TEKNOLOGI MEMBRAN

TEKNOLOGI MEMBRAN

TEKNOLOGI MEMBRAN

SILABI:

SILABI:

••

_Defnisi,

_Defnisi,

••

_{ungsi, dan klasifkasi membran,}

_{ungsi, dan klasifkasi membran,}

••

_perkemb

_{perkembangan tekn}

_{angan teknologi proses membran,}

_{ologi proses membran,}

••

_mekanisme

_mekanisme

_kerja

_kerja

_berbagai

_berbagai

_jenis/tipe

_jenis/tipe

membran fltrasi (mikrofltrasi, ultrafltrari,

membran fltrasi (mikrofltrasi, ultrafltrari,

nanofltrasi, reverse osmosis, pervaporasi,

nanofltrasi, reverse osmosis, pervaporasi,

pemisaan gas, dialisis!,

pemisaan gas, dialisis!,

••

_{Baan "embuat "embran,}

_{Baan "embuat "embran,}

••

_{#roses #embuatan "embran}

_{#roses #embuatan "embran}

$lasifkasi #roses #emisaan

$lasifkasi #roses #emisaan

Sifat fisik/kimia 

Sifat fisik/kimia  Proses PemisahanProses Pemisahan

Ukuran

Ukuran Filtrasi, Mikrofiltrasi, Ultrafiltrasi, Dialisis, SeparasiFiltrasi, Mikrofiltrasi, Ultrafiltrasi, Dialisis, Separasi gas, gel permeation chromatography

gas, gel permeation chromatography T

Tekanaekanan Uan Uapp Distilasi, Distilasi MembranDistilasi, Distilasi Membran Titik beku

Titik beku KristalisasiKristalisasi

Afinitas

Afinitas Extraksi, Asorpsi, Absorpsi, Extraksi, Asorpsi, Absorpsi, !e"erse osmosis,!e"erse osmosis, separasi gas, per"aporasi, chromatografi

separasi gas, per"aporasi, chromatografi afinitasafinitas

Muatan listrik

Muatan listrik #ertukaran ion, #ertukaran ion, elektroialelektroialisis, elektrophoresis,isis, elektrophoresis, ialisis ifusi

ialisis ifusi Densitas

Densitas SeimentasSeimentasi, i, sentrifugasi, flotasisentrifugasi, flotasi Sifat kimia

 %

 %eknologi "embran:

eknologi "embran:

••  % %eknologi memeknologi membrane merubrane merupakapakan teknologi &n teknologi &angang mengalami perkembangan se'ara 'epat, karena mengalami perkembangan se'ara 'epat, karena karakter multidisiplinn&a dan dapat digunakan karakter multidisiplinn&a dan dapat digunakan untuk berbagai proses separasi

untuk berbagai proses separasi

•• $$eunggulan peunggulan proses membran:roses membran:



 Separasi dapat dilakukan se'ara kontinuSeparasi dapat dilakukan se'ara kontinu



 $$onsumsi eonsumsi energi umumn&a rendanergi umumn&a renda



 Dapat dikombinasikan dengan muda denganDapat dikombinasikan dengan muda dengan proses lainn&a (&brid pro'essing!

proses lainn&a (&brid pro'essing!



 %ida %idak diperlukk diperlukan penguan pengubaan baan ase mediumase medium



 #enggandaan skala (ups'aling! muda#enggandaan skala (ups'aling! muda



 Siat membran bersiat variable dan dapatSiat membran bersiat variable dan dapat dikendalikan

dikendalikan



#roses "embran

)elati baru  terus

berkembang Genenasi pertama:  "ikrofltrasi ("*!  +ltrafltrasi (+*!  anofltrasi (*!  )everse -smosis ()-!  .letrodialisis (.D!  "embrane .le'trol&sis (".!  Diusion Dial&sis (DD!  Dial&sis (D! Generasi Kedua: Separasi gas (0S! 1apour #ermeation (1#! #ervaporation (#1! "embrane Distillation ("D! "embrane 2onta'tor ("2! 2arrier mediated #ro'ess

#engklasifkasian "embran

c a i r I n v e r s i f a s e K o m p o s i t A s i m e t r i k N o n - P o r o u s ( b e r m u a t a n / t a k - b e r m u a t a n ) B i o l o g ik S i m e t r i k A s i m e t ik P o r o u s A n o r g a n ik P a  a t S i n t e t ik B i o l o g ik ! e m b r a n Asal Bentuk Baan "orologi/ Struktur #roduksi

#erbandingan "*, +*, * dan

)-MF UF NF/RO

#emisahan partikel #emisahan makromolekul

#emisahan larutan $M renah %garam, glukosa, laktosa,

mikropolutan Tekanan osmostik apat

iabaikan %tanpa polarisasi konsentrasi&

Tekanan osmotik apat iabaikan

Tekanan osmotik tinggi %' ( )* bar&

Tekanan transmembran renah %+ ) bar&

Tenakan transmembran renah %''- bar&

Tenakan transmembran tinggi %'-  .- bar&

Struktur membran simetrik

atau asimetrik Struktur membran asimetrik Sruktur membran asimetrik Ketebatal layer pemisah/

Simetrik/ '- ( '*- µm Asimetrik/ ' µm

Ketebatal layer pemisah aktual/ Simetrik/ -,' (',- µm

Ketebatal layer pemisah aktual/ Simetrik/ -,' (',- µm #emisahan akibat perbeaan

ukuran partikel

#emisahan akibat perbeaan ukuran

#emisahan akibat perbeaab kelarutan an ifusi"itas

Mikrofltrasi (MF)  "* dapat memisakan partikel berukuran 3 4,45 µm  Baan berukuran 6 4,45 µm (garam/ion, gula 7 protein! mele8ati membran "*  +kuran pori: 4,49  " _{4 µm}  %ekanan : 4, " _{; bar} #aatan tersuspensi, sel0biomass, koloi Membran Air 1aram0ion, Makromolekul

Aliran volumetrik melalui membran dapat digambarkan dengan persamaan Dar'&, dimana <uks = prooporsional dengan tekanan transmembran:

permea s viskosita serta membran, pori  pori distribusi dan ukuran serta porositas, seperti membran struktur  faktor men'akup &ang tas permeabili konstanta A dimana >p A  = = ⋅ =

+ntuk aliran konvekti laminer melalui membran porous, persamaam ?agen#oiseule dan $on@en& 2armen dapat digunakan =ika membran terdiri atas kapiler lurus, #ersamaan ?agen#oiseule dapat

digunakan dengan A ≈ εr: s tortuisita aktot membran, porositas dinamis, viskositas membran ketebalan C pori, radius r dimana >C 9 ># Er  =  = = = = ∆ = = τ  ε  η  τ 

#ersamaan $on@en&2arman: >C ># !  D94( d E  = : menjadi ditulis dapat atas di persamaan 5, $  ba8a asumsi dengan and sperikal partikel +ntuk membran porositas dinamis, viskositas membran, ketebalan C , per volume speri'al partikel permukaan luas S pori, geometri pada tergantung &ang berdimensi  tak bilangan $  dimana >C ># $S E  = B B ; B ; ε  ε  η  = = = = = ∆ = = =

• Dari persamanpersamaan di atas terliat ba8a:

 – *luC berbanding terbalik dengan viskositas  – *luC sangat ditentukan ole struktur

membran, baik porositas (ε! dan radius pori

(r!

• +ntuk optimasi "* membran:

 – #orositas membran arus setinggi mungkin  – Distribusi ukuran pori sesempit mungkin

"embran "* (summar&!:

"embran: Simetris atau asimetris $etebalan: 4 F 54 µm

+kuran #ori: 4,45 F 4 µm

Driving or'e: %ekanan (6  bar! #rinsip

separasi:

"ekanisme pen&aringan Baan

membran

#olimer atau keramik

Aplikasi: Aplikasi analitis, sterilisasi (pangan, minuman, armasi, klsrifkasi minuman (jui'e, bir, 8ine!, pemisaan

sel/biomassa/bioreaktor, air ultrabersi, re'over& metal sebagai oksida atau

idroksida koloid, ermentasi kontinu, pemisaan emulsi airmin&ak, 8aste 8ater treatment, plasmaperesis

Ultrafltrasi (UF)

 +* dapat memisakan baan berukuran 3 4,445

µm (B" 3 444 Da!

 +* dan "* adala identik, an&a membran +*

asimetris  membarn lebi

dense

 "olekul berukuran ke'il

(garam/ion, dan gula! dapat mele8ati membran +*

 Aliran permeat dapat

digambarkan dengan pers $onsen&2armen

  %ekanan:  F 4 bar



0aramgaraman /ion, gula #artikeldan "akromolekul

"embran

Membran UF %Summary&/

Membran Asimetris Ketebalan ≈ '*- µm Ukuran pori ' ( '-- nm

Dri"ing force Tekanan %' ( '- bar& #rinsip #emisahan Mekanisme penyaringan

$ahan membran #olimer %e2g2 polysulfone, polyacrylonitrile&

Keramik %e2g2 3irconium oxie, aluminium oxie&

Aplikasi 4nustri susu %milk, 5hey, cheese making&, inustri pangan %pati, protein&, klarifikasi minuman, pemisahan emulsi minyak air, reco"ery electropaint, an prouk0prouk samping, farmasi

%en6ym, antibiotik, pyrogen&, 5ater0 5asteater treatment,

aurulang air, isinfeksi, penghilangan minyak, membran bioreaktor

Nonofltrasi (NF)

   %erletak diantara +* dan

)-  %ekanan: 4 " _{;5 bar}

 Dapat memisakan ion d8i valensi ("gG _{dan 2a}G_!,

pengilangan kesadaan

 "H2-: 3 54 Da

  %ipikal rejeksi (5 bar, 44 ppm!: 4 J a2l, 94 J, 2a(2-_;!_,K9 J "gS-_, 0lukosa, Sukrosa  Aplikasi:#emisakan gula (sumber 2eksternal!, eliminasi 8arna, %-2, %DS, dan kesadaan, logam berat

Ion bervalensi satu #artikel,

makromolekul , ion bivalen

"embran Air

* (Summar&!:

"embran $omposit

$etebalan _{Subla&er ≈ 54 µmM topla&er ≈  µm} +kuran pori 6  nm

Driving or'e %ekanan (4 F 5 bar! #rinsip #emisaan Solutiondiusion Baan membran #ol&amide (intera'ial pol&meri@ation!

Aplikasi Desalinasi air pa&au, pen&isian mikropolutan, pelunakan air,

8aste8ater treatment, retensi pe8arna (industr& tekstil!

Hiperfltrasi/Reverse Osmosis (RO)

 "embran nonporous, ampir an&a air &ang dapat mele8ati membran

)- 0aram/ion dan baan organik 3 54 Da dapat dialangi membran

)-  %ekanan: 44 bar, tetapi dapat juga s/d 44 bar

 Aplikasi: penanganan lea'ate, pengilangan

logam berat, gramgraman, dan baan organik sintetik



Partikel dan

Makromolekul, ion  bervalensi dua Ion  bervalensi satu

Membran

)everse osmosis/?iperfltasi (Summar&!:

"embran Asimetris atau $omposit

$etebalan Subla&er ≈ 54 µmM topla&er ≈  µm +kuran pori 6  nm

Driving or'e %ekanan: air pa&au 5 F 5 barM air laut: 4 F 94 bar #rinsip #emisaan Solutiondiusion Baan membran

2ellulose tria'etate, aromati' pol&amide, pol&amide dan pol&(eter urea!

(intera'ial pol&meri@a@tion!

Aplikasi Desalinasi air pa&au/air laut, produksi air ultrabersi (industri lektronik!,

pengkonsentrasian jui'e atau gula, milk pen&isian mikropolutan, 8aste8ater treatment

anofltrasi dan )everse -smosis

Larutan )- *

Ion monovalen (a, $, 2l, -_;

3 K4 J 6 54 J Ion bivalen (2a,

"g, S-__, 2-;

3 KK J 3 K4 J Bakteri dan virus 3 KK J 6 KK J "i'rosolute (B" 3 44! 3 K4 J 3 54 J "i'rosolute (B" 6 44 4 F KK J 4 F 54 J

Dialisis

• #roses digerakkan ole perbedaan konsentrasi baan terlarut dari sisi eed dan sisi

permeat/dialisat

• "olekul berukuran besar (sering koloid! dipisakan dari molekul berukuran ke'il (ion anorganik!

• Separasi di'apai ole perbedaan laju diusi melalui membranM proses ini diperbesar dengan perbedaan tekanan atau potensial dan dipertaankan dengan mengalirkan larutan buer pada sisi permeat,

untuk membuat gradien konsentrasi

• "embran &ang digunakan biasan&a polimer organik idroflik (misaln&a 'ellopane dan

'uprapane, selulosa asetat dan kopolimer etilen vin&l alkool dan etilen vin&l asetat!

• $etebalan sekitar 44 nm

• Laju permeasi dikendalikan ole:

 – Diusi baan terlarut melalui membran

 – Diusi baan terlarut melalui lapisan batas

konsentrasi ('on'entration boundar& la&er!, baik sisi eed maupun sisi permeat

• Bidang aplikasi:

 – "edis (ginjal buatan dan purifkasi plasma!

 – )e'over& kaustik dari emiselulosa

 – )emoval alkool dari bir

• $e'epatan proses atau laju diusi dapat

ditingkatkan dengan peningkatan turbulensi

• $elemaan dialisis: proses belangsung lambat dan derajat selektivitas renda

Elektrodialisis (Ion Exchange

Memrane)

• +ntuk memisakan ionion bermuatan sejenis dari ionion bermuatan lainn&a

• "embran bersiat ion selekti, seingga sering disebut juga sebagai membran penukar ion (ion eC'ange membrane!

•  %ipe membran penukar ion:

 – "embran omogen:

• Dibuat dari resin penukar ion

• "emiliki resistensi elektris tinggi

• $ekuatan mekanis renda

 – "embran etreogen:

• Dibuat dengan menggabungkan suatu group ion ke dalam flm polimer

• #olimer umumn&a 'rosslinked 'opolimer dari: Divin&lben@ene dengan #ol&st&rene (atau

#ol&vin&lp&ridine! atau #ol&tetrea<uoet&lene dan pol& (sulpon&l!<uoride vin&leter

• $elompok ion eC'ange:

 – Asam sulonat dan asam karboksilat 

untuk membran penukar kation

 – 0aram amonium  untuk penukar anion

• Aplikasi:

 – #eningkatan konsentrasi elektrolit (produksi garam!

 – #engilangan ion atau pengen'eran larutan ('oto: desalinasi air pa&au/air laut!

 – )egenerasi larutan garam

 – +ntuk produksi ion ?G _{atau -?} _{&ang dapat}

Skema .lektrodialisis

" G - - _"G "G - "G - "G -  G 2on'entrat e Dilute 2on'entrat e Anoda $atoda 2 A 2 A

2: $ation transer membrane A: Anion transer membrane

Separasi gas

• Separasi gas dapat dilakukan dengan membran berpori maupun takberpori

• #emisaan terjadi akibat perbedaan ukuran molekul atau perbedaan kelarutan gas ke dalam membran

• Baan membran untuk separasi gas:

 – .lastomer, eg pol&dimet&lsili'one dan #ol&met&lpentene  selektivitas renda

 – 0lass& pol&mer, eg pol&amide dan

pol&sulpone  selektivitas tinggi, tetapi

• Aplikasi:

 – Industri kimia dan armasi

 – Separasi atau re'over& idrogen atau amonia

 – #urifkasi gas alam  – )e'over& 2?_

 – Deidrasi gas

BA?A "."B)A

• Baan -rganik (#olimer!:

 – #olimer untuk "embran berpori

 – #olimer untuk membran takberpori • Baan anorganik:

 – "embran keramik  – "embran gelas

 – "embran metal (termasuk karbon!  – "embran @eolit

#olimer untuk "embran

• #ada dasarn&a semua polimer dapat

digunakan sebagai baan membran, tetapi

karena karakteristik kimia dan fsikn&a sangat bervariasi, seingga an&a beberapa jenis

polimer &ang baik untuk baan membran • $lasifkasi:

 – #olimer untuk membran berpori ("* dan +*!  – #olimer untuk membran takberpori (0S dan

#1!

 $edua jenis membran tersebut sangat

+ntuk membran berpori:

• #ilian polimer

ditentukan ole metode pembuatan membran (membran

manua'turing! dan stabilitas teradap pengaru panas dan baan kimia

•  =enis baan menentukan stabilitas membran

(kimia, mekanis, panas, dan biologis!, tetapi tidak menentukan rejeksi

+ntuk membran tak berpori:

• #ilian polimer ditentukan ole

Sisi

*eed Sisi_#ermeat

Sisi

*eed Sisi_#ermeat

"embran takberpori "embran berpori

$arakteristik "embran Berpori:

• #emisaan terjadi akibat perbedaan ukuran

partikel/molekul

• +kuran pori membran relati teradap ukuran partikel menentukan tingkat selektivitas

• Selektivitas akan tinggi,  jika ukuran partikel 3

ukuran pori membran

• 2onto: "*, +*

$arakteristik "embran tak berpori:

• #emisaan terjadi akibat perbedaan laju kelarutan (solubilit&! dan/atau

perbedaan diusivitas (Diusivit&!

•  %ingkat kelarutan dan diusivitas ditentukan

ole siat instrinsik baan membran

• 2onto: #1, 1S, 0S, dialisis

#).#A)ASI "."B)A

•  %ujuan preparasi membran: memodifkasi material/polimer dengan teknik &ang sesuai untuk mendapatkan membran dengan

morologi/struktur &ang sesuai dengan tujuan separasi tertentu

•  %eknik preparasi membran dipili berdasarkan:  – "aterial &ang digunakan

 – Struktur membran &ang diinginkan (tgt pada masala separasi!

•  %ujuan separasi  teknik preparasi 

morologi membran

N %idak semua problem pemisaan dapat dipe'akan dengan setiap jenis baan

• #eralatan untuk pembuatan membran

umumn&a diran'ang se'ara spesifk untuk

masingmasing tipe membran atau konfgurasi membran

• #eralatan pembuatan membran ini umumn&a diran'ang dan dibuat ole produsen membran &ang bersangkutan

• $eban&akan membran diproduksi dalam

bentuk <at seet, meskipun dalam beberapa kasus membran dapat juga dibuat dalam

•  %eknik preparasi membran:  – Sintering

 – _Stret'ing

 – %ra'ket'ing  – _{#ase inversion}  – Sol gel pro'ess  – _{1apor deposition}  – Solution 'oating

!intering"

•  %eknik ini 'ukup sederana untuk

mengasilkan membran berpori dari baan organik maupun anorganik

• #o8der dengan ukuran tertentu

dipress/digabungkan pada temperatur tertentu • #ada saat sintering/penggabungan intera'e

antar partikel &ang berdekatan menjadi tidak ada

Intera'e

#artikel #ori membran

• "aterial &ang dapat digunakan:

 – #olimer organik: po&et&lene (#.!,

pol&tetra<uoet&lene (#%.!, pol&prop&lene (##!

 – $eramik: Alumina oksida, @irkonium oksida  – 0raft (karbon!

 – Logam: stainless steel  – 0elas (sili'ates!

• +kuran partikel dan distribusi partikel

menentukan ukuran pori membran &ang

diasilkan

• Semakin ke'il ukuran partikel, semakin ke'il pula ukuran pori membran &ang diasilkan

• Semakin sempit distribusi ukuran partikel

semakin sempit pula distribusi pori membran &ang diasilkan

• Dapat mengasilkan membran dengan pori: 4, F 4 µm dengan porositas: 4 F 4 J

(relati renda!

• Sangat 'o'ok untuk membuat membran dari pol&tetra<uoroet&lene, karena polimer ini sangat resisten teradap baan kimia, sulit larut, dan taan panas

• ?an&a membran "* dapat dibuat dengan teknik ini

!tretching"

• .Ctruded flm atau oil dari baan polimer kristalin (pol&tetra<uoroet&lene,

pol&prop&lene, pol&et&lne! direnggangkan

tegaklurus dari ara ekstrusi, daera kristalin berposisi paralel teradap ara ekstrusi

•  =ika tekanan mekanis diaplikasikan, akan

terbentuk struktur berpori dengan ukuran 4, F ; µm

• "etode ini sesuai an&a untuk polimer (semi!kristalin dapat digunakan

• #orositas membran &ang didapat men'apai K4 persen

#hase Inversion"

• $eban&akan membran komersial diproduksi dengan teknik inversi ase

• #roses terdiri atas:

 – #elarutan polimer dalam pelarut &ang sesuai untuk memperole larutan polimer dengan viskositas tertentu,

 – #embentukan flm membran,

 – #enguapan sebagian baan pelarut,

 – O#engendapanP atau pengerasan polimer, dan penggantian baan pelarut ole baan

OpengendapP (swelling agent !,

 – #engkondisian (conditioning) membran untuk perbaikan struktur membran, misaln&a dengan air panas

PELARUT: Aseton, As2 Sitrat,#imetilformamia

POLIMER: Selulosa

Asetat, Kitosan, #olisulfon BAHAN ADITIF/_Mg%7l8

9&), Air

PELARUTAN POLIMER

PEMBENTUAN FILM !"ASTIN#$

PEN#UAPAN PELARUT MEM$!A:

ARATERISASI: !Permea%i&itas' Se&ekti(itas' Uk)ran *ori / M+"O' ek)atan ,an Str)kt)r fisik$

$rack%etching"

• Dapat untuk membentuk poripori membran dengan ukuran sama  distribusi ukuran pori

sempit

• *ilm atau oil (umumn&a pol&karbonat! dikenai radiasi partikel berenergi tinggi  partikel

menembus matriks polimer dan membentuk Qtra'kR

• *ilm tersebut kemudian di'elupkan ke dalam larutan asam atau basa untuk membentuk poripori

• #orositas ditentukan ole 8aktu radiasi, diameter pori ditentukan ole lama 8aktu pen'elupan

• _{+kuran pori &ang didapat: 4,4 F 4 µm, tetapi} titasn&a renda (maks an&a sekitar

$emplate &eaching"

• "embran dibuat dengan QmelepaskanR

(lea'ing! satu dari komponenkomponen dari suatu flm, misaln&a untuk membran dari gelas • Adonan omogen (444 F 544 o_{2! dari suatu}

sistem tiga komponen (eg a_- F B_-; F Si-_! didinginkan dan sebagai akibatn&a sistem

akan terpisa menjadi dua ase, satu ase

terdiri terutama dari Si-_ &ang tidak larut, dan ase lainn&a larut *ase kedua ini dilepaskan dari sistem dengan asam atau basa

• Diameter pori membran &ang dapat diperole sekitar 4,445 µm (5 nm!

'oating"

• "embran polimetrik dense, dimana transport terjadi se'ara diusi, umumn&a memiliki <uks renda  untuk meningkatkan <uks, ketebalan

membran perlu direduksi seban&ak mungkin ?al ini dapat di'apai melalui pembuatan

membran komposit

• $omposit membran terdiri atas dua baan &ang berbeda, (i! baan membran &ang

sangat selekti (top layer !, dan (ii! subla&er &ang lebi porous

 %op la&er (menentukan selektivitas membran! #orous support (pol&ester! non8oven #ermeate

• "embran komposit:

 – "erupakan pengembangan dari "embran Inversi *ase

 – "embran terdiri atas dua lapisan, masingmasing dari aan &ang berbeda, masingmasing dapat dioptimasi se'ara terpisa

"etode produksi membran komposit:

• #en'elupan lapisan pendukung ke dalam larutan polimer en'er (6J!, atau pen&emprotan larutan

polimer ke permukaan lapisan pendukung, kemudian dikeringkan

• $onsentrasi polimer dalam larutan menentukan ketebalan lapisan akti