Modul 210 Pemisahan Dengan Membran

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II Departemen Teknik Kimia ITB

MODUL 2.10 Pemisahan Dengan Membran

I. Pendahuluan

Teknologi membran telah tumbuh dan berkembang secara dinamis sejak pertama kali dikomersilkan Sartorius-Werke di Jerman pada tahun 1927, khususnya untuk membran mikrofiltrasi. Pengembangan dan aplikasi teknologi ini semakin beragam dan penemuan-penemuan baru pun semakin banyak dipublikasikan. Teknologi membran pada akhirnya menjadi salah satu teknologi alternatif yang paling kompetitif saat ini dan telah memberikan beragam solusi bagi umat manusia dalam pemenuhan kebutuhan sehari-hari. Proses mikrofiltrasi merupakan salah satu proses berbasis membran yang berkembang sangat pesat di awal perkembangan teknologi membran. Pertumbuhan dan perkembangannya pada tahun-tahun terakhir hanya mampu disaingi oleh reverse osmosis, akibat adanya permintaan yang sangat besar terutama untuk aplikasi proses desalinasi. Secara umum. mikro filtrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsur-unsur partikulat dari larutannya. Aplikasi proses mikrofiltrasi diantaranya adalah untuk proses sterilisasi obat-obatan dan produksi minuman, klarifikasi ekstrak ekstrak juice, juice, pemrosesan air ultramurni pada industri semi konduktor, metal recovery, dan sebagainya.

II. Tujuan

Praktikan melaksanakan praktikum ini dengan tujuan: 1. Memahami prinsip-prinsip dasar dalam peroses pemisahan dengan membran. 2. Mempelajari karakteristik penurunan fluks pada proses pemisahan dengan membran.

III. Sasaran

Sasaran praktikum ini adalah: 1. Praktikan mengetahui aspek-aspek prakis pada proses pemisahan dengan membran. 2. Praktikan dapat mengamati variabel-variabel yang terlibat pada proses pemisahan dengan membran.

-1/7-


IV. Tinjauan Pustaka

IV.1 Membran Mikrofiltrasi

Proses mikrofiltrasi merupakan proses pemisahan unsur-unsur partikulat dari dalam larutannya. Proses ini berlangsung dan difasilitasi oleh membran mikrofiltrasi. Membran mikrofiltrasi dapat memiliki baik struktur simetrik maupun asimetrik, dengan rentang ukuran diameter pori antara 0,02-10 µm, sehingga akan sangat efektif daam pemusahan baik padatan tersuspensi maupun emulasi. Penggolongan proses-proses membran pada saat ini sangat luas. Gambar 1 memperlihatkan rentang proses yang digunakan, dan memperlihatkan ukuran partikel yang biasa dipisahkan oleh membran dan driving force yang digunakan. Membran mikrofiltrasi dapat dibedakan dari membran reverse osmosis dan ultrafiltrasi berdasarkan ukuran partikel yang dapat dipisahkannya, seperti tersaji pada gambar 2. Pada membran mikrofiltrasi, garam tidak dapat direjeksi membran. Proses filtrasi dapat dilaksanakan pada tekanan relatif rendah y aitu di bawah 2 bar. Membran mikrofiltrasi dapat dibuat dari berbagai macam material baik organik maupun anorganik. Membran anorganik banyak digunakan untuk membuat membran mikrofiltrasi antara lain sintering, track etching, stretching, dan inversi fasa. Tabel 1 menyajikan pengaruh metoda preparasi terhadap porositas dan distribusi ukuran pori. Tabel 1 Porositas dan distribusi ukuran pori membaran Proses

Porositas

Distribusi ukuran pori

Sintering

rendah/sedang

sempit/luas

Stretching

sedang/tinggi

sempit/luas

Track-etching

rendah

sempit

Phase inversion

tinggi

sempit/luas

Membaran mikrofiltrasi memiliki ukuran pori antara 0,02 sampai 10 µm dan tebal antara 10 sampai 150 µm. Mikrofiltrasi digunakan pada berbagai macam aplikasi di industri, terutama untuk pemisahan partikel berukuran lebih dari 0,1 µm dari larutannya. Membran ini dapat menahan koloid, mikroorganisme, dan padatan tersuspensi. Mikrofiltrasi juga dapat menahan bahan-bahan yang ukurannya lebih kecil daripada ratarata ukuran pori karena penahan adsorptif. Salah satu aplikasi utamanya di industri adalah sterilisasi dan klarifikasi pada industri makanan dan obat-obatan, pemanenan sel, klarifikasi juice, recovery logam dalam bentuk kolid, pengolahan limbah cair, fermentasi

Modul 2.10 Pemisahan dengan Membran

Halaman 2 dari 7


kontinue, ataupun pemisahan emulsi minyak-air. Mikrofiltrasi juga dapat digunakan untuk memisahkan partikel selama proses pembuatan air ultramurni pada industri semi konduktor. Aplikasi terbaru adalah di bidang bioteknologi, yaitu pengambilan sel dan bioreaktor membran, serta teknologi biomedik yaitu pemisahan plasma dari sel darah. Membaran mikrofiltrasi biasanya beroperasi pada tekanan 0,5-5 atmosfer, dan membran yang digunakan pada umumnya berstruktur simetrik.

Gambar 1 Rentang efektif untuk proses-proses membran


Halaman 3 dari 7


IV.2 Proses Perpindahan pada Membran Mikrofiltrasi

Proses mikrofiltrasi menggunakan membran berpori. Membran ini terdiri dari matriks polimer dimana terdapat pori yang berukuran 0,02 µm sampai 10 µm. Membran memiliki berbagai macam geometri pori. Pada gambar 3 disajikan beberapa karakteristik struktur yang ada. Membran ultrafiltrasi umumnya mempunyai struktur asimetrik dan tahanan perpinsahan ditentukan oleh lapisan atas yang berpori, sedangkan membran mikrofiltrasi mempunyai dtruktur seperti gambar 3 dimana tahanan perpindahan ditentukan oleh ketebalan membran keseluruhan. 0.0001 µm

0.001 µm

Reverse Osmosis 1A

0.1 µm

Ultrafiltrasi

10A

Mikrofiltrasi

1000A

100000A

Gambar 2 Proses pada membran (mikro/ultrafiltrasi dan reverse osmosis)

Perbedaan geometeri pori akan mengakibatkan penggunaan model yang berbeda untuk menggambarkan proses perpindahan yang terjadi. Model perpindahan bermanfaat dalam penentuan parameter struktur dan bagaimana parameter spesifik tersebut dapat divariasikan sehingga kinerja membran dapat meningkat. Fluks volume yang melalui membran dapat diprediksi menggunakan persamaan Hagen-Poisseuille dengan mengasumsikan bahwa pori-pori membran berbentuk silinder, memiliki jari-jari yang sama, dan panjang pori yang sama dengan tebal membran. Persamaan tersebut adalah sebagai berikut: 2

J=

ε * r

* ∆P

8 *η *τ * ∆x

Persamaan ini memperlihatkan bahwa fluks sebanding dengan beda tekan (∆P) sepanjang membran yang memiliki ketebalan (∆x) dan berbanding terbalik dengan viskositas η. ε adalah porositas permukaan dan τ adalah tortuosity.

Gambar 3 Karakteristik geometri membran pada membran berpori

Persamaan Hagen-Poiseuille memperlihatkan dengan jelas pengaruh struktur membran terhadap proses perpindahan. Untuk membran dengan struktur pori berbentuk bola terjejal rapat, persamaan Kozeny-Carman dapat digunakan untuk memprediksi besarnya fluks. Persamaan Kozeny-Carman adalah sebagai berikut:


Halaman 4 dari 7


J=

ε 2

3

K *η * S * (1 - ε )

2

*

∆P ∆x

dimana ε adalah fraksi volume pori, S adalah luas permukaan internal dan K adalah konstanta Kozeny Carman yang bergantung pada bentuk pori dan τ tortuosity. Membran inversi fasa biasanya memiliki struktur sponse. Fluks pada membran ini dapat diprediksi menggunakan persamaan Hagen-Poiseuille atau Kozeny Carman, walaupun morfologi membran berbeda. Untuk penjelasan lebih detail, dapat merujuk pada beberapa literatur tentang membran.

V. Rancangan Percobaan V.1 Perangkat dan Alat Ukur

1. Set peralatan praktikum modul Pemisahan dengan Membran yang tersusun seperti pada Gambar 5 dan 6 2. Pompa peristaltik 3. Gelas kimia berjaket 4. Pressure gauge 5. Gelas kimia 6. Labu erlenmeyer 500 mL 7. pH meter 8. bak sirkulasi

V.2 Bahan/ Zat Kimia

1. BSA (protein) 2. NaHPO4 3. Na2 PO4 4. H2 SO4 5. NaOH 6. V.3 Prosedur Pengoperasian Alat

Diagram alir proses mikrofiltrasi dengan GDP filer disajikan pada Gambar 4.


Halaman 5 dari 7


V.3.1 Prosedur pengoperasian membran

1. pastikan tangki sampel berisi cairan umpan 2. siapkan tempat penampung permeat dan retentat, serta alat pendukung lainnya 3. pastikan regulator valve 1, 3, dan 4 terbuka, sedangkan regulator valve 2 tertutup sebelum pompa dinyalakan 4. tekan tombol on-off pompa dan posisikan pada kondisi pompa on 5. atur laju alir umpan dengan cara memutar tombol spedd control 6. setelah beberapa menit, secara perlahan-lahan mulai tutup regulator valve 3 sampai tekanan yang telah ditentukan atau sekitar 1 kg/cm2. 7. tampung permeat dan retentat pada masing-masing tempat yang telah disediakan 8. apabila percobaan atau pengoperasian alat telah selesai dilakukan, pastikan membran hollow fiber pada modul membran senantiasa terendam air murni.

V.3.2 Prosedur Sanitasi atau Pencucian Membran

1. pastikan tangki berisi cairan untuk mencucian 2. siapkan tempat penampung permeat dan retentat, serta alat pendukung lainnya 3. pastikan regulator valve 1 dan 3 terbuka, sedangkan regulator valve 2 dan 4 tertutup seluruhnya, sebelum pompa dinyalakan 4. tekan tombol on-off pompa dan pastikan pada kondisi pompa on 5. atur laju alir umpan dengan cara memutar tombol speed control 6. simulasikan pencucian mulai dari flowrate rendah sampai flowrate paling tinggi 7. setelah beberapa menit, secara perlahan-lahan mulai tutup regulator valve 1 dan buka regulator valve 2. Regulator valve 4 tetap ditutup dan regulator valve 3 tetap dibuka penuh. Prosedur ini merupakan prosedur pencucian d ari sisi permeat 8. lakukan pencucian selama beberapa menit dan hentikan setelah hasil pencucian sudah benar-benar bersih 9. apabila pencucian telah selesai dilakukan, pastikan membran hollow fiber pada modul membran senantiasa terendam air murni.


Halaman 6 dari 7


Daftar Pustaka

1. Mulder, M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, 1996 2. Johnson, A.S., and Tragardh, G., Fundamental Principles of Ultrafiltration, Chem. Eng. Process., 27,1990, pp. 67-68 3. Cherryan, M., Ultrafiltration Handbook, Technomic Publ. Co., 1986, pp. 144-166 4. Wenten, I.G., Mechanism and Control of Fouling in Crossflow Microfiltration, J. Filtration and Separation, Elsevier, 1995, pp. 252-253


Halaman 7 dari 7

Modul 210 Pemisahan Dengan Membran

Recommend Documents