Aplikasi Kontaktor Membran dalam Pengolahan Air

Aplikasi Kontaktor Membran dalam Pengolahan Air Try Hutomo Abednego* Program Studi Teknik Kimia, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesa No. 10, Bandung, Indonesia *Corresponding Author: [email protected]

Abstrak Air adalah salah satu kebutuhan substansial manusia. Namun seiring dengan meningkatnya kebutuhan akan air tidak diikuti dengan peningkatan ketersediaan sumber air. Salah satu solusi untuk mengatasi ketergantungan akan air adalah dengan meningkatkan penggunaan sumber air alternatif. Salah satu teknologi yang dapat digunakan adalah teknologi membran. Proses pemisahan berbasis membran terjadi karena terdapat gaya penggerak (driving forces) yang berbanding lurus dengan fluks partikel yang melalui membran. Salah satu jenis membran adalah kontaktor membran. Tidak seperti prinsip kerja membran yang pada umumnya melakukan pemisahan dengan selektivitas, kontaktor membran hanya bertindak sebagai pembatas antara fasa yang terlibat, dengan memungkinkan kontak kedua fasa dalam korespondensi dari daerah antarmuka yang telah ditentukan. Kontaktor membran memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan kontaktor fasa terdispersi konvensional. Beberapa kontaktor membran tidak mengalami flooding pada laju alir yang tinggi, tidak terjadi unloading pada laju alir rendah, tidak terjadi emulsi, tidak diperlukan perbedaan densitas antar fluida, Kontaktor membran mengurangi volume peralatan dan memperbesar daerah interfasa pada kontak non-dispersif sepanjang membran., yang menyebabkan menurunnya nilai height of transfer unit (HTU). Aplikasi kontaktor membran dalam pengolahan air diantaranya adalah pertraction, emulsion pertraction, pemisahan ammonia dari air limbah, deoksigenasi air umpan boiler, denittifikasi air minum, dan desalisasi air laut. Kata kunci : kontaktor membran, pengolahan air, pengolahan limbah, membran

1. Pendahuluan Air adalah salah satu kebutuhan subtansial manusia. Seiring dengan bertambahnya populasi manusia kebutuhan air terus meningkat [1]. Namun, meningkatnya kebutuhan manusia akan air tidak diikuti dengan peningkatan ketersediaan sumber air, khususnya sumber air tawar. [2] Salah satu sektor yang membutuhkan air dalam jumlah banyak selain penggunaan domestik adalah pengunaan air dalam bidang industri. Namun, tingginya konsumsi air yang dibutuhkan oleh industri tidak disertai dengan penanganan limbah industri yang memadai. Hal ini menyebabkan pencemaran lingkungan khususnya pencemaran air yang semakin meningkat dan memperburuk tingkat ketersediaan air yang jika terus berlanjut akan menyebabkan krisis air yang meluas. [2] Dengan kondisi seperti saat ini, disertai dengan perkembangan teknologi yang pesat, salah satu solusi untuk mengatasi ketergantungan akan air adalah dengan meningkatkan pengolahan sumber air alternatif (air limbah yang telah diolah, air laut, dan air hujan) disamping konsumsi air permukaan

dan air tanah yang terbatas. Salah satu teknologi yang tepat dalam pengoptimalan sumber air alternatif adalah teknologi membran [3]. Teknologi membran dengan kemampuannya sebagai unit pemisahan yang selektif terbukti menghasilkan keuntungan ekonomis dan prosesnya tidak merusak lingkungan [4]. Salah satu teknologi membran yang sering digunakan dalam pengolahan sumber air alternatif adalah kontaktor membran. Diantara unit operasi yang menggunakan membran, kontaktor membran diperkirakan akan menjadi bagian penting dalam perkembangan teknologi membran. Konsep kunci dari kontaktor membran adalah dengan menggunakan polimetric matrix padat yang bersifat hidrofobik atau hidrofilik dan memiliki mikropori untuk menciptakan sebuah lapisan interface untuk perpindahan massa dan/atau reaksi di antara dua fasa. Kontaktor membran adalah sebuah sistem yang berfungsi untuk menjaga dua fasa dalam sebuah kontak [5]. Kontaktor membran telah banyak digunakan dalam berbagai industri khususnya dalam

Try Hutomo Abednego, Aplikasi Kontaktor Membran dalam Pengolahan Air, 2015, 01-12

pengolahan air. Dalam artikel ini akan dibahas beberapa penggunaan membran reaktor dalam pengolahan air, seperti: denitrifikasi air minum, pertraction, emulsion pertraction, deoksigenasi air umpan boiler, ammonia removal dari air limbah, produced water treatment, dan desalinasi air laut menggunakan membran distilasi. 2. Proses Berbasis Membran Teknologi membran sudah banyak diaplikasikan dalam proses pengolahan air, dan dapat bersaing dengan proses pengolahan berbasis termal [6]. Membran adalah bagian utama dari semua proses berbasis membran dan interfasa antara dua fasa berbeda. Sebuah membran dapat memiliki karakter tebal atau tipis, atau memiliki variasi dan kombinasi dari hal-hal berikut: padatan tidak berpori, padatan mikropori atau makropori dengan fluida pada porinya, faca cair dengan atau tanpa fasa kedua atau sebuah gel. Ketebalan membran hollow fiber [7]. Kelebihan dari proses berbasis membran adalah kualitas efluen yang tinggi [8]. Fasa membran, yang terdapat diantara dua fasa bulk, memiliki kemampuan untuk mengendalikan perpindahan massa antara kedua fasa bulk pada proses berbasis membran. Perpindahan dari semua spesi melalui membran adalah hasil dari satu atau lebih gaya penggerak (driving forces) yang dapat berbentuk gradien atau perbedaan pada konsentrasi, tekanan, temperatur atau potensial listrik. Hubungan antara fluks dengan gaya pendorong digambarkan dengan fenomena persamaan linear antara fluks (J) dan gaya penggerak (1), [9]: `

(1)

Dengan A disebut koefisien perpindahan massa dan (dX/dx) adalah gaya penggerak yang diekspresikan sebagai gradien dari X (konsentrasi, tekanan, temperatur) sepanjang koordinat x tegak lurus terhadap pembatas perpindahan. Pada Gambar 1 ditampilkan skema proses pemisahan berbasis membran dengan perbedaan gaya penggerak (driving force) [7]. Berdasarkan jenis modulnya membran dapat dibedakan menjadi hollow fiber membrane, plate and frame membrane, spiral wound, dan membran tubular [10].

2

3. Kontaktor membran dan Proses Pemisahan dengan Kontaktor membran Salah satu cara untuk melaksanakan proses pemisahan seperti absobsi gas dan ekstraksi caircair adalah dengan menggunakan kontaktor membran. Kontaktor membran adalah sebuah alat dengan pemisahan campuran yang dapat terjadi karena driving force tertentu melalui membran dari satu fasa menuju sisi yang lain. Kontaktor membran menggabungkan teknik konvensional dari absorpsi gas ke dalam larutan dan sebuah kontaktor membran sebagai perangkat transfer massa [11]. Pada modul kontaktor membran perpindahan massa antara gas/liquid ataupun liquid/liquid terjadi tanpa dispersi satu fasa dalam fasa yang lain [7].

Gambar 1. Skema proses pemisahan membran dengan gaya penggerak (driving forces) yang berbeda [12] Tidak seperti prinsip kerja membran yang pada umumnya melakukan pemisahan dengan selektivitas, kontaktor membran hanya bertindak sebagai pembatas antara fasa yang terlibat [13], dengan memungkinkan kontak kedua fasa dalam korespondensi dari daerah antarmuka yang telah ditentukan [5]. Salah satu contohnya adalah pada penggunaan membran hidrofobik pada kontaktor membran Pada material hidrofobik, membran dapat terbasahi oleh fasa nonpolar (contoh: nonpolar organik) atau terisi dengan gas, sementara itu larutan berfasa polar tidak dapat masuk ke dalam pori yang bertujuan untuk menciptakan interface untuk perpindahan massa antara dua fasa (lihat Gambar 2) [14] [5] Fitur umum dalam proses ini adalah kinerja pemisahan ditentukan oleh koefisien distribusi komponen dalam dua fasa. Membran hanya mewakili sebuah antarmuka dan dapat didefinisikan sebagai penghalang permselektif antara dua fasa homogen. Membran digunakan

3


untuk mencapai pemisahan tertentu dan memindahkan satu komponen lebih mudah daripada yang lain karena perbedaan sifat fisik dan /atau kimia antara membran dan komponen permeat [7].

Tabel 1. Karakteristik kontaktor membran [7] Membran: Ketebalan: Driving force: Prinsip pemisahan: Material membran:

porous(hidrofobik atau hidrofilik), nonporous, atau komposit 20 – 10 μm perbedaan konsentrasi atau tekanan uap koefisien distribusi hidrofobik (politetrafluoroetilen, polipropilen, dan karet silikon)

4. Aplikasi Kontator Pengolahan Air Gambar 2. Interface antara fasa nonpolar/gas dan fasa polar pada membran hidrofobik [5] Kontaktor membran memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan kontaktor fasa terdispersi konvensional. Beberapa kontaktor membran tidak mengalami flooding pada laju alir yang tinggi, tidak terjadi unloading pada laju alir rendah, tidak terjadi emulsi, tidak diperlukan perbedaan densitas antar fluida. Kontaktor membran mengurangi volume peralatan dan memperbesar daerah interfasa pada kontak nondispersif sepanjang membran., yang menyebabkan menurunnya nilai height of transfer unit (HTU) [15] [7]. Semua operasi yang berbasiskan perpindahan massa antara dua fasa yang berkontakan pada dasarnya dapat dilakukan dengan kontaktor membran. Berdasarkan fasa yang terlibat dan gaya penggeraknya (driving force), kontaktor membran terdiri dari beberapa sistem seperti membrane stripper, supported liquid membrane, membran distilasi, osmotic distillation, membran emulsifiers, dan phase transfer catalysis [5]. Terdapat beberapa konfigurasi membran yang berbeda seperti hollow fiber, flat sheet, rotating annular, dan spiral wound yang dapat diaplikasikan pada pegolahan air dan air limbah [7]. Dalam aplikasi kontaktor membran konfigurasi yang paling sering digunakan adalah hollow fiber. [16] Rangkuman singkat tentang kontaktor membran, karakteristik, material membran, dan beberapa aplikasi umum pada kontaktor membran ditunjukkan pada Tabel 1. Kontaktor membran banyak digunakan pada industri dalam pengolahan air limbah, khususnya untuk menghilangkan gas terlarut dari air [17]. Dalam artikel ini akan dibahas beberapa aplikasi kontaktor membran dalam pengolahan air.

Membran

dalam

4.1. Pengolahan Air dengan Proses Pertraction 4.1.1. Prinsip Pertraction adalah sebuah proses ekstraksi cair-cair nondisprersif berbasis membran. Air limbah yang terkontaminasi senyawa organik, seperti aromatik atau hidrokarbon terklorinasi, dapat dibersihkan dengan pertraction. Polutan dihilangkan dari air dan berpindah melalui membran berisi cairan menuju agen ekstraksi organik melalui rongga dari membran hollow fiber. Membran yang digunakan tidak memiliki selektivitas. Proses selektivitas disebabkan oleh penggunaan ekstraktan. Ekstraktan yang digunakan harus tidak bersifat toxic, memiliki afinitas yang tinggi terhadap komponen yang ingin dihilangkan dari air, dan memiliki kelarutan yang rendah dalam air [18]. Pori-pori dari membran terisi dengan fasa ekstraktan organik. Lapisan interfasa antara air limbah dan ekstraktan dijadikan statis dengan penggunaan membran hollow fiber dengan mikropori hidrofobik dengan tujuan untuk menghasilkan hilang tekan yang kecil pada fasa air (> 0.1 bar). Biasanya digunakan serat polipropilen dengan karakteristik mikrofiltrasi. Tidak seperti proses ektraksi konvensional, pada kontaktor membran tidak terdapat pencampuran secara langsung antara ekstraktan dan aliran limbah [18]. Hal ini merupakan kelebihan bagi pertraction, yaitu:  Proses pemisahan antara fasa air dan ekstraktan yang sulit dan menghabiskan waktu tidak terdapat pada proses pertraction.


 Laju alir air limbah dan ekstraktan fleksibel dan dapat diatur tanpa memengaruhi laju alir yang lain membuat proses optimisasi sederhana dan memungkinkan terjadinya kontak dengan efisiensi tinggi antar volume air limbah yang besar dan jumlah ekstraktan yang sangat sedikit  Instalasi pertraction sangat compact.  Tidak diperlukan perbedaan densitas antara fasa air dan ekstraktan organik Sebuah kelebihan dari pertraction jika dibandingkan dengan stripping dan carbon adsorption adalah kedua komponen volatile dan non-volatile dapat diekstraksi dalam satu tahap.

4

digunakan kembali atau diregenerasi dalam sebuah vacuum film evaporator dan dapat meneruskan sirkulasi dalam sistem sementara polutan dilepaskan sebagai bentuk murni [18] (lihat Gambar 4.)

4.1.2. Instalasi pertraction skala industri Sebuah instalasi pertraction skala penuh telah berhasil beroperasi pada tahun 1998 pada sebuah firma kimia KoSa Netherlands BV di Vlissingen, Belanda. Instalasi pertraction menangani 15 m3/jam air limbah yang berasal dari reaktor kimia. Air yang ditangani sangat tercemar dengan produk yang terbentuk di reaktor, yaitu senyawa aromatik. Pada instalasi pertraction senyawa organik diekstraksi dari air limbah dengan umpan untuk reaktor sebagai ekstraktan. Dengan cara demikian, air limbah tidak hanya dibersihkan, produk yang hilang dan terbawa oleh air limbah juga diumpankan kembali ke dalam reaktor [18].

Gambar 3. Prinsip pertraction [18] Pada proses pertraction polutan terkonsentrasi pada ekstraktan. Selanjutnya ekstraktan dapat langsung

Gambar 4. Proses regenerasi pertraction, dengan polutan yang keluar sebagai bentuk murni [18]

 Pemisahan fasa tidak diperlukan  Luas permukaan spesifik yang besar disebabkan oleh membran hollow fiber  Peralatan modular compact  Konsumsi energi rendah

Gambar 5. Instalasi pertraction skala industri [19]

4.2. Pengolahan Air dengan Proses Emulsion Pertraction 4.2.1. Prinsip Pada proses emulsion pertraction fasa air mengalir sepanjang membran hollow fiber. Ion logam berat yang akan dipisahkan dibatasi dengan ekstraktan yang terdapat di dalam pori-pori dan di dalam membran hollow fiber. Pada bagian dalam membra hollow fiber, strip liquid secara terus menerus meregenerasi ekstraktan. Dengan cara ini, gaya penggerak (driving force) optimal untuk perpindahan massa diatur pada kontaktor membran. Strip liquid terdispersi pada fasa organik. Tidak diperlukan usaha untuk membuat disperse tersebut sangat stabil karena sifat alami dari membran hidrofobik menjaga laruan strip liquid dan air limbah selalu terpisah. Sehingga, tidak terdapat risiko air yang telah diolah tercemar oleh larutan strip liquid karena fasa larutan strip tidak dapat melewati membran. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 5, logam yang diindikasikan dengan Me dibatasi oleh ektraktan L untuk membentuk kompleks Me-L yang teregenerasi pada interfasa dari tetesan strip liquid. Tidak diperlukan selektivitas membran. Pada proses ini selektivitas dihasilkan oleh ekstraktan. [19] Kelebihan dari emulsion pertraction dibandingkan ekstraksi normal adalah sebagai berikut  Ekstraksi dan stripping dapat dilakukan dalam satu operasi  Tidak ada kemungkinan pembentuk emlulsi pada fasa air  Volume ekstraktan yang digunakan relatif sedikit  Parameter proses sangat fleksibel

Gambar 6. Prinsip emulsion pertraction [19]

4.2.2. Aplikasi: pengolahan passivating bath Passivating adalah sebuah operasi yang secara berkala digunakan dalam industri sel galvani untuk meningkatkan ketahanan korosi dari objek tergalvanisasi (galvanized object). Jangka waktu dari passivating bath terbatas, hal ini disebabkan akumulasi dari seng dan besi . Setelah konsentrasi seng dan besi mencapai suatu batasan warna dan tahanan korosi dari objek terpasivasi tidak lagi jatuh pada spesifikasi dan bath harus diganti. Pemisahan selektif dari besi dan seng dapat memperpanjang jangka waktu passivating bath. Penanganan harus dilakukan agar tidak ada elemen aktif krom atau kobalt yang terbuang [19]. Dalam rangka kesepakatan EU Life project Emperur instalasi skala penuh emulsi pertraction telah dibangun dan ditunjukkan di lokasi perusahaan galvanik Loko Gramsbergen dan Galvano Techniek Veenendaal (GTV), keduanya berada di Belanda [19]. Sebuah instalasi skala penuh dipasang di GTV ditunjukkan pada Gambar 7. Pengendalian proses dan dosing terus menerus dan pembuangan strip acid sepenuhnya dilakukan secara otomatis untuk meminimalkan kinerja operator. Passivating bath, tidak baru pada awal demonstrasi, dalam operasi selama lebih dari 9 bulan. Baik konsentrasi seng dan besi tetap jauh di


bawah nilai target dan yang lebih penting kualitas produk terkait ketahanan korosi dan warna tetap optimal. Selama periode operasi, passivating bath akan diganti sebanyak enam kali tanpa terpasang teknologi pertraction emulsion.

6

stripping, break-point chlorination, denitrifikasi, dan nitrifikasi biologis. Baru-baru ini, hollow fiber membran contactors (HFMCs) telah menarik perhatian besar sebagai perangkat yang efektif untuk proses pemisahan. Sebagian besar dari perhatian terhadap HFMCs adalah karena kemampuan mereka dalam memberikan kontak bebas dispersi antara dua fasa. Selain itu, kecepatan dari kedua fasa dapat bervariasi secara independen, dan tidak terdapat kemungkinan flooding dan unloading. Kontaktor membran dapat dianggap sebagai teknologi yang menjanjikan untuk pemisahan amonia dari air limbah [21].

4.3.1. Teori Penghilangan Ammonia Gambar 7. Instalasi emulsion pertraction untuk pengolahan passvating bath [19] Penghematan biaya untuk rata-rata perusahaan galvanis mengadopsi teknologi emulsi pertraction diperkirakan € 30 per tahun. Penghematan ini meliputi: mengurangi biaya penggunaan kimia dan air, mengurangi biaya pengolahan dan pembuangan serta biaya tenaga kerja [19]. Pada proses pertraction polutan dihilangkan dari air dengan mengabsorbsi polutan menuju sebuah agen ekstrasi organik. Membran membentuk interface antara air limbah dan ekstraktan.

4.3. Pemisahan Ammonia dari Air Limbah dengan Kontaktor Membran Era ini, pengolahan air limbah adalah hal yang sangat penting untuk menghasilkan air minum dan melindungi lingkungan. Di antara kontaminan air, amonia (NH3) merupakan kontaminan utama yang dapat menyebabkan efek samping [20]. Amonia dapat ditemukan baik dalam air limbah kota atau industri. Amonia terlarut dalam larutan dihasilkan dari air limbah industri seperti kokas, pupuk kimia, gasifikasi batubara, pabrik pengilangan minyak bumi, farmasi dan katalis [21]. Saat ini, proses pemisahan secara konvensional diterapkan untuk menghilangkan amonia dari air dan air limbah termasuk pertukaran ion selektif, air

Ketika amonia dilarutkan dalam larutan aqueous, terdapat dua bentuk yang berbeda. Salah satu bentuknya adalah amonia (NH3) dan bentuk lainnya adalah ion amonium (NH4+). Komposisi spesies ini tergantung pada pH dan suhu larutan. Komposisi dapat dihitung dari reaksi berikut: (2) Konsentrasi total ammonia dalam larutan adalah jumlah dari konsentrasi kesetimbangan dari ammonium dan ammonia (3)

4.3.2. Mekanisme perpindahan ammonia melalui kontaktor membran Pada proses penghilangan ammonia, larutan aqueous ammonia sebagai umpan dialirkan dalam sisi tube. Larutan stripping dilewatkan di sisi shell dari kontaktor membran baik dalam mode aliran cocurrent atau counter-current. Larutan stripping yang paling efektif adalah larutan asam sulfat karena laju reaksi antara amonia dan asam sulfat yang tinggi. Dengan mengontakkan umpan dan fasa stripping dalam kontaktor membran, amonia berpindah dari bulk menuju antarmuka membran umpan karena gradien konsentrasi. Pada antarmuka umpan-membran, amonia diuapkan ke dalam poripori membran yang diisi oleh gas. Membran yang digunakan memiliki mikropori dan memberikan kontak antara dua fasa. Amonia kemudian berdifusi melintasi pori-pori membran yang dipenuhi dengan


gas, dan dipindahkan ke dalam larutan stripping. Pada antarmuka shell-membran, amonia langsung bereaksi dengan larutan stripping. Oleh karena itu, konsentrasi amonia dalam larutan stripping diasumsikan nol. Di sisi lain, air tidak dapat berdifusi melalui pori-pori membran karena sifat hidrofobik dari fiber. Prinsip penghilangan amonia melalui kontaktor membran secara skematis ditunjukkan pada Gambar 8 [21].

Gambar 8. Mekanisme perpindahan ammonia melalui kontaktor membran [21]

4.4. Deoksigenasi Air Umpan Boiler dengan Kontaktor Membran Hollow Fiber Penghilangan oksigen terlarut dalam air umpan boiler merupakan langkah penting untuk melindungi boiler dari korosi, perpindahan panas yang buruk dan pengurangan efisiensi. Dengan efisiensi tinggi,penghematan energi, ruang dan biaya, dan beberapa keuntungan lainnya, kontaktor membran hollow fiber untuk menghilangkan oksigen dari air telah banyak digunakan dalam proses pengolahan air ultra murni untuk mikroelektronik, farmasi dan industri lainnya. Baru-baru ini, kontaktor membran telah digunakan untuk menghilangkan gas-gas terlarut dalam air umpan boiler. Namun, penggunaannya dalam air umpan boiler masih belum umum digunakan dibandingkan dengan teknologi yang saat ini banyak digunakan, seperti bahan kimia, forced draft degasifiers, dan deareator uap [22] Diagram skematik dari skala pilot plant sistem deoksigenasi ditunjukkan pada Gambar 9. Air dari reservoir dipompa oleh pompa sentrifugal melalui filter untuk menghilangkan partikel lebih besar dari 5 mm dan kemudian ke modul membran hollow

7

fiber di sisi shell. Sementara itu, kondisi vakum dikondisikan pada sisi lumen dari modul membran dengan pompa vakum untuk menarik oksigen keluar dari membran. [22]

Gambar 9. skema diagram skala pilot plant sistem deoksigenasi menggunakan kontaktor membran hollow fiber, 1. tangki air, 2. pompa, 3. filter, 4. flow-meter, 5. kontaktor membran hollow fiber, 6. dissolved oxygen meter, 8. thermostatted water bath. [22] Katup A dan B dapat digunakan untuk mengubah arah air masuk ke modul hollow fiber. Konsentrasi oksigen terlarut dalam air setelah modul degasifikasi secara otomatis dimonitor oleh dissolved oxygen meter. [22] Sebuah sistem membran hollow fiber deoksigenasi skala pilot plant dikembangkan dan dinilai efisien dalam menghilangkan oksigen terlarut dari air umpan boiler pada kondisi operasi yang sesuai. Koefisien perpindahan massa fasa cair sisi shell dari oksigen dalam modul membran hollow fiber yang digunakan ditemukan bervariasi dengan 0,71 daya dari laju aliran cairan. Hal ini menunjukkan bahwa modul membran yang digunakan dalam penelitian ini adalah alat perpindahan massa yang sangat efisien. [22]

4.5. Denitrifikasi Air Minum dengan Sistem Kontaktor Membran Kontaminasi nitrat pada sumber air tanah adalah salah satu konsekuensi dari kegiatan antropogenik yang berkaitan dengan pertanian dan peternakan. Fenomena ini menimbulkan ancaman serius bagi kesehatan manusia; nitrat dalam air


minum pada kadar tinggi , pada kenyataannya, telah dikaitkan, sejak lama, untuk sindrom bayi biru, dan berkaitan dengan bahaya kanker. Sehingga kadar nitrat dalam air minum telah dibatasi di seluruh dunia [23]. Selain pada air tanah, kontaminasi nitrat juga dapat ditemukan pada air limbah industri [24]. Nilai-nilai syarat kadar nitrat tersebut dapat dengan mudah diperoleh melalui reverse osmosis, elektrodialisis atau ion exchange, tetapi biaya operasi yang dihasilkan terlalu tinggi untuk melaksanakan penggunaan besar teknologi tersebut. Selain itu pembuangan brine yang mengandung nitrat dalam kadar tinggi merupakan masalah tambahan. Denitrifikasi biologi, sebaliknya, lebih murah, dan tidak menimbulkan akumulasi nitrat, karena nitrat diubah menjadi gas nitrogen. Meskipun demikian kontak langsung antara biomassa dan air berpotensi sebagai sumber kontaminasi, sehingga membatasi penggunaan proses biologi tradisional untuk air minum. Untuk mengatasi keterbatasan ini digunakan membran bioreaktor / kontaktor membran (MBR / MC) sebagai sistem biologis inovatif. Membran Bioreaktor/Kontaktor membran menggunakan membran untuk memisahkan biomassa dari air pada saat proses denitrifikasi berlangsung. Bukan dengan memisahkan biomassa dan air setelah proses biologis, seperti yang terjadi di MBRs tradisional: dengan demikian, kontak antara air dan biomassa benar-benar dihindari, dan risiko kontaminasi secara drastis menurun [23]. Membran Bioreaktor/Kontaktor membran dapat secara konseptual direpresentasikan dengan menggunakan dua tangki yang berdekatan dipisahkan oleh elemen mikropori (Gambar 10 a). Air yang terkontaminasi oleh nitrat, ditempatkan dalam satu tangki, dan biomassa, dimasukkan dengan sumber eksternal karbon organik, ditempatkan dalam tangki lainnya, yang disebut kompartemen biologis. Karena gradien konsentrasi yang ada, nitrat bermigrasi melalui elemen pemisahan menuju kompartemen biologis dan direduksi menjadi gas nitrogen. Dalam aplikasi praktis, elemen pemisahan dapat diwujudkan dengan hollow fiber, dan proses denitrifikasi dapat diarahakan ke pengembangan biofilm pada bagian luar fiber (Gambar 10 b) [23]. Konfigurasi

8

membran bioreactor dengan kontaktor membran sering disebut membran ekstraktif. [25] Dua konfigurasi operasi yang berbeda diterapkan, defined waste mode configuration (WMC), dan recycle mode configuration (RMC). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11, di WMC sumber karbon dibuang setelah digunakan, dan kompartemen biologis dibuka untuk udara, sementara di RMC sumber karbon didaur ulang ke tangki.

Gambar 10. Kondisi operasi membran bioreactor/kontaktor membran: a)flat membrane; b)hollow fibres [23]

Sistem membran bioreactor/kontaktor membran berpotensi menjadi alternatif yang menarik untuk denitrifikasi air minum, karena mengurangi risiko kontaminasi terinduksi dan tidak memerlukan biaya operasional yang tinggi: nilai tingkat denitrifikasi diperoleh dalam kondisi kerja yang optimal dari skala pilot plant memastikan potensi dari sistem ini [23].

Gambar 11. Rangkaian percobaan. FT=tangki umpan; CT= tangki sumber karbon; M=membran; BC = biological compartment; V1 ditutup, V2 dibuka = waste mode configuration; V1 dibuka, V2 ditutup = recycle mode configuration [23]


4.6. Desalinasi Air dengan Kontaktor Membran (Membran Distilasi) Reverse osmosis atau biasa disebut dengan RO kini dianggap sebagai proses yang paling menarik untuk menghasilkan air tawar dari air payau atau air laut. Namun kelemahan utama dari sistem reverse osmosis adalah masalah fouling dan scaling serta konsumsi energi yang cukup tinggi. Perkembangan terbaru dalam teknologi RO telah menyebabkan penghematan biaya yang signifikan baik dalam modal dan biaya operasi untuk desalinasi air laut. Biaya operasi desalinasi air laut sangat bergantung pada biaya energi di suatu negara. Oleh karena itu dibutuhkan sebuah alat desalinasi yang tidak terlalu bergantung pada biaya energi yang fluktuatif. Salah satu alternatifnya adalah membran distilasi [26]. Membrane distillation adalah teknologi kontaktor membran dengan driving force termal yang memiliki potensi untuk mengurangi jumlah konsentrat yang dibuang jika dibandingkan dengan RO [27] [28]. Sistem membran distilasi diklasifikasikan menjadi lima konfigurasi: direct contact MD (DCMD), air-gap MD (AGMD), liquid-gap MD (LGMD), sweeping gas MD (SGMD), vacuum MD (VMD), dan osmotic MD (OMD) [29]. Vapor Membrane Distillation adalah proses penguapan menggunakan membran berpori dan hidrofobik , yang secara fisik memisahkan umpan cair aqueous dari gas yang dijaga di bawah tekanan vakum. Pada proses ini, dua fluida encer dengan temperatur yang berbeda dipisahkan menggunakan membran hidrofobik mikroporous dengan temperatur operasi yang lebih rendah daripada temperatur kedua fluida tersebut. Perbedaan temperatur di antara dua fluida menyebabkan proses perpindahan molekul uap dari sisi umpan (sisi hangat) ke sisi permeat (sisi dingin) melalui pori membran [30]. Dalam kasus air laut, air melewati membran sebagai uap tanpa garam dan kemudian terkondensasi di luar modul. Membran distilasi adalah salah satu sistem dari kontaktor membran. Prinsip kerja VMD dapat dilihat pada Gambar 12 [26]. Membran distilasi vakum terjadi dengan menerapkan tekanan vakum atau tekanan rendah di sisi permeat membran mikro hidrofobik (Gambar 12). Umpan mengalir tangensial ke permukaan

9

membran. Di bawah tekanan yang sangat rendah, air menguap dekat dengan pori-pori dan kemudian berdifusi sebagai uap melalui pori-pori. Permeat dikondensasikan di luar modul [26]. VMD dapat dikarakterisasikan dengan langkahlangkah berikut: penguapan senyawa yang lebih mudah menguap (di sini air) di cairan / antarmuka uap dan difusi uap melalui pori-pori membran menurut mekanisme Knudsen. Umumnya untuk proses semacam itu, gaya pendorong (driving force) adalah karena kedua gradien tekanan parsial dan gradien termal [31]. Akibatnya, dalam film cairan dekat dengan permukaan membran, suhu dan konsentrasi profil radial sering muncul. Membran hanya bertindak sebagai penghalang fisik antara dua fase, dan selektivitas proses tidak benarbenar dipengaruhi oleh karakteristik membran ketika membran telah dipilih dengan benar. Sifat membran (hidrofobik, distribusi diameter pori) harus dipilih dengan cermat untuk memastikan efisiensi proses. Membran harus mesopori dengan diameter pori rata-rata antara 0,05 dan 0,2 m dan harus non-terbasahi dengan umpan aqueous. Mikrofiltrasi membran hidrofobik (PTFE, PP, PVDF) dengan demikian diperlukan [26].

Gambar 12. Prinsip Vapor Membrane Distillation [26]


Perpindahan massa terjadi dengan difusi dalam membran pori-pori dan perpindahan massa melalui bahan membran sering diabaikan. Dalam hal ini, membran tidak bertanggung jawab atas efisiensi pemisahan, yang terutama dikendalikan oleh termodinamika (kesetimbangan uap cair) dan hidrodinamika dalam dua kompartemen membran [26].

Kesimpulan Kebutuhan manusia akan air membuat perkembangan teknologi pengolahan air berkembang pesat. Salah satunya adalah perkembangan teknologi kontaktor membran. Walaupun beberapa aplikasi kontaktor membran dalam pengolahan limbah masih dalam skala pilot, hasil penelitian menunjukkan hasil yang berpotensi untuk dikembangkan lebih lanjut. Daftar Notasi J A X Ctotal

fluks volume melalui membran koefisien perpindahan massa gradien driving force konsentrasi total

Daftar Pustaka

10

Supply,” Resources, Conservation and Recycling, no. 105, pp. 1-10, 2015. [5] E. Drioli, “Membrane Contactors: Fundamentals, Applications and Potentialities,” Membrane Science and Technology, no. 11, pp. 2-35, 2005. [6] C. M. Tun dan A. M. Groth, “Sustainable Integrated Membrane Contactor Process for Water Reclamation, Sodium Sulfate Salt and Energy Recovery from Industrial Effluent,” Desalination, no. 283, pp. 187-192, 2011. [7] M. Stanojevic, B. Lazarevic dan D. Radic, “Review of Membrane Contactors Designs and Applications of Different Modules in Industry,” FME Transactions, no. 31, pp. 9198, 2003. [8] J. A. Howell, “Future of Membranes and Membrane Reactors in Green Technologies and for Water Reuse,” Desalination, no. 162, pp. 1-11, 2004. [9] M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology: Second Edition, Dordrecht: Kluwer Academic Press, 1996.

[1] C. A. Quist-Jensen, F. Macedonio dan E. Drioli, “Membrane Technology for Water Purification in Agriculture: Desalination and Wastewater Reuse,” Desalination, no. 364, pp. 17-32, 2015.

[10] I. G. Wenten, P. T. P. Aryanti, Khoiruddin dan A. N. Hakim, Lecture Note: Desain Proses Berbasis Membran, Bandung: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.

[2] I. G. Wenten, “Teknologi Membran dalam Pengolahan Air dan Limbah Industri,” Bandung, 2005.

[11] I. G. Wenten, N. F. Himma, N. Prasetya dan S. Anisah, Lecture Note: Kontaktor Membran, Bandung: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.

[3] Z. Zhang dan J. W. Balay, “How Much is Too Much?: Challenges to Water Withdrawal and Consumptive Use Management,” Journal of Water Resource Planning and Management, vol. VI, no. 140, p. 01814001, 2014.

[12] T. Leiknes, Gas Transfer and Degassing Using Hollow Fiber Membranes, Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2001.

[4] X. Zheng, Z. Zhang, D. Yu, X. Chen, R. Cheng, S. Min, J. Wang, Q. Xiao dan J. Wang, “Overview of Membrane Technology Applications for Industrial Wastewater Treatment in China to Increase Water

[13] A. Sengupta, P. A. Peterson, B. D. Miller, J. Schneider dan C. W. Fulk, “Large-scale application of Membrane Contactors for Gas Transfer from or to Ultrapure Water,” Separation and Purification Technology, vol.


14, pp. 189-200, 1998. [14] A. Mourgues, N. Hengl, M. Belleville, D. Paolucci-Jeanjean dan J. Sanchez, “Membrane contactor with hydrophobic metallic membranes: 1. Modeling of coupled mass and heat transfers in membrane evaporation,” Journal of Membrane Science, no. 355, pp. 112-125, 2010. [15] V. D. Alves dan I. Coelhoso, “Study of Mass and Heat Transfer in The Osmotic Evaporation Process Using Hollow Fibre Membrane Contactors,” Journal of Membrane Science, no. 289, pp. 249-257, 2007.

11

Chemistry, pp. 1-6, 2013. [22] J. Shao, H. Liu dan Y. He, “Boiler Feed Water Deoxygenation Using Hollow Fiber Membrane Contactor,” Desalination, no. 234, p. 370, 2008. [23] M. Fabbricinoa dan L. Petta, “Drinking Water Denitrification in Membrane Bioreactor/Membrane Contactor Systems,” Desalination, no. 210, pp. 163-174, 2007. [24] A. R. Bielefeldt, “Water Treatment, Industrial,” dalam Encyclopedia of Microbiology (Third Edition), Elsevier, 2009, pp. 569-586.

[16] S. A. Tarafder, C. McDermott dan C. Schuth, “Vacuum Assisted Removal of Volatile to Semi-volatile Organic Contaminants from Water Using Hollow Fiber Membrane Contactors I: Experimental results,” Journal of Membrane Science, no. 292, pp. 9-16, 2007.

[25] M. Bodzek, “Membrane Technologies for The Removal of Micropollutants in Water Treatment,” dalam Advances in Membrane Technologies for Water Treatment, Elsevier, 2015, pp. 465-517.

[17] R. Singh, “Water and Membrane Treatment,” dalam Membrane Technology and Engineering for Water Purification (Second Edition), Elsevier, 2015, pp. 81-178.

[26] C. Cabassud dan D. Wirth, “Membrane distillation for water desalination: how to chose an appropriate membrane?,” Desalination, no. 157, pp. 307-314, 2003.

[18] R. Klaasen dan A. E. Jansen, “The Membrane Contactor: Environmental Applications and Possibilities,” Environmental Progress, vol. I, no. 20, pp. 37-43, 2001.

[27] E. Curcio, G. D. Profio, E. Fontananova dan E. Drioli, “Membrane Technologies for Seawater Desalination and Brackish Water Treatment,” dalam Advances in Membrane Technologies for Water Treatment, Elsevier, 2015, pp. 411-442.

[19] R. Klaassen, P. Feron dan A. Jansen, “Membrane Contactor Applications,” Desalination, no. 224, pp. 81-87, 2008. [20] M. Rezakazemi, S. Shirazian dan S. N. Ashrafizadeh, “Simulation of Ammoia Removal from Industrial Wastewater Streams by Means of A Hollow-fiber Membrane Contactor,” Desalination, no. 285, pp. 383392, 2012. [21] F. Nosratinia, M. Ghadiri dan H. Ghahremani, “Mathematical Modeling and Numerical Simulation of Ammonia Removal from Wastewaters Using Membrane Contactors,” Journal of Industrial and Engineering

[28] A. Khalifa, D. Lawal, M. Antar dan M. Khayet, “Experimental and Theoretical Investigation on Water Desalination Using Air Gap Membrane Distillation,” Desalination, no. 376, pp. 94-108, 2015. [29] J. B. Gálveza, L. García-Rodríguez dan I. Martín-Mateos, “Seawater desalination by an innovative solar-powered membrane distillation system: the MEDESOL project,” Desalination, no. 246, pp. 567-576, 2009. [30] I. G. Wenten, N. F. Himma, S. Annisah dan N. Prasetya, Diktat Kuliah: Membran


Suprhidropobik; Pembuatan, Karakterisasi, dan Aplikasi, Bandung: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015. [31] R. A. Tufa, E. Curcio, E. Brauns, W. v. Baak, E. Fontananova dan G. D. Profio, “Membrane Distillation and Reverse Electrodialysis for Near-Zero Liquid Discharge and Low Energy Seawater Desalination,” Journal of Membrane Science, no. 496, pp. 325-333, 2015.

12

Aplikasi Kontaktor Membran dalam Pengolahan Air

Recommend Documents