Daftar isi Pembuatan Membran Selulosa Asetat pada Berbagai Variasi Komposisi Polimer, Jenis Pelarut dan Konsentrasi Aditif (Syahril Ahmad)
PEMBUATAN MEMBRAN SELULOSA ASETAT PADA BERBAGAI VARIASI KOMPOSISI POLIMER, JENIS PELARUT DAN KONSENTRASI ADITIF SyahrilAhmad Pusat Penelitian Kimia (P2K) - LfPf Jl. Cisitu 21/154D, Bandung 40135 ABSTRAK PEMBUATAN MEMBRAN SELULOSA ASETATPADA BERBAG1\I VARIASI KOMPOSISI POLIMER, JENIS PELARUT DAN KONSENTRASI ADITIF. Pembuatan membran datar dari bahan selulosa asetat pada berbagai variasi, seperti variasi komposisi polimer, jenis pelarut dan variasi aditiftelah dilakukan. Pelarut yang diamati pada percobaan ini antara lain aseton, dimetilasetamida dan N- metilpirolidon dengan formamida sebagai aditif. Parameter yang diamati adalah fluks membran dan koefisien rejeksi. Dari hasil percobaan didapatkan bahwa komposisi polimer, jenis pelarut dan jumlah aditif akan mempengaruhi karakteristik membran yang dihasilkan. Konsentrasi polimer yang lebih tinggi akan memberikan fluks yang lebih rendah, tetapi sebaliknya terhadap koefisien rejeksi membran. Membran yang dibuat dengan pelarut dimetilasetamida (DMAc) memberikan fluks membran terbesar tetapi koefisien rejeksinya terendah. Semakin banyak aditifyang ditambahkan pada larutan dope semakin besar fluks membran yang dihasilkan. Kata kunci: Selulosa asetat, variasi komposisi,jenis
pelarut, aditif, fluks, rejeksi.
ABSTRACT MEMRANESELLULOSEACETATEMADE WITH RADIATION OFPOLYMERCOMPOSITION, KIND OF SOLVENT AND CONCENTRATION OF ADDITIVE. Flat membrane sellulose acetate made with variation of polymer composition, kjnd-of-solvent andaJp.ou~of additivehave~en done. Solvents observed on these experiments were acetone, ~il acetamide and N, methylpyrrolidone with formamide as additive. Parameters observed were flux, rejection coeffic"eht'ancrmolecula~~ht cut-offmembrane. From results of experiments found that polymer composition, kind of solvent and amount oraadftive could influence membrane characteristic resulted. High polymer consentration will give low flux of the membrane, but coefficient rejection on the contrary. Membrane made with dimethyl acetamide solvent give the highest flux, but the lowest coefficient rejection. Higher amount of additive added to dope solution, higher flux of membrane resulted. Key words: Selulosa asetat, "ariasi komposisi,jenis
pelarut, aditif, fluks, rejeksi.
PENDAHULUAN Membran pertama yang dibuat oleh Loub danSourirajan berasal dari bahan selulosaasetat untuk proses desalinasi air. Penelitian membran selanjutnya berkembang ke bahan polimer lain seperti polisulfon, polieter sulfon, poliamida, poliirnida, polietereter keton, polietilen lainnya. Salah satu faktor penting dalam memilih bahan dasar untuk membran adalah struktur dan sifat membran tersebut [1,2]. Kalau dilihat dari sifat fisika dan kimianya, polimer selulosa asetat memang kurang bagus dibanding polimer polisulfon atau polieter sulfon karena polimer ini mudah rusak oleh pengaruh suhu, pH atau adanya
khlorin dalam larutan umpan. Membran yang terbuat dari bahan selulosa asetat hanya dapat bekerja pada daerah pH 2-10, suhu maksimum 50°C dan toleransi terhadap CI-sekitar 1 ppm, sedangkan membran dari bahan polisulfon dapat bekerja pada pH 1 sampai dengan 13, suhu sampai 80°C dan toleransi terhadap Cl' sekitar 100 ppm [3,4]. Polimer selulosa asetat banyak terdapat dialam, tetapi selulosa asetat yang baik untuk bahan membran harns mengandung asetil minimal 39,5 %. Melihat pada harga palimer selulosa asetat yang j auh lebih murah dibanding harga polimer polisulfon dan polieter sulfon, maka 75
Prosiding Simposium
Nasional Polimer V
ISSN 1410-8720
untuk itu palimer ini banyak digunakan pengganti polimer polisulfon asalkan daerah pemakaiannya memenuhi persyaratan diatas. Di Saudiarabia membran dari bahan
dari kecepatan pelarut meninggalkan film maka akan didapatkan membran yang berukuran pori lebih kecil yang tergolong pada membran osmosa balik. Perbedaan antara membran ultrafiltrasi dan
selulosa asetat dalam bentuk spiral woundbanyak dipakai untuk proses desalinasi air [5]. Selain untuk proses desalinasi, membran selUlosa asetat juga dapat digunakan untuk menghilangkan senyawa organik runutan dalam larutan dengan proses osmosa balik [6]. Selain untuk proses desalinasi air, membran selulosa aSetat juga dapat digunakan untuk pembuatan air ultramumi dan air untuk keperluan parmasi dimana air umpan diolah dulu (pre chlorinated) untuk mence ah terjadinya biodegradasi dan pH aiLUl1lpan iatur untuk mencegah terjadinya ;;drolisa [7]. esar kecilnya ukuran pori dalam pe buatan bran selulosa asetat dapat dikontrol dengan penambahan aditif pada larutan polimer, pemilihan pelarut dan perlakuan akhir pada membran [8]. Menurut altaf dkk. adanya grup asetil dalam polimer selulosa asetat akan memberikan sifat hidropobik sedangkan grup hidroksil yang membentuk ikatan hidrogen dengan air akan memberikan sifat hidropilik pada membran [9]. Pelarut yang dapat digunakan untuk pembuatan membran-selulosa-asetat adalah
membran osmosa balik didasarkan pada ukuran pori-pori yang terdapat pada permukaan membran tersebut, dimana untuk membran ultrafiltrasi
,. ---
Aseton, 1).~al metil pirolidon (NMP)~ dimetil .~ 1 _ asetamida (DMAc)-dan-:Qimetil formamida (DMF) [10]. Dalam pembuatan membran kadang-kadang diperlukan aditif dengan maksud dan tujuan berbeda, seperti misalnya untuk menaikan viskositas lanrtan polimer, meningkatkan kestabilan atau untuk meningkatkan jumlah pori yang terbentuk [10]. Bahan yang dapat dijadikan aditifharus dapat bercampur baik dengan polimer dan dengan pelarut. Besar kecilnya ukuran pori yang terdapat pada permukaan membran atau bentuk stuktur yang terdapat dalam membran sangat dipengaruhi oleh kecepatan penetrasi koagulan (non pelarut) masuk kelapisan film dan pelepasan pelarut meninggalkan lapisan film saat proses koahulasi terj adi [11]. Kalau kecepatan koagulan masuk kelapisan film melebihi kecepatan pelarut meninggalkan film maka didapat ukuran pori yang lebih besar dan akan menghasilkan membranjenis ultrafiltrasi. Tetapi sebaliknya bila kecepatan koagulan masuk kefilm lebih rendah 76
ukuran porinya adalah antara O,OI~m sampai dengan 0,5 ~m sedangkan untuk membran osmosa balik ukuran pori-porinya adalah 1 nm sampai dengan 80 nm [12]. Membran ultrafiltrasi dan osmosa balik juga dapat dibedakan berdasarkan ukuran partikel yang dapat ditahannya, yaitu untuk membran ultrafiltrasi dapat menahan partikel berukuran O,OOI~m sampai dengan 0,02 ~m dan untuk membran osmosa balik dapat menahan partikel berukuran 0,0001 ~m sampai dengan 0,001 ~m [13]. Pada percobaan ini dicoba membuat membran jenis ultrafiltrasi (membran untuk pemisahan senyawa berberat molekul besar dari 1000 Da) dari bahan selulosa asetat dengan memvariasikan konsentrasi polimer,jenis pelarut serta jurnlah aditif yang dipakai, dimana parameter yang diamati antara lain adalah fluks, koefisien rejeksi terhadap sejumlah larutan dektran yang berbeda berat molekulnya pada setiap jenis membran yang dihasilkan . Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mempel~ari karakteristik membran selulosa asetat yang dibuat dari berbagai variasi konsentrasi, pelarut dan jumlah aditif yang dipakai.
METODEPERCOBAAN Bahan Bahan yang dipakai dalam percobaan ini adalah ; polimer selulosa asetat (Aldrich), aseton (Merk) sebagai pelarut, formamida (Merk) sebagai aditif, asam sulfat, dekstran (BM 9,5, 19,6 dan 38,9 k Da) (Sigma) dan aquades. Alat Peralatan yang dipakai an tara lain adalah flat kaca, batang stailess steel, bak koagulasi, alat testing membran (sel ami con), Spektrofotometer, kompressor, peralatan gelas dan lain sebagainya.
Pembuatan Membran Selulosa Asetat pada Berbaga; Var;as; Komposis; Polimer, Jenis Pelarut dan Konsentras; Ad;tif (Syahril Ahmad)
Cara Kerja
30
Larutan dope membran dibuat dengan komposisi seperti terlihat pada Tabel 1,Tabel2 dan Tabel 3.
E .'"....,
25
Ne 20 ~
"0;
Tabel J. Pembuatan membran dengan komposisi polimer berbeda. 58 24(%) 60 56Formamida Aseton (%) CA(%)
15
~::J 10 t:L:
5 o
14
16
18
20
22
KOll'ientrasi CA (%)
Tabel 2. Pembuatan berbeda. CA
membran dengan jenis pe1arut
Aseton NMP DMAc 58 (%) (%) (%)
58
58
18
Tabel 3. Pembuatan membran dengan jumlah aditif berbeda .. CA(%)
polimer Gambar J. Pengaruh konsentrasi selulosa asetat terhadap fluks air membran yang dihasilkan.
20 (%) (%) 56 28 62 5824 Aseton Formamida
lebih besar dan ini jelas terlihat pada semua membran yang diarnati (Gambar 2). Hal ini menunjukan bahwa pada konsentrasi selulosa yang rendah dalam larutan dope, ad a kemungkinanjumlah pori yang terbentuk semakin . besar atau semakin banyakjumlahnya. Semua membran yang diuji memperlihatkan kecenderungan yang sarna yaitu semakin besar berat molekul dekstran yang diuji maka semakin turun fluks yang dihasilkan. Untuk mengetahui apakah ukuran pori membran yang mengecil atau jumlah pori yang berkurang dengan meningkatnya konsentrasi selulosa asetat dalam larutan polimer maka perlu dilakukan karakterisasi dengan sejumlah larutan dekstran yang berbeda ukuran molekulnya.
Dari ketiga komposisi diatas jumlah formamida dipertahankan konstan untuk melihat pengaruh konsentrasi polimer dalam N E C larutan dope. ~ 205 Beral molekul ~ 10 ..§ 15 dekslran k Da t:L:
5 25· 0
--.
A A 15 45 35 25 • --+30
CA A 20 %
••
--CA 16% ------- CA 18%
HASIL DAN PEMBAHASAN Dari Gambar 1 terlihat bahwa semakin besar konsentrasi selulosa asetat maka semakin kecil fluks air yang didapat, dan ini menunjukan bahwa semakin besar konsentrasi selulosa asetat, maka akan semakin kecil ukuran pori pada permukaanmembran
Gambar 2. Fluks dekstran untuk membran dari berbagai konsentrasi selulosa asetat.
Seperti terlihat pada Gambar 3. semakin besar konsentrasi selulosa asetat dalam larutan
Prosiding Simposium
Nasional Polimer V
ISSN 1410-8720
dope maka akan <::csemakin~ besar rejeksi membran .~ '"
molekul Dekstran (k Da)" terhadap larutandekstran yang Berat diuji.Dari sinijelas bahwa ukuran pori membran yang terbentuk akan semakin kecil bila konsentrasi selulosa dalam larutan dope semakin besar.Untuk membran yang dibuat padakonsentrasi selulosa asetat 18% dan 20 % koefisien rejeksi membran terhadap dekstranyang berberat molekul 20 kDa semuanya menunjukan diatas 90 %.
-------
90 15 25 45 35 100 85 80
70
~ .~ 5 ~ 7595
berbagai konsentrasi selulosa asetat.
Pada Gambar 4 dapat dilihat hasil pengukuran fluks dekstran untuk membran yang ~ dibuat menggunakan pelarut berbeda. Disini r;:do § 15 10 pelarut aseton memperlihatkan20 fluksJ2 membran 5 terhadap larutan dekstran terkecil dibanding ~ 30 pelarut lainnya sedangkan pelarut DMAc memberikan fluks terbesar. l:>
N..§
§
---.
• 30 35 40 40 • 20 25 10 15 60 180 20 80 • -------§ 5140 ~ N""! 160 Berat molekul dekstran (k Da) ..§ 120 ::>
"'"
•
--.- DMI\c -NMP -Aseton
~
Gambar 5. Rejeksi membran terhadap larutan desktran pada berbagai pelarut.
Gambar 3. Fluks dekstran untuk membran dari
0'"
]
---"
--CA --CA 18% 16% --CA 20%
Berat molekul dekstran (k 03)
r;: "'"
35 25 80 15 45 20 60 ~8 5 40 .~ 120 100 0
----45 • --
----NMP
'"
pelarut aseton, dan koefisien rejeksi terendah didapat pada membran yang dibuat pakai pelarut DMAc. Jumlah aditif sangat berpengaruh pada fluks membran yang dihasilkan, dimana semakin banyak aditifyang ditambahkan pada larutan dope maka semakin besar fluks membran yang diperoleh seperti terlihat pada Gambar 6. Aditif dapat berfungsisebagaipengatur viskositas larutan polimer at au sebagai pembentuk atau memperbanyakjumlah pori. Disini terlihat bahwa fungsi aditiflebih dominan pada pembentuk atau memperbanyak jumlah pori pada permukaan 25• '"'" membran. • ~
25
15
•
1-- Mitif
45 --.•.• 2824%% 35 Mitif __ Mitif 20 %
I
DMAc --
Aseton
~
Berat molekul dekstran (k Da)
Gambar 6. Fluks membran terhadap dekstran pada konsentrasi aditif berbeda.
Gambar 4. Fluks membran yang dibuat dengan pelarut berbeda.
Kebalikkan dari harga fluks membran, koefisien rejeksi membran terbesar didapat pada membran yang dibuat menggunakan 78
Penambahan aditif yang terlalu banyak mengakibatkan penurunan pada koefisien rekejsi membran yang didapat (Gambar 7). Dari sini dapat diketahui bahwajumlah aditif dalam larutan dope dapat mempengaruhi ukuran sertajumlah pori membran, dimana semakin banyak aditif
16 utaditif
Pembuatan Membran Selulosa Asetat pada Berbagai Variasi Komposisi Polimer, Jenis Pelarut dan Konsentrasi Aditif (Syahril Ahmad)
~ ~
<1)
'c;j
45 96 25 94 92 '-" 100 90 & ...::.::
88 86 985
Berat molekul dekstran (k Da) Gambar 7. Rejeksi membran pada berbagai konsentrasi aditif.
ditambahkan maka semakin banyakjumlah pori yang dihasilkan danjuga ukuran pori semakin membesar. Ini dapat diketahui dari rejeksi membran terhadap larutan dekstran yang diuji. Tabel4. MWCO Membran pada berbagai konsentrasi CA, aditif dan berbagai pelarut. Konsentrasi Aseton20
0.9992 6.3223 0.0002 831.2354 13.3999 4.9974 64.2246 5.0842 8734.6928 MWCO (k Da)
Ca (%)
Dari Tabel 4 diketahui bahwa konsentrasi CA terlalu tinggi akan menggeser MWCO membran ultrafiltrasi kearah membran osmosa balik. Untuk konsentrasi CA 20 % membran diperoleh membran osmosa balik dengan MWCO 0.0002 kDa. Dari tiga jenis pelarut yang diamati temyata aseton memberikan harga MWCO terendah dan DMAc memberikan harga MWCO terbesar. Konsentrasi aditifterlalu besar akan memperbesar harga MWCO. KESIMPULAN Beberapa kesimpulan yang dapat diperoleh pada pembuatan membran selulosa asetat ini antara lain adalah:
1. Semakin banyak konsentrasi polimer dalam larutan dope akan dihasilkan membran dengan fluks yang rendah tetapi koefisien rejeksi sebaliknya. 2. Penggunaan aseton sebagai pelarut selulosa asetat menghasilkan membran dengan fluks terendah, tetapi rejeksi tertinggi. 3. Jumlah aditif dapat mempengaruhi jumlah dan ukuran pori membran yang dihasilkan. 4. Konsentrasi CA sangat berpengaruh pada harga MWCO membran. 5. Pelarut berbeda akan memberikan harga MWCO berbeda. 6. Jumlah aditifjuga dapat mempengaruhi harga MWCO membran DAFfAR PUSTAKA [1]. HOON. H, LEE. S.H., LEE, YM., KIM. K. Y., KIM. J .1., Preparation and Permeability of Solutes Through Acrylic Acid-g-Methyl Cellulose Copolymer Membranes, J App. Polymer Sd. 47 (5) (1993) 917-924 [2]. GUNER. M" Membrane Materials: Current Practice and New Trends, Short Course and Workshop on Standard Methods for Pressure Driven Membrane ProcessesRO, UF and MF. Canada, (1994) [3]. WIESNER M.R., Membrane Process in Portable Water Treatment, JAWWA. (1992) 59-67 [4]. Anonim., Committee Report: Membrane Processes in Potable Water Treatment, JAWWA, (1992) 59-67 [5]. ABDULLAH M.E.R, Reverse Osmosis Application In Saudi Arabia, JAWWA. (1991) 72-79 [6]. REINHARD. M, GOODMAN. N.L., CARTY. M.C. AND ARGO. D.G., Removing Trace Organics By Reverse Osmosis Using Cellulose Acetat and Poluamide Membranes, J.AWWA. (1986) 163-180. [7]. HOUSSNI EL-SAIED, ALTAF H. BASTA, BARSOUM N. BARSOUM, MOHAMED M. ELBERRY, Cellulose membranes for reverse osmosis Part 1.RO 79
Prosiding Simposium Nasional Polimer V cellulose acetate membranes
including with
a composite polypropylene, Desalination 159 (2003) 171-181 [8]. ALTAF H. BASTAA, HOUSSNI EL-SAIED, M. ELBERRY, Cellulose membranes for reverse osmosis Part II. Improving RO membranes prepared from non-woody Cellulose, Desalination 159, (2003) 183-196 [9]. K.C. KHULBE, F. HAMAD, C. FENG, T. MATSUURA, M. KHAYET, Study of the Surface of the Water Treated Cellulose Acetate Membrane by Atomic Force· Microscopy, Esalination 161, (2004) 259-262 [lO].TWEDDLE T.A, STRIEZ C.N., Introduction to NRC Prosedures for UF and RO Membranes, CIDA Course (1994) [11].FRIEDRICH. C., DRIANCOURT.A., NOEL.C. and MONNERIE.L., Asymmetric Reverse Osmosis and Ultrafiltration Membranes Prepared from Sulfonated Polysulfone, Desalination, 36, (1981) 39-62 [12].SAWYER. L.C. and GRUBB.D.T., Polymer Microscopy, Firt Publ. Chapman and Hall. London, New York, (1987)184 [B].SCHWEITZER. P.A. Editor., Hand Book of Separation Technology for Chemical Engineers, 3rd• Ed. Mc Graw Hill, New York, (1997) 2-5
80
ISSN /4/0-8720
