Separasi Membran

Pendahuluan: Proses Pemisahan

A

A

B

B

AB

B

B

A

A

B

B

A

B

B

B

• Sejumlah proses membran telah berevolusi yang memanfaatkan tekanan sebagai driving force dan membran semipermeabel untuk pemisahan komponen dalam larutan atau dispersi koloid.

• Pemisahan didasarkan pada perbedaan ukuran molekuler

• Dimensi komponen yang dipisahkan dalam range < 1 nm sampai > 1000nm (1 meter = 109 nano meter)

• Proses pemisahan komponen berdasarkan perbedaan berat dan ukuran molekul melalui suatu membran semipermeabel, dimana akan diperoleh komponen dengan ukuran molekul besar akan tertahan (retentate) dan komponen yang melewati membran (permeate)

• Faktor kelayakan teknis dan ekonomis:– Tingkat separasi– Kualitas produk– Nilai ekonomi produk – Sifat bahan/produk dan bidang aplikasinya– Jenis pengotor– Konsumsi energi– Kondisi lokasi, lingkungan dan kebijakan

Macam separasi membran

1. Reverse osmosis (hyperfiltration) /RO2. Nanofiltration /NF3. Ultrafiltration /UF4. Microfiltration /MF

Perbandingan proses separasi dengan filtrasi

Terminologi• Bahan umpan diterapkan ke satu sisi membran dan

mengalami tekanan.• Dalam kebanyakan kasus, umpan mengalir dalam arah

sejajar dengan permukaan membran (filtrasi crossflow)• Proses membran dicirikan bahwa aliran umpan dipilah

menjadi dua aliran, yaitu aliran permeat/filtrat dan aliran retentat/konsentrat

• Aliran yang melewati membran dibawah pengaruh tekanan disebut permeat (filtrat)

• Aliran yang tertinggal (tidak lolos membran) disebut sebagai konsentrat atau retentat

Feed

Membran

Filtrat/permeat

Dead-End Filtration

Membran

Feed Konsentrat

Crossflow filtrasi

Filtrat/permeat

Produk separasi membran

• Konsentrasi Sebagai produk adalah retentat

• Purifikasi Baik retentat ataupun permeat dapat sebagai produk yang

dikehendaki, tergantung jenis pengotor yang harus dihilangkan

• Fraksinasi Baik retentat mapun permeat dapat menjadi produk

Keunggulan proses membran:

– Separasi dapat dilakukan secara kontinu– Konsumsi energi umumnya rendah– Dapat dikombinasikan dengan mudah

dengan proses lainnya (hybrid processing)– Tidak diperlukan pengubahan fase medium– Penggandaan skala (up-scaling) mudah– Sifat membran bersifat variable dan dapat

dikendalikan– Tanpa bahan tambahan

Membran• Sebagai jantung proses membran• Sebagai permselective barrier atau interface

antar dua fase• Pemisahan terjadi karena membran memiliki

kemampuan mentransport satu komponen dari campuran umpan lebih selektif daripada komponen-komponen lainnya

Fase 1 Fase 2

PermeatFeed

Membran

• Definisi umum: membrane is a selective barrier between two phases, the term ‘selective’ being inherent to a membrane or a membrane process

• Membran:– Ketebalan: dapat tipis atau tebal– Struktur: dapat homogen atau heterogen– Transport: dapat aktif atau pasif– Dapat alami atau buatan

Klasifikasi Membran

ca ir

In vers i fase K om p os it

A s im e trik

N on -P orou s(b erm u atan /tak -b erm u atan )

B io log ik

S im etrik A s im etik

P orou s

A n org an ik

P ad a t

S in te tik B io log ik

M em b ran

Asal

Bentuk

Bahan

Morfologi/Struktur

Produksi

Bahan Membran

• Bahan Organik (Polimer):– Polimer untuk Membran berpori– Polimer untuk membran tak-berpori

• Bahan anorganik:– Membran keramik– Membran gelas– Membran metal (termasuk karbon)– Membran zeolit

Contoh Polimer untuk membranPolikarbonatPoly(vinylidene-fluoride) – PVDFPoly(tetrafluoroethylene) – PTFEPolypropylene – PPPolyamide – PACellulose-EstersPolysulfone – PSPoly(ether-imide)Polyetherether ketone

Proses separasi

• Transport melalui membran terjadi akibat dari daya penggerak yang dikenakan pada komponen-komponen dalam feed

• Dalam banyak kasus, laju permeasi (fluks) proporsional terhadap daya penggerak (driving force)

Fluks Tipikal untuk MF, UF, NF dan RO

Proses Membran

Tekanan (bar)

Permeabilitas(L.m-2.hr-1.bar-

1)

MF 0,1 – 2,0 > 50

UF 1,0 – 5,0 10 – 50

NF 5,0 – 20 1,4 – 12

RO 10 - 100 0,05 – 1,4

Kinerja atau Effisiensi Proses Membran:• Ditentukan oleh dua parameter:

– Selektivitas– Fluks atau laju permasi (L/m2hr atau kg/m2hr

atau mol/m2hr) atau koefisien permeabiltas (L/m2.hr.bar)

• Selektivitas umumnya dinyatakan oleh satu dari dua parameter: retensi ( R ) atau faktor pemisahan ( )

F

P

F

PFcc

cccR

1 cF dan cP masing-masing

adalah konsentrasi suatu komponen dalam Feed dan PermeatR=1 pemisahan sempurna

R=0 tidak terjadi pemisahan

Selektivitas membran:Selektivitas membran digunakan untuk campuran gas atau campuran cairan organik umumnya dinyatakan dalam faktor separasi ():

BA

BAA/B xx

yy//

yA dan yB: konsentrasi komponen A dan B dalam permeatxA dan xB: konsentrasi komponen A dan B dalam feed

Jika laju permeasi komponen A melalui membran lebih besar daripada komponen B, faktor separasi dinyatakan sebagai A/B, jika sebaliknya dinyatakan sebagai B/A

0,1

1

10

100

1000

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100

Ukuran Partikel/Molekul ( mm)

Per

beda

an T

ekan

an (b

ar)

FiltrasiMikrofiltrasi

Ultrafiltrasi

Nano-filtrasi

Reverse Osmosis

Mikrofiltrasi (MF) MF dapat memisahkan

partikel berukuran > 0,05 mm

Bahan berukuran < 0,05 mm (garam/ion, gula & protein) melewati membran MF

Ukuran pori: 0,08 – 10 mm Tekanan : 0,1 – 3 bar

Padatan tersuspensi, sel/biomass, koloid

Membran

Air Garam/ion, Makromolekul

Membran MF

Membran: Simetris atau asimetrisKetebalan: 10 – 150 mmUkuran Pori: 0,05 – 10 mmDriving force: Tekanan (< 2 bar)Prinsip separasi:

Mekanisme penyaringan

Bahan membran

Polimer atau keramik

Aplikasi: Aplikasi analitis, sterilisasi (pangan, minuman, farmasi, klsrifikasi minuman (juice, bir, wine), pemisahan sel/biomassa/bioreaktor, air ultra-bersih, recovery metal sebagai oksida atau hidroksida koloid, fermentasi kontinu, pemisahan emulsi air-minyak, waste-water treatment, plasma-pheresis

Ultrafiltrasi (UF) UF dapat memisahkan bahan

berukuran > 0,005 mm UF dan MF adalah identik,

hanya membran UF asimetris membran lebih padat/rapat

Molekul berukuran kecil (garam/ion, dan gula) dapat melewati membran UF

Tekanan: 1 – 10 bar

Garam-garaman/ion, gula

Partikel dan Makromolekul

Membran

Air

Membran UF (Summary):

Membran Asimetris

Ketebalan 150 mm

Ukuran pori 1 – 100 nm

Driving force Tekanan (1 – 10 bar)

Prinsip Pemisahan Mekanisme penyaringan

Bahan membran Polimer (e.g. polysulfone, polyacrylonitrile)Keramik (e.g. Zirconium oxide, aluminium oxide)

Aplikasi Industri susu (milk, whey, cheese making), industri pangan (pati, protein), klarifikasi minuman, pemisahan emulsi minyak-air, recovery electropaint, dan produk/produk samping, farmasi (enzym, antibiotik, pyrogen), water/ wasteater treatment, daur-ulang air, disinfeksi, penghilangan minyak, membran-bioreaktor

Nanofiltrasi (NF) Terletak diantara UF dan RO Tekanan: 10 – 35 bar Dapat memisahkan ion dwi-valensi

(Mg2+ dan Ca2+), penghilangan kesadahan

Tipikal rejeksi (5 bar, 200 ppm): 60 % NaCl, 80 %, Ca(CO3)2, 98 % MgSO4, Glukosa, Sukrosa

Aplikasi: Pemisahkan gula (sumber C-eksternal), eliminasi warna, dan kesadahan, logam berat

Ion bervalensi satu

Partikel, makromolekul, ion bivalen

Membran

Air

NF (Summary):

Membran KompositKetebalan Sublayer 150 mm; toplayer 1 mmUkuran pori < 2 nmDriving force Tekanan (10 – 25 bar)Prinsip Pemisahan

Solution-diffusion

Bahan membran

Polyamide (interfacial polymerization)

Aplikasi Desalinasi air payau, penyisihan mikropolutan, pelunakan air, wastewater treatment, retensi pewarna (industry tekstil)

Hiperfiltrasi/Reverse Osmosis (RO) Membran non-porous, hampir

hanya air yang dapat melewati membran RO

Garam/ion dan bahan organik dapat dihalangi membran RO

Tekanan: 20-60 bar, tetapi dapat juga s/d 200 bar

Aplikasi: penanganan leachate, penghilangan logam berat, gram-graman, dan bahan organik sintetik

Partikel dan Makromolekul, ion bervalensi dua Ion bervalensi satu

Membran

Air

Reverse osmosis/Hiperfiltasi (Summary):

Membran Asimetris atau KompositKetebalan Sublayer 150 mm; toplayer 1 mm

Ukuran pori < 2 nmDriving force Tekanan: air payau 15 – 25 bar; air laut:

40 – 80 barPrinsip Pemisahan

Solution-diffusion

Bahan membran

Cellulose triacetate, aromatic polyamide, polyamide dan poly(ether urea) (interfacial polymerizaztion)

Aplikasi Desalinasi air payau/air laut, produksi air ultra-bersih (industri lektronik), pengkonsentrasian juice atau gula, milk penyisihan mikropolutan, wastewater treatment

Nanofiltrasi dan Reverse Osmosis

Larutan RO NF

Ion monovalen (Na, K, Cl, NO3

-> 90 % < 50 %

Ion bivalen (Ca, Mg, SO4

2-, CO32-

> 99 % > 90 %

Bakteri dan virus > 99 % < 99 %

Microsolute (BM > 100)

> 90 % > 50 %

Microsolute (BM < 100

0 – 99 % 0 – 50 %

Peralatan pengujian kinerja membran (contoh)

Instalasi (perspektif)

•Terima kasih