Karakterisasi Membran 1 April 2015, Kimia Universitas Jember

Karakterisasi Membran Sifat Membran Sifat pemisahan Membran Ukuran Pori Distribusi ukuran pori Volume bebas Kristalinitas Rejeksi Faktor Pemisahan Faktor pengkayaan

Pori Pada Membran Membranes Makropori f > 50nm Mesopori 2nm < f < 50nm Mikropori f < 2nm porous f = pore diameter nonporous Proses Driving Force Pori Membran Prinsip Pemisahan Mikrofiltrasi Perbedaan Tekanan (0,1 – 1 bar) Makropori Filtrasi Ultrafiltrasi (0,5 – 10 bar) Mesopori Nanofiltrasi (5 – 20 bar) Mikropori Filtrasi/ Gaya Elektrostatik/ difusi larutan

Geometri Pori Top Layer Model Actual Constriction Dead-End

Metode Karakterisasi Membran Structure-related parameters (Pore size distribution, Morphology) Permeation-related parameters (actual separation parameters using solutes that are more or less retained by the membranes – “cut-off” measurements*) * cut-off’ is defined as the molecular weight which is 90% rejected by the membrane

Pore Size Distribution Metode transport gelembung gas ΔP = P1 – P2 γ = Tegangan Permukaan = 15,9 x 10-3 N/m θ = Sudut Kontak

Pore Size Distribution Porosimetri Intrusi Merkuri Merkuri Ukuran Partikel Hg Besar  Makropori Sangat Bergantung pada tekanan Hg merupakan cairan yang tidak membasahi padatan (θ > 90°) (θ < 90°)

Porosimetri Intrusi Merkuri Vakum Tekanan Tinggi

Porosimetri Intrusi Merkuri Tekanan diturunkan Histerisis Tekanan Besar  pori intrapartikel Volume pori Tekanan Kecil  pori interpartikel  distribusi ukuran pori

Porosimetri Intrusi Merkuri Sifat sampel  padatan atau serbuk kemungkinan terjadinya reaksi antara sampel dengan Hg. dipastikan sampel telah dikeringkan dengan sempurna dilakukan penimbangan sampel setelah proses degassing Pengukuran blanko dan pengurangan data dengan blanko harus dilakukan dengan tepat pengaplikasian tekanan antara blanko dan sampel harus sama. Uji reprodusibilitas harus selalu dilakukan Kemungkinan terjadinya kompresi atau kerusakan sampel juga harus dievaluasi

Pore Size Distribution Adsorpsi Gas substrat Monolayer Multilayer Lapis 3 Lapis 2 Lapis 1

Isotermal Adsorpsi Gas/Liquid Gaya kohesi yang kuat molekul teradsorben adsorpsi N2 pada karbon tertentu

Tipe I fisisorpsi gas  padatan mikropori dan kemisorpsi isotermal  mengikuti isotermal adsorpsi Langmuir Tipe II Adsorpsi pada padatan non pori  Adsorpsi multilayer Tipe III Khas untuk uap, Ex: air pada padatan hidrofobik karbon aktif. Gaya kohesi yang kuat terjadi antara molekul-molekul yang teradsorp Tipe IV mirip dengan Tipe II pada tekanan rendah. Tetapi memperlihatkan loop histerisis yang disebabkan oleh kondensasi kapiler dalam mesopori pada tekanan tinggi  khas untuk material mesopori Tipe V mirip dengan Tipe III pada tekanan rendah), ada loop histerisis yang disebabkan oleh kondensasi kapiler pada mesopori pada tekanan tinggi Tipe VI untuk adsorpsi nitrogen pada karbon tertentu

Model Asumsi Langmuir Adsorpsi satu layer molekular pada permukaan, kemisorpsi atau fisisorpsi, isotermal Tipe I dengan siku yang hampir 90°. Brunauer, Emmet, dan Teller (BET 2 parameter) Adsorpsi Multi Layer di atas suatu permukaan. Gaya yang aktif dalam kondensasi gas menyebabkan pembentukan multilayer, isotermal Tipe II, IV, VI. BET 3 parameter (full equation) Menggunakan fungsi regresi non-linier untuk memperhalus titik-titik hasil eksperimen. Selain volume monolayer dan nilai C dari standar BET, persamaan ini juga dapat digunakan untuk menghitung jumlah layer N. Dapat diaplikasikan pada semua tipe isotermal fisisorpsi. t-plot dan alpha plot Memasukkan konsep isothermal standar. Data adsorpsi diplot vs ketebalan rata-rata dari layer yang teradsorp atau jumlah gas yang teradsorp pada tekanan referens. Data referens harus dikumpulkan dari material non pori dengan sifat yang sama dengan sample yang diuji. Dubinin Raduskevitch plot Hanya dapat diaplikasikan ketika pori-porinya mempunyai ukuran berdimensi molekular (material mikropori, isotermal Tipe I). Plot ini didasarkan pada diefrensial molar dari adsorpsi (Polanyi).

Adsorption Isotherms

Adsorbat Titik didih (K) Am (m2/molekul) N2 77,3 0,162 Ar 87,4 0,142 CO2 194,5 0,170 Kr 120,8 0,152 SA : luas permukaan Vm : volume adsorbat (cm3) per gram padatan : 1 / (Intersep + slope) 0,0224 cm3 : 22,4 L/1000 N : bilangan Avogadro Am : permukaan cross-sectional dari molekul adsorbat (nm)

Barret, Joiner, Halenda (BJH) Horvath dan Kavazoe (HK), Model Asumsi Kelvin Menghubungkan tekanan kesetimbangan (pada desorpsi) dengan jari-jari “inti” gas yang didesorp dari dalam mesopori. Model ini juga dapat diaplikasikan ketika terjadi kondensasi kapiler (isotermal Tipe IV, V). Barret, Joiner, Halenda (BJH) Mengacu persamaan Kelvin, tetapi mengganti jari-jari Kelvin dengan ketebalan dari gas yang masih teradsorpsi. Kedua model berbeda pada cara menghitung ketebalan (Pr = Kr + t). Aplikasinya  isotermal Tipe IV, V. Horvath dan Kavazoe (HK), Saito-Foley (SF), Dll Model ini berdasarkan interaksi Lennard-Jones antara gas dan padata. HK  slit pada karbon mikropori. SF  pori silindris. Fase teradsorp dianggap mengikuti gas ideal dimensi dua. HK  isotermal Tipe I pada karbon aktif, SF pada zeolit mikropori atau silika. Metode lain Sejumlah besar metode lain juga tersedia untuk penghitungan luas permukaan dan ukuran pori. Model-model baru atau variasinya muncul tiap tahun karena sulitnya interpretasi mekanisme adsorpsi / desorpsi.

(a) N2 adsorption–desorption isotherms of relevant membranes (a) N2 adsorption–desorption isotherms of relevant membranes. (b) Pore distribution of relevant membranes using the BJH method. N. Wang et al., Separation and Purification Technology, 126 (2014) 44–51

Morfologi Membran TEM SEM Nafion–silica membranes TEM micrograph of Nafion–TEOS membrane showing silica dispersion within the polymer Nafion–silica membranes J. Joseph et al., Journal of Power Sources. 196 (2011) 7363– 7371

Scanning Electron Microscopy

Interaksi Berkas Elektron dengan Sampel BSE SE CL X-rays Auger Specimen Current Electrical Information Secondary Electron (SE): Topografi Back Scattered Eelectron (BSE): Topografi & Nomor Atom Cathodoluminescence (CL): Informasi Elektrik Sinar X (X-ray): Ketebalan & Komposisi Auger: Surface Sensitive Information

Morfologi Membran ZrO2 membrane in non-polar organic solvents by surface hydrophobic modification  higher permeate flux and water, effective to mitigate membrane fouling SEM images of ZrO2 membrane surface: (a) unmodified and (b) modified N. Gao et al., Journal of Membrane Science, 375 (2011) 276–283

Morfologi Membran Polivinilden Flourida + Positif Modofikator  Meningkatkan pure water permeability (PWP) S. Y. Park et al., Journal of Membrane Science, 480 (2015) 122–128

Topologi Membran (AFM) Oil–watere mulsion separation using ultrafiltration membranes AFM images of membrane surface of (a) PVDF100, (b) PV95TBC05, (c) PV90TBC10 and (d)PV85TBC15 T. Rajasekhar et al., Journal of Membrane Science, 481(2015) 82–93