Pemanfaatan Sabut Kelapa Sebagai Bahan Baku Pembuatan Membran Untuk Desalinasi Air Laut

Pemanfaatan Sabut Kelapa Sebagai Bahan Baku Pembuatan Membran Untuk Desalinasi Air Laut The Used of Coconut Choir as Raw Material for The Fabrication of Seawater Membrane Desalination Senastri Citra D.* dan Alia Damayanti** *

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

Abstrak Permasalahan yang dihadapi oleh masyarakat pesisir pantai adalah kekurangan air bersih. Teknik desalinasi dengan membran memungkinkan untuk digunakan. Pembuatan membran untuk desalinasi air laut dari sabut kelapa merupakan alternatif metode yang mudah dan murah. Penelitian ini dilakukan bertahap mulai dari tahapan sintesis silika, pembuatan membran, pengujian membran, dan karakterisasi membran. Tahapan sintesis silika dilakukan dengan cara pengabuan sabut kelapa pada suhu 6000C kemudian disintesis silika menggunakan teknik pengasaman dengan HCl. Pembuatan membran dilakukan dengan mencampurkan silika 10, 15, 20, dan 25 gram disentrifugasi dengan kecepatan 600 rpm. Selanjutnya dilakukan pencetakan membran dan dikuatkan strukturnya dengan pemanasan. Membran diuji kinerjanya dengan reaktor dead-end. Karakterisasi membran dilakukan dengan analisa FTIR dan SEM. Karakteristik air laut yaitu dengan kadar salinitas 34.200 mg/l dan kadar TDS 336.200 mg/l. Berdasarkan pengujian kinerja membran dengan analisa kadar salinitas dan TDS permeat didapatkan membran dengan karakteristik optimal 15 gram 600 rpm. Kadar rejeksi garam sebesar 46,20% - 66,67% dan kadar rejeksi TDS sebesar 87,27% - 89,67%. Kata kunci: membran, salinitas, silika, TDS Abstract The most problem were faced is fresh water scarcity. Seawater membrane desalination is one of the possible method to solve it. The made of membrane for desalination from coconut choir was the cheapest and easier alternative method. This study were doing step by step and started from making silica by synthetic processed, fabrication seawater desalination, membrane evaluation, and charactirization’s membrane. Synthetic silica processed is using acidity technique with HCl. The fabrication of membrane processed is started by mixing silica weight 10, 15, 20 and 25 gram with centrifuge speed 500, 600, 700 rpm. The evaluation of membrane were testing with deadend reactor. Characterization membrane by FTIR and SEM analysis. Seawater is contained salinity 34200 mg/l and TDS 336.200 mg/l. Based on evaluation of seawater membrane desalination by salinity and TDS permeate analysis the optimal membrane characteristic with silica weight 15 gram 600 rpm. Salt rejection value were 46,20% - 66,67% dan TDS rejection 87,27% - 90,72%. Keyword: membrane, salinity, silica, TDS

1. Pendahuluan Indonesia adalah negara dengan luas kawasan sekitar 7,7 juta km2, terdiri atas 25% teritorial daratan (1,9 juta km2) dan teritorial laut seluas 75% (5,8 juta km2) (Anonim, 2005). Oleh karena luas lautan sekitar dua per tiga dari daratan maka Indonesia disebut sebagai negara maritim. Selain itu, Indonesia juga mempunyai sumber daya alam hayati melimpah terutama dalam sektor perkebunan sehingga Indonesia disebut sebagai negara agraris. Krisis air bersih ini menjadi permasalahan utama yang harus dipecahkan karena menyangkut kebutuhan dasar manusia. Indonesia memiliki lautan yang luas maka air lautnya dapat dimanfaatkan sebagai sumber penyediaan air bersih. Pengolahan air bersih menjadi air laut memerlukan teknologi yang modern. Teknologi yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan membran. Seperti yang diketahui bahwa harga membran tidak murah seperti yang dikira karena sebagian besar membran diproduksi oleh luar negeri. Ukuran pori membran silika dipengaruhi oleh beberapa faktor salah satunya adalah berat silika dan kecepatan sentrifugasi. Rini dkk (2008) melakukan penelitian dengan berat silika 5 gr menghasilkan membran padat silika mikropori. Pada penelitian ini diharapkan terbentuknya membran silika nanopori, sehingga diperlukan silika dengan massa lebih besar dari penelitian sebelumnya. Untuk mendapatkan endapan silika maka diperlukan sentrifugasi larutan silika pada tahap pembuatan membran. Kecepatan sentrifugasi berpengaruh pada kepadatan endapan silika yang dihasilkan. Kepadatan endapan silika ini berpengaruh pada pembentukan pori-pori membran (Chowdhury dkk, 2006). 2. Penelitian 2.1 Pembuatan Membran Membran silika dari sabut kelapa dibuat dengan mensintesis silika dari sabut kelapa. Sabut kelapa yang digunakan berasal dari Pasar Kota Kabupaten Bojonegoro. Silika yang digunakan sebagai bahan baku membran diperoleh dari proses pemurnian. Proses pemurnian ini antara lain: a. Pengabuan sabut kelapa Sintesis silika dari sabut kelapa dilakukan dengan menggunakan teknik pengabuan. Sabut kelapa sebanyak 60 kg dicuci dan dibersihkan dengan air dari impuritas akibat kotoran. Proses pengeringan dilakukan dengan pemanasan di bawah terik matahari. Selanjutnya sabut kelapa dibakar secara manual dengan tungku pembakaran selama 20 menit dan dinginkan selama ± 20 jam. Arang sabut kelapa ini kemudian diabukan dengan suhu 6000C. b. Pemurnian silika Metode yang dipakai untuk pemurnian ini adalah metode pengasaman dengan menggunakan larutan HCl pekat. Abu sabut kelapa dihaluskan kemudian diayak dengan ayakan 200 mesh. Proses pengayakan dilakukan di Laboratorium Beton Teknik Sipil FTSP-ITS. Abu sabut kelapa dituangkan ke dalam wadah dan dibasahi dengan aquades panas. Selanjutnya ke dalam campuran ditambahkan 100 ml HCl pekat dan diuapkan sampai kering. Pengerjaan ini diulangi sebanyak tiga kali. Tuangkan 200 ml akuades dan 100 ml HCl pekat ke wadah dan dibiarkan di atas penangas air selama 30 menit. Campuran tersebut kemudian disaring dengan kertas saring bebas abu dan dicuci 20 sampai 25 kali dengan akuades 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 600ºC hingga yang tersisa hanya endapan silika (SiO2) berwarna putih (Harsono, 2002). c. Preparasi membran Preparasi membran dalam metode ini sebanyak 10, 15, 20, dan 25 gram silika dicampurkan dengan 35 ml 2-propanol dan campuran tersebut dimasukkan dalam botol centrifuge 100 ml kemudian disentrifuge dengan kecepatan 600 rpm selama 10 menit.

Langkah selanjutnya, tambahkan 3,5 gram ammonium klorida (NH4Cl) sebagai surfaktan kationik yang telah dilarukan dalam 300 ml air demineralisasi. Larutan tersebut kemudian diaduk dengan magnetic stirer selama 1 jam agar terbentuk pori membran yang berukuran nano (Chowdhury dkk, 2006). Selanjutnya ditambahkan poly vinyl alcohol (PVA) 30 gram sebagai perekat dan poly etilen glicol (PEG) 5 ml. Sol silika kemudian dicetak sehingga menghasilkan membran yang berbentuk lembaran. Kemudian membran dijemur di bawah terik matahari lalu dioven dengan suhu 1050C. 2.2 Pengujian Kinerja Membran Pengujian kinerja membran dilakukan dalam rektor dead-end. Membran yang akan diuji dipotong bentuk lingkaran dengan diameter 5 cm. Pengambilan permeat selama 30 detik awal tiap 5 menit selama waktu operasi 1,5 jam. Air laut yang digunakan berasal dari Banyuwangi. Kadar salinitas air umpan 34.200 mg/L dan kadar total dissolved solid (TDS) sebesar 336.200 mg/L. 3. Hasil dan Pembahasan Permeat membran yang didapatkan dari hasil penyaringan membran dengan variasi massa silika 10, 15, 20, dan 25 gram terhadap kecepatan sentrifugasi 600 rpm diuji kadar Cl-. Seperti yang dilakukan pada membran sebelumnya pengujian membran dengan variasi ini diuji kadar Cl-. Perhitungan kadar Cl- ditentukan dengan: ........................... (1) dimana b adalah mL titrasi AgNO3 (mL) dan N adalah normalitas larutan AgNO3 (N). Dari hasil perhitungan kadar Cl- tiap variasi massa silika dengan kecepatan sentrifugasi 600 rpm maka dapat ditentukan nilai rejeksi garam masaing-masing variasi. Dengan menggunakan persamaan (2.1) maka dapat dihitung nilai rejeksi garam tiap variasi. Berikut contoh perhitungan rejeksi garam untuk variasi massa silika 10 gram dengan kecepatan sentrifugasi 600 rpm sebagai berikut: ........................... (2) dimana Rs adalah nilai rejeksi garam oleh membran (%). Cpermeat adalah konsentrasi garam permeat (mg/L) dan Cfeed adalah konsentrasi air umpan (mg/L). Berdasarkan Gambar 1 pengujian membran dari variasi massa silika 10 gram didapatkan nilai rejeksi garam pada menit ke- 0 sebesar 56,73% meningkat sampai menit ke- 45 menjadi 60,23%. Pada menit ke- 90 nilai rejeksi naik menjadi 61,99%. Rejeksi garam untuk variasi massa silika 15 gram sebesar 46,20% di menit ke- 0 dan meningkat tajam sampai pada menit ke- 45 menjadi 64,33%. Namun, pada menit ke- 60 dan 75 nilai rejeksi menjadi sama sebesar 64,91% dan naik lagi menjadi 66,67% pada menit ke- 90. Hal ini disebabkan mungkin sebenarnya pada menit ke60 sampai 75 membran sudah fouling. Variasi massa silika 20 gram diperoleh nilai rejeksi garam sebesar 48,04% di menit ke- 0 pengoperasian meningkat menjadi 55,56% di akhir pengoperasian. Variasi massa silika 25 gram rejeksi garam di menit awal pengoperasian sebesar 50,88% semakin meningkat menjadi 60,23% selama 90 menit pengujian membran.

Gambar 1 Pengaruh Variasi Massa Silika dengan Kecepatan Sentrifugasi 600 rpm terhadap Rejeksi Garam Permeat Kadar TDS dalam permeat membran yang dibuat dari variasi massa silika 10, 15, 20, dan 25 gram dengan kecepatan sentrifugasi 600 rpm dihitung menggunakan persamaan: TDS (mg/L) = TS – TSS .................... (3) dimana TS adalah total solid (mg/L) dan TSS adalah total suspended solid (mg/L). Pengaruh antara waktu operasi terhadap nilai rejeksi membran tiap variasi massa silika dari Gambar 2 didapatkan semakin meningkat. Membran dengan variasi massa silika 10 gram memiliki nilai rejeksi sebesar 88,82% di menit ke-0 dan semakin meningkat sampai menit ke- 75 sebesar 90,30%. Mulai menit ke- 75 sampai menit ke- 90 nilai rejeksi TDS sama yaitu 90,30%. Peristiwa ini disebabkan membran sudah mencapai keadaan maksimal untuk penyaringan. Keadaan seperti ini disebut dengan fouling, dimana pori-pori membran sudah tertutup oleh padatan yang terlarut dalam air umpan. Sedangkan untuk permeat dengan massa silika 15 gram didapatkan nilai rejeksi yang semakin meningkat dari awal pengoperasian membran sebesar 87,27% menjadi 90,72% di akhir pengoperasian membran. Rejeksi TDS oleh membran dengan variasi massa silika 20 gram didapatkan hasil bahwa pada menit ke- 0 sebesar 88,82% dan di menit ke- 90 sebesar 90,18%. Hasil rejeksi TDS membran dengan variasi massa silika 25 gram dari menit awal operasi membran sebesar 90,36% meningkat menjadi 90,78% di menit ke- 60. Di menit ke- 75 rejeksi TDS permeat sama dengan sebelumnya. Hal ini dapat dikatakan bahwa mulai menit ke- 60 membran sebenarnya sudah mulai tersumbat pori-porinya. Namun, pada menit ke- 90 didapatkan nilai rejeksi TDS menurun menjadi 90,18%. .

Gambar 2 Pengaruh Variasi Massa Silika dengan Kecepatan Sentrifugasi 600 rpm terhadap Rejeksi TDS Permeat Perhitungan besarnya nilai fluks 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 pengujian (menit). Nilai fluks yang digambarkan pada Gambar 3 di bawah ini.

Gambar 3 Nilai Fluks Membran dengan Kecepatan Sentrifugasi 600 rpm terhadap Variasi Massa Silika Dari Gambar 3 tersebut dapat diperkirakan waktu terjadinya fouling membran. Menurut Mulder (1996) fouling membran disebabkan adanya adsorpsi, presipitasi, penyumbatan pori-pori membran. Peristiwa fouling susah untuk dideskripsikan secara teori karena membran mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Dengan meningkatkan waktu operasi membran maka jumlah fluks yang tersisa akan semakin sedikit. Studi kali ini menggunakan reaktor dead-end filtrasi sehingga fluks yang dihasilkan dari awal pengujian membran pada menit ke- 0 sampai menit ke90 penurunannya drastis. Menurut Wenten (1995) kelemahan dead end yaitu tingkat foulingnya tinggi karena terbentuk lapisan cake pada sisi umpan. Ketebalan lapisan cake semakin bertambah ditandai dengan penurunan fluks membran hingga mendekati 0.

Gambar 4 Hasil Analisa FTIR Membran Sebelum Digunakan

Gambar 5 Hasil Analisa FTIR Membran Sesudah Digunakan

Gambar 4 merupakan hasil analisa FTIR untuk membran sebelum digunakan. Gambar 4 puncak utama yang berkaitan dengan gugus fungsi silika adalah pada bilangan gelombang 3377,62 cm-1. Puncak ini merupakan puncak yang khas untuk vibrasi ulur gugus –OH (gugus hidroksil). Puncak yang diyakini menunjukkan gugus silika adalah puncak 1067,19 cm-1, yang menunjukkan adanya gugus siloksa Si-O-Si. Puncak 1652,28 cm-1 diyakini ada ikatan kuat C = C strech (carbonyl) yang meunjukkan keberadaan poly vinyl acohol (PVA) (Lee dkk., 2007). Hasil analisa FTIR membran yang sudah digunakan pada Gambar 5 berbeda dengan sebelum digunakan, yaitu puncak utama adalah 3332,34 cm-1. Pada puncak merupakan puncak yang khas untuk vibrasi ulur gugus –OH (gugus hidroksil). Silika yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan membran ini diyakini terdapat gugus hidroksil yang menunjukkan ikatan Si-OH atau silanol (Lin dkk., 2001). Puncak selanjutnya adalah 1634,38 cm-1 diyakini terdapat ikatan kuat C = C strech (carbonyl) yang meunjukkan keberadaan PVA (Lee dkk., 2007). Analisa SEM menggunakan SEM Zeiss Evo MA. Gambar 6 dan Gambar 7 menunjukkan ukuran pori-pori membran sebelum dan sesudah digunakan. Berdasarkan Damayantia, 2011; Damayantib, 2011; Mallia dan Till, 2003 membran nanofiltrasi yang berukuran pori-pori sebesar 0,1 – 1 nm. Berdasarkan Gambar 6 membran silika ini adalah membran ultrafiltrasi dengan ukuran pori-pori membran 58,28 nm. Gambar 7 menunjukkan bahwa pori-pori membran mengecil menjadi 29,14 nm. Berubahnya ukuran pori-pori membran disebabkan karena adanya garam yang menyumbat. Peristiwa ini lama kelamaan akan menyebabkan membran terjadi fouling dan scaling. Kandungan kimia penyusun membran dapat

dilihat di Gambar 7 dan Gambar 8. Jumlah silika pada membran sebelum digunakan dan sesudah digunakan berbeda karena silika ikut lolos ke dalam permeat membran.

Gambar 6 Hasil Analisa SEM Membran Sebelum Digunakan

Gambar 7 Hasil Analisa SEM EDAX Membran Sebelum Digunakan

Gambar 7 Hasil Analisa SEM Membran Sesudah Digunakan

Gambar 8 Hasil Analisa SEM EDAX Membran Sesudah Digunakan

4. Kesimpulan Massa silika optimal yang digunakan untuk pembuatan membran silika sehingga nilai rejeksi garam dan TDS tinggi yaitu 15 gram. Membran silika ini mempunyai nilai rejeksi garam 46,20%-66,67% dan rejeksi TDS 87,27%-90,72% selama proses pengujian membran.

5. Daftar Pustaka Anonim. 2005. Departemen Luar Negeri. Indonesia. Chowdhury, Sankhanilay Roy, Riaan Schmul, dan Klass Keizer. 2006. Pore Size And Surface Chemistry Efects On The Transport Of The Hydrophobic And Hidrophilic Through Mesoporus ɤ-Alumina And Silica MCM-48 Damayantia, A., Ujang, Z., Salim, M.R., Ollson, G. 2011. The Influenced of PAC, Zeolite, and Moringa oleifera as Biofouling Reducer (BFR) on Hybrid Membrane Bioreactor of Palm Oil Mill Effluent (POME). Bioresource Technology, 102:4341-4346. Damayantib, A., Ujang, Z., Salim, M.R., Ollson, G. 2011. The Effect of Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS) on Biofouling in a Hybbrid Membrane Bioreactor for The Treatment of High Concentration Organic Waste Water. Water Science and Technology, 63:8. Harsono, H. 2002. Pembuatan Silika Amorf Dari Limbah Sekam Padi. Jurnal Ilmu Dasar 3(2): 98103. Lin, J., Siddiqui, J.A. & Ottenbrite, M. 2001. Surface Modification of Inorganic Oxide Particles with Silane Coupling Agent and Organic Dyes, Polymer Advance Technology, 12:285-292 Malli dan Till. 2003. Membran Bioreactors: Waste water treatment application to Achieve High Quality Efluent. Water Industry Group. Mulder M. 1996. Basic Principles of MembraneTechnology

Lee, Jihye, Kyung Jin Lee, Jyongsik Jang. 2007. Effect of Silica Nanofilter on Isothermal Crystallization of Poly(Vinyl Alcohol): In-situ ATR-FTIR, Polymer Testing, 27:360-367. Rini, Aryanti Puspita, Rum Hastuti, dan Gunawan. 2008. Pengaruh Komposisi Poly Etilen Glycol (PEG) Dalam Sintesis Silika Dari Sekam Padi dan Aplikasinya Untuk Decolorisasi Limbah Cair Batik. Wenten. 1995. Teknologi Membran. Bandung: ITB.