PENGARUH ADITIF PADA PEMBUATAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI BERBASIS POLISULFON UNTUK PEMURNIAN AIR GAMBUT LAPORAN PENELITIAN. Anita Kusuma Wardani

PENGARUH ADITIF PADA PEMBUATAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI BERBASIS POLISULFON UNTUK PEMURNIAN AIR GAMBUT LAPORAN PENELITIAN

Anita Kusuma Wardani

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Mei 2013

Pengaruh Aditif pada Pembuatan Membran Ultrafiltrasi Berbasis Polisulfon untuk Pemurnian Air Gambut

Anita Kusuma Wardani Teknik Kimia, Institut Teknologi Bandung

ABSTRAK Air gambut merupakan air permukaan yang terdapat pada lahan bergambut. Indonesia memiliki potensi pemanfaatan air gambut yang tinggi, namun air gambut yang tersedia tidak dapat dimanfaatkan langsung sebagai sumber air bersih karena kandungan senyawa organik yang tinggi pada air gambut. Salah satu teknologi pengolahan air yang dapat digunakan adalah membran ultrafiltrasi. Pemisahan menggunakan membran dipilih karena prosesnya sederhana, hemat energi, dan ramah lingkungan. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menganalisis pengaruh konsentrasi polietilen glikol (PEG), jenis nonpelarut, dan kondisi tekanan terhadap morfologi, permeabilitas, dan selektivitas membran ultrafiltrasi yang digunakan pada pemurnian air gambut. Penelitian dilakukan dengan pembuatan membran asimetrik berbasis polisulfon (PSf) dengan pelarut DMAc dan aditif PEG. Non-pelarut yang digunakan terdiri dari air dan larutan 10%-v DMAc. Metode yang digunakan pada pembuatan membran adalah metode inversi fasa tipe immersion precipitation. Hasil penelitian menunjukkan bahwa penambahan PEG mampu meningkatkan makrovoid finger-like pada lapisan struktural membran dan menurunkan sudut kontak. Laju permeasi dan rejeksi maksimum diperoleh pada membran dengan komposisi PSf 20%-b dan PEG 35%-b. Pada penambahan DMAc 10%-v pada bak koagulasi, terjadi pengurangan ukuran makrovoid, fluks air murni membran menurun dan rejeksi cenderung meningkat. Peningkatan kondisi tekanan menyebabkan peningkatan fluks air murni dan penurunan rejeksi air gambut. Kata kunci: permeabilitas, selektivitas, PEG, DMAc

i

Influence of Additives on Polysulfone-Based Ultrafiltration Membrane Preparation during Peat Water Filtration

Anita Kusuma Wardani Department of Chemical Engineering, Institut Teknologi Bandung

ABSTRACT Peat water is surface water in peatlands. Indonesia has the high potential for peat water use, but peat water can’t be used directly as a source of clean water due to a high content of organic compounds. One of water treatment technology that is often used is the ultrafiltration membrane. Separation using membrane chosen because the process is simple, energy efficient, and environmentally friendly. The purpose of this study was to analyze the influence of concentration of polyethylene glycol (PEG), type of non-solvent, and pressure on the morphology, permeability, and selectivity of ultrafiltration membranes are used in peat water purification. The study was conducted by making asymmetric membranes based on polysulfone (PSf) with DMAc solvent and additive of PEG. Non-solvent consisted of water and a solution of 10%-v DMAc. The method used in the preparation of membranes is phase inversion method with immersion precipitation. The results showed that the addition of PEG increase makrovoid finger-like on the membrane structural layer and decrease the contact angle. The maximum permeation rate and rejection is achieved on the composition of the membrane with PSf 20%-b and PEG 35%-b. On the addition of 10%-v DMAc in coagulation bath, reduction occur in the size of makrovoid, pure water flux decreased and rejection membrane tends to increase. Increased pressure conditions cause an increase in the pure water flux and decrease in peat water rejection. Keywords: permeability, selectivity, PEG, DMAc

ii

DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK i ABSTRACT .................................................................................................................................. ii DAFTAR ISI ................................................................................................................................ iii BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................................. 1 1.1. Latar Belakang ................................................................................................................... 1 1.2. Rumusan Masalah .............................................................................................................. 2 1.3. Tujuan ................................................................................................................................ 2 1.4. Ruang Lingkup ................................................................................................................... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA................................................................................................... 3 2.1. Membran ............................................................................................................................ 3 2.1.1 Struktur Membran ........................................................................................................ 3 2.1.2 Tipe Membran Berdasarkan Perbedaan Driving Force ............................................... 4 2.2. Metode Pembuatan Membran ............................................................................................ 5 2.2.1. Metode Inversi Fasa .................................................................................................... 6 2.2.2 Modifikasi Membran .................................................................................................... 8 2.3. Membran Ultrafiltrasi......................................................................................................... 9 2.3.1. Sistem Transportasi ..................................................................................................... 9 2.3.2. Perkembangan Teknologi.......................................................................................... 10 2.3.3. Aplikasi ..................................................................................................................... 10 2.4. Karakterisasi Membran Ultrafiltrasi ................................................................................ 11 2.4.1. Permeabilitas ............................................................................................................. 11 2.4.2. Selektivitas ................................................................................................................ 12 2.4.3. Scanning Electron Microscope (SEM) ..................................................................... 13 2.4.4. Atomic Force Microscope (AFM) ............................................................................. 13 2.4.5. Sudut Kontak............................................................................................................. 14 2.4.6. Bubble Point .............................................................................................................. 15 2.5. Air Gambut ...................................................................................................................... 15 2.6. Polisulfon (PSf) ................................................................................................................ 16 2.7. Polietilen Glikol (PEG) .................................................................................................... 16 BAB III PELAKSANAAN PENELITIAN ................................................................................. 18

iii

3.1. Metodologi ....................................................................................................................... 18 3.2. Percobaan ......................................................................................................................... 18 3.2.1. Bahan ........................................................................................................................ 18 3.2.2. Alat ............................................................................................................................ 18 3.2.3. Prosedur .................................................................................................................... 19 3.2.4. Variasi ....................................................................................................................... 20 3.3. Interpretasi Data ............................................................................................................... 20 3.3.1. Perhitungan Fluks...................................................................................................... 20 3.3.2. Perhitungan Selektivitas ............................................................................................ 21 3.3.3. Fluks Recovery Ratio (FRR) ..................................................................................... 21 3.3.4. Sudut Kontak............................................................................................................. 21 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................................... 22 4.1. Penambahan PEG pada Larutan Membran ...................................................................... 22 4.1.1. Pengaruh Penambahan PEG terhadap Morfologi...................................................... 22 4.1.2. Pengaruh Penambahan PEG terhadap Sudut Kontak ................................................ 23 4.1.3. Pengaruh Penambahan PEG terhadap Permeasi ....................................................... 23 4.1.4. Pengaruh Penambahan PEG terhadap Rejeksi .......................................................... 24 4.2. Pengaruh Penambahan DMAc pada Non-pelarut ............................................................ 25 4.2.1. Pengaruh Penambahan DMAc terhadap Morfologi .................................................. 25 4.2.2. Pengaruh Penambahan DMAc terhadap Permeasi .................................................... 26 4.2.3. Pengaruh Penambahan DMAc terhadap Rejeksi ...................................................... 27 4.3. Pengaruh Kondisi Tekanan terhadap Permeasi dan Rejeksi ............................................ 27 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ...................................................................................... 29 5.1. Kesimpulan ...................................................................................................................... 29 5.2. Saran................................................................................................................................. 29 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................. 30

iv

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Air bersih merupakan salah satu komponen vital dalam kehidupan manusia. Kebutuhan air bersih akan terus meningkat seiring dengan pertumbuhan penduduk. Hingga saat ini, pemenuhan kebutuhan air bersih yang terus meningkat merupakan masalah yang umum terjadi di Indonesia. Walaupun Indonesia memiliki sumber daya air 3,22 triliun meter kubik per tahun, persentase pemenuhan air minum yang telah dilakukan oleh pemerintah hanya mencapai 47% dari total kebutuhan masyarakat Indonesia (Majalah Sustaining Partnership Desember 2011, hlm 4-5). Penyebab utama krisis air bersih tidak disebabkan oleh sumber daya air yang minim, namun karena pengelolaan air yang tidak tepat. Salah satu sumber air melimpah yang tidak digunakan secara efektif di Indonesia adalah air gambut. Air gambut merupakan air permukaan yang terdapat pada lahan bergambut. Sebagai negara keempat dengan luas lahan gambut terluas di dunia, Indonesia memiliki potensi pemanfaatan air gambut yang tinggi. Dari 20 juta hektar lahan gambut di Indonesia, 35% terletak di Pulau Sumatera, 30% di Pulau Kalimantan, 30% di Papua, dan 3% di Sulawesi (Sekjen Departemen Kehutanan, 2006). Namun air gambut yang tersedia tidak dapat dimanfaatkan langsung sebagai sumber air bersih. Hal ini disebabkan kandungan senyawa organik yang tinggi pada air gambut. Kandungan senyawa organik menyebabkan air gambut berwarna coklat. Air gambut yang digunakan untuk mencuci akan meninggalkan noda kecoklatan pada permukaan pakaian atau perlengkapan rumah tangga. Selain itu, air gambut mengandung senyawa logam dengan kadar yang cukup tinggi dan bersifat asam. Gabungan kedua karakteristik ini menjadikan air gambut bersifat korosif sehingga tidak dapat digunakan untuk peralatan yang terbuat dari logam. Oleh karena itu, dibutuhkan suatu teknologi yang mampu mengurangi kadar senyawa tersebut sehingga air gambut dapat dijadikan sebagai sumber air bersih. Salah satu teknologi pengolahan air yang sering digunakan adalah membran ultrafiltrasi. Pemisahan menggunakan membran dipilih karena prosesnya sederhana, hemat energi, dan ramah lingkungan [1]. Selain itu, kemurnian produk yang dihasilkan lebih tinggi daripada teknologi konvensional. Di Indonesia, penggunaan teknologi membran tergolong baru. Namun penggunaannya terus mengalami perkembangan. Parameter penting yang menentukan kinerja membran ultrafiltrasi terbagi menjadi dua, yaitu permeabilitas dan selektivitas. Permeabilitas merupakan kemampuan suatu spesi menembus membran, sedangkan selektivitas merupakan kemampuan membran menahan sejumlah tertentu kontaminan. Sehingga laju alir produk ditentukan oleh permeabilitas, sedangkan kemurnian produk ditentukan oleh selektivitas. Membran ultrafiltrasi dapat digunakan untuk menghilangkan senyawa organik dan logam pada air gambut hingga mencapai kadar tertentu. Salah satu jenis polimer yang sering digunakan untuk membuat membran ultrafiltrasi adalah polisulfon (PSf). Membran yang terbuat dari PSf memiliki struktur yang kuat, stabil pada pH 1-13, serta karakteristik mekanik yang baik. Kekurangan utama dari membran PSf adalah sifat hidrofobiknya [2]. Sifat hidrofobik meningkatkan kecenderungan terjadinya penyumbatan (fouling) pada membran. Metode paling mudah dan murah untuk menurunkan sifat hidrofobik membran adalah dengan pencampuran aditif yang mengandung gugus hidroksil, amina, atau karboksil dalam polimer pembuat membran [3]. Aditif yang digunakan pada penelitian ini adalah polietilen glikol (PEG). PEG dipilih karena sifatnya yang stabil, tidak bereaksi, serta tidak mudah terurai. 1

Pembuatan membran ultrafiltrasi yang telah ada biasanya menggunakan komposisi PEG yang kurang dari 20%-berat. Pada penelitian ini pembuatan membran ultrafiltrasi menggunakan komposisi PEG lebih dari 20%-berat. Selain komposisi PEG, variasi yang dilakukan meliputi komposisi PSf, jenis non-pelarut, dan tekanan operasi. 1.2. Rumusan Masalah Penggunaan air gambut sebagai air bersih di Indonesia masih memiliki banyak kendala. Air gambut harus mengalami pengolahan terlebih dahulu agar dapat digunakan sebagai untuk kebutuhan sehari-hari. Salah satu teknologi pengolahan yang memiliki potensi yang baik adalah membran ultrafiltrasi. Polimer yang sering digunakan untuk membuat membran ultrafiltrasi adalah PSf. Untuk memperbaiki karakteristik membran berbasis PSf, perlu ditambahkan aditif PEG pada saat pembuatan membran. Pada penelitian ini, dilakukan variasi konsentrasi PSf, konsentrasi PEG, jenis non-pelarut, dan tekanan operasi untuk menentukan pengaruhnya terhadap permeabilitas dan selektivitas membran. 1.3. Tujuan Tujuan penelitian ini adalah untuk menganalisis: a. pengaruh konsentrasi PEG pada skala tinggi; b. pengaruh jenis non-pelarut; dan c. pengaruh kondisi tekanan terhadap morfologi, permeabilitas, dan selektivitas membran ultrafiltrasi yang digunakan pada pemurnian air gambut. 1.4. Ruang Lingkup Ruang lingkup penelitian ini mencakup hal-hal berikut: a. Membran yang dibuat adalah membran ultrafiltrasi asimetrik. b. Variasi komposisi aditif (PEG) : 0%, 20%, 25%, 30%, dan 35% c. Variasi non-pelarut : air dan air + 10% DMAc d. Variasi tekanan : 10, 15, dan 30 psi

2

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Membran Membran merupakan penghalang yang bersifat selektif dan terletak di antara dua fasa yang dipisahkan [4]. Jenis membran yang sangat banyak dengan karakteristik yang berbeda-beda membuat membran sulit didefinisikan secara tepat dan menyeluruh. Membran dapat bersifat homogen atau heterogen, simetrik atau asimetrik, padat atau liquid, serta netral atau memiliki muatan. Secara umum, pemisahan yang terjadi pada membran dapat disimpulkan pada Gambar 2.1. Aliran umpan masuk ke dalam membran, terpisah menjadi dua aliran, yaitu permeat dan retentat. Permeat merupakan hasil pemisahan yang diinginkan, ditunjukkan oleh panah biru dan merah. Retentat dtunjukkan oleh panah kuning dan hijau.

Gambar 2.1. Aliran pada membran Aplikasi membran telah merambah ke berbagai industri diantaranya industri logam (metal recovery, pengendalian polusi, pengayaan udara untuk pembakaran), industri makanan, bioteknologi (pemisahan, pemurnian, sterilisasi, perolehan produk samping), serta industri kulit dan tekstil (sensible heat recovery, pengendalian polusi, perolehan bahan-bahan kimia) [1]. Teknologi membran juga telah diaplikasikan untuk skala kecil hingga rumah tangga seperti produksi air minum dan air bersih untuk keperluan sehari-hari [5]. Saat ini proses pemisahan konvensional seperti distilasi, kristalisasi, dan ekstraksi dilakukan menggunakan bantuan membran. Membran dipilih karena memiliki beberapa keuntungan, yaitu proses pemisahan dapat dilakukan secara kontinyu, konsumsi energi yang rendah, dapat dengan mudah digabungkan dengan proses pemisahan lain, kondisi operasi pemisahan (tekanan dan temperatur) lunak, mudah digunakan pada skala industri, karakteristik membran dapat ditentukan, serta tidak memerlukan tambahan zat lain.

2.1.1 Struktur Membran Membran dapat memiliki struktur simetrik dan asimetrik. Membran simetrik memiliki struktur lapisan yang homogen sedangkan membran asimetrik memiliki struktur yang heterogen. Perbedan struktur membran simetrik dan asimetrik ditunjukkan pada Gambar 2.2 dan 2.3.

3

Gambar 2.2. Struktur membran simetrik mikroporous (kiri) dan simetrik dense (kanan) Membran dengan struktur simetrik mikroporous memiliki struktur pori yang sangat rapat dan saling berhubungan antar pori. Pori-pori ini memiliki ukuran yang sangat kecil, yaitu berdiameter antara 0,01-10 μm. Semua partikel yang berukuran lebih besar dari pori-pori terbesar benar-benar ditolak oleh membran. Sedangkan membran simetrik dense merupakan membran yang terdiri dari suatu lapisan padat dan rapat, sehingga proses pemisahan berlangsung secara difusi dan semua partikel dapat ditolak.

Gambar 2.3. Struktur membran asimetrik Loeb-Sourirajan (kiri) dan asimetrik komposit (kanan) Membran asimetrik Loeb-Sourirajan memiliki ukuran pori yang bervariasi, dengan distribusi pori terkecil di bagian atas dan semakin ke bawah ukuran pori semakin membesar. Sedangkan membran asimetrik komposit merupakan perpaduan lapisan polimer yang sangat tipis (0,1-1 μm) yang terletak di atas lapisan polimer tebal (100-200 μm). Pada umumnya lapisan tipis berupa lapisan dense yang menentukan kinerja membran, dan lapisan tebal berupa lapisan berpori yang menentukan besarnya laju pemisahan. Saat ini membran asimetrik banyak digunakan untuk membran dengan gaya dorong berupa perbedaan tekanan, seperti membran ultrafiltrasi, mikrofiltrasi, osmosis balik, atau pemisahan gas, proses-proses yang membutuhkan laju perpindahan yang tinggi dan stabilitas mekanik yang baik. Keuntungan dari membran asimetrik ialah permukaan membran akan menahan partikel yang tidak dapat melewatinya dan partikel ini dapat dihilangkan dengan mengalirkan air atau larutan umpan sejajar dengan permukaan membran. Membran asimetrik pertama kali dibuat dari polimer selulosa asetat, menghasilkan laju alir yang 10 hingga 100 kali lebih tinggi daripada membran simetrik. Metode yang biasa digunakan untuk pembuatan membran asimetrik ada dua, yaitu metode inversi fasa dan pembentukan struktur komposit. Metode yang lebih sering digunakan ialah metode inversi fasa. 2.1.2 Tipe Membran Berdasarkan Perbedaan Driving Force Proses-proses membran dapat diklasifikasikan berdasarkan gaya dorongnya (driving force) yang berupa beda tekanan, beda konsentrasi, beda temperatur, dan beda potensial listrik [6] seperti yang ditunjukkan oleh table 2.1. 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, elektrodeionisasi) sebagai gaya dorongnya.

4

Perbedaan Tekanan

Tabel 2.1. Tipe membran berdasarkan driving force Perbedaan Perbedaan Perbedaan Konsentrasi Tegangan Listrik Temperatur

 Mikrofiltrasi  Ultrafiltrasi  Nanofiltrasi  Osmosis balik

 Pemisahan gas  Pervaporasi  Membran kontaktor  Dialisis  Difusi-dialisis

 Elektrodialisis  Elektrodeionisasi  Elektrolisis

 Membran distilasi  Termo-osmosis  Termodialisis

Untuk membran dengan pemisahan berdasarkan perbedaan tekanan, dapat dibagi menjadi berikut mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan osmosis balik (RO). Perbedaan tekanan pada keempat jenis membran tersebut disebabkan oleh perbedaan pori, seperti yang disajikan pada tabel 2.2. Tabel 2.2. Karekteristik membran dengan driving force perbedaan tekanan Membranes Microfiltration Symmetric Structure porous

Ultrafiltration

Nanofiltration

asymmetric porous

Composite Sublayer ≈ 150 μm; toplayer ≈ 1 μm <2 nm

Reverse Osmosis Asymmetric or composite Sublayer ≈ 150 μm; toplayer ≈ 1 μm <2 nm brackish water (15-25 bar), seawater (40-80 bar)

Thickness

≈ 10-150 μm

≈ 150 μm

Pore Sizes

≈ 0.05-10 μm

≈ 1-100 nm

Driving force

Pressure (< 2 bar)

Pressure (1-10 bar)

Pressure (10-25 bar)

Separation principle

Sieving mechanism

Sieving mechanism

Solution diffusion

Solution diffusion

Particles, clay, bacteria

Macro molecules, proteins, polysaccharides, vira

HMWC, mono-, di, oligosaccharides, polyvalent neg.ions

HMWC, LMWC, NaCl, glucose, amino acid

Polymeric, ceramic

Polymeric (e.g. polysulfone [PS] , polyacrylonitrile [PAN]) Ceramic (e.g. zirconium oxide, aluminium oxide)

Polyamide (interfacial polymerization)

Cellulose triacetate, aromatic polyamide, Polyamide & polyetherurea (interfacial polymerization)

Rejection of

Membrane material

2.2. Metode Pembuatan Membran Kinerja membran sangat tergantung pada karakteristik membran, dan karakteristik tersebut diperoleh melalui material dan teknik preparasi yang berbeda. Material yang digunakan pada pembuatan membran dapat berupa polimer, senyawa inorganik (keramik, zeolit, logam, kaca, atau karbon), cairan, atau kombinasi ketiga bahan menjadi membran mixed-matrix. Berbagai bahan sintetik dapat digunakan untuk membuat membran. Bahan tersebut dapat berupa materi organic (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 [7]. Dalam aplikasinya, membran biasanya digunakan dalam bentuk modul-modul yang merupakan satuan unit terkecil dari unit membran. Konfigurasi modul secara umum dapat dibedakan menjadi

5

konfigurasi membran tubular dan membran lembaran (flat sheet). Dua modul membran yang paling umum dijumpai di pasaran adalah hollow fiber dan spiral wound. 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 (pre-treatment). Modul hollow fiber memiliki packing density yang paling tinggi dibandingkan jenis modul lainnya, termasuk pula paling mudah dibersihkan, self-supporting, dan memiliki luas permuakaan per volume yang tinggi [8]. Dari segi harga, hollow fiber dan spiral wound lebih kompetitif dibanding modul lainnya. Teknik preparasi membran hollow fiber ditunjukkan pada gambar 2.4.

Gambar 2.4. Variasi teknik preparasi membran 2.2.1. Metode Inversi Fasa Inversi fasa merupakan salah satu metode yang paling sering digunakan untuk membuat membran asimetrik. Secara umum pembuatan membran menggunakan metode inversi fasa meliputi tahapan berikut.

Gambar 2.5. Proses pembentukan membran a. Polimer dilarutkan dalam pelarut yang sesuai dengan perbandingan sebesar 10-30% berat polimer. b. Terjadi pertukaran antara pelarut dan non-pelarut.

6

c. Polimer mengeras akibat keluarnya pelarut dari matiks membran. d. Pengerasan lebih lanjut hingga pelarut sudah tidak bisa keluar lagi dari matriks membran. Pada saat perendaman, larutan polimer yang homogen akan terpisah menjadi dua fasa: fasa kaya polimer dan fasa kaya pelarut. Fasa kaya polimer kemudian akan mengendap membentuk membran. Proses pengendapan pada polimer tidak terjadi secara serentak, lapisan paling luar akan mengeras terlebih dahulu membentuk pori yang lebih kecil. Hal inilah yang menyebabkan terbentuknya membran asimetrik. Struktur membran yang dibuat dengan metode inversi fasa tidak selalu sama, tergantung prosedur pembuatannya. Beberapa paremeter yang mempengaruhi struktur dan karakteristik membran yang dibuat dengan metode inversi fasa ialah jenis dan konsentrasi polimer, jenis pelarut, jenis nonpelarut, laju penguapan, serta temperatur penguapan. Hal yang perlu diperhatikan dalam memilih pelarut polimer, pelatur, dan non-pelarut ialah sifat-sifat zat tersebut, sesuai atau tidak. Pengaruh konsentrasi polimer terhadap karakteristik membran tidak dapat dikuantifikasi. Semakin tinggi konsentrai polimer pada larutan, maka ukuran pori, kecepatan mengendap, dan permeabilitas menurun sementara kemampuan menahan partikel akan meningkat. Sedangkan laju penguapan yang tinggi cenderung membentuk membran dengan struktur seperti jari, laju penguapan yang lambat membentuk struktur seperti busa padat, dan laju yang sangat lambat akan membentuk membran simetrik. Fenomena ini dapat diamati menggunakan mikroskop optik. Terdapat beberapa teknik penyiapan membran menggunakan metode inversi fasa, yaitu pengendapan melalui penguapan pelarut, pengendapan fasa uap, pengendapan melalui penguapan terkontrol, pengendapan termal, serta pengen dapan melalui perendaman. a. Pengendapan melalui penguapan pelarut Pengendapan melalui penguapan pelarut (precipitation by solvent evaporation) merupakan cara paling sederhana dalam menyiapkan membran dengan metode inversi fasa. Polimer dilarutkan, kemudian dicetak, dan pelarut dibiarkan menguap pada lingkungan gas inert dengan kondisi atmosferik. b. Pengendapan fasa uap Pada proses pengendapan fasa uap (precipitation from the vapour phase), polimer yang telah dicetak diletakkan pada lingkungan uap atomesferik yang mengandung non-pelarut yang jenuh dengan pelarut. Konsentrasi pelarut yang tinggi pada fasa uap menghambat penguapan pelarut dari fasa air. Pembentukan membran terjadi karena difusi non-pelarut ke dalam fasa cair. Membran yang terbentuk ialah membran berpori tanpa lapisan. c. Pengendapan melalui penguapan terkontrol Pada metode pengendapan melalui penguapan terkontrol (precipitation by controlled evaporation), dibentuk campuran polimer, pelarut, dan non-pelarut. Pelarut yang digunakan bersifat lebih mudah menguap daripada non-pelarut, sehingga komposisi non-pelarut akan semakin tinggi di dalam campuran selama pelarut menguap. Pengendapan terjadi dan membran berlapis (skinned membrane) terbentuk. d. Pengendapan termal Pada metode pengendapan termal (thermal precipitation), larutan polimer yang telah dicetak didinginkan agar pengendapan polimer terjadi. Teknik ini biasa digunakan untuk membuat memban mikrofiltrasi. e. Pengendapan melalui perendaman (immersion precipitation) Teknik pengendapan melalui perendaman (immersion precipitaion) pertama kali berhasil digunakan oleh Loeb dan Sourirajan untuk membuat membran reverse osmosis. Teknik ini paling sering digunakan untuk membuat membran berlapis. Larutan membran yang telah dicetak dibenamkan ke dalam non-pelarut dalam sebuah bak. Non-pelarut berdifusi ke dalam larutan menggantikan posisi pelarut sehingga endapan membran terbentuk. Konfigurasi membran yang dibentuk dengan teknik ini biasanya tipe flat membrane dan tubular membrane. Membran flat merupakan tipe membran

7

ultrafiltrasi yang paling banyak digunakan pada saat ini. Pembuatan membran flat juga sederhana sehingga sering digunakan untuk pengujian skala laboratorium. 2.2.2 Modifikasi Membran Aplikasi teknologi membran juga menghadapi beberapa hambatan dan tantangan seperti fluks yang rendah, selektivitas yang rendah, terjadinya fouling dalam pengoperasiannya, peralatan yang masih relative mahal, dan umur membran yang relative singkat [9]. Hambatan tersebut pada umumnya berhubungan dengan material dan desain membran. Oleh karena itu, saat ini telah banyak dikembangakan proses pembuatan memban yang meliputi penggunaan material baru, pembuatan dan modifikasi membran, dan perbaikan-perbaikan dalam proses desain termasuk operasinya. Sehingga proses pembuatan membran merupakan salah satu faktor penting yang menentukan keberhasilan aplikasi proses membran. Karena membran retentif terhadap solut atau partikel dalam umpan maka terjadi akumulasi solut atau partikel pada permukaan membran. Fenomena ini disebut sebagai polarisasi konsentrasi, yaitu peningkatan konsentrasi solut secara lokal di permukaan membran [10]. Pengaruh polarisasi konsentrasi ini bersifat reversibel karena dapat direduksi dengan penurunan tekanan lintas membran, pengurangan konsentrasi umpan atau peningkatan kecepatan aliran (turbulensi). Akumulasi solut atau partikel pada permukaan membran tersebut dapat mempengaruhi fluks dalam dua cara yang berbeda. Pertama, solut/partikel terakumulasi menimbulkan perbedaan tekanan osmosis yang menggerakkan aliran fluida balik dari sisi permeat ke sisi umpan. Pengaruh ini akan sangat jelas terlihat untuk kasus yang melibatkan solut kecil karena cenderung mempunyai tekanan osmosis yang besar. Kedua, solut/partikel terakumulasi dapat memberikan tahanan hidraulik tambahan terhadap perpindahan massa melalui membran. Di lain pihak, penurunan fluks karena fouling membran dapat ditimbulkan oleh mekanisme adsorpsi solut atau partikel, pembentukan lapisan gel, dan penyumbatan pori-pori membran. Semua faktor-faktor ini menimbulkan tahanan hidraulik tambahan terhadap perpindahan massa melalui membran. Mekanisme fouling dan kontribusinya terhadap kinerja membran sangat spesifik untuk setiap kasus. Tingkat fouling membran dipengaruhi oleh kondisi umpan, parameter morfologi membran (ukuran pori, distribusi ukuran pori, bentuk pori, porositas, bentuk permukaan lapisan selektif, dan tebal membran), sifat-sifat fisiko-kimia (sifat adsorpsi dan rapat muatan), dan hidrodinamika sistem (kecepatan aliran, tekanan operasi, konfigurasi modul, dan mode operasi) [11]. Ada beberapa strategi yang dapat digunakan untuk mengendalikan fouling, yaitu: membuat atau memodifikasi membran, memodifikasi atau pengolahan air umpan (pre-treatment), mengatur kondisi operasi, dan pencucian [12, 13]. Pencucian merupakan salah satu metode yang sering digunakan untuk menghilangkan foulant dari permukaan membran. Metode pencucian membran dapat dibedakan ke dalam empat golongan, yaitu pencucian hidraulik, pencucian mekanis, pencucian kimiawi, dan pencucian elektris. Pemilihan metode pencucian bergantung pada konfigurasi modul, tipe membran, ketahanan kimia, dan jenis foulant. Pencucian hidraulik meliputi backflushing, pressurize-depressurize tekanan, dan perubahan aliran pada frekuensi tertentu. Pada metode backflushing, arah aliran permeat dibalik secara periodik. Pada motode tersebut, produk dialirkan dari sisi permeat menuju sisi umpan. Metode tersebut mereduksi waktu operasi efektif juga menyebabkan kehilangan permeat ke larutan umpan. Hal ini menyebabkan backflush dalam aplikasi industri sangat terbatas sehingga diperlukan optimalisasi. Optimalisasi proses backflush dilakukan terhadap durasi dan interval backflush. Peningkatan laju produk setelah dilakukan backflush semata-mata merupakan fungsi tekanan backflush dan interval antara dua backflush. Belakangan ini, waktu interval backflush telah dikurangi hingga hitungan detik yang menandakan pula tahanan cake tetap rendah karena tidak sempat membentuk lapisan. Teknik backflush terbaru dengan frekuensi tinggi dan waktu yang sangat singkat juga telah dikembangkan. Dengan waktu bakcflush yang sangat singkat (0,06 detik) dan interval maksimum 5 detik (disarankan 1-3 detik) didapatkan hasil yang sangat baik [14, 15]. Karena waktu backflush efektif yang sangat singkat dan tekanan backflush yang relative tinggi (1 bar di atas tekanan umpan) metode ini disebut sebagai “backshock”. Kehilangan permeat selama backshock menjadi sangat rendah dan hampir tidak mempengaruhi aliran permeat. Teknik backshock yang dikombinasikan dengan struktur memban asimetrik terbalik memungkinkan filtrasi pada kecepatan crossflow yang sangat rendah dan fluks permeat yang sangat stabil. Backshock dengan frekuensi tinggi akan mencegah membran dari penyumbatan dan memungkinkan filtrasi dengan fluks yang sangat stabil [15]. Dengan metode tersebut,

8

permasalahan fouling membrane pada proses klarifikasi larutan tersuspensi (terutama untuk membran ultrafiltrasi dan mikrofiltrasi) dapat diatasi [16-18]. Metode lainnya yaitu pencucian mekanis, hanya dapat diterapkan pada sistem modul tubular seperti dengan metode ultrasonik. Adapun pencucian kimiawi merupakan metode yang paling penting untuk mereduksi fouling menggunakan bahan kimia yang dapat digunakan secara terpisah maupun terkombinasi. Konsentrasi bahan kimia dan waktu pencucian juga merupakan hal yang penting karena berkaitan dengan ketahanan membran terhadap bahan kimia. Pencucian secara elektrik merupakan metode pencucian yang sangat khusus. Dengan mengaplikasikan arus listrik melewati membran, partikel-partikel atau molekul-molekul bermuatan akan bermigrasi sesuai dengan arah arus listrik. Pencucian elektrik dapat dilakukan tanpa mengganggu proses yang sedang berjalan dimana arus listrik dihidupkan hanya pada interval-interval waktu tertentu [4]. Selain pencucian, fouling juga dapat dikendalikan dengan mengoperasikan membran di bawah fluks kritisnya [19]. Dengan metode seperti ini, penumpukan foulant dipermukaan membran dapat dihindari. Selain itu, membran dapat dioperasikan dengan fluks yang stabil. Fouling dapat dicegah dengan cara melakukan modifikasi permukaan membran. Modifikasi dapat dilakukan dengan metode coating, blending, grafting, maupun kombinasi. Coating adalah metode pelapisan membran dengan suatu lapisan aditif yang tipis yang melekat secara non-kovalen terhadap substrat, sedangkan blending adalah proses pencampuran dua (atau lebih) polimer secara fisik untuk mendapatkan karakteristik yang diperlukan, dan grafting merupakan metode pelapisan monomer secara kovalen ke membran. 2.3. Membran Ultrafiltrasi Ultrafiltrasi merupakan proses pemisahan menggunakan membran berpori asimetrik berdasarkan mekanisme sieving untuk memisahkan partikel berukuran 200 – 100.000 Da dari larutan. Membran ultrafiltrasi dapat dikelompokkan bersama membran nanofiltrasi dan mikrofiltrasi, yang membedakan ketiga membran tersebut hanyalah ukuran partikel yang ditahannya. Pada ketiga jenis membran tersebut, cairan umpan bertekanan dialirkan dan dikontakkan dengan membran. Pelarut dan komponen tertentu kemudian berdifusi menembus membran, sementara zat sisanya tertahan atau terbawa keluar. Molekul yang berukuran lebih besar dari pori membran akan tertahan, sementara partikel yang lebih kecil akan melewatinya, sehingga faktor yang paling berpengaruh terhadap rejeksi membran adalah ukuran dan bentuk molekul relatif terhadap ukuran pori membran. 2.3.1. Sistem Transportasi Membran ultrafiltrasi merupakan salah satu jenis membran berpori dengan ukuran pori antara 1-100 nm. Sistem transport fluida yang terjadi pada membran ultrafiltrasi adalah sistem aliran difusi Knudsen. Aliran Knudsen merupakan sistem difusi yang terjadi ketika fluida melalui suatu sistem dengan diameter yang jauh lebih kecil dari panjang aliran. Difusi terjadi karena molekul sering berbenturan dengan dinding pori.

Gambar 2.6. Sistem aliran difusi Knudsen Bilangan Knudsen umumnya digunakan untuk menyatakan standar difusi Knudsen. Bilangan Knudsen yang lebih besar dari 1 menyatakan bahwa difusi Knudsen memberikan pengaruh yang signifikan terhadap tranport fluida dalam pori. Bilangan Knudsen dapat dihitung dengan persamaan 2.1. 8𝑅𝑇

𝐷𝑘 = 0,66𝑟 √𝜋𝑀

𝑤

(2.1)

dengan r adalah jari-jari pori, T adalah temperatur (K), dan Mw adalah berat molekul rata-rata partikel terlarut.

9

2.3.2. Perkembangan Teknologi Membran ultrafiltrasi pertama kali diperkenalkan pada abad ke-19 dan digunakan untuk pemurnian pada skala laboratorium. Walaupun digunakan dalam jangka waktu yang cukup lama, membran ultrafiltrasi pertama belum memiliki kekuatan mekanik yang baik dan tingkat permeabilitas yang cukup untuk penggunaan pada skala industri. Perubahan besar terjadi setelah Loeb dan Sourirajan memperkenalkan membran asimetrik pertama pada tahun 1960-an. Teknik yang digunakan oleh Loeb dan Sourirajan memungkinkan pembentukan membran dengan berbagai karakteristik, bersifat lebih permeabel, namunmemiliki tingkatselektivitas yang tetap tinggi. Membran ini memiliki tingkat permeabilitas cukup tinggi sehingga memungkinkan untuk diterapkan pada skala industri. Pada tahun 1960-an membran ultrafiltrasi skala industri pertama dibuat di Amerika Serikat. Membran asimetrik pertama dibuat dari selulosa asetat, bahan yang memiliki sifat ketahanan terhadap bahan kimia yang terbatas, sehingga perlu ditemukan bahan polimer lain yang lebih baik. Beberapa waktu kemudian ditemukan bahwa polimer yang lebih inert lebih baik digunakankarena karakteristik membran asimetrik lebih ditentukan oleh teknik pembuatannya daripada bahan polimer yang digunakan.

Gambar 2.7. Perkembangan teknologi membran ultrafiltrasi [20] Saat ini telah banyak beredar membran ultrafiltrasi komersil dengan selektivitas yang baik, permeabilitas yang tinggi, serta tahan terhadap bahan kimia. Saat ini juga telah dikembangkan membran ultrafiltrasi dari bahan anorganik (zirkonium oksida) yang dapat digunakan hingga temperatur 120⁰C dan tekanan 20 bar. Ketahanan terhadap temperatur tinggi memungkinkan membran untuk disterilisasi menggunakan kukus dan ketahanan terhadap tekanan tinggi memungkinkan cairan dengan viskositas tinggi menjadi umpan membran. 2.3.3. Aplikasi Membran ultrafiltrasi skala industri pertama digunakan untuk pengambilan kembali (recovery) enzim, pengambilan kembali protein pada pembuatan keju, electropaint recovery. Saat ini membran ultrafiltrasi banyak digunakan untuk pengambilan kembali berbagai komponen penting dari limbah, pengolahan limbah, pengolahan air, serta pemekatan larutan. a. Produksi air murni Air dengan kemurnian yang tinggi banyak diperlukan pada berbagai bidang industri, seperti air umpan boiler, pembersihan komponen elektronik, dan produksi makanan. Membran ultrafiltrasi

10

biasa digunakan sebagai pengolahan awal air sebelum masuk ke proses desalinasi, reverse osmosis, atau pemisahan menggunakan penukar ion karena membran ini mampu memisahkan partikel koloid seperti besi, silika, dan mangan yang dapat menyebabkan korosi [21]. b. Industri kertas Industri kertas membutuhkan air murni dalam jumlah besar untuk proses pemutihan kertas. Selain menjalankan fungsi tersebut, membran ultrafiltrasi digunakan untuk mengambil beberapa komponen penting pada limbah industri kertas, seperti senyawa lignin dan lignosulfonat. c. Industri tekstil Aplikasi membran ultrafiltrasi pada industri tekstil mencakup pengambilan kembali komponen yang dapat menyebabkan polusi serta penghematan energi dalam jumlah besar karena memungkinkan proses daur ulang air. Senyawa yang diambil kembali ialah polivinil alkohol dan karboksi metilselulosa yang digunakan sebagai campuran kain sintetik sebelum diwarnai. d. Industri farmasi Membran ultrafiltrasi memiliki aplikasi yang sangat banyak pada industri farmasi. Pada awal penggunaannya, membran ultrafiltrasi digunakan untuk pemurnian dan pemekatan konsentrasi enzim hasil fermentasi pada skala industri. Saat ini penggunaannya mencakup proses produksi vaksin, antibiotiks, plasma, larutan protein, serta larutan bebas pirogen. e. Industri susu Pada industri susu membran ultrafiltrasi digunakan untuk memproduksi susu kaya dengan konsentrasi protein yang lebih tinggi. Susu kaya protein tersebut kemudian dapat diproduksi menjadi keju atau produk olahan fermentasi susu lainnya. Selain pemekatan konsentrasi protein, membran ultrafiltrasi juga dipilih karena zat-zat tambahan yang digunakan sedikit, proses dapat dilakukan secara kontinyu dan membutuhkan ruang yang relati kecil. 2.4. Karakterisasi Membran Ultrafiltrasi 2.4.1. Permeabilitas Permeabilitas merupakan ukuran kecepatan permeat untuk melewati membran. Sifat ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu jumlah dan ukuran pori, tekanan, serta ketebalan membran. Permeabilitas diuji dengan cara mengalirkan umpan pada bagian permukaan (top layer) membran dan menampung permeat di sisi yang berlawanan. Pengaliran umpan dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu metode dead-end dan cross-flow.

Gambar 2.8. Metode pengaliran umpan: dead-end (kiri) dan cross flow (kanan) Pada metode dead-end, aliran umpan dipaksa untuk melalui membran pada suatu tekanan tertentu. Partikel-partikel yang tertahan kemudian menumpuk di bagian permukaan dan pori membran sehingga membran menjadi cepat rusak. Kemudian pada tahun 1970-an, salah satu alternatif pengaliran

11

membran mulai dikenal, yaitu metode cross-flow. Dalam metode ini, larutan umpan disirkulasikan di permukaan membran dan menghasilkan 2 aliran, yaitu permeat yang bebas dari partikel dan retentat yang membawa partikel terkonsentrasi. Peralatan yang dibutuhkan untuk cross-flow lebih kompleks, namun umur membran menjadi lebih panjang jika dibandingkan metode dead-end. Sebelum menghitung permeabilitas, perlu dihitung fluks terlebih dahulu. Fluks merupakan jumlah volum permeat yang melewati satu satuan luas membran dalam satuan waktu tertentu, yang dinyatakan oleh persamaan: 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑡

𝐹𝑙𝑢𝑘𝑠 = 𝐽 = 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛 𝑥 𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢

(2.2)

Setelah fluks dihitung, permeabilitas membran dapat diketahui berdasarkan persamaan: 𝐹𝑙𝑢𝑘𝑠

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑡

𝑃𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡𝑎𝑠 = 𝑃 = 𝑇𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛 = 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛 𝑥 𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑥 𝑇𝑒𝑘𝑎𝑛𝑎𝑛

(2.3)

Volum permeat, waktu, dan tekanan yang digunakan dalam perhitungan permeabilitas diperoleh dari pengaliran air pada satu set alat penentuan permeabilitas yang telah diisi membran dengan luas tertentu. Air dialirkan ke suatu penampung sementara untuk kemudian dilewatkan membran. Air yang berhasil melewati membran akan keluar sebagai permeat, sedangkan air yang tertahan oleh membran akan dikeluarkan melalui sisi membran sebagai retentat. Volum permeat diukur untuk setiap jangka waktu tertentu. Sedangkan tekanan diukur dengan menggunakan barometer yang diletakkan di antara penampung sementara dan membran. 2.4.2. Selektivitas Selektivitas merupakan ukuran kemampuan membran untuk menahan atau melewatkan permeat. Parameter yang digunakan untuk menyatakan selektivitas adalah koefisien rejeksi yang didefinisikan sebagai rasio antara beda konsentrasi yang tertahan oleh membran (retentat) dengan konsentrasi umpan. Koefisien rejeksi dinyatakan dalam persamaan 2.4. 𝑅=

𝐶𝑓 −𝐶𝑝 𝐶𝑓

𝐶

= 1 − 𝐶𝑝

𝑓

(2.4)

dimana Cp : konsentrasi permeat Cf : konsentrasi umpan Perolehan rejeksi pada membran dilakukan dengan menggunakan alat yang sama pada penentuan permeabilitas membran, hanya untuk memperoleh nilai rejeksi membran parameter yang perlu diperhatikan dan dicatat ialah konsentrasi permeat dan umpan. Penentuan konsentrasi dilakukan dengan menggunakan alat spektrofotometer. Spektrofotometer merupakan alat analisis kimia yang digunakan untuk menentukan komposisi suatu sampel baik secara kualitatif maupun kuantitatif yang didasarkan pada interaksi antara materi dengan cahaya. Cahaya yang dimaksud dapat berupa cahaya visibel, UV, dan inframerah, sedangkan materi dapat berupa atom dan molekul namun yang lebih berperan adalah elektron valensi. Pada penelitian ini spektrofotometer yang digunakan adalah spektrofotometer UV-Vis yang memiliki rentang pengukuran di daerah ultraviolet (200-350 nm) dan di daerah tampak (350-800 nm). Spektrofotometer UV-Vis umum digunakan karena kemampuannya dalam menganalisa begitu banyak senyawa kimia serta kepraktisannya dalam preparasi sampel. Prinsip kerja spektrofotometer ditunjukkan pada gambar 2.9.

12

Gambar 2.9. Prinsip kerja spektrofotometer Selain koefisien rejeksi, selektivitas membran ultrafiltrasi juga dapat dinyatakan dengan berat molekul cut-off (MWCO). MWCO merupakan berat molekul partikel yang 90% ditolak oleh membran. Pengujian dilakukan dengan cara melewatkan umpan yang mengandung komponen (misalnya protein) dengan variasi berat molekul. 2.4.3. Scanning Electron Microscope (SEM) Teknik yang digunakan untuk mengevaluasi morfologi membran ultrafiltrasi telah banyak ditemukan. Secara umum teknik evaluasi yang sering digunakan untuk membran komersil ialah menggunakan mikroskop elektron yang beresolusi tinggi. Porositas permukaan membran dapat diukur secara langsung menggunakan scanning electron microscope (SEM).

Gambar 2.10. Scanning electron microscope SEM merupakan alat yang mampu memfoto suatu permukaan dengan perbesaran dari 20 sampai 100.000 kali. Prinsip kerja SEM adalah permukaan sampel ditembak oleh elektron berenergi tinggi dengan energi kinetik antara 1–25 kV, elektron yang langsung menumbuk sampel ini dinamakan elektron primer, sedangkan elektron yang terpantul dari sampel dinamakan elektron sekunder. Elektron sekunder yang berenergi rendah dilepaskan dari atom-atom yang ada pada permukaan sampel dan akan menentukan bentuk rupa sampel. Pembentukan gambar pada SEM berasal dari berkas elektron yang direfleksikan ke permukaan sampel. Perbedaan panjang gelombang dari sumber pencahayaan ini mengakibatkan perbedaan tingkat resolusi yang dapat dicapai. 2.4.4. Atomic Force Microscope (AFM) AFM merupakan mikroskop dengan resolusi yang sangat tinggi dan dapat digunakan untuk

13

mengevaluasi karakteristik permukaan. AFM dikembangkan oleh Gerd Binnig dan Heinrich Rohrer pada awal tahun 1980 di IBM Research-Zurich.

Gambar 2.11. Atomic force microscope AFM terdiri dari kantilever dengan ujung yang tajam (probe) yang digunakan untuk memindai permukaan spesimen. Kantilever ini biasanya terbuat dari silikon atau silikon nitrida dengan tinggi 3-6 μm dan jari-jari ujung 15-40 nm. Ketika ujung ditempelkan pada permukaan sampel, kekuatan antara ujung dan sampel menyebabkan defleksi kantilever. Kekuatan yang terukur oleh AFM dipengaruhi oleh gaya kontak mekanik, gaya Van der Waals, gaya kapiler, ikatan kimia, gaya elektrostatik, gaya magnet, dan sebagainya. 2.4.5. Sudut Kontak Sudut kontak merupakan metode yang digunakan untuk mengkuantifikasi pembasahan suatu permukaan padat oleh cairan. Sudut kontak terbentuk sebagai hasil dari energi bebas permukaan antara cairan, padatan, dan udara sekitarnya. Sudut kontak umumnya digunakan dalam ilmu membran untuk menggambarkan sifat permukaan membran, relatif hidrofilik atau hidrofobik.

Gambar 2.12. Uji sudut kontak Jika cairan yang diteteskan tertarik dengan sangat kuat ke permukaan padat (misalnya padatan sangat hidrofilik) tetesan akan menyebar pada permukaan padat dan sudut kontak akan mendekati 0°. Padatan yang kurang hidrofilik akan memiliki sudut kontak hingga 90°. Sebuah membran yang hidrofilik memiliki kecenderungan untuk memungkinkan cairan masuk ke pori-pori. Kondisi ini mencerminkan pembasahan yang lebih baik, kelengketan yang lebih baik, dan energi permukaan yang lebih tinggi.

14

Sebaliknya, jika permukaan padat adalah hidrofobik, sudut kontak akan lebih besar dari 90°. Pada permukaan yang sangat hidrofobik permukaan memiliki sudut kontak yang tinggi, yaitu antara 150°-180°. Pada permukaan ini, tetesan air hanya beristirahat di permukaan, tanpa benar-benar membasahi membran. Hal ini menunjukkan bahwa membran hidrofobik memiliki kecenderungan untuk menolak cairan memasuki pori-pori. 2.4.6. Bubble Point Bubble point merupakan teknik yang sangat sederhana untuk menentukan ukuran pori membran. Uji dilakukan dengan cara membenamkan membran dalam suatu cairan, kemudian ditembakkan udara dari bagian bawah sehingga terbentuk gelembung di permukaan membran.

Gambar 2.13. Metode bubble point Tekanan pada saat gelembung pertama terbentuk dicatat dan digunakan untuk menghitung ukuran pori, dengan menggunakan persamaan 2.4. 2𝛾

𝑟𝑝 = ∆𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜃

(2.5)

Berdasarkan persamaan 2.5, dapat diperoleh jari-jari gelembung yang mewakili ukuran pori terbesar membran. Hasil yang diperoleh dengan metode bubble point sangat bergantung pada cairan yang digunakan. 2.5. Air Gambut Air gambut adalah air permukaan atau air tanah yang banyak terdapat di daerah pasang surut, rawa dan dataran rendah, berwarna merah kecoklatan dan memiliki derajat keasaman (pH) 2,7-4. Sedangkan gambut sendiri didefinisikan sebagai jenis tanah yang terbentuk dari akumulasi tumbuhan yang membusuk.

15

Tabel 2.3. Karakteristik air gambut dari berbagai lokasi di Sumatera dan Kalimantan

Sumber: Puslitban Pemukiman Warna cokelat air gambut berasal dari zat-zat humus yang terdapat pada tanah dan gambut, yang merupakan polimer dengan kandungan senyawa asam karboksil dan gugus fenol. Sifat asam air gambut disebabkan oleh adanya tanah lempung yang mengandung sulfida, yang kemudian teroksidasi menjadi asam sulfat. Selain itu, air gambut juga mengandung logam besi dan mangan dengan kadar cukup tinggi. Konsumsi air gambut dalam jangka panjang dapat mengganggu kesehatan. 2.6. Polisulfon (PSf) Polisulfon merupakan suatu polimer yang dihasilkan dari reaksi antara di-p-diklorodifenil sulfon dengan garam sodium dari bisfenol-A yang bersifat hidrofobik. Polisulfon memiliki berat molekul repeat unityang besar yaitu 443 g/mol dan tahan terhadap panas (termoplastik) hingga 190°C. Struktur polisulfon ditunjukkan pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14. Struktur kimia polisulfon Polisulfon banyak digunakan sebagai bahan pembuat membran karena memiliki struktur yang rigid, kuat, transparan, stabil pada pH antara 1 sampai 13, kekuatan tarik yang baik, serta memiliki ketahanan yang baik terhadap asam, alkali, dan elektrolit. Selain itu polisulfon juga mudah untuk diproduksi, dengan ukuran pori yang dapat diatur hingga 40 nm. Material polisulfon juga telah banyak diaplikasikan pada pemisahan gas murni maupun campuran seperti pemisahan CO2 dari campuran CO2/CH4 [22] karena memiliki kekuatan mekanik yang baik, stabilitas kimia yang baik, dan relatif murah [23]. 2.7. Polietilen Glikol (PEG) Polietilen glikol merupakan polimer yang terbentuk dari reaksi antar etilen oksida dengan air, dengan bermacam-macam panjang rantai dan berat molekul. PEG yang umum digunakan adalah PEG

16

200, 400, 600, 1000, 1500, 1540, 3350, 4000, 6000 dan 8000. Pemberian nomor menunjukkan berat molekul rata-rata dari masing-masing polimernya. Polietilen glikol yang memiliki berat molekul ratarata 200, 400, 600 berupa cairan bening tidak berwarna dan yang mempunyai berat molekul rata-rata lebih dari 1000 berupa lilin putih, padat dan kekerasannya bertambah dengan bertambahnya berat molekul.

Gambar 2.15. Struktur kimia polietilen glikol PEG banyak digunakan karena memiliki sifat stabil dan inert, tidak mudah terurai, serta rentang titik leleh dan kelarutan yang luas. Penambahan polietilen glikol dapat meningkatkan kinerja membran dengan meningkatkan fluks air murni, permeabilitas hidrolik, dan porositas.

17

BAB III PELAKSANAAN PENELITIAN 3.1. Metodologi Penelitian diawali dengan pembuatan membran ultrafiltrasi asimetrik dari bahan polisulfon dan pelarut DMAc dengan metode inversi fasa tipe immersion precipitation. Bahan aditif yang digunakan dalam pembuatan membran tipe flat sheet ini ialah polietilen glikol (PEG). Membran yang telah dibuat kemudian diuji kinerjanya berdasarkan parameter morfologi, permeabilitas, selektivitas, dan hidrofilisitas. Morfologi membran diperoleh dari hasil uji menggunakan scanning electron microscope (SEM). Sedangkan pengujian permeabilitas dan selektivitas dilakukan dengan menggunakan air gambut. Variasi percobaan yang dilakukan ialah rasio komposisi aditif terhadap polimer dan pelarut, komposisi non-pelarut pada proses pembuatan membran, dan kondisi tekanan. 3.2. Percobaan 3.2.1. Bahan Bahan yang digunakan pada percobaan ini ialah: a. Polisulfon UDEL-3500 (diperoleh dari Solvay Advanced Polymer) b. DMAc (diperoleh dari Shanghai Jingsan Jingwei Chemical CO.,Ltd.) c. PEG 400 d. Air e. Air gambut (diperoleh dari sungai Dumai, Riau) 3.2.2. Alat Peralatan yang digunakan pada penelitian ini diklasifikasikan menjadi peralatan pembuatan membran dan peralatan karakterisasi. Pembuatan membran: a. Toples dengan tutup berpengaduk b. Motor pengaduk c. Timbangan digital d. Satu set peralatan casting e. Bak koagulasi Karakterisasi: a. Satu set alat penentuan permeabilitas membran (gambar 3.1.) b. Stopwatch c. Scanning Electron Microscope (SEM) d. Spektrofotometer UV-Vis

Gambar 3.1. Skema alat karakterisasi membran ultrafiltrasi

18

3.2.3. Prosedur Prosedur pembuatan membran ultrafiltrasi ditampilkan pada Gambar 3.2. mulai

mulai

larutkan polisulfon dalam DMAc

alat pencetak membran disiapkan

tambahkan PEG dengan perbandingan tertentu

tuangkan larutan ke atas permukaan cetakan

cetak larutan aduk larutan hingga homogen masukkan hasil cetakan ke dalam bak koagulasi yang berisi air

diamkan larutan hingga tidak ada gelembung

rendam membran hingga sisa pelarut terlepas dari membran

selesai

Gambar 3.2. Diagram alir pembuatan membran ultrafiltrasi Prosedur pengujian permeabilitas membran ultrafiltrasi ditampilkan pada gambar 3.3. mulai

siapkan alat pengujian permeabilitas

isikan air pada bagian “umpan”

letakkan membran pada bagian “sampel membran”

nyalakan alat

catat tekanan yang tertera pada barometer

catat volum dan waktu mengalirnya permeat

selesai

Gambar 3.3. Diagram alir pengujian permeabilitas membran ultrafiltrasi

19

Prosedur pengujian selektivitas membran ultrafiltrasi ditampilkan pada gambar 3.4. mulai

siapkan alat spektrofotometer

mulai

siapkan air gambut

teteskan air gambut (umpan) pada preparat

lewatkan air gambut pada alat uji permeabilitas

lakukan uji dengan spektrometer, catat nilai absorbansinya

tampung permeat secukupnya

lakukan uji yang sama terhadap permeat

selesai

Gambar 3.4. Digram alir pengujian selektivitas membran ultrafiltrasi 3.2.4. Variasi Variasi pada percobaan ini ialah rasio komposisi bahan aditif terhadap bahan membran dan pelarut serta komposisi non-pelarut yang digunakan pada proses pembuatan membran seperti pada tabel 3.1. Ketebalan membran yang dihasilkan yaitu 0,2 mm. Setiap variasi yang tertera pada tabel 3.1 kemudian divariasikan pada kondisi tekanan 10, 15, dan 30 psi. Tabel 3.1. Variasi komposisi larutan dan non-pelarut Komposisi (%) Kode Non-pelarut Membran PSf PEG DMAc 1a 20 0 80 air 1b 20 20 60 air 1c 20 25 55 air 1d 20 30 50 air 1e 20 35 45 air 2a 20 0 80 air + 10% DMAc 2b 20 20 60 air + 10% DMAc 2c 20 25 55 air + 10% DMAc 2d 20 30 50 air + 10% DMAc 2e 20 35 45 air + 10% DMAc 3.3. Interpretasi Data 3.3.1. Perhitungan Fluks Berdasarkan hasil percobaan akan diperoleh data volum permeat per satuan waktu tertentu. Dari data tersebut fluks membran dapat dihitung dengan persamaan 3.1.

20

𝐹𝑙𝑢𝑘𝑠 = 𝐽 =

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑒𝑎𝑡 𝐿𝑢𝑎𝑠 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛 𝑥 𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢

(3.1)

3.3.2. Perhitungan Selektivitas Selektivitas membran umumnya dinyatakan sebagai koefisien rejeksi. Koefisien rejeksi dihitung berdasarkan konsentrasi umpan dan permeat hasil dari dari pembacaan spektofotometer yang dinyatakan dalam persamaan 3.2. 𝑅=

𝐶𝑓 −𝐶𝑝 𝐶𝑓

=1−

𝐶𝑝 𝐶𝑓

(3.2)

dengan Cp adalah konsentrasi permeat dan Cf adalah konsentrasi umpan. 3.3.3. Fluks Recovery Ratio (FRR) Perhitungan FRR dilakukan untuk mengetahui ketahanan membran setelah digunakan untuk pemisahan air gambut. FRR dihitung dengan persamaan 3.3. 𝐹𝑅𝑅 =

𝐽𝑤 𝑥 𝐽0

100%

(3.3)

dengan J0 adalah fluks air murni awal dan Jw adalah fluks air murni setelah pemisahan air gambut. 3.3.4. Sudut Kontak Sudut kontak merupakan sudut yang terbentuk dari kemiringan cairan yang diteteskan pada permukaan membran. Sudut kontak dinyatakan dengan θ pada gambar 3.5.

Gambar 3.5. Sudut kontak pada permukaan membran

21

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Penambahan PEG pada Larutan Membran Pada penelitian ini dilakukan penambahan polietilen glikol (PEG) dengan konsentrasi 20%-b, 25%-b, 30%-b, dan 35%-b pada larutan membran berbasis polisulfon (PSf) dan non-pelarut air. Pengaruh penambahan PEG dapat ditinjau dari beberapa aspek, yaitu aspek morfologi, sudut kontak, permeasi, rejeksi, serta flux recovery ratio. 4.1.1. Pengaruh Penambahan PEG terhadap Morfologi Pengaruh penambahan PEG terhadap morfologi membran dapat diamati melalui hasil SEM dengan perbesaran 500 kali yang ditunjukkan pada gambar 4.1.

(a)

(b)

(c) Gambar 4.1. Hasil SEM penampang melintang membran 20%-b PSf dengan (a) 0%-b PEG, (b) 25%b PEG, dan (c) 30%-b PEG Hasil SEM penampang melintang menunjukkan bahwa penambahan PEG dengan rasio PSf/PEG 20/0 menjadi 20/25 menginduksi pembentukan makrovoid berbentuk jari (finger-like) pada lapisan struktural membran. Pembentukan makrovoid finger-like terus berlanjut hingga membentang di sepanjang lapisan struktural membran dengan rasio PSf/PEG 20/30. Pemahaman mengenai mekanisme pembentukan membran diperlukan untuk menjelaskan hasil pengamatan ini. Ketika larutan membran yang telah dicetak dibenamkan ke dalam bak koagulasi, pengendapan membran mulai terjadi karena lemahnya kelarutan antara PSf dan air. Kelarutan antara pelarut DMAc dan non-pelarut air menyebabkan terjadinya aliran difusional pelarut dan non-pelarut pada beberapa titik di permukaan dan pada lapisan struktural membran. Aliran ini mengganggu kestabilan termodinamik larutan dan memicu terjadinya pembentukan pori membran. Pembentukan pori akan berlangsung sampai terjadi kestabilan termodinamik antara polimer, pelarut, dan non-pelarut. Laju pertukaran pelarut dan non-pelarut akan berpengaruh terhadap morfologi membran. Proses pertukaran yang cepat akan memicu terbentuknya makrovoid finger-like pada lapisan struktural membran. Sebaliknya, proses pertukaran yang lambat menyebabkan terhambatnya pembentukan pori dan menghasilkan lapisan struktural yang dense. Keberadaan PEG yang memiliki karakteristik seperti non-pelarut melemahkan ikatan antara

22

polimer dan pelarut dan menyebabkan peningkatan ketidakstabilan termodinamik larutan [24-26]. Sifat PEG yang hidrofilik meningkatkan laju alir air pada proses pertukaran pelarut dan non-pelarut. Hal ini menyebabkan proses pertukaran pelarut dan non-pelarut terjadi lebih cepat dan jumlah serta ukuran makrovoid yang terbentuk pada lapisan struktural membran meningkat. 4.1.2. Pengaruh Penambahan PEG terhadap Sudut Kontak Pengaruh penambahan PEG pada berbagai konsentrasi terhadap sudut kontak membran ditampilkan pada tabel 4.1. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi PEG pada larutan membran dari 0% menjadi 35% mengakibatkan perubahan sudut kontak dari 74⁰ menjadi 38⁰. Penurunan sudut kontak terjadi seiring dengan peningkatan konsentrasi PEG pada larutan membran. Tabel 4.1. Hasil pengukuran sudut kontak permukaan membran Komposisi (%-berat) Kode Membran Sudut Kontak Polisulfon PEG DMAc 1a 2a 3a 4a 5a

20 20 20 20 20

0 20 25 30 35

80 60 55 50 45

74.00⁰ 53.10⁰ 50.50⁰ 48.17⁰ 38.31⁰

Penurunan sudut kontak menunjukkan bahwa terdapat sejumlah PEG yang terperangkap pada matriks membran. Penambahan PEG yang bersifat hidrofilik meningkatkan hidrofilisitas permukaan membran berbasis PSf. Semakin tinggi konsentrasi PEG yang ditambahkan, maka semakin hidrofilik permukaan membran. 4.1.3. Pengaruh Penambahan PEG terhadap Permeasi Pengaruh penambahan PEG pada larutan membran terhadap fluks air murni ditampilkan pada gambar 4.2. Pengukuran fluks air murni dilakukan pada temperatur ruang dan beda tekan 15 psi dengan konsentrasi PSf sebesar 20%-b. Gambar 4.2 menunjukkan adanya peningkatan fluks air murni seiring dengan peningkatan konsentrasi PEG. Pada penambahan konsentrasi PEG dari 20%-b menjadi 25%-b terjadi peningkatan fluks yang signifikan. Fluks air murni pada konsentrasi PEG 20%-b adalah 117,9 Lm-2jam-1, meningkat menjadi 300,9 Lm-2jam-1 pada konsentrasi PEG 35%-b. Peningkatan fluks air murni disebabkan oleh dua faktor. Faktor pertama adalah adanya peningkatan hidrofilisitas membran. Seperti yang telah dijelaskan pada bagian sebelumnya, penambahan PEG yang bersifat hidrofilik meningkatkan hidrofilisitas membran. Membran yang bersifat hidrofilik memiliki kecenderungan untuk memungkinkan cairan masuk ke pori-pori lebih cepat jika dibandingkan dengan membran yang bersifat hidrofobik. Hal ini yang menyebabkan air lebih cepat berdifusi dari satu sisi membran ke sisi permeat dan meningkatkan laju fluks air.

23

Fluks Air Murni (Lm-2jam-1)

350 300 250 200 150 100 50 0 15

20

25

30

35

40

Konsentrasi PEG 400 (%-b)

Gambar 4.2. Pengaruh konsentrasi PEG terhadap fluks air murni Faktor kedua adalah adanya perubahan morfologi membran dengan penambahan PEG. Fenomena perubahan morfologi ini telah dijelaskan pada bagian sebelumnya. Adanya peningkatan makrovoid pada matriks membran menyebabkan peningkatan fluks air murni. Membran yang dibuat tanpa aditif PEG memiliki nilai fluks 0 (tidak ada aliran air). Hal ini disebabkan terbentuk struktur dense pada membran yang ditunjukkan pada Gambar 4.1 dan sifat membran yang hidrofobik, sehingga air sulit berdifusi melalui pori membran. 4.1.4. Pengaruh Penambahan PEG terhadap Rejeksi Pengaruh penambahan PEG terhadap rejeksi air gambut dilakukan pada temperatur ruang dan beda tekan 15 psi. Konsentrasi PSf pada larutan membran sebesar 20%-b. Hasil uji rejeksi air gambut rata-rata selama dua jam pengujian ditampilkan pada gambar 4.3. Hasil pengujian menunjukkan terjadi peningkatan rejeksi air gambut seiring dengan peningkatan konsentrasi PEG pada larutan membran. Rejeksi air gambut rata-rata meningkat dari 20,4% menjadi 82.9% dengan peningkatan konsentrasi PEG 20%-b menjadi 35%-b. Peningkatan rejeksi dapat terjadi karena peningkatan hidrofilisitas, pengecilan ukuran, pengurangan jumlah pori, atau fouling. Pada penelitian ini, peningkatan rejeksi terjadi karena adanya fouling. Kim dan Lee [26] menemukan bahwa penambahan PEG pada larutan membran berbasis PSf menyebabkan ukuran pori lapisan atas membran meningkat dan struktur lapisan atas menjadi semakin berpori. Ukuran pori yang besar menyebabkan zat terlarut pada air gambut terserap dan menutupi sebagian pori, menghalangi partikel lain yang akan melewati membran. Hal ini dibuktikan oleh nilai flux recovery ratio (FRR) yang rendah.

24

100%

Rejeksi (%)

75%

50%

25%

0% 15

20

25

30

35

40

Konsentrasi PEG 400 (%-b)

Gambar 4.3. Pengaruh konsentrasi PEG terhadap rejeksi air gambut FRR ditentukan untuk mengukur tingkat ketahanan membran terhadap fouling. Nilai FRR setelah pengujian selama 2 jam pada temperatur ruang dan beda tekan 15 psi ditampilkan pada tabel 4.2. Tabel 4.2. Data flux recovery ratio membran Komposisi (%-berat) Kode Membran 2a 3a 4a 5a

Polisulfon

PEG

DMAc

20 20 20 20

20 25 30 35

60 55 50 45

FRR (%) 78.72% 35.56% 17.00% 10.07%

Hasil pengujian menunjukkan terjadi penurunan FRR seiring dengan peningkatan konsentrasi PEG pada larutan membran. FRR menurun dari 78,7% menjadi 10,1% dengan peningkatan konsentrasi PEG 20%-b menjadi 35%-b. Nilai FRR yang rendah mengindikasikan adanya irreversible fouling pada struktur membran yang disebabkan oleh bertambahnya jumlah dan ukuran pori pada permukaan membran. 4.2. Pengaruh Penambahan DMAc pada Non-pelarut Penambahan DMAc sebanyak 10%-v pada bak koagulasi dilakukan pada membran dengan konsentrasi PEG 0%-b, 20%-b, 25%-b, 30%-b, serta 35%-b pada larutan membran berbasis polisulfon (PSf) dan non-pelarut air. Pengaruh penambahan DMAc ditinjau dari tiga aspek, yaitu aspek morfologi, permeasi, serta rejeksi membran. 4.2.1. Pengaruh Penambahan DMAc terhadap Morfologi Pengaruh penambahan DMAc pada bak koagulasi terhadap morfologi membran dapat diamati melalui hasil SEM yang ditunjukkan pada gambar 4.4.

25

(b) (a) Gambar 4.4. Hasil SEM penampang melintang membran 20%-b PSf, 30%-b PEG dengan (a) 0%-v DMAc dan (b) 10%-v DMAc Hasil SEM penampang melintang menunjukkan bahwa penambahan DMAc dengan konsentrasi 10%-v pada bak koagulasi mengurangi ukuran makrovoid finger-like pada lapisan struktural membran. Makrovoid yang terbentuk menjadi tidak membentang hingga lapisan terbawah membran. Radovanic dkk. [27] menemukan bahwa penambahan aditif pelarut DMAc pada bak koagulasi hingga 10% menyebabkan penurunan laju pertukaran pelarut dan non-pelarut. Seperti yang telah dijelaskan pada bagian sebelumnya, penurunan laju pertukaran pelarut dan non-pelarut akan berakibat pada berkurangnya pembentukan makrovoid seperti jari pada lapisan struktural membran. 4.2.2. Pengaruh Penambahan DMAc terhadap Permeasi Pengaruh penambahan DMAc pada bak koagulasi terhadap fluks air murni ditampilkan pada gambar 4.5. Pengukuran fluks air murni dilakukan pada temperatur ruang dan beda tekan 15 psi dengan konsentrasi PSf sebesar 20%-b dan PEG 30%-b. Gambar 4.5 menunjukkan penurunan fluks air murni dengan adanya penambahan DMAc pada bak koagulasi untuk konsentrasi PEG sebesar 25%-b, 30%-b, dan 35%-b. Pada membran dengan konsentrasi PEG 35%-b, fluks membran menurun dari 300,9 Lm-2jam-1 menjadi 150,4 Lm-2jam-1. Penurunan fluks terjadi karena adanya perubahan morfologi lapisan struktural membran yang disebabkan oleh menurunnya laju pertukaran pelarut dan non-pelarut pada saat pembentukan membran. Fenomena perubahan ini telah dijelaskan pada bagian sebelumnya. Adanya penurunan makrovoid pada lapisan struktural membran menyebabkan fluks air murni turun.

Fluks Air Murni (Lm-2jam-1)

350 300 250 200 Non-pelarut Air

150

Non-pelarut Air+DMAc

100 50 0 15

20

25

30

35

40

Konsentrasi PEG 400 (%-b)

Gambar 4.5. Pengaruh penambahan DMAc pada bak koagulasi terhadap fluks air murni

26

Penurunan laju pertukaran pelarut dan non-pelarut tidak hanya menyebabkan perubahan pada morfologi lapisan struktural membran, tapi juga pada lapisan atas membran. Penurunan laju pertukaran pelarut dan non-pelarut menyebabkan pembentukan pori terhambat sehingga terbentuk struktur lapisan atas yang dense. Radovanic dkk. [27] menemukan bahwa penambahan DMAc pada bak koagulasi hingga 10% meningkatkan ketebalan lapisan atas membran. Struktur lapisan atas yang dense dan tebal menyebabkan fluks air murni turun. Pada membran dengan konsentrasi PEG 20%-b, fluks air murni hanya berubah sedikit dari 117,9 Lm-2jam-1 menjadi 111,9 Lm-2jam-1. Hal ini disebabkan ketebalan membran dengan konsentrasi 20%-b PEG yang mengalami modifikasi penambahan DMAc lebih kecil dibanding ketebalan membran lainnya. Lapisan membran yang tipis menyebabkan fluks air murni meningkat melebihi membran lainnya. 4.2.3. Pengaruh Penambahan DMAc terhadap Rejeksi Pengaruh penambahan DMAc pada bak koagulasi terhadap rejeksi air gambut dilakukan pada temperatur ruang dan beda tekan 15 psi. Konsentrasi larutan PSf pada larutan membran sebesar 20%-b dan konsentrasi PEG sebesar 30%-b. Hasil uji rejeksi air gambut setelah digunakan selama dua jam pengujian ditampilkan pada gambar 4.6. 100%

Rejeksi (%)

75%

Non-solvent air

50%

Non-solvent air+10%DMAc

25%

0% 15

20

25

30

35

40

Konsentrasi PEG 400 (%-b)

Gambar 4.6. Pengaruh penambahan DMAc pada bak koagulasi terhadap rejeksi air gambut Hasil pengujian menunjukkan terjadi peningkatan rejeksi air gambut dengan adanya penambahan DMAc pada bak koagulasi, terutama pada konsentrasi PEG 20%-b dan 25%-b. Pada bagian sebelumnya telah disebutkan bahwa penambahan DMAc pada bak koagulasi mengurangi pembentukan makrovoid pada lapisan struktural membran serta membentuk struktur dense pada lapisan atas membran. Gabungan sifat hidrofilik membran akibat adanya penambahan PEG serta struktur pori yang dense akibat penambahan DMAc menyebabkan rejeksi membran meningkat. Hal ini juga dibuktikan melalui penurunan laju fluks air murni membran yang dimodifikasi dengan penambahan DMAc. 4.3. Pengaruh Kondisi Tekanan terhadap Permeasi dan Rejeksi Permeasi dan rejeksi membran dipengaruhi oleh banyak faktor, salah satunya adalah beda tekan saat proses ultrafiltrasi berlangsung. Pada penelitian ini dilakukan tiga variasi beda tekan, yaitu pada 10 psi, 15 psi, serta 30 psi. Pengaruh tekanan terhadap fluks air murni, rejeksi air gambut, dan FRR ditampilkan pada gambar 4.7 dan 4.8. Uji permeasi dilakukan pada temperatur ruang dan pada membran dengan konsentras PSF 20%-b dan non-pelarut air. Uji rejeksi air gambut dilakukan pada temperatur

27

ruang dan pada membran dengan rasio fraksi masa PSf/PEG sebesar 20/30 menggunakan non-pelarut air. 700

Fluks Air Murni (Lm-2jam-1)

600 500 400 10 psi 300

15 psi 30 psi

200 100 0 15

20

25

30

35

40

Konsentrasi PEG 400 (%-b)

Gambar 4.7. Pengaruh kondisi tekanan terhadap fluks air murni Gambar 4.7 menunjukkan bahwa peningkatan tekanan dari 10 psi menjadi 30 psi meningkatkan fluks air murni pada semua konsentrasi PEG. Fluks air murni membran dengan konsentrasi PEG 30%b dan 35%-b meningkat hampir tiga kali dengan peningkatan tekanan 10 psi menjadi 30 psi. Fluks air murni membran dengan konsentrasi PEG 30%-b mencapai 614,4 Lm-2jam-1 pada tekanan operasi 30 psi. 84.77%

81.38%

76.30%

Rejeksi (%) 17.16%

10 psi

17.00%

16.44%

15 psi

FRR (%)

30 psi

Tekanan

Gambar 4.8. Pengaruh kondisi tekanan terhadap rejeksi air gambut dan FRR Peningkatan fluks terjadi karena peningkatan driving force proses ultrafiltrasi, yaitu tekanan. Peningkatan tekanan mempercepat pengaliran air dari sisi umpan ke sisi permeat. Namun, peningkatan tekanan menyebabkan peningkatan jumlah zat-zat terlarut pada air gambut yang dapat melewati membran, sehingga menurunkan kemampuan rejeksi membran. Selain itu, peningkatan kondisi tekanan memperbesar jumlah zat terlarut pada air gambut yang teradsorp pada pori membran sehingga meningkatkan irrevesible fouling pada membran. Hal ini dibuktikan oleh FRR membran yang semakin menurun seiring dengan kenaikan tekanan operasi.

28

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Kesimpulan yang diperoleh dari penelitian yang telah dilakukan adalah sebagai berikut. 1. Penambahan PEG pada larutan membran meningkatkan makrovoid finger-like pada lapisan struktural membran. 2. Peningkatan konsentrasi PEG pada larutan membran dari 0%-b menjadi 35%-b mengakibatkan perubahan sudut kontak dari 74⁰ menjadi 38⁰. 3. Laju permeasi maksimum untuk membran yang dicetak dengan non-pelarut air murni dan diuji pada 15 psi terjadi pada membran dengan komposisi PSf 20%-b dan PEG 35%-b, dengan laju permeasi sebesar3 00,9 Lm-2jam-1. 4. Rejeksi maksimum untuk membran yang dicetak dengan non-pelarut air murni dan diuji pada 15 psi terjadi pada membran dengan komposisi PSf 20%-b dan PEG 35%-b, dengan rejeksi sebesar 82,9%. 5. Penambahan DMAc dengan konsentrasi 10%-v pada bak koagulasi mengurangi ukuran makrovoid finger-like pada lapisan struktural membran. 6. Penambahan DMAc dengan konsentrasi 10%-v pada bak koagulasi menurunkan fluks air murni membran dengan konsentrasi PEG 35%-b dari 300,9 Lm-2jam-1 menjadi 150,4 Lm-2jam-1. 7. Penambahan DMAc dengan konsentrasi 10%-v pada bak koagulasi cenderung meningkatkan rejeksi, namun pada membran dengan konsentrasi PEG 30%-b dan 35%-b nilai rejeksi tidak mengalami perubahan. 8. Peningkatan kondisi tekanan menyebabkan peningkatan fluks air murni dan penurunan rejeksi air gambut.

5.2. Saran Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, perlu dilakukan beberapa perbaikan berikut. 1. Pencetakan membran dilakukan menggunakan alat otomatis sehingga dihasilkan membran dengan ketebalan yang sama. 2. Konsentrasi air gambut yang digunakan untuk uji rejeksi dibuat sama sehingga diperoleh hasil pengujian yang valid. 3. Kompeksi dilakukan sebelum membran digunakan pada uji permeasi dan rejeksi sehingga struktur membran tidak mengalami perubahan selama uji berlangsung.

29

DAFTAR PUSTAKA

[1] I.G. Wenten, Recent development in membrane science and its industrial applications, J Sci Technol Membrane Sci Technol, 24 (2002) 1010-1024. [2] J.-J. Qin, F.-S. Wong, Hypochlorite treatment of hydrophilic hollow fiber ultrafiltration membranes for high fluxes, Desalination, 146 (2002) 307-309. [3] N. Pezeshk, D. Rana, R. Narbaitz, T. Matsuura, Novel modified PVDF ultrafiltration flat-sheet membranes, Journal of Membrane Science, 389 (2012) 280-286. [4] M. Mulder, Basic Principles of Membrane Technology, Second edition ed., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherland, 1996. [5] I.G. Wenten, Teknologi Membran dan Aplikasinya di Indonesia, Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. [6] I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim, Pengantar Teknologi Membran, Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2010. [7] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, Khoiruddin, A.N. Hakim, Proses Pembuatan Membran, Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2011. [8] X. Yang, R. Wang, A.G. Fane, C.Y. Tang, I.G. Wenten, Membrane module design and dynamic shear-induced techniques to enhance liquid separation by hollow fiber modules: a review, Desalination and Water Treatment, 51 (2013) 3604-3627. [9] A.S. Michaels, Membranes, Membrane Processes, and their Applications: Needs, Unsolved Problems, and Challenges of the 1990’s Desalination, 77 (1990) 5-34. [10] I.G. Wenten, A.N. Hakim, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, Polarisasi Konsentrasi dan Fouling pada Membran, Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2013. [11] I.G. Wenten, A.N. Hakim, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, Troubleshooting dalam Operasi Membran, Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2013. [12] A.G. Fane, C.J.D. Fell, A review of fouling and fouling control in ultrafiltration, Desalination, 62 (1987) 117-136. [13] E. Matthiasson, B. Sivik, Concentration polarization and fouling, Desalination, 35 (1980) 59-103. [14] I.G. Wenten, D.M. Koenhen, H.D.W. Roesink, A. Rasmussen, G. Jonsson, The Backshock Process: A novel backflush technique in microfiltration, Proceedings of Engineering of Membrane Processes, II Environmental Applications, Ciocco, Italy, (1994). [15] I.G. Wenten, Mechanisms and control of fouling in crossflow microfiltration, Filtration & separation, 32 (1995) 252-253. [16] G. Jonsson, I.G. Wenten, Control of concentration polarization, fouling and protein transmission of microfiltration processes within the agro-based industry, in: Proceedings of the ASEAN-EC Workshop on Membrane Technology in Agro-Based Industry, Kuala-Lumpur, Malaysia, 1994, pp. 157-166. [17] I.G. Wenten, Application of crossflow membrane filtration for processing industrial suspensions, in, The Technical University of Denmark, 1994. [18] I.G. Wenten, D.M. Koenhen, H.D.W. Roesink, A. Rasmussen, G. Jonsson, Method for the removal of components causing turbidity, from a fluid, by means of microfiltration, in, 1996. [19] V. Chen, A.G. Fane, S. Madaeni, I.G. Wenten, Particle deposition during membrane filtration of colloids: transition between concentration polarization and cake formation, Journal of Membrane Science, 125 (1997) 109-122. [20] R.W. Baker, Membrane Technology and Applications, Second Edition ed., John Wiley & Sons, Ltd, England, 2004. [21] I.G. Wenten, Ultrafiltration in water treatment and its evaluation as pre-treatment for reverse osmosis system, Research Report, Institut Teknologi Bandung, Indonesia, (2008). [22] H. Julian, I.G. Wenten, Polysulfone membranes for CO2/CH4 separation: State of the art, IOSR Journal of Engineering, 2 (2012) 484-495. [23] H. Hachisuka, K. Ikeda, Polysulfone semipermeable membrane and method of manufacturing the same, in, Google Patents, 1999.

30

[24] Y. Ma, F. Shi, J. Ma, M. Wu, J. Zhang, C. Gao, Effect of PEG additive on the morphology and performance of polysulfone ultrafiltration membranes, Desalination, 272 (2011) 51-58. [25] E. Saljoughi, M. Amirilargani, T. Mohammadi, Effect of PEG additive and coagulation bath temperature on the morphology, permeability and thermal/chemical stability of asymmetric CA membranes, Desalination, 262 (2010) 72-78. [26] J.-H. Kim, K.-H. Lee, Effect of PEG additive on membrane formation by phase inversion, Journal of membrane science, 138 (1998) 153-163. [27] P. Radovanovic, S.W. Thiel, S.-T. Hwang, Formation of asymmetric polysulfone membranes by immersion precipitation. Part II. The effects of casting solution and gelation bath compositions on membrane structure and skin formation, Journal of membrane science, 65 (1992) 231-246. [28] Arthanareeswaran, G.; D. Mohan; M. Raajenthiren, “Preparation, characterization and performance studies of ultrafiltration membranes with polymeric additive”, J. Membr. Sci.350, 2010, 130-138. [29] Asatekin, Ayse et al., “Anti-fouling ultrafiltration membranes containing polyacrylonitrile-graftpoly(ethylene oxide) comb copolymer additives”,J. Membr. Sci.298, 2007, 136-146. [30] Balta, Stefan et al., “A new outlook on membrane enhancement with nanoparticles: The alternativeof ZnO”, J. Membr. Sci.389, 2012, 155-161. [31] Bungay, P. M.; H. K. Lonsdale; M. N. de Pinho, “Synthetic membranes: Science, engineering, and applications”, NATO ASI series, D. Reidel Publishing Comapany, Dordrecht, 1986. [32] Chakrabarty, K.; A. K. Ghoshal; M. K. Purkait, “Effect of molecular weight of PEG on membrane morphology and transport preperties”, J. Membr. Sci.309, 2008, 209-221. [33] Helin, Hua et al., “Anti-fouling ultrafiltration membrane prepared from polysulfone-graft-methyl acrylate copolymers by UV-induced grafting method”, J. Environmental Sci.20, 2008, 565-570. [34] Katsoufidou, K. et al., “A study of ultrafiltration membrane fouling by humic acids and flux recovery by backwashing: Experiments and modeling”, J. Membr. Sci.266, 2005, 40-50. [35] Lee, Kune Woo et al., “Trade-off between thermodynamic enhancement and kinetic hindrance during phase inversion in the preparation of polysulfone membranes”, Desalination 159, 2003, 289-296. [36] Nady, Norhan et al., “Modification methods for poly(arysulfone) membranes: a mini-review focusing on surface modification”, Desalination 275, 2011, 1-9. [37] Velu, S.; L. Murugunandam; G. Arthanareeswaran, “Performance enhancement of polysulfone ultrafiltration membrane by blending with polyurethane hydrophilic polymer”, Intern. J. Chem. Analy. Sci.2 (7), 2011, 87-92. [38] Wang, Xuefen et al., “High performance ultrafiltration composite membranes based on poly(vinyl alcohol) hydrogel coating on crosslinked nanofibrous poly(vinyl alcohol) scaffold”, J. Membr. Sci.278, 2006, 261-268. [39] Wei, Yong et al., “Effect of TiO2 nanowire addition on PVDF ultrafiltration membrane performance”, Desalination 272, 2011, 90-97. [40] Yudhistira, Ardian Dwi; Fajar Budi Iswanto; Tutuk D. Kusworo, “Pembuatan asimetrik membran untuk pengolahan air : pengaruh waktu penguapan terhadap kinerja memmbran”, Universitas Diponegoro, 2012. [41] Zhao, Song et al., “Comparison study of the effect of PVP and PANI nanofibers additives on membrane formation mechanism, structure and performance”,J. Membr. Sci.385-386, 2011, 110122. Sumber lain: http://ars.sciencedirect.com/content/image/1-s2.0-S0167779900014724-gr2.jpg diunduh tanggal 18 Mei 2012 pukul 16.22 WIB. http://materialscience.uoregon.edu/ttsem/SEMbasics.html diunduh tanggal 16 Mei 2012 pukul 19.00 WIB. http://www.ampolymer.com/MSDS/PEG.pdf diunduh tanggal 19 Mei 2012 pukul 22.00 WIB. http://www.ampolymer.com/MSDS/PSF.pdf diunduh tanggal 19 Mei 2012 pukul 22.30 WIB. http://www.biolsci.org/v04p0379.htm diunduh tanggal 18 Mei 2012 pukul 13.00 WIB.

31

http://www.dextran.net/dextran-properties.html diunduh tanggal 18 Mei 2012 pukul 14.00 WIB. http://www.dextran.net/documents/MSDS/MSDS003-Dextran-powder.pdf diunduh tanggal 20 Mei 2012 pukul 14.00 WIB. http://www.hzg.de/imperia/md/images/gkss/programmschwerpunkte/aem_t3_matrimid_240x257.jpg diunduh tanggal 15 Mei 2012 pukul 13.39 WIB. http://www.sciencelab.com/msds.php?msdsId=9927155 diunduh tanggal 19 Mei 2012 pukul 22.00 WIB. http://www.tu-cottbus.de/zal/zal/prakt/uvvisspe.htm diunduh tanggal 18 Mei 2012 pukul 13.00 WIB. http://www.liquidnitrogenservices.com.au/safety/ln2_msds_e1.pdf diunduh tanggal 18 Mei 2013 pukul 16.00 WIB.

32