PERISTIWA PERPINDAHAN

Lecture Note

PERISTIWA PERPINDAHAN DALAM MEMBRAN PENUKAR ION I.G. Wenten, A.N. Hakim, Khoiruddin

Diktat

TEKNIK KIMIA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2014

BAB I. PROSES-PROSES BERBASIS MEMBRAN PENUKAR ION BAB II.

PEMBUATAN DAN KARAKTERISASI MEMBRAN PENUKAR ION BAB III. PENDEKATAN TRANSPORT DALAM MEMBRAN BAB IV. PERPINDAHAN ION DALAM MEMBRAN PENUKAR ION

Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

2

Pendahuluan

Proses membran dimana perbedaan potensi listrik berperan sebagai gaya dorong dan membran bermuatan mengatur perpindahan ion.

Membran bermuatan: 1. Membran penukar kation, memungkinkan perpindahan kation bermuatan positif 2. Membran penukar anion, memungkinkan perpindahan anion bermuatan negatif

Perbedaan potensial elektrik

• Gaya dorong yang sangat kuat dibandingkan tekanan (sangat lemah) • Perbedaan potensial elektrik ¼ V = kebutuhan tekanan 1200 bar untuk gaya dorong yang sama

[Mulder, 1996] Diagram berikut mengilustrasikan sejarah proses membran bergaya dorong elektrik. Antara 1880 dan1900 – Ostwald menemukan bahwa membran tidak dapat ditembus elektrolit Pada 1940 – Meyer dan Strauga, proses elektrodialisis multi sel

1903 – Morse dan Pierce, elektrolit dapat dihilangkan lebih cepat dari larutan umpan dengan bantuan potensi listrik

Akhir 1950an – skala industri pertama Awal 1960an – untuk desalinasi air payau

Sekitar tahun 1940 – membran penukar ion sintetis yang lebih efektif

[Strathmann, 2004]


3

Elektrodialisis (ED)

Elektrodialisis (ED) Sebuah proses dimana ion dipindahkan melalui membran karena perbedaan potensial listrik yang diberikan dan sebagai konsekuensi dari aliran arus listrik. ED menggunakan membran yang selektif terhadap ion tertentu, yaitu membran kation yang dapat melewatkan kation dan menolak anion dan membran anion yang dapat melewatkan anion dan menolak kation.

Membrane

Membran penukar kation dan penukar anion

Ketebalan

≈ beberapa ratus µm (100 – 500 µm)

Ukuran pori

Tak berpori

Driving force

Perbedaan potensial elektrik

Prinsip Pemisahan

Mekanisme eksklusi Donnan

Material Membran

Kopolimer Crosslinked berbasis divinylbenzene (DVB) dengan kopolimer polystyrene atau polyvinylpyridine PTFE dan poly (sulfonyl fluoride-vinyl ether), (Strathmann, 2004)

(Mulder, 1996)

[Mulder, 1996]

1. Aplikasi industrial pertama dari membran penukar ion, Click to add Title pengembangan teori fundamental, 2. Menyebabkan 3. Menyebabkan Click to add Title pengembangan teknologi lanjutan, Electrodialysis Reversal (EDR) Bipolar membrane electrodiaysis (BP)

Electrodeionization (EDI) Electrolysis (EL) Fuel cell (FC),

Aplikasi industrial dari membran penukar ion berawal pada elektrodialisis (ED) dan menyebabkan perkembangan teori fundamental. Pengembangan teori fundamental menyebabkan pengembangan lanjutan dari teknologi ED.

[Tanaka, 2007]


4

Elektrodialisis (ED)

Prinsip operasi elektrodialisis

Diluat

Katoda

Membran penukar kation

-

+ + -

+ + + + + + + +

+

-

+ +

Concentrat Membran penukar + anion

+ + + + + + +

Anoda

+

Larutan Umpan

Skema proses elektrodialisis Prinsip elektrodialisis (Mulder, 1996) Pasangan sel

Unit yang terdiri dari membran penukar kation, kompartemen diluat, membran penukar anion, dan kompartemen konsentrat Tumpukan

Pasangan sel disusun antara dua elektroda, biasanya hingga 200 pasangan sel dalam satu tumpukan. (Strathmann, 2004)

Konstruksi dari tumpukan lembaran elektrodialisis (Strathmann,2004)

Stack elektrodialisis Industrial. Ref: www.ameridia.com/html/elea.html


5

Elektrodeionisasi (EDI)

Elektrodeionisasi Kombinasi dari elektrodialisis dan proses penukar ion konvensional. Proses campuran yang tidak memerlukan regenerasi kimia. (Li, et al, 2008)

1955 - Walters dkk menerapkannya pada limbah konsentrat radioaktif 1957 – Kollsman melakukan eksperimen untuk deionisasi air 1959 – Glueckauf, perlakukan terhadap limbah radioaktif encer

1971 – Matejka melaporkan perkembangan akan teori perpindahan ion

1987 Komersialisasi pertama (Thin cell) oleh Millipore

1990s Banyak tulisan teknis dipublikasikan

(ref: www.ameridia.com/html/elea.html; Gifford and Atnoor, 2000; Smith, et al, 2000; Bouhidel and Lakehal, 2006; Wood, et al, 2010)

Keuntungan, (Strathmann, 2004) Dibandingkan resin penukar ion:  Proses kontinu  Tanpa regenerasi, yang sangat butuh pekerja dan mahal Dibandingkan elektrodialisis konvensional:  Konduktivitas dari sel yang diisi diluat meningkat lebih dari dua kali lipat Kerugian (Strathmann, 2004)  Penggunaan arus yang relatif buruk


6

Elektrodeionisasi (EDI)

Prinsip elektrodeionisasi diilustrasikan sebagai berikut Potensial listrik: • Menciptakan gaya dorong untuk perpindahan ion • Memecah molekul air menjadi ion hidrogen dan hidroksil. (Li, et al, 2008) Membran penukar ion: • Berguna sebagai pembatas antara aliran curah air • Menetapkan wilayah kompartemen. (Tanaka, 2007) Resin penukar ion: • Meningkatkan konduktivitas dari kompartemen dilut • Menambah laju perpindahan ion (Tanaka, 2007)

Prinsip perpindahan ion dalam sel diluat yang dipenuhi resin penukar ion dari EDI. (Strathmann, 2004)

Mode operasi EDI dapat dibagi menjadi dua yaitu elektrodeionisasi (enhanced electrodeionization) dan mode elektroregenerasi. Keterangan masing-masing mode operasi dapat dilihat pada bagan berikut. Mode operasi EDI (Ganzi, 1988)

Mode Elektrodeionisasi Ketika salinitas umpan tinggi, (Ganzi and Parise, 1990)

Mode Elektroregenerasi Ketika salinitas air umpan sangat rendah karena lewatnya spesi bermuatan kuat ke kamar konsentrat


7

Elektrolisis

Elektrolisis (Elektrolisis Membran) Kombinasi elektrolisis dan pemisahan membran. Contoh klasik: Proses klor-alkali, mengkonversi NaCl menjadi klorin dan soda kaustik. (Mulder, 1996)

Membran asam Perﬂuorosulfonat: Stabil secara kimia dan termal

Prinsip elektrolisis membran penukar ion dari sodium klorida. (Tanaka, 2007)

Membran penukar kation untuk proses klor-alkali (Strathmann, 2004):  Memiliki hambatan rendah untuk perpindahan ion Na+  Transport rendah terhadap air  Menahan ion OH- sebanyak mungkin

Contoh aplikasi dari elektrolisis membran (Sata, 2004) Contoh

Perlakuan

Sintesis dari reagen organik dan anorganik

Proses klor-alkali, sintesis hidrogen peroksida, produksi gas hidrogen dengan elektrolisis air, reparasi larutan garam logam murni

Pengolahan air limbah

Regenerasi larutan kromat, pengolahan limbah asam dari larutan pengawetan stainless steel, regenerasi pengembangan developer, recoveri logam mulia

Pengendalian pH larutan

Pengendalian pH dari larutan coating deposisi elektrik


8

Proses-proses lainnya Diffusion Dialysis Diffusion dialysis umumnya diaplikasikan untuk pemulihan asam dan basa dalam campurannya dengan garam. Melalui proses yang sama, basa dapat dipisahkan dari campurannya dengan garam pada sel yang menggunakan membran penukar kation Strathmann dkk, 2006

Elektrodialysis dengan membran bipolar (EDBM) EDBM merupakan proses ED yang menggunakan membran bipolar. EDBM ini diaplikasikan dalam produksi asam dan atau basa, proses asidifikasi, dan proses alkalisasi. Membran bipolar yang digunakan dalam unit EDBM berfungsi untuk menghasilkan ion-ion H+ dan OH- melalui reaksi dissosiasi air. Huang dkk, 2007

Reverse electrodialysis (RED) RED adalah teknologi pembangkit energi listrik yang menggunakan proses dengan prinsip berlawanan dengan teknologi elektrodialisis. Fluks ion yang dihasilkan dari beda salinitas antara dua larutan dikonversi secara langsung menjadi arus listrik Ramon dkk, 2011


9

Proses-proses lainnya

Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)

Alkaline fuel cell (AFC)

Membran penukar ion juga telah diaplikasikan pada teknologi pembangkit energi seperti proton exchange membran fuel cell atau PEMFC. Untuk AFC, membran yang digunakan adalah membran penukar anion. Pada PEMFC, gas hydrogen dikoversi menjadi ion-ion H+ dan dilewatkan melalui membran kation. Sedangkan pada AFC, ion OH- hasil reaksi di sisi katoda dipindahkan melalui membran anion.

Microbial fuel cell (MFC) Microbial fuel cell (MFC) merupakan teknologi yang menggunakan membran penukar ion untuk mengkonversi bioenergi yang tidak hanya mengolah limbah tetapi juga dapat membangkitkan energi listrik. Leong dkk., 2013 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

10

Proses-proses lainnya

Membrane capacitive deionization (MCDI)

Proses capacitive deionization (CDI): (a) tahap purifikasi dan (b) tahap regenerasi (AlMarzooqi dkk, 2014)

Proses membrane capacitive deionization (MCDI): (a) tahap purifikasi dan (b) tahap regenerasi (AlMarzooqi dkk, 2014)

Modul capacitive deionization (CapDI) dari Voltea (www.voltea.com)

Capacitive deionization (CDI) adalah metode penyisihan garam yang menggunakan prinsip adsoprsi listrik (electrosorption) dimana ion-ion (kation dan anion) akan ditarik ke arah elektroda yang berlawanan muatan (katoda dan anoda) ketika elektroda tersebut dihubungkan dengan sumber listrik. Pada CDI, peyisihan ion bergantung pada kapasitas elektroda. Jika elektroda telah jenuh, maka diperlukan regenerasi. Regenerasi dapat dilakukan dengan membalik polaritas elektroda sehingga ion-ion dapat terlepas (terdesorpsi) elektroda dan ion-ion terbawa oleh aliran flushing. CDI kemudian dikembangkan dengan menambahkan membran penukar ion untuk meningkatkan efisiensi proses pemisahan dan regenerasi. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

11

Karakteristik Membran Penukar Ion Diharapkan membran penukar ion memiliki nilai permselektivitas yang tinggi dan hambatan listrik yang rendah. Selain itu, membran penukar ion juga diharapkan memiliki stabilitas mekanik yang baik, serta ketahanan kimia dan termal yang baik terutama untuk aplikasi-aplikasi tertentu. Karakteristik membran penukar ion komersial dapat dilihat pada tabel. Pada umumnya membran penukar ion homogen memiliki sifat elektro-kimia yang lebih baik daripada membran penukar ion heterogen.

Karakteristik membran penukar ion komersial (Nagarale dkk, 2006) Membran

Jenis

IEC (meq/g)

Tebal (mm)

Kandungan air (%)

Konduktivit as (mS/cm)

Ps (%)

Neosepta CMX

Kation, PS/DVB

1,5-1,8

0,14-0,2

25-30

3,16-7,78

97

Neosepta AMX

Anion, PS/DVB

1,4-1,7

0,120,18

25-30

5,14-6,0

95

CMV

Kation, PS/DVB

2,4

0,15

25

5,17

95

AMV

Anion, PS/butadiena

1,9

0,14

19

3,11-7,0

92

HJC

Kation, heterogen

1,8

0,83

51

-

-

61CZL386

Kation, heterogen

2,6

0,63

40

5,89

-

103PZL183

Anion, heterogen

1,2

0,60

38

12,24

-

Nafion 117

Kation terfluorinasi

0,9

0,20

16

13,33

97

Nafion 901

Kation terfluorinasi

1,1

0,40

5

10,53

96

R-5010-H

Kation, LDPE

0,9

0,24

20

2,0-3,0

95

R-5030-L

Anion, LDPE

1,0

0,24

30

3,43-6

83

MA-40

Anion

0,6

0,15

17

3

95

HGC

Kation, PVC heterogen

0,67-0,77

0,220,25

14

4,17-5,5

87

HGA

Anion, PVC heterogen

0,4-0,5

0,220,25

12

3,57-4,4

82

Keterangan: Ps= permselektivitas; IEC= ion-exchange capacity Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

12

Karakteristik Membran Penukar Ion Xu dkk (2008) menjelaskan hubungan antara sifat-sifat membran penukar ion seperti digambarkan pada gambar. Gambar tersebut diatas menjelaskan secara kualitatif kecenderungan sifat-sifat utama membran penukar ion terhadap kapasitas tukar ion dan kandungan air. Konduktivitas dan derajat swelling membran meningkat seiring dengan peningkatan kapasitas tukar ion dan kandungan air. Sedangkan kekuatan mekanis dari membran memiliki kecenderungan yang berlawanan dengan koduktivitas dan derajat swelling membran. Selektivitas ion-ion dengan muatan yang sama dan transport number meningkat oleh peningkatan kapasitas tukar ion dan penurunan kandungan air. Parameter-parameter yang lainnya juga dapat diperhitungkan secara kualitatif dari kedua parameter utama tersebut, yaitu kandungan air dan kapasitas tukar ion. Sehingga dua parameter tersebut sangat menentukan karakteristik membran penukar ion.

Hubungan antara sifat-sifat membran penukar ion. Arah anak panah menunjukkan arah peningkatan (Xu dkk, 2008)


13

Karakteristik Membran Penukar Ion Kation

Membran penukar ion

Anion

Bipolar

Pengelompokan membran berdasarkan muatan

Berdasarkan muatannya membran penukar ion dapat dibagi menjadi membran kation, anion, dan bipolar (yang memiliki dua lapis dengan dua muatan yang berbeda). Membran penukar kation dan anion juga diklasifikasikan menjadi membran asam kuat dan basa kuat atau asam lemah dan basa lemah bergantung pada derajat dissosiasi dari gugus bermuatan di dalam larutan

Berdasarkan strukturnya, membran penukar ion komersial dapat dikelompokkan menjadi membran homogen dan heterogen. Pada membran homogen, gugus fungsi terdistribusi lebih merata di banding membran heterogen. Pada membran heterogen, gugus fungsi dibawa oleh partikel resin-resin penukar ion yang telah dihaluskan. Sedangkan polimer matriks yang biasanya bersifat inert membentuk struktur membran.

Struktur

Membran homogen

Membran hetergen

Pengelompokan membran berdasarkan struktur Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

14

Preparasi Membran Penukar Ion

Ada beberapa metode yang dapat digunakan untuk fabrikasi membran penukar ion. Metode-metode tersebut antara lain:

• Sandwich method • Latex method • Block polymerization • Paste method • Irradiation graft polymerization • Heterogeneous membrane Tanaka, 2007

Proses pembuatan membran homogen dapat dimulai dari tiga titik awal yang berbeda, yaitu: monomer dengan gugus fungsi, film polimer, dan polimer dengan gugus fungsi. Tahap-tahap proses pembuatan membran homogeny dapat dilihat pada skema berikut:

1 Monomer dengan gugus fungsi

Kopolimerisasi dengan monomer tanpa gugus fungsi

Membran penukar ion

Film polimer

Grafting dengan monomer yang memiliki gugus fungsi

Membran penukar ion

Polimer dengan gugus fungsi

Pelarutan polimer ke dalam solven

Cetak membran penukar ion

2

3

Proses Pembuatan Membran Penukar Ion Homogen (Xu 2005) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

15


(a) Skema reaksi dan (b) struktur kimia membran Nafion

Skema reaksi pembuatan membran Dow

Nagarale dkk, 2006


16


Skema reaksi pembuatan membran penukar ion berbasis styrena – divinylbenzena Nagarale dkk, 2006 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

17


Struktur kimia membran berbasis trifluorostyrena

Skema tahap sulfonasi Udel polisulfon

Nagarale dkk, 2006 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

18


Skema reaksi sulfonasi poly(phosphazene)

Mekanisme reaksi kondensasi hidrolisis alkoxy silane berkatalis asam dan basa

Nagarale dkk, 2006 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

19


Grafting radiasi terhadap polimer merupakan teknik yang telah dikenal dalam modifikasi permukaan polimer yang dapat mempengaruhi karakteristik fisika dan kimia. Irradiasi polimer dengan radiasi ionisasi seperti sinar gamma dapat menginduksi pembentukan radikal pada polimer rantai polimer utama dimana polimerisasi monomer yang lain dapat diinisiasi. Dengan teknik grafting, dua polimer yang tidak compatible dapat digabungkan dalam satu material yang memiliki karakteristik gabungan dari keduanya. Teknik tersebut telah banyak digunakan dalam preparasi berbagai jenis membran karena dapat mengendalikan komposisi dan karakteristik membran dengan penggunaan derajat grafting yang tepat. Selain itu juga dapat menghindarai permasalahan bentuk membran karena dapat dimulai dari membran lembaran. Berikut ini adalah contoh reaksi preparasi membran penukar ion dengan teknik grafting. Membran penukar ion dapat dibuat dari lembaran polietilen dengan metode grafting diikuti dengan sulfoklorinasi dan aminasi dapat menghasilkan membran dengan hambatan listrik rendah, tingkat permselektivitas tinggi, dan kekuatan mekanik yang baik. Nagarale dkk, 2006

Skema grafting membran polietilen (Nagarale dkk, 2006) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

20


1

2

Resin penukar ion (powder)

Resin penukar ion (powder) + polimer binder

Dispersi resin penukar ion ke dalam larutan polimer pengikat

Moulding

Cetak membran penukar ion + penghilangan solven

Membran penukar ion

Proses preparasi membran penukar ion heterogen (Kariduraganavar dkk, 2006) Membran penukar ion heterogen dapat dibuat dengan mendispersikan resin penukar ion (powder) ke dalam larutan polimer (polimer+solven) kemudian dicetak dan dihilangkan solvennya. Selain itu, membran heterogen juga dapat dibuat melalui pencetakan campuran resin dan polimer inert pada temperatur dan tekanan yang cukup tinggi.

Modifikasi membran penukar ion heterogen

Penambahan aditif

Activated carbon, carbon nanotube, surfactant, zeolite, metal oxide, etc.

Modifikasi permukaan

Plasma treatment, in situ polymerization, solution casting, dip coating, electro-deposition, surface profilling

Post-treatment

Activation procedure, heat treatment, chemical treatment.

Agar diperoleh karakteristik membran heterogen yang baik, terutama karakteristik elektrokimia, beberapa peneliti mencoba memodifikasi membran penukar ion melalui beberapa metode Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

21

Membran Penukar Ion Heterogen Keunggulan dan kekurangan membran homogen dan heterogen adalah sebagai berikut:

Membran homogen

• Memiliki sifat elektrokimia yang lebih baik tetapi kekuatan mekanik yang relatif lebih rendah (Kikhavani dkk, 2014)

Membran heterogen

• Memiliki kekuatan mekanik yang lebih baik, prosedur penyiapan yang lebih mudah, dan biaya produksi yang lebih rendah dibandingkan dengan membran homogen (Vyas dkk, 2001; Kikhavani dkk, 2014)

Sedangkan struktur membran penukar ion heterogen, distribusi arus listrik, dan jalur perpindahan ion melewati membran dapat dilihat pada gambar-gambar berikut:

Skema dan hasil analisa SEM membran penukar ion heterogen (a) Permukaan heterogen

(b) Permukaan homogen Daerah konduktif Daerah non-konduktif

Distribusi arus melalui permukaan (a) membran homogen dan (b) membran heterogen (Klaysom dkk, 2013) Setidaknya ada empat macam kasus yang berbeda pada proses perpindahan ion melalui membran heterogen (gambar). Porositas merupakan faktor penting pada proses transport. Porositas diperlukan bagi fungsionalitas partikel resin.

Skema jalur transport ion di dalam matriks resin-polimer

Kiyono dkk, 2004


22

Membran Penukar Ion Heterogen

Model microheterogeneous dapat menjelaskan tingkat heterogenitas membran penukar ion. Heterogenitas pun ada pada membran homogen. Tingkat heterogenitas dijelaskan melalui seberapa besar fraksi interstitial solution di dalam membran (f2). Di dalam membran homogen, fraksi fasa larutan lebih rendah dibanding pada membran heterogen. Besarnya fasa larutan di dalam membran heterogen disebabkan oleh proses pembuatannya. Fraksi fasa larutan di dalam membran terjadi karena pembentukan ruang-ruang kosong di antara resin penukar ion dan material polimer binder. Ruang-ruang kosong terjadi karena antara resin dan polimer yang tidak saling berikatan. Di dalam membran heterogen, fasa gel dapat dibagi lebih lanjut. Yaitu fasa pure gel yang memiliki muatan (partikel resin penukar ion) dan fasa inert (polimer binder). Zabolotsky dan Nikonenko, 1993 Penjelasan model microheterogeneous dapat diuraikan sebagai berikut. Koefisien fenomenologi di dalam membran (L) dapat dijelaskan melaui persamaan:

Lm  f1 L1  f 2 L2

Dimana:

f1  f 2  1

f1

Fraksi gel

f2 

Fraksi larutan di dalam membran Parameter struktur; 1 = paralel; -1 = seri

Konduktivitas membran keseluruhan dapat dijelaskan melalui persaman berikut, dimana konduktivias membran secara keseluran adalah fungsi konduktivitas larutan dan fasa gel.   m   f1 iso  f 2  

1/ 

Jika frasksi fasa gel dan fasa larutan tersusun secara acak, maka

 0

Fasa konduktif tersusun secara acak

Sehingga konduktivitas membran dapat dijelaskan dengan persamaan berikut

 m   iso f  f 1

2


23

Membran Penukar Ion Heterogen

Model three-wire pada umumnya digunakan untuk menentukan konduktivitas kolom resin penukar ion. Model tesebut dapat memberikan gambaran mengenai fraksi konduktif baik fraksi larutan maupun fraksi gel juga dapat memberikan gambaran mengenai geometri dari masing-masing fraksi.

Konduktivitas membran

m 

a  b  c e  d

a b  c 1

Skema model three-wire

d  e 1

Km 

aK d  bK d  c e  dK d

Km 

m 

Kd 

 

Ref: Demina dkk, 2014

Model extended three-wire model Menghubungkan model microheterogeneous dan three-wire dengan menambahkan parameter-parameter tambahan

b  f 1/ 

e  ( f  b) / a

c  (1  f )1 / 

d  1  (1  b) / a

a  1  (1  f )1 /   f 1 /  Ref: Gnusin dkk, 2009 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

24

Membran Penukar Ion dengan Sifat Spesifik Untuk aplikasi yang berbeda, sering kali diperlukan membran penukar ion dengan karakteristik khusus. Misalnya untuk desalinasi air laut atau untuk pre-konsentrasi air laut pada proses pembuatan garam, diperlukan membran yang selektif terhadap ion monovalent (Na, Cl). Selain diperlukan sebagai produk, juga ditujukan untuk mencegah pembentukan kerak oleh ion-ion multivalent. Untuk mencegah fouling organic saat diaplikasikan pada larutan mengandung senyawa organic, maka diperlukan membran anion yang bersifat anti-fouling. Membranmembran dengan sifat spesifik lainnya dapat dilihat pada gambar.

Retensi terhadap asam tinggi Membran amfoter

Membran bipolar

Selektif terhadap ion monovalen

Membran penukar ion dengan karakteristik spesifik

Membran untuk proses klor-alkali (ketahanan termal dan kimiawi yang baik)

Tahan terhadap fouling

Membran penukar anion dengan permeabilitas yang tinggi terhadap asam organik dan senyawa organik molekul tinggi

Membran penukar ion dengan sifat spesifik Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

25

Karakterisasi Membran Penukar Ion

Hambatan listrik membran merupakan salah satu faktor penting yang menentukan konsumsi energi. Karakterisasi ini dapat digunakan untuk semua jenis membran ionik dengan menggunakan prinsip hokum ohm.

Aplikasi • Hambatan listrik Karakterisasi

• Semua jenis membran ionik

Skema gambar sel uji untuk menentukan hambatan listrik membran ionic menggunakan arus DC

• Hukum ohm

Prinsip

Penurunan tegangan listik secara actual diukur menggunakan elektroda calomel yang terpasang di dalam Haber-Luggin capillaries dekat permukaan membran

Penentuan hambatan listrik menggunakan arus DC sangat akurat dengan syarat posisi Haber-Luggine capillaries sangat dekat dengan membran degan jarak yang identik saat pengukuran dengan dan tanpa membran penukar ion. Hambatan dihitung dari slope grafik arus vs tegangan listrik

rm rm+s rs

= hambatan membran = hambatan total = hambatan larutan

Ref: Strathmann, 2004 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

26


Transportasi ion mengakibatkan perubahan konsentrasi dalam larutan elektrolit pada permukaan membran yang dapat mempengaruhi akurasi pengukuran dapat dihindari dalam pengukuran resistansi dengan arus AC.

Skema alat pengukuran hambatan listrik membran dengan arus listrik AC Pada pengukuran menggunakan arus listrik AC, ion-ion hanya berosilasi di sekitar lokasi mereka. Hambatan membran dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

rm

= hambatan permukaan membran

ρm+s ρs = hambatan spesifik sel dengan dan tanpa membran dm ,

= ketebalan membran

d

= jarak antara elektroda

Ref: Strathmann, 2004


27


Hambatan listrik membran penukar ion juga dapat diukur menggunakan electrochemical impedance spectroscopy (EIS).

Aplikasi •Hambatan listrik •Semua jenis membran

•Pengukuran menggunakan EIS

Karakterisasi

Prinsip

Test cell untuk pengukuran hambatan membran menggunakan EIS Penentuan spectrum impedansi dapat dilakukan menggunakan tes uji sebagaimana pada pengukuran menggunakan arus AC. Contoh hasil pengukuran EIS dapat dilihat pada gambar. Pada frekuensi 815 kHz, sudut fasa mendekati nol dimana hambatan listriknya bernilai 118 Ω

Contoh grafik hasil pengukuran menggunakan EIS



28


Membran diletakaan di antara dua sel berisi larutan elektrolit dengan konsentrasi yang berbeda. Beda konsentrasi menyebabkan difusi ion dari konsentrasi tinggi menuju kompartemen dengan konsentrasi rendah. Karena membran hanya melewatkan ion dengan muatan tertentu, maka akan terbentuk beda potensial listrik antar dua kompartemen tersebut. Potensial membran diperoleh dari pengukuran tegangan listrik hingga mencapai nalai konstan. Dari pengukuran potensial membran (Em) dapat ditentukan nilai-nilai dari parameter lainnya seperti: - Bilangan transport counter-ion (ti) - Permselektivitas membran (Ps)

Sel uji untuk pengukuran potensial membran (membrane potential). (Strathmann, 2004)

Nilai transport number counter-ion melewati membran dapat dihitung melalui persamaan berikut:

Em=

RT 𝐹

2𝑡𝑖 − 1 ln

𝑎𝑖1 𝑎𝑖2

=

RT 𝐹

2𝑡𝑖 − 1 ln

𝐶𝑖1 𝛾𝑖1 𝑎𝑖2 𝛾𝑖2

Sedangkan nilai permselektivitas diperoleh dengan membandingkan transport number counterion dan co-ion). Dimana ti adalah bilangan transport counter-ion di dalam membran sedangkan to adalah bilangan tansport ion di dalam

Ps=

𝑡𝑖−𝑡𝑜 1−𝑡𝑜



29


Kapasitas pertukaran ion (ion-exchange capacity) dan kandungan air merupakan dua parameter penting yang tidak dapat diabaikan. Keduanya, sebelumnya dijelaskan oleh Xu (2008) sebagai karakteristik utama yang menentukan karakteristik-karakteristik membran penukar ion lainnya. Tahap-tahap karakterisasi kedua parameter tersebut adalah sebagai berikut :

Ion-exchange capacity (IEC)

Kandungan air (water uptake)

Membran direndam dalam larutan asam (kation) atau basa (anion)

Membran direndam dalam air selama 24 jam

Membran direndam di dalam larutan NaCl

Berat basah membran ditimbang

Membran dicuci dengan air

Membrani dikeringkan dalam oven (30oC, 48 jam atau 60oC, 24 jam)

Air cucian dan larutan NaCl di titrasi (asam-basa)

Berat kering membran ditimbang

Tahap-tahap karakterisasi IEC dan Wu Nilai-nilai IEC dan Wu dapat dihitung melalui persamaan-persamaan berikut: 𝐼𝐸𝐶 = Wu=

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑡𝑖𝑡𝑟𝑎𝑛 ×𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎𝑙𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑡𝑖𝑡𝑟𝑎𝑛 = 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑟𝑎𝑛

(𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑏𝑎𝑠𝑎ℎ −𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔) x100% 𝐵𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑘𝑒𝑟𝑖𝑛𝑔

meq/gram =%


30

Teori Black Box Pada dasarnya, fenomena transportasi dari molekul atau partikel melintasi membran dari satu fase ke fase lain karena gaya dorong yang diberikan pada molekul atau partikel. Persamaan fenomenologis yang paling menggambarkan transportasi massa melintasi membran didefinisikan oleh,

Flux (J) = proportionality factor (A) x driving force (X) Persamaan phenommenologi adalah persamaan black box yang tidak menjelaskan tentang sifat kimiawi dan fisik membran atau hubungan antara transport struktur membran.

Gaya dorong didefinisikan sebagai berikut Beda potensial kimia

driving force 

X N / mol 

Driving Force

Beda potensial listrik

Potensial kimia dipengaruhi oleh tekanan dan konsentrasi

i  i o  RT ln ai  Vi P

ai   xi

Isotermal & isobarik

α = aktivitas γ = koefisien aktivitas γ = 1 (larutan ideal), selanjutnya α = x (fraksi mol)

i  RT  ln ai  Vi P Ref: Mulder, 1996 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

31

Teori Black Box

Jika potensial kimia dan listrik dianggap sebagai gaya dorong dan diasumsikan terjadi pada kondisi ideal, yaitu ai = xi & ∆lnxi ≈ 1/∆xi.

Fave 

V RT xi zi F  E  i P l xi l l

Dibagi dengan 1/RT, kemudian :

Fdim 

xi zi F V  E  i P xi RT RT

Dinyatakan dalam bilangan tak berdimensi

Fdim 

xi E P  *  * xi E P

E* 

Vi RT

P* 

zi F RT

Besarnya gaya dorong dapat dibandingkan satu-sama lain dengan mudah jika dinyatakan dalam bilangan tak berdimensi sebagaimana persamaan diatas. Suku konsentrasi ∆xi/xi selalu bernilai 1. Sedangkan suku tekanan sangat bergantung pada jenis komponen yang terlibat (dalam bentuk volume molar). Nilai P* untuk berbagai jenis komponen disajikan pada table berikut. Jika dibandingkan dengan tekanan, gaya dorong listrik merupakan gaya dorong yang sangat kuat.

Perkiraan nilai P*(Mulder, 1996) Komponen

P*

Gas

P

Makromolekul

0.003 – 0.3 Mpa

Cairan

15 – 40 Mpa

Air

140 Mpa

Ref: Mulder, 1996


32

Teori Black Box Proses perpindahan melalui membran tidak dapat dianggap sebagai proses termodinamika keseimbangan dan karena itu hanya termodinamika ireversibel yang dapat digunakan untuk menggambarkan transportasi membran (Mulder, 1996). Persamaan fluks yang diturunkan dari termodinamika irreversibel dapat memberikan gambaran yang nyata mengenai perpindahan melalui membran Laju produksi entropi dinyatakan dalam fungsi dissipasi (φ)

 T

dS   Ji X i dt

Di daerah dekat dengan kesetimbangan:

X i   Rij J j

dan

J i   Lij X j

Aliran-aliran (flows) tidak hanya mengacu pada perpindahan massa tetapi juga untuk transfer panas dan arus listrik

Satu komponen

Dua komponen

J1  L1 X 1   L1

d1 dx

J1   L11

d 1 d 2  L12 dx dx

J 2   L21

d 1 d 2  L22 dx dx

L11,L22 adalah koefisien utama dan L12,L21 adalah koefisien penghubung

Ref: Mulder, 1996


33

Teori Black Box

Menurut Onsager

L12  L21

L11(and L22 )  0

2 L11.L22  L12

dan

Coupling coefficient dapat bernilai positif atau negatif

Fluks komponen 1↑, fluks komponen 2↑

Positive coupling

Penurunan selektivitas

Termodinamika non-equilibrium telah diterapkan pada berbagai proses membran, termasuk larutan encer yang terdiri atas solven (umumnya air) dan solute (Mulder, 1996) Permeabilitas solven (L)

Karakteristik membran

Permeabilitas solut (ω)

Koefisien refleksi (σ) Fungsi dissipasi:

  J ww  J s s

dan

w  w,2  w,1  Vw ( P2  P1 )  RT (ln a2  ln a1 )

w : air sebagai solven, s : solut 2 : sisi permeat, 1 : sisi umpan

Ref: Mulder, 1996 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

34

Teori Black Box  

Tekanan osmosis

Kemudian, beda potensial kimia untuk air

RT ln a Vw

w  Vw (P   )  s  Vs P 

Kemudian, beda potensial kimia untuk solut

 cs

Laju dissipasi menjadi

  ( J wVw  J sVs )P  (

Jv = Total fluks volum

J v  L11P  L12 

Js  J wVw ) cs

Jd = Fluks difusif

J d  L21P  L22 

  J v P  J d  Dalam proses irreversibel, energi bebas terdisipasi secara terus menerus jika gaya dorong dari luar diberikan secara kontinyu dan entropi akan terbentuk. Entropi secara terus menerus terbentuk jika transport terjadi melalui membran misalnya aliran yang terbentuk karena gaya dorong. Laju entropi yang meningkat disebabkan oleh proses irreversibel dinyatakan dalam fungsi disipasi φ. Fungsi disipasi tersebut dapat dinyatakan sebagai sejumlah proses-proses irreversibel yang dihasilkan dari aliran (J) dan gaya dorong (X).


35

Teori Black Box Kondisi batas

Jika ∆π = 0

( J v ) 0  L11P

Jika ∆P = 0

( J d )P0  L22 

Jika ∆ J = 0

0  L11P  L12 

atau

atau

J  L11   v   P  0

J  L22   d    P 0 or

(P) Jv 0  

L12  L11

dimana, L11 = permeabilitas hidrodinamika = Lp L22 = permeabilitas osmosis = ω Koefisien refleksi:

 

L12 L11

σ =1 → membran ideal, tidak ada perpindahan solut σ < 1→ perpindahah solut σ = 0→ tidak ada selektivitas

Mensubstitusikan σ ke Jv dan suku Jd , maka

J v  Lp (P   ) J s  cs (1   ) J v   ketika membran sangat permeabel (tanpa selektivitas) atau σ =0, maka fluks volum

( J v )  Lp P


36

Teori Black Box Beberapa nilai estimasi permeabilitas hidrodinamika Lp untuk berbagai membran dengan gaya dorong tekanan (Mulder, 1996) Process

Lp (l/m2.hr.atm)

Reverse osmosis

< 50

Ultrafiltrasi

50 – 500

Mikrofiltrasi

500

Menentukan σ dan ω :

Js c    (1   ) J v c c

c

(c f  c p ) c ln  f c  p

  

∆c : beda konsentrasi sisi umpan dan permeat f : Umpan p : permeat

Kurva berikut menunjukkan perolehan ω & σ

Js/Δc 1-σ

ω cJv/Δc Grafik untuk memperoleh nilai koefisien permeabilitas solute (ω) dan koefisien refleksi (σ)


37

Teori Black Box Beberapa karakteristik untuk solut dengan berat molekul rendah (Mulder, 1996) Solut

Berat molekul

Radius stokes (Å)

σ

Polyetilen glikol

3000

163

0.93

Vitamin B12

1355

74

0.81

Raffinose

504

58

0.66

Sukrosa

342

47

0.63

Glukosa

180

36

0.30

Gliserin

92

26

0.18

Contoh perpindahan pada elektro-osmosis (larutan garam encer)

Transport terjadi karena beda potensial listrik (ion-ion) atau karena beda tekanan (solven) (Mulder, 1996)

Persamaan untuk produksi entropi:

 T

dS   J i X i  J P  I E dT Dengan kondisi batas:

Jika I = 0

E I 0   L12 P

Streaming potential

Jika ∆P = 0

J P 0   L21 I

Elektro-osmosis

Jika J = 0

P J 0   L21

Beda potensial listrik

L11

L11

L22

E


38

Transport melalui membran berpori Membran berpori digunakan pada proses mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi. Membranmembran tersebut terdiri dari matriks polimer dengan ukuran pori-pori pada rentang 2 nm hingga 10 µ. Model perpindahan sangat penting untuk menggambarkan informasi tentang karakteristik intrinsik membran berpori.

Sifat intrinsik membran

Permeabilitas membran

Permeabilitas adalah nilai yang menunjukkan kemampuan membran dilewati oleh komponen tertentu. Permeabilitas sangat dipengaruhi oleh sifat membran

Geometri pori membran Hagen - Poisseulle Aliran dimana membran dianggap sebagai sejumlah pori-pori berbentuk silinder paralel tegak lurus atau miring ke permukaan membran Kozeny - Carman Aliran dimana membran dianggap sebagai sejumlah bola yang dikemas dengan ruang kosong diantara bola.


39

Transport melalui membran berpori

Berbagai macam mekanisme perpindahan gas melalui membran dapat dibedakan bergantung pada struktur membran, seperti membran asimeterik maupun komposit. Pada proses pemisahan gas melalui membran asimterik atau komposit, mekanisme perpindahan membran dapat dibedakan menjadi: perpindahan melalui lapisan padat (dense atau tak berpori), Knudsen flow melalui membran berpori sempit, viscous flow melalui pori lebar, dan difusi permukaan sepanjang dinding pori. Knudsen flow dan viscous flow ditentukan oleh ukuran pori dari membran. Jika ukuran pori lebih besar (> 10 µm) maka molekul gas saling bertabrakan satu sama lain dan pemisahan diantara komponen gas tidak terjadi. Aliran semacam ini disebut sebagai viscous flow atau Poisseuille flow (lihat persamaan 5). Namun jika ukuran pori-pori membran lebih kecil atau jika tekanan dikurangi, maka jalur bebas rata-rata (mean free path) dari molekul yang berdifusi menjadi sebanding atau lebih besar dari pada ukuran pori membran. Oleh karena itu, tabrakan antara molekul gas semakin berkurang dan tabrakan antara molekul gas dengan dinding pori semakin dominan. Aliran semacam ini disebut dengan Knudsen Flow. Dalam sistem perpindahan cairan, Knudsen Flow dapat diabaikan karena jarak antar molekul di dalam cairan sangat dekat dan jalur bebas rata-rata sangat kecil. Poisseuille flow Dalam poisseuille flow, tabrakan antara molekul gas lebih dominan dibandingkan dengan interaksi antara molekul gas dengan dinding pori (Mulder, 1996)

Pola aliran dalam transport gas melalui membran berpori Knudsen flow Knudsen flow terjadi pada transport gas melintasi membran berpori. Ketika aliran gas melalui pori-pori kecil, tabrakan antara dinding pori dan gas molekul yang dihasilkan aliran laminar. Knudsen flow dapat diabaikan dalam sistem transport cairan karena jarak yang lebih kecil antara molekul cair (Mulder, 1996)


40

Transport melalui membran tak berpori Ketika ukuran molekul berada di urutan yang sama besarnya, seperti oksigen dan nitrogen atau heksana dan heptana, membran berpori tidak dapat memberikan efek yang signifikan pada pemisahan. Dalam hal ini membran non-pori harus digunakan (Mulder, 1996) Elemen volume kosong (pori-pori) dalam membran adalah ruang kecil antara rantai polimer yang disebabkan oleh gerak termal molekul polimer. Volume kosong tersebut muncul dan menghilang pada sekitar skala waktu yang sama seperti gerakan permeasi melalui membran.

Skema flow aliran melalui membran dense (Baker, 2004)

Pada dasarnya, transport gas, uap atau cairan melalui membran dense, non-pori dapat digambarkan melalui mekanisme difusi solusi, yaitu

Permeabilitas (P) = Solubilitas(S) x diffusivitas (D)

Jumlah dari penetran terserap dalam membran yang sangat tergantung pada sifat kimia dari membran dan penetran

Parameter kinetik yang menunjukkan seberapa cepat suatu penetran dipindahkan, yang sangat tergantung pada kondisi operasi dan ukuran molekul

Koefisien solubilitas dari berbagai jenis gas di dalam karet alami (Mulder, 1996)

Pengaruh ukuran penetran tehradap nilai D0 pada polyy(vinil asetat) (Mulder, 1996)

Spesi

Berat molekul

S (cm3cm-3 cmHg-1)

Spesi

Vm (cm3/mole)

Do (cm2/s)

H2

2

0.0005

Air

18

1.2 10-7

N2

28

0.0010

Etanol

41

1.5 10-9

O2

32

0.0015

Propanol

76

2.1 10-12

CH4

16

0.0035

Benzena

91

4.8 10-13

CO2

44

0.0120


41

Transport melalui membran tak berpori Skema penyerapan dalam sistem non-ideal system

Di dalam sistem ideal, klarutan tidak bergantung pada konsentrasi. Konsentrasi di dalam polimer poporsional terhadap tekanan.

Dengan polimer kaca penyerapan isotermal umumnya melengkung dari pada linier

Interaksi kuat antara polimer dan uap organik atau cairan menghasilkan hubungan yang sangat non linier antara tekanan dan konsentrasi gas di dalam polimer, terutama pada tekanan tinggi

Sifat tersebut umumnya dijumpai dengan gas di dalam elastomer

Kelarutan dapat diperoleh dari pengukuran kesetimbangan di mana volume gas yang diambil ditentukan ketika sampel polimer dikontakkan dengan gas pada tekanan yang diketahui.

Umumnya, mekanisme penyerapan dijelaskan oleh teori duall sorption, dimana diasumsikan bahwa dua mekanisme penyerapan terjadi secara bersamaan, yaitu penyerapan menurut hukum Henry dan melalui tipe Langmuir. Hukum Henry digunakan untuk menggambarkan kelarutan gas seperti dalam polimer, di sisi lain, penyerapan Langmuir digunakan untuk menggambarkan adsorpsi gas di permukaan polimer


42

Transport melalui membran tak berpori Menentukan koefisien difusi Jika tidak terdapat penetran pada membran pada saat awal percobaan, jumlah penetrant (Qt) yang melewati membran setiap saat dinyatakan dengan:

Pada daerah dimana t = ~

Reprensentasi grafis Qt / lC vs t akan memberikan jeda waktu sebagai intersep kurva

Penentuan koefisien solubilitas Setelah koefisien difusi dan permeabilitas telah ditentukan, koefisien kelarutan juga dapat dihitung dari rasio P terhadap D. Namun, berbagai teknik dapat digunakan untuk menentukan koefisien kelarutan secara langsung, yaitu menggunakan timbangan gravimetric. Dari percobaan serapan, koefisien difusi efektif dapat ditentukan juga dengan memplot rasio serapan massa pada waktu t (Mt) terhadap serapan massa pada waktu yang tak terbatas (M~)

Ref: Mulder, 1996


43

Transport melalui membran tak berpori Pengaruh temperatur terhadap koefisien permeabilitas Transportasi melalui film padat (dense) dapat dianggap sebagai proses aktif yang biasanya dapat diwakili oleh persamaan Arrhenius.

Untuk kelarutan gas non interaktif dalam polimer, persamaan Arrhenius yang sama dinyatakan sebagai:

Ketergantungan koefisien permebilitas terhadap temperatur dari gas non-interaktif di dalam polyetilena (Starn dkk, 1963)

Sebuah fenomena yang sangat menarik dapat diamati dengan membandingkan nilai energi polimer rubbery dan glassy. Dapat dilihat bahwa energi aktivasi untuk permeasi lebih tinggi pada daerah rubbery daripada glassy Contoh ini adalah menunjukkan bahwa nilai energi aktivasi tidak dapat dihubungkan secara eksplisit dengan kemudahan permeasi

Pengaruh temperature terhadap permeabilitas neon di dalam polyvinilasetat (Meares, 1954)


44

Transport melalui membran tak berpori Sejumlah besar polimer merupakan semi - kristal, yaitu mengandung amorf dan sebagian kecil kristal. Kehadiran kristalinitas dapat sangat mempengaruhi kinerja membran yang berkaitan dengan transport gas dan cair (Mulder, 1996)

Polimer semi-kristal

Amorf : Polimer dimana struktur molekulnya tidak memiliki pola berulang, bentuk, atau struktur yang jelas. Kristal : Polymer yang memiliki bentuk, pola, dan struktur yang jelas.

Jumlah kristalinitas rendah (ψc < 0.1) memiliki pengaruh yang kecil terhadap hambatan difusi, tepapi jika kristalinitas meningkat, maka hambatan menjadi sangat besar

 ψnc D i  D i , o  B 

   

Pengaruh kristalinitas terhadap hambatan relatif Ref: Mulder, 1996


45

Transport melalui membran tak berpori Sejumlah model makroskopik telah diberikan dalam upaya menggambarkan perbedaan besar dalam prinsip-prinsip pemisahan yang terlibat dalam berbagai proses membran dan jenis membran, dengan mengamati jenis membran berpori dan tak berpori (Mulder, 1996). Perpindahan membran melalui membran berpori maupun tak berpori dapat juga dijelaskan dengan memperhitungkan dua jenis aliran, yaitu aliran difusi dan konveksi. Fluks komponen i melalui membran dapat digambarkan sebagai produk dari kecepatan dan konsentrasi.

Ji = u = k.ΔP Trans membran fluks dihasilkan dari penjumlahan aliran difusi dan aliran konveksi

Membran Membran Berpori berpori

Ji  c(v i

Ji = ci (vi + u)

i

 μ)

Ji = ci vi

Membran

membran

Membran tak Membran tak berpori berpori

Aliran konveksi merupakan kontributor utama dalam perpindahan melalui membran berpori. Sedangkan pada membran tak berpori, suku konveksi dapat diabaikan dan hanya aliran difusi yang berkontribusi di dalam perpindahan. Gaya dorong aliran difusi adalah potensial kimia, dimana konsentrasi (aktivitas) dan tekanan memberikan kontribusi terhadap gaya dorong tersebut.

Komponen fluks

Ji  c i .vi Ji 

Di c i dμi RT dx

Ji 

Di c i RT

vi 

Xi fi

X



dμ dx

μ  μ o  RTlna  V . p  po i i i i



d l n ai d P  R T  V i  dx d x 


46

Transport melalui membran tak berpori

Umpan Fasa 1

Permeat Fasa 2

Membran

Pada antarmuka umpan (fasa 1/membran) : s m s μm i , 1  μi , 1 a i , 1  a i , 1

P1

µis,1 Cis,1 ais,1

µim,1 Cim,1 aim,1

µim,2 Cim,2 aim,2

µis,2 Cis,2 ais,2

P2

Pada antarmuka membran (fasa 2/membran) :

  V(P s m s i 1  P2  μm i , 2  μi , 2  a i , 2  a i , 2e xp  RT 

Koefisien aktivitas pada antarfasa umpan:

Konstan solubilitas

m s s cm i , 1  γ i , 1 c i , 1  γ i , 1

Ki ,1

The activities at the permeate interface :

  V(P m s s i 1  P2  cm i , 2 γ i , 2  c i , 2 γ i , 2e xp  RT 

γ is, 1 γm i ,1

and

Ki ,2 

γ is, 2 γm i ,2

Ji 

Di 

   Vi P1  P2    K i , 1c is, 1 K i , 2c is, 2 e xp   RT   

Ji 

Pi 

 s   Vi P1  P2    c i , 1 α i c is, 2 e xp   RT   

Reverse osmosis  Solut dengan berat molekul rendah  Larutan organik  Tekanan sebagai gaya dorong Fluks total

J t o t a l  J w  Js Aw

D w .c m w , 1.Vw  R T.

B

D s .K s 

Ref: Mulder, 1996


47


Permeasi gas Perpindahan di dalam membran padat dimana komponen tekanan parsial dalam fase gas menyebabkan beda konsentrasi bertindak sebagai pendorong untuk pemisahan (Mulder, 1996) Di dalam permeasi gas atau uap, sisi hulu dan hilir membran terdiri atas gas atau uap. Konsentrasi gas s cm i ,m  p i , 1.K i

Ji 

Pi p is, 1 p is, 2 





Pi  K i .Di

Pervaporasi Pervaporasi adalah proses membran di mana sisi umpan berupa cairan sementara sisi permeat adalah uap sebagai hasil dari penggunaan tekanan yang sangat rendah di sisi hilir (Mulder, 1996)

Pi .c is, s  p is, 2   Ji  1 s    pi , 1   

γ i .c is  pi

Persamaan trans membran fluks

Persamaan tekanan parsial dari fasa cairan

Ref: Mulder, 1996


48


Persamaan Nernst-Planck J i  Di

dCi z i FC i Di d   vCi dx RT dx

Migrasi

Persamaan Nernst-Planck pada umumnya digunakan untuk menggambarkan perpindahan ion melewati membran penukar ion. Persamaan tersebut menjelaskan bahwa perpindahan ion dapat terjadi melalui mekanisme difusi, migrasi, dan konveksi (Strathmann dkk. 2013; Klaysom dkk. 2013).

Difusi

Konveksi

Mekanisme

Mekanisme perpindahan ion melewati membran

Gambaran perpindahan ion melewati membran dan profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas dapat dilihat pada gambar berikut. Mekanisme migrasi terjadi karena adanya beda potensial listrik yang diberikan kepada sel. Karena bilangan transport counter-ion di dalam membran lebih tinggi daripada di dalam larutan, maka terjadi perbedaan konsentrasi antara di fasa membran dengan larutan bulk pada lapisan batas. Terbentuknya gradient konsentrasi tersebut mendorong mekanisme perpindahan melalui mekanisme difusi. Strathmann, 2010

Profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas membran penukar kation (Strathmann, 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

49

Ukuran Transport pori nominal melalui membran dan modeltak perpindahan berpori Berdasarkan ukuran pori nominal, perpindahan melalui membran dapat dibagi ke dalam tiga kelompok umum yaitu: (i) ultrafiltrasi, mikrofiltrasi dan pemisahan gas Knudsen-flow mikropori, perpindahan terjadi melalui pore flow, (ii) reverse osmosis, pervaporasi, dan pemisahan gas melalui membran polimer yang memiliki lapisan dense dan tidak memiliki pori yang terlihat (25 Å) dapat dijelaskan melalui model solution-diffusion, dan (iii) membran dengan pori-pori antara 5-10 Å seperti nanofiltrasi merupakan membran intermediate yang dapat dijelaskan melalui model pore-flow dan solution-diffusion. Baker, 2004

Skema representasi dari ukuran pori nominal dan model teoritis terbaik untuk prinsip proses pemisahan membran (Baker, 2004)


50

Kesetimbangan Donnan

Difusi ion-ion dari fasa larutan menuju membran (kiri) dan gugus fungsi di dalam membran kation (kanan) Ion dalam larutan akan berpindah menuju membran akibat adanya gaya tarik elektrostatik. Perpindahan ion akan berlangsung secara terus menerus hingga tercapai kesetimbangan antara fasa curah dan fasa membran

G    

im  is  im  zi F m  il  zi F l RT ais    ln   Don zi F aim m

l

RT aKl 1  Don      ln z K F aKm1 m

l

RT aKl 2  Don      ln z K F aKm2 m

l

l  cNa   cHl   m    m   cNa   cH 

Kesetimbangan akan tercapai ketika sistem berada dalam keadaan termodinamika yang sama

Asumsi larutan ideal Ref: Tanaka, 2007 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

51

Termodinamika Irreversibel

Termodinamika irreversibel dapat digunakan untuk menjelaskan mekanisme perpindahan dan interaksi antar fluks perpindahan dalam suatu sistem. Dalam proses elektromembran, perubahan energi Gibbs terjadi karena adanya perubahan potensial elektrokimia kimia selama proses pemisahan

0

G  H  TS  N    TS  N    Potensial elektrokimia

   Ao  RT ln a  P  P o  V  zF Persamaan produksi entropi dapat dijabarkan lebih lanjut menjadi





T

dS    N i   N i dt

T

  dS a    N  o   o   NRT ln A   NV P  P    N z F    dt aA  





Persamaan fenomenologi perpindahan massa pada membran penukar ion diturunkan dengan mengkombinasikan driving force dan resultan fluks kedalam fungsi disipasi

T

dS  J *  J P  I  dt Ref: Tanaka, 2007


52

Termodinamika Irreversibel

Fluks perpindahan merupakan hasil perkalian antara konstanta fenomenologi dan driving force

J  LX Interaksi antar komponen fluks n

J i  Li1 X 1  Li 2 X 2  .........  Lin X n   Lik X k k 1

Arus listrik I  LE   LEP P   LEi  i i

Fluks air J v  LPE   LP P   LPi i i

Fluks ion J s  LiE   LiP P   Lik i i

Persamaan perubahan energi bebas Gibbs dapat dikembangkan dengan menambahkan tekanan osmosis pada suku perpindahan air

dS dG   J P  J i   I  dt dt dS C T  J v P  RTC   J s RT *  I dt C

T

Sehingga, fluks pepindahan menjadi:

J s  RT  LP RT C 

t i F

J v  LP RT C  i I  GLP RT C 

GtRTC  i FC *

Lp adalah permeabilitas t adalah bilangan transport β adalah permeabilitas elektro osmotik G adalah konduktansi listrik

Tanaka 2006, 2007


53

Perpindahan Ion Melalui Membran Panukar Ion

Persamaan Nernst-Planck J i  Di

dCi z i FC i Di d   vCi dx RT dx

Migrasi

Persamaan Nernst-Planck pada umumnya digunakan untuk menggambarkan perpindahan ion melewati membran penukar ion. Persamaan tersebut menjelaskan bahwa perpindahan ion dapat terjadi melalui mekanisme difusi, migrasi, dan konveksi (Strathmann dkk. 2013; Klaysom dkk. 2013).

Difusi

Konveksi

Mekanisme

Mekanisme perpindahan ion melewati membran

Gambaran perpindahan ion melewati membran dan profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas dapat dilihat pada gambar berikut. Mekanisme migrasi terjadi karena adanya beda potensial listrik yang diberikan kepada sel. Karena bilangan transport counter-ion di dalam membran lebih tinggi daripada di dalam larutan, maka terjadi perbedaan konsentrasi antara di fasa membran dengan larutan bulk pada lapisan batas. Terbentuknya gradient konsentrasi tersebut mendorong mekanisme perpindahan melalui mekanisme difusi. Strathmann, 2010

Profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas membran penukar kation (Strathmann, 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

54


Perbedaan konsentrasi antara larutan umpan dan sisi kosentrat pada inlet kompartemen diluat dan konsentrat serta outlet masing-masing kompartemen diilustrasikan oleh gambar berikut.

(Csfd  Csd )Q d  (Csc  Csfc )Q c 

I

Z v F c c

c

Transfer ion-ion di dalam pasangan sel unit elektrodialisis (diadaptasi dari, Strathmann, 2004)

Fluks garam melalui membran yang sangat selektif dan ion-ion dengan nilai valensi yang sama J ccm J aam i i m Js    vc va  Z C vc F  Z a va F c

a

Persamaan sederhana untuk konsentrasi produk dan konsentrat di dalam unit elektrodialisis sebagai fungsi desain stack dan parameter operasi:

ln

CscCsfd  s (r am  r cm )(Csfd  Csd )  sUYX   d fc Cs Cs   Z c vc FQ c

Ref: Strathmann, 2004 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

55


I (A/m2)

Ilim

U (Volt) Rapat arus vs tegangan listrik dalam proses elektrodialisis (Strathmann, 2010)

Dalam proses elektrodialisis, hubungan arus listrik vs tegangan listirk pada umumnya menunjukkan tiga daerah sebagaimana dapat dilihat pada gambar. Pada daerah pertama, V vs I mengikuti hokum Ohm. Pada daerah kedua, setelah konsentrasi ion di permukaan diluat sangat kecil karena pengaruh polarisai konsentrasi, peningkatan V lebih lanjut tidak menghasilkan peningkatan I yang berbarti. Daerah ini disebut sebagai daerah plato yaitu daerah setelah titik rapat arus batas (limting current density). Pada daerah ketiga adalah daerah overlimiting current transfer yang dapat disebabakan oleh beberapa hal. Additional current carriers

Water splitting Exaltation effect Overlimiting current transfer Gravitational convection Current-induced convection Electroconvection

Mekanisme overlimiting current transfer (Nikonenko dkk., 2010) Overliming current transfer dapat terjadi melalui beberapa mekanisme yang dapat dikelompokkan menjadi 2, yaitu karena peristiwa reaksi pemecahan air dan konveksi yang disebabkan oleh arus listrik. Pembawa listrik tambahan dan efek exaltation disebabkan oleh reaksi pemecahan air yang menghasilkan ion-ion tambahan H+ dan OH-. Sedangkan konveksi gravitasi dan elektrokonveksi disebabkan oleh arus listrik. Contoh elektrokonveksi dapat dilihat pada gambar di samping.

Munculnya elektrokonveksi pada permukaan membran (Nikonenko et al., 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

56


Pada proses-proses berbasis membran penukar ion, polarisasi konsentrasi terjadi karena perbedaan bilangan transport counter-ion di dalam larutan dengan membran. Perbedaan tersebut menyebabkan pembentukan gradient konsentrasi ion antara fasa membran dan fasa larutan curah. Pada sisi konsentrat, konsentrasi ion pada permukaan membran lebih tinggi dari pada di dalam fasa cairan. Sedangkan pada sisi diluat, konsentrasi ion pada permukaan membran lebih rendah dari pada di dalam larutan. Polarisasi kosentrasi tersebut dapat menyebabkan disosiasi air, scaling, perubahan pH secara lokal, dan penurunan efisiensi arus listrik.

Strathmann, 2010

Scaling pada membran kation (Widiasa dan Wenten, 2007) Profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas membran penukar kation (diadaptasi dari: Strathmann, 2010)

I (A/m2)

Ilim

U (Volt) Tegangan vs arus listrik pada stack elektrodialisis (diadaptasi dari Strathmann, 2010)

Dampak polarisasi konsentrasi Ref: Strathmann, 2010


57


Di dalam proses berbasis membran penukar ion, foulant yang menempel pada permukaan membran dapat disisihkan dengan menerapkan pembalikan muatan elektroda secara berkala. Proses penyisihan foulant melalui teknik polarity reversal dapat dilihat pada gambar berikut. Pembalikan polaritas listrik elektroda untuk menyisihkan foulant dari permukaan membran ionic (Strathmann, 2010) Saat ini telah dikembangkan membran penukar ion berprofil. Membran berprofil tersebut ditujukan untuk mengurangi lapisan batas sehingga polarisasi konsentrasi dapat dihindari. Kinerja membran berpori dapat dilihat pada gambar. Jika dibandingkan dengan membran flat, membran berprofil menunjukkan kinerja yang lebih baik.

Membran berproil untuk meningkatkan rapat arus batas (Strathmann, 2010)

Perbandingan kinerja membran flat dan membran berprofil pada berbagai konduktivitas umpan (Strathmann, 2010)

Strathmann, 2010 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

58

Perpindahan Ion Melalui Membran Panukar Ion Sebagaimana diketahui, teknologi penukar ion konvensional (IE), mengandalkan kapasitas dari resin untuk menyisihkan ionion di dalam larutan. Seiring dengan waktu, kapasitas penukaran ion oleh resin semakin lama akan berkurang sehingga mencapai titik jenuhnya. Untuk mengembalikan performa resin, diperlukan regenerasi secara kimiawi dengan menggunakan larutan asam maupun basa. Oleh karenanya, teknologi IE bekerja secara batch.

Skema elektrodialisis (ED)

Teknologi ED dapat menyisihkan ion secara kontinyu dengan kinerja yang konsisten. Namun pada konsentrasi tertentu, ion-ion di dalam larutan tidak dapat dipindahkan lebih lanjut karena ada peningkatan hambatan dari larutan akibat penurunan konsentrasi ion. Selanjutnya, arus tidak dapat dilewatkan oleh media sehingga terjadi proses dissosiasi air. Oleh karenanya, ED tidak mampu mencapai pemurnian yang tinggi.

C/Co

IE ED

time Perbandingan kinerja IE dan ED Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

59


Water dissociation and electrode reaction Pada proses elektrodialisis dan proses-proses serupa terjadi reaksi dissosiasi air. Reaksi dissosiasi air terjadi apabila arus yang diberikan telah melewati nilai rapat arus batas. Pada kondisi rapat rapat arus kelewat batas, tegangan listrik yang diberikan tidak memberikan peningkatan arus secara signifikan. Arus listrik yang diberikan sebagain besar digunakan untuk reaksi dissosiasi air. Pada kondisi tersebut, efisiensi arus untuk perpindahan ion sangat kecil.

Rapat arus lewat batas dan hidrolisis air secara irreversibel (Bazinet, 2005) Reaksi juga terjadi pada sisi elektroda. Proses kimiawi yang terjadi pada elektroda dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu proses faradaic dan non-faradaic. Proses faradic ditunjukkan oleh adanya transfer electron antara elektroda dengan fasa curah, yaitu proses oksidasi pada anoda dan proses reduksi pada katoda. Proses non-faradic mengacu pada mekanisme adsorpsi-desorpsi selama proses elektrolisis dan dapat mengubah-ubah struktur antarmuka larutan-elektroda. Reaksi elektrokimia sederhana pada elektroda dapat dilihat pada gambar di samping. Bazinet, 2005

Reaksi elektroda (Bazinet, 2005)


60


Membran Bipolar Elektrodialisis konvensional dapat dikombinasikan dengan membran bipolar yang disusun secara berselang-seling diantara membran monopolar di dalam unit ED. Unit elektrodialisis dengan membran bipolar (EDBM) dapat digunakan untuk memproduksi asam dan basa dari garam.

Prinsip produksi asam dan basa dari garam menggunakan membran bipolar (Strathmann, 2010)

Struktur dan fungsi membran bipolar dapat dilihat pada gambar di samping. Membra bipolar terdiri dari dua lapisan monopolar kation dan anion. Membran bipolar dapat menghasilkan ion-ion H+ dan OH- dari hasil reaksi disosiasi air. Energi yang diperluka pada proses disosiasi air dapat dihitung dari persamaan Nernst.

Stuktur dan fungsi membran bipolar (Strathmann, 2010) Energi yang diperlukan untuk proses disosiasi air (Strathmann, 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

61


Kontak yang terjadi antara resin dan membran penukar ion di dalam kompartemen diluat (Meng dkk. 2004) Proses dissosiasi air ditemukan pada proses-proses elektro-membran yang disebabkan oleh fenomena polarisasi konsentrasi. Dissosiasi air terjadi pada permukaan antarfasa bipolar dari resin dan membran penukar ion yang saling bersinggungan (Meng dkk, 2004) Reaksi dissosiasi dan lapisan dissosiasi air yang terbentuk di dalam sistem EDI diilustrasikan oleh Tanaka (2007) seperti yang ditunjukkan oleh Gambar

Reaksi dissosiasi air di dalam sistem EDI (Tanaka, 2007) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

62


Positif

• Peningkatan efisiensi pemisahan

Dampak

Resin yang telah diregenerasi mengalami peningkatan konduktivitas dengan membawa lebih banyak ion dari larutan di sekitar resin ke permukaan resin dan menghasilkan jalur untuk migrasi ion. Lu dkk, 2010

Negatif

• Penurunan efisiensi arus

Pengaruh reaksi dissosiasi air terhadap proses EDI Reaksi dan penyisihan komponen terionisasi lemah

SiO2  OH   HSiO3

HSiO3  OH   SiO32  H 2 O H 3 BO3  OH   B(OH ) 4

Penyisihan ion-ion lemah (seperti silika dan boron) semakin baik dengan adanya peristiwa disosiasi air. Wen dkk, 2005

Peningkatan rapat arus menghasilkan tingkat penyisihan ion yang sangat tinggi. Namun Seringkali dibarengi dengan penurunan efisiensi arus. Pada saat konsentrasi ion-ion semakin rendah, sebagian besar arus digunakan untuk disosiasi air sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Lee dkk, 2007 Laju penyisihan dan efisiensi arus Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

63


Mekanisme penyisihan ion pada EDI terdiri dari dua prinsip utama (Ganzi dkk., 1992). Pada tahap pertama, ion-ion di dalam air baku diikat oleh resin penukar ion, dimana kation ditukar dengan ion H+ sedangkan anion ditukar dengan ion OH-. Selanjutnya pada tahap kedua ion-ion yang terikat oleh resin dipindahkan (ditarik) dari membran menuju kompartemen konsentrat akibat adanya gaya listrik yang diberikan oleh elektroda. Dua prinsip utama tersebut hanya terjadi pada kondisi awal operasi. Setelah proses mencapai kondisi steady state, resin penukar ion akan meningkatkan konduktivitas modul secara keseluruhan.

Skema elektrodeionisasi (EDI) Prediksi

Kinerja aktual

Perbandingan kinerja IE, ED, dan EDI (CED). Prediksi dan kinerja aktual EDI Kinerja EDI diprediksi seperti gambar, dimana penambahan resin dapat meningkatkan penyisihan ion. Akan tetapi, seiring dengan waktu, resin penukar ion akan mengalami penurunan kapasitas sehingga konsentrasi ion di dalam larutan meningkat hingga menyamai kinerja ED karena resin telah mencapai titik jenuh. Kemudian adanya proses regenerasi menyebabkan konsentrasi ion di dalam produk kembali turun seiring dengan kembalinya performa resin.

Kinerja aktual EDI tidaklah demikian. Dapat dilihat bahwa konsentrasi ion di dalam unit EDI dapat diturunkan secara kentinyu dan konsisten. Di samping itu, EDI dapat mencapai tingkat penyisihan yang sangat tinggi. Dari hasil tersebut dapat disimpulkan bahwa adanya resin di dalam kompartemen EDI dapat meningkatkan efisiensi penyisihan. Peningkatan penyisihan ini dimungkinkan karena resin berfungsi meningkatkan konduktivitas di dalam sel sekaligus memberikan jalur migrasi bagi ion.


64


k = k1+k2+k3 k1 = aklks/(dkl+eks), k2 = bks, dan k3 = ckl Model “porous-plug” yang diperkenalkan oleh Wyllie dkk. telah banyak digunakan untuk menjelaskan transfer arus dan ion melalui unggun resin penukar ion Ref:

Model “porous-plug”

Wyllie & Southwick, 1954 Sauer dkk, 1955 Spiegler dkk, 1956

Konduktivitas unggun resin di dalam sel EDI vs konduktivitas larutan Co(NO3)2 0-1 M (Yeon dkk, 2003) Yeon dkk (2003) menggunakan model “porous-plug” untuk menggambarkan jalur lewatnya arus di dalam sel EDI. Ada tiga jalur yang mungkin dilewati oleh arus listrik di dalam unggun resin (di dalam unit EDI). Ketiga jalur tersebut adalah: resin-resin, resin-larutan, dan larutan-larutan. Jalur arus melewati resin disimbolkan oleh bidang yang diarsir sedangkan jalur larutan digambarkan dengan bidang kosong. Hasil studi tersebut menyimpulkan bahwa ketika larutan interstitial memiliki konsentrasi rendah, arus melewati resin secara dominan. Oleh karenanya penggunaan resin dengan konduktivitas tinggi lebih diinginkan. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

65

AlMarzooqi, F.A., Al Ghaferi, A.A., Saadat, I. and Hilal, N. (2014), “Application of capacitive deionisation in water desalination: A review”, Desalination, http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2014.02.031 Alvarado, L., Ramírez, A. and Rodríguez-Torres, I. (2009), “Cr(VI) removal by continuous electrodeionization: Study of its basic technologies”, Desalination, 249, 423-428. Arar, O., Yuksel, U., Kabay, N., Yuksel, M. (2011). Removal of Cu2+ ions by a micro-flow electrodeionization (EDI) system. Desalination, 277(1-3): 296-300. Arora, M.B., Hestekin, J.A., Snyder, S.W., Martin, E.J.S., Lin, Y.J., Donnelly, M.I., and Millard, C.S. (2007), “The separative bioreactor: A continuous separation process for the simultaneous production and direct capture of organic acids”, Separation Science and Technology, 42(11), 2519-2538. Baker, R.W. (2012) Membrane Technology and Applications, 3rd ed., John Wiley and Sons. Basta, K., Aliane, A., Lounis, A., Sandeaux, R., Sandeaux, J., and Gavach, C. (1998), “Electroextraction of Pb2+ ions from diluted solutions by a process combining ion-exchange textiles and membranes”, Desalination, 120, 175 - 184. Bazinet, L. (2005). Electrodialytic phenomena and their applications in the dairy industry: a review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 44(7-8), 525-544. Beattie, D. (2001), “Using RO/CEDI to Meet USP 24 on Chloraminated Feed Water”, Ultrapure Water Expo 2001 Technical Program, Philadelphia, PA, April 2-4. Bejtlich, C.L., Sarioglu, T., de los Reyes, G., Yacteen, W. (2004), Electrodeionization device, US Patent, US 20040206627 A1. Bergner,D..1982. Alkalichlorid-Elektrolyse nach dem Membranverfahren. Chem. Eng.Techn. 54, 562– 570. Boontawan, P., Kanchanathawee, S. and Boontawan, A. (2011), “Extractive fermentation of l-(+)-lactic acid by Pediococcus pentosaceus using electrodeionization (EDI) technique”, Biochemical Engineering Journal, 54, 192–199. Collentro, W.V. (2012), “A critical evaluation of the use of 185 nm wavelength inline ultraviolet sanitization in compendial water systems”, Journal of Validation Technology, Summer. Dejean, E., Sandeaux, J., Sandeaux, R., Gavach, C. (1998). Water Demineralization by Electrodeionization with Ion-Exchange Textiles. Comparison with Conventional Electrodialysis. Separation Science and Technology, 33(6): p. 801-818. Demina, O.A.; Kononenko, N.A.; and Falina, I.V. (2014). New Approach to the Characterization of IonExchange Membranes Using a Set of Model Parameters. Petroleum Chemistry. 54(7), 515-525. Dermentzis, K. (2008), “Continuous electrodeionization through electrostatic shielding”, Electrochimica Acta, 53, 2953-2962. DiMascio, F., Wood, J., Fenton, J.M. (1998), “Continuous electrodeionization, production of high-purity water without regeneration chemicals”, The Electrochemical Society Interface , Fall 1998, 26-29. Du, J., Lorenz, N., Beitle, R.R. and Hestekin, J.A. (2012), “Application of wafer-enhanced electrodeionization in a continuous fermentation process to produce butyric acid with clostridium tyrobutyricum”, Separation Science and Technology, 47(1), 43-51. Eliseeva, T.V., Shaposhnik, V.A., Krisilova, E.V. and Bukhovets, A.E. (2009), “Transport of basic amino acids through the ion-exchange membranes and their recovery by electrodialysis”, Desalination, 241(1-3), 86-90.


66

Ervan, Y., Wenten, I.G. (2002). Study on the influence of applied voltage and feed concentration on the performance of electrodeionization. Songklanakarin J. Sci. Technol, 24: 955-963. Feng, X., Wu, Z. and Chen, X. (2007), “Removal of metal ions from electroplating effluent by EDI process and recycle of purified water”, Separation and Purification Technology, 57, 257-263. Gagnon, S.R. and Hartman, J. (2009). “Case history of a water treatment system in Puerto Rico”, International water conference, Florida, USA, October. García, M.L. and Lehtinen, M. (2010). “Dow TM EDI modules perform well at bioenergy combines in Scandinavia”, Desalination and Water Treatment, 14, 127–134. Gayathri, R., and Kumar, P.S. (2010), “Recovery and reuse of hexavalent chromium from aqueous solutions by a hybrid technique of electrodialysis and ion exchange”, Brazilian Journal of Chemical Engineering, 27, 71 - 78. Gerard, A. and Laflamme, R. (2008), “Technology selection tools for boiler feed water applications”, GE Technical Paper, TP1160EN.doc Jun-08 Gnusin, N.P.; Berezina, N.P.; Kononenko, N.A.; Demina, O.A.; and Annikova, L.A. (2009). The ThreeWire Model and Lichtenecker’s Equation for Calculations of the Conductivity of Ion-Exchange Columns. Russian Journal of Physical Chemistry A. 83(1), 107-110 Ho, C, Wood, J. Design, construction and operation of a 6,730 gpm RO/CEDI system for Con Edison’s East River Repowering Project, The International Water Conference, Pittsburgh, PA, USA. October. 2006. Huang, C., Xu, T., Zhang, Y., Xue, Y., and Chen, G. (2007). Application of Electrodialysis to The Production of Organic Acids: State-of-The-Art and Recent Developments, Journal of Membrane Science, 288, 1–12. http://www.liquicel.com/uploads/documents/TB46_Rev%201%2010-05%20RO%20LMC%20EDI.pdf http://www.scopus.com/ http://www.voltea.com/ http://www.worldpumps.com/view/19936/us-3-8-billion-ultrapure-water-market-in-2011/ Jha, A., Liang, L. and Gifford, J. “Advances in CEDI module and performance,” www.water.siemens.com / SiteCollectionDocuments/ Product_Lines/ Ionpure_Products/ spwcc0204.pdf Jha, A.D., and Gifford, J.D. 2000. CEDI: selecting the appropriate configuration. Power Engineering (Barrington, Illinois), 104(8), 41-42, 44. Jones, C.P., Pierce, A. and Roberts, B.R. (2006). “The use of EDI technology to recycle HF acid wastes from scrubbers and thermal treatment units”, Ultrapure Water, 23(5), 34-39. Kariduraganavar, M.Y., Nagarale, R.K., Kittur, A.A., Kulkarni, S.S. (2006). Ion-exchange membranes: preparative methods for electrodialysis and fuel cell applications. Desalination, 197: 225-246. Khoiruddin, Hakim, A.N., Wenten, I.G. (2014). Advances in electrodeionization technology for ionic separation - A review. Membrane Water Treatment, An Int'l Journal, 5: 87-108. Kikhavani, T., Ashrafizadeh, S.N., Van Der Bruggen, B. (2014). Identification of optimum synthesis conditions for a novel anion exchange membrane by response surface methodology. Journal of Applied Polymer Science, 131. Kiyono, R., Koops, G.H., Wessling, M. and Strathmann H. (2004), “Mixed matrix microporous hollow fibers with ion-exchange functionality”, Journal of Membrane Science, 231, 109–115. Klaysom, C., Ladewig, B.P., Lu, G.Q.M. & Wang, L. (2013) Recent Advances in Ion Exchange Membranes for Desalination Applications. In: Functional Nanostructured Materials and Membranes for Water Treatment. p^pp 125-161. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Lee, J.W., Yeon, K.H., Song, J.H. & Moon, S.H. (2007) Characterization of electroregeneration and determination of optimal current density in continuous electrodeionization. Desalination. 207, 276285. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

67

Leong, J.X., Wan Daud, W.R., Ghasemi, M., Liew, K.B., Ismail, M., (2013). Ion exchange membranes as separators in microbial fuel cells for bioenergy conversion: a comprehensive review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 28, 575–587 Li, F.U.Z., Zhang, M., Zhao, X., Hou, T. and Liu, L.I.J. (2010), “Removal of Co2+ and Sr2+ from a primary coolant by continuous electrodeionization packed with weak base anion exchange resin”, Nuclear Technology, 172(1), 71-76. Li, Q., Huang, C. and Xu, T. (2011), “Alcohol splitting for the production of methyl methoxyacetate: Integration of ion-exchange with bipolar membrane electrodialysis”, Journal of Membrane Science, 367(1–2), 314-318. Li, N.N. et.al. (2008). Advanced membrane Technology and Applications. John Wiley and Sons Inc. Liu, L., Li, F., Zhao, X., and Zhao, G. (2008), “Low-level radioactive wastewater treatment by continuous electrodeionization”, Qinghua Daxue Xuebao/Journal of Tsinghua University, 48(6), 1012-1014. Lounis, A., Setti, L., Djennane, A. and Melikchi, R. (2007), “Separation of molybdenum-uranium by a process combining ion exchange resin and membranes”, Journal of Applied Sciences, 7(14), 19631967. Lu, H., Wang, J., Bu, S., and Fu, L. (2011), “Influence of resin particle size distribution on the performance of electrodeionization process for Ni2+ removal from synthetic wastewate”, Separation Science and Technology, 46(3), 404-408. Lu, J., Wang, Y.X. & Zhu, J. (2010) Numerical simulation of the electrodeionization (EDI) process accounting for water dissociation. Electrochimica Acta. 55, 2673-2686. Mahmoud, A., Hoadley, A.F.A. (2012). An evaluation of a hybrid ion exchange electrodialysis process in the recovery of heavy metals from simulated dilute industrial wastewater. Water Research, 46(10): 3364-3376. McIlvaine, R. and Bagga, A. (2007), “ Overall UPW market expected to grow through 2010”, http://electroiq.com/blog/2007/01/ultrapure-water-markets-and-technologies/ Meng, H., Peng, C., Song, S. & Deng, D. (2004) Electro-regeneration mechanism of ion-exchange resins in electrodeionization. Surface Review and Letters. 11, 599-605. Mulder, M. (1996). Basic Principle of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Netherlands. Nagarale, R.K., Gohil, G.S. and Shahi, V.K. (2006). “Recent developments on ion-exchange membranes and electro-membrane processes”, Advances in Colloid and Interface Science, 119, 97-130. Nikonenko, V.V., Pismenskaya, N.D., Belova, E.I., Sistat, P., Pourcelly, G., Larchet, C., Huguet, P. (2010) Intensive current transfer in membrane systems: Modelling, mechanisms and application in electrodialysis, Advances in Colloid and Interface Science, 160, 101–123. Paul, D.H. (2002), “Electrodeionization in pharmaceutical water treatment”, Pharmaceutical Technology, July. Ramon, G. Z., Feinberg, B. J dan Hoek, E. M. V. (2011). “Membrane-based production of salinity gradient power”, Energy & Environmental Science, 4, 4423. Sata, T. (2004). Ion Exchange Membranes Preparation, Characterization, Modification and Application. The Royal society of chemistry. Semmens, M.J., Dillon, C.D. and Riley, C. (2001), “An evaluation of continuous electrodeionization as an in-line process for plating rinsewater recovery”, Environmental Progress, 20, 251-260. Snowpure Inc. (2008). OEM Technical Manual Electropure™ XL Series EDI Song, J.-H., Song, M.-C., Yeon, K.-H., Moon, S.-H., Purification of a primary coolant in a nuclear power plant using a magnetic filter - electrodeionization hybrid separation system, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, Vol. 262, No. 3 (2004) 725– -732 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

68

Song, J.H., Yeon, K.H., Cho, J. Moon, S.H. (2005). Effects of the operating parameters on the reverse osmosis- electrodeionization performance in the production of high purity water. Korean Journal of Chemical Engineering, 22(1): 108-114. Song, J.H., Yeon, K.H., Moon, S.H. (2007). Effect of current density on ionic transport and water dissociation phenomena in a continuous electrodeionization (CEDI). Journal of Membrane Science, 291(1-2): 165-171. Souilah, O., Akretche, D.E. and Amara, M. (2004), “Water reuse of an industrial effluent by means of electrodeionisation”, Desalination, 167(1-3), 49-54. Strathmann, H. (2004). Ion-Exchange Membrane Separation Process. Elsevier. Strathmann, H., Grabowski, A., Eigenberger, G., (2006). “Electromembrane processes, efficient and versatile tools in a sustainable industrial development” , Desalination, 199, 1–3. Strathmann, H. (2010) Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications. Desalination. 264, 268-288. Strathmann, H., Grabowski, A. & Eigenberger, G. (2013) Ion-Exchange Membranes in the Chemical Process Industry. Industrial & Engineering Chemistry Research. 52, 10364-10379. Su, W., Pan, R., Xiao, Y., Chen, X. (2013). “Membran-free electrodeionization for high purity water production”, Desalination, 329, 86-92. Taghdirian, H.R., Moheb, A. and Mehdipourghazi, M. (2010), “Selective separation of Ni(II)/Co(II) ions from dilute aqueous solutions using continuous electrodeionization in the presence of EDTA”, Journal of Membrane Science, 362(1-2), 68-75. Tanaka, Y (2006) Irreversible thermodynamics and overall mass transport in ion-exchange membrane electrodialysis. Journal of Membrane Science, 281, 517-531. Tanaka, Y. (2007). Ion Exchange Membranes: Fundamentals and Applications, Elsevier: Amsterdam. Verbeek, H.M., Fürst, L. & Neumeister, H. (1998) Digital simulation of an electrodeionization process. Computers and Chemical Engineering. 22, S913-S916. Vyas, P.V., Shah, B.G., Trivedi, G.S., Ray, P., Adhikary, S.K., Rangarajan, R. (2001). Characterization of heterogeneous anion-exchange membrane. Journal of Membrane Science, 187: 39-46. Wen, R., Deng, S. & Zhang, Y. (2005) The removal of silicon and boron from ultra-pure water by electrodeionization. Desalination. 181, 153-159. Wenten, I.G. (2002). Recent development in membrane science and its industrial applications. J Sci Technol Membrane Sci Technol, 24: 1010-1024. Wenten, I.G. (2010). Teknologi Membran dan Aplikasinya di Indonesia. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. Wenten, I.G., Aryanti, P.T.P., Hakim, A.N., Khoiruddin, (2011) Karakterisasi Membran. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. Wenten, I.G., Aryanti, P.T.P., Khoiruddin, Hakim, A.N. (2011) Proses Pembuatan Membran. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. Wenten, I.G., Hakim, A.N., Khoiruddin, Aryanti, P.T.P. (2013). Polarisasi Konsentrasi dan Fouling pada Membran. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. Wenten, I.G., Hakim, A.N., Khoiruddin, Aryanti, P.T.P. (2013). Troubleshooting dalam Operasi Membran. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. Wenten, I.G., Khoiruddin, Arfianto, F., Zudiharto, (2013) Bench scale electrodeionization for high pressure boiler feed water. Desalination, 314: 109-114. Wenten, I.G., Khoiruddin, Aryanti, P.T.P., Hakim, A.N. (2010). Pengantar Teknologi Membran. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. Wenten, I.G., Khoiruddin, Hakim, A.N., Aryanti, P.T.P. (2012). Teori Perpindahan dalam Membran. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014

69

Widiasa, I.N. and Wenten, I.G. (2007), “Combination of reverse osmosis and electrodeionization for simultaneous sugar recovery and salts removal from sugary wastewater”, Reaktor, 11, 91-97. Widiasa, I.N., Sutrisna, P.D. and Wenten, I.G. (2004), “Performance of a novel electrodeionization technique during citric acid recovery”, Separation and Purification Technology, 39(1-2 SPEC. ISS.), 89-97. Wood, J. Power generation: Continuous electrodeionisation for power plants. Filtration & Separation 45(5) (2008) 17-19. Wood, J. Power generation: Continuous electrodeionisation for power plants. Filtration & Separation 45(5) (2008) 17-19. Wood, J., Gifford, J., Arba, J., Shaw, M. (2010) roduction of ultrapure water by continuous electrodeionization, Desalination, 250: 973–976. Wood, J., Westberg, E. and Blackbourn, D. (2003). “Field experience with a new CEDI module design”, International Water Conference, Pittsburgh, Pennsylvania, USA. www.dowwaterandprocess.com/products/edi/installs.htm. Akses: 21 Juli 2009. www.ges.co.il/sites/GES/UserContent/files/IEC-manamim_PDF.pdf akses: 25 Februari 2014 www.water.siemens.com/SiteCollectionDocuments/Product_Lines/Ionpure_Products/PEI%20NOV04. pdf Xing, Y., Chen, X., Yao, P., Wang, D. (2009). Continuous electrodeionization for removal and recovery of Cr(VI) from wastewater. Separation and Purification Technology, 67(2): 123-126. Xu, T. (2005). “Ion exchange membranes: state of their development and perspective”, Journal of Membrane Science, 263, 1–29. Yeon, K.H., Seong, J.H., Rengaraj, S. and Moon, S.H. (2003), “Electrochemical characterization of ion-exchange resin beds and removal of cobalt by electrodeionization for high purity water production”, Separation Science and Technology, 38, 443-462. Yu, P., Lin, J., Henry, M., Hestekin, J., Snyder, S.W. and Martin, E.J. (2006), “Single-stage separation and esterification of cation salt carboxylates using electrodeionization” US Patent: 7,141,154. Zabolotsky, V.I. and Nikonenko, V.V. (1993). Effect of Structural Membrane Inhomogeneity on Transport Properties. Journal of Membrane Science. 79(2–3), 181-198.


70

PERISTIWA PERPINDAHAN

Recommend Documents