Transcript 7. Teknologi Membran

Teknologi Membran
Hendrix Yulis Setyawan, STP. MSi
Pendahuluan: Proses Pemisahan
B
A
B
B
B A
A B
B
A
B
A
A
B
B
B
Fase dalam pemisahan:
•
•
•
•
•
•
Padat – cair atau cair – padat
Cair – cair
Gas – cair atau cair - gas
Padat – gas
Gas - gas
Padat – padat
Klasifikasi Proses Pemisahan
Sifat fisik/kimia
Proses Pemisahan
Ukuran
Filtrasi, Mikrofiltrasi, Ultrafiltrasi, Dialisis, Separasi
gas,
Tekanan Uap
Distilasi, Distilasi molekuler
Titik beku
Kristalisasi
Afinitas
Extraksi, Adsorpsi, Absorpsi, Reverse osmosis,
separasi gas, pervaporasi, chromatografi
Muatan listrik
Perturan ion, elektrodialisis, elektrophoresis, dialisis
difusi
Densitas
Sedimentasi, sentrifugasi, flotasi
Sifat kimia
Komplekasasi, aglomerasi
• Perbedaan dalam ukuran, tekanan uap,
muatan dan sifat kimia dapat menfasilitasi
separasi membran
• Kriteria umum untuk pemilihan proses
separasi:
– Pemisahan harus layak secara teknis
– Pemisahan harus layak secara ekonomis
• Faktor kelayakan teknis dan ekonomis:
– Tingkat separasi
– Kualitas produk
– Nilai ekonomi produk
– Sifat bahan/produk dan bidang
aplikasinya
– Jenis pengotor
– Konsumsi energi
– Kondisi lokasi, lingkungan dan
kebijakan
Tujuan Separasi:
Konsentrasi
Penghilangan pelarut
purifikasi
Penghilangan pengotor
fraksinasi
Campuran harus dipisahkan menjadi dua
atau lebih komponen yang diinginkan
Mediasi
reaksi
Kombinasi reaksi kimia/biokimia dengan
komponen tertentu untuk meningkatkan
laju reaksi
• Konsentrasi
 Sebagai produk adalah retentat
• Purifikasi
 Baik retentat ataupun permeat dapat sebagai produk yang
dikehendaki, tergantung jenis pengotor yang harus
dihilangkan
• Fraksinasi
 Baik retentat mapun permeat dapat menjadi produk
• Proses membran (proses fisik) dapat
dikombinasikan dengan proses lainnya, baik
proses kimia, biologis, maupun biokimia
 Laju reaksi dapat ditingkatkan
 Kesetimbangan reaksi dapat digeser
melalui pengambilan salah satu produk
dengan membran yang sesuai
Proses Membran
Proses membran dicirikan bahwa aliran umpan
dipilah menjadi dua aliran, yaitu aliran permeat/filtrat
dan aliran retentat/konsentrat
Dead-End Filtration
Feed
Crossflow filtrasi
Feed
Membran
Konsentrat
Membran
Filtrat/permeat
Filtrat/permeat
Fluks
Fluks
(L/m2hr)
Waktu
Waktu
Teknologi Membran:
• Keunggulan proses membran:
 Separasi dapat dilakukan secara kontinu
 Konsumsi energi umumnya rendah
 Dapat dikombinasikan dengan mudah dengan proses
lainnya (hybrid processing)
 Tidak diperlukan pengubahan fase medium
 Penggandaan skala (up-scaling) mudah
 Sifat membran bersifat variable dan dapat dikendalikan
 Tanpa bahan tambahan
Proses Membran
Relatif baru  terus
berkembang
Genenasi pertama:
 Mikrofiltrasi (MF)
 Ultrafiltrasi (UF)
 Nanofiltrasi (NF)
 Reverse Osmosis (RO)
 Eletrodialisis (ED)
 Membrane Electrolysis (ME)
Generasi Kedua:
Separasi gas (GS)
Vapour Permeation
(VP)
Pervaporation (PV)
Membrane Distillation
(MD)
Membrane Contactor
(MC)
Membran:
• Sebagai jantung proses membran
• Sebagai permselective barrier atau interface antar
dua fase
• Pemisahan terjadi karena membran memiliki
kemampuan mentransport satu komponen dari
campuran umpan lebih selektif daripada komponenkomponen lainnya
Fase 2
Fase 1
Permeat
Feed
Membran
Kinerja atau Effisiensi Proses Membran:
• Ditentukan oleh dua parameter:
– Selektivitas
– Fluks atau laju permasi (L/m2hr atau kg/m2hr atau mol/m2hr)
atau koefisien permeabiltas (L/m2.hr.bar)
• Selektivitas umumnya dinyatakan oleh satu dari dua
parameter: retensi ( R ) atau faktor pemisahan ( )
cF  cP
cP
R
 1
cF
cF
R=1  pemisahan sempurna
R=0  tidak terjadi pemisahan
cF dan cP masingmasing adalah
konsentrasi suatu
komponen dalam
Feed dan Permeat
Selektivitas membran:
Selektivitas membran digunakan untuk campuran gas
atau campuran cairan organik umumnya dinyatakan
dalam faktor separasi ():
 A/B 
y A / yB
x A / xB
yA dan yB: konsentrasi komponen A dan B dalam permeat
xA dan xB: konsentrasi komponen A dan B dalam feed
Jika laju permeasi komponen A melalui membran
lebih besar daripada komponen B, faktor separasi
dinyatakan sebagai A/B, jika sebaliknya dinyatakan
sebagai B/A
Definisi suatu Membran
• Definisi umum: membrane is a selective barrier
between two phases, the term ‘selective’ being
inherent to a membrane or a membrane process
• Membran:
–
–
–
–
Ketebalan: dapat tipis atau tebal
Struktur: dapat homogen atau heterogen
Transport: dapat aktif atau pasif
Dapat alami atau buatan
Klasifikasi Membran
Membran
Sintetik
cair
Biologik
Bentuk
Padat
Biologik
Anorganik
Non-Porous
(bermuatan/tak-bermuatan)
Porous
Asimetrik
Inversi fase
Komposit
Asal
Simetrik
Bahan
Morfologi/
Struktur
Asimetik
Produksi
Proses Membran
• Transpot melalui membran terjadi akibat dari daya
penggerak yang dikenakan pada komponenkomponen dalam feed
• Dalam banyak kasus, laju permeasi (fluks)
proporsional terhadap daya penggerak (driving
force)
• Proporsionalitas antara fluks (J) dan daya
penggerak:
J  A
dX
dx
dimana A = koefisien fenomenologis, dan dX/dx =
daya penggerak, yang dinyatakan sebagai gradien X
(tekanan, consentrasi, temperatur) sepanjang x
transport barrier
• Selain untuk transport massa, persamaan
fenomenologis juga digunakan untuk mendiskripsikan
transport fluks panas, fluks volume, fluks momentum,
dan fluks elektrik
• Koefisien fenomenologis hubungan antara fluks dan
daya pendorong adalah:
–
–
–
–
–
Koefisien difusi, D (Hk. Fick)
Koefisien permeabilitas, Lp (Hk. Darcy)
Difusivitas termal,  (Hk. Fourier)
Viskositas kinematis, =/ (Hk. Newton)
Kondoktivitas elektrik, 1/R (Hk. Ohm)
Persamaan Fenomenologis:
dc
Fluk sMassa Jm  -D (Fick )
dx
dP
Fluk s Volume Jv  L P
(Darcy )
dx
dT
Fluk sPanas Jh  
(Fourier)
dx
d
Fluk sMomentumJn  
(Newton)
dx
1 dE
Fluk sElek trik Ji  
(O hm)
R dx
Membran Proses dan Daya Penggeraknya
Proses Membran
Phase 1
Phase 2 Driving Force
MF, UF, NF, RO, Piezodialisis
Liquid
Liquid
DP
Pervaporasi
Liquid
Gas
Dp
Elektrodialisis, Elektrolisis Membran
Liquid
Liquid
DE
Dialisis, Dialisis Difusi
Kontaktor membran:
Liquid
Liquid
Gas
Liquid
Liquid
Liquid
Liquid
Gas
Dc
Dc
Dc/Dp
Dc/Dp
Liquid
Liquid
DT/Dp
Gas
Gas
Dp
Thermo-osmosis
Distilasi membran
Separasi gas, Vapour permeasi
Fluks Tipikal untuk MF, UF, NF dan RO
Proses
Membran
Tekanan
(bar)
Permeabilitas
(L.m-2.hr-1.bar-1)
MF
0,1 – 2,0
> 50
UF
1,0 – 5,0
10 – 50
NF
5,0 – 20
1,4 – 12
RO
10 - 100
0,05 – 1,4
Perbedaan Tekanan (bar)
1000
100
Reverse
Osmosis
Nano-
10
filtrasi
Ultrafiltrasi
1
Mikrofiltrasi
Filtrasi
0,1
0,0001
0,001
0,01
0,1
Ukuran Partikel/Molekul (
1
10
m m)
100
Perbandingan MF, UF, NF dan RO
MF
UF
NF/RO
Pemisahan partikel
Pemisahan makromolekul
Pemisahan larutan BM
rendah (garam, glukosa,
laktosa, mikropolutan
Tekanan osmostik dapat
diabaikan (tanpa polarisasi
konsentrasi)
Tekanan osmotik dapat
diabaikan
Tekanan osmotik tinggi (1 –
25 bar)
Tenakan transmembran
rendah (< 2 bar)
Tenakan transmembran
rendah (1-10 bar)
Tenakan transmembran tinggi
(10 - 60 bar)
Struktur membran simetrik
atau asimetrik
Struktur membran asimetrik
Sruktur membran asimetrik
Ketebatal layer pemisah:
Simetrik: 10 – 150 mm
Asimetrik: 1 mm
Ketebatal layer pemisah
aktual: Simetrik: 0,1 –1,0 mm
Ketebatal layer pemisah
aktual: Simetrik: 0,1 –1,0 mm
Pemisahan akibat perbedaan
ukuran partikel
Pemisahan akibat perbedaan
ukuran
Pemisahan akibat perbedaab
kelarutan dan difusivitas
Mikrofiltrasi (MF)
 MF dapat memisahkan
partikel berukuran > 0,05
mm
 Bahan berukuran < 0,05
mm (garam/ion, gula &
protein) melewati
membran MF
 Ukuran pori: 0,08 – 10
mm Tekanan : 0,1 – 3 barAir
Padatan
tersuspensi,
sel/biomass, koloid
Membran
Garam/ion,
Makromolekul
Membran MF (summary):
Membran:
Simetris atau asimetris
Ketebalan:
10 – 150 mm
Ukuran Pori:
0,05 – 10 mm
Driving force:
Tekanan (< 2 bar)
Prinsip separasi:
Mekanisme penyaringan
Bahan membran
Polimer atau keramik
Aplikasi:
Aplikasi analitis, sterilisasi (pangan, minuman,
farmasi, klsrifikasi minuman (juice, bir, wine),
pemisahan sel/biomassa/bioreaktor, air ultrabersih, recovery metal sebagai oksida atau
hidroksida koloid, fermentasi kontinu,
pemisahan emulsi air-minyak, waste-water
treatment, plasma-pheresis
Ultrafiltrasi (UF)





UF dapat memisahkan
bahan berukuran > 0,005
mm (BM > 1000 Da)
UF dan MF adalah identik,
hanya membran UF
asimetris  membarn lebih
dense
Molekul berukuran kecil
(garam/ion, dan gula) dapat
melewati membran UF
Aliran permeat dapat
digambarkan dengan pers.
Konseny-Carmen
Tekanan: 1 – 10 bar
.
Partikeldan
Makromolekul
Membran
Air
Garam-garaman
/ion, gula
Membran UF (Summary):
Membran
Asimetris
Ketebalan
 150 mm
Ukuran pori
1 – 100 nm
Driving force
Tekanan (1 – 10 bar)
Prinsip Pemisahan
Mekanisme penyaringan
Bahan membran
Polimer (e.g. polysulfone, polyacrylonitrile)
Keramik (e.g. Zirconium oxide, aluminium oxide)
Aplikasi
Industri susu (milk, whey, cheese making), industri pangan
(pati, protein), klarifikasi minuman, pemisahan emulsi minyakair, recovery electropaint, dan produk/produk samping,
farmasi (enzym, antibiotik, pyrogen), water/ wasteater
treatment, daur-ulang air, disinfeksi, penghilangan minyak,
membran-bioreaktor
Nonofiltrasi (NF)
.
Partikel,
makromolekul,
ion bivalen
Membran
Air
Ion bervalensi satu






Terletak diantara UF dan RO
Tekanan: 10 – 35 bar
Dapat memisahkan ion dwivalensi (Mg2+ dan Ca2+),
penghilangan kesadahan
MWCO: > 250 Da
Tipikal rejeksi (5 bar, 200 ppm):
60 % NaCl, 80 %, Ca(CO3)2, 98
% MgSO4, Glukosa, Sukrosa
Aplikasi:Pemisahkan gula
(sumber C-eksternal), eliminasi
warna, TOC, TDS, dan
kesadahan, logam berat
NF (Summary):
Membran
Komposit
Ketebalan
Sublayer  150 mm; toplayer  1 mm
Ukuran pori
< 2 nm
Driving force
Tekanan (10 – 25 bar)
Prinsip
Pemisahan
Solution-diffusion
Bahan membran Polyamide (interfacial polymerization)
Aplikasi
Desalinasi air payau, penyisihan
mikropolutan, pelunakan air, wastewater
treatment, retensi pewarna (industry
tekstil)
Hiperfiltrasi/Reverse Osmosis (RO)




Membran non-porous,
.
hampir hanya air yang
dapat melewati membran
RO
Garam/ion dan bahan
organik > 50 Da dapat
dihalangi membran RO
Tekanan: 20-60 bar, tetapi
dapat juga s/d 200 bar
Aplikasi: penanganan
leachate, penghilangan
logam berat, gram-graman,
dan bahan organik sintetik Air
Partikel dan
Makromolekul, ion
bervalensi dua Ion
bervalensi satu
Membran
Reverse osmosis/Hiperfiltasi (Summary):
Membran
Asimetris atau Komposit
Ketebalan
Sublayer  150 mm; toplayer  1 mm
Ukuran pori
< 2 nm
Driving force
Tekanan: air payau 15 – 25 bar; air laut: 40 –
80 bar
Prinsip Pemisahan
Solution-diffusion
Bahan membran
Cellulose triacetate, aromatic polyamide,
polyamide dan poly(ether urea) (interfacial
polymerizaztion)
Aplikasi
Desalinasi air payau/air laut, produksi air ultrabersih (industri lektronik), pengkonsentrasian
juice atau gula, milk penyisihan mikropolutan,
wastewater treatment
Nanofiltrasi dan Reverse Osmosis
Larutan
RO
NF
Ion monovalen (Na,
K, Cl, NO3-
> 90 %
< 50 %
Ion bivalen (Ca, Mg,
SO42-, CO32-
> 99 %
> 90 %
Bakteri dan virus
> 99 %
< 99 %
Microsolute (BM >
100)
> 90 %
> 50 %
Microsolute (BM <
100
0 – 99 %
0 – 50 %
DP
Jw
D
0
DP
If DP < D
Jw
Jw
If DP > D
Skema aliran air (Jw) sebagai fungsi dari tekanan osmotik (D)
BAHAN MEMBRAN
• Bahan Organik (Polimer):
– Polimer untuk Membran berpori
– Polimer untuk membran tak-berpori
• Bahan anorganik:
–
–
–
–
Membran keramik
Membran gelas
Membran metal (termasuk karbon)
Membran zeolit
Polimer untuk Membran
• Pada dasarnya semua polimer dapat digunakan
sebagai bahan membran, tetapi karena karakteristik
kimia dan fisiknya sangat bervariasi, sehingga hanya
beberapa jenis polimer yang baik untuk bahan
membran
• Klasifikasi:
– Polimer untuk membran berpori (MF dan UF)
– Polimer untuk membran tak-berpori (GS dan PV)
 Kedua jenis membran tersebut sangat berbeda
Untuk membran berpori:
• Pilihan polimer ditentukan
oleh metode pembuatan
membran (membran
manufacturing) dan stabilitas
terhadap pengaruh panas
dan bahan kimia
• Jenis bahan menentukan
stabilitas membran (kimia,
mekanis, panas, dan
biologis), tetapi tidak
menentukan rejeksi
Untuk membran tak-berpori:
• Pilihan polimer ditentukan
oleh selektivitas dan fluks
yang diinginkan
Sisi
Feed
Sisi
Permeat
Membran berpori
Sisi
Feed
Sisi
Permeat
Membran tak-berpori
Karakteristik Membran Berpori:
• Pemisahan terjadi akibat
perbedaan ukuran
partikel/molekul
• Ukuran pori membran relatif
terhadap ukuran partikel
menentukan tingkat
selektivitas
• Selektivitas akan tinggi, jika
ukuran partikel > ukuran pori
membran
• Contoh: MF, UF
Karakteristik Membran takberpori:
• Pemisahan terjadi akibat
perbedaan laju kelarutan
(solubility) dan/atau
perbedaan difusivitas
(Diffusivity)
• Tingkat kelarutan dan
difusivitas ditentukan oleh
sifat instrinsik bahan
membran
• Contoh: PV, VS, GS, dialisis
• Membran ber-pori:
– Ukuran pori: MF 0,1 – 10 mm; UF 2 – 100 nm
– Selektivitas ditentukan oleh ukuran pori
– Jenis polimer menentukan fenomena adsopsi dan stabilitas
kimia saat operasi atau pencucian
 Pemilihan bahan tidak ditentukan oleh fluks atau
selektivitas, tetapi oleh pertimbangan kestabilan bahan
 Fluks dan selektivitas dapat dikendalikan dengan
pengaturan ukuran pori melalui kondisi proses pembuatan
membran
! Fluks  Selektivitas atau Selektivitas  Fluks 
Optimasi
• Problema utama dalam MF adan UF adalah
penurunan fluks akibat polarisasi konsentrasi dan
fouling
 Pemilihan bahan MF dan UF didasarkan pada
kemudahan pencegahan terjadinya fouling dan
bagaimana cara memulihkan kembali kemampuan
membran setelah terjadi fouling
Fluks
Fenomena Polarisasi
Konsentrasi
Fenomena
Fouling
Waktu Operasi
Polimer untuk MF
Polikarbonat
Poly(vinylidene-fluoride) – PVDF
Poly(tetrafluoroethylene) – PTFE
Polypropylene – PP
Polyamide – PA
Cellulose-Esters
Polysulfone – PS
Poly(ether-imide)
Polyetherether ketone
Membran hidropobik:
– Tidak dapat basah oleh air secara spontan
 perlu pre-wetted (misalnya dengan ethanol)
Membran hidrofilik:
 Tendensi adsorpsi rendah
 Misalnya membran dari selulosa atau turunannya
Kelebihan dan Kekurangan Membran
Anorganik
Kelebihan
•Tahan terhadap panas
• Tahan terhadap bahan kimia
• Tahan lama
• Ukuran pori dapat lebih mudah dikendalikan
• Dapat dibackwashing
Kekurangan • Sifat keras dan kaku, menuntut konstruksi
khusus
• Biaya investasi tinggi
• Ketahanan terhadap temperatur sering dibatasi
oleh bahan pengedap pada sambungansambungan modul atau sistem perpipaan
Peralatan pengujian kinerja membran (contoh)
Daur-ulang krom dari limbah cair industri penyamakan kulit
Limbah cair:
Kulit Mentah
(1 ton)
Air,
Cr
PENYAMAKAN
 V = 0,8 m3 (1,5%)
 Cr = 80 mg/L (6 ton)
Na2CO3
Daur-ulang
Krom
Kulit jadi
(200 kg)
H2SO4
Pre-treatment
Sedimentasi/
membran filtrasi
Asidifikasi
Efluen
Daur-Ulang Sulfida dari limbah cair industri penyamakan kulit
Kulit mentah
Penyamakan
(1 ton)
ton
Air Limbah :
V = 5 - 8 m 3 ; S = 6 kg
Filtrasi Membran
Kulit
Samak
(0,2 ton)
Daur Ulang S
Konsen trat /
Pakan
Instalasi (perspektif)
terimakasih