makalah membran - copy
TRANSCRIPT
Cover
Kata pengantar
Daftar isi
Pendahuluan
Sebagian besar proses perpindahan dalam membran adalah proses isotermal baik dengan
perbedaan konsentrasi, tekanan maupun potensial listrik sebagai driving force. Ketika membran
memisahkan dua fase pada suhu yang berbeda, panas akan berpindah dari daerah yang bersuhu
tinggi ke daerah yang bersuhu rendah. Perpindahan panas dinyatakan melalui persamaan
Fourier’s law. Dimana aliran panas berkaitan dengan driving force yang sesuai, yaitu perbedaan
suhu.
heat flux=Jh=−λdTdx
Dimana λ adalah konduktivitas termal (thermal conductivity) atau konduktivitas panas
(heat conductivity). Proses konduksi panas melintasi membran homogen secara skematis
diperlihatkan pada gambar 1.
Gambar 1. Profil Suhu pada Membran Homogen
Tabel 1. merangkum beberapa nilai λ di berbagai media.
Tabel 1. Konduktivitas Termal berbagai Media
Medium λ (W/m0C)
Gas 0.02
Cairan organic 0.2
Air 0.6
Polimer 2.0
Logam 20-200
Integrasi dari persamaan heat flux yang melewati membrane dengan aliran steady state
ditunjukkan oleh persamaan berikut.
Jh=λl
(T 0−T l )
Di samping aliran panas aliran massa juga terjadi, proses yang disebut thermo-osmosis
atau thermo-diffusion. Namun tidak ada transisi fase terjadi dalam proses tersebut. Proses dengan
driving force perubahan suhu yang lain adalah distilasi membran. Membran berpori memisahkan
dua cairan yang tidak membasahinya. Jika cairan terdiri dari berbagai macam komposisi yang
berbeda memiliki suhu yang berbeda, akan dihasilkan perbedaan tekanan uap yang menyebabkan
molekul uap melewati pori dari daerah suhu tinggi (tekanan uap tinggi) ke daerah suhu rendah
(tekanan uap rendah).
Dasar teoritis (Theoretical background)
Distilasi membran adalah proses dimana dua cairan atau solution pada suhu yang berbeda
dipisahkan oleh membran berpori. Cairan atau solusi tidak boleh membasahi membrane, pori-
pori akan segera diisi sebagai akibat dari gaya kapiler. Artinya membrane hydrophobic berpori
dan non-wettable harus digunakan untuk aqueous solutions (solutions yang solventnya adalah
air). Representasi skematis dari proses distilasi membran ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 2. Representasi Skematis Proses Distilasi Membran
Ketika fase mengandung air murni dan tidak ada perbedaan suhu, sistem dalam
keseimbangan dan tidak ada transportasi terjadi. Jika suhu salah satu di antara dua fase lebih
tinggi dari yang lain, perbedaan suhu terjadi di seluruh membran, sehingga terjadi perbedaan
tekanan uap. Dengan demikian, molekul uap akan berpindah melalui pori-pori membrane dari
daerah yang tekanan uapnya tinggi menuju daerah yang tekanan uapnya rendah. Transportasi
tersebut terjadi melalui 3 tahapan.
1. Evaporasi pada daerah yang memiliki suhu tinggi
2. Perpindahan molekul-molekul uap melalui pori-pori dari membrane hydrophobic
3. Kondensasi pada daerah yang memiliki suhu rendah
Distilasi membrane adalah salah satu proses penggunaan membrane dimana membrane
tidak langsung terlibat dalam proses separasi. Fungsi utama membrane adalah sebagai
penghalang (barrier) antara dua fase. Selektivitas ditentukan oleh keseimbangan uap dan cair
yang terlibat. Artinya komponen yang memiliki tekanan parsial tertinggi akan menunjukkan laju
permeasi yang tinggi.
Dengan demikian, untuk campuran air dan etanol dimana membrane tidak terbasahi oleh
etanol konsentrasi rendah, kedua komponen akan berdifusi melalui membrane namun laju
permeasi etanol akan selalu relative lebih tinggi dibandingkan air. Untuk larutan NaCl dengan
air, hanya air yang memiliki tekanan uap, tekanan uap NaCl dapat diabaikan, artinya hanya air
yang akan berdifusi melalui membrane dan selektifitas menjadi lebih tinggi.
Transportasi komponen volatile melewati membrane dapat dideskripsikan dengan
persamaan fenomenologis dimana flux proporsional terhadap driving force dalam hal ini yaitu
perbedaan suhu. Perbedaan suhu dihasilkan dari tekanan uap yang berbeda, hubungan ini
berdasarkan persamaan Antoine. Parameter struktural utama adalah porositas, yang harus
setinggi mungkin dan ketebalan membran. Distribusi ukuran pori harus dipersempit, terutama
pada sisi pori yang lebih besar karena pori-pori terbesar akan dibasahi terlebih dahulu.
Yang perlu diperhatikan dalam distilasi membrane yaitu membrane tidak boleh dibasahi.
Jika wetting terjadi, cairan akan menembus pori-pori membrane secara spontan. Wettability
ditentukan oleh interaksi antara cairan dengan material polimer, wetting tidak terjadi pada
afinitas yang rendah. Wettability dapat dicari dengan mengukur sudut kontak (θ) setetes cairan di
atas nonporous flat surface. Untuk afinitas rendah sudut kontak (θ) bernilai di atas 900, dan untuk
afinitas tinggi pada sudut kontak kurang dari 900.
Jika material berpori, cairan akan menembus pori ketika θ kurang dari 900. Sesuai dengan
persamaan Laplace.
∆ p=−2 γl
rcos θ
Gambar 3. Sudut Kontak Tetesan Cairan pada Material Padat Non-Porous
Wetting pressure (∆p) dipengaruhi oleh tiga faktor yaitu ukuran pori (r), tegangan muka
cairan (γl), dan surface energy dari material membrane (θ). Jika θ lebih besar dari 900, cos θ < 0,
dan ∆p > 0, tekanan yang dibutuhkan untuk membasahi material membrane besar dan cairan
cenderung tidak membasahi membrane karena interaksi antara cairan dan polimer sangat kecil.
Wetting pressure berbanding terbalik dengan ukuran pori, seperti yang terlihat pada gambar 4.
Gambar 4. Wetting Pressure pada Membran Polytetrafluoroethylene berpori
Wettability juga dipengaruhi oleh tegangan muka cairan. Hal ini berhubungan dengan
gaya intermolekul seperti dispersion forces, polar forces dan ikatan hydrogen. Hidrokarbon
seperti heksana memiliki dispersion force yang lemah sehingga tegangan mukanya rendah.
Sedangkan air yang memiliki ikatan hydrogen memiliki gaya intermolekul yang sangat kuat
sehingga tegangan permukaannya tinggi.
Tabel 2. Tegangan Muka beberapa Cairan pada Suhu 200C
Cairan Tegangan muka (γl) (103 N/m)
Air 72.8
Methanol 22.6
Etanol 22.8
Gliserol 63.4
Formaldehid 58.2
n-heksana 18.4
Faktor lain yang mempengaruhi wettability yaitu surface energy dari material membrane.
Berikut nilai surface energy dari berbagai polimer.
Tabel 3. Surface Energy beberapa Polimer
Polymer Surface energy (γs) (103 N/m)
Polytetrafluoroethylene 19.1
Polytrifluoroethylene 23.9
Polyvinylidenefluoride 30.3
Polyvinylchloride 36.7
Polyethylene 33.2
Polypropylene 30.0
Polystyrene 42.0
Untuk menghindari wetting ukuran pori maksimum harus sekecil mungkin, tegangan
muka cairan tinggi (misalnya air) dan surface energy material membrane rendah seperti
Polypropylene (PP), Polyethylene (PE), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyvinylidenefluoride
(PVDF). Ketika pelarut organic ada dalam air maka tegangan muka akan berkurang. Konsentrasi
etanol yang bertambah dalam air menyebabkan tegangan muka cairan berkurang dan tekanan
yang dibutuhkan untuk membasahi membrane berkurang. Oleh karena itu tegangan muka kritis
haru ditentukan.
Distilasi membrane dapat dioperasikan dengan empat konfigurasi yaitu direct contact
Membran Distillation (DCMD), vacuum Membran Distillation (VMD), air gap Membran
Distillation (AGMD), dan sweeping gas Membran Distillation (SGMD).
Gambar 5. (A) direct contact MD, (C) vacuum MD, (B) air gap MD (AGMD), dan (D)
sweeping gas MD (SGMD).
Direct contact MD, di kedua sisi membrane terdapat umpan bersuhu tinggi yang disebut
daerah evaporasi dan permeate yang bersuhu rendah. Kondensasi uap yang melewati membrane
terjadi secara langsung dalam fase cair di batas permukaan membrane. Karena membrane
memblokade transport massa, DCMD dapat menghasilkan aliran permeate yang relative tinggi.
Kerugian konfigurasi ini yaitu panas sensible yang dilepas besar, dan sifat pemisahan membrane
single layer makin menurun performanya.
Air-gap MD, gap terdapat di sisi permeate di antara membrane dan plate pendingin yang
berisi udara. Uap melewati membrane harus melewati air gap sebelum terkondensasi oleh
pendingin. Keuntungan metode ini yaitu isolasi termal yang tinggi dan dapat meminimalisir
konduksi panas. Kerugian metode ini yaitu air menjadi penghalang tambahan (barrier) untuk
perpindahan massa, mengurangi output permeate jika dibandingkan dengan DCMD. Keuntungan
lain dibandingkan DCMD yaitu zat yang mudah menguap dengan tegangan muka rendah seperti
alkohol atau pelarut lain dapat dipisahkan dari larutan, karena tidak ada kontak antara cairan
permeate dan membran.
Sweeping-gas MD, juga dikenal sebagai stripping udara, menggunakan konfigurasi
saluran dengan gap kosong di sisi permeat. Konfigurasi ini sama seperti AGMD. Kondensasi uap
terjadi di luar modul MD dalam kondensor eksternal. Sama seperti AGMD, zat volatil dengan
tegangan muka rendah dapat disuling dengan proses ini. Keuntungan dari SGMD dibandingkan
AGMD yaitu penghalang untuk transportasi massa berkurang. Kerugian dari SWGMD
disebabkan oleh komponen gas dan aliran massa total yang tinggi sehingga membutuhkan
kapasitas kondensor yang lebih tinggi . Bila menggunakan aliran massa gas yang lebih kecil ada
akan mengurangi perbedaan tekanan uap dan driving force mengecil. Salah satu solusi dari
masalah ini untuk SGMD dan AGMD adalah penggunaan cooler walling di daerah permeate, dan
mempertahankan suhu dengan flushing gas.
Vacuum MD memiliki air gap di daerah permeate. Setelah uap melewati membran, uap
dihisap keluar dari saluran permeate dan mengembun di luar modul seperti SGMD. VCMD dan
SGMD dapat diterapkan untuk pemisahan zat-zat volatil dari larutan berair atau untuk
memproduksi air murni dari air garam terkonsentrasi. Salah satu keuntungan dari metode ini
yaitu, gas inert yang memblokade pori-pori membrane dapat dihisap oleh vakum, meninggalkan
permukaan aktif membran. Selain itu, perbedaan suhu yang diperlukan lebih rendah dan energi
termal total yang dibutuhkan lebih rendah. Namun, keadaan vakum harus disesuaikan dengan
suhu air garam, dan dibutuhkan peralatan teknis yang rumit.
Membran yang digunakan
Spesifikasi membrane untuk distilasi membrane yaitu memiliki surface energy yang
serendah mungkin untuk menghindari wetting (pembasahan). Dibutuhkan material hydrophobic
seperti Polypropylene (PP), Polyethylene (PE), Polytetrafluoroethylene (PTFE),
Polyvinylidenefluoride (PVDF). Karena selektifitas ditentukan oleh keseimbangan uap dan cair,
membran tidak dapat dioptimalkan lebih lanjut. Namun fluks dapat dioptimalkan dan parameter
yang paling penting adalah porositas. Porositas tinggi sering dikaitkan dengan meningkatnya
ukuran pori tetapi faktor ini mempengaruhi wetting. Dengan demikian porositas tinggi (70-80%)
dengan ukuran pori berkisar 0.2-0.3 μm sangat dibutuhkan. Ukuran pori maksimum adalah
penting karena pembasahan berkaitan dengan ini dan karenanya pori-pori terbesar tidak boleh
terlalu berbeda dari ukuran pori rata-rata. Membran harus setipis mungkin. Membran berpori
yang digunakan dalam proses ini hampir sama dengan yang digunakan dalam mikrofiltrasi.
Aplikasi
Aplikasi distilasi membrane ditentukan oleh sifat wettability membrane, umumnya
distilasi membrane digunakan untuk aqueous solution (larutan yang solventnya adalah air) yang
mengandung solute inorganic. Aplikasi distilasi membrane diklasifikasikan berdasarkan
produknya menjadi dua yaitu:
1. Permeate sebagai produk yang diinginkan
2. Retentate sebagai produk yang diinginkan
Produksi pure water
Kebanyakan distilasi membrane digunakan untuk menghasilkan permeate yang
diinginkan. Permeate kualitas tinggi dapat dicapai dengan menggunakan distilasi membrane.
Biasanya distilasi membrane digunakan untuk pengolahan air umpan boiler pada power plant,
desalinasi air laut dan untuk pengolahan air pada industri semikonduktor. Kualitas permeate
tidak ditentukan oleh konsentrasi solute pada umpan. Pada proses reverse osmosis desalinasi
air laut, konsentrasi tinggi solute pada umpan sangat mempengaruhi tekanan osmosis, namun
distilasi membrane dapat menangani konsentrasi garam yang tinggi tanpa penurunan performa
membrane yang besar.
Penghilangan Volatile Organic Components (VOC’s)
Penghilangan Volatile Organic Components (VOC’s) seperti senyawa chlorinated
hydrocarbon atau aromatik dari aqueous solution adalah aplikasi distilasi membrane yang lain.
Produk volatile yang dihasilkan dari fermentasi seperti senyawa etanol, butanol, aseton dan
aromatic juga dapat dimurnikan dengan distilasi membrane. Untuk aqueous solution yang
mengandung senyawa volatile konsentrasi rendah. Pemisahan didasarkan pada keseimbangan
uap-cair, pada permeate konsentrasi senyawa volatile tinggi. Distilasi membrane memiliki
kelebihan lain dibandingkan distilasi biasa yaitu luas permukaan per satuan unit volume besar,
apalagi jika menggunakan modul hollow fiber dan kapiler.
Ringkasan distilasi membrane
Membrane Pori-pori simetris atau asimetris
Ketebalan 20 - 100 μm
Ukuran pori ≈ 0.2 - 1 μm
Driving force Perbedaan tekanan uap
Prinsip separasi Keseimbangan uap-cair
Material membran Hydrophobic (polytetrafluoroethylene, polypropylene)
Aplikasi Memproduksi pure water pada berbagai industri
Produksi air umpan boiler
Desalinasi air laut
Industri semikonduktor
Laboratorium
Menghilangkan VOC
Kontaminan pada air (benzene, TCE)
Produk fermentasi (etanol, butanol)
Senyawa aromatik
Kesimpulan
Referensi
Mulder, M. 1996. Basic Principles of Membrane Technology. 2nd edn. Kluwer Academic
Publishers, Dodrecht.
Tomaszewska, M. 2000. Membrane Distillation - Examples of Applications in
Technology and Environmental Protection. Polish Journal of Environmental Studies Vol. 9, No.
1 (2000), 27-36.
Wikipedia. The Free Encyclopedia. Membrane Distillation. (http://en.wikipedia.org/wiki/
Membrane_distillation). Diakses tanggal 18 Oktober 2013.