1
PROSES MEMBRAN TERINTEGRASI UNTUK PENGOLAHAN AIR LIMBAH
Alvina
Teknik Kimia, ITB, Jalan Ganesha No. 10, Bandung, Indonesia alvinaping@students.itb.ac.id
Abstrak
Kemajuan teknologi membran sekarang sudah berkembang pesat. Hal ini menyebabkan membran mulai digunakan dalam berbagai aplikasi dalam industri. Salah satu aplikasi membran yaitu dalam pengolahan air limbah. Hal ini penting untuk dibahas karena kebutuhan air dunia yang terus meningkat dan desalinasi air laut untuk mengatasi kebutuhan air bukan merupakan satu-satunya cara yang dapat kita lakukan. Pengolahan air limbah untuk memenuhi kebutuhan air atau menghasilkan suatu produk lain yang berharga patut untuk diteliti, dibahas, dan dicoba serta diaplikasikan. Teknologi membran yang dapat digunakan yaitu menggunakan membran terintegrasi yang artinya membuat sistem dari penggabungan berbagai proses pemisahan membran.
Terdapat empat proses utama dalam makalah ini yaitu penggunaan bioreaktor membran yang bisa dikombinasikan dengan distilasi membran, nanofiltrasi untuk fraksionasi, distilasi membran, dan kontaktor membran dikombinasikan dengan kristalisasi sebagai kristalisasi membran. Berdasarkan beberapa faktor, disimpulkan bahwa bioreaktor membran sudah diaplikasikan pada beberapa industri. Fraksinasi yang dilakukan oleh nanofiltrasi tampaknya mungkin dan layak untuk diaplikasikan. Distilasi membran saat ini dalam fase pertumbuhan yang pesat yang jelas dan telah muncul dari laboratorium penelitian yang kemudian mulai digunakan pada aplikasi dalam skala yang lebih besar, meskipun kebanyakan masih dalam desalinasi padahal distilasi membran memiliki potensi yang besar. Membran kristalisasi tetap merupakan proses yang belum ditemukan oleh banyak orang, terlepas dari kinerja teknis, secara literatur ilmiah terbukti sudah banyak minat yang terkait dengan pembahasan dan aplikasi membran kristalisasi.
Kata kunci: pengolahan air limbah, desalinasi air laut, bioreaktor membran, nanofiltrasi, distilasi membran, kritalisasi membran.
1. Pendahuluan
Sekarang ini, teknologi membran sudah berkembang sangat pesat di industri-industri. Sebenarnya, apakah itu membran? Membran merupakan alat pemisah seperti penghalang yang sifatnya selektif yang dapat memisahkan 2 fasa dari berbagai campuran. Fasa dari mana transfer massa terjadi disebut donor atau fasa umpan dan fase yang menerima aliran ini atau lolos melewati membran disebut akseptor atau fasa permeat [1]. Campuran tersebut dapat berupa padatan, cairan, atau gas serta dapat bersifat homogen maupun heterogen. Perpindahan molekul atau transportasi pada membran itu sendiri dapat terjadi karena adanya driving force yang dapat berupa konveksi atau difusi dari masing-masing molekul, adanya tarik menarik antar muatan komponen atau konsentrasi larutan, dan perbedaan suhu atau tekanan.
Gambar 1. Skema transportasi melalui membran (diadaptasi dari [1])
Jenis-jenis membran dapat diklasifikasikan menjadi empat kelompok yaitu mikro, homogen, ion-exchange, dan asimetris. Klasifikasi ini, bagaimanapun, tidak eksklusif dan dalam beberapa kasus keraguan mungkin timbul sehubungan dengan struktur membran tertentu.
Perbedaan antara mikro dan homogen membran tergantung pada ukuran ruang-ruang kosong pada membran. Membran itu sendiri dapat berbentuk datar atau tubular. Membran dapat digunakan dalam bentuk unit terisolasi seperti yang pada aplikasi analitis atau dalam kelompok untuk meningkatkan efisiensi, terutama dalam skala besar seperti dalam proses industri [2].
Membran mikro berpori terdiri dari matriks padat dengan diameter pori mulai dari 5 nm ke sampai 50 µm.
Membran homogen, juga dikenal sebagai membran padat, terdiri sebuah film di mana tidak ada pori-pori.
Transportasi melalui membran ini diatur tidak hanya oleh difusi tetapi juga oleh kelarutan spesies kimia yang terdapat dalam membran. Parameter yang menentukan permeabilitas membran tergantung pada sifat kimia membran dan pada jenis serta ketebalan membran.
Membran homogen dapat dibuat dari berbagai bahan seperti logam atau kaca, polimer, dan membran cair.
Dari sudut pandang proses pemisahan, kelompok yang paling penting dari membran homogen yaitu yang terbuat dari polimer dan membran cair [3, 4].
Membran pertukaran ion (ion-exchange) terdiri dari polimer dasar dengan muatan tetap. Tergantung pada tanda dari muatan tetap (+ atau -), mereka dapat diklasifikasikan sebagai anionik dan kationik. Dalam membran anion, kelompok yang paling banyak digunakan adalah ion amonium kuaterner meskipun fosfonium dan kelompok sulphonium juga digunakan.
Pada membran pertukaran kation, kelompok yang paling sering digunakan adalah sulfonat, meskipun fosfat, karboksilat, dan kelompok arsonik juga dapat digunakan.
umpan membran permeat
2 Membran asimetrik merupakan istilah yang digunakan untuk merujuk pada membran yang memiliki variasi dalam potongan melintang struktur mereka. Jenis membran ini terutama digunakan dalam proses reverse osmosis (RO).
Berbagai material membran yang umum digunakan yaitu membran polimer karena proses pembuatannya yang paling mudah namun memiliki kelemahan yaitu rentan terhadap temperatur dan bahan kimia yang tinggi. Selain itu material membran yang lain adalah material anorganik seperti keramik, zeolit, logam (termasuk karbon), dan gelas, membran cair, dan matriks campuran [5].
Sedangkan proses pemisahan menggunakan membran menurut gaya dorongnya dibagi menjadi gaya dorong tekanan (mikrofiltrasi/MF, ultrafiltrasi/UF, nanofiltrasi/NF, dan reverse osmosis/RO), gaya dorong konsentrasi (pervaporasi, carrier mediated, dialisis, pemisahan gas), gaya dorong termal (termodialisis dan distilasi membran), gaya dorong listrik (elektrodialisis dan elektrodeionisasi), dan proses campuran (membran kontaktor, membran reaktor, dan membran bioreaktor) [6].
2. Kebutuhan Air Dunia
Seiring dengan berjalannya waktu, dan dengan pertumbuhan populasi dunia (Tabel 1), kebutuhan air bersih untuk berbagai aplikasi meningkat.
Sumber daya air dunia terutama berasal dari air asin/air laut dan beberapa sumber air langsung. Air garam ditemukan di lautan dan samudera (~ 97,5%) sedangkan air tawar (~ 2,5%) terdapat di bawah tanah (~ 30% dari 2,5%
air tawar) atau dalam bentuk es / tertutup salju di daerah pegunungan, seperti Antartika dan Arktik (~ 70% dari 2,5%
air segar), tetapi hanya 0,3% yang bisa diakses oleh manusia [8].
Di negara-negara industri, air banyak digunakan untuk pembangkit listrik dan sebagai pendingin reaktor. Air tawar adalah sumber daya penting untuk produksi listrik. Maka jelas produksi energi sangat bergantung pada ketersediaan air [9].
Dengan jumlah terbatas dari air tawar yang dapat digunakan, sumber alternatif untuk produksi air bersih sangatlah penting. Selain desalinasi dari air laut [10-12], perolehan air dari pengolahan air limbah dapat diambil sebagai sumber yang baru muncul dan menjanjikan untuk penyediaan air tawar global. Air limbah dihasilkan dalam berbagai industri seperti petrokimia, pabrik produksi bahan bakar [13-16], pertanian dan pengolahan makanan [17-18], tekstil dan kulit industri [19-20], dan lain-lain. Proses pemisahan membran yang biasanya digunakan untuk pengolahan air limbah yaitu mikrofiltrasi (MF) [14], ultrafiltrasi (UF) [20], nanofiltrasi (NF) dan reverse osmosis (RO) [21], elektrodialisis (ED) [22], kapasitif deionisasi (CDI) [7], dan lain-lain. Sebagian besar menggunakan perbedaan tekanan sebagai kekuatan pendorong. Namun hal ini memiliki kelemahan sendiri.
Salah satu kelemahan proses membran bergaya dorong
tekanan tersebut adalah keterbatasan tekanan osmotik [7], terutama dalam kasus desalinasi air laut baik melalui proses RO atau NF.
3. Penggunaan Teknologi Membran Terintegrasi dalam Pengolahan Air Limbah
Dalam makalah ini akan dibahas mengenai pemisahan untuk daur ulang limbah dengan cara nanofiltrasi, distilasi membran, bioreaktor membran, dan kristalisasi membran. Tujuan dari proses integrasi ini tidak hanya dalam produksi air tetapi juga dalam generasi energi terbarukan dari limbah yang masih mengandung zat-zat berharga. Air limbah tidak dianggap sebagai limbah tetapi sebagai sumber daya air, sumber energi, atau sumber bahan kimia (setelah postprocessing dari zat yang sudah dimurnikan).
Sebuah laporan baru-baru ini dari industri limbah cair di AS oleh McIlvaine, Northbrook, IL menunjukkan bahwa ada lebih dari 7000 pabrik di AS menghasilkan limbah lebih dari satu juta galon per hari (37500 m3/ hari) untuk setiap pabrik[23]. Sekitar 80%
dibuang oleh utilitas listrik dan 10% oleh sistem pengolahan air limbah kota. Keluaran limbah pabrik perkotaan biasanya telah diproses melalui sistem pengolahan primer dan sekunder sementara pembuangan utilitas listrik sebagian besar hanya digunakan kembali atau rechanneling air. Minyak dan lemak merupakan polutan umum dalam berbagai industri. Industri seperti baja, aluminium, makanan, tekstil, kulit, petrokimia dan logam adalah beberapa industri yang memiliki tingkat minyak dan lemak yang tinggi dalam limbahnya. Minyak dan lemak dalam air limbah dapat muncul dalam beberapa bentuk yaitu terpisah, tersebar, atau emulsi. Perbedaan ini didasarkan terutama pada ukuran. Dalam campuran minyak dan air, minyak yang terpisah ditandai dengan ukuran tetesan lebih besar dari 150 mm, minyak tersebar memiliki ukuran kisaran 20 ± 150 mm, dan minyak emulsi memiliki tetesan biasanya kurang dari 20 mm.
Meskipun teknologi membran sudah berperan sangat pesat, namun teknologi membran ini masih belum banyak diterapkan untuk pengolahan air limbah.
Dengan demikian, analisis teknologi terintegrasi untuk pengolahan air limbah juga harus menghasilkan manfaat yang terkait dengan dampak lingkungan dan menghindari produk sampingan yang bisa merusak[24].
Hal ini akan membantu untuk meningkatkan keberlanjutan fasilitas pengolahan baru dan memungkinkan pemilihan teknologi yang paling layak.
Berdasarkan literatur, teknologi pengolahan konvensional jarang fokus pada integrasi, meskipun kombinasi proses biasanya diperlukan untuk minimalisasi dampak ngeatif terhadap lingkungan secara keseluruhan.
3
Tabel 1. Peningkatan populasi dunia dari 1950 sampai 2050 [7]
Tahun Asia Afrika Eropa Amerika Total
1950 1377 221 296 158 2522
1960 1668 277 316 186 3022
1970 2101 357 341 210 3696
1980 2586 467 356 230 4440
1990 3114 615 365 254 5266
2000 3683 784 376 278 6055
2010 4136 973 376 298 6795
2020 4545 1187 371 317 7502
2030 4877 1406 362 333 8112
2040 5118 1595 349 343 8577
2050 5268 1766 332 349 8909
3.1 Bioreaktor Membran
Konsep hybrid yang paling jelas adalah membran bioreaktor (MBR), di mana peningkatan dari keseluruhan efisiensi diperoleh dengan mengintegrasikan biokonversi dengan pemisahan, misalnya dengan menggunakan membran mikrofiltrasi atau ultrafiltrasi. MBR digunakan untuk menggantikan klarifier sekunder pada activated sludge konvensional karena memiliki luas area pengolahan yang kecil dengan kualitas keluaran yang sangat baik[25].
Gambar 2. Bioreaktor membran, penggantian klarifier sekunder pada pabrik pengolahan air limbah konvensional dengan unit membran (diadaptasi dari [25]).
Akan tetapi, fouling masih menjadi kekurangan utama.
Untuk meminimalkan fouling membran, beberapa konfigurasi bioreaktor membran dikembangkan. MBR memiliki konfigurasi proses berbeda, termasuk sistem ekstraktif dan difusif. Pada sistem ekstraktif, membran digunakan untuk mengekstrak komponen spesifik di sepanjang membran baik untuk biotreatment diskrit atau untuk pengolahan biologis dari efluen yang tersisa.
Konfigurasi konvensional MBR rejeksi (rMBR) mengkombinasikan biotreatment dengan pemisahan membran dengan mikrofiltrasi (MF) atau ultrafiltrasi (UF), dengan membran yang ditempatkan di luar atau dalam bioreaktor. Membran yang digunakan biasanya flat sheet (FS) atau hollow fiber (HF) jika ditempatkan dalam bioreaktor atau multitube (MT) jika ditempatkan di luar [26].
Namun, pengolahan limbah menggunakan MBR konvensional masih terdapat kekurangan karena dapat
meloloskan senyawa organik residual yang terlarut dalam air (hanya memberikan retensi terbatas untuk senyawa organik residual). Maka dari itu dibuatlah membran terintegrasi antara bioreaktor membran dan distilasi membran. MDBR ini merupakan teknologi baru untuk pengolahan air limbah. MDBR didasarkan pada proses distilasi membran (MD) yang digerakkan oleh termal yang menggunakan membran hidrofobik mikropori seperti polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF) atau polytetrafluoroethylene (PTFE) [25]. MDBR sangat cocok untuk produk air berkualitas tinggi dan/atau pada situasi dimana waktu tinggal yang tinggi dibutuhkan untuk penghilangan efektif senyawa organik refraktori.
Beberapa manfaat potensial dari MDBR yaitu[27]:
•Kualitas permeat sebanding dengan proses RO dan tidak bergantung aktivitas biologis.
•Kualitas air yang diperoleh mirip dengan lumpur aktif konvensional dengan MF dan RO atau MBR konvensional dalam RO dalam tahap tunggal.
•Waktu start-up lebih singkat
•Zat yang belum terdegradasi atau membandel dapat ditahan dengan waktu tinggal lebih lama sehingga mengalami degradasi bertahap.
•Proses atmosferik dan berpotensi tidak banyak bergantung pada sumber listrik
Untuk pengolahan limbah tekstil, diperlukan tambahan metode untuk menghilangkan senyawa bandel. Misalnya, Lotito et al.[28] mengembangkan sequencing batch biofilter reaktor granular dengan oksidasi ozon terpadu untuk sinergi aktivitas oksidasi biologi dan kimia. Ini bisa juga terintegrasi dalam MBR, terutama untuk mengolah limbah yang sulit seperti limbah farmasi.
3.2 Fraksinasi oleh Nanofiltrasi
Proses nanofiltrasi merupakan salah satu yang memiliki peranan penting dalam proses di industri.
Nanofiltrasi menunjukkan kinerja yang karakteristiknya
4 berada di antara ultrafiltrasi dan membran reverse osmosis.
Sehingga nanofiltrasi menggabungkan keunggulan dari fluks yang relatif tinggi dan tekanan operasional yang rendah dengan ukuran pada skala molekul, yaitu kisaran 0,5-2 nm. Nanofiltrasi secara tradisional digunakan hanya sebagai proses untuk softening dan penghilangan organik dan polutan mikro dalam produksi air minum. Penerapan nanofiltrasi sekarang ini telah berkembang untuk hal lain juga, termasuk tidak hanya fraksinasi tetapi juga dalam penyaringan pelarut, air daur ulang, dan pengolahan proses aliran dalam berbagai aplikasi di industri. Aplikasi dalam industri tekstil sebagai teknologi pengolahan air limbah masih baru dan dipelajari untuk pertama kalinya pada tahun 1996. Dari tahun 2004, 40 makalah yang diterbitkan pada nanofiltrasi limbah tekstil, atau 5 per tahun secara rata-rata.
Dalam delapan tahun 2005-2012, 161 makalah diterbitkan pada topik yang sama, atau 20 per tahun secara rata-rata.
Namun demikian, nanofiltrasi saat ini masih dianggap sebagai proses pemurnian daripada fraksinasi untuk proses pengolahan air limbah. Ide fraksinasi disarankan untuk mengacu pada penghilangan secara selektif senyawa (organik-anorganik, tapi ini dapat diperluas untuk kisaran sempit senyawa organik) sambil menjaga senyawa yang tersisa tidak berubah. Hal ini dapat dicapai dengan cascading membran dan daur ulang aliran produk. Van der Bruggen dan Braeken [29] menunjukkan bahwa kurva rejeksi, mencerminkan rejeksi senyawa bermuatan sebagai fungsi dari massa molar, secara signifikan dipengaruhi oleh desain cascade, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Proses dari membran cascade (diadaptasi dari [30]) Vanneste et al.[31] membuat perbandingan tekno- ekonomi terhadap cascade dengan unggun bergerak yang disimulasikan dan menyimpulkan bahwa membran cascade tampaknya merupakan yang paling menjanjikan untuk proses skala besar yang terus menerus dalam memproduksi produk murni. Pengamatan ini mendorong lebih banyak penelitian untuk membuat desain proses membran yang didasarkan pada membran cascade [32].
Kelemahan intrinsik terkait dengan kompleksitas desain terus meningkat seperti sulit untuk beroperasi pada skala kecil dan kebutuhan energinya. Perolehan massa harus tinggi untuk cascade terintegrasi, tetapi dengan desain
diafiltrasi yang lebih sederhana, perolehan massa pun rendah.
Hari ini, membran cascade menarik minat dalam aplikasi karena memiliki nilai tambah yang tinggi.
Misalnya, skala besar pemurnian protein dapat dilakukan secara ekonomis dengan menggunakan sistem ultrafiltrasi cascade yang berlangsung pada fluks konstan untuk pemurnian lisozim yang efisien dari bagian putih telur ayam [33]. Contoh kedua adalah pada filtrasi pelarut; kelayakan cascade membran menggunakan pelarut oragnik dalam membran nanofiltrasi untuk pertukaran pelarut secara terus menerus ditunjukkan oleh Lin dan Livingston [34].
Namun, penerapan membran cascade dalam pengolahan air limbah masih tetap berupa tantangan;
begitu pula dengan fraksi senyawa anorganik-organik menggunakan membran cascade yang belum terdeskripsikan (untuk menghilangkan senyawa organik tanpa mengubah konsentrasi ion, alternatifnya dengan menggunakan elektrodialisis; untuk aplikasi di sini, fraksi organik yang harus dihilangkan menggunakan membran). Tantangan lainnya yang tersisa untuk penggunaan membran cascade yaitu pengembangan membran dengan ukuran pori yang seragam/sama, membran dengan rejeksi yang tinggi untuk zat terlarut organik tetapi tidak untuk ion anorganik, dan membran nanofiltrasi bermuatan positif.
3.3 Distilasi Membran
Sebuah proses membran baru hibrida non- isotermal yang familiar adalah kombinasi distilasi dan membran pemisahan yang disebut proses "membran distilasi". Membran distilasi (MD) [35] adalah membran non-isothermal serbaguna yang digunakan untuk pemisahan, terutama cocok untuk aplikasi di mana air merupakan komponen utama yang ada dalam umpan untuk dipisahkan [36]. MD mengacu pada transportasi dorongan termal molekul uap melalui membran mikro yang hidrofobik. Proses pemisahan ini didorong oleh tekanan uap. Menggunakan MD memiliki banyak kelebihan, seperti suhu operasi yang lebih rendah dibandingkan dengan yang ditemukan di proses konvensional; larutan (terutama air) tidak selalu harus dipanaskan sampai titik didih. Selain itu, tekanan hidrostatik di MD lebih rendah dari yang digunakan dalam proses membran bergaya dorong tekanan lain seperti reverse osmosis (RO). Oleh karena itu, MD diharapkan memiliki biaya yang efektif lebih murah dalam proses, karena bahan yang lebih murah dapat terlibat di dalamnya seperti plastik, misalnya, sehingga mengurangi masalah korosi. Menurut prinsip keseimbangan uap-cair, proses MD memiliki faktor rejeksi tinggi. Selain itu, ukuran pori membran diperlukan untuk MD relatif lebih besar dari membran lainnya untuk proses pemisahan, seperti RO. Oleh karena itu, MD jarang mengalami fouling. Sistem MD bertambah baik jika digabungkan dengan proses pemisahan lainnya untuk membuat sistem pemisahan
5 terintegrasi, seperti ultrafiltrasi (UF) atau dengan unit RO.
Selanjutnya, MD memiliki kemampuan untuk memanfaatkan sumber energi alternatif, seperti energi surya [7]. Proses MD juga kompetitif untuk desalinasi air laut dan air payau [10]. Sistem MD juga merupakan proses yang efektif untuk menghilangkan logam organik dan logam berat dari larutan [12], juga dari air limbah [13]. MD juga telah digunakan untuk mengolah limbah radioaktif, sehingga produk dapat dengan aman dibuang ke lingkungan [14]. Namun, MD juga memiliki beberapa kelemahan seperti fluks yang rendah (dibandingkan dengan proses pemisahan lainnya, seperti RO), udara yang terjebak dalam membran menyebabkan hambatan dalam transfer massa, yang juga mengurangi fluks permeat. Selain itu, panas yang hilang oleh konduksi juga cukup besar.
Perpindahan massa di MD dikendalikan oleh tiga mekanisme dasar, yaitu difusi Knudsen, aliran Poiseuille (aliran kental), dan difusi molekul. Hal ini menimbulkan beberapa jenis hambatan terhadap perpindahan massa yaitu yang dihasilkan dari transfer momentum untuk membran (kekentalan), tabrakan molekul dengan molekul lain (resistance molekul), atau dengan membran itu sendiri- hambatan Knudsen.
Di antara aplikasi lain dari proses MD, sebagian besar penelitian telah difokuskan pada desalinasi dan pengolahan air / limbah [37]. Paten pertama pada proses MD dikeluarkan pada tahun 1963. Setelah ini, Lawson dan Lloyd melakukan kajian mendalam tentang MD dan bersejarah di tahun 1997. Berbagai aplikasi MD dan aspek teoritis juga ditinjau secara komprehensif oleh berbagai tim peneliti. Pada awal tahun 1986, sebuah lokakarya pada distilasi membran diselenggarakan oleh Enrico Drioli di Roma, Italia. Membran distilasi berkembang dengan lambat di 1990. Sekarang ini, distilasi membran telah tumbuh secara signifikan, dan meskipun beberapa kelemahan masih tetap ada, skala besar untuk aplikasi desalinasi air laut dan air garam banyak dipertimbangkan.
Dalam literatur ilmiah, jumlah rata-rata publikasi tentang distilasi membran pada 1990-an adalah 14,6. Ini sedikit menurun menjadi 13,6 selama lima tahun sebelum tahun referensi yaitu 2004. Jangka waktu lima tahun meningkat dengan rata-rata 42,4, dan meningkat dua kali lipat pada 2011 mencapai 85. Dengan demikian, dapat dinyatakan bahwa terjadi peningkatan yang tajam dalam ketertarikan terhadap distilasi membran.
Namun, dorongan terbesar untuk distilasi membran adalah demonstrasi teknologi pada skala yang lebih besar, terutama oleh Proses Memstill, yang mendirikan pabrik percontohan 2 m3 / d di Senoko Refuse Incineration Plant dari Februari 2006 sampai Juni 2007 (oleh TNO, Belanda, dan Keppel Seghers, Singapura)., yang kemudian akan ditingkatkan hingga 600 m2.
Sekali lagi, kemajuan telah banyak berkembang dalam bidang aplikasi lainnya dari pengolahan air limbah. Hal ini terkait dengan nilai tambah produk di satu sisi, karena air limbah masih dirasakan sebagai produk tidak ada nilainya dibandingkan dengan air laut (meskipun pikiran dapat berubah); di sisi lain, itu harus diakui bahwa ada tantangan
khusus untuk distilasi membran ketika digunakan untuk pengolahan air limbah, seperti peningkatan risiko untuk efek fouling karena fraksi organik yang ada dalam air limbah.
Aspek lain yang lebih umum yang akan merangsang terobosan dari distilasi membran di berbagai aplikasi, termasuk pengolahan air limbah, adalah sebagai berikut.
(A) Peningkatan perpindahan panas: Operasi distilasi membran pada gradien suhu rendah akan meningkatkan efisiensi proses juga ekonomi.
(B) Bahan membran dengan peningkatan fluks air dan jarang menimbulkan fouling: beberapa perbaikan bahan membran dengan fitur yang luar biasa telah diusulkan dalam literatur, misalnya menggunakan, karbon nanotubes atau serat electrospun. Kedua metode bergantung pada kombinasi antara hidrofobik dan kecepatan transportasi. Membran tersebut harus tersedia secara komersial pada skala yang cukup besar dan pada biaya yang realistis.
(C) struktur membran komposit yang dirancang khusus untuk distilasi membran: ini merupakan kombinasi antara lapisan hidrofobik dan hidrofilik[38,39] dan penggunaan permukaan molekul makro yang sudah dimodifikasi[40]. Membran tersebut difokuskan pada operasi yang stabil dari distilasi membran, khususnya di pabrik berskala besar.
3.4 Kristalisasi Membran
Membran kristalisasi (MCR) adalah sebuah konsep yang inovatif terkait untuk penerapan teknologi membran dalam proses kristalisasi. Kristalisasi adalah salah satu pemisahan yang paling banyak diterapkan di proses dalam industri kimia [41]. Banyak produk yang digunakan sehari-hari seperti obat-obatan, bahan kimia, pigmen, dan lain-lain yang dipasarkan dalam bentuk kristal. Dalam rangka untuk mendapatkan produk berkualitas tinggi, sangat penting untuk mengendalikan sifat produk seperti morfologi kristal (bentuk, sifat, ukuran rata-rata, distribusi ukuran), struktur (polimorfisme), dan kemurnian (susunan teratur dari blok bangunan dalam kisi). Semua sifat ini memiliki dampak yang cukup besar pada penggunaan dari produk kristal. Morfologi kristal sangat penting untuk filtrasi, pengeringan, pemadatan, dan penyimpanan.
Polimorfisme memainkan peran utama, misalnya, dalam industri farmasi [42] bentuk polimorfik/tampilan yang berbeda dari substansi yang sama memiliki karakteristik fisikokimia yang berbeda, sehingga setiap bentuk harus diperlakukan seperti bahan khusus, yang berbeda dari lain.
Teknologi MCR diharapkan memberikan kontribusi yang mendasar dalam desalinasi air laut, untuk mengatasi kebutuhan air minum di daerah yang kekurangan air. Meskipun reverse osmosis (RO) untuk desalinasi air laut hari ini dianggap sebagai solusi yang paling efektif untuk kebutuhan air minum, faktor kunci untuk perbaikan lebih lanjut dalam sistem desalinasi
6 berbasis membran adalah biaya pengurangan, peningkatan faktor pemulihan air, perbaikan kualitas air, strategi pembuangan air garam baru. Bahkan, masalah mendasar dalam desalinasi adalah aspek lingkungan dari limbah yang dihasilkan RO. Praktik pembuangan limbah yang paling sering adalah dibuang langsung ke lingkungan tanpa pengolahan lebih dahulu. Jika kehadiran NF sebagai pengolahan sebelum dilakukannya RO dapat memungkinkan peningkatan pemulihan air dari unit RO hingga 50%, maka jika NF diganti oleh kristalisasi membran secara teoritis sebesar 100% pemulihan dari sistem secara keseluruhan, dan oleh karena itu untuk mengatasi masalah pembuangan air garam, jika menggunakan kristalisasi membran dapat dihasilkan juga kristal murni yang berharga. Hasil utama yang mungkin diperoleh dengan mengintegrasikan MCR dengan NF dan / atau RO adalah:
- Pengurangan jumlah besar air garam.
- Peningkatan faktor pemulihan air secara keseluruhan.
- Produksi produk kristal berharga (seperti NaCl, MgSO4.7H2O, LiCl, dll).
Oleh karena itu, MCR merupakan aplikasi yang efisien untuk meningkatkan proses desalinasi air laut dengan pembuangan limbah yang mendekati nol dan pembentukan produk padat/kristal yang berharga.
Namun bagaimana penerapan kristalisasi membran untuk pengolahan limbah? Sejalan dengan distilasi membran, kelompok Drioli secara aktif mempromosikan ide yang lebih umum dari kontaktor membran sejak yang 1990-an.[43] Langkah demi langkah dilakukan sehingga akademisi dan industrialis menyadari potensi kontaktor membran, yang menyebabkan penelitian dan investasi pada bidang ini meningkat pesat. Minat terkait dengan penerapan kontaktor membran untuk menangkap CO2, sering dengan menggunakan sistem yang didasarkan pada cairan ionik.[44] Setelah penyerapan CO2, larutan yang mengandung garam yang jenuh karena kehilangan air;
membran itu sendiri yang menginduksi kristalisasi heterogen, menghasilkan kristal berkualitas tinggi. Kristal yang dihasilkan dapat berupa garam sederhana, tetapi juga, misalnya, protein, yang membuka jalan bagi berbagai aplikasi potensial. Kristalisasi membran memungkinkan operasi pada tingkat kejenuhan yang lebih rendah, karena kristalisasi itu sendiri heterogen karena adanya pori-pori membran yang mendukung proses kristalisasi.
Publikasi pada kontaktor membran tidak muncul sebelum pertengahan 1990-an. Sebelum pergantian abad, hanya 23 makalah dalam bidang ini yang diterbitkan.
Hebatnya, makalah Gabelman dan Hwang ("berongga kontaktor membran serat") [45] adalah makalah yang paling sering dikutip dalam Journal of Membrane Sains pada tahun 1999, yang sekarang ini sudah mendekati 500 kutipan. Sejak tahun 2004, jumlah publikasi telah meningkat, namun rata-rata jumlah publikasi per tahun antara tahun 2004 dan 2012 masih sekitar 50. Membran kristalisasi sederhana bahkan kurang dikenal dan hanya dianggap sebagai proses untuk yang menyukainya saja sehingga kurang dari 10 makalah per tahun yang
dipublikasikan terkait subjek ini sejauh ini. Namun, mereka dapat menarik minat banyak orang sehingga Enrico Drioli adalah 7 dari 10 penulis yang tulisannya paling sering dikutip tentang kristalisasi membran, sehingga ia dianggap sebagai bapak dari proses ini.
Hal ini dapat diasumsikan bahwa kristalisasi membran masih terhalang oleh nilai ekonomis kristal yang rendah saat pengolahan air limbah. Meskipun demikian, aplikasi kristalisasi membran mungkin lebih mudah dalam aplikasi ekonomi yang lebih menarik misalnya, pemurnian protein atau dalam produksi senyawa farmasi, yang akan memungkinkan proses untuk menjadi lebih matang. Hal ini akan membuka pintu menuju aplikasi lainnya juga. Salah satunya pada CO2 untuk produksi mineral yang mengandung karbonat. Keuntungan menggunakan kristalisasi membran adalah kristal yang diperoleh mengandung kemurnian yang tinggi dan kemudahan kristalisasi pada tingkat di bawah jenuh. Potensi teknologi dari proses ini sudah jelas, hanya perlu menunggu untuk pasar pemasok dan pengguna akhir.
4. Aplikasi dalam Industri
Mengevaluasi proses membran dalam pengolahan limbah sangat menarik terutama dengan melihat bagaimana proses ini berkembang pesat selama 1 dekade terakhir ini. Selain mikrofiltrasi, aplikasi dari semua proses yang terlibat adalah baru, tidak biasa, dan menantang untuk pengolahan air limbah. Beberapa industri yang menerapkan teknologi membran dalam mengolah limbah dijelaskan pada sub bab-sub bab berikut.
4.1 Industri Pulp dan Kertas
Pada pabrik produksi linerboard zero effluent discharge (ZLD) di McKinley Paper plant di New Mexico, aliran limbah dibersihkan menggunakan membran dengan pretreatment ekstensif termasuk dissolved air flotation (DAF) dan lumpur aktif. Setelah lumpur aktif, air yang jernih diolah dengan mikrofiltrasi kontinyu (CMF) menggunakan modul hollow fiber.
Partikel atau foulant yang menempel pada permukaan luar hollow fiber kemudian dihilangkan dengan kombinasi siklus backflus dengan semburan udara.
Permeat MF kemudian diolah dengan reverse osmosis (RO) menggunakan elemen air payau. Proses selanjutnya melibatkan rekompresi, MVR, dan evaporasi. Hal ini membuat pabrik hanya butuh 0,8 m3air/ton produk sebagai air makeup. [9]
4.2 Industri Tekstil
Kasus limbah tekstil adalah kasus khusus, karena memiliki berat zat organik yang setara dengan polutan anorganik. Senyawa organik ditambahkan ke dalam tempat untuk pencelupan tekstil atau untuk keperluan lain. Secara umum, tujuan pengolahan air limbah industri tekstil adalah untuk mengurangi kadar polutan
7 organik, logam berat, padatan tersuspensi dan warna sebelum dibuang ke sungai.
Kebanyakan pengolahan limbah tekstil menggunakan membran reverse osmosis atau nanofiltrasi untuk menghilangkan warna. Masalah yang dihadapi antara lain harga membran yang relatif tinggi, tekanan operasi yang relatif tinggi, fouling, dan umur ekonomis membran yang relatif pendek [46, 47]. Meskipun begitu, teknologi membran ini nantinya akan banyak digunakan karena dapat mengurangi limbah tekstil, biaya air bersih yang semakin tinggi, dan biaya membran yang sudah berkurang.
4.3 Penggunaan Kembali Air Cucian
Penggunaan kembali air cucian biasa dilakukan pada hotel-hotel. Karena hal ini dapat mengurangi biaya untuk penyediaan air bersih. Teknologi membran dapat digunakan untuk menyaring kembali air bekas cucian yang mengandung kotoran dan detergen hingga menghasilkan air bersih yang siap digunakan kembali untuk mencuci [6].
4.4 Pengolahan Air Laut
Pada proses pengolahan air laut, khususnya limbah brine dari unit multistage flash (MSF), saat ini sedang dikembangkan teknologi kontaktor hollow fiber. Teknologi ini berbasis pada pemanfaatan membran mikrofiltrasi yang hidrofobik. Dilakukan pengaturan ukuran pori yang sedemikian rupa, sehingga teknologi ini mampu memisahkan uap dan partikel air dengan sangat sempurna.
Dengan demikian, kemurnian air yang dihasilkan sama sekali tidak bergantung pada konsentrasi umpan. Hal ini memungkinkan untuk melakukan proses produksi air murni pada konsentrasi garam yang sangat pekat. Sebagai akibatnya, proses ini akan menghasilkan produk samping berupa larutan garam yang sangat pekat, yang secara seketika dapat dikristalkan pada temperatur ruang [48].
5. Kesimpulan
Analisis penelitian yang sedang berlangsung jelas menunjukkan muncul minat dalam proses baru dan terintegrasi untuk pengolahan air limbah dan aplikasi yang terkait. Bioreaktor membran dapat mengolah limbah dengan baik namun lebih baik lagi jika diintegrasikan dengan distilasi membran karena dapat menghilangkan senyawa organik dalam air, sehingga dihasilkan air dengan kualitas tinggi.
Membran cascade yang terintegrasi untuk fraksinasi zat terlarut organik dalam larutan yang mengandung air dan larutan yang tak berair telah diakui selama dekade terakhir sebagai alternatif untuk pengembangan bahan membran dengan ukuran pori yang seragam atau membran yang dirancang khusus untuk transportasi selektif dari senyawa tertentu. Hal yang terutama untuk nanofiltrasi dan ultrafiltrasi: telah menunjukkan teknik yang lebih dari sintesis membran sehingga menjanjikan untuk
meningkatkan fraksi. Namun demikian, implementasi dari membran cascade yang terintegrasi harus kembali ditinjau ulang/diuraikan. Pengujian skala laboratorium telah menunjukkan beberapa hambatan misalnya, aliran ganda; selanjutnya, pemisahan fraksi organik dan anorganik juga tetap memiliki tantangan yang harus diatasi karena adanya rejeksi tinggi dari membran ion dengan kandungan/nilai organik yang rendah.
Distilasi membran, di sisi lain, disarankan sebagai proses terintegrasi dengan manfaat yaitu dapat mengolah limbah panas dalam aliran air. Setelah dua dekade tidak dikembangkan, proses distilasi membran telah dibawa ke tingkat yang lebih tinggi dengan mempertimbangkan penggunaan distilasi membran untuk tujuan desalinasi; desalinasi ini dapat menggunakan air laut tapi mungkin bahkan lebih menarik ketika air asin/limbah dari industri juga dijadikan sumber untuk diolah. Air limbah ini sering mengandung limbah panas, atau mungkin dikombinasikan dengan limbah panas yang tersedia, sehingga terdapat produksi air bersih sebagai produk tambahan, dengan distilasi membran sebagai bagian yang berkelanjutan dari keseluruhan kegiatan industri.
Untuk tujuan desalinasi, distilasi membran sudah layak digunakan; untuk pengolahan air asin/limbah yang mengandung senyawa organik yang dihasilkan dari limbah fraksinasi, lebih banyak tantangan yang harus dipenuhi contohnya fouling dari senyawa organik pada membran hidrofobik dan selektivitas pemisahan terutama untuk fraksi massa molar yang rendah dari senyawa organik.
Teknologi jenis kontaktor membran dilihat secara teori sudah layak, tetapi belum banyak diterapkan atau dipahami. Hal ini mungkin berkaitan dengan ketersediaan membran khusus yang terbatas di pasar;
dan potensi dari membran ini pun belum sepenuhnya dipahami secara ilmiah oleh masyarakat.
Kristalisasi membran, yang biasanya dikombinasikan dengan membran kontaktor / proses kristalisasi heterogen, merupakan teknologi baru yang paling luar biasa: proses ini memungkinkan untuk memproduksi kristal dengan kemurnian tinggi, termasuk memproduksi protein tapi juga dapat berupa garam yang umum yang terdapat dalam air limbah.
Proses-proses baru seperti yang dijelaskan di sini mungkin masih memiliki masalah terkait biaya ketika diterapkan untuk pengolahan air limbah, tetapi penelitian telah menunjukkan bahwa walaupun terdapat masalah dari berbagai faktor, proses terintegrasi untuk pengolahan limbah ini baik jika diterapkan. Banyak produk-produk langka/berharga yang dapat dihasilkan dari air limbah melalui proses terintegrasi ini.
Proses pengolahan limbah ini diharapkan dapat diterapkan pada lebih banyak industri lagi selain industri kertas, pulp, dan pengolahan air laut.
8 Daftar Pustaka
REFERENCES
[1] N.C. van de Merbel, J.J. Hageman, U.A.Th.
Brinkman. Membrane based sample preparation for chromatography. J. Chromatogr. 634 (1993) 1-29.
[2] J.P. Brun. Procedes de Separation par Membranes, Hasson, Paris, 1989.
[3] P. Meares. Separation by membranes, in: P.M.
Bungay, H.K. Lonsdale, M.N. de Pinho Eds., Synthetic Membranes: Science, Engineering and Applications, Reidel, Dordrecht, 1986.
[4] J.R.E. Kesting. Synthetic Polymeric Membranes, 2nd ed., Wiley, Irvine, 1985.
[5] I.G. Wenten. “Industri Membran dan Perkembangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.
[6] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, Khoiruddin. “Teknologi Membran dalam Pengolahan Limbah.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.
[7] M.M.A. Shirazi, M. Tabatabaei. Green Energy, in:
Energy Science and Technology, Vol. 1:
Opportunities and Challenges, Studium Press LLC, USA, 2014.
[8] M.M.A. Shirazi, A. Kargari, M.J.A. Shirazi. Direct Contact Membrane Distillation for Seawater Desalination, Desal. Water Treat. 49 (2012) 368-375.
[9] S. Judd, B. Jefferson. Membranes for Industrial Wastewater Recovery and Re-Use. USA: Elsevier, 2003.
[10] Y. Oren. Capacitive Deionization (CDI) for Desalination and Water Treatment-Past, Present and Future (a review), Desalination 228 (2008) 10- 29.
[11] Porada S, Zhao R, van der Wal A, Presser V, Biesheuvel PM. Review on The Science and Technology of Water Desalination by Capacitive Deionization, Prog. Mater. Sci. 58 (2013) 1388-1442.
[12] Li C, Goswami Y, Stefanakos E. Solar Assisted Sea Water Desalination: A review, Renew. Sustain.
Energy Rev. 19 (2013) 136-163.
[13] Shirazi MJA, Bazgir S, Shirazi MMA, Ramakrishna S. Coalescing Filtration of Oily Wastewaters:
Characterization and Application of Thermal Treated Electrospun Polystyrene Filters, Desal.
Water Treat. 51 (2013) 5974-5986.
[14] Shirazi MMA, Kargari A, Bazgir S, Tabatabaei M, Shirazi MJA, Abdullah MS, Matsuura T, Ismail AF. Characterization of Electrospun Polystyrene Membrane for Treatment of Biodiesel’s Water- Washing Effluent Using Atomic Force Microscopy, Desalination 29 (2013) 1-8.
[15] P. Wang, T.S. Chung. Recent Advances in Membrane Distillation Processes: Membrane Development, Configuration Design and
Application Exploring, J. Membr. Sci. 474 (2015) 39-56.
[16] Shirazi MMA, Kargari A, Tabatabaei M, Ismail AF, Matsuura T. Concentrating of Glycerol from Dilute Glycerol Wastewater Using Sweeping Gas Membrane Distillation, Chem. Eng. Proc.:
Process Intensif. 78 (2014) 58-66.
[17] Kotsanopoulos KV, Arvanitoyannis IS. 2013.
Membrane Processing Technology in Food Industry: Food Processing, Wastewater Treatment and Effects on Physical, Microbiological, Organoleptic and Nutritional Properties of Foods, Critical Rev. Food Sci.
Nutrition. 55 (2013) 1147-1175.
[18] Ramos C, Zecchino F, Ezquerra D, Diez V.
Chemical Cleaning of Membranes from An Anaerobic Membrane Bioreactor Treating Food Industry Wastewater, J. Membr. Sci. 458 (2014) 179-188.
[19] Cassano A, Molinari R, Romano M, Drioli E.
Treatment of Aqueous Effluents of The Leather Industry by Membrane Processes: A review, J. Membr. Sci. 181 (2001) 111-126.
[20] Lau WJ, Ismail AF, Firdaus. Car Wash Industry in Malaysia: Treatment of Car Wash Effluent Using Ultrafiltration and Nanofiltration Membranes, Sep. Purif. Technol. 104 (2013) 26- 31.
[21] Mohammadi S, Kargari A, Sanaeepour H, AbbasianKh, Najafi A, Mofarrah E. Phenol Removal from Industrial Wastewaters: A Short Review, Desal. Water Treat. 53 (2015) 2215-2234.
[22] Charcosset C. A review of Membrane Processes and Renewable Energies for Desalination, Desalination 245 (2009) 214-231.
[23] Industrial notebook. Filtration and Separation 34 (1997) 990.
[24] Molinos-Senante, M.; Garrido-Baserba, M.; Reif, R.; Hernandez-Sancho, F.; Poch, M. Assessment of Wastewater Treatment Plant Design for Small Communities: Environmental and Economic Aspects. Sci. Total Environ. 427 (2012) 11-18.
[25] I.G. Wenten, A.N. Hakim, P.T.P. Aryanti.
Bioreaktor Membran untuk Pengolahan Limbah Industri.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.
[26] Judd, S., The Status of Membrane Bioreactor Technology. Trends in Biotechnology, 26(2) (2008) 109-116.
[27] Phattaranawik, J., Fane, A.G., Pasquier, A.C.S.
& Bing, W. A Novel Membrane Bioreactor Based on Membrane Distillation. Desalination 223 (2008) 386-395.
[28] Lotito, A. M.; Fratino, U.; Bergna, G.; Di Iaconi, C. Integrated Biological and Ozone
9 Treatment of Printing Textile Wastewater. Chem.
Eng. J. 195 (2012) 261-269.
[29] Van der Bruggen, B.; Braeken, L. Comparison of Methods to Enhance Separation Characteristics in Nanofiltration. Ind. Eng. Chem. Res. 46 (2007) 2236.
[30] Seader, J. D.; Henley, E. J. Separation Process Principles, 2nd ed.; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, 2006.
[31] Vanneste, J.; De Ron, S.; Vandecruys, S.; Soare, S.
A.; Darvishmanesh, S.; Van der Bruggen, B.
Techno-Economic Evaluation of Membrane Cascades Relative to Simulated Moving Bed Chromatography for The Purification of Mono- and Oligosaccharides. Sep. Purif. Technol. 80 (3) (2011) 600-609.
[32] Abejon, R.; Garea, A.; Irabien. A. Integrated Countercurrent Reverse Osmosis Cascades for Hydrogen Peroxide Ultrapurification. Comput.
Chem. Eng. 41 (2012) 67-76.
[33] Mayani, M.; Filipe, C. D. M.; Ghosh, R. 2010.
Cascade Ultrafiltration Systems-Integrated Processes for Purification and Concentration of Lysozyme. J. Membr. Sci. 347 (1) (2010) 150-158.
[34] Lin, J. C. T.; Livingston, A. G. Nanofiltration Membrane Cascade for Continuous Solvent Exchange. Chem. Eng. Sci. 62 (10) (2007) 2728- 2736.
[35] Kargari A, Shirazi MMA. Solar-Assisted Membrane Distillation: Water Desalination, in: Encyclopedia of Energy Engineering and Technology (2nd Ed.), Taylor & Francis. (2014) DOI: 10.1081/E-EEE2- 120051388.
[36] Alkhudhiri A, Darwish N, Hilal N. Membrane Distillation: A Comprehensive Review, Desalination.
287 (2012) 2-18.
[37] Khayet M. Solar Desalination by Membrane Distillation: Dispersion in Energy Consumption Analysis and Water Production Costs (a review), Desalination 308 (2013) 89-101.
[38] Khayet, M.; Matsuura, T.; Qtaishat, M. Rana, D.
Preparation and Characterization of Novel Hydrophobic/Hydrophilic Polyetherimide
Composite Membranes for desalination by DCMD. 327 (1) 264-273.
[39] Edwie, F.; Teoh, M. M.; Chung, T. S. Effects of Additives on Dual-Layer Hydrophobic- Hydrophilic PVDF Hollow Fiber Membranes for Membrane Distillation and Continuous Performance. Chem. Eng. Sci. 68(1) (2012) 567- 578.
[40] Suk, D. E.; Matsuura, T.; Park, H. B.; Lee, Y. M.
Development of Novel Surface Modified Phase Inversion Membranes Having Hydrophobic Surface-Modifying Macromolecule (nSMM) for Vacuum Membrane Distillation. Desalination.
261(3) (2010) 300-312.
[41] Myerson AS. Handbook of Industrial Crystallization. 2nd ed. London: Butterworth- Heinemann, 2002.
[42] Bernstein J, Davey RJ, Henck JO. Concomitant Polymorphs. Angew Chem Int. 38 (1999) 3440- 3461.
[43] Drioli, E.; Criscuoli, A.; Curcio, E. Membrane Contacters: Fundamentals, Applications and Potentialities; Membrane Science and Technology Series 11; Elsevier: Amsterdam, 2006.
[44] Luis, P.; Van Gerven, T.; Van der Bruggen, B.
Recent Developments in Membrane-Based Technologies for CO2 Capture. Progr. Energ.
Combust. Sci. 38(3) (2012) 419-448.
[45] Gabelman, A.; Hwang, S. T. Hollow Fiber Membrane Contactors. J. Membr. Sci. 159(1) (1999) 61-106.
[46] I.G. Wenten. “Teknologi Membran: Prospek dan Tantangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.
[47] I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N.
Hakim. “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010.
[48] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim.
“Teknologi Membran dalam Pengolahan Air.”
Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.
