TEKNOLOGI MEMBRAN UNTUK PEMISAHAN KARBON DIOKSIDA DARI GAS BUANG

TEKNOLOGI MEMBRAN UNTUK PEMISAHAN KARBON DIOKSIDA DARI GAS BUANG

Miqdar Zulfikar Irriyanto

Teknik Kimia, ITB, Jl. Ganesha No. 10, Bandung, Indonesia miqdarzii@students.itb.ac.id

Abstrak

Pada abad ke 21 ini, industri di dunia mempunyai perkembangan yang cepat. Namun masalah yang sering ditemui adalah pengolahan limbah yang mempunyai dampak buruk bagi lingkungan sekitar. Limbah yang diproduksi baik dalam bentuk cairan, gas, padatan harus dikendalikan agar tidak memberikan dampak buruk terhadap lingkungan. Salah satu limbah yang banyak dihasilkan oleh industri adalah gas buang yang berasal dari unit operasi atau reaktor. Jika gas buang ini dikeluarkan dalam jumlah banyak tentu akan menimbulkan berbagai masalah seperti Global Warming. Salah satu hal yang dapat dilakukan adalah dengan melakukan penyaringan gas karbon dioksida yang terkandung dalam gas buang. Mengingat banyaknya industri yang menghasilkan gas buang, maka teknologi untuk penyaringan gas buang perlu dikembangkan dengan serius. Teknologi yang sudah ditemukan dan banyak dipakai adalah absorbsi gas karbon dioksida menggunakan pelarut amina. Teknologi absorbs tersebut merupakan teknologi tertua yang masih dipakai sampai sekarang. Teknologi lain yang memiliki potensi untuk diaplikasikan adalah pemisahan gas dengan teknologi membran. Pada tulisan ini akan dibahas mengenai cara penyaringan gas karbon dioksida dan teknologi membran yang bisa digunakan. Dalam hal ini jenis membran pemisah gas dari bahan polimer yang akan dibahas lebih lanjut. Pembahasan meliputi jenis polimer yang digunakan, pembuatan membran, sintesis polimer, dan jenis material membran.

Kata Kunci: penyaringan gas karbon dioksida, membran pemisah gas, polimer.

1. Pendahuluan

Penggunaan listrik untuk unit pembangkit dalam industri seringkali menggunakan energy hasil pembakaran bahan bakar fosil. Pembakaran yang menghasilkan gas buang seperti karbon dioksida, karbon monoksida memberikan pengaruh yang signifikan terhadap perubahan iklim global. Sebagai contoh, semua industri yang menggunakan bahan bakar batu bara akan menghasilkan sekitar 2 juta ton gas karbon dioksida per tahun [1].

Berdasarkan peraturan untuk pembuangan gas buang ke lingkungan, semua industri secara tidak langsung diharuskan untuk mencari teknologi yang khusus untuk melakukan penangkapan gas karbon dioksida.

Selain berdampak pada lingkungan, gas karbon dioksida juga dapat mempengaruhi kondisi pada unit pembangkit. Keberadaan karbon dioksida dalam pembakaran gas metana (CH4) dapat menurunkan kalor yang dihasilkan. Berdasarkan sifat keasamannya, karbon dioksida dapat menyebabkan korosi pada peralatan proses dan sistem perpipaan[2]. Hal ini menyebabkan penyaringan gas CO2 menjadi sangat penting. Efisiensi energi dan struktu membran pemisahan gas yang tidak rumit menjadi daya tarik untuk menggunakannya dalam pemisahan gas CO2. Ketika sistem membran yang lain tidak dapat melakukan seleksi terhadap satu komponen dalam campuran gas, membran pemisahan gas dapat melakukan hal tersebut.

Pada awalnya konsep dari membran pemisahan ditemukan oleh Graham pada tahun 1866[3] dengan Loeb dan Sourirajan yang mengembangkan membran anisotropik pada tahun 1961. Membran pemisahan gas pertama kali diperjualkan pada tahun 1977 saat Monsanto/Perma menghasilkan sistem pengolahan hidrogen. Pada sekitar tahun 1980 dan 1990, ditemukan

inovasi pada material membran oleh Cynara, Separex, dan Generon. Penemuan ini menaikkan efisiensi dan kekuatan membran sehingga persaingan antara membran pemisahan dengan alat pemisahan biasa menjadi ketat.

Beberapa keunggulan yang ditawarkan pemisahan gas menggunakan membran antara lain: penggunaan alat yang lebih ringan, intensitas pekerja yang rendah, desain modular sehingga memudahkan ekspansi dan operasi dalam kapasitas parsial, maintenance yang rendah, konsumsi energi yang rendah, dan biaya yang rendah [4].

2. Pemisahan Gas dengan Teknologi Membran

Gambar 1. Peroses pemisahan gas dengan membran (membrane gas separation)

Membran berfungsi sebagai filter untuk memisahkan satu atau lebih gas dari umpan campuran seperti pada Gambar. 1. Dua hal yang mempengaruhi kemampuan suatu membran yaitu permeabilitas yaitu fluks gas spesifik yang melalui membran, dan selektifitas yaitu kemampuan membran untuk menerima gas spesifik dan menolak gas lainnya. Terdapat lima mekanisme yang mungkin terjadi pada membran pemisahan yaitu, difusi Knudson, sieving molecular, pemisahan difusi, kondensasi kapiler, dan difusi permukaan [5]. Pada membran polimer yang tidak memiliki poros, mekanisme yang terjadi adalah solution- diffusion. Hal ini berdasarkan kelarutan gas spesifik dengan membran dan proses difusi melalui matriks

membran. Untuk pemisahan gas CO2 alat yang digunakan biasanya berupa hollow fiber bertekanan tinggi dan modul spiral-wound [6]. Pemisahan tidak hanya tergantung pada difusi namun juga tergantung pada interaksi kimia antara gas dengan polimer yang menentukan banyaknya gas terakumulasi dalam matriks membran. Hubungan antara permeabilitas, difusifitas, dan kelarutan dapat dituliskan pada persamaan berikut.

𝑃 = 𝐷. 𝑆 (1)

Dimana P adalah koefisien permeabilitas (cm³ (STP) cm^-2 s^-1 cmHg^-1). D adalah koefisien difusifitas (cm² s^-1) dan S adalah koefisien kelarutan (cm³ (STP) cmHg^-1).

Pada gas ideal, permeabilitas berkaitan dengan laju penyerapan gas dalam membran (Q), luas permukaan membran (A), ketebalan membran (l), dan beda tekan pada membran (∆𝑝) :

𝑃

𝑙 = _𝐴∆𝑝 ^𝑄 (2)

Selektifitas ideal (α) suatu gas A terhadap gas B didefinisikan sebagai:

𝛼 = _𝑃^𝑃𝐴

𝐵 (3)

Membran polimer dapat diklasifikasikan sebagai membran elastis dan kaca bergantung temperatur relatif terhadap temperatur glass transition dari polimer [7].

Membran elastis beroperasi di atas temperatur glass transition. Kelarutan gas pada matriks polimer mengikuti hukum Henry dan berhubungan linier dengan fugasitas, 𝑓:

𝐶_𝐷= 𝐾_𝐷𝑓 (4)

Sebaliknya, membran kaca beroperasi di bawah temperatur glass transition sehingga struktur polimer tidak dapat berubah dan membran tidak akan mencapai kesetimbangan termodinamika. Maka dari itu ikatan polimer akan tidak sempurna dan berdampak pada terbentuknya lubang mikroskopis pada matriks polimer.

Dengan adanya tambahan lubang ini adsorpsi gas dapat meningkatkan kelarutan. Total konsentrasi gas terabsorbsi oleh membran kaca dapat dituliskan sebagai :

𝐶 = 𝐶_𝐷+ 𝐶_𝐻 (5) Dimana 𝐶_𝐻 adalah persamaan Langmuir

𝐶𝐻= _(1+𝑏𝑓)^{𝐶′𝐻 𝑏𝑓} (6)

𝑏 = _(𝐶′𝐻^𝐶_−𝐶^𝐻

𝐻)𝑓 (7)

C’^H adalah kapasitas maksimum adsorpsi dan b adalah perbandingan koefisien laju adsorpsi dan desorpsi.

Gambar 2. Hubungan antara volume spesifik polimer dengan temperatur operasi (diadaptasi dari [8]) Pada gas buang yang mengandung 10% CO2, biaya yang dibutuhkan oleh membran pemisahan gas lebih besar daripada pemisahan absorpsi pelarut. Biaya yang besar ini disebabkan oleh pembuatan beda tekan pada membran untuk sebagai gaya dorong yang dilakukan dengan cara kompresi gas umpan. Agar membran pemisah gas menjadi ekonomis maka selektivitas CO2/N2 harus melebihi 120 [9].

Nilai selektivitas yang sebesar itu tidak dapat dicapai oleh material membran yang sekarang. Permebilitas berbanding terbalik dengan luas membran yang dibutuhkan untuk pemisahan. Permeabilitas yang tinggi dapat menurunkan harga pembuatan membran. Namun harus diperhatikan bahwa apabila permeabilitas tinggi maka selektivitas membran akan turun.

Menaikkan permeabilitas dan selektifitas bukan satu- satunya karakteristik membran yang penting. Bahan penyusun membran harus secara termal dan kimia kuat, tahan terhadap faktor usia untuk memastikan performa yang kontinyu untuk waktu yang lama, dan secara biaya efektif untuk proses manufaktur sebagai modul standar membran [10].

3. Membran untuk Pemisahan CO2/N2 3.1. Sintesis polimer membran pemisahan gas

Polimer yang digunakan untuk membran pemisahan CO2/N2 harus memiliki beberapa spesifikasi. Pertama adalah kemampuan membran untuk menyerap gas yang dapat diukur melalui fluks gas. Kedua adalah kemampuan pemisahan karbon dioksida dari gas lainnya. Ketiga adalah membran polimer harus memiliki sifat termal dan mekanik yang bagus.

Kopolimer dapat membentuk polimer yang keras dan lembut. Bagian polimer yang keras dapat disintesis menggunakan polimer yang memiliki struktur rapat dan kaku sehingga membentuk segmen kaca pada ikatan polimer. Bagian polimer yang lembut dapat disintesis menggunakan polimer yang lebih fleksibel dan membentuk segmen elastis pada ikatan polimer. Ketika membrandibuat dari bahan kopolimer ini, bagian segmen

kaca akan membentuk struktur dasar dan kekuatan mekanik membran. Jika bagian polimer yang keras dibuat pada temperatur tinggi seperti polimida maka membran akan memiliki tahanan termal yang lebih baik. Pada bagian lembut, segmen elastis digunakan untuk mentransportasikan gas yang membuat membran memiliki permeabilitas yang bagus. Setimbangnya polimer yang keras dan lembut ini akan mengakibatkan pemisahan yang bagus.

3.2. Struktur Polimer

Bahan pertama yang digunakan untuk pemisahan karbon dioksida menggunakan membran adalah selulosa asetat yang mempunyai prinsip reverse osmosis. Namun fluks karbon dioksida pada membran selulosa asetat berkurang dengan berjalannya waktu karena material menjadi rapuh yang disebabkan kondisi aliran umpan.

Oleh karena itu membran polimer akan fokus untuk membuat membran yang kuat dan memiliki selektifitas dan/atau permeabilitas yang bagus. Bahan membran yang sudah di produksi akan mempertimbangkan kebutuhan permeabilitas dan selektifitas sehingga digunakan kombinasi penyusun polimer. Macam-macam polimer yang sering digunakan dalam pembuatan membran yaitu poliamida, polikarbonat, polianilin, dan polisulfona.

Gambar 3. Struktur poliamida (diadaptasi dari [11])

Gambar 4. Struktur polisulfon (diadaptasi dari [12]) Polimer kaca sangat rentan terhadap efek penuaan. Hal ini dikarenakan tipisnya lapisan membran. Huang dan Paul menemukan cara untuk menentukan efek penuaan pada karakteristik gas yang melewati polimer kaca. Penelitian lainnya yang dilakukan Tsujita yaitu efek kondisi termal dan tekanan polikarbonat. Hasil disimpulkan bahwa memanaskan polikarbonat lalu melakukan quenching pada lapisan akan menambah penyerapan karbon dioksida.

Pemilihan bahan untuk membran pemisahan gas dapat mengikuti salah satu strategi yaitu menaikkan laju difusi karbon dioksida dengan menggunakan struktur polimer dan menaikkan kelarutan karbon dioksida dalam membran.

Jenis matriks campuran dapat menghasilkan spesifikasi yang bagus namun kelemahanya pada bentuk desain membran yang sulit.

Berdasarkan proses sintetis polimer, perubahan struktur polimer dapat merubah nilai permeabilitas dalam beberapa cara:

 Penggabungan molekul besar pada polimer cenderung menaikkan permeabilitas dengan pengurangan selektifitas. Namun pengurangan selektifitas tidak terlalu penting dibandingkan penambahan permeabilitas karbon dioksida.

 Bentuk subtituten Para gugus fenil jika dibandingkan dengan Meta memiliki permeabilitas tinggi dengan pengurangan selektifitas

 Ikatan polimer yang kuat dan pendek cenderung memberikan selektifitas yang bagus namun mengurangi permeabilitas

Meningkatkan kelarutan pada membran secara konsep lebih mudah daripada meningkatkan selektifitas difusi.

Karbon dioksida bersifat lebih polar dibandingkan nitrogen sehingga gugus fungsi pada polimer dapat berinteraksi dan membuat kelarutan karbon dioksida dalam membran bertambah. Salah satu kelemahan dari kelarutan yang tinggi adalah tingginya laju proses plasticization.

Penambahan subtituen besar pada sekeliling polimer akan mengubah keefektifan dalam ikatan antar monopolimer sehingga akan meningkatkan permeabilitas dan mengurangi selektivitas. Contohnya adalah penambahan subtituen pada bisfenol A polikarbonat, tetrametil- dan tetrakloro- bisfenol A polikarbonat berturut-turut menunjukkan permeabilitas yang semakin tinggi. Tetrabromobisfenol A polikarbonat menghasilkan selektifitas lebih baik dengan pengurangan permeabilitas.

Dengan bertambahnya gugus metil menunjukkan kenaikan permeabilitas karbon dioksida. Seperti menurut teori, penurunan selektifitas karbon dioksida/nitrogen terjadi dengan bertambahnya gugus metil.

Polimer sintesis dengan nilai permeabilitas terbesar adalah poli(1-trimetilsililpropin). Polimer jenis ini memiliki permeabilitas karbon dioksida 28.000 barrer dan nitrogen 4.970 barrer. Permeabilitas yang besar ini dikarenakan terdapat fraksi ruang kosong yang besar pada struktur polimer. Tingkat permeabilitas ini dapat menurun semakin lama dan dapat diatasi dengan menambahkan zat aditif.

Gambar 5. Struktur polimer dengan fraksi kosong yang besar (diadaptasi dari [13])

Gambar 6. Struktur poliarilat (diadaptasi dari [14])

Poliarilat merupakan salah satu tipe poliester aromatic.

Proses sintesis polimer ini yang umum adalah melalui reaksi diol seperi bisfenol A dengan tambahan asam klorida. Kebanyakan poliarilat memiliki permeabilitas karbon dioksida kurang dari 25 barrer. Hanya sebagian kecil poliarilat yang memiliki nilai permeabilitas diatas 85.

Gambar 7. Struktur polikarbonat (diadaptasi dari [15]) Polikarbonat dapat di sintesis dari reaksi antara diol dan fosgen pada kondisi tertentu. Kebanyakan polikarbonat memiliki permeabilitas karbon dioksida dibawah 40 barrer dan selektifitas antara 15 sampai 25.

Salah satu jenis polikarbonat yaitu TMHFPC memiliki keistimewaan karena permeabilitas karbon dioksida yang mencapai 111 dan selektifitas karbon dioksida/nitrogen mencapai 15.

Gambar 8. Struktur polimida (diadaptasi dari [16]) Polimida mempunyai stabilitas termal dan kimia dengan permeabilitas karbon dioksida yang bermacam- macam. Polimida umumnya di sintesis melalui reaksi diamin dengan diahidrida di dalam pelarut aprotic untuk membentuk asam poliamik. Setelah itu dilakukan reaksi polikondensasi untuk membentuk polimida. Contoh sintesis dari polimida adalah 6FDA-pPDA.

Dianhidrida yang biasa digunakan untuk sintesis antara lain, PMDA, BPDA, dan 6FDA. Sintesis dilakukan dengan diamin berlebih untuk menghasilkan bermacam- macam polimida. Salah satu polimida, PI-TMMPA, memiliki permeabilitas yang sangat tinggi. Jenis polimida 6FDA umumnya mempunyai permeabilitas dan selektifitas yang tinggi. Penyebabnya adalah ikatan polimer menjadi tidak efektif karena adanya gugus CF3

sehingga meningkatkan permeabilitas. Salah satu polimida yang popular juga yaitu Matrimid 5218. Proses brominasi pada polimer ini menyebabkan permeabilitas karbon dioksida dan nitrogen tinggi sehingga selektifitas CO2/N2

menjadi rendah.

Secara struktur polipirolon mirip dengan polimida namun lebih kaku. Keuntungan dari polipirolon adalah resistansi termal dan kimia yang lebih tinggi dibanding polimida. Karena struktur yang kaku maka polipirolon tidak dapat bekerja dengan prinsip sieving. Polipirolon dapat di sintesis dengan reaksi dianhidrida dan monomer tetraamin.Polipirolon biasanya dicampur dengan polimida

untuk mengatur tingkat kekakuannya. Semakin banyak komponen polipirolon dalam campuran maka permeabilitas menurun tetapi selektifitas meningkat.

Gambar 9. Struktur polisulfonat (diadaptasi dari [12]) Penelitian dengan polisulfonat sebagai bahan pembuatan membran dilakukan karena harga yang murah dan performa yang baik. Polisulfonat dapat di sintesis dari reaksi kondensasi antara bisfenol dan dihalogen difenilsulfonat. Salah satu contoh polisulfonat adalah PSF yang dibuat dari bisfenol A. Dengan subtitusi bisfenol A dengan jenis diol berbeda, jenis-jenis lain PSF dapat dibentuk. Jenis lain PSF dapat memberikan permeabilitas dan selektifitas karbondioksida yang bermacam.

Polisulfon yang memiliki gugus metil antara lain tetramethylbiphenol polysulfone (TMBIPSF) dan hexamethylbiphenol polysulfone (HMBIPSF). Hasil eksperimen menunjukkan bahwa BIPSF dan PSF memiliki karakteristik transport yang mirip. Subtituen tetrametil dapat meningkatkan permeabilitas sedangkan subtituen heksametil tidak[17].

Beberapa polisulfonat direaksikan dengan proses brominasi. Reaksi ini akan meningkatkan kereaktifan polimer. Beberapa polimer berhasil di sintesis dengan derajat reaksi brominasi dan alkilasi yang berbeda. Produk yang terbentuk merupakan campuran dari monomer, monomer terbrominasi, dan monomer teralkilasi.

Kopolimer dibuat dengan alasan agar mendapatkan permeabilitas yang baik dan mengurangi biaya dari segi proses sintesis polimer. Contoh kopolimer adalah kopolimida yang dibentuk dari reaksi NTDA dengan campuran diamin tersulfonasi dan diamin.

Gambar 10. Sintesis kopolimida (diadaptasi dari [19]) Pemisahan gas CO2/N2 dengan kombinasi poli(etilen oksida), poliamida, polimida, dan poliuretane telah diteliti oleh Okamoto. Kopolimer ini mempunyai permeabilitas dan sleektifitas CO2 yang tinggi dikarenakan kelarutan karbon dioksida yang tinggi pada segmen poli(etilen oksida).

Kopolimida direaksikan dengan dua macam diamin, FDA dan HFBAPP dengan komposisi berbeda-beda.

Hasilnya 6FDA-FDA lebih memiliki permeabilitas karbon dioksida dan nitrogen daripada 6FDA-HFBAPP. Seiring dengan bertambahnya fraksi massa FDA permeabilitas juga meningkat.

3.3. Efek tekanan dan temperatur

Hubungan antara temperatur dengan besaran perpindahan gas dapan dituliskan dalam persamaan

𝑃 = 𝑃₀exp (−𝐸_𝑝

𝑅𝑇) , 𝐷 = 𝐷⁰exp(−𝐸𝐷

𝑅𝑇) 𝑆 = 𝑆₀exp(−𝐻𝑠

dimana P0, D0, dan S0 adalah kondisi awal, E𝑅𝑇) p dan ED

adalah energy aktivasi untuk permeasi dan difusi sedangkan Hs adalah panas penyerapan. Dari persamaan disimpulkan bahwa kenaikan temperatur dapat menaikkan permeabilitas dan menurunkan selektifitas membran.

Penelitian yang dilakukan oleh Lin dan Freeman yaitu besaran perpindahan gas dari poli(etilen oksida) pada berbagai temperatur dan tekanan hulu. Hasilnya permeabilitas karbon dioksida meningkat dengan naiknya tekanan sdangkan permeabilitas nitrogen menurun.

Berbeda dengan Lin dan Freeman, penelitian Villaluenga dan Tabe-Mohammadi yaitu menentukan pengaruh tekanan pada polimer kaca dan elastis. Hasilnya pada polimer elastis tekanan berpengaruh pada permeabilitas namun pada polimer kaca perubahan tekanan tidak berpengaruh pada permeabilitas.

3.4. Cross-linking

Cross-linking mempunyai keuntungan untuk meningkatkan karakteristik mekanik dan termal dari suatu membran [20]. Cross-linking dapat digunakan untuk meningkatkan kestabilan membran apabila umpan gas besar dan mencegah proses plasticization [21]. Kopolimer jenis poli(etilen oksida koepiklorohidrin) di gabung silangkan dengan konstentrasi K-bismutiol yang berbeda.

Efek dari kenaikan proporsi cross-linking disajikan dalam tabel berikut.

Tabel 1. Efek kenaikan proporsi K-bismutiol pada karakteristik poli(etilen oksida koepiklorohidrin) [21]

Agen Cross-linking

Permeabilitas CO2

Permeabilitas N2

Selektifitas CO2/N2

1.1 g/100 g polimer

15.0 2.3 6.5

2 g/100 g polimer 14.9 1.0 15

5 g/100 g polimer 16.1 0.5 32

3.5. Membran matriks campuran

Jenis membran ini memanfaatkan keuntungan dari membran polimer dan membran anorganik. Inklusi dari partikel terdispersi dapat memiliki tiga kemungkinan efek pada permeabilitas gas. Partikel lainnya dapat berperan sebagai penyaring molekul, mengubah permeabilitas yang berhubungan dengan ukuran molekul, partikel dapat mengganggu matriks polimer dan menaikkan permeabilitas atau mereka dapat menjadi pembatas matriks polimer dan menurunkan permeabilitas.

Fasa dari membran matriks campuran dapat berupa hamper semua bahan polimer. Contohnya adalah polisulfonat, polieterimida, dan polimida. Ukuran partikel untuk menyaring molekul dalam membran disarankan berukuran dimensi 200-900 Angstrom. Silikat adalah bentuk umum dari Kristal silica yang non-zeolit hidrofobik.

Jika non-zeolit di reaksikan dengan senyawa organosilicon akan meningkatkan selektifitas polivinil asetat dengan membran matriks campuran melalui reduksi dari rongga mikro sebesar 33%. Perlakuan tambahan pada penyaring molekul dapat dilakukan untuk menaikkan performa dengan zeolit yang dicuci dalam lautan ionik sehingga memisahkan pH operasi dan permukaan. Dalam hal ini membuat struktur dasar akan meningkatkan kelarutan karbon dioksida dalam matriks campuran.

Membran matriks campuran yang berasal dari campuran polipirol dan polikarbonat telah disintesis dan diuji karakteristik perpindahan gasnya oleh Yilmaz.

Hasilnya permeabilitas karbon dioksida dan nitrogen meningkat jika konsentrasi polipirol dinaikkan. Contoh lain sintesis membran matriks campuran adalah sintesis antara PMDA-ODA dan poli(stiren-ko-4-vinilpridin) yang dapat menaikkan permeabilitas sekaligus selektifitas karbon dioksida dan nitrogen[22]. Sintesis membran yang dilakukan oleh Spontak yaitu antara poli(etilen oksida) dan bermacam nanopartikel. Hasilnya dengan porsi nanopartikel tertentu maka selektifitas karbon dioksida dan nitrogen meningkat.

Tabel 2. Selektifitas gas dari membran matriks campuran polivinil asetat pada 35^oC dan 410 kPa [22]

Fasa Kontinu Penyaring Molekul

Selektifitas CO2/N2

Polivinil asetat Na-SSZ-13 34.7 Polivinil asetat APDMS treated

Na-SSZ-13 51.2

Polivinil asetat Silikat 32,3 Polivinil asetat APDIPS-treated

silikat 36,9

Polivinil asetat APDMS-treated

silikat 43.1

3.6. Membran Asimetrik

Penelitian mengenai karakteristik perpindahan gas oleh polimer dilakukan menggunakan membran yang homogen dan padat. Membran padat pada umumnya di sintesis dengan menuangkan larutan pada pelarut dan polimer pada permukaan datar lalu membiarkan pelarut untuk menguap. Oleh karena itu, permeabilitas membran memiliki hubungan dekat dengan permeabilitas polimer.

Pada prakteknya, bentuk dari alat pemisahan gas membutuhkan struktur membran yang lebih kompleks.

Membran yang padat memiliki ketebalan yang lebih tipis dibandingkan lapisan selektif membran asimetris. Karena itu membran padat cenderung memiliki fluks gas yang rendah. Membran ultra tipis harus dibuat dengan teknik yang advanced yaitu dengan proton hipertermal.

Gambar 11. Struktur membran asimetris [19]

Tipe paling sederhana dari membran asimetrik adalah membran yang digunakan oleh Loeb-Sourijajan proses pemisahan fasa. Kelebihan membran asimetrik dibandingkan membran simetrik yaitu memiliki selektivitas tinggi dan fluks aliran besar [23]. Membran dibagi menjadi dua komponen: lapisan poros pendukung dan lapisan tanpa rongga. Membran asimetrik telah dibuat dari beberapa bahan polimer termasuk polisulfonat, polieterimida, dan polimida. Membran jenis hollow fiber dibuat menggunakan beberapa bahan polimer termasuk polisulfonat, polietersulfonat, polifenilen oksida, polieterimida, polimida, polikarbonat, dan kopolimer polimida-poli(etilen oksida).

4. Membran Anorganik

Meskipun pada pembahasan pokok tulisan ini mengena membran polimer tetapi terdapat bahan membran lain yang dapat dipertimbangkan yaitu mebran anorganik.

Membran anorganik dapat dibedakan menjadi dua yaitu berporos dan tidak berporos. Membran tidak berporos sering digunakan pada pemisahan hidrogen dimana digunakan unsur palladium [24]. Membran berporos secara ekonomi lebih murah tetapi kurang selektif.

Kemampuan daya tarik sistem anorganik merupakan suatu keuntungan jika dilakukan pada temperatur tinggi.

Contohnya adalah pemisahan karbon dioksida dari hidrogen pada syngas yang beroperasi pada temperatur tinggi.

Ukuran karbon dioksida yang lebih besar dari hidrogen membuat metode sieving untuk pemisahan tidak memungkinkan. Permeabilitas merupakan fungsi dari difusi permukaan. Membran anorganik terdiri dari bagian keramik seperti Al2O3 dimana lapisan berporos ditambahkan BaTiO3 atau MgO. Senyawa tersebut memiliki afinitas yang tinggi untuk karbon dioksida.

Untuk penambahan MgO, selektifitas CO2/N2 mencapai 120 dengan permeabilitas >0.02 barrer pada 350^oC.

5. Membran Karbon

Membran karbon adalah jenis membran polimer yang bekerja dengan prinsip molecular sieves. Membran ini memiliki permeabilitas dan selektifitas lebih tinggi untuk

karbon dioksida daripada polimer biasanya [25]. Namun, struktur karbon tidak mudah untuk dibentuk dalam lapisan tipis sehingga meskipun permeabilitas tinggi tetapi fluks sebenarnya mungkin tidak. Membran karbon dibentuk dari pirolisis bahan organik semacam polimer di dalam kondisi non-oksidasi dengan temperatur tinggi.

6. Kesimpulan

Pengelolaan gas karbon dioksida merupakan teknologi yang penting untuk mengatasi efek dari pembakaran bahan bakar fosil. Peran kimiawan sangat penting dalam pengembangan teknologi ini seperti mengembangkan bahan polimer yang dapat digunakan untuk memisahkan karbon dioksida dari nitrogen pada gas buang unit pembangkit.

Selain pemisahan gas karbon dioksida dan nitrogen, membran dapat digunakan untuk manfaat lain. Membran dapat digunakan untuk memisahkan oksigen dan nitrogen sehingga oksigen yang didapatkan dapat digunakan untuk pembakaran. Membran pemisahan gas termasuk membran generasi kedua yang merupakan pengembangan membran dasar [26]. Beberapa polimer sudah diteliti mengenai kegunaannya sebagai bahan membran pemisahan gas.

Macam-macam tipe polimer seperti polikarbonat, polisulfonat, dan polimida dapat membentuk kombinasi yang bagus jika dibentuk menjadi membran.

Salah satu strategi yang mungkin dilakukan untuk mendapatkan performa maksimal dalam pemisahan gas adalah menggunakan polimer yang terdiri dari lapisan keras dan elastis. Contoh polimer yang sering digunakan dalam pembuatan membran adalah polimida dengan ditambahkan 6FDA. Hal ini berkaitan dengan karakteristik perpindahan gas, variasi struktur potensial, dan kekuatan fisik yang bagus.

Kelarutan karbon dioksida yang tinggi pada polimer akan menentukan selektifitas gas karbon dioksida dan nitrogen yang tinggi juga. Polimer memiliki fraksi volume kosong yang akan menentukan juga permeabilitas dan selektifitas.

Selain membran polimer, membran karbon dapat dijadikan alternatif untuk membran pemisahan gas.

Namun kendala dari membran karbon adalah dari segi kerapuhan, kesulitan dalam pembuatan, dan membutuhkan biaya yang tinggi. Membran matriks campuran dapat menjadi solusinya yaitu dengan menggabungkan membran karbon dengan membran polimer.

Daftar Pustaka References

[1] A. Brunetti, F. Scura, G. Barbieri, E. Drioli, Membran technologies for CO2 separation, J. Membr.Sci. 359 (2010) 115-125.

[2] P. Scovazzo, J. Kieft, D.A. Finan, C. Koval, D.

DuBois, R. Noble, Gas separation using non- hexafluorophosphate[PF6]-anion supported ionic liquid membrans, J. Membr. Sci, 238 (2004) 57.

[3] C.A. Scholes, S.E. Kentish, G.W. Stevens. Carbon dioxide separation through polymeric membran systems for flue gas applications, Chemical Engineering Patent 1 (2008) 52-66.

[4] I.G. Wenten. “Industri Membran dan Perkembangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.

[5] A. Fritzsche, J. Kurz. The separation of gases by membrans, in: Handbook of industrial membran technology porter MC, editor. William Andrew Publishing 1990, 559-593.

[6] I.G. Wenten. “Teknologi Membran: Prospek dan Tantangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.

[7] N. Plate, Y.P. Yampolskii. Relationship between structure and transport properties for high free volume polymeric materials, in: Polymeric Gas Separation Membrans. Baton Rouge: CRC Press 1994; 115-208.

[8] S. Kanehashi, K. Nagai. Analysis of dual-mode model parameters for gas sorption in glassy polimers. J.

Membr. Sci., 253 (2005) 117-138.

[9] E. Favre. Carbon dioxide recovery from post- combustion processes: Can gas permeation membrans compete with aborption?. J. Membr. Sci., 294 (2007) 50-59.

[10] C. Roberts, J.R. Gibbins, R. Panesar, G. Kelsall.

Improvement in power generation with post-combustion capture of CO2. Cheltenham: IEA Greenhouse Gas R &

D Programme; 2004.

[11] Wikipedia. Polyamide Structural Formula.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Polyamide _Structural_Formulae_V.1.svg, (diakses pada 26-03- 2016)

[12] Wikipedia. Polysulfone.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Polysulfon e_repeating_unit.png (diakses pada 26-03-2016) [13] M. Peter, N.N. McKoewn. Highly permeable

polymers for gas separation membrans. J. Polym.

Chem., 1 (2010) 63-68.

[14] UNITIKA Plastic Division. UNIFIER, https://www.unitika.co.jp/plastics/e/unifiner/index.ht ml (diakses pada 26-03-2016)

[15] Wikipedia. Polycarbonate,

https://en.wikipedia.org/wiki/Polycarbonate (diakses pada 27-03-2016)

[16] Wikipedia. Polyimide,

https://en.wikipedia.org/wiki/Polyimide (diakses pada 27-03-2016)

[17] H. Julian, I.G. Wenten, Polysulfone membranes for CO2/CH4 separation: State of the art. IOSR J Eng, 2 (2012) 484-495.

[18] F. Piroux, E. Espuche, R. Mercier, M. Pineri, Sulfonated influence of structural parameters on gas separation properties, Desalination 145 (2002) 371.

[19] what-when-how, Nanofiltration separation part 1.

http://what-when-how.com/nanoscience-and- nanotechnology/nanofiltration-separations-part-1- nanotechnology/ (diakses pada 28-03-2016).

[20] W.J. Koros, R. Mahajan, Pushing the limits on possibilities for large scale gas separation: which strategies, J. Membr. Sci. 175 (2000) 181.

[21] J. Sanchez, C. Charmette, P. Gramain, Poly(ethylene oxide-co-epichlorohydrin) membrans for carbon dioxide separation, J. Membr. Sci. 205 (2002) 259.

[22] Kulkarni, S., Hasse, D.J., Corbin, D.R., Patel, A.N.:

US20036508860 (2003)

[23] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, Khoiruddin, A.N.

Hakim. “Proses Pembuatan Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2011.

[24] Ekiner, O.M., Simmons, J.W.: US20060156920 (2006)

[25] R. Baker. Future directions of membran gas separation technology. Ind. Eng. Chem. Res. 41 (2002) 1393.

[26] I.G. Wenten. “Intensifikasi Proses Berbasis Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.