Separasi Membran

Pendahuluan: Proses Pemisahan B A 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 Reverse osmosis (hyperfiltration) /RO Nanofiltration /NF Ultrafiltration /UF 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

Dead-End Filtration Crossflow filtrasi Feed Konsentrat Membran Filtrat/permeat Dead-End Filtration Konsentrat Crossflow filtrasi

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 Permeat Feed 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 Asal Bentuk Bahan Morfologi/ Struktur Produksi

Bahan Membran Bahan Organik (Polimer): Bahan anorganik: Polimer untuk Membran berpori Polimer untuk membran tak-berpori Bahan anorganik: Membran keramik Membran gelas Membran metal (termasuk karbon) Membran zeolit

Contoh Polimer untuk membran Polikarbonat Poly(vinylidene-fluoride) – PVDF Poly(tetrafluoroethylene) – PTFE Polypropylene – PP Polyamide – PA Cellulose-Esters Polysulfone – PS Poly(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 ( ) cF dan cP masing-masing adalah konsentrasi suatu komponen dalam Feed dan Permeat R=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 (): yA dan yB: konsentrasi komponen A dan B dalam permeat xA 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 Ukuran Partikel/Molekul ( m m) Perbedaan Tekanan (bar) Filtrasi Mikrofiltrasi Ultrafiltrasi Nano- filtrasi Reverse Osmosis

Mikrofiltrasi (MF) 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 Padatan tersuspensi, sel/biomass, koloid Membran Air Garam/ion, Makromolekul

Membran MF Membran: Simetris atau asimetris Ketebalan: 10 – 150 m Ukuran Pori: 0,05 – 10 m Driving 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 m 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 m Ukuran pori 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 Komposit Ketebalan Sublayer  150 m; toplayer  1 m Ukuran pori < 2 nm Driving 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

Reverse osmosis/Hiperfiltasi (Summary): Membran Asimetris atau Komposit Ketebalan Sublayer  150 m; toplayer  1 m Ukuran pori < 2 nm Driving force Tekanan: air payau 15 – 25 bar; air laut: 40 – 80 bar Prinsip 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, SO42-, CO32- > 99 % Bakteri dan virus < 99 % Microsolute (BM > 100) > 50 % Microsolute (BM < 100 0 – 99 % 0 – 50 %

Peralatan pengujian kinerja membran (contoh)

Instalasi (perspektif)

Terima kasih