Kelompok B Pembimbing

(1)

TK-40Z2 PENELITIAN Semester II − 2007/2008

APLIKASI MEMBRAN CA/ZEOLIT UNTUK PEMISAHAN CAMPURAN ALKOHOL-AIR

Kelompok B.67.3.13

Indria Gusmelli (13004106) Aziza Addina Permata (13004107)

Pembimbing

Dr. Irwan Noezar

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

Juni 2008

(2)

LEMBAR PENGESAHAN TK-40Z2 PENELITIAN Semester II − 2007/2008

APLIKASI MEMBRAN CA/ZEOLIT UNTUK PEMISAHAN CAMPURAN ALKOHOL-AIR

Kelompok B.67.3.13

Indria Gusmelli (13004106) Aziza Addina Permata (13004107)

Catatan

Bandung, Juni 2008 Disetujui Pembimbing

Dr. Irwan Noezar i

(3)

TK-40Z2 PENELITIAN

Aplikasi Membran CA/Zeolit untuk Pemisahan Campuran Akohol-Air Kelompok B.67.3.13

Indria Gusmelli (13004106) dan Aziza Addina Permata (13004107) Pembimbing

Dr. Irwan Noezar

ABSTRAK

Kebutuhan alkohol dalam tingkat kemurnian yang tinggi di dalam industri semakin meningkat. Pervaporasi adalah salah satu proses pemisahan dengan membran yang dapat dijadikan alternatif untuk meningkatkan kemurnian alkohol dari komposisi azeotropnya dengan kebutuhan energi yang rendah. Prinsip pemisahan pada pervaporasi adalah dengan memanfaatkan perbedaan solubilitas dan difusivitas komponen. Unjuk kerja pervaporasi diukur dengan fluks permeat dan selektivitas pemisahan.

Membran yang digunakan pada proses pervaporasi alkohol-air adalah membran yang bersifat hidrofilik. Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa membran CA/zeolit dapat digunakan sebagai membran pada proses pervaporasi campuran etanol-air dengan unjuk kerja yang baik. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui kinerja membran CA/zeolit dalam pemisahan campuran akohol-air dan mempelajari pengaruh temperatur operasi terhadap kinerja membran.

Percobaan yang dilakukan meliputi pembuatan membran, karakterisasi membran, dan proses pervaporasi. Larutan yang akan dipisahkan adalah campuran etanol-air, isopropanol- air, dan 2-butanol-air pada komposisi azeotrop. Komposisi etanol-air divariasikan pada 85%-v, azeotrop, dan 98%-v. Temperatur umpan pervaporasi berada pada rentang 40-60°C dengan tekanan pada sisi permeat sebesar 200 mbar. Polimer yang digunakan adalah selulosa asetat (CA). Modifikasi membran dilakukan dengan penambahan zeolit alam Malang sebesar 20%-b CA. Hasil percobaan menunjukkan bahwa penambahan zeolit alam Malang ke dalam membran CA dapat meningkatkan fluks sebesar 1,35-1,4 kali dan selektivitas sebesar 3,5-8,2 kali dibandingkan dengan membran CA homogen. Senyawa 2- butanol memiliki nilai selektivitas terbesar diikuti dengan isopropanol dan etanol.

Kata Kunci: pervaporasi, membran CA/Zeolit, alkohol-air

ii

(4)

TK-40Z2 FINAL RESEARCH PROJECT

Application of CA/Zeolite Membrane for Alcohol-Water Mixtures Separation Group B.67.3.13

Indria Gusmelli (13004106) dan Aziza Addina Permata (13004107) Advisor

Dr. Irwan Noezar

ABSRACT

Nowadays, needs of high purities alcohols in industry increase rapidly. Pervaporation is an alternative separation process using membrane which allows separation of alcohol-water mixtures at their azeotropic composition with low energy consumption. Separations can be obtained by using the difference of solubility and diffusivity of components. Pervaporation process performance is determined by flux and selectivity.

Hydrophilic membrane was used for dehydrating alcohols trough pervaporation. Previous research showed that using CA/Zeolite membrane could increase the pervaporation performance for ethanol-water separation. This research will study performance of CA/Zeolite membrane in separating alcohol-water mixtures and observe the effect of temperature toward pervaporation performance.

The research consists of membrane preparation, membrane characterization, and pervaporation. Feeds are ethanol-water, isopropanol-water, and 2-butanol-water mixtures at their azeotropic composition. Ethanol-water mixtures’ composition are varying at 85%-v, azeotropic, dan 98%-v. Feeds temperature are varying between 40-60°C and downstren pressure 200 mbar. Polymeric membrane cellulose acetate (CA) will be used and modification will be done by depositing 20%-wt CA of zeolite Malang in the polymeric matrix. Research found that by depositing zeolite, flux increases for about 1,35-1,4 times and selectivity increases for about 3,5-8,2 times. 2butanol-air has the largest selectivity, followed by isopropanol and ethanol.

Key words: pervaporation, CA/Zeolite membrane, alcohol-water

iii

(5)

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami ucapkan kepada Allah SWT yang telah memberikan petunjuk dan rahmat- Nya sehingga kami dapat menyelesaikan laporan akhir TK-40Z2 Penelitian yang berjudul

“Aplikasi Membran CA/Zeolit untuk Pemisahan Campuran Alkohol-Air”. Laporan ini merupakan salah satu tugas akhir untuk jenjang sarjana di Program Studi Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung.

Dalam pelaksanaannya, penulis banyak mendapa dukungan, bimbingan, arahan, dan saran dari berbagai pihak. Oleh karena itu, kami mengucapkan terima kasih kepada :

1. Dr.Irwan Noezar selaku dosen pembimbing yang telah memberikan pengarahan dan bimbingan sehingga kami dapat menyelesaikan laporan dengan sebaik-baiknya.

2. Dr. IDG Arsa Putrawan selaku koordinator mata kuliah TK- 40Z2.

3. Dianika Lestari, MT, Ananta Tissa K.S., dan Dimas Anugra Kodri, ST yang penelitiannya telah penulis gunakan sebagai salah satu acuan untuk menyusun proposal penelitian ini, serta

4. Berbagai pihak yang telah memberikan bantuan dalam penyusunan laporan ini.

Kami menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, kritik dan saran pembaca sangat diharapkan untuk hasil yang lebih baik lagi di masa mendatang.

Semoga laporan ini dapat memberikan manfaat bagi semua pihak. Atas perhatiannya, kami mengucapkan terima kasih.

Bandung, Juni 2008

iv

(6)

Penulis DAFTAR ISI

Halaman

Lembar Pengesahan i

Abstrak ii Abstract iii

Kata Pengantar iv

Daftar Isi v

Daftar Tabel vii

Daftar Gambar viii

I. Pendahuluan 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Perumusan Masalah 2

1.3 Tujuan Penelitian 2

1.4 Ruang Lingkup Penelitian 2

II. Tinjauan Pustaka 4

2.1 Pemisahan dengan Membran 4

2.2 Pemisahan dengan Pervaporasi 6

2.2.1 Mekanisme solution-diffusion 6

2.2.2 Unjuk Kerja Pervaporasi 11

2.3 Membran Pervaporasi 12

2.3.1 Membran Polimer 12

2.3.2 Membran Cellulosa Acetate 14

2.3.3 Modifikasi Membran Selulosa Asetat 15

2.3.4 Cara Pembuatan Membran 20

2.4 Sistem Alkohol-Air 22

III Metodologi Penelitian 24

v

(7)

3.1 Metodologi 24

3.2 Percobaan 24

3.2.1 Bahan 24

3.2.2 Alat 25

3.2.3 Prosedur 25

3.2.3.1 Penyiapan Umpam 26

3.2.3.2 Karakterisasi Membran 26

3.2.3.3 Pembuatan Membran 26

3.2.3.4 Karakterisasi Umpan 28

3.2.3.5 Percobaan Pervaporasi 29

3.2.4 Variasi 30

3.3 Interpretasi Data 31

3.3.1 Fluks Massa Permeat 31

3.3.2 Perhitungan Selektivitas 32

IV Hasil dan Pembahasan 33

4.1 Unjuk Kerja Pervaporasi 33

4.2 Pengaruh Penambahan Zeolit Alam Malang terhadap Unjuk Kerja Membran Pervaporasi

34

4.3 Pengaruh Temperatur Umpan terhadap Unjuk Kerja Pervaporasi 36 4.4 Pengaruh Konsentrasi Umpan Terhadap Unjuk Kerja Pervaporasi 41

V Kesimpulan dan Saran 43

Daftar Pustaka 44

Daftar Simbol 46

Lampiran A Hasil Antara 47

Lampiran B Contoh Perhitungan 56

Lampiran C Metode Analisis Komposisi Campuran 57

vi

(8)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Proses pemisahan dengan membran berdasarkan gaya dorongnya

5

Tabel 2.2 Mekanisme perpindahan komponen pada berbagai diameter pori

17

Tabel 2.3 Ukuran pori berbagai tipe zeolit 17

Tabel 2.4 Diameter kinetik molekul polar 18

Tabel 2.5 Kapasitas adsorpsi maksimum komponen dalam pervaporasi

18

Tabel 2.6 Sifat-sifat zeolit tipe modernite 19

Tabel 2.7 Koefisien kelarutan selulosa asetat dalam berbagai pelarut 21

Tabel 2.8 Sistem azeotrop alkohol-air 23

Tabel 3.1 Bahan yang digunakan dalam penelitian 24

Tabel 3.2 Variasi percobaan 30

Tabel 4.1 Unjuk kerja pervaporasi 33

Tabel 4.2 Diameter kinetik molekul polar 39

Tabel C.1 Spesifikasi Alat Kromatografi Gas 59

vii

(9)

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Mekanisme pemisahan dengan membran 4

Gambar 2.2 Mekanisme pervaporasi menggunakan carrier gas 7

Gambar 2.3 Mekanisme pervaporasi vacuum 7

Gambar 2.4 Pemisahan pada membran tidak berpori 8 Gambar 2.5 Kurva sorpsi isoterm untuk sistem ideal/linier (a), sistem

polimer glassy (b), dan sistem dengan interaksi kuat antara uap atau cairan organik dengan polimer/tidak linier (c)

10

Gambar 2.6 Mekanisme sorpsi pada model dual sorption: mengikuti Hukum Henry (a), tipe sorpsi Langmuir (b)

10

Gambar 2.7 Modulus tarik sebagai fungsi temperatur pada polimer amorf 13

Gambar 2.8 Rumus bangun selulosa asetat 14

Gambar 3.1 Skema alat percobaan pervaporasi 25

Gambar 3.2 Prosedur penelitian 26

Gambar 3.3 Diagram alir percobaan pembuatan membran CA 27 Gambar 3.4 Diagram alir percobaan pembuatan membran CA/zeolit 28 Gambar 3.5 Diagram alir percobaan karakterisasi membran 29

Gambar 3.6 Diagram alir percobaan pervaporasi 30

Gambar 4.1 Hubungan antara temperatur terhadap fluks total pada umpan etanol menggunakan jenis membran yang berbeda

34

Gambar 4.2 Hubungan antara temperatur terhadap selektivitas pada umpan etanol menggunakan jenis membran yang berbeda

34

Gambar 4.3 Hubungan antara temperatur terhadap fluks total pada 37

viii

(10)

komposisi umpan alkohol azeotrop

Gambar 4.4 Hubungan antara temperatur terhadap selektivitas pada komposisi umpan alkohol azeotrop

38

Gambar 4.5 Hubungan antara temperatur terhadap fluks total pada umpan etanol

39

Gambar 4.6 Hubungan antara temperatur terhadap selektivitas pada umpan etanol

40

Gambar 4.7 Hubungan antara temperatur terhadap fluks air dan fluks etanol 40

Gambar 4.8 Hubungan antara fraksi mol air dalam umpan terhadap fraksi mol air permeat

41

Gambar 4.9 Hubungan antara temperatur terhadap fluks total pada umpan etanol

41

Gambar A.1. Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 40⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan 85% etanol)

47

Gambar A.2. Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 50⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan 85% etanol)

47

Gambar A.3.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 60⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan 85% etanol)

48

Gambar A.4.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 40⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan etanol azeotrop)

48

Gambar A.5.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 50⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan

49

ix

(11)

etanol azeotrop) Gambar A.6.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 60⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan etanol azeotrop)

49

Gambar A.7.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 40⁰C dengan membran CA (umpan etanol azeotrop)

50

Gambar A.8.

50

Gambar A.9.

51

Gambar A.10.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 40⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan etanol 98%)

51

Gambar A.11.

52

Gambar A.12.

52

Gambar A.13.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 40⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan isopropanol azeotrop)

53

Gambar A.14.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada 53

x

(12)

temperatur umpan 50⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan isopropanol azeotrop)

Gambar A.15.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 60⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan isopropanol azeotrop)

54

Gambar A.16.

Kurva massa permeat kumulatif terhadap waktu pada temperatur umpan 40⁰C dengan membran CA/Zeolit (umpan 2- butanol azeotrop)

54

Gambar A.17.

55

Gambar A.18

55

Gambar C.1 Kromatografi gas 57

xi