Proses-proses Berbasis Membran Penukar Ion dalam Industri Kimia

Proses-proses Berbasis Membran Penukar Ion dalam Industri Kimia Ivan Wijaya Husada Teknik Kimia, ITB, Jl. Ganesha No. 10, Bandung, Indonesia [email protected]

Abstrak Perkembangan industri yang diinisiasi pada abad ke 18 akhir merupakan salah satu peristiwa paling berpengaruh bagi peradaban umat manusia. Perkembangan industri ini mengkataliskan adanya era baru dimana produksi bahan-bahan dapat dilakukan secara massal. Produksi ini tidaklah terlepas dari industri kimia yang memproduksi bahan-bahan prekursor untuk diolah lebih lanjut. Dimulai dari era distilasi yang sampai sekarang masih tetap digunakan pada sebagian besar industri kimia, teknologi membran merupakan salah satu teknologi yang viable untuk diaplikasikan untuk menjawab kebutuhan teknologi baru yang handal untuk proses pemisahan dan aplikasi lainnya. Salah satu membran yang dapat digunakan adalah membran penukar ion (ion exchange membrane). Penerapan dari membran penukar ion meliputi sintesis electrochemical, konversi dan penyimpanan energi, deionisasi larutan, desalinasi air laut, elektrodialisis,dan sintesis klorin. Sejatinya, pengaplikasian membran penukar ion dapat dikelompokkan kedalam dua kelompok. Yaitu, yang proses pengaplikasiannnya sudah berkembang dan umum digunakan, dan yang masih dalam tahap awal pengembangan. Pada publikasi tulisan ini, akan dijelaskan mengenai proses dari membran penukar ion, aplikasinya dalam proses industrial-komersil, produk-produk terkini dari membran penukar ion, serta potensi kedepan dari membran penukar ion. penelitian lebih lanjut tetap dibutuhkan untuk pengaplikasian membran penukar ion agar dapat digunakan secara lebih umum. Kata Kunci : tugas, membran penukar ion, penerapan membran penukar ion, proses industri kimia 1.

Pendahuluan

Abad ini, membran penukar ion bukanlah hal yang asing untuk ditemukan pada hampir setiap industri proses berskala besar. Dari proses elektrodialisis, difusi dialisis, elektrodialisis membran, pengolahan air, sampai elektrodeionisasi [1] . Belakangan ini, minat akan pengembangan aplikasi-aplikasi lain pada memberan penukar ion seperti disosiasi air secara elektrodialitik dengan memberan bipolar atau deionisasi kapasitif berkembang pesat [2]. Bukti dari perkembangan pesat ini terlebih pada pengembangan aplikasi memberan penukar ion untuk konversi energi dan sistem penyimpan energi seperti fuel cell [3]. Potensi besar ini menunjukkan, bahwa membran penukar ion kedepannya dapat memainkan peran yang penting terhadap pembangkitan green energy, sustainable zero emission energy, recovery asam-basa dari limbah suatu industri, dan lain-lain. 2.

Definisi, Struktur, dan Metode Preparasi Membran Penukar Ion Membran penukar ion adalah salah satu jenis membran yang termasuk dalam golongan yang driving forcenya adalah beda potensial listrik. Pemindahan ion dari membran penukar ion terjadi karena permselektivitas dari membran penukar ion, beda potensial listrik dan kimia [4]. Membran penukar ion, merupakan key tool dalam proses pemisahan dan proses konversi energi [5]. Membran ini terbuat dari material polimer yang tergabung dengan ionion bermuatan. Pengklasifikasikan membran penukar ion dapat melalui fungsinya sebagai media separasi atau

menurut bahan dan strukturnya. Membran penukar ion dapat dikelompokkan dalam 3 kelompok yaitu :  Membran penukar kation [6] (selektif dengan ion bermuatan negatif)  Membran penukar anion [6] (selektif terhadap ion bermuatan positif)  Membran bipolar (mengandung kedua jenis membran diatas) Disamping ketiga kategori diatas, membran penukar ion juga dapat digolongkan berdasarkan kekuatan drajat disosiasi dari gugus bermuatan (fixed ions) dari membran tersebut menjadi membran asam kuat, membran asam lemah, membran basa kuat dan membran basa lemah [4]. Membran penukar ion diharapkan memiliki permselektivitas yang tinggi (permeabel untuk counterions, tetapi impermeabel untuk co-ions), memiliki resistansi elektrik yang rendah, berstruktur mekanis yang kuat, derajat perubahan bentuk yang rendah, stabil secara kimia dan bentuk. Sifat-sifat dari membran penukar ion ditentukan berdasarkan meterial pembentuknya, tipe dan konsentrasi dari fixed ions. Kebanyakan, membran penukar ion yang diperuntukkan untuk keperluan komersil berbasiskan hidrokarbon atau polimer hidrokarbon yang difluorinasi [7]. Ion-ion yang sering digunakan sebagai muatan tetap didalam membran penukar ion adalah –SO3- dan –COOuntuk membran penukar kation. Untuk membran penukar anion, digunakan -N+HR2 dan –N+R3.

2.1.

Metode Preparasi Membran Penukar Ion

Seperti yang telah diketahui, bahwa membran penukar ion memiliki struktur yang identik dengan resin penukar ion. Akan tetapi, karena struktur dan kekuatan resin penukar ion, pembuatan membran penukar ion dari resin penukar ion harus ditreat terlebih dahulu agar resin penukar ion dapat diproduksi secara lembaran atau dengan bentuk lain [8,9]. Secara umum, preparasi dari membran penukar ion bergantung terhadap jenis membran penukar ion yang akan dibuat dan metode preparasinya dapat diketahui dari literatur-literatur. Sebagai contoh, Naragale [10] membagi metode preparasi menjadi lima bagian, yaitu untuk preparasi membran penukar ion homogen, membran penukar ion heterogen, preparasi interpenetrating network (IPN) polymer ion-exchange membranes, preparasi membran bipolar, dan preparasi dengan metode grafting. Metode preparasi membran penukar ion homogen juga dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori yaitu dengan cara polimerisasi monomer, penambahan moiety pada kation atau anion dalam film padatan, dan penambahan moiety pada kation atau anion dalam polimer [4]. Sementara itu, preparasi membran penukar ion heterogen adalah dengan cara menambahkan powder resin penukar ion dengan polimer perekat. Contoh dari preparasi ini adalah pencampuran polivinilklorida atau polietilen kemudian mengextrude campuran film pada temperatur dekat titik leleh dari polimer [5].

Resin Penukar Ion

Gambar 2. Struktur membran heterogen. Gambar diadaptasi dari [5] Pada pembuatan membran heterogen, rasio volume resin terhadap matriks dijaga sebesar 0,6 sampai 0,7 untuk mendapatkan membran yang memiliki resistansi relatif rendah [5]. Bila rasio volume resin penukar ion terhadap polimer terlalu rendah, membran memang yang didapat memang akan berstruktur kuat, tetapi resistansinya akan sangat tinggi dan menyebabkan proses akan lebih mahal dan tidak ekonomis. Tetapi, bila rasionya terlalu tinggi, membran penukar ion akan memiliki resistansi yang rendah, tetapi struktur dari membran itu sendiri akan sangat lemah dan rentan terhadap kerusakan. Terlebih, air yang masuk dalam larutan elektrolit akan menyebabkan struktur dari membran dan penyangga ikut berubah dan menyebabkan kerusakan modular. Secara umum, resistansi pada membran heterogen akan lebih tinggi dibandingkan dengan membran homogen, tetapi, permselektivitas pada membran heterogen akan lebih rendah dibandingkan terhadap membran homogen. 3.

Gambar 1. Struktur membran homogen dari membran penukar ion. Gambar diadaptasi dari [5] Struktur homogen seperti yang ditunjukkan gambar 1 diatas menunjukkan bahwa matriks polimer memiliki ionion negatif tetap dan counterion yang bebas bergerak melalui membran. Struktur ini dapat mengandung co-ion secara terbatas yang seharusnya berjumlah kecil untuk menaikkan permselektivitas dari membran. Pada gambar 2,yaitu struktur heterogen, membran penukar kation dikelilingi oleh matriks polimer hidrophobik yang terkoneksi satu dengan lainnya. Matriks dapat dikatakan impermeabel untuk ion, yang hanya dapat dilewati pada tempat kontak antar matriks. Struktur heterogen ini menunjukkan bahwa jalur melewati membran makin jauh dan mengindikasikan resistansi membran yang besar.

Proses Berbasis Membran Penukar Ion

Proses-proses berbasiskan membran penukar ion serperti elektrolisis (ED), dan elektrodialisisi merupakan “ibu kandung”, “ujung tombak” dan “seni” dari membran penukar ion. Proses ini memiliki pengaruh yang besar bukan hanya terhadap perkembangan teknologi dari membran penukar ion, tetpi juga memiliki potensi komersil yang luar biasa besar [1]. Proses-proses lain berbasiskan membran penukar ion seperti elektrodialisis dengan membran bipolar dan elektrodeionisasi juga merupakan aplikasi proses membran penukar ion yang sukses dikomersilkan dalam beberapa dekade belakangan ini [11]. Proses-proses lain seperti reverse elecctrodialysis juga memiliki potensi komersil yang besar, tetapi pengembangan lebih lanjut akan teknologi ini masih diperlukan untuk menyempurnakan proses dan penerapannya. Berikut adalah tabel dari aplikasi-aplikasi membran penukar ion yang digolongkan kedalam tiga golongan :

Tabel 1. Proses yang menggunakan membran penukar ion dan aplikasinya. Tabel diadaptasi dari [5].

Golongan

Nama Proses

Proses yang sudah berkembang dan umum digunakan

Elektrodialisis Elektolisis Dialisis dengan metode difusi

Proses yang cukup umum digunakan dan masih tergolong “baru”

Membran elektrodialisis bipolar Elektrodeionisasi secara continious Konversi energi kimia-listrik Reverse electrodialysis Capacitive deionization Penyimpanan energi dengan cara elektrodialitik

Proses yang memerlukan pengembang an lebih lanjut

Aplikasi dari Proses Desalinasi air [12] Pemekatan garam Produksi klorinakalin Recovery asambasa dari air buangan Produksi asam dan basa spesifik Pemrosesan air dan penjernihan air Pembuatan fuel cells Pembangkitan energi secara elektrodialitik Water softening Desalinasi air Pemekatan aliran baterai

Pada elektrodialisis, polarisasi konsentrasi adalah akibat dari perbedaan bilangan transport dari ion diantara larutan dan membran. Bilangan transpor dari counterion pada membran penukar ion biasanya mendekati 1 dan co-ion mendekati nol sementara pada larutan, bilangan transpor dari anion dan kation tidak jauh berbeda. Hal ini menyebabkan profil konsentrasi pada kedua sisi membran penukar kation seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3. Pada sisi dati anion, konsentrasi ion berkurang karena kation ditarik melalui membran menuju katoda dengan bilangan transpor yang lebih tinggi daripada larutan, sementara anion ditarik menuju anoda dengan sedikit anion yang melalui membran penukar kation. Pada gambar 3 a, dapat dilihat arah dari flux Ji da profil konsentrasi pada kedua sisi dari membran penukar kation.

3.1. Proses membran yang umum digunakan dan aplikasiaplikasinya Pada abad ini, salah satu proses membran penukar ion yang paling sering digunakan adalah elektrodialisis (ED). Peran elektrodialisis sangat sudah sangat pesat berkembang dan digunakan pada berbagai industri. Sebut saja desalinasi air, proses deionisasi baik untuk industri pangan maupun kimia, elektrodialisis mengambil andil yang besar pada produksi-produksi tersebut [13]. Prosesproses lain seperti elektrolisis dan dialisis juga kerap kali digunakan dalam industri-industri besar lainnya, walaupun tidak sebesar elektrodialisis impact komersilnya. 3.2. Elektrodialisis Perinsip dasar dari elektrodialisis adalah pemasangan membran penukaran anion-kation. Membran penukar kation dan anion dipasang secara bergantian sehingga membentuk ruangan-ruangan atau sel untuk larutan yang akan dilewatkan. Ketika ED diberi perbedaan potensial listrik diantara elektroda telah terjadi, kation akan bermigrasi menuju katoda. Kation-kation tersebut akan melewati membran penukar kation tetapi akan ditahan oleh membran penukar anion. Hal ini berlaku secara vice versa untuk anion, yang akan bermigrasi melewati anoda tapi tertahan setelah melewati membran penukar anion karena tertolak pada membran penukar kation. Untuk kebutuhan industri, biasanya dibutuhkan 100-400 pasang sel diantara tiap elektrodanya.sel disusun sedemikian rupa sehingga membentuk tumpukan-tumpukan berjenis tertentu dengan desain yang bertujuan untuk meningkatkan keefisienan dari sel-sel tersebut [14].

Gambar 3. Ilustrasi dari profil konsentrasi garam dari membran penukar kation (a) dan fungsi aliran sebagai fungsi dari arus (b). Gambar diadaptasi dari [5]. Akumulasi dari ion-ion pada sisi yang terkonsentrasi pada membran dapat menyebabkan pengendapan dari garam ketika konsentrasi melebihi batas kelarutan pada elektrolit. Pada sel cair (encer), konsentrasiakan berkurang sesuai dengan gambar 3a. Gambar 3b menunjukkan bahwa densitas arus merupakan fungsi dari voltase yang dimasukkan pada stack elektrolisis. Kurfa menunjukkan tiga wilayah yaitu wilayah 1, yang menunjukkan kenaikan densitas arus yang hampir linier pada arus yang dimasukkan. Pada wilayah 2, penambahan arus pada sistem hanya mengakibatkan sedikit kenaikan pada arus dan pada wilayah 3, penambahan voltase akan meningkatkan densitas arus lagi secara signifikan seperti yang dapat dilihat pada wilayah 3 karena pada daerah tersebut, air telah berdisosiasi dan akan etrdapat

elektrokonveksi pada membran [15]. Pada pengaplikasian secara nyata, batas pada densitas arus tidak dianjurkan untuk dilewati, karena disosiasi air tidak akan meningkatkan separasi ion, tetapi hanya mengakibatkan penurunan pH (pengasaman) pada larutan. Pada konsentrasi garam yang rendah, area membran pendukungnya haruslah besar pada proses desalinasi [16]. Proses elektrodialisis dapat berkurang efisiensinya karena adanya fouling pada membran. Fouling terjadi karena adanya padatan suspensi yang memiliki muatan baik itu positif maupun negatif. Contoh dari padatan suspensi meliputi surfaktan, asam humat, polielektrolit, dan material-material biologis. Komponen-komponen ini akan mengumpul pada permukaan membran dan akan mengakibatkan resistansi membran meingkat. Biasanya, untuk mengatasi masalah-masalah diatas, polaritas pada membran dibalik sehingga padatan suspensi yang bermuatan itu dapat dibuang. Proses tersebut kerap kali disebut dengan teknik “Clean in Place” [17]. Gambar 4 mengilustrasikan proses tersebut.

Gambar 4. Ilustrasi pembuangan deposit bermuatan negatif dari membran penukar anion dengan metode clean in place. Gambar diadaptasi dari [5] Biaya total dari proses elektrodialisis adalah jumlah dari fixed costs yang berhubungan dengan pembelian plant elektrodialisis dan pengoprasian plant tersebut.biaya pada proses elektrodialisis kebanyakan berasal dari banyaknya luas area membran yang dibutuhkan untuk jumlah feed dan konsentrasi produk yang dikehendaki. Semakin pekat konsentrasi produk yang diinginkan dan bila semakin besar kapasitas dari plant, maka biaya akan semakin besar. biaya operasional dari plant bergantung pada besarnya kapasitas dari plant tersebut. Semakin banyak prosesproses yang membutuhkan energi seperti pemompaan, kontrol dan pemonitoran pada proses dan produk, maka biaya operasional akan makin besar. Total area membran yang dibutuhkan untuk produksi dapat dihitung sebagai fungsi dari densitas arus, feed, dan konsentrasi produk 𝐴=

𝑑 𝐹𝑄𝑠𝑡 (𝐶 𝑓 − 𝐶 𝑑 ) 𝑖

i merupakan densitas arus listrik yang dibutuhkan, Q merupakan laju alir volum, Cf merupakan konsentrasi feed, dan Cd merupakan konsentrasi larutan setelah melewati

membran, sementara itu  merupakan efisiensi arus listrik. Total dari biaya investasi bukan hanya harus dihitung dari biaya operasi dan biaya awal membran, tetapi juga harus dihitung biaya penggunaan air selama 5-8 tahun. Biaya operasional pada plant akan dipengaruhi oleh biaya perawatan, biaya energi yang dikeluarkan untuk pengoperasian plant, dan biaya untuk pembayaran tenaga kerja. Gambar 5 berikut menunjukkan diagram berbagai faktor yang berkontribusi dalam biaya plant.

densitas arus Gambar 5. Garis berwarna kuning meunjukkan kenaikan biaya energi. Garis berwarna hijau menunjukkan biaya membran, dan garis berwarna merah menunjukkan biaya total. Terdapat beberapa kelebihan dan kelemahan dari elektrodialisis. Keunggulan utama dari elektrodialisis adalah proses ini tangguh dan sudah teruji selama lebih dari 50 tahun. Proses ini mudah diaplikasikan untuk proses desalinasi air dan tidak memerlukan pre-treatment yang banyak seperti yang diperlukan dalam proses reverse osmosis (RO), umur yang panjang dari membran penukar ion juga merupakan keunggulan dari elektrodialisis walaupun feed memiliki kandungan yang buruk dan umumnya dapat merusak pada proses RO. Tetapi, bila dibandingkan dengan RO, elektrodialisis memiliki beberapa kelemahan yaitu komponen-komponen tak bermuatan tidak akan dieliminasi. Jadi, mikroorganisme, atau virus tidak dapat dieliminasi oleh membran penukar ion. Kelemahan lain dari elektrodialisis adalah kebutuhan energinya bergantung pada jumlah ion yang harus dipisahkan. Sehingga, bila konsentrasi ion yang harus dipisah tinggi, maka biaya operasional dari membran penukar ion adalah tinggi. Biaya investasi juga akan membengkak bila produk yang diinginkan harus memiliki konsentrasi ion atau garam yang rendah. 3.2.1. Difusi Dialisis Umumnya, aplikasi dan kegunaan difusi dialisis pada membran penukar ion adalah untuk recover asam atau basa dari campuran yang mengandung garam [18]. Proses ini didasarkan pada sifat dari membran penukar ion yang memiliki permeabilitas tinggi pada counterion sementara itu lebih tidak permeabel bagi co-ion. Sebagai contoh, digunakan membran penukar anion, dimana larutan mengandung asam dan garam dialirkan pada salah satu sisi membran dan air pada sisi lainnya untuk recovery asam. Mekanisme transpor pada difusi dialisis lebih kompleks dibandingkan dengan dialisis konvensional karena karena adanya interaksi elektrostatik diantara muatan positif dan negatif. Sementara itu, proses dan peralatan pada difusi

dialisis ini hampir identik bila dibandingkan terhadap dialisis konvensional. pada proses difusi dialisis ini, driving force dari transportasi ion melalui membran penukar ion adalah gradien dari potensial kimianya saja. Sehingga, tidaklah dibutuhkan potensial elektrik seperti yang dibutuhkan pada elektrodialisis. Proses umum pada difusi dialisis ini dapat dilihat dari ilustrasi yang terdapat pada gambar 6.

NaCl 25%-berat, dan kompartemen lainnya mengandung NaOH encer.

Gambar 7. Ilustrasi dari produksi elektrolitik dari klorin dan NaOH. Gambar diadopsi dari [5] Gambar 6. Ilustrasi perinsip kerja dari difusi dialisis. Gambar diadaptasi dari [5]. Gambar 6 diatas menunjukkan proses difusi dialisis untuk recovery HCl dari campuran garam. Ilustrasi diatas menunjukkan membran penukar anion membentuk sel untuk mengalter larutan feed yaitu larutan HCl/FeCl2. Karena membran penukar anion dapat dilewati oleh ionion H+,Cl-, dan permeat H+, sementara itu, ion besi tidak dapat melewati membran tersebut. Transfer massa pada proses difusi dialisis ditentukan oleh transportasi ion dan fluks air secara osmotik yang melewati membran.pada kenyataannya, fluks osmotik dari air memainkan peran yang cukup signifikan karena mempengaruhi beda konsentrasi antara dua larutan.untuk proses recovery yang biasanya diaplikasikan untuk proses industri, volume dari stripping solution berkurang sampai dengan 20%. Akan tetapi, untuk proses difusi dialisis ini belum diaplikasikan untuk industri yang berskala komersil. Hal ini disebabkan karena tingginya biaya dan stabilitas kimia membran yang kurang baik sehingga mempengaruhi efisiensi dari proses. 3.2.2. Sintesis Elektrokimia dengan Membran Penukar Ion Pada proses sintesis elektrokimia, seperti yang terjadi pada pembuatan soda kaustik, produksi klorin secara elektrolitik, produksi hidrogen dan oksigen, membran penukar ion memegang andil yang cukup besar. proses ini kerap kali digunakan karena tidak menghasilkan produk samping yang berbahaya, hemat energi, dan ramah lingkungan [19]. Proses sintesis elektrokimia dapat dideskripsikan oleh gambar 7, dimana ditunjukkannya sel elektrolitik yang dipisahkan oleh membran penukar kation. Kompartemen tempat anoda mengandung larutan

Ketika terdapat beda potensial elektrik antara elektroda, ion klorin pada kompartemen anoda akan bermigrasi meuju anoda dimana ion tersebut akan dioksidasi dan membentuk gas klorin. Sementara itu, ion natrium dari larutan garamakan bermigrasi melalui membran penukar kation menuju katoda dimana ion tersebut akan direduksi menjadi logam natrium. Pada proses ini, digunakan membran yang terperfluorinasi dan memiliki stabilitas kimia dan performansi yang tinggi. Disamping proses diatas, penerapan dari sintesis elektrokimia dengan penggunaan membran penukar ion dapat diaplikasikan juga untuk produksi klorin-alkalin, dan hidrogen-oksigen. 3.3.

Proses dengan Membran Penukar Ion yang Potensial Komersilnya dapat Meningkat

Dekade ini, perkembangan aplikasi dari membran penukar ion kian bertambah. Kini, membran penukar ion tidak lagi hanya digunakan untuk desalinasi air, tetapi dapat diaplikasikan untuk elektrodialisis dengan membran bipolar, dan deionisasi dan tidak berhenti disitu, membran penukar ion juga dapat digunakan untuk sintesis elektrokimia. 3.4.

Elektrodialisis dengan Membran Bipolar

Pada elektrodialisis yang dilakukan secara konvensional, apabila dikombinasikan dengan membran bipolar, proses ini dapat menghasilkan asam dan basa spesifik dari larutan garam [20]. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, membran bipolar adalah membran penukar kation dan membran penukar anion yang dipasang secara bersamaan seperti yang dapat dilihat pada gambar berikut. Pada unit stack elektrodialisis, stack terdiri dari tiga sel, yaitu dua sel yang merupakan membran monopolar dan 1 sel yang merupakan membran bipolar. Diantara kedua elektroda pada sistim, biasanya hanya dipasang 50-100

unit sel yang diulang (1 unit sel terdiri dari 2 sel monopolar membran dan 1 sel adalah bipolar membran). Hal ini terjadi karena penurunan voltase pada proses ini besar. Untuk kebutuhan industri, penggunaan elektrodialisis dengan membran bipolar untuk produksi asam dan basa dari garam-garam spesifik memiliki potensi ekonomi yang tinggi dan memiliki nilai ekonomi yang tinggi [21]. Pada membran bipolar, membran penukar anion dan membran penukar anion biasanya memiliki ketebalan transisi katalitik sepanjang 4-5 nm. Air akan terdifusi melalui kedua sisi dari membran dan akan bermigrasi meuju layer transisi, dimana air akan terdisosiasi menjadi ion-ionnya. Ion H+ akan bermigrasi menuju katoda dan ion OHmenuju anoda. Terdapat beberapa kelemahan dalam membran bipolar. Walaupun membran bipolar dapat diaplikasikan untuk produksi berbagai macam produk seperti proses lanjut kimia, pemisahan asam-basa, wastewater treatment, dan food processing, tetapi membran bipolar memiliki sifat yang lebih tidak stabil, dan selektrif terhadap kondisi pH, permselektivitas yang rendah, dan umur pakai yang pendek. Hal inilah yang menyebabkan membran bipolar hanya cocok untuk industri berskala kecil-menengah dan aplikasinya terbatas untuk kegunaan lab pilot. 3.4.1. Elektrodeionisasi Elektrodeionisasi (ED) merupakan salah satu proses yang sejatinya hampir sama dengan proses elektrodialisis konvensional. Tetapi, perbedaannya adalah sel diisi dengan resin penukar ion. Hal ini menyebabkan konduktivitas larutan diluat yang makin tinggi sehingga produk terdeionisasi akan berkualitas tinggi. Dalam proses kerjanya, elektrodeionisasi memiliki dua tahapan, yaitu pengikatan ion-ion umpan oleh resin penukar ion, dan pada tahap kedua, migrasinya ion-ion karena dorongan arus listrik [10, 22]. Skema dari EDI dapat dilihat pada gambar 8

ion yang diisikan melenyapkan baik kation maupun anion dari feed yang dilewatkan melalui membran dan proses ini. EDI memiliki beberapa keunggulan salah satunya dapat menghilangkan ion-ion lemah seperti amonia, boron, dan silika. Contohnya, pada pembuatan semikonduktor, silika memiliki kadar baik feed maupun diluat yang tinggi, dan dapat menyebabkan endapan sehingga menyebabkan gagalnya proses pembuatan chip. Akan tetapi, dengan menggunakan proses elektrodeionisasi, silika dapat dipisahkan bahkan lebih dari 99%, sehingga kadar silika dapat dikendalikan dalam air [11]. Aplikasi dari elektrodeionisasi adalah untuk produksi air ultramurni, yang biasa digunakan untuk proses industri, sterilisasi UV, dan untuk water softening, produksi semikonduktor, farmasi, dan umpan boiler. Keunggulan dari proses ini adalah proses yang lebih tidak kompleks dibandingkan dengan mixed bed ions exchanger, konsumsi air feed yang lebih rendah, dan juga biaya yang lebih murah [23]. 3.4.2. Membran Penukar Ion untuk Konversi Energi Membran penukar ion memiliki peran yang makin penting untuk penyimpanan dan konversi energi [24]. Sistem separasi atau pemisahan baterai dan fuel cells dapat menggunakan sistem membran penukar ion, dan dapat menghasilkan energi hanya dengan mencampurkan larutan garam dengan air. Aplikasi yang paling mutakhir pada pertukaran ion dalam bidang sistem konversi energi adalah fuel cells bertemperatur rendah. Konsep dasar dari fuel cell didasari dengan oksidasi elektrokimia dari hidrogen oleh oksigen. Unit sel yang terdiri dari dua elektroda berpori dan dua layer katalis yang dipisahkan dengan membran penukar kation. Gas hidrogen masuk, melalui anoda berpori dan bereaksi didalam katalis. Gas kemudian membentuk proton dan melepaskan elektronpada anoda kepada sirkuit elektrik. Kemudian, proton berdifusi membran penukar ion dan bereaksi didalam katalis pada permukaan pori katoda dengan gas oksigen dan membentuk air. Reaksi total dari fuel cell ini adalah reaksi pembentukan air dari hidrogen dengan oksigen. 3.5. Proses-proses dengan membran penukar ion yang masih dalam tahap awal pengembangannya

Gambar 8. Ilustrasi skematik dari proses EDI [11]

Dibandingkan dengan elektrodialisis biasa, elektrodeionisasi ini memiliki perbedaan kontruksi pada stacknya, dan pada pengisian diluate cells. Resin penukar

Terdapat banyak proses-proses yang dapat dikembangkan dengan menggunakan membran penukar ion sebagai komponen utamanya. Akan tetapi, proses-proses tersebut masih dalam tahap awal dan masih harus dikembangkan lebih lanjut agar potensi komersialnya dapat diterapkan. Hampir semua dari proses-proses dibawah ini hanya dapat diaplikasikan didalam skala labolatorium saja.

3.5.1. Deionisasi Kapasitif

Deionisasi kapasitif adalah proses penyerapan elektron yang dapat digunakan untuk menghilangkan larutan aquos [25,26]. Sel deionisasi kapasitif terdiri dari dua elektroda yang dibuat dengan karbon aktif, dan dipisahkan dengan spacer yang bertindak sebagai celah tempat dilewatinya larutan yang mengandung ion. Sistem ini bila dilihat sekilas akan menyerupai kapasitor yang dapat dilalui. Bila elektroda-elektrodanya diberi muatan, ion akan dibuang dari larutan input dan akan diabsorbsi pada permukaan elektroda yang bermuatan tersebut. Skema dari proses ini dapat dilihat pada gambar 10, dimana unit deionisasi dan unit transpor pada proses desorpsi dan absorbsi pada proses deionisasi ditunjukkan. Gambar 10. Gambar skematik konsep dari reverse electrodialysis dalam pembangkitan energi. Gambar diadaptasi dari [5] Desain stack pada proses ini memiliki banyak kesamaan dengan stack yang digunakan pada elektrodialisis. Perbedaannya adalah sel disusun secara paralel diantara elektroda-elektrodanya. Penghitungan energi maksimum yang dapat dibangkitkan melalui metode ini dapat dituliskan sebagai berikut: ∆𝐺𝑚 = (𝐺𝑐 − 𝐺𝑑 ) − 𝐺𝑏

Gambar 9. Diagram skematik deionisasi kapasitif. Gambar diadaptasi dari [5] Komponen utama dari proses ini ada pada elektroda karbon. Jumlah dari ion-ion yang diabsorbsi pada elektroda proporsional terhadap luas permukaan dari luas permukaan elektroda karbon. Jadi, luas area dari elektroda karbon hasud dimaksimalkandan pada kebutuhan industri, luas elektroda dapat mencapai 1100m2/gram.parameter lainnya yang berpengaruh adalah perbedaan potensial yang tidak boleh melebihi nilai tertentu untuk mencegah terjadinya pemisahan air pada reaksi didalam elektroda. Limit maksimum beda tegangan elektroda adalah 1,2 V. Pada proses ini, keuntungannya adalah energi yang rendah untuk menginisiasi reaksi. Tetapi, terdapat beberapa kekurangan dalam metode deionisasi kapasitif, yaitu kebutuhan luas area yang besar pada asam borat elektroda ketika feed memiliki konsentrasi garam yang tinggi dan penggunaan arus yang relatif buruk [27]. 3.5.2. Reverse Electrodialysis Produksi energi dengan pencampuran air laut dengan air tawar melalui membran penukar ion merupakan konsep dasar daripada proses reverse electrodialysis [28]. Proses yang ramah lingkungan ini dapat digambarkan dalam gambar 11 [29].

Gm adalah perubahan energi bebas Gibbs pada pencampuran sementara Gc merupakan energi bebas Gibbs pada konsentrat, yaitu air laut dan Gd adalah energi bebas Gibbs pada air tawar. Secara toeritis, 1m3 air laut dapat membangkitkan listrik sebesar 0.4kWh. Proses ini masih memiliki banyak kekurangan dan penelitian lebih lanjut perlu dilaksanakan karena energi yang dapat dibangkitkan per meter kubiknya masih sangat sedikit. Terlebih, untuk negara-negara yang memiliki akses air laut-air tawar yang kecil, proses ini cenderung tidak menguntungkan dan tidak efisien. 4.

Kesimpulan

Secara umum, membran penukar ion merupakan teknologi yang masih dapat dikatakan anyar. Tetapi, membran penukar ion ini sudah teruji keberhasilannya untuk diaplikasikan kedalam beberapa proses. Penelitian lebih lanjut akan membran penukar ion akan memaksimalkan potensi dari membran penukar ion ini dan akan memungkinkan adanya peluang-peluang baru dimana nilai ekonomi dari membran penukar ion ini dapat dimanfaatkan.

References Daftar Pustaka [1] Schaffer, L. H.; Mintz, M. S. Electrodialysis. In Principles of Desalination; Spiegler, K. S.; Academic Press: New York, 1966; pp 3− 15. [2] Welgemoed, T. J.; Schutte, C. F. Capacitive DeIonization Technology: an Alternative Desalination Solution. Desalination 2005, 183, 327−340. [3] Williams, K. R. An Introduction to Fuel Cells; Elsevier: London, 1966. [4] Khoiruddin. Pembuatan Membran Penukar Ion Heterogen. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2013. [5] Strathmann, H.; Grabowski, Andrej, Eigenberger, Gerhart. Ion-Exchange Membranes in the Chemical Process Industry. Stuttgart, 2013. [6] Wenten, I.G.; Hakim, A.N.; Khoiruddin; “Peristiwa Perpindahan dalam Membran Penukar Ion.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. [7] Xu, T. W. Ion exchange Membranes : State of their Development and Perspective. J. Membr. Sci. 2005, 1-29. [8] Strathmann, H. Ion-Exchange Membrane Separation Processes. Membr. Sci. Vol. 9. 2004: Elsevier. [9] Wenten, I.G.; Aryanti, P.T.P.; Khoiruddin, Hakim, A.N.; “Proses Pembuatan Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2011. [10] Wenten, I.G.; Aryanti, P.T.P.; Khoiruddin; “Teknologi Membran dalam Pengolahan Limbah.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. [11] Kemperman, A. J. B. Handbook Bipolar Membrane Technology; Twente University Press: Endschede, The Netherlands, 2000 [12] Wenten, I.G.; “Teknologi Membran: Prospek dan Tantangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015. [13] Wenten, I.G.; “Industri Membran dan Perkembangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015. [14] Huffmann, E. L.; Lacey, R. E. Engineering and Economic Considerations in Electromembrane Processing. In Industrial Processing with Membranes; Lacey, R. E., Loeb, S., Eds.; Wiley: New York, 1972; pp 40−50. [15] Rubinstein, I.; Zaltzman, B.; Futerman, A.; Gitis, V.; Nikonenko, V. V. Reexamination of electrodiffusion time scales. Phys. Rev. E 2009, 79 [16] Ibanez, R.; Stamatialis, D. F.; Wessling, M. Role of Membrane Surface in Concentration Polarization at Cation-Exchange Membranes. J. Membr. Sci. 2004, 120−128. [17] Katz, W. E. The Electrodialysis Reversal Process. Desalination 1979, 28. [18] Kobuchi, Y.; Motomura, H.; Noma, Y.; Hanada, F. Application of Ion-Exchange Membranes to

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]

[25]

[26] [27]

[28]

[29]

Recover Acids by Diffusion Dialysis. J.Membr. Sci. 1987, 175−173. Coulter, M. O., Ed. Modern Chlor-Alkali Technology; Ellis Horwood, Ltd.: Chichester, U.K., 1980; Vol. 1 (published for the Society of Chemical Industry). Wilhelm, F. G.; Pünt, I.; Van der Vegt, N. F. A.; Strathmann, H.; Wessling, M. Asymmetric Bipolar Membranes in Acid-Base Electrodialysis. Ind. Eng. Chem. Res. 2002, 579-586. Liu, K. J.; Chlanda, F. P.; Nagasubramanian, K. J. Use of Bipolar Membranes for Generation of Acid and Base: An Engineering and Economic Analysis. J. Membr. Sci. 1977, 2, 108−120. Wenten, I.G.; Hakim, A.N.; Khoiruddin; “Elektrodeionisasi.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014. Grabowski, A. Electromembrane Desalination Processes for Production of Low Conductivity Water; Logos: Berlin, 2010. Joerissen, L.; Garche, J.; Fablan, Ch.; Tomazic, G. Possible use of vanadium redox-flow batteries for energy storage in small grids and stand-alone photovoltaic systems. J. Power Sources 2005, 101−104. Porada, S.; Bryjak, M.; van der Wal, A.; Biesheuvel, P. M. Effect of electrode thickness variation on operation of capacitive deionization. Electrochim. Acta 2012, 148-152. Biesheuvel, P. M.; van der Wal, A. Membrane Capacitive Deionization. J. Membr. Sci. 2010. Wenten, I.G.; Khoiruddin; Hakim, A.N.; Aryanti, P.T.P.; “Teori Perpindahan dalam Membran.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2012. Dlugolecki, P.; Nymeiyer, K.; Metz, S. J.; Wessling, M. Current Status of Ion-Exchange Membranes for Power Generation From Salinity Gradients. J. Membr. Sci. 2008, 319, 212−219. Długołęcki, P.; Dąbrowska, J.; Nijmeijer, D. C.; Wessling, M. Ion Conductive Spacers for Increased Power Generation in Reverse Electrodialysis. J. Membr. Sci. 2010, 100−109.