PES membran semakin sedikit dan lebih kecil ukurannya jika dibandingkan dengan Gambar 5(a). Ini terjadi karena adanya lapisan grafting DMAEMAq monomer pada permukaan PES membran. Pada derajat grafting yang lebih tinggi sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 5(c) dan 5(d) pori membran hampir tidak tredeteksi pada permukaan PES membran.
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Parahyangan Bandung
Gambar 5. Struktur permukaan PES membrane dan PES membran termodifikasi DMAEMA. (a). PES
membran. (b). PES-g-DMAEMAq (GA: 0.77 mg/cm2).
(c). PES-g-DMAEMAq (GA: 3.7 mg/cm2). (d).
PES-g-DMAEMAq (GA: 5.3 mg/cm2).
Untuk mengetahui sejauhmana perubahan sifat hidrofilisitas pada permukaan PES membran termodifikasi DMAEMAq monomer ditunjukkan pada Gambar 6. Dari Gambar 6 dapat dilihat bahwa sudut kontak air-permukaan membran untuk PES membran tanpa modifikasi sebesar 91°±2° yang menunjukkan PES membran bersifat hidrofobik. Adapun pada PES membran termodifikasi terlihat bahwa dengan meningkatnya derajat grafting diikuti penurunan sudut kontak yang terbentuk antara air dan permukaan PES membran termodifikasi. Dimana sudut terkecil dicapai pada derajat grafting (GA: 11,19 mg/cm2) yaitu sebesar
45°±3°. Disisi lain dengan meningkatnya derajat grafting pada PES membran termodifikasi akan mengakibatkan penurunan permeabilitas membran. Karena adanya lapisan grafting pada permukaan membran yang dapat menutupi pori dipermukaan dan juga kemungkinan teradsorpsinya lapisan grafting di dalam pori membran yang pada akhirnya dapat mengakibatkan penurunan permeabitas air murni pada PES membran termodifikasi.
Gambar 6. Permeabilitas air murni dan sudut kontak air-permukaan PES membran pada berbagai derajat
grafting monomer DMAEMAq.
Performansi PES Membran Termodifikasi pada Filtrasi Larutan BSA
Untuk melihat ketahanan PES membran termodifikasi terhadap fouling dilakukan dengan filtrasi larutan BSA 50 ppm pada berbagai pH larutan buffer PBS, membran PES termodifikasi DMAEMAq pada derajat grafting (GA: 0,77 mg/cm2) digunakan pada percobaan filtrasi.
PES-g-DMAEMAq dengan GA: 0,77 mg/cm2 memiliki
permeabilitas yang relatif moderat jika dibandingkan dengan PES membran termodifikasi dengan derajat grafting yang lebih tinggi. Profil filtrasi larutan BSA pada berbagai pH larutan PBS buffer diperlihatkan pada Gambar 7 yang memperlihatkan permeabilitas BSA pada setiap waktu. Pada filtrasi BSA untuk pH 9 menunjukkan kecenderungan tendensi fouling yang tinggi yang dikuti dengan peneurunan nilai permeabilitas seiring dengan bertambahnya waktu filtrasi. Dima na permabilitas akhir larutan BSA sebesar 150 liter/m2.atm.jam (Gambar 7(a)).
Gambar 7. Performansi PES membran termodifikasi pada filtasi larutan BSA pada berbagai pH larutan
buffer PBS. (a). Permeabilitas larutan. (b). Rasio permeabilitas larutan BSA terhadap air murni.
Pada dasarnya BSA tidak memiliki muatan (neutral charge) pada titik isoelectric point (IP). Dimana IP BSA: 4.8. Sehingga BSA pada larutan buffer PBS dengan pH di atas titik IP akan bermuatan negatif (Huissman dkk., 2000: 79–90). Sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 7(a) dan 7(b) terlihat adanya interaksi yang kuat (attraction forces) antara PES membran termodifkasi DMAEMAq monomer yang memiliki muatan positif dengan BSA yang memiliki muatan negatif. Sebaliknya pada larutan PBS buffer pH 3 pada membran PES termodifikasi DMAEMAq menunjukkan ketahanan akan fouling. Ini dikarenakan adanya gaya tolak (repulsion forces) antara membran PES yang memili muatan positif
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Parahyangan Bandung
dan BSA yang juga memiliki muatan positif di bawah titik IP.
Performansi PES Membran Termodifikasi pada Filtrasi Larutan Asam Humat (HA)
Untuk filtrasi larutan asam humat (HA) sebagai model foulant dan pengaruh pH larutan buffer dapat dilihat pada Gambar 8. pH larutan buffer pada asam humat dikontrol dengan penambahan asam klorida (HCl) dan sodium hidroksida (NaOH).
Gambar 8. Performansi PES membran termodifikasi pada filtasi larutan asam humat (HA) pada berbagai
pH larutan buffer. (a). Permeabilitas larutan. (b). Rasio permeabilitas larutan BSA terhadap air murni.
Pada Gambar 8(a) dan 8(b) dapat dilihat bahwa PES membran termodifikasi DMAEMAq menunjukkan ketahanan yang baik terhadap foulant asam humat (HA) jika dibandingkan dengan PES membran tanpa modifikasi. Hal ini dikarenakan dengan adanya lapisan grafting monomer DMAEMAq telah merubah sifat permukaan PES membran menjadi lebih hidrofilik jika dibandingkan PES membran tanpa modifkasi. Disamping itu lapisan grafting DMAEMAq merubah permukaaan PES membran menjadi bermuatan positip yang akan menimbukan gaya tolak terrhadap foulant asam humat (HA) yang juga akan terprotonasi pada pH yang tinngi. Sebagaiman ditunjukkan pada Gambar 8 di atas bahwa dalam rentang pH 5 – 9, PES membran termodifikasi hampir tidak terjadi penurunan permabilitas larutan HA.
PENUTUP Simpulan
Hidrofilisitas permukaan membran hollow fiber PES termodifikasi dengan kuaternari ammonium monomer
(DMAEMAq) menjadi lebih baik jika dibandingkan dengan PES membran tanpa modifikasi. Disamping itu dengan merubah (adjust) muatan dipermukaan, PES membran termodifikas DMAEMAq menunjukkan ketahanan akan fouling baik terhadap BSA sebagai model protein foulant ataupun asam humat (HA) sebagai model natural organic matters (NOM) foulant.
Saran
Untuk mendapatkan kondisi pemisahan yang ideal perlu dipelajari lebih lanjut tentang pengaruh derajat modifkasi terhadap kekasaran permukaan (surface roughness) terhadap ketahanan fouling. Juga perlu dilakukan studi pada proses filtrasi pada berbagai kombinasi model foulant.
DAFTAR PUSTAKA
Abu Seman, M.N., Khayet, M., Bin Ali Z. I., Hilal, N. 2010. Reduction of nanofiltration membrane fouling by UV-initiated graft polymerization technique, J. Membr. Sci, 355: 133–141.
Deng, J., Wang, L., Wang, Liu, L., Yang, W. 2009. Developments and new applications of UV-induced surface graft polymerizations, Prog in Poly. Sci, 34: 156–193.
Fane, A.G, W. Xi, W, Rong, W. 2006. Membrane filtration processes and fouling, Interface Science in Drinking Water Treatment (Editor: G. Newcombe and D. Dixon), Elsevier. 109-115.
Huissman, I.H., Pradanos, P., Hernandez, A. 2010. The effect of protein–protein and protein–membrane interactions on membrane fouling in ultrafiltration,J. Membr. Sci, 179: 79–90.
Kim, Y., Rana, D., Matsuura, T., Chung, W. J, Khulbe, K. C. 2010. Relationship between surface structure and separation performance of poly(ether sulfone) ultra-filtration membranes blended with surface modifying macromolecules, Sep. Purif. Technol, 72: 123–132.
Majumdar, P., Lee, E., Gubbins, N., Stafslien, S. J., Daniels, J., Thorson, C.J., Chisholm, B. J. 2009. Synthesis and antimicrobial activity of a quaternary ammonium-functionalized POSS (Q-POSS) and polysiloxane coatings containing Q-POSS, Polymers, 50: 1124–1133.
Malaisamy, R., Berry, D., Holder, D., Raskin, L., Lepak, L., Jones, K. L. 2010. Development of reactive thin film polymer brush membranes to prevent biofouling, J. Membr. Sci, 350: 361–370.
Nady, N., Franssen, M. C. R., Zuilhoff., H M. S., Eldin, M., Boom, R., Schroen, K. 2011. Modification methods for poly(arylsulfone) membranes: A mini review focusing on surface modification, Desalination, 275: 1–9.
Pinnau, I, Freeman, B.D. Editors. 2000. Membrane Formation and Modification. ACS Symposium Series., 744, American Chemical Society, Washington DC.
Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Parahyangan Bandung
Pierraci, J., Wood, D. W., Crivello J. V., Belfort,G. 2000. UV-Assisted graft polymerization of N-vinyl-2-pyrrolidinone onto poly(ether sulfone) ultrafiltration membrane: comparison of dip versus immersion modification techniques, Chem. Mater, 12: 2123– 2133.
Razi, F, Sawada, I, Ohmukai, Y, Maruyama, T, Matsuyama, H. 2012. The improvement of antibiofouling efficiency of polyethersulfone membrane by functionalization with zwitterionic monomers, Journal of Membrane Science, 401– 402:292–299.
Sawada, I, Razi, F, Ohmukai, Y, Maruyama, T, Matsuyama, H. 2012. Development of a hydrophilic polymer membrane containing silvernanoparticles with both organic antifouling and antibacterial properties, J. Membr. Sci, 387– 388:1– 6.
Shang, H., Liu, J., Zheng, Y., Wang, L. 2009. Synthesis, Characterization, and FlocculationProperties of Poly(acrylamidemethacryloxyethyltrimethylAmmoniu m Chloride Methacryloxypropyltrimethoxy Silane), J. Appl. Polym. Sci, 111: 1594–1599.
Taniguchi, M, Kilduff, J. E., Belfort,G. 2003. Low fouling synthetic membranes by UV-assisted graft polymerization: monomer selection to mitigate fouling by natural organic matter, J. Membr. Sci, 222: 59– 70.
Taniguchi, M., Belfort, G. 2004. Low protein fouling synthetic membranes by uv-assisted surface grafting modification: varying monomer type, J. Membr. Sci, 231: 147–157.
Zhang, Z., Kong, L., Deng, J., Yang, P., Yang, W. 2006. Photografting of Unable-to-be-Irradiated Surfaces. I. Batch Vapor-Phase Process by One-Step Method, J. Appl. Polym. Sci, 101: 2272–2275.
