paper komplit spesial
TRANSCRIPT
STATUS REVIEW ON MEMBRANE SYSTEMS FOR
HYDROGEN SEPARATION
1. INTRODUCTION
Uni Eropa mendukung adanya proyek MIGREYD (Modular IGCC
Concepts for In-Refinery Energy and Hydrogen Supply) untuk memperkuat
teknologi IGCC yang fokus pada:
1. Konversi residu kilang minyak yang bernilai rendah menjadi energi yang
bersih dan lebih berguna.
2. Produksi hidrogen.
Peran utama proyek ECN ini adalah menganalisis dampak lingkungan
dari peningkatan IGCC pada kilang minyak. Tujuan utama dari WP3 (Work
Project) adalah pengurangan emisi CO2 dan penelitian tentang sistem membran
dalam pemisahan hidrogen. Tujuan pertama, yaitu pengurangan emisi CO2 dapat
dilakukan dengan co-gasificasi biomassa dan penerapan sistem SOFC dalam
proses IGCC. Wacana yang disajikan dalam makalah ini adalah tahap pertama
penggunaan membran untuk pemisahan hidrogen dari gas lainnya yang dihasilkan
dari siklus IGCC yang merupakan tujuan kedua dari WP3. Teknologi pemisahan
lainnya yang dapat digunakan adalah pressure swing adsorption (PSA) dan
pemisahan kriogenik yang keduanya tidak dibahas dalam makalah ini.
Makalah ini menjelaskan proses pemisahan gas hidrogen dengan teknologi
membran. Bab 2 memberikan penjelasan tentang membran yang meliputi
nomenklatur, definisi, mekanisme transportasi dan teknologi manufaktur.
Membran yang paling penting untuk proses pemisahan hidrogen dari refinery off-
gases dan pemisahan hidrogen dari syngas, campuran dari hidrogen dan karbon
monoksida dijelaskan dalam bab 3. Bab 4 memberikan pengantar rancangan
sistem membran. Bab 5 merupakan kesimpulan dari makalah ini.
1
2. MEMBRAN PEMISAHAN GAS
2.1 Pendahuluan
Membran adalah selaput yang memungkinkan terjadinya perpindahan
massa antara dua fase secara selektif dimana hanya komponen/ senyawa tertentu
yang dapat melewatinya. Hal inilah yang menjadikan membran sangat cocok
untuk memisahkan campuran suatu komponen baik berupa gas ataupun cairan.
Perkembangan membran diawali dengan proses pemisahan fasa cair yang
pertama kali dilakukan Nollet pada tahun 1748 menggunakan kandung kemih babi
sebagai membran. Membrane itu diletakkan di dalam cawan yang berisi wine dan
air. Air akan meresap melewati membrane sedangkan wine tidak (Mason, 1991).
Beberapa tahun kemudian, membran pemisahan gas mulai dikembangkan. Proses
pemisahan gas dengan membran dalam skala besar, pertama kali dilakukan pada
pertengahan 1940-an oleh Pemerintah Amerika Serikat untuk memisahkan isotop
UF6 sebagai bahan bakar nuklir. Membran pemisahan gas secara komersial
pertama kali diperkenalkan pada 1979-an dan dalam jangka waktu 10 tahun
berbagai membran pemisahan gas telah dikembangkan (Noble, 1995).
Dalam waktu 50 tahun terakhir telah terjadi perkembangan teknologi
membran yang sangat signifikan dan banyak diaplikasikan dalam kehidupan
sehari-hari. Sekarang ini, aplikasi penggunaan membran sangat beragam, mulai
dari reverse osmosis (untuk menghasilkan air bersih) hingga penyaringan mikro
(untuk menyaring bakteri).
Membran memiliki beberapa kelebihan antara lain (Mulder, 2000) :
secara umum membutuhkan energy yang tidak terlalu besar.
memungkinkan untuk melakukan proses pemisahan secara kontinyu.
kondisi proses tidak terlalu rumit.
Up scaling mudah.
tidak adanya aditif.
mudah dikombinasikan dengan teknologi pemisahan lainnya.
2
Selain memiliki kelebihan, membran juga mempunyai kelemahan yang
tergantung pada tipenya, antara lain:
kemungkinan terjadinya fouling.
tidak bisa digunakan dalam jangka waktu yang lama.
selektivitas rendah atau fluks.
Makalah ini hanya akan membahas membran pemisahan gas. Hal ini
disesuaiakn dengan aplikasi pemisahan hidrogen pada proyek Migreyd. Meskipun
kondisi di kilang dan IGCCS mungkin lebih ekstrim (dalam hal tekanan dan
suhu), hidrogen tidak akan dijumpai dalam bentuk cair maupun terlarut dalam
suatu cairan.
2.2 Klasifikasi Membran
Dari gambar di bawah ini, kita bisa mengetahui bahwa membrane
memiliki 2 sisi yaitu . Kedua sisi membran itu adalah feed side permeate side
(atau sisi hulu) permeate side (atau sisi hilir). Secara umum, feed side adalah arus
umpan sedangakn permeate side adalah arus yang keluar setelah melewati
membra dan retente merupakan arus yang tidak bisa melewati membran.
Gambar 1 Membrane unit nomenclature
Kinerja dan efisiensi membran biasanya dilihat berdasarkan dalam aliran
(atau fluks) melalui membran dan selektivitas membran terhadap campuran.
Selektivitas adalah ukuran untuk perbedaan permeabilitas (mudah tidaknya
spesies melewati membrane) dari komponen yang berbeda. Dengan kata lain,
selektivitas adalah efektivitas pemisahan membran. Faktor selektivitas αA / B dari
dua komponen A dan B dalam campuran didefinisikan sebagai:
α A /B
y A / yB
x A/ xB
……...……………………………...……………………....(2.1)
3
dimana yA dan yB adalah fraksi komponen A dan B pada permeate dan xA dan xB
adalah fraksi dari komponen A dan B pada feed. A dan B biasanya dipilih
sedemikian rupa sehingga faktor selektivitas lebih besar dari satu supaya terjadi
pemisahan. Semakin tinggi faktor selektivitas, membran menjadi lebih selektif.
Dua rasio penting lainnya untuk menggambarkan kinerja membran adalah
recovery dan volume reduksi. Recovery atau hasil (S) adalah bagian dari aliran
umpan yang melewati membran:
S=q p
q f
…...…………………………………………………...……….(2.2)
dimana qp adalah laju permeate dan qf adalah laju umpan. Volume reduksi (VR)
adalah rasio antara laju umpan mula-mula dengan laju aliran retentate:
VR=q f
qr ….………………………………………………………....... (2.3)
Membran dapat diklasifikasikan berdasarkan sifatnya. Salah satunya
adalah material yang digunakan untuk membuat membrane yaitu membran organi
dan anorganik. Membran organik terbuat dari polimer sedangkan membran
anorganik terdiri dari membran yang terbuat dari kaca, logam (termasuk karbon),
dan keramik (termasuk zeolit).
Berdasarkan struktur membran dan perpindahan material, membran dapat
diklasifikasikan menjadi membran berpori dan membran padat. Membran berpori
memungkinkan terjadinya perpindahan melalui pori-pori mereka, sedangkan
membran padat memungkinkan terjadinya perpindahan melalui sebagian besar
material.
Berdasarkan morfologi membran, membran dapat digolongkan menjadi
membran simetris dan asimetris. Membran simetris memiliki struktur homogen
sedangkan membran asimetris terdiri dari beberapa lapisan dengan karakteristik
yang berbeda. Selain beberapa jenis membran di atas, ada juga membran yang
terdiri dari berbagai lapisan bahan yang berbeda yang disebut membran komposit.
2.3 Mekanisme Pemisahan Gas
Ada 2 macam mekanisme pemisahan dengan membran, yaitu :
4
a. Membran padat (dense membrane) : melalui bulk material
Selektivitas tinggi, namun fluks rendah
b. Membran berpori (porous membrane) : Melalui pori-pori
- Pori-pori kecil : selektivitas tinggi, namun fluks rendah
- Pori-pori besar : fluks tinggi, namun selektivitas rendah
2.3.1 Mekanisme Pemisahan Membran Padat
Molekul gas diadsorpsi pada satu sisi membran, larut dalam
material membran, berdifusi melalui membran, dan diadsorpsi kembali
pada sisi lain dari membran.
Jika berdifusi dalam bentuk ion dan elektron atau atom, maka
molekul harus terpisah setelah adsorpsi kemudian bergabung kembali
setelah berdifusi melalui membran.
2.3.2 Mekanisme Pemisahan Membran Berpori
Ada 4 tipe mekanisme transportasi pada membran berpori, yaitu :
a. Knudsen (free molecule) diffusion
Selektivitas rendah dibanding surface diffusion dan capillary
condensation. Knudsen number (Kn) adalah rasio rata-rata jarak antar
tabrakan dengan skala panjang fisik.
Bila nilai Kn kecil, maka pori-pori besar, selektivitas rendah.
Kn < 1 mekanisme transportasi yang dominan adalah aliran
viskos yang non-selektif
b. Surface diffusion
Terjadi secara paralel dengan Knudsen diffusion. Molekul gas teradsorpsi
pada dinding pori-pori membran dan bermigrasi di sepanjang permukaan.
Surface diffusion meningkatkan permeabilitas komponen sehingga
menyerap lebih kuat ke pori-pori membran. Pada saat yang sama,
diameter pori berkurang sehingga selektivitas meningkat. Peristiwa ini
hanya terjadi pada temperatur dan diameter pori tertentu.
c. Capillary condensation
5
Kn= λL
Terjadi jika fase terkondensasi (sebagian) mengisi pori-pori membran.
Jika pori-pori membran terisi penuh oleh fase terkondensasi, hanya
spesies yang dapat larut dalam fase terkondensasi yang dapat terserap
melalui membran. Fluks dan selektivitas tinggi.
d. Molecular sieving
Digunakan jika ukuran pori cukup kecil (3,0 -5,2 ).
2.4 Teknik Manufaktur
Semua material, seperti keramik, kaca, logam atau polimer dapat
digunakan untuk membuat membran.Tujuannya adalah untuk memodifikasi
material teknik melalui teknik yang tepat untuk mendapat struktur membran
yang sesuai untuk pemisahan tertentu.
Beberapa teknik manufaktur untuk membuat membran pemisahan gas,
diantaranya :
a. Sintering / Pemanasan
Teknik ini melibatkan pengompresan powder dalam bentuk partikel dan
pembentukan solid dengan cara dipanaskan pada temperatur tertentu.
Ukuran pori : 0,1 sampai 10 μ m. Metode ini dapat digunakan untuk
bahan organik maupun anorganik. Cocok untuk material yang stabil
terhadap perlakuan kimia, suhu, dan mekanik.
Kekurangan : - hanya beberapa membran dapat dibuat dengan cara ini
- Porositas rendah (10 – 20%)
b. Stretching / Peregangan
Pada metode ini film yang terbuat dari polimer semikristal ditarik searah
dengan arah ekstrusi sehingga bagian kristal dari polimer terletak sejajar
dengan arah ekstrusi. Teknik ini hanya dapat digunakan untuk
memproduksi membran dari bahan (semi) kristal polimer.
c. Track-etching
Film ditembak dengan partikel radiasi berenergi tinggi pada arah tegak
lurus terhadap film kemudian merendam film dalam bak asam atau
basa,sehingga polimer akan terbentuk sepanjang lintasan. Ukuran pori
6
0,02-10 μ m. Porositas rendah (maksimum 10%). Metode ini umumnya
digunakan untuk bahan organik bahan, meskipun dapat digunakan untuk
sejumlah bahan anorganik juga.
d. Template leaching
Teknik ini dilakukan dengan melepas salahsatu komponen film
sehingga dihasilkan membranberpori. Melibatkan pemisahan sistem
menjadi 2 fase, yaitu fase yang larut dan fase tidak larut. Fase yang larut
dapat terlepas dengan penambahan asam atau basa. Ukuran pori : > 5 nm
(1 nm = 10-9 m)
e. Phase inversion / Inversi Fasa
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. Digunakan untuk
membuat membran berpori maupun tidak berpori.
f. Coating
Menghasilkan nilai fluk yang rendah. Untuk meningkatkan laju fluks,
maka ketebalan membran harus diperkecil dengan membentuk
membrankomposit. Coating dapat dilakukan dengan cara dip coating,
polimerisasi plasma, polimerisasi antarmuka, dan polimerisasi in-situ.
g. Sol-gel
Metode ini memungkinkan untuk membuat pori-pori dengan ukuran
nanometer untuk membran keramik. Pada metode ini,alkoksida
mengalami perubahan fase menjadi sol (koloid yang mempunyai padatan
tersuspensi dalam larutannya) dan kemudian menjadi gel (koloid tetapi
mempunyai fraksi solid yang lebih besar daripada sol). Kemudian gel
dikeringkan dan di-sintering / dipanaskan.
h. Chemical vapor deposition (CVD) / Deposisi uap kimia
7
Ukuran pori yang lebih kecil dapat diperoleh dengan densifikasi struktur
mesopori. Metode ini melibatkan deposisi internal pori-pori oleh
monolayer atau multilayer, pori memasukkan nanopartikel, pelapisan gel
polimer anorganik, dan konstriksi di lapisan atas dengan deposisi uap
kimia (CVD).
i. Physical vapor deposition (PVD)
Dalam proses ini, bahan padat dievaporasi dalam sistem vakum
menggunakan teknik fisik. Untuk mengurangi ketebalan, film
dikondensasi dan diendapkan pada substrat pendingin.
j. Alloy casting and rolling
Proses ini melibatkan pelelehan bahan baku pada suhu sangat
tinggi,casting ingot, homogenisasi pada suhu tinggi, penempaan panas
dan dingin, dan diikuti dengan cold rolling secara berulang sampai
diperoleh ketebalan yang diinginkan.
k. Electroless plating and electroplating
Electroless platingdidasarkan pada dekomposisi autocatalyzed garam
kompleks logam pada permukaan target. Dalam electroplating, substrat
bertindak sebagai katoda. Dalam bak pelapisan, logam atau paduan
dilapisi pada substrat.
l. Pyrolysis
Metode ini digunakan untuk silika dan karbon.
3. MEMBRAN SELEKTIF HIDROGEN
3.1. Pendahuluan
Untuk pemisahan hidrogen dari aliran gas, teknologi membran dapat
menjadi alternatif untuk PSA dan pemisahan kriogenik, tergantung pada skala dan
kemurnian produk stream yang diperlukan. Saat ini terdapat dua aplikasi
membran selektif hidrogen yang digunakan. Sejak tahun 1979 membran polimer
yang digunakan dalam industri amonia untuk pemurnian hidrogen dari off-gas dan
pada pertengahan tahun 1990-an aplikasi baru muncul: produksi hidrogen murni
dalam industri elektronik menggunakan membran paladium. Proyek skala kecil
8
yang sedang berjalan, untuk menunjukkan kelayakan teknis membran selektif
hidrogen dalam aplikasi lain, terlebih lagi dalam proses utama. Kedua kilang dan
IGCCs mungkin menjadi kandidat yang baik untuk aplikasi membran selektif
hidrogen, karena mereka memiliki aliran gas yang relatif kaya hidrogen.
Membran selektif hidrogen secara luas dapat dipisahkan menjadi empat
kategori: polimer (organik), logam, karbon dan keramik. Untuk waktu yang lama,
pengembangan lebih difokuskan ke dalam pengembangan membran polimer
daripada membran anorganik. Akibatnya membran polimer telah luas
diaplikasikan dan dapat dibeli dengan biaya yang relatif rendah. Namun demikian,
permintaan terhadap membran anorganik mulai meningkat dalam dekade terakhir.
Bahan anorganik dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dari membran
polimer dan umumnya memiliki stabilitas kimia lebih baik dibandingkan dengan
membran polimer. Keramik menjadi kelas utama membran anorganik (Mulder,
2000).
3.2. Membran Polimer
Membran polimer adalah membran jenis padat. Membran polimer dapat
dibagi lagi menjadi gelas (kondisi operasi pada suhu di bawah suhu transisi gelas)
dan karet (beroperasi pada suhu di atas suhu transisi gelas) membran polimer.
Membran gelas memiliki selektivitas relatif tinggi dan fluks rendah, sedangkan
membran karet mengalami peningkatan fluks tetapi selektivitas lebih rendah.
Keduanya biasanya diproduksi menggunakan metode inversi fasa.
Suhu operasi berkisar pada 90-100°C. Kelebihan dari membran polimer
adalah kemampuannya untuk mengatasi penurunan tekanan tinggi, biaya rendah,
dan skalabilitas yang baik. Sedangkan kekurangannya adalah ketahanan terhadap
bahan kimia tertentu yang terbatas seperti HCl, SOx, tetapi juga CO2, kekuatan
mekanik terbatas, dan kepekaan yang relatif tinggi untuk pemuaian dan
pemadatan. Membran polimer berada dalam stadium lanjut pembangunan.
Membran polimer untuk pemisahan hidrogen tersedia secara komersial dari
perusahaan penghasil gas seperti Air Produk, Linde, BOC dan Air Liquide.
9
3.3. Membran Logam
Jika hidrogen sangat murni diperlukan, membran logam padat mungkin
menjadi pilihan yang baik. Terutama paladium dan paladium paduan (hanya tipe
membran logam selektif hydrogen yang digunakan). Transportasi hidrogen
melalui membran yang terbaik dapat digambarkan melalui mekanisme difusi :
hidrogen diadsorbsi pada salah satu sisi membran, terbagi menjadi dua atom,
berdifusi melalui matriks logam, mengalami recombines dan desorbs pada sisi
permeat. Fluks yang terjadi adalah flux sedang. Untuk meningkatkan fluks (lihat
bagian 4.2) dan mengurangi biaya membran (biaya bahan paladium yang sangat
tinggi), lapisan tipis biasanya diletakkan di atas keramik atau logam berpori yang
digunakan. Jika membran paladium terkena hidrogen pada suhu yang lebih
rendah, bisa menyebabkan kerusakan yang serius, karena hidrogen dapat terkunci
di dalam paladium. Hal ini akan menyebabkan tekanan pada membran,
meningkatkan kemungkinan kegagalan membran. Solusi untuk masalah ini adalah
melapisi paladium dengan unsur lain seperti perak atau tembaga. Kondisi operasi
membran paduan paladium berada pada kisaran 300-600°C. Kelemahan utama
membran paladium adalah kepekaan terhadap bahan kimia yang tinggi seperti
belerang, klorin dan bahkan CO. Bahan kimia ini dapat mengurangi fluks
hidrogen efektif sebesar 20% bahkan 100%. Meskipun banyak pengembangan
membran paladium, ketersediaan bahan secara komersial masih terbatas. (Delft et
al. 2003).
3.4. Membran Karbon
Terdapat dua jenis membran karbon, yang menerapkan mekanisme
transportasi yang berbeda: molekuler pengayakan dan membran difusi
permukaan. Membran pengayak molekul cukup menjajikan, baik dari segi sifat
pemisahan (termasuk flux dicapai) dan kestabilan, tetapi belum tersedia secara
komersial pada skala besar. Ukuran pori berada dalam ukuran H2-molekul.
Mempunyai selektivitas pada kisaran 4-20.
Membran karbon dapat digunakan dalam non-pengoksidasi lingkungan
dengan suhu pada kisaran 500-900°C. Kelemahan dari membran karbon adalah
10
rapuh dan karena itu sulit digunakan jika permukaan membran menjadi lebih
besar. Selanjutnya, harga membran karbon masih tinggi dan mencari kondisi
produksi yang optimal masih perlu dikembangkan.(Delft et al., 2003).
3.5. Membran Keramik
Membran keramik dibuat dari kombinasi logam dengan non logam dalam
bentuk oksida, nitrida atau karbida. Membran keramik dapat berupa pori atau
padat. Membran keramik berpori umumnya memiliki struktur dua lapisan:
membran pemisahan itu sendiri dan lapisan yang lebih tebal atau disebut lapisan
berpori. Membran pemisahan biasanya dibuat dari alumina, zirkonia, titania, atau
silika. Tergantung pada komponen yang akan memisahkan selektivitas, dapat
mencapai nilai sampai dengan 140. Fluks hidrogen melalui membran cukup
menjanjikan. Suhu operasi untuk membran keramik berpori berada dalam kisaran
200-600°C. Pengembangan membran berpori pada tahap awal dan pemisahan gas,
diukur hanya beberapa sentimeter persegi di atas permukaan. Sampel tubular 20-
90 cm telah dibuat tetapi pengukuran di bawah kondisi operasi menunjukkan
bahwa ada banyak masalah yang harus diselesaikan sebelum teknologi ini dapat
diterapkan. Salah satu masalah adalah stabilitas dalam atmosfer yang mengandung
uap. stabilitas ini dapat ditingkatkan dengan memodifikasi membran silika dengan
gugus metil (Delft et al., 2003).
Dalam membran keramik padat, yang disebut proton atau pertukaran
proton membran, hidrogen diangkut dalam fase padat sebagai ion (proton).
Material yang dipilih adalah SrCeO3-δ dan BaCeO3-δ. Suhu operasi berada di
kisaran 600-900°C. Beberapa sumber menyebutkan suhu operasi sebesar 1000°C
(Shah, Drnevich & Balachandran, 2000), tapi tidak ada hasil percobaan pada suhu
di atas 900°C yang telah diumumkan. Temperatur yang tinggi (sekitar 900°C)
dibutuhkan untuk mencapai fluks yang diinginkan. Kestabilan terhadap senyawa
tertentu (misalnya, CO2, H2S) menjadi perhatian utama. Membran ini masih
dalam tahap awal pengembangan.
11
Secara umum, membran keramik masih memerlukan pengembangan yang
cukup besar dan pengujian adalah. Demonstrasi kelayakan teknologi skala-up
diperlukan (Delft et al., 2003).
3.6. Kaca membran (Glass membranes)
Kaca membran sebenarnya tidak terlalu penting untuk pemisahan
hydrogen karena selektivitasnya yang rendah. Kaca membran memilki pori – pori
dan berdasarkan ukurannya dibagi menjadi kaca membran berpori mikro (mikro
membrane dengan pori-pori di bawah 2 nm) dan mesopori (pori-pori 2-5 nm).
Mikro membrane berpori memiliki selektivitas yang lebih tinggi pada fluks yang
lebih rendah. Kedua jenis membran ini biasanya dihasilkan dari silika
menggunakan proses pencucian. Mikro membrane dan mesopori dapat digunakan
pada kisaran suhu 400-500°C. Vycor kaca membran telah tersedia secara
komersial.
3.7. Perbandingan membran
Berdasarkan suhu operasinya, membran dibagi menjadi :
1. Untuk suhu mencapai 100°C hanya padat polimer membran dapat digunakan.
2. Untuk suhu antara 200° C (atau 300°C) dan 600°C logam padat atau mikro
membran keramik berpori dapat digunakan.
3. Untuk temperatur antara (500°C atau) 600°C dan 900°C karbon berpori dan
membran keramik padat cocok.
12
Tabel 2: Sifat-sifat membran selektif hidrogen yang relevan
Polimer padat Keramik berpori mikro Metalik padat Karbon berpori Keramik padat
Rentang
suhu<100oC 200-600oC 300-600oC 500-900oC 600-900oC
Selektivitas H2 rendah 5-139 > 1000 4-20 >1000
H2 fluks
(10-3 mol/m2s) pada
∆P = 1 bar
rendah 60-300 60-300 10-200 6-80
Stabilitas masalah
pembengkakan,
pemadatan, kekuatan
mekanis
Stabilitas dalam air
(H2O)Fase transisi
Rapuh, mengalami
oksidasi
Stabilitas dalam air
(CO2)
Perumusanmasalah HCl, SOx, (CO2) H2S, HCl, COKuat menyerap uap,
organikH2S
Bahan Polimersilika, alumina,
zirkonia, titania, zeolitCampuran palladium karbon
proton
yang mengkonduksi
keramik (terutama
SrCeO3-δ, BaCeO3-δ)
13
Mekanisme
transportasidifusi Pengayakan molekuler difusi
Difusi permukaan;
pengayakan molekuler
Difusi (konduksi
proton)
Status
perkembangan
Telah dipasarkan oleh
Air Products, Linde,
BOC, Air Liquide
Prototype tubular silica
membrane tersedia
sampai 90 cm. bahan
lain hanya sampel
kecil
Telah dipasarkan oleh
Johnson Matthey;
prototype selaput
tabung tersedia sampai
60 cm
Modul selaput kecil
komersial,
kebanyakan sampel
kecil (cm2) yang
tersedia untuk
pengujian
Sampel kecil tersedia
untuk pengujian
14
4. DESAIN SISTEM MEMBRAN
4.1. Pendahuluan
Titik terkuat sebuah membran adalah fleksibilitasnya. Sejumlah variabel
dapat dipilih untuk mendapatkan desain yang optimal. Pada saat yang sama, sifat
yang fleksibilitas sangat sulit untuk memberikan sistem desain membran yang
manual. Langkah pertama dalam sistem desain membran adalah memilih aliran
umpan untuk dipisahkan. Sifat aliran ini (suhu, tekanan, komposisi), bersama
dengan pertimbangan biaya, menentukan membran yang akan digunakan. Pilihan
berikutnya adalah bentuk modul apa yang akan digunakan. Modul adalah unit
praktis terkecil yang berisi penentuan luas membran dan setiap struktur
pendukung. Untuk setiap bentuk membran modul tertentu tersedia secara
komersial. Jika diinginkan bentuk yang lain, modul ini perlu dirancang dan
diproduksi khusus untuk aplikasi ini, sehingga menyebabkan biaya yang tinggi.
Selain biaya, faktor lain yang mempengaruhi pilihan bentuk modul adalah
tekanan operasi dan fouling (terutama konsentrasi polarisasi).
Setelah bentuk modul dipilih, sistem membran secara keseluruhan dapat
dirancang. Di antara modul dan system tingkatan adalah tingkat tahapan.
Tahapan dibentuk dengan satu atau lebih modul membran yang dirakit menjadi
unit operasi yang menyediakan fungsi yang spesifik berbeda dari membran pada
tahap yang lain yang dapat dimanfaatkan dalam proses yang sama. Sistem desain
adalah penggabungan beberapa tahapan dengancara yang optimal.
Beberapa keterbatasan sistem satu tahap dapat diatasi dengan menggunakan
multi stage sistem. Jika terjadi reaksi kimia di dalam sistem membran ini disebut
membrane reaktor.
4.2. Menghitung fluks permeat membranuntuk pemisahan gas
Untuk arus yang diberikan dan sifat membran fluks permeat dari berbagai spesies
melalui membran dapat dihitung menggunakan rumus berikut:
15
J x=Pt( px ,feed
n −px, permeaten ) ………………………………………………(4.1)
Dimana:
Jx : Permeate flux x (mol/(m2s));
P : Permeabilitas (mol/(msPan));
t : ketebalan membrane (m);
px, feed : tekananparsial x pada sis iumpan (Pa);
px, permeate : tekananparsial x pada sisi permeat (Pa);
n : eksponen tekanan parsial (-)
Permeabilitas P dan tekanan parsial eksponen n dalam persamaan ini tergantung
pada asumsi mekanisme transportasi. Eksponen tekanan parsial ditemukan
biasanya antara 0,5 dan 2. Untuk membran berpori nilai 1 pada umumnya
digunakan pada perhitungan sejak mekanisme transportasi utama adalah difusi
Knudsen untuk membran mesopori dan pengayak molekul untuk mikro membran
berpori. Jika n = 1 persamaan (4.1) disebut hukum Fick. Untuk difusi hydrogen
berlaku hokum logam Sievert dengan n = 0,5. Persamaan ini menunjukkan bahwa
peningkatan ketebalan membran menghasilkan penurunan proporsional dalam
fluks. Bagian terakhir dari persamaan di atas dengan jelas menunjukkan bahwa
kekuatan pendorong untuk permeasi gas adalah perbedaan tekanan parsial atas
membran, semakin besar perbedaan ini, semakin besar fluks. Tekanan parsial
didefinisikan sebagai fraksi mol dari logam kali tekanan absolut:
px=nx . p…...…………………………………………………………………(4.1)
Dengan demikian, perbedaan tekanan parsial dapat ditingkatkan dengan
meningkatkan perbedaan tekanan absolute pada membran serta perbedaan relatif
dalam fraksi mol logam pada membran.
4.3 Desain Modul Membran Saat Ini
Blok bangunan dari sistem membran disebut modul. Modul dibagi berdasarkan
dua jenis konfigurasi membran: lembaran dan tubular. Modul jenis membran
lembaran disusun ke dalam bentuk pelat (plate-and-frame) dan modul spiral
(spiral-wound). Modul jenis membran tubular dibagi menjadi tubular, kapiler,
16
dan modul hollow fiber. Perbedaan utama diantara ketiganya adalah
dimensi: membran tubular memiliki diameter lebih dari 10 mm,
membran kapiler memiliki diameter antara 10 mm dan 0,5 m, dan membran
hollow fiber memiliki diameter kurang dari 0,5 mm.
Gambar 3 Schematic drawings of plate-and-frame modules
Gambar 4 Modul membran Plate and Frame (Coulson and Richardson, 2002)
Modul Plate-and-frame
Modul plate-and-frame disusun dengan menempatkan membran lembaran sejajar
satu sama lain, seperti sandwich. Plate spacer memisahkan arus umpan yang
mengalir di sekeliling membran-membran yang berbeda pada modul dan memiliki
rangkaian disk anular dengan diameter luar 0,3 m ditempatkan setiap sisi
plate yang berfungsi sebagai tempat membran. Luas permukaan untuk satu modul
sebesar 19 m2. Densitas packing (yaitu, luas permukaan membran per
volume module) sekitar 100-400 m2/m3.
17
Gambar 5 Modul Membran Spiral Wound
Modul Spiral-wound
Modul spiral-wound adalah modul yang terdiri dari beberapa lembaran datar
tergulung spiral (seperti gulungan sandwich, lihat Gambar 4). Modul ini
berdiameter 0,1 m, panjang 0,9 m dan luas permukaan sebesar 5 m2. Aliran umpan
mengalir melalui silinder pada arah aksial, sedangkan permeat mengalir
radial terhadap pusat silinder. Densitas packing pada modul spiral-wound lebih
tinggi daripada packing dencity plate-dan-frame modul (sekitar 300-1000 m2/m3),
tapi sangat bergantung pada tinggi saluran.
Gambar 6 Schematic picture of a tubular module
Modul Tubular
Pada modul dengan tipe modul tubular masing-masing membran ditempatkan
dalam suatu porous pipa stainless steel, keramik, atau plastik dengan
diameter pipa lebih besar dari 10 mm kemudian 4 sampai 8 pipa disusun
bersama. Umpan mengalir melalui bagian tengah membran dan permeat melintasi
18
membran, kemudian mengalir dalam pipa yang lebih besar. Densitas packing
maksimal adalah sekitar 300 m2/m3.
Gambar 7 schemes of capillary modules
Modul Kapiler
Modul kapiler mempunyai densitas packing 600-1200 m2/m3, dengan dua tipe
susunan modul yang dapat digunakan berdasarkan feed yang masuk yaitu outside
in dan inside-in. Aliran umpan dapat mengalir melalui lubang kapiler, dan
permeat keluar dari samping membrane (skema kiri), tapi umpan juga
dapat dialirkan melalui kapiler luar dengan menembus lubang membran.
Gambar 8 Outside-in hollow fibre configuration for gas separation
Modul Hollow Fiber
Modul hollow fiber merupakan susunan ikatan – ikatan fiber dengan diameter
0,1-2,0 mm yang tersusun dalam sebuah pipa. Modul hollow fiber mempunyai
densitas packing 30000 m2/m3, keuntungan menggunakan modul ini yaitu
19
kemampuannya dalam hal backflushing sehingga memudahkan dalam
pencucian, dalam system ultrafiltrasi kecepatan aliran modul hollow fiber
berkisar antara 0,5 – 0,25 m/det.
Modul ini efektif untuk pemisahan dengan luas pemukaan besar untuk volume
yang kecil. Modul hollow fiber sebaiknya digunakan ketika aliran umpan relatif
bersih. Karena dengan diameter lubang yang kecil, kerugian tekanan relatif
tinggi. Dengan memilih tekanan outside-in' kerugian yang terjadi di
dalam fiber dapat dikurangi, dan luas permukaan membran tinggi dapat dicapai.
4.4 Single stage membrane processes
Proses membrane yang paling sederhana ialah single membrane processes.
Satu tahap terdiri dari satu membran atau lebih yang tergabung menjadi satu unit
operasi yang memiliki fungsi spesifik, walaupun dalam sebuah proses yang sama.
Gambar 9 Simple membrane set-up
Pada umumnya, operasi membrane dapat dikelompokkan menjadi 2 suboperasi,
yaitu dead-end dan cross flow. Operasi dead-end terjadi bila tidak ada aliran
retentate, jadi feed hanya bisa keluar melalui membrane. Walaupun memiliki
recovery tinggi, proses ini jarang digunakan karena akan banyak terbentuk
retentate pada feed sehingga menyebabkan terjadinya polarisasi konsentrasi. Hal
ini menyebabkan berkurangnya permeat pada feed dan dapat mengurangi driving
force untuk melalui membrane. Sebaliknya, metode cross flow banyak digunakan.
Pada metode ini ada beberapa aliran mengalir di samping membran. Pengontrolan
terhadap penurunan fluks membrane juga dibatasi. Pada umunya, ada 4 tipe dalam
metode cross flow, yaitu:
co-current;
counter-current;
cross-flow with perfect permeate mixing;
perfect mixing.
20
Gambar 10 Comparison co-current, counter-current, perfect permeate mixing
and perfect mixing set up
Pada tipe co-current, laju feed dan permeat mengalir dengan arah yang
sama. Pada tipe counter-current laju feed dan permeat mengalir dengan arah
berlawanan. Pada tipe perfect permeate mixing, permeat dicampur dengan feed di
sepanjang membrane. Pada tipe perfect mixing, permeat dicampur dengan feed
dengan perbandingan 1:1.
Pada tipe co-current, driving force awalnya sangat besar, namun semakin
berkurang saat terjadi peresapan. Apabila dipilih membrane yang cukup besar,
tekanan parsial pada kedua sisi menjadi hampir sama. Sehingga, efisiensi dari
21
membran berkurang seiring dengan luas permukaan membran yang semakin
membesar. Pada tipe counter-current, tekanan parsial permeat semakin berkurang
menuju keluaran unit, sehingga menyebabkan driving force yang besar pada
keluaran unit. Pada tipe perfect permeate mixing, tekanan parsial permeat selalu
sama di sepanjang membran. Apabila luas permukaan membran cukup besar, akan
menyebabkan tekanan parsial retentate mendekati tekanan parsial permeat. Pada
tipe perfect mixing, tekanan parsial pada feed dan permeat selalu konstan di setiap
titik pada membran. Sehingga driving forcenya juga konstan. Namun pada
umumnya, tipe counter-current lah yang dapat memiliki hasil terbaik, diikuti tipe
permeate mixing dan tipe co-current. Sedangkan hasil paling jelek ialah tipe
Perfect mixing (Mulder, 2000).
Gambar 11 Single stage membrane process with feed flow compression
Selain dari macam-macam tipe aliran, terdapat banyak sekali variabel
yang dapat diatur untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Contohnya pada
gambar 10, kompresi pada feed akan meningkatkan penurunan tekanan, dan juga
driving force pada seluruh membran. Sehingga recovery produk akan meningkat.
Proses kompresi ini akan menambah total biaya, namun akan mengurangi produk
yang hilang dalam skala membran yang kecil dan berbiaya rendah. Hasil akhir
dari efek biaya ini tergantung pada berbagai situasi yang berbeda.
Gambar 12 Single stage membrane process with permeate vacuum
Cara lain untuk meningkatkan penurunan tekanan pada membrane ialah
dengan cara mengurangi tekanan permeat hingga vakum. Keuntungan dari metode
22
ini adalah aliran yang dikompresi dengan pompa vakum lebih rendah dari aliran
feed.
Gambar 13 Single stage process with permeate dilution by means of sweep
flow
Seperti yang telah dijelaskan pada bab 4.2, tekanan parsial pada membran
dapat dipengaruhi dengan memperbesar penurunan tekanan absolute membran
(misalnya dengan kompresi pada feed atau memvakumkan permeat), juga dengan
mengganti komposisi antara aliran feed dan permeat. Namun hal ini dapat
menambah total biaya untuk menyediakan sweep flow.
Gambar 13 Single stage membrane process with recycle
Adapun, aliran retentate atau permeat juga dapat direcycle sebagian. Hal
ini dapat memberpesar recovery produk dan membuat pengaturan lebih fleksibel.
Terutama pada aliran yang berpolusi dan terjadi polarisasi konsentrasi.
Sehingga dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
Penurunan kebutuhan luas area membran dan peningkatan recovery produk
sebanding dengan kenaikan penurunan tekanan pada membrane.
Tekanan absolute permeat (atau rasio tekanan) merupakan hal yang sangat
penting. Semakin tinggi rasio tekanan akan mempermudah proses pemisahan.
Penurunan tekanan tidak mempengaruhi kinerja dari membran.
Peningkatan luas area membran mengakibatkan peningkatan kemurnian
residue namun mengurangi kemurnian permeat.
23
Recovery produk akan menurun drastis sebanding dengan peningkatan
kebutuhan kemurnian.
4.5 Proses Membran Multi Stage
Untuk meningkatkan kinerja system membran, maka dapat dibuat system
membrane multistage. Sistem ini biasanya membutuhkan peralatan tambahan
yang biayanya relatif kecil.(Noble,1995)
Gambar 14. Two-Stage Membrane Process as Simple Spilt Up of Single Stage
Process
Dalam keadaan tertentu , split up membran single stage menjadi dua stage
akan lebih menguntungkan. Walaupun aliran akhir permeate pada gambar 14 tidak
akan berbeda dari aliran permeate system single stage sebelum spilt up, aliran
permeate yang terpisah dari kedua unit membrane akan berbeda( bisa sangat
berbeda). Perbedaan ini dapat digunakan jika aliran digunakan untuk berbagai
tujuan.
Kebanyakan sistem membran multi stage menggabungkan beberapa jenis
daur ulang untuk meningkatkan pemisahan produk dan recovery(pemulihan). Dari
segi membrane, desain ini mudah diterapkan,tetapi memerlukan kompresi untuk
aliran . Kompresi gas mahal,namun recycle umumnya meningkatkan efisiensi
proses secara keseluruhan(Noble,1995)
24
Gambar 15. Two-Stage Membrane Process with Permeate Recycle
Proses yang ditujukkan pada Gambar 15 dapat digunakan untuk
meningkatkan pemulihan produk. Membran unit pertama menghasilkan permeate
dengan kemurnian produk yang diinginkan,namun retentate masih mengandung
fraksi produk yang diinginkan dalam jumlah yang relative besar. Oleh karena itu,
membran unit kedua digunakan untuk mengambil kembali produk yang
diinginkan dari aliran retante. Karena kemurnian permeate pada membrane unit
kedua dianggap terlalu rendah, maka permeate ini akan di daur ulang ke aliran
umpan masuk.
Gambar 16. Two-Stage Membrane Process with Cascade
Membran multi stage yang popular adalah Cascade(Gambar 16). Pilihan
ini sangat berguna jika membrane pertama tidak dapat menghasilkan permeate
dengan kemurnian yang diinginkan. Permeate ini kemudian diteruskan ke unit
membrane kedua. Retentate dari unit kedua dapat direcycle untuk
pemulihan( recovery) produk. Karena sifatnya yang fleksibel maka system
membran ini banyak digunakan di industri.
4.6 Reaktor Membran.
Keuntungan penting dari membran adalah selektif untuk menyerap
spesies yang terjadi dalam reaksi kesetimbangan. Jika tidak ada membran, untuk
menggeser reaksi ke sisi produk maka suhu harus disesuaikan dan / atau spesies
reaktan ditambahkan. Dari segi efisiensi system,kedua opsi ini sering tidak
25
menguntungkan.Dengan adanya membrane maka proses reaksi akan lebih efisien,
karena membran selektif dalam mengambil produk reaksi, sehingga menggeser
kesetimbangan ke sisi produk.Jika reaksi kimia yang dilakukan (pada skala yang
cukup besar) dalam modul membran, sistem ini disebut reaktor membran. Reaksi
yang terjadi pada modul membrane akan mempersulit rancangan modul. Reaksi
dapat mengakibatkan perubahan komposisi yang besar, hal ini akan
mempengaruhi operasi membran melalui perubahan tekanan parsial atau
pembentukan / penipisan kontaminan.
Untuk reaksi yang terjadi dalam suatu modul membran, diperlukan katalis
. Katalis-katalis ini ditampung di dalam reaktor membran. Tiga jenis pengaturan
yang ditemukan untuk mencapai hal ini (Mulder, 2000):
· Katalis ditempatkan di dalam aliran umpan masuk;
· Katalis ditempatkan dalam lapisan atas membran;
· Katalis ditempatkan di dalam membran itu sendiri.
Pengaturan katalis yang paling sederhana adalah pilihan pertama:
ditempatkan di dalam aliran umpan, karena mudah untuk
memprsiapka,mengoperasikan dan katalis dapat dengan mudah diganti. Jika
katalis ditempatkan dalam lapisan atas membrane atau di dalam membran itu
sendiri, menggantikan katalis yang terlibat biasanya berarti mengganti membran
secara lengkap.
Masalah yang paling penting dari sebuah reaktor membrane adalah
menyeimbangkan panas. Reaksi biasanya dipengaruhi suhu, baik endotermis atau
eksotermik. Jika reaksi terjadi pada beberapa saat yang sama mereka secara kasar
dapat menyeimbangkan satu sama lain termal.Namun, lebih mungkin bahwa akan
ada kebutuhan untuk pertukaran panas. Hal ini dapat menempatkan kendala besar
pada desaain reaktor membran. Misalnya, dalam kasus reaktor membran
pembentukan metana diperlukan panas yang bsar, karena reaksi pembentukn
adalah reaksi endotermis. Untuk memasukkan panas ke tempat di mana reaksi
harus berlangsung (dekat membran pengambilan hidrogen) adalah masalah yang
rumit. Aplikasi potensial dari reactor membran sudah banyak, tetapi aplikasi
komersial terhalang oleh keterbatasan praktis seperti faktor pemisahan rendah,
26
kebocoran pada suhu tinggi, keracunan katalis dan keterbatasan perpindahan
massa (Mulder, 2000).
4.7 Beberapa masalah praktis
Kinerja membran umumnya menurun seiring berjalannya waktu.
Fenomena ini dapat disebabkan oleh polarisasi konsentrasi dan fouling. Polarisasi
konsentrasi terjadi karena terbatasnya permeasi dari senyawa tertentu. Polarisasi
konsentrasi bukan merupakan masalah yang sangat berat untuk gas separation
membranes. Jika polarisasi konsentrasi tidak terjadi, aliran turbulen dapat
dinaikkan dalam aliran gas yang bersinggungan langsung dengan membran untuk
meminimalkan efek negatif. Penurunan fluks akibat polarisasi konsentrasi
umumnya konstan dari waktu ke waktu.
Fouling dikatakan terjadi ketika senyawa tertentu terserap pada permukaan
membran (juga dalam pori-pori), membatasi atau bahkan memblokir permeasi.
Contoh dari membran fouling adalah belerang yang mengandung senyawa seperti
H2S dan SO2. Untuk mengurangi dampak fouling, membran dapat dibersihkan
dengan memanaskan dan membersihkan dengan non-adsorbtion gasesI. Partikel -
partikel kecil dapat dikeluarkan dari aliran umpan menggunakan filter.
Kerusakan membran juga dapat disebabkan oleh pemadatan, yaitu
pengurangan ukuran pori, karena pemberian tekanan. Fenomena ini terjadi pada
membran polimer dan biasanya ireversibel: paling sering ukuran pori tidak
kembali ke nilai aslinya ketika tekanan diturunkan.
Untuk mendapatkan desain yang optimal, pertimbangan – pertimbangan
lainnya ikut dipertimbangkan. Salah satunya adalah efek dari tegangan termal
pada integritas struktural. Jika variasi suhu terjadi, beberapa bagian dari sistem
dapat mengalami berbagai tingkat ekspansi. Jika tidak ada ruang untuk
mengakomodasi perbedaan-perbedaan dalam ekspansi, sistem dapat rusak parah.
Selanjutnya, penurunan tekanan unit membran (bukan membran itu sendiri) secara
langsung sebanding dengan panjang modul. Untuk mengurangi penurunan
tekanan, akan lebih menguntungkan jika menerapkan modul yang lebih pendek.
27
Isu lain yang harus dipertimbangkan adalah kemudahan dalam
menghidupkan dan mematikan unit. Sebuah sistem desain perlu mengakomodasi
efek ini.
5. KESIMPULAN
Walaupun ada kompetisi dari teknologi pemisahan lainnya, seperti Press
Swing Adsorbtion (PSA) dan pemisahan kriogenik, sistem membran untuk
pemisahan gas telah menaikkan minat selama setengah abad terakhir. Saat ini
jumlah aplikasi dari hydrogen selective membrane masih terbatas pada dua, dan
kedua aplikasi tersebut bukan merupakan bagian penting dari proses tersebut. Dua
aplikasi tersebut adalah pemulihan hidrogen dari off-gas dalam industri amonia
dan produksi hidrogen murni dalam industri elektronik. Penelitian yang sedang
terjadi, dimaksudkan untuk menerapkan hydrogen selective membrane dalam
bagian penting dari proses.
Ada beberapa hydrogen selective membrane, dengan rentang operasi
masing-masing, dalam hal suhu dan komposisi aliran. Sifat aliran umpan yang
akan dipisahkan menjadi suatu titik awal untuk memilih jenis membran yang
sesuai. Untuk suhu di bawah 100 ° C, hanya membran polimer padat yang dapat
digunakan; pada kisaran suhu antara 200 dan 600 ° C, membran logam padat atau
membran keramik berpori mikro yang dapat digunakan, dan dalam kisaran suhu
antara 600 ° C dan 900 ° C, membran karbon berpori dan membran keramik padat
yang paling cocok. Kegunaan membran ini masih terbatas oleh kepekaan terhadap
spesies tertentu dan biaya. Selain itu, status pengembangan membran ini
bervariasi.
Setelah jenis membran dipilih, modul membran dapat dipilih atau didesain
dengan mengambil pertimbangan seperti manufakturabilitas, pemeliharaan,
pengoperasian, efisiensi, kerusakan membran, dan biaya. Saat ini ada lima jenis
modul,modul plate and frame dan spiral wound, berdasarkan membran datar,
dan tubular, modul kapiler dan serat berongga, berdasarkan membran tubular
geometri. Umumnya, untuk pemisahan gas harga modul bergantung sebagian
besar pada aplikasi khusus (feed tekanan, suhu, dll). Khususnya untuk aplikasi
28
suhu tinggi dan tekanan untuk mendapatkan kemasan dengan densitas tinggi.
Penerapan modul serat berongga lebih disukai daripada modul kapiler dan spiral
wound.
DAFTAR PUSTAKA
http://eprints.undip.ac.id/16669/3/Laporan_Skripsi_Penelitian_Membran.pdf
http://jurnal.unimus.ac.id/index.php/psn12012010/article/view/134/115
29
30