PENGGUNAAN MEMBRAN REAKTOR UNTUK PENGOLAHAN AIR
LIMBAH YANG MENGANDUNG FENOL
Jeffrey Bastanta P. Elisabeth Rossaliana D.
Heru Enggar T. Mutiara Putri Utami S.
Lukman Nul Hakim
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada, 2014 ABSTRACT
Phenol is not only an important raw material in petrochemical, pharmaceutical, plastic and pesticide industry but also one of the major components concerning the industrial wastewater. During the phenol production, depending on the process, up to 0.6 ton of wastewater, containing 2 - 3% phenol and other 5 - 10% of organic pollutant like an acetone, sodium salt and aromatic hydrocarbons, is produced per ton of phenol. Wastewater containing phenol is produced by different type of industries, such as plastics and resins, coal refining and steel industries etc. Among these pollutants, the phenol is one of the most common representatives of toxic organic compounds, harmful to human health, and causing an increase in the demand of oxygen in water even at low levels. The minimum content of phenol in river is 0.003191 mmol / L. In order for the water quality standard of waste being dumped into the river meets the quality standards, it is necessary wastewater treatment prior to the river, one of the processing that is used is the membrane bioreactor. One of the parameters that affect the design of the membrane reactor is the membrane area, from the calculation of the resulting membrane area of 1,37 x 104m2. And membrane area without reaction is 1,47 x 104m2.
Keyword: wastewater treatment, membrane bioreactor, phenol
A. Pendahuluan
Reaktor membran adalah sistem reaktor baru yang mengkombinasi kan pemisahan dengan membran dan reaksi kimia. Reaktor membran memiliki dua tipe, yaitu reaktor membranpacked-bed dan reaktor membran katalitik. Reaktor membran dengan katalispacked-bedmemiliki area pemisahan yang terpisah dari area reaksi, sedangkan pada reaktor membran katalitik, reaksi dan pemisahan terjadi secara simultan. Membran dalam reaktor ini merupakan penghalang yang hanya
dapat melewatkan komponen tertentu. Selektivitas pada membran ini dikontrol oleh ukuran diameter pori membran. Lapisan membran ini sangat berguna untuk melumpuhkan seluruh sel (bakteri, jamur, sel hewan dan sel tumbuhan), molekul bioaktif seperti enzim digunakan untuk menghasilkan berbagai macam bahan kimia.
untuk menumbuhkan sel-sel dengan cepat dan kemungkinan untuk reaksi simultan dan pemisahan, jalur difusi yang relatif singkat di lapisan membran, adanya kecepatan konveksi melalui membran dibutuhkan agar menghindari kekurangan nutrient.
Perpindahan massa melalui biocatalytic lapisan membran, baik sel-sel hidup atau enzim, diinokulasi ke dalam shell dan bergerak dalam lapisan tipis pada membran. Sel tumbuh baik dalam serat membran dengan aliran keluar atau menyilang ke dalam fiber ketika limbah dan produk samping dihilangkan atau tumbuh dalam extracapillary space dengan aliran sedang melalui fiber dan disuplai dengan oksigen dan nutrien.
Salah satu aplikasi dari membran reaktor ini adalah pengolahan fenol dari air limbah dengan mushroom tyrosinase yang dimobilisasi dalam membran.
B. Teori
Fenol tidak hanya bahan baku penting dalam petrokimia, farmasi, plastik dan pestisida industri tetapi juga salah satu komponen utama tentang air limbah industri. Produksi fenol tergantung pada prosesnya, dalam 0,6 ton air limbah terdapat 2 ~ 3% fenol dan 5 ~ 10% dari polutan organik seperti aseton, garam natrium dan hidrokarbon aromatik. Air limbah yang mengandung fenol banyak dihasilkan dari berbagai industri, seperti industri plastik dan resin, pemurnian batubara dan baja industri, dll.
Di antara beberapa polutan, fenol merupakan salah satu senyawa organik beracun, berbahaya bagi kesehatan manusia, dan menyebabkan menurunnya kandungan oksigen dalam air dengan kandungan minimum fenol 0,003191 mmol/L. Di masa yang akan datang, fenol akan terakumulasi di lingkungan ketika
dilepaskan dalam jumlah besar dan dapat mencemari lingkungan. Oleh karena itu, pengembangan teknologi pengolahan fenol yang efektif saat ini sangat penting.
Limbah ini dapat olah dengan metode fisika dan kimia seperti adsorpsi, oksidasi, biologi (enzimatik) membran dan teknik gabungan. Namun, pengolahan seperti diatas memiliki kekurangan yaitu biaya pengolahan yang mahal dan menghasilkan produk samping yang berbahaya. Adapun kelebihan dari teknologi enzimatis adalah rendah energi, mudah dalam kontrol, beroperasi pada berbagai kondisi dan meminimalisasi dampak kerusakan lingkungan.
Proses Membarane
Proses membran dicirikan bahwa aliran umpan dipilah menjadi dua aliran, yaitu aliran permeat/filtrat dan aliran retentat/konsentrat.
1. Bahan Organik (Polimer):
b. Polimer untuk membran tak-berpori
2. Bahan anorganik: a. Membran keramik b. Membran gelas
c. Membran metal (termasuk karbon)
d. Membran zeolite
3. Pada dasarnya semua polimer dapat digunakan sebagai bahan membran, tetapi karena karakteristik kimia dan fisiknya sangat bervariasi, sehingga hanya beberapa jenis polimer yang baik untuk bahan membran
4. Klasifikasi:
a. Polimer untuk membran berpori (MF dan UF)
b. Polimer untuk membran tak-berpori (GS dan PV)
Perbedaan jenis membrane berpori dan tak berpori
Untuk membran berpori:
a. Pilihan polimer ditentukan oleh metode pembuatan membran (membran manufacturing) dan stabilitas terhadap pengaruh panas dan bahan kimia
b. Jenis bahan menentukan stabilitas membran (kimia, mekanis, panas, dan biologis), tetapi tidak menentukan rejeksi
Untuk membrane tak-berpori:
a. Pilihan polimer ditentukan oleh selektivitas dan fluks yang diinginkan
Karakteristik Membran Berpori dan Tidak Berpori
Karakteristik membran berpori: a. Pemisahan terjadi akibat
perbedaan ukuran partikel / molekul
b. Ukuran pori membrane relative terhadap ukuran partikel menentukan tingkat selektivitas c. Selektivitas akan tinggi, jika
ukuran partikel > ukuran pori membran.
Contoh: MF, UF
Karakteristik Membran tak-berpori: a. Pemisahan terjadi akibat
perbedaan laju kelarutan (solubility) dan/atau perbedaan difusivitas (Diffusivity)
b. Tingkat kelarutan dan difusivitas ditentukan oleh sifat instrinsik bahan membran
Contoh: PV, VS, GS, dialisis Model matematis pada membran reaktor :
biomassa (gambar 1b lapisan homogen denga transfer massa konstan. transfer massa disebut difusi, kecepatan konveksi biokimia bisa bervari anisotropi membran menurunnya konsentrasi lapisan koloni mikroba. densitas biomassa sang untuk level konsentrasi subst pertumbuhan mikroorga saat konsentrasi substrat le
Adapun asumsi-asum diambil untuk differensial kesetimba pada biocatalytik membr 1. Reaksi terjadi di
pada biocatalytic la 2. Transfer massa
biocatalytic layer te difusi dan konve simultan
3. Kelarutan untuk (substat, produk ) dalam biocatalyti layer
4. Parameter transf (koefisien difusi konveksi, laju dianggap konstan 5. Hambatan transfer
konsentrasi bounda harus dihitung
6. Bioproses diangga steady state dalam layer (perubahan dalam larutan m dihilangkan sela tinggal dalam lume membran atau di lembaran membran
1b) dianggap gan parameter an. Parameter but koefisien konveksi, laju reaksi variasi karena n dan/atau si nutrien pada oba. Khususnya, sangat sensitif si substat. Laju ganisme pada t lebih tinggi. asumsi yang
persamaan bangan massa mbran adalah di setiap posisi
layer
assa pada r terjadi karena konveksi secara uk komponen oduk ) dihilangkan ytic membran nsfer massa usi , kecepatan u bioreaksi) n
er massa dalam boundary layer ggap kondisi lam membran an konsentrasi masuk dapat selama waktu umen side pada u di interface bran).
Skema percobaan Seung-Hak CHOI
(sumber :Jurnal “B Phenol in Wastew loaded Membr Numerical Approa a. First order bio Persamaan neraca m reaksi kimia ) :
Persamaan keseti massa untuk bioc membrane layer da berdimensi
Dimana,
menjadi ,
an yang dilakukan I :
l “Bio-degradation of ewater by Enzyme-mbrane Reactor:
oach” )
biochemical reaction ca massa ( dengan
(1) setimbangan neraca uk biocatalytic
er dalam bilangan tak
(2)
(3)
Dengan nilai ,
Nilai ini merupakan rasio dari laju reaksi dengan laju konveksi.
Dari persamaan pers (3) disubstitusi ke persamaan (4) kita mendapatkan persamaan umum untuk persamaan (2), menjadi:
(5) Dimana,
Nilai parameter Tm dan Pm dapat dihitung oleh BC :
Setelah BC dimasukkan ke persamaan (5), distribusi konsentrasi dalam lapisan membran diberikan seperti di bawah ini:
(6)
Laju transfer massa untuk difusi dan konveksi secara simultan memasuki
lapisan membran seperti persamaan dibawah ini:
(7) Penyederhanaan untuk nilai J dapat ditunjukkan oleh persamaan berikut ini:
(8) Dimana,
Dalam kasus reaksi biocatalytic, laju substrat yang keluar, seperti contohnya perpindahan jumlah substrat yang tidak bereaksi dalam lapisan membran biocatalytic juga penting karena bagian yang penting untuk mereduksi jumlah baik untuk membagi konsentrasi substrat tertentu dalam fase membran agar mencegah kerusakan pertumbuhan mikroorganisme:
(9) Dimana,
untuk didapatkan. Persamaan diferensial persamaan (3) tanpa reaksi adalah:
(10) Distribusi konsentrasi dengan BC sbb:
Menghasilkan ,
(11) Keseluruhan laju transfer massa adalah:
(12) Dimana,
(13) Persamaan laju transfer massa menunjukkan laju transfer massa overall untuk dua layer, yaitu untuk polarisasi konsentrasi lapisan (di mana tidak ada reaksi biokimia) dan untuk lapisan membran biocatalytic, (teori lapisan dua film untuk sistem gas-cair) seperti yang diilustrasikan pada Gb. 1(B).
Untuk boundary layer merujuk pada persamaan (12) didapat:
(14)
Untuk membran lapisan biocatalytic mengambil dari persamaan (8) (di sini kelarutan dalam Lapisan membran diabaikan, sehingga C* = Cm*):
(15) Laju transfer massa dengan koefisien transfer massa overall diperoleh:
(16) Dimana,
Dengan demikian koefisien perpindahan massa dua-layer untuk transfer massa tanpa reaksi biokimia di kedua fase dapat dinyatakan sebagai berikut:
bersama-sama untuk dua lapisan adalah pemodelan matematikanya sulit, dan tidak diberikan di sini. b. Persamaan neraca massa tanpa
(tanpa reaksi kimia ):
pada microbe layer :
Overall mass transfer (analog dengan two film theory ) :
dengan :
C. Studi kasus
Limbah phenol dengan 0.6 ton/hari mengandung phenol dengan kadar 0.01 mmol/l. Ingin diolah menggunakan membran reaktor (MBR). Kadar phenol keluar yang diijinkan 0.003191 mmol/l. Berapa luas permukaan membran yang diperlukan.
Data- data reaksi :
PARAMETER DATA
Vmax 4,83 x 10-11mol /menit v 10-5m/s
Km 0,7 mmol/L
D 0,91 10-5cm2/s De 0,89 10-5cm2/s
Cb 0,01 mmol/L
Cp 0,003191 mmol/L
Tebal film 0,06 cm
PARAMETER DATA
Tebal Membrane 0,06 cm
Jenis Membrane Hollow Fiber (porous membrane)
Jenis Enzime Polyphenol Oxidase
sumber:jurnal “ Basic equations of mass transfer through biocatalytic membrane layer “
Analisis persamaan reaksi order satu :
The concentration profiles of mass transport through a biocatalytic membrane layer accompanied byfirst -order biochemical reaction.
D. Hasil Perhitungan dan Pembahasan
Perhitungan
a. Membran bioreactor dengan enzim (reaksi)
Film cair
( ) = = 10 0,06
0,91. 10 ( ) = 6,59
=
1
= 0,91. 10
0,06 6,59
,
, 1
= 1,00085. 10
Membran
=
= =
= 4,83.10 0,06 0,91. 10 7.10 = 0,45
=
4 +
= 6,59
4 + 0,45 = 3,36
( ) =
= 10 0,06 0,89. 10 = 6,74
= 2 tanh +
tanh
=
(0,89. 10 )(6,74
2 ) tanh(3,36) + 3,36 0,06 tanh(3,36)
= 0,195. 10
= 1
1 +
= 10 +
,
0,195.10 = 1,073.10
=
/
cosh m x ( Pem2 tanh m + m)
= 3,36 x e
,
cosh(3,36) ( 6,742 tanh(3,36) + 3,36 = 1,0009
= ( )
= 1,07. 10
= 2% 0,6
= 0,012
= 1,47 10
( ) = = 1,47 10
1,07. 10 = 1,37 . 10
b. Membran tanpa enzim (tanpa reaksi)
Film cair
Jumlah modul dibutuhka 1142 = 1224 modul.
Pembahasan
Dari hasil perhitungan area yang dibutuhkan pa yang mengandung enzim x 104 m2 Sedangkan menggunakan membran adalah 1,47 x 104 dikarenakan fluks phe membran enzim lebih besa tanpa enzim dengan ra Fluks yang besar dikarena konsentrasi yang besar aki efek reaksi.
embran yang 1,07 x 1,37.104 = uhkan = 1,07 x
n didapat luas pada membran im adalah 1,37 kan luas area n tanpa enzim m2 hal ini phenol pada besar dari pada rasio 1,0711. enakan gradien akibat adanya
E. Kesimpulan 1. Untuk mengola
sebanyak 0.012 dibutuhkan l membran sebesa 2. Jika 1 modul me
m2 maka tot dibutuhkan 1.142 m 3. Untuk mengola
sebanyak 0.012 Enzim dibutuhka permukaan m 14.674 m2 4. Jika 1 modul me
m2 maka tot dibutuhkan 1.224 m Daftar Pustaka
• Seung-Hak CHO SCURA*, Giuseppe Rosalinda MAZZE GIORNO*,Enrico degradation of Phenol by Enzyme-loade Reactor:Numerical Appr
• Endre Nagy*,Unive Research Institute Process Engineerin em, Hungary, jurna
olah limbah phenol 0.012 ton/hari luas permukaan besar 13.700 m2
membran luasnya 12 total modul yang n 1.142 modul
olah limbah phenol 0.012 ton/hari tanpa butuhkan A luas membran sebesar membran luasnya 12 total modul yang n 1.224 modul
HOI*, Francesco ppe BARBIERI*,†, ZEI*,***, Lidietta Jurnal “ Bio-henol in Wastewater oaded Membrane
al Approach”
