Dehidrasi Etanol Dengan Teknik Pervaporasi

A90SIASI POLlTEKNIK INDONESIA

A

JURNAL

Jurnal P Et PT Vol. IV, NO.1 (2006) 182.191

e"

DEHIDRASI ETANOL DENGAN TEKNIK PERVAPORASI MENGGUNAKAN MEMBRAN POLl(VINIL ALKOHOL) TERMODIFIKASI

1HARYADI, ~OTO SUBROTO, dan 2YEN1 QODRIANI2 1Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung(POLBAN) Program Ekstensi Kimia Industri, Jurusan Kimia FMIPA . UNPAD

ABSTRAKDalam penelitian ini, dehidrasi etanol pada kondisi azeotropik, 95 %, dengan teknik pervaporasi dilakukan menggunakan membran poli(vinil alkohol), PVA, yang dimodifikasi dengan asam malat (MA). Modifikasi dilakukan untuk menurunkan derajat pengembangan PVA dengan jalan pembentukan ikatan silang di antara rantai polimer. Morfologi membran diamati menggunakan SEM sedangkan kinerja proses diamati dengan melihat pengaruh komposisi PVA/MA, temperatur operasi, dan konsentrasi umpan, terhadap laju permeasi dan faktor pemisahan. Membran yang telah dibuatjuga diuji derajat pengembangannya dengan variasi komposisi etanol antara 80-95 % pada 35C. Diperoleh hasil bahwa derajat pengembangan menurun dengan meningkatnya konsentrasi etanol. Rasio optimum PVA/MA diketahui berada pada komposisi 85/15 (v/v) untuk campuran etanol 95 % pada suhu 35C. Faktor pemisahan 55,92 dan laju permeasi 0,151 kg/ m2jam diperoleh untuk komposisi membran PVA/MA 85/15, pada suhu 35C, dan konsentrasi etanol umpan 95 % dengan konsentrasi etanol retentat yang dihasilkan sebesar 99,31 % dan konsentrasi etanol permeat sebesar 24,59 %. Kata Kunci: PVA, Asam Malat, Pervaporasi

ABSTRACTIn this research, the pervaporation for dehydration of ethanol-water mixture was carried out using Poli(vinyl alcoho/), PVA, membranes modified using malic acid (MA). Modification has been done to reduce the degree of swelling of PVA by cross/inking formation within the polymer chains. Membrane morphology was observed by using SEM whereas process performance such as the effects of PVA/MA ratio, operating temperature, and feed concentration, on the membrane permeation rate and separation factor was investigated. The result indicates that degree of swelling decreased as ethanol concentration increased. Optimum PVA/MA ratio was determined as 85:15 (v/v) for 95 % ethanol mixtures at 35C. The prepared membranes were also tested for the degree of swelling with various compositions of ethanol-water mixtures between 80 - 95 % ethanol content at 35C. Typically, separation factor of 55,92 and permei.Juon rate of 0,151 kg/m2h was obtained for PVA/MA ratio as 85/15, temperature at 35C and :; 5% ethar. ... concentration in the feed with retentate concentration at 99,31 % and permeate : , oncentration at 24,59 %. Keywords: PVA, Malic Acid, Pervaporation

182

http://www.univpancasila.ac.id

7/29

_____________________________

Vol. IV, No.1, Juni 2006

PENDAHULUANMembran merupakan suatu lapisan tipis yang memisahkan dua fasa dan bertindak sebagai pembatas selektif terhadap perpindahan materi. Membran tidak hanya bertindak sebagai material yang pasif, tetapi lebih tepat dianggap sebagai material fungsional. Operasi membran merupakan suatu operasi yang membagi umpan menjadi dua aliran yaitu permeat yang berisi material-material yang dapat melalui membran dan retentat yang merupakan material yang tidak mampu melewati membran. Operasi membran dapat digunakan untuk memekatkan atau memurnikan larutan atau suspensi (pelarut zat terlarut atau pemisahan partikel) dan untuk memisahkan suatu campuran (Bungay, et al., 1983).Pemisahan berdasarkan membran berpotensi penting karena lebih sedikit energi yang digunakan dan lebih ekonomis dibandingkan dengan teknologi pemisahan lainnya. Salah satu kemajuan terbaru dalam pemisahan berdasarkan membran satu diantaranya adalah pervaporasi. Pervaporasi adalah proses pemisahan yang mengontakkan campuran larutan secara langsung dengan salah satu sisi dari membran (upstream side), sedangkan produknya yaitu permeat atau pervaporat, dikeluarkan dalam fasa uap dari sisi membran yang lain (down stream side) (Bungay, et al., 1983).Pervaporasi merupakan teknik pemisahan menggunakan membran yang saat ini berkembang dan dianggap dapat menjadi alternatif pengganti proses distilasi pada campuran azeotropik serta dehidrasi pelarut. Hal ini terutama terlihat dari penggunaan energi yang sangat efisien (Huang, et al., 2006). Tabel 1. menunjukkan penggunaan energi oleh berbagai metode pemisahan dalam dehirasi etanol.Tabell. Kebutuhan energi untuk dehidrasi etanol-air (Huang, et al., 2006)

Dari tabel tersebut dapat dilihat bahwa pervaporasi merupakan pilihan yang paling hem at energi dalam dehidrasi etanol-air (Huang, et al., 2006). Dalam pervaporasi, campuran cairan yang akan dipisahkan dikontakkan dengan salah satu sisi membran dan permeatnya dikeluarkan pada tekanan uap rendah dari sisi membran yang lain. Berdasarkan sifat difusi larutan, pervaporasi berlangsung tiga tahap: (1)penyerapan permean dari campuran cairan ke dalam membran; (2)difusi permean melalui membran, dan (3) desorpsi permean menjadi fasa uap (Gambar 1.) (Durmaz-Hilmioglu, et al.,2001).Membrane

Dissolution

- o,~.o o o 0o ~ ~.

o

Permeate vapor

0,>

Feed 0 liquid

0-0Evaporation

Gambar 1. Prinsip kerja membran pervaporasi (Feng Huang, 1997)

Peningkatan tekanan pada sisi bawah membran dalam pervaporasi dapat menurunkan faktor pemisahan. Tekanan pada sisi bawah membran pervaporasi ini menentukan parameter laju permeasi, tetapi tekanan pada sisi atas membran hanya memberi pengaruh yang sangat sedikit (Bungay, et al., 1983). Ketika suhu operasi dinaikkan, laju permeasi pervaporasi meningkat sesuai dengan per samaan Arrhenius. Energi aktivasi yang diperoleh mencapai 50 kJ/mol yang dapat meningkatkan laju permeasi 20"lo/K. Pengaruh ini sangat penting karena faktor pemisahan menurun dengan meningkatnya suhu operasi (Bungay, et al., 1983). Karena kelarutan dan difusivitas dari campuran yang akan dipisahkan meru-

8,0 99,5 95,0 99,5 95,0 - 99,5

10376 3305 423

Jurnal PEtPT

183


7/29

Haryadi,

Toto Subroto, dan Veni Qodriani-

Dehidrasi Etanol dengan Teknik Pervaporasi

pakan fungsi dari konsentrasi komponen yang terkandung di dalamnya maka laju permeasi dan faktor pemisahan tergantung pada komposisi umpan. Secara umum, laju permeasi akan meningkat jika campuran kaya akan permean (Bungay, et al., 1983).

pada asam asetat konsentrasi tinggi, dan oleh karena itu, lebih banyak digunakan distilasi azeotropik dengan lebih banyak energi yang dibutuhkan at au digunakan ekstraksi pelarut (Isiklan & Sanli, 2005).

Terdapat dua tipe membran pervaporasi untuk campuran etanol-air, yang pertama yaitu permselektif air dan kedua yaitu per mselektif etanol. Membran permselektif etanol baik digunakan untuk konsentrasi etanol rendah dan membran permselektif air baik digunakan untuk umpan dengan konsentrasi etanol tinggi seperti pada dehidrasi etanol dan turunannya. Khususnya dalam proses dehidrasi etanol umpan yang mengandung konsentrasi etanol tinggi atau kondisi azeotropik (95 %) akan tertahan oleh membran yang memiliki karakter hidrofilik tinggi serta permselektif terhadap air sehingga pada bagian permeat akan mengandung konsentrasi air lebih banyak dibandingkan dengan bagian retentat (Feng & Huang, 1997). Untuk menyesuaikan membran dengan campuran yang akan dipisahkan, beberapa teknik seperti ikat silang, blending, dan kopolimerisasi dapat dilakukan (Huang, 1991). Dehidrasi dengan pervaporasi daTi asam dan basa organik dianggap penting karena sebagian besar dari campuran tersebut membentuk azeotrop atau menghasilkan pinch pada kurva kesetimbangan uap-cair. Pervaporasi juga merupakan metoda hemat energi untuk pemisahan senyawa dengan titik didih yang berdekatan dan campuran yang terdiri dari senyawa yang peka terhadap panas. Asam asetat adalah salah satu dari dua puluh-teratas senyawa organik antara yang digunakan dalam industri kimia dan campurannya dengan air ditemukan dalam preparasi beberapa zat antara, seperti asam asetat itu sendiri, vinil asetat, anhidrida asetat, anhidrida ftalat, dan sebagainya. Pemisahan asam asetat daTi air dengan distilasi biner biasa sulit dilakukan berkaitan dengan rendahnya volatilitas relatifnya, khususnya

Berdasarkan pertimbangan terse but, teknik pervaporasi dapat menjadi salah satu pilihan proses alternatif untuk menghemat energi. Proses ini memberi perolehan permeat yang efektif daTi media cair dan mencegah terjadinya pembatasan tekanan osmosis pada proses osmosis balik dengan menjaga permeat di bawah tekanan uap jenuhnya. Meskipun vaporasi daTi bagian tangki umpan dibutuhkan dalam proses ini, tekanan permeasi dapat dikurangi dengan menggunakan pompa vakum atau gas-sweeping. Pada umumnya, pervaporasi dapat digunakan secara praktis ketika faktor pemisahan membran jauh lebih tinggi daripada untuk vaporasi biasa dan ketika laju permeasi tinggi (lsi klan & Sanli, 2005).

Pada beberapa tahun terakhir, penelitian mengenai pervaporasi ditekankan pad a pengembangan membran polimer baru yang mempunyai faktor pemisahan tinggi dan laju permeasi yang optimum dengan stabilitas yang baik terhadap campuran yang akan dipisahkan. Beberapa membran permselektif untuk air telah dicoba dari polimer hidrofilik, seperti poli(asam akrilat)-nilon 6, poli (akr ila t-co-s tirena), po li(4-vinilpiridinaco-akrilonitril), nafion, dan poli(vinil alkohol) dicampur dengan poli(vinil pirolidon), untuk digunakan dalam pervaporasi, tetapi sangat sedikit yang efektif untuk digunakan pada dehidrasi asam asetat (Huang, et.al., 2006; Isiklan & Sanli, 2005).

Poli(vinil alkohol) adalah salah satu pilihan yang mungkin untuk proses pemisahan campuran asam asetat-air berkaitan dengan sifat-sifatnya, seperti hemat biaya, mempunyai stabilitas kimia, kemampuan membentuk film, dan sangat hidrofilik. Namun demikian, PYA

184 Jurnal PEtPT


7/29

Vol. IV, NO.1, Juni 2006

mempunyai suatu kelemahan yaitu stabilitas yang rendah dalam air. Dengan demikian, PYA harus dibuat tidak dapat larut dalam air dengan cara reaksi modifikasi seperti mencampur, grafting, atau ikat silang, untuk membentuk membran yang stabil dengan sifat mekanik yang baik dan mempunyai permeabilitas yang selektif terhadap air (Isiklan & Sanli, 2005). Pada studi lain dari Nguyen et aI., bagian yang memuat gugus karboksilat, terikat secara kovalen pada PYA dengan tujuan untuk menunjukkan peningkatan kinerja membran tanpa beresiko terekstraksi oleh campuran asam asetat-air. Grafting dari asam asetat telah dilakukan pada sisi radikal dari oksidasi Ce" pada membran PYA. Meskipun grafting dari asam asetat menghasilkan membran dengan permeabilitas tinggi, namun faktor pemisahannya masih rendah (Isiklan & Sanli, 2005). Pengenalan struktur ikat silang pada membran PYA untuk meningkatkan sifat dari pemisahan pervaporasi membran untuk sistI: m larutan asam asetat-air juga telah dilakukan. Ketidak larutan PYA dalam air dikarenakan adanya ikat silang dengan dialdehid, seperti glutaraldehid (GA), telah dibuktikan dengan struktur ikat silang yang diperoleh dari reaksi antara gugus hidroksil pada PYA dan gugus aldehid pada GA dalam kondisi keasaman yang kuat (Isiklan & Sanli, 2005). Selanjutnya, Isiklan dan Sanli telah mencoba untuk mengikat silang membran PYA dengan menggunakan asam malat yang merupakan asam dikarboksilat (asam suksinat) dengan gugus hidroksil dan bertujuan untuk mengikat silang membran PYA melalui reaksi antara gugus karboksil pada asam malat dan gugus hidroksil pada PYA tanpa kehilangan sifat hidrofiliknya. Membran yang dihasilkan, dengan konsentrasi MA yang bervariasi, dikarakterisasi melalui spektroskopi Fourier transform infrared, analisis termal, pengukuran derajat pengembangan, dan diterapkan pada pervaporasi dari campuran asam

asetat-air. Dari penelitian tersebut diketahui pengaruh ketebalan membran, temperatur operasi, dan konsentrasi umpan terhadap kinerja pervaporasi (Isiklan & San Ii, 2005).

Dengan banyak filiknya, dengan untuk seperti ini.

melihat struktur PYA yang memiliki gugus hidroksil serta sifat hidromaka modifikasi membran PYA asam malat dapat pula diaplikasikan pemisahan campuran alkohol-air, yang dilakukan didalam penelitian

BAHAN DAN METODABahan PenelitianBahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah poli(vinil alkohol) (PYA), asam malat (MA), etanol teknis, etanol pro analisis, dan aquades.

Alat-alat yang DigunakanAlat-alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah serangkaian alat pervaporasi hasil rancang bangun (Gambar 2), refraktometer ATAGO-lT, Scanning Electron Microscopy (SEM) JSM - 35 C, perangkat casting membran yang terdiri atas pelat kaca ukuran 20 x 20 cm dan batang silinder perata, serta peralatan gelas yang umum digunakan dalam laboratorium.

Penjebak dll'gin

o

0

Pompa

Penangasairdengan pel1gendaliensuhu

Gambar 2. Ske11la alat pcrvaporasi

Jurnal PfrPT

185


7/29

Haryadi, Toto Subroto, dan Veni Qodriani-

Dehidrasi tonal dengan Teknik Pervaporasi

--------

METODEPenelitian ini dilakukan dengan mengadopsi metode yang telah dilakukan oleh Isiklan dan Sanli (Isiklan & Sanli, 2005) dengan sejumlah modifikasi yang meliputi preparasi membran dengan variasi komposisi poli(vinil alkohol) (PYA)/asam malat (MA). Analisis membran dilakukan dengan mengamati morfologi membran menggunakan Scanning Electron Microscopy (SEM) dan kemudian menghitung derajat pengembangan (degree of swelling). Dehidrasi etanol melalui metode pervaporasi dengan variasi suhu umpan serta konsentrasi etanol umpan terhadap kinerja membran diamati sehingga dapat dihitung faktor pemisahan (ex) dan laju permeasi (J) serta analisis etanol yang dihasilkan melalui pengukuran indeks bias mengggunakan refraktometer.

konsentrasi 80, 85, 90, dan 95% pada suhu 35C selama 48 jam, kemudian membran ditimbang secepat mungkin setelah dibersihkan dengan tissue pembersih. Lalu sampel dikeringkan dalam desikator pada suhu kamar hingga beratnya konstan. Derajat pengembangan atau swelling degrees, SD, dihitung sebagai berikut:

3D = Ms

-

Md xlOO

(1)

Mddengan Ms mengembang kering. adalah massa sampel yang dan Md adalah massa sampel

PervaporasiPeralatan yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2. Sel pervaporasi berupa dua sel kompartemen (terbuat dari bahan PMMA) yang terikat bersama dengan pengikat. Membran ditempatkan di at as pendukung gelas berpori dalam sel. Daerah membran yang efektif adalah 2,83.10-3 m2. Tekanan pada bagian aliran bawah dijaga pada 50 cmHg (dibawah vakum) dengan bantuan pompa vakum. Campuran umpan disirkulasi untuk mencegah polarisasi konsentrasi dengan pompa peristaltik melalui sel dari tangki umpan, yang dijaga pada suhu konstan. Ketika mencapai kondisi aliran yang steady-state, uap permeat dikumpulkan dalam perangkap air es dan etilen glikol, kemudian ditimbang. Konsentrasi etanol permeat dihitung dengan mengukur indeks biasnya menggunakan refraktometer dengan bantuan kurva standar untuk campuran etanol-air yang telah dipersiapkan. Karakteristik membran ditunjukkan dengan faktor pemisahan (selektivitas) dan laju permeasi (fluks). Faktor pemisahan, ex diberikan oleh:(X=

PreparasiMennbranLarutan PYA 10% (b/v) disiapkan dengan melarutkan sejumlah PYA padatan dalam air dan direfluks pada suhu 100C sambil diaduk selama 6 jam. Lalu, larutan PYA tersebut dicampur dengan 7,5% (b/v) larutan MA dengan berbagai rasio PYA/MA (v/v) yang ditentukan dan diaduk selama satu hari pada suhu kamar untuk membentuk larutan homogen. Membran di-cast di atas pelat kaca kemudian diuapkan pada suhu kamar untuk membentuk membran. Membran yang sudah kering dipanaskan pada oven selama 1 jam pada suhu 150C, lalu ditaruh dalam larutan etanol untuk penggunaan lebih lanjut.

Yariasi yang dilakukan pada preparasi membran ini adalah variasi komposisi PYA/ MA untuk membran, yang terdiri atas: a) PYA/MA 90/10, b) PYA/MA 85/15, c) PYA/ MA 80/20, d) PYA/MA 75/25.

,

Yllo() / YColi Oil- ,XII,o / XC,ff,OIl

(2)

Pengukuran

Derajat Pengennbangan

Sampel membran yang sudah kering dicelupkan dalam campuran etanol-air dengan

dengan XHzo' XCzH,OH' YHzO dan YCzH,OH berturutturut adalah fraksi berat dari air dan etanol

186 Jurnal P&'PT http://www.univpancasila.ac.id 7/29

Vol. IV, NO.1, Juni 2006

dalam umpan dan dalam permeat. Air adalah komponen permeasi yang sangat istimewa. Laju permeasi (J) ditentukan nakan persamaan: dengan menggu-

dengan laju permeasi berkurang dengan ber tambahnya kandungan MA dalam membran PYA, sedangkan faktor pemisahan meningkat dengan bertambahnya kandungan MA dalam membran PYA. QII) tel

(3)

45 40

c: 35

dengan Q, A, dan t berturut-turut menunjukkan berat permeasi (kg), daerah membran efektif (m2), dan waktu operasi (jam).

g'~ ~Cl

30 25 2015

a; a.

n;CI>

105

.~

HASIL DAN PEMBAHASANPengaruh Penambahan pada Membran Zat Pengikat Silang

c 08085

90

95

Konsentrasi Etanol (%)-0-

SO PVAlMA

90/10

---+- SO PVAlMA85/15~ SO PVAlMA 80/20

Pada pervaporasi yangmenggunakanmembran poli(vinil alkohol) (PVA) untuk dehidrasi etanol, zat pengikat silang memegang peranan yang sangat penting untuk memperoleh hasil yang diinginkan. Pengaruh yang pertama, zat pengikat silang ini memberikan ketahanan yang lebih terhadap membran, sehingga laju permeasinya lebih kedl. Yang kedua, zat pengikat silang dapat mengatur sifat hidrofilik atau hidrofobik dari material membran (Huang, et al., 2006). Pengaruh penambahan asam malat (MA) sebagai zat pengikat silang pada membran PYA dalam pervaporasi untuk konsentrasi etanol umpan 95% dengan variasi suhu umpan dapat dilihat pada Gambar 3,0.09 008 0.07 180 180 140 c 120 -; 80-Q-

---+- SO PVAlMA

75/25

Gambar 4. Derajat pengembangan untuk berbagai komposisi PVA/MA dengan variasi konsentrasi etanol

Gugus hidrofilik PYA merupakan penarik yang kuat untuk afinitas dan serapan air, sehingga PYA lebih menyerap air daripada etanol. Dengan demikian, air dapat diserap dan berdifusi secara selektif ke dalam membran dibandingkan etanol. Ketika MA ditambahkan, sehingga zat pengikat silang dalam PYA meningkat, maka lebih banyak gugus karboksil dari MA bereaksi dengan gugus hidroksil dari PYA, yang menyebabk~n kerapatan ikatan antara PYA dan MA semakm meningkat, seperti terlihat pada Gambar 4. iii180 160 140 100 120 80 60 40 20 ~_ ~'------------~ .

.~E 0.06

..~ ~

E .!!!,~N

005 0.04 0.03 0.02 0.01Laju Permeasi

100 .~m 0.

m ~(E~

'E

~ ~ ' ~...J

" '"

=====-=-=~~__80:20

2:::75:25

-+-- Faktor Pemisahan

60 40 20

o90:10 85:15 Komposisi PVAlMA (v/v)

o90:10 85:15Komposisi

o80:20PVAlMA (vlv)

75:25

-o-25C --+-35 C -o-45C--tl-55 C

Gambar 3. Pengaruh komposisi PVA/MA terhadap laju permeasi dan faktor pemisahan pada suhu umpan 25C (suhu kamar) dengan konsentrasi etanol umpan 95%"

Gambar 5. Pengaruh komposisi PVA/MA terhadap faktor pemisahan pada berbagai suhu umpan

Jurnal paPT.

187


7/29

Haryadi,



--------

Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa semakin banyak MA yang ditambahkan, maka semakin keeil derajat pengembangannya.

Hal ini dikarenakan meningkatnya kerapatan ikatan antara PYA dan MA yang menyebabkan penurunan kelarutan dalam air, sehingga difusifitas dari serapan air melalui membran menurun, yang akan menekan laju permeasi dan meningkatkan faktor pemisahan. Pengaruh komposisi PVA/MA terhadap faktor pemisahan dan laju permeasi dengan variasi suhu umpan masing-masing dapat dilihat pada Gambar 5 dan 6. E 0.45.!!. 0.4 0.35 C, 0.3

dalam pervaporasi ialah membran yang memiliki laju permeasi dan faktor pemisahan yang tinggi. Namun hal tersebut sulit diperoleh karena laju permeasi berbanding terbalik dengan faktor pemisahan. Membran dengan faktor pemisahan yang tinggi tetapi laju permeasinya rendah hanya baik digunakan dalam skala laboratorium, namun kurang menguntungkan bila diterapkan dalam skala industri. Oleh karena itu, dibuat membran yang memiliki faktor pemisahan yang paling tinggi yang dimungkinkan untuk mendapatkan laju permeasi yang tidak terlalu rendah (Huang, 1991).

'E~

.~ ~

."

0.25

0.2 0.10.05

.

E 0.15

:5

a ~90:10 85:15 Komposisi 80:20 PVAlMA (v/v) 75:25

GambaI' 7. Hasil SEM membran PVA yang he/lim diikal silang

-0--25 C ---+- 35 C -o-45C --55C

GambaI' 6. Pengarllh kOl71posisi PVA/MA lerhadap lajll perl71easi pada berbagai slIhu wnpan

Selain itu, pengaruh penambahan zat pengikat silang pada membran juga dapat dilihat dari hasil Scanning Electron Microscopy (SEM) pada Gambar 7 dan 8. PYA larut dalam air, sehingga tidak dapat digunakan langsung sebagai membran untuk dehidrasi etanol. Oleh karena itu pada PYA ini dilakukan pengikatsilangan dengan asam amalat (MA), sehingga terbentuk membran tak berpori (Asman, G. & O. Sanli, 2003; Isiklan & Sanli, 2005). Dikatakan membran tak berpori tidak berarti membran tersebut benar-benar tak berpori, namun ukuran porinya sangat keeil, sehingga pemisahan tidak dilakukan berdasarkan perbedaan ukuran partikel yang akan dipisahkan, tetapi berdasarkan perbedaan kelarutan dan difusi material dalam membran. Membran yang baik yang dapat digunakan

Gambar 8. Hasil SEM memhran PVA.1vng lelah diikat silang dengan MA dengan rasio PVAIMA 85/15

Berdasarkan Gambar 3. diketahui bahwa rasio membran yang paling baik dalam hal ini adalah rasio membran PVA/MA 85/15 yang memiliki keseimbangan antara laju permeasi dan faktor pemisahan. Meskipun membran PVA/MA 75/25 mempunyai faktor pemisahan yang sangat tinggi, tetapi laju permeasinya sangat rendah.

Pengaruh Suhu Umpan pada PervaporasiPengaruh suhu umpan terhadap faktor pemisahan dan laju permeasi dapat dilihat pada Gambar 9. Dengan meningkatnya suhu umpan, laju permeasi menjadi semakin meningkat, sedangkan faktor pemisahannya

188

Jurnat PEtPT


7/29

Vol. IV, NO.1, Jun; 2006

semakin berkurang. Hal ini berdasarkan pada teori volume bebas, yang mengatakan bahwa gerakan termal dari rantai polimer dibagian yang tak terbentuk membentuk volume bebas secara acak. Dengan meningkatnya suhu, frekuensi dan amplitudo dari rantai meningkat dengan cepat dan menghasilkan perbesaran volume bebas (Isiklan & Sanli, 2005). Pada pervaporasi, molekul yang menyerap dapat pula berdifusi melalui volume bebas tersebut. Jadi, ketika suhu tinggi, tingkat difusi molekul yang dapat menyerap, baik terisolasi maupun terasosiasi, akan tinggi pula, sehingga laju permeasi total menjadi lebih tinggi dan faktor pemisahannya menjadi lebih rendah.0.35 0.3 140 120 c: 100 .;" ' 80 60 40 20

.~E 0.25

E.!.~ ~::l '"

0.2 0.15

0..

..~ ~

~ Co 0.1 0.05

u.

'"

dijelaskan melalui pengujian derajat pengembangan yang terlihat pada Gambar 4. Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwa derajat pengembangan membran PVA/MA meningkat dengan berkurangnya konsentrasi etanol umpan. Hal ini dapat terjadi karena pengaruh pemlastisan dari air dan etanol ke dalam membran. Pada konsentrasi etanol yang rendah, tindakan pemlastisan dari air akan meningkatkan permeasi etanol dengan cara menurunkan energi yang dibutuhkan untuk jalannya difusi etanol ke dalam membran, sehingga menghasilkan berkurangnya faktor pemisahan (Isiklan & San ii, 2005). Pada etanol dengan konsentrasi tinggi, pengurangan fraksi berat air dalam umpan, menyebabkan berkurangnya pengembangan pada membran. Dengan demikian, laju permeasi berkurang dan faktor pemisahan meningkat dengan berkurangnya konsentrasi air dalam umpan, seperti terlihat pada Gambar 10.0.2 60 50 'iii ~ 0.15 .c: --0___ Laiu Permeasi Faklor Pemisahan 40

o25 35Suhu(C)

45

55

m

Gombar 9. Pengaruh suhu umpan terhadap !aju permeasi dan faktor pemisahan dengan rasio PVA/MA 85/15 dan konsentrasi etano! umpan 95%

E '0.._ E::l ._'"'" j~~N

i

1; :x

0.1 005

30 .~0..

20 ~ 10 ~

Meskipun faktor pemisahan yang diperoleh pada suhu 25C (suhu kamar) tinggi, tetapi laju permeasinya rendah. Oleh karena itu, suhu 35C merupakan suhu operasi terbaik yang memiliki keseimbangan antara laju permeasi dan faktor pemisahan (Gambar 9).

95

90

85

80

Kansenlrasi Elanal Umpan (%)

Gambar 10. Pengaruh konsentrasi etano! umpan terhadap !aju permeasi dan faktor pemisahan dengan rasio PVA/MA 85/15 dan suhu umpan 35C

Pengaruh Konsentrasi Etanol Umpan pada PervaporasiDehidrasi campuran etanol-air dengan pervaporasi dilakukan dengan variasi konsentrasi etanol umpan 80%. 85%, 90%, dan 95% menggunakan membran PVA/MA rasio 85/15 pada suhu 35C. Hasilnya dapatdilihatpada Gambar 10. Dari gambar tersebut terlihat bahwa faktor pemisahan berkurang dengan berkurangnya konsentrasi etanol umpan. Faktor pemisahan tertinggi terjadi pada konsentrasi etanol umpan 95%. Sedangkan pada laju permeasi terjadi sebaliknya. Fenomena ini dapat

Dari hasil penelitian, diperoleh hasil laju permeasi membran PVA/MA yang digunakan untuk dehidrasi etanol berkisar antara 0,038-0,388 kg/m2jam dan faktor pemisahannya berkisar antara 8,69-158,92. Sedangkan Isiklan dan Sanli yang juga telah melakukan penelitian menggunakan membran PVA/MA untuk dehidrasi asam asetat-air, memperoleh hasil laju permeasi berkisar antara 0,05-0,29 kg/m2jam dan faktor pemisahan berkisar antara 121-670 (Isiklan & Sanli, 2005). Dari data terse but dapat terlihat bahwa pervaporasi etanol dengan membran PVA/MA dapat lebih menghasilkan laju permeasi yang lebih kecil. Asam asetat lebih nonpolar daripada etanol, sehingga sifat etanollebih mendekati sifat air

Jurna! PfrPT

189


7/29

Haryadi,



_

dibandingkan dengan asam asetat. Dengan demikian dehidrasi etanol dengan teknik pervaporasi menggunakan membran PVA/ MA akan memberikan faktor pemisahan yang lebih kecil dibandingkan dengan dehidrasi asam asetat. Hal ini dikarenakall pemisahan ini dilakukan berdasarkan perbedaan polaritas. Membran PVA/MA bersifat hidrofi]ik sehingga kepolarannya relatif mendekati air. Semakin jauh perbedaan kepolaran campuran yang akan dipisahkan, maka akan semakin mudah dipisahkan, sehingga akan menghasilkan faktor pemisahan yang tinggi. Sedangkan zat atau senyawa yang kepolarannya mendekati air akan lebih sulit dipisahkan karena kemungkinan terdapat zat atau senyawa tersebut yang ikut berdifusi ke dalam membran karena kepolarannya yang relatif berdekatan, sehingga faktor pemisahan yang dihasilkan pun lebih kecil (Asman, G. & O. Sanli, 2003; Isiklan & Sanli, 2005) .

tersebut, konsentrasi etanol retentat yang diperoleh adalah 99,80 % dan konsentrasi etanol permeatnya adalah 10,30 % dengan faktor pemisahan 158,92 dan laju permeasi 0,038 kg/m2jam. Sementara itu, laju permeasi terbesar diperoleh pada komposisi membran PVA/MA 90/10 dengan suhu umpan 55C dan konsentrasi umpan 95%. Pada kondisi ini, konsentrasi etanol retentat yang diperoleh adalah 96,16 'X,dan konsentrasi etanol permeatnya adalah 41,88 % dengan faktor pemisahan 25,31 dan laju permeasi 0,388 kg/m2jam. Namun berdasarkan kondisi optimum yang dapat dilihat pada gambar, campuran etanolair azeotropik dapat dipisahkan paling baik dengan membran PVA/ MA 85/15 denga n suhu umpan 35C dan konsentrasi etanol umpan 95% yang menghasilkan faktor pemisahan cukup tinggi dengan laju permeasi yang tidak terlalu rendah.

KESIMPULAN

DAN SARAN

Berdasarkan hasil penelitian, dapat disimpulkan bahwa membran poli(vinil alkohol) (PVA)/asam malat (MA) dapat digunakan untuk dehidrasi etanol. Faktor pemisahan dari membran PYA pada proses pervaporasi ini dapat ditingkatkan dengan cara memodifikasi dengan MA. Dengan bertambahnya jumlahMA pada membran, kerapatan zat pengikat silang semakin meningkat dengan demikian faktor pemisahan juga meningkat. Faktor pemisahan berbanding terbalik dengan laju permeasi. Dari variasi komposisi membran PVA/MA diperoleh komposisi PVA/MA 85/15 sebagai komposisi optimum. Adapun peningkatan suhu umpan menunjukkan peningkatan laju permeasi dan menurunkan faktor pemisahan. Dengan rentang suhu umpan percobaan dari 25- 55C, diperoleh suhu 35C sebagai suhu umpan optimum proses pervaporasi. Dari hasil penelitian ini, faktor pemisahan terbesar diperoleh pada komposisi membran PVA/MA 75/15 dengan suhu umpan 25C dan konsentrasi umpan 95%. Pada kondisi

Penelitian ini disarankan untuk dilanjutkan dengan mengamati proses dehidrasi senyawa turunan atau derivat senyawa alkohol yang lebih nonpolar dan banyak digunakan di industri seperti isopropanol dan butanol dengan teknik pervaporasi ini.

UCAPAN

TERIMA

KASIH

Terimakasih penulis ucapkan pada Jurusan Teknik Kimia Polban dan Laboratorium Kimia Bahan Alam dan Lingkungan Jurusan Kimia FMIPA Unpad atas dukungan fasilitas yang diberikan selama penelitian ini.

DAFTAR

PUSTAKA

Asman, G. & O. Sanli

(2003). Characteristics of permeation and separation for acetic acid - water mixtures through poly(vinyl alcohol) membranes modified with poly(acrylic acid).

J. Separation Science and Technology 38: 1963-1980. Bungay, P.M.; H.K. Lonsdale; & M.N. de Pinho

(1983). Synthetic Membranes: Science, Engineering, and Aplications. Dordrecht: D.Reidel Publishing Company.

190 Jurnal PEtPT


7/29

________

~~_~_~~

__

~~_~~~

~_~_

Vol. IV, No.1, Juni 2006

Durmaz-Hilmioglu, N.; A.E. Yildirim; A.S Sakaoglu; S. Tulbentci (2001). Acetic Acid Dehydration by Pervaporation. J. Chemical Engineering and Processing 40: 263-267. Feng, X & R.Y.M.Huang (1997). Liquid Separation by Membrane Pervaporation: A Review. J. Ind. Eng. Chern. Res. 36: 1048-1066. Huang, R.Y.M (1991). Pervaporation Membrane Separation Process. New York: Elsevier. Huang, Z; Y. Shi; R. Wen; Y-H. Guo; J-F. Su; & T. Matsuura (2006). Multilayer poly(vinyl alcohol)-zeolite 4A composite membranes for

ethanol dehydration by means of pervaporation. J; Separation and Purification 8511:1-11. Isiklan, N. & O. Sanli (2005). Separation characteristic of acetic acid-water mixtures by pervaporation using poly(vinyl alcohol) membranes modified with malic acid. J. Chemical Engineering and Processing 44: 1019-1027. Jirage KB. & c.R. Martin (1999). New developments in membran-based separations. J. Tibtech May 17: 197-200.

Jurnal paPT.

191


7/29

Dehidrasi Etanol Dengan Teknik Pervaporasi

Documents

Transcript of Dehidrasi Etanol Dengan Teknik Pervaporasi