5 2.1 Membran
Membran berasal dari bahasa Latin “membrana” yang berarti kulit kertas. Saat ini kata “membran” telah diperluas untuk menggambarkan suatu lembaran tipis fleksibel atau film, bertindak sebagai pemisah selektif antara dua
fase karena bersifat semipermeabel (Widayanti, 2013). Membran bersifat semipermeabel, berarti membran dapat menahan spesi-spesi tertentu yang lebih besar dari ukuran pori membran dan melewatkan spesi-spesi lain dengan ukuran lebih kecil.
Membran merupakan alat pemisah berupa penghalang yang bersifat selektif yang dapat memisahkan dua fase dari berbagai campuran. Campuran tersebut dapat bersifat homogen atau heterogen dan dapat berupa padatan, cairan atau gas. Transportasi pada membran 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 (Pabby et al, 2009).
Membran didefinisikan sebagai suatu media berpori, berbentuk film tipis, bersifat semipermeabel yang berfungsi untuk memisahkan partikel dengan ukuran molekuler (spesi) dalam suatu sistem larutan. Spesi yang memiliki ukuran yang lebih besar dari pori membran akan tertahan sedangkan spesi dengan ukuran yang lebih kecil dari pori membran akan lolos menembus pori membran (Kesting, RE, 2000).
Operasi membran merupakan suatu operasi yang membagi umpan
memurnikan larutan atau suspensi (pelarut zat terlarut atau pemisahan partikel) dan untuk memisahkan suatu campuran (Bungay,et.,1983). Pemisahan berdasarkan membran memiliki keunggulan tersendiri karena lebih sedikit energi yang digunakan dan lebih ekonomis dibandingkan dengan teknologi pemisahan lainnya.
Teknologi membran mempunyai beberapa keunggulan yaitu proses pemisahannya berlangsung pada suhu kamar, dapat dilakukan secara kontinyu, sifat yang bervariasi, dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Selain memiliki
sifat yang unggul, teknologi membran juga mempunyai kelemahan yaitu pada fluks dan selektivitas. Pada proses membran terjadi perbedaan yang berbanding terbalik antara fluks dan selektivitas. Semakin tinggi fluks berakibat menurunnya selektivitas pada membran. Sedangkan yang paling diharapkan pada membran adalah mempertinggi fluks dan selektivitas dari kinerja membran tersebut (Agustina, Siti dkk, 2008).
2.1.1 Klasifikasi Membran
Menurut Mulder (1996), membran dapat diklasifikasikan berdasarkan asalnya, struktur/morfologi, prinsip pemisahan, dan sifat listriknya.
a. Berdasarkan asal membran
Berdasarkan asalnya membran dapat dibagi menjadi 2 yaitu :
1. Membran alami adalah membran yang terdapat pada jaringan makhluk hidup. Membran alami sering disebut membran sel atau membran biologis yang berfungsi sebagai alat transport zat pada sel.
2. Membran sintetik (membran buatan), adalah membran yang dibuat oleh manusia untuk tujuan tertentu. Membran sintetik dibagi menjadi membran organik (polimer) dan anorganik (keramik).
b. Berdasarkan struktur membran
1. Membran simetri adalah membran yang mempunyai ukuran dan kerapatan pori homogen pada kedua sisi membran, tebalnya sekitar 10-200 µm.
2. Membran asimetri adalah membran yang mempunyai ukuran pori lebih kecil dan distribusi pori lebih rapat pada lapisan permukaan dengan tebal sekitar 0,1-0,5 µm, sedangkan pada lapisan pendukung, ukuran porinya lebih besar atau membesar dan distribusi porinya lebih renggang dengan tebal sekitar 50-150 µm. Membran ini dapat berasal dari satu
jenis bahan polimer atau bisa juga dari dua atau lebih polimer yang dikenal sebagai membran komposit.
c. Berdasarkan prinsip pemisahan dengan membran
Berdasarkan prinsip pemisahannya, membran dapat dikelompokkan menjadi 3 (Mulder, 1996), yaitu :
1. Membran berpori
Membran yang melakukan pemisahan berdasarkan perbedaan ukuran partikel. Selektivitas membran terutama ditentukan oleh ukuran pori terhadap ukuran partikel yang akan dipisahkan. Bahan pembuatan membran tidak memberikan pengaruh yang begitu besar pada pemisahan tersebut. Membran ini digunakan pada teknik ultrafiltrasi dan mikrofiltrasi.
2. Membran tidak berpori
Membran jenis ini mampu memisahkan molekul yang berukuran hampir sama. Proses pemisahan terjadi melalui perbedaan daya larut dan atau difusi. Ini berarti sifat intrinsik material menentukan tingkat selektivitas dan permeabilitas. Membran ini digunakan dalam pervaporasi dan pemisahan gas.
3. Membran cair (berbentuk emulsi)
Pemisahan menggunakan membran cair sering dilakukan dengan teknik difusi, yang dapat dilakukan dengan memilih jenis emulsi dan zat pembawa yang spesifik untuk zat tertentu.
d. Berdasarkan sifat listrik membran
Menurut Nuwair (2009), berdasarkan sifat listriknya membran sintetik dapat dikelompokkan menjadi 2 yaitu :
1. Membran bermuatan tetap adalah membran dimana molekul-molekul ionnya menempel pada kisi (lattice) membran secara kimia. Ion-ion
tidak dapat berpindah dan membentuk lapisan tipis bermuatan pada membran. Membran ini dapat dilalui oleh ion-ion tertentu.
Membran ini dibagi menjadi tiga jenis, yaitu :
a. Membran penukar kation / Cation Exchange Membrane (CEM) adalah membran bermuatan anion, yang hanya dapat dilewati oleh kation.
b. Membran penukar anion / Anion Exchange Membrane (AEM) adalah membran bermuatan kation, yang hanya dapat dilewati oleh anion.
c. Double Fixed Charge Membrane (DFCM) adalah membran bermuatan yang memiliki muatan anion dan kation pada bagian lattice tertentu, yang merupakan gabungan CEM dan AEM.
2. Membran tidak bermuatan tetap adalah membran yang disebut juga membran netral. Membran ini terdiri dari polimer yang tidak mengikat ion-ion sebagai ion tetap dan bersifat selektif terhadap larutan kimia. Selektivitas membran netral ditentukan oleh unsur-unsur penyusun, ikatan kimia, ukuran pori-pori, daya tahan terhadap tekanan dan temperatur, resistivitas dan konduktansi, serta karakteristik sifat listrik
2.1.2 Prinsip Proses Pemisahan Membran
Sumber: Teknologi Membran USU, 2015
Gambar 1. Skema proses pemisahan menggunakan membran
Pada prinsipnya proses pemisahan dengan menggunakan membran adalah proses pemisahan antara pelarut dengan zat terlarut. Pelarut dipisahkan dengan zat terlarut yang akan tertahan pada membran atau yang disebut dengan konsentrat,
sedangkan pelarut akan lolos melalui membran yang dinamakan permeate.
Proses pemisahan dengan membran mempunyai kemampuan memindahkan salah satu komponen berdasarkan sifat fisik dan kimia membran serta komponen
yang dipisahkan. Perpindahan yang terjadi karena adanya gaya dorong (driving force) dalam umpan yang berupa beda tekanan ( P), beda konsentrasi ( C), beda potensial listrik ( E), dan beda temperatur ( T), serta selektifitas membran yang dinyatakan
dengan rejeksi.
permeat. Untuk kasus dead end, resistan meningkat menurut ketebalan lapisan fouling yang terbentuk pada permukaan membran.
2.1.3 Kinerja Membran
Kinerja atau efisiensi perpindahan didalam membran ditentukan oleh dua parameter yaitu :
a. Permeabilitas
Permeabilitas sering disebut juga sebagai kecepatan permeat atau fluks adalah jumlah volume permeat yang melewati satu satuan permukaan luas membran dengan waktu tertentu dengan adannya gaya dorong dalam hal ini berupa tekanan. Pada proses filtrasi, nilai fluks yang umum dipakai adalah fluks volume yang dinyatakan sebagai volume larutan umpan yang dapat melewati membran per satuan waktu per satuan luas membran. Faktor yang mempengaruhi permeabilitas adalah jumlah dan ukuran pori, interaksi antara membran dan larutan umpan, viskositas larutan serta tekanan dari luar.
Permeabilitas membran dilihat dari fluks, dimana fluks adalah kecepatan aliran melewati membran yang dihitung dengan persamaan:
J =
Dalam hal ini, J adalah fluks cairan, sedangkan V adalah volume permeat, dan t adalah waktu permeat, serta A adalah luas permukaan membran.
b. Selektivitas
Selektivitas suatu membran merupakan ukuran kemampuan suatu alat membran keramik menahan suatu suspensi atau melewati suatu suspensi tertentu lainnya.
Penentuan tolakan (R) ditentukan oleh persamaan:
R = ( 1 )
Dalam hal ini, Cp adalah konsentrasi zat terlarut di dalam permeat dan Cb adalah rata-rata konsentrasi zat terlarut di dalam umpan (feed) dan rentetat.
Ukuran pori juga berperan dalam menentukan selektifitas membran, dimana membran yang memiliki ukuran pori kecil akan memberikan tolakan yang lebih besar
daripada membran yang mempunyai ukuran pori lebih besar (Mulder, 1991).
2.1.4 Faktor yang Memengaruhi Kinerja Membran
Beberapa faktor yang mempengaruhi dalam penggunaan membran diantaranya : 1. Ukuran Molekul
Ukuran molekul membran sangat mempengaruhi kinerja membran. 2. Bentuk Membran
Membran dapat dibuat dalam berbagai macam bentuk, seperti bentuk datar, bentuk tabung, dan bentuk serat berongga.
3. Bahan Membran
Perbedaan bahan membran akan berpengaruh pada hasil rejeksi dan distribusi ukuran pori.
4. Karakteristik Larutan
Karakteristik larutan ini akan memberi pengaruh terhadap permeabilitas membran.
5. Parameter operasional
Jenis parameter yang digunakan pada operasional umumnya terdiri dari tekanan membran, permukaan membran, temperatur dan konsentrasi.
2.1.5 Keunggulan Membran
2. Pemakaianan energi yang relatif rendah karena biasanya pemisahan menggunakan membran tidak melibatkan perubahan fasa.
3. Tidak menggunakan zat bantu kimia dan tidak ada tambahan produk buangan. 4. Bersifat modular, artinya dapat di scale up dengan memperbanyak unitnya. 5. Dapat digabungkan dengan jenis operasi lainnya.
2.1.6 Keunggulan dan Kelemahan Teknologi Membran
Jika dibandingkan dengan teknologi pemisahan lainnya, keunggulan
dari teknologi membran antara lain :
1. Pemisahan dapat dilakukan secara kontinyu 2. Konsumsi energi umumnya relatif rendah
3. Proses membran dapat dengan mudah digabungkan dengan proses pemisahan lainnya (hybrid processing)
4. Pemisahan dapat dilakukan dengan kondisi operasi yang dapat diatur 5. Mudah dalam scale up
6. Tidak memerlukan bahan tambahan
Namun, dalam pengoperasian harus diperhatikan hal-hal berikut : 1. Penyumbatan
2. Umur membran yang singkat 3. Selektivitas yang rendah
2.1.7 Membran Cellulose Nitrat
Membran selulosa nitrat terdiri dari 20% selulosa asetat dan 80% selulosa nitrat. Membran selulosa nitrat lebih halus dan lebih seragam dibandingkan dengan permukaan filter selulosa nitrat murni, warna permukaan
Selulosa memiliki tiga gugus hidroksil per residu anhidroglukosa, sehingga dapat dilakukan reaksi-reaksi seperti esterifikasi, eterifikasi dan lain-lain. Bentuk esterifikasi selulosa dengan menggunakan anhidrida asam nitrat menghasilkan selulosa nitrat (CN). Membran selulosa nitrat adalah membran yang dihasilkan dari selulosa ester anorganik turunan selulosa dengan asam nitrat. Bahan kimia pembuatan membran selulosa nitrat yaitu asam nitrat dan asam sulfat. Membran selulosa nitrat merupakan polimer yang bersifat hidrofilik, ester organic selulosa yang berupa padatan tidak berbau, tidak
beracun, tidak berasa, yang berwarna putih yang dibuat dengan mereaksikan selulosa dengan asam nitrat anhidrat dengan bantuan asam sulfat sebagai katalis (Kroschiwitch, 1990). Selulosa nitrat digunakan untuk bahan baku cat plastik, bahan peledak, plastik cetakan, film fotografi, penyalut (coating), dan rayon (Brady dan Clausser, 1991).
Keuntungan selulosa nitrat sebagai material membran adalah bersifat hidrofilik, sehingga mempunyai ketahanan yang baik terhadap terjadinya fouling terutama terhadap protein dan lemak. Membran selulosa nitrat juga relatif tahan terhadap natrium hipoklorat yang banyak digunakan sebagai bahan pembersih dan sanitasi (Scott dan Hughes, 1996).
Kerugian dari membran ini adalah kecenderungan terjadinya hidrolisis pada kondisi pH dibawah 3 dan diatas 7. Membran jenis ini mudah didegradasi oleh mikroorganisme (Scott dan Hughes, 1996). Kelemahan lainnya dari membran selulosa nitrat ini adalah resistensinya yang lemah terhadap klorin (Wenten, 1999).
Beberapa aplikasi membran selulosa nitrat di bidang bioteknologi antara lain sterilisasi media, pemisahan produk dari media dan pemurnian produk. Selain itu membran selulosa nitrat dapat juga digunakan pada berbagai industri,
antara lain :
2. Pabrik alkohol, seperti penghilangan kotoran dan senyawa tertentu dari molase, pengambilan kembali ragi untuk diumpankan kembali, pemisahan air dan alkohol untuk produksi alkohol absolut.
3. Pabrik susu, seperti pemekatan susu, pemisahan konsentrat protein dan lemak dalam susu.
4. Penjernihan air untuk keperluan air minum dan air untuk industri.
2.2 Teknologi Pervaporasi
Pervaporasi adalah proses pemisahan yang mengontakkan campuran larutan secara langsung dengan salah satu sisi dari membran (upsteam side), sedangkan produknya yaitu permeat atau pervaporat, dikeluarkan dalam fasa uap dari sisi membran yang lain (downsteam side) (Bungay, et al., 1983).
Pervaporasi merupakan teknik pemisahan menggunakan membran yang saat ini berkembang dan dianggap dapat menjadi alternatif pengganti proses distilasi pada campuran azeotropik serta dehidrasi pelarut. Hal ini terutama terlihat dari penggunaan energi yang sangat efisien (Huang, et al., 2006).
Pervaporasi merupakan teknik pemisahan berdasarkan transport selektif melalui celah tebal yang digabungkan dengan evaporasi (Tsai et al. 2000). Pervaporasi dapat dilakukan dengan menggunakan membran berpori ataupun nonpori (Nawawi, 2008).
Pervaporasi adalah suatu proses pemisahan menggunakan membran yang berbeda dari semua proses membran yang lain karena terjadi perubahan fase permeat dari cair menjadi uap selama perpindahan bahan. Umpan dalam proses pervaporasi berfase cair. Daya dorong dalam membran dicapai dengan menurunkan aktivitas komponen permeat. Komponen – komponen dalam campuran permeat melalui membran dan menguap sebagai hasil dari tekanan
tekanan parsialnya menurun dari komponen permeat (Rautenbach & Albrecht, 1989).
Pervaporasi merupakan proses pemisahan membran yang relatif baru, dimana secara umum digunakan untuk pemisahan berdasarkan prinsip seperti osmosa balik dan pemisahan gas membran. Dalam pervaporasi, campuran cairan yang dipisahkan (umpan) ditempatkan berkontak pada salah satu sisi dari membran dan produk yang diserap (permeat) dipisahkan sebagai uap bertekanan rendah dari sisi yang lain. Uap permeat dapat dikondensasikan dan
dihasilkan sesuai yang diinginkan. Gradien potensial kimia yang melewati membran adalah daya dorong untuk perpindahan massa. Daya dorong tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan pompa vakum atau pembawa inert (umumnya udara atau uap) pada bagian permeat untuk menjaga tekanan uap permeat lebih rendah dari tekanan parsial cairan umpan.
Penerapan pervaporasi dapat digolongkan menjadi tiga kategori : a. Dehidrasi pelarut organik,
b. Pemisahan senyawa organik dari larutan, c. Pemisahan dari campuran organic anhidrat.
Pemisahan pervaporasi ditentukan oleh sifat kimia dari penyusun membran, struktur fisik dari membran, sifat fisikokimia dari campuran yang akan dipisahkan, dan interaksi antara permeat-membran (Huang and Feng, 1997). Proses pemisahan etanol dari komponen cair lainnya menggunakan teknik konvensional yaitu distilasi (penyulingan) dengan memanfaatkan perbedaan titik uap antara etanol dan komponen – komponen cair lainnya. Distilasi dapat menghasilkan etanol yang lebih murni, tetapi maksimal hanya menghasilkan konsentrasi sebesar 95,6 % (pada titik azeotropnya), proses pemisahan yang relatif lama dan memerlukan energi yang relatif besar. Pada
Pervaporasi merupakan teknik pemisahan menggunakan membran yang saat ini berkembang dan dianggap dapat menjadi alternatif pengganti proses distilasi pada campuran azeotropik serta dehidrasi pelarut. Hal ini terutama terlihat dari penggunaan energi yang sangat efisien (Huang, et al., 2006).
Pervaporasi mempunyai karakteristik pemisahan lebih spesifik karena dapat dilakukan pada titik azeotrop dari keseimbangan uap-cair. Ketika terjadi perpindahan bahan dalam membran dengan adanya penyerapan, membran pervaporasi dapat menunjukkan sifat penyerapan yang baik untuk komponen
permeat yang sesuai. Hal ini melibatkan derajat pengembangan membran yang tinggi. Heiser, Binning dan James adalah orang – orang yang mempelajari teknik pervaporasi secara ilmiah. Proses ini menarik minat dari sejumlah ilmuwan dan selama tahun 1960an banyak laboratorium penelitian mulai melakukan uji pervaporasi. Beberapa proses pada mulanya dalam tahap pilot plant, tetapi akhir – akhir ini pervaporasi diterapkan lebih luas dalam industry. (Rautenbach and Albrecht, 1989).
Di negara – negara maju, teknologi pervaporasi berkembang sangat pesat dan telah diterapkan secara besar – besaran dalam skala industry. Tetapi di Indonesia, pengenalan terhadap teknologi pervaporasi ini masih relatif baru sehingga penerapannya dalam skala industri masih terbatas. Pada pervaporasi etanol – air, membran yang digunakan harus bersifat hidrofilik dan selektif. Salah satu membran yang dapat digunakan dalam proses ini adalah membran selulosa nitrat. Selulosa nitrat merupakan suatu senyawa kimia buatan yang digunakan dalam film fotografi. Secara kimia, selulosa nitrat adalah ester dari asam nitrat dan selulosa. Selain pada film fotografi, senyawa ini juga digunakan sebagai komponen dalam bahan perekat, serta sebagai serat sintetik. Selulosa nitrat, pada dasarnya merupakan salah satu jenis polimer yang paling banyak
Kebutuhan energi untuk dehidrasi etanol dengan berbagai metode pemisahan dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Kebutuhan energi untuk dehidrasi etanol
Metode Pemurnian (% w/w) Kebutuhan energi
(kJ/kg)
Distilasi 80 – 99,5 10376
Distilasi azeotropik 95,0 – 99,5 3305
Pervaporasi 95,0 – 99,5 423
Dari tabel tersebut dapat dilihat bahwa pervaporasi merupakan pilihan yang paling hemat energi dalam dehidrasi etanol – air (Huang, et al., 2006).
Peningkatan tekanan pada sisi bagian bawah membran dalam pervaporasi dapat menurunkan selektivitas. Tekanan sisi bagian bawah membran ini menentukan parameter fluks. Tetapi tekanan pada sisi atas membran hanya memberikan pengaruh yang sangat sedikit. Ketika temperatur umpan dinaikkan, fluks pervaporasi meningkat, pengaruh ini sangat penting karena selektivitas menurun dengan meningkatnya temperatur umpan operasi. Karena kelarutan dan defusivitas dari campuran yang akan dipisahkan merupakan fungsi dari konsentrasi komponen yang terkandung di dalam campuran tersebut, maka fluks dan selektivitas tergantung pada komposisi umpan (Bungay, et al., 1983).
Dehidrasi dengan pervaporasi dari asam dan basa organik penting karena sebagian besar dari campuran tersebut membentuk azeotrop atau menghasilkan pinch pada kurva keseimbangan uap air-air. Pervaporasi juga merupakan metode hemat energi untuk pemisahan senyawa dengan titik didih yang berdekatan dan campuran yang terdiri dari senyawa yang peka terhadap
Karena alasan inilah pemisahan membran dengan pervaporasi dapat menjadi salah satu proses alternatif yang dipilih untuk menghemat energi. Proses ini memberikan perolehan yang efektif dari media cair dan mencegah pembatasan tekanan osmosis pada proses osmosis balik dengan menjaga permeat di bawah tekanan uap jenuhnya. Meskipun penguapan bagian tangki umpan dibutuhkan dalam proses ini, tekanan permeasi dapat dikurangi dengan menggunakan pompa vakum atau gas-sweeping. Pada umumnya, pervaporasi dapat digunakan secara praktis ketika faktor pemisahan membran jauh lebih
tinggi dan laju permeasi tinggi merupakan hasil yang memuaskan dibandingkan untuk penguapan biasa (Isiklan & Sanli, 2005).
Dalam pervaporasi, campuran cairan yang akan dipisahkan dikontakkan dengan salah satu sisi membran dan permeatnya dikeluarkan pada tekanan uap rendah dari sisi membran yang lain. Berdasarkan sifat difusi larutan, pervaporasi berlangsung tiga tahap:
1. Penyerapan permean dari campuran cairan ke dalam membran; 2. Difusi permean melalui membran, dan
3. Desorpsi permean menjadi fasa uap
Pemisahan berdasarkan membran berpotensi penting karena lebih sedikit energi yang digunakan dan lebih ekonomis dibandingkan dengan teknologi pemisahan lainnya. Adapun mekanisme pemisahan dengan menggunakan membran ditunjukkan pada gambar berikut.
Terdapat dua tipe membran pervaporasi untuk campuran etanol-air, yang pertama yaitu permselektif air dan kedua yaitu permselektif etanol. Membran permselektif etanol baik digunakan untuk konsentrasi etanol rendah dan membran permselektif air baik digunakan untuk umpan dengan konsentrasi etanol tinggi seperti pada dehidrasi etanol dan turunannya. Khususnya dalam proses dehidrasi etanol umpan yang mengandung konsentrasi etanol tinggi atau kondisi azeotropik (95 %) akan tertahan oleh membran yang memiliki karakter hidrofilik tinggi serta permselektif terhadap air sehingga pada bagian permeat
akan mengandung konsentrasi air lebih banyak dibandingkan dengan bagian retentat.
Pada beberapa tahun terakhir, penelitian mengenai pervaporasi ditekankan pada pengembangan membran polimer baru yang mempunyai faktor pemisahan tinggi dan laju permeasi yang optimum dengan stabilitas yang baik terhadap campuran yang akan dipisahkan. Beberapa membran permselektif untuk air telah dicoba dari polimer hidrofilik, seperti poli(asam akrilat)-nilon 6, poli (akrila t-co-s tirena), poli(4-vinilpiridinaco-akrilonitril), nafion, dan poli(vinil alkohol). Beberapa penelitian dengan menggunakan teknik pervaporasi telah dilakukan oleh Haryadi, dkk (2006) dengan menggunakan membran poli vinil alkohol, Schwarz et al. (2001) dengan membran polielektrolit-kompleks surfaktan (PELSC) untuk pemisahan metanol-air.
2.2.1 Kinerja Membran Pervaporasi
Kinerja membran dapat dilihat dari laju aliran (fluks) dan selektivitasnya. Fluks adalah jumlah volume permeat yang melewati membran tiap satu satuan luas permukaan tiap satuan waktu. Selektivitas adalah kemampuan suatu membran di dalam menghambat atau meloloskan komponen
tertentu dari larutan yang dipisahkan.
Proses pemisahan dengan membran menghasilkan dua aliran yaitu permeate dan retentate. Permeate merupakan hasil pemisahan yang diinginkan sedangkan retentate merupakan hasil sisa (Pabby et al, 2009).
Gambar 3. Skema Pemisahan Menggunakan Membran
Driving force pada pemisahan menggunakan membran ada 4 macam. Kinerja (performance) instalasi membran tergantung pada jenis driving force yang digunakan (Mulder, 1996). Macam-macam aplikasi pemisahan dengan membran berdasarkan driving force dan kinerja instalasinya antara lain :
1. Driving forcegradien tekanan (∆P)
Aplikasi penggunaan antara lain : mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, reverse osmosis. Kinerja instalasi membran berupa fluks (J) dan rejeksi (R) dapat dihitung dengan persamaan berikut :
Jv =
Besarnya fluks dihitung dari besarnya laju alir yang melewati setiap luas permukaan membran. Semakin besar laju alir permeate dan semakin kecil luas permukaan membran maka fluks yang dihasilkan semakin besar.
2. Driving forcegradien Konsentrasi (∆C)
Aplikasi penggunaan : pervaporasi, permeasi gas, permeasi uap, dialisis, dialisis-difusi. Selektivitas ( ) umumnya dinyatakan oleh satu dari
dua parameter: Retensi (R) atau Faktor Pemisahan ( )
R =
= 1-
Selektivitas membran digunakan untuk campuran gas atau campuran cairan organik yang umumnya dinyatakan dalam faktor separasi ( ) :
A/B=
dimana, A dan B merupakan komponen-komponen yang terdapat pada campuran yang akan dipisahkan dan x dan y merupakan fraksi mol umpan dan permeate.
3. Driving forcegradien Temperatur (∆T)
Aplikasi penggunaan : thermo-osmosis, distilasi membran. Kinerja instalasi berupa fluks (J) dan selektivitas ( ).
4. Driving force gradien Potensial Listrik (∆E)
Aplikasi penggunaan : elektrodialisis, elektro-osmosis, membran-elektrolisis. Kinerja instalasi berupa fluks (J) dan selektivitas ( ).
2.2.2 Faktor – faktor yang mempengaruhi kerja pervaporasi
- Pengaruh Penambahan Zat Pengikat Silang pada Membran
Pengaruh zat pengikat silang memberikan ketahanan yang lebih terhadap membran, sehingga laju permeasinya lebih kecil. Yang kedua, zat
- Pengaruh Suhu Umpan pada Pervaporasi
Pengaruh suhu umpan terhadap faktor pemisahan dan laju permeasi. Dengan meningkatnya suhu umpan, laju permeasi menjadi semakin meningkat, sedangkan faktor pemisahannya semakin berkurang. Jadi, ketika suhu tinggi, tingkat difusi molekul yang dapat menyerap, baik terisolasi maupun terasosiasi, akan tinggi pula, sehingga laju permeasi total menjadi lebih tinggi dan faktor pemisahannya menjadi lebih rendah.
- Pengaruh Konsentrasi Etanol Umpan pada Pervaporasi
Pada konsentrasi etanol yang rendah, tindakan pemlastisan dari air akan meningkatkan permeasi etanol dengan cara menurunkan energi yang dibutuhkan untuk jalannya difusi etanol ke dalam membran, sehingga menghasilkan berkurangnya faktor pemisahan. Pada etanol dengan konsentrasi tinggi, pengurangan fraksi berat air dalam umpan, menyebabkan berkurangnya pengembangan pada membran. Dengan demikian, laju permeasi berkurang dan faktor pemisahan meningkat dengan berkurangnya konsentrasi air dalam umpan.
2.2.3 Keuntungan Teknik Pervaporasi
Dibandingkan dengan cara konvensional berupa destilasi dan dehidrasi, teknologi membran lebih efektif untuk meningkatkan kadar etanol. Ketika proses destilasi, bioetanol membentuk azeotrop. Artinya, antara etanol dan air yang terkandung sulit dipisahkan. Destilasi dengan meninggikan kolom sekali pun, air sulit diceraikan dari etanol.
Teknologi membran mempunyai beberapa keistimewaan seperti menghasilkan bioetanol berkualitas tinggi. Selain itu produsen juga mudah
mengoperasikan, ramah lingkungan, dan ukuran alat yang lebih kecil.
Artinya biaya itu jauh lebih murah ketimbang teknologi gamping. Gamping alias kalsium karbonat acap dimanfaatkan sebagai penyerap air untuk mengontrol kadar etanol.
Di negara-negara maju, teknologi pervaporasi berkembang sangat pesat dan telah diterapkan besar-besaran dalam skala industri. Namun di Indonesia, teknologi membran relatif baru sehingga penerapannya dalam skala industri masih terbatas.
2.3 Etanol
Etanol disebut juga etil alkohol, alkohol murni, alkohol absolut, atau alkohol saja, adalah sejenis cairan yang mudah menguap, mudah terbakar, tak berwarna, dan merupakan alkohol yang paling sering digunakan dalam kehidupan sehari - hari. Senyawa ini merupakan obat psikoaktif dan dapat ditemukan pada minuman beralkohol dan termometer modern. Etanol termasuk ke dalam alkohol rantai tunggal, dengan rumus kimia C2H5OH dan rumus
empiris C2H6O. Etanol merupakan isomer konstitusional dari dimetil eter.
Etanol dan alkohol membentuk larutan azeotrop. Karena itu pemurnian etanol yang mengandung air dengan cara penyulingan biasa hanya mampu menghasilkan etanol dengan kemurnian 96%. Etanol murni (absolut) dihasilkan pertama kali pada tahun 1796 oleh Johan Tobias Lowitz yaitu dengan cara menyaring alkohol hasil distilasi melalui arang.
Etanol mempunyai sifat tidak berwarna, mudah menguap, mudah larut dalam air, berat molekul 46,1, titik didihnya 78,3oC, membeku pada suhu -117,3oC, kerapatannya 0,789 pada suhu 20oC, nilai kalor 7077 kal/gram, panas laten penguapan 204 kal/gram dan angka oktan 91-105 (Hambali.,et al., 2008).
a. Alkohol Teknis (96,5 oGL)
Digunakan terutama untuk kepentingan industri sebagai bahan pelarut organik, bahan baku maupun bahan antara produksi sebagai senyawa
organik lainnya. Alkohol teknis biasanya terdenaturasi memakai -
1% piridin dan diberi warna memakai 0,0005 % metal violet. b. Alkohol Murni (96,0 – 96,5 oGL)
Digunakan terutama untuk kepentingan farmasi dan konsumsi, misalnya untuk minuman keras.
c. Alkohol Absolut (99,7 – 99,8 oGL)
Digunakan di dalam pembuatan sejumlah besar obat – obatan dan juga sebagai bahan antara di dalam pembuatan senyawa – senyawa lain skala laboratorium. Alkohol jenis ini disebut Fuel Grade Etanol (F.G.E) atau
anhydrous ethanol yaitu etanol yang bebas air atau hanya mengandung air minimal. Alkohol absolut terdenaturasi banyak digunakan sebagai bahan bakar kendaraan bermotor dan motor bensin lainnya.
2.3.1 Kegunaan Etanol
Etanol banyak digunakan sebagai pelarut, germisida, minuman, bahan anti beku, bahan bakar, dan senyawa antara untuk sintesis senyawa-senyawa organik lainnya. Etanol sebagai pelarut banyak digunakan dalam industri farmasi, kosmetika, dan resin maupun laboratorium. Di Indonesia, industri minuman merupakan pengguna terbesar etanol, disusul berturut-turut oleh industri asam asetat, industri farmasi, kosmetika, rumah sakit dan industri lainnya. Sebagai bahan baku, etanol digunakan untuk pembuatan senyawa asetaldehid, butadiena, dietil eter, etil asetat, asam asetat, dan sebagainya (Anonim, 1992).
