Modul Proses Pemurnian

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM

OPERASI TEKNIK KIMIA

PROSES PEMURIA

PEDAHULUA

Latar Belakang Masalah

Teknologi membran telah tumbuh dan berkembang secara dinamis sejak pertama

kali dikomersilkan Sartorius-Werke di Jerman pada tahun 1927. Pengembangan dan

aplikasi teknologi ini semakin beragam dan penemuan-penemuan baru pun semakin banyak

dipublikasikan. Teknologi membran pada akhirnya menjadi salah satu teknologi alternatif

yang paling kompetitif saat ini dan telah memberikan beragam solusi bagi manusia dalam

pemenuhan kebutuhan sehari-hari.

Membran ultrafiltrasi dan reverse osmosis merupakan beberapa jenis dari teknologi

membran yang memiliki spesifikasi ukuran membran berturut-turut, 0.001-0.1 µm dan

0,0001-0,001 µm. Secara umum ultrafiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsur-

unsur partikulat dari larutannya dengan memanfaatkan beda tekan dalam proses kerjanya.

Untuk membran reverse osmosis digunakan untuk memisahkan zat terlarut berukuran

kecil(<10-4 µm sampai 10-2 µm) dengan prinsip perbedaan konsentrasi dalam proses

kerjanya.

Secara umum, ultrafiltrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan unsur-unsur

partikulat, makromolekul (fraksionasi), koloid, dan polimer organik maupun anorganik dari

larutannya. Aplikasi proses ultrafiltrasi di industri di antaranya adalah untuk proses

sterilisasi obat-obatan dan produksi minuman, klarifikasi ekstrak juice, pemrosesan air

ultramurni pada industri semi konduktor, metal recovery, dan sebagainya. Sedangkan

membran reverse osmosis sendiri sudah banyak diterapkan pada berbagai industri

pengolahan misalnya desalinisasi air laut dan demineralisasi air.

Pada proses pemurnian harus diperhatikan kondisi operasi yang optimal agar

membran dapat memurnikan suatu cairan secara optimal yang ditunjukkan oleh parameter

berupa fluks, permeabilitasm dan faktor rejeksi dari membran.



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Tinjauan Pustaka

Pemisahan dengan membran (membrane separation) merupakan suatu teknik pemisahan

campuran 2 atau lebih komponen tanpa menggunakan panas. Pada membran filtrasi komponen-

komponen akan terpisah berdasarkan ukuran dengan bantuan gaya dorong (driving force). Gaya

dorong dapat berupa gradien tekanan, konsentrasi, potensial listrik atau temperatur.

Gaya Dorong untuk Berbagai Proses Membran

Proses Membran Gaya Dorong

Mikrofiltrasi

Ultrafiltrasi

Hiperfiltrasi

Piezodialisa

Pemisahan gas

Dialisis

Osmosis

Pervaporasi

Elektrodialisis

Termo osmosis

Membran distilasi

Tekanan

Tekanan

Tekanan

Tekanan

Tekanan

Konsentrasi

Konsentrasi

Tekanan

Potensial listrik

Temperatur / Tekanan

Temperatur / Tekanan

Teknologi membran terus berkembang karena memiliki beberapa keistimewaan dan

cocok bagi industri. Kelebihan teknologi membran antara lain :

• Pemisahan dapat berlangsung secara kontinu

• Kebutuhan energi relatif rendah

• Mudah dikombinasikan dengan proses pemisahan lain/hybrid processes

• Sifat membran merupakan variabel yang dapat diatur

• Tidak memerlukan bahan aditif

• Luas membran mudah diatur



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


• Pemisahan dapat dilakukan melalui kondisi tunak

• Dapat diarahkan menjadi clean technology dan cleaning technology

Klasifikasi Membran Filtrasi

Berdasarkan ukuran pori dari membran filtrasi, dan berdasarkan ukuran zat yang ingin

dipisahkan membran dibagi menjadi membran mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), Nanofiltrasi

(NF) dan reverse osmosis (RO). Penggunaan

membran dapat dilihat dari skema berikut:

Skema Membran Filtrasi

Berdasarkan lapisan aktif, membran dapat dibagi menjadi membran datar (flate) dan

membran turbular. Perbedaan membran tersebut dapat dilihat sebagai berikut:



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Perbandingan Membran Datar dan Turbular

FLAT TURBULAR

Lapisan aktif datar Lapisan aktif pada pemukaan dalam/

luar tube

Luas per volume kecil Luas per volume besar

Digunakan pada flate-and-plate module

dan spiral-wound module

Biasa digunakan dengan diamater

>10mm

Salah satu contoh dari flate membrane adalah spiral wound module. Skema dari spiral

wound adalah sebagai berikut:

Skema Spiral Wound Module

Kelebihan dari spiral wound membrane adalah packing density yang tinggi dan harga yang reltif

lebih murah. Tetapi kekurangan dari membran ini adalah menyebabkan pressure drop yang

tinggi dan susah untuk dibersihkan.

Salah satu contoh membran turbular adalah hollow fiber module. Skema dari membran

ini adalah sebagai berikut:



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Skema Hollow Fiber Module

Kinerja Membran Filtrasi

Kinerja membran dapat dilihat dari dua parameter yaitu aliran melalui membran (fluks)

dan selektifitas. Fluks merupakan perbandingan antara volume dengan luas dan waktu. Untuk

proses filtrasi dengan membran yang menggunakan beda tekan sebagai driving force, fluk

merupakan fungsi dari beda tekan dan konstanta permeabilitas yang dapat dinyatakan dengan

persamaan:

J K P= ×∆

Konstanta permeabilitas merupakan konstanta yang menyatakan kemampuan membran

untuk melewatkan aqua dm. Sejalan dengan waktu, permeabilitas membran akan berkurang. Hal

ini disebabkan oleh pembentukan fouling. Fouling merupakan proses dimana zat terlarut atau

partikel terdeposisi pada permukaan membran atau pada pori membran sehingga terjadi

penurunan kinerja membran. Foaling dapat disebabakan oleh zat koloid, biologis, organik, dan

mineral. Untuk meningkatkan kembali kinerja membran, membran dapat dibersihkan dengan

secara hidrolik (back wash dengan aqua dm), kimiawi, mekanik dan juga dengan menggunakan

listrik.

Selektifitas membran ditentukan oleh dua parameter yaitu faktor rejeksi (R) dan faktor

pemisahan (α). Persen rejeksi adalah persen dari konsentrasi yang terpisahkan dari umpan

(feedwater) oleh membran. Secara matematis persen rejeksi dinyatakan oleh persamaan:



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


� = 1 −��

��

Cf = konsentrasi zat terlarut dalam umpan

Cp= konsentrasi zat terlarut dalam permeat

R bernilai 100% (retensi total dari zat terlarut) yang berarti ideal semipermeabel

membran dan 0% yang berati pelarut dan zat terlarut bebas melewati membran.

Membran Ultrafiltrasi

Membran ultrafiltrasi adalah proses pemisahan yang menahan komponen dengan berat

molekul tinggi (protein, makro molekul, polisakarida) sedangkan melewatkan komponen

berberat molekul rendah. Proses pemisahan dalam modul ultrafiltrasi terjadi secara cross flow

dimana umpan mengalir secara tangensial sepanjang permukaan membran.

Membran ultrafiltrasi dapat digolongkan berpori, namun strukturnya lebih asimetris

dibandingkan membran mikrofiltrasi. Membran ultrafiltrasi memiliki ukuran pori lapisan teratas

20 – 1000 Å, ketebalan 0,1 – 1,0 µm, dan bekerja pada tekanan 1 – 10 bar. Proses ultrafiltrasi

biasanya digunakan untuk memisahkan partikel dengan ukuran berkisar antara 0,05 µm – 1 nm.

Membran ultrafiltrasi dapat menghasilkan fluks yang sangat tinggi, namun pada umumnya

membran ini hanya digunakan untuk menghasilkan fluks antara 50-200 galon per hari dengan

tekanan operasi sekitar 50 psig.

Membran ultrafiltrasi dapat berbentuk plate and frame, spiral-wound, dan tubular. Setiap

konfigurasi memiliki aplikasinya masing-masing. Untuk air dengan kemurnian tinggi, spiral-

wound lebih umum untuk digunakan. Konfigurasi dipilih berdasarkan jenis dan konsentrasi dari

material berkoloid atau emulsi. Untuk semua konfigurasi, desain sistem yang optimum harus

memperhatikan laju alir, hilang tekan, konsumsi energi, fouling, dan juga harga membran itu

sendiri.

Kebanyakan membran ultrafiltrasi komersial terbuat dari polimer yaitu :

• Polysulfone / poly(ether)sulfone / sulfonated polysulfone

• Poly(vinylidene fluoride)



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


• Polyacrilonitril

• Cellulosics

• Aliphatic polyamides

• Polyetheretherketone

Selain dari polimer, membran ultrafiltrai juga dapat terbuat dari bahan anorganik seperti

keramik, Al2O3, dan zirconia.

Membran Reverse Osmosis

Membran reverse osmosis adalah membrane yang paling rapat dalam proses pemisahan

cair-cair. Pada prinsipnya air adalah satu-satunya material yang dapat melewati membrane

sehingga membrane ini merejeksi partikel berberat molekul tinggi dan rendah.

Osmosis merupakan proses dimana pelarut pindah dari larutan berkonsentrasi rendah

menuju larutan berkonsentrasi tinggi. Untuk mendapatkan proses reverse osmosis (RO),

diperlukan adanya peningkatan tekanan pada bagian dengan konsentrasi pekat menjadi melebihi

bagian dengan konsentrasi yang lebih encer. Gaya per unit luas yang dibutuhkan untuk

mencegah mengalirnya pelarut melalui membran permeabel selektif dan masuk ke larutan

dengan konsentrasi yang lebih pekat sebanding dengan tekanan turgor. Tekanan osmotik

merupakan sifat koligatif, yang berarti bahwa sifat ini bergantung pada konsentrasi zat terlarut,

dan bukan pada sifat zat terlarut itu sendiri. Perbandingan antara proses osmosis dan reverse

osmosis dapat dilhat dari gambar berikut:



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Skema Proses Osmosis

Skema Proses Reverse Osmosis

Membrane RO memiliki pori-pori dengan ukuran kurang dari 0,02 µm dengan ketebalan

150µm. Membrane ini dioperasikan pada tekanan 15-150 atm. membrane RO biasa digunakan

dalam permunian air dari kandungan garam maupun pengolahan limbah industry tekstil.

Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Proses Pemisahan

Faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kinerja membran adalah sebagai berikut:

• Laju Umpan

Laju permeat meningkat dengan semakin tingginya laju alir umpan. Selain itu,

laju alir yang besar juga akan mencegah terjadinya fouling pada membran. Namun

energi yang dibutuhkan untuk mengalirkan umpan akan semakin besar.

• Tekanan Operasi



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Laju permeat secara langsung sebanding dengan tekanan operasi yang digunakan

terhadap permukaan membran. Semakin tinggi tekanan operasi, maka permeat juga

akan semakin tinggi.

• Temperatur operasi

Laju permeat akan meningkat seiring dengan peningkatan temperatur. Namun

temperatur bukanlah variabel yang dikontrol. Hal ini perlu diketahui untuk dapat

mencegah terjadinya penurunan fluks yang dihasilkan karena penurunan temperatur

operasi.

Rumusan Masalah

Masalah yang akan diamati dalam percobaan ini adalah pengaruh perbedaan tekanan

terhadap fluks pada membran ultrafiltrasi menggunakan air sungai cikapundung dan reverse

osmosis menggunakan larutan glukosa 5% w/v. Selain itu juga diamati permeabilitas ke dua

membran yang dihitung tiap beda tekan (0.1-0.8 bar) tiap menit pada membrane UF dan beda

tekan (3-4.4 bar) tiap menit pada membrane RO, serta faktor rejeksi tiap run pada masing-masing

membran.

Tujuan Percobaan

Tujuan pada percobaan proses pemurnian dengan menggunakan membran ini adalah :

1. Memahami prinsip-prinsip dasar dalam proses pemisahan dengan membran.

2. Memahami parameter kinerja membran dalam proses pemurnian.

Sasaran Percobaan

Adapun sasaran yang ingin dicapai pada percobaan ini adalah :

1. Praktik memahami kinerja membran berdasarkan proses filtrasi

2. Praktikan mampu menghitung konstanta permeabilitas membran

3. Praktikan dapat mengamati karakteristik penurunan fluks pada membran

4. Praktikan menghitung faktor rejeksi pada membran



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


PELAKSAAA PERCOBAA

Perangkat dan Alat Ukur

Alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah :

a. dua set peralatan praktikum modul proses pemurnian

b. pompa peristaltik

c. gelas kimia atau ember (jumlah sesuai kebutuhan)

d. gelas ukur 500 ml

e. gelas ukur 250 ml

f. gelas ukur 25 ml

g. stopwatch

h. pipet tetes

i. cawan penguapan

j. timbangan

k. kertas saring

l. oven

m. refraktometer

Skema alat:

Gambar 3.1 Skema peralatan untuk proses ultrafiltrasi


FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIPROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA

Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

Gambar 3.2

Bahan

Bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah :

a. aqua DM

b. air sungai Cikapundung

c. Larutan glukosa 4% w/v



2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM

OPERASI TEKNIK

Gambar 3.2 Skema peralatan untuk proses RO

Bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah :

air sungai Cikapundung

4% w/v

LABORATORIUM


Skema peralatan untuk proses RO



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Prosedur Kerja

Prosedur Pengoperasi Membran

Membran UF



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Membran RO



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Prosedur

Pencucian

Membran

UF

RO

Mulai

Isi tangki dengan

aqua DM

Atur konfigurasi

membran dalam

setting backwash

Nyalakan pompa.

Atur takanan

pompa menjadi

0.8 bar

Back wash

membran selama

1 menit

Matikan alat dan

pastikan membran

selalu terendam

cairan.

Selesai

Mulai

Isi tangki dengan

aqua DM

Atur konfigurasi

membran dalam

setting backwash

Nyalakan pompa.

Atur takanan

pompa menjadi

0.8 bar

Back wash

membran selama

1 menit

Matikan alat dan

pastikan membran

selalu terendam

cairan.

Selesai



Telp. 022-2500989

Faks. 022.2501438

LABORATORIUM


Penentuan Permeabilitas Membran

Isi tangki sampel

dengan cairan

umpan.

Atur konfigurasi

membran dalam

setting operasi

pemurnian

Mulai

Selesai

Nyalakan pompa.

Atur laju alir

umpan. Jaga agar

tetap konstan.

Atur tekanan pompa

secara perlahan

sampai tekanan yang

telah ditentukan.

Tampung retentat

dan permeat.

Matikan alat dan

pastikan membran

senantiasa

terendam cairan.

Data ?P

Data

Volume

Permeat

Ukur volume

permeat untuk tiap

?P yang digunakan.

Modul Proses Pemurnian

Documents

Transcript of Modul Proses Pemurnian