TEKNIK REGENERASI MEMBRAN

Lecture Note

TEKNIK REGENERASI MEMBRAN I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim, Khoiruddin

Permeat

Permeat

Cleaning agent Backflushing

Diktat

TEKNIK KIMIA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2012

Diktat Kuliah

TEKNIK REGENERASI MEMBRAN

I G. Wenten P. T. P. Aryanti A. N. Hakim Khoiruddin

Departemen Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung 2012

Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

2

Daftar Isi

BAB I KARAKTERISTIK FLUKS BAB II POLARISASI KONSENTRASI DAN FOULING

BAB III TEKNIK-TEKNIK REGENERASI MEMBRAN


3

BAB 1

KARAKTERISTIK FLUKS

Karakteristik Fluks Selama pemisahan yang sebenarnya, kinerja membran (atau kinerja sistem) dapat berubah dengan waktu, dan seringkali perilaku khas fluks-waktu dapat diamati: fluks melalui membran menurun dari waktu ke waktu seperti yang ditunjukkan pada gambar. Penurunan fluks dapat disebabkan oleh beberapa faktor, seperti polarisasi konsentrasi, adsorpsi, kompaksi, dan fouling

Fluks

Waktu

Profil penurunan fluks selama operasi karena fouling

Berbagai hambatan memberikan kontribusi pada tingkat yang berbeda terhadap hambatan total transfer massa, Rtot.

fluks 

driving force viskositas  total tahanan

J

P   Rtot Representasi skematis berbagai tahanan perpindahan massa (diadaptasi dari: Mulder, 1996)

Lapisan batas kecepatan

Panjang saluran untuk mencapai lapisan batas konstan Kecapatan maksium pada aliran linier Kecapatan maksium pada aliran turbulen

Lapisan batas konsentrasi

Panjang profil konsentrasi daerah masuk

Profil konsentrasi pada dasarnya seragam dalam arah tegak lurus ke permukaan membran.

Ref: Cheryan, 1998 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

4

Bab 1 Karakteristik Fluks

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Fluks 1. Konsentrasi umpan Konsentrasi rendah & shear-stress rendah Transfer massa Shear stress meningkat & mengurangi “gel” Terlalu banyak terbentuk “gel”

Koreksi untuk model transfer massa bahwa "k" dipengaruhi oleh konsentrasi (yang mengubah sifat fisik)

2. Temperatur Secara umum, temperatur yang lebih tinggi akan menyebabkan fluks lebih tinggi di kedua daerah pressure-controlled dan mass transfer-controlled. Ini mengasumsikan tidak ada efek yang tidak biasa lainnya yang terjadi secara bersamaan, seperti fouling membran karena pengendapan garam larut pada suhu yang lebih tinggi atau denaturasi protein atau gelatinisasi pati pada suhu yang lebih tinggi. Temperatur yang lebih tinggi akan mengurangi kepadatan & viskositas, meningkatkan difusivitas, dan mengurangi pertumbuhan mikroba

3. Laju alir & Turbulensi Turbulensi, apakah yang dihasilkan oleh pengadukan, pemompaan cairan, atau membran bergerak, memiliki efek besar pada fluks di daerah mass transfer-controlled

Shear – stress akan meningkat jika viskositas meningkat. Shear-stress yang lebih tinggi, menghasilkan fluks lebih tinggi karena mengurangi pembentukan “gel”

Ref: Cheryan, 1998 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

5

BAB 2

POLARISASI KONSENTRASI DAN FOULING

Fouling Fluks

Polarisasi konsentrasi Fouling

Waktu

Fluks sebagai fungsi waktu. Polarisasi konsentrasi dan fouling dapat dibedakan

Fouling dapat didefinisikan sebagai deposisi dari partikel, koloid, makromolekul, garam yang tertahan di permukaan membran atau di dalam dinding pori membran, yang menyebabkan pengurangan fluks kontinyu. Fouling sangat spesifik untuk aplikasi tertentu dan sulit untuk dijelaskan dengan teori keseluruhan. Hubungan yang sangat sederhana dan banyak digunakan adalah:

[Mulder, 1995]

Karakteristik fouling adalah: •

Fluks berkurang namun parameter operasi lainnya seperti tekanan, laju alir, temperatur, dan konsentrasi umpan dijaga konstan

•

Penurunan fluks bersifat searah (ireversibel)

Foulant yang umum: •

Protein pH tinggi disukai foulant protein, tidak hanya karena protein sedikit lebih larut dibandingkan pH rendah, namun juga kemungkinan “peptisasi” (hidrolisis) protein, yang mempercepat pencucian • Minyak, lemak, dan pelumas Endapan lemak memiliki afinitas lebih besar untuk polimer sintetik hidrofobik dibandingkan polimer hidrofilik atau material anorganik namun dapat dihilangkan dengan mudah dari gelas, kemudian stainless steel, akrilik, polietilen, polivinilklorida, dan polisulfon • Karbohidrat Gula berberat molekul rendah segera larut dalam air dan membutuhkan pencuci khusus Material pati, polisakarida, fiber, dan pektin dapat membutuhkan perlakuan khusus • Garam Asam dan agen penyita seperti EDTA digunakan untuk melarutkan foulan garam

Banyak parameter telah dikembangkan untuk mendeskripsikan laju fouling dengan partikel terlarut atau tersuspensi:

Ref: Mulder, 1995 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

6

Bab 2 Polarisasi Konsentrasi dan Fouling Faktor-faktor yang mempengaruhi fouling

Hidrofilisitas Bahan hidrofobik biasanya memblokir air tapi menyerap komponen yang hidrofobik atau amfoter mengakibatkan fouling seperti protein Hydrophobic

Topografi permukaan

Hydrophilic Permukaan kasar Memiliki kecenderungan terjadi fouling besar

Permukaan halus Memiliki kecenderungan terjadi fouling lebih sediit

Topografi permukaan membran, (kiri) membran dengan permukaan kasar dan (kanan) membran dengan permukaan halus (Cheryan, 1998)

Adsorpsi protein dari larutan bovin plasma (Cheryan, 1998)

Muatan pada membran

Ukuran pori

Muatan pada membran menjadi penting jika partikel bermuatan sedang diproses. dengan mengambil keuntungan dari saling tolakan antara partikel dan membran muatan yang sama

Jika ukuran partikel yang akan dipisahkan adalah sama besarnya dengan rentang ukuran pori yang digunakan, beberapa partikel yang lebih kecil dalam sampel umpan bisa berdiam di pori-pori.

• Kandungan garam memiliki kecenderungan untuk mengendap pada membran karena kecilnya kelarutan atau mengikat membran secara langsung akibat interaksi muatan dengan bahan lainnya • Kandungan rantai yang sama memiliki kecenderungan fouling lebih tinggi dari kandungan rantai yang berbeda

Temperatur Peningkatan temperatur seharusnya menghasilkan fluks yang lebih tinggi, akan tetapi hal tersebut juga dapat menurunkan fluks pada umpan yang mengandugn seperti whey keju

Laju alir dan turbulensi Shear rate tinggi yang dihasilkan pada permukaan membran cenderung menghilangkan deposit dan menurunkan hambatan hidrolik dari lapisan fouling. Akan tetapi, hal ini mungkin tidak terjadi jika tekanan trans membrane cukup tinggi sehubungan dengan kecepatan permeasi.


7

Bab 2 Polarisasi Konsentrasi dan Fouling

Fouling Penyempitan pori (dpartikel<
mengasumsikan bahwa pori-pori membran tersumbat karena pengendapan atau adsorpsi mikro solut

Penyumbatan pori (dpartikel~dpori)

diasumsikan bahwa hanya sebagian kecil dari pori-pori yang tersumbat oleh partikel Pembentukan lapisan gel/cake (dpartikel>>dpori)

Permukaan tertutupi oleh lapisan foulant dan bahwa lapisan ini terus tumbuh bahkan jika back-transport solut terjadi.

RM RG RF

= resistansi membran = resistansi operasi = resistansi fouling Ref: Belfort dkk, 1993


8

Bab 2 Polarisasi Konsentrasi dan Fouling Biofouling Disebabkan oleh • Fungi • Algae • Bakteri Dapat dikendalikan dengan • • • •

Filtrasi Mengendalikan faktor pemekatan Dispersants Biosida

Bioufouling pada membran spiral wound (www.wageningenur.nl)

Modifikasi material membran untuk mencegah biofouling bakteri

Biofouling oleh bakteri pada membran: (a) Membran dasar, (b) Membran dengan heparin, (c) Membran dengan quaternary ammonium, (d) Membran dengan heparin and silver.

Biofouling pada membran oleh bakteri (Bai, 2009) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

9

Bab 2 Polarisasi Konsentrasi dan Fouling Biofouling Deteksi dan memonitor biofouling pada membran Metode : SEM : TEM, AFM, etc Deteksi langsung: 1. Inspeksi mikroskopik pada permukaan membran 2. Karakteristik mikrobiologi / biokimiawi permukaan membran

Fenomena utama pada proses pembentukan biofouling Fenomena

Waktu (setelah operasi)

Lapisan organic utama

detik/menit

Adesi (pelekatan) sel utama

detik/menit

Pelepasan sel

detik/menit

Pertumbuhan sel dan penggandaan

Menit/jam

Sintesis biopolymer /EPS

Menit/jam

Entrainment Partikel/koloid

detik/menit

Pelekatan sel sekunder

Hari/minggu

Pelepasan biofilm

Hari/minggu

Biofilm scene

Minggu/bulan

Fotografi TEM biofilm pada Membran Polyurethane (Ridgway dan Flemming, 1996)

UF

Proses pembentukan biofouling pada permukaan membran (Ridgway dan Flemming, 1996) Proses pelekatan bakteri dapat dibagi menjadi 3 fasa: 1. Pendekatan bakteri ke permukaan membran 2. Fasa pelekatan reversibel 3. Fasa pelekatan irreversibel Kinetika pelekatan mikrobakteri pada dua jenis membran yang berbeda, CA (Cellulose Acetat) dan PA (Polyamide)(Ridgway dan Flemming, 1996)

Ref: Ridgway dan Flemming, 1996


10

Bab 2 Polarisasi Konsentrasi dan Fouling Biofouling Biofouling merupakan akumulasi mikroorganisme. Proses biofouling melibatkan adhesi dan pertumbuhan mikroorganisme pada permukaan membran, namun masih sangat sedikit pemahaman mengenai sifat dasar dari proses pertumbuhan tersebut. Biofouling sulit untuk dikontrol dan biofouling yang terjadi sampai level tertentu dapat menyebabkan berbagai macam masalah teknis dan kerugian ekonomi. Salah satu masalah operasional yang disebabkan oleh biofouling yaitu penurunan fluks dan/atau peningkatan pressure drop selama proses NF atau RO yang menyebabkan harus dilakukan penggantian membran (Vrouwenvelder dkk., 1998; Ivnitsky dkk., 2005).

Peningkatan pengendapan mineral Kontaminasi permeat

Penurunan rejeksi

Penurunan fluks

Gajala dan Konsekuensi Biofouling pada Membran

Biodegradasi membran

Biodeterioration komponen modul

Penurunan umur membran Peningkatan hilang tekan modul

Struktur dan Kimia Biofilm  Jaringan ekstensif Rongga (O2 dan solut) Endapan mineral : besi, kalsium, sulfat, iodin, dll. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

11

Bab 2 Polarisasi Konsentrasi dan Fouling Scaling

(a)

Mekanisme scaling anorganik (Shirazi dkk, 2010)

Penyebab utama: CaCO3 dan SiO2 (jarang)

(b) Menyebabkan penurunan kualitas produk

Deposit kerak pada permukaan membran proses distilasi membran: (a) CaCO3 dan (b) CaSO4 (Gryta, 2012)

Menyebabkan peningkatan hambatan listrik (pada proses elektrodeionisasi) Pada kasus yang parah menyebabkan penurunan aliran konsentrat (peningkatan penurunan tekanan) Perlu menganalisis kesadahan dan silica pada umpan dan konsentrat (perhitungan neraca massa)

Penyebab kerak dan pengaruhnya

Pretreatment Pengendalian kerak

Bahan kimia Faktor pemekatan

Pengendalian kerak (scaling)


12


Polarisasi konsentrasi

Model “Gel Layer Polarization” Model polarisasi lapisan gel sangat mirip dengan model film. Konsentrasi solut pada permukaan membran dapat mencapai nilai yang sangat tinggi dan konsentrasi maksimum, konsentrasi gel (Cg) dapat dicapai untuk sejumlah makromolekul solut.

Gradien konsentrasi garam di dekat permukaan membran RO (Baker, 2004)

Jika J diplot sebagai fungsi In (cb) hasilnya berupa garis lurus slope-k dan intersep pada absis (J. = 0) akan memberikan nilai In (Cg)

Perbandingan konsentrasi solut disisi umpan pada permukaan membran (cio) dengan konsentrasi solut pada fasa curah (cib) dapat dijelaskan melalui persaman berikut (Baker, 2004):

Pengaruh masing-masing parameter diilustrasikan pada gambar berikut.

Pengaruh perubahan ketebalan lapisan batas δ, membrane enrichment Eo, fluks membran J, dan difusi solute D terhadap gradient konsentrasi di dalam lapisan batas stagnan (Baker, 2004) Ref: Baker, 2004 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

13


Polarisasi konsentrasi Pada proses-proses berbasis membran penukar ion, polarisasi konsentrasi terjadi karena perbedaan bilangan transport counter-ion di dalam larutan dengan membran. Perbedaan tersebut menyebabkan pembentukan gradient konsentrasi ion antara fasa membran dan fasa larutan curah. Pada sisi konsentrat, konsentrasi ion pada permukaan membran lebih tinggi dari pada di dalam fasa cairan. Sedangkan pada sisi diluat, konsentrasi ion pada permukaan membran lebih rendah dari pada di dalam larutan. Polarisasi kosentrasi tersebut dapat menyebabkan disosiasi air, scaling, perubahan pH secara lokal, dan penurunan efisiensi arus listrik. Strathmann, 2010

Profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas membran penukar kation (diadaptasi dari: Strathmann, 2010)

Scaling pada membran (Widiasa dan Wenten, 2007)

I (A/m2)

kation

Efisiensi arus menurun

Peningkata n pH lokal

Ilim

Polarisasi konsentrasi

Reaksi dissosiasi air

Scaling

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

Dampak polarisasi konsentrasi Ref: Strathmann, 2010


14


Polarisasi temperatur Fenomena polarisasi temperatur menyebabkan temperatur di permukaan membran berbeda dengan temperatur curah yang diukur dalam sisi umpan dan sisi distilat. Fenomena ini hadir bahkan ketika umpan berupa air dan menyebabkan penurunan yang signifikan terhadap gaya dorong untuk perpindahan. Ketika konsentrasi umpan meningkat, polarisasi konsentrasi juga terjadi yang dapat menurunkan gaya dorong dan fluks massa. Dalam literatur MD polarisasi temperatur diukur dengan koefisien:

Untuk mengukur polarisasi konsentrasi, koefisien tersebut dapat digunakan

T-polarization

C-polarization

Polarisasi temperatu dan kosentrasi pada proses distilasi membran (El-Bourawi dkk, 2006)

- Peningakatan fluks permeat flux enhancement menggunakan channel berisi spacer - Membran baru yang menyediakan permeabilitas tinggi, yang dapat meningkatkan perbedaan tekanan trans-membran dengan meminimalisasi kehilangan panas melalui bagian tak berpori (dalam penyelidikan) - Peningkatan desain modul (dalam penyelidikan) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

15

TEKNIK-TEKNIK REGENERASI MEMBRAN

BAB 3

Reduksi Fouling Metode Reduksi Fouling •

•

Pendekatan Kimiawi a) Pemindahan/penyisihan foulant dari permukaan membran b) Pelarutan foulant c) Modifikasi struktur kimia dari foulant Zat pembersih kima: - Asam, alkali, surfaktan, sequetrans/kelator, dan enzim Reduksi Polarisasi Konsentrasi MENURUNKAN POLARISASI KONSENTRASI 1 Menurunkan tekanan

Menurunkan konsentrasi pada permukaan membran

Mengurangi padatan dalam umpan

2 Faktor konsentrasi rendah

Pencammpuran atau pengadukan tegak lurus terhadap membran Paddle mixers

Static mixers

Menyingkirkan konsentrasi pada permukaan membran

Boundary layer skimming

Meningkatkan perpindahan balik padatan

Penggerusa n mekanik

3 Gradien kecepatan tinggi

Menggerakkan membran

Menggerakkan cairan

Peningkatan difusivitas

Saluran tipis/ sempit

Saluran pendek

Meningkatkan temperatur Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

16

Bab 3 Teknik-teknik Regenerasi Membran

Pencucian Fouling pada membran didominasi oleh adsorpsi material organik alam dan mikroba. Pada model konsep fouling dan pencucian pada membran, keseimbangan antara daya tarik hidrofobik dan tolakan elektrostatik merupakan dasar yang menentukan apakah membran mengalami fouling atau tidak. Peningkatan berat molekul dan rasio massa/muatan zat terlarut, kekuatan ion, konsentrasi kation divalen, dan hidrofobisitas akan meningkatkan potensi terjadinya fouling pada membran. Sementara itu, peningkatan densitas muatan dan polaritas zat terlarut, dan pH akan meningkatkan tolakan elektrostatik diantara membran dan zat terlarut, sehingga adhesi antara membran dan material penyebab fouling menurun dan efisiensi proses pencucian meningkat (Liu dkk., 2001).

Model konsep fouling dan pencucian pada membran (Liu dkk., 2001) Pada model electrostatic equilibrium, gaya yang menahan foulant pada permukaan membran berkurang selama proses pencucian sehingga terjadi penghilangan foulant. Agen pembersih yang paling sesuai untuk foulant ditentukan oleh sifat alami dari foulant yang akan dihilangkan, seperti organik/inorganik, asam/basa, dan keadaan beban foulant (Porcelli dan Judd, 2010).

Konsep model electrostatic equilibrium untuk pencucian membran (Porcelli dan Judd, 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

17


Pencucian Pencucian dilakukan ketika: fluks permeate turun sekitar 10-15%, tekanan bervariasi sekitar 10-15%, konduktivitas, permeat bervariasi sekitar 10-15%, pressure drop antara umpan dan konsentrat bervariasi 10-15% Foulant

Reagent

Waktu dan temperatur

Mode of Action

Fats, oils, proteins, polysaccharides, bacteria,

0.5N NaOH with 200 ppm Cl2

30 - 60 min 25 – 55oC

Hidrolisis dan oksidasi

DNA, mineral salts

0.1 – 0.5M acid (acetic, citric, nitric)

30 - 60 min 25 – 55oC

Pelarutan

Fats, oils, biopolymers, proteins

0.1%SDS; 0.1% Triton X100;

30 min-overnight 25 – 55oC

Pembasahan, emulsifikasi, tersuspensi, dispersi

Cell fragments, fats, oils, proteins

Enzyme, detergent


Catalytic breakdown (proteolysis)

DNA

0.5% DNAase


Hidrolisis enzim

Fats, oils, and grease

20-50% ethanol

30 - 60 min 25 – 55oC

Pelarutan

Cheryan, 1998

Faktor-faktor Penting Selama Pencucian Material dan sifat kimiawi membran

• Menentukan ketahanan membran terhadap bahan kimia (cleaning agent)

Mekanika fluida

• Dipoompakan hingga dicapai aliran turbulen • Tekanan serendah mungkin, tetapi konsisten dan laju alir tinggi

Waktu

• Pada umumnya pencucian kimiawi selama 30-60 menit. Waktu pencucian yang melebihi waktu optimal dapat menyebabkan fouling karena pengaruh filtrasi.

Temperatur

• Sebaiknya setinggi mungkin namun pada rentang yang diperbolehkan (batasan material modul/membran)

Kualitas air

• Harus menggunakan soft water

pH

• NaOH atau KOH (basa) efektif untuk foulant organic dan protein • Pencucian asam (acid) cocok untuk fouling inorganic


18


Pencucian Beberapa metode pencucian membran (Lin dkk., 2010) Pencucian membran yang terkena fouling adalah proses penghilangan material yang bukan bagian integral material. Pencucian membran dikelompokkan sebagai pencucian fisik dan pencucian kimia (Lin dkk., 2010).

Teknik hidrolik Teknik pneumatik Sonikasi

Pencucian Fisik

Electric Field Pencucian asam Pencucian oksidan Pencucian enzimatik

Pencucian Kimia

Agen chelating logam Pencucian surfaktan

Pencucian Fisik

Pencucian Kimia

Dalam praktek, pencucian fisik yang diikuti oleh pencucian kimia secara luas telah diterapkan dalam aplikasi membran untuk mengurangi terjadinya fouling


19


Backflushing Backflushing/ backwashing merupakan salah satu teknik pencucian hidrolik yang paling umum digunakan untuk mengurangi fouling. Backflushing yang dilakukan secara rutin dan intermiten akan mengangkat foulant dari permukaan membran dan meminimalkan peningkatan polarisasi konsentrasi (Nguyen dkk., 2012).

Permeate Flux, J

a = b = interval c = durasi

Time, t a

c

b

a

b

Prinsip backflushing (Mulder, 1996)

Kelebihan :  Dapat mengangkat foulant dari permukaan membran dan mengurangi polarisasi konsentrasi.  Secara efektif menghilangkan non-adhesive foulant dari permukaan membran dan mengurangi terjadinya reversibel fouling (Nguyen dk., 2012)

Kelemahan :  Metode ini hanya bisa digunakan untuk membran tipe tubular .  Jika proses backflushing dilakukan bukan pada kondisi optimum maka proses pencucian tidak akan berlangsung secara efektif atau terjadi kehilangan fluida dalam jumlah besar selama proses berlangsung. (Chai dkk., 1999; Mores dan Davis, 2002).


20


Backflushing

Pengaruh waktu pencucian terhadap penghilangan foulant (backwash dan crossflow velocity 15 mm/s) . Keterangan : Hfc = tinggi fluidized cake dan Hec = tinggi expanded cake. (Marselina dkk., 2009)

(a)

(b)

(c)

Gambar SEM dari (a) membran mikofiltrasi baru, (b) membran yang telah terkotori setelah digunakan proses filtrasi dengan suspensi ragi selama 1220 detik, (c) membran pada gambar b yang telah melalui proses backflushing. (Kuberkar dan Davis, 2001)


21


Backshock Backshock merupakan teknik backflush baru yang dapat digunakan untuk menjalankan proses filtrasi pada kecepatan aliran yang sangat rendah dengan fluks permeat yang sangat stabil. Teknik ini merupakan optimasi dari durasi proses backflush dan interval backflush. Durasi backflush yang sangat singkat (sekitar 0.06 detik) dengan waktu interval maksimum 5 detik (lebih banyak digunakan 1 sampai 3 detik) dan tekanan backflush yang relatif tinggi (1 bar atau lebih dari tekanan umpan) menyebabkan hilangnya permeat selama proses backshock sangat rendah dan hampir tidak mempengaruhi aliran bersih permeat (Wenten, 2002).

Kinerja dari membran normal dan reverse asimetris selama filtrasi bir (TMP = 0.7; ukuran pori: normal = 1 mm, reverse = 0.6 mm, Vt = 500 L) (Wenten, 1994; 1995)

Pengaruh tekanan backflush terhadap stabilitas fluks (Durasi = 1 s, Interval = 3 min)

Pengaruh backflush (Interval = 5 menit., Durasi = 30 s, Vf = 500 l)

Pengaruh backshock terhadap membran normal dan reverse asymetric (Durasi= 0.1 s, Interval = 5 s, v = 0.5 m/s; TMP: normal = 0.2 bar, reverse = 0.05 bar) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

22


Backshock

Beberapa pekerjaan penting: AU B-34.400/84, MEMTEC “Filter dengan Hollow Fiber yang dibersihkan melalui Backwashing menggunakan gas pada bagian lumen Fiber” DK-A-476/90, APV Passilac Tekanan tinggi Interval dan durasi pendek Membran keramik


23


Ultrasonic Cleaning Ultrasound merupakan teknologi alternatif untuk pencucian dan pengontrolan fouling pada membran. Fenomena fisik dasar yang terjadi sealam proses ultrasound adalah proses kavitasi (Chen dkk., 2006a; Feng dkk., 2006) Proses pembentukan gelembung

Proses gelembung runtuh (collapse) Proses pertumbuhan gelembung

Fenomena fisik yang terjadi di dalam cairan selama proses ultrasonic cleaning (Feng dkk., 2006) Mekanisme proses yang diperkirakan terjadi di permukaan membran selama ultrasonic cleaning : Ketika gelombang ultrasound dilewatkan ke dalam media cair seperti air dengan siklus kompresi dan ekspansi secara bergantian, gelembung atau kavitasi akan terbentuk. Titik panas kemudian terbentuk di dalam cairan (temperatur dan tekanan gas di dalam rongga cairan meningkat melebihi 5000 K dan 500 atm), sehingga terjadi ekspansi dan runtuhnya implosif gelembung di situs nukleasi di cairan. Selanjutnya, ketika gelembung kavitasi berosilasi mendekati permukaan padat, yang terjadi secara asimetris, mengakibatkan pembentukan acoustic streaming, microstreaming, microstreamers, microjects, dan gelombang kejut. Dimana hal-hal tersebut diperkirakan dapat menghilangkan lapisan fouling pada permukaan membran, dan/ atau mencegah terjadinya pengendapan partikel yang menyebabkan fouling pada membran. (Chen dkk., 2006a; Chen dkk., 2006b; Feng dkk., 2006)

Kemungkinan pelepasan partikel dari permukaan membran dengan ultrasonic cleaning (Lamminem dkk, 2004)


24


Ultrasonic Cleaning KELEBIHAN Ultrasound irradiation selama proses membran filtrasi berlangsung merupakan cara yang sangat efektif dalam proses penghilangan foulant dari membran. Proses pencucian membran dengan menggunakan metode ini tidak melibatkan bahan kimia, tidak mengganggu operasi proses filtrasi, mampu mempertahankan permeat fluks keseluruhan, dan dapat meningkatkan fluks permeat membran (Chen dkk., 2006a; Chen dkk., 2006b; Kobayashi dkk., 2003)

Pengaruh ultrasound terhadap (a) permeabilitas dan (b) pencucian membran (Kobayashi dkk, 2003)

Fluks permeat membran dengan dan tanpa ultrasound (US). (Konsentrasi partikel = 0.1 g/L; diameter rata-rata partikel = 1.56 µm; jarak antara permukaan membran dan ultrasonic probe = 3.5 cm; laju alir = 500 mL/min) (Chen dkk., 2006a)


25


Ultrasonic Cleaning Kelemahan Online Ultrasonic Irradiation dan Ultrasonic Bath Online Untrasonic Irradiation Efektivitas proses terbatas Efisiensi proses rendah Biaya mahal

(Juang dan Lin, 2004)

Skema proses membran dengan ultrasound (Kobayashi dkk, 2003)

irradiation

Ultrasonic Bath Terbatas digunakan untuk skala laboratorium Limbah energi akustik tinggi

(Juang dan Lin, 2004) Skema proses membran dengan ultrasound batch (Juang dan Lin, 2004)


26


Ultrasonic Cleaning Faktor-faktor yang mempengaruhi pencucian membran (Chen dkk., 2006a) Jarak antara sumber ultrasonic dan membran

Pengaruh ultrasonic pada berbagai jarak ultrasonic probe dengan membran terhadap fouling di membran (konsentrasi partikel = 0.5 g/L; tekanan operasi filtrasi = 5 psi)

Tekanan operasi pada proses filtrasi

Pengaruh ultrasonic pada berbagai tekanan operasi filtrasi terhadap fouling di membran (konsentrasi partikel = 0.2 g/L; ukuran partikel = 1.56µm; jarak antara membran dan ultrasonic probe = 3.5 cm)

Mode operasi : kontinyu atau pulsed ultrasound

Pengaruh ultrasonic terhadap fouling di membran dengan berbagai interval pulse ultrasound (konsentrasi partikel = 0.3 g/L; ukuran partikel = 1.56µm; jarak antara membran dan ultrasonic probe = 3.5 cm; tekanan operasi filtrasi = 5 psi)

KESIMPULAN Hasil eksperimen menunjukkan bahwa ultrasonic merupakan faktor penting yang berperan dalam proses pengontrolan fouling pada membran. Membran dengan peningkatan fluks relatif yang tinggi diperoleh pada membran yang diletakkan di dekat daerah kavitasi, proses filtrasi yang dioperasikan pada tekanan filtrasi rendah, dan proses sonikasi yang dilakukan secara kontinyu. (Chen dkk., 2006a) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

27


Ultrasonic Cleaning Perbandingan fouling pada membran dengan dan tanpa pencucian ultrasonic

Gambar SEM (a) fouled membrane dan, (b) membran bersih setelah ultrasound irradiation (membran digunakan dalam proses ultrafiltrasi larutan ekstrak Radix astragalus, perbesaran SEM 20000 X). (Cai dkk., 2009)

Gambar SEM (a) membran RO baru, (b) membran RO yang terkotori oleh larutan CaSO4 tanpa ultrasound, dan (c) membran RO yang terkotori oleh larutan CaSO4 dengan ultrasound (25 kV; 6000X; bar; 1.66 µm). (Feng dkk., 2006) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

28


Air/Water Cleaning (Awc)  Air/water cleaning (AWC) merupakan teknik pencucian membran yang bekerja secara efektif dalam mengurangi dan mengontrol masalah yang berhubungan dengan biofouling dan fouling partikulat pada membran spiral wound.  AWC sangat mudah diaplikasikan pada pabrik yang menggunakan membran spiral wound dan penerapan teknik pencucian ini dapat secara signifikan mengurangi biaya operasi.  Proses AWC yang dilakukan setiap hari memberikan efektivitas pencucian yang baik.  Jika membran diletakkan secara vertikal dan perbandingan jumlah udara/air lebih dari 4, maka jumlah udara di membran berbanding lurus dengan jumlah rasio udara/air.  Turbulensi pada membran meningkat ketika rasio udara/air meningkat. (Cornelissen dkk., 2007a; Cornelissen dkk., 2009) Bagian yang tampak berwarna putih adalah gelembung uadara Bagian yang tampak berwarna hitam adalah air

Gambar aliran udara dan air di dalam membran flat sheet dengan aliran udara 100 NL/h dan aliran air 50 L/h (perbandingan udara terhadap air adalah 2:1) (Cornelissen dkk., 2009)

Biofouled pada permukaan membran dan spacer umpan dalam membran flat sheet dengan posisi horizontal and feed sebelum (A) dan setelah (B) AWC selama 30 menit (aliran udara = 100 NL/h dan aliran air = 25 L/h) (Cornelissen dkk., 2009)

Penghilangan biomassa di adenosinetriphosphate (ATP) dari membran flat sheet dengan aliran udara 25 L/h (perbandingan udara terhadap air = 4 : 1; n= 2) (Cornelissen dkk., 2009)


29


Air/Water Cleaning (Awc)

Aliran (○) dan penurunan tekanan (●) dalam waktu satu elemen referensi. Tanda panah berwarna putih mengindikasikan pencucian membran dengan menggunakan udara/air. Tanda panah berwarna hitam mengindikasikan hasil dari fouling partikulat (Cornelissen dkk., 2007b).

Sampel dari air bilasan selama proses pencucian dengan menggunakan udara/air setelah 25 detik, 1 menit dan 5 menit (dari kiri ke kanan) (Cornelissen dkk, 2007b).

AWC yang dilakukan setiap hari merupakan salah satu cara terbaik untuk mengontrol fouling pada membran yang disebabkan oleh biofouling dan material partikulat. (Cornielissen dkk., 2007b)

Konfigurasi eksperimen pencucian dengan menggunakan udara/air (Cornelissen dkk, 2007b). Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

30


Air (Gas) Sparging Proses pencucian membran dengan menggunakan air (gas) sparging menunjukkan dapat meningkatkan fluks dan selektifitas pada berbagai geometri membran dan pada berbagai jenis larutan dan suspensi, baik pada membran ultrafiltrasi maupun mikrofiltrasi. Teknik ini dapat menghilangkan atau mencegah fouling eksternal dan dapat mengurangi efek dari polarisasi konsentrasi. Proses ini terdiri dari penginjeksian gas dengan umpan selama proses periode filtrasi (Cabassud dkk., 2001). AIr (gas) sparging digunakan untuk proses pencucian membran tipe kapiler yang memiliki diameter dalam mendekati 1 mm seperti membran hollow fiber. Pola aliran yang terjadi selama proses ini adalah aliran slug yang terdiri dari slug cair dan slug gas. Pada slug cair dapat dilakukan proses aerasi atau tidak dan pada umumnya daerah cairan disirkulasi kembali untuk menghasilkan aliran turbulen. Rasio udara yang diinjeksikan (ε) berada diantara 0.2 dan 0.9. Sementara itu, slug gas berbentuk hampir silinder dan dikelilingi oleh lapisan tipis film cair (Laborie dkk., 1998; Cabassud dkk., 2001).

(A) Prinsip gas sparging (Cabassud dkk., 2001)

(B)

Pola aliran slug dengan (A) dan tanpa (B) aerasi (Cabassud dkk., 2001)

Pengamatan aliran slug pada saluran membran tubular, diameter saluran membran = 6 mm (Psoch dan Schiewer, 2005) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

31


Air (Gas) Sparging

Skema proses air sparging pada membran bioreaktor (MBR) (Psoch dan Schiewer, 2005)

Fluks dan TMP pada MBR dengan dan tanpa air sparging (Psoch dan Schiewer, 2005) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

32


Direct Osmosis Cleaning By High Saliinity Solution (DO-HS) DO-HS merupakan metode backwash baru melalui direct osmosis (DO) dengan injeksi larutan garam konsentrasi tinggi (High saline/ HS) secara intermiten tanpa memberhentikan pompa bertekanan tinggi atau mengganggu proses operasi. Metode ini semakin banyak menarik perhatian untuk diaplikaskan dalam reverse osmosis (RO) karena teknik ini memiliki efisiensi proses tinggi dan ramah lingkungan (Qin dkk., 2010). Prinsip kerja DO atau forward osmosis (FO): DO merupakan transpor air melewati sebuah membran semi-permeabel dari sisi yang memiliki potensial kimia yang tinggi ke sisi yang memiliki potensial kimia rendah. Teknik ini telah diaplikasikan dalam proses pemisahan dengan menggunakan membran, seperti pada proses pengolahan makanan, pengolahan air, dan desalinasi air laut/ payau (Qin dkk., 2010). Perbandingan daya dorong pada DO dan RO (Cath dkk., 2006)

Beberapa mekanisme pencucian yang terjadi dalam beberapa detik setelah proses injeksi HS pada proses DO-HS (Liberman dan Liberman, 2005) :

Pengangkatan fouling

Pengangkatan foulat dengan metode DO-HS (Qin dkk, 2009)

Penyapuan fouling

Bio-osmotic shock

Salt dissolve shock

Skema RO dan DO dengan injeksi HS dan profil daya dorong pada DO backwash (Qin dkk., 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

33


Direct Osmosis Cleaning By High Saliinity Solution (Do-hs) Implementasi dan Aplikasi dari Metode DO-HS

Aplikasi DO-HS pada proses pencucian membran (Liberman dan Liberman, 2005)

Aplikasi metode DO-HS (Qin dkk, 2009)

Skema sistem pilot dari fasilitas DO-HS treatment (Qin dkk., 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

34


Direct Osmosis Cleaning By High Saliinity Solution (Do-hs) Skenario baru pada proses perawatan RO plant

Skenario pencucian membran pada RO plant (A) proses pencucian konvensional (Cleaning-inPlace/ CIP) dan (B) proses DO-HS (Liberman dan Liberman, 2005)

Skenario A (CIP) • Menurunkan produksi air • Meningkatkan konsumsi daya, penurunan tekanan, konduktivitas produk, dan laju penggantian membran • Perlu dilakukan beberapa pencucian konvensional, sehingga mengeluarkan biaya untuk pembersihan secara kimia, hilangnya waktu produksi selama proses pencucian, dan munculnya masalah limbah dari larutan sisa pencucian. (Liberman dan Liberman, 2005)

Skenario B (DO-HS) • Metode pencegahan fouling secara otomatis (pencucian sehari sekali) • Produktifitas, konsumsi daya, dan kualitas produk tetap terjaga sesuai dengan rancangan awal plant • Laju penggantian membran rendah

(A)

(B)

Membran RO (A) sebelum pencucian dan (B) sesudah pencucian dengan metode DO-HS (Liberman dan Liberman, 2005)


35


Electric Field Secara umum, baik membran maupun material yang terdapat pada suspensi umpan memiliki muatan elektrik. Interaksi antara permukaan yang bermuatan dapat menyebabkan fouling. Properti elektrokimia dari permukaan membran dan material yang terdispersi atau zat terlarut pada umpan dapat memberikan pengaruh yang signifikan terhadap karakteristik dari proses pemisahan pada sistem tersebut. Oleh karena itu, penggunaan medan listrik (electric field) dapat meningkatkan proses proses pemisahan berbasis membran dan secara feketif dapat mengurangi polarisasi konsentrasi dan fouling pada membran. Pada proses ini, medan listrik dapat diaplikasikan dengan melewati membran atau menjadikan membran sebagai elektroda (Huotari dkk., 1999; Ahmad dan Ibrahim, 2002).

Kelebihan electric field • Secara efektif menurunkan polarisasi konsentrasi dan fouling • Meningkatkan efisiensi proses pemisahan (Ahmad dan Ibrahim , 2002)

Kekurangan electric field Skema ilustrasi (a) aplikasi medan listrik melewati membran flat sheet dan (b) membran tubular yang digunakan sebagai elektroda (Huotari dkk., 1999). Fenomena yang terjadi pada proses aplikasi medan listrik disebut elektrokinetik yang didefinisikan sebagai interface padat/cair. Fenomena ini dapat dipalikasikan pada permukaan membran. Fenomena elektrokinetik sering menghasilkan fenomena electrophoresis dan electroosmosis. Electrophoresis berhubungan dengan pergerakan padatan atau material bermuatan (contoh : protein), seperti perpindahan partikel melalui fluida yang relatif statis. Sementara itu, elektroosmotic merupakan pergerakan fluida seperti permeasi fluida melalui media berpori (membran). Satu atau dua mekanisme yang terjadi karena fenomenafenomena tersebut yang terjadi secara simultan dapat meningkatkan kinerja pemisahan dari membran filtrasi (Jagannadh dan Muralidhara, 1996).

• Biaya mahal • Sulit digunakan untuk proses tertentu

Elektrokinetik dan fenomena yang berhubungan dengan elektrokinetik (Krishnaswamy dan Klinkowski, 1986).


36


Electric Field Aplikasi Medan Listrik di MBR

(a) Diagram skema konfigurasi MBR, (b) modul membran dengan elektroda, (c) diagram medan listrik (Liu dkk., 2012)


37


Electric Field Pengaruh aplikasi medan listrik di membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi dan MBR

Penurunan fluks dengan waktu operasi selama proses ultrafiltrasi (Tarazaga dkk., 2006)

Skema pola fluks permeat, dengan komponen fluks konstan selama proses pencucian dengan aplikasi medan listrik (Tarazaga dkk., 2006)

Pengaruh waktu operasi terhadap fluks pada proses mikrofiltrasi (a) filtrasi normal (tanpa medan listrik) dan (b) medan listrik dengan pulse 10 s dan interval 40 menit (1 g/L TiO2 ; pH = 8; 0.01 KMNO3; 100V) (Ahmad dan Ibrahim, 2002)

Fluks membran dengan dan tanpa medan listrik (kain filter; aliran gravitasi; TMP = 8.43 kPa; MLSS = 11.156 mg/L) (Liu dkk., 2012)


38


Polarity Reversal dan Membran Berprofil Proses reversal (pembalikan polaritas elektroda secara periodik) Polarity reversal secara otomatis membersihkan permukaan membran. Proses ini dilakukan dengan menggunakan proses electrodialysis reversal (EDR) (Valero dan Arbos, 2010). EDR dikembangkan berdasarkan teknologi elektrodialisis (ED). EDR menyediakan proses ED yang dapat membersihkan diri secara kontinyu (self-cleaning) dengan menggunakan pembalikan periodik dari polaritas DC untuk memungkinkan sistem dapat berlangsung pada laju recovery tinggi. Polarity reversal menyebabkan aliran konsentrat dan aliran diluat untuk berganti setelah setiap siklus. Fouling atau konstituen scaling dihilangkan ketika proses polarity reversal berlangsung sehingga dihasilkan produk air bersih melalui kompartemen yang sebelumnya diisi dengan aliran limbah yang terkonsentrasi. Pada saat ini, hampir semua ED pada sistem desalinasi air menggunakan polarity reversal (Yeon dkk., 2007).

Pembalikan polaritas listrik elektroda untuk menyisihkan foulant dari permukaan membran ionik (Strathmann, 2010) Prinsip polarity reversal Ketika medan listrik diaplikasikan ke larutan umpan yang mengandung partikel bermuatan negatif atau anion organik yang berukuran besar, komponen-komponen tesebut akan berpindah ke membran penukar anion dan akan terendapkan pada permukaan membran. Namun, jika polaritas dibalik, komponen bermuatan negatif yang terendapkan tersebut akan berpindah dari membran dan kembali ke aliran umpan. Sehingga, properti membran kembali ke awal (tanpa fouling) (Yeon dkk., 2007).

Keuntungan aplikasi polarity reversal

Secara efektif dapat menghilangkan endapan material koloid dan garam inorganik, sehingga fluks yang dihasilkan pada proses filtrasi tetap stabil. (Yeon dkk., 2007; Chao dan Liang, 2008). Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

39


Polarity Reversal dan Membran Berprofil Elekrodialisis (ED) dengan membran berprofil secara luas telah dipelajari dengan berbagai larutan umpan berkonsentrasi berbeda. Penggunaan membran berprofil pada ED dapat menurunkan biaya ED stack lebih dari 50% dan menurunkan biaya energi lebih dari 40% daripada menggunakan membran flat (Strathmann, 2010).

Foto membran berprofil dengan berbagai profil permukaan (Strathmann, 2010) Membran berproil untuk meningkatkan rapat batas (Strathmann, 2010)

Skema dan dimensi membran berprofil (Strathmann, 2010)

Perbandingan kinerja membran flat dan membran berprofil pada berbagai konduktivitas umpan (Strathmann, 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

40


Pencucian Elektrodeionisasi

Menentukan penyebab penurunan kinerja

Kualitas produk menurun

Laju alir produk turun Laju alir konsentrat turun Penurunan tekanan sebesar 50% tanpa perubahan aliran

HCl

Bahan kimia yang digunakan

Mengembalikan performa

Kapan?

Tujuan

Pencucian dan sanitasi dalam sistem EDI juga diperlukan. Tujuannya adalah untuk mengembalikan performa. Waktu pencucian dan bahan kimia yang biasa digunakan dapat dilihat pada bagan berikut sedangkan skema pencucian EDI dapa dilihat pada gambar.

HCl/NaOH NaOH Sodium percarbonte Paracetic acid

Peningkatan hambatan listrik sebesar 25% tanpa merubah T umpan

Tipikal sistem pencucian Sumber: CEDIUniversity.com Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

41


Pencucian Kimia Beberapa contoh pencucian kimia untuk menghilangkan fouling pada berbagai tipe membran Tipe

Material membran

Umpan/ Aplikasi

Agen pencuci

Tipe fouling

Referensi

MF

Hollow fiber PVDF

Pengolahan air limbah

Pencucian asam, kaustik, dan oksidatif

Fouling organik , inorganik dan biofouling

Lim dan Bai, 2003

MF

Keramik monotabular (ukuran pori 200 nm)

Pembentukan kembali protein whey

Pencuci alkali (NAOH), pencuci deterjen (P-3ultrasil®69 dan P3ultrasil®67)

Fouling organik

Popović dkk., 2009

MF

Polikarbonat (0.8 µm)

Campuran BSA, dextran dan tannic acid

Pencuci enzimatik (P3ultrasil®53)

Fouling organik

Zator dkk., 2009a; 2009b)

UF

Holow fiber (NoritXiga FSU®)

Air permukaan (air kanal)

HCl, H2SO4, asam sitrat, NaClO, P3 Ultrasil® 115, P3 Ultrasil® 70, P3 Aquaclean® Sal, Aquaclean® Fer 12, Kleen® MTC 411

Fouling organik dan inorganik

Zondervan dan Roffel, 2007

UF

Polisulfon

Pengolahan air limbah

Pencucian asam, deterjen, sequestering, oksidatif, blend dan enzimatik

Fouling organik , inorganik dan biofouling

Mohammad i dkk., 2003

NF

Spiral wounds, ESNA2® (TFC PA layer)

Air keran (tap water)

Pemberian dosis tembaga sulfat

Fouling partikulat dan biofouling

Cornilessen dkk., 2007b

NF

Dead-end flat sheet, NF270®, TFC

Komersial hummic acid

Larutan alkali (pH 11), agen chelating logam, surfaktan

Fouling organik

Lidan Elimelech, 2004

RO

TFC (LFC-1®)

Alginat dan bahan organik alami

NaOH, EDTA, SDS

Fouling organik

Ang dkk., 2006

RO

Organic-fouled RO, TFC (LFC-1®)

Polisakarida dan bahan organik alami komersial

Pencucian garam

Fouling organik

Lee dan Elimelech, 2007

UF, RO

Spiral wound polisulfon, poliamide

Reklamasi limbah cair kota

Hydrochloric acid, sodium hyroxide, TriClean® 212 F

Fouling organik

Chen dkk., 2003


42

Bab 3 Teknik-teknik Regenerasi Membran Contoh Kasus 1 (Lim Dan Bai, 2003) Sistem Mikrofiltrasi untuk Pengolahan Air Limbah dengan Lumpur Aktif Latar Belakang Masalah Masalah utama dalam aplikasi membran mikrofiltrasi untuk lumpur aktif dalam pengolahan air limbah adalah penurunan fluks permeat yang sangat cepat dengan bertambahnya waktu operasi yang disebabkan oleh fouling pada membran. Solusi Pecucian membran dengan berbagai teknik pencucian, yaitu backwashing dengan air de-ionized (ID), sonikasi, pencucian kimia, dan kombinasi dari beberapa teknik pencucian. Spesifikasi membran MF Tipe

Membran MF hollow fiber asimetris

Material membran

PVDF

Kimia permukaan

Hidrofobik

Ukuran pori

0.1 µm

Panjang fiber

15 mm

Diameter luar

1.3 mm

Diameter dalam

0.3 mm

Toleransi pH

1 – 10

Material modul membran

Stainless steel

Jumlah membran di modul

20

Total efektif area permukaan membran

0.0122522 m2

Komposisi air umpan untuk proses lumpur aktif (rasio C:N:P = 100:10:5) Komponen di larutan umpan

Konsentra si umpan (g/L)

BODs (larutan umpan dilarutkan 100 kali) (mg/L)

COD (larutan umpan dilarutkan 100 kali) (mg/L)

Sumber C: Glukosa, C6H12O6

48.6

490

790

Sumber N: ammonium sulphate

8.8

490

790

Sumber P: Tri-Potassium phosphate

6.5

490

790

Skema diagram proses


43


Contoh Kasus 1 (Lim dan Bai, 2003) Hasil Metode Pencucian

Flux Recovery (%)

Sonikasi (10 menit)

60.8

Pencucian kimia (pencucian alkali, DI water dan asam)

76.8

DI water backwashing

24.7

Pencucian gabungan (pencucian kimia  sonikasi  backwashing)

95.7

Metode pencucian yang paling tidak efektif  flux recovery terendah

Metode pencucian yang paling efektif  flux recovery tertinggi

Gambar SEM yang menunjukkan (a) permukaan membran baru, (b) membran terkena fouling, (c) membran setelah pencucian sonikasi, (d) membran setelah pencucian kimia, (e) membran setelah pencucian backwashing dengan air, (f) membran hasil pencucian gabungan Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

44


Contoh Kasus 2 (Gwon dkk., 2003) Studi mengenai karakteristik fouling pada membran nanofiltrasi (NF) dan reverse osmosis (RO) telah dilakukan dalam skala pilot selama 6 bulan. Studi ini mempelajari efisiensi penghilangan material terlarut dan potensi fouling selama proses NF dan RO pada air tanah yang telah di pretreatment dengan menggunakan membran ultrafiltrasi (UF). Pada studi ini, setelah pilot plant dioperasikan, tes uji dilakukan untuk mengidentifikasi karakteristik foulant yang berada pada permukaan membran. Flux recovery untuk setiap skema pencucian (hidraulik, asam, dan alkali) diukur dengan menggunakan untuk sel filtrasi secara dead-end. Skema Pilot Plant dan Karakteristik Membran NF/RO

Skema diagram pilot plant

Bagian-bagian membran yang di uji (fouling test, bagian 1-5)

Karakteristik membran NF dan RO yang dievaluasi


45


Contoh Kasus 2 (Gwon dkk., 2003) Kualitas air di influen dan permeat pada NF, RO1 dan RO 2

 Konduktifitas air umpan (influent) menurun sebanyak 76.3%, 88.2%, dan 95.3% pada membran NF, RO1, dan RO2 dari konduktifitas awal influent.  Bahan organik terlarut seperti TOC dihilangkan sebesar 80-83.8%, TOXP sebesar 89-90.2%, dan THMFP sebesar 93.9-94.5% dari kandungan pada influent.  Hasil dari kualitas permeat menunjukkan bahwa membran dengan rejeksi garam yang tinggi memiliki efisiensi penghilangan material organik hirofobik dengan aromatic rings yang tinggi.

Perbandingan fluks spesifik dari setiap bagian membran sebelum pencucian Spesifik fluks cenderung menurun dari aliran umpan (section No.1) ke aliran keluaran konsentrat (section No. 5)  penyebab: membran pada bagian keluaran (outlet section) berhubungan langsung dnegan larutan yang lebih pekat sehingga lebih berpotensi terkena fouling.

Fluks spesifik pada setiap bagian membran setelah pencucian RO2

Pada RO2 disetiap section, teknik pencucian yang dapat mengembalikan spesifik fluks secara efektif adalah pencucian asam.


46

Daftar Pustaka Ahmad, A. L., & Ibrahim, N. (2002). Automated electrophoretic membrane cleaning for dead-end microfiltration and ultrafiltration. Separation and Purification Technology, 29(2), 105-112. Baker, R.W., (2004), Membrane Technology and Application 2nd edition, Membrane Technology and Research, Inc., California. Ang, W. S., Lee, S., & Elimelech, M. (2006). Chemical and physical aspects of cleaning of organic-fouled reverse osmosis membranes. Journal of Membrane Science, 272(1–2), 198-210. Belfort, G., Pimbley, J. M., Greiner, A., & Chung, K. Y. (1993). Diagnosis of membrane fouling using a rotating annular filter. 1. Cell culture media. Journal of membrane science, 77(1), 1-22. Cabassud, C., Laborie, S., Durand-Bourlier, L., & Lainé, J. M. (2001). Air sparging in ultrafiltration hollow fibers: relationship between flux enhancement, cake characteristics and hydrodynamic parameters. Journal of Membrane Science, 181(1), 57-69. Cai, M., Wang, S., Zheng, Y., & Liang, H. (2009). Effects of ultrasound on ultrafiltration of Radix astragalus extract and cleaning of fouled membrane. Separation and Purification Technology, 68(3), 351-356. 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. Chai, X., Kobayashi, T., & Fujii, N. (1999). Ultrasound-associated cleaning of polymeric membranes for water treatment. Separation and Purification Technology, 15(2), 139-146. Chao, Y.-M., & Liang, T. M. (2008). A feasibility study of industrial wastewater recovery using electrodialysis reversal. Desalination, 221(1–3), 433-439. Chen, D., Weavers, L. K., & Walker, H. W. (2006a). Ultrasonic control of ceramic membrane fouling by particles: Effect of ultrasonic factors. Ultrasonics Sonochemistry, 13(5), 379-387. Chen, D., Weavers, L. K., & Walker, H. W. (2006b). Ultrasonic control of ceramic membrane fouling: Effect of particle characteristics. Water Research, 40(4), 840-850. Chen, J. P., Kim, S., & Ting, Y. (2003). Optimization of membrane physical and chemical cleaning by a statistically designed approach. Journal of Membrane Science, 219(1), 27-45. Cheryan, M. (1998). Ultrafiltration and microfiltration handbook. CRC press. Cornel, P., & Krause, S. (2006). Membrane bioreactors in industrial wastewater treatment European experiences, examples and trends. Water Science & Technology, 53(3), 37-44. Cornelissen, E. R., Rebour, L., van der Kooij, D., & Wessels, L. P. (2009). Optimization of air/water cleaning (AWC) in spiral wound elements. Desalination, 236(1–3), 266-272. Cornelissen, E. R., Vrouwenvelder, J. S., Heijman, S. G. J., Viallefont, X. D., van der Kooij, D., & Wessels, L. P. (2007a). Air/water cleaning for biofouling control in spiral wound membrane elements. Desalination, 204(1–3), 145-147. Cornelissen, E. R., Vrouwenvelder, J. S., Heijman, S. G. J., Viallefont, X. D., Van Der Kooij, D., & Wessels, L. P. (2007b). Periodic air/water cleaning for control of biofouling in spiral wound membrane elements. Journal of Membrane Science, 287(1), 94-101. Feng, D., van Deventer, J. S. J., & Aldrich, C. (2006). Ultrasonic defouling of reverse osmosis membranes used to treat wastewater effluents. Separation and Purification Technology, 50(3), 318-323. Gwon, E.-m., Yu, M.-j., Oh, H.-k., & Ylee, Y.-h. (2003). Fouling characteristics of NF and RO operated for removal of dissolved matter from groundwater. Water Research, 37(12), 2989-2997. Huotari, H. M., Trägårdh, G., & Huisman, I. H. (1999). Crossflow Membrane Filtration Enhanced by an External DC Electric Field: A Review. Chemical Engineering Research and Design, 77(5), 461-468. Ivnitsky, H., Katz, I., Minz, D., Shimoni, E., Chen, Y., Tarchitzky, J., . . . Dosoretz, C. G. (2005). Characterization of membrane biofouling in nanofiltration processes of wastewater treatment. Desalination, 185(1–3), 255-268. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

47

Daftar Pustaka Juang, R.-S., & Lin, K.-H. (2004). Flux recovery in the ultrafiltration of suspended solutions with ultrasound. Journal of Membrane Science, 243(1–2), 115-124. Klaysom, C., Ladewig, B.P., Lu, G.Q.M. & Wang, L. (2013) Recent Advances in Ion Exchange Membranes for Desalination Applications. In: Functional Nanostructured Materials and Membranes for Water Treatment. pp. 125-161. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Kobayashi, T., Kobayashi, T., Hosaka, Y., & Fujii, N. (2003). Ultrasound-enhanced membrane-cleaning processes applied water treatments: influence of sonic frequency on filtration treatments. Ultrasonics, 41(3), 185-190. Kuberkar, V. T., & Davis, R. H. (2001). Microfiltration of protein-cell mixtures with crossflushing or backflushing. Journal of Membrane Science, 183(1), 1-14. Laborie, S., Cabassud, C., Durand-Bourlier, L., & Lainé, J. M. (1998). Fouling control by air sparging inside hollow fibre membranes—effects on energy consumption. Desalination, 118(1–3), 189-196. Lamminen, M. O., Walker, H. W., & Weavers, L. K. (2006). Cleaning of particle-fouled membranes during cross-flow filtration using an embedded ultrasonic transducer system. Journal of Membrane Science, 283(1–2), 225-232. Lee, S., & Elimelech, M. (2007). Salt cleaning of organic-fouled reverse osmosis membranes. Water Research, 41(5), 1134-1142. Li, Q., & Elimelech, M. (2004). Organic fouling and chemical cleaning of nanofiltration membranes: measurements and mechanisms. Environmental Science & Technology, 38(17), 4683-4693. Liberman, B., & Liberman, I. (2005). Replacing membrane CIP by Direct Osmosis cleaning. International Desalination and Water Reuse Quarterly, 15(2), 28. Lim, A. L., & Bai, R. (2003). Membrane fouling and cleaning in microfiltration of activated sludge wastewater. Journal of Membrane Science, 216(1–2), 279-290. Lin, J. C.-T., Lee, D.-J., & Huang, C. (2010). Membrane fouling mitigation: membrane cleaning. Separation Science and Technology, 45(7), 858-872. Liu, C., Caothien, S., Hayes, J., Caothuy, T., Otoyo, T., & Ogawa, T. (2001). Membrane chemical cleaning: from art to science. Pall Corporation, Port Washington, NY, 11050. Liu, L., Liu, J., Gao, B., & Yang, F. (2012). Minute electric field reduced membrane fouling and improved performance of membrane bioreactor. Separation and Purification Technology, 86, 106-112. Marselina, Y., Lifia, Le-Clech, P., Stuetz, R. M., & Chen, V. (2009). Characterisation of membrane fouling deposition and removal by direct observation technique. Journal of Membrane Science, 341(1–2), 163-171. Meares, P., (1954), The Diffusion of Gases Through Polyvinyl Acetate, J. Am. Chem. Soc., 76, 3415. Mohammadi, T., Madaeni, S. S., & Moghadam, M. K. (2003). Investigation of membrane fouling. Desalination, 153(1–3), 155-160. Mores, W. D., & Davis, R. H. (2002). Direct observation of membrane cleaning via rapid backpulsing. Desalination, 146(1–3), 135-140. Mulder, H.V.M. (1995) Polarization phenomena and membrane fouling, in Noble, R.D., Stern, S.A. Membrane Separations Technology. Principles and Applications, Elsevier, 45-84. Mulder, M., (1996), Basic Principles of Membrane Technology 2nd edition, Kluwer Academic Publisher , London. Nguyen, T., Roddick, F. A., & Fan, L. (2012). Biofouling of water treatment membranes: a review of the underlying causes, monitoring techniques and control measures. Membranes, 2(4), 804-840. OEM Technical Manual Electropure™ XL Series EDI, 2008. Popović, S. S., Tekić, M. N., & Djurić, M. S. (2009). Kinetic models for alkali and detergent cleaning of ceramic tubular membrane fouled with whey proteins. Journal of Food Engineering, 94(3–4), 307315. Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2012

48

Daftar Pustaka Porcelli, N., & Judd, S. (2010). Chemical cleaning of potable water membranes: a review. Separation and Purification Technology, 71(2), 137-143. Psoch, C., & Schiewer, S. (2005). Long-term study of an intermittent air sparged MBR for synthetic wastewater treatment. Journal of Membrane Science, 260(1–2), 56-65. Qin, J. J., Liberman, B., & Kekre, K. A. (2009). Direct osmosis for reverse osmosis fouling control: principles, applications and recent developments. The Open Chemical Engineering Journal, 3(1), 816. Qin, J.-J., Oo, M. H., Kekre, K. A., & Liberman, B. (2010). Development of novel backwash cleaning technique for reverse osmosis in reclamation of secondary effluent. Journal of Membrane Science, 346(1), 8-14. Shirazi, S., Lin, C. J., & Chen, D. (2010). Inorganic fouling of pressure-driven membrane processes—a critical review. Desalination, 250(1), 236-248. Starn, S.A, Gareis, P.J., Sinclair, T.F., Mohr, P.H., (1963), Performance of a Versatile Variable-Volume Permeability Cell. Comparison of Gas Permeability Measurements by the VariableVolume and Variable-Pressure Methods, J.Appl. Pol. Sci., 7, 2035. Strathmann, H. (2010) Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications. Desalination. 264, 268-288. Tarazaga, C. C., Campderrós, M. E., & Pérez Padilla, A. (2006). Characterization of exponential permeate flux by technical parameters during fouling and membrane cleaning by electric field. Journal of Membrane Science, 283(1–2), 339-345. Valero, F., & Arbós, R. (2010). Desalination of brackish river water using Electrodialysis Reversal (EDR): Control of the THMs formation in the Barcelona (NE Spain) area. Desalination, 253(1–3), 170-174. Van der Roest, H. F., Lawrence, D. P., & Van Bentem, A. G. N. (2002). Membrane bioreactors for municipal wastewater treatment. IWA Publishing. Van der Waal, M. J., & Racz, I. G. (1989). Mass transfer in corrugated-plate membrane modules. I. Hyperfiltration experiments. Journal of Membrane Science, 40(2), 243-260. Vrouwenvelder, H. S., van Paassen, J. A. M., Folmer, H. C., Hofman, J. A. M. H., Nederlof, M. M., & van der Kooij, D. (1998). Biofouling of membranes for drinking water production. Desalination, 118(1– 3), 157-166. Widiasa, I.N., Wenten, I.G., (2007), Combination of reverse osmosis and electrodeionization for simultaneous sugar recovery and salts removal from sugary wastewater, Reaktor, 11, 91-97 Wenten, I.G. (1994), Application of crossflow membrane filtration for processing industrial suspensions. PhD Thesis, The Technical University of Denmark. Wenten, I.G. (1995), Mechanisms and control of fouling in crossflow microfiltration. Filtration & separation, 32(3), 252-253. Wenten, I. G. (2002). Recent development in membrane science and its industrial applications. J Sci Technol Membrane Sci Technol, 24(Suppl), 1010-1024. Wenten, I.G. (2009). Performance of newly configured submerged membrane bioreactor for aerobic industrial wastewater treatment. Reaktor, 12(3), 137-145. www.cediuniversity.com www.vsep.com Yeon, K.-H., Song, J.-H., Shim, J., Moon, S.-H., Jeong, Y.-U., & Joo, H.-Y. (2007). Integrating electrochemical processes with electrodialysis reversal and electro-oxidation to minimize COD and T-N at wastewater treatment facilities of power plants. Desalination, 202(1–3), 400-410.


49

Daftar Pustaka Zator, M., Ferrando, M., López, F., & Güell, C. (2009). Microfiltration of protein/dextran/polyphenol solutions: Characterization of fouling and chemical cleaning efficiency using confocal microscopy. Journal of Membrane Science, 344(1–2), 82-91 Zator, M., Warczok, J., Ferrando, M., López, F., & Güell, C. (2009). Chemical cleaning of polycarbonate membranes fouled by BSA/dextran mixtures. Journal of Membrane Science, 327(1–2), 59-68. Zondervan, E., & Roffel, B. (2007). Evaluation of different cleaning agents used for cleaning ultra filtration membranes fouled by surface water. Journal of Membrane Science, 304(1–2), 40-49.


50

TEKNIK REGENERASI MEMBRAN

Recommend Documents