Modul Proses Pemurnian

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA Telp. 022-2500989 Faks. 022.2501438

LABORATORIUM OPERASI TEKNIK KIMIA

PROSES PEMUR IA PE DAHULUA Latar Belakang Masalah Teknologi membran telah tumbuh dan berkembang secara dinamis sejak pertama kali dikomersilkan Sartorius-Werke di Jerman pada tahun 1927.

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 manusia dalam pemenuhan kebutuhan sehari-hari. Membran ultrafiltrasi dan reverse osmosis merupakan beberapa jenis dari teknologi membran yang memiliki spesifikasi ukuran membran berturut-turut, 0.001-0.1 µm dan 0,0001-0,001 µm. Secara umum ultrafiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsurunsur partikulat dari larutannya dengan memanfaatkan beda tekan dalam proses kerjanya. Untuk membran reverse osmosis digunakan untuk memisahkan zat terlarut berukuran kecil(<10-4 µm sampai 10-2 µm) dengan prinsip perbedaan konsentrasi dalam proses kerjanya. Secara umum, ultrafiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsur-unsur partikulat, makromolekul (fraksionasi), koloid, dan polimer organik maupun anorganik dari larutannya. Aplikasi proses ultrafiltrasi di industri di antaranya adalah untuk proses sterilisasi obat-obatan dan produksi minuman, klarifikasi ekstrak juice, pemrosesan air ultramurni pada industri semi konduktor, metal recovery, dan sebagainya. Sedangkan membran reverse osmosis sendiri sudah banyak diterapkan pada berbagai industri pengolahan misalnya desalinisasi air laut dan demineralisasi air. Pada proses pemurnian harus diperhatikan kondisi operasi yang optimal agar membran dapat memurnikan suatu cairan secara optimal yang ditunjukkan oleh parameter berupa fluks, permeabilitasm dan faktor rejeksi dari membran.



Tinjauan Pustaka Pemisahan dengan membran (membrane separation) merupakan suatu teknik pemisahan campuran 2 atau lebih komponen tanpa menggunakan panas. Pada membran filtrasi komponenkomponen akan terpisah berdasarkan ukuran dengan bantuan gaya dorong (driving force). Gaya dorong dapat berupa gradien tekanan, konsentrasi, potensial listrik atau temperatur. Gaya Dorong untuk Berbagai Proses Membran Proses Membran

Gaya Dorong

Mikrofiltrasi

Tekanan

Ultrafiltrasi

Tekanan

Hiperfiltrasi

Tekanan

Piezodialisa

Tekanan

Pemisahan gas

Tekanan

Dialisis

Konsentrasi

Osmosis

Konsentrasi

Pervaporasi

Tekanan

Elektrodialisis

Potensial listrik

Termo osmosis

Temperatur / Tekanan

Membran distilasi

Temperatur / Tekanan

Teknologi membran terus berkembang karena memiliki beberapa keistimewaan dan cocok bagi industri. Kelebihan teknologi membran antara lain : •

Pemisahan dapat berlangsung secara kontinu

•

Kebutuhan energi relatif rendah

•

Mudah dikombinasikan dengan proses pemisahan lain/hybrid processes

•

Sifat membran merupakan variabel yang dapat diatur

•

Tidak memerlukan bahan aditif

•

Luas membran mudah diatur



•

Pemisahan dapat dilakukan melalui kondisi tunak

•

Dapat diarahkan menjadi clean technology dan cleaning technology

Klasifikasi Membran Filtrasi Berdasarkan ukuran pori dari membran filtrasi, dan berdasarkan ukuran zat yang ingin dipisahkan membran dibagi menjadi membran mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), Nanofiltrasi (NF) dan reverse osmosis (RO). Penggunaan membran dapat dilihat dari skema berikut:

Skema Membran Filtrasi Berdasarkan lapisan aktif, membran dapat dibagi menjadi membran datar (flate) dan membran turbular. Perbedaan membran tersebut dapat dilihat sebagai berikut:



Perbandingan Membran Datar dan Turbular FLAT

TURBULAR

Lapisan aktif datar

Lapisan aktif pada pemukaan dalam/ luar tube

Luas per volume kecil

Luas per volume besar

Digunakan pada flate-and-plate module Biasa dan spiral-wound module

digunakan

dengan

diamater

>10mm

Salah satu contoh dari flate membrane adalah spiral wound module. Skema dari spiral wound adalah sebagai berikut:

Skema Spiral Wound Module

Kelebihan dari spiral wound membrane adalah packing density yang tinggi dan harga yang reltif lebih murah. Tetapi kekurangan dari membran ini adalah menyebabkan pressure drop yang tinggi dan susah untuk dibersihkan. Salah satu contoh membran turbular adalah hollow fiber module. Skema dari membran ini adalah sebagai berikut:



Skema Hollow Fiber Module Kinerja Membran Filtrasi Kinerja membran dapat dilihat dari dua parameter yaitu aliran melalui membran (fluks) dan selektifitas. Fluks merupakan perbandingan antara volume dengan luas dan waktu. Untuk proses filtrasi dengan membran yang menggunakan beda tekan sebagai driving force, fluk merupakan fungsi dari beda tekan dan konstanta permeabilitas yang dapat dinyatakan dengan persamaan:

J = K × ∆P Konstanta permeabilitas merupakan konstanta yang menyatakan kemampuan membran untuk melewatkan aqua dm. Sejalan dengan waktu, permeabilitas membran akan berkurang. Hal ini disebabkan oleh pembentukan fouling. Fouling merupakan proses dimana zat terlarut atau partikel terdeposisi pada permukaan membran atau pada pori membran sehingga terjadi penurunan kinerja membran. Foaling dapat disebabakan oleh zat koloid, biologis, organik, dan mineral. Untuk meningkatkan kembali kinerja membran, membran dapat dibersihkan dengan secara hidrolik (back wash dengan aqua dm), kimiawi, mekanik dan juga dengan menggunakan listrik. Selektifitas membran ditentukan oleh dua parameter yaitu faktor rejeksi (R) dan faktor pemisahan (α). Persen rejeksi adalah persen dari konsentrasi yang terpisahkan dari umpan (feedwater) oleh membran. Secara matematis persen rejeksi dinyatakan oleh persamaan:


ܴ =1−


஼೛ ஼೑

Cf = konsentrasi zat terlarut dalam umpan Cp= konsentrasi zat terlarut dalam permeat R bernilai 100% (retensi total dari zat terlarut) yang berarti ideal semipermeabel membran dan 0% yang berati pelarut dan zat terlarut bebas melewati membran. Membran Ultrafiltrasi Membran ultrafiltrasi adalah proses pemisahan yang menahan komponen dengan berat molekul tinggi (protein, makro molekul, polisakarida) sedangkan melewatkan komponen berberat molekul rendah. Proses pemisahan dalam modul ultrafiltrasi terjadi secara cross flow dimana umpan mengalir secara tangensial sepanjang permukaan membran. Membran ultrafiltrasi dapat digolongkan berpori, namun strukturnya lebih asimetris dibandingkan membran mikrofiltrasi. Membran ultrafiltrasi memiliki ukuran pori lapisan teratas 20 – 1000 Å, ketebalan 0,1 – 1,0 µm, dan bekerja pada tekanan 1 – 10 bar. Proses ultrafiltrasi biasanya digunakan untuk memisahkan partikel dengan ukuran berkisar antara 0,05 µm – 1 nm. Membran ultrafiltrasi dapat menghasilkan fluks yang sangat tinggi, namun pada umumnya membran ini hanya digunakan untuk menghasilkan fluks antara 50-200 galon per hari dengan tekanan operasi sekitar 50 psig. Membran ultrafiltrasi dapat berbentuk plate and frame, spiral-wound, dan tubular. Setiap konfigurasi memiliki aplikasinya masing-masing. Untuk air dengan kemurnian tinggi, spiralwound lebih umum untuk digunakan. Konfigurasi dipilih berdasarkan jenis dan konsentrasi dari material berkoloid atau emulsi. Untuk semua konfigurasi, desain sistem yang optimum harus memperhatikan laju alir, hilang tekan, konsumsi energi, fouling, dan juga harga membran itu sendiri. Kebanyakan membran ultrafiltrasi komersial terbuat dari polimer yaitu : •

Polysulfone / poly(ether)sulfone / sulfonated polysulfone

•

Poly(vinylidene fluoride)


•

Polyacrilonitril

•

Cellulosics

•

Aliphatic polyamides

•

Polyetheretherketone


Selain dari polimer, membran ultrafiltrai juga dapat terbuat dari bahan anorganik seperti keramik, Al2O3, dan zirconia.

Membran Reverse Osmosis Membran reverse osmosis adalah membrane yang paling rapat dalam proses pemisahan cair-cair. Pada prinsipnya air adalah satu-satunya material yang dapat melewati membrane sehingga membrane ini merejeksi partikel berberat molekul tinggi dan rendah. Osmosis merupakan proses dimana pelarut pindah dari larutan berkonsentrasi rendah menuju larutan berkonsentrasi tinggi. Untuk mendapatkan proses reverse osmosis (RO), diperlukan adanya peningkatan tekanan pada bagian dengan konsentrasi pekat menjadi melebihi bagian dengan konsentrasi yang lebih encer. Gaya per unit luas yang dibutuhkan untuk mencegah mengalirnya pelarut melalui membran permeabel selektif dan masuk ke larutan dengan konsentrasi yang lebih pekat sebanding dengan tekanan turgor. Tekanan osmotik merupakan sifat koligatif, yang berarti bahwa sifat ini bergantung pada konsentrasi zat terlarut, dan bukan pada sifat zat terlarut itu sendiri. Perbandingan antara proses osmosis dan reverse osmosis dapat dilhat dari gambar berikut:



Skema Proses Osmosis

Skema Proses Reverse Osmosis Membrane RO memiliki pori-pori dengan ukuran kurang dari 0,02 µm dengan ketebalan 150µm. Membrane ini dioperasikan pada tekanan 15-150 atm. membrane RO biasa digunakan dalam permunian air dari kandungan garam maupun pengolahan limbah industry tekstil. Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Proses Pemisahan Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kinerja membran adalah sebagai berikut: •

Laju Umpan Laju permeat meningkat dengan semakin tingginya laju alir umpan. Selain itu, laju alir yang besar juga akan mencegah terjadinya fouling pada membran. Namun energi yang dibutuhkan untuk mengalirkan umpan akan semakin besar.

•

Tekanan Operasi



Laju permeat secara langsung sebanding dengan tekanan operasi yang digunakan terhadap permukaan membran. Semakin tinggi tekanan operasi, maka permeat juga akan semakin tinggi. •

Temperatur operasi Laju permeat akan meningkat seiring dengan peningkatan temperatur. Namun temperatur bukanlah variabel yang dikontrol. Hal ini perlu diketahui untuk dapat mencegah terjadinya penurunan fluks yang dihasilkan karena penurunan temperatur operasi.

Rumusan Masalah Masalah yang akan diamati dalam percobaan ini adalah pengaruh perbedaan tekanan terhadap fluks pada membran ultrafiltrasi menggunakan air sungai cikapundung dan reverse osmosis menggunakan larutan glukosa 5% w/v. Selain itu juga diamati permeabilitas ke dua membran yang dihitung tiap beda tekan (0.1-0.8 bar) tiap menit pada membrane UF dan beda tekan (3-4.4 bar) tiap menit pada membrane RO, serta faktor rejeksi tiap run pada masing-masing membran.

Tujuan Percobaan Tujuan pada percobaan proses pemurnian dengan menggunakan membran ini adalah : 1. Memahami prinsip-prinsip dasar dalam proses pemisahan dengan membran. 2. Memahami parameter kinerja membran dalam proses pemurnian. Sasaran Percobaan Adapun sasaran yang ingin dicapai pada percobaan ini adalah : 1. Praktik memahami kinerja membran berdasarkan proses filtrasi 2. Praktikan mampu menghitung konstanta permeabilitas membran 3. Praktikan dapat mengamati karakteristik penurunan fluks pada membran 4. Praktikan menghitung faktor rejeksi pada membran



PELAKSA AA PERCOBAA Perangkat dan Alat Ukur Alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah : a.

dua set peralatan praktikum modul proses pemurnian

b.

pompa peristaltik

c.

gelas kimia atau ember (jumlah sesuai kebutuhan)

d.

gelas ukur 500 ml

e.

gelas ukur 250 ml

f.

gelas ukur 25 ml

g.

stopwatch

h.

pipet tetes

i.

cawan penguapan

j.

timbangan

k.

kertas saring

l.

oven

m. refraktometer

Skema alat:

Gambar 3.1

Skema peralatan untuk proses ultrafiltrasi

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA Telp. 022-2500989 2500989 Faks. 022.2501438

Gambar 3.2


Skema peralatan untuk proses RO

Bahan Bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah : a. aqua DM b. air sungai Cikapundung c. Larutan glukosa 4% w/v


Prosedur Kerja Prosedur Pengoperasi Membran Membran UF



Membran RO




Mulai

Mulai

Isi tangki dengan aqua DM

Isi tangki dengan aqua DM

UF Atur konfigurasi membran dalam setting backwash

RO

Atur konfigurasi membran dalam setting backwash

Nyalakan pompa.

Nyalakan pompa.

Atur takanan pompa menjadi 0.8 bar

Atur takanan pompa menjadi 0.8 bar

Back wash membran selama 1 menit

Back wash membran selama 1 menit

Matikan alat dan pastikan membran selalu terendam cairan.

Matikan alat dan pastikan membran selalu terendam cairan.

Selesai

Selesai

Prosedur Pencucian Membran

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA


Telp. 022-2500989 Faks. 022.2501438

Penentuan Permeabilitas Membran Mulai

Isi tangki sampel dengan cairan umpan.

Atur konfigurasi membran dalam setting operasi pemurnian

Nyalakan pompa.

Atur laju alir umpan. Jaga agar tetap konstan.

Atur tekanan pompa secara perlahan sampai tekanan yang telah ditentukan.

Data ? P

Tampung retentat dan permeat.

Ukur volume permeat untuk tiap ?P yang digunakan.

Matikan alat dan pastikan membran senantiasa terendam cairan.

Data Volume Permeat

Selesai

Modul Proses Pemurnian

Recommend Documents