DESORPSI CO2 PADA MEMBRAN KONTAKTOR MENGGUNAKAN PROSES REGENERASI VAKUM
LAPORAN PENELITIAN
Oleh ALIEF ANGGA PRASETYA
TEKNIK KIMIA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2014
ABSTRAK DESORPSI CO2 PADA MEMBRAN KONTAKTOR MENGGUNAKAN PROSES REGENERASI VAKUM Oleh Alief AnggaPrasetya Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung Karbon dioksida (CO2) merupakan komponen utama penyebab pemanasan global sehingga diperlukan teknologi pemisahan CO2 yang efektif untuk mengendalikan efek rumah kaca. Selain itu pemisahan yang efektif dari CO2 pada aliran gas, diharapkan dapat meningkatkan efisiensi dalam proses industri, baik secara teknis maupun ekonomis. Absorpsi merupakan metode yang paling banyak digunakan dalam pemisahan CO2. Teknologi konvensional dengan kolom absorpsi desorpsi dalam pemisahan CO2 memiliki beberapa kelemahan seperti flooding, foaming, entraining, channeling, dan tingginya biaya investasi dan biaya operasi. Salah satu pengembangan yang dilakukan dalam desorpsi CO2 adalah teknologi kontaktor membran menggunakan regenerasi vakum. Proses ini melakukan desorpsi gas dari pelarut air yg jenuh dengan CO2 dengan teknologi kontaktor membran. Keunggulan dari teknologi membran kontaktor adalah : memliki luas permukaan kontak yang besar dan terhitung, energi yang lebih rendah, serta mudah dalam scale-up karena bersifat modularitas. Kinerja dari teknologi ini sangat tergantung pada sistem pengontakan gas-cairan, jenis membran yang digunakan, dan kondisi operasi yang digunakan. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik operasi serta memperoleh data eksperimen terhadap konsep desorpsi CO2 menggunakan membran kontaktor dengan regenerasi vakum. Parameter operasi yang akan dikaji meliputi laju alir absorben (0,100; 0,150; 0,178; 0,278 lpm), dan tekanan vakum (46, 36, 26, 21 cmHg). Pengamatan dilakukan dengan melakukan evaluasi kinerja desorpsi CO2 pada membran kontaktor berupa fluks desorpsi CO2 dan efisiensi desorpsi. Dengan menaikkan laju alir absorben pada membran kontaktor didapatkan nilai fluks dan efisiensi desorpsi juga semakin meningkat. Sementara itu, makin rendah tekanan absolut vakum menyebabkan nilai fluks dan efisiensi desorpsi akan semakin meningkat. Sementara itu, tahanan perpindahan massa fasa cair memberikan efek signifikan terhadap tahanan perpindahan massa total.
Kata kunci : membran kontaktor, pemisahan CO2, desorpsi, regenerasi vakum
2
ABSTRACT DESORPTION OF CO2 IN MEMBRANE CONTACTOR USING VACUUM REGENERATION By Alief Angga Prasetya Chemical Engineering Department, Institut Teknologi Bandung Advancing carbon dioxide (CO2) separation technology is very important in order to prevent the gas released to atmosphere, contributing in severing global warming. Moreover, effective CO2 removal from gas stream is expected to increase the efficiency of industrial process both technically and economically. Absorption is the frequent method that applied in CO2 removal. Conventional method in CO2 removal by absorption collumn suffer several drawback such as flooding, foaming, entraining, channeling, and high investation and operational costs. Recent development of desorption process in CO2 removal is membrane based contactor using vacuum regeneration. In this technology, CO2 will be desorbed from the CO2-saturated water with the assistance of membrane contactor. The advantages of this process lie in several aspects such as: high surface area for contacting process, less in energy demand compared with conventional technology and easy to scale up. The performance of this process relies heavily on several aspects such as: gas-liquid contacting system, variant of membrane used and operating condition. This research is aimed to understand the stripping phenomena that occurs in membrane contactor with vacuum regeneration. Furthermore, it is also aimed to determine the best operational condition for conducting the process. There are two kinds of operating conditions varied in this research: absorbent flow rate (0.100; 0.150; 0.178 and 0.278 lpm) and vacuum pressure (46, 36, 26, 21 cmHg). CO2 desorption flux and desorption efficiency will be used as evaluation parameters in determining the performance of membrane contactor. It was found that by increasing the absorbent flow rate, desorption flux and efficiency would also increase. The same phenomenon was also observed when absolute vacuum pressure was decreased. Moreover, it was also found that liquid mass-transfer resistance was the biggest contribution in overall mass-transfer resistance.
Keywords: membrane contactor, CO2 removal, desorption, vacuum regeneration
3
DAFTAR ISI
ABSTRAK .............................................................................................................................................. 2 ABSTRACT............................................................................................................................................ 3 DAFTAR ISI........................................................................................................................................... 4 DAFTAR GAMBAR .............................................................................................................................. 6 DAFTAR TABEL................................................................................................................................... 7 BAB I
PENDAHULUAN .................................................................................................................. 8
I.1.
Latar Belakang ........................................................................................................................ 8
I.2.
Rumusan Masalah ................................................................................................................... 8
I.3.
Tujuan Masalah ....................................................................................................................... 8
I.4.
Ruang Lingkup Penelitian....................................................................................................... 9
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................................... 10
II.1.
Teknologi Pemisahan CO2 .................................................................................................... 10
II.2.
Membran Kontaktor Gas – Cair ............................................................................................ 10
II.3.
Perpindahan Massa pada Membran Kontaktor Gas – Cair ................................................... 12
II.4.
Pemilihan Material Membran ............................................................................................... 17
II.5.
Absorben Pemisahan Karbon Dioksida ................................................................................ 19
II.6.
Aplikasi Komersial Pemisahan CO2 dengan Membran Kontaktor ....................................... 21
BAB III
RANCANGAN PENELITIAN ......................................................................................... 22
III.1.
Metodologi ........................................................................................................................ 22
III.2.
Percobaan .......................................................................................................................... 22
III.2.1.
Bahan ............................................................................................................................ 22
III.2.2.
Alat................................................................................................................................ 22
III.3.
Prosedur Percobaan ........................................................................................................... 23
III.3.1.
Operasi Pemisahan CO2 ................................................................................................ 23
III.3.2.
Variasi ........................................................................................................................... 24
Interpretasi Data ................................................................................................................................ 24 Jadwal Penelitian .............................................................................................................................. 25 BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................................................... 26
IV.1.
Pengaruh tahanan perpindahan massa terhadap desorpsi CO2 .......................................... 26
IV.2.
Pengaruh laju alir absorben terhadap desorpsi CO2 .......................................................... 27
IV.3.
Pengaruh tekanan vakum terhadap desorpsi CO2 ............................................................. 28
4
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................................................... 30
V.1.
Kesimpulan ........................................................................................................................... 30
V.2.
Saran ..................................................................................................................................... 30
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................................................... 31
5
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1 Mekanisme (a) absorpsi dan (b) desorpsi CO2 menggunakan membran kontaktor.......... 11 Gambar II.2. Prototipe pilot plant kontaktor hollow fiber [IGW Lab. 2003] ....................................... 12 Gambar II.3 Skematik tiga bagian dari membran kontaktor (simetri aksial) ........................................ 14 Gambar II.4 Skematik tiga bagian dari membran kontaktor untuk stripping CO2 ................................ 15 Gambar II.5 Struktur kimia PTFE......................................................................................................... 17 Gambar II.6 Struktur kimia Polipropilen .............................................................................................. 18 Gambar III.1 Rangkaian Alat Penelitian ............................................................................................... 22 Gambar III.2 Prosedur Percobaan ......................................................................................................... 23 Gambar IV.1 Perbandingan tahanan perpindahan massa terhadap variasi kecepatan absorben ........... 26 Gambar IV.2 Pengaruh laju alir absorben terhadap fluks desorpsi CO2 Pvak 36 cmHg ...................... 27 Gambar IV.3 Pengaruh laju alir absorben terhadap efisiensi desopsi CO2 ........................................... 27 Gambar IV.4 Pengaruh Pvak terhadap fluks desorpsi CO2 pada laju absorben 0,1 lpm....................... 28 Gambar IV.5 Pengaruh Pvak terhadap efisiensi desorpsi CO2 ............................................................. 28
6
DAFTAR TABEL
Tabel II.1 Pelarut Komersial dalam Pemisahan CO2 [22] .................................................................... 11 Tabel II.2 Sifat Fisik Berbagai Jenis Membran dalam Pemisahan CO2................................................ 18 Tabel III.1 Spesifikasi Modul Membran ............................................................................................... 23 Tabel III.2 Variasi percobaan ............................................................................................................... 24 Tabel III.2 Rancangan Kegiatan Penelitian .......................................................................................... 25 Tabel IV.1 Analisis koefisien perpindahan massa proses desorpsi CO2 membran kontaktor .............. 26
7
BAB I
PENDAHULUAN
I.1.
Latar Belakang Karbon dioksida (CO2) merupakan salah satu penyebab utama dalam fenomena pemanasan global. Perlunya teknologi pemisahan CO2 untuk mengendalikan efek rumah kaca. Dengan adanya pemisahan CO2 dari aliran gas, diharapkan meningkatkan efisiensi dalam proses industri, baik secara teknis, ekonomi, maupun lingkungan. Teknologi konvensional dalam pemisahan CO2 memberikan beberapa kelemahan seperti flooding, foaming, entraining, channeling, dan tingginya biaya investasi dan biaya operasi. Pengembangan metode dan teknologi baru dalam absorpsi CO2 menjadi topik penting dalam penelitian pada saat ini [1]. Salah satu pengembangan yang dilakukan dalam absorpsi-desorpsi CO2 adalah teknologi kontaktor membran. Proses ini melakukan penggabungan absorpsi gas dengan pelarut dan teknologi kontaktor membran. Keunggulan dari teknologi ini sangat tergantung pada sistem pengontakan gascairan, jenis membran yang digunakan, dan kondisi operasi yang digunakan. Selain itu, membran kontaktor memliki luas permukaan kontak yang besar dan terhitung, energi yang lebih rendah, serta mudah dalam scale-up karena bersifat modularitas. Dari semua proses pemisahan CO2 yang aplikatif, proses absorpsi CO2 mengunakan pelarut merupakan salah satu pemisahan CO2 yang sangat baik karena fleksibilitas terhadap tekanan parsial gas CO2 yang rendah, tingkat absorpsi CO2 yang tinggi, dan dapat berintegrasi dengan proses hilir. Meskipun dari semua keunggulan diatas, terdapat permasalahan dengan tingginya biaya operasional dan besarnya kebutuhan energi [2] terutama dalam proses regenerasi pelarut pada proses desorpsi. Sebagai catatan, untuk metode regenerasi amina pada kolom stipper umumnya beroperasi lebih dari 120oC yang dimana dapat menyebabkan degradasi termal dan hilangnya pelarut akibat penguapan [3, 4]. Beberapa peneliti telah mempelajari proses desorpsi CO2 dengan menggunakan kontaktor membran. Baik dari pemilihan material membran seperti PTFE [5], PVDF [6, 7], pemilihan larutan regenerasi [8-11], modifikasi permukaan membran seperti yang dilakukan oleh Naim [12, 13], Mansourizadeh [7], dan Rahbari Sisakht [14] yang memodifikasi membran PVDF sebagai membran kontaktor untuk proses desorpsi CO2. Proses desorpsi CO2 pada membran kontaktor dapat dilakukan dengan proses sweeping gas dan regenerasi vakum [15]. Sweeping gas dapat menggunakan gas nitrogen untuk desorpsi CO2 dari larutan fisik maupun kimia yang jenuh oleh gas CO2. Dari hasil percobaan yang dilakukan oleh Rahbari Sisakht [14], desorpsi CO2 dengan sweeping gas menggunakan membran PVDF modifikasi dengan larutan DEA jenuh CO2 didapatkan bahwa kenaikan laju alir gas sweeping tidak signifikan meningkatkan kinerja desorpsi CO2 pada membran kontaktor. Sementara itu, pada proses regenerasi vakum oleh Fang [15] menggunakan membran PP dengan larutan MEA jenuh CO2 didapatkan proses bahwa desorpsi CO2 pada membran kontaktor dapat lebih rendah energi yang digunakan dibandingkan dengan regenerasi termal. I.2.
Rumusan Masalah Meskipun sudah banyak penelitian mengenai pemisahan absorpsi desorpsi CO2 menggunakan membran, akan tetapi hingga saat ini proses desorpsi CO2 masih perlu dikaji lebih dalam untuk meminimalkan biaya operasional khususnya kebutuhan energi regenerasi. Percobaan desorpsi ini dilakukan dengan proses regenerasi vakum menggunakan pelarut air yang terlarut dengan CO2. Percobaan ini mengetahui kinerja membran kontaktor yang digunakan sehingga dapat mengetahui fluks desorpsi CO2 dan efisiensi desorpsi yang dihasilkan. I.3.
Tujuan Masalah Dari rumusan masalah yang sudah dijabarkan sebelumnya, penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik operasi serta memperoleh data eksperimen terhadap konsep pemisahan desorpsi CO2 dari larutan air yang mengandung CO2 terlarut menggunakan membran kontaktor dengan sistem regenerasi vakum. Pengamatan dilakukan terhadap parameter operasi berupa
8
konsentrasi CO2 absorben air umpan dan produk, laju alir absorben, serta tekanan vakum. Pengamatan dilakukan dengan melakukan evaluasi kinerja desorpsi pada membran kontaktor secara keseluruhan. I.4. 1. 2. 3. 4. 5.
Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup penelitian meliputi hal – hal sebagai berikut : Membran yang digunakan merupakan membran hollow fiber polipropilen hidrofobik tanpa pretreatment. Membran dibentuk dalam satu modul untuk proses desorpsi CO2. Proses desorpsi CO2 menggunakan pompa vakum. Absorben menggunakan absorben fisik yaitu air murni. Sampling absorben dilakukan setelah operasi berjalan 10 menit.
9
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini akan memyajikan tinjauan pustaka mengenai teknologi pemisahan CO2, membran kontaktor gas cair, perpindahan massa pada membran kontaktor, pemilihan material membran, absorben pemisahan karbon dioksida, serta aplikasi komersial pemisahan CO2 dengan membran kontaktor. II.1.
Teknologi Pemisahan CO2 Salah satu pemisahan CO2 yang umum digunakan adalah absorpsi cairan. Absorpsi kimia atau fisik digunakan secara luas baik dalam industri petroleum, gas alam, pembangkit listrik, serta industri kimia untuk pemisahan CO2 [16]. Pemisahan secara absorpsi umumnya menggunakan pelarut cair baik fisik maupun kimia. Pelarut fisik yang sering digunakan dalam pemisahan CO2, antara lain metanol, propilen karbonat, seleksol, air, dan lain-lain. Sedangkan pelarut kimia yang sering digunakan adalah larutan karbonat, amina, garam logam alkali, dan lain-lain. Beberapa jenis pelarut komersial untuk pemisahan CO2 ditampilkan dalam Tabel II.1. Secara umum, pelarut fisik dapat diregenerasi dengan metode penurunan tekanan tanpa penambahan panas. Pelarut jenis ini sangat menguntungkan apabila tekanan parsial CO2 melebihi 1 MPa. Sedangkan pelarut kimia memerlukan panas yang cukup besar untuk melakukan regenerasi. Hal ini menjadi sangat tidak ekonomis jika beroperasi dengan umpan yang memiliki kandungan CO2 tinggi [17]. Secara umum proses absorpsi dilakukan menggunakan kontaktor gas-cair. Perpindahan massa kontaktor gas-cair diperoleh dengan kontak langsung dan dispersi satu fasa ke fasa yang lainnya. Sharma dan Doraiswamy [18] mengklasifikasikan kontaktor industri ke dalam tiga kategori tergantung pada fasa terdispersinya yaitu : 1. Kontaktor dimana cairan mengalir sebagai film tipis (contoh: packed column, disc contactors, dan lain-lain). 2. Kontaktor dimana gas didispersikan ke dalam fasa cairan (contoh: plate column, bubble column, mechanically agitated contactors, dan lain-lain). 3. Kontaktor dimana cairan didispersikan ke dalam fasa gas (contoh: spray column, venturi scrubbers, dan lain-lain). Namun, teknologi konvensional ini memiliki banyak kekurangan, antara lain biaya investasi dan operasi yang besar, sulit dioperasikan karena sering timbul permasalahan seperti flooding, foaming, channeling, dan entrainment [1]. Salah satu teknologi alternatif dalam pemisahan CO2 adalah teknologi membran kontaktor. Dibandingkan dengan kolom absorber, pada membran kontaktor memberikan luas permukaan kontak yang sangat besar hingga berkisar 500 – 1500 m2/m3 dibandingkan dengan luas permukaan kontaktor konvensional yaitu 100 – 250 m2/m3 [19]. Hal ini akan ukuran membran kontaktor jauh lebih kecil dibandingkan dengan kontaktor konvensional yang ada. Membran Kontaktor Gas – Cair Membran umumnya dianggap sebagai lapisan selektif yang dapat melewatkan beberapa komponen yang diinginkan di dalam umpan dan merejeksi komponen yang tidak diinginkan. Konsep “tradisional” ini berdasarkan pemisahan membran secara molekular seperti mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, reverse osmosis, pervaporasi, dan separasi gas. Sementara pada membran kontaktor, tidak memisahkan komponen akibat adanya selektivitas dari membran, dan menggunakan mikropori membran untuk menjaga kontak antara dua fasa [20]. Konsep pemisahan ini didasarkan pada pemisahan gas cair pada kolom absorber-desorber yang sudah banyak digunakan dalam industri. Di dalam membran kontaktor, proses separasi terintegrasi dengan operasi ekstraksi atau absorpsi dengan tujuan untuk memanfaatkan keunggulan dari masing-masing proses. Berdasarkan gaya dorong yang digunakan, membran kontaktor termasuk ke dalam golongan concentration driven membrane atau proses berbasis membran yang memanfaatkan perbedaan konsentrasi untuk mendorong terjadinya proses perpindahan melewati membran [21]. II.2.
10
Tabel II.1 Pelarut Komersial dalam Pemisahan CO2 [22] Vendor/Lisensor Pelarut Kimia Econamine ADIP-X aMDEA GAS/SPEC UCARSOL KM CDR Benfield Catacarb Flexsorb HP Pelarut Fisik Fluor Solvent Selexol Purisol Rectisol Ifpexol Pelarut Campuran Sufinol-D Amisol
Pelarut
Fluor Shell BASF Ineos DOW Mitsubishi Heavy Industries UOP Eickmeter and Associates Exxon Mobile Fluor UOP/DOW Lurgi Lurgi IFP
Diglikolamin, mono-etanolamin MDEA + akselerator MDEA MDEA MDEA KS-1 hindered amin Potasium karbonat Potasium karbonat + additif organik Potasium karbonat + amin sterik Polipropilen karbonat kering Campuran PEG dimetil eter Metanol dingin Metanol dingin
Shell Lurgi
Sulfolan + DIPA + air Metanol + amin sekunder + air
Meskipun kolom packing dan kontaktor lainnya telah banyak dimanfaatkan dalam industri, teknologi ini masih mempunyai banyak kekurangan, terutama adanya dispersi antara dua fasa cairan yang menyebabkan terjadinya unloading, terbentuknya emulsi dan pembusaan [23]. Kekurangan ini bisa diatasi dengan menggunakan kontak non-dispersif melalui membran berpori. Hal ini dapat terjadi dengan melewatkan fluida pada sisi yang berlawanan dari membran. Permukaan (interface) fluida/fluida terbentuk pada mulut pori membran, dan perpindahan massa akan terjadi melalui difusi pada permukaan fluida di dalam pori membran. Umumnya, tidak terjadi penetrasi antara dua fasa pada pori membran. Hal ini dilakukan dengan cara menjaga tekanan operasi antara dua fasa. Pada fasa yang tidak dapat berpenetrasi kedalam pori membran dijaga pada tekanan yang lebih tinggi dibandingkan fasa lainnya. Pada jenis membran hidrofobik, fasa polar tidak dapat melewati ke dalam pori, sedangkan pada fasa hidrofilik, fasa gas/non polar tertahan pada permukaan pori [24]. Gambar II.1 mengilustrasikan mekanisme pemisahan CO2 secara absorpsi dan desorpsi dengan menggunakan membran kontaktor hollow fiber. Karakteristik membran modul hollow fiber antara lain: self-support, memiliki packing density yang tinggi, dan luas permukaan kontak terhadap volum yang besar [25].
Gambar II.1 Mekanisme (a) absorpsi dan (b) desorpsi CO2 menggunakan membran kontaktor 11
Contoh aplikasi membran kontaktor (kontaktor gas-cair) skala besar adalah penyisihan gas dari cairan atau mendifusikan gas menuju cairan misalnya oksigenasi darah ketika open-heat surgery, penyisihan karbon dioksida ketika produksi air ultra murni, dan pemisahan olefin/parafin dari campuran gas [26]. Pada proses pengolahan air laut, khususnya limbah brine dari unit multistage flash (MSF), di Indonesia telah dikembangkan teknologi kontaktor hollow fiber [27]. Teknologi ini berbasis pada pemanfaatan membran mikrofiltrasi yang hidrofobik. Dengan pengaturan ukuran pori yang sedemikian rupa, teknologi ini mampu memisahkan uap dan partikel air dengan sangat sempurna. Dengan demikian, kemurnian air yang dihasilkan sama sekali tidak bergantung pada konsentrasi umpan. Hal ini memungkinkan untuk melakukan proses produksi air murni pada konsentrasi garam yang sangat pekat. Sebagai akibatnya, proses ini akan menghasilkan produk samping berupa larutan garam yang sangat pekat, yang secara seketika dapat dikristalkan pada temperatur ruang. Membran kontaktor hollow fiber skala pilot plant dengan kapasitas 6 m3/jam dapat dilihat pada Gambar II.2.
Gambar II.2. Prototipe pilot plant kontaktor hollow fiber [IGW Lab. 2003] Perpindahan Massa pada Membran Kontaktor Gas – Cair Perpindahan massa suatu komponen dari fasa gas ke dalam cairan yang mengalir di dalam membran serat berongga terdiri dari tiga tahap, yaitu difusi solut dari fasa bulk gas ke permukaan membran, difusi melalui pori membran ke permukaan cairan, dan difusi dari permukaan cairan ke fasa bulk cairan [28]. Fluks absorpsi dapat didefinisikan dengan persamaan sebagai berikut : 𝐽 = 𝐾𝑜𝑉 ∆𝐶 (II.1) II.3.
Dimana J merupakan fluks aborpsi, Kov adalah koefisien perpindahan massa total, dan ΔC merupakan gradien konsentrasi. Apabila kita menganggap perpindahan gas-cair dari komponen i pada modul hollow fiber dengan fasa cair pada sisi shell dan fasa gas pada sisi lumen dengan membran hidrofobik, dengan mengetahui permukaan pada diameter luar fiber maka koefisien perpindahan massa cair total (Kl) dan koefisien perpindahan massa gas total (Kg) dapat dihitung dengan persamaan (Drioli, 2006): 1 𝐾𝑙 𝑑𝑜
=𝑘
1
1 𝐾𝑔 𝑑𝑜
=𝑘
𝑖𝑙𝑠 𝑑𝑜
𝐻 𝑖𝑙𝑠 𝑑𝑜
+𝑘
1 𝑖𝑚 𝐻𝑑𝑖𝑚
+𝑘
1 𝑖𝑚 𝑑𝑖𝑚
+𝑘
+𝑘
1
(II.2)
𝑖𝑔𝑡 𝐻𝑖 𝑑𝑖
1
(II.3)
𝑖𝑔𝑡 𝑑𝑖
Dimana, kils koefisien perpindahan massa komponen i pada fasa cair di shell; kigt koefisien perpindahan massakomponen i pada fasa gas di tube; kim koefisien perpindahan massa komponen i di membran; di diameter dalam fiber; di diameter luar fiber; dlm diameter rata-rata fiber membran hidrofobik; Hi koefisien Henry. 12
Koefisien perpindahan massa pada membran kim dihitung berdasarkan aliran Knudsen yang dituliskan sebagai persamaan : 𝑘𝑙𝑚 =
𝐷𝑖𝑘 𝜀
(II.4)
𝜏𝛿
Dengan Dik, merupakan koefisien difusi Knudsen komponen i melalui membran; ε, porositas membran; τ, tortuositas; δ, ketebalan membran. Koefisien difusi Knudsen komponen i dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut (Drioli, 2006) : 1
8RT
Dkig = 3 dp√ πM
(II.5)
dp = diameter pori membran (m) R = konstanta gas ideal (J/kmol K) T = temperatur gas (Kelvin) M = berat molekul CO2 (kg/kmol) Koefisien perpindahan massa pada sisi tube biasanya didapatkan dengan persamaan Leveque. 𝑆ℎ = 1.62(𝑑2 𝑣/(𝐿𝐷))0.33
(II.6)
Sh, merupakan bilangan Sherwood; v, kecepatan fluida; d, diameter fiber; L, panjang fiber; D, koefisien difusi komponen i ke fluida. Sementara itu, koefisien perpindahan massa pada sisi shell telah dijelaskan di dalam literatur [29] berdasarkan fabrikasi dari membran hollow fiber. Dimana bilangan Reynolds terbatas pada 0,001 < Re < 1. Persamaan dapat ditulis sebagai berikut : 𝑆ℎ = 0,57𝑅𝑒 0,31 𝑆𝑐 0,33
(II.7)
Dimana Sh merupakan bilangan Sherwood yang menunjukkan tahanan transfer massa sisi shell, Re adalah bilangan Reynold dan Sc adalah bilangan Schmidt. Bilangan Schmidt dapat dihitung dengan persamaan : 𝜇 𝑆𝑐 = (II.8) 𝜌𝐷
μ = viskositas dinamik fluida (Pa.s) ρ = densitas fluida ( kg/m3) D = difusivitas massa (m2/s) Persamaan difusivitas massa dihitung dengan persamaan : 3/2
𝐷=
1
1
4,36𝑥10−5 𝑇𝐺 √ + 𝑀𝐵 𝑀𝐹 𝑃(𝑉𝐵 1/3 +𝑉𝐹 1/3 )
(II.9)
Pada proses absorpsi desorpsi, dikembangkan model perpindahan yang dapat memprediksi perpindahan CO2 melalui membran kontaktor hollow fiber. Model profil perpindahan pada membran kontaktor ditunjukkan pada Gambar II.3. dimana hollow fiber merupakan sistem koordinat silinder dengan panjang L. Membran kontaktor terdiri dari tiga bagian, yaitu sisi tube, sisi membran, dan sisi shell. Gas umpan dialirkan ke dalam sisi tube (pada z = 0), sementara pelarut pada sisi shell (pada z = L). Komponen i (CO2) dihilangkan dari campuran gas umpan dengan cara berdifusi melalui membran dan diabsorpsi ke dalam pelarut. Beberapa asumsi yang digunakan pada proses absorpsi dan desorpsi CO2 adalah : (i) Isotermal dan tunak. (ii) Kondisi gas ideal terpenuhi. (iii) Aliran Newtonian dengan sifat fisik konstan dan koefisien perpindahan. (iv) Aliran laminar dengan profil kecepatan aliran parabolik pada membran kontaktor. 13
(v) (vi)
Hukum Henry berlaku pada permukaan gas-cair Membran tidak mengalami pembasahan
Gambar II.3 Skematik tiga bagian dari membran kontaktor (simetri aksial)
Sisi shell Persamaan kontinuitas untuk setiap spesies i pada sistem absorpsi reaktif dapat ditunjukkan dengan : 𝜕𝐶𝑖 = −[(∇. 𝐶𝑖 𝑉) + (∇. 𝐽𝑖 )] + 𝑅𝑖 (II.10) 𝜕𝑡 Dimana Ci, Ji, Ri, V dan t adalah konsentrasi, fluks difusi, laju reaksi komponen i, kecepatan, dan waktu. Hukum Fick atau teori Maxwell-Stefan bisa digunakan dalam menentukan fluks difusi komponen i. Persamaan kontinuitas tunak untuk komponen i pada sisi shell menggunakan hukum difusi Fick : 𝜕2 𝐶
𝜕2 𝐶
1 𝜕𝐶
𝜕𝐶
𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 𝐷𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 = [ 𝜕𝑟 + 𝑟 𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 + 𝜕𝑧 + 𝑅𝑖 (II.11) ] = 𝑉𝑧−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 2 2 𝜕𝑟 𝜕𝑧 Persamaan Navier-Stokes digunakan untuk menghitung laju kecepatan aliran di sisi shell. Pada aliran laminer, persamaan Navier-Stokes menjadi : 𝜕𝑉 𝜌 𝜕𝑡 − 𝜂Δ𝑉 = 𝜌(𝑉. ∇)𝑉 + ∇𝑝 = 0 (II.12) ∇. 𝑉 = 0 (II.13) Dimana V, p, ρ, dan ε merupakan vektor kecepatan, tekanan, densitas fluida, dan viskositas. Kondisi batas untuk sisi shell adalah : Pada z = L, CCO2-shell = 0, V = Vin,L Pada r = r3, δCCO2-shell/δr = 0 (insulasi), Vz = 0 Pada r = r2, CCO2-shell = CCO2-membrane x m, Vz = 0 Pada z = 0, P = Patm
Dimana m adalah solubilitas fisik komponen i didalam absorben.
Membran Persamaan kontinuitas tunak pada sisi membran untuk perpindahan komponen i ke dalam membran yang dianggap sebagai proses difusi dapat dituliskan sebagai berikut : 𝜕2 𝐶
𝜕2 𝐶
1 𝜕𝐶
𝑖−𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 𝐷𝑖−𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 [ 𝑖−𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 + 𝑟 𝑖−𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 + (II.14) ]=0 𝜕𝑟 2 𝜕𝑟 𝜕𝑧 2 Kondisi batas yang diberikan : Pada r = r2, CCO2-membrane = CCO2-shell/m Pada r = r1, CCO2-membrane = CCO2-tube Sisi tube Persamaan kontinuitas tunak untuk perpindahan komponen i di sisi tube dapat ditulis dengan persamaan :
𝜕2 𝐶
1 𝜕𝐶
𝜕2 𝐶
𝜕𝐶
𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 𝐷𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 [ 𝜕𝑟 + 𝑟 𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 + 𝜕𝑧 (II.15) ] = 𝑉𝑧−𝑡𝑢𝑏𝑒 𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 2 2 𝜕𝑟 𝜕𝑧 Distribusi kecepatan pada sisi tube di asumsikan mengikuti aliran laminer Newtonian
14
𝑟 2
𝑉𝑧−𝑡𝑢𝑏𝑒 = 2𝑢 [1 − ( ) ] 𝑟
(II.16)
1
Dimana u merupakan kecepatan rata-rata pada sisi tube. Kondisi batas : Pada z = 0, CCO2-tube = C0 Pada r = r1, CCO2-tube = CCO2-membrane Pada r = 0, δCi-shell/δr = 0 (simetri) Sementara itu fluks absorpsi CO2 dapat ditentukan dengan persamaan : 𝑁𝐶𝑂2 =
𝑃(𝑉𝑔,𝑖𝑛 𝑦𝑖𝑛 −𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑦𝑜𝑢𝑡 )
(II.17)
6𝑥104 𝑅𝑇𝐴𝑀
Dimana P, T adalah tekanan dan temperatur. AM merupakan luas permukaan efektif membran pada modul, y adalah fraksi molar CO2, dan V adalah laju alir gas.
Gambar II.4 Skematik tiga bagian dari membran kontaktor untuk stripping CO2 Sementara untuk memprediksi perpindahan CO2 melalui membran kontaktor hollow fiber pada proses desorpsi dikembangkan model perpindahannya. Dalam studi ini, desorpsi CO2 dari larutan absorben dapat menggunakan gas nitrogen atau proses regenerasi vakum pada membran kontaktor. Proses desorpsi ini diasumsikan pada mode “tanpa pembasahan”. Model ini dikembangkan pada saat fasa gas memenuhi permukaan pori membran dan likuid tidak dapat berpenetrasi ke dalam pori membran. Fenomena ini dikarenakan sifat hidrofobik membran yang digunakan. Gambar II.5(a) menunjukkan hollow fiber dengan panjang L dan radius R (2 dimensi) pada sistem koordinat silinder. Model perpindahan massa pada sistem hollow fiber, ditunjukkan pada gambar II.5(b). Absorben yang mengandung CO2 terlarut yang berada pada sisi tube tidak dapat berpenetrasi ke sisi shell, namun komponen gas CO2 yang terlarut pada absorben di sisi tube dapat berdifusi ke sisi shell. Sehingga terjadi perpindahan komponen CO2 dari sisi tube menuju sisi shell melewati permukaan membran. Dari sebuah membran hollow fiber tunggal dapat dibagi menjadi tiga bagian, antara lain : sisi tube, membran, dan sisi shell.
Persamaan di sisi tube Persamaan kontinuitas untuk CO2 pada sistem desorpsi dapat ditulis dengan persamaan : 𝜕𝐶𝑖 = −[(∇. 𝐶𝑖 𝑉) + (∇. 𝐽𝑖 )] (II.18) 𝜕𝑡 2 Dimana Ci (mol/m3), Ji (mol/m s), V (m/s), dan t (s) adalah konsentrasi, fluks difusi CO2, kecepatan, dan waktu. Hukum difusi Fick dapat digunakan untuk menghitung fluks difusif pada sisi tube. Lebih lanjut, persamaan kontinuitas tunak untuk perpindahan CO2 pada sisi tube adalah : 𝐷𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 [
𝜕2 𝐶𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 𝜕𝑟 2
1 𝜕𝐶𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 𝜕𝑟
+𝑟
+
𝜕2 𝐶𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 ] 𝜕𝑧 2
= 𝑉𝑧−𝑡𝑢𝑏𝑒
15
𝜕𝐶𝑖−𝑡𝑢𝑏𝑒 𝜕𝑧
(II.19)
Dimana i mengacu kepada CO2, r dan z menunjukkan arah radial dan aksial. Perlu dicatat bahwa kecepatan konveksi dapat dipertimbangkan ke arah aksial dan kecepatan arah radial pada sisi tube bisa diabaikan. Distribusi kecepatan pada sisi tube diasumsikan mengikuti persamaan aliran laminer Newtonian. 𝑟 2
𝑉𝑧−𝑡𝑢𝑏𝑒 = 2𝑢 [1 − (𝑟 ) ]
(II.20)
1
Kondisi batas yang bisa diasumsikan pada sisi tube adalah : Pada z = 0, CCO2-tube = CCO2,0 (kondisi awal) Pada z = L, fluks konvektif Pada r = 0, δCCO2-tube/δr = 0 (simetri) Pada r = r1, CCO2-tube = CCO2-membrane/m (Hukum Henry)
Persamaan di membran Persamaan kontinuitas tunak untuk perpindahan CO2 melalui pori membran dapat dijabarkan dengan persamaan : 𝜕2 𝐶
𝜕2 𝐶
1 𝜕𝐶
𝑖−𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 𝐷𝑖−𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 [ 𝑖−𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 + 𝑟 𝑖−𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 + (II.21) ]=0 𝜕𝑟 2 𝜕𝑟 𝜕𝑧 2 Perlu diketahui bahwa perpindahan CO2 melalui pori membran dapat dianggap sebagai proses difusi saja. Kondisi batas pada sisi membran : Pada r = r1, CCO2-membrane = m x CCO2-tube Pada r = r2, CCO2-membrane = CCO2-shell Difusifitas efektif CO2 pada pori membran dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut (Bird dkk, 2002): 𝜀 𝐷𝐶𝑂2 −𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛𝑒 = 𝐷𝐶𝑂2 −𝑁2 ( ) (II.22) 𝜏 Dimana ε dan τ disimbolkan sebagai porositas membran dan tortusitas.
Persamaan di sisi shell Persamaan kontinuitas tunak untuk perpindahan CO2 pada sisi shell membran kontaktor proses desorpsi dijabarkan dengan menggunakan hukum difusi Fick untuk memprediksi difusi fluks : 𝜕2 𝐶
1 𝜕𝐶
𝜕2 𝐶
𝜕𝐶
𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 𝐷𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 = [ 𝜕𝑟 + 𝑟 𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 + 𝜕𝑧 (II.23) ] = 𝑉𝑧−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 𝑖−𝑠ℎ𝑒𝑙𝑙 2 2 𝜕𝑟 𝜕𝑧 Distribusi kecepatan pada sisi shell dihitung secara numerik dengan persamaan NavierStokes. Lebih lanjut, momentum dan persamaan kontinuitas harus berpasangan sebagai variabel perhitungan distribusi konsentrasi CO2 di seluruh bagian membran kontaktor. Persamaan Navier-Stokes menjelaskan aliran fluida kental melalui kesetimbangan momentum CO2. Persamaan ini diasumsikan bahwa densitas dan viskositas fluida dianggap konstan. Seperti yang tertulis pada persamaan Navier-Stokes dibawah ini [30]: 𝜕𝑉 𝜌 𝑧 − ∇. 𝜂(∇𝑉𝑧 + (∇𝑉𝑧 )𝑇 ) + 𝜌(𝑉𝑧 . ∇)𝑉𝑧 + ∇𝑝 = 𝐹∇. 𝑉𝑧 = 0 (II.24) 𝜕𝑡 Dimana Vz, η, ρ, p, dan F didenotasikan sebagai vektor kecepatan ke arah z, viskositas fluida (kg/m.s), densitas (kg/m3), tekanan (Pa), dan gaya (N).
Kondisi batas pada sisi shell adalah sebagai berikut :
Persamaan kontinuitas Pada r = r2, Pada r = r3, Pada z = 0, Pada z = L, Persamaan momentum Pada r = r2, Pada r = r3, Pada z = 0, Pada z = L,
CCO2-shell = CCO2-membrane δCCO2-shell/δr = 0 (simetri) Konvektif fluks Konsentrasi dinding, tanpa selip dinding, tanpa selip outlet inlet 16
II.4.
Pemilihan Material Membran Pemilihan material membran sangat bergantung pada ketahanan membran terhadap kondisi operasi dalam proses pemisahan. Adapun beberapa kriteria pemilihan material membran, antara lain : Ketahanan kimia Ketahanan kimia yang baik dari material membran memberikan dampak terhadap masa pakai membran itu sendiri. Dalam reaksi yang terjadi antara pelarut dan material membran dapat memberikan pengaruh terhadap teksur dari permukaan membran. Untuk menjaga proses berjalan dengan baik, maka pemilihan material membran harus sesuai dengan penggunaan bahan pelarut. Ketahanan panas Material membran akan mengalami dekomposisi atau degradasi akibat proses dilakukan pada temperatur tinggi. Perubahan membran ini tergantung pada temperatur transisi gelas polimer (Tg). Semakin tinggi temperatur transisinya maka polimer tersebut memiliki ketahanan panas lebih baik. Permasalahan yang terjadi dalam membran kontaktor adalah terjadinya pembasahan, penyumbatan dalam pori membran akibat adanya suspensi padatan dalam gas, dan degradasi material membran itu sendiri. Oleh karena itu, pemilihan material membran sangat penting untuk menjaga kestabilan operasi. Pembasahan terjadi jika pori membran diisi oleh cairan. Resisten perpindahan massa pada pori yang berisi gas sangat kecil dan bisa diabaikan. Akan tetapi, jika membran pori diisi oleh cairan, resisten perpindahan massa menjadi signifikan [31]. Pembasahan membran dapat diprediksikan dari sudut kontak cairan dengan permukaan polimer. Semakin kecil sudut kontak, maka kecendrungan pembasahannya semakin besar [32]. Cairan yang mempunyai tegangan permukaan yang rendah biasanya membasahi permukaan kebanyakan polimer. Sejumlah material telah digunakan untuk fabrikasi membran, diantaranya: polimer, material anorganik, keramik, metalik, mixed-matrix, membran cair dan material biologis [33]. Beberapa material yang umum digunakan dalam pemisahan gas CO2 dengan membran kontaktor adalah polipropilen (PP), polietilen (PE), dan politetrafluoroetilen (PTFE). Selain itu, beberapa jenis material lain, seperti polivinilidene fluorida (PVDF), polieter sulfon (PES), dan membran inorganik seperti material keramik dicoba dalam proses pemisahan gas CO2. Untuk menjaga performa dari membran kontaktor, sangat penting menjaga karakteristik hidrofobisitasnya. Studi yang dilakukan menunjukkan bahwa dengan meningkatkan nilai hidrofobisitasnya maka akan meningkatkan kestabilan membran seiring berjalannya waktu [34]. Berikut pada Tabel II.2 yang merupakan ringkasan sifat fisik untuk berbagai jenis membran yang umum digunakan pada pemisahan CO 2 [15]. Peningkatan performa tidak hanya pada proses pembuatan membran itu sendiri, namun juga bisa dilakukan dengan modifikasi morfologi membran seperti yang dilakukan oleh Simioni [5], Rahbari Sisakht dkk [14], Ahmad dan Ramli [35], dan Naim [13].
Politetrafluoroetilen (PTFE) PTFE tersusun dari rantai karbon panjang dimana setiap atom karbon mengikat dua atom fluorin.
Gambar II.5 Struktur kimia PTFE Membran PTFE merupakan membran yang hidrofobik dan paling stabil jika digunakan untuk pemisahan CO2 dengan membran kontaktor. Studi yang dilakukan oleh Matsumoto, dkk [36] memperoleh hasil bahwa hanya membran PTFE yang tidak mengalami pembasahan setelah dioperasikan selang waktu tertentu. Nishikawa, dkk [37] melaporkan bahwa kinerja membran PTFE stabil bahkan setelah dioperasikan selama 6600 jam. Selain itu, PTFE memiliki koefisien perpindahan massa total volumetrik lebih besar.
17
Tabel II.2 Sifat Fisik Berbagai Jenis Membran dalam Pemisahan CO2 Membran
Fluks
Selektivitas
Kekuatan Mekanik
Membran homogen ++ ++ Membran liquid + ++ -Membran komposit ++ + Membran mikropori PP + + PTFE + + PE + + PVDF ++ + Inorganik + + ++ Keterangan “+” baik, “-“buruk, dan “/” tidak yakin
Stabilitas
Hidrofobik
Aplikasi Komersial
++ +
/ -/
+ +
+ + + ++ ++
++ ++ + + --
++ + ++ + +
Polipropilen (PP) PP juga bersifat hidrofobik, tapi memiliki Tg yang rendah, sehingga kurang stabil dibanding PTFE dan rentan terhadap pembasahan. Kelebihannya yaitu harganya jauh lebih murah dibanding PTFE.
Gambar II.6 Struktur kimia Polipropilen Beberapa penelitian melaporkan bahwa PP cenderung mengalami pembasahan parsial. Misalnya percobaan yang dilakukan Wang, dkk [38] yang memperoleh hasil bahwa pada beberapa jam pertama fluks CO2 cenderung menurun sampai akhirnya bernilai konstan. Hal ini menunjukkan bahwa pada awal percobaan, membran mengalami pembasahan, dan baru kemudian stabil. Fang dkk [15] mengevaluasi desorpsi CO2 dan larutan jenuh (monoetanolamine) MEA dengan membran PP menggunakan membran regenerasi vakum. Dari hasil percobaan, dapat diketahui bahwa mode aliran likuid di sisi tube (mode A) memberikan kinerja desorpsi CO2 yang lebih besar dibandingkan aliran likuid dari sisi shell (mode B). Selain itu, kehilangan MEA pada desorpsi vakum mode A lebih sedikit dibandingkan mode B. Pressure drop pada mode A jauh lebih besar dibandingkan dengan mode B.
Polidimetilsiloksan (PDMS) Percobaan dengan menggunakan membran PDMS dilakukan oleh Nii, dkk [39]. Gabungan proses permeasi dan absorpsi gas diperkenalkan dan diberi istilah permabsorption. Dari hasil percobaan tersebut, diperoleh hasil persen pemisahan CO2 yang memuaskan.
Polivinilidene fluorida (PVDF) PVDF memiliki resisten kimia dan termal yang sangat bagus dan stabil pada kebanyakan senyawa kimia dan organik yang bersifat korosif, seperti asam, alkalin, oksidan, dan halogen. Secara komersial, material jenis ini memiliki ikatan energi yang rendah (25 dyne/cm). Selain itu, PVDF merupakan satu-satunya polimer hidrofobik yang terlarut dalam solven organik [35]. Karena material ini memiliki kinerja yang stabil terbukti dengan nilai fluksnya yang konstan setelah dioperasikan selama rentang waktu tertentu [40].
Polietilen (PE) Membran mikropori PE memiliki kinerja yang jelek terbukti dengan terjadinya pembasahan saat digunakan pada membran kontaktor. Nishikawa, dkk [37] melakukan surface treatment dengan material fluorokarbonik untuk meningkatkan hidrofobisitas membran. Sayangnya, membran PE
18
yang telah dimodifikasi ini memiliki kecendrungan untuk terdegradasi sehingga kinerjanya makin lama makin menurun.
Polisulfon Material polisulfon telah banyak diaplikasikan pada pemisahan gas murni maupun campuran seperti pemisahan CO2 dari campuran CO2/CH4 [41] karena memiliki kekuatan mekanik yang baik, stabilitas kimia yang baik, dan relatif murah [42]. Pengembangan preparasi membran polisulfon hollow fiber untuk absorpsi CO2 telah dilaporkan [43]. Melalui penambahan aditif seperti gliserol, pemeabilitas CO2 di dalam membran hollow fiber berbasis polisulfon dapat ditingkatkan. Fluks CO2 pada proses absorbsi menggunakan air terdistilasi pada membran polisulfon (yang dipreparasi dengan penambahan aditif gliserol) mencapai nilai ~1,1E-3 mol/m2.s pada laju alir absorbent ~ 1,5 m/s.
II.5.
Absorben Pemisahan Karbon Dioksida Berbagai jenis pelarut telah dipelajari kemampuannya untuk menyerap gas CO2. Absorpsi CO2 bisa dilakukan dengan menggunakan pelarut fisik dan pelarut kimia, dan pada bagian ini yang akan dibahas secara detail adalah pelarut kimia. Pemilihan absorben harus memenuhi kriteria antara lain, mempunyai reaktivitas yang besar dengan CO2, tegangan permukaan tinggi, memiliki kompatibilitas kimia dengan material membran, tekanan uap yang rendah, mempunyai stabilitas termal yang bagus, dan mudah diregenerasi [44]. Jenis amine yang telah terbukti sebagai pelarut yang komersial adalah monoetanolamine (MEA), dietanolamine (DEA), dan metildietanolamine (MDEA). Disamping itu juga ada formula pelarut yang terdiri dari campuran amine dan aditif yang dikomersilkan oleh Dow Chemical Company, UOP (Union Carbide Corp), Huntsman Corporation (terutama Texaco Chemical Company) (TEXTREAT), BASF Aktiengesellschaft (Activated MDEA); dan sterically hindered amine yang dikembangkan oleh EXXON Research and Engineering Company [45]. Menurut Kohl dan Nielsen (1997), reaksi amine primer dengan CO2 adalah sebagai berikut : Ionisasi air H2O H+ + OH-
(II.25)
Hidrolisis dan ionisasi CO2 terlarut CO2 + H2O HCO3- + H+
(II.26)
Protonasi alkanolamine RNH2 + H+ RNH3+
(II.27)
Pembentukan karbamat RNH2 + CO2 RNHCOO- + H+
(II.28)
Beberapa jenis amine komersial untuk pemisahan gas asam, antara lain:
Monoethanolamine (MEA) MEA dipilih sebagai absorben pada aliran gas yang mengandung (hidrogen sulfinda (H2S) dan CO2 dalam konsentrasi rendah. Pelarut yang memiliki alkalinitas tinggi ini dipilih jika gas yang akan dipisahkan berada pada tekanan rendah dan memerlukan pemisahan CO2 dan H2S yang maksimum. MEA memiliki kapasitas absorpsi yang tinggi pada konsentrasi sedang. Akan tetapi, MEA akan bereaksi ireversibel dengan karbonil sulfida (COS) dan karbon sulfida (CS2), sehingga mengakibatkan kehilangan jumlah pelarut yang banyak jika jumlah kontaminan signifikan. Disamping itu, larutan MEA bersifat paling korosif dibandingkan amine jenis lainnya. Hal ini membatasi kapasitas larutan MEA jika gas asam memiliki tekanan parsial yang tinggi. Beberapa sistem menggunakan corrosion inhibitor untuk mengatasi masalah ini, contohnya teknologi Dow Chemical Company’s GAS/SPEC FT-1 dan UOP’s Amine Guard Systems [46]. Secara umum, corrosion inhibitors efektif dalam pemisahan CO2 sampai konsentrasi MEA 30%. Kekurangan 19
MEA yang lain adalah panas reaksi yang tinggi, sehingga dibutuhkan energi yang lebih besar pada proses stripping. MEA juga mempunyai tekanan uap yang tinggi sehingga jumlahnya banyak berkurang karena penguapan.
Campuran Monoetanolamine-Glikol Campuran monoetanolamine dengan di atau trietilen glikol (TEG), seperti yang dideskripsikan pertama kali oleh Hutchinson [47] digunakan secara ekstensif untuk pemisahan gas asam dan dehidrasi dari gas alam. Proses ini dikenal dengan nama pross glikol-amine. Akan tetapi proses ini memiliki beberapa kekurangan, antara lain kehilangan amine dalam jumlah yang banyak karena menguap, tekanan uap glikol terlalu rendah, sehingga susah untuk menghilangkan kontaminan. Akibatnya pelarut ini menjadi tidak kompetitif di pasaran.
Dietanolamine (DEA) Larutan DEA telah digunakan bertahun-tahun untuk aliran gas yang mengandung karbonil sulfida (COS) dan karbon disulfida (CS2) karena tidak terlalu reaktif dengan kontaminan tersebut. Tekanan uapnya yang rendah membuat DEA cocok untuk operasi bertekanan rendah dan kehilangan akibat penguapan juga bisa diabaikan. DEA bersifat kurang korosif, tapi DEA bisa bereaksi ireversibel dengan CO2 dan menyebabkan produk degradasi yang korosif sehingga DEA tidak cocok digunakan untuk gas dengan tekanan parsial CO2 yang tinggi. Aplikasi DEA untuk gas alam pertama kali dilakukan oleh Bertheir (1959) dan kemudian dijelaskan oleh Wendt dan Dailey (1967), Bailleul (1969), dan Daily (1970). Proses ini dikenal sebagai proses SNPA-DEA (Societe Nationale des Petroles d'Aquitaine) Prancis. Beddome (1969) melaporkan bahwa proses SNPA-DEA memiliki keunggulan pada pemisahan sulfur dari gas alam di Alberta, Kanada.
Diglikolamine (DGA) Penggunaan larutan diglikolamine, 2-(2-aminoetoksi) etanol pertama kali dikomersialkan oleh Fluor Corporation (sekarang Fluor Daniel), the El Paso Natural Gas Company, dan the Jefferson Chemical Company Inc. (sekarang The Huntsman Corporation). DGA telah terbukti untuk pemurnian gas dengan volume yang besar pada tekanan rendah (100-200 psig) di Arab Saudi. DGA dapat dioperasikan pada temperatur ambien dan dapat memproduksi sweet gas.
Metildietanolamine (MDEA) MDEA memiliki tekanan uap yang rendah dan dapat digunakan sampai konsentrasi 60%-berat tanpa ada komponen yang hilang akibat penguapan. MDEA mempunyai resisten kimia dan panas yang tinggi, bersifat non korosif, panas spesifik dan panas reaksi yang rendah dengan H2S dan CO2. Kekurangan MDEA adalah laju reaksi yang rendah dengan CO2.
Campuran Amine MDEA dicampur dengan MEA dan DEA untuk meningkatkan absorpsi CO2 tanpa mengurangi manfaat dari MDEA sendiri [48]. Kinetik absorpsi CO2 ke dalam campuran MDEA dan DEA telah dipelajari oleh Mshewa dan Rochelle [49]. Mereka menghitung laju absorpsi dan desorpsi CO2 di dalam larutan MDEA 50%-berat pada rentang temperatur tekanan parsial yang luas. Hasilnya digunakan dengan nilai literatur reaksi DEA untuk mengembangkan model absorpsi CO2 di dalam DEA dan campuran DEA dan MDEA.
Sterically Hindered Amines Pelarut ini merupakan lisensi dari Exxon Research and Engineering Co. Prosesnya telah dideskripsikan secara detail oleh Goldstein (1983), Weinberg, dkk (1983), serta Chludzinski dan Wiechart (1986). Sterically hindered amines didefinisikan secara struktur sebagai amine primer dimana gugus amino ditempelkan (attached) ke atom karbon tersier atau amine sekunder dimana gugus amino ditempelkan ke atom karbon skunder atau tersier. Hindered Amines digunakan sebagai promotor dalam sistem potasium karbonat panas (Flexsorb HP), sebagai komponen pelarut organik dengan karakteristik sama dengan Shell's Sulfinol process (Flexsorb PS), dan
20
sebagai komponen utama dalam pelarut untuk absorpsi gas yang mengandung H2S dan CO2 (Flexsorb SE and SE+).
Pelarut lain yang digunakan Disamping amine, ada beberapa jenis pelarut lain yang dikembangkan untuk absorpsi CO2, antara lain: campuran garam asam amino yang dikembangkan oleh TNO dengan nama CORAL [50], 2(2-aminoetilamino) ethanol (AEE) dan campuran AEE dengan N-Metildietanolamine [51], potasium karbonat di-promote dengan piperazine [52], 2-(butilamino) etanol (BEA), 2-(etilamino) etanol (EMEA), 2-(2-aminoetil-amino) etanol (AEEA), dan 2-(metilamino) etanol (MMEA).
Wang dkk [11] menginvestigasi berbagai macam absorben yang membutuhkan energi pelepasan CO2 yang rendah pada sistem MVR (membrane vacuum regeneration) pada proses absorpsi desorpsi. Pada percobaan ini menggunakan 16 jenis absorben berbasis amine. Kriteria pemilihan absorben CO2 ini berdasarkan kapasitas siklik dan laju absorpsi CO2. Panjang rantai, jumlah grup fungsional, rantai cabang, dan jumlah grup hidroksil dari amine juga dianalisis untuk mendapatkan hubungan antara struktur molekul terhadap kinerja pada proses MVR. Dari hasil yang sudah didapatkan, amine tersier memiliki laju regenerasi yang baik namun laju absorpsi yang buruk jika dibandingkan dengan amine primer. Untuk jenis poliamin, makin banyak jumlah grup amin dapat meningkatkan kinerja absorpsi namun tidak berbanding lurus dengan kinerja MVR. Dari berbagai jenis amin yang sudah dianalisa, dapat ditunjukkan bahwa TETA dan MDEA memberikan rata-rata laju absorpsi dan kapasitas siklik absorben yang besar. Selain itu, EDA dapat dipertimbangkan menjadi absorben yang menarik karena superioritas kapasitas siklik dalam mol/kg absorben. Laju absorpsi CO2 paling baik adalah menggunakan absorben DEA dan AMP. MDEA sangat direkomendasi digunakan dalam proses MVR. Dari hasil yang diperoleh, dapat disimpulkan bahwa kinerja MVR lebih baik dibandingkan dengan regenerasi termal pada kondisi regenerasi yang sama. II.6.
Aplikasi Komersial Pemisahan CO2 dengan Membran Kontaktor Perkembangan komersial membran kontaktor untuk pemisahan CO2 masih sedikit sekali perusahaan yang mengaplikasikannya. Salah satu perusahaan yang menerapkan membran kontaktor CO2 antara lain : o Kvaerner Oil and Gas dan W.L Gore & Associates Mengembangkan membran pemisahan gas asam yang dipergunakan dalam gas alam maupun gas buangan turbin offshore [53]. Pada prosesnya, membran yang digunakan berbahan PTFE dengan menggunakan pelarut fisik Morphysorb dan pelarut kimia yaitu alkaloamine. o TNO Environment Energy and Process Innovation (Belanda) telah mengembangkan dan mematenkan proses MGA untuk pemisahan CO2 dari gas buang menggunakan membran PP serat berongga seperti terlihat pada gambar dibawah ini. Proses pemisahan ini menggunakan pelarut yang disebut dengan CORAL yang terdiri dari campuran garam dan asam amino, memiliki laju perpindahan massa lebih tinggi dibandingkan dengan sistem membran gas absorpsi lainnya. CORAL mempunyai ketahanan stabilitas kimia yang sangat baik dibandingkan dengan monoetanolamine yang terdegradasi dengan adanya gas oksigen [50, 54]. Rancangan membran absorber ini tidak berdasarkan kepada desain modul membran konvensional. Desain ini berdasarkan filtrasi yang diketahui kondisi alirannya pada sisi shell membran. Saat membran dikontakkan, diperlukan nilai aliran yang terdefinisi pada setiap sisi membran untuk mendapatkan nilai perpindahan massa yang baik. Selain itu, modul membran jenis ini dapat di scale up pada volume gas yang lebih besar.
21
BAB III
RANCANGAN PENELITIAN
III.1.
Metodologi Penelitian ini bertujuan untuk melakukan studi terhadap performa membran kontaktor berjenis polipropilen (PP) sebagai alat kontak dalam desorpsi CO2. Pelaksanaan percobaan ini dilakukan dengan menggunakan absorben air yang terlarut CO2 untuk mengetahui kemampuan desorpsi CO2 menggunakan kontaktor membran sebagai alat pemisah dan pompa vakum sebagai unit desorpsi CO2 dari pelarut air. Pada setiap eksperimen dilakukan metodologi secara analog dimana penelitian dilakukan dengan melarutkan CO2 dengan konsentrasi tertentu pada larutan air murni yang kemudian dilewatkan bagian lumen, dengan menggunakan dengan pompa yang diatur laju alir ke dalam membran kontaktor. Melalui proses pengontakkan gelembung mikro yang terjadi pada permukaan membran, CO2 akan berpindah dari fasa cair menuju fasa gas di sisi shell dengan bantuan pompa vakum. Saat terjadi proses desorpsi CO2 pada membran kontaktor, pelarut air yang sudah terserap CO2 akan dialirkan keluar dari membran kontaktor sebagai produk akhir yang akan dianalisa konsentrasi CO2. Hal yang sama juga dianalisa kandungan CO2 yang masuk kedalam membran kontaktor sedangkan gas CO2 yang tervakum akan dibuang. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan air yang terlarut CO2 sebagai absorben fisik. Beberapa variabel operasi yang digunakan dalam percobaan ini antara lain, laju alir absorben dan tekanan vakum.. Pengamatan dilakukan dengan menganalisa konsentrasi CO2 pada absorben umpan, konsentrasi CO2 pada absorben keluaran membran kontaktor, untuk mendapatkan respon berupa fluks desorpsi CO2, efisiensi desorpsi CO2 serta laju pemisahan desorpsi CO2. III.2.
Percobaan Pada bagian ini, bahan-bahan dan alat yang digunakan, prosedur percobaan, serta variabel percobaan, akan dijelaskan lebih lanjut. III.2.1. Bahan Bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah absorben berupa air murni. Gas yang digunakan adalah gas CO2 di dalam tabung yang diperoleh dari PT BOC. Gas CO2 dilarutkan ke dalam pelarut air murni hingga mendekati jenuh. Konsentrasi CO2 dalam air murni dihitung menggunakan metode titrasi dengan larutan NaOH. III.2.2. Alat Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini berupa satu set alat yang dapat dibagi menjadi beberapa alat utama, yaitu modul membran kontaktor polipropilen, silika gel, pompa vakum merek Value dengan laju vakum mencapai 6,0 CFM dan maksimum tekanan vakum 5 kPa. Skema peralatan yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar III.1.
Gambar III.1 Rangkaian Alat Penelitian 22
Spesifikasi modul membran kontaktor desorpsi CO2 dengan jenis ultrafiltrasi hidrofobik yang digunakan dalam penelitian ini tercantum pada Tabel III.1 dibawah ini. Tabel III.1 Spesifikasi Modul Membran Vendor Material Material housing Dimensi modul (d x l ) (mm) Panjang modul (mm) Ukuran pori (micron) Diameter dalam membran (mm) Diameter luar membran (mm) Porositas Jumlah modul Panjang fiber efektif (mm) III.3.
GDP Filter Polypropilen (PP) PVC 50 x 200 200 0.01 0.35 – 0.40 0.50 – 0.60 0.30 3000 200
Prosedur Percobaan
III.3.1. Operasi Pemisahan CO2 Prosedur pengoperasian alat ditunjukkan pada Gambar III.2.
Gambar III.2 Prosedur Percobaan
23
III.3.2. Variasi Variasi percobaan yang dilakukan adalah laju alir absorben masuk Qliquid (0,1, 0,15, 0,178, 0,273 LPM), dan tekanan operasi vakum (46, 36, 26, 21 cmHg). Urutan percobaan dilakukan secara acak. Tabel III.2 Variasi percobaan Run Laju alir absorben (lpm) Tekanan vakum (cmHg) 1 0,1 46 2 0,1 36 3 0,1 26 4 0,1 21 5 0,15 46 6 0,15 36 7 0,15 26 8 0,15 21 9 0,178 46 10 0,178 36 11 0,178 26 12 0,178 21 13 0,273 46 14 0,273 36 15 0,273 26 16 0,273 21 Interpretasi Data Dalam percobaan ini dilakukan pengambilan data untuk mengevaluasi kinerja membran kontaktor pada proses desorpsi. Adapun data-data yang diambil adalah : - Konsentrasi absorben masuk dan keluar - Laju alir absorben masuk - Luas permukaan membran - Tekanan vakum Laju alir absorben diukur menggunakan flowmeter. Konsentrasi CO2 pada absorben diukur metode titrasi dengan pengambilan sampel pada menit ke-10 operasi telah berjalan dan diasumsikan telah mencapai kondisi tunak. Luas permukaan membran merupakan hasil pengukuran dari dimensi membran yang digunakan. Adapun parameter yang diukur pada percobaan ini adalah fluks desorpsi CO2, dan efisiensi desorpsi CO2. Persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut : Fluks Desorpsi CO2 Fluks menunjukkan jumlah gas yang terdesorpsi dari pelarut yang digunakan per satuan luas membran per satuan waktu. Persamaan yang digunakan adalah : (𝐶𝑖,𝑖 − 𝐶𝑙,𝑜 )𝑥𝑄𝑙 𝐽𝐶𝑂2 = 𝐴𝑙 Efisiensi Desorpsi CO2 Menunjukkan penurunan konsentrasi absorben dari umpan menuju produk, semakin tinggi pemisahan maka dapat disimpulkan bahwa membran memberikan kinerja yang lebih baik. Persamaan yang digunakan adalah : 𝐶𝑙,𝑜 𝜂(%) = (1 − ) 𝑥100 𝐶𝑙,𝑖 Keterangan :
Cl,i Cl,o
= Konsentrasi absorben CO2 masuk = Konsentrasi absorben CO2 keluar 24
Ql Al
= Laju alir absorben = Luas permukaan membran
Jadwal Penelitian Penelitian ini dirancang untuk diselesaikan dalam waktu 3 bulan. Tabel III.2 menunjukkan rancangan kegiatan penelitian. Tabel III.3 Rancangan Kegiatan Penelitian No.
Kegiatan
1. 2. 3. 4.
Persiapan alat Percobaan utama Pengolahan data Pembuatan laporan
1
Bulan ke-1 2 3 4
25
1
Bulan ke-2 2 3 4
1
Bulan ke-3 2 3 4
BAB IV IV.1.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengaruh tahanan perpindahan massa terhadap desorpsi CO2 Tabel IV.1 Analisis koefisien perpindahan massa proses desorpsi CO2 membran kontaktor Kecepatan absorben (m/s) 0,006 0,009 0,010 0,016
kL (m/s)
km (m/s)
kg (m/s)
1,6895 1,9314 1,9997 2,3352
0,3146 0,3146 0,3146 0,3146
0,0000 0,0000 0,0000 0,0000
%Kontribusi Tahanan Perpindahan Total
Pengaruh kecepatan absorben pada membran kontaktor untuk proses desorpsi CO2 dihitung untuk mendapatkan koefisien perpindahan massa individual. Ada tiga koefisien perpindahan massa yang dapat diketahui, antara lain : koefisien perpindahan massa fasa cair, permukaan membran, dan fasa gas. Secara umum, dengan meningkatnya kecepatan absorben dapat meningkatkan koefisien perpindahan massa pada fasa cair. Seperti yang terlihat pada Tabel IV.1 menunjukkan koefisien perpindahan massa individual pada berbagai variasi kecepatan absorben. Koefisien perpindahan massa pada fasa membran dapat dihitung dengan persamaan yang telah dijelaskan oleh Drioli [24]. Koefisien perpindahan massa pada fasa cair dihitung berdasarkan persamaan Leveque. Sementara itu, koefisien perpindahan massa pada fasa gas dapat dihitung dengan persamaan yang didasarkan pada membran hollow fiber sebagaimana telah dijelaskan di dalam literatur [29]. Namun, pada sistem desorpsi CO2 membran kontaktor perpindahan massa fasa gas terjadi pada kondisi vakum, maka koefisien perpindahan massa di sisi gas bernilai nol.
100% 80% 60%
Fasa Membran Fasa Gas
40%
Fasa Liquid 20% 0% 0.006
0.009
0.010
0.016
Kecepatan Absorben (m/s)
Gambar IV.1 Perbandingan tahanan perpindahan massa terhadap variasi kecepatan absorben Pada gambar IV.1. menjelaskan kontribusi tahanan perpindahan massa individual terhadap tahanan perpindahan massa total. Dapat diketahui bahwa tahanan perpindahan massa fasa cair memberikan efek yang signifikan terhadap kinerja desorpsi CO2 pada membran kontaktor. Sementara itu, tahanan perpindahan massa pada fasa gas hanya memberikan kontribusi tahanan perpindahan massa yang sangat kecil. Ini telah dievaluasi oleh Kumazawa dan Koonaphapdeelert dkk yang menunjukkan perpindahan massa proses desorpsi CO2 pada membran kontaktor dikontrol oleh koefisien perpindahan massa pada fasa cair. Dapat disimpulkan bahwa tahanan perpindahan massa fasa cair mengontrol tahanan perpindahan massa total pada proses desorpsi. Fenomena ini juga
26
ditemukan pada proses absorpsi gas membrane kontaktor dan juga proses desorpsi gas pada kolom stripper [55]. IV.2.
Pengaruh laju alir absorben terhadap desorpsi CO2 Pengaruh variabel laju alir absorben terhadap desorpsi CO2 diperlihatkan pada gambar dibawah ini: 0.8
Fluks Desorpsi (mol/m2.min)
0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 0.3 0.4
0.8
1.2
1.6
Kecepatan absorben (cm/s)
Gambar IV.2 Pengaruh laju alir absorben terhadap fluks desorpsi CO2 Pvak 36 cmHg Grafik diatas menunjukkan bahwa perubahan fluks desorpsi CO2 dipengaruhi oleh kecepatan absorben yang dialirkan ke dalam membran kontaktor. Kenaikan kecepatan aliran absorben meningkatkan fluks desorpsi CO2. Fluks desorpsi CO2 paling tinggi yaitu 0,71 mol/m2.min pada tekanan vakum 36 cmHg didapatkan pada kecepatan absorben 1,58 cm/s. Hal ini dikarenakan adanya reduksi dari tahanan lapisan cairan dan meningkatkan laju koefisien transfer massa CO2 pada laju alir absorben yang lebih tinggi. Menurut Kumazawa dan Koonaphapdeelert menyatakan bahwa transfer massa pada proses desorpsi menggunakan membran kontaktor dikontrol oleh koefisien transfer massa lapisan film cairan. Sementara tahanan transfer massa gas terhadap fluks desorpsi CO2 tidak memberikan efek yang signifikan pada sistem membran kontaktor [56]. Hal ini dapat terlihat dari kontribusi yang diberikan tahanan transfer massa gas hanya memberikan efek 5 – 10% dari tahanan transfer massa total [57]. 80
Efisiensi Desorpsi (%)
75 70 65 60 55
46 cmHg
50
21 cmHg
45 40 35 30 0.4
0.8
1.2
1.6
2
Kecepatan absorben (cm/s)
Gambar IV.3 Pengaruh laju alir absorben terhadap efisiensi desopsi CO2 27
Hal yang terjadi juga sama pada efisiensi desorpsi dimana kenaikan kecepatan aliran absorben pada membran kontaktor akan menyebabkan makin banyak kandungan CO2 pada absorben yang terdesorpsi. Hal ini dikarenakan makin besar laju alir absorben maka makin banyak CO2 yang terdesorp pada membran kontaktor. Ini akan meningkatkan efisiensi desorpsi yang dihasilkan. Pada tekanan vakum 21 cmHg didapatkan efisiensi desorpsi mencapai 76,42%. IV.3.
Pengaruh tekanan vakum terhadap desorpsi CO2 Pengaruh variasi tekanan vakum terhadap desorpsi CO2 dapat dilihat pada gambar dibawah
ini :
Fluks Desorpsi (mol/m2.min)
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0 20
30
40
50
Tekanan absolut (cmHg)
Gambar IV.4 Pengaruh Pvak terhadap fluks desorpsi CO2 pada laju absorben 0,1 lpm 80
Efisiensi Desorpsi (%)
0,58 cm/s 70
0,87 cm/s 1,03 cm/s
60
1,58 cm/s
50 40 30 20 20
25
30
35
40
45
50
Tekanan absolut (cmHg)
Gambar IV.5 Pengaruh Pvak terhadap efisiensi desorpsi CO2 Dari gambar IV.3 dan IV.4 didapatkan bahwa dengan merubah tekanan operasi pompa vakum, dapat menyebabkan perubahan pada fluks dan efisiensi desorpsi. Makin rendah operasi tekanan vakum, maka nilai fluks dan efisiensi akan semakin meningkat.Hal ini dikarenakan makin rendah makin rendah tekanan vakum makan fasa cair pada absorben akan berubah menjadi fasa uap karena tekanan saturasi air murni berubah fasa pada tekanan 4,241 kPa (3,09 cmHg) pada temperatur 30oC [58]. Jika makin rendah operasi tekanan vakum, selain akan banyak kehilangan absorben yang teruapkan akibat dari saturasi uap air. Selain itu kebutuhan energi yang dibutuhkan akan menjadi 28
semakin besar. Dari hasil percobaan didapatkan fluks dan efisiensi desorpsi CO2 tertinggi didapatkan pada kecepatan absorben 1,03 cm/s (0,178 L/min) dan tekanan vakum 21 cmHg (28 kPa) dengan nilai 1,249 mol/m2.min dan 76,42% Menurut Fang dkk [15] tekanan regenerasi vakum direkomendasikan agar dioperasikan pada kondisi optimal, dimana nilai besaran kerja apabila menggunakan regenerasi ternal sebesar 1,09 MJ/kg CO2. Sementara itu, pada tekanan vakum 29 kPa (21,75 cmHg) nilai besaran kerja yang dihasilkan lebih rendah dibandingkan regenerasi termal, yaitu 0,7 MJ/kg CO2.
29
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
V.1.
Kesimpulan Sistem membran kontaktor diujikan dalam proses desorpsi CO2 dari absorben air yang jenuh dengan CO2 menggunakan regenerasi vakum. Percobaan dilakukan untuk mengetahui karateristik operasi pemisahan desorpsi dengan memvariasikan laju alir absorben dan tekanan vakum. Pada proses desorpsi CO2 pada membran kontaktor, tahanan perpindahan massa fasa cair memberikan pengaruh signifikan terhadap tahanan perpindahan massa total dibandingkan dengan tahanan perpindahan massa pada membran dan fasa gas. Fenomena ini juga dapat ditemui pada proses absorpsi gas membran kontaktor dan juga desorpsi gas pada kolom stripper. Hasil menunjukkan bahwa proses desorpsi CO2 dipengaruhi oleh laju alir absorben dan tekanan vakum. Dengan meningkatnya laju alir absorben dan rendahnya tekanan vakum, didapatkan nilai fluks dan efisiensi desorpsi yang tinggi. Pada kecepatan absorben 1,03 cm/s (0,178 L/min) dan tekanan vakum 21 cmHg (28 kPa) didapatkan nilai fluks dan efisiensi desorpsi sebesar 1,249 mol/m2.min dan 76,42%. V.2.
Saran Salah satu permasalahan yang terjadi pada membran kontaktor adalah pembasahan membran. Pembasahan dapat menyebabkan penurunan kinerja dan umur membran itu sendiri. Pada penelitian saat ini, kinerja membran kontaktor diasumsikan tidak terjadi pembasahan sehingga perlu dilakukan penelitian lanjutan mengenai proses desorpsi CO2 pada membran kontaktor pada saat terjadi pembasahan sehingga dapat dijaga kinerja membran kontaktor pada kondisi optimal.
30
DAFTAR PUSTAKA 1.
2.
3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
10. 11.
12.
13.
14.
15.
16. 17. 18. 19. 20. 21.
Ghasem, N., Al-Marzouqi, M., and Zhu, L., Preparation and properties of polyethersulfone hollow fiber membranes with o-xylene as an additive used in membrane contactors for CO 2 absorption. Separation and Purification Technology, 2012. 92: p. 1-10. Abu-Zahra, M.R., Schneiders, L.H., Niederer, J.P., Feron, P.H., and Versteeg, G.F., CO2 capture from power plants: Part I. A parametric study of the technical performance based on monoethanolamine. International Journal of Greenhouse gas control, 2007. 1(1): p. 37-46. Vevelstad, S.J., Eide-Haugmo, I., da Silva, E.F., and Svendsen, H.F., Degradation of MEA; a theoretical study. Energy Procedia, 2011. 4: p. 1608-1615. Davison, J., Performance and costs of power plants with capture and storage of CO 2. Energy, 2007. 32(7): p. 1163-1176. Simioni, M., Kentish, S.E., and Stevens, G.W., Membrane stripping: desorption of carbon dioxide from alkali solvents. Journal of Membrane Science, 2011. 378(1): p. 18-27. Mansourizadeh, A., Experimental study of CO2 absorption/stripping via PVDF hollow fiber membrane contactor. Chemical Engineering Research and Design, 2012. 90(4): p. 555-562. Mansourizadeh, A. and Ismail, A.F., CO2 stripping from water through porous PVDF hollow fiber membrane contactor. Desalination, 2011. 273(2): p. 386-390. Khaisri, S., Tontiwachwuthikul, P., and Jiraratananon, R., CO2 stripping from monoethanolamine using a membrane contactor. Journal of Membrane Science, 2011. 376(1): p. 110-118. Kumazawa, H., Absorption and desorption of CO2 by aqueous solutions of sterically hindered 2amino-2-methyl-1-propanol in hydrophobic microporous hollow fiber contained contactors. Chemical Engineering Communications, 2000. 182(1): p. 163-179. Dugas, R. and Rochelle, G., Absorption and desorption rates of carbon dioxide with monoethanolamine and piperazine. Energy Procedia, 2009. 1(1): p. 1163-1169. Wang, Z., Fang, M., Pan, Y., Yan, S., and Luo, Z., Amine-based absorbents selection for CO2 membrane vacuum regeneration technology by combined absorption–desorption analysis. Chemical Engineering Science, 2013. 93: p. 238-249. Naim, R., Ismail, A., and Mansourizadeh, A., Preparation of microporous PVDF hollow fiber membrane contactors for CO 2 stripping from diethanolamine solution. Journal of Membrane Science, 2012. 392: p. 29-37. Naim, R., Khulbe, K.C., Ismail, A.F., and Matsuura, T., Characterization of PVDF hollow fiber membrane for CO 2 stripping by atomic force microscopy analysis. Separation and Purification Technology, 2013. 109: p. 98-106. Rahbari-Sisakht, M., Ismail, A., Rana, D., and Matsuura, T., Carbon dioxide stripping from diethanolamine solution through porous surface modified PVDF hollow fiber membrane contactor. Journal of Membrane Science, 2013. 427: p. 270-275. Fang, M., Wang, Z., Yan, S., Cen, Q., and Luo, Z., CO2 desorption from rich alkanolamine solution by using membrane vacuum regeneration technology. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2012. 9: p. 507-521. Mondal, M.K., Balsora, H.K., and Varshney, P., Progress and trends in CO2 capture/separation technologies: a review. Energy, 2012. 46(1): p. 431-441. Dindore, V., Brilman, D., Feron, P., and Versteeg, G., CO2 absorption at elevated pressures using a hollow fiber membrane contactor. Journal of Membrane Science, 2004. 235(1): p. 99-109. Sharma, M. and Doraiswamy, L., Heterogeneaus reactions and Analysis, Examples and reactor design. 1984, Wiley J. & Sons. Hoff, A.K. Modeling and experimental study of carbon dioxide absorption in a membrane contactor. 2003. Ph.D. Thesis. NTNU. Drioli, E. and Giorno, L., Membrane operations: innovative separations and transformations. 2009: Wiley-VCH. Wenten, I.G., Khoiruddin, Aryanti, P.T.P., and Hakim, A.N., Pengantar Teknologi Membran. 2010: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung.
31
22. Rufford, T., Smart, S., Watson, G., Graham, B., Boxall, J., da Costa, J.D., and May, E., The removal of CO2 and N2 from natural gas: a review of conventional and emerging process technologies. Journal of Petroleum Science and Engineering, 2012. 94: p. 123-154. 23. Gabelman, A. and Hwang, S.-T., Hollow fiber membrane contactors. Journal of Membrane Science, 1999. 159(1): p. 61-106. 24. Drioli, E., Criscuoli, A., and Curcio, E., Membrane Contactors: Fundamentals, Applications and Potentialities. Vol. 11. 2011: Elsevier. 25. Yang, X., Wang, R., Fane, A.G., Tang, C.Y., and Wenten, I.G., Membrane module design and dynamic shear-induced techniques to enhance liquid separation by hollow fiber modules: a review. Desalination and Water Treatment, 2013. 51(16-18): p. 3604-3627. 26. Wenten, I.G., Recent development in membrane science and its industrial applications. J Sci Technol Membrane Sci Technol, 2002. 24(Suppl): p. 1010-1024. 27. Wenten, I.G., Teknologi Membran dan Aplikasinya di Indonesia. 2010: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. 28. Wenten, I.G., Hakim, A.N., Khoiruddin, and Aryanti, P.T.P., Teori Perpindahan dalam Membran. 2012: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. 29. Bhaumik, D., Majumdar, S., and Sirkar, K., Absorption of CO2 in a transverse flow hollow fiber membrane module having a few wraps of the fiber mat. Journal of membrane Science, 1998. 138(1): p. 77-82. 30. Bird, R.B., Stewart, W.E., and Lightfoot, E.N., Transport phenomena. 2002. JohnWiley & Sons, New York. 31. Kreulen, H., Smolders, C., Versteeg, G., and Van Swaaij, W., Microporous hollow fibre membrane modules as gas-liquid contactors Part 2. Mass transfer with chemical reaction. Journal of Membrane Science, 1993. 78(3): p. 217-238. 32. Wenten, I.G., Aryanti, P.T.P., Hakim, A.N., and Khoiruddin, Karakterisasi Membran. 2011: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. 33. Wenten, I.G., Aryanti, P.T.P., Khoiruddin, and Hakim, A.N., Proses Pembuatan Membran. 2011: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. 34. Li, K. and Teo, W., Use of permeation and absorption methods for CO 2 removal in hollow fibre membrane modules. Separation and Purification Technology, 1998. 13(1): p. 79-88. 35. Ahmad, A. and Ramli, W., Hydrophobic PVDF membrane via two-stage soft coagulation bath system for Membrane Gas Absorption of CO2. Separation and Purification Technology, 2013. 103: p. 230-240. 36. Matsumoto, H., Kitamura, H., Kamata, T., Ishibashi, M., Ota, H., and Akutsu, N., Effect of membrane properties of microporous hollow-fiber gas-liquid contactor on CO2 removoval from thermal power plant flue gas. Journal of chemical engineering of Japan, 1995. 28(1): p. 125-128. 37. Nishikawa, N., Ishibashi, M., Ohta, H., Akutsu, N., Matsumoto, H., Kamata, T., and Kitamura, H., CO2 removal by hollow-fiber gas-liquid contactor. Energy Conversion and Management, 1995. 36(6): p. 415-418. 38. Wang, K.L. and Cussler, E., Baffled membrane modules made with hollow fiber fabric. Journal of membrane science, 1993. 85(3): p. 265-278. 39. Nii, S. and Takeuchi, H., Removal of CO2 and/or SO2 from gas streams by a membrane absorption method. Gas Separation & Purification, 1994. 8(2): p. 107-114. 40. Atchariyawut, S., Feng, C., Wang, R., Jiraratananon, R., and Liang, D., Effect of membrane structure on mass-transfer in the membrane gas–liquid contacting process using microporous PVDF hollow fibers. Journal of Membrane Science, 2006. 285(1): p. 272-281. 41. Julian, H. and Wenten, I.G., Polysulfone membranes for CO2/CH4 separation: State of the art. IOSR Journal of Engineering, 2012. 2(3): p. 484-495. 42. Hachisuka, H. and Ikeda, K. Polysulfone semipermeable membrane and method of manufacturing the same. US Patent No. 5,888,605. 1999 43. Mansourizadeh, A. and Ismail, A.F., Effect of additives on the structure and performance of polysulfone hollow fiber membranes for CO2 absorption. Journal of Membrane Science, 2010. 348(1–2): p. 260-267. 44. Li, J.-L. and Chen, B.-H., Review of CO2 absorption using chemical solvents in hollow fiber membrane contactors. Separation and Purification Technology, 2005. 41(2): p. 109-122. 32
45. Kohl, A. and Nielsen, R., Gas purification 5th ed. Houston: Gulf Publishing Company, 1997. 46. Butwell, K., Hawkes, E., and Mago, B., Corrosion Control in CO2 Removal Systems. Chemical Engineering Progress, 1973. 69(2): p. 57-61. 47. Hutchinson, A.J.L. Process for treating gases. US Patent No. US 2177068 A. 1939 48. Bullin, J., Polasek, J.C., and Donnelly, S. The use of MDEA and mixtures of amines for bulk CO2 removal. in Proceedings Sixty-Ninth Gas Processors Association Annual Convention. 1990. 135-139. 49. Mshewa, M. and Rochelle, G. Carbon dioxide absorption/desorption kinetics in blended amines. in Proceedings of 44th annual Laurance Reid gas conditioning conference, University of Oklahoma, Norman, OK, February. 1994. 50. Feron, P.H. and Jansen, A.E., CO2 separation with polyolefin membrane contactors and dedicated absorption liquids: performances and prospects. Separation and Purification Technology, 2002. 27(3): p. 231-242. 51. Bonenfant, D., Mimeault, M., and Hausler, R., Comparative analysis of the carbon dioxide absorption and recuperation capacities in aqueous 2-(2-aminoethylamino) ethanol (AEE) and blends of aqueous AEE and N-methyldiethanolamine solutions. Industrial & engineering chemistry research, 2005. 44(10): p. 3720-3725. 52. Cullinane, J.T. and Rochelle, G.T., Carbon dioxide absorption with aqueous potassium carbonate promoted by piperazine. Chemical Engineering Science, 2004. 59(17): p. 3619-3630. 53. Hanisch, C., Exploring options for CO2 capture and management. Environmental science & technology, 1999. 33(3): p. 66A-70A. 54. Feron, P. and Jansen, A., Capture of carbon dioxide using membrane gas absorption and reuse in the horticultural industry. Energy conversion and management, 1995. 36(6): p. 411-414. 55. Weiland, R., Rawal, M., and Rice, R., Stripping of carbon dioxide from monoethanolamine solutions in a packed column. AIChE Journal, 1982. 28(6): p. 963-973. 56. Khaisri, S., Tontiwachwuthikul, P., and Jiraratananon, R., Membrane contacting process for CO 2 desorption. Energy Procedia, 2011. 4: p. 688-692. 57. Rahbari-Sisakht, M., Ismail, A., Rana, D., Matsuura, T., and Emadzadeh, D., Carbon dioxide stripping from water through porous polysulfone hollow fiber membrane contactor. Separation and Purification Technology, 2013. 108: p. 119-123. 58. Van Ness, H.C., Smith, J.M., and Abbott, M.M., Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics. 6th ed. 2001: McGraw-Hill.
33
