PENYISIHAN AMONIA TERLARUT DARI AIR LIMBAH MELALUI KONTAKTOR MEMBRAN SUPER HIDROFOBIK PADA VARIASI TINGKAT KEASAMAN UMPAN

Transkripsi

1 PENYISIHAN AMONIA TERLARUT DARI AIR LIMBAH MELALUI KONTAKTOR MEMBRAN SUPER HIDROFOBIK PADA VARIASI TINGKAT KEASAMAN UMPAN Kezia Elkardiana ( ) Departemen Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus UI Depok Indonesia, Telp/Fax: / Pembimbing : Prof. Ir. Sutrasno Kartohardjono M.Sc., Ph.D. ABSTRAK Limbah amonia dinilai sebagai limbah beracun dan harus disisihkan sehingga kandungannya tidak boleh melebihi 5-10 ppm (Peraturan Kementrian Lingkungan Hidup RI No. 04 Tahun 1995). Penggunaan teknologi membran yang marak digunakan sebagai media penyisihan limbah pada industri mendorong penelitian ini untuk dapat menghasilkan pemisahan yang paling efektif apabila dibandingkan dengan metode pemisahan konvensional lainnya. Sebagai intensifikasi dari pemisahan digunakan kontaktor membran super hidrofobik untuk mencegah fouling yang disebabkan oleh pembasahan serat membran. Pada penelitian digunakan variasi ph 10, 11, dan 12 pada air limbah untuk mendapatkan pemisahan yang maksimum. Di akhir penelitian didapatkan bahwa pada ph 11 dan 12 amonia telah terhilangkan 100% dari larutan pada menit ke 120 dan 90, sementara itu ph 10 telah mencapai efektifitas 98.8% pada menit ke 120. Nilai ini menunjukkan bahwa pemisahan dengan membran super hidrofobik pada ph 11 dan 12 dapat mencapai pemisahan 100%. Kata kunci : limbah amonia, efisiensi penyisihan, koefisien perpindahan massa, dan kontaktor membran super hidrofobik ABSTRACT Waste ammonia assessed as toxic waste and must be set aside so that its content should not exceed 5-10 ppm (Ministry of Environment Regulation No. 04 of 1995). The use of membrane technology which is used as a separation medium on industrial waste encourage research to produce the most effective separation when compared to other conventional separation methods. As a process intensification of separation, we used super hydrophobic membrane contactor to prevent fouling of the membrane caused by membrane fiber wetting. In this research we used a ph variation of 10, 11, and 12 on the waste water to obtain maximum separation. At the end of the study showed that at ph 11 and 12 ammonia has been stripped away 100% of the solution at 120 and 90 minutes, while the ph of 10 has reached 98.8% effectiveness in minutes to 120. This value showed that separation with super hydrophobic membrane on waste water ph 11 and 12 can achieve perfect separation which reach 100%. Keywords : amonia, mass transfer coefficient, membran contactor and removal efficiency. I. PENDAHULUAN Amonia merupakan polutan utama yang barasal baik dari limbah rumah tangga maupun industri. Air limbah yang mengandung amonia ini dapat berasal dari industri pupuk, gasifikasi batubara, pengilangan minyak bumi, farmasi dan pabrik katalis (Ashrafizadeh,et al. 2010). Berdasarkan Keputusan Kementrian Lingkungan Hidup Republik Indonesia Nomor 51 tahun 1995 (KEP-51/MENLH/10/1995) tentang baku mutu limbah cair bagi kegiatan industri, maka amonia dari air limbah industri harus disisihkan sehingga kandungannya tidak melebihi 5 ppm. Kebijakan ini diambil karena sifat amonia yang sangat beracun terhadap semua spesies ikan, dan amonia akan teroksidasi oleh mikroorganisme melalui proses nitrifikasi menghasilkan senyawa nitrat yang sangat tidak diinginkan oleh manusia. Konsentrasi amonia dalam air limbah industri bervariasi dari 5 hingga 1000 mg/l (Rezakazemi, et al. 2012). Dengan demikian penyisihan amonia terlarut dari air limbah menjadi suatu keharusan untuk melindungi lingkungan dan kesehatan manusia. Ada beberapa metode konvensional yang telah diaplikasikan untuk menyisihan amonia terlarut dari air limbah seperti pelucutan udara, pertukaran ion selektif, klorinasi, dan nitrifikasi biologi (Hasanoğlu, et al. 2010). Belakangan ini, kontaktor membran serat berongga mulai banyak menarik perhatian para peneliti untuk digunakan sebagai media untuk menyisihkan amonia terlarut dari air limbah (Kartohardjono, et al. 2012). Beberapa kelebihan dari penggunaan kontaktor membran serat berongga ini, antara lain: kemampuannya dalam melakukan proses penyisihan tanpa kontak langsung antara air limbah yang mengandung amonia dan larutan penyerap yang akan menyerap amonia dari air limbah. Selain itu, laju alir fasa air limbah dan fasa larutan penyerap dapat dipilih secara independen. Pada penelitian proses penyisihan amonia, eksperimen telah dilakukan untuk melihat efektivitas proses penyisihan amonia dari larutan air melalui kontaktor membran serat

2 berongga. Hasil penelitian memperlihatkan bahwa variabel operasi ph larutan umpan sangat berpengaruh pada efisiensi proses penyisihan amonia melalui kontaktor membran. Semakin tinggi ph umpan, maka larutan penyerap juga akan meningkatkan efisiensi penyisihan amonia dari air limbah melalui kontaktor membran. Tingkat penyisihan amonia yang dapat dicapai oleh proses yang menggabungkan proses membran dan proses ozonasi yang menggunakan ph larutan penyerap 1,0 adalah sekitar 91% (Kartohardjono, et al. 2012) untuk umpan awal yang mengandung 200 ppm amonia dan sekitar 77% untuk umpan awal yang mengandung 800 ppm amonia (Kartohardjono, et al. 2012). Penggabungan proses ozonasi dan plasma nontermal pada penelitian terdahulu hanya dapat meningkatkan efisiensi proses penyisihan dari sekitar 48% menjadi 52%. Sementara penambahan proses ozonasi dan plasma nontermal tentunya juga mempunyai implikasi bertambahnya penggunaan peralatan dan energi (Kartohardjono, et al. 2012). Kelemahan utama yang terjadi proses membran tersebut adalah turunnya kinerja kontaktor membran jika membran tersebut terbasahi baik oleh air limbah maupun larutan penyerap. Intensifikasi proses untuk meningkatkan proses penyisihan amonia pada penelitian yang diusulkan akan dilakukan dengan cara menggunakan kontaktor membran super hidrofobik. Penggunaan kontaktor membran yang superhidrofobik ini akan mencegah terjadinya proses pembasahan membran baik oleh air limbah maupun larutan penyerap, sehingga efisiensi proses penyishan amonia dapat ditingkatkan lagi. II. MATERIAL DAN METODE Kontaktor membran yang digunakan dalam penelitian ini berbahan polipropilena dengan luas permukaan 0.92m2 yang diperoleh dari Liqui-Cell. Eksperimen yang dilakukan untuk menyisihkan amonia dari air limbah diperlihatkan pada Gambar 1. Air limbah dibuat dengan melarutkan sejumlah tertentu senyawa Ammonium Sulfat dan menambahkan Sodium Hydroxide untuk mengatur ph larutannya. Sementara larutan penyerap yang digunakan adalah larutan 0,1M H2SO4. Larutan air limbah dipompakan ke kontaktor membran melalui bagian selongsong kontaktor dan dikembalikan lagi ke reservoir. Sementara larutan penyerap dialirkan ke bagian lumen fiber menggunakan Peristaltic Pump Longer Pump WT600-2J. Air limbah dianalisis setiap 15 menit sekali untuk mengukur konsentrasi ammonianya menggunakan ammonia meter Martini Instruments Mi Efisiensi proses penyisihan amonia dari larutan airnya (%R) ditentukan menggunakan persamaan: %! =!!!!!!100% (1)!! Sementara koefisien perpindahan massa ammonia dihitung menggunakan Persamaan (2) (Norddahl, Horn, Larsson, du Preez, & Christensen, 2006):!"!"!!!!!!!!!! =!!!!!! (2) Amonia Meter Kontaktor Membran Pompa Valve Flowmeter Tangki Umpan Absorben (out) Absorben (in) Gambar 1. Diagram Skematik Penelitian III. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 2 dan 3 memperlihatkan pengaruh ph air limbah terhadap profil konsentrasi amonia (Ct) dan konsentrasi relatif amonia (Ct/Co) di dalam air limbah. Gambar 2 memperlihatkan bahwa semakin tinggi ph air limbah, semakin besar penurunan konsentrasi amonia yang ada di air limbah. Amonia di dalam air akan membentuk reaksi kesetimbangan yaitu: NH3(g) + H2O (l) NH4+(aq) + OH-(aq) (3) Semakin tinggi ph air limbah maka semakin banyak ion OH- yang ada di dalam larutan sehingga akan menggeser kesetimbangan reaksi ke kiri (ke arah pembentukkan NH3(g), yang pada akhirnya akan semakin

3 banyak amonia yang dapat disisihkan melalui kontaktor membran. Gambar 2 memperlihatkan bahwa pada ph air limbah 12 dan 11, semua amonia sudah dapat disisihkan setelah sirkulasi dilakukan selama 90 dan 120 menit (5400 dan 7200 detik). Sementara untuk ph air limbah 10, setelah waktu sirkulasi 120 menit (7200 detik) masih didapati amonia walaupun konsentrasinya sudah sangat kecil sekali (0,03 ppm). Gambar 2 dan 3 juga memperlihatkan hasil penelitian yang dilakukan terdahulu menggunakan kontaktor membran hidrofobik dan gabungannya dengan proses oksidasi plasma-ozone (RHOP) (Sutrasno Kartohardjono, Puji Lestari Handayani, Seswila Deflin, Yuniar Nuraeni, & Bismo, 2012). Gambar 2 dan 3 memperlihatkan bahwa kontaktor membran super-hidrofobik memberikan hasil penurunan konsentrasi yang jauh lebih baik dibandingkan kontaktor membran hidrofobik, bahkan dengan gabungan proses membran hidrofobik dan oksidasi pada reaktor plasmaozon (RHOP), walaupun konsentrasi awal yang digunakan sedikit berbeda. Gambar 2 dan 4 juga menunjukkan bahwa proses penyisihan amonia dari air limbah melalui kontaktor membran superhidrofobik jauh lebih baik dibandingkan dengan 2 hasil penelitian sebelumnya (Sutrasno Kartohardjono et al., 2012). Gambar 4 memperlihatkan efisiensi penyisihan amonia pada berbagai ph air limbah, dimana semakin tinggi ph air limbah, semakin tinggi efisiensi pemisahannya karena semakin sedikit konsentrasi amonia di dalam air limbah (Ct) seperti diperlihatkan pada Gambar 2. Seperti halnya pada profil konsentrasi amonia, efisiensi penyisihan 100% terjadi pada waktu 90 dan 120 menit (5400 dan 7200 detik) untuk ph air limbah 12 dan 11, sementara pada ph air limbah 10 pada saat 120 menit (7200 detik) efisiensi penyisihannya telah mencapai 98,8%. Gambar 4 juga memperlihatkan bahwa efisiensi penyisihan amonia pada penelitian ini jauh lebih baik dibandingkan dengan penelitian sebelumnya (Sutrasno Kartohardjono et al., 2012). Gambar 5 memperlihatkan pengaruh ph air limbah terhadap koefisien perpindahan massa, KL, yang terjadi di dalam kontaktor membran. Gambar tersebut memperlihatkan bahwa semakin tinggi ph air limbah, koefisien perpindahan massa yang terjadi juga relatif semakin tinggi. Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa Semakin tinggi ph air limbah maka akan menggeser reaksi kesetimbangan amonia dalam air ke kiri (ke arah pembentukkan NH3(g)), sehingga akan semakin banyak amonia yang berpindah melalui kontaktor membran yang pada akhirnya akan membawa pada kenaikan koefisien perpindahan massanya. Dengan Gambar 5 kita dapat mengetahui pengaruh ph air limbah terhadap koefisen perpindahan massa keseluruhan, dimana semakin tinggi ph air limbah semakin tinggi juga koefisen perpindahan massa keseluruhannya. Gambar 2. Profil konsentrasi amonia terhadap waktu [i: Membran Hidrofobik Polipropilen (Beauty, 2011); ii: Penggabungan Proses Membran dengan Plasma Ozon (Ajeng, 2012)] Gambar 3. Profil konsentrasi amonia relatif terhadap waktu

4 Gambar 4. Profil efisiensi penyisihan akumulatif amonia terhadap waktu. [i: Membran Hidrofobik Polipropilen (Beauty, 2011); ii: Penggabungan Proses Membran dengan Plasma Ozon (Ajeng, 2012)] Gambar 5. Pengaruh ph air limbah terhadap koefisien perpindahan massa keseluruhan, KL. IV. SIMPULAN DAN SARAN Beberapa kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah: 1. Kontaktor membran super hidrofobik dinilai sangat baik dan dapat digunakan untuk pemisahan limbah dengan konsentrasi besar (800 ppm) dengan pemisahan hingga mencapai %Rejection Amonia sebesar 100%. 2. Asam sulfat dinilai sebagai larutan penyerap yang sangat baik dilihat dari kemampuannya menyerap amonia yang ada. 3. Dari penelitian yang dilakukan, terlihat bahwa semakin tinggi ph amonia, atau semakin basa suasana limbah yang digunakan, dilihat dari nilai KL yang mengalami kenaikkan seiring kenaikan ph. Variasi ph yang menghasilkan hasil maksimum adalah ph 12 dengan %Rejection 100% dengan waktu sirkulasi 90 menit. 4. Dari segi hidrodinamika didapatkan rasio friksi untuk laju alir yang digunakan (1L/mnt) adalah 14 kali dari pipa halus, yang menunjukkan bahwa keberadaan serat membran menyebabkan perbedaan tekanan yang cukup besar (dinilai dari dimensi yang kecil). Hal ini sangat baik karena akan mendorong permeat yang ingin dipisahkan untuk masuk ke serat membran. Sementara itu, beberapa saran yang dapat diberikan oleh penulis adalah : 1. Perlu dilakukan variasi dan analisis terhadap laju sirkulasi feed amonia untuk melihat pengaruh turbulensi terhadap efektifitas membran (nilai Re). 2. Peningkatan temperatur feed amonia juga mampu memberikan efektivitas penyisihan amonia yang lebih baik karena amonia akan berada pada critical point dan akan makin banyak amonia fasa gas yang terbentuk. 3. Perlu dilakukan eksperimen penyusunan modul secara seri agar dihasilkan waktu sirkulasi yang lebih singkat dengan hasil yang maksimal.

5 V. DAFTAR PUSTAKA Ashrafizadeh, S. N., & Khorasani, Z. (2010). Amonia removal from aqueous solutions using hollow-fiber Membran contactors. Chemical Engineering Journal, 162(1), doi: Ding, Zhongwei, Liu, Liying, Li, Zhaoman, Ma, Runyu, & Yang, Zurong. (2006). Experimental study of amonia removal from water by membran distillation (MD): The comparison of three configurations. Journal of MembranScience,286(1 2), doi: El-Bourawi, M. S., Khayet, M., Ma, R., Ding, Z., Li, Z., & Zhang, X. (2007). Application of vacuum membran distillation for amonia removal. Journal of Membran Science, 301(1 2), doi: Hasanoğlu, A., Romero, J., Pérez, B., & Plaza, A. (2010). Amonia removal from wastewater streams through membran contactors: Experimental and theoretical analysis of operation parameters and configuration. Chemical Engineering Journal, 160(2), doi: Kartohardjono, S., Handayani, P.L., Deflin, S., Nuraeni, Y., & Bismo, S. (2012). Amonia Removal from Wastewater through Combination of Absorption Process in the Membran Contactor and Advance Oxydation Process in Hybride Plasma-Ozone Reactor. Journal of Environmental Science and Engineering, 1, Kartohardjono, S., Putri, M.H., Fahmiati, S., Fitriasari, E., Ajeng, C., & Bismo, S. (2012). Combination of ozonation process and absorption through membran contactor using natural hot spring water as absorbent to remove amonia from wastewater. Journal of Environmental Science and Engineering 1(4), Mandowara, Amish, & Bhattacharya, Prashant K. (2009). Membran contactor as degasser operated under vacuum for amonia removal from water: A numerical simulation of mass transfer under laminar flow conditions. Computers & Chemical Engineering, 33(6), doi: Norddahl, B., Horn, V. G., Larsson, M., du Preez, J. H., & Christensen, K. (2006). A membran contactor for amonia stripping, pilot scale experience and modeling. Desalination, 199(1 3), doi: