2. Teknologi membran untuk aplikasi BRM

July 22, 2010 at 5:21 pm (Uncategorized)

2.1 Membran dan proses pemisahan dengan membran

Membran yang dipakai untuk pengolahan air dan limbah cair secara sederhana didefenisikan sebagai  material yang bisa dilalui oleh hanya material tertentu dan menghalangi/menghambat material lainnya. Sifat ini sering disebut, perm-selektif atau semi permeabel. Tingginya selektifitas ditentukan oleh pori: ukuran dan distribusinya. Berdasarkan ukuran porinya, membran secara umum diklasifikasikan menjadi mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nano filtrasi dan reverse osmosis. Ilustrasi mengenai perbedaan membran-membran tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Tipe-tipe membran berdasarkan ukuran porinya

Dari bermacam jenis membran diatas, yang dipakai pada BRM adalah ultra- dan mikrofiltrasi. Ukuran pori ultrafiltrasi biasanya dalam satuan dalton (Da), sedangkan mikrofiltrasi dalam satuan mikron (µm). Membran dengan ukuran pori 1µm artinya, sebuah membran yang dapat menahan partikulat dengan ukuran 1µm dengan efisiensi 90%.

Dalam aplikasinya, proses pemisahan dengan membran dipicu oleh perbedaan tekanan antara aliran umpan dan aliran produk (permeat). Ilustrasi mengenai aplikasi proses pemisahan ditunjukkan pada Gambar 2.2.

2.2 Proses filtrasi dengan membran

Tertahannya partikel/zat terlarut pada aliran sisa (retentat) cenderung terkumpul/terakumulasi pada permukaan membran, mengakibatkan berbagai fenomena yang ujung-ujungnya mengurangi laju alir permeat (fluk) untuk sistem dengan tekanan tetap atau menyebabkan kenaikan tekanan untuk sistem dengan fluk tetap. Fenomena ini secara umum disebut penyumbatan (fouling). Mengingan fouling merupakan hambatan utama proses pemisahan dengan membran, maka tidak mengherankan jika fouling menjadi topik utama penelitian dan pengembangan. Fouling dapat terjadi melalui mekanisme fisiokimia dan biologi yang kesemuanya berhubungan dengan meningkatnya deposisi material padatan pada permukaan membran dan pada struktur (di dalam pori) membran.

2.2 Material membran

Pada umumnya material membran yang digunakan untuk BRM adalam berbagai macam polimer, hanya sedikit yang dari keramik. Intinya harus secara mekanik kuat dan tahan terhadap temperatur dan pH operasi, serta  zat kimia atau oksidan tertentu yang digunakan untuk pencucian membran. Biasanya membran yang baik memiliki porositas permukaan yang tinggi (fraksi pori/luas permukaan) dan distribusi ukuran pori yang seragam sehingga dicapai pemisahan dengan keluaran dan selektifitas yang tinggi.  Hanya beberapa polimer yang umum digunakan sebagai material pembuatan membran untuk aplikasi BRM, yaitu:

• Polyvinylidene difluoride (PVDF)
• Polyethylsulfine/polysulfone (PES/PSF)
• Polyethylene (PE)
• Polypropylene (PP)

Polimer-polimer diatas dapat dibentuk menjadi membarn dengan struktur tertentu dan resistensi memadai. Selain menggunakan bahan dasar tersebut, biasanya ditambahkan bahan aditif lain untuk meningkatkan sifat permukaan membran.

2.3 Konfigurasi membran

Konfigurasi membran menyangkut bagaimana membran diatur sedemikian sehingga dapat digunakan untuk proses pemisahan. Satu unit konfigurasi ini biasanya disebut modul. Unit terkecil membran yang menusun modul disebut elemen. Kumpulan modul yang tersusun dalam satu kelompok disebut train. Pengaturan ini biasanya didesain untuk memenuhi kriteria berikut:

• area/volume yang tinggi
• Tingkat turbulensi tinggi
• energy/volume produk rendah
• biaya/area rendah
• desain yang memfasilitasi proses pencucian
• desain yang memungkinkan modularisasi.

Seuruh desain membran memungkinkan terjadinya modularisasi. Artinya, satu unit operasi tersusun atas beberapa atau banyak modul. Jika kapastiasnya ingin diperbesar cukup dengan menambahkan modul baru. Jika terjadi kerusakan membran, cukup hanya dengan mengganti modul yang rusak. Sampai saat ini hanya 3 konfigurasi membran yang digunakan di BRM, yaitu: flat sheet, hollow fibre dan multi tubular. Ilustrasi dari ketiga konfigurasi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.3 a,b dan c.

2.3a Membran konfigurasi flat sheet (Kubota)

2.3b Membran konfigurasi hollow fiber (Hanibrane)

Gambar 2.3c Membran dengan konfigurasi tubular

2.4 Proses operasi

Flux, permeabilitas dan resistan

Beberapa istilah yang digunakan untuk mengkuantifikasi an mendesain proses pemisahan dengan membran sebagai berikut:

• fluk (J)
• permeabilitas (L)
• resitan (R)

Fluk didefenisikan sebagai laju alir volumetrik permeate:

J = V/At

Dimana V adalah volume permeat (liter), A adalah luas permukaan membran (m2) dan t adalah waktu filtrasi (jam).

Permeabilitas merupakan sifat intrinsik membran dan didefenisikan sebagai:

L=v/AP

dimana v adalah laju alir volumetrik permeat (liter/jam), A adalah luas permukaan membran (m2) dan P adalah tekanan (Bar). Jadi satuan permeabilitas adalah liter/m2/jam/bar atau disingkat LMH/bar (liter per square meter per hour per bar).

Sedangkan resistan adalah 1/L. Perlu diingat bahwa ketika proses filtrasi berlangsung, terjadi penurunan flux atau peningkatan tekanan. Dengan demikian resistan filtrasi selalu berubah. Pada awal filtrasi sebelum terjadinya fouling merupakan resistan intrinsik membran sedangkan penambahan resistan terjadi akibat fouling, atau resistan fouling.

Dead-end vs Cross flow

Pemisahan dapat dijalankan dengan dua proses, dead-end dan cross flow seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2. Pada konfigurasi dead-end tidak terdapat retenta sedangkan jika terdapat retentat disebut cross flow. Jadi pada konfigurasi cross flow terdapat sebagian feed yang tidak menjadi permeat. rasio antara permeat dan feed diresut recovery atau perolehan (p).

p=Permeat/Feed

Filtrasi selalu berimplikasi leningkatnya resistan. Pada kasus dead-end , resistan meningkat menurut ketebalan lapisa fouling yang terbentuk pada permukaan membran yang umumnya dianggap proporsional terhadap volume permeat. Sedangkan untuk proses cross-flow, deposisi terjadi sampai pada saat terjadi kesetimbangan dimana penambahan sumbatan sama dengan laju perusakannya akibat aliran feed yang melewati permukaan membran.

Pencucian fisik dan kimia

Akibat terjadinya penyumbatan pada suatu titik, harus dilakukan pencucian membran. Pencucian membran dapat dilakukan secara fisik dan kimia. Pencucian secara fisik umumnya dilakukan dengan pompa-balik (back flush), relaksasi. Pemprot-balik dilakukan dengan membalik arah pompa sehingga sebagain permeat dikembalikan ke feed, sedangkan relaksasi dilakukan dengan menghentikan sementara pemompaan. Kedua teknik ini dapat dipakai baik secara terpisah maupun terpadu. Back-flush dapat padukan dengan udara. Sedangkan pencucian secara kimia biasanya menggunakan asam, basa, oksidan kuat atau kombinasinya.

Pencucian fisik biasanya lebih cepat  (kurang dari dua menit). Biasanya tanpa tambahan maupun limbah senyawa kimia serta baik untuk membran dalam jangka panjang.  Tapi tentu saja kurang efektif dibanding pencucian kimia. Pencucian fisik hanya membersihkan foulan yang menempel secara lemah (reversible fouling). Sementara pencucian kimia biasanya digunakan untuk menghilangkan foulan yang menempel secara kuat (irreversible fouling). Namun demikian selalu akan ada foulan yang secara permanen menempel dan tidak dapat dicuci baik secara fisik maupun kimia. Faulan ini biasanya disebut irrecoverable fouling. Irrecoverable fouling ini akan terus menerus bertambah dan pada akhirnya menentukan usia membran.

Fluk operasi merupakan parameter yang paling menentukan fouling, jangka waktu antara back-flush atau relaksasi. ————–

———- (Bersambung)

Polarisasi konsentrasi

Pengendalian fouling

Fluk kritis