Jurnal Gradien Vol. 2 No. 2 Juli 2006 : 187-191
Karakterisiasi Kinerja Dari Beberapa Membran Datar Irfan Gustian Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Bengkulu, Indonesia Diterima 20 Juni 2006; disetujui 1 Juli 2006
Abstrak - Penelitian ini bertujuan untuk membuat membran datar melalui beberapa cara. Cara pertama menggunakan cara tekan panas dengan bahan dasar selulosa bakteri untuk proses osmosis balik dan proses ultrafiltrasi dan yang kedua menggunakan cara inversi phasa dengan polisulfon sebagai lapisan pendukung, selulosa asetat, aseton dan formamida sebagai lapisan aktif. Pengujian yang telah dilakukan adalah terhadap koefisien rejeksi dan fluks dari membran yang dihasilkan. Dari hasil menunjukkan bahwa keofisien rejeksi untuk cara pertama pada proses osmosis balik adalah 55% hingga 78% dan untuk proses ultrafiltrasi adalah 98%. Pada cara kedua menggunakan inversi phasa diperoleh 66,94% hingga 72,93%. Kata kunci: membran datar; koefisien rejeksi 1. Pendahuluan Saat ini penggunaan membran pada skala besar telah dimanfaatkan untuk memproduksi air yang dapat diminum dari air laut atau proses desalinasi dengan proses osmosa balik, recovery suatu konstituen dengan proses elektrodialisis, fraksinasi makromolekul pada industri makanan dan minuman dengan proses ultrafiltrasi dan menghilangkan toksin dan racun lainnya dari darah manusia dengan proses dialisis pada ginjal buatan. Perkembangan dari penggunaan dan pemanfaatan dari membran ini tidak lain karena proses pemisahan dan pemekatan dengan membran ini memilki kelebihan antara lain: tidak menggunakan zat kimia, temperatur operasinya cukup pada temperatur kamar, bersifat non destruktif, “tailor made” dan teknologinya bersih [6]. Pemilihan terhadap teknik ini dikarenakan berbagai sifat membran yang menguntungkan dan dapat dipergunakan luas untuk berbagai proses pemisahan. Kemampuan membran untuk mentransportasikan atau memindahkan salah satu komponen lebih cepat dibandingkan dengan komponen lainnya disebabkan karena adanya gaya dorong dan perbedaan sifat fisika kimia antara membran dan komponen permeat [3]. Pada Penelitian ini telah di lakukan karakterisasi kinerja membran yang dibuat melalui dua cara dan
bahan yang berbeda, yaitu metoda hotpress dengan bahan dasar selulosa bakteri untuk proses osmosis balik dan ultrafiltrasi [1][5]. Metoda yang kedua inversi phasa dengan bahan dasar polisulfon sebagai lapisan pendukung dan selulosa asetat, aseton, formamida sebagai lapisan aktifnya. untuk proses ultrafiltrasi. 2. Metode Penelitian Bahan yang digunakan adalah, air aren, air kelapa, (NH2)2CO, CH3COOH, NaOH, NaN3, MgCl2 NaCl, bakteri Acetobacter xylinum, polisulfon, dimetilasetamida, polietilenglikol, selulosa asetat, aseton, dan formamida, hidrazin sulfat, heksametilen tetramin. Alat yang digunakan adalah wadah plastik/ baki, koran, karet, , alat hot press, kasa stainles stell, peralatan osmosa balik master RUW-4 Nitto Denko, Total Dissolved Solid meter (TDS), sel membran. Pembuatan membran dari air aren terisasi untuk proses osmosis balik
dan karak-
Satu liter air aren (Arenga pinata) yang telah disaring dididihkan. Setelah mendidih ditambahkan 6,7 gram gula pasir, 5 gram (NH2)2CO dan 1 mL CH3COOH. Dalam keadaan panas kemudian dipindahkan wadah plastik/baki berukuran 15 x 20 cm dan ditutup dengan kertas. Setelah dingin/ suhu kamar di inokulasi dengan
Irfan Gustian, Jurnal Gradien Vol. 2 No. 2 Juli 2006 : 187-191
Fluks NaCl dan MgCl2 6 Fluks (L/jam m2)
starter bakteri Acetobacter xylinum. Frmentasi pada suhu kamar selama 7 hari. Nata yang dihasilkan dimurnikan dan diberi perlakuan perendaman. Setelah itu nata ditekanan panas pada 100 kgf/cm2 pada suhu 120oC selama 3-5 menit untuk mendapatkan membran .Membran yang dihasilkan selanjutnya di karakterisasi pada proses osmosis balik.
188
5 4 3 2 1 0
0
5
10
15
20
25
2
Tekanan (Kgf/cm )
Pembuatan membran dari air kelapa dan karakterisasi untuk proses ultrafiltrasi
Nata yang dihasilkan dimurnikan dan diberi perlakuan perendaman. Setelah itu nata ditekanan panas pada 100 kgf/cm2 pada suhu 120oC selama 3-5 menit untuk mendapatkan membran. Membran yang dihasilkan selanjutnya di karakterisasi pada proses ultrafiltrasi. Pembuatan membran komposit dan karakterisasi untuk proses ultrafiltrasi
Fluks MgCl2 NaOH
Gambar 1. Fluks NaCl dan MgCl2
Fluks NaCl dan MgCl2 membran menunjukan perbedaan yang tidak berarti, pada tekanan 10 Kgf/cm2 fluks NaCl dan MgCl2 yaitu 2,39016 L/m2 jam untuk MgCl2 dan 2,2294 L/m2 jam untuk NaCl Bila dilihat dari larutan umpan yang digunakan, fluks NaCl lebih besar dari fluks MgCl2. Ini dimungkinkan oleh ukuran molekul larutan umpan yang berbeda. Koefisein Rejaksi NaCl dan MgCl2
80 % Rejeksi
Satu liter air kelapa yang telah disaring dididihkan. Setelah mendidih ditambahkan 6,7 gram gula pasir, 5 gram (NH2)2CO dan 1 mL CH3COOH. Dalam keadaan panas kemudian dipindahkan ke wadah plastik/baki berukuran 15 x 20 cm dan ditutup dengan kertas. Setelah dingin/ suhu kamar di inokulasi dengan starter bakteri Acetobacter xylinum. Frmentasi pada suhu kamar selama 4 hari.
Fluks NaCl NaOH 2%
60 40 20 0 0
5
10
15
20
25
2
Tekanan (Kgf/cm )
Pembuatan membran komposit berpendukung dilakukan dengan cara mencetak dope polisulfon diatas kain poliester dan membiarkannya terkoagulasi di udara terbuka selama 30 menit. Selanjutnya dope selulosa asetat dicetak diatas polisulfon sebagai lapisan tipis dan segera dikoagulasi di dalam air. Komposisi polisulfon 16%, dimetil-asetamida 68% dan polietilenglikol 16%. Untuk lapisan aktifnya selulosa asetat 17%, aseton 56% dan formamida 27%. Membran yang dihasilkan selanjutnya di karakterisasi pada proses ultrafiltrasi. 3. Hasil Dan Pembahasan a.
Kinerja membran dari air aren osmosis balik
pada proses
% R NaCl NaOH 2%
% R MgCl2 N
Gambar 2. Koefisien rejeksi membran
Nilai rejeksi meningkat dengan meningkatnya aplikasi tekanan, tetapi peningkatan nilai rejaksi ini tidak terlalu berarti,. semakin besar tekanan larutan umpan semakin besar pula berkompetisi untuk melewati pori membran, sehingga banyak partikel umpan yang tertahan sehingga menghasilkan nilai rejeksi yang besar dibandingkan dengan tekanan yang lebih rendah [3][6]. Dari larutan umpan terlihat bahwa nilai rejeksi membran terhadap larutan umpan MgCl2 lebih besar dibandingkan dengan larutan umpan NaCl, hal ini dimungkinkan ukuran larutan umpan yang berbeda.
Irfan Gustian, Jurnal Gradien Vol. 2 No. 2 Juli 2006 : 187-191
b.
Kinerja membran dari air kelapa pada proses ultrafiltrasi
Hasil pengukuran Fluk beberapa larutan umpan pada tekanan 1, 1,5 dan 2 bar terhadap membran dariair kelapa, diperoleh hasil seperti pada Tabel berikuit. Tabel 1 . Fluk membran dari air kelapa dengan variasi tekanan pada beberapa jenis umpan
Umpan Akuades Suspensi kekeruhan Air baku PDAM
Tekanan (Bar) 1 1,5 2 1 1,5 2 1 1,5 2
Fluks (Lm-2h-1) 11,3359 14,3437 17,1344 9,6824 12,0846 14,3555 11,3183 14,3250 17,1036
Penambahan tekanan berpengaruh terhadap peningkatan Fluks membran dari air kelapa. Nilai fluks tertinggi terjadi pada tekanan 2 bar dengan akuades sebagai larutan umpan yaitu 17,1344 Lm-2h-1, sedangkan terendah terjadi pada suspensi kekeruhan sebagai larutan umpan pada tekanan 1 bar yaitu 9,6824 Lm-2h-1. Hal ini sesuai dengan teori bahwa hubungan antara tekanan dengan fluk membran adalah berbanding lurus yang artinya semakin besar tekanan yang diberikan pada membran maka fluks akan semakin besar [1]. Berdasarkan Tabel terlihat Akuades sebagai larutan umpan nilai fluksnya lebih tinggi dibandingkan dengan air baku PDAM sebagai umpan., sedangkan pada air baku PDAM terdapat partikel-partikel yang menyebabkan terjadinya penyumbatan pada pori membran, sehingga difusinya lebih lambat. Semakin besar tekanan yang diberikan maka semakin banyak partikel-pertikel yang tertahan pada permukaan membran atau pada pori-pori membran dan mengakibatkan penyumbatan pori-pori membran sehingga terjadinya penurunan nilai fluks. Difusi dinyatakan dalam harga koefisien difusi. Pada suspensi kekeruhan sebagai larutan umpan, diperoleh harga fluks yang paling kecil yaitu tekanan 1 bar, harga ratarata fluksnya sebesar 9,6824 Lm-2h-1. Tekanan 1,5 bar, harga rata-rata fluksnya sebesar 12,0846 Lm-2h-1 dan
pada tekanan 2 bar, harga rata-rata fluksnya sebesar 14,3555 Lm-2h-1. Hal ini disebabkan karena pada suspensi kekeruhan sebagai larutan umpan adanya efek polarisasi konsentrasi. Ketika daya dorong berupa tekanan diberikan pada larutan umpan, maka komponen penyusun larutan berupa koloid tertahan dipermukaan membran, sedangkan pelarutnya akan keluar melewati membran. Dengan semakin banyaknya komponen yang tertahan pada bagian permukaan membran seiring dengan penambahan tekanan, maka konsentrasi komponen yang tertahan di permukaan membran akan semakin meningkat. Hubungan antara rejeksi membran dengan tekanan pada berbagai jenis umpan dapat dilihat pada Gambar berikut : 100 Permselektivitas (%)
189
Air Baku PDAM
50
Suspensi
0 1
1,5
2
Tekanan (bar)
Gambar 3. Grafik rejeksi membran dengan variasi tekanan pada beberapa larutan umpan
Berdasarkan gambar di atas, dapat dilihat bahwa pada suspensi kekeruhan sebagai larutan umpan, penambahan tekanan tidak memberikan pengaruh yang berarti terhadap permselektivitas membran dimana koefisien rejeksi tidak menunjukkan perbedaan yang berarti yaitu relatif konstan dan koefisien rejeksinya hampir mencapai 100%. Sedangkan pada Air baku PDAM sebagai larutan umpan, nilai koefisien rejeksi meningkat dengan semakin meningkatnya tekanan. Hal ini disebabkan pada suspensi kekeruhan sebagai larutan umpan terjadi polarisasi konsentrasi sedangkan pada air baku PDAM tidak terjadinya polarisasi konsentrasi. c.
Kinerja membran komposit ultrafiltrasi
pada proses
Pada pengukuran permeabilitas membran komposit terhadap limbah zat warna dispersi industri batik besurek menggunakan limbah zat warna reactiv
Irfan Gustian, Jurnal Gradien Vol. 2 No. 2 Juli 2006 : 187-191
berwarna biru hasil pencucian kain batik besurek dari industri rumah tangga “Serindang Bulan”. Sebagai pembanding digunakan larutan umpan air keruh. Pengukuran permeabilitas dari limbah zat warna dan larutan umpan air keruh dilakukan pada tekanan 1 Bar, 1,5 Bar, dan 2 Bar.
190
penghalang. Dimana molekul-molekul air akan terikat pada ion-ion elektrolit sehingga ion terhidrasi ini mempunyai diameter yang cukup besar untuk dapat ditahan oleh lapisan aktif membran. %R
120 100
Dari Gambar.. terlihat fluks dari zat warna dan sampel air keruh naik pada setiap tekanan yang aplikasikan. Fenomena ini sama dengan fluks akuades, tetapi nilai fluks yang dihasilkan untuk zat warna dan sampel air keruh lebih rendah karena pada akuades tidak ada partikel atau zat terlarut lain sehingga laju difusi akuades melewati membran lebih cepat. Sedangkan pada zat warna dan sampel air keruh terdapat partikel atau zat-zat terlarut yang dapat memperlambat laju difusi umpan melewati membran. Fluks limbah zat warna lebih besar bila dibandingkan dengan fluks sampel air keruh pada setiap tekanan yang diaplikasikan. %R
16 14 12 10 8 6 4 2 0
Fluks 2 ) (L/Jam m13.687 10.826
Zat Warna
8.308 7.368 6.356 5.691
0
1
2
Tekanan (Bar)
Sampel air
3
Gambar.4. Fluks zat warna dan sampel air keruh
Dari karakterisasi degree of swelling membran oleh air yang menunjukkan nilai yang cukup tinggi, ini berarti ikatan silang yang terbentuk pada membran komposit juga cukup banyak. Adanya ikatan silang menyebabkan molekul atau ion lebih sulit berdifusi melewati membran dan akibat meningkatnya ikatan silang menyebabkan penurunan koefisien difusi akan semakin tinggi. Fluks akuades lebih tinggi daripada fluks larutan zat warna dan sampel air keruh, hal ini terjadi karena molekul air akuades jauh lebih kecil dibandingkan dengan molekul zat warna dan sampel air keruh sehingga difusi air akuades akan lebih cepat. Berdasarkan pada model aliran serapan pipa kapiler yang dikemukakan oleh Sourirajan dengan asumsi bahwa air berikatan dengan membran membentuk lapis
zat w arna
80 60 40
sam pel air
20 0 0
1
2
3
Tekanan (Bar)
Gambar 5.Koefisien rejeksi membran komposit
Koefesien rejeksi dari kedua jenis umpan menunjukkan kecendrungan yang sama, dimana kenaikan tekanan yang diaplikasikan akan meningkatkan rejeksi. Pada tekanan 1 Bar koefisien rejeksi kedua umpan menghasilkan nilai yang hampir sama. Pada kenaikan tekanan 1,5 Bar dan 2 Bar koefesien rejeksi sampel air keruh kenaikannya lebih ekstrim dibandingkan kenaikan koefesien rejeksi membran terhadap zat warna. Perbedaan ini karena perbedaan ukuran molekul atau partikel terlarut dari ke dua umpan, dimana untuk sampel air keruh ukuran molekul atau partikel terlarutnya lebih besar dibandingkan zat warna . Hal ini di dukung juga oleh data yang diperoleh dari permebilitas membran komposit, dimana laju difusi umpan zat warna lebih tinggi dibandingkan laju difusi sampel air keruh. Terjadinya laju difusi yang tinggi menyebabkan interaksi umpan dengan membran lebih cepat yang mengakibatkan koefisien rejeksinya menjadi rendah, membran sukar menahan umpan dan ada umpan yang dapat berdifusi melewati membran. Sedangkan umpan air keruh pada tekanan 1,5 Bar dan 2 Bar menghasikan koefisien rejaksi hingga 100%, artinya molekul atau partikel terlarut tertahan oleh membran tidak dapat berdifusi melewati membran. Difusi membran sangat dipengaruhi oleh goemetri poripori dan larutan umpan. Terjadinya ikatan silang pada antarmuka membran dari asimetris menjadi asimetris komposit yang mempunyai lapis tipis yang sangat rapat, proses pembentukan ikatan silang ini akan terus berlangsung sampai reaktan pembentuk ikatan habis [3].
Tekanan
191
Irfan Gustian, Jurnal Gradien Vol. 2 No. 2 Juli 2006 : 187-191
4. Kesimpulan Permeabilitas yang dihasilkan : a. Untuk membran dari air aren pada proses osmosis balik adalah 2 hingga 6 Lm-2h-1. b. Untuk membran dari air kelapa pada proses ultrafiltrasi adalah 9,68 hingga 17,10 Lm-2h-1 c. Untuk membran komposit pada proses ultrafiltrasi adalah 8,30 hingga 13,09 Lm-2h-1 Selektifitas yang dihasilkan : a. Untuk membran dari air aren pada proses osmosis balik adalah 55% hingga 78%. b. Untuk membran dari air kelapa pada proses ultrafiltrasi adalah 98%. c. Untuk membran komposit pada proses ultrafiltrasi adalah 66,94% hingga 72,93%. Perlu dilakukannya penelitian lanjut tentang polarisasi konsentrasi yang terjadi pada setiap proses pemisahan. Daftar Pustaka [1] Iguchi, M., S. Yamanaka, A. Budhiono, Review Bacterial Cellulose, a Masterpiece of Natueal’s Arts, 2000, Journal of Material Science, 35, 261- 269. [2] Master, W., Pembuatan dan Pemurnian nata de coco untuk memperoleh film polimer berkekuatan tinggi, 1999, skripsi, jurusan kimia, ITB. [3] Mulder, M., Basic principles of Membrane Tecnology, 2nd edition, 1996, kluwer academic Publisher. [4] Nishi, Y., Uryu, S. Yamanaka, K. Watanabe, N. Kitamura, M. Iguchi, Structure and Mechanical 5. Properties of Sheet Prepared from Bacterial Cellulose, 1990, Journal of Material Science, 24, 3141- 4145 [5] Shibazaki, H,. S. Kuga, F. Onabe and M. Usuda, Bacterial cellulose Membrane as Separatoin Medium, 1993, Journal of Applied Polymer Science, 50, 965 969. [6] Strathmann, H., Synthetic Membranes and Their Preparation, 1990, Handbook of industrial Membrane Technology, Editor: M.C.Porter, Noyes Pub, New Jersey, 1- 60.
