TK-40Z2 PENELITIAN Semester II − 2007/2008

Judul MEMBRAN KRISTALISATOR

UNTUK PENGOLAHAN AIR LAUT

Kelompok B.67.3.04 Arief Plantalukmana (13003082) M. Akhsanur Rofi (13003099)

Pembimbing

Ir. I G. Wenten, MSc., PhD

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

MEI 2007

i

LEMBAR PENGESAHAN TK-40Z2 PENELITIAN Semester II − 2007/2008

MEMBRAN KRISTALISATOR UNTUK PENGOLAHAN AIR LAUT

Kelompok B.67.3.04

Arief Plantalukmana (13003082) M. Akhsanur Rofi (13003099)

Catatan

Bandung, Juni 2008 Disetujui Pembimbing

Ir. I G. Wenten, MSc., PhD

B.67.3.04 i

TK-40Z2 PENELITIAN

MEMBRAN KRISTALISATOR

UNTUK PENGOLAHAN AIR LAUT

Kelompok B.67.3.04

Arief Plantalukmana (13004082) dan M. Akhsanur Rofi (13004099)

Pembimbing

Ir. I G. Wenten, MSc., PhD

ABSTRAK

Membran kristalisator (MCr) merupakan teknik baru proses pemisahan yang berkembang dengan pesat. Sistem membran desalinasi air laut berbasis tekanan seperti reverse osmosis, ataupun sistem distilasi tradisional berupa multi-effect distillation dan multi-stage flash menghasilkan efluen larutan garam-terbuang yang dapat mencemari lingkungan. Polutan tersebut dapat dikelola secara lebih efisien dan ekonomis oleh kristalisator yang terpadu dalam proses downstream membran distilasi (MD). Material membran MCr bertindak sebagai kontaktor yang melewatkan molekul uap dan merejeksi solut larutan tak-menguap. Hal ini dimanfaatkan dalam pembentukan kristal garam dan air murni secara simultan pada proses pengolahan air laut. Kendala proses ini adalah terbentuknya kristal pada pori membran yang dapat menurunkan fluks akibat adanya mekanisme fouling, wetting, dan double polarization. Pengaturan konsentrasi garam pada membran menjadi titik penting dalam pengembangan membran kristalisator. Fokus pada penelitian ini adalah pengamatan efek konsentrasi garam pada performansi membran vacuum reverse osmosis (VRO) serta mengkaji efek temperatur terhadap kinerja membran vacuum membrane distillation (VMD). Modul membran yang digunakan adalah membran hidrofobik berpori dan hidrofilik rapat. Hasil penelitian menunjukkan pada laju alir 9 L/jam dan kisaran temperatur antara 30-50oC, fluks permeat VMD berada di bawah harga teoritisnya namun tetap memiliki rejeksi mendekati 100%. Sedangkan VRO berpotensial menjadi membran pendukung bagi membran distilasi karena cenderung stabil pada umpan berkonsentrasi tinggi. Kata kunci : membran kristalisator, distilasi, reverse osmosis, membran vakum.

B.67.3.04 ii

TK-40Z1 FINAL RESEARCH PROJECT

MEMBRANE CRYSTALLIZER

FOR SEA WATER TREATMENT

Group B.67.3.04

Arief Plantalukmana (13004082) and M. Akhsanur Rofi (13004099)

Advisor

Ir. I G. Wenten, MSc., PhD

ABSTRACT

Membrane Crystallizer (MCr) is an emerging novel technique in separation process. A conventional pressure-based membran system used in sea water desalination such as reverse osmosis or traditional distillation system such as multi-effect distillation and multi-stage flash produce efluent of waste brine solution that could harm the environment. The pollutant of which could be treated efficiently and economically by integrating crystallizer with downstream process of membran distillation (MD). MCr membrane material act as contactor which allow vapour molecule and reject the non-volatile solute in the solution. This phenomenon is applied in producing salt crystals and pure water simultaneously on the sea water treatment. The drawback of the process is formation of the crystals on the membrane pore which could decreasing flux due to fouling, wetting, and doule polarization mechanism. Salt concentration control has become a major point in the development of membrane crystallizer. This research’s focus is to observe the efect of salt concentration to the vacuum reverse osmosis (VRO) performance and also study the efect of temperature to the vacuum membrane distillation (VMD) performance. The modules that are used is porous hydrophobic membrane and dense hydrophilic membrane. This research shows that in the flow speed of 9 L/h and temperature between 30-50oC, VMD’s permeate flux is below the theoritical value but still having almost 100% rejection. The observation in VRO performance shows that VRO has potential to become a support membrane for membrane distillation due to it’s stability in high concentration of feed. Key words : Membrane crystallizer, distillation, reverse osmosis, vacuum membrane

B.67.3.04

iv

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah memberi

kekuatan dan hidayahNya sehingga laporan penelitian untuk memenuhi tugas mata

kuliah TK-40Z2 Penelitian dapat diselesaikan.

Ucapan terima kasih setulus-tulusnya kepada Ir. I. G. Wenten, MSc., PhD, yang telah

memberikan waktu, tenaga dan pikirannya memberi bimbingan dan arahan sehingga

penulisan laporan ini dapat berjalan dan terselesaikan.

Selain itu, penulis mengucapkan pula terima kasih kepada :

1. Dr. I.G.D. Arsa Putrawan selaku kordinator Penelitian S1 Teknik kimia ITB.

2. Mba Indah atas keramahan dan kesabaran membimbing kami dalam

menyelesaikan proposal ini

3. Seluruh staff Lab Proses Hilir yang memberikan kami petunjuk dan berbagi

pengalaman.

4. Anggota Group Meeting yang senantiasa memberikan motivasi seta arahan

5. Pak Katong atas usul dan dukungan untuk penelitian kami.

6. Pak Dedi atas segala informasi tentang alat, serta seluruh pihak yang membantu

kelancaran penulisan laporan ini.

Sadar akan keterbatasan ilmu yang kami miliki, kami membuka diri terhadap saran dan

masukan dari semua pihak yang terkait demi kesempurnaan penelitian ini

Bandung, Juni 2008

Penulis

B.67.3.04

v

DAFTAR ISI

Halaman

Lembar Pengesahan i

Abstrak ii

Abstract iii

Kata Pengantar iv

Daftar Isi v

Daftar Tabel viii

Daftar Gambar ix

I Pendahuluan 1

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Rumusan Masalah 6

1.3 Tujuan 8

1.4 Ruang Lingkup 8

II Tinjauan Pustaka 9

2.1 Pengantar Membran 9

2.1.1 Prinsip Dasar Membran 9

2.1.2 Material Membran 10

2.1.3 Karakterisasi Membran 11

2.1.4 Peristiwa Perpindahan dalam Membran 11

2.2 Membran Desalinasi 13

2.3 Membran Distilasi 15

2.3.1 Prinsip Dasar MD 15

2.3.2 Konfigurasi MD 16

2.3.3 Peristiwa Perpindahan MD 17

2.3.3.1 Transfer Massa 17

2.3.3.2 Transfer Panas 19

B.67.3.04

vi

2.3.4 Resistansi Perpindahan Panas dan Massa 22

2.3.5 Flux Decay 23

2.3.6 Wetting 24

2.3.7 Manfaat MD 26

2.4 Membran Kristalisator 26

2.5 Variabel Operasi MDC 28

2.5.1 Variabel Input 28

2.5.2 Variabel Output 28

2.5.3 Perbedaan Temperatur 28

2.5.4 Perbedaan Tekanan Uap 29

2.6 Paramater / Karakteristik Membran MDC 29

2.6.1 Tebal Membran 29

2.6.2 Porositas Membran 29

2.6.3 Ukuran Pori Membran 29

2.6.4 Distribusi Ukuran Pori 30

2.6.5 Tortuositas Pori 30

2.6.6 Karakteristik Permukaan Membran 30

2.7 Historis dan Perkembangan Membran Distilasi-Kristalisasi 30

2.8 Perbandingan Reverse Osmosis dengan Membran Distilasi 37

2.8.1 Definisi Reverse Osmosis 37

2.8.2 Perbandingan Karaktersitik RO dan MD untuk Desalinasi 39

III Rancangan Penelitian 43

3.1 Metodologi 43

3.2 Percobaan 44

3.2.1 Bahan 44

3.2.2 Alat 44

3.2.3 Prosedur 46

3.2.3.1 Uji Kebocoran Membran 46

3.2.3.2 Penyusunan Peralatan 46

B.67.3.04

vii

3.2.3.3 Penentuan Fluks Proses 48

3.2.3.4 Penentuan Konsentrasi Garam 48

3.2.3.5 Penyajian Analisa VMD dan VRO 49

3.2.4 Variasi 50

3.3 Interpretasi Data 51

3.3.1 Porositas Membran 51

3.3.2 Kualitas Permeat dan Retentat 51

3.3.3 Penyajian Data VMD dan VRO 52

3.4 Jadwal 53

3.5 Biaya 54

IV Hasil dan Pembahasan 55

4.1 Performansi Kerja Membran Distilasi Vakum 55

4.1.1 Fluks dan Efisiesi Kerja VMD 55

4.1.2 Perbandingan Kinerja VMD dengan Literatur 58

4.2 Performansi Kerja Membran Osmosis Balik Vakum (VRO) 59

4.2.1 Definisi Membran Osmosis Balik Vakum (VRO) 60

4.2.2 Fluks dan Rejeksi VRO 60

4.3 Kemungkinan Pengembangan ke Depan 62

V Kesimpulan dan Saran 64

5.1 Kesimpulan 64

5.2 Saran 64

Daftar Pustaka 65

Daftar Simbol 68

Lampiran A Contoh Perhitungan 70

Lampiran A Material Safety Data Sheet 72

Lampiran B Biaya Penelitian 77

B.67.3.04

viii

DAFTAR TABEL

Halaman Tabel 1.1 Kebutuhan Rata-rata Air Minum Wilayah di Indonesia 2

Tabel 1.2 Metode Proses Pemisahan dengan Membran pada Pengolahan Air 3

Tabel 2.1 Proses pemisahan dengan membran berdasarkan gaya dorongnya 9

Tabel 2.2 Simplifikasi persamaan untuk perpindahan massa melewati

membran microporous

18

Tabel 2.3 Prediksi persamaan untuk koefisien perpindahan panas 21

Tabel 2.4 Estimasi perpindahan panas pada hollow fibre aliran cross-flow 21

Tabel 2.5 Perkembangan membran kristalisator dan State of The Art 2007 33

Tabel 3.1 Jadwal penelitian 53

Tabel 3.2 Rekapitulasi biaya penelitian 54

Tabel 4.1 Jumlah hilang panas per satuan fluks 57

Tabel 4.2 Perbandingan karakteristik membran untuk penelitian dengan literatur (M. Li et.al, 2003)

59

B.67.3.04

ix

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 1.1 Ukuran Partikel Pada Proses Pemisahan Menggunakan

Membran

3

Gambar 1.2 Penjualan Tahunan Membran dan Membran Modul pada

Berbagai Variasi Proses Pemisahan

3

Gambar 2.1 Selektivitas molekul pada membran denganbeda tekan sebagai

driving force (Wenten, 2004)

10

Gambar 2.2 Skema alat multi-effect distillation 13

Gambar 2.3 Skema alat multi-stage flash 13

Gambar 2.4 Sistem membran kontaktor lanjutan 15

Gambar 2.5 Skema proses MD 16

Gambar 2.6 Macam konfigurasi MD 16

Gambar 2.7 Polarisasi temperatur dan konsentrasi dalam MD 22

Gambar 2.8 Skema olarisasi temperatur, polarisasi konsentrasi dan transport

resistance

23

Gambar 2.9 Jenis mekanisme pembasahan pada membran 25

Gambar 2.10 Model pembasahan membran akibat pembentukan deposit

garam di dalam membran selama terjadi pengkonsentrasian

larutan garam

25

Gambar 2.11 Perkembangan jumlah publikasi MD dari 1963 sampai 2005 30

Gambar 2.12 Diagram Proses Osmosis Balik (RO) 38

Gambar 2.13 Contoh diagram proses integrasi membran-1 40

Gambar 2.14 Contoh diagram proses integrasi membran-2 41

Gambar 2.15 Contoh diagram proses integrasi membran-3 41

Gambar 2.16 Contoh diagram proses integrasi membran-4 42

Gambar 3.1 Membran hidrofobik dan hidrofilik 45

Gambar 3.2 Skema penyusunan alat untuk konfigurasi VMD 47

B.67.3.04

x

Gambar 3.3 Rangkaian alat untuk konfigurasi VMD 47

Gambar 3.4 Skema penyusunan alat untuk konfigurasi vacuum reverse

osmosis

48

Gambar 3.5 Contoh kurva konduktivitas terhadap konsentrasi garam 49

Gambar 3.6 Prosedur Penelitian 50

Gambar 3.7 Contoh kurva tekanan pompa terhadap konsentrasi garam pada

permeat atau retentat

52

Gambar 3.8 Contoh kurva konsentrasi terhadap waktu untuk berbagai suhu

input

52

Gambar 4.1 Kurva fluks terhadap waktu 55

Gambar 4.2 Polarisasi temperatur dan konsentrasi pada MD 56

Gambar 4.3 Koefisien polarisasi temperatur pada berbagai suhu 57

Gambar 4.4 Perbandingan hasil penelitian dengan perhitungan teoritis dan literatur lain (M. Li et.al, 2003)

58

Gambar 4.5 Fluks terhadap waktu dalam berbagai konsentrasi 61

Gambar 4.6 Rejeksi NaCl terhadap waktu dalam berbagai konsentrasi 61

Gambar 4.7 Contoh integrasi membran 62