PERKEMBANGAN TERKINI DI BIDANG TEKNOLOGI MEMBRAN

Lecture Note

PERKEMBANGAN TERKINI

DI BIDANG TEKNOLOGI MEMBRAN I G. Wenten

Diktat Departemen Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung 2014

Emerging Processes                               

Membran Reaktor Pd-Ag untuk Hidrogen dengan umpan Syngas Membran Kristalisator untuk Kristalisasi Selektif Polimorf Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Pemulihan Aroma dengan Pervaporasi Kristalizer Membran untuk Nanofiltrasi Larutan Brine Membran PEEK Termodifikasi dan Membran Polimer Flour Sistem Mega Magnum Osmotik Membran Alat Recovery Energi Reverse Osmosis Membran Carbon Nanotube Membran Bioreaktor Forward Osmosis Fulleren Pencegah Biofouling pada Membran Mikrofiltrasi Membran Distilasi Bioreaktor Membran Terintegrasi untuk Desalinasi Desalinasi Inland Membran Sensor Membran Asimetris Berstruktur Nano Penghilangan Boron dengan SWRO Produksi Kristal dengan Bentuk dan Ukuran Tertentu Menggunakan Membran Kristalisator Menggabungkan Gugus Amino dalam Jaringan Polimer sebagai Komposit Membran Aquaporin Nanofiltrasi sebagai Pretreatment Reverse Osmosis Forward Osmosis (FO) Pemisahan Udara pada Temperatur Tinggi Membran untuk Organ Buatan Sistem Membran Biohybrid Menggunakan Hepatosit Perkembangan Terkini dalam Membran Reaktor Enzimatik Membran dalam Rekayasa Jaringan Emulsifier Membran Perkembangan Terkini dalam Membran Bipolar Sistem Membran Non-Modular

Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

2

Membran Reaktor Pd-Ag untuk Hidrogen dengan umpan Syngas Campuran Syngas Syngas (synthesis gas) adalah campuran gas yang mengandung terutama hidrogen, karbon monoksida, dan seringkali sejumlah kecil karbon dioksida, dan kurang dari setengah densitas energi gas alam Fischer-Tropsch. Syngas dapat dibakar dan sering digunakan sebagai mesin bakar internal atau sebagai intermediet untuk produksi bahan kimia lainnya.

Gasifikasi

Syngas

Hidrokarbon

Membran Paladium untuk Pemisahan Hidrogen Membran yang terbuat dari nikel, paladium, dan platinum yang tergabung dalam golongan 10, dan beberapa elemen logam di golongan 3-5 dari tabel periodik memiliki kemampuan untuk melarutkan dan mendisosiasi hidrogen, namun hanya membran paladium yang menunjukkan kemampuan luar biasa dalam melewatkan hidrogen melaluinya karena lebih banyak kelarutan hidrogen dalam fasa curahnya dalam rentang temperatur yang tinggi.

Mekanisme perpindahan untuk pemisahan gas berbasis membran: (a) difusi Knudsen (b) molecular sieving (c) surface diffusion dan (d) solution diffusion

Brunetti, 2010


3

Membran Reaktor Pd-Ag untuk Hidrogen dengan umpan Syngas Membran Paladium untuk Pemisahan Hidrogen Membran Hollow Fiber Pd/α-Al2O3 Substrat HF α-Al2O3 menyediakan kekuatan mekanik dari membran komposit. Membran HF komposit Pd/α-Al2O3 disintesis dengan metode electroless plating.

Membran Hollow Fiber Pd-Ag/α-Al2O3 Membran Pd Ag yang ditempatkan dalam reaktor menunjukkan slektivitas hidrogen yang tak terbatas, memungkinkan penghilangan selektif produk reaksi dari volume reaksi, memberikan beberapa keuntungan dibandingkan operasi tradisional:  Meningkatkan waktu tinggal reaktan  Melebihi kesetimbangan pada reaktor tradisional  Efek positif pada tekanan umpan terhadap konversi CO Polimer padat

Keramik Mikropori

Logam Padat

Karbon Berpori

Keramik Padat

Rentang Temperatur

<100 °C

200-600 °C

300-600 °C

500-900 °C

600-900 °C

Selektivitas H2

Rendah

5-139

>1000

4-20

>1000

Fluks H2 (10-3 mol/m2s)

Rendah

60-300

60-300

10-200

6-80

Isu Stabilitas

Swelling, pemadatan, Kekuatan mekanik

Stabilitas dalam H2O

Transisi fasa

Getas, oksidasi

Kestabilan dalam CO2

Material

Polimer

Silika, alumina, Zeolit

Paduan Paladium

Karbon

Keramik Penghantar Proton

Mekanisme Perpindahan

Difusi Larutan

Saringan Molekular

Difusi Larutan

Saringan Molekular

Difusi Larutan

Brunetti, 2010 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

4

Membran Kristalisator untuk Kristalisasi Selektif Polimorf Ikhtisar dari Polimorf  

Polimorf adalah zat yang terdapat sebagai kristal dengan lebih dari satu susunan atau bentuk kristalin. Polimorfisme adalah aspek fundamental dari kimia padatan karena mempengaruhi setiap aspek dari sifat padatan. Secara teknologi, hal ini krusial karena fasa padat yang berbeda dari zat yang sama memberikan sifat fisik yang berbeda seperti morfologi kristal, karakteristik optik, kelakuan mekanik, reaktivitas kimia, dan efisiensi dalam pemisahan padat-cair.

Pekerjaan sebelumnya : pengendalian polimorfisme telah dilakukan dengan penggantian pelarut, rancangan kristalisator, seeding, aditif, dll.

Pengembangan teknik baru: untuk mengendalikan proses kristalisasi dengan tujuan membuat material dengan kualitas lebih baik

Kristalisasi Membran dapat menjadi solusi tepat untuk kristalisasi selektif ini

Mekanisme Perpindahan dalam Kristalisasi Membran Dalam kristalisasi membran, larutan pengkristal dan stripping “dikontakkan” dengan membran hidrofobik mikropori. Kelakuan hidrofobik dari membran (pada tekanan operasi yang digunakan) mencegah pindahnya larutan di fasa fluida namun memungkinkan pembentukan antarmuka dua cairan/uap di bibir tiap pori pada kedua sisi membran. Gradien potensial kimia antara kedua antarmuka ini adalah gaya dorong dari mekanisme evaporasi-migrasi-kondensasi dari pelarut, yang menginduksi lewat jenuh pada larutan kristalisasi. Keuntungan

Kerugian

Kondisi jenuh yang lebih rendah dari larutan umpan

Fenomena fouling

Kinetika lebih tinggi dalam kristalisasi makromolekuler

Polarisasi konsentrasi dan temperatur

Lebih mudah dikontrol

Fluks rendah

Orientasi molekul yang diinduksi oleh aliran laminar Distribusi ukuran kristal yang sempit

Di Profio dkk., 2007


5

Membran Kristalisator untuk Kristalisasi Selektif Polimorf Kristalisasi Selektif dalam Membran Kristalisasi Faktor

Bagaimana faktor ini mempengaruhi selektivitas?

Temperatur

Anti Solven

Struktur Membran

Pelarut

Aliran larutan diluat dan stripping

Kondisi (pH, dkk)

Konsentrasi

Aditif

Faktor Nukleasi dan lewat jenuh

Efek Termodinamik dan Kinetik

Selektivitas Proses Kristalisasi

Kristalisasi Selektif dari Polimorf Glisin dengan Membran Kristalisasi Tipe Membran Larutan Diluat Larutan Stripping Metoda

:Membran Polypropylene hollow fibers berpori :Glisin 190 mg/ml dengan pH 6.2 ±0.1 :Larutan CaCl2 dengan konsentrasi bervariasi antara 10-25 wt %/v :Sistem/konfigurasi dinamik didapatkan dengan variasi kecepatan resirkulasi larutan. Sistem membran statis didapatkan dengan mengubah konsentrasi larutan stripping dalam serat membran

Karena laju evaporasi bergantung pada laju alir larutan diluat dan stripping, mengubah variabel ini memiliki dampak yang besar terhadap selektivitas.

• Bentuk metastabil dari Polimorf Glisin • Terbentuk oleh: • Laju alir larutan Stripping yang tinggi • Temperatur Tinggi • 4 < pH < 8

• Bentuk stabil dari Polimorf Glisin • Terbentuk oleh: • Laju alir larutan stripping yang rendah • Temperatur Rendah • pH <4 ; >8

α-Glisin

γ-Glisin

Di Profio dkk., 2007


6

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Tinjauan dan Serajarah dari Pengembangan PEMFC

• (PEMFC) sebagai sumber tenaga ulang alik • Kandungan Platinum 35 mgPt /cm2 GE (1960)

Du Pont (1970) • Pengenalan membran Nafion

• 0.3 mgPt/cm2 • Kandungan Platinum 0.2 mgPt/cm2 ditargetkan pada 2015 US DOE (Terbaru)

PEM fuel cell dibangun menggunakan membran elektrolit polimer (terutama Nafion) sebagai konduktor proton dan bahan berbasis Platinum (Pt) sebagai katalis. Fitur penting dari membran ini adalah temperatur operasi yang rendah, densitas energi tinggi, dan kemudahan scale-up, membuat PEM fuel cell sebagai sumber energi generasi selanjutnya.

http://physics.nist.gov/ Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

7

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) Rute Riset Terkini  Logam Aktif Katalis Biner : PtRu, PtW, PtNi, PtSn, PtMo, PtPd Katalis Terner : PtRuW, PtRuMo, PtRuV Katalis Kuarterner : PtRuRhNi, PtRuSnW • Penyangga Carbon Black : Acetylene Black Lainnya : CNTs(Carbon NanoTubes), GNFs (Graphite Nano Fibers) • Persiapan Katalis Metode Fisik : Spray-drying, co-presipitasi, sol-gel Metode Kimia : Dekomposisi Termal, impregnasi Metode Modifikasi Koloid : Deposisi Spontan Metode Implantasi : menggunakan Plasma • Lainnya Untuk meningatkan fraksi kosong penambahan pembentukan fraksi kosong, padatan dengan titik didih tinggi untuk meningkatkan struktur batas tiga fasa elektroda

Zainoodin dkk, 2010

Keuntungan 1. Eliminasi prosesor bahan bakar eksternal 2. Eliminasi sistem pengelolaan humidifikasi dan termal 3. Biaya rendah untuk DMFC 4. Dapat menggunakan infrastruktur yang ada untuk minyak bumi Kerugian 1. Kinetika elektroda yang buruk 2. Fuel crossover 3. Elektrokatalisis

Basri dkk, 2010


8

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Nano Structured Thin Film Catalyst (NSTFC) Keuntungan  Pemanfaatan tinggi katalis pada setiap densitas arus  Perpindahan massa Overpotensial yang dapat diabaikan pada densitas arus tinggi  Ketahanan tinggi terhadap oksidasi penyangga pada potensial tinggi, start-stop, kekurangan bahan bakar  Ketahanan tinggi bagi pelarutan/aglomerasi Pt pada tegangan tinggi, start-stop, dkk  Kuat, proses dengan biaya rendah untuk fabrikasi  Kehilangan ion dan elektrik minimal dalam kondisi kering

Nano Structured Thin Film Catalyst (NSTFC) Elektroda dari NSTFC untuk PEMFC  Elektroda = ‘titik tripel’ reaksi pada situs katalis persediaan bahan bakar/oksidan  Teknologi ‘Membran dilapisi katalis’ mendominasi: partikel nano Pt yang disepuh pada bubuk karbon berluas tinggi melalui deposit hubungan/dispersi ke elektrolit  Pendekatan Nanoteknologi: luas area permukaan yang lebih besar pada antarmuka elektrolit deposisi langsung katalis menggunakan teknik film tipis

Basri dkk, 2010


9

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) Singlewall Carbon Nanotube sebagai bahan penyangga baru Tujuan: 1. Pemanfaatan efektif dari karbon struktur nano untuk peningkatan performa 2. Pengembangan pemasangan PEM menggunakan penyangga carbon nanotube 3. Meningkatkan performa elektrokatalisis 4. Minimalisir kadar katalis dengan menjaga keluaran tenaga tinggi Hasil:

Metode Pembuatan Membran: Nitrogen-doped carbon-nanostructure ball-milling energi tinggi dari karbon aktif sejalan dengan katalis logam transisi dibawah atmosfer hidrogen diikuti dengan perlakuan panas menghasilkan struktur nanokristalin  

Basri dkk, 2010

Konsentrasi pengotor nitrogen rendah (kurang dari 1% atom), situs pengotor menjadi aktif secara kimia dan elektronik Ikatan kovalen dalam tabung dapat terbentuk antara nanotube tetangga dengan situs pengotor saling berhadapan.


10

Pemulihan Aroma dengan Pervaporasi Pengantar     

Bahan perasa potensial dapat dibuat dengan pemekatan komponen perasa diatas kadarnya pada makanan di alam. Pervaporasi adalah salah satu teknik dimana komponen perasa dapat dipekatkan. Dalam teknik ini, komponen perasa hidrofobik dapat secara selektif menembus membran hidrofobik atau organofilik tak berpori. Permeat menguap ketika melewati membran karena sisi hilir dari membran dijaga dalam keadaan vakum. Agar menguap, komponen permeat harus memiliki sejumlah derajat volatilitas, yang berarti dalam sistem makanan, permeat pervaporasi utamanya terdiri atas air dan komponen rasa (juga komponen volatil lainyang tidak berperan dalam rasa, seperti hidrokarbon).

Pervaporasi (permeasi-evaporasi), sebuah proses pemisahan membran, dipandang sebagai salah satu alternatif potensial untuk mengatasi tantangan yang telah disebutkan. Keuntungan pervaporasi antara lain:  Tanpa tambahan entrainer dan tanpa kontaminasi,  Konsumsi energi rendah,  Selektivitas tinggi,  Ramah lingkungan,  Mudah dioperasikan,  Hemat tempat dan pemasangan mudah

Pereira dkk, 2006

Membran pervaporasi organofilik berbasis PDMS. Elemen spiral wound. (Pervatech BV Netherland)


11

Pemulihan Aroma dengan Pervaporasi Pemisahan Pervaporasi dari larutan biner aroma-Air dengan Membran PEBA  

 

Membran Organofilik, terutama PEBA dan PDMS, cocok untuk pemisahan ini. Performa pemisahan bergantung pada tipe senyawa aroma, membran yang digunakan, dan kondisi proses. PEBA tidak hanya membran organofilik yang baik namun juga memiliki stabilitas mekanik yang baik. Terlebih lagi, permselektivitas dari PEBA dapat ditingkatkan dengan mengatur komposisi polieter dan poliamida dari PEBA. Skema langkah dalam persiapan membran PEBA menggunakan teknik cetakan-solven.

a) Skema rancangan kamar membran. b) Diagram dari percobaan pervaporasi.

  

 



PEBA sangat selektif untuk pemisahan propil propionat, aldehid C6 dan benzaldehid dari larutannya. Konsentrasi aroma umpan mempengaruhi secara signifikan fluks permeasi dan selektivitas aroma. Pada 30oC dandalam rentang konsentrasi umpan aroma yang dikaji (390-3,207 ppm), fluks senyawa aroma senilai10.5 - 218, 7.1 - 31.5 and 4.1 - 36.2 g/m2.h untuk propil propionat, aldehid C6 dan benzaldehid, secara berurutan. Temperatur operasi sangat mempengaruhi fluks total namun sedikit pengaruhnya untuk selektivitas. Ketergantungan temperatur dari fluks permeasi mengikuti hubungan tipe Arrhenius, dan energi aktivasi untuk permeasi bernilai 37.4, 39.7, 45.0 kJ/mol untuk propil propionat, aldehid C6 dan benzaldehid, berurutan. Interaksi permeat-membran dan permeat-permeat mempengaruhi perpindahan pasa dari permeat sepanjang membran.

Mujiburohman, 2008


12

Kristalisator Membran untuk Nanofiltrasi Larutan Brine Fungsi Membran Nanofiltrasi dalam Desalinasi  

 

NF digunakan untuk pre treatment RO dalam desalinasi. Membran NF telah menunjukkan kemampuan untuk menghilangkan turbiditas, mikroorganisme dan kesadahan juga sejumlah garam terlarut. Rejeksi ion multivalen: ~90%. Rejeksi ion monovalen: 10-50% Hasil ini dalam tekanan operasi yang sangat rendah sehingga memberi proses yang lebih efisien.

Fungsi kristalisator Membran dalam Desalinasi  

kristalisator membran digunakan untuk post treatment RO. MCr memiliki ciri pemisahan dalam dua tahap krusial yaitu evaporasi pelarut dan kristalisasi

Keuntungan menggunakan MCr dalam Desalinasi 

 

Luas area perpindahan massa spesifik yang lebih besar: kontrol optimal dari tingkat lewat jenuh Periode induksi yang lebih singkat; laju pertumbuhan kristal tinggi pada lewat jenuh yang rendah Pengaturan molekul yang terurut, menghasilkan pembentukan kristal dengan sifat struktural yang baik ketika bekerja dalam rejim aliran larutan yang dibuat

Konfigugasi Sistem Membran Terintegrasi 1.

Sistem MF – NF– RO terintegrasi dengan unit MCr yang bekerja dengan retentat NF

2.

Sistem MF – NF– RO terintegrasi dengan unit MCr yang bekerja dengan retentat RO

3.

Sistem MF – NF– RO terintegrasi dengan unit MCr yang bekerja dengan retentat NF dan unit MD pada retentat RO

4.

Sistem MF – NF– RO terintegrasi dengan unit MCr dua tahap yang bekerja pada retentat NF dan RO

1 Drioli, dkk, 2006

2 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

13

Kristalisator Membran untuk Nanofiltrasi Larutan Brine Konfigurasi Sistem Membran Terintegrasi

3

4

Perbandingan MCr dengan Paten terkini dari Aplikasi Nanofiltrasi dalam Desalinasi The Saline Water Conversion Coorporation (SWCC)  

Sebuah proses NF-Thermal efisien yang memiliki recovery air tinggi Memaksimalkan perolehan pabrik desalinasi dan rasio recovery produk air dibandingkan proses desalinasi termal air laut

Long Beach Water Department (LBWD)   

Parameter

NF-NF-Thermal

MSF Konvensional

Umpan (m3/h)

292,6

451,4

Produk (m3/h)

158

158

Rejeksi (m3/h)

134

293,4

Recovery de-Hybrid

54%

34%

Membran NF dua tahap

Sistem desalinasi air laut dua tahap yang berisi tahap pertama dan kedua membran NF dalam hubungan aliran seri Ke dalam Membran tahap pertama dipompakan air laut yang ditekan untuk memproduksi permeat dan retentat pertama Tahap kedua membran dipompakan dengan permeat pertama yang ditekan antara 200 psi dan 300 psi untuk memproduksi air minum dan retentat kedua

Drioli, dkk, 2006


14

Membran PEEK Termodifikasi dan Membran Flour Polimer Modified PEEK Membranes 

Polieterketon (PEK) dan polietereterketon (PEEK) adalah polimer dengan derajat kristalinitas tinggi dan memiliki stabilitas termal yang sangat tinggi juga ketahanan mekanik dan kimia pada agen kimia dan memiliki berbagai aplikasi teknologi dan industrial.



Karena tidak larut dalam air dan hampir seluruh pelarut organik umum, membran tidak dapat dibentuk dengan teknik inversi fasa, yang merupakan teknik paling umum untuk produksi membran asimetrik dan tipis untuk industri.



Di sisi lain, membran menunjukkan applikasi baru setiap harinya dan ada banyak permintaan untuk polimer baru yang dapat membentuk membran, dengan sifat memadai untuk kegunaan khusus.



Ketidaklarutan PEEK diatasi dengan pembuatan PEEK-WC (poly(oxa-p-phenilene- 3,3 phthalido-p-phenylene-oxy-phenylene) dicirikan dengan keharidan gugus latonik besar yang mengurangi derajat kristalinitas sehingga membuatnya lebih larut pada pelarut klorohidrokarbon juga di DMF. Oleh karenanya, membran PEEKWC dapat dihasilkan. Foto SEM dari membran polyetherketone berpori termodifikasi dengan struktur sarang lebah

Skema representasi dari aksi pencetakan tetesan air pada film cairan.

Membran sarang lebah: a) citra SEM dari penampang lintang membran dan perbesarannya b) citra AFM dari permukaan atas membran

Golemme, dkk, 1994 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

15

Sistem Mega Magnum Meningkatkan ukuran elemen kini mendapat perhatian industri. Semakin besar elemen, semakin tinggi jumlah bejana tekan, koneksi dan lahan – mengurangi biaya pengolahan air.  Megamagnum element adalah sebuah pencapaian sistem dalam memenuhi kebutuhan teknologi elemen besar  Megamagnum element adalah elemen RO terbesar dan teruji yang ada.  Memaksimalkan luas membran untuk memberikan user ongkos sistem terendah

Hingga kini, ukuran elemen dibatasi isu praktis Kemampuan untuk membuat elemen yang sangat besar Ketersediaan bejana tekan yang dinilai ASME Kebutuhan untuk menggabungkan metode mudah untuk penanganan

Element Loading (Bundamba Project – Phase 1A) Koch, 2004

Lebih sedikit Oring untuk reliabilitas yang lebih baik

Memotong biaya dan waktu konstruksi dan instalasi

Mengurangi pipa interkoneksi untuk mengurangi biaya modal

Sangat mengurangi emisi sistem

Setial elemen MegaMagnum mengandung luas membran ekivalen dan membuat pengurangan 80% dari jumlah interkonektor dan O-ring yang dibutuhkan. Pilot yang menggunakan elemen MegaMagnum telah dilakukan pada berbagai lokasi termasuk kota Scottsdale, Arizona dan Metropolitan Water District California Selatan

Studi pilot ini membuktikan bahwa elemen besar beroperasi pada fluks dan tekanan yang mirip serta memproduksi air dengan kualitas yang sama pada laju fouling yang sama dengan elemen 8-inchi.

http://www.kochind.com/files/ KochMembraneHomePage.jpg Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

16

Distilasi Osmotik Membran Distilasi membran dilakukan dalam berbagai moda yang berbeda cara pengumpulan permeat, mekanisme perpindahan massa melalui membran, dan alasan untuk pembentukan gaya dorong

Membrane Distillation

directcontact MD (DCMD)

air gap MD (AGMD)

sweeping gas MD (SGMD)

vacuum MD (VMD)

Osmotic MD (OMD Baru!!

Osmotic membrane distillation (OMD) adalah salah satu varian distilasi membran (MD), beroperasi pada temperatur rendah. Aplikatif untuk pemisahan berbagai larutan. Proses membran yang relatif baru.

Membran Hidrofobik

Kelakuan hidrofobik dari membran mencegah penetrasi dari larutan aqueous ke dalam pori.

Fasa gas di pori

Hanya komponen volatil berpindah melalui membran.

yang

dapat

Driving Force

Osmotic Membrane Distillation

Gradien konsentrasi dari komponen tertentu di fasa gas pada kedua sisi pori membran.

OMD Vs DCMD OMD mirip dengan DCMD  persamaan yang diturunkan untuk varian DCMD dapat diaplikasikan untuk perpindahan uap pada OMD. Anamun, ada beberapa perbedaan antara varian DCMD dan OMD. Perbedaan yang terlihat antara proses ini berasal dari fakta bahwa driving force dari proses DCMD dibentuk oleh gradien temperatur sedangkan OMD dengan gradien konsentrasi

Dasar Proses OMD

Temperatur larutan umpan rendah dan dekat dengan larutan yang mengalir di sisi lain membran. Perbedaan tekanan uap disepanjang membran didapat dengan menggunakan larutan dengan tekanan uap air rendah (larutan ekstraksi di sisi distilat. Pemilihan larutan ekstraksi berperan signifikan, namun informasi tentang hal ini terbatas. Fluks permeat yang berbeda didapat untuk larutan ekstrak yang berbeda pada kondisi operasi yang serupa.

Soni, 2008


17

Distilasi Osmotik Membran Proses OMD seringkali digunakan untuk penghilangkan air dari cairan makanan seperti jus buah dan dan sayur, susu, kopi dan the instan, dan berbagai larutan air nonpangan yang tidak tahan panas Temperatur operasi yang rendah menghilangkan banyak masalah terkait proses evaporasi konvensional (reaksi pencoklatan non-enzimatik-reaksi Mailard), mencegah degradasi rasa dan warna, dan kehilangan aroma volatil (volatilitas yang cepat meningkat dengan temperatur umpan)

Kondisi mendasar yang dibutuhkan untuk menjalankan proses OMD adalah pemeliharaan fasa gas pada pori membran. Aplikasi proses ini menggunakan membran dari polimer polytetrafluoroethylene (PTFE) dan polyvinylidenefluoride (PVDF).

seperti

polypropylene(PP),

Diameter pori membran mulai dari 0,1 hingga 1 min untuk memenuhi kondisi tidak terbasahkan oleh berbagai larutan air.

Karakteristik membran yang digunakan dalam proses OMD Material

Nama

Pembuat

Konfigurasi/Di n (μm)

S (μm)

ε(%)

dp (μm)

PTFE

FLHP

Millipore

Flat

175

70-80

0.25

PP

Accurel PP Q3/2 Accurel PP S6/2 Celgard 2500 Metricel

Enka A.G. Enka A.G. Hoeschst Celanesee Co Gelman USA

Capillary100 Capillary/2600 Flat Flat

200 400 28 90

70 70 45 55

0.2 0.2 0.05 0.1

PVDF

Durepore HVHP Durapore GVSP Durapore GVHP

Millipore Co. Millipore Co. Millipore Co.

Flat Flat Flat

125 108 125 125

75 80 70 75

0.45 0.22 0.20 0.22

PTFE supporte d by Pp net

Gore-Tex 10387 TF450

Gore & Associates Pall-Gelman

Flat Flat

8.5 30-70 178* 30-70 165-178* 60*,165* 178*

78 80 60* 80 60* 60 80

0.2 0.45

TF200 TF200 TF1000

Gelman Instruments Co. Gelman Sciences

Flat Flat

dmax (μm)

0.6 0.07

-

0.2 0.2 1

-

*Polypropylene net with di>10 μm [6]. Din: inner diameter

Soni, 2008


18

Distilasi Osmotik Membran Aplikasi utama dari proses OMD termasuk pemekatan dari cairan sensifit temperatur. Proses ini memungkinkan produksi dari konsentrat cairan dengan kualitas dan komposisi sangat dekat dengan yang segar, seperti pada industri makanan, tanpa penambahan rasa dan dengan konten nutrisi dengan biaya yang sebanding dengan produk konvensional hasil evaporasi.

Dealkoholisasi wine

Pemekatan produk farmasi dan biologi, seperti vaksin, hormon peptida, protein rekombinan, enzim, asam nukleat, dan antibiotik  Rekonsentrasi dari larutan gula dari dehidrasi osmotik

 Pemurnian Brine  Pemekatan produk susu  Pemurnian limbah cair nuklir

Soni, 2008 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

19

Alat Recovery Energi Reverse Osmosis Konsumsi Energi Reverse Osmosis

Sejumlah besar energi di pompa umpan menuju membran RO meninggalkan membran dalam air konsentrat. Energi dalam aliran konsentrat cukup besar dan recoverynya secara efektif dan efisien menentukan kelangsungan hidup finansial dari proses.

Alat Recovery Energi

Isobaric ERD

Turbine ERD

Turbin adalah ERD pertama yang digunakan pada pabrik SWRO skala kota

Pelton Turbine

Hydraulic Turbocharger

Efisiensi puncak pada kecepatan spesifik sekitar 3,000 dan laju alir lebih dari 2,300 m3/jam adalah 89 %. Maksimum efisiensi teoritik yang dapat dicapai untuk turbin hidraulik besar, head besar, dan rpm besar sekitar 90%, asumsi 1% hilang pada nozzle. Transfer energi efisiensi untuk pelton turbin adalah 89% x 90% x 99% = 79%

Stover, 2007

Efisiensi maksimum sebesar 89% atau 90%.

Maksimum efisiensi yang dapat dicapai dari turbocharger hidraulik besar dengan rpm tinggi adalah 90% x 90% x 99% = 80%. Control valve atau nozzle brine digunakan untuk mengatur performa


dapat

20

Alat Recovery Energi Reverse Osmosis Menggunakan mekanisme transfer energi positive displacement untuk memindahkan energi dari aliran rejeksi tekanan tinggi ke pompa suplai air laut bertekanan rendah. Komsumsi energi dalam sistem RO dengan isobarik ERD adalah jumlah energi untuk pompa tekanan tinggi dan pompa sirkulasi. Membutuhkan pengendalian dinamik untuk mengoperasikan valve dan batas pergerakan piston. Waktu kontak yang panjang antara brine dan air laut berakibat intermixing, meningkatkan salinitas membran hingga 1,5%. Isobaric Energy Recovery Device

Efisiensi terbatas hanya oleh kehilangan energi dalam menggerakkan piston dan valve dan dapat melebihi 95%.

Perbandingan Konsumsi Energi Proses Air Laut RO No ERD

Turbine ERD

Isobaric ERD

Aliran Permeat

(m3/hr)

227

227

227

Laju Recovery

(%)

40

40

40

Aliran Pimpa Tekanan Tinggi

(m3/hr)

568

568

231

Tekanan Pompa Tekanan Tinggi

(bar)

68

68

69

Energi Pompa Tekanan Tinggi

(kW)

1421

847

600

Efisiensi Turbin

(%)

-

83

-

Aliran Pompa Sirkulasi

(m3/hr)

-

-

338

Tekanan Pompa Sirkulasi

(bar)

-

-

2

Energi Pompa Sirkulasi

(kW)

-

-

30

Total Energi

(kW)

1421

847

629

Isobaric ERD dapat mengurangi konsumsi energi dari sistem RO air laut sebanyak 60% dibandingkan dengan sistem tanpa ERD atau sebanyak 30% dibandingkan sistem dengan turbin ERD. Isobaric ERD membrerikan penghematan energi yang lebih tinggi dibandingkan turbin karena beroperasi pada efisiensi transfer energi air-ke-air yang lebih tinggi. Isobaric ERD memfasilitasi fleksibilitas operasional dengan mengakomodasi berbagai laju recovery air membran.

Stover, 2007


21

Membran Carbon Nanotube Nanoteknologi dapat Berdampak pada Terobosan Teknologi Nanoteknologi adalah pembuatan dari material, alat, dan sistem fungsional melalui pengendalian materi dalam skala nanometer (1 to 100+ nm) dan eksploitasi sifat dan fenomena baru yang dikembangkan pada skala tersebut. Carbon Nanotubes adalah, dengan C60, bentuk kristalin ketiga dari karbon. Pada dasarnya hanya sebuah tabung terbuat dari karbon yang terikat heksagonal. Karbon nanotube memiliki kekuatan luar biasa dan sifat elektrik unik, dan konduktor termal yang efisien sehingga berpotensi berguna dalam banyak aplikasi.

Penjernihan Air Nanotube dapat menghilangkan: Bakteri, Anion, Kontaminan Organik, Logam Berat

Kecepatan perpindahan yang tinggi diprediksi untuk aliran air melalui karbon nanotube sebagai konsekuensi ikatan hidrogen kuat antara molekul air yang berdekatan dan ketertarikan lemah antara air dan lembaran grafit pada dinding CNT, menghasilkan aliran nyaris tanpa gesekan.

Hinds, 2004

Penelitian dalam Membran berbasis Nanotube. (Mauter and Elimelech, Environ. Sci.Technol)


22

Membran Carbon Nanotube Hinds, 2004

Membran yang Dibuat oleh Lawrence Livermore National Laboratory

• Kelompok ini dapat mengukur aliran cairan dan gas dengan membuat membran pada chip silikon dengan pori karbon nanotube yang menjadi lubang di membran. Porinya berukuran sangat kecil sehingga hanya enam molekul air yang dapat sesuai dengan diameternya. • Aliran gas dan air yang terukur 100 hingga 10000 kali lebih cepat dibandingkan prediksi model klasik,

Membran terdisi atas karbon nanotube multi dinding yang ditanamkan pada matriks silikon nitrida. Laju perpindahan helim melalui membran nanotube 10 nm dalam rentang 0,018-0,25 cc/detik. Laju air yang dipindahkan melalui struktur ini diperkirakan dari 0,2-2,8x10-5 cc/detik. Tahap Fabrikasi Membran Carbon Nanotube

1

2

1

3 2

Hinds, B.J., et al. (2004) Science, Vol. 303, p.62.

3

Enkapsulasi Konformal dari CNT yang diluruskan ketika tumbuh dengan Polimer/Keramik Penghilangan material berlebih diatas susunan CNT di belakang. Goresan asam HF untuk menghilangkan membran dari substrat Pembukaan ujung CNT menggunakan oksidasi plasma atau perlakuan asam

Anatomi dari nanopump Nanoteknologi dapat membuat membran yang mampu memompa dan menyaring gas, bahan bakar, atau air.

Ion di air garam dilingkupi oleh cangkang molekul air. Ion terhidrasi ini terlalu besar untuk melewatu nanotube sehingga ion tertinggal dan hanya air murni yang dapat lewat.. Potensi lain dari Membran Nanotube Pemisahan CO2 Afinitas CNT dan hidrokarbon dapat memisahan gas industrial dengan energi lebih rendah. CNT memiliki permeabilitas gas yang sangat tinggi karena kehalusan inheren dari permukaan CNT

Hinds, 2004


23

Membran Bioreaktor Forward Osmosis Membran Bioreaktor (MBR) mengkombinasikan proses membran seperti mikrofiltrasi atau ultrafiltrasi dan bioreaktor suspended growth.

en.wiikipedia.org • •

Achilli, dkk, 2009

Pengolahan air limbah Penggunaan kembali air minum – FO sebagai pretreatment tingkat tinggi

Keuntungan MBR Forward Osmosis Rejeksi tinggi pada tekanan hidraulik lebih rendah Degradasi biologis yang ditingkatkan dari senyawa organik membandel Mengurangi kadar senyawa organik terlarut  mengurangi fouling sistem RO

Skema dari peralatan MBR skala laboratorium kontinu

Fouling lebih rendah  pemadatan foulant yang lebih rendah


24

Membran Bioreaktor Forward Osmosis Perbandingan kualitas permeat MBR dan OMBR (Jian-Jun Qin, 2010)

Parameter

Unit

Parameter MBR

Permeat OMBR

Ammonium

mg/l as N

0.09-0.6

<0.01-0.1

Boron

mg/l

0.06-0.11

0.03-0.07

Kalsium

mg/l

26.5-28.5

0.3-0.9

Fluorida

mg/l

0.3-0.47

0.01-0.1

Besi

mg/l

0.005-0.017

<0.003

N-Nitrat

mg/l

11.2-14.3

3.36-6.8

pH

-

6.1-6.9

5.7-6.7

PO4

mg/l

14-21

0.08-0.14

Silika

mg/l as SiO2

9.6-10.4

1.7-1.9

Strontium

mg/l

0.066-1.35

0.007-0.06

TKN

mg/l

0.9-5.0

0.2-0.7

TOC

mg/l

5.65-7.13

<0.5-1.6

Fluks FO lebih rendah 18% lower dari fluks air murni. Sementara itu, fluks MBR konvensional lebih rendah 75%. (Achili, 2008).

Siklus Filtrasi-pencucian

Membran

Material

Ukuran pori, μm

Fluks, L(m2.h)

Filtrasi (min)

Backwash (min)

Siklus/har i

Fluks neto, L/(m2.h)

Hollow fiber

Polyethylenepolysulfone

0.1

20

5-45

0.25-15

24-274

15-18

Tubular

Polypropylene

0.2

8-22

30

0.25

48

-

Flat sheet

C-PVCstainless steel

0.2-0.4

17-22

3-8

1-4

120

8.7-11

OsMBR

CTA

9.0

10,200

60

0.14

8.9

_

Achili, 2008


25

Fullerent Pencegah Biofouling pada Membran Mikrofiltrasi Biofouling Biofouling, atau akumulasi tidak diinginkan dari pertumbuhan organik pada permukaan yang kontak dengan air, seringkali sebagai hasil dari pembentukan biofilm.

Fenomena ini berdampak negatif pada aplikasi industrial, industri makanan, dan aplikasi medis

Biofouling per tahunnya menelan biaya miliaran dolar karena upaya penghilangan biofilm, penggantian bagian yang terkorosi dan rusak serta kehilangan produktivitas.

Pembentukan Biofilm sulit untuk dicegah dan lebih sulit untuk dihilangkan

Teknologi antibiofouling yang ada tidak berjalan lama, dan tidak efektif terhadap biofilm yang telah terbentuk

Ongkos murah

Nanoteknologi yang ada mengenalkan material baru dengan sifat antimikrobial yang dapat digunakan sebagai agen antifouling.

yang

relatif

lebih

Ledakan nanoteknologi yang ada memperkenalkan material baru dengan sifat antimkrobial yang dapat digunakan sebagai agen antifouling. Fulleren adalah molekul apapun yang tersusun seluruhnya dari karbon dalam bentuk bola berongga, elipsoidal, atau tabung. Fulleren, C60, memiliki sifat antibakterial dalam suspensi aqueous, dalam suspensi air fuleren yang disebut nC60. nC60 adalah agen antibakterial yang mearik karena potensi, spektrum aktivitas yang luas, dan kemampuan untuk membunuh bakteri dalam kondisi bercahaya, gelap, aerobik, maupun anaerobik.

nC60 mungkin tidak cocok untuk aplikasi medis, karena interaksinya yang merusak sel mamalia, namum dapat digunakan dalam pengolahan air industrial, penyaringan membran, atau aplikasi antibiofouling. nC60 menghilangkan bakteri lebih barik dari nanomaterial lainnya

Lyon dan Delina 2008 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

26

Fullerent Pencegah Biofouling pada Membran Mikrofiltrasi

Permukaan membran tanpa fullerenes

Permukaan membran dengan fullerenes

Lyon dan Delina 2008


27

Membran Distilasi Bioreaktor

Bioreaktor membran konvensional

Pengolahan air limbah

Proses MBR dapat memproduksi efluen berkualitas cukup tinggi untuk dibuang ke air pesisir, permukaan, payau, atau dimanfaatkan kembali untuk irigasi. Manfaat lain MBR dibandingkan prose konvensional termasuk footprint yang sedikit, kemudahan retrofit dan upgrade dari pabrik pengolahan air limbah tua. Namun, MBR dan pengolahan limbah menggunakan MBR konvensional memiliki beberapa kerugian. Sebagai contoh, ketika membran MF dan UF dapat menghilangkan flok bakterial dari permeat, membran ini hanya memberikan retensi terbatas untuk senyawa organik residual termasuk senyawa organik umpan yang belum terdegradasi dan produk samping metabolit, karena senyawa organik residual terlarut dalam air dan dapat melewati membran. MDBR adalah teknologi baru yang menggabungkan bioreaktor untuk pengolahan air limbah dengan membran distilasi (MD).

Membran Bioreaktor


Kebaruan membrane distillation bioreactor (MDBR) didasarkan pada proses MD yang digerakkan oleh termal yang menggunakan membran hidrofobik mikropori seperti polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF) atau polytetrafluoroethylene (PTFE). MDBR terutama cocok untuk skenario dimana produk air kualitas tinggi dibutuhkan dan/atau pada situasi dimana waktu tinggal yang tinggi dibutuhkan untuk penghilangan efektif senyawa organik refraktori.

Membran Distilasi

Air-gap MD Sweep-gas MD

Vacuum MD

Direct Contact MD

MDBR

Osmotic MD

Teknik MD ini dapat langsung diimplementasikan oleh salah satu keterampilan dalam MDBR.

Phattaranawik, dkk, 2008 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

28


Membrane Distillation Bioreactor Skala Kecil

Membrane distillation bioreactor – Susunan konseptual

Perbedaan utama antara MF/UF-MBR dan MDBR Parameter

MF/UF-MBR

MDBR

Driving Force

Diutamakan penyedotan tekanan

Termal (perbedaan temperatur), pada tekanan atmosferik

Membran

UF atau MF, terutama hidrofilik

Porous, hydrophobic MF such as PTFE and PVDF (preferred)

Fasa di pori membran

Cair

Uap, gas

Kualitas Permeat

Bergantung aktivitas biologis; TOC 3–10 ppm

Tidak tergantung aktivitas biologis, sebanding dengan produk distilasi; TOC < 0.8 ppm

Waktu Start up

Lambat

Lebih Cepat

Fluks

10–30 L/m2 h (tipikal)

2–15 L/m2 h (~fluks RO) at 55°C

Manfaat potensial dari MDBR • Kualitas permeat sebanding dengan proses RO dan tidak bergantung aktivitas biologis. • Bisa mencapai kualitas air yang mirip dengan lumpur aktif konvensional plus MF dan RO atau MBR konvensional plus RO dalam tahap tunggal. • Waktu start-up lebih singkat • Zat yang belum terdegradasi atau membandel dapat ditahan dengan waktu tinggal lebih lama sehingga mengalami pemecahan bertahap. • Proses atmosferik dan berpotensi tidak banyak bergantung pada sumber listrik

Phattaranawik, dkk, 2008 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

29

Membran Terintegrasi untuk Desalinasi Pabrik desalinasi industrial, beroperasi di seluruh dunia untuk meringankan permasalahan kekurangan air. Dalam perlombaan ini, operasi membran dengan gaya dorong tekanan kini banyak digunakan. Mereka berhasil bersaing dengan sistem termal tradisional karena konsumsi energinya yang lebih rendah

Isu Kritis

• Peningkatan kualitas air • Faktor recovery global pabrik • Pengurangan ongkos air bebas garam • Dan masalah pembuangan brine

Proses membran terintegrasi mewakili efek sinergis yang dapat dicapai, kesederhanaan unit ini, kemungkinan tingkat lanjutan dari otomasi dan remote control.

Manfaat dari operasi membran bergaya dorong temperatur seperti membran distilasi (MD) dan membran kristalisasi (MCr): Jalan lain meuju MD dan/atau MCr memperkenankan pemanfaatan penambahan nilai dari retentat, meningkatkan faktor recovery pabrik, mengurangi masalah pembuangan brine dan dampak lingkungannya, dan memproduksi kristal berharga untuk penggunaan medik, domestik, atau agrikultural. Adopsi dari sistem membran terintegrasi terlihat sebagai sebuah kemungkinan menarik untuk meningkatkan operasi desalinasi dan memenuhi kebutuhan air yang meningkat.

Pengurangan ongkos pembuangan brine dan dampak negatif lingkungan

Memungkinkan peningkatan faktor recovery air segar

Recovery dari kristal yang secara natural terdapat dalam aliran konsentrat

Macedonio, 2007 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

30

Desalinasi Inland Permintaan untuk air bersih pada banyak bagian dunia telah melampaui pasokan. Hal ini memiliki perhatian terfokus pada inland desalination dari air payau dan air limbah subsurface. Ada perkembangan kebutuhan untuk desalinasi inland di seluruh dunia dimana komunitas berjuang untuk memenuhi permintaan air yang bertambah dengan persediaan air bersih yang terbatas.

Desalinasi Inland •Konsentrat tidak dapat dibuang ke lautan •Perbedaan komposisi dari air laut Pabrik Desalinasi Air Laut

Pabrik Desalinasi Inland. (Thames Desalination Plant,: http://img.metro.co.uk/i/pix/2010/06/03/article-127555609540509DC61A3000005DC-127335_636x365.jpg)

Perhatian Utama untuk Desalinasi Inland

Komposisi Air Kebanyakan air garam inland kaya kalsium dan kurang sodium dibandingkan air laut

Pembuangan Konsentrat

Skala Ekonomi

Dibuang ke air permukaan, selokan, sumur dalam, aplikasi air, dan/atau kolam evaporasi

Ongkos lebih tinggi: ukuran pabrik lebih kecil, biaya pembuangan konsentrat , biaya pemompaan air sumur, dan biaya energi yang lebih tinggi (U.S. Bureau of Reclamation 2002).

Tingkat silika seringkali lebih tinggi

Anion dominan pada air inland: sulfat daripada klorida

Brady, dkk, 2005

Zero Liquid Discharge (ZLD) Kombinasi RO dan ED, evaporator multi tahap, kristalisator dan mesin evaporasi yang ditingkatkan

Efisiensi desalinasi merupakan hambatan daerah inland


juga untuk

31

Membran Sensor Penginderaan kimia adalah bagian dari proses pengambilan informasi dimana sebuah wawasan didapatkan tentang komposisi kimia dari sistem secara real-time. Sensor merupakan salah satu pendekatan sederhana untuk analisis kimia: mereka memungkinkan pengujian langsung dari sampel gas atau cair tanpa persiapan atau pemurnian sampel sebelumnya. Keuntungan  Tidak mempengaruhi atau beraksi dengan zat yang akan diuji  Hampir portabel  Cocok untuk menentukan konsentrasi secara langsung atau dapat menyensor conductitration (real time)  Memiliki harga yang tidak mahal

Keuntungan Potensial dari Membran dalam Sensor Eksternal membran

Reagen membran

Internal membran

Mengurangi biofouling

Matriks untuk loading mediator reaksi

Rejeksi dari interferen difusibel

Proteksi dari detektor dari agen fouling difusibel

Perlindungan biolayer Matriks untuk loading bioreagen

Penghilangan sel dan mekromolekul Pemasukkan terkendali dari analit dan reagen

Pengikatan, partisi, atau difusi terkontrol dari analit

Pengurangan ketergantungan pemasukan dan kecepatan sampel

Rejeksi interferen

Masking dari komponen antigenik in viva Permukaan untuk imobilisasi bioreagen

Masking dari komponen sensor toksik in vivo Permukaan untuk imobilisasi bioreagent

Partisi dari detektor elektrolit, dari sampel (contoh: membran permeabel gas) Pengendalian sensitivitas detektor Proteksi spesial dari komponen mikroelektronik

Matriks untuk releksi cahaya

Vadgama, 1990

Promosi dari aliran panas


32

Membran Sensor

Reference Electrode

Liquid Membrane

Sample Solution

Membran Cair Membran Gelas

Membran cair

Membran Valinomycin

Membran gelas

Membran Sensor

Membran resin penukar ion

Membran Kristalin

Membran selektif Fluorida

Membran Valinomycin

Membran Kristalin

Vadgama, 1990

Membran selektif Fluoride


33

Membran Asimetris Berstruktur Nano Penggunaan carbon nanotube sebagai serta serat penguat material komposit masih merupakan bidang berkembang dari perpektif teoritis dan eksperimental. Perolehan membran nanofungsional adalah salah satu trend baru untuk meningkatkan performa proses membran.

Tren baru!

Nanofung sional Meningkatkan performa! Membran Asimetrik

G. Nechifor, dkk (2009), membuat material komposit polimer-nanotube baru berbasis polisulfon dengan berbagai tipe nanotube, single wall (SWNT) dan double wall (DWNT), didapatkan dengan aplikasi di bidang medis dari pemisahan lanjutan dari logam berat dari darah dan cairan psikologikal lainnya.

Polisulfon

Carbon nanotube

Karakteristik unggul - Kelarutan dalam rentang tinggi dari pelarut polar aprotik - Ketahanan termal tinggi - Ketahanan kimia pada seluruh rentang pH - Ketahanan dalam media oksidatif - Ketahanan mekanik tinggi dari reaktivitas modeat film dalam reaksi subsitusi elektrofil aromatik

Biokompatibel dalam kontak dengan darah Biofungsionalitas: kemampuan untuk mengambil alir fungsi tertentu jaringan dengan penyesuaian bersama dari sifat impan dan jaringan

Interaksi kovalen antara membran polisulfon dan karbon nanotube lebih stabil dari interaksi kovalen dalam paduan membran dan merupakan cara baik untuk imobilisasi karbon nanotube untuk aplikasi praktis (terutama proses filtrasi).

Nechifor, dkk, 2009


34

Penghilangan Boron dengan SWRO

Air minum dari desalinasi air laut menggunakan membran reverse osmosis telah menjadi sangat menarik

Tantangan: Kesulitan dalam memenuhi standar boron dalam air produk

Alasan dominan untuk pembatasan konsentrasi boron dalam air minum: Bagi manusia, borond apat memberikan bahaya reproduksi. WHO: 0.3 ppm. Regulasi EU : 1.0 ppm

Pertanian: konsentrasi boron berlebih dapat merusak tanaman.

Beberapa pabrik menggunakan tahap pengolahan tambahan : - pengaturan pH - Pengenceran permeat RO dengan sumber lain - post-treatment penukar ion dari permeat RO - Melewati air desalinasi melalui tingkatan RO ekstra.

 Air laut mengandung sekitar 4–6 mg/L boron, yang doominan terdapat dalam asam borat non ionik  Asam borat memiliki pKa sekitar 9.2  Pada nilai pH air laut umum, membran RO biasa merejeksi boron ke tingkat sekitar 40–80% (konsentrasi permeat boron 0.9–2.0 mg/L)  Rejeksi rendah dari asam borat adalah karena kemampuannya berdifusi melewati membran dalam bentuk non-ionik yang mirip dengan asam karboksilat atau air

Dalam beberapa tahun belakangan Membran dengan rejeksi boron 91–96% pada pH air laut natural tersedia di pasaran. Untuk pengurangan afinitas dengan boron, peningkatan afinitas dengan air, dan struktur molekul yang lebih ketat (pori lebih kecil) dari lapisan membran untuk eksklusi ukuran molekul asam borat

 Moda operasi tidak memiliki dampak pada rejeksi boron  Rejeksi boron yang jauh lebih tinggi didapat pada pH 10.5 (>98%). (baik mekanisme repulsi elektrostatik dan ekslusi ukuran)  Rejeksi garam di air laut tidak berpengaruh dengan rejeksi boron pada kondisi konstan.  Fluks permeat pada tekanan konstan secara umum lebih rendah pada pH of 10.5, yang dapat dijelaskan dengan fouling membran dan pembentukan sisik yang lebih tinggi oleh senyawa Mg dan Ca  Sementara rejeksi boron yang lebih tinggi teramati untuk satu tipe membran ketika tekanan dinaikkan  Laju alir umpan tidak memberikan dampak signifikan dalam rejeksi boron pada kondisi konstan.

Bartels, 2009


35

Penghilangan Boron dengan SWRO Optimasi Single Pass Sistem two-pass tidak hanya meningkatkan biaya konstruksi namun juga beban O&M yang lebih tinggi dibandingkan sistem RO single pass. Disini ditunjukkan bahwa sistem RO single-pass dengan pengaturan pH dapat mencapai rejeksi boron lebih tinggi, memproduksi permeat dengan konsentrasi boron kurang dari 0.5 mg/L Bartels, 2009 2-pass SWRO: Pass RO kedua dengan penambahan soda kaustik untuk meningkatkan pH ke sekitar 9.5. beberapa permeat pass-1 dapat dilewatkan untuk menjaga sejumlah mineral di air. RO pass kedua dapat dibuat dari membran air laut energi rendah jika temperatur dan salinitas tinggi atau membran air payau rejeksi tinggi dalam kasus kondisi lebih lunak

Koseoglu, dkk, 2008

SWRO+ IX: Resin penukar ion selektif boron dengan atau tanpa pass, bergantung pada konsentrasi sisa boron yang dibutuhkan. Resin selektif harus diregenerasi on-site dengan soda kaustik dan asam klorida. Sistem kolom ganda seringkali dibutuhkan untuk menjamin produksi kontinu.

Nadav, dkk, 2005


36

Produksi Kristal dengan Bentuk dan Ukuran Tertentu Menggunakan Membran Kristalisator Kristalisasi adalah teknik unggul untuk pemurnian spesi kimia dengan pemadatan dari campuran cairan: banyak bahan dijual dalam bentuk kristalin, dan sejumlah besar produk bisa didapatkan dari larutan tak murni bahkan dengan satu tahap. Metode paling umum dari kristalisasi adalah melalui evaporasi pelarut. Pengembangan teknologi dari kristalisasi melalui evaporasi pelarut sebagai berikut:

Konvensional

Kristalisator Membran (MC)

Forced Circulation (FC)

Kristalisasi membran dengan berbagai metode

Draft Tube Baffled (DTB) Curcio, 2006

Metode MC Reverse Osmosis (RO) Distilasi Anti-Pelarut Membran Reaktor Pendinginan Kontaktor Kristalisator Membran

Peluang untuk merangkai proses dan kristalisasi membran, untuk mengembangkan teknologi kristalisasi yang efisien, telah diusulkan dalam bentuk kristalisator membran (MCr). Dalam sistem ini membran tidak berperan sebagai penyangga untuk penguapan pelarut, namun juga sebagai permukaan hidrofobik dan perpori yang dapat mengaktivasi nukleasi heterogen yang dimulasi pada lewat jenuh rendah dan meningkatkan kinetika kristalisasi, bahkan untuk molekul besar seperti protein. Karena keuntungan ini, kristal dengan permukaan dan struktur terkendali dapat dibuat.

MC RO

Gianluca and Efrem, 2009

Fluks Solvent P1

Solvent (H2O) + garam

P2

Solvent (H2O)

Driving forces

Perbedaan tekanan

Tipe Membran

Reverse Osmosis

Produk

Anorganik

Keuntungan

Integrasi dengan desalinasi

Kerugian

• • • •

Mudah Fouling Umpan konsentrasi rendah Beda tekan yang tinggi Distribusi ukuran kristal yang besar

P2 < P1 Reference: E. Curcio, G. Di Profio, E. Drioli, Membrane Conttactors: Fundamentals, Applications, and Potentialities, Journal of Membrane Science and Technology,2006 2) DI PROFIO Gianluca ; CURCIO Efrem . A Review on membrane crystallization. Chimica oggi Y. 2009, vol. 27, No. 2, pages 27-31


37

Produksi Kristal dengan Bentuk dan Ukuran Tertentu Menggunakan Membran Kristalisator MC Distilasi P2, T2

Zat yang ingin dikristalisasi ditempatkan pada sisi umpan membran yang bertemperatur tinggi. Di sisi lain membran adalah fluida pendingin. Uap dari sisi umpan akan melewati membran dan terkondensasi di sisi dingin. Lambat laun, sisi umpan akan melewati titik jenuh dan mulai mengkristal.

Crystal + solvent

Distillat + stripping agent

P1, T1

Evaporasi Pelarut

Prinsip 1. Evaporasi Pelarut 2. Difusi uap pelarut 3. Kondensasi pelarut

Kondensasi Pelarut

Tipe Membran: membran mikrofiltrasi hidrofilik (untuk larutan oleofilik) atau hidrofobik (untuk larutan aqueous)

MC - Reaktor

P

P

Driving forces

Perbedaan Tekanan

2

1

2

Tipe Membran

Ultrafiltrasi

Keuntungan

• Memproduksi nanokristal: 70 nm

Kerugian

• Fouling • Tanpa data kuantitatif tentang distribusi ukuran kristal

B (l)

B (l)

A (l) + AB (s)

P

MC - Antisolvent

P2

P1

P2 Antisolvent

Feed

Antisolvent

J J1

Driving forces

Perbedaan Tekanan

Membrane type

Membran berpori

Advantages

• Fleksibilitas dalam operasi membran • Sistem operasi yang fleksibel • Ukuran kristal yang terdistribusi dengan baik • Memudahkan aplikasi industrial

2

Di Profio, dkk, 2010 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

38

Produksi Kristal dengan Bentuk dan Ukuran Tertentu Menggunakan Membran Kristalisator MC – cooling

Solvent + kristal

Membran solid hollow fiber

Cooler media flow

T2

T1

Driving forces

Perbedaan Temperatur

Tipe membran

Membran tak berpori (Hollow Fiber Padat)

Keuntungan

• • • •

Bebas Fouling Ukuran kristal yang halus Distribusi ukuran kristal yang sempit Laju nukleasi yang tinggi

Q (panas)

Statis

MC (Membrane Crystallizer) Kontinu

Efek waktu tinggal terhadap ukuran panjang kristal

Di Profio, dkk, 2010 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

39

Menggabungkan Gugus Amino dalam Jaringan Polimer sebagai Komposit Thin film composite membranes (TFC) adalah membran semipermeabel yang dibuat terutama untuk kegunaan dalam pemurnian air atau sistem desalisasi air. Keuntungan membran komposit lapis tipis Setiap lapisan dapat dioptimasi secara bebas untuk mendapatkan performa optimal membran

Seperti terlihat pada namanya, membran TFC terdisi dari banyak lapisan. Membran yang dirancang untuk desalinasi menggunakan lapisan film tipis aktif dari poliimida berlapis dengan polisulfon sebagai lapisan penyangga berpori. Persiapan membran komposit lapis tipis

Pelarut: Asam (Organik)

Dip coating

Monomer Asam Amino (Cair)

Spray coating Penyangga Berpori

Spin coating Interfacial polymerisation In Situ polymerisation Grafting

Kebanyakan terbuat dari gugus asam amino

Membran Komposit (50 nm)

Poliamida

- Stabilitas termal - Kekuatan Mekanik - Ketahanan terhadap pelarut organik

Membran Reverse osmosis

Aplikasi membran Poliamida

Membran Pervaporation Membran Forward Osmosis

Saha dan Joshi, 2009


40

Membran Aquaporin Aquaporin adalah protein yang tertambat dalam membran sel yang mengatur aliran air. Aquaporin adalah protein membran integral dari keluarga besar major intrinsic proteins (MIP) yang membentuk pori dalam membran sel biologis.

Penemu Aquaporin

Peter Agre

Roderick MacKinnon

Berbagai sistem dan metode dari pengolahan air ditemukan

• Karbon aktif untuk penghilangan senyawa organik • Desinfeksi sinar ultraviolet • Water softening • Desalinasi membran dengan RO dan NF Penemuan Tradisional

Untuk memurnikan sumber air alami dan terkontaminasi, Air harus sangat murni atau dengan sedikit kontaminan

Protein aquaporin ditemukan • Selektif bagi Perpindahan air

Namun, faktor miniaturisasi untuk spesifikasi industri semikonduktor berujung pada UPW yang lebih ketat

• Tujuan: • Untuk mengilustrasikan bagaimana protein transfer air terdambat dalam membran dalam pemurnian air

Membran Biomimetrik ditemukan

Perbedaan mekanisme dari aliran air transmembran

Osmosis Transport banyak air dengan zat terlarut Aquaporin Benga, 2009


41

Membran Aquaporin Membran biomimetric mirip dengan membran aquaporion

Penemu membran biomimetric

1. Peter Holme Jensen, Copenhagen

2. Danielle Keller, Odense

Desalinasi air laut

Air pertanian untuk irigasi

Membran sintetik membran aquaporin.

berdasarkan

prinsip

Konstruksi seperti sandwich dapa menahan tekanan hingga 10 bar dan fluks air > 100 l/m3.h

Air proses industrial Aplikasi

Pengolahan air limbah perkotaan

Lipid bilayer berpenyangga dengan molekul akuaporin tergabung

Ultra-Pure Water (UPW)

Membran lipid bilayer yang dibentuk disekitar lapisan film teflon dengan molekul aquaporin Penyangga berpori dari lipid bilayer seperti mika, muscovite, pita mika, polisulfon, AlO2, selulos atau penyangga lainnya dengan permukaan hidrofilik Membran lipid bilayer planar dengan aquaporin Molekul Aquaporin

Film Teflon berpori atau material membran hidrofobik lainnya

Molekul phospolipid atau molekul lipid amphifilik lainnya

Membran lipid bilayer planar dengan aquaporin

Membran lipid bilayer yang dibentuk disekitar film teflon film dengan molekul aquaporin

Molekul Aquaporin Molekul phospolipid atau molekul lipid amphifilik lainnya

Molekul aquaporin yang tergabung dalam material membran nanopori

Material Membran Nanopori

Penyangga berpori dari lipid bilayer seperti mika, muscovite, pita mika, polisulfon, AlO2, selulos atau penyangga lainnya dengan permukaan hidrofilik Film Teflon berpori atau material membran hidrofobik lainnya



Molekul Aquaporin

Molekul Aquaporin



Benga, 2009


42

Nanofiltrasi sebagai Pretreatment Reverse Osmosis Pengantar Integrasi dari operasi membran yang berbeda namun saling melengkapi dalam pre-treatment RO (MF/ UF/ MBR/ NF/ Membran kontaktor) dan tahap post treatment (Membrane contactor/ Membrane Distillation/ Membrane Crystallizer) memungkinkan untuk mengendalikan dan meminimalisir fenomena fouling dan punya potensi untuk mendekati konsep “zero-liquid discharge” dan “total raw materials utilization”.

Sistem Membran Terintegrasi untuk Desalinasi

Pre-treatment Konvensional bagi Desalinasi Sea Water Reverse Osmosis (SWRO) 

Penggunaan luas bahan kimia (disinfeksi, flokulan, agen antiscaling) dan unit filtrasi mekanik (sand filtration, media filtration, cartridge filtration)



50-60% (brine) yang dibuang ke :  Pembuangan alami (danau, sungai, laut, dan sumur)  Aplikasi daratan  Injeksi sumur dalam  Kolam evaporasi  Pencampuran dengan air limbah dan air pendingin pembangkit listrik  Kristalisasi termal untuk pembuangan landfill

Drioli, 2010


43

Nanofiltrasi sebagai Pretreatment Reverse Osmosis Nanofiltrasi (NF) sebagai tahap “Softening” untuk RO  Untuk mengurangi kesadahan, TDS, mikroorganisme, dan turbiditas  Rejeksi ion multivalen: ~ 90%  Rejeksi ion monovalen: 10-50%

   



Tekanan osmotik yang lebih rendah, sehingga unit RO dapat beroperasi pada tekanan yang lebih rendah Faktor recovery yang lebih ringgi dari RO konvensional Biaya air bebas garam yang lebih rendah daripada RO konvensional Proses lebih ramah lingkungan (karena lebih sedikit membutuhkan aditif)

Kuntungan dalam menggunakan sistem membran terintegrasi : 1. meningkatkan faktor recovery pabrik; 2. Produksi padatan dengan kualitas tinggi dan sifat terkontrol (seperti polimorf spesifik dari garam) dengan penambahan nilai penting, mengubah biaya penbuangan brine tradisional menjadi sebuah pasar baru yang menguntungkan; 3. Pengurangan masalah lingkungan terkait pembuangan brine.

Perbandingan biaya air bebas garam untuk berbagai konfigurasi sistem membran terintegrasi

Drioli, 2010


44

Forward Osmosis (FO) Tinjauan Umum Forward Osmosis Tidak seperti proses bergaya dorong tekanan dimana tekanan hidraulik digunakan untuk membuat aliran pelarut melalui membran semi permeabel, FO menggunakan larutan draw terkonsentrasi dan larutan umpan diluat untuk menghasilkan aliran pelarut karena perbedaan tekanan osmotik di sepanjang membran semipermeabel. Keuntungan utama FO dibandingkan RO adalah tidak dibutuhkannya tekanan hidraulik, yang membuat FO secara potensial lebih murah. FO juga memiliki kecenderungan yang lebih rendah dari fouling, kemungkinan karena tidak hadirnya tekanan hidraulik.

Kerugian utama dari seluruh literatur adalah fluks air yang lebih rendah dalam eksperimen FO dari ekspektasi berdasarkan perbedaan tekanan osmotik curah dan permeabilitas air membran.

Membran dan Modul untuk Forward Osmosis

kontinu •Larutan umpan diresirkulasi pada sisi umpan dan larutan draw diresirkulasi pada sisi permeat •Untuk operasi kontinu dari proses FO, membran lembaran datar dapat digunakan dalam konfigurasi plate-and-frame atau dalam spiral-wound.

Partaian •Dalam aplikasi FO partaian, larutan draw diencerkan sekali dan tidak direkonsentrasi untuk kegunaan lebih lanjut. Alat yang digunakan untuk FO seringkali sekali pakai. •Aplikasi menggunakan moda operasi ini termasuk kantung hidrasi untuk pemurnian air dan pompa osmotik untuk drug delivery

1. FO Spiral Wound •Aliran umpan mengalir menuju pipa sentral berlubang, kemudian dipaksa mengalir menuju sampul pipa. •Larutan draw mengalir dengan cara yang sama pada operasi RO. •Tidak seperti elemen RO, tabung kolektor sentral diblokir setengah. Sebagai gantinya, tambahan glue line di tengah sampul membran memberikan jalan bagi umpan untuk mengalir di dalam sampul

2. Kantung Hidrasi

•Dalam kantung hidrasi, larutan draw edibel (seperti gula atau bubuk minuman) dikemas dalam kantung tertutup yang terbuat dari membran FO semi-permeabel •Kettika kantung direndam dalam larutan aqueous, air berdifusi ke dalam kantung karena perbedaan tekanan osmotik dan melarutkan perlahan larutan draw yang awalnya padat. Untuk alat kecil, proses dapat memakan waktu 3-4 jam untuk melarutkan sempurna 12 ons minuman. Cath, dkk, 2006


45

Forward Osmosis (FO) Membrane dan Modul untuk Forward Osmosis

1

2

Aplikasi Modern dari Forward Osmosis Pemekatan lindi landfill 

Dalam sistem skala penuh, lindi mentah dikumpulkan dan diberi pre-treatment sebelum air diekstrak dalam enam tahap sel FO.



Sistem RO tiga-pass (tahap permeat) memproduksi aliran air murni untuk aplikasi daratan dan aliran rekonsentrasi dari larutan draw pada 75 g/l NaCl.



Pabrik pengolahan ini dapat mengolah lebih dari 18,500m3 lindi, mencapai recovery air rata-rata 91.9% dan konduktivitas permeat RO rata-rata 35 µS/cm.



Kebanyakan kontaminan memiliki lebih dari 99% rejeksi dan konsentrasi eluen final lebih rendah dari tingkat NPDES TMDL.

Desalinasi Air Laut Proses FO Amonia–Karbon Dioksida Baru 







Cath, dkk, 2006

Air diekstrak dari air laut dan melarutkan larutan draw amonia-karbon dioksida. Karena pemanasan sedang (sekitar 60 ◦C), larutan draw terdekomposisi menjadi amonia dan karbon dioksida. Pemisahan produk air segar dari larutan draw dapat dilakukan dengan berbagai metode pemisahan (seperti kolom distilasi atau membran distilasi (MD)). Larutan terdegasifikasi yang tertinggal dari produk air murni dan distilat adalah larutan draw terrekonsentrasi yang dapat digunakan untuk proses desalinasi FO.


46

Pemisahan Udara Pada Temperatur Tinggi Teknologi Pemisahan Udara Tiga cabang teknologi yang kini ada untuk memisahkan oksigen dari udara:  Distilasi : paling matang daripada ketiga teknologi dan dapat memberikan kemurnian tinggi (>99%) dan produksi skala besar  Adsorption : dapat mencapai kemurnian hingga 95% oksigen namun kebutuhan pelarut membatasi kapasitas karena biaya modal  Membrane : teknologi paling baru, termasuk membran polimer dan membran transfer ion temperatur tinggi.

OTM (Oxygen Ion Transport Membrane) 

Oxygen Ion Transport Membranes (OTMs) adalah keramik padat yang mengandung lowongan oksigen di kisi molekuler. Gaya dorong pada transport oksigen adalah perbedaan tekanan parsial di sepanjang membran. Kebanyakan material membran hanya konduktif pada oksigen di atas 700oC (975 K). Di atas temperatur ini, fluks sebanding dengan temperatur, sehingga reaksi eksotermik yang mengkonsumsi oksigen di sisi permeat membran harus menyediakan fluks yang tinggi. Ada tiga tipe keramik utama dengan kemampuan transfer ion : perovskite, fluorite dan campurannya







Pembakaran Oxy-fuel adalah proses pembakaran bahan bakar menggunakan oksigen murni menggantikan udara sebagai oksidan utama. Karena komponen nitrogen di udara tidak terpanaskan, konsumsi bahan bakar berkurang, dan temperatur api yang lebih tinggi dimungkinkan. Pembakaran Oxy-fuel memproduksi sekitar 75% gas cerobong yang lebih rendah dibandingkan pembakaran dengan udara.

Siklus AZEP (Advanced Zero Emission Power)





Pembuangan dari kamar pembakaran dipisah: sebagain digunakan untuk memanaskan kukus dan udara untuk produksi tenaga, sisanya dicampur dengan oksigen pada unit OTM (reaktor MCM) dan kembali ke kamar pembakaran sebagai oksidan. Integrasi parsial dari kamar pembakaran dan pemisahan udara ini memungkinkan panas yang dibutuhkan untuk unit OTM disediakan langsung oleh pembakaran.

Foy, 2007





Rancangan terkini dari modul menggabungkan kamar pembakaran dan modul OTM dalam kamar yang sama. Kerapuhan material berarti bahwa temperatur pembakaran harus relatif rendah (<1250°C), yang membatasi efisiensi (menggunakan oksidasi katalitik parsial sebagai metode optimum).


47

Membran untuk Organ Buatan Membran Dialisis – Ginjal Buatan 

Membran dialisis mengandung pori yang memungkinkan molekul kecil seperti air, urea, kreatinin, dan glukosa melewati membran, namun sel darah merah, sel darah putih, platelet dan sebagian besar protein plasma tertahan. terkait perawatan ini, tiga mode yang sering digunakan : 1. Hemodialisis 2. Hemofiltrasi 3. Hemodiafiltrasi konveksi.



: solute removal is dilakukan hanya dengan difusi. : solute removal is dilakukan hanya dengan konveksi. : solute removal is dilakukan dengan difusi dan

Membran sintesis biasanya dibuat dari  Kopolimer hidrofilik atau terhidrofilik (polyethylene vinyl alcohol, polymethyl methacrylate or modified polyacrylonitrile).  Campuran hidrofilik. Campuran ini utamanya dibuat dengan mencapurkan polimer hidrofobik dengan Tg tinggi (polysulfone (PSf) atau polyarylether sulfone (PES, PAES)) dengan polimer hidrofilik (polyvinyl pyrrolidone (PVP) atau poliamida alifatik/aromatik).

Kompatibilitas material dengan darah adalah hal terpenting. Telah diperkirakan bahwa untuk seorang pasien yang melakukan dialisis selama 15 tahun, darah akan kontak dengan kurang lebih 4000m2 permukan asing. Bahannya harus memiliki: 1. Potensi trombogenisitas dan koagulasi yang rendah. 2. Stimulasi rendah dari sistem imun (komplemen atau aktivasi sel). 3. Tanpa reaksi alergi atau hipersensitivitas, tanpa interaksi dengan obat yang diberikan. 4. Tanpa efek hemodinamik (permukaan bermuatan negatif dapat menstimulasi koagulasi “fase kontak”).

Contoh koefisien sieving dari dua membran dialisis dibandingkan ginjal alami.

Drum berputar yang dikembangkan pada 1943 oleh Kolff dan Berk.

Membran dialisis seringkali dicirikan sebagai : 1. Fluks rendah, memiliki pori kecil (permeabilitas air: 0.03– 0.09 mL/(jam m2 Pa)) dan kebanyakan digunakan dalam hemodialisis untuk penghilangan zat terlarut kecil. 2. Fluks tinggi, memiliki pori besar (permeabilitas air lebih tinggi dari 0.15 mL/(jam m2 Pa)) dan kebanyakan digunakan dalam hemofiltrasi untuk penghilangan zat terlarut yang lebih besar.

Dializer membran Hollow fiber. (Today Comm.)

Parameter dari daya tarik klinis adalah kebersihan zat terlarut yang merepresentasikan laju penghilangan zat terlarut dari darah dibagi dengan konsentrasi darah umpan (Cs,blood):

Baker, 2005 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

48

Membran untuk Organ Buatan Oksigenator Membran – Paru-paru Buatan 



Oksigenator membran merepresentasikan terobosan dalam pengembangan oksigenator darah. Tidak adanya kontak langsung antara darah dan oksigen meminimalisir. Meminimalisir resiko emboli udara. Ada kontak yang baik dengan darah dan tanpa perlu sistem pembuangan gas. Oksigenator pertama menggunakan karet silikon dan membran Teflon. Silikon memiliki keuntungan yang baik dalam hal biokompatibilitas, permeabilitas gas, dan kebocoran plasma yang kecil. Kini, material lain seperti polimer poliolefin juga digunakan. Terutama membran dari poly(4 methyl pentene-1) (TPX) memiliki sifat yang baik untuk alat paru-paru buatan. Membrana GmbH (Germany) telah mengembangkan membran hollow fiber hidrofobik berbasis TPX dan/atau campuran dengan poliolefin lain seperti polietilena. Membran dibuat dengan thermally induced phase separation (TIPS). Kini, mayoritas dari oksigenator menggunakan membran hollow fiber hidrofobik untuk mencegak kebocoran plasma. Darah umumnya disirkulasi diluar serat untuk menjaga perpindahan massa optimal dan meminimalisir turun tekan pada alat.

Baker, 2005

Beberapa tahun yang lalu, alat bantu paru-paru tanpa pompa komersial pertama dikenalkan (Novalung GmbH, Germany). Alat ini berisi membran fiber berlapis heparin dan telah dikembangkan untuk kegunaan sementara pada pasien dengan maksimum perida penggunaan 29 hari.

Prinsip dari oksigenasi darah dengan membran.

Sistem Pankreas Buatan Menggunakan Membran 

Dalam pengembangan pankreas buatan, usaha difokuskan pada integrasi pulau Langerhans ke dalam membran sintetik. Membran (flat sheet atau hollow fiber) memisahkan sel dari aliran darah dan permeabel untuk glukosan dan insulin dan sangat tidak permeabel bagi immunoglobulin dan limfosit.



Dalam kasus membran hollow fiber, sel dimasukkan pada bagian luar atau lumen dari serat. Kemudian Darah mengalir di lumen atau luar serat. Konfigurasi hollow fiber adalah pilihan yang lebih menarik karena area permukaan membran yang tinggi. Alatnya dapat berupa :  Ekstravaskuler, ketika sel diintegrasikan dengan membran dan dipasang pada situs ekstravaskuler.  Intravaskuler, ketika sel diintegrasikan dengan membran dan menggunakan aliran darah pasien.  Mikroenkapsulasi, ketika sel dienkapsulasi oleh membran polimer yang mencegah kontak dengan sistem imun pasien dan memungkinkan transplantasi tanpa terapi imunosuppresif.

Mhaske and Kadam, 2010 



Penyebab utama kegagalan enkapsulasi islet:  Hipoksia/difusi terbatas pada situr transplantasi;  Biokompatibilitas non-optimum dari bahan enkapsulasi dan  Proteksi imun yang tidak cukup. Penelitian terbaru memfokuskan dalam mengatasi isu tersebut dan pengembangan membran yang lebih baik dan/atau optimisasi alat untuk pasien dengan penyakit pankreas.

Ilustrasi dari prinsip sistem hollow fiber sebagai pankreas buatan. Bagian dalam sistem ditunjukkan melalui satu bagian.


49

Sistem Membran Biohybrid Menggunakan Hepatosit Membran untuk Rekonstruksi Hati Manusia  Karena isolasi hepatosit dapat melakukan biotransformasi in-vivo dan fungsi spesifik hati dengan lengkap, hepatosit dapat digunakan secara in-vitro sebagai sistem model dari studi metabolisme.  Sifat hidrofobik/hidrofilik membran seperti parameter bebas energi permukaan, morfologi sel dan fungsi metabolik spesifik dari hepatosit.  Membran untuk rekonstruksi hati manusia disiapkan dari campuran polimerik dari polietereterketon termodifikasi atau PEEK-WC dan poliuretan (PU) dengan teknik inversi fasa dengan menggunakan metode immersion-precipitation langsung. Membran ini dapat menyokong penempelan dan diferensiasi sel dalam sistem biohibrida yang mencangkup hepatosit manusia dan membran PEEK-WC-PU selama lebih dari 1 bulan.

Citra konfokal dari hepatosit manusia pada membran PEEK-WC-PU oleh pewarnaan dengan FITC-phalloidin (hijau) dan pewarnaan asam nukleat dengan DAPI (biru).

Pada kasus hepatoris, imobilisasi dari motif galaktosa pada permukaan menambah interaksi spesifik dengan sel karena ikatan spesifik antara bagian galaktosa dan reseptor asyaloglycoprotein yang hadir pada membran sitoplasma. Sudut kontak air dari membran dan kolagen yang tak termodifikas idan termodifikasi pada t=0. PES-pdAA-SA-GAL dan PESpdAASA-RGD disingkat PES-GAL and PES-RGD.

Performa membran termodifikasi dan taktermodifikasi dievaluasi dengan analisa ekspresi dan fungsi spesifik hati dalam hal produksi albumin

Produksi albumin dari kultur hepatosit manusia pada berbagai permukaan membran termodifikasi. PES-pdAA-SA-GAL dan PESpdA-SA-RGD disingkat PES-GAL dan PES-RGD.

Antara sistem membran bioreaktor ini terutama menarik karena membran memungkinkan perpindahan selektif dari metabolit dan nutrien ke sel dan penghilangan katabolit dan produk spesifik dari sel

Sekresi protein (batang terarsir) dan sintesis urea (batang penuh) dari hepatosit manusia yang dikultur pada membran bioreaktor galactosylat selama 21 hari.

Zainoodin, dkk, 2010 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

50

Pengembangan Terkini dalam Membran Reaktor Enzimatik Pengantar  Membran reaktor enzim (EMR) adalah moda spesifik untuk menjalankan proses kontinu dimana enzim dipisahkan dari produk akhir dengan bantuan membran selektif. Apapun konfigurasi EMRnya, tujuan utamanya adalah memastikan rejeksi sempurna dari enzim untuk menjaga aktivitas penuh di dalam volume reaksi. Bergantung pada kasusnya, molekul enzim dapat disirkulasi pada sisi retentat atau diimobilisasi ke dalam permukaan membran atau di dalam struktur pori.  Karena banyak enzim memiliki berat molekul antara 10 dan 80 kD, membran ultrafiltrasi dengan cut-off molekular antara 1 dan 100 kD adalah yang paling sering digunakan.  Fouling membran dan kerusakan aktivitas enzim adalah alasan bagi keterbatasan performa EMR. Keuntungan utama dari imobilisasi enzim pada material membran adalah untuk meningkatkan stabilitas dan ketahanannya terhadap pelarut organik. Keuntungan

Kerugian

Moda kontinu (pengumpanan substrat)

Pengurangan aktivitas enzim terhadap waktu (kehilangan katalis, efek tegangan geser, dll)

Retensi dan penggunaan kembali katalis

Heterogenitas kondisi reaksi antara larutan inti dan permukaan membran

Reduksi pada inhibisi pada substrat/produk

Lapisan polarisasi dan keterbatasan induksi

Produk akhir bebas enzim

Fouling membran

Pengendalian sifat produk dengan pilihan enzim (spesifitas) dan/atau membran (selektivitas) Proses terintegrasi (reaksi/pemisahan satu tahap)

EMR dengan Membran Aktif Katalitik





Rios, 2004

Metode yang lebih baru dalam mempersiapkan membran aktif telah dikembangkan melalui srufi Candida antarctica lipase immobilization. Penggunaan polyethyleneimine (PEI), polimer hidrofilik dan melarutkan air yang memiliki kandungan gugus bebas amino primer tinggi sebagai agen pelapis memungkinkan peningkatan jumlah pusat potensial untuk penempatan enzimatik. Hasil terbaik didapatkan dengan perbandingan yang sama antara gelatin dan PEI untuk perlakuan dari substrat kecil. Dengan pembuatan, ukuran pori pada sekitar beberapa nanometer didapat. Studi baru berusaha untuk mengembangkan proses ke pori yang lebih besar dengan tujuan untuk mengubah atau memodifikasi makromolekul.


51

Pengembangan Terkini dalam Membran Reaktor Enzimatik New Integrated And Non-conventional Processes

Skema dari konversi minyak zaitun enzimatik dalam bioreaktor hollow fiber. (Hoq dkk.)

EMR skala pilot untuk hidrolisis pati. (Paolucci dkk.)

Hoq dkk. Mempelajari hidrolisis enzimatik dari minyak zaitun dengan lipase pada EMR menggunakan membran hidrofobik. Enzim diserap pada permukaan membran yang kontak dengan fasa aqueous, sedangkan minyak zaitun diresirkulasi pada sisi lain membran.

Secara keseluruhan, selain keekonomian enzim dan ongkos pemurnian karena integrasi reaksi dan pemisahan, terlihat bahwa hidrolisis pati dengan cara ini berdampak pada produktivitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan pada proses partaian.

Prinsip EMR yang digunakan oleh Pomier

 

 

Pada dasarnya, idenya adalah mengurangi viskositas dari cairan lengket dengan injeksi SCCO2. Kemudian fasa pseudo homogen yang didapat dikontakkan dengan membran katalitik sehingga terlewati karena forced convection. Keuntungan utamanya adalah dapat bekerja pada temperatur yang relatif rendah tanpa penambahan pelarut. Pada akhir konversi, CO2 dipisahkan dari fasa cair dengan pressure release. Produk rapuh didapat dan tidak ada kerusakan lingkungan.

Rios, 2004


52

Membran dalam Rekayasa Jaringan Rekayasa Jaringan—Secara Umum 



Rekayasa jaringan berasal dari operasi rekonstruksi dimana transplantasi langsung dari jaringan donor dipraktekkan untuk memperbaiki fungsi jaringan yang rusak. Salah satu tema penelitian utama adalah fabrikasi scaffold. scaffold adalah konstruksi 3-D yang berperan sebagai penyangga temporer dari sel yang diisolasi untuk tumbuh pada jaringan baru sebelum ada transplantasi balik ke jaringan host.

Prinsip Rekayasa Jaringan

1. Scaffold harus sangat berpori dengan konektivitas pori yang baik untuk memastikan perpindahan nutrien yang cukup melalui sel dan pembuangan produk sampah. 2. Sebagai tambahan, scaffold harus memiliki sifat mekanik yang cocok dibandingkan jaringan in vivo pada situs implantasi dan harus dengan mudah dihubungkan dengan sistem vaskularisasi dari host. 3. Material scaffold juga harus biokompatibel dan terdegradasi bersamaan dengan regenerasi jaringan dan perombakan matriks ekstraseluler. (ECM) 4. Selanjutnya, permukaan harus mendorong penempelan sel dan poliferasi. 5. Scaffolds yang optimal harus memiliki vaskularisasi yang tepat agar dapat terintegrasi secara efisien dengan jaringan host.

Metode Fabrikasi Fabrikasi Pencetakan Polimer dan Hollow Fiber

Electrospinning

 Beberapa metode fabrikasi berbasiskkan pencetakan polimer seringkali diaplikasikan untuk memproduksi scaffold rekayasa jaringan seperti liquid induced phase separation (LIPS, immersion precipitation), thermally induced phase separation (TIPS), dan evaporasi.  Pencetakan polimer dilakukan pada cetakan berpola mikro. Dalam kasus ini, karena pemadatan polimer di cetakan, inversi pola mikro tercetak pada lembaran polimer. Teknik ini disebut Phase Separation Micromolding (PSµM).  Selain pencetakan lembaran datar atau berpola mikro dari larutan polimer, proses pemisahan fasa dapat digunakan pula untuk memproduksi membran hollow fiber.  Kerugian utama pada teknik ini, adalah penggunaan pelarut organik yang dapat meninggalkan sisa setelah pemrosesan dan dapat membahayakan sel.

 Electrospinning (ESP) didasarkan pada pemberian muatan pada larutan polimer dan ejeksi melalui ujung kapiler atau jarum  Jet yang berasal dari jarum ditarik melalui kolektor karena medanlistrik dengan rentang 10 hingga 30 kV.  Penguapan pelarut dari jet setelah meninggalkan jarum berdampak pada deposisi serat di kolektor  Diameter dari serat berada pada rentang nanometer hingga mikron.  Keuntungan utama dari elektrospinning adalah fleksibilitas yang tinggi dan sifat mekanik yang baik dari scaffold yang didapat. Serat hasil electrospinning dapat disusun dan digunakan untuk induksi sel dan penyusunan jaringan.  Kerugian dari electrospinning adalah serat dapat rusak ketika fabrikasi, berdampak pada rendahnya kualitas scaffold.

Papenburg, 2009 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

53

Membran dalam Rekayasa Jaringan Metode Fabrikasi

Contoh dari scaffold hasil Electrospinning dari Polimer Polyethylene Oxide Terephthalate–polybutyl Terephthalate (PEOT–PBT)

Contoh dari lembaran Poly(l-lactic Acid) (PLLA) yang dibuat oleh PSµM.

Membran untuk Rekonstruksi Jaringan Saraf 



Selama beberapa tahun belakangan kelakuan sel saraf pada biomaterial seperti membran telah menjadi daya tarik besar, karena menawarkan keuntungan dari pengembangan jaringan neuron yang dapat digunakan sebagai simulasi in-vitro dari fungsi otak manusia. Kelaikan dari pengembangan sistem biohybrid membran sel hippocampal cell membrane dari regenerasi jaringan saraf dapat terbukti sebagai pendekatan penting untuk studi kelakuan dari populasi neuron dalam beberapa penyakit degeneratif saraf yang umum. Mikrograf dari neuron hippocampal pada membran FC setelah (a) 4 jam, (b) 4 hari (c) 16 hari dari kultur. Panah pada a) menunjukkan proses baru dari dari lingkar sel; panah di b) menunjukkan axon (hitam) dan dendrit (putih). a

b

c

Kompleksitas dari jaringan saraf meningkat seiring dengan waktu: dendrit baru dari sel tubuh menjadi sangat bercabang (c)

Mikrograf laser konfokal dari saraf hippocampal setelah 16 hari kultur pada membran FC termodifikasi. Selnya immunolabeled untuk bIII-tubulin (hijau) dan inti sel ditandai dengan DAPI (biru).

Morelli, dkk, 2010 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

54

Emulsifier Membran Pengantar 



 

Emulsi adalah dispersi koloid dari dua atau lebih fasa tak larut dimana dalam satu fasa (fasa terdispersi atau internal) didispersikan sebagai tetesan atau partikel ke dalam fasa lain (fasa kontinu atau internal). Emulsifikasi membran adalah teknologi yang tepat untuk produksi emulsi dan suspensi tunggal atau multipel, keuntungannya antara lain:  Kendali yang lebih baik dari distribusi ukuran tetesan  Konsumsi energi dan material yang rendah  Modular  Mudah untuk scale-up Aplikasi dari emulsifikasi membran seperti biomedicine, makanan, kosmetik, plastik, kimia, dan beberapa aplikasi ini sedang dikembangkan pada tingkat komersial. Emulsifikasi membran adalah teknologi baru dimana membran tidak digunakan sebagai pembatas selektif untuk memisahkan zat namun sebagai mikrostruktur untuk membentuk tetesan dengan dimensi teratur, dengan distribusi ukuran tetesan yang seragam atau terkendali.

Vladisavljevic dan Williams, 2005

Tipe Emulsifikasi Membran  Direct membrane emulsification  fasa terdispersi langsung diumpankan melalui pori membran untuk mendapatkan tetesan  Premix membrane emulsification  emulsi premiks kasar ditekan melalui pori membran untuk mengurangi dan mengendalikan ukuran tetesannya.  Emulsifikasi membran juga merupakan proses yang efisien, karena kebutuhan densitas energinya (umpan energi tiap meter kubik emulsi yang dihasilkan, pada rentang 104–106 Jm-3) rendah dibandingkan metode mekanik konvensional lainnya (106-108 Jm-3).


55

Emulsifier Membran Tahap Pasca Emulsifikasi untuk Produksi Makrokapsul Mikroenkapsulasi dapat dideskripsikan sebagai pembentukan partikel kecil yang terlapisi dan dimuati oleh dispersi padatan, cairan, dispersi padat-cair, gas, atau padat gas.

Alat Emulsifikasi Membran  



Vladisavljevic dan Williams, 2005

Emulsifikasi partaian cocok untuk investigasi skala laboratorium. Emulsifikasi membran crossflow digunakan ketika jumlah emulsi yang lebih banyak harus diproduksi. Kerugian dari emulsifikasi membran crossflow adalah fluks dispersi fasa yang relatif rendah (0.01– 0.1m3/m2 h). Lebih cocok dengan konten fasa terdispersi hingga 30%. Keuntungan dari emulsifikasi membran premix adalah fluks dispersi fasa yang lebih tinggi diatas 1m3/m2 jam.

Vladisavljevic dan Williams, 2005 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

56

Perkembangan Terkini dalam Membran Bipolar Kemajuan Membran Bipolar  Membran bioplar adalah tipe spesial dari membran penukar ion berlapis.  Membran bipolar terdiri dari dua lapisan polimer yang membawa muatan tetap, salah satu lapisan hanya dapat dilewati anion dan dan lapisan lainnya hanya dapat dilewati kation.

  

Pengembangan membran-kritikal Pengembangan efisiensi arus yang sama pentingnya Kekurangan data membran jangka panjang

EDBM sebagai satu langkah untuk solusi proses lengkap

Proses Membran Bipolar Terkemuka untuk Aliran Air Limbah yang Bersalinitas TInggi

 Air berpindah ke dalam BPM  Konvensional: dalam arah berlawanan dari perpindahan ion  ED Baru: ortogonal dengan fluks ion yang didorong oleh sisi suplai air bertekanan

Dihrab, 2009 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

57

Perkembangan Terkini dalam Membran Bipolar

Kemajuan Membran Bipolar Membran Bipolar yang Digabungkan dengan Reduksi ion Ferri sebagai Sistem Katoda Efisien dalam Fuel Cell Mikrobial (MFC) • Fuel cell mikrobial (MFC) adalah sebuah alat dimana mikroorganisme memproduksi listrik dari material biodegradabel • MFC dengan membran bipolar yang dikombinasikan dengan reduksi ion ferri pada katoda grafit memiliki efisiensi Coulomb dan recovery energi yang tinggi

Kemuajuan Kronopotensiometri untuk Karakterisasi Arus-Tegangan dari Membran Bipolar  Dibandingkan dengan spektroskopi impedansi, kronopotensiometri memiliki keuntungan bahwa parameter engineering seperti tahanan listrik langsung terakses.  Dibandingkan dengan kurva arustegangan kondisi tunak atau voltametri siklis (contoh, potentialsweep), kronopotensiometri memiliki keuntungan bahwa karakteristiknya dapat berkorelasi dengan kondisi aktual dari membran seperti kesetimbangan, penipisan fullion, atau kondisi perpindahan.

Dihrab, 2009


58

Sistem Membran Non-Modular Membran Ultrafiltrasi Kapiler Multi-lubang  Ultrafiltrasi telah mendapatkan popularitas di masa kini. Banyak apresiasi telah mendorong ultrafiltrasi sebagai salah satu pilihan terbaik dari produksi air minum berbiaya rendah. Tenaga operasi rendah dan operasi yang relatif bebas bahan kimia namun dapat menghilangkan turbiditas dan membasmi kuman pada air, pendukung ultrafiltrasi menyatakan bahwa ultrafiltrasi sangat unggul dibandingkan teknologi filtrasi dan pembasmi kuman konvensional.

Meningkatkan Stabilitas Mekanik: Bertujuan pada Membran Tahan Hancur  Membran UF paling banyak tersedia pada modul membran hollow fiber atau capillary fiber. Untuk kebutuhan akan kepercayaannya untuk aplikasi jangka panjang, disamping ketahanan kimia dan biologi, membran juga harus memiliki stabilitas mekanik yang tinggi. Satu kerusakan serat seperti karena water hammer, akan menyebabkan seluruh sistem kehilangan disinfeksi dan selektivitasnya – mengkontaminasi seluruh produk.  Konsensus yang banyak diakui terkait peningkatan stabilitas mekanik dari membran capillary fiber adalah inovasi formulasi membran untuk membuat membran dengan kekuatan tarik dan pemanjangan yang tinggi dengan menjaga atau bahkan meningkatkan selektivitas dan permeabilitas/fluks. Pencarian saintifik untuk formulasi super untuk fluks tinggi, selektivitas super, namun sangat kuat telah berjalan selama bertahuntahun.  Sementara super-formula belum didapat, GDP Filter mencoba perspektif lain untuk meningkatkan stabilitas mekanik. Terinspirasi dari moto “bersatu kita teguh, bercerai kita runtuh”, GDP Filter mulai memikirkan untuk mengkombinasikan beberapa serat kapiler ke dalam satu serat. Akhirnya, pada 2009, GDP Filter mamulai produksi membran ultrafiltrasi kapiler multi-lubang. Tipe yang pertama diproduksi adalah 7‐Bores Capillary dan setelah itu 19‐Bores Capillary.

Membran ultrafiltrasi 19 lubang memberikan densitas packing yang lebih tinggi dari ultrafiltrasi 7 lubang dengan kekuatan mekanik yang relatif serupa

Membran ultrafiltrasi 7 lubang telah banyak digunakan untuk menggantikan membran satu lubang pada aplikasi pengolahan air

Membran Kapiler Multi Lubang: Meningkatkan Kekuatan, Mempertahankan Selektivitas dan Hidrofilisitas  Konsekuensi menarik dari membran kapiler multi lubang adalah bahwa hal ini sukses mempertahankan selektivitas dan hidrofilisitas namun memiliki kekuatan yang lebih tinggi. Tahan-rusak kini merupakan mimpi yang tidak jauh lagi. Selanjutnya, membran multi lubang memiliki densitas packing yang lebih baik (luas area yang lebih tinggi pada volume yang sama), jika dibandingkan dengan membran kapiler satu lubang konvensional.  Tahan rusak, sangat hidrofilik, ditambah densitas packing yang lebih baik, GDP Filter sungguh percaya bahwa pabrik pengolahan air skala besar akan mendapat manfaat dari membran multi lubang ini  Simulasi CFD menunjukkan distribusi permeasi yang sama pada operasi multilubang pada konfigurasi inside-out maupun outside-in, seperti yang ditunjukkan gambar berikut.


59

Sistem Membran Non-Modular Ultrafiltrasi Non – Modular Modularitas: Pedang Bermata Ganda  Membran UF paling banyak tersedia pada modul membran hollow fiber atau capillary fiber. Untuk kebutuhan akan kepercayaannya untuk aplikasi jangka panjang, disamping ketahanan kimia dan biologi, membran juga harus memiliki stabilitas mekanik yang tinggi. Satu kerusakan serat seperti karena water hammer, akan menyebabkan seluruh sistem kehilangan disinfeksi dan selektivitasnya – mengkontaminasi seluruh produk.  Karena satu modul membran memberikan kapasitas tertentu – bergantung pada tipenya (dimensinya), kapasitas skala besar dapat dicapai dengan mengalikan jumlah modul yang bekerja pada konfigurasi paralel. Pada topik terkait modularitas, timbul perspektif tentang “pedang bermata ganda”. Walaupun hal ini memudahkan scale-up dan penggantian, hal ini tidak menarik secara ekonomi dan memiliki kompleksitas tinggi pada sistem instrumentasi dan perpipaan.

Pabrik Ultrafiltrasi Modular memerlukan Sistem Perpipaan Kompleks dan Membutuhkan Banyak Instrumen

Ultrafiltrasi Non-Modular: Sederhana dan Menarik  UF Non‐modular meningkatkan efisiensi biaya dan sangat menyederhanakan sistem perpipaan dan instrumentasi dari pabrik membran. Ditambah lagi, penghematan tempat merupakan kualitas inheren dari UF non-modular ini. Kualitas terakhir akan sangat berguna pada pengolahan air konvensional atau bahwa UF modular karena seringkali harus diintegrasikan pada bangunan yang telah ada. Untuk fasilitas pengolahan air baru, hal ini akan mengurangi ongkos gedung.  Karena sistem perpipaan yang sederhana, ongkos energi bagi operasi UF juga banyak terkurangi. Inovasi lebih lanjut dari GDP Filter adalah sistem backwash unik yang melibatkan satu pompa bagi operasi filtrasi maupun backwash. Alhasil, investasi pabrik akan jauh lebih atraktif secara ekonomi, efek dari reduksi biaya akan lebih nyata pada pabrik yang lebih besar.


60

Membran Biomimetric dan Bioinspired Biomimetics berfokus pada sains dasar dengan eksplorasi fundamendal dari prinsip sistem biologis, sedangkan bioinspiration berfokus pada aplikasi engineering dengan implementasi teknologi dari prinsip sistem biologis. Biomimetics dan bioinspiration, sebagai strategi komplemen dan tidak dapat dipertukarkan untuk inovasi dan pengembangan berkelanjutan dari teknologi membran, memiliki implikasi besar dalam eksplorasi material membran dan intesifikasi proses membran.

Ikhtisar dari membran biomimetic dan bioinspired yang dibuat dari imitasi material, struktur, formasi dan fungsi prototipe alami

Zhao, dkk, 2014

Secara ideal, membran biomimetic dan bioinspired harus memiliki fitur berikut: • Fabrikasi membran seringkali dilakukan melalui penyusunan mandiri pada kondisi lunak yang dekat dengan kondisi lingkungan, seperti tekanan atmosferik, temperatur ruang, dan lingkungan aqueous. • Material membran biasanya material umum dengan sifat hidrodinamik, mekanik, membasahi, dan perekat yang unggul, utamanya terdiri dari unsur yang terungan – dua baris pertama tabel periodik. • Struktur membran berada pada susunan hirarkial, mencakup dari skala molekular hingga skala nano, mikro, dan makro, serta konfigurasi yang dikendalikan oleh hubungan, permukaan yang tidak tetap dan antarmuka yang kuat. • Sifat membran seringkali sangat bergantung pada kandungan dan kondisi air di struktur, dan proses membran dapat diintensifikasi dengan secara rasional memanipulasi mekanisme selektivitas berlipat denganc jalan yang lancar.


61

Membran Zeolit

Zeolite-Coated Pd/SnO2 Sensors

Zeolite Coating for Catalytic Microreactor

Sensor Gas Berbasis Zeolit

Pina, dkk, 2011

Pada kebanyakan contoh, pelapisan katalitik pada mikroreaktor terdiri dari lapisan yang mengandung katalis di dinding reaktor. Namun untuk kasus dimana katalisnya disangga oleh zeolit atau zeolit itu sendiri, lapisan zeolit yang langsung tumbuh pada saluran mikroreaktor tampak sebagai kandidat indeal: cara ini menghasilkan lapisan katalitik yang sangat tersokong, tidak membutuhkan binder (berarti bahwa lapisannya 100% katalis) dan pengalaman yang cukup didapatkan dalam sintesis film zeolit memungkinkan untuk mengatur ketebalan film dan orientasi kristal

Dalam pandangan sifat pengakuan molekul yang mampu diberikan padatan nanopori, tidak mengagetkan bahwa mereka dapat digunakan sebagai penambah selektivitas pada peron sensitivitas tinggi yang ada. Zeolit adalah kandidat nyata bagi peran ini, karena struktur porinya yang jelas serta sifat adsorpsi dan kapasitas penukaran ion yang dapat disesuaikan. Pada sensor gas, beberapa aplikasi zeolit adalah: 1. Zeolit sebagai host untuk spesi aktif pada sensor optik 2. Selaput zeolit sebagai pembatas selektif untuk spesi penggangu 3. Zeolit sebagai konduktor ion dan katalis pada sensor gas kondisi padat 4. Zeolit pada sensor resonan


62

Reformasi Kukus Metanol untuk Pembuatan Hidrogen Untuk melangsungkan reaksi MSR, kebanyakan rancangan reaktor yang digunakan adalah rectilinear channels, pinhole, coil-based dan radial. Rancangan reaktor Coil-based memungkinkan konversi tinggi namun berakibat pada penalti turun tekan yang signifikan, yang dapat menjadi batasan untuk aplikasi padat. Di sisi lain, rancangan rectilinear channel menunjukkan turun tekan yang kecil namun konversi rendah karena distribusi massa yang tidak merata dan dipengaruhi oleh bilangan Reynolds. Namun, dengan mengatur lebar saluran atau dengan memberikan turun tekan pada jalan masuk saluran, distribusi seragam pada rancangan rectilinear channel bisa didapat, meningkatkan konversi metanol. Rancangan pinhole memiliki potensi besar bagi aplikasi inovatif; ia memberikan konversi metanol yang mirip dengan reaktor coil namun dengan turun tekan yang lebih rendah. Rancangan ini memperlihatkan distribusi massa yang bergantung pada bilangan Reynolds. Rancangan flow field harus menyediakan distribusi merata, tidak bergantung pada bilangan Reynolds, karena reaktor dioperasikan pada laju alir yang berbeda.

Methanol steam reforming untuk produksi hidrgen in situ bagi aplikasi fuel cell telah dikaji umumnya sebagai proses yang berdiri sendiri. Sistem reformer eksternal terdiri dari combustor dimana sejumlah fraksi bahan bakar dibakar dan menyediakan panas bagi tahap selanjutnya, vaporizer untuk memanaskan dan menguapkan bahan bakar, reformer untuk melangsungkan reaksi reforming dan konverter karbon monoksida ke karbon dioksida seperti reaktor preferential oxidation (PROX). Pemurnian hidrogen dapat dicapai dengan pressure swing adsorption (PSA) atau proses membran logam. Reforming internal melibatkan pertukaran panas dan massa antara MSR dan reaksi elektrokimia dan diklasifikasikan sebagai direct atau indirect, bergantung pada katalis MSR jika dimasukkan atau tidak pada kompartemen anoda. Fuel cells adalah alat eksotermik yang membuang sekitar 50% dari energi kimia yang diumpankan sebagai panas, sementara steam reformer adalah endotermik; internal reforming menargetkan untuk mengambil keuntungan dari pertukaran panas efisien antara kedua alat. Karena temperatur operasi yang tidak cocok ini, banyak orang memilih external reforming, namun bagi HT-PEMFC integrasi panas yang sinergis dapat dicapai jika meningkatkan temperatur operasi fuel cell atau menurunkan temperatur reforming

Iulianelli, dkk, 2014 Wenten, Institut Teknologi Bandung, 2014

63

Pelarut Non-Toxic untuk Preparasi Membran

Metil dan etil lactate, TEP, DMSO, γ-BL, dan ILs telah diusulkan di literatur sebagai kandidat menjanjikan untuk menggantikan pelarut tradisional seperti NMP, DMF dan DMA yang banyak digunakan untuk preparasi membran via NIPS . TEP, DMSO, ATBC, TBC, TEC, triacetin, γ-BL, PC, DOS, PEG, TEG, 2-methyl-2,4-pentanediol, dan 2-ethyl1,3-hexanediol telah diusulkan di literatur sebagai kandidat menjanjikan untuk menggantikan pelarut tradisional seperti phthalates, difenil ether, dan metil salisilat untuk preparasi membran via TIPS.

ScCO2 dipercaya sebagai “green solvent” karena sifatnya yang unik: non-flammable, relatif non-toxic, dan cukup inert. Keuntungan lain dari penggunaan ScCO2 adalah harganya dan keberlanjutannya. Ditambah lagi, temperatur kritik dari CO2 hanya 31 °C, sehingga rejim superkritik mudah dicapai.

Figoli, dkk, 2014


64

1. Achilli, A., Cath, T.Y., Marchand, E.A. & Childress, A.E. (2009) The forward osmosis membrane bioreactor: A low fouling alternative to MBR processes. Desalination. 239(1–3), 10-21. 2. Baker, R.W. (2005) Membrane Technology and Applications. 2nd Edition edn. John Wiley & Sons, Ltd. 3. Bartels, C.R., Rybar, S., Andes, K. & Franks, R. Optimized Removal of Boron and Other Specific Contaminants by SWRO Membranes. IDA World Congress-Dubai UAE, Dubai, 2009. 4. Basri, S., et al., Nanocatalyst for direct methanol fuel cell (DMFC). International Journal of Hydrogen Energy, 2010. 35(15): p. 7957-7970. 5. Benga, G. (2009) Water Channel Proteins (Later Called Aquaporins) and Relatives: Past, Present, and Future. Life. 61(2), 112-133. 6. Brady, P.V., Kottenstette, R.J., Mayer, T.M. & Hightower, M.M. (2005) Inland Desalination: Challenges And Research Needs. Journal Of Contemporary Water Research & Education(132), 46-51. 7. Brunetti, A. (2010) Integrated membrane plant for pure hydrogen production for PEMFC. Institute of Membrane Technology, ITM-CNR. 8. Cath, T.Y., A.E. Childress, and M. Elimelech, Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments. Journal of Membrane Science, 2006. 281(1–2): p. 70-87. 9. Cath, T.Y., Childress, A.E. & Elimelech, M. (2006) Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments. Journal of Membrane Science. 281(1–2), 70-87. 10. Curcio, E., Profio, G.D. & Drioli, E. (2006) Membrane Conttactors: Fundamentals, Applications, and Potentialities. Journal of Membrane Science and Technology. 11. Di Profio, G., E. Curcio, and E. Drioli, Membrane Crystallization Technology, in Comprehensive Membrane Science and Engineering, E. Drioli and L. Giorno, Editors. 2010, Elsevier: Oxford. 12. Di Profio, G., Tucci, S., Curcio, E. & Drioli, E. (2007) Selective Glycine Polymorph Crystallization by Using Microporous Membranes. Crystal Growth & Design. 7(3), 526-530. 13. Dihrab, S.S., Sopian, K., Alghoul, M.A. & Sulaiman, M.Y. (2009) Review of the membrane and bipolar plates materials for conventional and unitized regenerative fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 13(6–7), 1663-1668 14. Drioli, E. Integrated Membrane Systems. In: Mediterranean School on Nano-Physics, Marrakech - MOROCCO 2010. The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics. 15. DRIOLI, E., CURCIO, E., PROFIO, G.D., MACEDONIO, F. & CRISCUOLI, A. (2006) INTEGRATING MEMBRANE CONTACTORS TECHNOLOGY AND PRESSURE-DRIVEN MEMBRANE OPERATIONS FOR SEAWATER DESALINATION Energy, Exergy and Costs Analysis. Chemical Engineering Research and Design. 84(A3), 209-220. 16. Figoli, A., Marino, T., Simone, S., Nicolò, E.D., Li, X.-M., He, T., Tornaghi, S. & Drioli, E. (2014) Towards non-toxic solvents for membrane preparation: a review. Green Chem. 16, 4034. 17. Foy, K. (2007) Investigation into the possible use of an oxygen ion transport membrane combustion unit in an oxyfired power plant. School of Mechanical and Transport Engineering, Dublin Institute of Technology Dublin. 18. Gianluca, D.P. & Efrem, C. (2009) A Review on membrane crystallization. Chimica oggi Y. 27(2), 27-31. 19. Golemme, G., Drioli, E. & Lufrano, F. (1994) Gas Transport Properties of High Performance Polymers. Polymer Science Series A. 36, 1647-1652. 20. H. Koseoglu, N. Kabay, M. Yüksel, S. Sarp, Ö. Arar, M. Kitis. Boron removal from seawater using high rejection SWRO membranes — impact of pH, feed concentration, pressure, and cross-flow velocity. Desalination 227 (2008) 253–263. 21. Hinds, B.J.d. (2004) Aligned multiwalled carbon nanotube membranes. Science. 303, 62-65. 22. http://physics.nist.gov/MajResFac/NIF/pemFuelCells.html 23. Iulianelli, A., Ribeirinha, P., Mendes, A. & Basile, A. (2014) Methanol steam reforming for hydrogen generation via conventional and membrane reactors: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 29, 355-368.


65

24. KOCH (2004) MegaMagnum® RO Element. In: Systems KM (ed) http://saltcreektech.com/images/Sales__MegaMag_RO_Element_Brochure.pdf. p^pp. KOCH Membrane Systems. 25. Lyon & Delina (2008) Assessing the antibiofouling potential of a fullerene-coated surface. International Biodeterioration & Biodegradation journal. 26. Macedonio, F., Curcio, E. & Drioli, E. (2007) Integrated membrane systems for seawater desalination: energetic and exergetic analysis, economic evaluation, experimental study. Desalination. 203(207), 260-276. 27. Mhaske S.T & Kadam, P.G. (2010) Membranes in artificial Liver and Pancreas. INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH. 1(3). 28. Morelli, S., Salerno, S., Piscioneri, A., Rende, M., Campana, C. & De Bartolo, L. (2010) 3.10 - Membrane Approaches for Liver and Neuronal Tissue Engineering. In: Drioli E & Giorno L (eds) Comprehensive Membrane Science and Engineering. p^pp 229-252. Elsevier, Oxford 29. Mujiburohman, M. (2008) Studies on Pervaporation for Aroma Compound Recovery from Aqueous Solutions Chemical Engineering University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada. 30. Nechifor, G., Voicu, S.I., Nechifor, A.C. & Garea, S. (2009) Nanostructured hybrid membrane polysulfone-carbon nanotubes for hemodialysis. Desalination. 241, 342-348. 31. Nissim Nadav, Menachem Priel, Pinhas Glueckstern. Boron Removal from The Permeate of a Large SWRO Plant in Eilat. Desalination 185 (2005) 121 -129/ 32. Papenburg, B. (2009) Design Strategies for Tissue Engineering Scaffolds. Institute for Biomedical Technology, University of Twente, Netherland. 33. Pereira, C.C., et al., Pervaporative recovery of volatile aroma compounds from fruit juices. Journal of Membrane Science, 2006. 274(1–2): p. 1-23. 34. Phattaranawik, J., Fane, A.G., Pasquier, A.C.S. & Bing, W. (2008) A novel membrane bioreactor based on membrane distillation. Desalination. 223, 386-395. 35. Pina, M.P., Mallada, R., Arruebo, M., Urbiztondo, M., Navascués, N., de la Iglesia, O. & Santamaria, J. (2011) Zeolite films and membranes. Emerging applications. Microporous and Mesoporous Materials. 144(1–3), 19-27. 36. Rios, G.M., Belleville, M.P., Paolucci, D. & Sanchez, J. (2004) Progress in enzymatic membrane reactors – a review. Journal of Membrane Science. 242(1–2), 189-196. 37. Saha, N.K. and S.V. Joshi, Performance evaluation of thin film composite polyamide nanofiltration membrane with variation in monomer type. Journal of Membrane Science, 2009. 342(1–2): p. 60-69. 38. Soni, V. (2008) Simultaneous model-based design of process and assisting structured materials. Department of Chemical Engineering, Technical University of Denmark, Denmark. 39. Stover, R.L. (2007) Seawater reverse osmosis with isobaric energy recovery devices. Desalination. 203(1), 168175. 40. Vadgama, P. (1990) Membrane Based Sensor: A Review. Journal of Membrane Science. 50, 141-152. 41. Vladisavljevic, G.T. & Williams, R. A., 2005. Recent developments in manufacturing emultions and particulate products using membrane. Advances in Colloid and Interface Science, 133 (1), pp.1-20 42. Zainoodin, A.M., Kamarudin, S.K. & Daud, W.R.W. (2010) Electrode in direct methanol fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 35(10), 4606-4621 43. Zainoodin, A.M., S.K. Kamarudin, and W.R.W. Daud, Electrode in direct methanol fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy, 2010. 35(10): p. 4606-4621. 44. Zhao, J., Zhao, X., Jiang, Z., Li, Z., Fan, X., Zhu, J., Wu, H., Su, Y., Yang, D., Pan, F. & Shi, J. (2014) Biomimetic and bioinspired membranes: Preparation and application. Progress in Polymer Science. 39(9), 1668-1720.


66

PERKEMBANGAN TERKINI DI BIDANG TEKNOLOGI MEMBRAN

Recommend Documents