133
Karakterisasi membran hollow fiber dari polimer polietersulfon
menggunakan Fourier transform infrared (FTIR) microscopy.
Nasrul Arahman
Jurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala, Banda Aceh, Indonesia, 23111
E-mail: Nasrular@che.unsyiah.ac.id
Abstrak
Tulisan ini memaparkan proses karakterisasi membran hollow fiber dari polimer polietersulfon (PES) menggunakan peralatan Fourier transform infrared (FTIR) sepectroscopy. Membran dibuat dengan metode non-solvent induced phased separation (NIPS) menggunakan N-methyil pirrolidone (NMP) sebagai pelarut dan deionized water sebagai non-pelarut. Aditiv polimer Tetronic 1307 digunakan sebagai komponen ketiga untuk mendapatkan membran dengan sifat antifouling yang lebih baik. Membran yang dihasilkan selanjutnya diuji ketahanannya terhadap bahan kimia menggunakan larutan sodium hipokhlorit (NaOCl). Morfologi permukaan membran menyangkut komposisi kimia dan perubahannya dipelajari menggunakan FTIR. Hasil analisa memberikan gambaran bahwa surfaktan Tetronic 1307 eksis pada permukaan membran yang menyebabkan membran menjadi lebih hidrophilik dibuktikan dengan munculnya peak IR pada panjang gelombang 2860 cm-1bagian dari rantai C-C. Dekomposisi molekul Tetronic pada permukaan membran sukses dilakukan dengan konsentrasi larutan NaOCl 500 ppm dibuktikan dengan penurunan peak IR sebesar 0,7 skala absorbansi pada panjang gelombang 2860 cm-1.
Kata kunci : FTIR, Membran hollow fiber, polietersulfon, Tetronic 1307.
PENDAHULUAN
Aplikasi teknologi membran telah berkembang pesat dalam hampir semua kegiatan indusrtri (Rahimpour A., dan Madaeni S.S., 2007, Qiu Y.R. dkk., 2007). Awal pertama ditemukan, membran hanya terbatas digunakan untuk pengolahan air bersih atau pengolahan air limbah. Saat ini teknologi membran sudah dipakai secara luas untuk industri pemisahan gas, industri pengolahan bahan makanan, industri farmasi, dan industri bioteknologi (Pearce G., 2007, Jermann D., 2007). Seiring dengan perkembangan kebutuhan membran yang terus meningkat, berbagai teknologi proses pembuatan dan analisis produk membran juga terus berkembang. Terobosan penemuan baru dalam bidang teknologi membran dilakukan melalui pemilihan berbagai jenis polimer yang telah tersedia, penciptaan jenis polimer baru melalui proses kopolimerisasi, modifikasi larutan polimer dengan berbagai jenis aditiv, serta modifikasi membran pasca pembuatannya seperti grafting. Selain itu khusus untuk membran jenis hollow fiber, peningkatan kualitas produknya juga dapat dilakukan melalui modifikasi kondisi operasi proses seperti pemilihan ukuran spinneret, pengesetan ketinggian air gap, dan penggunaan berbagai jenis non pelarut dalam bak koagulasi (Chung T.S., dkk., 2002, Bonyadi, S., dkk., 2007., Khayet,M., 2003). Membran yang telah dipabrikasi selanjutnya perlu diuji kualitas dan unjuk kerjanya. Beberapa parameter umum yang lazim diuji adalah struktur dan morfologi membran, sifat mekanik, sifat filtrasi, sifat hidrophilik/hidrophobik, uji muatan permukaan dan komposisi membran.
Untuk mengetahui struktur dan morfologi membran, peralatan yang digunakan adalah scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), dan atomic force microscopy (AFM). Uji sifat mekanik dapat dilakukan dengan peralatan uji
134
stensil mencakup parameter uji kekuatan dan elongasi. Sifat filtrasi yang diuji mencakup besarnya fluks dan rejeksi menggunakan modul filtrasi secara cross-flow atau dead-end proses. Sifat hidrophilik/hidrophobik dapat diketahui dengan mengukur sudut kontak air dengan permukaan membran menggunakan peralatan water contact angle. Muatan permukaan membran dapat diukur menggunakan metode analisa zeta potensial. Selanjutnya untuk uji komposisi membran bisa dilakukan dengan menggunakan peralatan Fourier transform infrared (FTIR), dan X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
Polietersulfon (PES) telah digunakan secara luas pada pembuatan membran dalam berbagai penerapan (Susanto H, dan Ulbricht M, 2006, Li., Y dan Chung T.S, 2008, Unger R.E., dkk, 2005). Hal ini karena PES diketahui sangat baik dalam hal ketahanannya terhadap bahan kimia, stabilitas termal dan sifat mekaniknya. Namu PES mempunyai sifat antifouling yang tidak baik karena bersifat hidrofobik, yang merupakan kekurangan utama polimer ini. Modifikasi sifat permukaan membran merupakan salah satu upaya peningkatan sifat anti fouling yang lazim dilakukan. Membran PES dicampurkan dengan aditif berupa polimer yang bersifat hidrofilik seperti polivinilpirolidon (PVP), poli(etilen glikol) (PEG), selulosa asetat phtalat (CAP), dan Pluronik F127 (Qin J.J. dkk, 2005, Kim J.H. dan Lee K.H., 1998).
Artikel hasil penelitian ini memaparkan metode karakterisasi membran hollow fiber yang telah dibuat dari bahan polimer politersulfone menggunakan peralatan FTIR. PES yang sebelumnya bersifat hidrophobik dimodikasikan dengan polymeric additive yang bersifat hidrophilik yaitu Tetronic 1307 sebagai surface modifying agent. Pengaruh penambahan Tetronic dipelajari terhadap perubahan komposisi permukaan membran. Membran hasil modifikasi selanjutnya ditreatment dengan larutan sodium hipoklorit (NaOCl) dengan tujuan untuk meningkatkan ukuran dan distribusi pori. Secara umum tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh penambahan aditiv Tetronic 1307 dan perlakuan hipoklorit terhadap perubahan komposisi permukaan membran PES/Tetronic.
METODELOGI
Pembuatan larutan polimer
Larutan dop untuk membran PES original dibuat dengan melarutkan PES (BM=65.000, Ultrason E6020 P, BASF Co.) kedalam N-Metil-2-Pirolidon (NMP, dari WAKO Pure Chemical Industries Ltd, Jepang). Untuk membran modifikasi, kedalam larutan polimer ditambahkan surfaktan Tetronik 1307 (5% berat). Konsentrasi PES ditetapkan sama untuk kedua jenis membran yaitu 20 % (Berat). Selanjutnya larutan polimer diaduk sampai homogen menggunakan magnetic stirrer pada suhu ruang (25OC) selama lebih kurang 24 jam. Sebelum dibuat membran, larutan didiamkan beberapa menit didalam alat ultrasonic untuk menghilangkan gelembung udara yang muncul selama proses pengadukan. Larutan sodium hipoklorit (kandungan klorin: 5%) yang digunakan untuk uji NaOCl treatment diperoleh dari Wako Pure Chemical Industries, Ltd, Co.
Tabel 1. Kondisi operasi proses pembuatan membran. Laju alir polimer (m/min) Laju alir inner coagulant (m/min) Kecepatan putaran Winder (m/min) Jarak antara spineret dengan air (cm) Temperature (oC) Bak koagulasi Laruta n dop Inner coagulant Bak penampung membran 3.20 10.4 11.2 5 20 20 20 20
Pembuatan membran hollow fiber
Membran hollow fiber dibuat dengan metode non-solvent induced phase separation (NIPS) menggunakan satu paket pencetak membran kondisi kering-basah sebagaimana telah
135
dijelaskan pada beberapa seri paper bagian dari proyek penelitian ini (Arahman N, dkk, 2011, Arahman N, dkk, 2012). Larutan polimer dari dope vessel dialirkan melalui spinneret (pencetak membran) menuju bak koagulasi dengan bantuan pompa roda gigi. Inner goagulant berupa deionized water dialirkan ke bagian tengah spinneret untuk membentuk lumen dari membran. Ukuran diameter hollow fiber dibuat sama untuk semua membran dengan mengeset spinneret pada inner dan outer tube dengan diameternya masing-masing 0,70 dan 1,00 mm. Take up winder digunakan untuk mengumpulkan membran secara otomatis kedalam bak pengumpul yang berisi air dengan kecepatan putaran poros 32 rpm. Kondisi operasi proses pembuatan membran hollow fiber dibuat konstan untuk semua sistem seperti tercantum pada Tabel 1. Sisa pelarut pada membran dihilangkan dengan cara merendam membran kedalam deionized water selama 24 jam.
Perlakuan Hipokhlorit
Lima helai membran hollow fiber dengan panjang 20 cm dipotong menjadi dua bagian dengan panjang bagian masing-masing 10 cm. Lima helai bagian pertama langsung dikarakterisasi, dan lima helai bagian yang lain diendapkan dalam larutan hipoklorit pada suhu 50oC. Konsentrasi larutan hipoklorit ditetapkan konstan yaitu 500 ppm. Setelah 3 jam pengendapan dalam larutan hipoklorit, membran dimasukkan kedalam deionized water selama 24 jam. Selanjutnya membran dikarakterisasi dengan cara yang sama seperti 5 helai membran bagian pertama yang tidak melalui proses hipokhlorit.
Analisa FTIR
Analisa perubahan komposisi kimia pada permukaan membran sebelum dan sesudah pengolahan dengan larutan hipoklorit dilakukan dengan spektofotometer Fourier transform infrared (FTIR-8100A, Shimadzu Co., Jepang). Membran PES dan membran PES modifikasi langsung dianalisa setelah dikeringingkan pada oven vakum pada 70C selama 24 jam. Pengukuran FTIR terhadap Tetronic 1307 dilakukan untuk menganalisa gugus fungsional menggunakan metode KBr tablet dengan diameter 13. Spektrum IR dari membran direkam sebagai gelombang dengan jangkauan antara 500 – 3500 cm-1pada temperatur ruangan. HASIL DAN DISKUSI.
Membran PES tanpa additiv
Gambar 1 memperlihatkan spektra hasil pembacaan FTIR membran hollow fiber yang terbuat dari sistem PES/NMP. Ditandai dengan puncak yang menonjol pada panjang gelombang 1577 cm-1 dan 1460 cm-1 yang merupakan rantai aromatik dari polimer PES (Belfer, S., dkk., 2000, , Coates, J., 2000). Gugus SO2pembawa sifat dari PES diindikasikan dengan puncak yang muncul pada panjang gelombang 1325cm-1 dan 1150 cm-1. Hasil pembacaan spektra dari penelitian ini sejalan dengan beberapa hasil penelitian sebelumnya (Arkhangelsky, E., dkk., 2007, Evelyn, A.L., dkk., 1999).
Membran PES dengan Tet. 1307
Surfaktan Tetronic 1307 ditambahkan kedalam larutan polimer dengan tujuan untuk meningkatkan sifat hidrophilik dari membran hollow fiber dengan target meningkatkan resistensi terhadap fouling. Selama proses koagulasi membran saat pembuatan, kadangkala surfaktan ini terbebas dari larutan dop, sehingga tidak semua konsentrasi Tetronic eksis pada permukaan membran. Analisa FTIR dapat dilakukan untuk konfirmasi keberadaan surfaktan ini pada membran campuran. Gambar 2 memperlihatkan spektra IR dari pembacaan terhadap membran PES yang telah ditambahkan aditiv Tetronic 1307. Dengan jelas dapat terbaca, bahwa munculnya peak baru pada panjang gelombang 2860 cm-1 dan 950 cm-1yang menunjukkan rantai C-H dan C-C dari senyawa Tetronic 1307. Secara terpisah komposisi
136
kimia Tetronic 1307 juga telah dianalisa dengan FTIR dengan terlebih dahulu membuat tablet KBr yang hasilnya diperlihatkan pada Gambar 3.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 A b s o rb a n si Panjang gelombang (cm-1)
Gambar 1. Hasil pembacaan FTIR membran PES/NMP
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 A b so rb a n si Panjang gelombang (cm-1)
Gambar 2. Hasil pembacaan FTIR membran yang terbuat dari sistem PES/NMP/Tetronic 1307.
137 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 A b s o rb a n si Panjang gelombang (cm-1)
Gambar 3. Hasil pembacaan FTIR surfaktan Tetronic 1307 Membran PES dengan Tet. 1307 setelah perlakuan hipokhlorit.
Penambahan aditiv pada membran PES memberikan pengaruh terhadap peningkatan sifat anti fouling membran ketika diaplikasikan pada proses pengolahan air bersih, pengolahan air limbah ataupun pada proses pemurnian protein. Selain dampak positif ini, ternyata penambahan aditiv memberi efek yang tidak baik pada membran, yaitu menurunnya fluks karena terjadi penyempitan ukuran pori pada permukaan membran (Arahman, N., dkk., 2008). Larutan hipokhlorit digunakan untuk memindahkan sebahagian tertentu aditiv yang eksis pada permukaan membran, sehingga pori-pori membran dapat terbuka kembali. Pelepasan sebahagian molekul aditiv Tetronic 1307 dari membran campuran ini dibuktikan dengan analisa FTIR. Ketinggian peak pembawa sifat dari Tetronic 1307 yaitu rantai C-H dan C-C pada panjang gelombang 2860 cm-1dan 950 cm-1sedikit menurun sebagaimana terlihat pada Gambar 4.
Analisa selisih ketinggian peak melalui data mentah FTIR diketahui terjadi reduksi peak sebesar 0,7 skala absorbansi. Hal ini menunjukkan bahwa beberapa bagian molekul Tetronic 1307 telah keluar dari membran campuran selama perlakuan dalam larutan hipoklorit karena adanya dekomposisi. Hasil dekomposisi dari proses ini meningkatkan jumlah dan ukuran pori pada permukaan membran sebagaimana telah dilaporkan pada seri artikel ini sebelumnya (Arahman, N., dkk., 2012).
138 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 A b so rb a n si Panjang gelombang (cm-1) Tanpa perlakuan hipokhlorit
Dengan perlakuan hipokhlorit
Gambar 4. Spektrum IR dari membran PES/NMP/Tet.1307 sebelum dan sesudah pengolahan dengan larutan hipoklorit.
KESIMPULAN
Membran hollow fiber dari polimer polietersulfon telah dimodifikasikan dengan surfaktan Tetronic 1307 un tuk meningkatkan sifat hidrophilik dan ketahanan terhadap fouling. Membran hasil modifikasi telah dilakukan psot treatment dengan larutan hipokhlorit 500 ppm. Seluruh perlakuan modifikasi dan post treatment telah berhasil dikonfirmasi dengan peralatan analisa Fourier transform infrared microscopy (FTIR). Munculnya peak baru pada panjang gelombang 2860 cm-1membuktikan ada molekul Tetronic 1307 yang berhasil eksis pada permukaan membran. Perlakuan hipokhlorit menyebabkan sebahagian molekul Tetronik 1307 keluar dari bagian membran, dikonfirmasikan dengan penurunan skala peak pada panjang gelombang 2860 cm-1.
UCAPAN TERIMAKASIH
Penulis menyampaikan terimakasih kepada Prof. Hideto Matsuyama (Direktur Membrane Research Center, Kobe University, Japan), atas dukungan peralatan selama melakukan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Arahman N., Arifin B., Mulyati S., Ohmukai Y., Maruyama T., (2012), Investigasi morfologi permukaan dan distribusi pori membrane polietersulfon menggunakan atomic force microscopy, Prosiding Seminar Tjipto Utomo, Vol. 9, Hal. C1-6.
Arahman N., Arifin B., Mulyati S., Yoshikage O., Matsuyama H., (2011)., Improved fouling reduction of PES hollow fiber membranes by incorporation with non-ionic surfactant Research Journal of Chemistry and Environment , Vol.15 (2), hal. 212-216.
Arahman N., Maruyama T., Sotani T., Matsuyama H., (2008)., Effect of the Addition of the Surfactant Tetronic 1307 on Poly(ether sulfone) Porous Hollow-Fiber Membrane Formation, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 108, hal. 3411–3418.
139
Arkhangelsky, E., Kumenko, D., Gitis, V., (2007)., Impact of chemical cleaning on properties and functioning of polyethersulfone membranes, J. Membr. Sci, 305, hal. 176-184. Belfer, S., Fainctain, R., Purinson, Y., Kedem, O., (2000)., Surface characterization by
FTIR-ATR spectroscopy of polyethersulfone membranes-unmodified, modified and protein fouled, J. Membr. Sci. 172, hal. 113-124.
Bonyadi, S., Chung, T.S., Krantz, W.B., (2007)., Investigation of corrugation phenomenon in the inner contour of hollow fibers during the non-solvent induced phase-separation process Journal of Membrane Science 299, hal. 200–210.
Coates, J., (2000)., In Encyclopedia of Analytical Chemistry, Meyers, R.A., Ed.; John Wiley and Sons Ltd., UK, Chap.12. hal.10815-10837
Chung T.S., Qin, J.J., Huan A., Toh K.C., (2002)., Visualization of the effect of die shear rate on the outer surface morphology of ultrafiltration membranes by AFM, Journal of Membrane Science, 196, hal.251–266.
Evelyn, A.L., Ila, D., Zimmerman, R.L., Bhat, K., Poker, D.B., Hensley, D.K., Klatt, C., Kalbitzer, S., Just, N., Drevet, C., (1999), Ion beam modification of PES, PS and PVC polymers, Nucl. Instr. and Meth. B 148, hal.1141-1145.
Jermann D., Pronk W., Meylan S., Boller M., (2007)., Interplay of different NOM fouling mechanisms during ultrafiltration for drinking water production, Water Research, 41, hal. 1713-1722..
Khayet,M., (2003)., The effects of air gap length on the internal and external morphology of hollow 'ber membranes, Chemical Engineering Science 58, hal. 3091 – 3104
Kim J.H., Lee K.H., (1998)., Effect of PEG additive on membrane formation by phase inversion, Journal of Membrane Science, 138, hal. 153-163.
Li Y., Chung T.S., (2008)., Highly selective sulfonated polyethersulfone (SPES)-based membranes with transition metal counterions for hydrogen recovery and natural gas separation, Journal of Membrane Science, 308, hal. 128-135..
Madaeni S.S., (1999)., The application of membrane technology for water disinfection. Water Research, 33, hal. 301-308..
Pearce G., (2007)., Introduction to membranes: Filtration for water and wastewater treatment. Filtration+Separation, 44, hal. 24-27..
Qin J.J., Oo M.H., Li Y, (2005)., Development of high flux polyethersulfone hollow fiber ultrafiltration membranes from a low critical solution temperature dope via hypochlorite treatment, Journal of Membrane Science Journal of Membrane Science, 247, hal. 137–142.
Susanto H, Ulbricht M, (2006)., Performance of surface modified polyethersulfone membranes for ultrafiltration of aquatic humic substances, Desalination, 199, hal. 384–386..
Unger R.E., Huang Q., Peters K., Protzer D., Paul C.J. Kirkpatrick, (2005), Growth of human cells on polyethersulfone (PES) hollow fiber membranes, Biomaterials, 26, hal. 1877-1884.
