bab 2.docx

BAB II TINJAUAN PUSTAKA II.1 Dasar Pustaka II.1.1 Pengertian Teknologi Membran Membran ialah sebuah penghalang selektif antara dua fasa. Membran memiliki ketebalan yang berbeda-beda, ada yang tebal dan ada juga yang tipis, serta ada yang homogen dan ada juga yang heterogen. Ditinjau dari bahannya membran terdiri dari bahan alami dan bahan sintetis. Bahan alami adalah bahan yang berasal dari alam misalnya pulp dan kapas, sedangkan bahan sintetis dibuat dari bahan kimia, misalnya polimer. Membran berfungsi memisahkan material berdasarkan ukuran dan bentuk molekul, menahan komponen dari umpan yang mempunyai ukuran lebih besar dari pori-pori membran dan melewatkan komponen yang mempunyai ukuran yang lebih kecil. Larutan yang mengandung komponen yang tertahan disebut konsentrat dan larutan yang mengalir disebut permeat. Filtrasi dengan menggunakan membran selain berfungsi sebagi sarana pemisahan juga berfungsi sebagai sarana pemekatan dan pemurnian dari suatu larutan yang dilewatkan pada membran tersebut (Firdaus, 2012). Teknologi membran merupakan istilah generik untuk berbagai jenis proses pemisahan yang menggunakan membran sebagai medium pemisah. Teknologi membran telah menjadi teknologi pemisahan yang unggul selama beberapa dekade terakhir ini. Kekuatan utama teknologi membran adalah fakta bahwa teknologi tersebut bekerja tanpa penambahan bahan kimia, penggunaan energi yang relatif rendah, serta kemudahan pengaturan dan pelaksanaan proses. Karena keunggulan itulah, maka proses pemisahan menggunakan membran menjadi lebih kompetitif dibandingkan proses konvensional. Penelitian membran untuk proses osmosis sudah diteliti sejak tahun 1748, dan secara komersial sudah dimanufaktur oleh Sartorius di Jerman sejak akhir Perang Dunia I, walaupun baru digunakan untuk keperluan laboratorium. Saat ini, membran sudah diaplikasikan untuk proses mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF), reverse osmosis (RO), elektrodialisis, pemisahan gas, pervaporation, membrane distillation, serta membrane contactor, dan digunakan pada proses berikut ini antara lain pengolahan air limbah, pengolahan air proses, hemodialisis/cuci darah, dan pembuatan bir (Himatek, 2010). Menurut Firdaus (2012), beberapa keunggulan teknologi membran:  Pemisahan dapat dilakukan secara continue  Konsumsi energi umumnya relatif rendah  Proses membran dapat dengan mudah digabungkan dengan proses pemisahan lainnya (hybrid processing)  Pemisahan dapat dilakukan dengan kondisi operasi yang dapat diatur  Mudah dalam scale-up  Tidak memerlukan bahan tambahan  Pemakaiannya mudah diadaptasikan karena material penyusun membran bervariasi Menurut Firdaus (2012), kekurangan teknologi ini antara lain adalah fluks dan selektivitas, karena pada proses pemisahan menggunakan membran umumnya fenomena II-1

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

yang terjadi adalah fluks berbanding terbalik dengan selektivitas. Semakin tinggi fluks sering kali berakibat menurunnya selektivitas, dan sebaliknya. Sedangkan yang diinginkan dalam proses pemisahan berbasis membran adalah mempertinggi fluks dan selektivitas. Faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja membran antara lain: 1. Ukuran molekul 2. Bentuk molekul 3. Bahan membran 4. Karakteristik larutan 5. Parameter operasional (tekanan, suhu, konsentrasi, pH, ion strength, dan polarisasi) Teknologi membran dalam pengolahan air dan limbah merupakan proses pemisahan secara fisika yang memisahkan komponen yang lebih besar dari yang lebih kecil. Berbagai jenis proses membran dikategorikan berdasarkan driving force, jenis dan konfigurasi membran dan kemampuan penyisihannya. Proses membran dipergunakan dalam sistem pengolahan air minum dan air buangan seperti dalam proses desalinasi, pelunakan, penyisihan bahan organik, penyisihan warna, partikel dan lain-lain. Proses membran telah ada sejak 25 tahun yang lalu dan saat ini proses tersebut telah mengalami perkembangan yang pesat. Proses membran dapat diklasifikasikan berdasarkan driving force untuk menyokong proses pengolahan air. Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam penggunaan teknologi membran adalah tekanan, daya listrik, suhu, gradien konsentrasi, kombinasi lebih dari satu driving force. Proses membran dengan menggunakan tekanan dan tenaga listrik hanya tersedia secara komersial dan telah umum dipergunakan untuk proses pengolahan air minum dan buangan. Proses membran yang paling umum adalah proses yang dijalankan dengan tekanan, dimana tekanan di dalam dan di luar membran berbeda (Firdaus, 2012). Menurut Deniva (2004), terapan teknologi membran ini untuk dapat menghasilkan air bersih dengan syarat kualitas air minum. Air baku dimasukkan ke bejana yang berisi membran semipermeabel, dengan memberikan tekanan. Ini merupakan proses fisis yang memisahkan zat terlarut dari pelarutnya. Membran hanya dilalui pelarut, sedangkan terlarutnya, baik elektrolit maupun organik, akan ditolak (rejeksi), juga praktis untuk menghilangkan zat organik. Kontaminan lainnya seperti koloid akan tertahan oleh struktur pori yang berfungsi sebagai penyaring (sieve) molekul BM nominal. Membran yang dipakai untuk ultrafiltrasi mempunyai struktur membran berpori dan asimetrik. Keunggulan membran dibandingkan dengan pengolahan secara konvensional dalam pengolahan air minum antara lain memerlukan energi yang lebih rendah untuk operasi dan pemeliharaan, desain dan konstruksi untuk sistem dengan skala kecil, peralatannya modular sehingga mudah di-scale up dan tidak butuh kondisi ekstrim (temperatur dan pH). Walaupun demikian, membran mempunyai keterbatasan seperti terjadinya fenomena polarisasi konsentrasi, fouling, yang menjadi pembatas bagi volume air terolah yang dihasilkan dan juga keterbatasan umur membran. Pemisahan dengan membran dilakukan dengan mengalirkan feed ke dalam membran kemudian akan terpisah sesuai driving force yang digunakan. Proses pemisahan dengan membran menghasilkan dua aliran yaitu permeate dan retentate. Permeate merupakan hasil pemisahan yang diinginkan sedangkan retentate merupakan hasil sisa (Agustin, 2011). LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA DIII TEKNIK KIMIA FTI-ITS SURABAYA

I-2


Feed

Driving Force

Retentate

Permeate Gambar II.1 Skema Pemisahan menggunakan Membran Prinsip proses pemisahan dengan membran adalah pemanfaatan sifat membran, di mana dalam kondisi yang identik, jenis molekul tertentu akan berpindah dari satu fasa fluida ke fasa lainnya di sisi lain membran dalam kecepatan yang berbeda-beda, sehingga membran bertindak sebagai filter yang sangat spesifik, di mana satu jenis molekul akan mengalir melalui membran, sedangkan jenis molekul yang berbeda akan “tertangkap” oleh membran. Driving force yang memungkinkan molekul untuk menembus membran antara lain adanya perbedaan suhu, tekanan atau konsentrasi fluida. Driving force ini dapat dipicu antara lain dengan penerapan tekanan tinggi, atau pemberian tegangan listrik. Terdapat dua faktor yang menentukan efektivitas proses filtrasi dengan membran : faktor selektivitas dan faktor produktivitas. Selektivitas adalah keberhasilan pemisahan komponen, dinyatakan dalam parameter Retention (untuk sistem larutan), atau faktor pemisahan α (untuk sistem senyawa organic cair atau campuran gas). Produktivitas didefinisikan sebagai volume/massa yang mengalir melalui membran per satuan luas membran dan waktu, dan dinyatakan dalam parameter flux, dan nilai selektivitas dan produktivitas sangat bergantung pada jenis membran (Himatek, 2010). Menurut Himatek (2010), Proses pemisahan membran dapat diilustrasikan sebagai berikut :

Gambar II.2 Proses pemisahan membran II.1.2 Klasifikasi Membran Menurut Geankoplis (1993), dahulu membran dibatasi penggunaannya karena selektivitas yang rendah dalam memisahkan dua gas dan flux permeasi yang cukup rendah. Masalah flux rendah ini disebabkan fakta mengenai membran yang digunakan harus relatif tebal (1 mil atau 1/1000 dari satu inch bahkan lebih besar) untuk menghindari lubanglubang kecil yang memperlambat pemisahan dengan membiarkan aliran viskos atau Knudsen dari umpan. Perkembangan polimer silikon (ketebalan 1 mil) meningkatkan permeabilitas dengan faktor 10 hingga 20 atau lainnya. LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA DIII TEKNIK KIMIA FTI-ITS SURABAYA

I-3


Beberapa membran asimetris terbaru mencakup kulit tipis namun lembap pada salah satu sisi membran didukung oleh substruktur berpori (R1). Kulit yang lembap memiliki ketebalan sekitar 1000 Å dan ketebalan pori pendukung berkisar antara 25—100 μm. Peningkatan flux pada membran ini seribu kali lebih tinggi daripada membran dengan ketebalan awal 1 mil. Beberapa material khusus dari membran saat ini adalah komposit dari polisulfon yang dilapisi karet silikon, selulosa asetat, dan silikon-polikarbonat kopolimer pada pori pendukung. Menurut Geankoplis (1993), Klasifikasi proses membran terdiri atas enam macam, antara lain: 1. Difusi gas dalam padatan berpori Pada jenis ini, suatu fase gas hadir pada kedua sisi membran, yang merupakan padatan dengan pori mikroskopis. Laju difusi molekuler dari berbagai molekul gas bergantung pada ukuran pori dan berat molekul. 2. Permeasi gas pada suatu membran Membran pada proses ini biasanya merupakan polimer seperti karet, poliamida, dan lainnya, dan bukan merupakan padatan berpori. Gas solut awalnya larut dalam membran dan kemudian berdifusi dalam padatan menuju fase gas lainnya. Contohnya, hidrogen berdifusi melalui polimer fluorokarbon. Pemisahan suatu campuran gas terjadi ketika setiap jenis molekul berdifusi pada berbagai rate melalui membran. 3. Permeasi cairan atau dialysis Pada kasus ini, solut berukuran kecil dalam satu fase cair siap berdifusi akibat perbedaan konsentrasi melalui membran berpori menuju fase cair kedua (atau fase uap). Molekul yang berukuran besar cenderung lebih susah melewati mebran ini. Proses membran ini telah diaplikasikan dalam proses pemisahan senyawa seperti pemisahan H2SO4 dari nikel dan tembaga sulfat dalam larutan, proses makanan, dan ginjal buatan. Dalam elektrodialisis, pemisahan ion terjadi dengan mengimposi suatu beda EMF terhadap membran. 4. Osmosis balik Suatu membran, yang mengimpedansi aliran solut dengan berat molekul rendah, ditempatkan di antara suatu larutan solut-solvent dan suatu solvent murni. Solvent berdifusi ke dalam larutan dengan cara osmosis. Pada osmosis balik, beda tekanan balik diimposikan sehingga menyebabkan aliran solvent berbalik seperti yang terjadi pada desalinasi air laut. Proses ini juga digunakan untuk memisahkan solut dengan berat molekul rendah lainnya, seperti garam, gula, dan asam sederhana dari suatu solvent. 5. Proses membran ultrafiltrasi Pada proses ini, tekanan digunakan untuk mencapai suatu pemisahan molekul dengan membran polimeris semipermeabel (M2). Membran memisahkan berdasarkan ukuran, bentuk atau struktur kimia molekul dan memisahkan solut yang memiliki berat molekul relatif tinggi seperti protein, polimer, material koloid seperti mineral, dan lain sebagainya. Tekanan osmotik biasanya diabaikan karena tingginya berat molekul. 6. Kromatografi permeasi gel LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA DIII TEKNIK KIMIA FTI-ITS SURABAYA

I-4


Gel berpori menghalangi difusi dari solut dengan berat molekul tinggi. Driving force adalah konsentrasi zat. Proses ini cukup berguna pada analisis larutan kimia kompleks dan pemurnian dari komponen yang terspesialisasi dan berharga. II.1.3 Gas Permeasi Menurut Geankoplis (1993), pola aliran ideal pada separator membran untuk gas ada tiga antara lain: 1. Jenis aliran dan gradien difusi Pada proses membran, umpan gas bertekanan tinggi disediakan pada salah satu sisi membran dan terserap normal pada membran. Permeat keluar pada suatu arah normal menuju membran, terakumulasi pada sisi bertekanan rendah. Karena koefisien difusi yang sangat tinggi pada gas, membran konsentrasi pada fase gas dengan arah normal menuju permukaan membran cukup kecil. Sehingga, hambatan film gas yang dibandingkan dengan hambatan pada membran dapat diabaikan. Hal ini menandakan bahwa konsentrasi pada fase gas dengan arah membran luar menuju membran biasanya seragam atau bila tidak aliran gas adalah membran menuju permukaan atau bahkan tidak mengalir. Bila gas mengalir secara membran menuju membran yang biasanya adalah plug flow, suatu membran konsentrasi terjadi pada arah ini. Sehingga, beberapa kasus dapat terjadi pada operasi modul membran. Sisi permeat pada membran dapat dioperasikan sehingga fase bercampur sempurna (konsentrasi seragam) atau di mana fasenya adalah plug flow. Sisi umpan bertekanan tinggi dapat juga tercampur sempurna atau dalam plug flow. Aliran countercurrent atau membran dapat digunakan ketika kedua sisi berada pada plug flow. Sehingga, model teoritis terpisah harus diturunkan untuk beberapa jenis operasi yang berbeda. 2. Asumsi yang digunakan dan pola aliran ideal Dalam menurunkan model teori untuk pemisahan gas dengan membrane, kondisi membran dan pressure drop yang diabaikan pada arus umpan dan arus permeat umumnya diasumsikan. Hal ini juga diasumsikan bahwa pengaruh tekanan total dan atau komposisi gas diabaikan dan permeabilitas setiap komponen adalah konstan (contohnya, membran interaksi antara komponen yang berbeda). Menurut Geankoplis (1993), karena terdapat sejumlah pola aliran yang ideal, jenis penting dirangkum dalam Gambar II.3. Pada Gambar II.3.a, pencampuran sempurna diasumsikan untuk ruang umpan dan ruang permeat. Serupa dengan membran berpengaduk kontinyu, residu dan produk komposisi permeat setara dengan komposisi seragam dalam ruang secara berurutan.

LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA DIII TEKNIK KIMIA FTI-ITS SURABAYA

I-5


Gambar II.3 Pola aliran ideal pada separator membran untuk gas: (a) pencampuran sempurna (complete mixing), (b) crossflow, (c) aliran countercurrent, (d) aliran concurrent Suatu pola crossflow ideal ditunjukkan dengan Gambar II.3.b., di mana arus umpan pada plug flow dan aliran permeat pada arah normal menjauhi membran tanpa pengadukan. Karena komposisi umpan beragam seiring dengan jejak alirannya, konsentrasi lokal permeatnya juga beragam seiring dengan jejak membran. Pada Gambar II.3.c, baik arus umpan dan arus permeat yang berada pada plug flow mengalir secara countercurrent satu sama lain. Komposisi untuk setiap arus beragam sesuai dengan jejak alirannya. Aliran cocurrent dari arus umpan dan permeat ditunjukkan dengan Gambar II.3.d Menurut Agustin (2011), berdasarkan ukuran pori, membran dapat dibedakan dibagi menjadi 2 yaitu: 1. Membran berpori (porous membrane) Prinsip pemisahan membran berpori didasarkan pada perbedaan ukuran partikel dengan ukuran pori membran. Membran jenis ini biasanya digunakan untuk proses mikrofiltrasi (melewatkan air, menahan mikroba) dan ultrafiltrasi (melewatkan air menahan garam mineral). 2. Membran non pori (non-porous membrane) Prinsip pemisahannya didasarkan pada perbedaan kelarutan dan kemampuan berdifusi. Membran dengan jenis ini digunakan untuk proses permeasi gas, pervaporasi dan dialisis. Sedangkan berdasarkan strukturnya, membran dapat dibedakan menjadi membran simetrik dan membran asimetrik.

Gambar II.4 Membran (a) simetrik dan (b) asimetrik II.1.4 Teknik Pembuatan Membran Menurut Pascalia (2012), berbagai material dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan membran, baik material inorganik seperti keramik, gelas, logam, maupun organik seperti polimer. Proses pembuatan membran bertujuan untuk memodifikasi bahan baku tersebut hingga terbentuk struktur membran dengn morfologi yang dibutuhkan untuk proses pemisahan. Biasanya material membatasi teknik yang dapat digunakan, morfologi yang dihasilkan serta prinsip pemisahan yang diterapkan. Singkatnya, tidak semua jenis membran dapat dibuat dari setiap materail yang tersedia. 1. Sintering Sintering, merupakan teknik sederhana untuk pembuatan membran berpori LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA DIII TEKNIK KIMIA FTI-ITS SURABAYA

I-6


2.

3.

4.

5.

6.

dari material organik seperti polimer (polietilen, politetrafloroetilen, polipropilen) maupun inorganik seperti logam (stanles, tungsen), keramik (alumunium oksida, zirkonium oksida) grapit (karbon) dan delas (silika). Teknik ini melibatkan pengompresan powder berupa partikel dengan ukuran tertentu yang dipanaskan pada temperatur tertentu. Akibat pemanasan, sisi yang bersentuhan (interfaces) menyatu membentuk struktur berongga. Ukuran pori dari membran yang dihasilkan tergantung pada ukuran partikel powder dan distribusi ukuran partikelnya. Semakin seragam ukuran partikel, semakin seragam pori yang diperoleh. Teknik ini umumnya menghasilkan rentang pori 0.1-10 µm. Teknik ini sangat sesuai untuk pembuatan membran dari politetrafloroetilen karena polimer ini tidak bisa larut dan sangat stabil terhadap perlakuan kimia dan termal. Hanya membran jenis mikrofiltrasi yang bisa dibuat dengan teknik ini. Stretching Film atau foil yang terbuat dari semi-crystalline polymeric material (polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene) yang ditarik tegak lurus ke arah bidang tekan. Pori yang dihasilkan berukuran 0.1-3 µm. Porositasnya lebih besar daripada membran dari proses sintering. Track-etching Film atau doil (biasanya polycarbonate) dikenai energi radiasi partikel yang tinggi ke arah tegal lurus dari film. Partikel tersebut kemudian membentuk sebuah lintasan pada polimer. Kemudian film tersebut direndam dalam bak asam atau alkali dan material polimer ditarik sepanjang lintasan sehingga membentuk poripori berbentuk silinder yang seragam. Pori yang dihasilkan berukuran 0.02-10 µm. Template Leaching Melakukan leaching salah satu komponen dari sebuah film. Lelehan homogen dari sistem 3 komponen (Na2O-B2O3-SiO2) didinginkan untuk memisahkannya ke dalam 2 fase. Fase yang pertama sebagian besar terdiri dari SiO2 yang tidak larut. Fase ke-2 yang larut dilepaskan dengan menggunakan larutan asam atau basa dan terbentuk diameter pori dengan ukuran minimal 0.005 µm. Coating Membran yang tebal akan menurunkan fluks. Maka perlu dibuat membran setipis mungkin agar fluks yang diperoleh lebih besar. Hal ini dapat dicapai dengan membran komposit. Membran komposit terdiri dari 2 material yang berbeda, dengan sebuah membran yang sangat selektif diletakkan sebagai lapisan tipis di atas sebuah sublayer yang lebih atau kurang berpori. Selektivitas aktual ditentukan dari lapisan tipis bagian atas, dan lapisan bawah sebagai support. Phase Inversion Inversi fasa merupakan proses dimana sebuah polimer dirubah secara terkendali dari fasa cair ke fasa padat. Proses pemadatan sering kali dimulai/diinisiasi melalui transisi dari satu keadaan cair menjadi dua (pemisahan cair-cair). Pada titik tertentu selama proses pemisahan, salah satu fasa cair tersebut (konsentrasi polimer yang lebih tinggi) akan memadat sehingga matrik padat akan terbentuk. Dengan mengendalikan tahap awal transisi fasa, morfologi membran dapat di atur, seperti berpori atau tidak berpori. Konsep inversi fasa meliputi


I-7


beberapa teknik berbeda seperti, penguapan pelarut (solvent evaporation), presipitasi dengan penguapan terkendali, presipitasi panas, presipitasi dari fasa uap dan presipitasi dengan perendaman. II.1.5 Kinerja Membran Menurut Deniva (2004), beberapa parameter utama dalam proses pemisahan menggunakan membran yaitu permeabilitas dan permselektivitas. a. Permeabilitas Permeabilitas suatu membran merupakan ukuran kecepatan dari suatu spesi atau konstituen menembus membran. Secara kuantitas, permeabilitas membran sering dinyatakan sebagai fluks atau koefisien permeabilitas. Definisi dari fluks adalah jumlah volume permeat yang melewati satuan luas membran dalam waktu tertentu dengan adanya gaya dorong dalam hal ini berupa tekanan. Secara sistematis fluks dirumuskan sebagai

J=

V A. t

.......................................................(1)

dimana : J = Fluks (l/m2.jam) V = Volume permeat (ml) A = Luas permukaan membran (m2) t = Waktu (jam) Laju fluks akan menurun sejalan dengan waktu akibat adanya polarisasi konsentrasi, fouling dan scaling. Secara berkala dilakukan pencucian dengan air, ataupun dengan zat kimia (chemical washing) seperti misalnya dengan NaOH, Na acetat atau asam sitrat untuk mengatasi fouling yang terjadi. b. Permselektivitas Permselektivitas suatu membran merupakan ukuran kemampuan suatu membran untuk menahan suatu spesi atau melewatkan suatu spesi tertentu. Parameter yang digunakan untuk menggambarkan permselektivitas membran adalah koefisien rejeksi (R). Koefisien rejeksi adalah fraksi konsentrasi zat terlarut yang tidak menembus membran, dan dirumuskan sebagai: Cp ................................................(2) R = 1x 100 % Cf

dimana: R = Koefisien rejeksi (%) Cp = Konsentrasi zat terlarut dalam permeat Cf = Konsentrasi zat terlarut dalam umpan Persamaan teoritis Pemisahan gas menggunakan membran Menurut Seader & Henley (2006), menyatakan bahwa pemisahan suatu campuran gas menggunakan membran dapat dimodelkan berdasarkan profil konsentrasi dan tekanan parsialnya.


I-8


(a)

(b)

Gambar II.5 Profil konsentrasi dan tekanan parsial untuk transpor campuran gas melalui membran berpori (kiri) dan membran tak berpori (kanan) Gambar II.5 menunjukkan jenis profil solut untuk campuran gas dengan membran berpori dan tak berpori secara berurutan, termasuk efek dari hambatan perpindahan massa oleh lapisan atau film batas eksternal fluida. Tabel II.1 Faktor-faktor yang mempengaruhi Permeabilitas Solut dalam Polimer-Padat Factor Value favoring high permaebility Polymer density Low Degree of crystallinity Low Degree of cross-linking Low Degree of vulcanization Low Amount of plasticizers High Amount of fillers Low Chemical affinity of solute for polymer High (Seader & Henley, 2006). Tabel II.2 Koefisien untuk Permeasi Gas pada Polimer Gas Species H2 Low-Density Polyethylene :

O2

N2

CO

CO2

CH4

D x 106 H x 106 PM x 1013

0,46 0,472 2,2

0,32 0,228 0,73

0,332 0,336 1,1

0,372 2,54 9,5

0,193 1,13 2,2

0,474 1,58 7,4

Polyethylmethacrylate :


I-9


D x 106 H x 106 PM x 1013

-

0,106 0,839 0,889

0,0301 0,565 0,170

-

0,0336 11,3 3,79

-

0,5 0,26 1,3

0,012 0,29 0,034

0,0038 0,23 0,0089

-

0,0025 4,7 0,12

0,0013 1,7 0,021

1,52 0,355 5,43

0,081 1,20 0,977

0,045 0,543 0,243

-

0.0578 6,71 3,89

-

Polyvinylchloride : D x 106 H x 106 PM x 1013 Butyl Rubber : D x 106 H x 106 PM x 1013

Menurut Seader & Henley (2006), untuk membran berpori, profil tekanan parsial kontinyu. Pada membran non-pori, profil konsentrasi ditunjukkan dengan membran di mana solut terserap ke dalam membran tersebut. Hukum Fick yang berlaku pada membran tak berpori adalah: Ni =

Di Im

(Cio -CiL )

.............................................. (3)

di mana Di merupakan difusivitas solut dalam material membran. Formula ini berlaku untuk transpor melalui membran. Mengasumsikan kesetimbangan termodinamika yang terdapat pada antarmuka membran dua-fluida, konsentrasi pada hukum Fick dapat dihubungkan dengan tekanan parsial yang berdekatan dengan muka membran berdasarkan hukum Henry, yang merupakan hubungan linear yang paling umum ditulis untuk aplikasi membran sebagai: Cio Hio = .....................................................(4) Pio dan

H iL 

c iL p iL

.............................................(5)

Bila Hi diasumsikan terlepas dari tekanan total dan temperatur pada kedua muka membran adalah sama:

H i0  H iL  H i

.....................................................(6)

Mengombinasikan persamaan (1), (2), dan (3), maka flux adalah: HD N i  i i p i0  p iL  lM .......................................................(7) LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA DIII TEKNIK KIMIA FTI-ITS SURABAYA

I-10


Bila hambatan eksternal transfer massa diabaikan, piF =pi0 dan piL=piP, sehingga

Ni 

P H i Di p iF  p iL   Mi p iF  p iL  lM lM ....................................(8)

dimana: PM i  H i D i

....................................................(9)

Maka, permeabilitas bergantung pada solubilitas komponen gas pada membran serta difusivitas komponen tersebut pada material membran. Rate transpor yang dapat diterima melalui membran dapat dicapai hanya dengan menggunakan membran yang sangat tipis dan tekanan tinggi pada sisi umpan. Permeabilitas komponen gas pada membran polimer merupakan subyek terhadap faktor-faktor yang tertera pada Tabel II.2. Gas ringan tidak berinteraksi dengan polimer atau menyebabkannya mengembang. Sehingga, kombinasi gas ringan polimer permeat siap dikarakteristikkan secara eksperimen. Seringkali kedua solubilitas dan difusivitas diukur. Data representatif pada temperatur 25°C ditunjukkan pada Tabel II.3 (Seader & Henley, 2006). Menurut Seader & Henly (2006), secara umum difusivitas menurun dan solubilitas meningkat seiring peningkatan berat molekul spesi gas, membuatnya sulit untuk mencapai selektivitas tinggi. Pengaruh sederhana temperatur melebihi rentang yang berkisar dalam 50°C dapat direpresentasikan baik solubilitas dan difusivitas berdasarkan persamaan Arrhenius. Sebagai contoh: D  D 0 e  E D /RT

…...............................................(10)

Secara umum, pengaruh sederhana temperatur pada solubilitas dapat bertindak pada arah apapun. Namun, peningkatan pada temperatur dapat menyebabkan peningkatan substansial pada difusivitas dan, oleh karena itu, peningkatan yang sesuai pada permeabilitas. Jenis energi aktivasi difusi pada polimer, ED, berkisar antara 15—60 kJ/mol. Membran polimer-padat yang ideal memiliki permeansi yang tinggi, PM / lM, untuk molekul penetran dan faktor pemisahan (selektivitas) yang tinggi antar komponen yang akan dipisahkan. Faktor pemisahan didefinisikan seperti volatilitas relatif pada distilasi:

α A,B 

yA /x A  yB/x B 

....................................................(11)

di mana yi adalah fraksi mol permeat yang meninggalkan membran, sesuai dengan tekanan parsial pip pada Gambar II.5.b, sedangkan xi adalah fraksi mol rentetat pada sisi umpan membran, sesuai dengan tekanan parsial piF pada Gambar II.5.b. Tidak seperti kasus distilasi, yi dan xi tidak setimbang. Untuk pemisahan suatu campuran gas biner spesi A dan B tanpa adanya hambatan perpindahan massa oleh lapisan atau film batas eksternal, flux transpor dinyatakan sebagai:


I-11


NA 





H A DA H D p A F  p A P  A A x A PF  y A PP  ........................... (12) lM lM





H BDB H D p B F  p B P  B B x B PF  y B PP  ...........................(13) lM lM Menurut Seader & Henley (2006), ketika tidak ada gas sapuan yang digunakan, rasio NA dan NB menetapkan komposisi permeat, demikian pula rasio yA dengan yB pada gas permeat. Sehingga, NB 

N A y A H A D A x A PF  y A PP    N B y B H B D B x B PF  y B PP 

...........................................(14)

Jika tekanan hilir (permeat), Pp, diabaikan jika dibandingkan dengan tekanan hulu, PF, sehingga yA PP<< xA PF dan yB PP<< xB PF, dapat diatur kembali dan dikombinasi dengan untuk memberikan faktor pemisahan ideal:

α*A,B 

y A /x A  y B /x B 

..........................................................(15)

Sehingga, faktor pemisahan tinggi dapat dicapai dari rasio solubilitas tinggi, rasio difusivitas tinggi, atau keduanya.Faktor pemisahan bergantung pada kedua fenomena transpor dan kesetimbangan termodinamika. Ketika tekanan hilir tidak diabaikan, dapat diatur ulang untuk menghasilkan persamaan untuk αA,B pada istilah rasio tekanan, r = PP/PF, dan fraksi mol A pada sisi umpan atau rentetat membran. Mengombinasikan persamaan dan definisi:  x /y   rα A,B  α A,B  α*A,B  B B   x B /y B   r 

..........................................(16)

Karena yA + yB = 1, dapat disubstitusikan ke dalam persamaan (18) untuk xB, sehingga ditulis: xB = xB yA + xByB

.............................................(17)

untuk dinyatakan sebagai:

 A, B

 x     B  1  r A,B  y    α*A,B   B       xB  xB  1   r      y B  

............................................(18)


I-12


Tabel II.3 Faktor pemisahan ideal membran pasangan biner untuk dua material membran PDMS, Silicon Rubbery PC, Polycarbonate Glassy Polymer Membrane Polymer Membrane PMHe, Barrer 5,61 14 α* He,CH4

0,41

50

α He,C2H4

0,15

33,7

PMCO2, Barrer

4,550

6,5

α CO2, CH4

3,37

23,2

α CO2,C2H4

1,19

14,6

PMO2, Barrer

9,33

1,48

α O2, N2

2,12

5,12

*

* *

*

Menurut Seader & Henley (2006), jika dikombinasikan dan xB digantikan dengan 1—xA, dapat dihasilkan faktor pemisahan:

 x α  1  1  rα A,B  α A,B  α*A,B  A A,B  ........................................(19)  x A α A,B  1  1  r  Persamaan (19) merupakan fungsi implisit untuk αA,B, pada istilah rasio tekanan, r, dan xA, yang siap terlarut untuk αA,B dengan mengatur ulang persamaan tersebut menjadi persamaan kuadrat. Pada batas ketika r = 0, persamaan (18), berkurang menjadi αA,B= α*A,B= (PMA/PMB). Untuk polimer yang menyerupai karet, nilai permeabilitasnya tinggi, namun faktor pemisahannya rendah. Hal yang sebaliknya terjadi pada polimer yang menyerupai kaca. Untuk komposisi umpan yang telah disediakan, faktor pemisahan menempatkan batasan yang terbatas pada derajat pemisahan yang dapat dicapai. Transpor A dan B melalui membran dengan luas penampang AM, dengan tekanan parsial pada kondisi keluar akibat mengalami percampuran sempurna (perfect mixing/ complete mixing), dapat ditulis sebagai berikut:



N B  y PB n p  A M P M B x R B PR  y PB PP atau



NA  yPA n p  AM PM B x R A PR  yPA PP



 ...............................(20) ................................(21)

di mana AM adalah luas penampang membran normal untuk mengalir, np, melalui membran. Rasio dari persamaan (20) terhadap (21) adalah yPA/ yPB, dan manipulasinya akan mengacu pada persamaan (22): P r P ..................................................(22) P R


I-13


II.1.3 MATLAB Matlab merupakan bahasa pemrograman yang hadir dengan fungsi dan karakteristik yang berbeda dengan bahasa pemrograman lain yang sudah ada lebih dahulu seperti delphi, basic maupun C++. Matlab merupakan bahasa pemrograman level tinggi yang dikhususkan untuk kebutuhan komputasi teknis, visualisasi dan pemrograman seperti komputasi matematik, analisis data, pengembangan algoritma, simulasi dan pemodelan dan grafik-grafik perhitungan (Firmansyah, 2007). Menurut Firmansyah (2007), matlab hadir dengan membawa warna yang berbeda. Hal ini karena matlab membawa keistimewaan dalam fungsi-fungsi matematika, fisika, statistik, dan visualisasi. Matlab dikembangkan oleh Math Works, yang pada awalnya dibuat untuk memberikan kemudahan mengakses data matrik pada proyek LINPACK dan EISPACK. Saat ini matlab memiliki ratusan fungsi yang dapat digunakan sebagai problem solver mulai dari simple sampai masalah-masalah yang kompleks dari berbagai disiplin ilmu. Berikut ini merupakan beberapa bagian dari Window Matlab.  Current Directory Window ini menampilkan isi dari direktori kerja saat menggunakan matlab. Kita dapat mengganti direktori ini sesuai dengan tempat direktori kerja yang diinginkan. Default dari alamat direktori berada dalam folder works tempat program files Matlab berada.  Command History Window ini berfungsi untuk menyimpan perintah-perintah apa saja yang sebelumnya dilakukan oleh pengguna terhadap matlab.  Command Window Window ini adalah window utama dari Matlab. Disini adalah tempat untuk menjalankan fungsi, mendeklarasikan variable, menjalankan proses-proses , serta melihat isi variable.  Workspace Workspace berfungsi untuk menampilkan seluruh variabel-variabel yang sedang aktif pada saat pemakaian matlab. Apabila variabel berupa data matriks berukuran besar maka user dapat melihat isi dari seluruh data dengan melakukan double klik pada variabel tersebut. Matlab secara otomatis akan menampilkan window “array editor” yang berisikan data pada setiap variabel yang dipilih user.  Getting Help Matlab menyediakan fungsi help yang tidak berisikan tutorial lengkap mengenai Matlab dan segala keunggulannya. User dapat menjalankan fungsi ini dengan menekan tombol pada toolbar atau menulis perintah ‘helpwin’ pada command window. Matlab juga menyediakan fungsi demos yang berisikan video tutorial matlab serta contoh-contoh program yang bias dibuat dengan matlab. Gambar berikut menampilkan tampilan antar muka dari matlab versi 7.0


I-14


Gambar II.6 Tampilan Matlab versi 7.0


I-15


II.2 Aplikasi Industri Laporan Kerja Praktek Kaltim-2 Pt. Pupuk Kalimantan Timur Bontang Hidrogen recovery unit dengan sistem membran merupakan unit pengambilan hidrogen karena adanya perbedaan relative permeation rate (RPR) dari komponen gas yang terkandung didalamnya. Produk H2 dari unit HRU ini mempunyai kemurnian sekitar 94,57% (MP H2 produk). Ammonia yang terkandung dalam purge gas diserap dengan air demin mengunakan HP scrubber C-211. Purge gas dari unit ammonia yang bertekanan 180 kg/cm2 diumpankan ke HP scrubber sedangkan air demin dipompakan secara kontinyu ke bagian atas HP scrubber sebgai penyerap ammonia di purge gas. Gas outlet HP scrubber sebelum diumpankan ke membran (dua stage) dipanaskan dulu di E-216 dengan kondensat keluaran stripper C-221 sebagai media pemanasnya. Pada stage pertama membran, gas dipisahkan dimana gas yang lolos diambil diambil sebagai MP H2 produk, sedangkan gas yang tidak lolos membran akan dialirkan ke stage kedua membran. Prinsip dasar pemisahan gas hidrogen (HRU) dari purge gas menggunakan membran adalah karena adanya perbedaan Relative Permeation Rate (RPR) dari komponen gas terlarutnya. RPR merupakan kemampuan gas mendifusi di dalam membran. Adanya perbedaan RPR diantara gas umpan membran, maka ada yang disebut gas-gas yang mempunyai RPR tinggi disebut fast gas dan ada yang mempunyai RPR rendah disebut slow gas. Secara operasional HRU membran mempunyai beberapa kemudahan seperti start-up lebih mudah dan cepat, lebih sederhana dan fleksibel terhadap perubahan komposisi feed gas. Pada pengoperasian membran separator ada tiga variabel yang harus dijaga untuk mempertahankan life time dari membran-nya yaitu : temperatur inlet membran, delta pressure drop antara feed gas dengan permeate (produk hidrogen) dan kontaminan feed gas. Disamping itu, pengoperasian HRU membran dapat menaikkan produksi ammonia dan menurunkan pemakaian energy (gas bumi). Uraian Proses Proses membran dibagi menjadi dua tahap sebagai berikut : 1. Pretreatment Purge gas dan flash gas yang mengandung ammonia diserap dengan menggunakan dua absorber yang masing-masing terdiri dari HP scrubber C-211 untuk penyerapan purge gas dan LP scrubber C-231 untuk penyerapan flash gas. Purge gas dari ammonia plant bertekanan 180 kg/cm2 diumpankan ke HP scrubber untuk mengambil ammonia, air demin dipompakan secara kontinyu ke bagian atas HP scrubber yang berfungsi sebagai larutan penyerap ammonia di purge gas. Sedangkan untuk LP scrubber, flash gas dengan tekanan 15,1 kg/cm2 diserap oleh kondensat produk bottom stripper yang sebelumnya telah dilewatkan melalui cooler. Gas outlet HP scrubber dikirim ke separator membran untuk dipisahkan hidrogen dari gas-gas lainnya. Ammonia merupakan racun terhadap membran, sehingga perlu dibatasi maksimum 5 ppm yang masuk ke separator untuk mempertahankan life time membran. 2. Separator Membran LABORATORIUM PROSES PEMISAHAN DENGAN PERPINDAHAN MASSA DIII TEKNIK KIMIA FTI-ITS SURABAYA

I-16


Pada separator terjadi proses pemisahan hidrogen dari gas-gas lain sehingga diperoleh hidrogen. Produk HP scrubber tekanan 131 kg/cm2 yang mengandung 68% H2 yang sebelumnya sudah diambil ammonianya, dimasukkan ke membran first separator. Pemisahan hidrogen dilakukan dengan teknologi membran dua stage, yaitu MP stage yang terdiri dari 9 buah membran separator dan LP stage yang terdiri dari 6 buah membran separator. MP stage dan LP stage tersusun secara seri, dimana non permeate produk MP stage merupakan gas umpan LP stage.

Gambar II.7 Hydrogen Recovery Unit 2


I-17

bab 2.docx

Recommend Documents