Membran penukar ion adalah salah satu jawaban terhadap kebutuhan industri akan pemurnian ion monovalen secara selektif. Selektivitas tinggi, hambatan listrik rendah, dan stabilitas mekanik dan kimia yang baik merupakan sifat yang diinginkan dari membran penukar ion. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat dan mengembangkan metode modifikasi membran penukar ion yang memiliki struktur heterogen dan selektif terhadap ion monovalen.
Ion exchange membrane is one of the answers to the industrial needs for the purification of monovalent ions. In addition to the development and expansion of applications, ion exchange membranes with good physicochemical, electrochemical and mechanical properties are needed. High permselectivity, low electrical resistance and good mechanical and chemical stability are desirable properties of ion exchange membranes.
The purpose of this research is to create and develop a modified method for ion exchange membrane, which has a heterogeneous structure and permselective for monovalent ions. The scope of the experiment is an ion exchange membrane with a heterogeneous structure, the polymer used is polypropylene, characteristic test using NaCl, MgCl2, NaOH and HCl solutions, and the analyzed properties are electrochemical (conductivity, permselectivity and ion exchange capacity), properties of water uptake, water contact angle and morphological analysis.
PENDAHULUAN
- Latar Belakang
- Rumusan Masalah
- Tujuan dan Sasaran
- Ruang Lingkup
Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan metode modifikasi membran penukar ion yang mempunyai struktur heterogen dan selektif terhadap ion monovalen. Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi terhadap kemajuan pengembangan membran penukar ion dengan struktur heterogen yang selektif terhadap ion monovalen. Interaksi polar seperti hidrogen dan elektrostatika membantu membran PP meningkatkan hidrofilisitasnya, dan ikatan hidrofobik serta penumpukan π membantu mengikat PDA ke membran PP non-polar.
Dari kedua bahan yang digunakan, lapisan PDA dapat menjadi solusi permasalahan penggunaan membran PP. Oleh karena itu, dilakukan penelitian mengenai pengaruh penambahan lapisan PDA pada membran PP dan perbandingannya dengan membran PP murni. Bagaimana waktu deposisi dan konsentrasi PDA yang ditambahkan ke membran PP mempengaruhi konduktansi membran?
Bagaimana pengaruh waktu pelapisan dan penambahan konsentrasi PDA pada membran PP terhadap permukaan membran pada saat fabrikasi membran? Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh penambahan lapisan polidopamin (PDA) pada permukaan membran PP terhadap sifat membran.
TINJAUAN PUSTAKA
- Proses-proses Berbasis Membran Ion-exchange
- Elektrodialisis
- Elektrodeionisasi
- Elektrolisis Membran
- Reverse electrodialysis
- Membran ion-exchange berstruktur heterogen
- Metode modifikasi membran ion-exchange berstruktur heterogen
- Membrane surface modifications
- Post-treatment
- Pelapisan membran dengan Polidopamine
Cara kerja elektrodeionisasi mempunyai dua jenis cara kerja, yaitu mode elektrodeionisasi yang bekerja pada saat umpan memiliki kandungan garam yang tinggi, dan mode elektroregenerasi yang bekerja pada saat kandungan garam pada umpan sangat rendah (Wenten et al., 2014). ). Reaksi disosiasi yang terbentuk pada sistem elektrodialisis secara terus menerus menghasilkan ion H+ dan ion OH– yang akan meregenerasi resin penukar ion secara elektrokimia (Arar et al., 2014). Pengembangan AEM saat ini masih terus dilakukan khususnya pada desain dan sintesis katalis (Ahmad Kamaroddin et al., 2021).
Reaksi oksidasi-reduksi yang berlangsung mengubah arus ionik menjadi arus elektronik yang menghasilkan arus listrik dan digunakan untuk berbagai kebutuhan perangkat luar (Tristán et al., 2020). Setiap meter kubik air sungai dapat menghasilkan 1,4 MJ energi bila dicampur dengan air laut dalam jumlah yang sama dan lebih dari 2 MJ bila dicampur dengan air laut berlebih (Post et al., 2008). Membran penukar ion (IEMs) dapat dibagi menjadi homogen dan heterogen tergantung pada struktur membran, terutama pada fase penggabungan matriks ke dalam membran (Molau et al., 1981).
IEM heterogen diproduksi dengan memasukkan bubuk penukar ion ke dalam bahan polimer inert melalui pencetakan kering, perataan, dan metode lainnya (Nagarale et al., 2009). Contoh IEM yang secara selektif menolak HCl adalah membran penukar anion (AEM), yang dapat dibuat dengan memodifikasi membran dasar dengan ikatan silang epoksi dan amina (Sata et al., 1993). Modifikasi ini juga dapat dilakukan dengan bahan pengikat silang untuk menghasilkan permukaan dengan daya tahan tinggi (Sata et al., 1990).
Sedangkan metode peregangan menggunakan tiga tahapan yaitu menyiapkan film prekursor, mengentalkan film, dan meregangkan film untuk menghasilkan pori-pori pada suhu rendah, dan dilanjutkan pada suhu tinggi untuk memperbesar pori-pori (Komaladewi et al., 2019). Polimer polidopamin (PDA) merupakan senyawa yang mempunyai ikatan polar dan berpotensi terhadap ikatan nonpolar, sehingga polidopamin dapat dengan mudah berikatan pada hampir semua jenis lapisan termasuk lapisan hidrofilik yang bersifat polar, dan lapisan hidrofobik yang bersifat nonpolar (Xu et al. ., 2021). Karena mudah melekat pada berbagai jenis permukaan, modifikasi membran dengan lapisan polidopamin telah dilakukan untuk memodifikasi berbagai membran polimer seperti polisufon, polietilen, dan polivinil fluorida (Wardani et al., 2019).
Senyawa dopamin (DA) merupakan monomer polidopamin yang cenderung membentuk struktur polidopamin berikatan silang dalam larutan basa dengan bantuan oksigen melalui proses polimerisasi (Zhang et al., 2018). Pada permukaan polar, interaksi antara permukaan membran dan polidopamin didominasi oleh ikatan hidrogen yang sangat kuat (Yang et al., 2015). 8-9, proses polimerisasi cenderung sangat lambat dan memerlukan bantuan oksidator tambahan seperti CuSO4, (NH4)2S2O8 atau H2O2 (Ball et al., 2012).
Beberapa peneliti menunjukkan bahwa hidrofilisitas membran meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi Dopamin dan waktu pelapisan (McCloskey et al., 2010; Bucher et al., 2017). Namun fluks air juga dapat berkurang karena tersumbatnya pori membran oleh lapisan polidopamin ( Kasemset et al., 2013 ; Li et al., 2014 ).
METODOLOGI PENELITIAN
- Tahapan Penelitian
- Peralatan Utama
- Alat dan Bahan
- Peralatan Pendukung Penelitian
- Bahan
- Preparasi membran penukar ion berstruktur heterogen berbasis PP
- Pelapisan membran dengan aditif Polidopamine (PDA) pada permukaan membran
- Karakterisasi membran
- Variasi Percobaan
Peralatan utama yang digunakan adalah alat polimerisasi yang dilengkapi dengan ekstruder pelet untuk produksi pelet polimer dan alat polimerisasi yang dilengkapi dengan lembaran ekstrusi untuk mencetak membran dan tempat pelet polimer dicampur dengan resin penukar ion dan bahan tambahan lainnya, pabrik untuk mereduksi ukuran partikel bahan tambahan, komponen membran seperti resin dan bahan tambahan lainnya, saringan untuk memastikan bahan tambahan berupa resin penukar ion dalam jumlah yang diinginkan dengan saringan yang digunakan 300 mesh, mixer bersama dengan gelas kimia untuk menyalurkan dopamin dalam larutan polidopamin dan sebagai wadah pewarnaan membran yang akan ditutup, serta peralatan pengujian yang mengukur konduktivitas dan permaselektivitas membran yang dihasilkan berupa; voltmeter, amperemeter, catu daya berupa baterai dan motor penggerak sebagai penggerak solusi dalam percobaan. Peralatan yang akan digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada tabel 3.1 Tabel 3.1 Daftar peralatan yang digunakan dalam penelitian. Pada penelitian ini dilakukan pembuatan membran kationik berstruktur heterogen berbahan dasar Polypropylene Polymer (PP) dan dilakukan modifikasi utama membran berupa perubahan konsentrasi bahan tambahan pelapis Polydopamine (PDA).
Resin penukar kation berupa Amberlite IR120-Na dikeringkan menggunakan oven pada suhu 60°C selama 24 jam. Resin penukar kation kemudian diayak menggunakan ayakan hingga mencapai ukuran yang sesuai dengan ayakan 300 mesh dan terakumulasi pada ayakan 400 mesh (-300+400 mesh). Setelah ukuran resin yang diinginkan tercapai, resin penukar kation disimpan dalam desikator silika gel sehingga terlindung dari udara terbuka dan lembab.
Pada komposisi tertentu, butiran PP dan bubuk resin penukar ion dicampur dalam ekstruder. Ekstruder dipanaskan hingga suhu set point 170°C dan motor penggerak dihidupkan pada kecepatan rendah (45% dari kecepatan penuh). Untuk mencapai tingkat homogenitas yang tinggi antara campuran biji PP dan bubuk resin penukar ion, proses diulang sebanyak 3 kali.
Setelah diperoleh pelet yang homogen, kemudian dicetak menjadi lembaran tipis menggunakan printer membran pada ekstruder. Lelehan polimer akan didorong oleh ekstruder melalui kepala cetak membran dan diarahkan ke alat cetak membran hingga keluar berupa lembaran tipis membran penukar ion heterogonal. Setelah dilapisi dengan larutan polidopamin, membran dicuci kembali dengan larutan isopropil alkohol selama 10 menit, kemudian dilanjutkan pencucian dengan air demineralisasi selama 30 menit untuk menghilangkan larutan polidopamin yang tidak menutupi permukaan membran.
Gelembung air yang terbentuk pada permukaan membran kemudian difoto dengan mikroskop digital dan diukur sudutnya menggunakan software ImageJ. Komposisi morfologi permukaan membran dikarakterisasi menggunakan metode FTIR (Fourier Transform Independent Spectrometer), dan morfologi permukaan serta penampang membran dianalisis menggunakan SEM (Scanning Electron Microscopy) dengan tegangan percepatan 5 kV. Variasi kondisi percobaan didasarkan pada variasi konsentrasi Polidopamin yang digunakan untuk pelapisan membran dan variasi lamanya pelapisan permukaan membran dengan larutan polidopamin sehingga dapat dianalisis variasi yang akan menghasilkan karakterisasi membran yang paling optimal.
Pada percobaan pelapisan Polidopamine pada permukaan membran (Percobaan 1) dilakukan variasi dengan memvariasikan lama waktu perendaman membran dalam larutan Polidopamine. Pada percobaan dimana konsentrasi polidopamin pada matriks membran diubah (percobaan 2), dilakukan variasi dengan memvariasikan jumlah Dopamin-HCl yang digunakan dalam total larutan pelapis membran.
DAFTAR PUSTAKA
Influence of Polydopamine Deposition Conditions on Pure Water Flux and Resistance to Fouling Adhesion of Reverse Osmosis, Ultrafiltration and Microfiltration Membranes, Polymer. Hydrophilization of porous polypropylene membranes by atomic layer deposition of TiO2 for simultaneous improved permeability and selectivity, Journal of Membrane. Plasma surface modification of polypropylene microfiltration membranes and fouling of BSA dispersion, Chemical Engineering Journal.
Surface modification of polypropylene microporous membrane to improve its antifouling properties in a SMBR: N2 plasma treatment, Water Research. Distinguished Cr(VI) capture with rapid and superior capacity using polydopamine microsphere: Behavior and mechanism, Journal of Hazardous Materials, 342, 732–. Hu, Y.; Wang, M.; Wang, D.; Gao, X.; and Gao, C., "Feasibility study of surface modification of cation exchange membranes with quaternized chitosan to improve its selectivity."
Yang, W.H.; and Fu, Y.X., "Effects of Heat Treatment on the Properties of Heterogeneous Cation Permeable Membranes of Poly(ether sulfone)/sulfonated poly(phenylene sulfide) and Phenolphthalein poly(ether ether ketone)/sulfonated poly(phenylene sulfide) Blends." . Karan, Anik; Khezerlou, Elnaz; Rezaei, Farnaz; Iasemidis, Leon; DeCoster, Mark A. Morphological changes in astrocytes by autoxidation of dopamine to polydopamine and quantification of dopamine by multivariate regression analysis of polydopamine images. A study of ultrafiltration membrane fouling by humic acids and backwash stream recovery: experiments and modeling, Journal of Membrane Science.
Preparation of polyvinyl chloride/ZnO composite ultrafiltration membrane for peat water treatment, Journal of Physics: Conference Series, 1764(1).
