Cover

Kata pengantar

Daftar isi

Pendahuluan

Sebagian besar proses perpindahan dalam membran adalah proses isotermal baik dengan

perbedaan konsentrasi, tekanan maupun potensial listrik sebagai driving force. Ketika membran

memisahkan dua fase pada suhu yang berbeda, panas akan berpindah dari daerah yang bersuhu

tinggi ke daerah yang bersuhu rendah. Perpindahan panas dinyatakan melalui persamaan

Fourier’s law. Dimana aliran panas berkaitan dengan driving force yang sesuai, yaitu perbedaan

suhu.

heat flux=Jh=−λdTdx

Dimana λ adalah konduktivitas termal (thermal conductivity) atau konduktivitas panas

(heat conductivity). Proses konduksi panas melintasi membran homogen secara skematis

diperlihatkan pada gambar 1.

Gambar 1. Profil Suhu pada Membran Homogen

Tabel 1. merangkum beberapa nilai λ di berbagai media.

Tabel 1. Konduktivitas Termal berbagai Media

Medium λ (W/m0C)

Gas 0.02

Cairan organic 0.2

Air 0.6

Polimer 2.0

Logam 20-200

Integrasi dari persamaan heat flux yang melewati membrane dengan aliran steady state

ditunjukkan oleh persamaan berikut.

Jh=λl

(T 0−T l )

Di samping aliran panas aliran massa juga terjadi, proses yang disebut thermo-osmosis

atau thermo-diffusion. Namun tidak ada transisi fase terjadi dalam proses tersebut. Proses dengan

driving force perubahan suhu yang lain adalah distilasi membran. Membran berpori memisahkan

dua cairan yang tidak membasahinya. Jika cairan terdiri dari berbagai macam komposisi yang

berbeda memiliki suhu yang berbeda, akan dihasilkan perbedaan tekanan uap yang menyebabkan

molekul uap melewati pori dari daerah suhu tinggi (tekanan uap tinggi) ke daerah suhu rendah

(tekanan uap rendah).

Dasar teoritis (Theoretical background)

Distilasi membran adalah proses dimana dua cairan atau solution pada suhu yang berbeda

dipisahkan oleh membran berpori. Cairan atau solusi tidak boleh membasahi membrane, pori-

pori akan segera diisi sebagai akibat dari gaya kapiler. Artinya membrane hydrophobic berpori

dan non-wettable harus digunakan untuk aqueous solutions (solutions yang solventnya adalah

air). Representasi skematis dari proses distilasi membran ditunjukkan pada gambar 2.

Gambar 2. Representasi Skematis Proses Distilasi Membran

Ketika fase mengandung air murni dan tidak ada perbedaan suhu, sistem dalam

keseimbangan dan tidak ada transportasi terjadi. Jika suhu salah satu di antara dua fase lebih

tinggi dari yang lain, perbedaan suhu terjadi di seluruh membran, sehingga terjadi perbedaan

tekanan uap. Dengan demikian, molekul uap akan berpindah melalui pori-pori membrane dari

daerah yang tekanan uapnya tinggi menuju daerah yang tekanan uapnya rendah. Transportasi

tersebut terjadi melalui 3 tahapan.

1. Evaporasi pada daerah yang memiliki suhu tinggi

2. Perpindahan molekul-molekul uap melalui pori-pori dari membrane hydrophobic

3. Kondensasi pada daerah yang memiliki suhu rendah

Distilasi membrane adalah salah satu proses penggunaan membrane dimana membrane

tidak langsung terlibat dalam proses separasi. Fungsi utama membrane adalah sebagai

penghalang (barrier) antara dua fase. Selektivitas ditentukan oleh keseimbangan uap dan cair

yang terlibat. Artinya komponen yang memiliki tekanan parsial tertinggi akan menunjukkan laju

permeasi yang tinggi.

Dengan demikian, untuk campuran air dan etanol dimana membrane tidak terbasahi oleh

etanol konsentrasi rendah, kedua komponen akan berdifusi melalui membrane namun laju

permeasi etanol akan selalu relative lebih tinggi dibandingkan air. Untuk larutan NaCl dengan

air, hanya air yang memiliki tekanan uap, tekanan uap NaCl dapat diabaikan, artinya hanya air

yang akan berdifusi melalui membrane dan selektifitas menjadi lebih tinggi.

Transportasi komponen volatile melewati membrane dapat dideskripsikan dengan

persamaan fenomenologis dimana flux proporsional terhadap driving force dalam hal ini yaitu

perbedaan suhu. Perbedaan suhu dihasilkan dari tekanan uap yang berbeda, hubungan ini

berdasarkan persamaan Antoine. Parameter struktural utama adalah porositas, yang harus

setinggi mungkin dan ketebalan membran. Distribusi ukuran pori harus dipersempit, terutama

pada sisi pori yang lebih besar karena pori-pori terbesar akan dibasahi terlebih dahulu.

Yang perlu diperhatikan dalam distilasi membrane yaitu membrane tidak boleh dibasahi.

Jika wetting terjadi, cairan akan menembus pori-pori membrane secara spontan. Wettability

ditentukan oleh interaksi antara cairan dengan material polimer, wetting tidak terjadi pada

afinitas yang rendah. Wettability dapat dicari dengan mengukur sudut kontak (θ) setetes cairan di

atas nonporous flat surface. Untuk afinitas rendah sudut kontak (θ) bernilai di atas 900, dan untuk

afinitas tinggi pada sudut kontak kurang dari 900.

Jika material berpori, cairan akan menembus pori ketika θ kurang dari 900. Sesuai dengan

persamaan Laplace.

∆ p=−2 γl

rcos θ

Gambar 3. Sudut Kontak Tetesan Cairan pada Material Padat Non-Porous

Wetting pressure (∆p) dipengaruhi oleh tiga faktor yaitu ukuran pori (r), tegangan muka

cairan (γl), dan surface energy dari material membrane (θ). Jika θ lebih besar dari 900, cos θ < 0,

dan ∆p > 0, tekanan yang dibutuhkan untuk membasahi material membrane besar dan cairan

cenderung tidak membasahi membrane karena interaksi antara cairan dan polimer sangat kecil.

Wetting pressure berbanding terbalik dengan ukuran pori, seperti yang terlihat pada gambar 4.

Gambar 4. Wetting Pressure pada Membran Polytetrafluoroethylene berpori

Wettability juga dipengaruhi oleh tegangan muka cairan. Hal ini berhubungan dengan

gaya intermolekul seperti dispersion forces, polar forces dan ikatan hydrogen. Hidrokarbon

seperti heksana memiliki dispersion force yang lemah sehingga tegangan mukanya rendah.

Sedangkan air yang memiliki ikatan hydrogen memiliki gaya intermolekul yang sangat kuat

sehingga tegangan permukaannya tinggi.

Tabel 2. Tegangan Muka beberapa Cairan pada Suhu 200C

Cairan Tegangan muka (γl) (103 N/m)

Air 72.8

Methanol 22.6

Etanol 22.8

Gliserol 63.4

Formaldehid 58.2

n-heksana 18.4

Faktor lain yang mempengaruhi wettability yaitu surface energy dari material membrane.

Berikut nilai surface energy dari berbagai polimer.

Tabel 3. Surface Energy beberapa Polimer

Polymer Surface energy (γs) (103 N/m)

Polytetrafluoroethylene 19.1

Polytrifluoroethylene 23.9

Polyvinylidenefluoride 30.3

Polyvinylchloride 36.7

Polyethylene 33.2

Polypropylene 30.0

Polystyrene 42.0

Untuk menghindari wetting ukuran pori maksimum harus sekecil mungkin, tegangan

muka cairan tinggi (misalnya air) dan surface energy material membrane rendah seperti

Polypropylene (PP), Polyethylene (PE), Polytetrafluoroethylene (PTFE), Polyvinylidenefluoride

(PVDF). Ketika pelarut organic ada dalam air maka tegangan muka akan berkurang. Konsentrasi

etanol yang bertambah dalam air menyebabkan tegangan muka cairan berkurang dan tekanan

yang dibutuhkan untuk membasahi membrane berkurang. Oleh karena itu tegangan muka kritis

haru ditentukan.

Distilasi membrane dapat dioperasikan dengan empat konfigurasi yaitu direct contact

Membran Distillation (DCMD), vacuum Membran Distillation (VMD), air gap Membran

Distillation (AGMD), dan sweeping gas Membran Distillation (SGMD).

Gambar 5. (A) direct contact MD, (C) vacuum MD, (B) air gap MD (AGMD), dan (D)

sweeping gas MD (SGMD).

Direct contact MD, di kedua sisi membrane terdapat umpan bersuhu tinggi yang disebut

daerah evaporasi dan permeate yang bersuhu rendah. Kondensasi uap yang melewati membrane

terjadi secara langsung dalam fase cair di batas permukaan membrane. Karena membrane

memblokade transport massa, DCMD dapat menghasilkan aliran permeate yang relative tinggi.

Kerugian konfigurasi ini yaitu panas sensible yang dilepas besar, dan sifat pemisahan membrane

single layer makin menurun performanya.

Air-gap MD, gap terdapat di sisi permeate di antara membrane dan plate pendingin yang

berisi udara. Uap melewati membrane harus melewati air gap sebelum terkondensasi oleh

pendingin. Keuntungan metode ini yaitu isolasi termal yang tinggi dan dapat meminimalisir

konduksi panas. Kerugian metode ini yaitu air menjadi penghalang tambahan (barrier) untuk

perpindahan massa, mengurangi output permeate jika dibandingkan dengan DCMD. Keuntungan

lain dibandingkan DCMD yaitu zat yang mudah menguap dengan tegangan muka rendah seperti

alkohol atau pelarut lain dapat dipisahkan dari larutan, karena tidak ada kontak antara cairan

permeate dan membran.

Sweeping-gas MD, juga dikenal sebagai stripping udara, menggunakan konfigurasi

saluran dengan gap kosong di sisi permeat. Konfigurasi ini sama seperti AGMD. Kondensasi uap

terjadi di luar modul MD dalam kondensor eksternal. Sama seperti AGMD, zat volatil dengan

tegangan muka rendah dapat disuling dengan proses ini. Keuntungan dari SGMD dibandingkan

AGMD yaitu penghalang untuk transportasi massa berkurang. Kerugian dari SWGMD

disebabkan oleh komponen gas dan aliran massa total yang tinggi sehingga membutuhkan

kapasitas kondensor yang lebih tinggi . Bila menggunakan aliran massa gas yang lebih kecil ada

akan mengurangi perbedaan tekanan uap dan driving force mengecil. Salah satu solusi dari

masalah ini untuk SGMD dan AGMD adalah penggunaan cooler walling di daerah permeate, dan

mempertahankan suhu dengan flushing gas.

Vacuum MD memiliki air gap di daerah permeate. Setelah uap melewati membran, uap

dihisap keluar dari saluran permeate dan mengembun di luar modul seperti SGMD. VCMD dan

SGMD dapat diterapkan untuk pemisahan zat-zat volatil dari larutan berair atau untuk

memproduksi air murni dari air garam terkonsentrasi. Salah satu keuntungan dari metode ini

yaitu, gas inert yang memblokade pori-pori membrane dapat dihisap oleh vakum, meninggalkan

permukaan aktif membran. Selain itu, perbedaan suhu yang diperlukan lebih rendah dan energi

termal total yang dibutuhkan lebih rendah. Namun, keadaan vakum harus disesuaikan dengan

suhu air garam, dan dibutuhkan peralatan teknis yang rumit.

Membran yang digunakan

Spesifikasi membrane untuk distilasi membrane yaitu memiliki surface energy yang

serendah mungkin untuk menghindari wetting (pembasahan). Dibutuhkan material hydrophobic

seperti Polypropylene (PP), Polyethylene (PE), Polytetrafluoroethylene (PTFE),

Polyvinylidenefluoride (PVDF). Karena selektifitas ditentukan oleh keseimbangan uap dan cair,

membran tidak dapat dioptimalkan lebih lanjut. Namun fluks dapat dioptimalkan dan parameter

yang paling penting adalah porositas. Porositas tinggi sering dikaitkan dengan meningkatnya

ukuran pori tetapi faktor ini mempengaruhi wetting. Dengan demikian porositas tinggi (70-80%)

dengan ukuran pori berkisar 0.2-0.3 μm sangat dibutuhkan. Ukuran pori maksimum adalah

penting karena pembasahan berkaitan dengan ini dan karenanya pori-pori terbesar tidak boleh

terlalu berbeda dari ukuran pori rata-rata. Membran harus setipis mungkin. Membran berpori

yang digunakan dalam proses ini hampir sama dengan yang digunakan dalam mikrofiltrasi.

Aplikasi

Aplikasi distilasi membrane ditentukan oleh sifat wettability membrane, umumnya

distilasi membrane digunakan untuk aqueous solution (larutan yang solventnya adalah air) yang

mengandung solute inorganic. Aplikasi distilasi membrane diklasifikasikan berdasarkan

produknya menjadi dua yaitu:

1. Permeate sebagai produk yang diinginkan

2. Retentate sebagai produk yang diinginkan

Produksi pure water

Kebanyakan distilasi membrane digunakan untuk menghasilkan permeate yang

diinginkan. Permeate kualitas tinggi dapat dicapai dengan menggunakan distilasi membrane.

Biasanya distilasi membrane digunakan untuk pengolahan air umpan boiler pada power plant,

desalinasi air laut dan untuk pengolahan air pada industri semikonduktor. Kualitas permeate

tidak ditentukan oleh konsentrasi solute pada umpan. Pada proses reverse osmosis desalinasi

air laut, konsentrasi tinggi solute pada umpan sangat mempengaruhi tekanan osmosis, namun

distilasi membrane dapat menangani konsentrasi garam yang tinggi tanpa penurunan performa

membrane yang besar.

Penghilangan Volatile Organic Components (VOC’s)

Penghilangan Volatile Organic Components (VOC’s) seperti senyawa chlorinated

hydrocarbon atau aromatik dari aqueous solution adalah aplikasi distilasi membrane yang lain.

Produk volatile yang dihasilkan dari fermentasi seperti senyawa etanol, butanol, aseton dan

aromatic juga dapat dimurnikan dengan distilasi membrane. Untuk aqueous solution yang

mengandung senyawa volatile konsentrasi rendah. Pemisahan didasarkan pada keseimbangan

uap-cair, pada permeate konsentrasi senyawa volatile tinggi. Distilasi membrane memiliki

kelebihan lain dibandingkan distilasi biasa yaitu luas permukaan per satuan unit volume besar,

apalagi jika menggunakan modul hollow fiber dan kapiler.

Ringkasan distilasi membrane

Membrane Pori-pori simetris atau asimetris

Ketebalan 20 - 100 μm

Ukuran pori ≈ 0.2 - 1 μm

Driving force Perbedaan tekanan uap

Prinsip separasi Keseimbangan uap-cair

Material membran Hydrophobic (polytetrafluoroethylene, polypropylene)

Aplikasi Memproduksi pure water pada berbagai industri

Produksi air umpan boiler

Desalinasi air laut

Industri semikonduktor

Laboratorium

Menghilangkan VOC

Kontaminan pada air (benzene, TCE)

Produk fermentasi (etanol, butanol)

Senyawa aromatik

Kesimpulan

Referensi

Mulder, M. 1996. Basic Principles of Membrane Technology. 2nd edn. Kluwer Academic

Publishers, Dodrecht.

Tomaszewska, M. 2000. Membrane Distillation - Examples of Applications in

Technology and Environmental Protection. Polish Journal of Environmental Studies Vol. 9, No.

1 (2000), 27-36.

Wikipedia. The Free Encyclopedia. Membrane Distillation. (http://en.wikipedia.org/wiki/

Membrane_distillation). Diakses tanggal 18 Oktober 2013.