TK-40Z2 PENELITIAN Semester II − 2007/2008
Judul MEMBRAN KRISTALISATOR UNTUK PENGOLAHAN AIR LAUT
Kelompok B.67.3.04 Arief Plantalukmana M. Akhsanur Rofi
(13003082) (13003099)
Pembimbing Ir. I G. Wenten, MSc., PhD
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG MEI 2007
LEMBAR PENGESAHAN TK-40Z2 PENELITIAN Semester II − 2007/2008
MEMBRAN KRISTALISATOR UNTUK PENGOLAHAN AIR LAUT
Kelompok B.67.3.04 Arief Plantalukmana M. Akhsanur Rofi
(13003082) (13003099)
Catatan
Bandung, Juni 2008 Disetujui Pembimbing
Ir. I G. Wenten, MSc., PhD
i
TK-40Z2 PENELITIAN MEMBRAN KRISTALISATOR UNTUK PENGOLAHAN AIR LAUT Kelompok B.67.3.04 Arief Plantalukmana (13004082) dan M. Akhsanur Rofi (13004099) Pembimbing Ir. I G. Wenten, MSc., PhD
ABSTRAK
Membran kristalisator (MCr) merupakan teknik baru proses pemisahan yang berkembang dengan pesat. Sistem membran desalinasi air laut berbasis tekanan seperti reverse osmosis, ataupun sistem distilasi tradisional berupa multi-effect distillation dan multi-stage flash menghasilkan efluen larutan garam-terbuang yang dapat mencemari lingkungan. Polutan tersebut dapat dikelola secara lebih efisien dan ekonomis oleh kristalisator yang terpadu dalam proses downstream membran distilasi (MD). Material membran MCr bertindak sebagai kontaktor yang melewatkan molekul uap dan merejeksi solut larutan tak-menguap. Hal ini dimanfaatkan dalam pembentukan kristal garam dan air murni secara simultan pada proses pengolahan air laut. Kendala proses ini adalah terbentuknya kristal pada pori membran yang dapat menurunkan fluks akibat adanya mekanisme fouling, wetting, dan double polarization. Pengaturan konsentrasi garam pada membran menjadi titik penting dalam pengembangan membran kristalisator. Fokus pada penelitian ini adalah pengamatan efek konsentrasi garam pada performansi membran vacuum reverse osmosis (VRO) serta mengkaji efek temperatur terhadap kinerja membran vacuum membrane distillation (VMD). Modul membran yang digunakan adalah membran hidrofobik berpori dan hidrofilik rapat. Hasil penelitian menunjukkan pada laju alir 9 L/jam dan kisaran temperatur antara 30-50oC, fluks permeat VMD berada di bawah harga teoritisnya namun tetap memiliki rejeksi mendekati 100%. Sedangkan VRO berpotensial menjadi membran pendukung bagi membran distilasi karena cenderung stabil pada umpan berkonsentrasi tinggi.
Kata kunci : membran kristalisator, distilasi, reverse osmosis, membran vakum.
B.67.3.04
i
TK-40Z1 FINAL RESEARCH PROJECT MEMBRANE CRYSTALLIZER FOR SEA WATER TREATMENT Group B.67.3.04 Arief Plantalukmana (13004082) and M. Akhsanur Rofi (13004099) Advisor Ir. I G. Wenten, MSc., PhD
ABSTRACT Membrane Crystallizer (MCr) is an emerging novel technique in separation process. A conventional pressure-based membran system used in sea water desalination such as reverse osmosis or traditional distillation system such as multi-effect distillation and multi-stage flash produce efluent of waste brine solution that could harm the environment. The pollutant of which could be treated efficiently and economically by integrating crystallizer with downstream process of membran distillation (MD). MCr membrane material act as contactor which allow vapour molecule and reject the nonvolatile solute in the solution. This phenomenon is applied in producing salt crystals and pure water simultaneously on the sea water treatment. The drawback of the process is formation of the crystals on the membrane pore which could decreasing flux due to fouling, wetting, and doule polarization mechanism. Salt concentration control has become a major point in the development of membrane crystallizer. This research’s focus is to observe the efect of salt concentration to the vacuum reverse osmosis (VRO) performance and also study the efect of temperature to the vacuum membrane distillation (VMD) performance. The modules that are used is porous hydrophobic membrane and dense hydrophilic membrane. This research shows that in the flow speed of 9 L/h and temperature between 30-50oC, VMD’s permeate flux is below the theoritical value but still having almost 100% rejection. The observation in VRO performance shows that VRO has potential to become a support membrane for membrane distillation due to it’s stability in high concentration of feed.
Key words : Membrane crystallizer, distillation, reverse osmosis, vacuum membrane
B.67.3.04
ii
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah memberi kekuatan dan hidayahNya sehingga laporan penelitian untuk memenuhi tugas mata kuliah TK-40Z2 Penelitian dapat diselesaikan.
Ucapan terima kasih setulus-tulusnya kepada Ir. I. G. Wenten, MSc., PhD, yang telah memberikan waktu, tenaga dan pikirannya memberi bimbingan dan arahan sehingga penulisan laporan ini dapat berjalan dan terselesaikan.
Selain itu, penulis mengucapkan pula terima kasih kepada : 1. Dr. I.G.D. Arsa Putrawan selaku kordinator Penelitian S1 Teknik kimia ITB. 2. Mba Indah atas keramahan dan kesabaran membimbing kami dalam menyelesaikan proposal ini 3. Seluruh staff Lab Proses Hilir yang memberikan kami petunjuk dan berbagi pengalaman. 4. Anggota Group Meeting yang senantiasa memberikan motivasi seta arahan 5. Pak Katong atas usul dan dukungan untuk penelitian kami. 6. Pak Dedi atas segala informasi tentang alat, serta seluruh pihak yang membantu kelancaran penulisan laporan ini.
Sadar akan keterbatasan ilmu yang kami miliki, kami membuka diri terhadap saran dan masukan dari semua pihak yang terkait demi kesempurnaan penelitian ini
Bandung, Juni 2008
Penulis
B.67.3.04
iv
DAFTAR ISI
Halaman
I
II
Lembar Pengesahan
i
Abstrak
ii
Abstract
iii
Kata Pengantar
iv
Daftar Isi
v
Daftar Tabel
viii
Daftar Gambar
ix
Pendahuluan
1
1.1 Latar Belakang
1
1.2 Rumusan Masalah
6
1.3 Tujuan
8
1.4 Ruang Lingkup
8
Tinjauan Pustaka
9
2.1 Pengantar Membran
9
2.1.1 Prinsip Dasar Membran
9
2.1.2 Material Membran
10
2.1.3 Karakterisasi Membran
11
2.1.4 Peristiwa Perpindahan dalam Membran
11
2.2 Membran Desalinasi
13
2.3 Membran Distilasi
15
2.3.1 Prinsip Dasar MD
15
2.3.2 Konfigurasi MD
16
2.3.3 Peristiwa Perpindahan MD
17
2.3.3.1 Transfer Massa
17
2.3.3.2 Transfer Panas
19
B.67.3.04
v
III
2.3.4 Resistansi Perpindahan Panas dan Massa
22
2.3.5 Flux Decay
23
2.3.6 Wetting
24
2.3.7 Manfaat MD
26
2.4 Membran Kristalisator
26
2.5 Variabel Operasi MDC
28
2.5.1 Variabel Input
28
2.5.2 Variabel Output
28
2.5.3 Perbedaan Temperatur
28
2.5.4 Perbedaan Tekanan Uap
29
2.6 Paramater / Karakteristik Membran MDC
29
2.6.1 Tebal Membran
29
2.6.2 Porositas Membran
29
2.6.3 Ukuran Pori Membran
29
2.6.4 Distribusi Ukuran Pori
30
2.6.5 Tortuositas Pori
30
2.6.6 Karakteristik Permukaan Membran
30
2.7 Historis dan Perkembangan Membran Distilasi-Kristalisasi
30
2.8 Perbandingan Reverse Osmosis dengan Membran Distilasi
37
2.8.1 Definisi Reverse Osmosis
37
2.8.2 Perbandingan Karaktersitik RO dan MD untuk Desalinasi
39
Rancangan Penelitian
43
3.1 Metodologi
43
3.2 Percobaan
44
3.2.1 Bahan
44
3.2.2 Alat
44
3.2.3 Prosedur
46
3.2.3.1 Uji Kebocoran Membran
46
3.2.3.2 Penyusunan Peralatan
46
B.67.3.04
vi
IV
V
3.2.3.3 Penentuan Fluks Proses
48
3.2.3.4 Penentuan Konsentrasi Garam
48
3.2.3.5 Penyajian Analisa VMD dan VRO
49
3.2.4 Variasi
50
3.3 Interpretasi Data
51
3.3.1 Porositas Membran
51
3.3.2 Kualitas Permeat dan Retentat
51
3.3.3 Penyajian Data VMD dan VRO
52
3.4 Jadwal
53
3.5 Biaya
54
Hasil dan Pembahasan
55
4.1 Performansi Kerja Membran Distilasi Vakum
55
4.1.1 Fluks dan Efisiesi Kerja VMD
55
4.1.2 Perbandingan Kinerja VMD dengan Literatur
58
4.2 Performansi Kerja Membran Osmosis Balik Vakum (VRO)
59
4.2.1 Definisi Membran Osmosis Balik Vakum (VRO)
60
4.2.2 Fluks dan Rejeksi VRO
60
4.3 Kemungkinan Pengembangan ke Depan
62
Kesimpulan dan Saran
64
5.1 Kesimpulan
64
5.2 Saran
64
Daftar Pustaka
65
Daftar Simbol
68
Lampiran A Contoh Perhitungan
70
Lampiran A Material Safety Data Sheet
72
Lampiran B Biaya Penelitian
77
B.67.3.04
vii
DAFTAR TABEL
Halaman 2
Tabel 1.1
Kebutuhan Rata-rata Air Minum Wilayah di Indonesia
Tabel 1.2
Metode Proses Pemisahan dengan Membran pada Pengolahan Air
3
Tabel 2.1
Proses pemisahan dengan membran berdasarkan gaya dorongnya
9
Tabel 2.2
Simplifikasi persamaan untuk perpindahan massa melewati
18
membran microporous Tabel 2.3
Prediksi persamaan untuk koefisien perpindahan panas
21
Tabel 2.4
Estimasi perpindahan panas pada hollow fibre aliran cross-flow
21
Tabel 2.5
Perkembangan membran kristalisator dan State of The Art 2007
33
Tabel 3.1
Jadwal penelitian
53
Tabel 3.2
Rekapitulasi biaya penelitian
54
Tabel 4.1
Jumlah hilang panas per satuan fluks
57
Tabel 4.2
Perbandingan karakteristik membran untuk penelitian dengan literatur (M. Li et.al, 2003)
59
B.67.3.04
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 1.1
Ukuran
Partikel
Pada
Proses
Pemisahan
Menggunakan
3
Membran Gambar 1.2
Penjualan Tahunan Membran dan Membran Modul pada
3
Berbagai Variasi Proses Pemisahan Gambar 2.1
Selektivitas molekul pada membran denganbeda tekan sebagai
10
driving force (Wenten, 2004) Gambar 2.2
Skema alat multi-effect distillation
13
Gambar 2.3
Skema alat multi-stage flash
13
Gambar 2.4
Sistem membran kontaktor lanjutan
15
Gambar 2.5
Skema proses MD
16
Gambar 2.6
Macam konfigurasi MD
16
Gambar 2.7
Polarisasi temperatur dan konsentrasi dalam MD
22
Gambar 2.8
Skema olarisasi temperatur, polarisasi konsentrasi dan transport
23
resistance Gambar 2.9
Jenis mekanisme pembasahan pada membran
25
Gambar 2.10
Model pembasahan membran akibat pembentukan deposit
25
garam di dalam membran selama terjadi pengkonsentrasian larutan garam Gambar 2.11
Perkembangan jumlah publikasi MD dari 1963 sampai 2005
30
Gambar 2.12
Diagram Proses Osmosis Balik (RO)
38
Gambar 2.13
Contoh diagram proses integrasi membran-1
40
Gambar 2.14
Contoh diagram proses integrasi membran-2
41
Gambar 2.15
Contoh diagram proses integrasi membran-3
41
Gambar 2.16
Contoh diagram proses integrasi membran-4
42
Gambar 3.1
Membran hidrofobik dan hidrofilik
45
Gambar 3.2
Skema penyusunan alat untuk konfigurasi VMD
47
B.67.3.04
ix
Gambar 3.3
Rangkaian alat untuk konfigurasi VMD
47
Gambar 3.4
Skema penyusunan alat untuk konfigurasi vacuum reverse
48
osmosis Gambar 3.5
Contoh kurva konduktivitas terhadap konsentrasi garam
49
Gambar 3.6
Prosedur Penelitian
50
Gambar 3.7
Contoh kurva tekanan pompa terhadap konsentrasi garam pada
52
permeat atau retentat Gambar 3.8
Contoh kurva konsentrasi terhadap waktu untuk berbagai suhu
52
input Gambar 4.1
Kurva fluks terhadap waktu
55
Gambar 4.2
Polarisasi temperatur dan konsentrasi pada MD
56
Gambar 4.3
Koefisien polarisasi temperatur pada berbagai suhu
57
Gambar 4.4
58
Gambar 4.5
Perbandingan hasil penelitian dengan perhitungan teoritis dan literatur lain (M. Li et.al, 2003) Fluks terhadap waktu dalam berbagai konsentrasi
61
Gambar 4.6
Rejeksi NaCl terhadap waktu dalam berbagai konsentrasi
61
Gambar 4.7
Contoh integrasi membran
62
B.67.3.04
x
