METODE PEMISAHAN DAN PEMURNIAN NITROGEN (N2) DARI UDARA BEBAS
1. Latar Belakang Masalah
Nitrogen merupakan senyawa yang serba guna. Nitrogen sangat diperlukan oleh tanaman, sehingga nitrogen sering kali dijadikan bahan utama dalam industri pupuk. Nitrogen merupakan gas yang bersifat inert sehingga sangat dibutuhkan dalam berbagai industri, baik industri pertambangan, industri pangan, industri farmasi maupun industri lainnya. Dalam industri pangan, nitrogen biasa digunakan untuk packaging sebagai pengisi dalam bungkus makanan agar terhindar dari perkembangbiakan mikroorganisme. Gas nitrogen juga digunakan untuk melakukan pengosongan di pipa di industri kimia dan pertambangan agar tidak terjadi kebakaran. Di industri yang rentang terjadi kebakaran, nitrogen menjadi sebuah kebutuhan yang mutlak untuk alasan keselamatan. Karena kebutuhannya yang cukup besar, maka perlu adanya alternatif untuk memproduksi nitrogen murni dalam jumlah yang besar.
Nitrogen biasa diambil dari udara bebas. Hal ini disebabkan kandungan nitrogen dalam udara sangat besar. Nitrogen adalah komponen yang paling besar di antara komponen lainnya yang merupakan 78% dari volume udara. Umumnya, Nitrogen dipisahkan dan dimurnikan dari udara dengan metode distilasi kriogenik. Metode distilasi kriogenik dilakukan dengan menurunkan temperatur hingga mencapai temperatur yang sangat rendah. Metode tradisional ini telah digunakan secara luas dalam industri. Tetapi dengan perkembangan teknologi muncul metode baru untuk memisahkan nitrogen, yaitu metode adsorpsi dan teknologi membran.
Makalah ini memfokuskan pembahasan pada perbandingan antara beberapa metode untuk memisahkan nitrogen dari udara bebas, sehingga nantinya dapat dipilih metode yang paling efisien digunakan dalam memproduksi nitrogen untuk memperoleh kemurnian yang tinggi.
2. Tujuan
Tujuan penulisan makalah ini adalah untuk mempelajari dan membahas beberapa metode untuk pemisahan nitrogen dari udara bebas serta membanding-kannya sehingga dapat diperoleh kesimpulan metode mana yang paling efisien digunakan dalam memproduksi nitrogen untuk memperoleh kemurnian yang tinggi.
3. Studi Literatur
Udara adalah bagian dari atmosfer bumi yang merupakan lapisan yang membungkus bumi setebal ± 86 km di atas permukaan tanah. Udara berupa campuran gas bersifat homogen, tak berwarna, tak bebau dan tak berasa. Udara kering dan bersih mengandung 78,08 % nitrogen, 20,95 % oksigen, 0,93 % argon dan 0,04 % gas lainnya seperti karbondioksida, neon, helium, metana, hidrogen dan kripton [1]. Karena kandungan nitrogen yang sangat tinggi, hal ini menyebabkan udara dijadikan sebagai bahan baku dalam memproduksi nitrogen dengan berbagai tingkat kemurnian.
Gambar 1. Komposisi udara kering
Pemisahan nitrogen dari udara dapat dilakukan dengan beberapa metode, yaitu metode tradisional (kriogenik) yang telah digunakan dalam skala besar serta metode non kriogenik yang meliputi metode adsorpsi dan metode membran yang masih digunakan dalam skala kecil [2].
3. 1. Metode Distilasi Kriogenik
Kriogenik diartikan sebagai operasi yang dilangsungkan dalam keadaan temperatur yang sangat rendah. Metode distilasi kriogenik dilakukan untuk memisahakan nitrogen dari udara dalam temperatur yang sangat rendah. Prinsip dalam metode ini adalah adanya kesetimbangan uap dan cair, sehingga untuk memisahkannya, udara harus dicairkan terlebih dahulu [3].
Metode kriogenik merupakan metode pemisahan Nitrogen dari udara yang paling popular yang digunakan dalam skala besar atau sedang. Ini adalah teknologi untuk memproduksi nitrogen dengan biaya yang paling efektif dengan kemurnian yang tinggi. Pemisahan udara secara kriogenik dilakukan dengan mengambil sebagian besar volume udara, kemudian dilakukan proses kompresi, pendinginan dan pencairan yang selanjutnya dipisahkan dengan distilasi [4].
Kompresi umumnya dilakukan hingga tekanan 90 psig atau 6 bar. Udara terkompresi tersebut kemudian didinginkan hingga mendekati temperatur ruangan. Pendinginan ini dilakukan dengan menggunakan alat penukar kalor atau dapat juga menggunakan alat dengan sistem refrigerasi. Pendinginan dapat menambah efisiensi dari proses penyingkiran pengotor. Uap air pada udara akan mengembun ketika udara dilewatkan pada kompresor dan terpisah dari udara itu sendiri [4].
Uap air dan karbondioksida harus disingkirkan karena pada temperatur yang sangat rendah, uap air dan karbondioksida akan membeku dan terdeposit pada permukaan alat pemroses. Dua Metode umum yang dipergunakan untuk menyingkirkan uap air dan karbondioksida adalah reversing heat exchangers dan molecular sieve unit [4].
Hampir seluruh industri gas modern kini menggunakan metode molecular sieve units untuk memurnikan udara yang akan dipisahkan secara kriogenik. Udara dilewatkan pada molecular sieve pada suhu ruangan. Molecular sieve juga terkadang didesain untuk mengadsorb tidak hanya uap air melainkan juga pengotor lain seperti hidrokarbon yang sering ditemukan pada udara di sekitar lingkungan industri.
Molecular sieve umumnya terdiri dari 2 bagian yang bekerja secara bergantian. Ketika salah satu bagian sedang bekerja untuk mengadsorb pengotor, maka bagian yang lain akan melakukan regenerasi [5].
Metode lain yang dipergunakan untuk menyingkirkan uap air dan karbondioksida adalah reverse heat exchanger. Metode ini lebih efektif apabila dipergunakan untuk skala produksi yang relatif kecil. Udara umpan masuk ke dalam alat penukar panas dan didinginkan hingga air dan karbondioksida membeku pada permukaan dinding alat penukar kalor. Setelah udara lewat, fungsi alat penukar kalor dibalikkan dengan dialirkannya sisa gas yang bersifat sangat kering, sehingga menguapkan air dan menyublimkan karbondioksida. Sedangkan untuk penyingkiran hidrokarbon diperlukan pengadsorb yang harus ditambahkan [6].
Setelah melewati tahap penyingkiran pengotor, udara kemudian memasuki alat penukar kalor yang akan membawa udara pada keadaan temperatur kriogenik (kira-kira -185oC). Proses pendinginan ini menghasilkan produk dingin dan sisa gas. Sisa gas ini kemudian dinaikkan lagi temperaturnya. Untuk mencapai temperatur kriogenik, pendinginan dilakukan dengan proses refrigerasi yang mencakup proses ekspansi [4].
Setelah berada pada temperatur yang sangat rendah, proses distilasi dapat dilakukan. Proses distilasi melibatkan proses penguapan, kemudian pencairan kembali dan memanfaatkan perbedaan titik didih tiap komponen penyusunnya. Kesetimbangan uap cair merupakan konsep yang sangat penting untuk memisahkan suatu campuran dengan menggunakan metode distilasi [4].
Pada proses Kriogenik ini diperoleh kemurnian nitrogen >99,99 % dengan kapasitas gas yang dihasilkan antara 200-300.000 Nm3/jam [7].
3. 2. Metode Adsorpsi
Adsorpsi merupakan salah satu teknologi yang digunakan untuk memisahakan gas dari campurannya di bawah tekanan berdasarkan karakteristik dan daya tarik molekul terhadap bahan adsorben yang digunakan. Proses ini berlangsung di sekitar temperature ambien, sangat berbeda dengan proses kriogenik. Bahan adsorben dibuat khusus sabagai molecular sieve yang dimaksudkan agar mengadsorp target gas pada tekanan tinggi yang kemudian secara perlahan menjadi rendah tekanannya dengan penyerapan kembali (desorb) bahan absorben. Semakin tinggi tekanan adsorben, maka semakin banyak gas yang teradsorp. Ketika tekanan diturunkan, gas akan mengalami penyerapan kembali (desorb) [8].
Pada pemisahan udara, udara dilewatkan melalui bak yang berisi bed adsorben di bawah tekanan sehingga nitrogen tertarik lebih kuat dibandingkan oksigen. Nitrogen akan tertinggal dalam bed dan gas oksigen akan keluar dari bak. Kemudian bed diregenerasi dengan menurunkan tekanan untuk melepas nitrogen yang teradsorp [8].
Gambar 3. Skema Pemisahan Nitrogen dengan metode adsorpsi (PSA)
Kemurnian nitrogen yang diperoleh pada proses pemisahan dengan metode adsorpsi ini kurang dari 99,5% dengan kapasitas volume gas antara 100-5000 Nm3/jam. Pada metode adsorpsi (PSA) hanya memerlukan kompresor lebih sedikit
sehingga dianggap hanya membutuhkan energi yang lebih kecil dari pada pada metode kriogenik [7].
3. 3. Metode Membran
Membran ialah sebuah penghalang selektif antara dua fasa yang hanya dapat dilewati oleh molekul berukuran tertentu atau impermeable untuk molekul lainnya [1]. Membran memiliki ketebalan yang berbeda-beda, ada yang tebal dan ada juga yang tipis serta ada yang homogen dan ada juga yang heterogen. Ditinjau dari bahannya membran terdiri dari bahan alami dan bahan sintetis. Membran berfungsi untuk memisahkan komponen berdasarkan ukuran dan bentuk molekul serta sebagai sarana untuk memurnikan.
Pemisahan gas dengan membran untuk memisahkan nitrogen dari udara telah dilakukan sejak tahun 1980-an. Membran yang pertama digunakan saat itu adalah dalam bentuk gulungan (spiral wound), tetapi yang saat ini digunakan merupakan bentuk bundelan (hollow fiber) [9]. karena dalam bentuk modul yang kecil diperoleh luas permukaan aktif membran yang lebih besar [10]. Membran itu sendiri terdiri dari polimer yang dapat menyerap pada suhu berbeda dan gas yang berbeda [9].
(a) (b)
Gambar 4. (a) modul membran gulungan (spiral wound). (b) modul membran bundelan serat (hollow fiber).
Prinsip umum dalam metode pemisahan gas dengan membran adalah penyerapan selektif (Selective permeation) melewati dinding membran nitrogen. Tiap
gas mempunyai laju penyerapan yang khas. Laju penyerapan diukur dari kelarutannya dalam bahan membran nitrogen untuk membran polimerik nitrogen. Sementara itu laju difusi bergantung pada volume molekul yang bebas dalam dinding membran nitrogen. Gas dengan ukuran molekul yang kecil dan menunjukkan kelarutan yang tinggi dalam membran nitrogen akan menyerap lebih cepat dari pada molekul yang lebih besar dengan kelarutan yang kecil. Membran ini terdiri dari tabung bundel yang dibuat dari polimer spesial yang terkonfigurasi dalam metode yang sama dengan tabung heat exchanger [11].
Gas akan lewat melalui selaput membran sesuai dengan laju penyerapan (permeation rate). Kekhasan itu menyebabkan fast gas seperti oksigen (uap air dan karbondioksida) akan keluar lebih cepat melalui dinding tabung sehingga dapat dipisahkan dari slow gas seperti nitrogen sehingga produk nitrogen akan keluar dari unit membran [11].
Gambar 5. Cara Kerja Membran dalam Proses Pemisahan Nitrogen
Metode pemisahan gas dengan membran dianggap biaya yang paling efektif untuk aplikasi pada skala kecil. Walaupun demikian metode ini juga digunakan pada produksi yang lebih besar yang memungkinkan perusahaan meningkatkan kapasitas produksinya [11]. Metode membran tergolong metode yang sederhana, metode ini memerlukan kompresor yang lebih sedikit dari pada dengan metode kriogenik, tetapi membutuhkan kompresor yang lebih banyak dari pada metode adsorpsi (PSA) [12].
Kemurnian nitrogen yang dihasilkan dari proses membran adalah <99 % degan kapasitas 50-1.000 Nm3/jam [7].
Gambar 6. Diagram Proses Pemisahan Nitrogen
Bahan untuk Membran Pemisahan Gas Nitrogen
Banyak bahan polimer yang dapat dijadikan membran, tetapi tidak semua dapat dipakai untuk pemisahan gas. Bahan membran dipilih berdasarkan pada kriteria sebagai berikut [13]:
Bahan tersebut secara kimia harus tahan terhadap gas yang akan dipisahkan (dalam hal ini adalah nitrogen).
Bahan membran harus tahan sacara fisik pada kondisi operasi selama proses pemisahan berlangsung, tidak rusak pada tekanan dan temperature yang dipakai.
Bahan harus mempunyai permeabilitas baik pada komponen gas yang akan dipisahkan.
Mudah dalam pembuatan membrannya.
Membran yang dibentuk harus bersifat glassy untuk mencegah terjadinya perubahan bentuk.
A. Membran Karbon Molecular Sieve
Membran karbon molecular sieve pada produksi nitrogen dari udara mempunyai karakteristik struktur yang sama dengan adsorben karbon molecular sieve yang digunakan pada sistem PSA (Pressure Swing Adsorption) . Di mana keduanya merupakan jaringan dengan ukuran pori yang sangat sempit sehingga molekul yang dipisahkan mempunyai ukuran yang sama. Oleh sebab itu, membran karbon molecular
sieve menjadi alternatif sebagai membran polimerik untuk biaya produksi yang rendah dengan kemurnian nitrogen yang tinggi karena dapat meningkatkan selektivitas O2/N2
dan permeabilitas yang tinggi [14]. B. Membran Polysulfon
Bahan membran lain yang digunakan dalam pemisahan nitrogen adalah polysulfon. Polysulfon ini sering digunakan karena mempunyai stabilitas termal, kimia mekanik yang baik [15]. Polysulfon ini mempunyai selektivitas O2/N2 yang tinggi yang
dapat meminimalisir biaya proses produksi nitrogen [16]. Akan tetapi, sebagai polimer yang sangat hidrofobik, akan cenderung terdeposisi pada beberapa zat terlarut seperti protein sehingga menyebabkan fouling [15].
Gambar 7. Struktur Membran Polysulfon
4. Rekomendasi Penyelesaian Masalah
Berdasarkan studi literatur pada bagian sebelumnya, metode yang efektif digunakan untuk produksi nitrogen dalam skala industri adalah metode tradisional (distilasi kriogenik). Jika dibandingkan dengan metode adsorpsi dan membran, metode kriogenik membutuhkan energi yang relatif besar, tetapi metode ini menghasilkan nitrogen dengan kemurnian yang sangat tinggi (>99,99 %) dengan kapasitas produk yang besar, sehingga dengan pertimbangan ini produksi nitrogen menggunakan metode kriogenik akan memperoleh lebih banyak keuntungan. Jika dibutuhkan dalam skala kecil dan tidak dibutuhkan dalam tingkat kemurniaan yang tinggi, metode non kriogenik (adsorpsi dan membran) lebih baik. Hal ini disebabkan metode non kriogenik tidak membutuhkan energi yang besar. Selain itu, metode non kriogenik juga lebih sederhana.
5. Pustaka
[1] Mulyono, (2006), Kamus Kimia, Bumi Aksara, Jakarta
[2] Thorogood, (1991), Development in Air Separation, Vol. 5 June, Gas Separation & Purification, hal. 83-94
[3] Smith, J.M., Van Ness & Abbott, M.M., (2005), Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 7th Edition, McGraw-Hill, Inc., Singapore
[4] Industrial Gas Plants, (08.05.2010), Cryogenic Air Separation, http://www. industrialgasplant.com/cryogenic-air-separation.html
[5] Universitas Indonesia, (09.05.2010), Bab 6.doc, http://staff.ui.ac.id/internal/ 132092428/material/Bab6.doc
[6] Geankoplis, (1997), Transport Processes and Unit Operations, 3rd Edition, Prentice-Hall of India, New Delhi
[7] PSA Plants, (09.05.2010), Non-Cryogenic Purification Techniques,
http://www.psaplants.com/psa-gas-purification-process.html
[8] Wikipedia, (09.05.2010), Pressure Swing Adsorption, http://en.wikipedia.org/ wiki/Pressure_swing_adsorption?wasRedirected=true
[9] Paul & Yampol’skii, (2000), Polymeric Gas Separation Membranes, CRC Press, Inc., Florida
[10] Dickenson, (1992), Filter and Filtration Handbook, 3rd Edition, Elsevier Advance Technology, Great Britain, Hal. 83-103
[11] Industrial Gas Plants, (30.04.2010), Nitrogen Membrane System, http://www. industrialgasplant.com/membrane-separation.html
[12] Balston, (2008), Is Bottled Nitrogen a Greenhouse Gas?, Analytical Gas System, Hal. 61
[13] Johnson, (1986), Materials for Membrane, Chemical Engineering Journal, Hal. 121-123
[14] Campo, (2010), Separation of Nitrogen from Air by Carbon Molecular Sieve Membranes, Vol. 350, Journal of Membrane Science, Hal. 139-147
[15] Richard, (2001), Polysulfone—Sulfonated Poly (Ether Ether) Ketone Blend Membranes: Systematic Synthesis and Characterization, Vol. 181, Journal of Membrane Science, Hal. 253-263
[16] Richard, (2004), Membrane Technology and Application, 2nd Edition, McGraw-Hill, England
