TEKNOLOGI MEMBRAN

RUDI HARTONO ,ST., MT.

TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

1

TEKNOLOGI MEMBRAN

OLEH:

RUDI HARTONO, ST., MT.

JURUSAN TEKNIK KIMIA - FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

2013


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

2

BAB I

TEKNOLOGI MEMBRAN

I.1. PROSES MEMBRAN

1.1.1. MEMBRAN [Mulder, 1999]

Membran adalah suatu lapisan penghalang yang dapat

membedakan dua tipe molekul, yang disebabkan oleh adanya

perbedaan ukuran, bentuk, dan struktur kimia. Proses

membran adalah pemisahan pada tingkat molekular atau

partikel yang sangat halus. Membran di definisikan sebagai

lapisan penghalang yang selektif antara dua fasa homogen.

Molekul atau partikel yang dipindahkan melalui membran dari satu

fasa ke fasa lain, yang disebabkan oleh adanya:

- Gradien Temperatur

- Gradien Konsentrasi

- Gradien Tekanan, dan

- Gradien Potensial listrik.

SKEMA PROSES PEMISAHAN MEMBRAN

Gambar 1.1. Proses pemisahan membran

Umpan Permeat

Membran Fasa 2 Fasa 1

Gaya Dorong

ΔP, ΔC, ΔT, ΔE


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

3

Menurut Nakao (1986)

Berdasarkan gaya dorong yang menyebabakan suatu

komponen berpindah dari fasa 1 ke fasa 2. Proses pemisahan dengan membran dibagi dalam tiga (3) kelas utama dapat dilihat pada Tabel 1.1. di bawah ini.

Tabel 1.1. Proses Pemisahan Membran berdasarkan Gaya Dorong

Kelas Pertama Gaya

Dorong

Kelas

Kedua

Gaya

Dorong

Kelas

tiga

Gaya

Dorong

Ultrafiltrasi (UF) Reverse Osmosis (RO)

P Dialisis C Elektro dialisis

E

Mulder (1996), menambah kelas keempat yaitu T (delta temperatur), dan dapat dilihat pada Tabel 1.2. di bawah ini

Tabel 1.2.Klasifikasi Proses Pemisahan dengan Membran

Beda Tekanan

Beda Konsentrasi Beda Potensial

Listrik

Beda

Temperatur

Mikrofiltrasi Pervaporasi Elektrodialisis Termal Osmosis

Ultrafiltrasi Pemisahan Gas Elektro Osmosis Distilasi Membran

RO Dialisis - -

Piezodialisis Perpindahan Molekul media Pembawa

- -

MEMBRAN SAAT INI

1. Belum bisa digunakan pada skala industri besar (Pada skala

industri kecil banyak digunakan)

2. Pemisahan dengan membran sejalan dengan perkembangan ilmu

polimer

a. Tidak bisa menahan tekanan tinggi

b. Tidak bisa menahan gaya mekanik

3. Hanya bisa digunakan pada temperatur rendah (tidak tahan

panas)

Teknologi pemisahan menggunakan membran memiliki keunggulan

dibandingkan dengan proses pemisahan konvensional lainnya.

Keuntungan yang dilmilikinya antara lain: 1) Pemisahan berdasarkan ukuran molekular sehingga beroperasi

pada temperatur rendah pemisahannya (Temperatur ambeint). Hal ini dapat menghindari kerusakan zat pelarut maupun partikel terlarut yang sensitif terhadap panas

2) Pemakaian energi yang relatif rendah 3) Tidak menggunakan zat bantu kimia dan tidak ada tambahan

produk buangan. 4) Bersifat modular artinya modul membran dapat discale-up dengan

memperbanyak unitnya.


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

4

5) Dapat digabung dengan jenis operasi lain.

BAB II

PENGGOLONGAN MEMBRAN

2.1.PENGGOLONGAN MEMBRAN

Membran dapat digolongkan berdasarkan :

1. Asal

2. Morfologi

3. Struktur dan Prinsip Pemisahan serta

4. Kerapatan Pori

2.1. 1. BERDASARKAN ASALNYA TERDAPAT DUA JENIS MEMBRAN

YAITU:

1. Membran Alamiah Terdapat dalam sel-sel mahluk hidup baik manusia maupun hewan.

2. Membran Sintetik Dibuat dari bahan: 1. Organik (Polimer) maupun 2. Inorganik

Tabel 2.1. Perbandingan Organik dan Inorganik

Organik Inorganik

Sellulosa Acetate

Sellulosa Esters

Keramik

Polyamide Metal

Polycrylonitrile Gelas

Polysulfone

Composite

Kelebihannya:

Luas Permukaan persatuan

volume tinggi

Kelebihannya:

Kuat

Kekurangannya:

Kekuatannya

Kekurangannya:

- Tdk gampang dibentuk

- Luas permukaan persatuan

volume rendah

MEMBRAN INORGANIK


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

5

Mempunyai kestabilan kimia dan termik yang jauh lebih tinggi dari polimer. Penggunaannya sebagai bahan pembentuk membran sudah

dimulai, enrichment uranium hexafluoride (235

U).

Tipe membran inorganik yang sering digunakan adalah : 1. Glass 2. Metalic 3. Zeolititic

Membran metalik

membran yang terbuat dari satu atau beberapa jenis logam

Diperoleh melalui Sintering bubuk metal (Stainless steel, tungsten, atau molybdenum).

Membran Keramik

Membran yang dibuat dari kombinasi logam dan non logam dalam bentuk oksida nitrat dan karbidanya. [Dibentuk melalui kombinasi metal (alumunium, titanium, silicium, atau zirconium) dengan non-metal (oxide, nitride atau carbide)]

Membran Glass

Membran yang dibuat dari oksida silikon atau silika. Glass dapat dikondensasikan sebagai bahan keramik, yang dibuat melalui teknik leaching pada demixed glass

Membran yang banyak dikembangkan saat ini adalah membran zeolite, karena distribusinya sangat sempit dan dapat digunakan pada proses

pemisahan gas dan pervaporasi. Kestabilan termik sangat tinggi, dan tabel berikut menunjukan titik leleh keramik

Tabel 2.2. Titik Leleh Keramik

Jenis Keramik Titik leleh (0C)

Alumina (Al2O3) 2050

Zirconia (ZrO2) 2770

Titania (TiO2) 1605

Silicon Carbide (Sic) 2500

Ketahanan terhadap temperatur tinggi menjadikan bahan tersebut dapat

digunakan pada pemisahan gas temperatur tinggi, dan dapat

dikombinasikan dengan reaksi kimia dimana membran dapat dipakai

sebagai katalis dan sebagai penyeleksi komponen yang akan dipisahkan.


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

6

Keramik adalah bahan yang keras dan rapuh dengan E tinggi

KERAMIK MIKROFILTRASI

Membran keramik digunakan karena mempunyai resistensi tinggi

terhadap pelarut organik, mudah dibersihkan, kekuatan mekanik

tinggi, dapat digunakan pada daerah pH yang lebar, siklus

pemakaian panjang, dan rasio harga terhadap performasi baik.

Sistem filtrasi dikontruksi sebagai sebuah yang dilengkapi dengan tube

keramik. Pipa keramik yang kuat dapat digunakan untuk kecepatan

cross-flow yang tinggi dan menghasilkan aliran turbulen. Aliran

turbulen ini dapat menjaga agar tidak terbentuk lapisan pengotor

dan menjamin diperolehnnya fliks permeat yang tinggi.

Pada bagian permeat diberi tekanan (back pulse interval, 1x

dalam 3 – 10 menit) sebesar 2-3 kali tekanan operasi, hal ini

dimaksudkan agar kotoran tidak membentuk lapisan fluks permeat

dapat dipertahankan.

Tabel 2.3. Keuntungan dan Kerugian membran keramik adalah

KEUNTUNGAN KERUGIAN

1. Tahan hingga T= 2800C, untuk

membran yang khusus dapat digunakan hingga 700

0C

2. Tahan Korosi, pelarut organik 3. Sesuai untuk operasi cleaning

dan steam sterilisation 4. Umur penggunaan panjang 5. Fluks tinggi 6. Inert terhadap bahan kimia, dan

banyak kegunaannya di industri kimia

1. Brittle, sehingga penanganannya harus hati-hati

2. Rasio luas permukaan terhadap volum kecil, sehingga dimensi alat menjadi besar

3. Investasi membran keramik besar

2.1.2.BERDASARKAN MORFOLOGINYA, MEMBRAN DIKELOMPOKAN

MENJADI DUA (2) JENIS YAITU:

1. Membran simetrik

2. Membran Asimetrik


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

7

Gambar 2.1. Memran Simetrik dan Asimetrik

2.1.2.1. Membran Simetrik

Membran simetrik adalah :

1. membran yang memiliki kerapatan yang sama

2. mempunyai struktur pori homogen dengan ketebalan 10

– 200 m

3. Tidak memiliki lapisan penyangga

2.1.2.2. Membran Asimetrik

Membran Asimetrik adalah :

1. Membran yang memiliki lapisan penyangga

(pendukung/Supporting Layer) karena kekuatannya

mekanismenya rendah. Lapisan penyangga (Pendukung)

memiliki ketebalan antara 50 –150 m


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

8

2. Membran yang terdiri dari dua lapisan, lapisan

permukaan yang sangat tipis dan rapat dengan

ketebalan antara 0,1 – 0,5 m

2.1.3. BERDASARKAN STRUKTUR DAN PRINSIP PEMISAHANNYA,

TERBAGI TIGA JENIS MEMBRAN

1. Membran berpori (Membrane Porous)

2. Membran tidak berpori (Membrane Non Porous)

3. Membran Cair (Carrier Membrane)

Gambar 2.2 Prinsip dan struktur pemisahan membran

2.1.3.1. Membran berpori (Membrane Porous)

Selektifitas tinggi dapat diperoleh jika partikel yang

berukuran besar dapat tertahan

Prinsip pemisahannya:

Didasarkan pada perbedaan ukuran partikel

dengan ukuran pori membran

Membran jenis ini digunakan untuk proses:

1. Mikrofiltrasi (Melewati air, Menahan mikroba)

2. Ultrafiltrasi (Melewatkan air, Menahan garam

mineral

2.1.3.2. Membran tidak berpori (Membrane Non Porous)


Didasarkan pada perbedaan kelarutan dan

kemampuan berdifusi.

Sifat intrinsik polimer membran mempengaruhi

tingkat selektifitas dan permeabilitas.

Membran jenis ini digunakan untuk proses

pemisahan

1. Gas

2. Pervaporasi

3. dan Dialisa

Membran non pori Membran cair Membran berpori


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

9

2.1.3.3. Membran Cair (Carrier Membrane)


Sangat ditentukan oleh molekul pembawa yang

spesifik tidak dari material atau morfologi .

“Molekul Pembawa”:

(i) Carrier berada tetap di dalam membran

dan

(ii) Carrier dapat bergerak jika dilarutkan

dalam cairan.

Menunjukan afinitas yang sangat spesifik

terhadap satu komponen atau suatu kelas

komponen pada umpan sehingga diperoleh

selektivitas yang tinggi.

Permselectivity komponeen sangat tergantung

pada spesifikasi bahan pembawa tersebut.

Komponen yang dapat dipisahkan dapat berupa

gas atau cair, ionik atau non ionik.

Catatan :

Carrier membran :

Ada bahan tertentu dalam membran yang bersifat sebagai zat

pembawa ( hanya menyenangi 1 komponen saja)

2.1.4. BERDASARKAN KERAPATAN UKURAN PORI DIKENAL 3 JENIS

MEMBRAN

1. Makropori : M dengan ukuran pori lebih besar dari 50 nm

2. Mesopori : M dengan ukuran pori antara 2 – 50 nm

3. Mikropori : M dengan ukuran lebih kecil dari 2 nm

Table 2.4. Size of Materials Retained, Driving Force, and Type of Membrane

Process Size of materials

retained Driving force Type of membrane

Microfiltration 0.1 - 10 µm

microparticles

Pressure difference

(0.5 - 2 bar) Porous

Ultrafiltration 1 - 100 nm

macromolecules

Pressure difference

(1 - 10 bar) Microporous

Nanofiltration 0.5 - 5 nm

molecules

Pressure difference

(10 - 70 bar) Microporous

Reverse Osmosis < 1 nm

molecules

Pressure difference

(10 - 100 bar) Nonporous

Dialysis < 1 nm

molecules Concentration difference

Nonporous or

microporous

Electrodialysis < 1 nm

molecules

Electrical potential

difference

Nonporous or

microporous

Pervaporation < 1 nm Concentration difference Nonporous

http://www.formembranes.com/Microfil.htm

http://www.formembranes.com/Ultrafil.htm

http://www.formembranes.com/Nanofilt.htm

http://www.formembranes.com/Microfil.htm


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

10

molecules

Gas Permeation < 1 nm

molecules

Partial pressure difference

(1 - 100 bar) Nonporous

Membrane

Distillation

< 1 nm

molecules Partial pressure difference Microporous

Table 2.5 Examples of Applications and Alternative Separation Processes

Process Applications Alternative Processes

Microfiltration Separation of bacteria and cells from solutions Sedimentation,

Centrifugation

Ultrafiltration Separation of proteins and virus,

concentration of oil-in-water emulsions Centrifugation

Nanofiltration Separation of dye and sugar,

water softening

Distillation,

Evaporation

Reverse Osmosis Desalination of sea and brackish water,

process water purification

Distillation,

Evaporation,

Dialysis

Dialysis Purification of blood (artificial kidney) Reverse osmosis

Electrodialysis Separation of electrolytes from nonelectrolytes Crystallization,

Precipitation

Pervaporation Dehydration of ethanol and organic solvents Distillation

Gas Permeation Hydrogen recovery from process gas streams,

dehydration and separation of air

Absorption,

Adsorption,

Condensation

Membrane Distillation Water purification and desalination Distillation

Website: http://www.formembranes.com/MembrSep.htm

http://www.formembranes.com/MembrSep.htm


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

11

BAB III

MODUL MEMBRAN

Dalam prakteknya penggunaan membran untuk pemisahan harus

ditempatkan dalam suatu alat yang sesuai sehingga membentuk

konfigurasi tertentu. Konfigurasi tersebut sering disebut dengan namanya

: Modul Membran

Modul Membran dirancang sedemikian rupa sehingga memenuhi syarat

untuk pemisahan dan aspek keteknikan lainnya dipertimbangkan.

Konfigurasi membran dalam modul membran dirancang agar:

Aliran menuju dan dari membran mencapai keadaan yang optimum

yaitu kehilangan tekanannya rendah, dapat mengurangi terjadinya

“Polarisasi Konsentrasi” dan “Membrane Fouling”

(Polarisasi Konsentrasi: Konsentrasi Zat terlarut pada permukaan

membran menjadi lebih tinggi daripada larutan.

(Fouling: Proses terdekomposisinya suspensi atau zat terlarut

pada permukaan membran(eksternal), pori atau jaringan berpori

membran. Proses ini mengakibatkan berkurangnya unjuk kerja

membran.

3.1. Konfigurasi Membran dalam Membran modul Ada dua (2) type konfigurasi membran yaitu:

1. Konfigurasi Datar (Flat) 2. dan Konfigurasi Tubular

3.1.1. Konfigurasi Datar Konfigurasi pertama yang ada di Pasaran digunakan pada :

- Plate and Frame

- Dan Modul Spiral Wound


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

12

Modul “Plate and Frame” Membran yang menyerupai alat filtrasi jenis “Plate and frame”

Gambar 2.1. Modul “Plate and Frame”

MODUL “SPIRAL WOUND”

Merupakan lembaran-lembaran yang digulung menjadi satu kesatuan

untuk membentuk modul membran. (murah untuk dikonsumsi, penggantian jenis

membran mudah (2tahun sudah diganti).

Gambar 2.2. Modul “Spiral Wound”

3.1.2. KONFIGURASI TUBULAR

Digunakan pada modul “Shell and Tube”


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

13

Berdasarkan ukuran diameter tubular membran yang dipakai, modul shell

and tube digolongkan atas 3 modul:

1. Modul Tubular

2. Modul Kapiler

3. Modul Hollow fiber

MODUL TUBULAR

- Umumnya memiliki diameter 5-25 mm, dan panjangnya 3 m

- Membran tubular adalah membran yang dibentuk pada bagian

dalam tube plasktik, keramik atau stainless steel porous dengan fungsi

sebagai penyangga.

-

Gambar 2.3. Modul “Tubular”

MODUL KAPILER

Memiliki diameter 0,5 hingga 10 mm

MODUL HOLLOW FIBER

- Memiliki ukuran lebih kecil dari 0,5 mm (Mulder, 1996)

- Atau berdiameter 0,2 – 2,0 mm dan

- Ketebalannya sekitar 200 mikron

- Untuk membentuk satu kesatuan (bundle) diperlukan ratusan

hingga ribuan fiber

BAB IV

KINERJA MEMBRAN

3.1. Kinerja membran ditentukan oleh

Dua parameter yaitu selektivitas dan laju alir melalui membran (fluk)

yang dinyatakan sebagai volum permeat per unit area perwaktu

tertentu yang dirumuskan sebagai berikut:


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

14

J = tA

V

.

Dimana :

J = fluks ( m3/m

2. jam )

V = volume permeat ( m3 )

A = luas permukaan membrane ( m2 )

t = waktu ( jam )

3.2. Permeabilitas Membran adalah

Ukuran yang menyatakan kecepatan suatu spesi untuk menembus

membran.

Parameter yang digunakan untuk menyatakan permeabilitas adalah :

Nilai fluk yang didefinisikan sebagai Jumlah volume permeat yang

melewati satu satuan luas membran dalam waktu tertentu.

3.3. Permselektivitas didefinisikan sebagai

Kemampuan suatu membran menahan suatu spesi tertentu

Permselektivitas bergantung pada interaksi antar muka dengan

spesi yang akan melewatinya, ukuran spesi dan ukuran pori

permukaan membran.

Parameter yang digunakan untuk menyatakan permselektivitas membran

adalah: Nilai Koefisien Rejeksi R yang dinyatakan dalam persamaan :

R = 1 – (Cp – Cf) x 100%

Dimana : R = Koefisien Rejeksi

Cp = Konsentrasi zat terlarut dalam permeat

Cf = Konsentrasi zat terlarut dalam umpan


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

15

BAB V

GENERASI PROSES PEMISAHAN MEMBRAN


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

16

Skema Proses Membrane dan driving forcenya


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

17

BAB VI

SISTEM DESIGN MEMBRAN


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

18


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

19


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

20

BAB VII

KARAKTERISASI MEMBRAN

Beberapa penjelasan , misalnya jenis pori berdasarkan ukuranya

menurut IUPAC sebagai berikut :

Makropori > 50 nm

Mesopori 2 nm , ukuran pori , 50 nm

Mikropori < 2 nm

Jika ukuran pori bervariasi makro dan mesopori, maka membran jenis

tersebut tidak dikarakterisasi berdasarkan sifat bahan tetapi ukuran pori

dan distribusi ukuran pori, yang umumnya ditentukan berdasarkan partikel

atau molekul yang tertahan dapat lolos melalui membrane.

Maksud dari karakterisasi membran yang utama adalah :

1. Luas permukaan membran

2. Distribusi ukuran pori

3. Porositas

4. Rejeksi

5. Fluks

6. Kestabilan terhadap temperature

7. Ketahanan terhadap pelarut dan

8. Ketahanan terhadap tekanan

Dua tipe untuk mengkarakterisasi membrane pori adalah sebagai berikut:

1. Strukture-related parameters

Menentukan ukuran pori dan distribusi ukuran pori, tebal lapisan

tipis dan porositas dipermukaan

2. Permeation-related parameters

Penentuan parameter yang pemisahan menggunakan solute yang

tertahan oleh membrane (Cut –Off measurement )


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

21

Kedua tipe di atas tidak mudah untuk dihubungkan karena ukuran pori

dan bentuknya tidak pernah terdefinisi dengan baik

Beberapa metoda yang digunakan untuk karakterisasi membrane , yaitu:

MIKROFILTRASI

Bubble point (largest pore diameter)

Pure water flux

Pore size distribution curves

ULTRAFILTRASI

Molecular weight Cut-Off (MWCO)

Pure water flux

Pore size distribution curve

Pore diameter (inorganic membrane)

NANOFILTRASI

Pure water flux

NaCl rejection atau Na2SO4 rejektion

Mixed salt rejection

Saccharide rejection

MWCO

Surface Charge

REVERSE OSMOSIS

Pure water flux

NaCl rejection

7.1. MIKROFILTRASI

Ukuran pori 0,1 – 10 mikron dan metode yang dapat digunakan adalah:

1. Scanning electron microscopy

2. Metoda bubble-point

3. Mercury intrusion porometry

4. Permeation measurements

Tiga metode yang pertama untuk pengukuran morfologi atau struktur,

sedangkan yang terakhir adalah metode permeation.


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

22

ELEKTRON MIKROSCOPY (EM)

Dua macam teknik yang dapat digunakan, yaitu Scanning electron

microscopy (SEM) dan Transmission electron microscopy (TEM).

SEM adalah :

Metode yang paling sederhana dan dapat mendeteksi struktur pori

membran .

Pori membrane mikrofiltrasi berkisar antara 0,1-10 mikron dan

resolusi SEM 0,01 mikron (10 nm).

Sample dilapisi oleh lapisan yang bersifat konduktif, missal lapisan

tipis emas dan terhadap sample tersebut dipancarkan berkas

electron (1-25 kV) dan berkas yang dipantulkan dari sample

ditangkap oleh detector dan diproses selanjutnya dan dapat dilihat

dalam bentuk gambar.

ATOMIC FORCE MICROSCOPY (AFM)

Adalah metoda untuk menentukan struktur permukaan membrane


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

23


TEKNOLOGI MEMBRAN

FT.UNTIRTA CILEGON

24

TEKNOLOGI MEMBRAN

Documents

Transcript of TEKNOLOGI MEMBRAN