-
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
-1/7-
MODUL 2.10 Pemisahan Dengan Membran
I. Pendahuluan
Teknologi membran telah tumbuh dan berkembang secara dinamis
sejak pertama
kali dikomersilkan Sartorius-Werke di Jerman pada tahun 1927,
khususnya untuk
membran mikrofiltrasi. Pengembangan dan aplikasi teknologi ini
semakin beragam dan
penemuan-penemuan baru pun semakin banyak dipublikasikan.
Teknologi membran pada
akhirnya menjadi salah satu teknologi alternatif yang paling
kompetitif saat ini dan telah
memberikan beragam solusi bagi umat manusia dalam pemenuhan
kebutuhan sehari-hari.
Proses mikrofiltrasi merupakan salah satu proses berbasis
membran yang
berkembang sangat pesat di awal perkembangan teknologi membran.
Pertumbuhan dan
perkembangannya pada tahun-tahun terakhir hanya mampu disaingi
oleh reverse osmosis,
akibat adanya permintaan yang sangat besar terutama untuk
aplikasi proses desalinasi.
Secara umum. mikro filtrasi diaplikasikan dalam proses pemisahan
unsur-unsur partikulat
dari larutannya. Aplikasi proses mikrofiltrasi diantaranya
adalah untuk proses sterilisasi
obat-obatan dan produksi minuman, klarifikasi ekstrak juice,
pemrosesan air ultramurni
pada industri semi konduktor, metal recovery, dan
sebagainya.
II. Tujuan
Praktikan melaksanakan praktikum ini dengan tujuan:
1. Memahami prinsip-prinsip dasar dalam peroses pemisahan dengan
membran.
2. Mempelajari karakteristik penurunan fluks pada proses
pemisahan dengan membran.
III. Sasaran
Sasaran praktikum ini adalah:
1. Praktikan mengetahui aspek-aspek prakis pada proses pemisahan
dengan membran.
2. Praktikan dapat mengamati variabel-variabel yang terlibat
pada proses pemisahan
dengan membran.
-
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.10 Pemisahan dengan Membran Halaman 2 dari 7
IV. Tinjauan Pustaka
IV.1 Membran Mikrofiltrasi
Proses mikrofiltrasi merupakan proses pemisahan unsur-unsur
partikulat dari
dalam larutannya. Proses ini berlangsung dan difasilitasi oleh
membran mikrofiltrasi.
Membran mikrofiltrasi dapat memiliki baik struktur simetrik
maupun asimetrik, dengan
rentang ukuran diameter pori antara 0,02-10 m, sehingga akan
sangat efektif daam
pemusahan baik padatan tersuspensi maupun emulasi.
Penggolongan proses-proses membran pada saat ini sangat luas.
Gambar 1
memperlihatkan rentang proses yang digunakan, dan memperlihatkan
ukuran partikel
yang biasa dipisahkan oleh membran dan driving force yang
digunakan.
Membran mikrofiltrasi dapat dibedakan dari membran reverse
osmosis dan
ultrafiltrasi berdasarkan ukuran partikel yang dapat
dipisahkannya, seperti tersaji pada
gambar 2. Pada membran mikrofiltrasi, garam tidak dapat
direjeksi membran. Proses
filtrasi dapat dilaksanakan pada tekanan relatif rendah yaitu di
bawah 2 bar.
Membran mikrofiltrasi dapat dibuat dari berbagai macam material
baik organik
maupun anorganik. Membran anorganik banyak digunakan untuk
membuat membran
mikrofiltrasi antara lain sintering, track etching, stretching,
dan inversi fasa. Tabel 1
menyajikan pengaruh metoda preparasi terhadap porositas dan
distribusi ukuran pori. Tabel 1 Porositas dan distribusi ukuran
pori membaran
Proses Porositas Distribusi ukuran pori
Sintering
Stretching
Track-etching
Phase inversion
rendah/sedang
sedang/tinggi
rendah
tinggi
sempit/luas
sempit/luas
sempit
sempit/luas
Membaran mikrofiltrasi memiliki ukuran pori antara 0,02 sampai
10 m dan
tebal antara 10 sampai 150 m. Mikrofiltrasi digunakan pada
berbagai macam aplikasi di
industri, terutama untuk pemisahan partikel berukuran lebih dari
0,1 m dari larutannya.
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. Salah satu aplikasi
utamanya di industri adalah
sterilisasi dan klarifikasi pada industri makanan dan
obat-obatan, pemanenan sel,
klarifikasi juice, recovery logam dalam bentuk kolid, pengolahan
limbah cair, fermentasi
-
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.10 Pemisahan dengan Membran Halaman 3 dari 7
kontinue, ataupun pemisahan emulsi minyak-air. Mikrofiltrasi
juga dapat digunakan
untuk memisahkan partikel selama proses pembuatan air ultramurni
pada industri semi
konduktor. Aplikasi terbaru adalah di bidang bioteknologi, yaitu
pengambilan sel dan
bioreaktor membran, serta teknologi biomedik yaitu pemisahan
plasma dari sel darah.
Membaran mikrofiltrasi biasanya beroperasi pada tekanan 0,5-5
atmosfer, dan membran
yang digunakan pada umumnya berstruktur simetrik.
Gambar 1 Rentang efektif untuk proses-proses membran
-
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.10 Pemisahan dengan Membran Halaman 4 dari 7
IV.2 Proses Perpindahan pada Membran Mikrofiltrasi
Proses mikrofiltrasi menggunakan membran berpori. Membran ini
terdiri dari
matriks polimer dimana terdapat pori yang berukuran 0,02 m
sampai 10 m. Membran
memiliki berbagai macam geometri pori. Pada gambar 3 disajikan
beberapa karakteristik
struktur yang ada. Membran ultrafiltrasi umumnya mempunyai
struktur asimetrik dan
tahanan perpinsahan ditentukan oleh lapisan atas yang berpori,
sedangkan membran
mikrofiltrasi mempunyai dtruktur seperti gambar 3 dimana tahanan
perpindahan
ditentukan oleh ketebalan membran keseluruhan. 0.0001 m 0.001 m
0.1 m Reverse Ultrafiltrasi Mikrofiltrasi
Osmosis 1A 10A 1000A 100000A Gambar 2 Proses pada membran
(mikro/ultrafiltrasi dan reverse osmosis)
Perbedaan geometeri pori akan mengakibatkan penggunaan model
yang berbeda
untuk menggambarkan proses perpindahan yang terjadi. Model
perpindahan bermanfaat
dalam penentuan parameter struktur dan bagaimana parameter
spesifik tersebut dapat
divariasikan sehingga kinerja membran dapat meningkat.
Fluks volume yang melalui membran dapat diprediksi menggunakan
persamaan
Hagen-Poisseuille dengan mengasumsikan bahwa pori-pori membran
berbentuk silinder,
memiliki jari-jari yang sama, dan panjang pori yang sama dengan
tebal membran.
Persamaan tersebut adalah sebagai berikut:
x***8P*r* J
2
=
Persamaan ini memperlihatkan bahwa fluks sebanding dengan beda
tekan (P)
sepanjang membran yang memiliki ketebalan (x) dan berbanding
terbalik dengan
viskositas . adalah porositas permukaan dan adalah
tortuosity.
Gambar 3 Karakteristik geometri membran pada membran berpori
Persamaan Hagen-Poiseuille memperlihatkan dengan jelas pengaruh
struktur
membran terhadap proses perpindahan. Untuk membran dengan
struktur pori berbentuk
bola terjejal rapat, persamaan Kozeny-Carman dapat digunakan
untuk memprediksi
besarnya fluks. Persamaan Kozeny-Carman adalah sebagai
berikut:
-
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.10 Pemisahan dengan Membran Halaman 5 dari 7
xP*
)-(1***K J 22
3
=
S
dimana adalah fraksi volume pori, S adalah luas permukaan
internal dan K adalah
konstanta Kozeny Carman yang bergantung pada bentuk pori dan
tortuosity.
Membran inversi fasa biasanya memiliki struktur sponse. Fluks
pada membran ini dapat
diprediksi menggunakan persamaan Hagen-Poiseuille atau Kozeny
Carman, walaupun
morfologi membran berbeda. Untuk penjelasan lebih detail, dapat
merujuk pada beberapa
literatur tentang membran.
V. Rancangan Percobaan
V.1 Perangkat dan Alat Ukur
1. Set peralatan praktikum modul Pemisahan dengan Membran yang
tersusun
seperti pada Gambar 5 dan 6
2. Pompa peristaltik
3. Gelas kimia berjaket
4. Pressure gauge
5. Gelas kimia
6. Labu erlenmeyer 500 mL
7. pH meter
8. bak sirkulasi
V.2 Bahan/ Zat Kimia
1. BSA (protein)
2. NaHPO4
3. Na2 PO4 4. H2 SO4 5. NaOH
6.
V.3 Prosedur Pengoperasian Alat
Diagram alir proses mikrofiltrasi dengan GDP filer disajikan
pada Gambar 4.
-
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.10 Pemisahan dengan Membran Halaman 6 dari 7
V.3.1 Prosedur pengoperasian membran
1. pastikan tangki sampel berisi cairan umpan
2. siapkan tempat penampung permeat dan retentat, serta alat
pendukung lainnya
3. pastikan regulator valve 1, 3, dan 4 terbuka, sedangkan
regulator valve 2 tertutup
sebelum pompa dinyalakan
4. tekan tombol on-off pompa dan posisikan pada kondisi pompa
on
5. atur laju alir umpan dengan cara memutar tombol spedd
control
6. setelah beberapa menit, secara perlahan-lahan mulai tutup
regulator valve 3
sampai tekanan yang telah ditentukan atau sekitar 1 kg/cm2.
7. tampung permeat dan retentat pada masing-masing tempat yang
telah disediakan
8. apabila percobaan atau pengoperasian alat telah selesai
dilakukan, pastikan
membran hollow fiber pada modul membran senantiasa terendam air
murni.
V.3.2 Prosedur Sanitasi atau Pencucian Membran
1. pastikan tangki berisi cairan untuk mencucian
2. siapkan tempat penampung permeat dan retentat, serta alat
pendukung lainnya
3. pastikan regulator valve 1 dan 3 terbuka, sedangkan regulator
valve 2 dan 4
tertutup seluruhnya, sebelum pompa dinyalakan
4. tekan tombol on-off pompa dan pastikan pada kondisi pompa
on
5. atur laju alir umpan dengan cara memutar tombol speed
control
6. simulasikan pencucian mulai dari flowrate rendah sampai
flowrate paling tinggi
7. setelah beberapa menit, secara perlahan-lahan mulai tutup
regulator valve 1 dan
buka regulator valve 2. Regulator valve 4 tetap ditutup dan
regulator valve 3 tetap
dibuka penuh. Prosedur ini merupakan prosedur pencucian dari
sisi permeat
8. lakukan pencucian selama beberapa menit dan hentikan setelah
hasil pencucian
sudah benar-benar bersih
9. apabila pencucian telah selesai dilakukan, pastikan membran
hollow fiber pada
modul membran senantiasa terendam air murni.
-
Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II
Departemen Teknik Kimia ITB
Modul 2.10 Pemisahan dengan Membran Halaman 7 dari 7
Daftar Pustaka
1. Mulder, M., Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer
Academic Publisher,
Dordrecht, 1996
2. Johnson, A.S., and Tragardh, G., Fundamental Principles of
Ultrafiltration, Chem.
Eng. Process., 27,1990, pp. 67-68
3. Cherryan, M., Ultrafiltration Handbook, Technomic Publ. Co.,
1986, pp. 144-166
4. Wenten, I.G., Mechanism and Control of Fouling in Crossflow
Microfiltration, J.
Filtration and Separation, Elsevier, 1995, pp. 252-253