PPT Tools of the Industry - Universitas Brawijaya

Teknologi Membran Teknologi Membran

Hendrix Yulis Setyawan, STP. MSi

Pendahuluan: Proses Pemisahan

A

A

B B

A B

B

B A

A B B A

B B

B

Fase dalam pemisahan:

• Padat – cair atau cair – padat

• Cair – cair

• Gas – cair atau cair - gas

• Padat – gas

• Gas - gas

• Padat – padat

Klasifikasi Proses Pemisahan

Sifat

fisik/kimia

Proses Pemisahan

Ukuran Filtrasi, Mikrofiltrasi, Ultrafiltrasi, Dialisis, Separasi gas,

Tekanan Uap Distilasi, Distilasi molekuler Titik beku Kristalisasi

Afinitas

Extraksi, Adsorpsi, Absorpsi, Reverse osmosis, separasi gas, pervaporasi, chromatografi

Muatan listrik

Perturan ion, elektrodialisis, elektrophoresis, dialisis difusi

Densitas Sedimentasi, sentrifugasi, flotasi

Sifat kimia Komplekasasi, aglomerasi

• Perbedaan dalam ukuran, tekanan uap, muatan dan sifat kimia dapat

menfasilitasi separasi membran

• Kriteria umum untuk pemilihan proses separasi:

– Pemisahan harus layak secara teknis – Pemisahan harus layak secara

ekonomis

• Faktor kelayakan teknis dan ekonomis:

– Tingkat separasi – Kualitas produk

– Nilai ekonomi produk

– Sifat bahan/produk dan bidang aplikasinya

– Jenis pengotor – Konsumsi energi

– Kondisi lokasi, lingkungan dan

kebijakan

Tujuan Separasi:

Konsentrasi Penghilangan pelarut

purifikasi Penghilangan pengotor

fraksinasi Campuran harus dipisahkan menjadi dua atau lebih komponen yang diinginkan

Mediasi reaksi

Kombinasi reaksi kimia/biokimia dengan

komponen tertentu untuk meningkatkan

laju reaksi

• Konsentrasi

 Sebagai produk adalah retentat

• Purifikasi

Baik retentat ataupun permeat dapat sebagai produk yang dikehendaki, tergantung jenis pengotor yang harus dihilangkan

• Fraksinasi

Baik retentat mapun permeat dapat menjadi produk

• Proses membran (proses fisik) dapat

dikombinasikan dengan proses lainnya, baik proses kimia, biologis, maupun

biokimia

 Laju reaksi dapat ditingkatkan

 Kesetimbangan reaksi dapat digeser

melalui pengambilan salah satu produk

dengan membran yang sesuai

Proses Membran

Proses membran dicirikan bahwa aliran umpan dipilah menjadi dua aliran, yaitu aliran

permeat/filtrat dan aliran retentat/konsentrat

Feed

Membran Filtrat/permeat

Waktu Fluks

(L/m² hr)

Dead-End Filtration

Membran

Feed Konsentrat

Waktu Fluks

Crossflow filtrasi

Filtrat/permeat

Teknologi Membran:

• Keunggulan proses membran:

 Separasi dapat dilakukan secara kontinu

 Konsumsi energi umumnya rendah

 Dapat dikombinasikan dengan mudah dengan proses lainnya (hybrid processing)

 Tidak diperlukan pengubahan fase medium

 Penggandaan skala (up-scaling) mudah

 Sifat membran bersifat variable dan dapat dikendalikan

 Tanpa bahan tambahan

Proses Membran

Relatif baru  terus berkembang

Genenasi pertama:

 Mikrofiltrasi (MF)

 Ultrafiltrasi (UF)

 Nanofiltrasi (NF)

 Reverse Osmosis (RO)

 Eletrodialisis (ED)

 Membrane Electrolysis (ME)

Generasi Kedua:

Separasi gas (GS)

 Vapour Permeation (VP)

 Pervaporation (PV)

Membrane

Distillation (MD)

 Membrane

Contactor (MC)

Membran:

• Sebagai jantung proses membran

• Sebagai permselective barrier atau interface antar dua fase

• Pemisahan terjadi karena membran memiliki kemampuan mentransport satu komponen dari campuran umpan lebih selektif daripada komponen-komponen lainnya

Fase 1 Fase 2

Permeat Feed

Membran

Kinerja atau Effisiensi Proses Membran:

• Ditentukan oleh dua parameter:

– Selektivitas

– Fluks atau laju permasi (L/m²hr atau kg/m²hr atau mol/m²hr) atau koefisien permeabiltas (L/m^2.hr.bar)

• Selektivitas umumnya dinyatakan oleh satu dari dua parameter: retensi ( R ) atau faktor pemisahan ( )

F P F

P F

c c c

c

R c   

 1

c

_F

dan c

_P

masing- masing adalah konsentrasi suatu komponen dalam Feed dan Permeat

R=1  pemisahan sempurna R=0  tidak terjadi pemisahan

Selektivitas membran:

Selektivitas membran digunakan untuk campuran gas atau campuran cairan organik umumnya dinyatakan dalam faktor separasi ():

B A

B A/B

x

A

x

y y

/

 /



y_A dan y_B: konsentrasi komponen A dan B dalam permeat x_A dan x_B: konsentrasi komponen A dan B dalam feed

Jika laju permeasi komponen A melalui membran

lebih besar daripada komponen B, faktor separasi

dinyatakan sebagai 

_A/B

, jika sebaliknya dinyatakan

sebagai 

_B/A

Definisi suatu Membran

• Definisi umum: membrane is a selective barrier between two phases, the term ‘selective’ being inherent to a membrane or a membrane

process

• Membran:

– Ketebalan: dapat tipis atau tebal

– Struktur: dapat homogen atau heterogen – Transport: dapat aktif atau pasif

– Dapat alami atau buatan

Klasifikasi Membran

c a ir

I n v e r s i fa s e K o m p o s it A s im e t r ik

N o n - P o r o u s

( b e r m u a t a n / t a k - b e r m u a t a n ) B io lo g ik

S im e t r ik A s im e t ik P o r o u s

A n o r g a n ik P a d a t

S in t e t ik B io lo g ik

M e m b r a n

Asal Bentuk Bahan

Morfologi/

Struktur

Produksi

Proses Membran

• Transpot melalui membran terjadi akibat dari daya penggerak yang dikenakan pada

komponen-komponen dalam feed

• Dalam banyak kasus, laju permeasi (fluks)

proporsional terhadap daya penggerak (driving force)

• Proporsionalitas antara fluks (J) dan daya penggerak:

dimana A = koefisien fenomenologis, dan dX/dx

= daya penggerak, yang dinyatakan sebagai gradien X (tekanan, consentrasi, temperatur) sepanjang x transport barrier

dx A dX J  

• Selain untuk transport massa, persamaan fenomenologis juga digunakan untuk

mendiskripsikan transport fluks panas, fluks volume, fluks momentum, dan fluks elektrik

• Koefisien fenomenologis hubungan antara fluks dan daya pendorong adalah:

– Koefisien difusi, D (Hk. Fick)

– Koefisien permeabilitas, Lp (Hk. Darcy) – Difusivitas termal,  (Hk. Fourier)

– Viskositas kinematis, =/ (Hk. Newton) – Kondoktivitas elektrik, 1/R (Hk. Ohm)

Persamaan Fenomenologis:

(Ohm) dx

dE R

J 1 Elektrik Fluks

(Newton) dx

J d Momentum Fluks

(Fourier) dx

J dT Panas Fluks

(Darcy) dx

L dP J

Volume Fluks

(Fick) dx

-D dc J

Massa Fluks

i

n h

P v

m



















 



Membran Proses dan Daya Penggeraknya

Proses Membran Phase

1 Phas

e 2 Driving Force MF, UF, NF, RO,

Piezodialisis Liquid Liquid P

Pervaporasi Liquid Gas p

Elektrodialisis, Elektrolisis

Membran Liquid Liquid E

Dialisis, Dialisis Difusi Kontaktor membran:

Liquid Liquid

Gas Liquid

Liquid Liquid Liquid

Gas

c

c

c/p

c/p Thermo-osmosis

Distilasi membran Liquid Liquid T/p Separasi gas, Vapour

permeasi Gas Gas p

Fluks Tipikal untuk MF, UF, NF dan RO

Proses

Membran Tekanan (bar)

Permeabilitas (L.m

^-2

.hr

^-1

.bar

^-1

)

MF 0,1 – 2,0 > 50

UF 1,0 – 5,0 10 – 50

NF 5,0 – 20 1,4 – 12

RO 10 - 100 0,05 – 1,4

0,1 1 10 100 1000

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100

Ukuran Partikel/Molekul ( m)

Perbedaan Tekanan (bar)

Filtrasi Mikrofiltrasi

Ultrafiltrasi Nano-

filtrasi Reverse

Osmosis

Perbandingan MF, UF, NF dan RO

MF UF NF/RO

Pemisahan partikel Pemisahan makromolekul

Pemisahan larutan BM rendah (garam, glukosa, laktosa, mikropolutan

Tekanan osmostik dapat diabaikan (tanpa polarisasi konsentrasi)

Tekanan osmotik dapat diabaikan

Tekanan osmotik tinggi (1 – 25 bar) Tenakan

transmembran rendah (< 2 bar)

Tenakan

transmembran rendah (1-10 bar)

Tenakan

transmembran tinggi (10 - 60 bar)

Struktur membran simetrik atau

asimetrik

Struktur membran

asimetrik Sruktur membran asimetrik

Ketebatal layer

pemisah: Simetrik: 10 – 150 m Asimetrik: 1

m

Ketebatal layer pemisah aktual:

Simetrik: 0,1 –1,0 m

Ketebatal layer pemisah aktual:

Simetrik: 0,1 –1,0 m Pemisahan akibat

perbedaan ukuran partikel

Pemisahan akibat perbedaan ukuran

Pemisahan akibat perbedaab kelarutan dan difusivitas

Mikrofiltrasi (MF) Mikrofiltrasi (MF)

 MF dapat

memisahkan partikel berukuran > 0,05 m

 Bahan berukuran <

0,05 m (garam/ion, gula & protein)

melewati membran MF

 Ukuran pori: 0,08 – 10

m Tekanan : 0,1 – 3 bar

Padatan

tersuspensi, sel/biomass, koloid

Membran Air Garam/ion,

Makromole kul

Membran MF (summary):

Membran MF (summary):

Membran: Simetris atau asimetris Ketebalan: 10 – 150 m

Ukuran Pori: 0,05 – 10 m

Driving force: Tekanan (< 2 bar)

Prinsip separasi: Mekanisme penyaringan Bahan membran Polimer atau keramik

Aplikasi: Aplikasi analitis, sterilisasi (pangan, minuman, farmasi, klsrifikasi minuman (juice, bir, wine), pemisahan sel/biomassa/bioreaktor, air ultra- bersih, recovery metal sebagai oksida atau hidroksida koloid, fermentasi kontinu,

pemisahan emulsi air-minyak, waste-water treatment, plasma-pheresis

Ultrafiltrasi (UF) Ultrafiltrasi (UF)

 UF dapat memisahkan bahan berukuran >

0,005 m (BM > 1000 Da)

 UF dan MF adalah

identik, hanya membran UF asimetris 

membarn lebih dense

 Molekul berukuran kecil (garam/ion, dan gula) dapat melewati

membran UF

 Aliran permeat dapat digambarkan dengan pers. Konseny-Carmen

 Tekanan: 1 – 10 bar

.

Garam-garaman/ion, gula Partikel dan Makromolekul

Membran

Air

Membran UF (Summary):

Membran UF (Summary):

Membran Asimetris Ketebalan  150 m Ukuran pori 1 – 100 nm

Driving force Tekanan (1 – 10 bar) Prinsip

Pemisahan Mekanisme penyaringan Bahan

membran Polimer (e.g. polysulfone, polyacrylonitrile) Keramik (e.g. Zirconium oxide, aluminium oxide)

Aplikasi Industri susu (milk, whey, cheese making), industri pangan (pati, protein), klarifikasi minuman, pemisahan emulsi minyak-air, recovery electropaint, dan produk/produk samping, farmasi (enzym, antibiotik,

pyrogen), water/ wasteater treatment,

daur-ulang air, disinfeksi, penghilangan minyak, membran-bioreaktor

Nonofiltrasi (NF) Nonofiltrasi (NF)

. ^ Terletak diantara UF dan RO

 Tekanan: 10 – 35 bar

 Dapat memisahkan ion dwi- valensi (Mg²⁺ dan Ca²⁺), penghilangan kesadahan

 MWCO: > 250 Da

 Tipikal rejeksi (5 bar, 200 ppm): 60 % NaCl, 80 %, Ca(CO₃)_2, 98 % MgSO₄, Glukosa, Sukrosa

 Aplikasi:Pemisahkan gula (sumber C-eksternal),

eliminasi warna, TOC, TDS, dan kesadahan, logam berat

Ion bervalensi satu Partikel,

makromolekul, ion bivalen

Membran Air

NF (Summary):

NF (Summary):

Membran Komposit

Ketebalan Sublayer  150 m; toplayer  1 m Ukuran pori < 2 nm

Driving force Tekanan (10 – 25 bar) Prinsip

Pemisahan Solution-diffusion

Bahan membran Polyamide (interfacial polymerization) Aplikasi Desalinasi air payau, penyisihan

mikropolutan, pelunakan air, wastewater treatment, retensi pewarna (industry

tekstil)

Hiperfiltrasi/Reverse Osmosis (RO) Hiperfiltrasi/Reverse Osmosis (RO)

 Membran non-porous, hampir hanya air yang dapat melewati

membran RO

 Garam/ion dan bahan organik > 50 Da dapat dihalangi membran RO

 Tekanan: 20-60 bar, tetapi dapat juga s/d 200 bar

 Aplikasi: penanganan leachate, penghilangan logam berat, gram-

graman, dan bahan organik sintetik

.

Partikel dan

Makromolekul, ion bervalensi dua Ion bervalensi satu

Membran

Air

Reverse osmosis/Hiperfiltasi Reverse osmosis/Hiperfiltasi

(Summary):

(Summary):

Membran Asimetris atau Komposit

Ketebalan Sublayer  150 m; toplayer  1 m Ukuran pori < 2 nm

Driving force Tekanan: air payau 15 – 25 bar; air laut: 40 – 80 bar

Prinsip Pemisahan Solution-diffusion

Bahan membran Cellulose triacetate, aromatic polyamide, polyamide dan poly(ether urea) (interfacial polymerizaztion)

Aplikasi Desalinasi air payau/air laut, produksi air ultra- bersih (industri lektronik), pengkonsentrasian juice atau gula, milk penyisihan mikropolutan, wastewater treatment

Nanofiltrasi dan Reverse Osmosis Nanofiltrasi dan Reverse Osmosis

Larutan RO NF

Ion monovalen (Na,

K, Cl, NO₃^- > 90 % < 50 %

Ion bivalen (Ca, Mg,

SO₄^2-, CO₃^2- > 99 % > 90 %

Bakteri dan virus > 99 % < 99 %

Microsolute (BM >

100) > 90 % > 50 %

Microsolute (BM <

100 0 – 99 % 0 – 50 %

Skema aliran air (Jw) sebagai fungsi dari tekanan osmotik () If P <  Jw

Jw If P > 

P Jw 

0

P

BAHAN MEMBRAN BAHAN MEMBRAN

• Bahan Organik (Polimer):

– Polimer untuk Membran berpori

– Polimer untuk membran tak-berpori

• Bahan anorganik:

– Membran keramik – Membran gelas

– Membran metal (termasuk karbon) – Membran zeolit

Polimer untuk Membran Polimer untuk Membran

• Pada dasarnya semua polimer dapat digunakan sebagai bahan membran, tetapi karena

karakteristik kimia dan fisiknya sangat

bervariasi, sehingga hanya beberapa jenis polimer yang baik untuk bahan membran

• Klasifikasi:

– Polimer untuk membran berpori (MF dan UF)

– Polimer untuk membran tak-berpori (GS dan PV)

 Kedua jenis membran tersebut sangat berbeda

Untuk membran berpori:

• Pilihan polimer ditentukan oleh metode pembuatan membran (membran

manufacturing) dan

stabilitas terhadap pengaruh panas dan bahan kimia

• Jenis bahan menentukan stabilitas membran (kimia, mekanis, panas, dan

biologis), tetapi tidak menentukan rejeksi

Untuk membran tak-berpori:

• Pilihan polimer ditentukan oleh selektivitas dan fluks yang diinginkan

Sisi

Feed Sisi

Permeat

Sisi

Feed Sisi

Permeat

Membran tak-berpori Membran berpori

Karakteristik Membran Berpori:

• Pemisahan terjadi akibat perbedaan ukuran

partikel/molekul

• Ukuran pori membran relatif terhadap ukuran partikel menentukan tingkat selektivitas

• Selektivitas akan tinggi, jika ukuran partikel >

ukuran pori membran

• Contoh: MF, UF

Karakteristik Membran tak- berpori:

• Pemisahan terjadi akibat perbedaan laju kelarutan (solubility) dan/atau

perbedaan difusivitas (Diffusivity)

• Tingkat kelarutan dan difusivitas ditentukan

oleh sifat instrinsik bahan membran

• Contoh: PV, VS, GS, dialisis

• Membran ber-pori:

– Ukuran pori: MF 0,1 – 10 m; UF 2 – 100 nm – Selektivitas ditentukan oleh ukuran pori

– Jenis polimer menentukan fenomena adsopsi dan stabilitas kimia saat operasi atau pencucian

 Pemilihan bahan tidak ditentukan oleh fluks atau selektivitas, tetapi oleh pertimbangan kestabilan bahan

 Fluks dan selektivitas dapat dikendalikan dengan pengaturan ukuran pori melalui kondisi proses

pembuatan membran

! Fluks  Selektivitas atau Selektivitas  Fluks  Optimasi

• Problema utama dalam MF adan UF adalah penurunan fluks akibat polarisasi konsentrasi dan fouling

 Pemilihan bahan MF dan UF didasarkan pada kemudahan pencegahan terjadinya fouling dan bagaimana cara memulihkan

kembali kemampuan membran setelah terjadi fouling

Waktu Operasi

Fluks Fenomena

Fouling Fenomena Polarisasi

Konsentrasi

Polimer untuk MF

Polikarbonat

Poly(vinylidene-fluoride) – PVDF Poly(tetrafluoroethylene) – PTFE Polypropylene – PP

Polyamide – PA Cellulose-Esters Polysulfone – PS Poly(ether-imide)

Polyetherether ketone

Membran hidropobik:

– Tidak dapat basah oleh air secara spontan

 perlu pre-wetted (misalnya dengan ethanol)

Membran hidrofilik:

 Tendensi adsorpsi rendah

 Misalnya membran dari selulosa atau turunannya

Kelebihan dan Kekurangan Membran Anorganik

Kelebihan •Tahan terhadap panas

• Tahan terhadap bahan kimia

• Tahan lama

• Ukuran pori dapat lebih mudah dikendalikan

• Dapat dibackwashing

Kekurangan • Sifat keras dan kaku, menuntut konstruksi khusus

• Biaya investasi tinggi

• Ketahanan terhadap temperatur sering dibatasi oleh bahan pengedap pada sambungan-

sambungan modul atau sistem perpipaan

Peralatan pengujian kinerja membran (contoh) Peralatan pengujian kinerja membran (contoh)

Daur-ulang krom dari limbah cair industri penyamakan kulit Daur-ulang krom dari limbah cair industri penyamakan kulit

PENYAMAKAN Kulit Mentah

(1 ton)

Kulit jadi (200 kg)

Limbah cair:

 V = 0,8 m³ (1,5%)

 Cr = 80 mg/L (6 ton)

Pre-treatment

Sedimentasi/

membran filtrasi Asidifikasi

Air, Cr

Daur-ulang Krom

Efluen

H₂SO₄ Na₂CO₃

PENYAMAKAN Kulit Mentah

(1 ton)

Kulit jadi (200 kg)

Limbah cair:

 V = 0,8 m³ (1,5%)

 Cr = 80 mg/L (6 ton)

Pre-treatment

Sedimentasi/

membran filtrasi Asidifikasi

Air, Cr

Daur-ulang Krom

Efluen

H₂SO₄ Na₂CO₃

Daur-Ulang Sulfida dari limbah cair industri penyamakan kulit Daur-Ulang Sulfida dari limbah cair industri penyamakan kulit

Konsen Konsen --

trattrat // Pakan Pakan Filtrasi Membran

Filtrasi Membran Penyamakan

Penyamakan Kulit mentah

Kulit mentah (1 ton(1 ton

Kulit Kulit Samak Samak

(0,2 ton) (0,2 ton)

Air Air LimbahLimbah : : V = 5

V = 5 -- 8 m8 m³³ ; S = 6 kg; S = 6 kg

Daur Ulang

Konsen Konsen --

trattrat // Pakan Pakan Filtrasi Membran

Filtrasi Membran Penyamakan

Penyamakan Kulit mentah

Kulit mentah (1 ton)(1 ton

Kulit Kulit Samak Samak

(0,2 ton) (0,2 ton)

Air Air LimbahLimbah : : V = 5

V = 5 -- 8 m8 m³³ ; S = 6 kg; S = 6 kg

Daur Ulang S

Instalasi (perspektif) Instalasi (perspektif)

terimakasih