TEKNOLOGI MEMBRAN TKK 494 / 2 SKS

TEKNOLOGI MEMBRANTKK 494 / 2 SKSMuslikhin Hidayat, ST., MT., Ph.D.Sang Kompiang Wirawan, ST, MT, PhDPENDAHULUANReferensi utama:Mulder, M.,1996, Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publisher, Netherlands.Berbagai referensi online di internetPenilaian :Tugas: 20%USIP: 40%UAS: 40%Materi PembelajaranPendahuluanProses pemisahan Pengenalan tentang definisi dan proses membranProses membranBahan dan sifat-sifat bahanPolimer dan sifat-sifatnyaTermal and chemical stabilityMechanical propertiesMembrane polymersInorganic membranesBiological membranesMateri Pembelajaran3. Cara-cara pembuatan membranPhase inversion membranesPengaruh beberapa parameter pada morfologi membran Inorganic membranes4. Karakteristik membranKarakteristik umum membranKarakteristik membran berporiKarakteristik membran Ionik.Karakteristik membran tak berpori

Materi Pembelajaran5. Proses membranOsmosisProses membran dengan driving force nya adalah tekananProses membran dengan driving force nya adalah konsentrasi Proses membran dengan driving force nya adalah panas Proses membran dengan driving force nya adalah energi listrik Membrane contactors6. Fenomena polarisasi dan foulingPolarisasi konsentrasiTurbulence promotersPressure dropPolarisasi suhuMembrane foulingMetoda untuk mengurangi foulingMateri Pembelajaran7. Modul dan process designModul: Plate and frame model, spiral, tubular, capillary and hollow fiberPerbandingan dari konfigurasi modulReverse osmosisUltrafiltrasiPervaporasiGas separation and vapor permeationDialysis

Tahun 1681 Maxwell membuat istilah sorting demon bersamaan dengan diumumkannya hasil eksperimen dialisis yang pertama menggunakan membran sintetis oleh Graham.Sorting demon ini dapat membedakan dan memisahkan molekul-molekul panas (H) dan dingin (C)

Proses Pemisahan

BAB I PENDAHULUANAnggaplah ada sebuah bejana dibagi menjadi dua bagian yaitu A dan B dimana diantara keduanya dihubungkan dengan sebuah lubang kecil.Pada lubang tersebut terdapat demon yang bisa dibuka dan ditutupMula-mula bagian A diisi oleh gas yang mengandung molekul panas (H) dan molekul dingin (C)H dan C masing masing mempunyai kecepatan rata-rata yang berbedaH mampu melewati demon sedangkan C tidakSetelah waktu tertentu H dan C terpisah dengan sempurna seperti yang terlihat digambar 1-bKondisi ini bermula dari ketidakteraturan (campuran) menuju ke teraturan (terpisah). Hal ini bertentangan dengan hukum termodinamika II.Hukum termodinamika II mengatakan bahwa suatu sistem akan cenderung mengalami peningkatan entropi, sebuah sistem berusaha mencapai kondisi ketidakteraturan yang maksimumKemudian anggaplah ada sebuah membran diantara dua bagian bejana A dan B, bagian A diisi dengan isomeric mixtureSebagai pengganti demon, kita berikan driving force pada kedua isomer tersebut.Membran bisa membedakan kedua isomer tersebut berdasarkan perbedaan ukuran, bentuk atau struktur kimia dan terjadilah pemisahan dari kedua isomer tersebutNamun membran tidak akan mampu memisahkan kedua isomer tersebut dengan sempurnaKedua contoh diatas sebetulnya tidak sebanding karena membran itu real sementara demon itu imajinatif.Pada pemisahan dengan menggunakan membran kita memasukkan energi berupa kerja atau panas sementara pada demon, dianggap molekul memisah sendiri tanpa ada energi yang masukSecara prinsip, proses pemisahan campuran memerlukan energi sebesar perbedaan jumlah entalpi komponen pada keadaan murni dengan entalpi pada keadaan bercampur, secara matematis dituliskan sbb:

Dalam prakteknya, energi yang dibutuhkan untuk memisahkan suatu campuran lebih besar beberapa kali energi minimum yang diperlukan (Wm)Sebagai contoh adalah produksi fresh water dari air laut, dapat diperoleh dengan berbagai macam proses separasi.Distilasi, panas diberikan ke larutanFreezing, larutan didinginkan sehingga diperoleh es murniReverse Osmosis, larutan ditekan sehingga air dapat melewati membran sedangkan garamnya tertahan.ElectrodialysisDistilasi Membran

Physical/Chemical PropertySeparation ProcessSizeFiltration, microfiltration, ultrafiltration, dialysis, gas separation, gel permeation chromatographyVapor PressureDistillation, membrane distillationFreezing pointCrystallisationAffinityExtraction, adsorption, absorption, reverse osmosis, gas separation, pervaporation, affinity chromatography ChargeIon exchange, electrodialysis, electrophoresis, diffusion dialysisDensityCentrifugationChemical NatureComplexation, carrier mediated transportTabel 1. Proses pemisahan berdasarkan sifat fisis dan kimiaBagaimana suatu proses pemisahan dipilih sebagai cara untuk memisahkan problem yang ada?Karena banyak faktor yang berpengaruh dalam suatu proses pemisahan dan umumnya tidak spesifik ke suatu proses saja. Ada dua kriteria yang bisa diaplikasikan ke semua proses pemisahan yaitu:Proses pemisahan harus feasibel secara teknikProses pemisahan harus feasibel secara ekonomiKriteria pertama menjadi landasan untuk kriteria kedua, akan tetapi kriteria kedua juga sangat penting karena ini berkaitan dengan masalah biayaSering kali diperlukan kombinasi dari dua atau lebih dari suatu cara proses pemisahan untuk dapat memenuhi kedua kriteria tersebutFeasibilitas ekonomi sangat dipengaruhi oleh harga produk.Hal ini sering dihubungkan dengan konsentrasi bahan baku. Semakin kecil konsentrasi bahan baku maka biaya pemisahan akan meningkat untuk mendapatkan kemurnian produk yang sama, hal ini sering disebut dengan Sherwood plot seperti gambar berikut ini:

Biaya bisa ditekan dengan memperbaiki teknik pemisahanSecara umum harga produk bioteknologi mahal karena biasanya dipisahkan dari bahan baku yang mempunyai kadar produk rendah sekali dan sering mensyaratkan teknik pemisahan yang sulit serta membutuhkan energi yang banyak.Harga produk juga dipengaruhi oleh letak geografis, sebagai contoh air di negara barat sangat murah sedangkan energi mahal, sebaliknya ditimur tengah air sangat mahal sedangkan energi murah.Faktor lain yang berpengaruh adalah isu politik dan lingkungan masing-masing negara berbeda.Pengolahan limbah umumnya negatif dari sisi ekonomi tetapi positif dari sisi lingkungan Tiap-tiap negara memberlakukan aturan yang berbedaPemilihan proses pemisahan juga dipengaruhi oleh tingkat kehilangan dan kerusakan suatu produkSebagai contoh real produk farmasi (enzim, antibiotik , vitamin) yang sangat sensitif terhadap panas.Kehilangan produk menjadi sangat berarti untuk produk-produk harga mahalTujuan pemisahan dapat diklasifikasikan secara kasar sbb:Pemekatan: komponen yang diharapkan hadir pada konsentrasi rendah, solven perlu dibuang atau dipisahkanPemurnian: pengotor harus dibuang atau dipisahkanFraksinasi: campuran dipisahkan menjadi dua atau lebih produk yang diharapkanReaction mediation: kombinasi reaksi kimia atau biokimia dengan pengambilan secara terus menerus produk yang diharapkan sehingga reaksi berjalan lebih cepatProses pemisahan dengan membran ditandai dengan adanya pemisahan arus umpan menjadi dua arus yaitu retentate (concentrate) dan permeate stream.

Untuk kasus pemekatan, arus retentate akan menjadi produk, tetapi untuk kasus pemurnian produk dapat diambil dari arus retentate atau permeate tergantung di mana impurity itu berada

Sebagai contoh untuk pemurnian air menggunakan reverse osmosis dan pervaporasi. Untuk reverse osmosis, produk diambil dari arus permeate. Sedangkan untuk pervaporasi, produk diambil dari arus retentateProses membran dapat diaplikasikan pada reaksi kesetimbangan kimia atau biokimia. Membran tertentu mampu memisahkan senyawa hasil reaksi dari campuran. Dengan demikian reaksi akan bisa bergeser ke kanan mengingat produknya terpisahkan dari sistemSebagai contoh membran yang dipakai untuk memisahkan gas hidrogen pada proses dehydrogenation process catalytically dan proses pemisahan etanol pada fermentasi etanol.Keuntungan dari teknologi membranPemisahan bisa berlangsung kontinyuKebutuhan energi kecilTeknologi membran bisa dikombinasikan dengan proses pemisahan lain (hybrid processing)Pemisahan bisa dilakukan under mild conditionsUp scaling mudahSifat membran bisa berubah dan dapat diatur (adjustable)Umumnya tidak membutuhkan zat aditif.

Kelemahan dari teknologi membranMembrane foulingMasa pakai singkatLow selectivity or fluxUp scaling factor is more or less linear

Aplikasi membran di industri saat ini meliputi:Makanan dan minumanMetalurgiPulp and paperTekstilFarmasiOtomotifDairyBioteknologiIndustri kimiaPemurnian air: untuk industri dan rumah tanggaEnvironmental application karena teknologi membran dikenal sebagai clean technology dan cleaning technology

Gambar 1. Skema pemisahan sistem 2 fase oleh membranPengenalan tentang Definisi Membran dan Proses MembranSebagai metode pemisahan, proses membran termasuk relatif baruMembrane filtration belum dipertimbangkan sebagai proses pemisahan yang penting pada waktu 35 th yang laluSaat ini membran proses digunakan dalam aplikasi yang luas dan jumlah aplikasinya masih terus berkembangDari aspek ekonomi, saat ini adalah pertengahan antara pengembangan proses membran generasi pertama: microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), reverse osmosis (RO), electrodialysis (ED), membrane electrolysis (ME), diffusion dialysis (DD) and dialysis Generasi kedua adalah gas separation (GS), vapour permeation (VP), pervaporation (PV), membrane distillation (MD), membrane contactors (MC) dan carrier mediated processMembran adalah jantung dari proses membran dan dapat dianggap sebagai permselective barrier atau interfase antara dua fasaPada gambar 1, fase 1 adalah umpan (upstream) dan fase 2 adalah permeate (downstream). Pemisahan terjadi karena membran memiliki kemampuan untuk mentransport satu komponen dari campuran umpan lebih siap daripada komponen lain.Performance dan efisiensi dari membran ditentukan oleh dua parameter, yaitu selectivity dan flow melalui membran.Flow sering didefinisikan sebagai flux atau permeation rate, yaitu volume yang mengalir melalui membran per unit area dan waktu (SI = m3m-2s-1).Selectivity dari sebuah membran terhadap suatu campuran umumnya diekspresikan oleh satu dari dua parameter, retention (R ) atau separation factor (). Selektivitas membran terhadap campuran biasanya diekspresikan dalam satu dari dua parameter: retention (R) dan separation factor ()Untuk campuran encer, lebih tepat menggunakan retention dari solute sebagai ukuran selektivitasSolute sebagian atau bahkan seluruhnya tidak bisa melewati membran sementara solven bisa melewati membran

cf adalah konsentrasi solute di umpancp adalah konsentrasi solute di permeateR berkisar dari 0 100 %. Nol persen bila tidak ada pemisahan dan 100 % bila pemisahannya sempurna

Selektivitas membran untuk campuran gas dan campuran senyawa organik biasanya diekspresikan dalam separation factor ()Untuk campuran yang mengandung dua senyawa A dan B, maka selektivitasnya dinyatakan dalam AB

yA dan yB adalah konsentrasi senyawa A dan B di permeatexA dan xB adalah konsentrasi senyawa A dan B di feedAB harus lebih besar dari satu, bila nilainya satu maka berarti tidak ada pemisahanBila B lebih cepat melalui membran dari pada A maka selektivitasnya berubah BA

Definisi MembranMembran secara umum dapat didefinisikan :A selective barrier between two phases, the term selectivity being inherent to a membrane or a membrane process.

KLASIFIKASI MEMBRANBerdasarkan kealamian :Biological membraneSynthetic membrane

Membrane Protein

25 mmZeolite membrane prepared at LUT2. Berdasarkan hidup tidaknya membranLiving membraneNon-living membrane (liposomes dan gelembung dari phospholipids)Membran sintesis dapat dibedakan menjadi membran organik (polimer atau cairan) dan membran anorganik (keramik, logam)Berdasarkan morfologi atau struktur :Membran simetrisMembran asimetris

Symmetric membraneCylindrical porousporousHomogeneous(nonporous)Asymmetric membraneporousPorous with top layer(intgrally skinned)ToplayerCompositeDense ToplayerPorous Membrane

Hedlund et al. Microporous and Mesoporous Mater. 52 (2002) 179.The thinnest (500 nm) zeolite membranes are prepared at LUT

Proses MembranMembran dapat memindahkan suatu komponen berdasarkan perbedaan sifat fisik dan atau kimia antara membran dan komponen yang menyebar (permeating components).Tingkat penyebaran (permeation rate) melalui membran sesuai dengan driving force seperti hubungan flux-force dapat dijabarkan persamaan phenomenological linier :

A = phenomenological coefficientdX/dx = driving force

Persamaan phenomenological tidak terbatas pada penjabaran transport massa tapi juga pada penjabaran heat flux, volume flux, momentum flux dan electrical flux.Koefisien phenemenological (A) berhubungan dengan flux dan koefisien umum seperti koefisien difusi (D, hukum Fick), koefisien permeabilitas (Lp, Hukum Darcy), difusifitas thermal (, Hukum Fourier), viskositas kinematis ( = (/), hukum Newton), dan konduktivitas elektrik(1/R, Hukum Ohm).

37