PEMBUATAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI POLISULFON Kelompok A.01.3.06 Arifin Noor 13097075 danYurisko 13097053 Pembimbing : Dr. Ir. I Gede Wenten ABSTRAK Membran merupakan salah satu teknologi alternatif yang banyak di gunakan pada saat ini, terutama dalam proses pemisahan dan pemurnian. Teknologi membran ini digunakan sebagai pengganti dari proses pemisahan konvensional yang masih banyak digunakan. Hal ini disebabkan karena teknologi membran ini lebih ramah lingkungan dan juga hemat dalam penggunaan energi dibandingkan teknologi yang ada pada saat ini, tetapi Indonesia belum memiliki teknologi dalam fabrikasi membran sehingga pengadaannya masih mengimpor dari negara-negara lain Tujuan penelitian ini adalah mempelajari proses pembuatan membran datar dengan menggunakan mesin casting dan mempelajari pengaruh konsentrasi polimer, waktu evaporasi, dan temperatur bak koagulasi terhadap pembentukan membran. Pada penelitian ini, disain peralatan pembuatan membran masih mengalami penyempurnaan. Untuk optimasi parameter proses, maka dilakukan percobaan secara secara manual dengan metode inversi fasa, presipitasi imersi. Larutan polimer yang digunakan pada proses pembuatan membran ini terdiri dari polisulfon (PSf), polietilen glikol 600 (PEG), dan dimetil asetamida (DMAc). Air digunakan sebagi koagulan. Membran yang dihasilkan dikarakterisasi untuk mengetahui permeabilitas dan molecular weight cut off (MWCO). Hasil yang diperoleh pada penelitian ini menunjukkan adanya penurunan permeabilitas dari 345,2 l/m2.jam.bar menjadi 150,5 l/m2.jam.bar untuk tekanan operasi yang sama yaitu 0,5 bar akibat kenaikan konsentrasi polisulfon dari 17 %-b sampai 23 %-b dalam larutan polimer. Penurunan Permeabillitas juga terjadi dari 232,6 l/m2.jam.bar menjadi 20,62 l/m2.jam.bar pada tekanan operasi yang sama yaitu 0,5 bar akibat kenaikan waktu evaporasi membran dari 10 detik hingga 30 detik di udara. Kenaikan temperatur bak koagulasi mengakibatkan kenaikan permeabilitas dari 80,40 l/m2.jam.bar menjadi 241,25 l/m2.jam.bar pada tekanan operasi 0,5 bar. Kata kunci: Mesin Casting, Inversi fasa 1.
PENDAHULUAN Teknologi pemisahan menggunakan lapisan membran sebagai medium pemisah merupakan teknik terbaru terutama dalam industri proses yang menjanjikan beberapa kelebihan dibandingkan dengan teknologi pemisahan yang selama ini digunakan. Teknologi membran ini mulai dikembangkan sejak tahun 1960-an sebagai akibat dari pertumbuhan industri-industri di bidang pemrosesan seperti, industri bioteknolgi, industri farmasi, dan industri makanan yang melibatkan proses-proses yang amat canggih. Pengggunaan membran semakin meningkat seiring dengan meningkatnya isu pencemaran lingkungan dan meningkatnya konsumsi energi dalam perkembangan industri dimasa mendatang. Keberadaan membran mampu menjawab permasalahan tersebut, karena membran mempunyai banyak keuntungan dalam berbagai aplikasinya dibandingkan proses-proses yang digunakan sebelumnya salah satunya adalah kebutuhan energi yang tidak terlalu besar dalam operasinya.Teknologi membran dapat dikatakan sebagai ‘teknologi bersih’ yang tidak menambahkan zat-zat lain, yang sebenarnya malah lebih mengotori lingkungan. Hal ini dikarenakan proses pemisahan oleh membran dilakukan berdasarkan perbedaan ‘kecepatan’ zat dalam membran, bukan berdasarkan kesetimbangan fasa ataupun mekanik. Proses pemisahan dengan menggunakan membran tidak memerlukan kehadiran zat-zat tambahan, baik sebagai pengekstrak, pengadsorb ataupun zat-zat lainnya. Selain keuntungan-keuntungan yang telah disebutkan diatas, teknologi membran juga mempunyai keterbatasan-keterbatasan seperti, masalah optimasi antara fluks dan selektivitas, polarisasi konsentarsi, pendeknya umur membran, dan sensitivitas material.
Kebutuhan membran yang semakin meningkat seiring dengan makin banyaknya aplikasi membran di bidang industri dalam beberapa tahun terakhir ini. Kebutuhan membran yang semakin meningkat ini belum mampu dipenuhi oleh negara Indonesia yang selama ini masih mengimpor dari dari beberapa negara seperti, Amerika, Australia, Jepang, dan beberapa negara Eropa. Hal ini tentu saja mengakibatkan harga membran menjadi sangat mahal bila dibandingkan dengan membuatnya sendiri di dalam negri. Terlebih lagi pasar membran di dalam negri terus meningkat, yang didasarkan pada banyaknya industri di Indonesia serta besarnya jumlah penduduk Indonesia. Kondisi ini mendorong perlunya membuat membran di Indonesia dengan menggunakan peralatan casting yang di rancang sendiri di Indonesia. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari proses pembuatan membran datar dengan menggunakan mesin casting dan mempelajari pengaruh konsentrasi polimer, waktu evaporasi, dan temperatur bak koagulasi terhadap pembentukan membran. Penelitian ini dimulai dengan merancang peralatan mesin casting, kemudian membuat peralatan tersebut sehingga dapat digunakan untuk membuat membran datar. Larutan yang digunakan untuk membuat membran datar ini menggunakan polimer polisulfon, polietilen glikol 600, dan pelarut dimetil asetamida. Untuk optimasi parameter proses untuk keperluan perancangan, maka larutan polimer yang dibuat ini cetak diatas non-woven poliester secara manual. Parameter proses yang divariasikan pada pembuatan membran ini adalah waktu evaporasi (air gap) dan konsentrasi polimer polisulfon. Mambran datar yang terbentuk kemudian dikarakterisasi dengan metode permeabilitas untuk mengetahui produktivitas membran dan uji rejeksi polietilen glikol untuk mengetahui molecular weight cut off (MWCO) membran. 2.
TEORI DASAR Kata membran berasal dari bahasa latin ”membrana ” yang berarti potongan kain. Saai ini istilah membrane didifinisikan sebagai lapisan tipis (film) yang fleksibel, pembatas antara dua fasa yang bersifat semipermeabel. Membran dapat berupa padatan maupun cairan, dan berfungsi sebagi media pemisah yang selektif berdasarkan perbedaan koefisien difusivitas, muatan listrik, atau perbedaan kelarutan. Motode pembuatan membran yang digunakan pada penelitian ini adalah metode inversi fasa yang mencakup teknik presipitasi imersi. Inversi fasa adalah suatu proses pengubahan bentuk polimer dari fasa cair menjadi padatan dengan kondisi terkendali. Proses pemadatan ini diawali dengan transisi dari fasa cair satu ke fasa cairan (liquid-liquid demixing). Pada tahap tertentu selama proses demixing, salah satu fasa cair (fasa polimer konsentrasi tinggi) akan memadat sehingga terbentuk matriks padat. Pengendalian tahap awal transisi fasa akan menentukan morfologi membran yang dihasilkan. Membran komersial yang tersedia biasanyan dibuat melalui teknik presipitasi imersi. Larutan polimer dicetak pada suatu penyangga, kemudian dicelupkan kedalam bak koagulasi yang mengandung non-pelarut. Struktur membran ditentukan oleh kombinasi perpindahan massa dan pemisahan fasa. Semua proses inversi fasa didasari oleh prinsip termodinamika yang sama. Secara garis besar prosedur pembuatan membran asimetrik adalah sebagai berikut: 1. Melarutkan polimer dalam pelarut yang sesuai untuk membentuk larutan catak (dope) dengan komposisi polimer dan pelarut tertentu. 2. Pencetakan film dengan ketebalan tertentu dari dope yang telah di buat, diikuti dengan penguapan pelarut (evaporasi) dalam rentang waktu tertentu. 3. Proses presipitasi dengan mengendapkan cetakan film ke dalam bak koagulasi yang berisi nonpelarut. Selama proses presipitasi, larutan polimer yang homogen akan membentuk lapisan padat yang terdiri atas dua bagian lapisan yaitu, struktur rapat tak berpori yang membentuk lapisan dense pada permukaan membran dan struktur berpori yang membentuk lapisan pendukung di bagian baawah membran. Hal ini yang membentuk struktur membran asimetrik. 4.
PERCOBAAN Langkah-langkah percobaan yang dilakukan pada penelitian ini meliputi beberapa tahap meliputi : a. Merancang peralatan casting. b. Mengoptimasikan variasi percobaan yang meliputi pengaruh konsentrasi polimer dan waktu evaporasi dengan menggunakan palat kaca.
2
c.
Melakukan karakterisasi terhadap membran yang dihasilkan yang meliputi uji permeabilitas dan uji rejeksi.
Bahan yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari polimer polisulfone, pelarut dimetil asetamida, dan polietilen glikol sebagai aditif. Air digunakan sebagai koagulan. 4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Rancangan Alat Hasil Penelitian Gambar rancangan peralatan casting ditunjukkan oleh gambar 1 di bawah ini.
Gambar 1 Rancangan Peralatan Casting 4.2 Pengaruh Konsentrasi Polimer Pada penelitian ini, konsentrasi polisulfon penelitian menunjukkan hasil sebagai berikut :
divariasikan pada 17, 20, dan 23 %b. Hasil Tabel 1 Pengaruh konsentrasi polimer dalam larutan
Fluks (l/m2.jam)
polimer terhadap permeabilitas membran 180
Konsentarasi
Luas
160
Polisulfon
membran
( %-b )
( m2 )
TMP
140 120 100
17 %-b polisulfon
80 60
17 %-b
40
20 %-b
23 %-b polisulfon
20 0,1
0,2
0,3
45.3146 45.3146
0 0
45.3146 45.3146
20 %-b polisulfon
0,4
0,5
0,6
0,7
23 %-b
0,8
45.3146 45.3146
Tekanan (bar)
( bar )
Fluks
( l/m2.jam )
Permeabilitas
( l/m2.jam.bar )
0.5
172.6
345,2
0.6
159.43
265,716
0.5
116.3
232,6
0.6
127.85
213,083
0.5
75.25
150,5
0.6
85.93
143,217
Gambar 2 Kurva hubungan antara fluks air terhadap tekanan pada membran yang dibuat pada konsentrasi polimer 17, 21, 24 %-b.
4.3 Pengaruh Waktu Evaporasi Pada penelitian ini waktu evaporasi membran di udara diatur selama 10, 20, dan 30 detik. Hasil penelitian menunjukkan hasil sebagai berikut :
3
Tabel 2 Pengaruh waktu evaporasi terhadap permeabilitas
140
membran
Fluks (l/m2.jam)
120 100 80 W aktu evaporasi 10s
Waktu
Luas
evaporasi
membran
TMP
Permeabilitas
Fluks
60 W aktu evaporasi 20s
40
( detik )
W aktu evaporasi 30s
20
10
( m2 ) 45.3146 45.3146
0 0,48
0,5
0,52
0,54 0,56 Tekanan (bar)
0,58
0,6
0,62
20
45.3146 45.3146
Gambar 3 Kurva hubungan fluks air dan tekanan pada
30
45.3146 45.3146
membran yang dibuat pada variasi waktu evaporasi 10, 20
( bar )
( l/m2.jam )
( l/m2.jam.bar )
0.5
116.3
232,6
0.6
127.85
213,083
0.5
80.4
160,8
0.6
93.85
156,417
0.5
10.31
20,62
0.6
10.67
17,783
, 30 detik
4.4 Pengaruh Temperatur Bak Koagulasi Temperatur bak koagulasi pada penelitian ini divariasikan pada 26 oC, 35 oC, dan 55 oC. Hasil penelitian menunjukkan hasil sebagi berikut: Tabel 3 Pengaruh temperatur bak koagulasi terhadap permeabilitas membran
180,00
Temperatur
160,00 140,00 Fluks (l/m2.jam)
Luas
TMP
Fluks
Permeabilitas
membran Temperatur 26 oC
120,00
Temperatur 35 oC
100,00
Temperatur 55 oC
( oC )
( m2 )
( bar )
( l/m2.jam )
( l/m2.jam.bar )
80,00 60,00
26 35
20,00
45.3146 45.3146
0,00 0,48
45.3146 45.3146
40,00
0,5
0,52
0,54
0,56
0,58
0,6
0,62
55
45.3146 45.3146
Tekanan (bar)
0.5
40,20
80,40
0.6
56,31
93,85
0.5
56,03
112,06
0.6
87,16
145,27
0.5
120,63
241,25
0.6
158,50
264,17
Gambar 4 Kurva hubungan fluks air dan tekanan pada membran yang dibuat pada variasi temperatur bak koagulasi 26 oC, 35 oC, 55 oC.
5.
KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian yang telah diperoleh maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Peningkatan konsentrasi polimer dalam larutan polimer pada proses casting akan menyebabkan penurunan permeabilitas pada membran yang terbentuk. 2. Waktu eavporasi membran di udara yang semakin lama akan menurunkan permeabilitas membran yang terbentuk. 3. Temperatur bak koagulasi yang makin tinggi akan mengakibatkan permeabilitas membran yang makin tinggi pula. 4. Parameter konsentrasi polimer, waktu evaporasi, dan temperatur bak koagulasi akan mempengaruhi membran yang dihasilkan oleh peralatan casting.
4
UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini kami ingin mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang telah banyak membantu dalam penyelesaian laporan penelitian ini, terutama kepada: 1. Dr. Ir. I Gede Wenten, selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan dan pengarahan. 2. Dr. Ir. IDG Arsa Putrawan, selaku koordinator mata kuliah TK-470 Penelitian. 3. Orang tua serta saudara-saudara kami. 4. Rekan-rekan laboratorium Proses Hilir PPAU Bioteknologi ITB 5. Karyawan di Departemen Teknik Kimia ITB atas bantuannya selama penelitian ini berjalan. 6. Teman-teman angkatan ’97 di Departemen Teknik Kimia ITB. DAFTAR PUSTAKA 1. Gimenes. Antonio,”Membranes Procesess and Applications”, Universidadde Valladolid, Los Autores, 1993. 2. Mulder. Marcel,”Basic Principle of Membrane Technology”, Second Edition, University of Twente, Enschede, The Nederlans, 1996. 3. Parekh. Bipin,”Reverse Osmosis Technology”, Application of High Purity Water Product, Marcel Dekker Ins, New York, 1988. 4. S. Sourirajan,”Reverse Osmosis Technic, Teory, and Applications”, Academic Press New York, 1977. 5. Sourirajan. S, Matsuura. Takhesi,”Reverse Osmosis/ Ultrafiltration Process Principles”, National Reaserch Council, Canada, 1985. 6. Wenten. I G ,”Teknologi Membran Industrial,” ITB, Bandung. 7. Sirkar dan Winston,”Membrane Handbook”, Van Nostrand Reinhold, New York, !992. 8. Baker, Et Al,”Membrane Separation System”, Noyes Data Corporation, New Jersey, 1991. 9. Burn and Roe Industrial Service Corporation,”Reverse Osmosis Technical Manual”, New Jersey, 1979 10. Hidranautics,”High Performance Membrane Product”, USA, 1996. 11. GKSS,”1st Workshop on Membrane Formation”, September 6, GKSS Forcchungs ZentrumGeesth Acht Gmbb. 12. Wolfang. P, Axel. W,”Synthetic Membranes Preparations, Structur, and Applications”, eighth Book. 13. Robert E. Kesting and Irvine, 1985,”Synthetic Polymeric Membranes”,2nd Edition,John Wiley & Sons Ltd. 14. Mark C. Porter, 1990,”Handbook of Industrial Membrane Technology”,Noyes Publication, Park Ridge, New Jersey. 15. Keith Scott, 1995, “Handbook of Industial membranes”, 1st edition, Elsevier Advanced Technology
5
