ASSALAMMU’ALAIKUM WR WB.....

PROF. DR. BASTIAN ARIFIN, M. Sc APLIKASI TEKNOLOGI MEMBRAN PADA PENGOLAHAN AIR/AIR LIMBAH (STUDI KASUS : PEMANFAATAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI PADA PENGOLAHAN AIR/AIR LIMBAH) DOSEN PEMBIMBING : PROF. DR. BASTIAN ARIFIN, M. Sc DISUSUN OLEH :   MARIA ULFAH NIM. 1509200090005

PENDAHULUAN Teknologi membran telah menjadi topik hangat dalam beberapa tahun terakhir ini. Penggunaan teknologi membran untuk proses pengolahan air bersih dan air limbah terus berkembang pesat, hal itu mungkin dipicu fakta bahwa pemisahan dengan membran memiliki banyak keunggulan yang tidak dimiliki oleh metode-metode pemisahan lainnya. Keunggulan dari membran yaitu tidak membutuhkan zat kimia tambahan, kebutuhan energinya sangat minimum, membran dapat bertindak sebagai filter yang sangat spesifik, hanya molekul-molekul dengan ukuran tertentu saja yang bisa melewati membran sedangkan sisanya akan tertahan di permukaan membran, keunggulan lainnya yaitu teknologi membran ini sederhana, praktis, dan mudah untuk dilakukan.

PENDAHULUAN Membrane separation adalah suatu teknik pemisahan campuran dua atau lebih komponen tanpa menggunakan panas. Komponen-komponen akan terpisah berdasarkan ukuran dan bentuknya, dengan bantuan tekanan dan selaput semi-permeable. Hasil pemisahannya berupa retentate dan permeate.

Membran berfungsi memisahkan material  berdasarkan  ukuran  dan bentuk molekul,   menahan  komponen  dari umpan  yang  mempunyai  ukuran lebih  besar  dari pori-pori  membran  dan  melewatkan   komponen  yang mempunyai  ukuran  yang  lebih kecil. Suatu bahan dapat dijadikan membran apabila tahan secara kimia baik terhadap umpan maupun pada cairan pencuci membran, stabil secara mekanik, termal dan memiliki permeabilitas dan selektifitas yang tinggi

PENDAHULUAN Pengolahan konvensional yang berbasis pada teknologi konvensional seperti koagulasi-flokulasi, sedimentasi dan filtrasi sering kali kurang efektif atau gagal untuk mengolah dengan hasil sesuai dengan baku mutu yang diharapkan, untuk itu diperlukan teknologi alternatif untuk mengolah air baku tersebut. Membran Ultrafiltrasi diduga mampu menurunkan parameter seperti zat organik dan kekeruhan, seperti yang dilakukan oleh Mahmud (2002) yang menggunakan membran ultrafiltrasi untuk menyisihkan konsentrasi senyawa organik dalam air gambut. Studi kasus pemanfaatan membran ultrafiltrasi (UF) untuk pengolahan air/air limbah yang memungkinkan diproduksinya air berkualitas tinggi (bebas mikroba dan padatan tersuspensi), serta dengan segala kelebihannya, pemanfaatan teknologi ini pada akhirnya diharapkan dapat memberikan keuntungan baik dari segi ekonomi, teknik, maupun lingkungan.

TINJAUAN PUSTAKA Membran adalah penghalang tipis (semi-permeable) yang selektif antara dua fasa. Membran dapat terbuat dari bahan organik (cellulose acetate, polysulphone, polyamide) atau anorganik (alumina, zirconia, titania, keramik)

Jenis Membran Jenis-jenis Membran MF (Mikrofiltrasi) UF (Ultrafiltrasi) NF (Nanofiltrasi) RO (Reverse Osmosis)

Membran Mikrofiltrasi (MF) Mikrofiltrasi merupakan pemisahan partikel berukuran micron atau submicron. Bentuknya lazim berupa cartridge, yang berguna untuk menghilangkan partikel dari air yang berukuran 0,04 sampai 100 mikron, asalkan kandungan padatan total terlarut tidak melebihi 100 ppm. Teknologi membran mikrofiltrasi adalah proses membran dengan menggunakan tekanan sebagai gaya dorong. Membran ini dapat menahan koloid, mikroorganisme, dan padatan tersuspensi. Mikrofiltrasi juga dapat menahan bahan-bahan yang ukurannya lebih kecil daripada rata-rata ukuran pori karena penahan adsorptif.

Membran Mikrofiltrasi (MF) Aplikasi utama membran mikrofiltrasi pada industri adalah sterilisasi dan klarifikasi pada industri makanan dan obat-obatan, pemanenan sel, klarifikasi juice, recovery logam dalam bentuk koloid, pengolahan limbah cair, fermentasi kontinue, ataupun pemisahan emulsi minyak-air. MF dapat memisahkan partikel berukuran > 0,05 m Bahan berukuran < 0,05 m (garam/ion, gula & protein) melewati membran MF Ukuran pori: 0,08 – 10 m, Tekanan : 0,1 – 3 bar

Membran Ultrafiltrasi (UF) Ultrafiltasi merupakan teknologi pemisahan menggunakan membran untuk memisahkan berbagai zat terlarut dengan berat molekul tinggi, bermacam koloid, mikroba sampai padatan tersuspensi dalam suatu larutan, ukuran dan bentuk molekul merupakan faktor penting dalam proses ultrafiltrasi. Dalam teknologi pemurnian air, membran ultrafiltrasi dengan berat molekul membran (MWC) 1000 – 20000 lazim untuk penghilangan pirogen, sedangkan berat molekul membran (MWC) 80.000- 100.000 untuk pemakaian penghilangan koloid. Terkadang pirogen (BM 10.000- 20.000) dapat dihilangkan oleh membran 80.000 karena adanya membran dinamis.

Membran Ultrafiltrasi (UF) Membran ultrafiltrasi dibuat dengan mencetak polimer selulosa acetate (CA) sebagai lembaran tipis. Fluks maksimum bila membrannya anisotropic, ada kulit tipis rapat dan pengemban berpori. Fungsi utama dari Membran UF adalah untuk menyaring Total Suspended Solid (TSS). Kemampuan membran ultrafiltrasi dalam menyaring TSS dapat mencapai 99 % jika di aplikasikan dengan benar untuk setiap desainnya.

Membran Nanofiltrasi (NF) Nanofiltrasi umumnya dipakai jika kita ingin memisahkan campuran komponen (desirable component dari undesirable component) yang pada umumnya akan sulit dipisahkan karena kecilnya ukuran partikel. Contohnya adalah pada proses pemekatan sirup jagung (corn syrup). Penerapan lain teknologi Nanofiltrasi adalah untuk proses demineralisasi parsial dan pemekatan secara simultan, misalnya pada proses demineralisasi dari didih susu.

Membran Reverse Osmosis (RO) Reverse Osmosis (RO) merupakan proses filtrasi yang paling baik, yang dapat menyisihkan partikel-partikel  berukuran 1Ao sampai 10Ao, Virus influenza dapat disisihkan oleh alat ini. Prinsip kerja proses ini merupakan kebalikan dari proses osmosis biasa. Pada proses osmosis biasa terjadi perpindahan dengan sendirinya dari cairan yang murni atau cairan yang encer ke cairan yang pekat melalui membran  semi-permeable. Adanya perpindahan cairan murni atau encer ke cairan yang pekat pada membran semi-permeable menandakan adanya perbedaan tekanan yang disebut tekanan osmosis.

Membran Reverse Osmosis (RO) Fenomena tersebut membuat para ahli berpikir terbalik, bagaimana caranya agar dapat memisahkan cairan murni dari komponen lainnya yang membuat cairan  tersebut bersifat pekat. Dengan penambahan tekanan pada larutan yang pekat, ternyata cairan murni dapat melalui membran semi-permeable yang nerupakan kebalikan dari proses osmosis. Atas dasar tersebut teknologi ini disebut reverse osmosis (osmosis terbalik).

Membran Reverse Osmosis (RO) Membran non-porous, hampir hanya air yang dapat melewati membran RO Garam/ion dan bahan organik > 50 Da dapat dihalangi oleh membran RO Tekanan : 20-60 bar, tetapi dapat juga s/d 200 bar Aplikasi : penanganan leachate, penghilangan logam berat, garam-garam, dan bahan organik sintetik.

Gambar Konsep Pemisahan Membran Berikut akan ditampilkan gambar perbedaan konsep teknologi filtrasi menggunakan empat jenis membran :

Jenis-jenis Membran Penghilangan kolloidal MF 1.5 - 0.15 µm Penghilangan molekul besar UF 0.15 - 5 x 10-3 µm Partikel dengan BM rendah dan pemisahan garam divalen NF 5 x 10-2 - 5 x 10-3 µm Penghilangan Ion Na+ dan Cl- RO 5 x 10-4 µm

Tabel Perbandingan Membran MF, UF, NF dan RO NF/RO Pemisahan Partikel Pemisahan makromolekul Pemisahan larutan BM rendah (garam, glukosa, laktosa, mikro polutan) Tekanan osmotik dapat diabaikan (tanpa polarisasi konsentrasi) Tekanan osmotik dapat diabaikan Tekanan osmotik tinggi (1 – 25 bar) Tekanan transmembran rendah (< 2 bar) Tekanan transmembran rendah (1-10 bar) Tenakan transmembran tinggi (10 - 60 bar) Struktur membran simetrik atau asimetrik Struktur membran asimetrik Sruktur membran asimetrik Ketebalan layer pemisah: Simetrik: 10 – 150 m Asimetrik: 1 m Ketebalan layer pemisah aktual : Simetrik : 0,1 –1,0 m Pemisahan akibat perbedaan ukuran partikel Pemisahan akibat perbedaan ukuran Pemisahan akibat perbedaan kelarutan dan difusivitas

Gambar Perbandingan MF, UF, NF dan RO

Struktur Membran Struktur Membran Non-porous membrane : dapat digunakan untuk memisahkan molekul dengan ukuran yang sama, baik gas maupun cairan. Pada non-porous membrane, tidak terdapat pori seperti halnya porous membrane. Struktur Membran Non-porous membrane : dapat digunakan untuk memisahkan molekul dengan ukuran yang sama, baik gas maupun cairan. Pada non-porous membrane, tidak terdapat pori seperti halnya porous membrane. Carrier membrane : Pada carriers membrane, perpindahan terjadi dengan bantuan carrier molecule yang mentransportasikan komponen yang diinginkan untuk melewati membran.

Struktur Membran

Tipe Penyaringan Pada Ultrafiltrasi Tipe “Dead End” Ultrafiltration digunakan pada saat dimana seorang pemakai memiliki keterbatasan akan sumber daya air. Tipe Penyaringan Tipe “Cross Flow” Ultrafiltration digunakan apabila memiliki sumber daya air yang banyak.

Tipe Penyaringan Pada Ultrafiltrasi Kelemahan tipe “Dead End” adalah membran ultrafiltrasi tersebut akan lebih cepat terjadi penumpukan kotoran dan tersumbat, sehingga membran harus lebih intensif dilakukan backwash dan flushing. Tipe “Cross Flow” Ultrafiltration banyak digunakan saat ini, dimana aliran air dilewatkan menyamping membrane semipermeable. Sehingga penumpukan kotoran dapat di minimalisasi, tetapi kelemahan dari sistem ultrafiltrasi “Cros Flow”, kapasitas produksi per unit membran UF akan semakin rendah dan terjadi pemborosan air yang cukup tinggi. 

Pengaplikasian Proses Ultrafiltrasi Inside Out Pengaplikasian Proses Outside In

Pengaplikasian Proses Ultrafiltrasi Untuk pengaplikasian Inside out, ultrafiltration didesain dimana air yang masuk dari dalam membran dan keluar melalui dinding membran semipermeablenya. Sistem ini tidak dapat digunakan untuk air baku yang nilai TSSnya cukup tinggi, maksimal 150 ppm. Ultrafiltrasi membutuhkan pretreatment yang cukup baik diawal sebelum masuk ke dalam membran yang bersistem “Inside Out”. Outside in“, Ultrafiltration di desain dengan memasukkan air dari dinding luar ke dalam membrane semipermeablenya. Sistem ini memiliki toleransi yang tinggi terhadap TSS, tidak membutuhkan filter awal yang intensif, memiliki area filtrasi yang lebih besar, membutuhkan tekanan angin saat proses pencucian dan membutuhkan air yang cukup banyak pada saat pencucian membran ultrafiltrasi.

Pengaplikasian Proses Ultrafiltrasi Keuntungan dari pengaplikasian outside in adalah tidak membutuhkan filter awal yang intensif. Kekurangannya yaitu karena memiliki area filtrasi lebih besar sehingga membutuhkan tekanan air ketika proses pencucian dan membutuhkan air yang banyak ketika pencucian membran.

Keunggulan dan Kelemahan Membran - Biaya operasional yang rendah - Energi umumnya relatif lebih kecil - Proses kontinue - Kondisi operasi yang dapat diatur - Umur membran yang tahan lama - Dapat dikombinasikan - Tidak memerlukan bahan tambahan Keunggulan Membran Kekurangan Membran Fouling membran : - Meningkatkan biaya pemeliharaan, - Penambahan bahan kimia - Pergantian membran

Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Membran Faktor yang Mempengaruhi Ukuran Molekul Bentuk Molekul Bahan Membran Karakteristik Larutan Parameter Operasional

PEMBAHASAN Preparasi Membran Tujuan preparasi membran yaitu memodifikasi material/polimer dengan teknik yang sesuai untuk mendapatkan membran dengan morfologi/struktur yang sesuai dengan tujuan separasi tertentu. Teknik preparasi membran dipilih berdasarkan : - Material yang digunakan. - Struktur membran yang diinginkan (tergantung pada masalah separasi).

Preparasi Membran Teknik Preparasi Membran PEMBAHASAN Preparasi Membran - Sintering Stretching - Track-etching - Template Leaching - Coating - Inversi Fasa Teknik Preparasi Membran

Koefisien Permeabilitas Kinerja Membran Persamaan Flux Flux recovery ratio Resistansi Membran Koefisien Permeabilitas Koefisien Rejeksi

Prinsip Kerja Membran Ultrafiltrasi (UF) PEMBAHASAN Prinsip Kerja Membran Ultrafiltrasi (UF) Pemisahan dengan membran dilakukan dengan mengalirkan feed ke dalam membran kemudian akan terpisah sesuai driving force yang digunakan. Proses pemisahan dengan membran menghasilkan dua aliran yaitu permeate dan retentate. Ultrafiltrasi adalah variasi dari membran filtrasi dimana terjadi gaya dari liquid terhadap membran semi permeabel. Suspended solid dan cairan pekat dengan berat molekul yang besar, dapat tertahan, tetapi air dan cairan pekat dengan berat molekul pencemar yang kecil dapat melewati membran.

Prinsip Kerja Membran Ultrafiltrasi (UF) PEMBAHASAN Prinsip Kerja Membran Ultrafiltrasi (UF) Prinsip kerja dari ultrafiltrasi ini adalah memisahkan molekul berdasarkan pada molekul yang terlarut. Sistem kerjanya yaitu air masuk dengan tekanan yang rendah kurang lebih 1,5 bar melalui lubang halus yang memiliki diameter sekitar 0,5-2 mm. Kemudian akan disaring dengan filter yang memiliki ukuran pori sekitar 0,01 – 0,05 μm. Molekul yang ukurannya lebih dari 0,05 μm akan tertahan dan akhirnya akan terbuang secara bertahap ketika dilakukan back fushing atau ketika saat forward flushing.

Prinsip Kerja Membran Ultrafiltrasi (UF) PEMBAHASAN Prinsip Kerja Membran Ultrafiltrasi (UF) Dalam teknologi pemurnian air, membran ultrafiltrasi dengan berat molekul membran (MWC) 1.000 – 20.000 lazim untuk penghilangan pirogen, sedangkan membran dengan MWC 80.000 – 100.000 untuk penghilangan koloid. Tekanan dalam ultrafiltrasi biasanya rendah, sekitar 10-100 psi (70-700 kPa), sehingga operasinya dapat menggunakan pompa sentrifugal biasa. Pada saat ini ultrafiltrasi lebih banyak dipakai di berbagai macam bidang seperti pengolahan air limbah di industri pulp dan kertas, air limbah domestik, macam-macam air limbah gedung-gedung, filtrasi MLSS di aeration tank proses biologi dan diaplikasi lainnya.

Prinsip Kerja Membran Ultrafiltrasi (UF) PEMBAHASAN Prinsip Kerja Membran Ultrafiltrasi (UF)

Perbedaan Membran Ultrafiltrasi (UF) dengan PEMBAHASAN Perbedaan Membran Ultrafiltrasi (UF) dengan Reverse Osmosis (RO) Membran Ultrafiltrasi memiliki ukuran pori yang lebih besar dibandingkan dengan Reverse Osmosis. Koloid, padatan terlarut, molekul organik dengan berat molekul yang tinggi tidak dapat melalui ultrafiltration. Teknologi Ultrafiltrasi beroperasi pada tekanan 0,2-1,4 Mpa. Hal ini dimungkinkan karena tekanan osmotik koloid dan molekul organik berada dalam jumlah yang sedikit, Ukuran pori ultrafiltration berada pada range 0,001-0,01 micront ultrafiltration beroperasi dengan prinsip cross-flow.

Perbedaan Membran Ultrafiltrasi (UF) dengan PEMBAHASAN Perbedaan Membran Ultrafiltrasi (UF) dengan Reverse Osmosis (RO) Ultrafiltration sering digunakan untuk menyingkirkan aktivitas alfa dari uap limbah, limbah aktinida dalam bentuk koloid atau pseudo-colloidal pada uap limbah radioaktif dapat disingkirkan secara efektif oleh ultrafiltration, mampu menyingkirkan ion logam terlarut dari larutan dilute aqueous apabila sebelumnya ion tersebut mendapat perlakukan awal untuk pembentukan partikel padatan.

Perbedaan Membran Ultrafiltrasi (UF) dengan PEMBAHASAN Perbedaan Membran Ultrafiltrasi (UF) dengan Reverse Osmosis (RO)

PEMBAHASAN Fungsi Membran Ultrafiltrasi Untuk menyaring Total Suspended Solid (TSS) sampai 99% jika di aplikasikan dengan benar untuk setiap desainnya. Fungsi Membran Ultrafiltrasi Ultrafiltrasi selain menggantikan fungsi dari clarifier, membran ultrafiltrasi juga banyak digunakan sebelum sistem reverse osmosis. Membran Ultrafiltrasi dapat digunakan untuk menghilangkan partikel dan molekul yang terdapat dalam sumber air, mampu menghilangkan atau menghapus patogen hingga 90 % sehingga dapat meningkatkan kualitas air yang dihasilkan.

Aplikasi Membran Pada Pengolahan Air PEMBAHASAN Aplikasi Membran Pada Pengolahan Air Pertanian Secondary Effluent Air minum Farmasi Elektronika

Aplikasi Membran Pada Industri PEMBAHASAN Aplikasi Membran Pada Industri Industri Sawit Industri Gula Industri Minuman Industri Bir Industri Migas

KESIMPULAN Membran adalah sebuah penghalang selektif antara dua fasa. Membran memiliki ketebalan yang berbeda-beda, ada yang tebal dan ada juga yang tipis serta ada yang homogen dan ada juga ada heterogen. Membran berfungsi untuk memisahkan material berdasarkan ukuran dan bentuk molekul, menahan komponen dari umpan yang mempunyai ukuran lebih besar dari pori-pori membran dan melewatkan komponen yang mempunyai ukuran yang lebih kecil. Berdasarkan  ukuran pori membran, membran dapat dibagi menjadi empat jenis yaitu: Membran Mikrofiltrasi (MF), Ultrafiltrasi (UF), Nanofiltrasi (NF), dan Reverse Osmosis (RO).

KESIMPULAN Ultrafiltasi merupakan teknologi pemisahan menggunakan membran untuk memisahkan berbagai zat terlarut dengan berat molekul tinggi, bermacam koloid, mikroba sampai padatan tersuspensi dalam suatu larutan. Teknik pemisahan dengan membran umumnya berdasarkan ukuran partikel dan berat molekul dengan gaya dorong berupa beda tekan, medan listrik dan beda konsentrasi. Teknologi membran memiliki keunggulan yaitu pemisahan dengan membran tidak membutuhkan zat kimia tambahan, kebutuhan energinya sangat minimum, membran dapat bertindak sebagai filter yang sangat spesifik, teknologi membran ini sederhana, praktis, dan mudah untuk dilakukan.

KESIMPULAN Kemampuan membran menghasilkan effluent dengan kualitas yang sangat baik mampu menggeser anggapan bahwa “limbah sebagai cost” menjadi “limbah sebagai profit”.

WASSALAMMU’aLAIKUM WR WB.....