TEKNOLOGI MEMBRAN

Membran adalah alat pemisah yang bersifat selektif dimana dapat memisahkan berbagai zat campuran didalam 2 fase fluid. Fase diantara membran bisa berupa fase cair atau fase gas. Zat campuran didalam fase tersebut bisa bersifat homogen atau heterogen baik itu berupa padatan, cairan atau gas (lihat gambar dibawah).

a06_membrane_full

Pada sistem pengolahan air, kedua fase diantara membran adalah fase cair untuk memfilter molekul, ion, atau partikel padat terlarut. Air yang akan difilter oleh membran biasanya disebut “feed-stream” dan air bersih yang sudah difilter disebut “permeate”, sedangkan air yang mengandung kotoran partikel disebut “retentate” atau “concentrate”. Membran terdiri atas 2 jenis: membran biologis dan membran sintetis. Dalam tulisan ini, hanya akan dijelaskan mengenai membran sintetis.

Membran sintetis dibuat oleh manusia untuk kepentingan pemisahan (filtration) baik dilaboratorium atau industri, bisa juga disebut membran artifisial. Sejak pertengahan abad kedua puluh, membran sintetis banyak digunakan untuk kepentingan proses industri skala kecil atau besar. Membran diproduksi dari material organik seperti polimer ataupun material anorganik, dan saat ini yang paling banyak diproduksi dan digunakan adalah jenis membran polimer, yang dapat dibedakan berdasarkan kimia permukaan (surface chemistry), struktur bulk (bulk structure), morfologi, dan metode produksi. Karakteristik kimia dan fisika pada membran sintetis dan partikel yang difilter menentukan pemilihan gaya dorong (driving force).

Untuk proses pemisahan menggunakan membran umumnya menggunakan gaya dorong tekanan (pressure driving force) dan perbedaan konsentrasi (concentration gradients driving force), yang disebut filtrasi membran atau “membrane filtration”. Teknik pemisahan yang biasa menggunakan filtrasi membran adalah sebagai berikut:

  1. Microfiltration
  2. Ultrafiltration
  3. Nanofiltration
  4. Reverse Osmosis
  5. Electrolysis
  6. Dialysis
  7. Electrodialysis
  8. Gas Separation
  9. Vapor Permeation
  10. Pervaporation
  11. Membrane Distillation
  12. Membrane Contactors

Semua teknik pemisahaan diatas tidak terjadi perubahan fase kecuali pada pervaporation (perubahan fase cair menjadi fase gas). Untuk pengolahan air, yang paling banyak digunakan adalah teknik pemisahan microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration, dan reverse osmosis. Keempat teknologi filtrasi membran ini menggunakan gaya dorong tekanan (pressure driven). Perbedaannya adalah kemampuannya dalam memfilter partikel dalam air berdasarkan ukurannya (lihat gambar dibawah).

Memebranverfahren

RO_and_Particle_Size

Agar mudah difahami, berikut penjelasannya:

Microfiltration (MF, Mikrofiltrasi)

Istilah microfiltration berasal dari “micro” artinya kecil, bisa ditujukan pada ukuran membran pori skala mikro, mikroorganisme atau mikropartikel, dan “filtration” artinya pemisahan, sehingga teknologi mikrofiltrasi dapat memisahkan mikroorganisme seperti bakteri didalam air. Selain itu, membran mikrofiltrasi dapat menyaring padatan terlarut yang berukuran sekitar 0.05-10 microns. Penggunaan mikrofiltrasi sangat cocok untuk menurunkan kekeruhan (turbidity) yang disebabkan oleh partikel terlarut dan mikroorganisme. Material membran yang digunakan dapat berasal dari polimer organik seperti polipropilen atau polikarbonat, keramik, dan metal alloy. Terdapat 2 mekanisme pemisahan:

  1. Dead-end Microfiltration

Biasa disebut juga “conventional process”. Aliran air mengarah langsung ke membran dan partikel padatan akan terakumulasi diatas permukaan membran hingga dilakukan backwash (cuci terbalik), jika tidak ada backwash maka laju alir dapat menurun hingga nilainya 0 karena semua partikel padatan menyebabkan blocking (penutupan pori) sampai menutup semua pori membran. Setelah dilakukan backwash, padatan yang terakumulasi diatas permukaan membran akan dibersihkan dan kemudian ditampung untuk dibuang.

  1. Cross-flow Microfiltration

Aliran air pada cross-flow microfiltration secara turbulen sepanjang membran sehingga dapat mencegah terjadinya akumulasi partikel padatan diatas permukaan membran. Jenis membran yang digunakan biasanya berbentuk tabung (misal: tubular membrane, holow fiber membrane). Air yang tidak terfiltrasi dan mengandung partikel padatan (retentate) akan dialirkan keluar atau difilter kembali. Istilah “cross-flow” digunakan karena aliran air umpan (feed) dan aliran air terfiltrasi (permeate) mengarah sudut 90 derajat (tangential). Prosess ini sangatlah banyak digunakan dan hasilnya bagus untuk air umpan yang memiliki konsentrasi tinggi partikel padatan.

09-10_w1_2

Ultrafiltration (UF, Ultrafiltrasi)

Kemampuan pemisahan pada ultrafiltrasi jauh lebih baik dibandingkan mikrofiltrasi. Istilah “ultra” secara bahasa berarti yang teramat sangat, dimana semua mikroorganisme dapat terpisah sempurna termasuk juga makromolekul seperti protein yang biasanya dihasilkan oleh mikroorganisme, adapun air dan molekul rendah akan melewati membran. Pada beberapa industri, teknik pemisahan dan pemurnian makromolekul (103-106 Dalton) dalam larutan akan menggunakan ultrafiltrasi. Secara prinsipnya, ultrafiltrasi sama dengan mikrofiltrasi dimana terdapat 2 proses mekanisme: dead-end dan cross-flow. Perbedaan utamanya adalah ukuran pori membran yang jauh lebih kecil dibandingkan mikrofiltrasi.

Umumnya material yang digunakan untuk membran ultrafiltrasi adalah polimer seperti polysulfone, polypropylene, cellulose acetate, dan polylactic acid, akan tetapi ada juga yang menggunakan membran keramik untuk aplikasi suhu tinggi. Gambar dibawah adalah aplikasi membran ultrafiltrasi yang membedakan dengan membran mikrofiltrasi. Hasil akhir berupa air bersih yang masih mengandung garam-garam terlarut.

aquasource-robinet-VUS-grand

Nanofiltration (NF, Nanofiltrasi)

Penggunaan istilah “nano” mengacu pada pori membran yang berukuran nano (artinya pangkat -9), yaitu 1-5 nm. Membran nanofiltrasi memiliki kemampuan menahan ion divalen seperti ion kalsium (Ca2+) dan ion magnesium (Mg2+), akan tetapi dapat melewatkan ion monovalen seperti ion natrium (Na+) dan ion kalium (K+) . Untuk senyawa organik dengan berat molekul 200-300 dapat difilter dengan sempurna seperti sukrosa (gula pasir). Kemampuannya yang sangat spesifik dalam filtrasi menjadikan nanofiltrasi sebagai pilihan yang tepat terkait dengan efektifitas, kelayakan, dan ekonomis. Penggunaan nanofiltrasi meliputi demineralisasi, penghilangan senyawa warna, dan desalting. Design membran biasanya seperti membran reverse osmosis dalam bentuk spiral wound (lihat gambar dibawah).

spiral wound membrane

Reverse Osmosis (RO, Osmosis terbalik)

Peristiwa osmosis banyak terjadi dialam karena disebabkan oleh perbedaan tekanan yang dipisahkan oleh membran semipermeabel dimana cairan yang sedikit mengandung zat terlarut (larutan encer) akan mengalir ke cairan yang banyak mengandung zat terlarut (larutan pekat). Jika aliran air berlawanan dengan peristiwa osmosis dimana air mengalir dari larutan pekat ke larutan encer karena diberikan gaya dorong (driving force) maka disebut osmosis terbalik atau reverse osmosis, yang disingkat RO (lihat gambar dibawah).

osmosis-11

Membran RO mampu memfilter mulai dari bakteri hingga ion monovalen yang terkandung didalam air. Ukuran porinya yang sangat kecil kurang dari 1 nm dapat secara efektif menghasilkan air murni, akan tetapi membutuhkan energi yang besar dengan tekanan sekitar 50 bar tergantung dari jumlah komponen zat terlarut dalam air, dengan demikian teknologi RO sedikit berbeda dengan teknologi filtrasi membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, atau nanofiltrasi, karena gaya dorong bukan hanya dipengaruhi oleh tekanan tapi konsentrasi zat terlarut melalui proses difusi. Teknologi membrane RO banyak digunakan untuk pemurnian air minum dari air laut, penghilangan garam dan material terlarut lainnya dalam air. Design membran RO berbentuk spiral wound dan gambar dibawah sebagai ilustrasi proses filtrasi yang dilakukan oleh membran RO.

ROillustration

Semoga informasi diatas bermanfaat, adapun mengenai informasi yang lebih mendalam terkait teknologi membran, akan dibahas diartikel selanjutnya.

Cikarang, May 2016

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s