Teknologi Membran untuk Purifikasi Air

1

Teknologi Membran untuk Purifikasi Air

Natasha Andrea Winata

Teknik Kimia, ITB, Jl. Ganesa 10, Bandung, Indonesia natashawinata@students.itb.ac.id

Abstrak

Teknologi membran memberikan pengaruh besar dalam proses purifikasi air laut maupun air limbah. Kebutuhan akan air bersih serta kelangkaan sumber air menjadi faktor pendorong besar dalam perkembangan teknologi membran. Sejak tahun 1627, teknologi membran mulai dikembangkan, khususnya dalam pengolahan air untuk menunjang kesehatan manusia. Rendahnya energi yang dibutuhkan dalam pengoperasian teknologi membran juga memicu perkembangan teknologi membran. Proses berbasis membran dengan gaya dorong tekanan, seperti mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse osmosis telah banyak digunakan dalam proses pengolahan air maupun air limbah. Dalam operasinya, kendala utama yang dihadapi adalah adanya peristiwa fouling yang dapat menurunkan produktivitas dan selektivitas membran sehingga dikembangkan metode-metode untuk mengatasi masalah fouling tersebut termasuk pengembangan membran dengan sifat anti-fouling. Teknologi membran dalam purifikasi air memiliki prospek untuk diaplikasikan ke dalam kehidupan, contohnya adalah sistem pengolahan air minum untuk kebutuhan rumah tangga, desalinasi terintegrasi dalam pengolahan air laut, pengolahan air untuk mendapatkan Ultrapure Water (UP W) untuk umpan boiler dan turbin gas, serta desalinasi inland untuk mengolah air payau dan limbah subsurface.Teknologi membran untuk pengolahan air memiliki prospek yang luas. Salah satu contoh yang sistem terintegrasi yang prospektif untuk diterapkan dalam pengolahan air adalah Zero Discharge Desalination yang dapa t meningkatkan efisiensi desalinasi air laut serta mengurangi efek negative terhadap lingkungan akibat buangan larutan garam berkonsentrasi tinggi. Selain itu, sistem terintegrasi tersebut dapat menghasilkan air dan garam secara simultan.

Kata kunci: purifikasi air, membran, desalinasi air laut, filtrasi, pengolahan air, air minum

1. Latar Belakang

Teknologi membran telah berkembang pesat dan memberikan dampak positif bagi kehidupan manusia, khususnya dalam bidang pengolahan air laut dan air limbah.

Pada tahun 1627, Sir Francis Bacon mengadakan percobaan mengenai teknologi sand filtration untuk menghilangkan partikel garam dari air laut.Percobaannya tidak begitu berhasil, namun setidaknya memicu penelitian lebih lanjut dari para ilmuwan [1]. Adanya mikroorganisme yang diamati di mikroskop pada tahun 1676 oleh Antonie Van Leeuwenhoek memicu perkembangan teknologi membran lebih jauh lagi. Pada tahun 1748, Abbe Nollet mengemukakan konsep semipermeabilitas untuk pertama kalinya. Sekitar tahun 1800, Fick memperkenalkan hukum difusi fenomenal yang masih kita gunakan hingga saat ini [2]. Pada 1804, Robert Thom mendesain rancangan purifikasi air yang dibangun di Skotlandia. Teknologi ini berbasis slow sand filtration dimana kereta dan kuda yang mendistribusiakan air ini. Tiga tahun kemudian, pipa air mulai terpasang. Perkembangan berikutnya terjadi pada tahun 1890 dimana Amerika mulai membangun sand filter secara besar-besaran. Namun, teknologi yang digunakan adalah rapid sand filter dimana filternya terjaga bersih karena adanya jet steam [3]. Tahun 1970 merupakan awal SWRO dikomersialisasikan. Kemudian, pada tahun 1980,

berkembanglah pemisahan gas membran industrial serta pervaporasi untuk dehidrasi alkohol [3].

Sejak 50 tahun yang lalu, osmosis balik (RO) merupakan metode utama dalam desalinasi air laut dan hal ini memenuhi harapan President J.F. Kennedy untuk mendapatkan air bersih dari air laut dengan biaya yang murah. Sekitar tahun 1960, desalinasi menggunakan RO dapat menghasilkan air bersih dari air laut dengan biaya kurang dari US $ 1.00 per m2 _{yang setara dengan 1000}

liter air[4].

Kelangkaan air menjadi faktor pendorong diperlukannya membran purifikasi air. Menurut data United Nations Department of Economic and Social Affairs (UNDESA), sekitar 700 juta penduduk dari 43 negara berbeda menderita dari kelangkaan air pada tahun 2014. Diperkirakan pada tahun 2025, 1,8 miliar penduduk akan tinggal pada negara dengan tidak adanya air sama sekali [5]. Menurut data dari National Geographic, dari 70% air yang menutupi bumi, hanya terdapat 2,5% air bersih dan sisanya merupakan air laut dan saline water [6]. Faktor pendorong lain dalam perkembangan membran purifikasi air adalah rendahnya energi yang diperlukan untuk desalinasi air laut, bahkan dapat mencapai energi hanya sebesar 3 kWh/m3 _{air laut. Selain}

2 2. Jenis Membran

Membran merupakan lapisan pembatas tipis yang bersifat selektif permeabel yang artinya hanya dapat dilalui oleh molekul-molekul tertentu. Membran dapat dikarakterisasi menjadi tiga jenis, yaitu membran berpori, membran tak berpori, serta membran penukar ion [7].

Membran berpori memiliki pori dengan ukuran tertentu, distribusi ukuran pori, ketebalan lapisan, dan porositas permukaan. Untuk mencapai selektivitas tinggi, pori pada membran harus relatif lebih kecil dari pada partikel. Membran berpori sering diaplikasikan pada mikrofiltrasi (MF) dan ultrafiltrasi (UF). Membran memiliki ukuran pori sekitar 0,1- 10 μm untuk MF dan

0,001 – 0,01 μm untuk UF. Pemisahan berdasarkan MF

dan UF didasarkan pada ukuran partikel.Salah satu

kekurangan pada membran berpori adalah dapat terjadinya fouling (deposisi irreversibel dari partikel yang tertahan dalam dinding pori membran atau pada permukaan membran) [8].

Membran tak berpori terdiri atas lapisan rapat dimana permeat dibawa melalui difusi. Proses pemisahan terjadi karena adanya perbedaan kelarutan dan difusivitas. Kekurangan dari membran tak berpori ini adalah rendahnya fluks. Oleh karena itu, lapisan membrannya dibuat setipis mungkin [9].

Membran penukar ion terdiri atas dua jenis, yaitu membran penukar kation dan membran penukar anion. Anion akan ditolak oleh muatan negatif dan tidak bisa melewati membran penukar kation. Membran penukar kation hanya dapat dilewati oleh kation, dan sebaliknya.

Gambar 1. Membran Penukar Anion dan Kation (diadaptasi dari [10]).

Berdasarkan prosesnya, terdapat 4 macam jenis membran dalam pengolahan air antara lain ultrafiltrasi(UF), mikrofiltrasi (MF), osmosis balik(RO), nanofiltrasi (NF), membran bioreaktor (MBR), membran distilasi (MD), forward osmosis (FO), dan elektrodialisis(ED). Namun, jenis membran yang paling sering digunakan dalam pengolahan air adalah MF, UF, NF, dan RO. Berbagai jenis membran beserta karakteristiknya akan dipaparkan melalui tabel di bawah ini.

Mikrofiltrasi (MF) merupakan membran dengan gaya dorong tekanan yang menggunakan membran

berpori untuk memisahkan partikel tersuspensi yang memiliki diameter sekitar 0,1 – 10 μm [12]. Substansi yang berukuran lebih besar dari pori tentunya akan tertahan oleh membran.

Mikrofiltrasi akan menahan bakteri dan padatan yang tersuspensi. Membran ini dapat dibuat dari material organik seperti polimer berbasis membran, maupun material anorganik seperti keramik dan stainless steel [14]Aplikasi dari mikrofiltrasi adalah untuk sterilisasi minuman dan alat-alat farmasi, membesihkan jus, wine, dan bir, memisahkan emulsi air dan minyak, serta pre-treatment untuk penyaringan NF maupun RO [15].

Ultrafiltrasi (UF) merupakan membran dimana tekanan hidrostatik akan membuat cairan menembus lapisan semipermeabel dimana padatan serta air dengan berat molekul berat akan tertahan membran [12]. Ultrafiltrasi memiliki kemampuan untuk memisahkan virus, protein, partikulat, koloid, silika, dan dye. Ultrafiltrasi yang menggunakan bahan dasar polimer memiliki kemampuan untuk tahan terhadap bahan kimia dan temperatur, memiliki efek fouling rendah bila dilakukan pre-treatment sebelumnya. Ultrafiltrasi sering diaplikasikan dalam memisahkan minyak dari limbah, pengolahan produk dairy, pembuatan antibiotik, menghilangkan endotoksin dan pirogen, pemekatan dan purifikasi gelatin serta jus, pemrosesan ekstrak tumbuhan, pengecatan electrocoat, dan masih banyak lagi [16]. MF dan UF cenderung memiliki distribusi ukuran pori yang besar. Semakin besar Pore Size Distribution (PSD) yang dimiliki oleh membran, semakin besar kemungkinan terjadinya fouling karena akan terjadinya disproporsinasi fluks yang menyebabkan pori akan rentan tertutup oleh partikel [4].

Nanofiltrasi (NF) dan Osmosis Balik (RO) merupakan membran yang digunakan untuk memisahkan spesi ionik dan senyawa dengan berat molekul rendah. NF akan menahan ion hidrat besar dan ion bervalensi leih dari satu, sedangkan RO akan menahan ion dengan jumlah valensi satu, contohnya Na+ _{dan Cl}-_{[4]. NF beroperasi}

lama-3 kelamaan fluida (air) akan terdorong kembali dari kolom yang mengandung padatan terlarut banyak menuju kolom dengan padatan terlarut sedikit dimana padatan terlarutnya tetap dan tidak berpindah. Dengan teknik ini, bagian garam dari air dapat dipisahkan [19]. RO menggunakan aplikasi solubilitas diffusivitas dan menggunakan tekanan tinggi untuk melewati membran dense yang digunakan. Permeabilitas dapat dirumuskan sebagai hasil kali antar solubilitas dengan diffusivitas seperti yang tertulis pada rumus (1). Solubilitas adalah jumlah dari penetran yang terserap alam membran (tergantung dari sifat kimia membran dan penetran).

� = � � � (1)

Sedangkan, diffusivitas adalah parameter yang menunjukkan kecepatan penetran dipindahkan (tergantung pada kondisi operasi dan ukuran molekul) [18].

RO sering digunakan dalam desalinasi air laut, pre-treatment dari boiler water, pemekatan jus buah dan sirup maple, penghilangan alcohol dari wine, dan recovery gula dan asam dari air bilasan fruit cocktail dicer[18].

Forward Osmosis (FO) adalah proses osmotis yang menggunakan lapisan semipermeabel untuk memisahkan air dengan padatan terlarut. Membran FO memiliki gaya dorong berupa gradien tekanan osmotik antara larutan dengan konsentrasi tinggi yang biasa disebut “draw” dan larutan dengan konsentrasi rendah yang disebut “feed”[13]. FO beroperasi pada tekanan rendah, yaitu sekitar 25 psi. Rendahnya tekanan ini menyebabkan FO cenderung lebih susah untuk mengalami fouling dibandingkan RO yang memiliki tekanan yang tinggi[13].Namun, FO menghasilkan efek “trade” antara padatan terlarut pada larutan feed dan larutan draw.Sedangkan, RO lebih berfokus pada menghasilkan

air bersih yang siap pakai sehingga RO lebih sering digunakan dalam desalinasi air laut dibandingkan FO. FO dapat digunakan dalam brine concentration, desalinasi air, dan memekatkan jus dan bahan kimia [20].

Membran distilasi (MD) adalah proses distilasi dimana fasa cair dan gas dipisahkan oleh membran berpori namun porinya tidak terbasahkan oleh fasa cair. Membran ini menggunakan gaya dorong berdasarkan perbedaan tekanan parsial antara kedua sisi membran.Perbedaan tekanan ini dikarenakan adanya perbedaan temperature antara membran hidrofobik. MD cocok digunakan untuk aplikasi dengan air [12]. MD sering digunakan dalam pemekatan/pemisahan amonium, purifikasi air, desalinasi Brackish water, dan desalinasi air laut.

Elektrodialisis (ED) adalah membran berdasarkan gaya dorong listrik dimana ion dipindahkan melalui membran karena perbedaan potensial dan aliran arus listrik yang diberikan [12]. Membran yang digunakan ada ED memiliki sifat slektif yang menolak ion dengan muatan yang berlawanan. Elektrolisis memiliki berbagai aplikasi seperti mengurangi nitrat dari air minum, mengurangi muatan elektrolit dari bahan makanan, air cooling water, plasma darah untuk memperbaiki protein, potassium tartrat dari wine, serta melakukan recovery elektrolit pada NaCl dari air laut[21].

Dalam membran berbasis gaya dorong tekanan, sering digunakan hukum Darcy untuk menghitung volumetric flux(J) dalam rumus berikut [22].

J =

∆�− ∆Π

μ Rf+ Rm

(2)

Tabel 1. Proses-proses berbasis membran

Proses Pori Materi yang tersaring P operasi Karakteristik lain Ref.

MF 0,1-10 μm Clay, bakteri, padatan tersuspensi

<2 bar Struktur mekanis kuat, permeabilitas terhadap air >1000 liter m-2 _h-1 _bar-1

[2, 4, 11]

UF 0,001-0,01 μm Virus, protein, koloid, kanji, silika, organik, dye, lemak

1-10 bar Struktur mekanis kuat, permeabilitas terhadap air >500 liter m-2 _h-1 _bar-1

NF 0,001-0,0001 μm Ion multivalen, gula, pestisida

5- 35 bar Struktur mekanis kuat, permeabilitas

terhadap air ≤10 liter m-2 _h-1 _bar-1 RO <0,0001 μm Ion-ion monovalen 15-150 bar Struktur mekanis kuat, permeabilitas

terhadap air ≤5 liter m-2 _h-1 _bar-1_, retensi terhadap NaCl dan Boron.

FO - Organik, mineral,

pengkotor lain

25 bar Prinsip berkebalikan dengan RO atau seperti peristiwa osmosis

[13, 20]

4 3. Jenis Aliran & Modul pada Membran

Modul menjadi penyangga bagi membran dan aliran masuk serta keluar fluida. Aliran fluida harus dapat menangani tekanan dan concentration polarization (CP) serta fouling. Berikut merupakan jenis aliran untuk modul membran.

Gambar 2. Jenis aliran pada membran (diadaptasi dari [4])

Aliran Cross Flow (CF) banyak digunakan pada MF, UF, NF, serta RO. Modul untuk RO dan NF adalah Spiral Wound Module (SWM) yang menggunakan membran lembaran datar yang membungkus tabung permeat. Aliran keluar memicu terbentuknya pusaran yang meningkatkan transfer massa, yaitu k [4].

Hollow Fiber Membrane (HFM), yaitu modul yang terdiri atas serat dalam jumlah banyak yang diatur dalam bentuk shell & tube. Umpan yang bertekanan masuk melalui shell dan kemudian permeat lolos dan mengalir melalui lumen. Untuk mengatasi tekanan tinggi dari SWRO, serat dibuat dengan diameter <200mm dan dinding yang cukup tebal. Dalam aplikasi SWM dan HFM, sisi geometri permeat penting karena mempengaruhi tekanan dari sisi permeat. Tekanan sisi permeat akan mengurangi tenaga pendorong dan pada SWM dan akan mengakibatkan maldistribusi fluks serta terjadinya fouling lokal [4].

Membran MF dan UF pada umumnya digunakan pada HFM, meskipun beberapa aplikasi UF seperti produk susu menggunakan SWM. HFM beroperasi pada jenis aliran cross flow dan dead end mode (Gambar 2). MF dan UF menerapkan aliran cross flow yang berguna untuk mengontrol formasi dari lapisan dan meningkatkan stabilitas fluks sehingga memperpanjang umur membran [16]. MF dan UF pada keadaan sekarang ini memiliki permeabilitas air cukup tinggi dan mampu beroperasi pada fluks yang lebih tinggi apabila ada kontrol perkembangan Concentration Polarization (CP). Faktor lain untuk mentolerir fluks yang lebih tinggi sedang dikembangkan. Kapabilitas terhadap fluks tinggi dari MF dan UF inorganik dipengaruhi oleh makin sempitnya distribusi ukuran pori dari membran inorganik tersebut.

Membran inorganik juga dapat digabungkan dengan oksidan kuat untuk mengatur fouling organik.

Proses FO memerlukan crossflow pada kedua sisi dari membran. Oleh karena itu, disarankan agar FO menggunakan aliran counter current. PRO yang merupakan modifikasi dari FO memberikan tantangan baru karena adanya perbedaan tekanan pada membran yang dapat mengakibatkan deformasi terjadi.

Proses MD dapat diaplikasikan pada berbagai mode seperti direct contact MD (DCMD), vacuum MD, dan air or sweep gas MD. Pada DCMD, digunakan aliran counter current. Proses ED didasarkan pada lapisan datar dengan aliran pada kedua sisi membran yang dijalankan pada co-current mode. Pada ED, digunakan saluran aliran yang sempit, hanya sekitar 0,5 – 2mm untuk meminimalkan hambatan elektrik.

Untuk aliran counter current seperti yang digunakan pada FO dan DCMD, dan aliran co-current yang digunakan pada ED, kriteria daerah hilir harus sama dengan daerah hulu (umpan). Daerah hilir dari membran untuk cross flow dan dead end harus dapat mengonduksi permeat tanpa disertai perubahan tekanan yang signifikan [4].

4. Tantangan dalam Teknologi Membran

Salah satu tantangan dalam teknologi membran adalah peristiwa fouling. Penyebab fluks menurun pada filtrasi membran dikarenakan bertambahnya hambatan membran akibat tertutupnya pori membran oleh partikulat serta munculnya lapisan cake pada permukaan membran. Penutupan pori ini dan pembentukkan cake merupakan dua mekanisme esensial dalam peristiwa fouling pada membran. Fluks maksimal terjadi saat permulaan filtrasi karena pori membran masih bersih. Kemudian, fluks akan menurun karena pori terhalang oleh partikulat. Penutupan pori akan berakhir saat ukuran dan bentuk partikulat dan pori sama. Peristiwa penutupan pori membran terjadi lebih cepat dari pembentukkan cake karena jumlah kecil partikel saja memiliki kemampuan tinggi untuk menghalangi pori secara penuh [23].

Gambar 3. Peristiwa fouling pada membran (diadaptasi dari [4])

5 antifouling. Karakteristik antifouling ini dapat didapatkan dengan cara memodifikasi permukaan meliputi metode fisik yang terdiri atas adsorpsi permukaan dan pelapisan permukaan serta metode kimia yang terdiri atas grafting, hidrofilisasi, chemical coupling, polimerisasi plasma, serta initiated chemical vapor deposition. Selain itu, pengembangan membran hibrid yang meliputi penambahan partikel anorganik pada permukaan maupun dalam reaksi interfacial polymerization juga berguna dalam preparasi membran RO dengan karakteristik antifouling [18].

Dalam pengolahan limbah industri yang menggunakan membran bioreaktor (MBR), dikembangkan membran tahan fouling yang memungkinkan kontak minimum antara umpan dengan membran sehingga tendensi fouling diminimumkan. Membran UF hollow fiber dengan ujung bebas bergerak (ends-free) akan terendam di dalam bioreaktor serta dilengkapi dengan unggun partikel porous. Dengan adanya inovasi tersebut, kinerja pengolahan limbah dapat meningkat [24]. Permukaan membran yang dimodifikasi adalah cara praktis dan efektif untuk meminimalkan interaksi yang tidak diinginkan seperti adsorpsi dan adhesi yang dapat menyebabkan fouling pada filtrasi zat cair atau membrane wetting pada MD serta untuk memperkenalkan interaksi tambahan seperti afinitas atau properti katalitik untuk meningkatkan kemamuan pemisahan[25]. Modifikasi permukaanmembran juga bertujuan untuk menyesuaikan karakteristik pori permukaan (ukuran dan distribusinya) untuk memenuhi keperluan filtrasi membran yang berbeda (mulai dari UF hingga NF) [26]. Metode terpenting dalam modifikasi permukaan membran ini terdiri atas polymer grafting, classical chemical treatment, chemical cross-linking dan surface coating (pelapisan permukaan)[25].

Polymer grafting adalah proses pelekatan kovalen monomer atau polimer pada permukaan membran. Untuk menginisasi proses ini, diperlukan inisiator kimia dengan berbagai sumber energi seperti sinar UV [27], plasma [28], dan radiasi ion [29] yang mengaktivasi permukaan.Kemudian, permukaan aktif ini dipaparkan pada monomer yang cocok dan diikuti dengan polimerisasi. Classical chemical treatment seperti sulfonasi, nitrasi, perlakuan asam/basa serta pelarut organik telah diaplikasikan secara luas pada UF dan RO untuk membuka maupun mempersempit pori permukaan membran serta membuat permukaan lebih reaktif [30]. Namun, stabilitas jangka panjang dari metode ini perlu diperhatikan karena dapat merusak membran [31]. Chemical cross-linking merupakan perlakuan pada permukaan membran untuk menghubungkan ikatan polimer guna mempersempit ukuran pori serta memberikan fungsi tambahan yang diinginkan kepada membran[4].Contohnya adalah membran NF berbasis PVA dapat dengan tingkat kestabilan kimia tinggi didapatkan melalui cross-linking menggunakan

glutaraldehid[32]. Surface coating atau pelapisan permukaan ditujukan untuk meningkatkan atau mengurangi energi serta kekasaran permukaan. Contohnya, Gugliuzza et al. mendapatkan membran polyvinylidene fluoride (PVDF) dengan melapisi membrane menggunakan tetrafluoromethoxy-1,3-dioxole (TFE) dan 2,2,4-trifluoro-5-trifluoromethoxy-1,3-dioxole (TIT) [33].

Tantangan lain dalam teknologi membran adalah penyisihan Boron dan pengelolaan limbah garam (brine).Menurut World Health Organization (WHO), konsentrasi Boron maksimal yang terkandung pada air mineral adalah 0,5 mg/L. Syarat yang cukup sulit ini memicu perkembangan Sea Water Reserve Osmosis (SWRO) yang memiliki kemampuan tinggi untuk merejeksi Boron. Jenis SWRO yang terbaru memiliki kemampuan untuk merejeksi Boron sebesar 94-96% dengan rejeksi Total Dissolved Solids (TDS) dan produksi air yang tinggi. Percobaan pada jurnal [34] membandingkan efisiensi dan efektivitas dari membran SWRO yang menggunakan proses post-treatment, membran BWRO pada pH tinggi, serta Boron Adsorbent Resin. Didapatkan hasil bahwa membran SWRO mengurangi biaya produksi sekitar 20% dari membran SWRO konvensional. Sistem yang paling efektif adalah perpaduan antara SWRO membran, BWRO pada pH tinggi, dan Boron Adsorbent Resin pada sistem 3 tahap [34].

Solusi teknologi membran dalam mengatasi limbah garam (brine) adalah dengan mengaplikasikan desalinasi terintegrasi yang akan dijelaskan lebih lanjut pada bagian 5 [24].

5. Aplikasi Teknologi Membran dalam Kehidupan

6 klorin dimana membran TFC cenderung rusak dibawah pengaruh klorin [35].

Gambar 4. Tahap pengolahan air minum dengan sistem RO [35]

Contoh aplikasi berikutnya adalah desalinasi air laut terintegrasi. Desalinasi air laut terintegrasi dikembangkan untuk menjamin pengelolaan limbah brine untuk mencegah dampak negatif yang ditimbulkan garam terhadap lingkungan sekitar [18]. Desalinasi terintegrasi ini memiliki tujuan untuk memproduksi air sekaligus memproduksi garam dimana biaya produksi air dapat berkurang seiring dengan pertambahan perolehan air [24]. Dengan adanya membrane crystallizer, garam-garam berkonsentrasi dapat diolah dan dikristalisasi. Berikut merupakan skema singkat desalinasi air laut terintegrasi.

Gambar 5. Skema Desalinasi Terintegrasi (diadaptasi dari [18])

Pada skema diatas, digunakan MF/UF serta NF sebagai pre-treatment desalinasi agar air yang dihasilkan semakin bersih. Setelah penyaringan menggunakan RO, digunakan Membrane Crystallizer untuk mengkristalisasi garam berkonsentrasi. Dengan adanya penggunaan pre-treatment berbasis membran, konsumsi bahan kimia dapat dikurangi jumlahnya, luas area yang diperlukan menjadi lebih kecil, kualitas produk lebih konsisten, serta mudah untuk dilakukan scale up. Dengan menerapkan NF

sebagai pre-treatment, pembentukkan scaling pada permukaan membran RO dapat dikurangi karena ion-ion bervalensi lebih dari satu telah tersisihkan terlebih dahulu [24].

Aplikasi lain dalam teknologi membran pengolahan air adalah produksi air ultra murni (UPW). Ultra Pure Water merupakan air dengan hambatan >18,2 MΩ-cm pada 25o_{C dimana material lain sudah}

dihilangkan[36].Sistem UPW memproduksi 16 m3_/h

permeat flow of deionized (DI) air untuk turbin gas dan boiler. UPW berguna untuk elektrodeionisasi pada industri dan industri yang bergantung pada uap [37]. Beberapa tahap dalam pemrosesan UPW terlihat melalui skema dibawah ini.

Gambar 6. Proses filtrasi Ultrapure Water (diadaptasi dari [37])

Pada skema filtrasi UPW diatas, dilakukan EDI (Electrodeionization) untuk memisahkan air dari ion termasuk Na, Ca, Fe, Cu, dan anion seperti Cl- _{dan Br}-_.

Deionized (DI) water didapatkan dengan cara memaparkan air dengan resin bermuatan yang mengikat garam dan memisahkannya dari air. Namun, bakteri dan virus yang tidak terikat kepada resin bermuatan memiliki kemungkinan masih ada pada air. Kemudian, dilakukan juga filtrasi untuk menghilangkan pengotor yang tidak diinginkan dan mencapai kualitas UPW yang diinginkan meliputi filtrasi partikulat besar, filtrasi karbon, water softening, RO, pemaparan dengan sinar UV untuk mengontrol TOC dan bakteri, polishing menggunakan resin penukar ion atau EDI, dan yang terakhir filtrasi atau ultrafiltrasi [37].

7 laut, seperti Chad dan Burkina Faso. Pada desalinasi inland, konsentrat tidak dapat dibuang ke lautan karena air garam inland cenderung kaya akan kalsium namun kadar Na nya sedikit, kandugan silikanya lebih tinggi, dan anion sulfat lebih dominan dibanding klorida. Karena perbedaan dengan air laut, konsentrat tidak dapat dibuang ke lautan, namun ke air permukaan, selokan, atau kolam evaporasi. Dari segi ekonomi, ongkos yang diperlukan lebih tinggi karena meliputi biaya pemompaan air sumur, biaya energi dan pembuangan konsentrat yang lebih tinggi [38].

6. Prospek Teknologi Membran dalam Pengolahan Air

Indonesia yang memiliki garis pantai terpanjang kedua di dunia memiliki potensi untuk mengolah air lautnya menjadi air untuk keperluan desalinasi, industri, dan rumah tangga melalui proses desalinasi air laut. Proses SWRO yang sangat banyak diaplikasikan sekarang ini dapat dipadukan dengan proses produksi garam melalui Zero Discharge Desalination (ZDD) [24].

Tabel 2. Analisis ekonomi dalam proyek Alamogordo [39]

ZDD dapat memaksimalkan volume dari produksi air dari sumber brackish dengan meminimalkan pengaruh

buangan berkonsentrasi seperti garam terhadap lingkungan. ZDD telah dievaluasi pada beberapa daerah seperti Texas, California, Florida, dan New Mexico dan dilihat bahwa efisiensi air mencapai 95-99% dengan sedikitnya tingkat kalsium sulfat dan silika. Pada ZDD, garam berkonsentrasi yang ditolak oleh RO dan NF akan menuju ke EDM (Electrodialysis Metathesis) sebagai membran penukar ion. EDM bertindak sebagai “ginjal” yang akan menghilangkan garam dengan cara metathesizing atau menukar ion pada waste brine RO/NF dengan aliran NaCl. Analisis ekonomi untuk suatu proyek yang disebut Alamogordo Project membandingkan biaya antara chemical softening with high recovery RO dan ZDD [39]. Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa biaya operasi untuk ZDD lebih kecil dari pada high recovery RO.

7. Kesimpulan

Teknologi membran memberikan pengaruh besar dalam proses purifikasi air laut maupun air limbah. Kebutuhan akan air bersih serta kelangkaan sumber air menjadi faktor pendorong besar dalam perkembangan teknologi membran. Terdapat berbagai jenis-jenis proses membran yang dapat diaplikasikan untuk purifikasi air. Reserve Osmosis (RO) merupakan proses membran yang sesuai dan cocok untuk digunakan untuk desalinasi air laut. MF, UF, dan NF sering digunakan dalam pre-treatment desalinasi air laut dan pengolahan air permukaan lainnya. Salah satu contoh yang sistem terintegrasi yang prospektif untuk diterapkan dalam pengolahan air adalah Zero Discharge Desalination yang dapat meningkatkan efisiensi desalinasi air laut serta mengurangi efek negative terhadap lingkungan akibat buangan larutan garam berkonsentrasi tinggi. Selain itu, sistem terintegrasi tersebut dapat menghasilkan air dan garam secara simultan. dan permeat pada membran (Pa)

∆Π Perbedaan tekanan osmotic antara sisi umpan dan permeat pada membran (Pa)

μ Viskositas dinamis (Pa. s) Rf Hambatan fouling (m-1₎

8 Daftar Pustaka References

[1] Water tech treading. History of Water Purification. http://www.watertechtrading.com/purification-of-water/history-of-water-purification. Diakses 10-4-2016.

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

[3] Lenntech. History of Water Treatment. http://www.lenntech.com/history-water-treatment.htm. Diakses pada 10-04-2016.

[4] A.G. Fane, R. Wang, M.X. Hu, Synthetic Membranes for Water Purification: Status and Future, Angew Chem Int Ed Engl. 54 (2015) 3368-3386.

[5] Water Scarcity. http://www.un.org/waterforlifedecade/scarcity.shtml. Diakses 26-03-2016.

[6] National Geographic. Fresh Water Crisis.

http://environment.nationalgeographic.com/environment/freshwater/freshwater-crisis. Diakses pada 26-03-2016. [7] Synder Filtration. Polymeric Membranes.

http://synderfiltration.com/learning-center/articles/introduction-to-membranes/definition-of-a-membrane/.

[8] Synder Filtration. Polymeric Membranes. http://synderfiltration.com/learning-enter/articles /introduction-to-membranes/polymeric-embranes-porous-non-porous/. Diakses 26-03-2016.

[9] Membrane Classification. http://www.separationprocesses.com/Membrane/MT_Chp02a.htm. Diakses 10-4-2016. [10] Astom Corporation. Product. http://www.astom-corp.jp/en/product/02.html. Diakses 10-4-2016.

[11] D. Schilling, Water Desalination using 99% less energy with pefrorene. http://www.industrytap.com/water-desalination-using-99-less-energy-with-pef rorene/2745. Diakses 10-4-2016.

[12] I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim. “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010.

[13] HTI. Forward Osmosis Solution. http://www.htiwater.com/technology/Forwardosmosis/. Diakses pada 10-4-2016. [14] Synder Filtration. http://synderfiltration.com/microfiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016.

[15] Lenntech. Microfiltration and Ultrafiltration. http://www.lenntech.com/microfiltration-and-ultrafiltration.htm. Diakses pada 10-4-2016.

[16] Synder Filtration. http://synderfiltration.com/ultrafiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016.

[17] Synder Filtration. Nanofiltration. http://synderfiltration.com/nanofiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016. [18] I.G. Wenten, K. Khoiruddin, A.N. Hakim. “OSMOSIS BALIK.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. [19] Lenntech. http://www.lenntech.com/nanofiltration-and-rosmosis.htm. Diakses pada 10-4-2016.

[20] International Forward Osmosis Association.What is Forward Osmosis? http://forwardosmosis.biz/education/what-is-forward-osmosis/. Diakses pada 10-4-2016.

[21] Electrosynthesis. Electrodialysis.https://electrosynthesis.com/electrodialysis/. Diakses pada 10-4-2016.

[22] Darcy’s Law.https://old.uqu.edu.sa/files2/tiny_mce/plugins/filemanager/files/4282164/Darcy.pdf. Diakses pada 10-4-2016.

[23] A.Abdelrasoul, H. Doan, A. Lohi. Fouling in membrane filtration and remediation methods.

http://www.intechopen.com/books/mass-transfer-advances-in-sustainable-energy-and-environmentoriented-numerical-modeling/fouling-in-membrane-filtration-and-remediation-methods. Diakses pada 10-4-2016.

[24] IG. Wenten. “Teknologi Membran Prospek dan Tantangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015. [25] M. Ulbricht. Advanced functional polymer membranes, Polymer, 47 (2006) 2217-2262.

[26] L. Setiawan, R. Wang, S. Tan, L. Shi, A. G. Fane. Fabrication of poly (amide-imide)-polyethersulfone dual layer hollow fiber membranes applied in forward osmosis by combined polyelectrolyte cross-linking and depositions, Desalination 312 (2013) 99-106.

[27] Z. W. Dai, L. S. Wan, Z. K. Xu, J. Surface glycosylation of polyacrylonitrile ultrafiltration membrane to improve its anti-fouling performance. J. Membr. Sci. 325 (2008) 479-485.

[28] N. Inagaki, S. Tasaka, K. Hibi, Surface modification of Kapton film by plasma treatments Polym. Sci Part A.30 (1992) 1425-1431.

[29] R.A. Minamisawa, R. L. Zimmerman, D. Ila. Creation mechanism of pores by ion beam modification of fluoropolymer film membranes Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B.266 (2008) 1273-1275.

9

[31] C. Lindner, O. Kedem. Nanofiltration: Principles and Applications (Eds.: A. I. Schfer, A. G. Fane, T. D. Waite), Elsevier, Oxford. Page 20, 2002.

[32] J. Jegal, N.-W. Oh, D.-S. Park, K.-H. Lee, Characteristics of the nanofiltration composite membranes based on PVA and sodium alginate. J. Appl. Polym. Sci.79 (2001) 2471-2479.

[33] A. Gugliuzza, E. Drioli, PVDF and HYFLON AD membranes: ideal interfaces for contactor applications. J. Membr. Sci. 300 (2007) 51-62.

[34] M. Taniguchi, Y. Fusaoka, T. Nishikawa, M. Kurihara. Boron Removal in Sea-water RO Desalination.Toray Industries, 2004.

[35] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti. A.N. Hakim. “Teknologi Membran dalam Pengolahan Air.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.

[36] Membrane Solution. Ultra Pure Water. https://www.membranesolutions.com /ultrapure-water.htm. Diakses pada 10-4-2016.

[37] RWL water. Ultrapure Water Solutions. https://www.rwlwater.com/ultrapure-water/. Diakses 10-4-2016.

[38] I.G. Wenten. “PERKEMBANGAN TERKINI DI BIDANG TEKNOLOGI MEMBRAN.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.

[39] E. Gilbert. Zero Discharge Desalination.