STUDI TENTANG BAHAN PENIMBUL FOULING DAN CARA PEMISAHANNYA PADA CELLULOSA ACETATE BLEND MEMBRAN RO
Dyah Sulistyani R. Pusat Teknologi Limbah Radioaktif
ABSTRAK STUDI TENTANG BAHAN PENIMBUL FOULING DAN CARA PEMISAHANNYA PADA CELLULOSA ACETATE BLEND MEMBRAN RO. Fenomena fouling yang terjadi pada dinding membran menyebabkan menurunnya kinerja membran dan mengakibatkan penambahan biaya operasi membran, yakni untuk pencucian membran agar membran itu sendiri dapat diperpanjang waktu pakainya. Karena fenomena begitu kompleks, maka metode untuk mereduksi fouling hanya dapat dijelaskan secara umum. Masing-masing problem membutuhkan treatment yang spesifik, antara lain : pengaturan pH, penambahan larutan kompleks (EDTA, dsb), klorinasi, adsorbsi menggunakan karbon aktif, klarifikasi dengan bahan kimia, pra mikrofiltrasi, pra ultrafiltrasi. Pemilihan metode pembersihan tergantung pada konfigurasi modul, tipe membrane, resistensi kimia dari membran dan tipe dari fouling. Studi ini dimaksudkan untuk persiapan adaptasi penggunaan Cellulosa Acetate Blend Membran RO untuk pengolahan limbah radioaktif cair di PTLR.
ABSTRACT STUDIES OF RO MEMBRANE FOULANTS AND THEIR REMOVAL FROM CELLULOSA ACETATE BLEND (CAB) RO MEMBRANE ELEMENTS. The phenomenon of fouling happened on the wall of membrane cause decreasing the performance of membrane and will come to increasing the cost for washing of membrane to extend the life time. Because the complexity of the phenomenon, the methods for reducing fouling can only be described very generally. Each fouling problems requires its own specific treatment, several approaches can be carried of, ie: pH adjustment, addition of complexing agents (EDTA, etc), chlorination, adsorption onto active carbon, chemical clarification, pre-microfiltration and pre-ultrafication. The choice of the cleaning method mainly depends on the module configuration, the type of membranes, the chemical resistance and the type of foulant. The study proposed for preparation the adaptation of Cellulosa Acetate Blend Membrane RO element for processing of liquid radioactive waste in Radioactive waste Installation.
PENDAHULUAN Membran merupakan media yang bersifat sebagai filter yang dapat memisahkan campuran senyawa yang terlarut dengan cara yang amat spesifik. Proses pemisahan dapat terjadi bila ada perbedaan sifat diantara senyawa yang akan dipisahkan, seperti perbedaan ukuran molekul, perbedaan interaksi antara senyawa terlarut dengan membran
ataupun
perbedaan
fisik
lainnya.
Membran
dapat
diklasifikasikan
berdasarkan ukuran senyawa yang akan dipisahkan dan cara bekerjanya dapat dilihat pada Tabel 1.
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Tabel 1. Tabel klasifikasi membran [1] Mikrofiltrasi
Ultrafiltrasi
Pemisahan partikel
Pemisahan makromolekul (bakteri, yeast) Tekanan osmosis (<2 Tekanan osmosis bar) (1-10 bar) Pemisahan Pemisahan berdasarkan berdasarkan ukuran ukuran partikel partikel Ukuran pori 0,05-10µm Ukuran pori 1 – 100 nm
Nanofiltrasi/reverse osmosis Pemisahan larutan dengan berat molekul rendah Tekanan osmosis tinggi (10-25 bar) Pemisahan berdasarkan perbedaan kelarutan dan difusivitas Ukuran pori< 2 nm
Dalam penelitian yang terdahulu telah dilakukan beberapa percobaan pemisahan dengan menggunakan membran RO modul spiral wound dengan membran komposit buatan Water System Amerika Serikat. Selama ini penggunaan membran di PTLR masih dalam pengkajian dan pengembangan dalam proses pengolahan limbah radioaktif. Salah satu kendala utama untuk mendapatkan hasil yang optimal dari system pemisahan dengan membran adalah fouling pada membran. Pada umumnya , secara garis besar ada 4 tipe penyebab terjadinya fouling, yaitu : zat padat yang tidak terlarut, zat padat yang tersuspensi, zat organik non –biologi, dan organisme biologi. Zat padat yang tidak terlarut adalah zat inorganik dan material pembentuk gel, seperti kalsium, barium dan silika, yang ada pada larutan umpan dalam jumlah kecil. Selain itu dapat juga terbentuk dari pengendapan garam-garam kation dan anion seperti kalsium karbonat, kalsium sulfat, barium sulfat dan stronsium sulfat. Zat padat yang terbentuk kemudian akan menempel pada permukaan membran. Sedang yang termasuk dalam zat padat yang tersuspensi adalah bentuk-bentuk koloid dari oksida logam, seperti besi, aluminium dan silica. Zat padat yang tersuspensi (koloid dan partikulat) akan menggumpal pada permukaan membran. Dalam makalah ini akan dipelajari bahan penimbul fouling dan cara pemisahannya pada Cellulosa Acetate Blend Membran RO. Pembahasan meliputi gejala-gejala terjadinya fouling pada membran, metode reduksi terjadinya fouling, metode penghilangan foulant , dan pembahasan serta adaptasi penggunaan membran di PTLR untuk pengolahan limbah radioaktif.
GEJALA-GEJALA FOULING PADA MEMBRAN Skema prinsip proses membran RO, dapat dilihat pada skema berikut : Feed
o o ☼ o ☼o o ☼ o o ☼ * *● * ● *● * ●☼ * ● *
permeate
●
●
● ●
●
●
61
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Keterangan : •
= solven
☼ = solute (berat molekul tinggi) *
= solute (berat molekul tinggi)
o
= partikel
Fouling pada membran adalah sesuatu yang tidak bisa dihindari tetapi dapat diprediksi dan dikurangi keparahannya. Keadaan yang lebih buruk pada kinerja membran tergantung dari tipe membran, sistem disain dan kualitas umpan. Perubahan fluks permiate yang melalui membran dengan adanya pembersihan (cleaning) membran dapat dilihat pada gambar 1 [1] berikut.
Fluks Pembersihan Pembersihan
Pembersihan`
waktu
Gambar 1. Perubahan fluks membran yang dilalui aliran permeate dengan adanya pembersihan (cleaning) fouling yang terjadi pada membran Dari gambar 1 diatas terlihat bahwa terjadinya fouling akan menurunkan aliran permeat,
sehingga harus ditingkatkan tekanan umpan untuk menjaga kontinuitas
aliran. Oleh karena itu tekanan dan aliran permeat harus dimonitor dan parameter kritis harus dijaga sesuai dengan spesifikasi operasi. Selain itu membran harus segera dibersihkan ketika terjadi penurunan 10%-15% pada kinerja membran, untuk mencegah terjadinya fouling yang lebih parah yang sulit dibersihkan.
METODE REDUKSI DAN PEMBERSIHAN FOULING Karena fenomena fouling begitu kompleks, maka metode untuk mereduksi dan pembersihan fouling untuk setiap permasalahan membutuhkan treatment perlakuan yang spesifik : 1. Perlakuan awal larutan umpan : Metode pretreatment umpan , antara lain dapat dilakukan dengan :
62
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
-
pengaturan pH,
-
penambahan larutan kompleks (EDTA, dsb)
-
Klorinasi
-
Adsorbsi menggunakan karbon aktif
-
Penjernihan/ klarifikasi dengan bahan kimia
-
Pramikrofiltrasi (mikrofiltrasi awal)
-
Praultrafiltrasi (ultrafiltrasi awal)
2. Pemilihan bahan untuk peralatan membran Pemilihan bahan untuk peralatan membran yang tepat akan mereduksi terjadinya fouling. Fouling yang terjadi pada membran yang porous ( untuk mikrofiltrasi, ultrafiltrasi) secara umum lebih keras daripada yang terjadi pada membran yang padat (prevaporasi atau reverse osmosis). Selain itu penggunaan dari
membran yang hydrophilic dapat membantu memperkecil
terjadinya fouling daripada yang membran hydrophobic . 3. Pemilihan modul dan kondisi proses Reduksi fouling dapat dilakukan dengan pemilihan modul dan kondisi proses dengan cara mereduksi polarisasi konsentrasi permeate. Polarisasi konsentrasi permiate dapat direduksi dengan meningkatkan koefisien transfer massa dan penggunaan fluks membran yang lebih kecil. Selain itu penggunaan beberapa variasi turbulensi juga akan menurunkan fouling. 4. Pembersihan foulant Metode pembersihan dapat dilakukan antara lain dengan : - Pembersihan secara hidrolik - Pembersihan secara mekanik - Pembersihan secara kimia Pemilihan dari metode pembersihan tergantung dari konfigurasi modul, tipe membrane, resistensi kimia dari membran dan tipe dari fouling itu sendiri. •
Pembersihan secara hidrolik Pembersihan secara hidrolik yaitu dengan cara ‘back-flushing’ ( hanya cocok untuk mikrofiltrasi dan membran ultrafiltrasi). Hal ini terlihat pada gambar 2 [1]
63
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Fluks
Dengan backflushing
Tanpa backflushing Waktu
Gambar 2. Gambar fluks membrane vs waktu dengan back-flushing dan tanpa back-flushing Prinsip dari back flushing dapat dijelaskan pada gambar 3 sebagai berikut : permeat
permeat
suspensi
suspensi
permeat
permeat Backflushing
Gambar 3. Prinsip back-flushing [1] •
Pembersihan secara mekanik
Pembersihan secara mekanik hanya dapat diterapkan pada sistem turbular dengan menggunakan oversize sponge balls . •
Pembersihan secara kimiawi
Pembersihan secara kimiawi merupakan metode yang paling penting dan popular diantara semua metoda memperkecil fouling. Konsentrasi dari bahan kimia , waktu pembersihan
dan pengaturan pH merupakan faktor yang sangat menentukan.
Beberapa bahan kimia (bahan cairan pembersih) yang penting yang biasa digunakan adalah : -
Asam (asam kuat seperti H3PO4, atau ringan seperti Asam sitrat)
-
Alkali (NaOH)
-
Detergent (basa)
64
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
-
Enzymes (amylase, glukanases,proteases)
-
Pengompleks (EDTA, polyacrylates, sodium hexametaphosphate)
-
Disinfectans (H2O2 dan NaOCl)
-
Uap dan gas (ethylene oxide)
Metode Pembersihan Foulant Pembersihan foulant secara kimiawi dapat dilakukan dengan pembersihan dan flushing serta mengatur kondisi operasi. Pembersihan foulant membutuhkan beberapa kondisi operasi. 1. Pengaturan kondisi operasi : •
Aliran permeat diturunkan hingga 10-15% dengan tekanan normal
•
Temperatur dan tekanan umpan dinaikkan 10-15%
2. Pembersihan dan flushing elemen membran •
Mencampur cairan pembersih dengan air permeate yang bersih, pada tangki pembersih.
•
Mensirkulasi cairan pembersih melewati elemen membran pada tangki pembersih kira-kira 1 jam atau periode waktu yang diinginkan, dengan laju alir 133 sampai 151 liter per menit.
•
Setelah pembersihan elemen membrane RO sempurna , dikeringkan dan flush pada tangki pembersih, kemudian tangki diisi dengan air bersih untuk pembilasan.
•
Membilas secara sempurna dengan air bersih dan dikeluarkan lewat pembuangan selama beberapa menit.
•
Setelah selesai pembilasan, dioperasikan sampai aliran permeate bersih dari residu atau cairan pembersih.
PEMBAHASAN DAN ADAPTASI PENGGUNAAN MEMBRAN DI IPLR Selanjutnya agar membran tersebut dapat beroperasi dengan andal dan untuk memperpanjang waktu (umur) pakai perlu antisipasi pencegahan fouling (sebagaimana diuraikan pada butir 2) dan bila sudah terjadi fouling , maka perlu proses pembersihan. Beberapa jenis foulant, gejala yang timbul dan cara pembersihan dapat dilihat pada Tabel 2[4]. Selanjutnya aplikasi pengolahan limbah cair di PTLR dengan menggunakan Acetate Blend Membrane RO, yaitu untuk pemisahan Cesium, Cobalt dan beberapa logam berat seperti Cd, Fe, Ni, Cu.
65
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Tabel 2. Tabel beberapa jenis foulant , gejala yang timbul dan cara pembersihan FOULANT
GEJALA YANG TIMBUL
CARA PEMBERSIHAN
Pengendapan Kalsium
Ditandai dengan
Penambahan Asam Sitrat
(Karbonat dan Fosfat)
menurunnya rejeksi *) dan
(diatur pada pH 4)
menurunnya flow sistem membran Oksida Hidrat dari Fe,
Kecepatan akan berkurang
Penambahan Asam Sitrat
Ni, dan Cu)
dalam sistem membran
(diatur pada pH 4)
Campuran koloid (Fe,
Ditandai dengan
Penambahan Sodium
organik dan silikats)
menurunnya rejeksi dan
tripholyphosphat ; pH 7,5
menurunnya flow sistem membran Kalsium Sulfat
Ditandai dengan
Penambahan Sodium
menurunnya rejeksi dan
tripholyphosphat ; pH 7,5
menurunnya flow sistem membran Pengendapan Organik
Ditandai dengan
Penambahan Sodium
menurunnya rejeksi dan
tripholyphosphat ; pH 7,5/
menurunnya flow sistem
cairan deterjen non-ionik
membran Fouling oleh bakteri
Ditandai dengan
Penambahan Sodium
menurunnya rejeksi dan
tripholyphosphat ; pH 7,5 /
menurunnya flow sistem
Triton X-100
membran *) rejeksi adalah perbandingan antara jumlah zat terlarut yang tertahan diatas permukaan membran dengan jumlah zat terlarut mula-mula 2. Pencegahan fouling Fouling yang berbentuk koloidal, biasanya berbentuk partikel dengan diameter 1 µm , yang biasanya terdapat pada permukaan air dan jika tidak dihilangkan dari larutan umpan akan menurunkan produktivitas atau fungsi dari membran tersebut. Beberapa teknik untuk menghilangkan koloid adalah koagulasi dan diikuti filtrasi. Beberapa koagulan yang digunakan adalah alum (Al2(SO4)3, FeCl3
dan polimer.
Alternatif lain , ultrafiltrasi bisa digunakan untuk menghilangkan partikel koloid dan merupakan preteatment yang bagus untuk membran reverse osmosis.
66
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2005
Fouling yang berasal dari zat organik. Sebagian besar pabrik pembuatan membran direkomendasi untuk melakukan
pretreatment untuk menghilangkan zat
organik jika total organik karbon dalam larutan umpan lebih dari 3 mg/L. Metoda pretreatment yang biasa digunakan adalah oksidasi kimia (dengan oksidator chlorine, hidrogen peroksida dan ozon) dan adsorbsi menggunakan karbon aktif. Pembentukan fouling yang berasal dari biologi. Untuk pencegahannya biasanya larutan umpan ditambahkan zat disinfektan sebelum masuk ke dalam sistem reverse osmosis.
KESIMPULAN Fouling pada membran adalah sesuatu yang tidak bisa dihindari tetapi dapat diprediksi dan dikurangi keparahannya. Karena fenomena begitu kompleks, maka metode untuk mereduksi fouling hanya dapat dijelaskan secara umum. Masing-masing permasalahan membutuhkan treatment yang spesifik, antara lain : pengaturan pH, penambahan larutan kompleks (EDTA, dsb), klorinasi, adsorbsi menggunakan karbon aktif, klarifikasi dengan bahan kimia, pra mikrofiltrasi, pra ultrafiltrasi. Selain itu pemilihan bahan untuk membrane, pemilihan modul dan kondisi proses serta pembersihan foulant perlu dilakukan untuk mencapai keandalan operasi.
DAFTAR PUSTAKA 1. MARCEL MULDER, “Basic Principlies of Membrane Technology”, hal 416-447 Kluwer Academic Publishers, London, 1996 2. OHYA, H. Reverse Osmosis Method. Membran Separation Engineering . Kagaku Pub. Co, Tokyo, p.273, 1976 3. RIFAID M NUR, Status Pengembangan Sains Dan Teknologi Membran di Indonesia., Buletin Limbah , Volume 7 Nomor 1 tahun 2002, ISSN 0853-5221. 4. HYDRANAUTICS, Technical service Bulletin, May 1998, TSB 100.04
67
