MAKALAH TUGAS PEMISAHAN KIMIA PEMISAHAN DENGAN MEMBRAN
OLEH KELOMPOK 1: Chofifah Fitrotul Hasanah Estiyawati Gentina Novi Herdina Visselly Nabila Fahrully
(160332605896) (160332605896) (160332605812) (160332605813) (160332605813) (160332605878) (160332605878)
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MALANG 2018
A. Definisi Membran Pemisahan dengan membran merupakan metode yang relatif baru dalam proses pemisahan. Pada skala kecil, aplikasi membran untuk proses pemisahan dimulai tahun 1920 di Jerman, aplikasi membran dimulai tahun 1955 untuk desalinasi air laut , melalui proses membran elektrolisis. Sedangkan menurut ahli, membran didefinisikan sebagai suatu media berpori, berbentuk film tipis, bersifat semipermeabel yang berfungsi untuk memisahkan partikel dengan ukuran molekuler (spesi) dalam suatu sistem larutan. Spesi yang memiliki ukuran yang lebih besar dari pori membran akan tertahan sedangkan spesi dengan ukuran yang lebih kecil dari pori membran akan lolos menembus pori membran (Kesting, RE, 2000). Proses pemisahan dengan membran dapat terjadi karena adanya perbedaan ukuran pori, bentuk, serta struktur kimianya. Membran demikian biasa disebut sebagai membran semipermiable, artinya dapat menahan spesi tertentu, tetapi dapat melewatkan spesi yang lainnya. Fasa campuran yang akan dipisahkan disebut umpan (feed), hasil pemisahan disebut sebagai permeat (Heru pratomo, 2003). Penerapan teknik membran untuk proses pemisahan bersifat multidisiplin dan mmerlukan bantuan teknologi yang cukup canggih, seperti aplikasi tekanan yang cukup besar serta teknik pembuatan membran yang cukup rumit. Keuntungan pemisahan dengan membran, antara lain : pemisahan dapat dilakukan secara kontinu (terus-menerus), pemisahan energi yang diperlukan relatif kecil, proses membran mudah dimodifikasikan dengan proses lainnya, pemisahan dapat dilakukan pada kondisi biasa, sifat-sifat membran bervariasi dan dapat diatur, dan tidak membutuhkan zat tambahan.
B. Aplikasi Pemisahan dengan Membran Saat ini aplikasi membran untuk proses pemisahan sangat luas, karena para ahli dan industri telah mengembangkan berbagai membran sintetikk untuk keperluan pemisahan yang spesifik. Aplikasi membran untuk proses pemisahan dikaitkan dengan perkembangannya secara singkat pada tabel berikut: Proses Membran
Tahun Penemuan
Aplikasi
Negara Asal pengembang
Mikrofiltrasi
1920
Penyaring bakteri
Jerman
Ultrafiltrasi Hemodialisis
1930 1950
Penyaring makromolekul Ginjal buatan
Jerman Belanda
Elektrodialisis Hiperfiltrasi Ultrafiltrasi Pemisahan gas
1955 1960 1960 1979
Desalinasi Desalinasi air laut Pemekatan air laut Perolehan kembali gas hidrogen Pemekatan larutan dalam pelarut air Dehidrasi pelarut organik
USA USA USA USA
Membran distilasi Pervaporasi
1981 1982
Jerman Belanda
Untuk penjelasan penjelasan lebih lanjut, yaitu: a) Mikrofiltrasi Istilah microfiltration berasal dari “micro” artinya kecil, bisa ditujukan pada ukuran membran pori skala mikro, mikroorganisme atau mikropartikel, dan “filtration” artinya pemisahan, sehingga teknologi mikrofiltrasi dapat memisahkan mikroorganisme seperti bakteri didalam air. Selain itu, membran mikrofiltrasi dapat menyaring padatan terlarut yang berukuran sekitar 0.05-10 microns. Penggunaan mikrofiltrasi sangat cocok untuk menurunkan kekeruhan (turbidity) yang disebabkan oleh partikel terlarut dan mikroorganisme. Material membran yang digunakan dapat berasal dari polimer organik seperti polipropilen atau polikarbonat, keramik, dan metal alloy. Terdapat 2 mekanisme pemisahan: 1. Dead-end Microfiltration Biasa disebut juga “conventional process”. Aliran air mengarah langsung ke membran dan partikel padatan akan terakumulasi diatas permukaan membran hingga dilakukan backwash (cuci terbalik), jika tidak ada backwash maka laju alir dapat menurun hingga nilainya 0 karena semua partikel padatan menyebabkan blocking (penutupan pori) sampai menutup semua pori membran. Setelah dilakukan backwash, padatan yang terakumulasi diatas permukaan membran akan dibersihkan dan kemudian ditampung untuk dibuang. 2. Cross-flow Microfiltration Aliran air pada cross-flow microfiltration secara turbulen sepanjang membran sehingga dapat mencegah terjadinya akumulasi partikel padatan diatas permukaan membran. Jenis membran yang digunakan biasanya berbentuk tabung (misal: tubular membrane, holow fiber membrane). Air yang tidak terfiltrasi dan mengandung partikel padatan (retentate) akan dialirkan keluar atau difilter kembali. Istilah “cross-flow” digunakan karena aliran air umpan (feed) dan aliran air terfiltrasi (permeate) mengarah sudut 90 derajat (tangential). Prosess ini sangatlah banyak digunakan dan hasilnya bagus untuk air umpan yang memiliki konsentrasi tinggi partikel padatan. b) Ultrafiltration (UF, Ultrafiltrasi) Kemampuan pemisahan pada ultrafiltrasi jauh lebih baik dibandingkan mikrofiltrasi. Istilah “ultra” secara bahasa berarti yang teramat sangat, dimana semua mikroorganisme dapat terpisah sempurna termasuk juga makromolekul seperti protein yang biasanya dihasilkan oleh mikroorganisme, adapun air dan molekul rendah akan melewati membran. Pada beberapa industri, teknik pemisahan dan pemurnian makromolekul (10 3-106 Dalton) dalam larutan akan menggunakan ultrafiltrasi. Secara prinsipnya, ultrafiltrasi sama dengan mikrofiltrasi dimana terdapat 2 proses mekanisme: dead-end dan cross-flow. Perbedaan utamanya adalah ukuran pori membran yang jauh lebih kecil dibandingkan mikrofiltrasi. Umumnya material yang digunakan untuk membran ultrafiltrasi adalah polimer seperti polysulfone, polypropylene, cellulose acetate, dan polylactic acid, akan tetapi ada juga yang menggunakan membran keramik untuk aplikasi suhu tinggi. Gambar dibawah adalah aplikasi
membran ultrafiltrasi yang membedakan dengan membran mikrofiltrasi. Hasil akhir berupa air bersih yang masih mengandung garam-garam terlarut. c) Nanofiltration (NF, Nanofiltrasi) Penggunaan istilah “nano” mengacu pada pori membran yang berukuran nano (artinya pangkat -9), yaitu 1-5 nm. Membran nanofiltrasi memiliki kemampuan menahan ion divalen seperti ion kalsium (Ca2+) dan ion magnesium (Mg2+), akan tetapi dapat melewatkan ion monovalen seperti ion natrium (Na +) dan ion kalium (K +) . Untuk senyawa organik dengan berat molekul 200-300 dapat difilter dengan sempurna seperti sukrosa (gula pasir). Kemampuannya yang sangat spesifik dalam filtrasi menjadikan nanofiltrasi sebagai pilihan yang tepat terkait dengan efektifitas, kelayakan, dan ekonomis. Penggunaan nanofiltrasi meliputi demineralisasi, penghilangan senyawa warna, dan desalting. d) Reverse Osmosis (RO, Osmosis terbalik) Peristiwa osmosis banyak terjadi dialam karena disebabkan oleh perbedaan tekanan yang dipisahkan oleh membran semipermeabel dimana cairan yang sedikit mengandung zat terlarut (larutan encer) akan mengalir ke cairan yang banyak mengandung zat terlarut (larutan pekat). Jika aliran air berlawanan dengan peristiwa osmosis dimana air mengalir dari larutan pekat ke larutan encer karena diberikan gaya dorong (driving force) maka disebut osmosis terbalik. Membran RO mampu memfilter mulai dari bakteri hingga ion monovalen yang terkandung didalam air. Ukuran porinya yang sangat kecil kurang dari 1 nm dapat secara efektif menghasilkan air murni, akan tetapi membutuhkan energi yang besar dengan tekanan sekitar 50 bar tergantung dari jumlah komponen zat terlarut dalam air, dengan demikian teknologi RO sedikit berbeda dengan teknologi filtrasi membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, atau nanofiltrasi, karena gaya dorong bukan hanya dipengaruhi oleh tekanan tapi konsentrasi zat terlarut melalui proses difusi. Teknologi membrane RO banyak digunakan untuk pemurnian air minum dari air laut, penghilangan garam dan material terlarut lainnya dalam air. Design membran RO berbentuk spiral wound dan gambar dibawah sebagai ilustrasi proses filtrasi yang dilakukan oleh membran RO. Beberapa aplikasi praktis dari proses pemisahan dengan menggunakan membran antara lain: a. b. c. d.
Pembuatan air minum dari air laut Memisahkan campuran azeotrop seperti alkohol-air Mendapatkan kembali He dari gas alam Menghilangkan gas SO 2 dari cerobong asap
Membran semi permeabel juga dapat digunkaan sebagai pe,isah dalam baterei, dalam sel bahan bakar dan dalam eletrode ion selektif untuk keperluan analisa kimia.
C. Mekanisme Proses Pemisahan Melalui Membran Pemisahan dengan membran dilakukan dengan mengalirkan pakan feed ke dalam membran kemudian akan terpisah sesuai driving force yang digunakan. Proses pemisahan dengan membran menghasilkan dua aliran yaitu permiat ( permeate) dan retentate. Permeate merupakan hasil pemisahan yang diinginkan sedangkan retentate merupakan hasil sisa. Komponen pekan yang melalui membran terdapat dua mekanisme yaitu mekanisme transport aktif dan transport pasif. Mekanisme transport pasif dapat dikendalikan oleh perbedaan tekanan (∆P), perbedaan konsentrasi (∆C), perbedaan energi (∆E), perbedaan temperature (˚C). Proses Pemisahan dengan menggunakan media membran dapat terjadi karena membran mempunyai sifat selektifitas yaitu kemampuan untuk memisahkan suatu partikel dari campurannya. Hal ini dikarenakan partikel memiliki ukuran lebih besar dari pori membran. Pemisahan dengan menggunakan membran dapat dilihat pada gambar berikut :
Pemisahan terjadi karena adanya gaya dorong (driving force) sehingga molekul-molekul berdifusi melalui membran yangdisebabkan adanya perbedaan tekanan (∆P), perbedaan konsentrasi (∆C), perbedaan energi (∆E), perbedaan temperature (˚C). Faktor-faktor yang berpengaruh dalam proses pemisahan dengan membran meliputi : a) Interaksi membran dengan larutan b) Tekanan Temperature c) Konsentrasi polarisasi
Dalam penggunaannya, pemilihan membran didasarkan kepada sifat-sifat, sebagai berikut : a) Stabil terhadap perubahan temperatur b) Mempunyai daya tahan terhadap bahan-bahan kimia c) Kemudahan untuk mendeteksi kebocoran d) Kemudahan proses penggantian e) Efisiensi pemisahan Terdapat dua faktor yang menentukan efektivitas proses filtrasi dengan m embran yaitu 1. faktor selektivitas 2. faktor produktivitas. Selektivitas adalah keberhasilan pemisahan komponen, dinyatakan dalam parameter Retensi (untuk sistem larutan), atau faktor pemisahan [ ] (untuk sistem senyawa organik cair atau campuran gas). Faktor selektivitas biasanya dinyatakan sebagai retensi ( R) terhadap zat terlarut. Zat terlarut sebangian besar atau semua dapat ditahan, sebagian kecil dari zat terlarut yang dapat melewati membran. Nilai fator retensi ( R) : = = 1 Keterangan: C p adalah konsentrasi zat terlarut pada pakan C f adalah konsentrasi zat terlarut pada permiat R tidak memliki satuan dan nilainya berkisar 1 (100%) sampai 0 (0%) Nilai R= 100% menunjukkan terjadi retensi sempurna dari zat terlarut oleh membrane, tidak ada sama sekali zat terlarut pada pemiat (C f = 0) Nilai R = 0% menunjukkan bahwa tidak terjadi retensi zat terlarut oleh membrane, semua zat terlarut dapat melewati membrane (C f = C p ) pemisahan [ ] untuk sistem senyawa organik cair atau campuran gas. Untuk campuran yang mengandung komponen A dan B, factor pemisahan ( A/B) dinyatakan dengan persamaan :
=
/ /
Keterangan: Y A dan Y B adalah konsentrasi A dan komponen B dalam pamiat X A dan X B adalah konsentrasi A dan komponen B dalam pakan
Faktor selektivitas nilainya harus lebih besar atai sama dengan 1, oleh karena itu komponen A adalah komponen campuran yang memiliki laju permiasi yang lebih besar dibandingkan komponen B. jika
A/B =
1 maka tidak terjadi proses pemisahan.
Produktivitas didefinisikan sebagai volume/massa yang mengalir melalui membran persatuan luas membran dan waktu, dan dinyatakan dalam parameter flux () dan gaya pengendali. Membran memiliki kemampuan untuk mengalirkan atau memindahkan satu komponen dari campuran lebih cepat dibandingkan komponen lainnya karena adanya perbedaan sifat fisik dan sifat kimia antara membrane dengan komponen yang mampu melewati membrane (permiat). Transport melalui membrane dapat terjadi sebagai hasil dari gaya penggerak yang bekerja pada tiap-tiap komponenn [akan. Dalam berbagai hal laju permease ,elewati membrane berbanding lurus dengan besar gaya pengendali. Hubungan antara flux () dan gaya pengendali :
=
Keterangan : A disebut sebagai koefisien fenomenologi (dX/dx) merupakan gaya pengendali yang dinyatakan sebagai gradient dari X (suhu, teknan, konsentrasi) sebagai panjang koordinat X . Nilai selektivitas dan produktivitas sangat bergantung pada jenis 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 ada nya perbedaan suhu, tekanan atau konsentrasi fluida. Driving force ini dapat dipicu antara lain dengan penerapan tekanan tinggi, atau pemberian tegangan listrik. Fasa pakan dan fasa permiat dapat berupa cairan (L) maupun gas (G). Pakan dan permiat mungkin memiliki fasa yang sama atau memiliki fasa yang berbeda.
Gambaran skematis dari fasa pakan dan permait yang dipisahkan oleh membran
Jenis-jenis Proses Membran dan Daya Pengendali
Jenis proses membran Mikrofiltrasi Ultrafiltrasi Hiperfiltrasi Piezodialisi Pemisahan gas Dialisis Osmosis Pervaporasi Elektrodialisis Thermoosmosis Distilasi Membran
Fasa Pakan L L L L G L L L L L L
Fasa Permait L L L L G L L L L L L
Gaya Pengendali ∆P ∆P ∆P ∆P ∆P ∆C ∆C ∆P ∆ E ∆T/∆P ∆T/∆P
Peoses membrane untuk pemisahan yang digunakan gaya pengendali gradient tekanan (∆P) paling banyak digunakan dalam proses industry, karena memiliki fluks yang relative besar. Untuk memisahkan partikel dengan diameter > 100 nm dipergunakan proses mikkrofiltrasi. Untuk memisahkan makromolekul (yang memilik berat molekul 10 4-106) dari larutan dalam air digunakan proses ultrafiltrasi yang memerlukan aplikasi tekanan lebih besar dibandingkan mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. Proses pemisahan molekul-molekul kecil harus dilakukan denga proses membrane hiperfiltrasi atau disebut sebagai proses osmosis balik. Gradient tekanan yang diperlukan mikrofiltrasi antara 0,1-2 bar, untuk filtrasu antara 1-5 bar, sedangkan untuk osmosa balik antara 10-100 bar. Selain membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, dan osmosa balik jenis membrane lain yang telah mencapai tahap komersialisasi adalah elektrodialisis dan pemisahan gas. Elektrolisis adalah proses membrane yang dikendalikan oleh perbedaan potensial listrik (∆ E ). proses ini hanya dapat dilakukan bila spesies yang dipisahkan memiliki muatan listrik (molekul polar) atau ionic. Membrane untuk pemisahan gas didasarkan pada mekanisme transport difusi yang dikendalikan oleh perbedaan tekanan. Membran untuk pemisahan gas banyak digunakan untuk pemisahan oksigen, nitrogen dan memisahkan metana dan karbondioksida. Membran untuk pervaporasi, membrane cair dam membrane pemisahan gas kadangkadang disebut sebagai membran generasi kedua. Pada pemisahan memalui pervaporasi terjadi transisi fasa, dimana fasa pakant terbentuk cairan dan fasa pemiat berbetuk gas. Transisis fasa terkompensasi pada membrane distilasi. Dalam hal ini dua larutan dalam air yang berbeda suhu dipisahkan oleh membrane hidrofob microporous karena perbedaan tekanan akan terjadi transport uap melalui pori dari membran. Proses penguapanan terjadi pada fasa yang bersuhu tinggi sedangkan uapanya akan tekondensasi pada fasa yang besuhu rendah. Membran distilasi digunakan dalam pemekataan dan pemurnian dari larutan (anorganik) dalam air.
D. Jenis-jenis Membran dan Bahan Membran Sintetik Berpori Berdasarkan jenis bahannya : Membran Biologis Membran biologis memiliki fungsi yang penting bagi kehidupan. Setiap sistem sel makhluk hidup dikelilingi oleh membran. Membran biologis dapat mela kukan transport aktif maupun pasif, serta memiliki selektivitas yang tinggi, namun tidak aplikatif dalam proses pemisahan baik skala kecil maupun skala industri. Membran Sintetik 1. Membran Sintetik Anorganik Bahan membrannya adalah bahan anorganik, terutama keramik. 2. Membran Sintetik Organik Bahan membrannya adalah bahan organik, terutama senyawa polimer. Baik untuk keperluan dalam skala kecil atau skala besar dalam industri, membran organik lebih banyak digunakan, karena ditunjang oleh perkembangan bahan polimer yang sangat pesat. Polimer adalah senyawa yang besar yang terbentuk dari hasil penggabungan sejumlah (banyak) unit-unit molekul yang kecil. Unit molekul kecil pembentukan senyawa ini disebut monomer. Ini artinya senyawa plimer terdiri dari banyak monomer. Polimer banyak digunakan sebagai bahan dasar membran, karena polimer memilki berbagai sifat spesifikasi berkaitan dengan struktur dan sifat-sifat fisiknya. Setiap bahan polimer memiliki struktur kimia dan sifat fisik yang berbeda satu dengan lainnya, sehingga dapat memenuhi berbagai keperluan membran. Setiap polimer yang digunakan untuk bahan membran filtrasi (penyaringan) memiliki struktur berpori. Besarnya pori yang dimiliki polimer menentukan fungsi atau kegunaannya. Polimer yang memiliki pori yang relatif besar banyak digunakan untuk mikrofiltrasi, sedangkan polimer untuk bahan membran ultrafiltrasi porinya sangat kecil. Bahan polimer untuk kepentingan mikrofiltrasi memiliki pori antara 0,1μm - 10μm, sedangkan untuk kepentingan ultrafiltrasi memiliki pori antar 2nm – 100nm. Selektivitas dari membran polimer untuk mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi ditentukan oleh dimensi pori, sedangkan jenis bahan yang digunakan hanya akan berpengaruh pada aspek adsorpsi dan stabilitas kimiawi dibawah kondisi pemakaian dan pencucian. Hal ini membawa konsekwensi bahwa pemilihan polimer untuk bahan membran tidak hanya mementingkan aspek fluks dan selektivitas, tetapi juga harus mempertimbangkan sifat-sifat kimia dan sifatsifat fisiknya. Masalah utaman dalam proses mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi dengan menggunakan membran polimer berpori adalah penurunan fluks akibat polarisasi konsentrasi dan pelipatan membran. Bahan membran yang dipilih harus tidak mudah kusut dan mudah dicuci setelah peakain agar nilai fluksnya dapat dipertahankan.
Tabel Polimer untuk Membran Mikrofiltrasi Nama
Rumus struktur Dasar
Sifat-sifat Penting
Polikarbonat
Memiliki sifat mekanik yang baik, sehingga dapat dibuat menjadi membran melalu teknik “track -etching”
Poli(vinilidenafluorida) PVDF
Hidrofob, memiliki sifat stabilitas termal yang tinggi, larut dalam pelarut aprotik
Politetrafluoroetilena
Hidrofob, kristalin dan memiliki sifat stabilitas termal yang tinggi, dan tahan terhadap berbagai pelarut
Polipropilena
Hidrofob, memiliki sifat stabilitas termal yang tinggi, dan tahan terhadap berbagai pelarut
Poliamida
Paling banyak digunakan untuk bahan membran, memiliki stabilitas tinggi dalam aspekmekanik, termal, kimiawi
Ester-selulosa
(RCONH)n
Sangat sensitif terhadap suhu, bahan kimia dan degradasi biologis
Bahan membran untuk mikrofiltrasi juga sering digunakan untuk membran ultrafiltrasi, hanya teknik pembuatan porinya yang berbeda dan ukuran porinya yang berbeda pula. Membran untuk ultrafiltrasi biasanya dibuat melalui teknik invers fasa dari bahan polimer : ester-selulosa, poliamida, poli(vinilidena-fluorida), polisulfon/poliestersulfon, poliakrilonitril dan poliimida.
Tabel Polimer untuk Membran Ultrafiltrasi Nama
Polisulfon Dan Poliestersulfon
Rumus struktur Dasar
Dan
Poliakrilonitril
Sifat-sifat Penting
Memiliki stabilitas kimiawi dan termal yang sangat baik, banyak digunakan untuk pendukung pada pembuatan membran komposit
Kurang memiliki sifat hidrofilitas
memiliki sifat stabilitas termal dan kimiawi yang sangat baik
Poliimida Dan Poliesterimida Dan
Membran tidak berpori dalam bentuk membran komposit atau membran simetris banyak digunakan untuk proses pemisahan gas dan pervorasi. Parameter untuk membran tipe ini, yaitu permeabilitas dan selektivitas ditentukan oleh sifat intrinsik dari bahan membran. Pemilihan membran unuk jenis ini biasanya didasarkan pada kepentingan aplikasinya. Polimer untuk bahan membran pervaporasi adalah selulosa diasetat, selulosa triasetat, dan poliamida aromatis.
E. Berbagai jenis pemisahan dengan membrane yang dikendalikan tekanan Berbagai jenis proses pemisahan melalui membrane yang dikendalikan tekanan dapat digunakan untuk memekatkan atau memurnikan larutan encer. Jenis membran yang digunakan proses ini ditentukan oleh ukuran partikel atau zat terlarut,sifat kimiawi zat terlarut, ukuran pori membran dan distribusi ukuran porinya. Proses pemisahan melalui membran yang dikendalikan tekanan meliputi; (a) mikrofiltrasi, (b) ultrafiltrasi, dan (c) hiperfiltrasi atau osmosa balik. Prinsip dasar dari ketiga proses ini dapat diilustrasikan pada gambar 8.4
Adanya gaya pengendali,seperti tekanan, pelarut dan beberapa zat terlarut akan menerobos membran, sedangkan beberapa zat terlarut atau pertikel berukuran yang lebih besar dari ukuran pori membran tetap ditahan atau tidak mampu menerobos membran. Semakin kecil ukuran pori membran, semakin besar tekanan yang diperlukan untuk gaya pengendalinya. Walaupun tidak ada beda yang tajam dari ukuran molekul atau partikel yang mempu melewati pori membran mikro filtrasi, ultrafiltrasi dan osmosa balik, besarnya ukuran molekul atau partikel yang dapat lolos dari tiap proses dapat di tunjukkan pada gambar 8.5 Mikrofiltrasi Ultrafiltrasi Hiperfiltrasi
0,1
1,0
10
100
1000
Gambar 8.5 rentang aplikasi mikrofiltrasi, ultrafiltrasi dan osmosa balik
Perbedaaan kelompok dari membrane untuk diaplikasikan pada mikrofiltrasi, ultrafiltrasi,osmosa balik adalah struktur membrannya. Membran untuk mikrofiltrasi adalah membran simetris dengan ketebalan 10 sampai dengan lebih dari 150 . Membran untuk ultrafiltrasi dan osmosa balik adalah membrane asimetris yang terdiri dari dua lapisan. Lapisan atas yang memiliki ketebalan 0,1 - 1,0 didukung oleh lapisan bawah dengan ketebalan 50 -150 . Secara ringkas, perbedaan antara proses mikrofiltrasi, ultrafiltrasi dan osmosa balik,ditunjukkan pada tabel 8.4. Tabel 8.4 proses mikrofiltrasi, ultrafiltrasi dan osmosa balik Mikrofiltrasi Digunakan untuk memisahkan partikel (bakteri,jamur)
Ultrafiltrasi Digunakan untuk memisahkan makromolekul (protein)
Tekanan osmotic diabaikan
Tekanan osmotic diabaikan
Pemisahan didasarkan pada ukuran partikel
Pemisahan didasarkan pada ukuran partikel
Osmosa balik Digunakan untuk memisahkan molekul dengan MR kecil (garam,glukosa)
Tekanan osmotic tinggi (5-25 bar) Menggunakan tekanan Menggunakan tekanan Menggunakan tekanan tinggi rendah (< 2 bar) rendah (1-10 bar) (5-25 bar) Struktur membran simetris Struktur membrane asimetris Struktur membrane asimetris Ketebalan lapisan (membran) Ketebalan lapisan (membran) Ketebalan lapisan (membran) pemisah 50-150 pemisah 0,1-1,0 pemisah 0,1-1,0 Pemisahan didasarkan pada perbedaan difusitas dan kelarutan
Mikrofiltrasi
Mikrofiltrasi adalah proses membran yang mirip dengan cara penyaringan konvensional. Ukuran pori membran mikrofiltrasi antara 0,05-10 , membuat proses ini sangat cocok untuk memisahkan endapan dan emulsi.Volume aliran melalui membran mikrofiltasi mengikuti hokum Darcy,yang mengakatakan bahwa fluks, J melalui membran berbanding lurus dengan tekanan yang diaplikasikannya. Makin besar tekanan yang diaplikasikannya, makin besar pula nilai fluksnya . J= K ∆
J adalah fluks, ∆ adalah besarnya tekanan yang diaplikasikan dan K adalah tetapan permeabelitas. Besarnya nilai K dipengaruhi oleh faktor structural antara lain : porositas dan ukuran pori serta kekentalan cairan yang berpermiasi pada membran. Dengan memasukkan parameter parameter yang mempengaruhi harga K, maka besarnya nilai fluks pada mikrofiltrasi dapat digunakan persamaan Hagen-Poiseulle
Baik persamaan 8.5 maupun 8.6 telah menggambarkan bahwa besarnya fluks berbanding terbalik dengan viskositas, η dan berbanding lurus dengan porositas, serta radius pori,r. Dalam upaya mengoptimalkan mikrofiltrasi, adalah penting untuk mempertimbangkan aspek struktur;porositas harus sebesar mungkin dan distribusi ukuran pori sesempit mungkin. Membran mikrofiltrasi telah banyak digunakan untuk proses industri, terutama untuk menyaring partikel-partikel dengan ukuran lebih besar 2 (dua) . Industri makanan dan farmasi menggunakan teknik mikrofiltrasi untuk proses sterilisasi dan pemurnian. Industri semikonduktor menggunakan teknik mikrofiltrasi untuk mendapatkan air yang sangat murni. Bioteknologi dan biomedis menggunakan teknik mikrofiltrasi untuk memisahkan sel dan untuk membran bioreaktor. Dalam bidang biomedis, teknik mikrofiltrasi digunakan untuk memisahkan plasma darah dengan sel darah. Secara ringkas, beberapa aplikasi dengan mikrofiltrasi adalah : 1. sterilisasi dingin dari bahan makanan dan obat-obatan 2. pemanenan sel, jamur atau bakteri 3. pemekatan juice buah-buahan.anggur dan cuka 4. produksi air ultramurni untuk produksi semikonduktor 5.pengambilan kembali logam dalam bentuk koloid dari oksida atau hidroksidanya 6. pengolahan air limbah 7.fermentasi secara sinambung 8.pemisahan air dari emulsi minyak 9.dehidrasi Kristal
Ultrafiltrasi
Prinsip dasar proses membran ultrafiltrasi pada hakekatnya sama dengan prinsip dasar membran mikrofiltrasi, hanya ukuran porinya yang berbeda. Ukuran pori dari membran ultafiltrasi terletak di antara membran mikrofiltrasi dan membran osmosa balik. Rentang ukuran pori dari membrane ultrafiltrasi adalah 1 (satu) nm sampai dengan sampai dengan 0,05 .
Membran ultrafiltrasi terutama dikembangkan untuk proses penyaringan makro molekul yang memiliki berat molekul relatif sampai beberapa ribu Dalton. Membrane untuk ultrafiltrasi merupakan membran berpori, sehingga faktor utama yang menentukan kemampuan membran ultrafiltasi untuk menahan makromolekul adalah ukuran dan bentuk geometrid an makromolekul tersebut. Besarnya dari membran ultrafiltrasi berbanding lurus dengan besarnya tekanan yang diaplikasikan. Besarnya ultrafiltrasi mengikuti hukum – hukum yang berlaku pada membran mikrofiltras. Fluks dari proses membran ultafiltrasi mengikuti hukum Darcy dan persamaan Kozeny-Carman. Tetapan permiabilitas K untuk membran ultrafiltrasi dipengaruhi oleh semua faktor struktur, dan nilai K untuk membrane ultrafiltrasi lebih rendah dari nilai K untuk membrane mikrofiltasi. Perbedaan pokok dari membran ultrafiltrasi dengan membran mikrofiltrasi terletak pada struktur membran dan ketebalannya. Membran untuk ultrafiltrasi membran asimetris atau membran berlapis. Lapisan bagian atas berfungsi sebagai penyaring, sedangkan lapisan bagian bawah berfungsi sebagai pendukung. Pemakaian membrane asimetris ini sangat membantu untuk meningkatkan selektivitas dan meningkatkan ketahanan hidrodinamik. Tebal membran lapisan atasa umumnya kurang dari 1 (satu) . Bahan polimer yang banyak digunakan untuk membran ultrafiltrasi adalah polisulfon. Penggunaan Ultrafiltrasi
Ultafiltrasi banyak digunakan untuk memisahkan komponen (molekul) zat terlarut yang memiliki massa molekul tinggi dari zat terlarut dengan masamolekul rendah. Penggunaan ultrafiltrasi terutama untuk pemekatan dan pemurnian senyawa – senyawa protein, asam nukleat, polipeptida, enzim, ati bodi dan anti gen, serta senyawa – senyawa lain yang dengan prosedur pemekatan biasa tidak bisa dilakukan pada suhu rendah. Proses ultrafiltrasi dapat digunakan untuk mendapatkan kembali senyawa spesies atau konsentrat senyawa tertentu dari konsentrasi sangat rendah ke suatu tujuan analisis kimia dengan instrument tertentu. Pemisahan dua atau lebih spesies kimia berbeda berat molekulnya dapat menjadi lebih efektif bila perbedaan berat molekul kedua senyawa itu begitu besar ( dan jika suatu membran mempunyai daya pemisahan sendiri terhadap berat molekul senyawa. Dalam skala industri proses membran ultafiltrasi banyak digunakan pada industri makanan dan minuman, indusrtri farmasi, industry metalurgi, industri kimia, industry kertas dan kulit. sampai saat ini proses ultafiltasi umumnya dilakukan pada sistem pelarut air. Perkembangan untuk diaplikasiakan pada sistem buka air perlu ditunjang dengan dengan perkembangan polimer untuk bahan membran yang lebih tahan terhadap zat kimia. Saat ini mulai dikembangkan polimer anorganik (keramik) untuk kepentingan ultafiltrasi dari sistem larutan bukan air.
Osmosis Terbalik / Hiperfiltrasi
Perbedaan mendasar antara osmosis terbalik dengan ultrafiltrasi terletak pada ukuran solut yang akan dipisahkan dari soluen dibawah kendali tekanan. Proses membran osmosis terbalik berlaku untuk zat terlarut yang memiliki berat molekul rendah. Proses ini biasanya digunakan untuk memisahkan zat terlarut garam-garam anorganik dan senyawa organik dengan berat molekul rendah seperti glukosa dari pelarutnya. Perbedaan antara ultrafiltrasi dan osmosis terbalik terletak pada ukuran molekul yang akan disaring. Jenis membran yang digunakan pada osmosis balik harus lebih rapat serta memiliki kemampuan menahan gaya hidrodinamik lebih kuat dibandingkan membran pada ultrafiltrasi. Tekanan yang digunakan pada proses osmosis balik lebih besar dibandingkan dengan tekanan yang digunakan pada ultrafiltrasi. Tekanan osmosis pada larutan yang mengandung zat terlarut dengan berat molekul rendah akan jauh lebih besar dari larutan yang mengandung zat terlarut dengan berat molekul besar. Tekanan osmosis air laut yang mengandung berbagai macam garam anorganik memiliki tekanan osmosis sebesar ± 25 bar. Proses pemisahan dengan membran osmosis balik dapat diilustrasikan pada gambar 1.1.
Gambar 1.1
Dalam proses membran osmosis terbalik, tekanan yang digunakan harus lebih besar dari tekanan osmosis larutannya. Jika suatu larutan dibatasi di bawah tekanan pada salah satu dari membran osmosis terbalik, maka kecepatan pindah zat pelarut dan zat terlarut dalam membran dapat diperkirakan dengan rumus berikut:
Jv ≡ Js ≡
(∆ p - ∆)
.......................... (1.1)
(C b – C p)
.......................... (1.2)
Dimana Jv dan Js adalah aliran hidraulik yang terdapat pada membran, ∆ p adalah perbedaan tekanan antara aliran larutan dan produk, ∆ adalah perbedaan tekanan osmotik antara dua larutan, C b adalah konsentrasi zat terlarut dalam produk, dan 2 adalah angka koefisien pindah dari membran ke pelarut dan zat terlarut, dan adalah ketebalan efektif membran. Konsenvarsi massa memerlukan rumus : C p =
........................... (1.3)
Penyelesaian secara simultan persamaan 1.1, 1.2, dan 1.3
R = ( 1- ) x 100 =
(∆b − ∆) + (∆P − ∆)
...................... (1.4)
Dimana R adalah retensi atau penolakan membran. Berdasarkan rumus 1.4, penolakan akan naik sejalan dengan perbedaan tekanan efektif yang terdapat dalam membran. Hal ini disebabkan karena aliran pelarut tergantung pada tekanan sedangkan aliran zat terlarut hampir bebas dari pengaruh tekanan. Bahan membran untuk osmosis terbalik harus kuat untuk menahan tekanan yang besar namun tipis untuk menjaga fluks yang relatif besar. Jenis membran yang digunakan pada osmosis terbalik (hiperfiltrasi) adalah membran asimetris dan membran komposit. Bahan polimer yang biasa digunakan pada membran asimetris adalah ester selulosa, selulosa diasetat, selulosa triasetat dan poliamida aromatis. Sedangkan bahan yang sering digunakan pada membran komposit adalah polieterurea. Osmosis terbalik umumnya digunakan dalam skala besar misalnya pada pemurnian air dari sumber air bergaram. Secara ekonomis, penggunaan osmosis terbalik sebagai desalinasi (penghilangan garam) kurang menguntungkan, akan tetapi dapat pula menjadi praktis jika digunakan pada daerah air payau. Osmosis terbalik dapat digunakan secara langsung untuk menganalisa pencemaran air pada daerah tertentu, misalnya pengolahan air kotor tahap keempat, pemurnian air tambang yang bersifat asam, dan pemeriksaan air buangan industri mentega dan susu.
F. Daftar Pustaka
Soebagio, dkk. 2013. Buku Kimia Analitik II . Universitas Negeri Malang Dewi shinta. 2015. Pemisahan dengan membrane. (pdf) Hidayat. 2014. Definisi Membran. (http://eprints.polsri.ac.id/967/3/BAB%20II.pdf )
