Teknologi Reverse Osmosis (RO)

Pada saat ini, teknologi RO telah banyak digunakan diberbagai proses untuk pemurnian air. Design yang tepat dan baik dalam sistem pemurnian air (water purification) akan meningkatkan kinerja sistem dimana umur pemakaian membran RO akan lebih lama. Akan tetapi, jika terjadi kesalahan design atau kesalahan saat pengoperasian sistem maka dapat menyebabkan sistem bermasalah dan umur membran RO akan lebih pendek. Membran RO merupakan membran semi-permeable dimana dapat melewatkan molekul air dan menahan garam terlarut, senyawa organik, bakteri, dan pirogen. Pada peristiwa osmosis terbalik (RO) dibutuhkan tekanan yang lebih besar dibandingkan tekanan osmosis agar aliran air dapat masuk dari larutan pekat ke larutan yang lebih encer, sehingga dihasilkan air murni.

8538997_orig

Perhitungan kasar tekanan osmosis dapat ditentukan dari TDS (Total Dissolved Solids):

Osmotic Pressure

Berikut adalah grafik korelasi linier antara tekanan osmosis dan konsentrasi TDS.

Fig-6-Osmotic-pressure-correlation-as-a-function-of-TDS-concentration

TDS adalah pengukuran total jumlah senyawa organik dan anorganik dalam suatu larutan dalam bentuk senyawa molekul, ion, atau mikro-granular (padatan koloid). Pengukuran TDS sangatlah penting untuk melihat seberapa banyak ion dan partikel terlarut dalam air. Terdapat 2 metode pengukuran TDS yaitu analisis gravimetri dan konduktivitas. Metode gravimetri merupakan metode yang sangat akurat dengan cara menguapkan larutan dan mengukur berat residu yang tertinggal, dan jika jumlah garam anorganik sebagai komponen utama dalam larutan maka metode penentuan TDS dengan gravimetri sangatlah tepat, akan tetapi metode ini membutuhkan waktu yang lama. Metode dengan pengukuran konduktivitas bisa juga sebagai alternatif untuk pengukuran TDS yang jauh lebih praktis menggunakan TDS meter atau konduktivitas meter akan tetapi memiliki akurasi sekitar 10%. Korelasi linear antara TDS dan konduktivitas pada larutan KCl digambarkan oleh grafik berikut:

tds_eq

Perbedaan zat terlarut dalam larutan akan memiliki perbedaan nilai konduktivitas. Sehigga rumus penentuan TDS terhadap konduktivitas sebagai berikut:

TDS vs EC

Pada suhu 250C, untuk nilai ke bervariasi antara 0.55 – 0.8.

Design Sistem Membran RO

Sebelum mendesign sistem membran RO, sebaiknya dilakukan evaluasi kualitas air baku (raw water) terlebih dahulu sehingga dapat menentukan design yang tepat. Pemahaman terkait dengan analisis kualitas air baku dan penentuan potensi masalah yang dapat terjadi sangatlah penting untuk menentukan keberhasilan suatu sistem membran RO. Banyak sekali sistem RO yang sudah didesign dan dijual tanpa melakukan analisis kualitas air secara lengkap terlebih dahulu, sehingga kesalahan ini akan menyebabkan sulitnya memperbaiki sistem yang sudah dipasang dilapangan saat terjadi masalah.

Salah satu parameter dalam mengevaluasi sistem pengolahan sebelum masuk (pretreatment) ke dalam sistem membran RO adalah penentuan SDI (Silt Density Index), hal ini bertujuan untuk mengukur kapasitas fouling yang disebabkan oleh kontaminan dalam air umpan (feed water), dengan cara memfilter air umpan pada kertas filter berukuran pori 0.45 µm pada tekanan konstan (2 bar). Sebanyak 500 ml air umpan akan difilter dan diukur waktunya (T1), selanjutnya 500 ml air umpan difilter kembali dan diukur waktunya (T2) setelah lebih dari 15 menit. Rumus penetuan SDI sebagai berikut:

SDI.jpg

Semakin kecil nilai SDI pada air umpan maka semakin baik kemampuan filter membran RO. Kebanyakan perusahaan manufaktur membran RO merekomendasi untuk SDI lebih kecil dari 5. Berdasarkan pengalaman dilapangan, kinerja membran RO dapat bekerja baik di nilai SDI < 3. Pada pengukuran SDI ini memiliki kekurangan sebagai berikut:

  • Jika nilai SDI lebih dari 3, maka tingkat kepercayaannya berkurang
  • Membutuhkan kuantitas air yang cukup banyak dengan waktu yang cukup lama

Diperusahaan tempat saya bekerja saat ini, Kurita mengembangkan cara baru dalam menentukan kinerja membran RO yang lebih mudah dan cepat, yaitu pengukuran MFF (Micro-filter Fouling Factor) dan SFF (Soluble-material Fouling Factor). Nilai MFF dapat mengevaluasi kemampuan filter membran RO dan menentukan efektifitas pretreatment yang didesign, adapun nilai SFF dapat menganalisis jumlah keberadaan biopolimer dalam air umpan. Untuk mengukur nilai MFF menggunakan alat yang sudah didesign sedemikian rupa, dilakukan dengan cara memfilter 500 ml air umpan dengan kertas filter berpori 0.45 µm dan diukur waktunya (T1) pada tekanan 500 mmHg atau 0.67 bar, selanjutnya 500 ml difilter kembali dan diukur waktunya (T2). Nilai MFF didapat dengan membagi T2 dengan T1. Untuk unit RO yang baik harus memiliki nilai MFF maksimum 1.1, setiap kenaikan nilai maka dibutuhkan improvisasi design untuk pretreatment RO. Berikut tabel yang bisa digunakan untuk mengevaluasi kinerja membran RO:

MFF Value.jpg

Selain dari parameter diatas, pengukuran seperti pH, konduktivitas, M-Alkalinity, total hardness, calcium hardness, suspended solid, COD, kalsium, magnesium, besi, mangan, vanadium, silika terlarut, ion terlarut seperti sulfat, nitrit, nitrat, ammonium, sodium, kalium, dan klorida, perlu juga dilakukan untuk menentukan kualitas air umpan dan mengevaluasi design sistem RO yang tepat. Misalnya jika total hardness tinggi maka diperlukan softener sebelum air masuk ke membran RO.

Water Recovery Rate

Pada sistem RO, kita perlu memonitor secara rutin untuk memastikan sistem membran bekerja dengan baik. Salah satu parameter untuk mengukurnya dengan menghitung tingkat pemulihan air (water recovery rate), dengan rumus sebagai berikut:

Water recovery rate

Semakin tinggi persentase tingkat pemulihan (recovery rate) maka semakin kecil konsentrasi air yang keluar membran (semakin murni pada permeate), hal ini dapat juga disebabkan garam-garam terlarut mengendap dan meningkat konsentrasinya diatas permukaan membran. Sistem membran RO untuk air brackish biasanya didesign memiliki tingkat pemulihan 60% sampai 80% dan air laut dari 30% sampai 60%. Selain itu juga dapat dihitung faktor konsentrasi (concentration factor) dari nilai tingkat pemulihan sebagai berikut:

Concentration factor

Jika tingkat pemulihan air sebesar 80% maka faktor konsentrasinya 5, artinya 5 kali konsentrasi dalam air umpan. Untuk memahami keduanya bisa dibuat sebagai contoh berikut: terdapat 10 botol yang berisi air murni masing-masing 1 liter dan 10 batu yang menggambarkan garam terlarut. Jika tingkat pemulihan 80% maka kita pisahkan 8 botol air murni dan 2 botol air yang dimasukkan batu masing-masing 5, dimana untuk kedua botol ini memiliki 5 kali garam terlarut. Jika kita umpamakan tingkat pemulihannya 90% maka terdapat 9 botol air murni dan 1 botol air yang diisi batu dan menggambarkan 10 kali lipatnya garam yang terkonsentrasi, dengan kata lain jika TDS dalam air umpan sebesar 100 ppm maka TDS di concentrate-nya bisa sekitar 1000 ppm. Dengan demikian, dalam beberapa kasus sekalipun tingkat pemulihannya naik 1% maka kelarutan garam bisa semakin tinggi dan dapat menyebabkan meningkatnya tingkat pencemaran (fouling rate) diatas permukaan membran.

Salt Rejection Rate

Parameter lain untuk mengukur kinerja membran RO dengan menghitung tingkat penolakan garam (salt rejection rate), berdasarkan nilai TDS:

Salt rejection rate TDS

atau berdasarkan nilai konduktivitas:

Salt rejection rate EC

Tingkat penolakan garam dapat menentukan seberapa besar persentasi garam terlarut yang dapat melewati membran RO. Perhitungan ini berdasarkan perbandingan jumlah kontaminan garam dalam air umpan (feed water) dengan jumlah kontaminan garam didalam air produk (permeate) pada sistem membran RO. Untuk membran baru biasanya memiliki tingkat penolakan sebagai berikut:

  1. Cellulose Acetate : 90% – 93%
  2. Cellulose Tri-Acetate : 93% – 95%
  3. Thin Film Composite : 97% – 99%

Biasanya, sebuah membran sudah mulai buruk kinerjanya jika tingkat penolakannya dibawah 90% tergantung dari aplikasi air produk yang digunakan, sehingga kita bisa menentukan apakah masih perlu digunakan atau segera diganti dengan membran baru. Adapun tingkat perlintasan garam (salt passage) yang mengindikasan seberapa banyak garam yang dapat lewat melalui membran, diukur dengan rumus berikut:

Salt passage

sehingga jika kita menggunakan thin film composite membran RO yang memiliki tingkat penolakan garam (salt rejection rate) 99%, maka garam yang dapat melewati membran (salt passage) hanya 1%. Akan tetapi perlu diketahui sistem membran RO umumnya tidak dapat menghasilkan air dengan konduktivitas dibawah 21.4 µS/cm atau TDS 10 ppm, hal ini disebabkan molekul karbon dioksida dalam air tidak dapat tertahan oleh membran RO pada saat pH kurang dari 8.5. Jika sekiranya air umpan memiliki TDS 50 ppm maka kemampuan membran secara maksimal hanya dapat menghasilkan kualitas produk TDS sebesar 10 ppm.

Berikut diagram contoh untuk tingkat pemulihan air (water recovery rate) dan tingkat penolakan garam (salt rejection rate):

reverse-osmosis-module-28-638

Agar diperhatikan bahwa nilai perhitungan untuk tingkat penolakan garam dan perlintasan garam bisa jadi berbeda realitanya, hal ini disebabkan sistem RO merupakan proses yang dinamis. Sistem biasanya didesign bisa sampai 7 elemen membran setiap vessel dalam rangkaian seri (lihat gambar dibawah dengan 3 seri). Membran elemen terkoneksi melalui tabung permeate dimana air yang difilter berasal dari setiap elemem membran yang masuk ke tabung ini.

kno_001_02_b

Pada konfigurasi ini, setiap membran akan memiliki kemampuan penolakan garam yang berbeda-beda disebabkan TDS pada membran disusunan seri terakhir akan jauh lebih tinggi dibandingkan TDS pada membran di seri pertama dekat air umpan. Untuk memahami fenomena ini, tingkat penolakan garam dan perlintasan garam diukur menggunakan rata-rata TDS di air umpan (feed) dan buangan (concentrate) sebagai perhitungan TDS feed. Perhitungan ini dapat mempertimbangkan dinamika sistem RO secara aktual dan memprediksi secara tepat mengenai potensi pembentukan kerak diatas permukaan membran (scaling). Perhitungannya dapat menggunakan rumus berikut:

Salt Rejection Rate

dengan demikian, jika TDSfeed 600 ppm, TDSconcentrate 2310 ppm, dan TDSpermeate 30 ppm, maka tingkat penolakan garam (salt rejection rate)-nya adalah 97.94% dan perlintasan garam (salt passage)-nya adalah 2.06%.

“Keep the membrane surface clean”

Semboyan diatas merupakan asas dalam mempertahankan kinerja membran RO, dimana diperlukan agar selalu menjaga permukaan membran tetap bersih dari semua kotoran (impurities) baik yang disebabkan oleh ion, molekul, mikrobiologi atau padatan terlarut. Jika terjadi peningkatan konsentrasi di atas permukaan membran maka dapat menyebabkan terjadinya presipitasi (endapan) dan menurunkan kinerja membran. Sehingga hal ini sangatlah penting penanganan yang tepat saat mendesign dan saat pengoperasian sistem membran RO agar dapat meminimalisir masalah yang dapat terjadi yang akan menyebabkan penurunan laju alir air atau buruknya kualitas air bersih yang dihasilkan.

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