• !
!I f t
~Ilt ~ %
t;
Industrial Engineering Conference (lEe) 2014.
::0
'!)
;;
diberikan kepada
'»f)
Teknlk Indust"t - FTI U P N "Veteran" Yogvakarto
Heri Setiawan atas partisipasinya sebagai il
(Pema~fah ~
dalam acara Industrial Engineering Conference (IEC)2014
I I
Peran Teknik Industri dalam Pemberdayaan Industri Keeil dan Menengah untuk mendukung Ketahanan dan Kemandirian Perekonomian Bangsa diselenggarakan oleh Program Studi TeknlkIndustri - FakultasTeknologi Industri UPN "Veteran" Yogyakarta
D~ka.n.,~ F.O. '.". as Teknologi Industri
L~IL Ir,Tjuku~to, M.T.,Ph.D. NIP.19560531 198803 1 001
.•
Industrial Engineering Conference (IEC) 2014 Yogyakarta. 6 Oesember 2014
PEMBUATAN MEMBRAN KERAMIK BERPORI BERBAHAN DASAR SILlKA DAN KARBON AKTIF DENGAN METODE DIRECT FOAMING UNTUKDIAPLlKASlKAN PADA PENGOLAHAN AIR BERSm Heri Setiawan'!',
Alven Haeckal,(2) Ahmad Nuruddin, (2)Hermawan Dipojono (2) dan Bambang Sunendar (2)
K.
1. Politeknik Manufaktur Negeri Bandung, JI. Kanayakan No. 21 - Dago, Bandung 40135 Phone/Fax/e-mail : 022. 250 0241/250 2649/
[email protected] 2. Program Studi Teknik Fisika - Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesa No. 10, Bandung 40135 PhonelFax: 40132/022-2534174/022-2506281
Abstrak Telah berhasil dibuat membran komposit keramik berbahan dasar silika dan karbon aktif menggunakan metode direct foaming, untuk digunakan pada proses pengolahan air bersih. Komposisi persentase massa membran bahan silika yang digunakan adalah silika 50%, semen Portland 40%, CaD 10%, Aluminium 10% CaD, dan air 85% dari total massa. Sementara persentase massa bahan membran karbon aktif adalah karbon aktif 50%, semen Portland 40%, CaD 10%, Aluminium 10% CaD, dan air 75% dan total massa. Pengujian karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) memperlihatkan bahwa membran silika dan karbon aktif memiliki struktur berpori berukuran makroporous (diatas 50nm) dan mezoporous (2 sid 50nm). Pengukuran luas permukaan material dengan metoda Braunaer Emmet Teller (BET) menunjukkan bahwa membran silika dan karbon aktif memiliki luas permukaan yang cukup tinggi, yaitu 48,1 mi/g untuk membran silika dan 136,9 mi/g untuk membran karbon aktif Membran keramik yang telah dibuat dipasangkan kedalam sebuah modul filter menggunakan sistem cascade berfungsi cukup baik da/am proses pengolahan air bersih dimana membran silika yang mempunyai ukuran makroporous diletakan diawal proses filtrasi diikuti dengan membran karbon aktif yang mempunyai ukuran mezoporous. Dengan total massa 270 gram untuk membran silika dan 260 gram untuk membran karbon aktif terbukti dapat mengurangi kekeruhan air baku dari 48,7 NTU menjadi 1,9 NTU, kandungan zat best dari 7,52 mg/L menjadi 0,015 mg/L, mangan dari 0,33 mg/L menjadi <0,05 mg/L, dan bakteri E.Coli dari 460/100 ml menjadi 0/100 mi. Beberapa parameter hasil air olahan masih mempunyai nilai diatas baku mutu air bersih yaitu pH 12,12 dan TDS 4280 mg/L sehingga perlu pengolahan lanjut agar memenuhi baku mutu sesuai dengan standar Permenkes No. 736IMENKESIPERIVI/2010. Kala kunci: membran komposit keramik, silika, karbon aktif, direct foaming, makroporous, mezoporous. 1. Pendahuluan Teknologi pengolahan air bersih dengan dengan menggunakan membran dapat menjadi altematif solusi untuk ·penyediaan air bersih. Membran cukup efektif untuk menghilangkan partikel tersuspensi, endapan yang disebabkan oleh kesadahan air atau garam, senyawa organik, dan mikroorganisme seperti bakteri, spora, bahkan virus (Christian Guizard dan Pierre Amblard, 2010).
Program Studi Teknik Industri, Fllkultlls TeknoJogi Industri. UPN "Veteran" Yogyakllfta ISBN. 978-979-93654-6-9
XVIII - 1
Industrial Engineering Conference (IEC) 2014 Yogyakarta, 6 Desember 2014
Pemisahan oleh membran dapat menggantikan atau melengkapi teknik pengolahan konvensional yang mempunyai sifat selektif permeabel, dengan ukuran pori tertentu untuk melewatkan molekul air (Kang Li, 2007), . Kini teknologi membran sudah berkembang cukup maju dengan material yang bervariasi. Membran berbahan keramik merupakan membran anorganik yang saat ini banyak dipromosikan untuk teknologi pemurnian air (Kang Li, 2007). Membran keramik merupakan membran yang bersifat katalitik, yang memiliki sifat selektif dan reaktif sehingga membran ini dapat memberikan proses reaksi dan pemisahan sekaligus. Oleh karena itu, membran keramik dapat menghilangkan kekeruhan dan biokontaminan dari sumber air baku (Christian Guizard dan Pierre Amblard, 2010)]. Selain itu, membran keramik juga memiliki kestabilan kimia, termal, dan mekanik yang tinggi (B. K. Nandi et.al, 2009). Membran dari material kerarnik memiliki banyak keunggulan jika dibandingkan dengan jenis membran lain, akan tetapi aplikasi membran kerarnik masih relatif mahal sehingga perIu dicari teknik preparasi keramik yang lebih murah (Kang Li, 2007). Pilihan membran kerarnik berbahan dasar silika dan karbon aktif dapat menjadi altematif untuk digunakan pada teknologi pengolahan air bersih. Silika merupakan senyawa oksida yang banyak terdapat di alamo Proses filterisasi air dengan menggunakan silika memungkinkan berlangsungnya proses adsorpsi dan pertukaran ion (Maulana Yusuf Ibnu, 2008). Sementara, karbon aktif dapat diperoleh dari berbagai sumber seperti tempurung kelapa, kayu, atau batu bara. Karbon aktif memiliki luas pennukaan yang besar dan porositas mikro yang cukup banyak sehingga memungkinkan proses adsorpsi maksimal yang berlangsung secara kontinyu (Maulana Yusuf Ibnu. 2008). Kedua bahan di atas sangat banyak terdapat di Indonesia. Oleh karena itu, penggunaan silika dan karbon aktif sebagai bahan dasar membran keramik untuk digunakan pada pengolahan air bersih, sangat cocok apabila diaplikasikan di Indonesia.
2. Pendekatan Pemecahan Masalah Penelitian ini bersifat eksperimental dan berskala laboratorium dengan tujuan untuk mengetahui kinerja dan pengaruh porositas membran filter pada proses pengolahan air bersih. Untuk mencapai tujuan tersebut dibuat sebuah membran menggunakan teknik ceramic foam (Fei Li, et.al, 2014) dengan mencampurkan serbuk silika atau karbon aktif dan bahan-bahan lain untuk membentuk ceramic suspension. Karakterisasi membran yang telah dibuat menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM), pengukuran luas permukaan BET, dan dilengkapi dengan analisis uji kualitas air. Alat yang diperlukan adalah; Timbangan, Kertas timbangan, Sieving vibrator, Saringan (sieve) 100 urn, Gelas ukur 500 ml, Pipet, Pipa paralon 2 inch (20 em), Dop, Ball mill, Sendok, Lakban; Gergaji, Kuas, Mistar, Pompa air, Pipa 114 inch, Fitting 114 inch. Dan sebuah Ember. Sedangkan bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah: 1. Silika yang diambil dari Balai Keramik 2. Karbon Aktif 3. Bahan tambah berupa: Semen Portland, Kapur Tohor (CaO), Serbuk Aluminium dan air.
.
G ." 'r.~ .,.
i*
Program Studi TeJtnik Industri, ISBN. 918-979-98654-6-9
Fllkultas Teknologi
Industri,
UPN "Veteran"
YogYllkllr1a
XVIII _2
Industrial Engineering Conference (lEC) 2014 Yogyakarta, 6 Oesember 2014
Untuk memudahkan pelepasan membran dari cetakan pipa paralon digunakan pelumas mentega, juga digunakan lem pipa sebagai perekat paralon. 3. Pengumpulan Data Pada penelitian ini, proses pembuatan sampel terdiri dari tahap persiapan material, tahap pembuatan ceramic foam, tahap pengeringan dan perendaman, tahap pembuatan modul, dan tahap pengujian. Sampel yang dibuat pada penelitian ini berjumlah tiga buah untuk membran keramik yang berbasiskan silika dan karbon aktif (yang selanjutnya disebut membran silika dan membran karbon aktif). 4. Persiapan Material Tahap awal dalam pembuatan membran keramik adalah penyiapan serbuk (powder preparation). Silika dan karbon aktif yang telah tersedia dihaluskan dengan menggunakan ball mill, kemudian diayak menggunakan mesin sieving vibrator hingga menjadi serbuk berukuran 100 urn. Sedangkan bahan-bahan lainnya sudah berbentuk serbuk (semen, kapur tohor/CaO, dan aluminium) sehingga tidak perlu dilakukan proses penghalusan. Pencampuran antara bahan-bahan penyusun membran keramik dilakukan melalui langkah-langkah sebagai berikut: 1. Mencampur serbuk CaO (komposisi 10% total massa) dengan serbuk aluminium dengan komposisi 10%:20% dari massa CaO 2. Se1anjutnyamencampur serbuk silika atau karbon aktif (komposisi 60% total massa) dengan ditambah semen Portland (komposisi 30% total massa) 3. Hasil pencampuran langkah satu dan dua kemudian di-ball milling dalam keadaan kering selama satu jam, agar campuran bahan-bahan tersebut menjadi homogen. 5. Pembuatan Ceramic Foam Pembuatan ceramic foam dilakukan dengan menggunakan metoda direct foaming. Pembuatan ceramic foam ke dalam pipa paralon dilakukan melalui langkah-langkah sebagai berikut: 1. Campuran bahan yang telah melalui proses ball milling kemudian direaksikan dengan air (komposisi 75%:85%: 100% dari total massa, diaduk bingga merata sehingga terbentuk ceramic suspension dengan viskositas tertentu. 2. Ceramic suspension yang telah terbentuk kemudian dituangkan ke dalam pipa diameter dua inch. Pipa sebelumnya telah dilumasi oleh mentega kemudian dipasang dop. 3. Ceramic suspension yang telah terbentuk didiarnkan selama proses reaksi berlangsung (±10 menit) untuk membentuk ceramicfoam.
Program Stud! Tekn!k Industri, Fakultas Teknologi Industri. UPN "Veteran" Yogyakarta ISBN. 978-979-98654-6-9
XVIIT - 3
Industrial Engineering Conference (lEe) 2014 Yogyakarta,
6 Desember 2014
6. Pengeringan dan Perendaman Setelah tahap pembuatan ceramic foam ke dalam pipa paralon, kemudian dilakukan pengeringan selama satu minggu untuk setting process (Gambar 1). Setelah dikeringkan, membran keramik direndam dengan air selama enam hari. Tujuan dilakukan perendaman adalah untuk mendapatkan reaksi hidrasi untuk setting process pada semen sehingga terbentuk material keramik yang cukup kuat.
Gambar l. Ceramic foam pada pipa paralon yang telah dikeringkan. Silika (kiri) dan karbon aktif (kanan) 7. Pembuatan Modul Setelah melalui pengeringan dan perendaman, maka tahap selanjutnya adalah tahap pembuatan modul. Modul dibuat dengan cara menempelkan dop pada kedua ujung pipa paralon yang telah berisi membran keramik, kemudian dipasang fitting 1/4 inch (Gambar 2). Modul ini berkonfigurasi tipe dead-end filtration di mana aliran air baku yang masuk ke dalam modul searah dengan aliran produk permeat. Benda uji yang telah dibuat kemudian dipasang pipa 1/4 inch dan dirangkai dengan pompa. Pompa yang digunakan berjenis diafragma (diaphragm pump) dan berdasarkan data spek yang diberikan pompa ini bertekanan 80 psi (5,5 bar), tekanan maksimum 130 psi (8,9 bar) dengan debit 2,2liter/menit.
Gambar 2. Modul membran filter 8. Karakterisasi Scanning Electron Microscopy (SEM) Untuk melihat mikrostruktur dari membran keramik yang telah dibuat, maka dilakukan scanning electrom microscopy (SEM). Gambar SEM memperlihatkan adanya reaksi alkali silika yang diawali oleh dengan reaksi antara larutan basa kuat sebagai aktifator (dalam hal ini calcium hydroxidehasil reaksi CaO dengan air) dengan ikatan siloxane (Si-O-Si) untuk membentuk Oil-groups (silanol-groups) pada antarmuka silika sehingga terbentuk calcium silicate. Jika • } ~
..
.,.' '"
}
Program Studi Teknik Industri, Fakultas Teknologllndustri, ISBN. 978-979-98654-6-9
UPN "Veteran" Yogyakarta
XVIII _ 4
Industrial Engineering Conference Yogyakarta, 6 Desember 2014
(IEC) 2014
calcium silicate bereaksi dengan air, maka akan terbentuk calcium silicate hydrate (C-S-H). Membran silika yang telah dibuat sesuai dengan pembentukkan C-S-H, yaitu berbentuk memanjang dan besar, namun tidak berbentuk enttringite yang dapat memperlemah kekuatan tekan (Elton N. Kaufinann, 2003). Selain itu, material membran silika juga tetap memiliki struktur berpori sebagai media filterisasi (Gambar 3).
Gambar 3. Mikrostruktur membran silika perbesaran 20.000X Pada perbesaran SEM 1.000x, terlihat bahwa mikrostruktur karbon aktif masih terdapat partikel-partikel karbon aktifyang kasar (Gambar 4.1(1)). Karbon aktif yang te1ah disaring memiliki rentang ukuran hiugga 100 urn sehiugga masih terdapat ukuran partikel yang kasar. Namun, sebagian besar terdiri dari karbon aktifhalus (Gambar 4.1(2)). Kemudian SEM partikel karbon aktif halus diperbesar 20.000X (Gambar 4.2). Ukuran pori dapat mencapai 50 nm sehiugga dapat dikatagorikan sebagai ultrafiltrasi (Elton N. Kaufmann, 2003). Terlihat bahwa pori-pori karbon aktif terdistribusi merata dalam jumlah yang cukup banyak. Material ini sangat cocok digunakan sebagai media filter karena memiliki struktur jariugan berpori dalam jumlah banyak dan terdistribusi secara merata. Selain itu material tersebut mempunyai sifat mekanik dan stabilitas termal yang cukup tinggi.
Gambar 4.1 Mikrostruktur membran karbon aktif perbesaran 1.000 X, Partikel karbon aktif: (1) Kasar, (2) Halus
Program Studi TeJmik Indu5tri, Fakuitas Teknologi lndustri. UPN "Vetellln" Yogyakluta tSBN. 978·979-98654-0-9
XVIll-5
Industrial Engineering Conference (lEe) 2014 Yogyakarta, 6 Desember 2014
Gambar 4.2 Mikrostruktur membran karbon aktifperbesaran
9.
20.000X
Pengujian Luas Permukaan BET
Untuk melihat porositasnya, maka dilakukan uji BET sehingga didapatkan nilai luas permukaan spesifik. Uji BET dilakukan di laboratorium Instrumen Analisis Teknik Kimia ITB. Berikut hasil uji BET: T ab eI 1 H as il
uu.. BET sampe I silik a dan k ar b on aktifI
Sampel
Luas Permukaan Spesifik (m2/g)
Silika
48,1
Karbon Aktif
136,9
Dari tabel 1. di atas, terlihat bahwa nilai luas permukaan spesifik karbon aktif dan silika cukup besar. Hal ini menunjukkan bahwa kedua material di atas memiliki porositas yang tinggi sehingga cocok apabila digunakan sebagai media filtrasi. Pengaruh porositas dapat dilihat dengan cara melihat hasil uji analisis air (Elton N. Kaufmann, 2003). Pada tabel di atas, terlihat nilai luas permukaan spesifik karbon aktif lebih besar daripada silika. Hal ini menunjukkan mengapa karbon aktif memiliki nilai efisiensi pengurangan zat kontaminan yang lebih besar daripada silika. Luas permukaan spesifik karbon yang lebih besar, porositas lebih tinggi daripada silika sehingga sehingga mekanisme adsorpsi dan absorpsi karbon aktif lebih efektif daripada silika.
10. Sistem Filtrasi Cascade Untuk meningkatkan nilai efisiensi pengurangan zat kontaminan, panjang total membran silika dan karbon aktif ditingkatkan dan sistem filtrasi yang digunakan memakai sistem cascade. Panjang total membran menjadi ± 28 em dengan total massa yang digunakan untuk membran silika adalah 270 gram dan membran karbon aktif adalah 260 gram. Sistem cascade dirancang supaya air baku pertama masuk ke dalam membran silika, kemudian keluaran air dari membran silika digunakan sebagai air masukan karbon aktif(Gambar 5.). Maksud Program Studi Tellnik Industri. FiUultas TeknoJogi Industri. UPN "Veteran" Yogyakarta
ISBN. 978-979-98654-6-9
XVIll-6
Industrial Engineering Conference (lEC) 2014 Yogyakarta, 6 Desember 2014
dari pemasukan air baku melalui membran silika pertama kali adalah untuk mengurangi tekanan air yang masuk ke dalam karbon aktif karena karbon aktif memiliki kekuatan yang Iebih Iemah daripada silika sehingga masa pemakaian karbon aktif lebih lama, di mana harga karbon aktif lebih mahal daripada silika sehingga culrup tepat apabila membran silika dipasang di depan karbon aktif.
1111>0\ r\ir
Dalu ~[tl:tlIlmlll
Gambar 5. Skematik Prototipe Sistem FiltrasiCascade Needle valve digunakan untuk mengurangi tekanan air yang masuk ke membran karena tekanan pompa culrup besar ( ~ 5 bar) yang dapat merusak membran. Selain itu, pengurangan tekanan yang masuk ke dalam membran memberikanflow yang rendah sehingga proses pemisahan membran menjadi lebih lama. Akan tetapi, air yang dihasilkan akan lebih baik karena waktu proses pemisahan membran menjadi lebih lama.
11. Kesimpulan Pembuatan membran keramik berbahan dasar silika dan karbon aktif untuk teknologi pemurnian air telah berhasil dibuat dengan menggunakan metoda direct foaming. Mekanisme adsorpsi dan absorpsi membran keramik terhadap kontaminan culrup efektif. Terbukti bahwa dengan total massa pembuatan 270 gram untuk membran silika dan 260 gram untuk membran karbon aktif menggunakan teknik cascade, dapat mengurangi kekeruhan air baku dari 48,7 NTU menjadi 1,9 NTU, zat Iogam besi air baku dari 5,75 mg/I menjadi 0,015 mg/I, zat logam mangan air baku dari 0,33 mg/I menjadi lebih kecil dari 0,05 mg/I. untuk bakteri E Coli dari 460/100 ml menjadi 0/100 mI. Karakterisasi menggunakan SEM menunjukan bahwa membran silika dan karbon aktif memiliki struktur berpori berukuran makroporous (diatas 5Onm) dan mezoporous (2 s/d 50nm). Sementara uji BET menunjukan porositas yang tinggi dengan nilai 48,1 m2/g untuk membran silika dan 136,9 m2/g untuk membran karbon aktif, dengan demikian kedua membran ini cocok untuk digunakan sebagai membran filter air.
Program Studi Teknik Industri, Fakuftas TeknologllndUstri, ISBN. 978-979-98654-6-9
UPN "Veteran" Yogyakarta
XVIII -7
&
Industrial Engineering Conference (lEC) 2014 Yogyakarta, 6 Oesember 2014
12. Saran Nilai PH air 12,12 dan TDS 4280 mgll masih diluar ambang baku mutu, sehingga perlu dilakukan penelitian lanjut berhubungan dengan komposisi bahan atau dalarn hal operasi pengolahan hingga nilai pH dan TDS memenuhi baku mutu air bersih.
13. Ucapan Terima Kasih Ucapan terima kasih karni sarnpaikan kepada berbagai pihak yang telah membantu dan memperlancar penelitian, diantaranya: 1. Kepala dan seluruh staff Laboratorium Pemprosesan Material Lanjut, Institut Teknologi Bandung yang telah memberikan seluruh fasilitas dan bantuaannya dalam melaksanakan penelitian ini. 2. seluruh Dosen dan staff adrnnistrasi program Studi Teknik Fisika Institut Teknologi Bandung yang telah berdiskusi dan memberi masukan yang sangat berharga. 3. Polman Negeri Bandung yang telah memberi dukungan administratif dan akomodasi dalarn mengikuti seminar.
Daftar Pustaka 1. 2. 3.
4.
5.
6.
Christian Guizard, Pierre Amblard, (2010), Current Status and Prospects for Ceramic Membrane Applications, Taylor & Francis Group, LLC. Kang Li, (2007), Ceramic Membranes for Separation and Reaction, John Wiley & Sons Ltd, ISBN: 9780470014400 B. K. Nandi, R. Uppaluri, M. K. Purkait. (2009), Treatment of Oily Waste Water Using Low-Cost Ceramic Membrane: Flux Decline Mechanism and Economic Feasibility. Indian Institute of Technology Guwahati, Guwahati. Maulana Yusuf Thnu. (2008), Proses Pembuatan Filter Air dari KarbonAktif dan Silika-Aktif Melalui Tahap Granulasi. Tugas Akhir Program Studi Teknik Material ITB. Fei Li, ZhuangKang, XiaoHuang, Xin-GangWang, Guo-JunZhang, (2014), Preparation of zirconium carbide foam by direct foaming method, Journal of the European Ceramic Society 34 (2014) 3513-3520 Elton N. Kaufmann, 2003, Characterizationof Materials, John Wiley & Sons, Inc,. ISBN: 0-471-26882-8
~
• ~ .~ .~.~ ..,.,
•..
Program Studi Telmik Indu5tJi, Fakulta5 Teknologi Indu5tJi, UPN "Veteran" Yogyakarta ISBN. 978-979-98654-6-9 XVIII
_8
