Absorpsi Gas CO2 Dari Gas Campuran CO2-CH4 Melalui Kontaktor Membran Berbahan Polivinil Klorida Menggunakan Pelarut Campuran TEA-DEA Fariz Danupraja1, Sutrasno Kartohardjono2 1. 2.
Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru Universitas Indonesia, Depok, 16424, Indonesia E-mail:
[email protected]
Abstrak Pengurangan kadar CO2 dari gas alam menjadi salah satu faktor penting dalam rangka peningkatan kualitas dari gas alam serta efisiensi proses pengolahan gas alam. Salah satu metode dalam mengurangi kadar CO2 adalah dengan proses separasi membran. Proses separasi CO2 dilakukan dengan menggunakan kontaktor membran serat berongga dengan PVC sebagai membran pemisah fasa gas-cair dan trietanolamin sebagai larutan penyerap CO2. Dari penelitian ini didapat tingkat perpindahan massa yang terjadi sangatlah rendah dibandingkan dengan metode konvensional ataupun penelitian terdahulu. Nilai perpindahan massa yang didapat pada penelitian ini yaitu antara 108 hingga 10-7 m/s. Angka ini menunjukkan ditinjau dari segi perpindahan massanya pelarut TEA-DEA tidak efektif digunakan untuk memisahkan CO2 dari gas alam.
CO2 Absorption From Gas Mixture of CO2-CH4 Through Hollow Fiber Membrane Based From Polyvinyl Chloride Using TEA-DEA As Solvent Abstract The reduction of CO2 from natural gas to one important factor in order to improve the quality of natural gas and natural gas processing efficiency. One method of reducing CO2 levels is the membrane separation process. In this study, the CO2 separation process is done by using a hollow fiber membrane contactor with PVC as membrane gasliquid phase separator and triethanolamine-diethanolamine as CO2 absorbent solution. Obtained from this study mass transfer rate is very low compared with conventional methods or previous research. Mass transfer values obtained this study between 10-8 to 10-7 m/s. This figure shows the mass transfer in terms of solvent TEA-DEA is not effectivly used to separate CO2 from natural gas. Keywords: CO2 Absorption, Hollow Fiber Membrane, Triethanolamine (TEA), Diethanolamine (DEA), Polyvinyl Chloride (PVC)
Pendahuluan Gas alam sudah menjadi alternatif bahan bakar maupun digunakan sebagai bahan baku industri. Gas alam digunakan sebagai bahan bakar dipengaruhi oleh menurunnya cadangan bahan
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
bakar minyak di bumi ini. Gas alam sendiri memiliki potensi yang sangat besar digunakan sebagai bahan bakar karena cadangannya yang sangat melimpah. Indonesia termasuk salah satu negara dengan cadangan gas alam yang banyak. Gas alam terdiri dari senyawa hidrokarbon berupa gas, seperti metana (CH4), etana (C2H6), propana (C3H8), butana (C4H10) dan kondensat, namun gas alam memiliki kandungan pengotor seperti air (H2O), nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), asam sulfida (H2S), dan merkuri yang harus dihilangkan. Oleh karena itu sebelum gas alam digunakan untuk kepentingan industri maupun bahan bakar, zat pengotor ini harus dihilangkan di pabrik pengolahan gas. Karbon dioksida atau CO2 merupakan salah satu pengotor (impurities) dalam gas alam. CO2 dalam gas alam harus dipisahkan karena dapat menyebabkan korosi pada pipa, menurunkan kalor pembakaran, menempati porsi yang besar dalam pipa, serta dapat membeku pada proses kriogenik. Kehadiran CO2 juga dapat menyebabkan penurunan koversi dan juga sebagai racun katalis di beberapa industri seperti pada pabrik sintesis gas. Hal ini akan mengganggu proses produksi yang berlangsung di industri (Kartohardjono, S 2011). Berbagai macam teknologi dikembangkan untuk menghilangkan CO2 dari gas alam. Namun yang paling umum digunakan yaitu teknologi amina menggunakan kontaktor kolom dengan prinsip reaksi absorbsi CO2 pada larutan amina. Kontaktor kolom ini membutuhkan ruang yang besar serta biaya investasi yang tinggi. Dalam prosesnya, kendala utama kontaktor kolom ini yaitu kemungkinan terjadinya flooding, entrainment, dan foaming, sehingga tidak mudah untuk mengoperasikan dan merawat unit ini (Al-Marzouqi et.al, 2007; Wang et.al, 2003). Metode absorbsi terus dikembangkan karena teknologi ini masih menjadi yang paling baik untuk memisahkan CO2 dibandingkan dengan teknologi lain. Kontaktor membran serat berongga gas-cair merupakan pengembangan teknologi dari kontraktor kolom. Teknologi ini merupakan gabungan keuntungan dari kontraktor kolom dan teknologi membran. Kontraktor membran serat berongga dapat mengatasi keterbatasan kondisi operasi pada kontaktor kolom. Membran yang digunakan merupakan pembatas antara fasa cair dan fasa gas dengan luas kontak yang besar sehingga efektivitas penyisihan bergantung kepada interaksi antara gas CO2 dan absorben (Kartohardjono, S 2011). Keuntungan menggunakan membran yaitu sebagai pembatas antara fasa cair dan gas namun, memberikan luas kontak yang besar dalam volume yang kecil untuk reaksi kedua fasa
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
ini. Beberapa keuntungan lainnya dari kontaktor membran yaitu aliran gas dan pelarut yang tidak berkontak secara langsung, sederhana, dan mudah untuk scale-up. Berbagai macam kelemahan membran saat ini yaitu adanya batas kondisi suhu operasi maksimum. Jika suhu operasi melebihi kondisi maksimum, maka akan terjadi kerusakan pada membran. Pori-pori membran akan membesar, sehingga pemisahan CO2 dari CH4 tidak optimal. Selain itu energi yang cukup besar jika tekanan umpan tidak tinggi dan harga bahan membran membuat biaya operasional menjadi tinggi. Polivinil kolrida atau biasa disingkat PVC merupakan senyawa yang kuat, tahan zat kimia, dan dapat menerima suhu yang lebih tinggi dibanding membran berpori lainnya. Penelitian PVC sebagai media separasi telah dilakukan, yaitu pada pemisahan oksigen dari air (Juliana S, 2012) juga pemisahan CO2 murni melalui senyawa amina trietanolamin maupun senyawa amina campuran (Servatius, 2012; Antonius 2012). Namun untuk pemisahan CO2 melalui membran PVC pada campuran CH4-CO2 belum diteliti pada larutan penyerap trietanolamin. Dari penelitian ini diharapkan dapat menghasilkan hasil yang memuaskan dimana membran PVC dapat digunakan sebagai alternatif pengganti membran yang ekonomis dan juga kuat dan tahan terhadap kondisi operasi dan zat kimia. Hasil penelitian ini juga mengetahui tingkat permeabilitas gas CO2 dan gas CO4 terhadap membran PVC dengan larutan penyerap trietanolamin. Tinjauan Teoritis Absorbsi merupakan suatu proses dimana suatu gas (absorbat) terperangkap ke dalam suatu media cair (absorben) dan seolah-olah menjadi bagian dari keseluruhan media tersebut. Mekanisme perpindahan massa yang terjadi dipengaruhi oleh laju difusi dimana perbedaan konsentrasi pada fasa gas dengan fasa cair sebagai gaya penggeraknya. Absorbsi terdiri dari dua jenis yaitu: 1. Absobrsi fisika 2. Absorbsi kimia Absorbsi fisika dicirikan dengan gaya tarik menarik antara absorbat dan absorben yang sangat lemah yaitu kurang dari 40 KJ/mol dan antara keduanya tidak membentuk senyawa kimia.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Absorbsi fisika terjadi karena adanya perbedaan konsentrasi. Ikatan gaya yang terjadi pada proses absorbsi fisik diakibatkan oleh gaya Van Der Walls dan gaya London (Prutton, 1982). Absorbsi kimia terjadi karena reaksi kimia antara senyawa pada fasa gas dengan media penyerap. Absorbsi kimia memiliki gaya tarik menarik yang sangat kuat sehingga terbentuk senyawa kimia dengan energi ikatannya sebesar 300 KJ/mol (Nieuwnhuizen dan Barendez, 1987). Karena energi yang besar ini, dibutuhkan energi yang cukup besar pula dibandingkan absorbsi fisik dalam proses desorbsinya. Absorbsi gas CO2 pada senyawa amina merupakan absorbsi secara kimiawi, dimana terjadi reaksi antara CO2 dengan senyawa amina membentuk senyawa kompleks (ion karbamat) dengan ikatan kimia yang cukup rendah (Wang, et.al, 2003). Energi yang rendah ini merupakan salah satu keuntungan amina, sehingga hanya dibutuhkan sedikit pemanasan untuk meregenerasi absorben. Larutan penyerap amina digunakan sebagai absorben pada absorbsi CO2. Energi ikatan yang tidak terlalu tinggi, dan penyerapan yang efektif menjadikan amina sebagai larutan penyerap yang banyak digunakan dibandingkan dengan air atau NaOH. Amina ini sendiri terdiri dari bermacam-macam senyawa, antara lain Ethanolamine atau monoethanolamin (MEA), diethanolamine (DEA), triethanolamine (TEA), hydroxyethanolamine atau diglikolamin (DGA), Diisopropanolamin (DIPA), dan methyldiethanolamine (MDEA). Pertimbangan-pertimbangan dalam pemilihan larutan amina ini yaitu (Bullin dan Polasek, 2011): 1. Konsentrasi larutan yang tinggi (hingga 50-55%) 2. High acid gas loading 3. Laju degradasi yang rendah 4. Tekanan uap rendah 5.
Harga yang ekonomis
Amina yang banyak digunakan diindustri pengolahan gas adalah MEA, DEA, dan MDEA. Larutan
tersebut
memiliki
keunggulan
masing-masing,
dan
diantaranya
telah
coba
dikombinasikan. Contohnya yaitu kombinasi antara DEA dan MDEA atau MEA dan MDEA. TEA merupakan larutan penyerap yang pertama kali digunakan secara konvensional namun kapasitas, reaktivitas, dan stabilitas yang rendah membuat pemakaian TEA ditinggalkan
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
(Hamborg, E.S, 2011). Walaupun begitu banyak juga keuntungan lain TEA seperti yang dideskripsikan pada Tabel 1. Tabel 1. Karakterisik amina sebagai absorben dalam absorbsi gas
Sifat/Karakteristik
Parameter
MEA
DEA
MDEA
Tidak Harga (Merck Millipore)
Ekonomis
Paling
terlalu
mahal
mahal Paling
Tingkat korosi
korosif
Acid Gas Loading (Shimekit, B
100%,
dan Mukhtar, H, 2012)
tinggi
Tekanan Uap (Shimekit, B dan Mukhtar, H, 2012)
Korosif
TEA Mahal
Tidak
Tidak
korosif
korosif 41%,
58%
51%
1,05
0,058
0,0061
0,0063
mmHg
mmHg
mmHg
mmHg
rendah
Dalam pemakaiannya TEA memang ditinggalkan, namun penelitiannya masih terus berlanjut karena berbagai keuntungan. Keuntungan TEA sebagai absorben yaitu: 1. Tidak korosif 2. Kapasitas asam yang baik 3. Tekanan Uap yang sangat rendah Atas dasar tersebut triethanolamin menjadi larutan penyerap amina (absorben) pada penelitian ini dan juga diethanolamin sebagai larutan tambahan. Prinsip pemisahan CO2 menggunakan kontaktor membran ialah dengan prinsip perbedaan permeabilitas antara CO2 dengan CH4. Permeabilitas merupakan kemampuan relatif senyawa untuk melewati pori. Tingkat permeabilitas gas dapat dilihat pada Gambar 1.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
C2+, CH4, N2
CO
Ar
O2
H2S, CO2
He, H2
Slow Gas
H2 O Fast Gas
Gambar 1. Tingkat laju permeabilitas gas
Dapat dilihat pada gambar tersebut laju permeabilitas CO2 lebih tinggi dibandingkan gas alam. Gaya penggerak dari perpindahan massa karbon dioksida adalah perbedaan konsentrasi pada fasa gas dan cairan. Gas dialirkan menuju kontaktor membran pada bagian shell, sedangkan larutan amina dialirkan pada bagian lumen. Bagian lumen dan selongsong ini dipisahkan dengan membran berpori. Lalu gas akan karbon dioksida akan terdifusi pada membran dan masuk menuju fasa cair. Tahap selanjutnya karbon dioksida akan bereaksi dengan senyawa amina dan terbawa keluar bersama senyawa amina. Beberapa faktor yang dapat digunakan sebagai kriteria pemelihan membrane antara lain: 1. Porositas dan Permeabilitas 2. Hidrofobik 3. Kekuatan polimer tinggi 4. Fleksibel Membran polipropilen yang biasa dipakai pada proses pemisahan gas menggunakan membran digunakan untuk melihat kualitas dari polivinil klorida seperti pada Tabel 2.4 berikut: Tabel 2. Karakteristik Membran PVC
Kriteria
Polipropilen
Polivinil Klorida
Permeabilitas (Membrane Society of
9,2
0.54
Hidrofobik (Accu Dyne Test)
Θ = 102.1
Θ = 85,6
Tegangan Permukaan Kritis (Accu Dyne
30,5
37,9
Australasia)
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Test) Kekuatan (shimadzu) (MPa)
38.2
66.6
Fleksibilitas (shimadzu) (MPa)
1940
3240
Harga
mahal
murah
Sumber: MSA, ADT, Shimadzu
Berdasarkan tabel diatas, perpindahan massa yang terjadi pada membran PVC akan kurang baik dibandingkan dengan membran PP. Hal ini dibuktikan dari tingkat permeabilitas dari masingmasing membran dimana membran PP memiliki permeabilitas yang jauh lebih baik dibandingkan dengan PVC. Selain itu untuk masalah hidrofobik keduanya sudah termasuk membran yang hidrofobik. Namun tetap membran polipropilen lebih baik dibandingkan membran PVC. Beberapa kriteria yang menjadi pertimbangan dalam pemilihan membran yaitu stabilitas kimia, serta kuat dan tahan lama, serta keekonomian. PVC merupakan membran yang cukup kuat dan tahan pada kondisi laju alir yang tinggi. PVC juga berisfat inert terhadap bahan kimia sehingga tingkat stabilitas kimianya sangat baik. Penelitian terdahulu tentang absorpsi gas CO2 dengan pelarut TEA pada membran PVC diuji pada gas CO2 murni. Untuk itu penelitian ini harus diujicobakan pada gas alam dengan campuran gas CO2-CH4 sebagai modelnya untuk mengetahui seberapa baik penyerapan yang terjadi pada gas campuran. Metode Penelitian Penelitian yang dilakukan dibagi menjadi lima bagian, yaitu studi literatur, pembuatan alat,penyusunan alat, eksperimen (meliputi uji perpindahan massa dan hidrodinamika), pengolahan data, serta penulisan hasil dan analisa. Diagram alir penelitian disajikan pada Gambar 3.1 berikut.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Studi literatur Menyiapkan alat dan bahan Membuat kontaktor membran serat berongga dengan jumlah serat dan spesifikasi tertentu
Merangkai peralatan menjadi suatu sistem tertutup Menyalakan pompa dan mengisi reservoir dengan cairan penyerap TEA Mengalirkan TEA dengan laju alir tertentu (mengatur flow meter)
Menunggu hingga kondisi tunak dengan laju alir air pada flow meter yang konstan Melakukan uji perpindahan massa
Mencatat data konsentrasi CO2 terlarut
Melakukan uji hidrodinamika
Mencatat data perbedaan tekanan gas yang melewati sistem
Memvariasikan jumlah serat
Mengolah data dan membuat grafik Membuat analisa dan kesimpulan
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Eksperimen yang teridiri dari uji perpindahan massa dan uji hidrodinamika dilakukan dengan memvariasikan laju alir pelarut TEA dan juga laju alir campuran gas CO2-CH4. Sebelum data diambil harus dipastikan sistem dalam keadaan tunak agar mengurangi penyimpangan pada data. Pengambilan data percobaan dapat dilihat pada alat pengukur yang dipasang seperti liquid flow meter untuk mengukur laju alir pelarut, pH meter untuk mengukur keasaman pelarut, serta manometer digital yang digunakan untuk mengukur penurunan tekanan sepanjang kontaktor. Untuk dapat mengolah dan menganalisis uji perpindanan massa diperlukan data perubahan tingkat keasaman pelarut TEA saat melewati kontaktor membran. Namun, pada penelitian kali ini analisis perpindahan massa dilakukan dengan metode titrasi. Penurunan tekanan diperlukan untuk menganalis uji hidrodinamikanya. Data-data tersebut digunakan untuk menghitung nilai koefisien perpindahan massa dan menghubungkannya dengan aspek hidrodinamika. Data-data yang diperolah pada eksperimen yaitu: a. Uji Perpindahan Massa 1. Laju alir pelarut TEA (variasi) 2. Laju alir gas masuk (variasi) dan keluar 3. Volume HCl yang dibutuhkan untuk titrasi 4. Jumlah Serat (variasi) b. Uji Hidrodinamika 1. Penurunan tekanan pada kontaktor membran 2. Laju alir air Dari penelitian ini didapat data-data yang dapat diolah pada pengolahan data. Data-data yang didapat yaitu suhu, pH awal, dan pH akhir absorben terhadap variasi laju alir gas umpan serta memvariasikan jumlah membran pada modul kontaktor membran. Dari data-data didapatkan koefisien dan fluks perpindahan massa gas CO2 ke dalam pelarut trietanolamin dengan persamaan: !! =
!! !
!"
(! ∗ !!! ) (! ∗ !!! )
Dimana: !!
= koefisien perpindahan massa (m/s)
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
(1)
!!
= laju alir volumetrik pelarut (m3/s)
A
= luas kontak perpindahan massa (m2)
C*
= kelarutan CO2 murni di dalam pelarut (mol/L)
C0
= konsentrasi gas CO2 awal dalam absorben
C1
= konsentrasi gas CO2 akhir dalam absorben
Luas kontak perpindahan massa dari kontaktor membran serat berongga dapat dihitung dengan persamaan: !! = !! !!! !
(2)
Dimana: !!
= luas kontak perpindahan massa (m2)
!!
= jumlah serat dalam modul
!!
= diameter serat (m)
L
= panjang modul (m) Dengan menggunakan koefisien perpindahan massa, fluks perpindahan massa dapat
dihitung dengan persamaan: ! = !! ∆!
(3)
Dimana: !!
= koefisien perpindahan massa (m/s)
∆!
= perbedaan konsentrasi awal dan akhir (mol/L)
Persamaan yang digunakan untuk menganalisis hidrodinamika adalah: !=
!! ∆! !!"!! !
(4)
Dimana l adalah panjang serat membran, de diameter ekuivalen, ∆P merupakan perubahan tekanan, ρ massa jenis air dan vL adalah laju volumetrik air.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Hasil Penelitian Analisis untuk mengukur persen CO2 terserap yang pertama menggunakan titrasi dengan menggunakan normalitas pada zat yang akan di titrasi sehingga diketahui normalitas amina sisa. Tipe titrasi yang digunakan adalah titrasi asam kuat-basa lemah, dengan HCl sebagai zat titran. Dapat dilihat bahwa semakin besar laju alir pelarut maka akan semakin besar pula CO2 yang terserap. Hal ini disebabkan semakin cepat laju alir pelarut, maka semakin banyak amina yang digunakan persatuan waktu untuk mengabsorbsi gas CO2. Selain itu, dengan semakin tingginya laju alir pelarut, berarti memperkuat driving force dari perpindahan massa dimana konsentrasi menjadi driving force perpindahan CO2 menuju pelarut. Pelarut yang sudah mengabsorbsi CO2 akan cepat terganti dengan pelarut baru, sehingga CO2 berpindah menuju pelarut dengan cepat. 80
% CO2 Terserap
70 60 50 40
DEA 0%
30
DEA 1%
20
DEA 2%
10 0 0
100
200
300
400
500
600
700
Ql (ml/menit)
Gambar 2. Profil Perubahan Laju Alir Pelarut Terhadap % CO2 Terserap Pada Membran 50
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
70
% CO2 Terserap
60 50 40
DEA 0%
30
DEA 1%
20
DEA 2%
10 0 0
100
200
300
400
500
600
700
Ql (ml/menit)
Gambar 3. Profil Perubahan Laju Alir Pelarut Terhadap % CO2 Terserap Pada Membran 70
35
% CO2 Terserap
30 25 20
DEA 0%
15
DEA 1%
10
DEA 2%
5 0 0
100
200
300
400
500
600
700
Ql (ml/menit) Gambar 4. Profil Perubahan Laju Alir Pelarut Terhadap % CO2 Terserap Pada Membran 85
Gambar di bawah ini menunjukkan tingkat perpindahan massa yang terjadi pada kontator membran. Semakin tinggi laju alir pelarut maka akan semakin tinggi pula koefisien perpindahan massa dan fluks perpindahan massanya. Semakin tinggi DEA yang ditambahkan membuat koefisien perpindahan massa dan fluks perpindahan massanya tinggi. Sedangkan pengaruh jumlah serat pada studi perpindahan massa yaitu, semakin banyak jumlah serat yang digunakan
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
pada kontaktor maka akan menurunkan koefisien perpindahan massa dan juga fluks perpindahan massa. 3.5
kL (10-‐7 m/s)
3 2.5 2
DEA 0%
1.5
DEA 1 %
1
DEA 2%
0.5 0 0
100
200
300
400
500
600
700
QL (ml/menit)
Gambar 5. Pengaruh Laju Alir Pelarut Terhadap Koefisien Perpindahan Massa Pada Membran 50
2 1.8
kL (10-‐7 m/s)
1.6 1.4 1.2 1
DEA 0%
0.8
DEA 1 %
0.6
DEA 2%
0.4 0.2 0 0
100
200
300
400
500
600
700
QL (ml/menit) Gambar 6. Pengaruh Laju Alir Pelarut Terhadap Koefisien Perpindahan Massa Pada Membran 70
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
0.8 0.7 kL (x10 -‐7m/s)
0.6 0.5 0.4
DEA 0%
0.3
DEA 1 %
0.2
DEA 2%
0.1 0 0
100
200
300
400
500
600
700
QL (ml/menit) Gambar 7. Pengaruh Laju Alir Pelarut Terhadap Koefisien Perpindahan Massa Pada Membran 85
4
J (10-‐7 mol/m2s)
3.5 3 2.5 2
DEA 0%
1.5
DEA 1 %
1
DEA 2%
0.5 0 0
100
200
300
400
500
600
700
QL (ml/menit) Gambar 8. Pengaruh Laju Alir Pelarut Terhadap Fluks Pada Membran 50
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
1.8 1.6 J (10-‐7 mol/m2s)
1.4 1.2 1
DEA 0%
0.8
DEA 1 %
0.6
DEA 2%
0.4 0.2 0 0
100
200
300
400
500
600
700
QL (ml/menit)
Gambar 9. Pengaruh Laju Alir Pelarut Terhadap Fluks Pada Membran 70
0.35
J (10-‐7 mol/m2s)
0.3 0.25 0.2
DEA 0%
0.15
DEA 1 %
0.1
DEA 2%
0.05 0 0
100
200
300
400
500
600
700
Laju Alir Pelarut (ml/menit) Gambar 10. Pengaruh Laju Alir Pelarut Terhadap Fluks Pada Membran 85
Uji hidrodinamika dilakukan untuk menghitung friksi yang terjadi pada modul. Friksi dapat dihitung secara teoritis maupun kenyataan yang terjadi secara langsung. Friksi yang didapat secara teoritis merupakan nilai gaya gesek yang terjadi secara ideal. Sedangkan friksi hasil uji coba sudah mencangkup faktor-faktor lain seperti sambungan dan pengotor.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Pada penelitian kali ini nilai f dari percobaan sangat besar dibandingkan dengan f teoritis. Dalam percobaan ini ada beberapa faktor yang berpengaruh besar pada perbedaan gaya friksi ini. Pertama, gaya gesek yang dihitung secara teoritis merupakan gaya gesek pada kondisi ideal dan terjadi pada selongsong pipa biasa, tidak memperhitungkan faktor lain seperti ketahanan membran, dan sambungan pada kontaktor serta struktur dalam membran. Kedua, terjadinya penumpukan kotoran atau polarisasi konsentrasi pada permukaan membran yang dapat mengurangi energi dari aliran. Terakhir, terjadinya kebocoran pada sambungan lumen. Pada percobaan ini, membran yang digunakan sudah digunakan beberapa kali oleh peneliti sebelumnya sehingga ketahanannya menurun. Dari percobaan ini dapat kita lihat kelayakan dari kontaktor membran sendiri, dimana terjadi perbedaan yang cukup tinggi sehingga kemampuan kontaktor tidak maksimal. 10
1 1
10
100
1000
f Teoritis Jumlah Serat 50
f
f Teoritis Jumlah Serat 70 f Aktual Jumlah Serat 50
0.1
0.01
f Aktual Jumlah Serat 70
Re
Gambar 11. Profil perubahan friksi teoritis dan friksi penelitian dengan jumlah serat 50 terhadap laju alir pelarut
Pembahasan Berdasarkan uji hidrodinamika, ketahanan membran sudah sangat berkurang sehingga dapat mempengaruhi hasil uji perpindahan massa. Pada uji perpindahan massa, nilai dari koefisien perpindahan massa jauh lebih kecil dibandingkan percobaan sebelumnya. Begitu pula dengan fluks perpindahan massanya.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Alasan nilai bilangan perpindahan massa tersebut kecil yaitu, pertama, ketahanan membran yang semakin menurun. Ini dapat dijelaskan dari uji hidrodinamika yang sangat jauh dari nilai teoritisnya. Pada dasarnya, nilai ini jauh dari nilai teoritis karena struktur dasar kontaktor membran tidak bisa disamakan dengan pipa biasa. Namun seharusnya nilai ini mendekati tidak terlalu jauh. Kedua, penggunaan model gas alam yaitu campuran gas CO2-CH4. Penggunaan model gas alam ini meningkatkan tahanan gas pada sistem meningkat. Penelitian terdahulu hanya menggunakan gas CO2 saja dalam penelitiannya. Penambahan gas metana membuat tahanan gas meningkat sehingga koefisien perpindahan massanya berkurang. Ketiga penentuan larutan penyerap yang tidak tepat. Seperti yang sudah dijelaskan pada teori dan penelitian sebelumnya, larutan penyerap yang sangat baik dalam menyerap CO2 adalah DEA. Namun pada penelitian ini DEA tidak digunakan sebagai larutan utama melainkan bertujuan sebagai pendorong kinerja dari pelarut utama. Tingkat perpindahan massanya masih kecil dibandingkan menggunakan DEA sebagai pelarut utama pada penelitian sebelumnya. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil pada penelitian absorpsi CO2 dengan menggunakan kontaktor membran serat berongga menggunakan pelarut campuran TEA-DEA, yaitu: 1. Tingkat perpindahan massa sangat rendah dibandingkan penelitian sebelumnya yang disebabkan beberapa faktor, yaitu penggunaan pelarut yang tidak tepat dan ketahanan membran yang sudah menurun. Jangkauan koefisien perpindahan massa yang terjadi yaitu mulai dari 1,21 x 10-8 m/s hingga 3,02 x 10-7 m/s. Sedangkan untuk fluks mulai dari 3 x 10-9 mol/m2s hingga 3 x 10-7 mol/m2s 2. Penggunaan DEA sebagai pelarut tambahan menaikkan tingkat perpindahan massanya, namun tidak signifikan. Dapat dibilang penambahan DEA sebagai pendorong kinerja pelarut TEA tidak efektif. 3. Proses absorbsi CO2 dengan menggunakan absorben TEA-DEA dengan komposisi 10%:2% melalui kontaktor membran serat berongga berbahan PVC tidak efektif digunakan untuk memisahkan gas CO2.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Saran Ada pun saran untuk penelitian selanjutnya yaitu: 1. Pembuatan modul baru, mengingat modul yang ada telah menurun ketahanannya. 2. Melakukan penelitian dengan menggunakan larutan MEA, MDEA, dan DEA serta kombinasinya dan meninggalkan penggunaan larutan TEA karena sudah terbukti tidak efektif dari penelitian ini dan sebelumnya. Daftar Referensi Baker, R. W. 2004. Membrane Technology and Applications. California: John Wiley & Sons Ltd. C., Yu. W. dan G. Astarita, 1985. “Kinetics of Carbon Dioxide Absorption in solutions of methyldiethanolamine”. Chem. Eng. Sci., 40: 1753. Dortmundt, D. dan Doshi Kishore, 1999. “Recent Development in CO2 Removal Membrane Technology”. UOP Journal. Eriek, Antonius. 2012. “Absorpsi CO2 Melalui Kontaktor Membran Serat Berongga Menggunakan Larutan Penyerap Campuran Senyawa Amina (MEA/DEA): Variasi Komposisi Amina”. Skripsi. Depok: Departemen Teknik Kimia FTUI. Dindore, Vishwas Yashwant. 2003. Gas Purification Using Membrane Gas Absorption Process. Thesis. Netherlands: University of Twente Haikal, Muhammad.2009. Pemanfaatan Pelarut Bahan Alam dari Daun Mengkudu (Morinda Citrifolia) dalam Absorpsi CO2 Melalui Kontaktor Membran Serat Berongga.Skripsi. Depok: Departemen Teknik Kimia FTUI. Juliana, Samantha. 2013. Pemisahan Oksigen Terlarut dalam Air Menggunakan Kontaktor Membran Serat Berongga Polivinil Klorida melalui Metode Degassing Vakum untuk Menghasilkan Air Ultramurni.Skripsi. Depok: Departemen Teknik Kimia FTUI. Kartohardjono, Sutrasno., Subihi, Anggara., Yuliusman. 2007. Absorbsi CO2 Dari Campurannya Dengan CH4 Atau N2 Melalui Kontaktor Membran Serat Berongga Menggunakan Pelarut Air. Jurnal Makara.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Kartohardjono, S. 2010. Shell Side Mass Transfer and Fluid Hydrodynamics in Sealed End Hollow Fiber Membrane Gas-Liquid Contactor.Saarbrücken: Lambert Academic Publishing AG & Co. KG. Perry, R. H. & Green, D. W. 1997. Perry's Chemical Engineering's Handbook.Columbus, OH: McGraw-Hill. Ramaida, Sherlyn Esther. 2013. CO2 Absorption Through Hollow Fiber Membrane Using Triethanolamine: Gas Flow Rate Variation. Skripsi. Depok: Departemen Teknik Kimia FTUI. Rangwala, Huseni A.,, 1995. “Absorption of Carbon Dioxide into Aqueous Solutions Using Hollow Fiber Membrane Contactors”. Journal of Membrane Science. Servatius. 2012. “Absorpsi gas CO2 Melalui Kontaktor Membran Serat Berongga Menggunakan Larutan Penyerap Tunggal dan Campuran Senyawa Amina Pengaruh Laju Alir CO2”. Skripsi. Depok: Departemen Teknik Kimia FTUI. Wang, R, et al, 2003. “Impact of DEA solutions with and without CO2 loading on porous polypropylene membranes intended for use as contactors”. Journal of Membrane Science. Yeong-Seok, Kim., Seung-Man, Yang. 2000. Absorption Of Carbon Dioxide Hollow Fiber Membranes Using Various Aqueous Absorbents. Purification Technology.
Absorpsi gas…, Fariz Danupraja, FT UI, 2014
Through
Separation
and
