Pemanfaatan Cangkang Kerang Sebagai Bahan Baku Pembuatan Membran Untuk Desalinasi

Pemanfaatan Cangkang Kerang Sebagai Bahan Baku Pembuatan Membran Untuk Desalinasi Wini Hidayanti* dan Alia Damayanti** *

Jurusan Teknik Lingkungan ITS, [email protected] Jurusan Teknik Lingkungan ITS, [email protected]

**

Abstrak Sumber daya air yang terdapat di daerah pesisir pantai umumnya berkualitas buruk karena mengandung kadar garam dan Total Dissolved Solid (TDS) yang tinggi. Oleh karena itu diperlukan teknologi yang mampu mengubah air laut menjadi air tawar yang dikenal sebagai proses desalinasi dengan teknologi membran. Teknologi membran relatif mahal karena berasal dari luar negeri, sehingga perlu dibuat membran yang bahan dasarnya murah dan keberadaannya melimpah di Indonesia. Cangkang kerang dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan membran karena mengandung silika. Silika dapat digunakan untuk meningkatkan stabilitas koloid dari berbagai partikel. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui massa silika optimal dari cangkang kerang yang dapat menghasilkan membran untuk desalinasi. Tahapan penelitian dimulai dari sintesis silika dari cangkang kerang, proses pemurnian sampel, dan preparasi membran. Dari proses tersebut menghasilkan membran lembaran yang diuji kualitasnya menggunakan reaktor dead-end. Variasi massa silika yang digunakan sebanyak 10, 15, 20, dan 25 gram. Parameter yang dianalisa adalah kandungan klorida dan Total Dissolved Solid (TDS). Pengujian struktur membran dilakukan secara spektrofotometri Fourier Transform Infra Red (FTIR) dan analisa morfologi membran dilakukan dengan menggunakan peralatan Scanning Electron Microscopy (SEM). Dari hasil penelitian terlihat bahwa massa silika 15 gram dengan kecepatan 600 rpm menghasilkan rata-rata rejeksi klorida yang optimum sebesar 51,11% dan prosentase removal TDS sebesar 65,55%. Kata kunci : klorida, membran, silika, TDS

1. Pendahuluan Air minum adalah kebutuhan dasar yang paling penting bagi kelangsungan hidup dan kualitas hidup manusia, namun tidak semua daerah mempunyai sumberdaya air yang baik. Wilayah pesisir pantai dan pulau-pulau kecil di tengah lautan lepas merupakan daerahdaerah yang sangat miskin akan sumber air bersih, sehingga timbul masalah pemenuhan kebutuhan air minum. Sumber daya air yang terdapat di daerah tersebut umumnya berkualitas buruk, misalnya air tanahnya yang payau atau asin. Sumber air yang secara kuantitas tidak terbatas air laut, walaupun kualitasnya sangat buruk karena banyak air laut menjadi air tawar tersebut dikenal mengandung kadar garam atau TDS (Total Dissolved Solid) sangat tinggi (Said, 2003). Oleh karena itu, diperlukan teknologi yang mampu mengubah air laut menjadi air tawar yang dikenal sebagai proses desalinasi. Salah satu teknologi desalinasi air laut adalah dengan menggunakan teknologi membran. Pada umumnya membran dapat dibuat dari bahan polimer organik dan senyawa anorganik. Namun, sebagian besar bahan yang sering digunakan untuk membuat membran adalah bahan polimer organik karena proses pembuatannya yang relatif lebih sederhana (Mulder, 1996). Bagi masyarakat pesisir, pembuatan membran silika nanopori dari kulit kerang dapat menjadi solusi terbaik karena mampu mengubah air laut menjadi air tawar yang kadar garamnya tinggi dan mengurangi konsentrasi zat padat terlarut (TDS). Keunggulan penggunaan membran adalah juga pada operasi-operasi pengolahan limbah yang tidak membutuhkan energi yang terlalu besar karena tidak melibatkan perubahan fase dan tidak terlalu menggunakan energi dalam bentuk panas sehingga komponen di dalamnya dapat dipertahankan. Pada penelitian ini, digunakan cangkang kerang sebagai sumber silika. Silika adalah salah satu bahan fungsional penting dengan aplikasi luas dalam berbagai cabang. Sampai sekarang, sebagian besar teknologi memanfaatkan silika untuk meningkatkan stabilitas koloid dari berbagai partikel (Tsiourtis, 2001). Salah satu tahap pembuatan membran adalah dengan cara disentrifuse untuk mendapatkan endapan silika. Kecepatan centrifuge sangat berpengaruh pada kepadatan endapan silika (Chowdury dkk., 2006). SiO2 merupakan bahan dasar membran 0,001 µm dan mampu menahan partikel berukuran 50-1000 Da (Mallia dan Till, 2003). 2. Penelitian 2.1 Sintesis Silika Dari Cangkang Kerang Sintesis silika dari cangkang kerang dilakukan dengan menggunakan teknik pengabuan. Cangkang kerang sebanyak 5 kg dicuci dan dibersihkan dengan air dari impuritas akibat kotoran. Proses pengeringan dengan oven pada suhu 120oC selama 24 jam. Proses pengabuan dilakukan untuk mengetahui kandungan abu. Pengabuan dilakukan dengan cara difurnace pada suhu 600oC selama 30 jam. 2.2 Proses Pemurnian Sampel Metode yang dipakai untuk pemurnian ini adalah metode pengasaman dengan menggunakan larutan HCl pekat. Proses pemurnian dilakukan dengan cara memasukkan sampel berupa abu cangkang kerang ke dalam wadah dan dibasahi dengan aquades panas. Selanjutnya ke dalam campuran ditambahkan 50 mL HCl pekat dan diuapkan sampai kering. Pengerjaan ini diulangi sebanyak tiga kali. Selanjutnya, dituangkan 100 mL aquades dan 50 mL HCl pekat ke wadah tadi dan biarkan di atas penangas air selama 0,5 jam. Campuran tersebut kemudian disaring dengan kertas saring bebas abu dan dicuci 20 sampai 25 kali dengan aquades panas. Hasil dari penyaringan berupa residu padat beserta kertas saringnya dipanaskan mula-mula pada suhu 300oC selama 3 jam hingga kertas saring menjadi arang. Kemudian dilanjutkan dengan memanaskan pada suhu 600 oC hingga yang tersisa hanya endapan silika (SiO2) berwarna putih.

2.3 Preparasi Membran Preparasi membran dalam metode ini sebanyak 10, 15, 20, dan 25 gram silika dicampurkan dengan 35 mL 2-propanol, campuran tersebut dimasukan dalam botol 100 mL kemudian disentrifuse dengan kecepatan 500, 600, dan 700 rpm selama 10 menit. Langkah selanjutnya, tambahkan 3,5 gram NH4Cl (ammonium klorida) sebagai surfaktan kationik yang telah dilarutkan dalam 300 mL air deionisasi. Larutan tersebut kemudian diaduk dengan suasana ultrasonik selama 1 jam. Tujuan dari penggunaan NH4Cl dan pengadukan dengan magnetic stirrer adalah supaya terbentuk pori membran yang berukuran nano (Chowdhury dkk., 2006). Proses pencetakan membran dilakukan dengan cara menuangkan campuran ke dalam cawan petridish kemudian dikeringkan di bawah sinar matahari. Setelah campuran benar-benar kering, akan terbentuk lembaran membran silika yang padat. Lembaran membran silika kemudian dioven pada suhu 105 o C selama 1 jam untuk memperkuat struktur membran dan tidak mudah sobek. 2.4 Pengujian Kinerja Membran Pengujian membran dilakukan dalam rektor dead-end untuk mengetahui kandungan klorida dan Total Dissolve Solid (TDS) dalam permeat yang lolos dari membran. Membran yang akan diuji dipotong bentuk lingkaran dengan diameter 5 cm, kemudian membran diletakkan di alat penguji. Setelah itu, air laut dialirkan ke dalam reaktor dan diberikan tekanan sebesar 2 atm. Permeate diambil setiap 15 menit pada 30 detik pertama selama 1,5 jam. 3. Hasil dan Pembahasan Permeat yang dihasilkan setelah pengujian membran dengan variasi massa silika 10, 15, 20, dan 25 gram kecepatan putaran centrifuge 600 dihitung konsentrasi kloridanya menggunakan persamaan (1) sebagai berikut:

Dimana A adalah volume titrasi sampel, B adalah volume titrasi blanko, dan N adalah normalitas AgNO3. Setelah diketahui konsentrasi klorida dalam permeat, selanjutnya dihitung koefisien rejeksi pada setiap variasi massa kecepatan centrifuge 600 rpm dengan persamaan (2):

Dimana R adalah koefisien rejeksi, Cp adalah konsentrasi permeat, dan Cf adalah konsentrasi umpan. Koefisien rejeksi klorida dengan variasi massa klorida 10, 15, 20, dan 25 gram kecepatan putaran centrifuge 600 rpm pada menit ke-0 secara berurutan adalah 41,86%, 47,44%, 41,86%, dan 41,86%. Koefisien rejeksi pada menit ke-15 mengalami peningkatan menjadi 45,35%, 48,61%, 42,64%, 42,64%. Kemudian seluruh variasi massa silika mengalami peningkatan koefisien rejeksi sampai waktu operasi berakhir. Koefisien rejeksi merupakan parameter yang digunakan untuk menggambarkan selektivitas membran. Hal ini menunjukkan bahwa selektivitas membran sangat baik karena selektivitas merupakan ukuran kemampuan suatu membran untuk menahan suatu spesi atau melewati suatu spesi tertentu. Menurut (Notodarmojo dan Deniva, 2004), pada permukaan membran akan terjadi polarisasi konsentrasi dan pembentukan cake. Kedua fenomena tersebut akan menurunkan fluks tetapi akan meningkatkan daya saring membran terhadap konstituen. Apabila daya saring meningkat, koefisien rejeksi juga semakin besar. Koefisien rejeksi pada setiap variasi massa silika dengan kecepatan centrifuge 600 rpm dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1 Grafik Koefisien Rejeksi Pada Setiap Variasi Massa Silika Dengan Kecepatan Centrifuge 600 rpm Permeat yang dihasilkan dihitung konsentrasi Total Dissolve Solid (TDS) persamaan (3) berikut ini:

menggunakan

Dimana k adalah cawan dan residu setelah dioven 105oC, i adalah cawan kosong setelah di furnace 550oC dan dioven, dan j adalah volume sampel. Prosentase penyisihan TDS variasi massa klorida 10, 15, 20, dan 25 gram kecepatan putaran centrifuge 600 rpm pada menit ke-0 secara berurutan adalah 65,69%; 72,53%; 34,31%, dan 57,35%.Secara berurutan membran dengan massa silika 10, 15, 20, dan 25 gram pada menit ke-15 mengalami kenaikan prosentase penyisihan TDS menjadi 66,18%; 74,19%; 45,59%. dan 64,22%. Pada menit ke-45, massa silika 10, 15, 20, dan 25 gram mengalami penurunan menjadi 64,71; 66,29%; 33,82%, dan 62,75%. Prosentase penyisihan TDS yang menurun disebabkan oleh adanya deformasi pada permukan membran akibat tekanan yang menyebabkan ukuran pori membran melebar dan terbentuknya lubang pori baru pada membran, sehingga sebagian TDS lolos dalam permeat (Notodarmojo dan Deniva, 2004). Penyisihan konsentrasi TDS yang fluktuatif disebabkan karena terbentuknya lapisan cake pada permukaan membran. Prosentase penyisihan TDS pada setiap variasi massa silika dengan kecepatan centrifuge 600 rpm dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2 Grafik Prosentase Penyisihan TDS Pada Setiap Variasi Massa Silika Dengan Kecepatan 600 rpm Nilai fluks dihitung menggunakan persamaan: ........................................................................................ (4) Dimana J adalah nilai fluks membran (mL/ cm2. menit), V adalah volume permeat (mL), A adalah luas penampang membran (cm2), dan t adalah lama waktu operasi (menit). Nilai fluks pada setiap variasi massa silika dengan kecepatan putaran centrifuge 600 rpm dapat dilihat pada Gambar 3.

Gambar 3 Grafik Nilai Fluks Pada Setiap Variasi Massa Silika Dengan Kecepatan 600 rpm Fluks yang terukur untuk setiap variasi massa silika 10, 15, 20, dan 25 gram dengan kecepatan centrifuge 600 rpm pada menit ke-0 masing-masing adalah 0,448 mL/cm2.menit; 0,438 mL/cm2.menit; 0,469 mL/cm2.menit; 0,459 mL/cm2.menit. Setelah pengoperasian selama 90 menit nilai fluks semakin menurun. Kecenderungan terjadinya penurunan fluks sepanjang waktu pengoperasian akibat pengendapan atau pelekatan dikenal dengan istilah fouling (Reutenbach dalam Notodarmojo, 2004). Fouling pada membran dapat didefinisikan sebagai deposisi (ir) reversible dari partikel, koloid, emulsi, suspense, makromolekul, garam, dan sebagainya yang tertahan pada permukaan atau di dalam membran (Mulder dalam Notodarmojo, 2004). Deposisi partikel-partikel pada membran akan membentuk suatu lapisan baru yang harus dilalui oleh umpan sehingga fluks menjadi turun (Notodarmojo dkk., 2004).

Gambar 4 Data Peak Hasil Analisa FTIR Hasil analisis dengan FTIR Thermo Scientific Nicolet iS10 pada Gambar 4 menunjukkan puncak vibrasi pada masing-masing gugus fungsi. Socrates (1994) menyatakan bahwa pita serapan pada daerah kisaran 845 – 800 cm−1 merupakan serapan Si-H. Peak serapan gugus Si-O-Si terjadi panjang gelombang 1247,35 cm−1. Gelombang 2876,26 cm-1 menunjukkan pita serapan uluran gugus -CH3 dan -CH2-. Gugus –OH terletak pada panjang gelombang 3377,61 cm-1. Peak gugus fungsi C=C pada bilangan 944,98 cm-1. Pita serapan dengan peak 1349,62 merupakan gugus C-H. Pita serapan dengan peak 1412,74 adalah ciri khas adanya gugus C=C aromatik. Panjang gelombang dengan peak 1735,38 merupakan gugus fungsi C=O. Hasil karakterisasi dengan FTIR setelah membran digunakan menunjukkan puncak vibrasi pada bilangan gelombang 871,29 cm−1, 1018,51 cm−1, 1234,28 cm−1, 1373,76 cm−1, 1423,14 cm−1, 1635,88 cm−1, 1734,36 cm−1, 3312,03 cm−1. Analisa SEM menggunakan SEM FEI Inspect S50, hasil SEM menunjukkan ukuran pori yang teridentifikasi sebelum membran digunakan adalah 58,28 nm. Ukuran membran ultrafiltrasi menurut (Li dkk., 2008) antara 1 nm – 100 nm. Oleh karena itu, membran ini dikategorikan sebagai membran ultrafiltrasi. Pada Gambar 5 terlihat bahwa struktur membran masih bersih. Analisa struktur pori pada permukaan penampang membran menunjukkan bahwa membran termasuk dalam kategori membran asimetrik. Pada Gambar 6 terlihat bahwa fouling tidak hanya terjadi pada bagian permukaan atas atau lapisan luar membran saja. Pengotor yang masuk ke dalam lapisan tersebut terjadi akibat adanya tekanan yang

diberikan selama proses pengoperasian membran. Hal ini berpengaruh pada ukuran membran yang semula 58,28 nm, berubah menjadi 29,14 nm. Hasil analisa SEM sebelum membran diuji dan setelah membran digunakan untuk menyaring sampel dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6.

29.14 nm

29.14 nm

29.14 nm

29.14 nm

Gambar 5 Foto SEM Sebelum Membran Dipakai

Gambar 6 Foto SEM Sesudah Membran Dipakai

4. Kesimpulan Massa silika optimal yang dapat menghasilkan membran untuk mengubah air laut menjadi air tawar adalah 15 gram. Rejeksi klorida terbesar adalah 53,87% dan penyisihan TDS terbesar adalah 80,02%. 5. Daftar Pustaka Chowdhury Sankhanilay Roy., Peters Alisia M., Blank Dave H.A., Elshof Johan E. ten. 2006. Influence of porous substrate on mesopore structure and water permeability of surfactant templated mesoporous silica membranes. Inorganic Materials Science, MESA+ Institute for Nanotechnology and Faculty of Science and Technology,University of Twente, xxx: xxx–xxx. Mallia dan Till. 2003. Membrane Bioreactors: Waste Water Application Treatment to Achieve High Quality Effluent. Water Industry Group. Mulder M. 1996. Basic Principles of Membrane Technology, 2nd ed. Kluwer Academic Publisher,Dordrecht. Notodarmojo S dan Deniva A. 2004. ”Penurunan Zat Organik Dan Kekeruhan Menggunakan Teknologi Membran Ultrafiltrasi Dengan Sistem Aliran Dead- End”.PROC. ITB Sains & Tek, 63-82.Departemen Teknik Lingkungan ITB,Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan. Notodarmojo S., Zulkarnain T., Mayashanty D., dan Irsyad M. 2004. ”Efek Pretreatment Terhadap Pembentukan Lapisan Cake dan Struktur Membrane pada Membran Ultrafiltrasi Aliran Cross-flow dalam Pengolahan Limbah Cair Emulsi Minyak”.PROC. ITB Sains & Tek, 127-144.Departemen Teknik Lingkungan Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan, Institut Teknologi Bandung. Pinem A J., dan Angela R.22 Februari 2011. ”Sintesis dan Karakterisasi Membran Hybrid PMMA/TEOT: Pengaruh Konsentrasi Polimer”. Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan” Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia. Fakultas Teknik Universitas Riau. Said I N. 2003. ”Aplikasi Teknologi Osmosis Balik Untuk Memenuhi Kebutuhan Air Mnum Di Kawasan Pesisir Atau Pulau Terpencil”.Kelompok Teknologi Pengelolaan Air Bersih Dan Limbah Cair, Pusat Pengkajian dan Penerapan Teknologi Lingkungan, BPPT. Tsiourtis, Nicos X. 2001.Desalination and The Environment.Water Development Department, Ministry of Agriculture, Natural Resources and Environment 141:223-236.