SEBUAH STUDI TENTANG FENOMENA FOULINGPADA MEMBRAN HOLLOW FIBER

Rifaid M.NurPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif

ABSTRAKSEBUAH STUDI TENTANG FENOMENA FOULING PADA MEMBRAN HOLLOW

FIBER. Telah dipelajari fenomena pembentukan dan pertumbuhan fouling pad a membranhollow fiber, kemudian model teoritik pun telah dikembangkan khusus untuk aliran laminar.Model dikembangkan dengan mengambil satu dimensi saja dan didasarkan pada pengamatanempiris yang menunjukkan bahwa aliran laminar tidak mempengaruhi proses pertumbuhanfoulant. Model ini dapat memprediksi bahwa reaksi awal yang terjadi dengan sangat cepat padadinding membran merupakan faktor yang paling dominan yang menyebabkan terjadinya fouling,kemudian diikuti oleh proses pengendapan yang mulai terjadi karena berkurangnya fIuks. Modelini juga memprediksi bahwa kecepatan berkurangnya fIuks berbanding lurus dengankonsentrasi umpan. Larutan yang tidak stabil dapat menyebabkan ketergantungan non-linierpengendapan foulant pada konsentrasi foulant dalam umpan.

ABSTRACTIt has been studied the phenomena of the forming and the growth of fouling on the

surface of hollow fiber membrane, then analytical model has been developed for laminar flow.The model is one-dimensional and based on the empirical observation that laminar flow is notaffect the foulant growth behaviol: A fast initial reaction-dominated fouling regime is predicted,followed very shortly in time by a much slower flux-driven deposition. The model predict that therate of flux decline is proportional to the feed concentration. An unstable solution leads to anonlinier dependence of foulant deposition on foulnat feed concenttation.

PENDAHULUANTelah lama diketahui bahwa satu dari sekian banyak kendala utama

dalam mendapatkan hasil yang optimal dari sistem pemisahan denganmembran adalah fouling pada membran. Bahan-bahan utama yang dapatmenyebabkan terjadinya fouling pada dinding membran di sisi larutan umpanadalah kontaminan biologis, senyawa makromolekul, senyawa anorganiktertentu dan bahan koloid. Lapisan foulant yang terbentuk bisa saja bersifatnetral, tapi bisa juga bermuatan tertentu[1]. Sedangkan kecepatanpembentukan dan pertumbuhan lapisan tipis ini pada umumnya bergantungpada sifat-sifat foulant dan larutannya, juga pad a parameter pengoperasianmembran seperti suhu, pH, fluks melewati membran, laju alir aksial (axial flowrate) yang paralel dengan membran dan konsentrasi foulant dalam umpan.

Fouling pada dinding membran umumnya menyebabkan penurunanfluks pelarut melewati membran. Ada dua proses yang terkait denganfenomena fouling ini, yakni secara internal akan terjadi proses peracunan(poisoning) dan secara eksternal adalah pertumbuhan fouling itu sendiri[2].Pada proses membran tertentu, misalnya osmosis balik, kepadatan membran[3]dan naiknya tekanan osmotik pada permukaan membran[4] juga dapatmenyebabkan menurunnya fluks pelarut melewati membran, akan tetapi efek initidak dapat dikategorikan sebagai fouling. Dari hasil pengamatan eksperimentalyang menggunakan larutan koloid sebagai larutan umpan, dapat diperkirakan

Hasil Penelitian Tahun 2000

bahwa penyebab utama menurunnya fluks lapisan foulant pad a dindingmembran, walapun faktor-faktor lain juga tidak dapat diabaikan.

Studi tentang fenomena fouling oleh larutan koloid pada dindingmembran dari berbagai proses membran, terutama osmosis balik, awalnyadifokuskan pada bagaimana memperoleh data berkurangnya fluks denganpenjelasan kualitatif yang mungkin dapat dilakukan dengan data tersebut dandata-data lain yang terkait[1,5,6]. Baru kemudian diikuti oleh upaya kajianteoritik untuk menjelaskan faktor-faktor yang mungkin mempengaruhipengendapan koloid dan pertumbuhan foulant[7]. Untuk membran ultrafiltrasi,sejumlah peneliti telah beihasil mengusulkan model analitik yang cukup baikyang menjelaskan batas fluks yang bisa dicapai ketika lapisan tipis yangmengendap mencapai ketebalan asimptotik. Bergantung pada kondisi aliran,batas fluks sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti alir.an aksial, tekananosmotik atau sifat difusi dari partikel. Peneliti-peneliti yang patut dikemukakan disini sehubungan dengan pekerjaan seperti tersebut adalah Green danBelfort[8] , Doshi dan Trettin[9], dan Zydney dan Colton [10], di mana mereka initelah memperlihatkan kondisi operasi yang mereka gunakan ketika melakukanpercobaan dan model-model untuk migrasi partikel, ultrafiltrasi yang bergantungpad a tekanan, serta penjelasan tentang difusi partikel yang sangatmempengaruhi besarnya fouling dan batas fluks.

Makalah ini melaporkan suatu hasil studi awal tentang fenomenaterjadinya fouling serta kinetika pertumbuhan foulant koloid pada membranhollow fiber. Model analitik pun telah diturunkan dan dikembangkan.

MODEL FOULINGPengaruh aliran laminar yang sangat lemah terhadap kecepatan

pertlJmbuhan tau/ant seperti yang diperaleh aleh beberapa peneliti [5,9]menunjukkan bahwa mekanisme deposisi tau/ant pada hakekatnya merupakansatu dimensi yang 110rmal terhadap membran. Hal ini dapat digambarkanseperti diperlihatkan pada Gambar 1. Dapat diasumsikan bahwa mekanismedeposisi tau/ant sangat ditentukan oleh rekasi tingkat satu yang terjadi padadaerah lapisan reaksi yang dekat dengan permukaan. Lapisan ini yangtebalnya Dr dapat didefinisikan sebagai lapisan rata-rata bulk yang meliputisemua reaksi yang secara periahan-lahan menyebabkan terjadinya deposisidan pertumbuhan lapisan tau/ant.

Perubahan massa tau/ant pada daerah volume-kontrol reaksi tersebutadalah

-JkelUar (1)~ = JmaSUkat

-di mana C adalah konsentrasi tau/ant rata-rata (tak berdimensi) dalam lapisanreaksi ini, Jmasuk adalah laju perpindahan tau/ant ke dalam volume-kontrolsecara konveksi dengan dimensi kecepatan, dan Jkeluar adalah laju tau/antmeninggalkan volume-kontrol yakni endapan pada permukaan membrantersebut.

79Hasil Penelitian Tahun 2000

Dapat ditulis

JmaSUk = VOCO(2)

di mana Vo adalah kecepatan permeasi pada t = 0 sebelum terjadi fouling dan Coadalah konsentrasi foulant dalam umpan (tak berdimensi). Sedangkan fluksadalah

Jkeluar = kdC(3)

di mana kd adalah tetapan kecepatan reaksj orde satu rata-rata dengan dimensl

kecepatan.Pad a umumnya simbol c digunakan untuk menyatakan konsentrasi

tau/ant tak berdimensi dan didefinisikan sebagai:

volume padatanc= .

(volume padatan + volume cairan) (4)

sehingga c dapat dikatakan sebagai fraksi volume padatan. Konsekuensinya,dari definisi tersebut

Co = fraksi volume padatan dalam larutan umpan

sedangkan

-C = fraksi volume padatan rata-rata dalam lapisan reaksi

Substitusi persamaan (2) dan (3) ke dalam persamaan (1) menghasilkanpersamaan differensial tingkat satu

-~

at= voco -kdCor (6)

-Untuk kondisi awal C (t = 0) = Co! penyelesaian persamaan (6) adalah

-cCo

1- ~ ]exp[-~kd Or

(7)-~+-kd

Penyelesaian persamaan (7) tampaknya bergantung pada dua parameter takberdimensi, yakni rasio kecepatan permeasi mula-mula sebelum fouling dengantetapan kecepatan reaksi, VJkd, dan waktu reduksi, kdtlor , di mana orlkd adalahwaktu reaksi spesifik. Pada Gambar 2. ICo diskets sebagai fungsi waktureduksi untuk setiap nilai parameter vJkd .Jika VJkd > 1, maka situasinyaadalah bahwa kejenuhan tau/ant dan gel dalam lapisan reaksi disebabkan aleh

80Hasil Penelitian Tahun 2000

kecepatan permeasi yang tinggi. Dalam segala situasi, kecuali jika VJkd> .1, .ICo sedikit demi sedikit akan mencapai nilai steady-state VJkd .

Diasumsikan bahwa kecepatan pertumbuhan tau/ant, yang sarnadengan kecepatan depasisj, dapat dijelaskan dengan kinetika reaksi tingkatsatu [persamaan (3)], sehingga dapat ditulis lagi

(1 -E) 8or/Gt = kd.(8)

OJ sini Dr adalah ketebalan lapisan tau/ant dan E adalah parasitas efektif ataufraksi volume yang kasang dari lapisan tau/ant yang didefinisikan sebagai

E = volume yang kosong/(volume yang kosong + volume padatan)(9)

Dengan. (t) yang diberikan di persamaan (7), persamaan (8) dapat diintegrasidengan kondisi mula-mula ~r (t = 0) = 0, sehingga diperoleh

Kecepatan tak berdimensi dan parameter waktu yang dijelaskan sebelumnyaakhirnya muncul pad a hasil model fouling seperti diperlihatkan pad a persamaan(10) yang diskets pada gambar 3. Sedangkan limit asimptotik dapat dilihat padapenyelesaian persamaan (12). Pertama-tama, reaksi sangat dominan dan tidakbergantung konveksi, yakni

(c Vo

kd'

kdt

8r .

8r(t) = 0

1

-expl-E

limkdt / t5r ~O

, ,

1- E

Sementara limit kedua adalah convection-controlled.

at5r

atCoY 0

l-'\Elim

kdt/or~oo

,

Dua limit diskets pada Gambar 3, untuk kasus di mana vJkd < 1. Interseksi garislurlls yang kemiringannya ditentukan dengan persamaan (11) dan persamaan(12), berhubungan dengan v.Jaktu reaksi spesifik, tr, di mana

tr = Dr Ikd

81Hasil Penelitian Tahun 2000

Untuk waktu yang jauh lebih besar dibandingkan dengan tr, semua pengaruhreaksi dapat diabaikan. Jika tr dan kd berturut-turut ditentukan berdasarkanukuran koloid (- 2 x 10-5 cm) dan kecepatan permeasi (- 10-3 cm/detik) , makaakan diperoleh nilai tr berkisar 2 x 10-2 detik.

MODEL PERTUMBUHAN LAPISAN FOULANTDari hasil ekperimen yang dilakukan berjam-jam, dapat dipahami

bahwa mekanisme perpindahan partikel ke permukaan membran dan deposisipada permukaan membran adalah convection controlled, sehingga dengandemikian persamaan pertumbuhan lapisan tou/ant yang sesuai dapatditurunkan. Penurunan ini dapat dilakukan dengan asumsi-asumsi sebagaiberikut :(1) pressure drop sepanjang lapisan tau/ant adalah karena resistansi

hidrodinamik, di mana di sini digunakan persamaan resistansi Kozeny-Carman,

(2) perpindahan tau/ant adalah convection controlled(3) distribusi ukuran partikel tau/ant adalah monomodal(4) fluks permeasi adalah quasi-steady; v(t)/vo-1(5) fraksi volume tau/ant dan larutan umpan yang encer, CO « 1,(6) 8/ro «1, di mana ro adalah jari-jari hollow fiber, sehingga keterbatasan

geometri pada pertumbuhan lapisan dapat diabaikan.

Dengan model seperti diperlihatkan pad a Gambar 5, perubahan masatau/ant dapat ditulis sebagai berikut:

a8r

at

(1

(14)== CoY 0

di mana, jika 1 -E » CO , Bola di sisi kanan dapat diabaikan jika dibandingkan

dengan Yo. Tentu saja hasilnya tinggal persamaan (12).Kecepatan permeasi melewati membran yang sudah kena fouling

adalah

v(t) = Ltp;1Rm + R,(t)] (15)

di mana Rm adalah resi,stansi hidrolik membran yang belum kena fouling.

Berdasarkan model di atas, dapat diasumsikan bahwa

R,(t) = 8,(t)/Kf (16)

di mana Kf permeabilitas lapisan tipis (film). Dengan substitusi Rr(t) ke dalampersamaan (15), kemudian didiferensiasi terhadap waktu dan memasukkanbatasan-batasan eksperimen sebagai berikut :

82Hasil Penelitian Tahun 2000

aRm/at = 0 [prakompaksi mernbran] (17a)

8L.\plat = 0 [steady state percobaan]

OKf/&'t = 0 [permeabilitas yang tidak bergantung waktu]

akan bisa diperoleh kecepatan pertumbuhan lapisan tipis (film) to u/an t, yakni

a8r

at atSubstitusi persamaan (18) ke persamaan (14), dapat dilihat bahwa kuantitas

a == l:1pl5(1/v)/a. -konstan

di mana a disebut sebagai parameter gaya transmembran spesifik. Harusdipahami bahwa a berdimensi gaya per satuan volume dan proporsionalterhadap kenaikan diferensial gaya yang diperlukan untuk mempertahankanfluks permeasi konstan setelah penyaringan satu satuan volume larutan fouling.Kuantitas ini dapat diperoleh melalui eksperimen.

Oari substitusi di atas, diperoleh hubungan khusus sebagai berikut:

a

Co

Sedangkan permeabilitas Kozeny-Carman melewati media porous untukpartikel dengan diatemer yang seragam dp adalah

di mana Jl adalah viskositas pelarut. Dengan demikian, kombinasi persamaan

(20) dan (21) akan menghasilkan

a

Co

Oari persamaan (22) di atas, jika a/cc diplot terhadap J.lYo. maka akanmendapatkan garis lurus 180(1'.E)/dp2 E3. Sehingga, jika E diketahui, makadiameter partikel efektif dapat dihitung.

83Hasil Penelitian Tahun 2000

KESIMPULANModel analtik di atas dapat memprediksi bahwa reaksi awal yang terjadi

dengan sangat cepat pada dinding membran merupakan faktor yang palingdominan yang menyebabkan terjadinya fouling, kemudian diikuti oleh prosespengendapan yang mulai terjadi karena berkurangnya fluks. Model tersebutjuga memprediksi bahwa kecepatan berkurangnya fluks berbanding lurusdengan konsentrasi umpan. Larutan yang tidak stabil dapat menyebabkanketergantungan non-linier pengendapan fou/ant pad a konsentrasi tau/ant dalamumpan.

REFERENSI1. Probstein, R.F., Chan, K.K., Cohen, R., dan Rubenstein, I., "Model and

Preliminary Experiments of Membrane Fouling in Reverse Osmosis," dalamSynthetic Membranes and Their Applications (A.F. Turbak, Ed.) , halaman131 -145, ACS Symposium Series, Amer. Chem. Soc., Washington DC,1981.

2. Assink, R.A., "Fouling Mechanisms of Separator Membranes forIron/Chromium Redox Battery," J. Membrane Sci., 17,205 -217 (1984).

3. Ohya, H., "An Expression Method of Compaction Effects on ReverseOsmosis Membranes at High Pressure Operation," Desalination, 26, 163 -174 (1978).

4. Trettin, D.R. dan Doshi, M.R., "Pressure-independent Ultrafiltration: Is it gellimited or osmotic pressure limited?" dalam Synthetic Membrane:Hyperfiltration and Ultrafiltration Uses (A.F. Turbak, Ed.), halaman 373 -409, Amer. Chern. Soc., 1981.

5. Jackson, J.M. dan Landolt, D., "About the Mechanism of Formation of Ironhydroxide Fouling Layers on Reverse Osmosis Membranes," Desalination,15,361 -378 (1973).

6. Ghan, K.K., "Fouling Mechanisms and Effects on Membrane SeparationSystems," M.S.M.E. thesis, Department of Mechanical Engineering, MIT,Feb. 1979.

7. Hung, C.C. dan Tien, C., "Effect of Particle Deposition on the Reduction ofWater Flux in Reverse Osmosis," Desalination, 18, 173 -187 (1976).

8. Green, G. dan Belfort, G., "Fouling of Ultrafiltration Membranes: LateralMigration and the Particle Trajectory Model, Desalination, 35, 129 -147

(1980).9. Doshi, M.R. dan Trettin, D.R.,"Ultrafiltration of Colloidal Suspensions and

Macro-molecular Solutions in an Unstirred Batch Ceil, Ind. Eng. Chern.Fundam., 20, 221 -229 (1981).

10. Zydney, A.L. dan Colton, C.K., "Continuous FloVI Plasmaphoresis:Theoretical Models for flux and Hemolysis Prediction, Trans. ASAIO, 28,408 -412 (1982).

84Hasil Penelitian Tahun 2000