PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA
SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN
ULTRAFILTRASI
SKRIPSI
MUHAMMAD ADANAN
100803006
DEPARTEMEN MATEMATIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA
SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN
ULTRAFILTRASI
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai
gelar sarjana Sains
MUHAMMAD ADANAN
100803006
DEPARTEMEN MATEMATIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PERSETUJUAN
Judul : Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit dengan Menggunakan Membran Ultrafiltrasi Kategori : Skripsi
Nama : Muhammad Adanan
Nomor Induk Mahasiswa : 100803006
Program Studi : Sarjana (S1) Matematika Departemen : Matematika
Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Universitas Sumatera Utara
Disetujui di
Medan, April 2014
Komisi Pembimbing :
Pembimbing 2, Pembimbing 1,
Dr. Mardiningsih,M.Si. Prof. Dr. Tulus, M.Si. NIP. 196304051988112001 NIP. 196209011988031002
Disetujui oleh
Departemen Matematika FMIPA USU Ketua,
PERNYATAAN
PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI
SKRIPSI
Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, April 2014
PENGHARGAAN
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT Yang Maha Pemurah dan Maha Penyayang, dengan limpahan karunia Nya penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini dengan judul Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit dengan Menggunakan Membran Ultrafiltrasi.
Terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si. selaku pembimbing 1 dan Ibu Dr. Mardiningsih,M.Si. selaku pembimbing 2 yang telah memberikan bimbingan dan telah meluangkan waktunya selama penulisan skripsi ini. Terima kasih kepada ketua dan sekretaris Departemen Matematika Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si dan Ibu Dr. Mardiningsih, M.Si. Dekan dan Pembantu Dekan FMIPA USU, Seluruh Staff dan Dosen Matematika FMIPA USU, pegawai FMIPA USU dan rekan-rekan kuliah.
PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI
ABSTRAK
Model penyaringan biasanya digunakan untuk menggambarkan pemindahan koloid selama penyaringan dalam aplikasi perawatan air. Kertas kerja ini memaparkan model matematika dari air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran ultrafiltrasi. Model diturunkan menggunakan beda tekanan dari dua daerah yang dibatasi oleh penyaring selaput. Pembentukan lapisan akibat penyaringan diperhatikan yang bisa mempengaruhi prestasi penyaring. Model yang dihasilkan dibandingkan dengan hasil eksperimen.
PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI
ABSTRACT
Screening models are usually used to describe the removal of colloids during filtration in water treatment applications. This paper describes a mathematical model of palm oil mill wastewater with ultrafiltration membranes. Models derived using the pressure differences of the two regions bounded by the filter membrane. Due to the formation of a layer of screening that could affect achievement considered filter. The resulting model compared with experimental results.
DAFTAR ISI
Halaman
Persetujuan i
Pernyataan ii
Penghargaan iii
Abstrak iv
Abstract v
Daftar Isi vi
Daftar Tabel vii
Daftar Gambar viii
Bab 1. Pendahuluan
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Perumusan Masalah 3
1.3 Batasan Masalah 3
1.4 Tujuan Penelitian 3
1.5 Manfaat Penelitian 4
1.6 Metodologi Penelitian 4
Bab 2. Tinjauan Pustaka
2.1 Fndamental Proses Ultrafiltrasi 5
2.2 Keuntungan Dan Kelemahan Membran 6
2.3 Fouling Membran 7
2.4 Metode Reduksi Fouling 8
2.5 Polarisasi Konsentrasi 10
2.6 Membran Ultrafiltrasi 11
Bab 3. Pembahasan 3.1 Data Eksperimen Ultrafiltrasi 14
3.2Transportasi Phenomena di membran 16
3.3Prediksi Fluks oleh Model Tekanan Osmotik 18 Bab 4. Kesimpulan dan Saran
4.1 Kesimpulan 24
4.2 Saran 24
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
Tabel
3.1. Karakteristik POME Mentah dan POME yang diolah 15 (Ahmad et al,2006)
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
Gambar
2.1. Polarisasi Konsentrasi pada Membran 10 2.2. Reprentasi Skematik dari Fenomena Polarisasi Konsentrasi 12 Keadaan Mapan dalam Unit Filtrasi Cross Flow
3.1. Volume Fluks Permeat pada Model Terhadap Waktu 21 Filtras Pada Tekanan Transmembran yang Berbeda
3.2. Perbandingan VolumeFluksPermeat pada Modelterhadap 22 WaktuFiltrasipada TekananTransmembranyang Berbeda
3.3. Perbandingan VolumeFluksPermeat pada Eksperimen 23
terhadap WaktuFiltrasipada TekananTransmembran yang Berbeda
PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI
ABSTRAK
Model penyaringan biasanya digunakan untuk menggambarkan pemindahan koloid selama penyaringan dalam aplikasi perawatan air. Kertas kerja ini memaparkan model matematika dari air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran ultrafiltrasi. Model diturunkan menggunakan beda tekanan dari dua daerah yang dibatasi oleh penyaring selaput. Pembentukan lapisan akibat penyaringan diperhatikan yang bisa mempengaruhi prestasi penyaring. Model yang dihasilkan dibandingkan dengan hasil eksperimen.
PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI
ABSTRACT
Screening models are usually used to describe the removal of colloids during filtration in water treatment applications. This paper describes a mathematical model of palm oil mill wastewater with ultrafiltration membranes. Models derived using the pressure differences of the two regions bounded by the filter membrane. Due to the formation of a layer of screening that could affect achievement considered filter. The resulting model compared with experimental results.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Indonesia merupakan salah satu negara penghasil minyak kelapa sawit (crude palm oil, CPO) terbesar di dunia. Hal ini dapat dilihat dari penguasaan pasar CPO dimana sekitar 80% minyak kelapa sawit yang beredar di pasaran dunia dihasilkan oleh Indonesia dan Malaysia. Berbagai usaha telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja industri CPO . Salah satu di antaranya adalah melalui sistem integrasi kebun-ternak atau dikenal sebagai sistem integrasi kelapa sawit-sapi (SISS). Sistem ini telah terbukti dapat meningkatkan produktivitas dan kesejahteraan petani dimana keuntungan yang diperoleh tidak saja dari sektor perkebunan melainkan juga dari sektor peternakan. Namun demikian, permasalahan limbah hingga saat ini masih menjadi kendala utama dalam sektor industri CPO.
Limbah yang dihasilkan dari industri CPO termasuk kategori limbah berat seperti merkuri, seng, dan lain-lain. Dengan kuantitas yang tinggi dan kandungan kontaminan yang dapat mencapai hingga 20.000-60.000 mg/l dan 40.000-120.000 mg/l berturut-turut untuk BOD (biochemical oxygen demand) dan COD (chemical oxygen demand). Limbah terutama dihasilkan dari tahap perebusan, pengendapan, dekantasi, dan sentrifugasi yang dilakukan selama proses klarifikasi CPO. Limbah cair yang dihasilkan dari tahap ini tidak kurang dari 2,5 m3/ton produk CPO. Jika proyeksi produksi yang dicanangkan sebesar 10 juta ton tercapai, maka akan dihasilkan sekitar 25 juta m3 limbah cair. Limbah dalam bentuk heavy phase dan kondensat dengan karakteristik demikian sangat sulit diatasi hanya dengan konsep end-off pipe treatment
Daya saing suatu industri tidak hanya ditentukan oleh jumlah, kuantitas, dan harga produk yang dihasilkan, tetapi juga ditentukan oleh proses produksi yang digunakan terutama untuk produksi berorientasi ekspor. Beranjak dari permasalahan yang dijumpai di lapangan, solusi terpadu dari program zero waste effluent dan integrasi kebun-ternak dalam industri CPO merupakan alternatif yang sangat atraktif untuk menyelesaikan persoalan limbah industi.
Membran adalah suatu lapisan tipis bersifat selektif permeabel diantara dua fase yang membolehkan perpindahan spesi-spesi tertentu. Secara umum membran dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori, yaitu :
a. Membran berpori (porous) dan tidak berpori (non porous). b. Membran polimer (organic) dan keramik (non organic). c. Membran bermuatan dan tidak bermuatan.
Ultrafiltrasi (UF) adalah membran yang spektrum filtrasinya terletak antara nanofiltrasi dan mikrofiltrasi dan memisahkan konstituen yang berukuran 1 – 100 nanometer, atau beratnya sekitar 500-500.000 dalton. Mekanisme kerja membran UF berdasarkan perbedaan ukuran molekul dengan tekanan. UF dapat mengontrol mikroorganisme pathogen kecil seperti virus dengan sangat efektif dan mengurangi kekeruhan air (Mulder,1996).
UF bekerja dengan model crossflow yaitu aliran umpan mengalir paralel terhadap membran filtrasi. Crossflow bekerja pada ”sweep steam” yang terus
membersihkan permukaan membran dari endapan. Ada 2 produk dari UF yaitu permeat yang mengandung komponen yang kecil yang sanggup melewati membran, dan konsentrat yang mengandung endapan. Pada proses pemisahan crossflow, aliran umpan searah dengan permukaan membran dan permeat keluar tegak lurus dengan arah aliran umpan. Hal ini dapat mengurangi kemungkinan terjadinya fouling pada membran, mengurangi polarisasi konsentrasi, adsorpsi dan pembentukan cake.
Crossflow lebih banyak digunakan pada hampir semua proses membran dengan
Penelitian tentang pemodelan penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran mikrofiltrasi telah diteliti sebelumnya (Tulus,2008). Maka peneliti mencoba untuk meneliti tentang ” Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik
Kelapa Sawit dengan Menggunakan Membran Ultrafiltrasi “. Karena membran ultrafiltrasi memiliki pori yang lebih kecil dibandingkan dengan mikrofiltrasi sehingga lebih efisien.
1.2 Perumusan Masalah
Pada penelitian ini, yang menjadi permasalahan adalah memodelkan penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran ultrafiltrasi. Dimana nanti model yang dibuat merupakan prediksi fluks permeat dari penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan menggunakan membran ultrafiltrasi. Dan kemudian model yang diperoleh akan dibandingkan dengan hasil eksperimen.
1.3 Batasan Masalah
Penelitian dari Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit dengan Membran Ultrafiltrasi ini dibatasi oleh :
a. Tidak terjadi pembentukan lapisan akibat penyaringan.
b. Tekanan diberikan dari dua daerah yang dibatasi oleh penyaring selaput.
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah:
b. Menyusun model yang sesuai untuk karakteristik proses ultrafiltrasi, kemudian membandingkan hasil yang diperoleh dari penelitian sebelumnya dengan model yang disusun.
1.5 Manfaat Penelitian
Dengan mengadakan penulisan ini, penulis berharap dapat menambah referensi bagi pembaca dan memberikan model penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran ultrafiltrasi.
1.6 Metode Penelitian
Penelitian ini bersifat studi literature,yaitu dengan melakukan penelitian literatur dan mengumpulkan data-data dari referensi buku dan jurnal-jurnal yg diperoleh dari perpustakaan maupun internet, dan melakukan bimbingan dengan dosen pembimbing untuk memperoleh bahan-bahan yang berkaitan dengan permasalahan yang dihadapi. Adapun langkah-langkah yang penulis lakukan adalah sebagai berikut:
Langkah 1 : Menjelaskan definisi penyaringan air limbah serta hubungan antara penyaringan air limbah dengan penyaringan air limbah pabrik kelapa
sawit dengan membran ultrafiltrasi. Langkah 2 :
a) Menentukan persamaan untuk ketebalan lapisan gel yang kemudian nanti akan disubstitusikan ke persamaan fluks permeat.
b) Memprediksi fluks permeat oleh model tekanan osmotik
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Fundamental Proses Ultrafiltrasi
Membran adalah suatu lapisan tipis yang memisahkan dua fase dan membatasi pengangkutan berbagai bahan kimia secara selektif. Membran dapat berupa heterogen atau homogen, simetrik atau asimetrik dalam strukturnya, padat atau cairan, yang dapat membawa muatan positif atau negatif, netral atau bipolar. Membran dapat memanfaatkan berbagai driving force untuk memisahkan material. Ultrafiltrasi adalah teknik proses pemisahan membran untuk menghilangkan berbagai zat terlarut dengan BM (berat molekul) tinggi, aneka koloid, mikroba sampai padatan tersuspensi dari air larutan. Membran semipermeabel dipakai untuk memisahkan makromolekul dari larutan. Ukuran dan bentuk molekul terlarut merupakan faktor penting.
poliakrilat, kompleks polielektrolit, PVA ikat silang. Juga dapat dibuat membran dari keramik, aluminium oksida, zirconium oksida, dsb.
2.2 Keuntungan dan Kelemahan Membran
Sebagai teknologi pemisah, teknologi membran mempunyai keuntungan dibandingkan dengan proses pemisahan lain seperti:
1. Pemisahan berdasarkan ukuran molekul (bentuk, muatan)
2. Energi yang dibutuhkan relatif rendah karena biasanya tidak terjadi perubahan fase.
Beroperasi pada temperatur rendah
Menghindari kerusakan dari zat terlarut yang sensitif terhadap panas 3. Dapat beroperasi secara kontinyu ataupun bacth
4. Tidak ada penambahan produk buangan
5. Proses membran dapat digabungkan dengan proses pemisahan lainnya 6. Pemisahan dapat dilakukan dalam kondisi yang mudah diciptakan 7. Mudah dalam scale up
Di samping mempunyai keuntungan, proses membran juga mempunyai kekurangan di antaranya:
1. Penyumbatan pori membran (fouling)
Kedua endapan ini dapat membentuk lapisan pada permukaan membran, yang biasa disebut dengan fouling.
2. Stabilitas membrane
Kebanyakan material membran terkendala polimer yang mempunyai keterbatasan terhadap pH, temperatur, dan ketahanan kimia.
2.3 Fouling Membran
Fouling membran merupakan perubahan irreversibel yang terjadi pada membran yang disebabkan oleh interaksi fisik dan atau kimia spesifik antara membran dan komponen-komponen yang ada dalam aliran proses. Terjadinya fouling membran tidak dapat dihindari dan inilah tantangan terberat dalam teknologi membran. Lapisan fouling membran (foulant) ini menghambat filtrasi. Foulant ini dapat berupa endapan organik (makromolekul, substansi biologi), endapan inorganik (logam hidroksida, garam kalsium) dan partikulat. Foulant akan terakumulasi pada permukaan membran karena tidak ikut ambil bagian dalam transfer massa. Akibatnya foulant ini akan mengurangi efektivitas dan fluks membran. Berbagai cara telah dilakukan untuk menghindari terjadinya fouling membran. Prefilter atau screen digunakan untuk memisahkan partikel berukuran besar yang dapat menutupi permukaan membran. Tingginya kecepatan cross flow dapat menyapu foulant yang berada di permukaan membran. Tekanan yang rendah menghindari pemadatan gel di permukaan membran. Beberapa polimer dan bahan kimia memiliki kepekaan yang tinggi sebagai penyebab terjadinya fouling.
1. Terbentuk Pore Narrowing/Constriction. Butiran foulant teradsopsi ke dalam membran sampai menutupi lubang permukaan membran, tetapi masih ada celah untuk meresapnya cairan masuk ke membran
2. Terbentuk Pore Plugging. Butiran foulant mulai menutupi permukaan membran sehingga tidak ada celah untuk cairan masuk ke membran
3. Terbentuk lapisan gel. Butiran foulant mulai menutupi permukaan membran dan membentuk lapisan gel
Beberapa cara untuk mengurangi terjadinya fouling :
1. Perlakuan awal larutan umpan Perlakuan awal pada air umpan dimaksudkan untuk menghilangkan kekeruhan atau padatan tersuspensi, mengontrol pH umpan, mengurangi kecenderungan terbentuknya kerak dan menghilangkan zat teremulsi/zat organik lainnya.
2. Merubah sifat membran Merubah sifat membran dapat mengurangi terbentuknya
fouling pada membran berpori. Umumnya fouling lebih mudah terjadi pada membran berpori dibandingkan dengan membran yang tebal. Distribusi ukuran pori yang tipis dapat mengurangi penyumbatan. Pemakaian membran hidrofilik dibandingkan dengan membran hirofobik juga dapat mengurangi fouling.
3. Kondisi operasi Fenomena fouling dapat berkurang seperti pada polarisasi konsentrasi. Polarisasi konsentrasi dapat berkurang dengan meningkatkan koefisien perpindahan massa. Selain itu penggunaan aliran turbulen dapat mengurangi terjadinya fouling.
2.4 Metode Reduksi Fouling
Beberapa cara untuk mengurangi terjadinya fouling :
mengurangi kecenderungan terbentuknya kerak dan menghilangkan zat teremulsi/zat organik lainnya.
2. Merubah sifat membran Merubah sifat membran dapat mengurangi terbentunya fouling pada membran berpori. Umumnya fouling lebih mudah terjadi pada membran berpori dibandingkan dengan membran yang tebal. Distribusi ukuran pori yang tipis dapat mengurangi penyumbatan. Pemakaian membran hidrofilik dibandingkan dengan membran hirofobik juga dapat mengurangi fouling.
3. Kondisi operasi Fenomena fouling dapat berkurang seperti pada polarisasi konsentrasi. Polarisasi konsentrasi dapat berkurang dengan meningkatkan koefisien perpindahan massa. Selain itu penggunaan aliran turbulen dapat mengurangi terjadinya fouling.
4. Pembersihan membran
metode pembersihan membran :
Pembersihan secara hidrolik Termasuk back-flashing, penekanan, pengurangan tekanan, serta merubah arah aliran.
Pembersihan secara mekanik Hanya dapat diterapkan pada sistem turbular menggunakan bola pembersih
Pembersihan secara kimia Bahan kimia yang dapat digunakan antara lain asam kuat ( ), asam lemah (asam sitrat), alkali (NaOH), deterjen (alkalin, non ionic), complexing agent (EDTA), disinfektan dan (NaOCL) dan gas (etilen axida) sterilisasi. Bahan kimia untuk pembersihan yang digunakan hanya sebagian atau kombinasi. Konsentrasi bahan kimia dan waktu pencucian sangat penting dalam menangani
fouling.
2.5 Polarisasi Konsentrasi
Polarisasi konsentrasi adalah sebuah fenomena yang menggambarkan bagaimana akumulasi dari solusi yang menahan membran hasil lapisan fouling pada permukaan membran dengan konsentrasi yang relative tinggi. Ini karena ditahan oleh larutan karna konsentrasi pada vicinity membran meningkat yang menghasilkan sebuah gradien konsentrasi sebagaimana di ilustrasikan pada gambar (2.1.).
Gambar 2.1. Polarisasi konsentrasi pada membran
Akumulasi zat terlarut pada permukaan membran akan menyebabkan
transportasi difusi kembali dari membran menuju sebagian besar pakan.
Proses itu mencapai steady state ketika transportasi konvektif dari zat terlarut terhadap
permukaan membran adalah sama dengan jumlah dari aliran permeat ditambah tingkat
zat terlarut menuju back-difusi (Bowen dan Jenner, 1995)
Jc
=
D
+
J
(2-1)D = koefisen difusi Syarat batasnya adalah
y = 0 c = y = c =
integrasi dari hasil persamaaan (2-1) pada persamaan berikut :
J =
ln
(
)
(2-2)= koefisen transfer massa δ = ketebalan batas lapisan
Ini adalah dasar dari persamaan konsentrasi polarisasi dimana = D/ .
2.6 Membran Ultrafiltrasi
Ultrafiltrasi (UF) adalah membran yang spektrum filtrasinya terletak antara nanofiltrasi dan mikrofiltrasi dan memisahkan konstituen yang berukuran 1 – 100 nanometer, atau beratnya sekitar 500-500.000 dalton. Mekanisme kerja membran UF berdasarkan perbedaan ukuran molekul dengan tekanan. UF dapat mengontrol mikroorganisme pathogen kecil seperti virus dengan sangat efektif dan mengurangi kekeruhan air.
Crossflow lebih banyak digunakan pada hampir semua proses membran dengan
driving force beda tekanan berskala besar. Sebagian besar membran-membran ultrafiltrasi yang digunakan secara komersial akhir- akhir ini disiapkan dari bahan – bahan polymer misalnya:
- polysulfone/ poly (ether sulfone)/ sulfonated polysulfone - poly vinylidene fluoride
- polyacrylonitrile (dan block-copolymer yang berhubungan) - cellulocies (misalnya, asetat selulose)
- aliphatic polyamides - polyetheretherketone
Selain bahan-bahan tersebut, keramik juga telah digunakan untuk membran-membran ultrafiltrasi, khususnya alumina (Al2O3) dan zirconia (ZrO2) (Mulder, 1996).
Seperti disebutkan sebelumnya, zat terlarut ditolak oleh membran, menumpuk
dekat permukaan membran dan ini dikenal sebagai polarisasi konsentrasi. Efek dari
fenomena ini akan menyebabkan resistensi ekstra hidrolik untuk aliran pelarut.
Sementara itu, tekanan osmotik mengembangkan dan bertindak terhadap tekanan
transmembran yang diterapkan. Sebagaimana yang digambarkan oleh gambar 2.2.
Gambar 2.2.
(a) (b)
dekat membran pada posisi aksial dari kanal filtrasi. (b) juga menunjukkan tekanan mekanik dan osmotik pada lokasi yang berbeda dalam lapisan terpolarisasi.
Suatu proses filtrasi cross-flow keadaan mapan tergambar seperti dalam Gambar 2.2. (a). Larutan yang ditahan pada permukaan membran yang dihasilkan dalam suatu lapisan terpolarisasi dengan konsentrasi larutan variabel spasial. Pada keadaan setimbang, ketebalan dari lapisan terpolarisasi, konsentrasi larutan pada permukaan membran, dan fluks permeat bergantung pada posisi aksial dalam kanal filtrasi. Daerah tipikal dari lapisan terpolarisasi dan membran pada suatu jarak aksial arah ke bawah dari pintu masuk kanal ditunjukkan secara skematik dalam Gambar 2.2. (b). Sementara perjalanan dari larutan ke sisi tekanan rendah dari membran, permeat mendorong tahanan dari lapisan terpolarisasi yang diikuti oleh membran tersebut. Kedua tahanan ini ditampilkan secara berbeda oleh model filtrasi dan tekanan osmotik.
J =| | | |
(2-3)
J = fluks
= tekanan transmembran
= beda tekanan osmosis antara zat terlarut dengan permeat
= tahanan membrane
BAB 3
PEMBAHASAN
3.1 Data Eksperimen Ultrafiltrasi
Data eksperimen yang diperoleh dari literatur ini akan digunakan untuk menguji
validitas model yang dibuat. Data eksperimental disajikan dalam Bab ini berasal dari
sistem membran dengan pretreatment limbah pabrik kelapa sawit (POME) sebagai
pakan ke ultrafiltrasi, POME ini terdiri dari sistem larutan terner (karbohidrat
konstituen, protein kasar dan ammonical nitrogen).
(Ahmad et al, 2006) diperoleh POME dari United Palm Oil Mill, Penang,
Malaysia. Karena tujuan mereka pretreatment dari POME adalah untuk menghapus
minyak dan lemak dan padatan sebelum POME yang dimasukkan kedalam ultrafiltrasi
sistem (Ahmad et al, 2006) mereka pertama kali mulai dengan koagulasi dan proses
flokulasi. Sebaliknya, ratusan liter POME dipindahkan ketangki perawatan kimia dan
mereka membeli tiga liter, untuk ditambahkan ke dalam POME dengan kecepatan
pengadukan 50 rpm. Untuk mengatur nilai pH dengan pH 6 mereka digunakan kelas
industri natrium hidroksida 65 % (NaOH). Mereka juga menambahkan tiga liter
flokulan (0,1 %), polimer kationik (FO 4190) yang POME pada kecepatan
pengadukandari 10 rpm selama 15 menit. Setelah itu, mereka membiarkan campuran
dibiarkan mengendap dan mereka dihapus hasil lumpur dengan menggunakan filter
press. Supernatan adalah POME pretreatment untuk ultrafiltrasi. Tabel (3.1.)
menyajikan karakteristik baku dan pra-perawatan POME. Rincian pretreatment dari
POME disajikan tempat lain (Ahmad et al, 2006). Tabel (3.1.) menunjukkan dengan
jelas bahwa minyak dan lemak serta padatan tersuspensi telah dihapus (dengan
penghapusan 70 % dari COD) oleh koagulasi dan flokulasi. Untuk COD sisanya (30
Tabel 3.1. Karakteristik POME Mentah dan POME yang diolah (Ahmad et al,2006)
Ultrafiltrasi dalam hal ini berfungsi sebagai pretreatment untuk revers
osmosis. Dari analisis komposisi kimia dari POME pra-perawatan, yang komponen
utama (zat terlarut) berkontribusi pada COD adalah karbohidrat konstituen, protein
kasar dan amonia nitrogen. Oleh karena itu, pra-perawatan POME membentuk sistem
terner untuk zat terlarut ultrafiltrasi. Sampel POME pretreatment pada berbagai
konsentrasi yang dibuat dengan mengencerkan sampel dengan air suling. Rincian
eksperimental run tercantum dalam Tabel (3.2.).
Tabel 3.2 . Data eksperimen (Ahmad et al, 2006)
Percobaan (bar) (mg/L) (mg/L)
(mg/L) (mg/L)
(mg/L)
1 1 4 5720 3015 2675 34 0,17
2 2 4 5720 3015 2675 34 0,21
3 3 4 5720 3015 2675 34 0,25
4 4 4 5720 3015 2675 34 0,26
5 4 3 5720 3015 2675 34 0,11
6 4 5 5720 3015 2675 34 0,41
7 4 7 5720 3015 2675 34 0,56
8 4 4 1431 754 669 8 0,08
9 4 4 2862 1508 1337 17 0,13
10 4 4 7155 3770 3344 42 0,33
Parameter POME mentah
Pretreatment POME
PH 4,7 6
minyak dan lemak 4000 mg/L tidak terdeteksi Chemical oxygen demand
(COD) 50000 mg/L 15000 mg/L
Tabel 3.3. Perkiraan Parameter
Perkiraan Parameter
Parameter Nilai
A
3.2 Transportasi Fenomena di membran
Kekuatan pendorong filtrasi pada membran adalah tekanan gradien melintasi
membran. Sebagai hasil dari kekuatan pendorong konvektif transportasi zat terlarut
dan pelarut dari bulk ke permukaan membran. Pelarut meresap melalui membran dan zat terlarut dipertahankan oleh membran sehingga konsentrasi zat terlarut di dekat
permukaan yang akan meningkatkan. Sebagai hasil dari gradien konsentrasi yang
dihasilkan, molekul zat terlarut akan berdifusi jauh dari permukaan membran.
Konvektif transportasi kepermukaan membran yang seimbang dengan transportasi
kembali dari permukaan membran untuk bulk. Transportasi kembali ini diatur oleh
difusi. Dalam aliran silang proses filtrasi membran steady state tercapai ketika
konvektif transportasi sama dengan transportasi kembali, akibatnya fluksnya konstan.
Transportasi kembali dipengaruhi oleh kondisi aliran di dalam membran. Massa
transportasi untuk masing-masing zat terlarut i telah diasumsikan sebanding dengan
koefisen transport, dan konsentrasi zat terlarut dalam lapisan gel (Bhattacharjee et al,
2006).
= koefisen transport
= massa
=
konsetrasi zat terlarut dalam lapisan gelDengan mengintegralkan persamaan (3.1)
∫
=
∫
=
(3.2)
Dengan mensubstitusikan persamaan (3.2) ke persamaa (3.3) maka total volume permeatnya (Ahmad et al, 2006).
∑
=
∑
+
∑
t
(3.3)∑
=
∑
+
t
∑
t
= waktu
= Volume permeat
= konsentrasi di bulk
Dan ketebalan lapisan gel
z
merupakan
sehingga
∑
-
∑
=
∑z = ∑ ∑
∑ (3.4)
3.3 Prediksi fluks oleh model tekanan osmotic
Tekanan osmotik adalah mekanisme pengendali tunggal untuk zat terlarut yang tidak
membentuk gel dan telah menerima perhatian lebih baru-baru ini. Seperti disebutkan
sebelumnya tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk menyelidiki apakah model ini
mampu memprediksi perilaku fluks lengkap atau tidak, Penurunan fluks tidak hanya
tergantung pada tekanan dan tekanan osmotik. Penurunan fluks juga tergantung pada
peningkatan resistensi, ini bisa disebabkan oleh pembentukan lapisan gel. Dengan
demikian, istilah baru termasuk ketahanan lapisan gel harus dimasukkan ke dalam
hukum Decay dan model persamaan tekanan osmotik (Ahmad et al, 2006).
=
| |
(3.5)
= tahanan gel
Sebuah deskripsi kuantitatif penurunan fluks dalam ultrafiltrasi melibatkan hubungan
=
=
(3.6)
Oleh karena itu, untuk system cross flow ultrafiltrasi terus menerus menggunakan
hukum Darcy persamaan berikut dapat ditulis sebagai
=
=
(3.7)
Berdasarkan persamaan (2.3), dalam bentuk lain persamaan (3.7) dapat ditulis sebagai berikut :
=
=
| | | |
(3.8)
= tahanan pada lapisan gel
A = luas membran
persamaan (3.4) disubstitusikan ke persamaan (3.8) maka diperoleh
=
=
+
=
+
(
∑ ∑-
∑ ∑)
=
+
∑ ∑
–
∑ ∑
)
untuk i=1,2,3,…,n
Misalkan = =
∑ ∑ = ∑ ∑ Maka
= - t (3.9)
Dengan mensubstitusikan nilai-nilai yang diperoleh dari hasil eksperimen pada
model persamaan (3.9) untuk mendapatkan hasil output. Hasil model yang diperoleh
dibandingkan dengan data eksperimen (Ahmad et al., 2006). Dimana penurunan
transmembran, Penurunan volume fluks permeat seperti yang diperkirakan oleh model
[image:33.595.107.527.157.427.2]yang ditampilkan pada gambar (3.1.).
Gambar 3.1 Volume fluks permeat pada model terhadap waktu filtrasi pada tekanan transmembran yang berbeda.
3.4 Perbandingan antara hasil simulasi model dan data eksperimen dari Volume fluks permeat
Data diperkirakan oleh model dibandingkan dengan percobaan
Hasil pada Gambar (3.2. dan 3.3.), dimana total fluks permeat yang dikumpulkan
terhadap waktu. Tekanan adalah kekuatan pendorong utama dalam proses pemisahan
membran. Garis padat sesuai dengan nilai-nilai yang dihitung dengan model sesuai
dengan hasil eksperimen pada fluks terhadap waktu. Fluks permeat diperkirakan oleh
model sangat mirip dengan hasil eksperimen. Fluks permeat menurun dengan waktu
mencapai nilai steady state menyusul penurunan awal yang disebabkan oleh fouling
membran. Pada saat yang sama, dengan peningkatan tekanan transmembran dari (1
sampai 4 bar) peningkatan fluks volume yang permeat diamati sampai nilai kritis
0 5 10 15 20 25 30 35
0 1000 2000 3000
tekanan transmembran (3 bar) tercapai. Fluks pertama meningkat dengan
meningkatnya tekanan transmembran dan akhirnya menjadi konstan mengarah ke
steady state fluks dan peningkatan lebih lanjut dari tekanan tidak akan meningkatkan
fluks steady state dan sistem membran akan beroperasi pada nilai fluks kritis.
Fluks kritis adalah fluks di mana deposisi koloid terjadi di bawah nilai
fluks-fluksnya, fluks berbanding lurus dengan transmembrane pressure (TMP). Namun,
fluks bisa tetap jika tekanan melampaui titik kritis akibat polarisasi konsentrasi dan
fouling membran, fluks tidak dapat meningkat setelah gel polarisasi terjadi, dan pada
akhirnya dapat menurun dengan lebih meningkatkan tekanan transmembran akibat
[image:34.595.108.489.310.582.2]pemadatan lapisan gel.
Gambar 3.2. Perbandingan Volume fluks permeat pada model terhadap waktu filtrasi pada tekanan transmembran yang berbeda.
0 5 10 15 20 25 30 35
0 1000 2000 3000
BAB 4
KESIMPULAN DAN SARAN
4.1 Kesimpulan
Dari studi ini dapat disimpulkan bahwa pemodelan filtrasi cross flow dapat diturunkan menggunakan proses filtrasi. Pembahasan bab sebelumnya membuktikan bahwa fluks permeat dengan waktu adalah berbanding terbalik. Dan model yang dibuat sama dengan hasil eksperimen sebelumnya.
4.2 Saran
DAFTAR PUSTAKA
Ahmad, A.L., Chong, M.F. and Bhatia, S. 2006. “Ultrafiltration modeling of multiple solutes system for continous cross-flow process”,Chemical Eng. Sci, Vol 61,
pp.5057-5069.
Bowen, W.R., and Jenner F. 1995. Theoretical Descriptions of Membrane Filtration of Colloids and Fine Particles: and Assessment and Review . Advances in Colloid and Interface Science ,56 pp. 141-200.
Bhattacharjee C., Sarkar P., S. Datta S., B.B. Gupta B.B., Bhattacharya P.K.. 2006.
Parameter estimation and performance study during ultrafiltration of Kraft black liquor . Elsevier ,Separation and Purification Technology,1-11
Johnson, A.S., and Tragardh, G., 1990. Fundamental Principles of Ultrafiltration, Chem. Eng.
Kedem,O., and Katchalsky, A. 1961. A physical Interpretation of the Phenomenological Coefficients of Membrane Permeability ,The Journal of General Physiology.Vol 45, 143-179.
Maulana, S., Syarfi., Adrianto, A. 2008. Kombinasi pengolahan anaerob dan membran ultrafiltrasi berbahan dasar polisulfon untuk proses pengolahan limbah cair kelapa sawit. Universitas Riau.
Mulder, M. 1996. Basic principles of membrane technology, 2nd ed., Kluwer Academic Publisher, Dordrecht.
Maysoon ,A.2012. Assessment of mathematical models for ultrafiltration of multi-solute continuous cross-flow process, the thesis of University of Waterloo,Canada.
Tulus. 2008.Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit. Prosiding Konferensi Nasional Matematika XIV.
Van Den Berg G.B, Smolders C.A, 1990. Flux Decline in Ultrafiltration Processes.
Elsevier Science Publishers B.V.. Amsterdam.
