Winduwati S., Yohan, Rifaid M. Nur Pusat Pengembangan...

KARAKTERISTIK OSMOSIS BALIK MEMBRAN SPIRAL WOUND

Winduwati S., Yohan, Rifaid M. NurPusat Pengembangan Pengelolaan limbah Radioaktif

ABSTRAKKARAKTERISTIK OSMOSIS BALIK MEMBRAN SPIRAL WOUND. Karakteristik

permeasi air pada membran osmosis balik telah dipelajari dengan menggunakan membrankomposit modul spiral wound dan larutan natrium klorida dalam air sebagai larutan umpan.Dalam penelitian ini diamati fluks air melewati membran, faktor rejeksi dan konsentrasi natrium,klorida dalam permeat. Perubah yang dipakai adalah konsentrasi natrium klorida dalam larutanumpan dari 20 hingga 100 mg/L dan tekanan operasi dari 40 sampai 120 psi. Hasilnyamenunjukkan bahwa kenaikan konsentrasi natrium klorida dalam larutan umpan diikuti olehpenurunan faktor rejeksi "fluks permeat serta konsentrasi natrium klorida dalam permeatmengalami kenaikan. Kenaikan tekanan operasi diikuti oleh kenaikan fluks permeat, kenaikanfaktor rejeksi dan pernurunan konsentrasi natrium klorida dalam permeat. Fluks permeat danfaktor rejeksi yang tinggi serta konsentrasi natrium klorida dalam permeat yang rendahdiperoleh pada konsentrasi natrium klorida dalam larutan umpan di bawah 40 mg/L dan tekananoperasi di alas 100 psi.

ABSTRACTCHARACTERISTIC OF REVERSE OSMOSIS MODUL SPIRAL WOUND. Water

permeation characteristic in reverse osmosis membrane were studied using spiral woundmodule of composite membrane and sodium chlorid aqueous solution as feed solution. Thisresearch water flux through membrane, rejection factor and sodium chlorid concentration inpermeate were determined as function of sodium chlorid in feed solution varying from 20 to 100mg/L and operation pressure varying from 40 to 120 psi. The result show that the increasing ofsodium chlorid concentration in feed solution is followed by decreasing of rejection factor,decreasing of permeat flux through membrane and increasing of sodium chlorid concentration inpermeate. The increasing of operation pressure id followed by increasing of permeate fluxthrough membrane, increasing of rejection factor and decreasing of sodium chloridconcentration in permeate. High permeate flux and rejection factor, low concentration of sodiumchlorid in permeate are founq when concentration of sodium chlorid in feed solution less than 40mg/L, and operation pressure more than 100 psi.

PENDAHULUANMembran osmosis balik (reverse osmosis atau hyperfitration) telah

menjadi perhatian dalam industri sejak tahun 1960-an, karena kemampuannyauntuk memisahkan zat terlarut berukuran sangat kecil (di bawah 10 A) darilarutan padat-cair. Teknik ini banyak digunakan untuk berbagai keperluan,seperti desalinasi air 18lJt dan air payau yang banyak dikembangkan oleh Qfficeof Saline Water, U.S. Departement of the Interior [HARRIS, 1976], pengolahanair limbah industri-industri pertanian, biokimia, kimia, elektrokimia, makanan,farmasi, petrokimia, pulp dan kertas. Bahan membran yang digunakan biasanyaadalah selulosa asetat, komposit, poliamida, dan lain-lain, dengan modultubular, spiral wound, flat sheet, atau hollow fiber [OHY A, 1976].

Sementara itu, pengolahan limbah radioaktif cair aktivitas rendahumumnya dilakukan secara evaporasi. Dalam proses ini diperlukan mediapemanas yang biasanya berupa uap panas yang dihasilkan dengan energibesar. Kerak dan buih sering menjadi kendala dalam proses. Kerak umumnya

Hasil Penelitian Tahun 2000

terjadi pada dinding pipa alat penukar panas yang akan mengurangi koefisienperpindahan panas, sehingga kebutuhan uap meningkat. Sedangkan buihmenyebabkan terbawanya partikel zat yang tidak diinginkan dan unsur-unsuryang mudah menguap ke distilat, sehingga menurunkan kualitas distilat yangdihasilkan. Pada pengolahan limbah cair dengan pengendapan kimia dan resinpenukan ion memerlukan bahan kimia yang banyak di samping adanyakesulitan pemisahan partikel-partikei koloid.

Untuk menghindari kendala di atas, sebagai salah satu alternatif perludikembangkan teknik pengolahan limba.h radioaktif cair aktivitas rendah denganmenggunakan teknik membran, khususnya membran osmosis balik. Teknik initidak memerlukan energi panas, tidak banyak menggunakan bahan kimia,sangat baik untuk memisahkan partikel koloid serta tidak dijumpai masalahkerak dan buih; hanya terjadi peningkatan konsentrasi partikel padat padadinding membran. Namun, hal ini relatif mudah diatasi, misalnya denganmenaikkan tekanan operasi, begitu pula dengan limbah yang mudah menguap.

.Pada publikasi terdahulu [NUR, et al., 1995 dan 1996], telah dipelajarikarakteristik permeasi air pada membran osmosis balik dengan mengamatipengaruh konsentrasi tembaga sulfat dalam larutan umpan, tekanan operasi,suhu dan pH umpan terhadap faktor rejeksi, fIuks permeat dan konsentrasitembaga sulfat dalam permeat. Fluks permeat dan faktor rejeksi yang tinggiserta konsentrasi tembaga sulfat dalam permeat yang rendah diperoleh pad akonsentrasi natrium klorida dalam umpan di bawah 10 g/l, tekanan operasi diatas 100 psi, suhu umpan di bawah suhu 35°C dan pH umpan antara 3 dan 4.

Pad a pengolahan limbah radioaktif aktivitas rendah yan~ meng~ndun~isotop unsur Golongan I A pad a Susunan Berkala, khususnya 37 Cs, dljumpal

pula kendala lolosnya sebagian isotop ini melewati membran, sehingga

efisiensinya berkurang.Pada penelitian ini dilakukan untuk mempelajari karakteristik permeasi

air melewati membran osmosis balik menggunakan membran komposit modulspiral wound dan larutan natrium klorida (mewakili unsur Golongan I A) dalamair sebagai larutan umpan, sebagai langkah awal dalam upaya mempelajarikemungkinan teknik ini untuk pemekatan limbah radioaktif cair aktivitas rendahpada berbagai ukuran partike! zat terlarut.

TEORISeperti pad a publikasi~publikasi sebelumnya bahwa prinsip osmosis

balik diperlihatkan seperti pada Gambar 1. Tekanan yang dihasilkan olehmengalirnya zat pelarut melalui membran semipermeabel (tekanan osmosis, n)dihitung dengan persamaan van't Hoff

n = v.R.T.Cs (1)

di mana n adalah tekanan osmosis, v adalah jumlah kation atau anion yangdihasilkan oleh dissosiasi sempurna satu molekul elektrolit (misalnya NaGIadalah 2), R adalah tetapan gas ideal, T adalah suhu dan Gs adalahkonsentrasi molar zat terlarut.

8Hasil Penelitian Tahun 2000

l~ANC>rtKMJAH 05M.1S1S,

Gambar 1. Prinsip Osmosis Balik

Persamaan (1) hanya berlaku untuk larutan yang sangat encer atau larutanideal. Untuk larutan yang non ideal, persamaan (1) harus diekspansi hinggamenjadi hubungan berikut :

11 = v.R.T.Cs.[1+<;.Cs+ (2)

di mana <; adalah suatu tetapan yang diperoleh lewat percobaan khusus untukzat terlarut tertentu. Dengan demikian, perubahan zat terlarut (termasukperubahan komposisi zat terlarut) dan kondisi larutan, misalnya oleh pH dansuhu, akan sangat mempengaruh1 n, yang pada akhirnya akan mempengaruhifluks pelarut dan zat terlarut. Dengan sendirinya, faktor rejeksi pun akanterpengaruh. Hal ini dapat dilihat pada hubungan-hubungan berikut ini :

Jw = Kp.(/:1P -cr/:1n) (3)

di mana Jw adalah fluks pelarut yang melewati membran, Kp adalah koefisienpermeabilitas yang diperoleh melalui percobaan, /1P adalah tekanan operasi,yaitu perbedaan tekanan pada dua sisi membran, cr adalah koefisien refleksi(idealitas membran) yang harganya antara 0 sampai 1 (cr = 1 berarti membranhanya meloloskan air atau pelarut saja, sedangkan cr = 0 artinya membran

sarna sekali tidak selektif), dan /1f1 adalah perbedaan tekanan osmosis larutanpada dua sisi membran (antara larutan garam dan air).

1

-(j).Jw.Cs~ (4)Js = -roLlll + (1 -(J).Js.Cs~ ~ -v.ro.R.T.Cs +


di mana Js adalah fluks zat terlarut yang terikut bersama pelarut, 0) adalahmobilitas zat terlarut yang besarnya pada saat Jw = 0 adalah -Js/~P .Cs'" ada!ah

konsentrasi rata-rata logaritma, yang didefinisikan dengan ~Cs/~ (In Cs).

(5)R = 1-Js/Jw = 1- Cp/Cf

di mana R adalah faktor rejeksi, Cp ad.alah konsentrasi zat terlarut dalampermeat dan Cf adalah konsentrasi zat terlarut dalam umpan.

TATA KERJA

BahanSebagai larutan umpan digunakan serbuk natrium klorida p.a. produksi

E. Merck yang dilarutkan dalam air bebas mineral produksi P2PLR-BATAN.Larutan natrium klorida dibuat pada konsentrasi 20, 40, 60, 80, dan 100 mg/i.

MetodeAlat membran osmosis balik dirangkai seperti pada Gambar 2. Modul

membran yang digunakan adalah membran komposit modul spiral wound,buatan Water System, Inc., Amerika Serikat. Kemudian tekanan operasi diaturpada 40 psi dan umpan air bebas mineral dilalukan pad a alat. Permeat yangdihasilkan ditampung dalam gelas kimia 600 mL dan diukur fluksnyamenggunakan neraca dan stopwatch, Pengerjaan ini diulangi untuk tekananoperasi 60,80, 100, dan 120 psi.

~

LA~PAN\'cc cc c

~

)1j{)1'J1,;

~~~~

~~t;G/~'..: ';,.tonOJ1,j

~TMj u.~~

~

Gambar 2. Rangkaian Alat Osmosis Balik


g, :-.-1,,- ~.

r,.'t1t'",;; ~.1;i'.!\t..1\ttI!~!I;,Q

Langkah kerja di atas diulangi tetapi terhadap larutan umpan natriumklorida dengan konsentrasi 20, 40, 60, 80, dan 100 mg/L. Permeat yangdiperoleh dianalisis kandungan natriumnya menggunakan alat SpektrofotometerSerapan Atom pad a panjang gelombang 852,1 nm. Faktor rejeksi dihitung

dengan menggunakan persamaan (5).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengaruh Konsentrasi Natrium KloridaPengaruh konsentrasi natrium klorida dalam larutan umpan terhadap

fluks permeat (Jw + Js), faktor rejeksi dan konsentrasi natrium klorida dalampermeat berturut-turut diperlihatkan pada Gambar 3, 4, dan 5. Sepertidiperlihatkan pada Gambar 3, fluks permeat mengalami penurunan dengannaiknya konsentrasi natrium klorida dalam larutan umpan. Hal ini disebabkanadanya polarisasi konsentrasi, di mana pada dinding membran konsentrasinatrium klorida lebih tinggi daripada larutan umpan. Makin tinggi konsentrasinatrium klorida dalarll larutan umpan, makin besar pula kenaikan konsentrasinatrium klorida pada dinding rnembran, sehingga semakin menghambat laju alirair melewati membran. Pada Gambar 4 diperlihatkan bahwa faktor rejeksimengalami penurunan dengan naiknya konsentrasi natrium klorida dalamlarutan umpan. Gambar 3 dan 4 ini juga menunjukkan bahwa fluks permeat danfaktor rejeksi yang tinggi diperoleh pada konsentrasi natrium klorida dalamlarutan umpan 40 mg/L. Pada Gambar 5 dperlihatkan bahwa konsentrasinatrium klorida dalam permeat mengalami kenaikan dengan kenaikankonsentrasi natrium klorida dalam larutan umpan. Konsentrasi natrium kloridadalam permeat yang rendah diperoleh pada konsentrasi natrium klorida dalamlarutan umpan di bawah 40 mg/L.


Gambar 4. Grafik Hubungan Antara Faktor Rejeksi DanKonsentrasi Natrium Klorida Dalam LarutanUmpan

Gambar 5. Grafik Hubungan Antara KonsentrasiNatrium Klorida Dalam Permeat DanKonsentrasi Natrium Klorida Dalam Larutan

Umpan


Pengaruh Tekanan OperasiPengaruh tekanan operasi terhadap fluks permeat, faktor rejeksi dan

konsentrasi natrium klorida dalam permeat berturut-turut diperlihatkan padaGambar 6, 7, dan 8. Gambar 6 memperlihatkan bahwa fluks permeatmengalami kenaikan dengan naiknya tekanan operasi. Hal ini disebabkankenaikan tekanan operasi, seperti yang diperlihatkan pada persamaan (3), akanmenyebabkan naiknya perbedaan tekanan pada dua sisi membran, sehinggaselisih L\P clan L\ll semakin besar, yang pada akhirnya menyebabkan naiknyafluks permeat. Gambar 7 memperlihatkan bahwa faktor rejeksi mengalamikenaikan dengan naiknya tekanan operasi. Gambar 6 dan 7 juga menunjukkanbahwa fluks permeat dan faktor rejeksi yang tinggi diperoleh pada tekananoperasi di atas 100 psi. Gambar 8 memperlihatkan bahwa konsentrasi natriumklorida dalam permeat mengalami penurunan dengan naiknya tekanan operasi.Konsentrasi natrium klorida dalam permeat yang rendah diperoleh padatekanan operasi di atas 100 psi.

~~~~

-,., m

TEKANAN OF'EP~SI [PSI]

Gambar 6. Grafik Hubungan Antara Fluks Permeat DanTekanan Operasi

~~

., "

TEKANANOPERASI (PSI.)

Gambar 7. Grafik Hubungan Antara Faktor Rejeksi DanTekanan Operasi


~

KESIMPULANHasil penelitian menunjukkan bahwa kenaikkan konsentrasi natrium

klorida dalam larutan umpan menyebabkan menurunrlya fluks permeat danfaktor rejeksi, tetapi konsentrasi natrium klorida dalam permeat mengalamikenaikan. Sedangkan kenaikan tekanan operasi rl1enyebabkan naiknya flukspermeat dan faktor rejeksi, tetapi menurunkan konsentrasi natrium kloridadalam permeat. Faktor rejeksi dan fluks permeat yang tinggi serta konsentrasinatrium klorida dalam permeat yang rendah diperoleh pada konsentrasi natriumklorida dalam larutan umpan di bawah 40 mg/L dan tekanan operasi di atas100 psi.

DAFT AR ACUAN1. HARRIS, H.C., G.B.HUMPHREYS, and K.S. SPEGLER. Reverse Osmosis

(Hiperfiltration) in Water Desalination. Membrane Separation Processes. P.Meares Ed. Co. New York. Pp. 600.

2. OHYA, H. 1976. Reverse Osmosis Method. Membrane SeparationEngineering. Kagaku Pub. Co. Tokyo. Pp. 273.

3. NUR, R.M., YOHAN, dan K. HERYANTO. 1995. Karakteristik PermeasiAir pada Membran Osmosis Balik. Hasll Penelitian PTPLR 1994-1995.PTPLR. Jakarta. ISSN No. 0852-2979. Hal. 102-114.

.NUR, R.M., YOHAN, dan HENDRO. 1996. Karakteristik Permeasi Air padamembran Osmosis Balik. Hasil penelitiar: PTPLR 1995-1996. PTPLR.Jakarta. ISSN No. 0852-2979. Hal. 62-67.

~

4

Hasil Penelitian Tahun 2000 14

Winduwati S., Yohan, Rifaid M. Nur Pusat Pengembangan...

Documents

Transcript of Winduwati S., Yohan, Rifaid M. Nur Pusat Pengembangan...