Studi Awal ..., Hanna, FMIPA UI, 2016 Studi Awal Regenerasi Larutan Metildietanolamina (MDEA) Menggunakan Sistem Reverse Osmosis (RO) dengan Membran Poliamida Hanna 1 , Sunardi 2 , dan Widajanti Wibowo 3 1,2,3 Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia, Kampus UI Depok, 16424, Indonesia E-mail: [email protected]Abstrak Gas sweetening dilakukan terhadap gas alam untuk menghilangkan H 2 S dan CO 2 , salah satunya dengan penambahan metildietanolamina (MDEA). MDEA selama digunakan dalam pemurnian gas dapat menyerap air sehingga menyebabkan konsentrasi MDEA menurun. Pada penelitian ini metode RO dengan satu membran poliamida komersil dan flow restrictor 800 mL/menit diaplikasikan untuk memekatkan kembali larutan MDEA. Suhu feed yang digunakan yaitu 20 0 , 29 0 , dan 36 0 C. Larutan MDEA 1%, 3%, dan 5% v/v diregenerasi dalam waktu masing-masing 1 jam, 3 jam, dan 4 jam. Berdasarkan pengukuran konsentrasi MDEA dengan refraktometer, didapati bahwa penggunaan flow restrictor 800 mL/menit dalam sistem RO mampu memekatkan larutan MDEA 1% v/v menjadi 1,8% v/v dengan faktor pemekatan 1,59. Suhu 29 0 C atau suhu ruang efektif digunakan dalam proses RO, karena dapat memekatkan larutan MDEA 1,13% v/v menjadi 1,8% v/v. Kemudian, semakin lama waktu regenerasi maka semakin besar konsentrasi MDEA dalam konsentrat yang dihasilkan. MDEA 1% v/v dalam waktu 1 jam dapat dipekatkan hingga 6,46% v/v, MDEA 3% v/v dalam waktu 3 jam dapat dipekatkan hingga 9,45% v/v dan MDEA 5% v/v dalam waktu 4 jam dapat dipekatkan hingga 10,79% v/v. Dengan SEM dapat diketahui kerusakan yang dialami membran poliamida. Pre-study of Regeneration of Methyldietanolamine (MDEA) Solutions by Reverse Osmosis (RO) System using Poliamide Membrane Abstract Gas sweetening is applied to the natural gas to remove H 2 S and CO 2 , one of them is by adding methyldiethanolamine (MDEA). MDEA during used in the gas sweetening can absorb water, then MDEA concentration will be decreased. In this research, RO method was applied to condense MDEA solutions using polyamide commercial membrane, under 800mL/min flow restrictor. The feed temperatures were varied 20 0 , 29 0 , dan 36 0 C. MDEA 1%, 3%, and 5% v/v solution was regenerated in 1, 3, and 4 hour(s), respectively. Based on determination of MDEA concentration using refractometer, discovered that under 800 mL/min flow restrictor RO can concentrate MDEA 1% v/v solution into 1,8% v/v with concentrate factor of 1,59. Effective temperature that used in this RO system is 29 0 C or room temperature; when MDEA 1,13% v/v solution can be concentrated into 1,8% v/v. Increasing regeneration time can increase the concentration of MDEA solution in the concentrate. MDEA 1% v/v solution in 1 hour can be concentrated up to 6,46% v/v, 9,45% v/v for MDEA 3% v/v solution in 3 hours and 10,79% v/v for MDEA 5% v/v solution in 4 hours. The damage of polyamide membrane is known by SEM analysis. Keyword: reverse osmosis, MDEA regeneration, membrane, polyamide. Pendahuluan Gas alam adalah salah satu bentuk energi yang paling bersih, aman, dan sering digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Dalam gas alam dapat terkandung gas asam, seperti H 2 S dan
17
Embed
Studi Awal Regenerasi Larutan Metildietanolamina (MDEA ...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Studi Awal ..., Hanna, FMIPA UI, 2016
Studi Awal Regenerasi Larutan Metildietanolamina (MDEA) Menggunakan Sistem Reverse Osmosis (RO) dengan Membran Poliamida
Hanna1, Sunardi2, dan Widajanti Wibowo3
1,2,3 Program Studi Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia, Kampus UI
Gas sweetening dilakukan terhadap gas alam untuk menghilangkan H2S dan CO2, salah satunya dengan penambahan metildietanolamina (MDEA). MDEA selama digunakan dalam pemurnian gas dapat menyerap air sehingga menyebabkan konsentrasi MDEA menurun. Pada penelitian ini metode RO dengan satu membran poliamida komersil dan flow restrictor 800 mL/menit diaplikasikan untuk memekatkan kembali larutan MDEA. Suhu feed yang digunakan yaitu 200, 290, dan 360 C. Larutan MDEA 1%, 3%, dan 5% v/v diregenerasi dalam waktu masing-masing 1 jam, 3 jam, dan 4 jam. Berdasarkan pengukuran konsentrasi MDEA dengan refraktometer, didapati bahwa penggunaan flow restrictor 800 mL/menit dalam sistem RO mampu memekatkan larutan MDEA 1% v/v menjadi 1,8% v/v dengan faktor pemekatan 1,59. Suhu 290C atau suhu ruang efektif digunakan dalam proses RO, karena dapat memekatkan larutan MDEA 1,13% v/v menjadi 1,8% v/v. Kemudian, semakin lama waktu regenerasi maka semakin besar konsentrasi MDEA dalam konsentrat yang dihasilkan. MDEA 1% v/v dalam waktu 1 jam dapat dipekatkan hingga 6,46% v/v, MDEA 3% v/v dalam waktu 3 jam dapat dipekatkan hingga 9,45% v/v dan MDEA 5% v/v dalam waktu 4 jam dapat dipekatkan hingga 10,79% v/v. Dengan SEM dapat diketahui kerusakan yang dialami membran poliamida.
Pre-study of Regeneration of Methyldietanolamine (MDEA) Solutions by Reverse Osmosis (RO) System using Poliamide Membrane
Abstract
Gas sweetening is applied to the natural gas to remove H2S and CO2, one of them is by adding methyldiethanolamine (MDEA). MDEA during used in the gas sweetening can absorb water, then MDEA concentration will be decreased. In this research, RO method was applied to condense MDEA solutions using polyamide commercial membrane, under 800mL/min flow restrictor. The feed temperatures were varied 200, 290, dan 360 C. MDEA 1%, 3%, and 5% v/v solution was regenerated in 1, 3, and 4 hour(s), respectively. Based on determination of MDEA concentration using refractometer, discovered that under 800 mL/min flow restrictor RO can concentrate MDEA 1% v/v solution into 1,8% v/v with concentrate factor of 1,59. Effective temperature that used in this RO system is 290C or room temperature; when MDEA 1,13% v/v solution can be concentrated into 1,8% v/v. Increasing regeneration time can increase the concentration of MDEA solution in the concentrate. MDEA 1% v/v solution in 1 hour can be concentrated up to 6,46% v/v, 9,45% v/v for MDEA 3% v/v solution in 3 hours and 10,79% v/v for MDEA 5% v/v solution in 4 hours. The damage of polyamide membrane is known by SEM analysis.
Keyword: reverse osmosis, MDEA regeneration, membrane, polyamide. Pendahuluan Gas alam adalah salah satu bentuk energi yang paling bersih, aman, dan sering digunakan
dalam kehidupan sehari-hari. Dalam gas alam dapat terkandung gas asam, seperti H2S dan
Studi Awal ..., Hanna, FMIPA UI, 2016
CO2. Keberadaan H2S dalam gas alam tidak diinginkan karena dapat menimbulkan gangguan
kesehatan. Gas H2S dan CO2 juga dapat menyebabkan korosi pada penyimpanan maupun
penggunaan gas alam. Untuk menghilangkannya dilakukan proses gas sweetening, salah satu
caranya adalah dengan penambahan alkanolamina seperti metildietanolamina (MDEA).
Namun, seiring penggunaan dan regenerasi dalam unit tersebut, senyawa amina dapat
mengalami penurunan konsentrasi oleh karena terjadinya ikatan hidrogen dengan molekul air.
Gambar 1. Ikatan Hidrogen antara MDEA dan Molekul Air
Dalam menghilangkan kandungan air biasanya dilakukan evaporasi air. Berkembangnya ilmu
pengetahuan dan teknologi memberi alternatif pemisahan air, yaitu dengan metode osmosis
balik atau reverse osmosis (RO). Dalam penelitian ini, larutan encer MDEA diregenerasi
dengan sistem RO sehingga dihasilkan larutan MDEA yang lebih pekat sebagai konsentrat,
sementara di jalur permeat dapat diperoleh air bersih sehingga keduanya dapat dimanfaatkan.
Penelitian ini dilakukan dengan tujuan mempelajari proses penghilangan air dan mengetahui
pengaruh konsentrasi feed serta laju alir konsentrat terhadap pemekatan larutan MDEA encer,
mengetahui temperatur feed yang dibutuhkan untuk menghasilkan pemekatan optimum, serta
menghitung kepekatan MDEA yang dihasilkan melalui metode RO.
Tinjauan Teoritis Senyawa metildietanolamina (MDEA) merupakan senyawa yang memiliki gugus amina yang
berikatan dengan gugus alkohol. Dalam struktur kimianya dapat dilihat bahwa MDEA
merupakan senyawa amina tersier karena atom nitrogen dalam senyawa ini mengikat satu
gugus alkil yaitu metil dan dua gugus alkohol yaitu etanol. Struktur kimia senyawa MDEA
yaitu:
N CH2CH2OH
CH3
HOH2CH2C
N
CH3
CH2H2CCH2H2C
OOHH
O
HO
H H
H
Studi Awal ..., Hanna, FMIPA UI, 2016
Gambar 2. Struktur Senyawa Metildietanolamina (MDEA) MDEA memiliki kegunaan yang sangat luas termasuk dalam produk detergen, pestisida,
coating, semir, hingga bidang farmasi. Namun saat ini MDEA dalam industri cenderung
digunakan sebagai gas sweetening agent, yaitu senyawa yang digunakan untuk memurnikan
gas alam dari gas asam seperti H2S dan CO2. Reaksinya adalah sebagai berikut:
H2S + H++ HS-(CH2CH2OH)2NCH3 (CH2CH2OH)2NCH3
Gambar 3. Reaksi MDEA sebagai Absorben Gas Asam
Ketika larutan terpisah dari air murni oleh membran semipermeabel, osmosis air terjadi dari
air ke larutan. Osmosis ini dapat dihentikan dengan memberikan tekanan yang sama dengan
tekanan osmosis pada larutan. Jika tekanan yang diberikan lebih besar daripada tekanan
osmosis, osmosis akan terjadi dalam arah yang berlawanan dari osmosis biasa; osmosis akan
terjadi dari larutan menuju air. Osmosis yang terjadi dari larutan menuju air dengan penerapan
tekanan yang melebihi tekanan osmosis pada larutan disebut juga osmosis balik atau reverse
osmosis (Bahl, 2014).
Dalam RO terjadi pemisahan air dari suatu larutan sehingga dihasilkan air dan larutan yang
lebih pekat. Faktor pemekatan merupakan kemampuan membran untuk mengurangi jumlah
pelarut sehingga konsentrasi zat terlarut yang diperoleh menjadi lebih pekat (Amalia, 2016).
Faktor pemekatan = !!!!
Keterangan: Cc = konsentrasi konsentrat
Cf = konsentrasi feed
Metode Penelitian Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan alat-alat berupa labu ukur, botol kaca kecil,
beaker glass, botol semprot, pipet tetes, pipet ukur 1 mL, 5 mL, dan 10 mL, bulp karet, dan
perangkat RO yang terdiri dari membran RO 100 GPD, household membran, pompa RO 150
Psi dan 110 Psi, wadah plastik 5L, selang ¼”, selang pompa, flow restrictor 600 dan 800
mL/menit. Instrumen yang digunakan dalam penelitian ini adalah pressure meter (LT Lutron
PS-9302), refraktometer (Abbe Milton Roy 33.46.10 Bench-type), dan SEM (Zeiss). Bahan-
bahan yang digunakan yaitu MDEA >99% v/v dan aquademin.
+ H2O R2NCH3 R2NCH4+ HCO3-CO2 + +
Studi Awal ..., Hanna, FMIPA UI, 2016
Penelitian diawali dengan perancangan perangkat RO satu membran untuk regenerasi MDEA.
Perangkat RO disusun dengan skema dibawah ini.
Pompa
Concentrate
membran semipermeabel
Permeate/air
Gambar 4. Skema Perangkat RO Satu Membran Tidak Siklik
Larutan feed sebanyak 5L dibuat dengan mengencerkan larutan MDEA >99% dengan pelarut
aquademin, yaitu 50 mL untuk feed 1% v/v, 150 mL untuk feed 3% v/v, dan 200 mL untuk
feed 4% v/v. Untuk variasi laju alir konsentrat, regenerasi dilakukan terhadap feed MDEA 1%
v/v sebanyak 4 liter dengan sistem RO tidak siklik menggunakan flow restrictor 600
mL/menit dan 800 mL/menit. Lalu uji pengaruh variasi temperatur dilakukan terhadap feed
MDEA 1% v/v menggunakan flow restrictor 800 mL/menit dengan temperatur feed 200C,
290C, dan 360C dalam waktu regenerasi satu putaran (non-recycled) dan volume larutan 4
liter. Lalu pengujian pengaruh waktu regenerasi dilakukan menggunakan sistem RO dalam
waktu regenerasi 60 menit untuk larutan MDEA 1% v/v, 180 menit untuk larutan MDEA 3%
v/v, dan 240 menit untuk larutan MDEA 4% v/v dengan penggunaan flow restrictor 800
mL/menit. Indeks bias dari produk RO (konsentrat dan permeat) diukur menggunakan
refraktometer kemudian dihitung konsentrasinya dengan menggunakan persamaan linier yang
didapat dari kurva kalibrasi MDEA menggunakan larutan MDEA dengan konsentrasi 1%,
2%, 4%, 8%, dan 10% dalam persen v/v. Permukaan membran sebelum dan sesudah
digunakan dikarakterisasi dengan SEM untuk melihat kerusakan akibat proses RO dengan
tekanan tinggi. Dilakukan sputtering membran dengan lapisan emas, lalu dikarakterisasi
dengan energi sebesar 10 kV.
Hasil Penelitian
MDEA encer
Studi Awal ..., Hanna, FMIPA UI, 2016
Tabel 1 menunjukkan hasil pengukuran indeks refraksi dari larutan standar MDEA. Data-data
dari tabel 1 dikonversi menjadi kurva kalibrasi yang ditunjukkan pada gambar 5. Tabel 1. Kalibrasi Standar MDEA dengan Refraktometer
Konsentrasi MDEA
Indeks Refraksi
0% 1.333 1% 1.335 2% 1.3365 4% 1.3395 8% 1.345
10% 1.3485 * % volume/volume
y = 0,1502x + 1,3333
R2 = 0,9982
y = Indeks Refraksi
x = konsentrasi
Gambar 5. Kurva Kalibrasi Standar MDEA dengan Refraktometer Penggunaan flow restrictor yang berbeda-beda menghasilkan tekanan yang berbeda-beda
(tabel 2) dan mempengaruhi konsentrasi yang dihasilkan pada jalur permeat dan konsentrat
(tabel 3). Tabel 2. Flow Restrictor dan Tekanan yang Dihasilkannya Flow restrictor 600 mL/menit 800 mL/menit Tekanan 9,46 bar 8,63 bar Tabel 3. Data Indeks Bias Permeat dan Konsentrat
Gambar 14. Karakterisasi Membran Sebelum Digunakan (kiri) dan Setelah Digunakan (kanan)
Pada gambar dapat diamati bahwa pada perbesaran 500 kali, membran poliamida yang belum
digunakan terdapat serat-serat yang merupakan poliamida. Tidak demikian pada gambar
permukaan membran yang telah digunakan. Membran yang telah digunakan terlihat tidak
berserat. Hal ini menunjukkan bahwa setelah digunakan, permukaan membran mengalami
kerusakan sehingga serat-serat yang awalnya ada menjadi tidak ada. Kerusakan permukaan
membran terjadi karena penggunaan pompa bertekanan tinggi pada sistem RO. Dalam
spesifikasi membran poliamida buatan Korea ini, membran tersebut memiliki kapasitas
sekitar 8,50 atm atau 125 psi. Namun pompa RO yang digunakan untuk menambah tekanan
larutan feed adalah pompa yang dapat memberikan tekanan hingga 150 psi atau sekitar 10,2
atm, dan dalam penggunaannya, dengan pengukuran menggunakan digital pressure meter
didapati bahwa tekanan larutan feed mencapai 8,73 bar atau sekitar 8,6 atm, bahkan dengan
penggunaan flow restrictor 600 mL/menit dihasilkan tekanan larutan 9,46 bar atau sekitar
9,34 atm. Hal inilah yang menyebabkan kerusakan pada membran poliamida. Oleh karena itu,
dibutuhkan membran yang lebih kuat untuk menahan tekanan yang besar. Cara lainnya adalah
penggunaan sistem RO dengan tekanan yang rendah, namun cara ini mungkin sulit untuk
dicapai.
Kesimpulan Berdasarkan penelitian ini, dapat disimpulkan bahwa teknik pemekatan atau penghilangan air
(water removal) dengan proses reverse osmosis dapat diterapkan untuk larutan MDEA encer.
Pada penelitian ini, laju alir konsentrat 800 mL/menit memberikan hasil yang lebih baik
daripada laju alir konsentrat 600 mL/menit dalam proses RO dan pemekatan optimal terjadi
dalam suhu ruang yaitu sekitar 290C. Semakin lama waktu regenerasi maka semakin besar
konsentrasi MDEA dalam konsentrat yang dihasilkan. Semakin besar konsentrasi feed maka
Studi Awal ..., Hanna, FMIPA UI, 2016
waktu regenerasi yang dibutuhkan dengan metode RO menjadi semakin lama karena laju
alirnya menjadi lebih lambat, sehingga menyebabkan faktor pemekatan yang dihasilkan
semakin kecil.
Saran Penggunaan tekanan pompa yang lebih besar dibutuhkan untuk memberikan hasil pemekatan
yang efektif. Pengaturan tekanan perlu dilakukan untuk memberikan tekanan yang tetap
dalam proses RO. Untuk memberikan hasil analisis yang lebih baik dan akurat, perlu
digunakan metode analisis konsentrasi yang lebih spesifik terhadap senyawa MDEA. Hasil
konsentrat dapat dilewatkan kepada perangkat RO lain dengan bertekanan lebih tinggi,
sementara hasil permeat dapat dijadikan sebagai feed untuk proses RO perangkat lain untuk
mendapatkan air yang lebih murni.
Daftar Referensi Amalia, Rima. (2016). Studi Awal Regenerasi Larutan Triethylene Glycol (TEG)
Menggunakan Membran Poliamida dengan Sistem Reverse Osmosis (RO). Depok: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia.
Anonim. (2002). Oil and Gas Processing Plant Design and Operation Training Course: Gas Sweetening Process. _____: Total Fina Elf.
Bahl, Arun. (2014). Essential of Physical Chemistry (Multicolour Edition). India: S. Chand Limited.
Binyam, S., Mukhtar, H., dan Lau, K.K. (2010). Flux and Rejection of Methyldiethanolamine from Wastewater by Composite Reverse Osmosis Membrane. Malaysia: Universiti Teknologi PETRONAS.
Geise, Geoffrey M., dkk. (2010). Water Purification by Membranes: The Role of Polymer Science. USA: Wiley InterScience.
Nath, Kaushik. (2008). Membrane Separation Processes. New Delhi: Prentice-Hall of India Private Limited.
Polasek, John, dan Bullin, Jerry A. (2006). Selecting Amines for Sweetening Units. Texas: Bryan Research and Engineering, Inc.
Redjeki, Sri. (2011). Proses Desalinasi dengan Membran. Indonesia: Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (DP2M) Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional.
The Dow Chemical Company. (2014). Technical Data Sheet: DOW N-Methyldiethanolamine (MDEA). Diunduh pada 27 Mei 2016 dari msdssearch.dow.com.