Samantha Juliana, Sutrasno Kartohardjono. Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus UI Depok, 16424

Teks penuh

(1)

PENGGUNAAN KONTAKTOR MEMBRAN SERAT BERONGGA

POLIVINIL KLORIDA DENGAN ALIRAN UMPAN PADA SELONGSONG

UNTUK DESORPSI OKSIGEN DALAM RANGKA MENGHASILKAN AIR

ULTRAMURNI

Samantha Juliana, Sutrasno Kartohardjono

Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Kampus UI Depok, 16424

E-mail: samantha.juliana91@gmail.com; sutrasno@che.ui.ac.id

Abstrak

Desorpsi oksigen menggunakan kontaktor membran serat berongga polivinil klorida dilakukan dalam penelitian ini. Penelitian ini bertujuan untuk mengevaluasi penggunaan kontaktor membran berdasarkan studi perpindahan massa dan hidrodinamika, serta menganalisis struktur morfologi membran PVC dan kesesuaiannya untuk desorpsi oksigen. Penelitian ini dilakukan dengan mengalirkan air pada selongsong, sedangkan udara vakum dalam serat, dengan memvariasikan laju alir air (1-5,25 liter/menit) dan jumlah serat (50, 60, 70 serat). Berdasarkan studi perpindahan massa diperoleh fluks oksigen sebesar 0,037 – 0,15 g/m2.h, koefisien perpindahan massa sebesar 1,118 10-6 m/s – 4,311 10-6 m/s, dengan korelasi Sh=(0,0015φ2-0,0319φ+0,338)Re(0,0014φ2-0,0499φ+1,086). Parameter performa perpindahan massa, kLa

mencapai 0,00124 s-1 (tiga kali lebih besar dari kontaktor konvensional). Berdasarkan studi hidrodinamika, friksi terbesar mencapai 40 kali lebih besar dibandingkan friksi pipa halus, dengan korelasi f=(10,645φ2-216,1φ+1125,9)Re (-0,0086φ2+0,145φ-1,176)

. Berdasarkan uji FESEM, membran PVC memiliki struktur permukaan selimut yang kompak yang menghasilkan stabilitas mekanik dan ketahanan terhadap fouling yang baik serta memiliki banyak pori yang meminimalkan tahanan perpindahan massa.

Abstract

Oxygen desorption with PVC hollow fiber membrane contactor is done in this research. The purpose of this research is to evaluate application of membrane contactor based on mass transfer and hydrodynamic study and to analyze structure of PVC membrane and its compatibility to desorp oxygen. This research applied by flowing water in shell side, while gas in lumen side is vacuumed by varying water flow rate (1-5.25 litre/min) and number of fibers (50, 60, 70 fibers). According to mass transfer study, oxygen flux achieved is 0,037 – 40,15 g/m2.h, mass transfer coefficient achieved is 1,118 10-6 m/s – 4,311 10-6

m/s, with correlation of Sh=(0.0015φ2-0.0319φ+0.338)Re(0.0014φ2-0.0499φ+1.086). Mass transfer performance’s parameter, kLa reaches 0.00124 s-1 (three times higher than conventional contactor). According to

hydrodynamic study, the largest friction is 40 times higher than friction in smooth pipe, with correlation of f=(10.645φ2 -216.1φ+1125.9)Re(-0.0086φ2+0.145φ-1.176)

. From FESEM test, PVC membrane has compact structure which leads to better mechanic stability and resistance toward fouling and high-pore structure which decreases mass transfer resistance. Key words: oxygen desorption, hollow fiber membrane contactor, polyvinyl chloride membrane.

1. Pendahuluan

Penurunan produktivitas suatu industri sering terjadi karena adanya kontaminan dalam bahan baku yang digunakan. Untuk suatu industri yang area produksinya berhubungan dengan sistem air-oksigen

seperti industri pembangkit tenaga listrik, industri semikonduktor, industri farmasi, serta industri makanan dan minuman, oksigen terlarut dalam air merupakan suatu kontaminan yang keberadaannya sangat dihindari, sebab oksigen bersifat korosif dan oksidatif pada suhu dan kelembaban yang tinggi.

(2)

Dalam industri pembangkit listrik, misalnya, korosi pada boiler atau sistem perpipaan di dalamnya dapat dicegah jika tingkat oksigen terlarut dalam air di bawah 0,5 ppm (Ito et al., 1998), sedangkan pada industri semikonduktor, konsentrasi oksigen terlarut harus diturunkan hingga kurang dari 10 ppb untuk

mencegah pembentukan lapisan oksida pada

permukaan semikonduktor (Li et al., 1995).

Selama ini proses penghilangan oksigen terlarut dalam air di industri banyak dilakukan secara konvensional dengan proses fisika maupun kimia. Metode konvensional secara fisika yang biasa digunakan adalah thermal degassing atau vacuum degassing. Akan tetapi, metode ini membutuhkan biaya yang cukup besar, konstruksi yang membutuhkan banyak ruang, serta rendahnya rasio luas area per satuan volume. Selain itu juga terdapat metode kimia yang biasa digunakan seperti penambahan hydrazine atau sodium sulfit. Akan tetapi, metode ini kurang diminati karena hydrazine bersifat toksik dan penambahan sodium sulfit akan menyebabkan terbentuknya padatan dalam air.

Saat ini, tengah dikembangkan teknologi alternatif menggunakan kontaktor membran yang dapat mengatasi permasalahan pada kontaktor konvensional. Pada kontaktor membran, biaya yang dibutuhkan lebih rendah, begitu pula dengan energi yang dibutuhkan lebih rendah. Selain itu, kontaktor membran lebih mudah dioperasikan dan tidak memerlukan ruang yang terlalu luas.

Penelitian-penelitian terdahulu pernah dilakukan menggunakan membran yang terbuat dari silika, tetapi terjadi transfer H2O pada prosesnya (Tan, 2005). Kemudian, penelitian dengan menggunakan membran polipropilena (PP) menunjukan hasil bahwa dengan metode sweep gas kandungan oksigen dari dalam air dapat dihilangkan hingga 99,6%, yaitu sekitar 8 ppm berkurang sampai di bawah 0,05 ppm (Sirkar, 1992).

Selain itu, dengan membran polipropilena

menggunakan metode vakum, kandungan oksigen dari dalam air dapat dihilangkan hingga 76%, yaitu dari input 8,5 ppm berkurang sampai 2 ppm (Shao et al., 2008). Jumlah oksigen yang terambil ini jauh lebih besar daripada metode konvensional, dimana kandungan oksigen terlarut hanya dapat berkurang dari 5 ppm menjadi 3 ppm sehingga jumlah oksigen yang terambil hanya sekitar 40% (PT. Medco E&P Indonesia, 2005).

Pada penelitian ini digunakan kontaktor membran serat berongga, dimana serat membran yang digunakan terbuat dari polivinil klorida (PVC). Membran PVC sendiri belum pernah digunakan dalam proses desorpsi oksigen. Serat membran PVC dipilih karena sifatnya yang hidrofobik. Selain itu, membran polivinil klorida memiliki stabilitas mekanik dan ketahanan terhadap fouling yang baik (Xu dan Xu, 2002), serta memiliki permeabilitas oksigen yang tinggi (Jones et al., 2011; Villaluenga et al., 2007).

Aliran air pada selongsong dipilih karena memiliki rentang laju alir fasa cair yang lebih besar daripada aliran air dalam serat. Laju alir fasa cair pada aliran air dalam selongsong dapat dibuat hingga kondisi turbulen, sedangkan pada aliran air dalam serat hanya bisa berada pada kondisi laminar. Kemudian, operasi desorpsi oksigen dilakukan dengan metode vakum karena operasi ini paling murah, sederhana, dan menghasilkan perpindahan massa yang cukup baik.

Melihat pentingnya proses pemisahan oksigen terlarut dalam rangka menghasilkan air ultramurni dan keunggulan kontaktor membran serat berongga dibandingkan metode konvensional, diusulkan sebuah penelitian untuk mengevaluasi penggunaan kontaktor membran serat berongga polivinil klorida untuk desorpsi oksigen dengan variasi jumlah serat dan laju alir fasa cair. Performa kontaktor membran dievaluasi berdasarkan metode yang dilakukan Kartohardjono (2010), dimana korelasi atau model perpindahan massa dan hidrodinamika dibuat dari data eksperimen. Dari model yang dibuat, performa kontaktor membran dibandingkan dengan kontaktor konvensional untuk mengetahui performa kontaktor mana yang lebih baik. Kemudian, dari model yang dibuat dilakukan scale-up untuk mengetahui kelayakan kontaktor membran ini dalam rangka menghasilkan air ultramurni sesuai spesifikasi di industri.

2. Metode Penelitian

Diagram alir penelitian ini ditunjukkan oleh Gambar 1, dimana variabel proses yang divariasikan pada penelitian ini adalah laju alir fasa cair (1 liter/menit – 5,25 liter/menit) dan jumlah serat (50, 60, dan 70 serat). Pada Gambar 1 terlihat bahwa dilakukan blank experiment untuk memastikan kandungan oksigen terlarut dalam air tidak berkurang karena pengaruh sentrifugasi pompa dan friksi pada kontaktor. Secara umum, tahapan-tahapan dari penelitian yang dilakukan yaitu uji perpindahan massa, uji hidrodinamika, karakterisasi serat membran PVC, dan scale-up dalam rangka menghasilkan air ultramurni.

Uji perpindahan massa dan hidrodinamika dilakukan di Laboratorium Intensifikasi Proses, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Pada uji perpindahan massa, data yang diambil adalah kadar oksigen terlarut dalam air sebelum masuk kontaktor dan sesudah melewati kontaktor. Pada uji hidrodinamika data yang diambil adalah penurunan tekanan yang terjadi di sepanjang kontaktor. Karakterisasi serat membran PVC dilakukan dengan menggunakan FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) di Departemen Teknik Metalurgi dan Material, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Kemudian, perhitungan scale-up dilakukan untuk mengetahui kelayakan kontaktor membran serat berongga polivinil klorida dalam rangka menghasilkan air ultramurni sesuai spesifikasi di industri.

(3)

Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

Rangkaian peralatan pada penelitian ditunjukkan oleh Gambar 2. Pertama, tangki reservoir diisi dengan air umpan. Lalu, kandungan oksigen terlarut dalam air umpan diukur dengan menggunakan DO Meter. Setelah itu, pompa air dan pompa vakum dinyalakan, sehingga air pada tangki reservoir mengalir menuju bagian selongsong kontaktor membran, sedangkan udara vakum mengalir pada bagian dalam serat yang ditarik menggunakan pompa vakum. Air yang keluar yang kontaktor membran ditampung di tangki reservoir yang kemudian kandungan oksigen terlarut akhirnya diukur kembali menggunakan DO Meter. Penurunan tekanan yang terjadi di sepanjang kontaktor diukur menggunakan manometer digital. Pada penelitian ini, air hanya sekali melewati kontaktor, tanpa disirkulasi.

Gambar 2. Rangkaian Peralatan Penelitian

Karakterisasi kontaktor membran yang digunakan ditunjukkan pada Tabel 1 untuk jumlah serat 50, 60, dan 70 serat.

Tabel 1. Karakteristik Kontaktor Membran Serat Berongga pada Eksperimen

3. Hasil dan Pembahasan

3.1 Hasil Blank Experiment

Hasil blank experiment terhadap kandungan oksigen terlarut dalam air dan temperatur air ditunjukkan oleh Gambar 4.1. Berdasarkan Gambar 4.1 terlihat bahwa konsentrasi oksigen pada air tidak mengalami perubahan dari waktu ke waktu. Ini menunjukkan bahwa sentrifugasi akibat putaran pada pompa yang digunakan maupun friksi akibat gesekan dengan serat pada kontaktor tidak menyebabkan oksigen terlarut dalam air menjadi berkurang.

Sementara itu, temperatur air pada detik ke-0 hingga detik ke-90 nilainya tetap pada 26,7 oC. Kemudian naik menjadi 26,8 oC pada detik ke-120, setelah itu konstan hingga detik ke-300. Berdasarkan teori, semakin tinggi temperatur air maka kelarutan oksigen semakin berkurang. Dari hasil blank experiment ini terlihat bahwa temperatur air meningkat, tapi peningkatannya hanya sebesar 1 oC dan setelah itu konstan, sehingga perubahan konsentrasi oksigen terlarut juga tidak terlihat signifikan. Oleh karena itu, berdasarkan hasil blank experiment dapat disimpulkan bahwa sentrifugasi pompa dan friksi akibat gesekan serat tidak mengurangi kandungan oksigen terlarut dalam air.

Gambar 3. Perubahan DO Air Umpan dan Temperatur dengan Mengalirkan Air di dalam Kontaktor Tanpa

Pompa Vakum 26,5 26,7 26,9 27,1 27,3 27,5 0 1 2 3 4 5 6 7 0 60 120 180 240 300 Te m p e ra tu r Ai r (o C ) D O Ai r U m p an ( p p m ) Waktu (s)

DO Air Umpan Temperatur Air

Modul ke- N dp (cm) de (cm) Am (cm2) (%) 1 50 3,6 1,007 1256 9,877 2 60 3,6 0,865 1507,2 11,852 3 70 3,6 0,755 1758,4 13,827

Persiapan alat dan bahan

Melakukan blank experiment

Modul ke- N dp (cm) de (cm) Am (cm 2 ) (%) 1 50 3,6 1,007 1256 9,877 2 60 3,6 0,865 1507,2 11,852 3 70 3,6 0,755 1758,4 13,827

Melakukan blank experiment Melakukan eksperimen utama

Melakukan eksperimen utama

Karakterisasi serat membran PVC Karakterisasi serat membran PVC Uji perpindahan massa Uji perpindahan massa Uji hidrodinamika Uji hidrodinamika

Scale-up dalam rangka menghasilkan air ultramurni

Scale-up dalam rangka menghasilkan air ultramurni

Modul ke- N dp (cm) de (cm) Am (cm 2) (%) 1 50 3,6 1,007 1256 9,877 2 60 3,6 0,865 1507,2 11,852 3 70 3,6 0,755 1758,4 13,827

Scale-up dalam rangka menghasilkan air ultramurni

Scale-up dalam rangka menghasilkan air ultramurni

(4)

3.2 Studi Perpindahan Massa

Pada studi perpindahan massa untuk proses desorpsi oksigen terlarut dari dalam air melalui kontaktor membran serat berongga dengan metode vakum, data yang diambil adalah perubahan konsentrasi oksigen terlarut dan temperatur air yang diperoleh dari pembacaan DO meter. Pengambilan data dilakukan sebanyak 3 kali untuk masing-masing variasi untuk memastikan keakuratan data.

3.2.1 Fluks Oksigen dan Koefisien Perpindahan Massa Fluks oksigen didefinisikan sebagai ukuran kecepatan suatu oksigen terlarut yang melewati membran per satuan waktu dan luas permukaan. Nilai fluks merupakan penentuan karakter membran. Fluks oksigen, JO2 dari eksperimen pada berbagai jumlah

serat sebagai fungsi laju volumetrik air, QL

diperlihatkan pada Gambar 4. Fluks oksigen yang diperoleh berdasarkan eksperimen berkisar antara 0,037 – 0,15 g/m2.h. Sementara itu, koefisien perpindahan massa dari eksperimen diperlihatkan pada Gambar 5 pada berbagai jumlah serat sebagai fungsi dari laju alir volumetrik. Koefisien perpindahan massa yang diperoleh berdasarkan eksperimen berkisar antara 1,118 10-6 m/s – 4,311 10-6

m/s.

Berdasarkan Gambar 4 dan Gambar 5 secara keseluruhan dapat dilihat bahwa fluks oksigen dan koefisien perpindahan massa meningkat seiring dengan meningkatnya laju alir air. Hal ini dikarenakan semakin cepat laju alir air maka aliran semakin turbulen sehingga akan menimbulkan efek arus Eddy yang dapat menurunkan tahanan pada fasa cair, sehingga perpindahan oksigen ke dalam serat menjadi lebih mudah. Selain itu, pada kecepatan air yang tinggi, efek permukaan baru (surface renewal effect) menjadi lebih besar yang dapat menyebabkan koefisien perpindahan massa meningkat.

Sementara itu, pada Gambar 4 dan Gambar 5 dapat dilihat bahwa fluks oksigen dan koefisien perpindahan massa turun seiring dengan naiknya jumlah serat (naiknya fraksi kepadatan modul). Hal ini mengindikasikan bahwa semakin rendah fraksi kepadatan modul di dalam kontaktor, maka semakin baik kontak yang terjadi antara serat dengan air dikarenakan pergerakan serat di dalam kontaktor semakin dinamis. Efek ini dikenal sebagai efek permukaan baru (surface renewal effect) yang dapat menyebabkan terjadinya peningkatan koefisien perpindahan massa di dalam modul kontaktor membran serat berongga (Lipnizki dan Field, 2001). Fenomena ini menjelaskan bahwa pada kontaktor dengan fraksi kepadatan modul rendah, maka aliran transversal/tegak lurus dan surface renewal effect lebih berpengaruh terhadap kemampuan perpindahan massa, sementara pada fraksi kepadatan modul yang tinggi, efek channeling lebih dominan (Wu dan Chen, 2000).

Channeling terjadi karena pada kontaktor dengan fraksi kepadatan modul yang tinggi terdapat daerah yang longgar hingga padat akan serat, dimana kondisi ini menciptakan aliran preferensial di sekitar serat yang disebabkan oleh distribusi yang tidak merata dari serat dan aliran. Luas permukaan kontak mungkin telah berkurang di daerah yang padat karena serat lebih melekat satu sama lain, sehingga kontak area antara air dengan serat pun menjadi berkurang.

Salah satu parameter penting performa kontaktor membran adalah luas permukaan spesifik, kLa.

Kontaktor membran yang baik akan memiliki nilai luas permukaan spesifik yang tinggi. Kontaktor konvensional seperti kolom dengan packing hanya dapat memberikan nilai parameter perpindahan massa, kLa sekitar 0,0004 s-1 (Perry dan Green, 1997).

Berdasarkan eksperimen ini, nilai kLa dapat mencapai

0,00124 s-1 atau sekitar 3 kali lebih besar dari luas permukaan spesifik pada kontaktor konvensional.

Gambar 4. Variasi Fluks Oksigen, JO2 terhadap Laju

Volumetrik Air, QL

Gambar 5. Variasi Koefisien Perpindahan Massa, K terhadap Laju Volumetrik Air, QL

Perbandingan antara koefisien perpindahan massa kontaktor membran polivinil klorida (jumlah serat 50) dengan kontaktor membran polipropilen (jumlah serat 38) ditunjukkan pada Gambar 6. Berdasarkan Gambar 6 terlihat bahwa koefisien perpindahan massa yang

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0 2 4 6 JO 2 ( g/ m 2.h ) QL (Liter/menit) N = 50 N = 60 N = 70 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 0 2 4 6 K x 1 0 6 ( m /s ) QL (Liter/menit) N = 50 N = 60 N = 70

(5)

dihasilkan pada kontaktor membran polivinil klorida masih lebih kecil daripada koefisien perpindahan massa pada kontaktor membran polipropilen. Ini menunjukkan bahwa tingkat hidrofobisitas membran polipropilen lebih tinggi dibandingkan membran polivinil klorida. Akan tetapi, nilai koefisien perpindahan massa yang dicapai pada kontaktor membran polivinil klorida yang digunakan pada penelitian ini sudah cukup membuktikan bahwa kontaktor ini dapat digunakan untuk proses desorpsi oksigen walaupun tingkat pemisahannya masih kurang bila dibandingkan dengan kontaktor membran polipropilen yang penggunaannya di industri sudah cukup luas.

Gambar 6. Perbandingan Koefisien Perpindahan Massa Kontaktor Membran Polivinil Klorida dengan Kontaktor

Membran Polipropilen

3.2.2 Korelasi Perpindahan Massa

Korelasi perpindahan massa untuk melihat ketergantungan koefisien perpindahan massa terhadap parameter proses dalam penelitian ini dinyatakan dalam bilangan Sherwood, Sh sebagai fungsi dari bilangan Reynold, Re. Persamaan umum untuk menghubungkan dua besaran ini dirumuskan pada persamaan (1) berikut ini:

Sh = aReb (1) dimana nilai a merupakan fungsi dari geometri kontaktor membran dalam hal ini adalah fraksi kepadatan modul dan nilai b merupakan fungsi jenis aliran cairan di dalam kontaktor. Berdasarkan penelitian, korelasi perpindahan massa yang diperoleh adalah:

Sh =(0.0015φ2-0.0319φ+0.338)Re(0.0014φ2-0.0499φ+1.086) (2) Perbandingan antara Sh eksperimen dengan Sh pemodelan ditunjukkan oleh Gambar 7. Dari Gambar 7 dapat dilihat bahwa nilai Sh eksperimen mendekati nilai Sh pemodelan (hampir bersinggungan dengan garis hitam). Hal ini menunjukkan bahwa eksperimen

yang telah dilakukan sesuai dengan pemodelan sehingga persamaan pemodelan pada persamaan (2) dapat digunakan untuk menghitung nilai Sh dalam rentang fraksi kepadatan modul sebesar 9,88% hingga 13,83%, dengan rata-rata error penggunaan persamaan empiris sebesar 10,31%.

Gambar 7. Perbandingan Nilai Sh Eksperimen terhadap Nilai Sh Pemodelan

3.3 Studi Hidrodinamika

Pada studi hidrodinamika untuk proses desorpsi oksigen terlarut dari dalam air melalui kontaktor membran serat berongga dengan metode vakum, data yang diambil adalah penurunan tekanan yang terjadi di sepanjang kontaktor. Data penurunan tekanan ini diperoleh dari pembacaan manometer digital. Pengambilan data dilakukan sebanyak 3 kali untuk masing-masing variasi untuk memastikan keakuratan data.

3.3.1 Penurunan Tekanan

Penurunan tekanan berdasarkan hasil eksperimen digambarkan pada Gambar 8. Dari Gambar 8 dapat dilihat bahwa penurunan tekanan semakin besar seiring dengan meningkatnya laju alir air. Hal ini dikarenakan semakin cepat laju alir air turbulensi semakin tinggi, frekuensi tumbukan di antara molekul-molekul cairan dan tumbukan antara molekul cairan dan dinding dalam fiber akan semakin besar. Akibatnya, penurunan tekanan yang terjadi di sepanjang kontaktor semakin besar.

Sementara itu penurunan tekanan semakin besar dengan meningkatnya jumlah serat. Hal ini dikarenakan semakin banyak jumlah serat, gesekan yang terjadi antara air dengan serat semakin besar pula. Gesekan ini membuat friksi yang terjadi di sepanjang kontaktor semakin besar, sehingga akibat friksi yang semakin besar penurunan tekanan yang terjadi di sepanjang kontaktor juga semakin besar.

0,000001 0,00001 0,0001 0,001 0 1 2 3 4 5 6 7 K (m /s ) QL (Liter/menit) PVC (N = 50) PP (N = 38) 1 10 100 100 1000 Sh Re N = 50 N = 60 N = 70

(6)

Gambar 8. Variasi Penurunan Tekanan, △P terhadap Laju Alir Volumetrik, QL

3.3.2 Faktor Friksi

Hubungan antara faktor friksi dengan bilangan Reynold ditunjukkan pada Gambar 9 dimana faktor friksi yang ditinjau ada dua macam, yaitu faktor friksi modul (yang ditunjukkan oleh simbol) dan faktor friksi literatur (yang ditunjukkan oleh garis). Faktor friksi modul diperoleh berdasarkan perhitungan data hasil eksperimen, sedangkan faktor friksi literatur merupakan fungsi dari bilangan Reynold dan hanya berlaku untuk pipa kosong yang halus

Dari Gambar 9 dapat dilihat bahwa nilai faktor friksi modul lebih besar daripada faktor friksi literatur. Hal ini dikarenakan pada modul terdapat gesekan tambahan antara air dengan serat membran, selain antara air dengan dinding kontaktor. Rasio friksi terbesar hampir mencapai 40 kali. Hal ini dikarenakan pada literatur, friksi yang dihitung hanya untuk pipa kosong yang halus, sedangkan pada eksperimen friksi dihitung di sepanjang selongsong kontaktor, dimana di dalam kontaktor terdapat banyak serat yang menambah nilai friksi selain friksi akibat gesekan pada dinding kontaktor.

Gambar 9. Variasi Faktor Friksi Modul dan Literatur terhadap Bilangan Reynold

3.3.3 Korelasi Hidrodinamika

Korelasi hidrodinamika yang dibuat dalam penelitian ini dinyatakan dalam faktor friksi, f sebagai fungsi dari bilangan Reynold, Re. Persamaan umum untuk menghubungkan dua besaran ini dirumuskan pada persamaan (3) berikut ini:

f = aReb (3) Berdasarkan penelitian, korelasi hidrodinamika yang diperoleh adalah:

f = (10,645φ2-216,1φ+1125,9)Re(-0,0086φ2+0,145φ-1,176) (4) Perbandingan antara f eksperimen dengan f pemodelan ditunjukkan oleh Gambar 10. Dari Gambar 10 dapat dilihat bahwa nilai f eksperimen mendekati nilai f pemodelan (hampir bersinggungan dengan garis hitam). Hal ini menunjukkan bahwa eksperimen yang telah dilakukan sesuai dengan pemodelan sehingga persamaan pemodelan pada persamaan (3) dapat digunakan untuk menghitung nilai f dalam rentang fraksi kepadatan modul sebesar 9,88% hingga 13,83%, dengan rata-rata error penggunaan persamaan empiris sebesar 10,18%.

Gambar 10. Perbandingan Nilai f Eksperimen terhadap Nilai f Pemodelan

3.4 Hasil Uji FESEM Membran PVC

Hasil FESEM untuk bagian penampang melintang dengan perbesaran 200x, 800x, dan 10000x secara berturut-turut ditunjukkan oleh Gambar 11, Gambar 12, dan Gambar 13. Berdasarkan Gambar 11 terlihat bahwa membran PVC memiliki struktur double asimetric yang artinya terdiri dari diameter luar dan diameter dalam. Struktur double asimetric ini memberikan stabilitas mekanik membran yang tinggi.

Berdasarkan Gambar 12 dan Gambar 13 terlihat bagian tebal serat membran yang memiliki struktur seperti spons dengan banyak pori yang berukuran cukup besar. Semakin banyak dan semakin besar pori-pori, maka tahanan membran terhadap gas yang 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0 1 2 3 4 5 6 △ p (k g/ cm 2) QL (Liter/menit) N = 50 N = 60 N = 70 0,01 0,1 1 10 100 1000 f Re N = 50 N = 60 N = 70 literatur 0,1 1 10 100 1000 f Re N = 50 N = 60 N = 70

(7)

berdifusi ke dalam serat semakin kecil. Hal ini membuat oksigen semakin mudah berpindah ke dalam serat melewati pori-pori tersebut, sehingga perpindahan massanya semakin bagus karena makin banyak oksigen yang berdifusi ke dalam serat. Ukuran pori-pori pada bagian dalam serat ini adalah 0,6 – 1,4 μm.

Gambar 11. Hasil FESEM Penampang Melintang Membran PVC dengan Perbesaran 200x

Gambar 12. Hasil FESEM Penampang Melintang Membran PVC dengan Perbesaran 800x

Gambar 13. Hasil FESEM Penampang Melintang Membran PVC dengan Perbesaran 800x

Sementara itu, hasil FESEM untuk bagian selimut dengan perbesaran 70x, 800x, dan 20000x secara berturut-turut ditunjukkan oleh Gambar 14, Gambar 15, dan Gambar 16. Berdasarkan Gambar 14 dan Gambar 15 terlihat bahwa struktur dari membran PVC ini sangat kompak. Hal ini membuat membran PVC memiliki ketahanan mekanik yang bagus. Oleh karena itu, membran PVC biasanya lebih tahan lama dan awet dalam penggunaannya. Ini merupakan kelebihan tersendiri dalam hal ekonomi karena biaya perawatan dan penggantian membran menjadi berkurang. Selain itu, struktur permukaan yang kompak pada membran PVC juga memberikan ketahanan yang baik terhadap fouling. Air yang mengalir di dalam selongsong sangat berpotensi menyebabkan fouling. Dengan struktur permukaan yang kompak, maka pengotor-pengotor yang terbawa pada air tidak dapat dengan mudah melewati membran.

Berdasarkan Gambar 16 terlihat pori-pori pada bagian permukaan selimut. Pori-pori inilah yang menjadi interfasa kontak antara cairan dan gas. Pori-pori di bagian selimut ini tidak terlihat jelas karena ukurannya ada pada nilai sekitar 0,025 μm (sesuai data manufaktur), sedangkan oksigen memiliki ukuran molekul 0,29 nm (Scott dan Vanderkooi, 2010). Ukuran pori membran PVC di bagian selimut ini 86 kali lebih besar daripada ukuran molekul oksigen. Oleh karena itu, oksigen dapat dengan mudah berdifusi ke dalam serat melalui pori-pori membran yang ukurannya jauh lebih besar. Pori-pori terbesar di bagian selimut yang dapat terlihat pada FESEM adalah sekitar 0,1 μm. Dari hasil uji FESEM ini dapat disimpulkan bahwa membran PVC memiliki struktur yang kompak, yang menghasilkan stabilitas mekanik dan ketahanan terhadap fouling yang baik. Sementara itu, terdapat banyak pori-pori yang berukuran besar yang meminimalkan tahanan perpindahan massa sehingg struktur membran PVC ini sangat mendukung operasi desorpsi oksigen pada penelitian ini.

Gambar 14. Hasil FESEM Bagian Selimut Membran PVC dengan Perbesaran 70x

(8)

Gambar 15. Hasil FESEM Bagian Selimut Membran PVC dengan Perbesaran 800x

Gambar 16. Hasil FESEM Bagian Selimut Membran PVC dengan Perbesaran 20000x

3.5 Aplikasi Kontaktor Membran Serat Berongga Polivinil Klorida dalam Rangkan Menghasilkan Air Ultramurni

Air ultramurni didefinisikan sebagai air yang hanya mengandung molekul H2O, ion H+, dan ion OH- sedangkan komponen lain hanya ada dalam jumlah yang sangat sedikit (Lenntech BV, n.d.). Standar kemurnian air ultramurni berbeda-beda pada setiap industri. Untuk analisis saat ini, air ultramurni dianggap memiliki kandungan oksigen terlarut maksimum sebesar 10 ppb dan kapasitas alat minimum 500 L/min, untuk aplikasi pada industri semikonduktor. Berdasarkan ukuran kontaktor komersil yang umumnya terdapat pada industri, diameter selongsong kontaktor membran pada analisis ini maksimum dibatasi sebesar 60 cm. Dengan diameter selongsong sebesar ini dan dengan mengasumsikan fraksi kepadatan modul sebesar 90%, maka jumlah serat yang dapat dimasukkan ke dalam kontaktor adalah sebanyak 126563 serat. Berdasarkan International Patent (2008), rasio panjang dan diameter kontaktor yang disarankan adalah sebesar 2 hingga 10, serta rasio panjang dan

diameter kontaktor optimum adalah sebesar 2,5 hingga 4,5. Sehingga dengan menggunakan rasio L/D untuk kondisi optimum, untuk diameter kontaktor sebesar 60 cm, maka panjang maksimum kontaktor optimum adalah sebesar 2,7 m.

Pada saat laju alir air 500 L/min, jumlah serat 126563 buah, diameter kontaktor 60 cm, dan panjang kontaktor 2,7 m, kandungan oksigen terlarut air keluaran kontaktor adalah 16,9 ppb. Kandungan ini masih lebih besar bila dibandingkan spesifikasi yang ditentukan pada industri semikonduktor. Untuk mencapai kandungan oksigen terlarut dalam air kurang dari 10 ppb, maka panjang kontaktor yang dibutuhkan adalah sebesar 3 m atau sekitar 5 kali diameter kontaktor. Rasio L/D = 5 masih diizinkan untuk desain kontaktor membran. Dengan menggunakan desain ini, kandungan oksigen terlarut keluaran kontaktor adalah sebesar 8,93 ppb. Kandungan ini sudah sesuai dengan spesifikasi air ultramurni di industri semikonduktor yaitu kurang dari 10 ppb. Oleh karena itu, secara konstruksi kontaktor ini sudah cukup layak untuk menghasilkan air ultramurni dengan spesifikasi tersebut.

Akan tetapi, dibutuhkan penelitian lebih lanjut, khususnya dalam hal pembuatan membran PVC yang bersifat super hidrofobik sehingga proses desorpsi oksigen menjadi lebih baik dan lebih ekonomis. Selain itu, aplikasi ini juga perlu dikembangkan lebih jauh untuk memperoleh hasil yang lebih akurat, sebab pada penelitian ini persamaan yang digunakan diperoleh pada rentang fraksi kepadatan modul 9,87% hingga 13,83% dan di scale-up hingga fraksi kepadatan 90% untuk menghasilkan air ultramurni sesuai spesifikasi di industri semikonduktor.

4. Kesimpulan

Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Parameter perpindahan massa yang diperoleh dari

penelitian adalah fluks oksigen sebesar 0,037 – 0,15 g/m2.h dan koefisien perpindahan massa sebesar 1,118 10-6 m/s – 4,311 10-6

m/s. Fluks oksigen dan koefisien perpindahan massa meningkat dengan berkurangnya jumlah serat karena serat membran pada modul yang kurang padat terfluidisasi dan menghasilkan perpindahan massa yang lebih baik. Fluks oksigen dan koefisien perpindahan massa meningkat dengan naiknya laju alir air karena adanya efek turbulensi yang akan mempertipis boundary layer.

2. Friksi terbesar pada eksperimen mencapai 40 kali lebih besar dibandingkan friksi pada sebuah pipa halus. Nilai friksi pada eksperimen lebih tinggi karena friksi yang terjadi bukan hanya akibat gesekan pada dinding kontaktor, tetapi juga akibat gesekan pada serat.

(9)

Sh=(0,0015φ2

-0,0319φ+0,338)Re(0,0014φ2-0,0499φ+1,086) dengan rata-rata error penggunaan persamaan empiris sebesar 10,31%.

Korelasi hidrodinamika yang diperoleh: f = (10,645φ2

-216,1φ+1125,9)Re(-0,0086φ2+0,145φ-1,176) dengan rata-rata error penggunaan persamaan empiris sebesar 10,18%.

4. Nilai kLa yang mencapai 0,00124 s-1atau sekitar 3

kali lebih besar dari luas permukaan spesifik pada kontaktor konvensional. Ini menunjukkan bahwa kinerja kontaktor membran serat berongga PVC lebih baik daripada kinerja kontaktor konvensional.

5. Berdasarkan analisa FESEM, membran PVC memiliki struktur permukaan luar yang kompak yang menghasilkan ketahanan mekanik dan ketahanan terhadap fouling yang baik, dimana di bawah permukaan tersebut terdapat banyak pori-pori yang ukurannya cukup besar yang membuat proses perpindahan massa pada membran PVC ini cukup baik karena tahanan membran menjadi semakin kecil dan oksigen akan semakin mudah berdifusi ke dalam serat.

6. Berdasarkan hasil scale-up, kontaktor membran serat berongga PVC ini layak untuk diaplikasikan di industri dalam rangka menghasilkan air ultramurni, salah satunya di industri semikonduktor dengan sepesifikasi air ultramurni yang diperoleh sebesar 8,93 ppb dengan diameter kontaktor sebesar 60 cm dan jumlah serat sebanyak 126563 buah.

5. Daftar Acuan

[1] Ito, A., et. al. 1998. Removal of Dissolved Oxygen Using Non-porous Hollow Fibre Membrane. Journal of Membrane Science, 159, halaman: 61-106.

[2] Jones, C.A., Gordeyev, S.A. dan Shilton, S.J. 2011. Poly(vinyl chloride) (PVC) Hollow Fibre Membranes for Gas Separation. Polymer, 52, halaman: 901-903.

[3] Kartohardjono, S. 2010. Shell Side Mass Transfer and Fluid Hydrodynamics in Sealed End Hollow Fiber Membrane Gas-Liquid Contactor. Saarbrücken: Lambert Academic Publishng AG & Co. KG.

[4] Lenntech BV. Ultrapure Water, dalam <http://www.lenntech.com/applications/ultrapure /ultrapure-water.htm> diakses 3 Maret 2012. [5] Li K., et. al. 1995. Removal of Dissolved Oxygen

in Ultrapure Water Production Using a Membrane Reactor. Chem. Eng. Sci, 50 (22), halaman: 3547-3556.

[6] Lipnizki, F. dan Field. 2001. Mass Transfer Performance for Hollow Fiber Modules with Shell-Side Axial Feed Flow: Using an Engineering Approach to Develop a Framework.

Journal of Membrane Science, 193, halaman: 195-208.

[7] Mahaputra, H. A. dan Yaser. 2005. Laporan Kerja Praktek di PT. Medco E&P Indonesia. Depok: Departemen Teknik Gas dan Petrokimia FTUI.

[8] Peng, Z., et. al. 2008. Membrane Contactor. International Application Published Under the Patent Cooperation Treaty. International Bureau: World Intellectual Property Organization.

[9] Perry, R. H. dan Green, D. W. 1997. Perry's Chemical Engineer's Handbook. Columbus, OH: McGraw-Hill.

[10] Scott, J.N. dan Vanderkooi, J.M. 2010. A New Hydrogen Bond Angle/Distance Potential Energy Surface of the Quantu Water Dimer. Water Journal.

[11] Shao, J., Liu, H., dan He, Y. 2008. Boiler Feed Water Deoxygenation Using Hollow Fiber Membrane Contactor. Desalination, 234, halaman: 370 – 377.

[12] Sirkar, K. K. 1992. Other New Membrane Processes. Membrane Handbook. New York, Chapman & Hall.

[13] Tan, X. Y., Capar, G. dan Li, K. 2005. Analysis of Dissolved Oxygen Removal in Hollow Fibre Membrane Modules: Effect of Water Vapour. Journal of Membrane Science, 69, halaman: 111-119.

[14] Villaluenga, J.P.G., et. al. 2007. Gas Transport Properties of Polypropylene/clay Composite Membrane. European Polymer Journal, 43, halaman: 1132-1143.

[15] Wu, J. dan V. Chen. 2000. Shell Side Mass Transfer Performance of Randomly Packed Hollow Fiber Modules. Journal of Membrane Science, 172, halaman: 59-74.

[16] Xu, J. dan Xu, Z. L. 2002. Poly(vinyl chloride) (PVC) Hollow Fiber Ultrafiltration Membranes Prepared from PVC/Additives/Solvent. Journal of Membrane Science, 208, halaman: 203-212.

Figur

Memperbarui...

Referensi

Memperbarui...

Related subjects :