PEMBUATAN MEMBRAN PENUKAR ION HETEROGEN
LAPORAN PENELITIAN
Oleh
KHOIRUDDIN
PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2013
ABSTRAK PEMBUATAN MEMBRAN PENUKAR ION HETEROGEN Oleh:
Khoiruddin Program Studi Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung Membran penukar ion telah banyak digunakan dalam berbagai macam proses dan bidang aplikasi yang berbeda. Seiring dengan semakin berkembang dan meluasnya aplikasi, maka diperlukan membran penukar ion dengan sifat – sifat fisika-kimia, elektro-kimia dan mekanik yang baik. Permselektivitas yang tinggi, hambatan listrik yang rendah, serta stabilitas mekanik dan stabilitas kimia yang baik merupakan sifat – sifat yang diharapkan dari membran penukar ion. Sayangnya, untuk memperoleh satu sifat yang terbaik seringkali berakibat pada menurunnya sifat yang lain. Sehingga tahap – tahap penyiapan membran menjadi sangat penting dalam menentukan karakter membran agar sesuai dengan yang diharapkan. Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat membran penukar ion heterogen dengan metode inversi fasa kering-basah dan untuk mengetahui pengaruh prosedur pembuatan dan konsenstrasi silika terhadap sifat konduktivitas dan permselektivitasnya. Variasi yang dilakukan pada penelitian ini adalah komposisi silika pada membran (0; 0,5; 1 dan 1,5%-berat). Data yang diperoleh berupa potensial membran dan hambatan total sel dengan menggunakan larutan NaCl. Dari data yang diperoleh dapat dilakukan analisis permselektivitas dan koduktivitas membran. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan waktu evaporasi pada proses pembuatan membran menghasilkan membran penukar anion heterogen dengan konduktivitas lebih rendah dan permselektivitas yang cenderung meningkat. Membran yang dibuat dengan konsentrasi PSf dalam solven 25 % (Resin 50%-berat) memiliki konduktivitas dan permselektivitas yang lebih tinggi dari pada PSf 20 %-berat (Resin 50%-berat). Penambahan silika dengan konsentrasi 0,5 %-berat dapat meningkatkan konduktivitas membran dan sedikit menurunkan nilai permselektivitasnya. Akan tetapi pada penambahan konsentrasi silika lebih tinggi (1,0 dan 1,5 %-berat), konduktivitas menurun sedangkan permselektivitas membran cenderung naik. Kata kunci: membran heterogen, membran penukar ion, silika
ii
ABSTRACT PREPARATION OF HETEROGENEOUS ION EXCHANGE MEMBRANE By:
Khoiruddin Program Studi Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung Ion-exchange membrane has been widely used in a number of different processes and applications. With further growth and wider applications, ion-exchange membranes which have good physico-chemical, electro-chemical, and mechanical are needed. The desired properties of ion-exchange membrane are high permselectivity, low areal resistance or high conductivity, good mechanical and chemical stability. Unfortunately, to achieve one desirable property is usually at the cost of another parameter. Therefore, the preparation steps are crucially important to get prepared membranes with desired properties. The aim of this research are to prepare heterogeneous ion-exchange membrane and to investigate the effects of preparation procedures (evaporation time and polymer matrix composition) and silica concentration on its conductivity and permselectivity. During membrane preparation, silica concentration (0; 0.5; 1 and 1.5-%weight) is varied. Data obtained from this research are membrane potential and cell resistance using NaCl solution. From those data, membrane permselectivity and conductivity analysis will be done. Results showed that the increase of evaporation time lead to conductivity reduction and slightly permselectivity improvement. Membranes which were prepared by 25 %-wt of PSf in solvent have higher conductivity and permselectivity than 20 %-wt PSf. The membrane with 0,5 % silica loading exhibited higher conductivity and a slight reduction in permselectivity. Moreover, a further incorporation of silica (1,0 and 1,5 %-wt) lead to conductivity reduction and permselectivity improvement. Keywords: heterogeneous membrane, ion-exchange membrane, silica
iii
DAFTAR ISI ABSTRAK .......................................................................................................................... ii ABSTRACT .......................................................................................................................iii DAFTAR ISI ......................................................................................................................iv Bab I
Pendahuluan ........................................................................................................ 1
I. 1.
Latar Belakang .................................................................................................... 1
I. 2.
Rumusan Masalah ............................................................................................... 1
I. 3.
Tujuan Penelitian ................................................................................................ 2
I. 4.
Ruang Lingkup Penelitian................................................................................... 2
Bab II
Tinjauan Pustaka ................................................................................................. 3
II. 1.
Membran Penukar Ion ........................................................................................ 3
II. 1. 1.
Pengelompokan membran penukar ion ....................................................... 5
II. 1. 2.
Aplikasi membran penukar ion ................................................................... 6
II. 2.
Metode Pembuatan Membran Penukar Ion......................................................... 8
II. 3.
Membran Penukar Ion Heterogen ....................................................................... 9
II. 4.
Pengaruh filler anorganik di dalam membran penukar ion ............................... 11
Bab III
Rancangan Penelitian ........................................................................................ 14
III. 1.
Metodologi .................................................................................................... 14
III. 2.
Percobaan ...................................................................................................... 14
III. 2. 1.
Alat........................................................................................................ 14
III. 2. 2.
Bahan .................................................................................................... 15
III. 2. 3.
Prosedur Percobaan............................................................................... 15
III. 2. 4.
Variasi ................................................................................................... 18
III. 3.
Intepretasi Data ............................................................................................. 19
III. 4.
Jadwal Penelitian .......................................................................................... 19
Bab IV
Hasil dan Pembahasan ...................................................................................... 20
IV. 1.
Pengaruh Kondisi Operasi Pembuatan Membran ......................................... 20
IV. 2.
Pengaruh Waktu Evaporasi ........................................................................... 20
IV. 3.
Pengaruh Komposisi Larutan Matriks Polimer ............................................. 22
IV. 4.
Pengaruh Silika ............................................................................................. 22
iv
Bab V
Kesimpulan dan Saran ...................................................................................... 25
V. 1.
Kesimpulan ....................................................................................................... 25
V. 2.
Saran ................................................................................................................. 25
Daftar Pustaka ................................................................................................................... 26
v
Bab I I. 1.
Pendahuluan
Latar Belakang
Membran penukar ion telah banyak digunakan dalam berbagai macam proses, seperti Elektrodialisis, Elektrodialisis dengan membran dua-kutub, Elektrodeionisasi, Elektrolisis, Difusi dialisis dan Donnan dialisis. Aplikasi proses pemisahan dengan teknologi membran penukar ion terdapat dalam berbagai macam bidang, antara lain: desalinasi air payau, produksi air demin untuk umpan boiler, produksi air ultra-murni, demineralisasi produk makanan, produksi garam meja, pemekatan garam dari Reverse Osmosis, pemulihan limbah electroplating, pengolahan air limbah, produksi asam dan basa, dan lain-lain [1, 2]. Seiring dengan semakin berkembang dan meluasnya aplikasi, maka diperlukan membran penukar ion dengan sifat – sifat fisika-kimia, elektro-kimia dan mekanik yang baik. Sifat-sifat yang diharapkan dari membran penukar ion yaitu permselektivitas yang tinggi, hambatan listrik yang rendah, serta stabilitas mekanik dan stabilitas kimia yang baik [3]. Sayangnya, untuk memperoleh satu sifat yang terbaik seringkali berakibat pada menurunnya sifat yang lain. Sehingga tahap-tahap penyiapan membran menjadi sangat penting dalam menentukan karakter membran agar sesuai dengan yang diharapkan. Membran penukar ion homogen memiliki sifat elektrokimia yang baik, tetapi kekuatan mekaniknya lemah. Sedangkan membran penukar ion heterogen mempunyai kekuatan mekanik yang cukup baik tetapi sifat elektrokimianya kurang. Di sisi lain, membran penukar ion interpolimer mempunyai sifat elektrokimia dan kekuatan mekanik yang cukup baik. Akan tetapi, dalam pembuatannya, membran ini menggunakan bahan – bahan kimia yang sangat berbahaya. Di samping itu, diantara ketiga membran tersebut, membran penukar heterogen dapat disiapkan hanya dalam dua tahap, yaitu penyiapan casting solution diikuti casting dan pengeringan [4]. Morfologi membran juga mempunyai pengaruh yang besar terhadap kinerja membran penukar ion, khusunya untuk sifat konduktivitas, selektivitas, dan kekuatan mekanisnya. Konduktivitas dan selektivitas sangat bergantung pada morfologi dan porositas [5]. Meskipun membran penukar ion dengan struktur pori yang terhubung menunjukkan sifat konduktivitas yang sangat baik, namun transport number dan selektivitasnya sangat kurang. Sedangkan membran dengan struktur yang lebih padat dan berpori-pori kecil bersifat sangat selektif tetapi kurang konduktif. Pada membran heterogen, selektivitas membran dapat ditingkatkan dengan meningkatnya jumlah resin penukar ion pada membran [6], tetapi hal ini berakibat pada menurunnya kekuatan mekanik pada membran. Saat ini material campuran organik-anorganik menarik perhatian para peniliti karena kombinasi keduanya dapat menghasilkan material campuran dengan sifat – sifat yang baik. Material anorganik yang telah digunakan dalam membran penukar ion diantaranya carbon nano-tube, karbon aktif, silika mesopori tersulfonasi, silika, dan oksida besi-nikel sebagai campuran dalam polimer binder. Tujuan dari penambahan material anorganic di dalam membran komposit adalah untuk menjaga kandungan air di dalam membran, meningkatkan kapasitas penukaran ion dan konduktivitas sementara itu tetap mempertahankan sifat mekanis dan kimia yang baik [7]. I. 2.
Rumusan Masalah
Material anorganik pada pembuatan membran matriks campuran memiliki fungsi untuk mengkondisikan rongga-rongga di dalam struktur membran dan membawa gugus fungsi tambahan. Material anorganik tersebut tersebar pada lapisan matriks polimer yang berfungsi sebagai penyangga. Berdasarkan penelitian-penelitian sebelumnya [8-10], pada penambahan material anorganik dengan konsentrasi tertentu dapat meningkatkan konduktivitas dan selektivitas membran penukar ion, tetapi pada penambahan material anorganik lebih lanjut justru sifat-sifat tersebut menurun. Untuk memperoleh membran penukar ion heterogen yang baik maka perlu diketahui pengaruh konsentrasi silika di dalam membran penukar ion heterogen terhadap permselektivitas dan konduktivitasnya. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan [5], porositas membran membran mempengaruhi
1
konduktivitas dan selektivitas membran. Porositas membran dapat diatur dengan memvariasikan waktu evaporasi pada metode inversi fasa kering-basah. Sehingga untuk meningkatkan konduktivitas membran, perlu dilakukan penelitian mengenai pengaruh kondisi operasi pada pembuatan membran penukar ion heterogen. I. 3.
Tujuan Penelitian
Berdasarkan masalah yang telah dirumuskan sebelumnya, penelitian ini bertujuan untuk membuat membran penukar ion heterogen dan untuk mengetahui pengaruh silika dan kondisi operasi pembuatan membran penukar ion heterogen terhadap sifat konduktivitas dan permselektivitasnya. I. 4.
Ruang Lingkup Penelitian Ruang lingkup penelitian ini mencakup hal-hal berikut: Pengaruh kondisi operasi penyiapan membran dan konsentrasi silika diamati dari sifat konduktivitas dan permselektivitas membran. Membran yang dibuat adalah membran penukar ion heterogen flat sheet. Konsentrasi larutan NaCl yang digunakan dalam pengukuran potensial membran adalah 0.1/0.01 (Molar/Molar) dan 0.5 Molar untuk pengukuran konduktivitasnya
2
Bab II
Tinjauan Pustaka
Bab ini menyajikan tinjauan pustaka mengenai membran penukar ion, preparasi membran penukar ion, membran penukar ion heterogen, serta aplikasi membran penukar ion. II. 1. Membran Penukar Ion Aplikasi membran telah merambah ke berbagai industri diantaranya pengolahan air, pengolahan air limbah, pemrosesan makanan dan minuman, industri bioteknologi, medis, industri kimia, pengolahan gas, dan energi [11]. Teknologi membran juga telah diaplikasikan untuk skala kecil hingga rumah tangga seperti produksi air minum dan air bersih untuk keperluan sehari-hari [12]. Teknologi membran memiliki beberapa keunggulan dibanding teknologi lainnya dari sisi energi, pengoperasian, area yang dibutuhkan, dan scale-up. Salah satu keuntungan dari aplikasi teknologi membran adalah rendahnya energi yang digunakan. Pemisahan yang berbasis membran tidak berdasarkan hasil kesetimbangan fasa yang menggunakan banyak energy (terutama energi termal). Selain itu aplikasi teknologi membran juga dapat dilakukan pada kondisi normal sehingga perubahan fasa dapat dihindari. Hal ini sangat menguntungkan untuk pemrosesan komponen yang sensitif terhadap temperatur seperti industri makanan, minuman, dan farmasi. Desain modul membran sangat sederhana, kompak, mudah dioperasikan dan tidak membutuhkan peralatan tambahan dalam jumlah banyak. Untuk memperbesar atau memperkecil skala pengoperasian merupakan hal yang mudah dilakukan. Dengan sifat modular yang dimilikinya, peningkatan skala proses membran dapat dilakukan dengan hanya menambah modul membran termasuk peralatan bantunya. Proses-proses membran dapat diklasifikasikan berdasarkan gaya dorongnya (driving force) yang berupa beda tekanan, beda konsentrasi, beda temperatur, dan beda potensial listrik [13]. Proses mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF), dan reverse osmosis (RO) menggunakan perbedaan tekanan sebagai gaya dorongnya. Proses membran lainnya menggunakan perbedaan konsentrasi (pemisahan gas, pervaporasi, membran cair, dialisis), perbedaan suhu (membran distilasi, termo-osmosis), dan perbedaan potensial listrik (elektrodialisis (ED), elektrodeionisasi (EDI), elektrolisis) sebagai gaya dorongnya. Di dalam proses electromembrane, membran yang memiliki permselektivitas terhadap ion dikombinasikan dengan beda potensial listrik atau kimia untuk memindahkan komponen ion tertentu [14]. Komponen utama dari proses tersebut adalah membran penukar ion. Membran penukar ion telah banyak digunakan pada berbagai macam proses yang memiliki konsep dasar, aplikasi praktis, dan teknik yang berbeda-beda [1]. Proses membran penukar ion pertama kali dikenalkan dalam skala industri pada tahun 1950-an melalui teknologi elektrodialisis [1]. Pada tahun 1953, metode sintesis membran penukar ion pertama kali dipatenkan dan paten tersebut memberikan kontribusi yang besar terhadap suksesnya pengembangan teknologi sintesis membran penukar ion pada tahun – tahun berikutnya [2]. Adapun gambaran singkat mengenai perkembangan teknologi membran penukar ion dijelaskan oleh Xu [15] sebagai berikut (lihat Gambar II.1). Pengembangan proses membran penukar ion dimulai tahun 1890-an ketika Ostwald mempelajari sifat-sifat membran semipermeabel dan menemukan bahwa membran tidak permeable terhadap larutan eketrolit jika membran tersebut tidak permeable terhadap ion positif atau negative. Kemudian di tahun 1911, Donnan mengembangkan persamaan matematis yang menggambarkan tentang kesetimbangan konsentrasi, yang kemudian disebut sebagai “Donnan Exclusion Potential”. Namun, studi dasar aktual yang berhubungan dengan membran penukar ion pertama kali dimulai pada tahun 1925 oleh Michaelis dan Fujita dengan membran collodium homogen dan asam lemah. Kemudian Sollner mengembangkan ide membran mosaic bermuatan atau membran amfoter pada tahun 1930-an, yaitu membran yang memiliki muatan positif dan negatif sekaligus dan menunjukkan peristiwa perpindahan yang berbeda. Sintesis membran penukar ion untuk aplikasi industri pertama kali dikembangkan pada sekitar tahun 1940, yaitu membran yang berbasis polikondensasi-fenol-formaldehid. Bersamaan dengan itu, Meyer dan Strauss mengajukan proses Elektrodialisis (ED), dimana membran penukar kation dan anion disusun secara selang – seling antara dua elektode. Akan tetapi, saat itu penerapan untuk skala indutri masih belum dapat dilakukan karena membran penukar ion komersial belum ada yang mempunyai tahanan listrik rendah.
3
Gambar II-1. Perkembangan membran penukar ion [15] Baru kemudian di tahun 1950an, pengembangan membran penukar ion dengan selektivitas tinggi dan tahanan listrik rendah oleh Juda dan McRae dari Ionic Inc. dan Winger dkk dari Rohm pada tahun 1953 mendorong aplikasi Electrodialisis menjadi proses industri. Sejak saat itu, perkembangan membran penukar ion dan elektrodialisis menjadi sangat pesat. Misalnya, produksi garam pertama dari air laut oleh Asahi Co. tahun 1960an, penemuan elektrodialisis reversal (EDR) tahun 1969, dan membran penukar kation dengan stabilitas kimia berbasis polyetra-fluorethylen pertama kali dikembangkan oleh Dupont (Nafion) menjadi membran terkemuka untuk skala besar dalam industri klor-alkali dan fuel cell serta pengembangan membran bipolar pada tahun 1976 oleh Chlandra dkk. Perkembangan yang pesat ini juga dipicu oleh pengembangan membran penukar ion baru dengan selektivitas yang lebih baik, tahanan listrik yang lebih rendah, ketahanan terhadap panas dan kimia, dan sifat mekanik yang baik, dan juga oleh aplikasi-aplikasi lain selain desalinasi air payau yang semakin luas mencakup bidang makanan, obat-obatan, industri proses kimia, bioteknologi dan pengolahan air limbah saat ini. Di Indonesia sendiri, pengembangan teknologi membran penukar ion diantaranya adalah pada pengembangan unit EDI [12]. Pengembangan tersebut meliputi pengembangan modul (konfigurasi) dan aplikasi. Modul yang telah dikembangkan diantaranya adalah modul SCED (super conductive electrodialysis) dimana modul EDI memiliki kompartemen yang cukup tebal sehingga diharapkan menghasilkan unit EDI dengan konduktivitas yang sangat tinggi. Selain itu, dikembangkan juga elektroda hiperaktif yang ditujukan untuk mengeliminasi hambatan yang diakibatkan oleh reaksi di masing-masing elektroda. Sementara studi aplikasi EDI meliputi pemisahan asam sitrat dari kaldu fermentasi, penyisihan garam dari gula, pengolahan limbah, dan pengolahan air gambut. Berbagai bahan sintetik dapat digunakan untuk membuat membran. Bahan tersebut dapat berupa materi organik (polimer) ataupun materi anorganik (keramik, gelas, logam). Tujuan dari pembuatan membran adalah memodifikasi bahan tersebut dengan proses yang tepat untuk menghasilkan tipe membran yang sesuai untuk proses pemisahan yang diinginkan. Secara umum terdapat beberapa proses pembuatan membran yaitu proses sintering, stretching, track-etching, phase inversion, dan coating [16]. Membran penukar ion pada umumnya difabrikasi melalui proses inversi fasa yang akan dibahas berikutnya.
4
Dalam aplikasinya, membran biasanya digunakan dalam bentuk modul-modul yang merupakan satuan unit terkecil dari unit membran. Konfigurasi modul secara umum dapat dibedakan menjadi konfigurasi membran tubular dan membran lembaran (flat sheet). Dua modul membran yang paling umum dijumpai di pasaran adalah hollow fiber dan spiral wound. Bentuk modul lainnya adalah plate & frame, tubular, rotary module, vibrating module, dan modul vortex Dean. Modul-modul tersebut memiliki keunggulan masing-masing yang diantaranya didasarkan pada packing density, kemudahan pencucian, hilang tekan, volume hold-up, dan kebutuhan sistem perlakuan awal (pretreatment). Untuk proses ED, EDI dan turunannya yang menggunakan membran penukar ion, pada umumnya dibentuk dalam modul plate-and-frame dimana membran diletakkan diantara sepasang elektroda. Modul EDI juga ada yang berbentuk spiral wound dimana membran penukar ion digulung dan diletakkan diantara dua silinder elektroda, yaitu silider dalam san silinder luar. II. 1. 1. Pengelompokan membran penukar ion Berdasarkan jenisnya, membran penukar ion dibedakan menjadi dua, yaitu membran penukar kation dan membran penukar anion. Membran penukar kation memiliki gugus yang bermuatan negatif, sehingga dapat melewatkan ion positif (kation) dan menahan ion negatif (anion). Sebaliknya, membran penukar anion memiliki gugus positif, sehingga dapat melewatkan anion dan menahan kation. Sedangkan berdasarkan struktur dan prosedur pembuatannya, membran penukar ion dibagi menjadi membran penukar ion homogen dan membran penukar ion heterogen [3]. Membran penukar kation dan anion juga diklasifikasikan menjadi membran asam kuat dan basa kuat atau asam lemah, dan basa lemah bergantung pada derajat dissosiasi dari gugus bermuatan di dalam larutan [1]. Membran asam kuat mengandung gugus bermuatan berupa asam sulfonat dan pada membran asam lemah gugus pembawa muatannya adalah asam karboksilat. Untuk membran penukar anion, gugus pembawa muatannya adalah quaterner amin untuk basa kuat dan tersier amin untuk basa lemah. Berdasarkan derajat ketidakseragaman, Molau [17] mengelompokkan membran penukar ion menjadi beberapa jenis membran. Dimana pengelompokkan tersebut disusun menurut semakin meningkatnya derajat ketidakseragamannya. Sehingga membran penukar ion dikelompokkan menjadi: (i) membran penukar ion homogen (ii) membran interpolimer (iii) membran graft dan kopolimer blok (iv) kompleks polielektrolit (v) membran mosaic, dan (vi) membran penukar ion heterogen. Pada berbagai macam proses dan aplikasi yang berbeda, ada beberapa sifat-sifat dari membran penukar ion yang sangat penting untuk tercapainya kesuksesan dalam operasi. Sifat-sifat membran penukar ion tersebut adalah [1, 3]: (1) Permselektivitas yang tinggi. Diharapkan membran penukar ion memiliki permeabilitas yang tinggi terhadap counter – ion dan sangat impermeabel terhadap co-ion. (2) Tahanan listrik yang kecil. Membran yang lebih konduktif atau memiliki hambatan listrik yang kecil membutuhkan konsumsi energi yang lebih rendah daripada membran dengan hambatan listrik yang tinggi. (3) Stabilitas mekanik yang baik. Membran penukar ion harus memiliki kekuatan stabilitas yang baik dan derajat swelling atau penyusutan yang rendah ketika mengalami transisi dari larutan dengan konsentrasi rendah ke dalam larutan konsentrasi tinggi. (4) Stabilitas kimia dan termal yang baik. Sifat ini diperlukan untuk aplikasi pada kondisi – kondisi tertentu seperti untuk pengolahan air limbah. Selain itu juga memiliki ketahanan yang tinggi pada rentang pH 0 – 14 dengan adanya oksidator. Konduktivitas listrik pada membran penukar ion bergantung pada konsentrasi mobile ion di dalam membran dan mobilitas dari ion – ion di dalam fasa membran, yang berhubungan dengan kapasitas tukar ion, kandungan air, dan ikatan silang pada membran. Membran dengan kapasitas tukar ion yang tinggi, kandungan air tinggi, dan ikatan silang yang rendah menunjukkan konduktivitas listrik yang besar karena konduktivitas listrik bergantung pada konsentrasi counter-ion di dalam membran dan ion – ion yang terabsorb. Sifat – sifat beberapa membran penukar ion komersial dapat dilihat pada Tabel II.1. Akan tetapi, sifat – sifat tersebut berlawanan satu sama lain. Sehingga, untuk mendapatkan satu sifat yang terbaik, hal itu akan berakibat pada melemahnya sifat yang lain. Oleh karena itu,
5
banyak studi yang dilakukan untuk mengembangkan dan mendapatkan sifat – sifat membran yang terbaik. II. 1. 2.
Aplikasi membran penukar ion
Membran penukar ion telah digunakan pada beberapa macam proses. Elektrodialisis (ED) merupakan proses berbasis IEMs yang pertama kali diaplikasikan pada skala industri untuk desalinasi air payau [1]. Kemudian konsep ED dimodifikasi menjadi proses-proses turunannyaDi dalam proses elektrodialisis (ED), membran penukar kation dan anion disusun secara bergantian sehingga membentuk ruangan-ruangan (sel) untuk larutan yang akan diolah. Ketika modul ED ini dihubungkan dengan listrik, kation akan bergerak menuju katode sedangkan anion menuju ke arah anode. Kation akan menembus membran penukar kation dan akan ditahan oleh membran penukar anion, dan begitu juga sebaliknya untuk anion. Ruangan yang ditinggalkan kation dan anion menjadi kompartemen diluat (diluate compartment) dan ruang yang terkonsenstrasi dengan ion disebut kompartemen konsentrat (concentrate compartment). Aplikasi utama dari proses ED adalah untuk desalinasi air dan pemekatan awal larutan garam untuk poduksi garam. Di dalam elektrolisis khlor-alkali, katoda dan anoda dipisahkan oleh membran penukar kation. Ion Na+ bergerak melewati memban dari lautan NaCl menuju katoda dan bergabung dengan ion OH- membentuk NaOH di dalam larutan katolit. Bersamaan dengan itu, Cl2 dan H2 tebentuk akibat adanya reaksi elektroda anoda dan katoda. Elektrolisis khlor-alkali ini merupakan proses utama dalam produksi klorin dan soda api. Diffusion dialysis umumnya diaplikasikan untuk pemulihan asam dan basa dalam campurannya dengan garam [14]. Sel diffusin dialysis disusun hanya dengan menggunakan membran penukar anion. Dimana lautan yang mengandung garam dan asam dilewatkan melalui satu sisi membran, sedangkan air dilewatkan dengan mode aliran – balik pada sisi lainnya. Adanya beda konsentrasi pada kedua sisi membran, anion bergerak melewati membran sedangkan kation tertahan oleh membran. Dari proses ini, maka asam dapat dipisahkan dari campurannya dengan garam. Melalui proses yang sama, basa dapat dipisahkan dari campurannya dengan garam pada sel yang menggunakan membran penukar kation. Seiring dengan perkembangan produksi dan pengembangan sifat-sifatnya, aplikasi membran penukar ion juga semakin berkembang dan merambah aplikasi yang semakin luas. Elektrodeinisasi merupakan salah satu modifikasi dari proses ED. Elektrodeionisasi (Electrodeionization, EDI) atau elektrodeionisasi kontinyu (Continuous electrodeionization, CEDI, atau Conductive electrodialysis) merupakan proses yang menggabungkan teknologi ED dengan teknologi penukar ion konvensional. EDI menggunakan resin penukar ion di dalam kompartmen diluat. Dengan adanya resin penukar ion ini dapat meningkatkan konduktivitas larutan diluat. Sehingga demineralisasi larutan dengan konsentrasi rendah dapat dilakukan dengan efisiensi arus yang lebih tinggi [11]. Oleh karenanya, EDI dapat diaplikasikan untuk memproduksi air ultra murni (Ultra Pure Water) dalam industri mikroelektronik atau semikonduktor, farmasi, bioteknologi dan air umpan boiler bertekanan tinggi [18-20]. Selain itu, keberadaan resin penukar ion di dalam sel, memungkinkan EDI untuk mengolah larutan dengan konduktivitas rendah seperti senyawa organik [21, 22]. EDI juga dapat digunakan untuk demineralisasi air limbah [23-25]. Modifikasi yang lain adalah dengan menggunakan membran bipolar atau disebut sebagai elektrodialisis dengan membran bipolar (EDBM). EDBM ini diaplikasikan dalam produksi asam dan atau basa, proses asidifikasi, dan proses alkalisasi [26]. Membran penukar ion merupakan komponen kunci pada proton exchange membran Fuel cell (PEMFC). Pada teknologi fuel cell, membran harus berfungsi sebagai konduktor yang baik untuk ion hidrogen, tetapi sebagai isolator untuk electron, memiliki permeabilitas yang rendah terhadap reactant fuel dan oksidan (hidrogen atau metanol dan oksigen), memiliki kekuatan mekanik yang cukup, serta stabil terhadap kondisi kimiawi dan panas di dalam sel [27]. Membran penukar proton yang sesuai untuk aplikasi fuel cell telah dibuat dengan bebagai macam material polimer. Material polimer yang saat ini telah digunakan adalah perfluorinated polymer dengan gugus asam sulfat, seperti Nafion dari Du Pont. Akan tetapi membran jenis ini masih sangat mahal sehingga aplikasinya untuk skala besar masih terbatas.
6
Tabel II-1. Sifat - sifat membran penukar ion komersial [28] Membran
Jenis
Tokuyama Soda Co.Ltd Jepang Neosepta CMX Kation, PS/DVB Neosepta AMX Anion, PS/DVB Asahi Glass Co. Ltd. Jepang CMV Kation PS/DVB AMV Anion PS/butadiene HJC Kation Ionics Inc., AS 61CZL386 Kation 103PZL183 Anion Dupont Co., AS Nafion 117 Kation fluorinated Nafion 901 Kation fluorinated RAI Research Corp., AS R-5010-H Ktion LDPE R-5030-L Anion LDPF Institute of Plastic Materials, Moscow MA-40 Anion CSMCRI, Bhavnagar India HGC Kation, PVC HGA Anion, PVC
Kapasitas tukarion (meq/g)
Ketebalan (mm)
Serapan air (%)
Konduktivitas (mS.cm-1)
Permselektivitas (%)
1.5 – 1.8 1.4 – 1.7
0.14 – 0.20 0.12 – 0.18
25 – 30 25 – 30
3.16 – 7.78 5.14 – 6.0
97 95
2.4 1.9 1.8
0.15 0.14 0.83
25 19 51
5.17 3.11 – 7.0 -
95 92 -
2.6 1.2
0.63 0.60
40 38
5.89 12.24
-
0.90 1.1
0.20 0.40
16 5
13.33 10.53
97 96
0.9 1.0
0.24 0.24
20 30
2.0 – 3.0 3.43 – 6
95 83
0.6
0.15
17
3
95
0.67 – 0.77 0.4 – 0.5
0.22 – 0.25 0.22 – 0.25
14 12
4.17 – 5.5 3.57 – 4.4
87 82
7
II. 2. Metode Pembuatan Membran Penukar Ion Membran penukar ion pada dasarnya memiliki struktur kimia yang serupa dengan resin penukar ion. Dari segi struktur kimia, resin dapat dijadikan sebagai membran dengan selektivitas dan konduktivitas yang sangat baik. Akan tetapi karena kekuatan mekaniknya, produksi membran berupa lembaran dengan material yang sama dengan pembuatan resin menjadi tidak memungkinkan [1]. Sehingga untuk mengatasi hal ini, biasanya digunakan material pengokoh (reinforcing) yang dapat memberikan kekuatan dan stabilitas dimensi. Ada berbagai macam metode pembuatan membran penukar ion. Nagarale dkk. [28] menjelaskan mengenai pembuatan membran penukar ion menjadi beberapa jenis membran sebagai berikut:
1. Membran penukar ion homogen Metode pembuatan membran penukar ion homogen dapat dirangkum menjadi tiga kategori sebagai berikut: i. Polimerisasi atau polikondensasi monomer; paling tidak salah satunya mengandung moiety yang dapat dibentuk menjadi kation atau anion ii. Menambahkan moiety kation atau anion ke dalam film padatan yang telah terbentuk iii. Menambahkan moiety kation atau anion ke dalam polimer, dilanjutkan dengan melarutkan polimer ke dalam solven dan kemudian di-casting menjadi bentuk lapisan tipis (film). Jenis-jenis membran penukar ion homogen meliputi membran ionomer terfluorinsi, membran berbasis Styrene–divinylbenzene, membran ionomer terfluorinasi parsial, membran penukar ion berbasis Polysulfone, Membran poly(ether ether ketone) (PEEK) tersulfonasi parsial, membran penukar ion berbasis Polybenzimidazole, membran penukar ion berbasis Polyimide, membran penukar ion Polyphosphazene, kopolimer triblok Styrene/ethylene-butadiene/styrene, dan membran penukar ion yang dibuat melalui metode sol–gel.
2. Membran penukar ion heterogen Membran ini dibuat dengan mencampurkan resin penukar ion dalam bentuk powder ke dalam polimer matriks, seperti rubber, PVC, acrylonitrile copolimer, atau matriks – matrik lain yang dapat di ekstrusi atau di molding.
3. Interpenetrating network (IPN) polymer ion-exchange membranes Membran IPN memiliki kombinasi yang sangat baik antara sifat – sifat elektrokimia dan mekaniknya. Pada umumnya, linear polyethylene digunakan sebagai binder. Kemudian dibentuk organosol dengan monomer seperti styrene-divinyl benzene. Campuran ini selanjutnya dipolimerisasi melalui mekanisme radikal bebas, menghasilkan polyblend dari dua interpenetrating networks antara molekul polimer linear dan polimer ikatan silang.
4. Membran yang dibuat dengan metode grafting Grafting radiasi dari polimer telah dikenal sebagai teknik untuk memodifikasi permukaan polimer yang mempengaruhi sifat fisika dan kimianya. Iradiasi polimer dengan alat radiasi ionisasi seperti sinar-γ yang menginduksi pembentukan radikal pada polimer, dimana rantai utama polimer dari polimerisasi monomer yang lain dapat diinisiasi.
5. Membran dua kutub (bipolar membran) Membran penukar ion dua kutub atau bipolar adalah tipe membran penukar ion berlapis, yang terdiri dari dua lapis polimer yang memiliki muatan tetap yaitu anion dan kation. Membran bipolar dapat dibentuk dengan laminasi sederhana dari membran anion dan kation konvensional. Sedangkan Tanaka [2] mengelompokan metode pembuatan membran penukar ion menjadi beberapa metode berikut ini: a. Metode sandwich. Pada metode ini, larutan yang terdiri dari campuran polimer dan initiator untuk polimerisasi dicetak di dalam dua lapisan substrat yang tidak larut di dalam larutan polimer.
8
b.
c.
d.
e.
f.
Reaksi polimerisasi terjadi selama proses pencetakan. Pada akhir proses, lembaran-lembaran membran penukar ion yang terbentuk dilepas dari substrat, kemudian di potong. Metode lateks. Metode ini dipraktikkan oleh Asahi Glas Co. untuk memproduksi membran stirenbutadien. Benang yang berupa grass fiber atau reinforcement dicelupkan ke dalam lateks styrenebutadiene rubber. Selanjutnya dikeringkan untuk memperoleh lapisan film. Film tersebut kemudian disulfonasi dan dibentuk ikatan silang di dalam larutan asam sulfat 96,5 %. Untuk memperoleh membran penukar kation, maka lapisan film yang telah membentuk ikatan silang, kemudian disulfonasi lebih lanjut. Sedangkan untuk mendapatkan membran penukar anion, lapisan film di klorometilasi dan diaminasi untuk membentuk gugus positif. Polimerisasi Blok. Metode ini dikembangkan oleh Asahi Chemical Co. Membran penukar ion diperoleh dari lapisan film kopolimer styrene-divinylbenzene. Dalam akhir tahap proses, metode ini juga lebih lanjut melibatkan sulfonasi untuk menghasilkan membran penukar kation dan untuk memperoleh membran anion diperlukan klorometilasi serta aminasi. Metode pasta. Metode pasta adalah proses kopolimerisasi yang digunakan oleh Tokuyama Corp. Larutan pasta dibuat dari campuran serbuk Poli vinil klorida (PVC), stirena, divinilbenzena, dioktilphthalate, dan benzoil peroksida. Selanjutnya, jarring-jaring PVC digulung melalui larutan pasta. Kemudian gulungan dibiarkan bereaksi (polimerisasi) pada suhu tertentu. Seperti metode lateks dan polimerisasi blok, langkah akhir pembentukan membran penukar ion adalah dengan sulfonasi untuk membran penukar kation, dan klorometilasi serta aminasi untuk membentuk membran anion. Polimerisasi graft irradiasi. American Machine and Foundary Co. mengembangkan metode ini untuk membentuk membran penukar ion. Lapisan film polietilena dicelupkan ke dalam monomer stirena. Selanjutnya, lapisan film di-irradiasi menggunakan sumber Co-60. Kopolimer film kemudian disulfonasi pada suhu ruangan, dan dicelupkan pada asam klorosulfonat, karbon tetraklorida, dicuci dengan air, dan dipanaskan pada larutan soda kaustik secara berurutan. Membran heterogen. Pada pembuatan membran penukar ion heterogen, partikel penukar ion dihaluskan hingga terbentuk bubuk dengan ukuran yang diinginkan. Bubuk tersebut dicampurkan ke dalam larutan polimer dan pelarutnya. Kemudian larutan yang terbentuk dicetak dalam bentuk lembaran untuk menghasilkan membran penukar ion.
Pada tahun 2002, Choi dkk. [29] mengajukan metode baru dalam pembuatan membran penukar kation. Yaitu dengan penyerapan monomer stryrene-divinilbenzen ke dalam bahan penguat polivinilklorida (PVC) yang berupa lapisan tipis dan tidak berpori. Setelah melalui tahap polimerisasi, struktur ikatan yang baru terbentuk antara rantai polimer St-DVB dan rantai polimer dari PVC. Kemudian terbentuklah paduan polimer baru yang proses pembentukannya hampir sama dengan konsep interpenetrating polymer network (IPN). Dengan metode ini, membran penukar ion yang dihasilkan lebih homogen dari metode paste dan memiliki kekuatan mekanik dan sifat elektrokimia yang cukup baik. II. 3. Membran Penukar Ion Heterogen Menurut definisinya, membran penukar ion homogen dapat dijelaskan sebagai membran yang terdiri dari satu fasa dan membran heterogen adalah membran yang terdiri dari dua fasa atau lebih [17]. Skema membran penukar ion heterogen dapat dilihat pada Gambar II.2. Pada membran homogen, satu polimer berperan sebagai material penyusun membran dan sekaligus sebagai pembawa gugus penukar ion. Sehingga polimer yang digunakan harus memiliki sifat mekanik yang kuat dan dapat digunakan sebagai material penukar ion. Sedangkan pada membran penukar ion heterogen, dua fungsi tersebut diperankan oleh dua polimer yang berbeda. Satu polimer berperan sebagai material pembentuk stuktur dan polimer yang lain adalah resin penukar ion. Karena kedua fungsi ini diperankan oleh material polimer yang berbeda, sehingga memberikan derajat kebebasan yang lebih banyak dalam pemilihan material.
9
Gambar II-2. Membran penukar ion heterogen Beberapa material polimer telah digunakan dalam pembuatan membran penukar ion heterogen untuk memperoleh sifat fisika dan elektrokimia yang diinginkan. Polimer matriks yang digunakan antara lain: polivinil klorida (PVC), Polikarbonat (PC), Polisulfon (PSf), Styren-butadienrubber (SBR), poliethilen (PE), polistirena (PS), fluoroelastomer, selulosa asetat butirat dan polivinil alcohol (PVA). Polimer matriks yang digunakan dapat juga berupa campuran dari dua macam polimer. Hal ini ditujukan untuk memperoleh kombinasi sifat – sifat unggulan dari masing-masing polimer. Polimer matriks campuran tersebut antra lain: polivinilklorida-polikarbonat, Akrilonitrilbutadiena-stirena (ABS)-high impact polistirena, polivinilklorida-SBR, atau polikarbonat-SBR. Sifatsifat ketahanan terhadap bahan kimia, ketahanan terhadap oksidator, dan kekuatan mekanik dari polimer matriks mempengaruhi kekuatan dari membran yang terbentuk. Sedangkan sifat hidrofilisitas dari polimer matriks mempengaruhi sifat elektrokimianya [6]. Pada umumnya partikel resin penukar ion digunakan sebagai gugus penukar ion di dalam membran heterogen. Tetapi partikel polimer yang telah diberi gugus fungsi tersendiri seperti sulfonated poly(1,4 – fenilen sulfide) juga dapat digunakan sebagai gugus penukar ion pada membran [27] Membran homogen memiliki sifat-sifat elektrokimia yang lebih baik dari pada membran heterogen [30], akan tetapi kekuatan mekanik membran penukar ion heterogen lebih baik [17, 31]. Stabilitas dimensi dari membran heterogen lebih baik dari pada membran homogen [3]. Di dalam membran heterogen terdapat mikrovoid-mikrovoid di antara partikel resin dan matriks polimer. Microvoids tersebut cukup untuk mengakomodasi molekul pelarut yang melarutkan ion-ion ke dalam resin, sehingga pelarutan ini tidak menyebakan perubahan dimensi dari membran. Permasalahan yang mungkin muncul dalam struktur membran heterogen adalah munculnya jalur kedua yang memungkinkan ion-ion menembus membran tanpa melewati partikel penukar ion [17]. Untuk mencegah terbentuknya jalur ini, maka langkah yang mungkin dapat dilakukan adalah dengan memenuhi setiap lapisan antarmuka antara partikel penukar ion dengan matriks polimer dan menutup setiap ruang kosongnya. Akan tetapi permasalahan yang muncul selanjutnya adalah tertutupnya permukaan-permukaan aktif dari partikel penukar ion. Hal ini dapat mengakibatkan peningkatan hambatan dari membran atau menghilangkan sifat konduktivitasnya. Sehingga dalam praktiknya, perlu dijaga keseimbangan antara buka-tutup ruang-ruang ini. Membran penukar ion heterogen ini dapat dibuat dengan beberapa macam cara, yaitu: melalui proses calendaring, (ii) compression moulding [32, 33] dan (iii) mendispersikan partikel penukar ion ke dalam larutan polimer binder dan solven, kemudian solven tersebut diuapkan atau disebut inversi fasa (Khodabakhshi dkk, 2011; Hosseini dkk, 2012). Metode terakhir merupakan cara yang paling banyak digunakan dalam sintesis membran penukar ion heterogen. Variabel-variabel yang mempengaruhi sifat-sifat elektrokimia maupun kekuatan mekanik dalam pembuatan membran penukar ion heterogen telah disebutkan dalam beberapa literature. Parameter utama yang paling berpengaruh terhadap sifat-sifat membran penukar ion adalah ukuran resin penukar ion dan konsentrasinya di dalam membran [4]. Semakin kecil ukuran resin maka kekuatan mekanik semakin kecil. Sedangkan sifat elektrokimia meningkat dengan semakin kecilnya ukuran resin. Semakin besar jumlah resin di dalam membran maka kekuatan mekaniknya semakin kecil akan tetapi sifat elektrokimianya meningkat. Morfologi dari membran juga sangat berpengaruh terhadap kinerja membran, khususnya konduktivitas, selektivitas dan kekuatan mekanik. Membran dengan porositas tinggi memiliki konduktivitas yang tinggi, tetapi selektivitas dan kekuatan mekaniknya rendah [5]. Sebaliknya, membran non-pori memiliki selektivitas dan kekuatan mekanik yang lebih baik, namum
10
konduktivitasnya rendah. Pada membran dengan porositas lebih tinggi, maka serapan airnya pun semakin tinggi. Begitu juga dengan konduktivitas membran, karena kanal-kanal air dapat meningkatkan mobilitas ion. Akan tetapi, semakin tinggi porositas dan semakin besar ukuran pori di dalam membran mengakibatkan penurunan efektivitas ‘Ekslusi Donnan’ sehingga membran menjadi kurang selektif. Kandungan air yang tepat di dalam membran dapat memberikan kendali yang baik terhadap jalur transport ion-ion dan dapat meningkatkan permselektivitas membran [9]. Namun pada kandungan air yang berlebih, kanal transfer untuk ion semakin banyak dan lebar untuk co-ion dan counter-ion, oleh karenanya selektivitas membran menurun dan struktur membran menjadi longgar. Porositas membran dapat dikendalikan dengan mengatur waktu pengeringan pada metode inverse fasa. Porositas juga dapat diatur dengan mengatur konsentrasi aditif larut-air (water soluble) pada formula membrane solution [33]. Oren dkk [34] telah mempelajari pengaruh medan listrik dalam pembuatan membran penukar ion heterogen. Campuran polimer, resin dan solven ditempatkan di antara elektroda yang dialiri arus listrik. Dengan metode ini, partikel resin di dalam membran menjadi lebih teratur. Sehingga membran yang dihasilkan dengan prosedur ini memiliki sifat elektrokimia yang lebih baik daripada membran yang tidak dikenai medan listrik. Begitu juga dengan penerapan getaran ultrasonic terhadap larutan membran [35]. Getaran ultrasonik dapat mencegah terjadinya aglomerasi dan sedimentasi sehingga partikel resin di dalam larutan terdistribusi lebih merata. Tipe solven dan rasio campuran solven juga memiliki pengaruh dalam pembuatan membran penukar ion heterogen [36]. Pada membran yang dihasilkan dengan menggunakan solven yang kurang volatile, cenderung terbentuk aglomerasi partikel resin. Sehingga ikatan antara polimer matriks dengan resin serta distribusi resin di dalam membran tidak seragam. Oleh karenanya, kekuatan mekanik dan sifat – sifat elektrokimia dari membran penukar ion menjadi lemah. II. 4. Pengaruh filler anorganik di dalam membran penukar ion Material komposit organic-anorganik memiliki sifat-sifat yang sangat baik karena menggabungkan keunggulan dari masing-masing komponen. Material komposit ini menjadi menarik perhatian karena menunjukkan perubahan sifat yang cukup besar dibanding sifat asli dari komponen murninya, seperti mekanik, termal, listrik dan magnetic. Selain itu, interaksi antar fasa komponen anorganik dan organik dapat menghasilkan fenomena yang baru atau lebih lanjut. Diantara aplikasi material organic-anorganik ini adalah pembuatan membran penukar ion [15]. Penambahan partikel anorganik atau filler kedalam material polimer telah diujikan pada berbagai macam aplikasi untuk meningkatkan sifat mekanik, termal, dan stabilitas kimia. Hosseini dkk. [9], telah melakukan penelitian mengenai pengaruh penambahan carbon nanotube di dalam matriks membran penukar ion heterogen. Penambahan Multi walled carbon nanotube diharapkan dapat meningkatkan sifat fisika-kimia membran. Carbon nanotube juga memiliki sifat listrik dan mekanik yang sangat baik. Variasi konsentrasi carbon nanotube yang ditambahkan adalah 0 – 16 % dari total padatan di dalam membran. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa peningkatan jumlah aditif dapat meningkatan kandungan air di dalam membran tetapi menurunkan kapasitas tukar-ion membran. Carbon nanotube memiliki diameter dalam yang cukup besar untuk mengakomodasi molekul air. Pada penambahan jumlah carbon nanotube yang lebih banyak juga menyebabkan terbentuknya void dan rongga-rongga diantara partikel dan polimer. Oleh karenanya jumlah kandungan air meningkat. Dengan peningkatan jumlah aditif di dalam larutan membran, jumlah gugus fungsi yang terisolasi meningkat sehingga tidak dapat dijangkau untuk penukaran ion. Perbandingan sifat-sifat membran dengan kandungan carbon nanotube sebesar 8% dan tanpa carbon nanotube dapat dilihat di Tabel II.2. Seperti yang ditunjukkan di dalam tabel, penambahan carbon nanotube sebesar 8% dapat meningkatkan sifat – sifat membran penukar ion heterogen.
11
Tabel II-2. Perbandingan sifat-sifat membran penukar ion heterogen tanpa dan dengan kandungan carbon nanotube [9] Parameter Tahanan luas (Ω.m2) Permselektivitas Fluks (mol/m2.S) x 105 Permeabilitas (m/s) x 106 Konsumsi energy (kW/mol) Efisiensi arus (%)
Membran tanpa carbon nanotube 13.95 0.884 13.78 1.61 902.85 88.72
Membran dengan 8% carbon nanotube 6.25 0.885 15.61 1.84 815.77 98.20
Di tahun yang sama, Hosseini dkk. [37] juga menguji pengaruh karbon aktif di dalam membran penukar anion heterogen. Dengan penambahan karbon aktif sebesar 1 %, dapat menurunkan tahanan luas dari membran penukar anion heterogen (Tabel II.3). Tabel II-3. Tahanan luas membran penukar anion dengan filler karbon aktif [8]. Membran Membran dengan 0,0 % karbon aktif Membran dengan 0,5 % karbon aktif Membran dengan 1,0 % karbon aktif Membran dengan 2,0 % karbon aktif Membran dengan 4,0 % karbon aktif Membran komersial
Tahanan (ohm. cm2) 3.577 3.215 2.866 3.367 3.718 3.621
Material anorganik yang juga telah diujikan pada membran penukar ion adalah sulfonated surface-functionalized mesoporous silica (SS) [38]. Material SS ini kombinasikan dengan Polieter Sulfon yang telah disulfonasi (sPES) sebagai polimer matriks. Material SS di dalam membran dapat membentuk pori-pori pada polimer matriks dan jalur air sehingga dapat membantu migrasi ion-ion melewati membran, meningkatkan konduktivitas dan juga memberikan gugus muatan tambahan. Akibatnya, selektivitas membran juga meningkat dan meningkatkan permselektivitas membran sebesar 14% dibandingkan dengan membran tanpa material SS. Perbandingan kinerja membran komposit dengan membran komersial dapat dilihat pada tabel II.4 berikut. Tabel II-4. Kinerja desalinasi sistem elektrodialisis dengen membran matriks campuran dan membran komersial (FKE) [38] Membran FKE 0SS 0.2SS1 0.2SS3 0.2SS10
Fluks (mole.m-2.jam-1) 7.7 4.3 6.7 7.1 5.3
η 0.84 0.53 0.84 0.95 0.87
P (kW.jam.kg -1 garam) 3.80 5.89 3.83 3.18 3.69
Penelitian terhadap silika sebagai pengisi di dalam polimer matriks membran penukar ion heterogen juga telah dilakukan oleh Nagarale dkk. [39]. Silika dikombinasikan dengan polimer matriks melalui proses sol-gel antara polivinil alcohol dengan tetraethylortosilicate (TEOS). Dengan menggunakan katalis basa, stabilitas mekanik dan dimensi membran cukup bagus meskipun konsentrasi resin dalam campuran mencapai 60%. Pada konsentrasi TEOS yang lebih besar menghasilkan membran yang lebih padat. Sifat elektro-kimia membran cukup bagus walaupun mengalami penurunan seiring dengan penurunan rasio PVA/TEOS. Pada penelitian lainnya, partikel nano oksida besi-nikel (Fe2NiO4, <50 nm) digunakan sebagai filler pada membran penukar ion heterogen [10]. Oksida besi-nikel dicampurkan ke dalam matriks polimer kombinasi polyvinylchloride/styrene–butadiene-rubber (PVC/SBR). Hasil Scanning Optical
12
Microscopy (SOM) menunjukkan bahwa partikel-partikel penukar ion dan filler terdistribusi secara merata di permukaan membran. Dengan semakin bertambahnya konsentrasi filler, maka distribusi partikel semakin seragam di dalam membran karena adanya peningkatan kepadatan partikel dan berkurangnya distribusi acak partikel. Kandungan air pada membran berkurang seiring dengan meningkatnya konsentrasi filler yang diduga berhubungan dengan sifat hidrofobik yang dimiliki oleh filler. Pada peningkatan konsentrasi filler hingga 1 %, kapasitas tukar ion juga meningkat akibat sifat adsorbsi pada filler sehingga interaksi antara ion dengan permukaan membran meningkat. Akan tetapi kapasitas tukar ion berkurang lagi pada peningkatan konsentrasi dari 1 % - 8 % yang disebabkan oleh tertutupnya akses ion menuju resin penukar ion yang terhalang oleh filler. Selain itu, potensial membran, rapat mautan, dan permeselektivitas juga meningkat pada peningkatan konsentrasi filler hingga 2%. Namun, sifat-sifat tersebut juga berkurang pada konsentrasi filler 4 dan 8 %.
13
Bab III
Rancangan Penelitian
III. 1. Metodologi Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh komposisi silika dalam pembuatan membran penukar ion heterogen. Penelitian ini dimulai dengan percobaan pembuatan membran berbahan dasar polisulfon dengan memvariasikan waktu evaporasi dan komposisi yang digunakan. Metode yang digunakan adalah kering/basah. Non-pelarut yang digunakan adalah air. Jenis membran yang dibuat adalah flat sheet. Membran yang telah dibuat selanjutnya diuji permselektivitas dan konduktivitasnya dengan larutan NaCl. III. 2. Percobaan Pada bagian ini, alat dan bahan yang akan dipakai, prosedur percobaan, serta variasi percobaan akan dijelaskan. III. 2. 1. Alat Peralatan yang digunakan pada penelitian ini berupa satu set alat pembuatan membran dengan cara casting dan satu set alat-alat penentuan permselektivitas dan konduktivitas. Untuk membuat membran penukar ion dengan cara casting digunakan alat-alat di bawah ini: Timbangan digital Beaker glass 250 ml Magnetic Stirer Grinder Sonicator Desiccator Pelat kaca Aluminium foil Mesh screening 325 dan 400 mesh Gelas ukur 50 ml Labu ukur 1000 ml Skema alat pengujian kinerja membran disajikan pada Gambar 3.1 di bawah ini.
(a) Gambar III-1. Skema alat uji membran (a) Permselektivitas dan (b) Konduktivitas
(b)
Karakteristik utama membran penukar ion adalah permselektivitas dan konduktivitas. Permselektivitas dapat diukur dengan mengalirkan larutan garam dengan konsentrasi yang berbeda, dimana membran digunakan untuk memisahkan kedua larutan tersebut [40]. Karena adanya perbedaan konsentrasi dan membran yang menahan ion-ion muatan tertentu, maka akan terbentuk beda potensial. Beda potensial inilah yang digunakan untuk mencari nilai transport number yang
14
dapat digunakan selanutnya untuk mencari permselektivitas membran. Untuk menentukan permselektivitas, larutan NaCl dengan konsentrasi 0,1 dan 0,01 M dimasukkan pada ruang 1 dan 2. Membran potensial diukur hingga nilainya terukur konstan. Pada penentuan nilai konduktivitas, larutan NaCl yang digunakan memiliki konsentrasi 0.5 Molar. Kemudian hambatan sel diukur dengan dan tanpa membran. Selesih nilai hambatan sel tersebut merupakan nilai hambatan membran III. 2. 2. Bahan Bahan yang digunakan untuk persiapan membran adalah polisulfon, silika, N,NDimethylacetamide (DMAc), Resin penukar anion (Amberlite IR-400-Cl), NaCl, NaOH dan air demin. Silika yang digunakan berukuran 12 nm. DMAc digunakan sebagai pelarut. Air digunakan sebagai non-pelarut. Larutan NaCl digunakan untuk menentukan nilai permselektivitas dan konduktivitas. III. 2. 3. Prosedur Percobaan Prosedur penyiapan resin penukar ion dan prosedur pembuatan membran dengan variasi waktu dan komposisi disajikan pada Gambar III.2. Variasi komposisi larutan polimer pada pembuatan membran penukar ion disajikan pada Tabel III.1. Larutan polimer yang telah homogen selanjutnya di tambahkan resin penukar ion dengan variasi konsentrasi tertentu dan diaduk hingga homogen. Kemudian larutan disonikasi dan diaduk kembali. Larutan polimer di cetak pada permukaan kaca. Selanjutnya larutan polimer tersebut mengalami evaporasi alami dengan variasi waktu yang berbeda. Membran yang telah terbentuk lalu dicelupkan ke bak berisi air selama 24 jam. Sedangkan prosedur pembuatan membran penukar ion heterogen dengan penambahan partikel silika disajikan pada Gambar III.3. Berbeda dengan prosedur sebelumnya, pada pembuatan membran dengan kandungan partikel, silika ditambahkan terlebih dahulu ke dalam solven. Selanjutnya larutan disonikasi untuk memecah gumpalan silika agar silika dapat terdistribusi secara homogen di dalam larutan. Setelah larutan homogen, kemudian PSf dicampurkan seperti prosedur sebelumnya. Tahap pengujian membran dapat dilihat pada Gambar III.4. Untuk pengujian kinerja membran, sebelumnya membran direndam dalam larutan NaOH dan larutan NaCl. Untuk menentukan nilai serapan air, membran direndam ke dalam air demineralisasi selama 24 jam kemudian ditimbang beratnya dan selanjutnya disebut berat basah (Ww). Membran kemudian dioven pada suhu 60 oC selama 24 jam. Berat yang terukur pada keadaan kering (setelah dioven) disebut berat kering (Wd). Serapan air dihitung berdasarkan selisih antara berat basah dan berat kering dari membran. Prosedur yang sama digunakan untuk pengukuran perubahan dimensi membran (Δt = perbedaan tebal membran basah dan kering, Δl = perbedaan diameter membran basah dan kering).
15
Gambar III-2. Prosedur pembuatan membran dengan variasi waktu evaporasi dan komposisi
16
Gambar III-3. Prosedur pembuatan membran dengan filler anorganik
17
Gambar III-4. Prosedur pengujian kinerja membran III. 2. 4. Variasi Variasi untuk memperoleh komposisi dan waktu evaporasi disajikan pada Tabel 3.1. Komposisi, dan waktu evaporasi paling baik digunakan untuk membuat membran penukar ion matriks campuran. Komposisi silika pada proses pembuatan membran penukar ion matriks campuran adalah 0, 0,5, 1, dan 1,5 %-berat terhadap total padatan.
18
Tabel III-1. Variasi untuk memperoleh komposisi dan waktu evaporasi Membran
PSf dalam PSf/DMAc (%- berat)
PSf20-1 PSf20-5 PSf20-10 PSf20-24 PSf25-1 PSf25-5 PSf25-10 PSf25-24
Resin penukar ion dalam total padatan (%-berat)
20
50
25
50
Waktu Evaporasi (menit) 1 5 10 24 jam 1 5 10 24 jam
III. 3. Intepretasi Data Dari percobaan yang dilakukan diperoleh data membran potensial dan hambatan sel dan hambatan larutan. Dari data-data tersebut dapat diketahui transport number dari counter ion di dalam membran (𝑡𝑖̅ ) dengan persamaan III.1 di bawah ini. 𝐸𝑚 =
𝑅𝑇 (2𝑡𝑖̅ 𝐹
𝐶
− 1) ln (𝐶1 )
(III.1)
𝑡̅𝑖 −𝑡𝑖 1−𝑡𝑖
(III.2)
2
𝑡𝑖̅ yang telah diperoleh selanjutnya digunakan untuk menghitung permselektivitas membran dengan persamaan III.2 di bawah ini. 𝑃𝑠 =
Dari data hambatan sel dan larutan yang diperoleh dapat dihitung hambatan membran dengan persamaan 3.3 berikut. 𝑅𝑠 = 𝑅𝑚 + 𝑅𝑙 (III.3) Dari hasil perhitungan hambatan membran dapat diperoleh nilai konduktivitas membran dengan permsaan 3.4. 𝜎=𝑅
𝐿
𝑚𝐴
(III.4)
III. 4. Jadwal Penelitian Penelitian ini dirancang untuk diselesaikan dalam waktu 4 bulan. Tabel III.2 menunjukkan rancangan kegiatan penelitian. Tabel III-2. Rancangan kegiatan penelitian No. 1. 2. 3. 4.
Kegiatan
Bulan ke-1 Bulan ke-2 Bulan ke-3 Bulan ke-4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
Persiapan alat dan bahan Pembuatan membran dan pengujian Pengolahan data Pembuatan laporan
19
Bab IV
Hasil dan Pembahasan
IV. 1. Pengaruh Kondisi Operasi Pembuatan Membran Pada proses pembuatan membran, ada beberapa faktor yang berpengaruh terhadap sifat-sifat dan kinerja membran yang terbentuk. Salah satu faktor utama dalam pembuatan membran adalah laju pertukaran antara komponen solven dan non-solven. Faktor tersebut dapat dikendalikan dengan mengatur kondisi operasi pembuatan membran, antara lain konsentrasi dan viskositas larutan, ketebalan lapisan casting, aditif, dan temperatur serta komposisi larutan koagulasi [41-44]. IV. 2. Pengaruh Waktu Evaporasi Pada penelitian ini, membran disiapkan menggunakan metode kombinasi antara inversi fasa kering dan basah dengan melakukan variasi terhadap waktu evaporasi. Pengaruh waktu evaporasi terhadap sifat – sifat membran dapat dilihat pada Tabel IV.1. Dengan menggunakan waktu evaporasi 1 menit dan konsentrasi PSf (dalam DMAc) 20 % berat, membran yang dihasilkan memiliki struktur permukaan dan penampang melintang yang bergelombang. Pada waktu evaporasi yang cukup singkat dan viskositas larutan yang tidak cukup tinggi serta adanya komponen partikel penukar ion (resin) di dalam larutan casting menyebabkan waktu solidifikasi membran menjadi lebih lambat. Pada kondisi tesebut, pembentukan lapisan atas dari membran belum cukup kuat. Sehingga pada saat membran dicelupkan ke dalam bak koagulasi, laju pemisahan solven yang cepat dan besar mengakibatkan ketidakstabilan pada lapisan membran sehingga menghasilkan membran dengan permukaan bergelombang (lihat Gambar IV.1).
Gambar IV-1. Penampang melintang membran PSf20-1 (Pebesaran 33 kali) Dapat dilihat dari tabel 4.1, bahwa dengan meningkatnya waktu evaporasi, serapan air oleh membran menurun. Kencenderungan yang sama juga diperlihatkan oleh konduktivitas membran, dimana konduktivitas membran menurun dengan meningkanya waktu evaporasi. Sebaliknya nilai potential membran, transport number, dan permselektivitas membran meningkat seiring dengan meningkatnya waktu evaporasi. Hal yang sama juga diperoleh di dalam studi yang dilakukan oleh Klaysom dkk. (2011a) pada pembuatan membran penukar ion homogen. Mereka menjelaskan bahwa porositas pada membran dapat dikendalikan dengan mengatur waktu evaporasi pada saat lapisan membran dicetak. Waktu evaporasi yang lebih lama berdampak pada menurunnya porositas dari membran. Membran yang memiliki porositas yang lebih tinggi menunjukkan konduktivitas yang lebih tinggi, tetapi nilai selektivitas dan kekuatan mekanik lebih rendah. Sebaliknya, membran yang lebih padat (porositas rendah, non-porous) mempunyai nilai selektivitas dan kekuatan mekanik yang lebih baik akan tetapi konduktivitasnya rendah. Hal ini disebabkan oleh perubahan pada lebar jalur perpindahan ion dan kekuatan dari pengaruh “Donnan Exclusion”. Jalur perpindahan yang semakin lebar membuat membran lebih konduktif dan pengaruh dari Donnan Exclusion semakin kecil sehingga selektivitasnya menurun, begitu pula sebaliknya jika jalur untuk migrasi ion mengecil.
20
Tabel IV-1. Sifat -sifat membran penukar ion heterogen Membran
Serapan Air (%)
Perubahan dimensi* Δt (%)
PSf20-1 PSf20-5 146,29 PSf20-10 142,54 PSf20-24 103,17 PSf25-1 117,67 PSf25-5 103,68 PSf25-10 82,99 PSf25-24 78,79 *Pada keadaan swelling
Δl (%)
1.4 1.6 2.2 1.1 2.2 3.7 3.6
Em (mVolt)
0.41 0.53 0.80 0.55 0.66 1.05 1.50
ti
40 44 51 44 47 49 53
0,837 0,871 0,929 0,871 0,896 0,913 0,947
2.5
σ (mS/cm)
2.0 1.5 PSf 20
1.0
PSf 25 0.5 0.0 1 min
5 min
10 min
24 jam
Waktu Evaporasi Gambar IV-2. Pengaruh waktu evaporasi dan komposisi larutan matriks polimer terhadap konduktivitas membran 1.00 0.90
Permselektivitas (Ps)
0.80 0.70 0.60 0.50
PSf 20
0.40
PSf 25
0.30 0.20 0.10 0.00 1 min
5 min
10 min
24 jam
Waktu Evaporasi
Gambar IV-3. Pengaruh waktu evaporasi dan komposisi larutan matriks polimer terhadap Permselektivitas membran
21
IV. 3. Pengaruh Komposisi Larutan Matriks Polimer Pengaruh komposisi larutan matriks polimer terhadap kinerja membran ditunjukkan pada Tabel IV.1 dan Gambar IV.2 dan IV.3. Data menunjukkan bahwa dengan peningkatan konsentrasi polimer di dalam solven dapat meningkatkan konduktivitas dan selektivitas membran. Selain itu, serapan terhadap air mengalami penurunan. Zhang dkk. [45] telah melaporkan pengaruh viskositas larutan casting pada pembuatan membran berbasis PSf dengan metode inversi fasa terhadap morfologi membran. Hasil studi tersebut menunjukkan bahwa peningkatan viskositas larutan casting menekan laju difusi solven sehingga diperoleh membran yang memliki permukaan kurang berpori dan lapisan atas (top layer) yang lebih tebal. Selain itu, pada ketebalan yang sama, membran yang dibuat dari larutan dengan konsentrasi solven tinggi atau viskositas rendah memiliki densitas yang rendah begitu juga sebaliknya untuk larutan dengan viskositas tinggi. Karena perbandingan antara resin dan PSf sama, membran dengan kerapatan yang lebih tinggi memiliki kerapatan gugus fungsi yang lebih besar juga. Akibatnya, konduktivitas dan selektivitas PSf25 lebih tinggi daripada PSf20. Partikel resin merupakan agen pembawa gugus fungsi yang mempunyai perananan penting dalam menentukan sifat elektro-kimia dari membran penukar ion. Di samping itu, resin penukar ion memiliki konduktivitas yang lebih tinggi daripada larutan. Oleh karena itu, membran yang terbentuk dengan kepadatan partikel resin lebih tinggi memiliki konduktivitas dan selektivitas yang lebih baik. Perbandingan sifat-sifat membran penukar ion heterogen pada penelitian ini dengan penelitian lain dapat dilihat pada Tabel 4.2. Metode basah yang dilakukan pada penelitian ini terlihat dapat meningkatkan konduktivitas membran. Akan tetapi, dapat dilihat juga terjadi penurunan nilai permselektivitas (Ps). Sehingga dapat disimpulkan bahwa metode basah ini memberikan porositas terhadap membran. Tabel IV-2. Perbandingan sifat-sifat membran Sumber
Polimer
Tipe Kation Kation Anion Kation
Resin* Mesh -200+400 400 -300+400 -300+400
[37] Polikarbonat [6] PSf [31] PVC [4] PVC Penelitian ini PSf20-10 PSf20-24 PSf Anion -325+400 PSf25-10 PSf25-24 *Konsentrasi resin di dalam membran sebesar 50 %-berat
Metode
Ps
σ (mS/cm)
Kering Kering Kering Kering
0.853 0.818 0.819
2 1 1
Kering Basah
0.677 0.824 0.782 0.866
0.95 0.64 2.27 1.57
IV. 4. Pengaruh Silika Dalam penelitian ini, konsentrasi silika divariasikan dari 0-1,5 %-berat (terhadap total padatan di dalam membran). Pada penambahan 0-1,5 %-berat silika, nilai serapan air membran cenderung tetap, begitu juga dengan nilai perubahan dimensi membran. Sedikit peningkatan serapan air ditunjukkan pada penambahan silika 0,5 %-berat. Sedangkan membran potential dan transport number cenderung meningkat, tetapi peningkatannya tidak terlalu signifikan. Penurunan nilai membran potential dan trasnprot number ditunjukkan oleh membran dengan konsentrasi 0.5 %-berat (Tabel IV. 3). Pengaruh konsentrasi silika terhadap permselektivitas dan konduktivitas membran ditunjukkan oleh Gambar IV.4. Seperti terlihat pada gambar, konduktivitas membran cenderung menurun dengan kenaikan konsentrasi silika di dalam membran. Sebaliknya, permselektivitas membran cenderung meningkat dengan peningkatan konsentrasi silika. Akan tetapi, hasil yang berbeda ditunjukkan oleh membran dengan konsentrasi silika 0,5 %-berat. Pada membran ini, konduktivitas meningkat sangat tajam, akan tetapi permselektivitasnya mengalami sedikit penurunan.
22
Sebagaimana dijelaskan pada penelitian–penelitian terdahulu tentang penambahan filler anorganik ke dalam membran penukar ion, seperti: karbon aktif [8], carbon nano-tube [9], dan silika mesoporous tersulfonasi [38] bahwa penambahan pertikel-partikel anorganik tersebut dapat meningkatkan sifat-sifat elektro-kimia dari membran penukar ion pada konsentrasi tertentu. Akan tetapi, pada penambahan konsentrasi lebih lanjut, sifat-sifat elektro-kimia dari memban mengalami penurunan. Hal ini disebabkan oleh tertutupnya permukaan-permukaan gugus fungsi di dalam membran oleh partikel-partikel. Di dalam studi tentang penambahan partikel silika ke dalam membran penukar ion homogen (Nafion) melalui proses sol-gel dijelaskan bahwa pada penambahan silika ke dalam membran menunjukkan adanya gugus hidroksil yang cukup banyak pada permukaan silika [46]. Gugus – gugus hidroksil inilah yang mengikat air ke dalam membran dan memberikan jalur untuk migrasi ion. Pada penelitian ini, penambahan konsentrasi silika 0,5 %-berat mengakibatkan peningkatan yang cukup besar pada konduktivitas membran. Hal ini dimungkinkan oleh adanya jalur tambahan yang disediakan oleh silika, yaitu kandungan air pada permukaan-permukaan silika. Sehingga dengan adanya jalur tambahan ini, migrasi ion meningkat. Akan tetapi, peningkatan jalur migrasi ion ini berakibat pada sedikit penurunan pada nilai permselektivitas membran. Sedangkan memban dengan konsentrasi silika lebih tinggi (1,0 dan 1,5 %-berat), mengalami penurunan nilai konduktivitas dan sedikit kenaikan pada nilai permeselektivitas (1,5 %-berat silika). Jumlah partikel yang semakin banyak mengisi ruang-ruang di dalam matriks membran, sehigga membran menjadi lebih padat. Selain itu, konsentrasi partikel silika yang higroskopis dan inert dalam jumlah yang cukup banyak dapat mempersempit jalur migrasi ion, sehingga konduktivitas membran menurun. Tabel IV-3. Sifat-sifat membran penukar ion heterogen dengan konsentrasi silika yang berbeda Silika (%-berat) 0,0 0,5 1,0 1,5
Serapan Air (%) 82,99 83,29 82,54 82,87
Perubahan dimensi dalam keadaan swelling Δt (%) Δl (%) 3,7 4,3 4,0 4,5
1,05 1,11 1,02 1,58
Em (mVolt) 49 48 49 51
ti 0,913 0,904 0,913 0,930
Pengaruh yang lain dari penambahan silika dalam pembuatan membran penukar ion heterogen adalah meningkatkan viskositas dari larutan casting. Pada penelitian ini juga dipelajari pengaruh penambahan silika dengan konsentrasi 2 %-berat terhadap total padatan. Larutan casting dengan konsentrasi silika 2 %-berat tidak dapat dibentuk membran. Karena konsentrasi silika meningkat, viskositas larutan casting menjadi lebih tinggi sehingga tidak dapat dibentuk membran dengan menggunakan plat kaca ketika proses pencetakan.
23
4.00
0.90
3.50
0.85 0.80
2.50 2.00
0.75
1.50
0.70
Permselektivitas
σ (mS/cm)
3.00
1.00 0.50
0.65
Konduktivitas Permselektivitas
0.00 0
0.5
1
0.60 1.5
2
Konsentrasi silika (%-berat)
Gambar IV-4. Konduktivitas dan permselektivitas membran dengan konsentrasi silika yang berbeda .
24
Bab V
Kesimpulan dan Saran
V. 1. Kesimpulan -
-
-
Kesimpulan dari penelitian ini antara lain: Peningkatan waktu evaporasi pada proses pembuatan membran dengan metode inversi fasa kering-basah menghasilkan membran dengan sifat konduktivitas yang lebih rendah dan permselektivitas yang lebih tinggi. Membran yang dibuat dengan menggunakan konsentrasi PSf dalam solven (larutan matriks polimer) 25 %-berat memiliki konduktivitas dan permselektivitas yang lebih tinggi daripada pada konsentrasi 20 %-berat. Membran dengan konsentrasi silika 0,5 %-berat menunjukkan konduktivitas yang lebih tinggi dan permselektivitas yang sedikit menurun jika dibandingkan dengan membran penukar heterogen tanpa silika. Sedangkan pada konsentrasi silika yang lebih tinggi (1,0 dan 1,5 %-berat), nilai permselektivitas membran meningkat dan konduktivitasnya cenderung menurun. Penambahan konsentrasi silika lebih tinggi (2%-berat) mengakibatkan viskositas larutan casting meningkat lebih lanjut sehingga tidak dapat dibentuk membran.
V. 2. Saran -
-
Saran yang dapat diberikan untuk penelitian ini antara lain: Pada proses pembuatan membran, resin harus dijaga tetap kering sebelum dicampurkan ke dalam larutan casting. Hal ini dapat dilakukan dengan menyimpan resin ke dalam desiccator (atau dikeringkan dalam oven selama 24 jam, temperatur 60oC). Resin yang masih mengandung air dapat menyebabkan demixing (pemisahan dan pemadatan PSf dari larutan) dan tidak dapat tercampur dengan baik. Perlu dilakukan studi lebih lanjut pada pembuatan membran dengan kandungan resin yang lebih tinggi.
25
Daftar Pustaka 1. 2. 3.
4.
5.
6.
7. 8.
9.
10.
11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.
H. Strathmann, Ion-Exchange Membrane Separation Processes. Membrane Science and Technology Series. Vol. 9. 2004: Elsevier. Y. Tanaka, Ion Exchange Membrane Fundamentals and applications. Membrane Science and Technology Series. Vol. 12. 2007, Amsterdam: Elsevier. M.Y. Kariduraganavar, R.K. Nagarale, A.A. Kittur, S.S. Kulkarni, Ion-exchange membranes: preparative methods for electrodialysis and fuel cell applications. Desalination, 2006. 197: p. 225-246. P.V. Vyas, B.G. Shah, G.S. Trivedi, P. Ray, S.K. Adhikary, R. Rangarajan, Studies on heterogeneous cation-exchange membranes. Reactive and Functional Polymers, 2000. 44: p. 101-110. C. Klaysom, S.-H. Moon, B.P. Ladewig, G.Q.M. Lu, L. Wang, Preparation of porous ionexchange membranes (IEMs) and their characterizations. Journal of Membrane Science, 2011. 371: p. 37-44. R.K. Nagarale, V.K. Shahi, S.K. Thampy, R. Rangarajan, Studies on electrochemical characterization of polycarbonate and polysulfone based heterogen eous cation-exchange membranes. Reactive & Functional Polymers, 2004. 61: p. 131-138. C. Iojoiu, M. Maréchal, F. Chabert, J.Y. Sanchez, Mastering sulfonation of aromatic polysulfones: crucial for membranes for fuel cell application. Fuel Cells, 2005. 5: p. 344-354. S.M. Hosseini, S.S. Madaeni, A.R. Khodabakhshi, Preparation and characterization of ABS/HIPS heterogeneous anion exchange membrane filled with activated carbon. Journal of Applied Polymer Science, 2010. 118: p. 3371-3383. S.M. Hosseini, S.S. Madaeni, A.R. Khodabakhshi, Preparation and characterization of PC/SBR heterogeneous cation exchange membrane filled with carbon nano-tubes. Journal of Membrane Science, 2010. 362: p. 550-559. S.M. Hosseini, S.S. Madaeni, A.R. Heidari, A. Amirimehr, Preparation and characterization of ion-selective polyvinyl chloride based heterogeneous cation exchange membrane modified by magnetic iron–nickel oxide nanoparticles. Desalination, 2012. 284: p. 191-199. I.G. Wenten, Recent development in membrane science and its industrial applications. J Sci Technol Membrane Sci Technol, 2002. 24: p. 1010-1024. I.G. Wenten, Teknologi Membran dan Aplikasinya di Indonesia. 2010: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim, Pengantar Teknologi Membran. 2010: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. H. Strathmann, A. Grabowski, G. Eigenberger, Electromembrane processes, efficient and versatile tools in a sustainable industrial development. Desalination, 2006. 199: p. 1-3. T. Xu, Ion exchange membranes: State of their development and perspective. Journal of Membrane Science, 2005. 263: p. 1–29. I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, Khoiruddin, A.N. Hakim, Proses Pembuatan Membran. 2011: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. G.E. Molau, Heterogeneous ion-exchange membranes. Journal of Membrane Science, 1981. 8: p. 309-330. J. Wood, J. Gifford, J. Arba, M. Shaw, Production of ultrapure water by continuous electrodeionization. Desalination, 2010. 250: p. 973-976. I.G. Wenten, Khoiruddin, F. Arfianto, Zudiharto, Bench scale electrodeionization for high pressure boiler feed water. Desalination, 2013. 314: p. 109-114. Y. Ervan, I.G. Wenten, Study on the influence of applied voltage and feed concentration on the performance of electrodeionization. Songklanakarin J. Sci. Technol, 2002. 24: p. 955-963. I.N. Widiasa, P.D. Sutrisna, I.G. Wenten, Performance of a novel electrodeionization technique during citric acid recovery. Separation and Purification Technology, 2004. 39: p. 89–97. Khoiruddin, I.S. Yunus, J. Sucipto, I.G. Wenten, Application of Electrodeionization (EDI) for Humic Acid Removal, in The 5th AUN/SEED-Net Regional Conference on Global Environment. 2012: Bandung, Indonesia. p. 920-939.
26
23. I.N. Widiasa, I.G. Wenten, Combination of reverse osmosis and electrodeionization for simultaneous sugar recovery and salts removal from sugary wastewater. Reaktor, 2007. 11: p. 91-97. 24. S. Guan, S. Wang, Experimental studies on electrodeionization for the removal of copper ions from dilute solutions. Separation Science and Technology, 2007. 42: p. 949-961. 25. X. Feng, Z. Wu, X. Chen, Removal of metal ions from electroplating effluent by EDI process and recycle of purified water. Separation and Purification Technology, 2007. 57: p. 257-263. 26. C. Huang, T. Xu, Y. Zhang, Y. Xue, G. Chen, Application of electrodialysis to the production of organic acids: State-of-the-art and recent developments. Journal of Membrane Science, 2007. 288: p. 1–12. 27. J. Schauer, L. Brožová, Heterogeneous ion-exchange membranes based on sulfonated poly (1, 4phenylene sulfide) and linear polyethylene: preparation, oxidation stability, methanol permeability and electrochemical properties. Journal of membrane science, 2005. 250: p. 151157. 28. R.K. Nagarale, G.S. Gohil, V.K. Shahi, Recent developments on ion-exchange membranes and electro-membrane processes. Advances in Colloid and Interface Science, 2006. 119: p. 97 – 130. 29. Y.-J. Choi, M.-S. Kang, S.-H. Moon, A new preparation method for cation-exchange membrane using monomer sorption into reinforcing materials. Desalination, 2002. 146: p. 287-291. 30. G. Gohil, V.K. Shahi, R. Rangarajan, Comparative studies on electrochemical characterization of homogeneous and heterogeneous type of ion-exchange membranes. Journal of membrane science, 2004. 240: p. 211-219. 31. P.V. Vyas, B.G. Shah, G.S. Trivedi, P. Ray, S.K. Adhikary, R. Rangarajan, Characterization of heterogeneous anion-exchange membrane. Journal of Membrane Science, 2001. 187: p. 39-46. 32. K. Bouzek, S. Moravcová, J. Schauer, L. Brožová, Z. Pientka, Heterogeneous ion-selective membranes: the influence of the inert matrix polymer on the membrane properties. Journal of Applied Electrochemistry, 2010. 40: p. 1005-1018. 33. J. Schauer, J. Hnát, L. Brožová, J. Žitka, K. Bouzek, Heterogeneous anion-selective membranes: Influence of a water-soluble component in the membrane on the morphology and ionic conductivity. Journal of Membrane Science, 2012. 401–402: p. 83-88. 34. Y. Oren, V. Freger, C. Linder, Highly conductive ordered heterogeneous ion-exchange membranes. Journal of Membrane Science, 2004. 239: p. 17-26. 35. S.M. Hosseini, S.S. Madaeni, A.R. Khodabakhshi, Preparation and characterization of ABS/HIPS heterogeneous cation exchange membranes with various blend ratios of polymer binder. Journal of Membrane Science, 2010. 351: p. 178-188. 36. S.M. Hosseini, S.S. Madaeni, A.R. Heidari, A.R. Khodabakhshi, Preparation and characterization of poly (vinyl chloride)-blend-poly (carbonate) heterogeneous cation exchange membrane: Investigation of solvent type and ratio effects. Desalination, 2012. 285: p. 253-262. 37. S.M. Hosseini, S.S. Madaeni, A.R. Khodabakhshi, Heterogeneous Cation Exchange Membrane: Preparation, Characterization and Comparison of Transport Properties of Mono and Bivalent Cations. Separation Science and Technology, 2010. 45: p. 2308-2321. 38. C. Klaysom, S.-H. Moon, B.P. Ladewig, G.Q.M. Lu, L. Wang, The effects of aspect ratio of inorganic fillers on the structure and property of composite ion-exchange membranes. Journal of Colloid and Interface Science, 2011. 363: p. 431-439. 39. R.K. Nagarale, V.K. Shahi, R. Rangarajan, Preparation of polyvinyl alcohol–silica hybrid heterogeneous anion-exchange membranes by sol–gel method and their characterization. Journal of Membrane Science, 2005. 248: p. 37-44. 40. I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim, Khoiruddin, Karakterisasi Membran. 2011: Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. 41. C. Barth, M. Goncalves, A. Pires, J. Roeder, B. Wolf, Asymmetric polysulfone and polyethersulfone membranes: effects of thermodynamic conditions during formation on their performance. Journal of Membrane Science, 2000. 169: p. 287-299. 42. J. Barzin, B. Sadatnia, Theoretical phase diagram calculation and membrane morphology evaluation for water/solvent/polyethersulfone systems. Polymer, 2007. 48: p. 1620-1631.
27
43. A. Conesa, T. Gumí, C. Palet, Membrane thickness and preparation temperature as key parameters for controlling the macrovoid structure of chiral activated membranes (CAM). Journal of membrane science, 2007. 287: p. 29-40. 44. P. Van de Witte, P. Dijkstra, J. Van den Berg, J. Feijen, Phase separation processes in polymer solutions in relation to membrane formation. Journal of Membrane Science, 1996. 117: p. 1-31. 45. Z. Zhang, Q. An, Y. Ji, J. Qian, C. Gao, Effect of zero shear viscosity of the casting solution on the morphology and permeability of polysulfone membrane prepared via the phase-inversion process. Desalination, 2010. 260: p. 43-50. 46. G. Ye, C. Hayden, G. Goward, Proton dynamics of Nafion and Nafion/SiO2 composites by solid state NMR and pulse field gradient NMR. Macromolecules, 2007. 40: p. 1529-1537.
28
