PEMBUATAN MEMBRAN DARI SELULOSA ASETAT DAN POLIETILEN GLIKOL BERAT MOLEKUL UNTUK PEMISAHAN GAS CO 2 DAN CH 4

Transkripsi

1 PEMBUATAN MEMBRAN DARI SELULOSA ASETAT DAN POLIETILEN GLIKOL BERAT MOLEKUL UNTUK PEMISAHAN GAS CO 2 DAN CH 4 BAGUS ADJI PRASTOWO PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA 2008 M/ 1429 H

2 PEMBUATAN MEMBRAN DARI SELULOSA ASETAT DAN POLIETILEN GLIKOL BERAT MOLEKUL UNTUK PEMISAHAN GAS CO 2 DAN CH 4 Skripsi Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains Program Studi Kimia Fakultas Sain dan Teknologi Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta Oleh: BAGUS ADJI PRASTOWO PROGRAM STUDI KIMIA FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA 2008 M/ 1429 H 2

3 PEMBUATAN MEMBRAN DARI SELULOSA ASETAT DAN POLIETILEN GLIKOL BERAT MOLEKUL UNTUK PEMISAHAN GAS CO 2 DAN CH 4 Skripsi Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains Program Studi Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta Oleh: BAGUS ADJI PRASTOWO Menyetujui, Pembimbing I Pembimbing II DR. Adiwar Isalmi Aziz, MT NIP NIP Mengetahui, Ketua Program Studi Kimia Sri Yadial Chalid, M.Si NIP

4 PENGESAHAN UJIAN Skripsi yang berjudul "Pembuatan Membran Dari Selulosa Asetat Dan Polietilen Glikol Berat Molekul Untuk Pemisahan Gas CO 2 Dan CH 4 " telah diuji dan dinyatakan lulus dalam sidang Munaqosyah Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Syarif Hidayatullah Jakarta pada hari Selasa, 9 Desember Skripsi ini telah diterima sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Strata Satu (S1) Program Studi Kimia. Menyetujui, Penguji I Penguji II DR. Thamzil Las Nurhasni, M.Si NIP NIP Pembimbing I Pembimbing II DR. Adiwar Isalmi Aziz, MT NIP NIP Mengetahui, Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Ketua Program Studi Kimia DR. Syopiansyah Jaya Putra, M.Sis Sri Yadial Chalid, M.Si NIP NIP

5 PERNYATAAN DENGAN INI SAYA MENYATAKAN BAHWA SKRIPSI INI ADALAH HASIL KARYA SENDIRI YANG BELUM PERNAH DIAJUKAN SEBAGAI SKRIPSI ATAU KARYA ILMIAH PADA PERGURUAN TINGGI ATAU LEMBAGA MANAPUN Jakarta, Desember 2008 Bagus Adji Prastowo

6 ABSTRAK BAGUS ADJI PRASTOWO, Pembuatan Membran Dari Selulosa Asetat Dan Polietilen Glikol Berat Molekul Untuk Pemisahan Gas CO 2 dan CH 4. Di Bawah Bimbingan DR. ADIWAR dan ISALMI AZIZ, MT. Pemisahan gas CO 2 dari gas alam penting dilakukan karena sifatnya yang dapat menyebabkan korosi pada pipa gas. CO 2 juga dapat menurunkan nilai kalor dari gas alam. Teknologi membran telah mulai dikembangkan untuk pemisahan gas CO 2 dari gas alam karena prosesnya yang sederhana, mudah, ramah lingkungan, serta konsumsi energi dan biaya operasional yang rendah. Penggunaan polietilen glikol (PEG) sebagai pembawa pada membran terbukti mampu menghasilkan selektivitas yang cukup tinggi. Membran dibuat dari selulosa asetat, aseton, formamida dan PEG berat molekul menggunakan metode inversi fasa. Pada preparasi membran dilakukan beberapa variasi yaitu: suhu koagulasi diukur pada 9, 18 dan 25 0 C. Waktu evaporasi diamati pada 30, 45 dan 60 detik. Dilihat juga pengaruh perendaman PEG cair dengan evaporasi maupun tanpa evaporasi. Variasi media penyimpanan di dalam air dan dalam desikator. Terakhir dilihat pengaruh kepolaran bertahap terhadap permeabilitas dan selektivitas membran. Pemisahan gas dilakukan pada sel permeasi dengan tekanan psi. Dari hasil penelitian ditemukan bahwa hasil pemisahan gas CO 2 dengan PEG yang optimal dilakukan dengan perendaman dalam PEG cair tanpa evaporasi pada suhu koagulasi 25 0 C dan disimpan dalam media air dengan nilai selektivitas adalah 15 80,9. Kata kunci : CO 2, selulosa asetat, PEG, membran, selektivitas. 6

7 ABSTRACT Bagus Adji Prastowo, The Making of Membrane From Cellulose acetate And Polyetylene Glycol Molecular Weight For Separation Of Gas CO 2 and CH 4. Advisor DR. Adiwar and Isalmi Aziz, MT. The separations of CO 2 from natural gas are important because its characteristics can cause corrosion. CO 2 can also reduce the heat value of natural gas. Membrane technology has been developed for the separation of CO 2 gas from the natural gas because the process is simple, easy, friendly environment, and energy consumption and operational costs are low. The use of polyethylene glycol (PEG) as a carrier in the membrane has proven able to generate high enough selectivity. Membrane made from cellulose acetate, acetone, formamida and PEG molecular weight using phase inversion method. In membrane preparation carried out a series of variations, namely: The temperature of coagulation measured at 9, 18 and 25 0 C, evaporation time observed on 30, 45 and 60 seconds. The influence of the soaking liquid PEG with and without evaporation, variations of the storage media in the desiccators and water and the influence of gradually polarity against membrane permeability and selectivity also been measured. The separation of gas in the permeation cell is done on the gas pressure from10 to 100 psi. This research found that the optimum separation of CO 2 with PEG 20,000 done with soaking in the liquid PEG without evaporation at temperature of coagulation 25 0 C and stored in water with the value of selectivity is 15 to Keywords: carbon dioxide, cellulose acetate, polyethylene glycol, membrane, selectivity. 7

8 KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT yang telah melimpahkan begitu banyak nikmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dan skripsi yang berjudul "Pembuatan Membran dari Selulosa Asetat dan Polietilen Glikol Berat Molekul Untuk Pemisahan Gas CO 2 Dan CH 4 ". Skripsi ini ditulis berdasarkan penelitian yang dilakukan di Laboratorium Separasi, KPRT Proses, PPPTMGB "LEMIGAS". Sholawat serta salam semoga selalu tercurah kepada Nabi Muhammad SAW beserta para sahabat dan pengikutnya yang insyaallah senantiasa istiqomah hingga akhir zaman. Dalam penyelesaian skripsi ini banyak sekali pihak yang telah memberikan bantuan, dukungan, serta motivasi. Karenanya pada kesempatan kali ini penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. DR. Syopiansyah Jaya Putra, M.Sis selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi. 2. Sri Yadial Chalid, M.Si selaku Ketua Program Studi Kimia. 3. DR. Adiwar selaku pembimbing I atas segala nasehat dan saran yang telah diberikan. 4. Isalmi Aziz, MT selaku pembimbing II yang telah banyak memberikan bimbingan dan motivasi selama penulisan skripsi ini. 5. Seluruh staff dosen program studi kimia atas segala ilmu yang telah diberikan. 6. Ibu dan Ayah yang tiada henti-hentinya berdoa serta memberikan dukungannya. 7. Istriku, Emi Lestari yang telah sabar membantu dalam penyelesaian tugas akhir ini. 8. Mba Desi selaku laboran yang telah banyak membantu dalam pelaksanaan penelitian skripsi ini. 9. Habibi, Zulfakar, Mukhlis, serta teman-teman kimia lainnya atas motivasi dan dukungan yang telah diberikan. 8

9 Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan skripsi ini. Karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun demi kesempurnaan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan memberikan wawasan baru mengenai pemanfaatan sumber daya alam, khususnya gas alam di Indonesia. Jakarta, Desember 2008 Penulis 9

10 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiv BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 4 BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Konsep Dasar Pemisahan Gas Dengan Membran Definisi Membran Klasifikasi Membran Klasifikasi Membran Berdasarkan Jenis Bahan Klasifikasi Membran Berdasarkan Struktur dan Prinsip Separasi Klasifikasi Membran Berdasarkan Morfologi Modul Membran Modul Plate and Frame Modul Spiral Wound Modul Tubular Modul Kapiler Modul Hollow Fiber Teknik Pembuatan Membran Parameter yang Mempengaruhi Morfologi Membran Pemilihan polimer Pemilihan sistem pelarut dan koagulan

11 Media Presipitasi Waktu Evaporasi Pemilihan Pembawa Pemilihan Aditif Defect Pada Membran Perpindahan Massa Pada Membran Permeabilitas Gas Murni BAB III. METODOLOGI PENELITIAN Waktu dan Tempat Penelitian Bahan dan Alat Bahan Alat Prosedur Kerja Preparasi Membran Uji Permeabilitas dan Selektivitas Membran BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengaruh Suhu Koagulasi Pengaruh Waktu Evaporasi Variasi Perendaman PEG Variasi Media Penyimpanan Variasi Penyimpanan dengan Kepolaran Bertahap BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

12 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Perbandingan Metode Pemisahan CO Tabel 2. Perbandingan Rasio Difusivitas, Solubilitas, dan Permeabilitas Gas CO 2 dan CH 4 pada Beberapa Polimer Tabel 3. Selektivitas dan Laju Permeasi Membran yang Menggunakan PEG Tabel 4. Diameter Kinetik Beberapa Molekul Gas Tabel 5. Suhu Kritis (T c ) dan Solubilitas Gas Pada Karet Silikon Tabel 6. Variasi Preparasi Membran Tabel 7. Komposisi campuran larutan kepolaran bertahap

13 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Skema Pemisahan Membran... 8 Gambar 2. Membran Berdasarkan Struktur dan Prinsip Separasi Gambar 3. Membran Berdasarkan Morfologi Gambar 4. Modul Plate and Frame Gambar 5. Modul Spiral Wounds Gambar 6. Modul Tubular Gambar 7. Modul Kapiler Gambar 8. Modul Hollow Fiber Gambar 9. Selulosa Asetat Gambar 10. Aseton Gambar 11. Perpindahan Massa pada Membran dengan Media Pembawa Gambar 12. Polietilen Glikol Gambar 13. Proses Transportasi CO 2 Melewati Membran Dengan Pembawa Gambar 14. Formamida Gambar 15. Defect Pada Membran Asimetrik Gambar 16. Coating Pada Defect Membran Gambar 17. Proses Pencetakan Membran Berbentuk Lembaran Gambar 18. Skema Sel Permeasi Gambar 19. Pengaruh Suhu Koagulasi Terhadap Selektivitas Membran Gambar 20. Pengaruh suhu koagulasi terhadap (a) Laju permeasi CH 4, dan (b) Laju permeasi CO Gambar 21. Pengaruh Waktu Evaporasi Terhadap Selektivitas Membran Gambar 22. Pengaruh waktu evaporasi terhadap (a) Laju permeasi CH 4, dan (b) Laju permeasi CO Gambar 23. Pengaruh perendaman membran dalam PEG terhadap selektivitas membran Gambar 24. Pengaruh perendaman membran dalam PEG terhadap selektivitas membran

14 Gambar 25. Pengaruh perendaman PEG terhadap (a) Laju permeasi CH 4, dan (b) Laju permeasi CO Gambar 26. Pengaruh media penyimpanan terhadap selektivitas membran Gambar 27. Pengaruh media penyimpanan terhadap (a) Laju permeasi CH 4, dan (b) laju permeasi CO Gambar 28. Pengaruh kepolaran bertahap terhadap selektivitas membran Gambar 29. Pengaruh kepolaran bertahap terhadap (a) Laju permeasi CH 4, Dan (b) laju permeasi CO

15 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Perhitungan Data Penelitian Lampiran 2. Foto Penelitian Lampiran 3. Desain Penelitian Lampiran 4. Data Penelitian

16 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Kebutuhan akan energi yang lebih ramah lingkungan membuat pemerintah mulai menggalakkan pemakaian gas yang lebih bersih dibandingkan minyak bumi. Indonesia merupakan salah satu penghasil gas alam terbesar dan masih memiliki beberapa sumur gas yang belum dieksplorasi secara maksimal. Walaupun tergolong lebih bersih, gas alam masih mengandung beberapa pengotor seperti gas asam (CO 2, H 2 S), logam berat, uap air dan lain-lain. Kandungan pengotor ini harus dihilangkan agar gas dapat diolah lebih lanjut dan tidak mencemari lingkungan (Dewi, 2007). Salah satu bentuk pendistribusian gas alam dalam bentuk gas adalah melalui pipa. Gas alam yang melewati pipa harus memiliki spesifikasi tertentu, diantaranya batas maksimal kandungan karbondioksida (CO 2 ) yang diperbolehkan biasanya 5 % volume (Speight, 1991). Namun ada juga yang membolehkan hanya sampai 2 % volume untuk sistem perpipaan transportasi gas alam dan 50 ppm untuk gas alam yang dicairkan (Lin dan Benny, 2004). Hal ini dikarenakan sifat dari CO 2 yang dapat menurunkan nilai kalor gas alam. CO 2 dapat bereaksi dengan air membentuk senyawa asam karbonat (H 2 CO 3 ) yang dapat menyebabkan korosi pada pipa gas. Selain itu titik beku CO 2 (-56,5 0 C) yang lebih tinggi daripada titik beku gas metana (CH 4 ) yaitu -161,4 0 C (kandungan utama gas alam) akan mengakibatkan penyumbatan pada tangki ketika gas alam akan dicairkan (Perry, 16

17 1999). Maka penghilangan kandungan CO 2 dari gas alam sangat penting untuk dilakukan. Teknologi membran telah mulai diterapkan untuk pemisahan gas CO 2 dari gas alam. Kelebihan teknologi ini adalah prosesnya yang sederhana, mudah, ramah lingkungan, serta konsumsi energi dan biaya operasional yang rendah (Mulder, 2000). Proses ini juga efektif untuk pemisahan gas dan cukup bersaing dengan proses yang telah lebih dulu dikembangkan seperti distilasi kriogenik, absorbsi, dan pressure-swing adsorption (Freeman, 1999). Proses membran memerlukan perbedaan tekanan sebagai gaya penggerak (driving force) agar diperoleh laju alir (fluks) CO 2 yang tinggi. Pada umumnya umpan keluaran dari sumur gas berada dalam tekanan tinggi (> 400 psi). Oleh karena itu, proses ini kurang efektif untuk umpan gas bertekanan rendah karena dibutuhkan kompresor untuk menaikkan tekanan gas umpan. Akan tetapi penggunaan kompresor ini memerlukan biaya operasional dan investasi yang besar. Penggabungan antara dua metode, yaitu membran dan absorban yang berupa PEG (polietilen glikol) telah diteliti sebelumnya dan terbukti dapat menghasilkan selektivitas dan permeabilitas yang tinggi pada tekanan rendah (Lucia, 2006). Absorban tersebut tidak membutuhkan unit regenerasi karena berupa pembawa tetap yang telah teregenerasi dengan sendirinya yang dikenal dengan sebutan membran matriks campuran. Pada beberapa penelitian, penggunaan PEG sebagai carrier (pembawa) pada membran terbukti mampu menghasilkan selektivitas yang cukup tinggi 17

18 (Teramoto, dkk. 2003). Menurut Dewi (2007) konsentrasi atau berat molekul PEG yang optimal untuk pemisahan gas CO 2 /CH 4 adalah dengan nilai selektivitas 138,3 264,2. Selain pemilihan carrier (pembawa), ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi morfologi dan kinerja membran, diantaranya sistem pelarut, pemilihan polimer, media presipitasi, waktu evaporasi, dan suhu koagulasi. Karena itu, pada penelitian ini ingin dilihat kondisi optimal preparasi membran dengan PEG terhadap selektivitas membran selulosa asetat untuk pemisahan CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah. Aplikasi dari pemakaian membran yang akan diteliti adalah untuk pemisahan gas CO 2 dari gas alam di lapangan gas PT. PERTAMINA Cirebon, yang tekanannya relatif rendah ( psi) Rumusan Masalah Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Berapakah suhu koagulasi untuk mendapatkan membran dengan selektivitas tertinggi untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah? 2. Berapakah waktu evaporasi untuk mendapatkan membran dengan selektivitas tertinggi untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah? 3. Bagaimanakah pengaruh perendaman dalam PEG cair terhadap kinerja membran untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah? 4. Bagaimanakah pengaruh media penyimpanan terhadap kinerja membran untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah? 18

19 5. Bagaimanakah pengaruh pengeringan dengan kepolaran bertahap terhadap kinerja membran untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah? 1.3. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk : 1. Menentukan suhu koagulasi untuk mendapatkan membran dengan selektivitas tertinggi untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah. 2. Menentukan waktu evaporasi untuk mendapatkan membran dengan selektivitas tertinggi untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah. 3. Menentukan perendaman membran dalam PEG untuk mendapatkan membran dengan selektivitas tertinggi untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah. 4. Menentukan media penyimpanan untuk mendapatkan membran dengan selektivitas tertinggi untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah. 5. Menentukan pengeringan dengan kepolaran bertahap untuk mendapatkan membran dengan selektivitas tertinggi untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 pada tekanan rendah Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi tentang preparasi membran untuk mendapatkan selektivitas tertinggi pada pemisahan gas CO 2 dari gas alam di lapangan gas PT. PERTAMINA Cirebon yang tekanannya relatif rendah ( psi). 19

20 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Konsep Dasar Pemisahan Gas Dengan Membran Bersamaan dengan terus meningkatnya jumlah penduduk Indonesia, konsumsi energipun cenderung meningkat dari 305,7 juta BOE (Barrel Oil Equivalent) ditahun 1992 sampai 506,8 juta BOE pada tahun 2003 (Purwanto, 2004). Untuk memenuhi kebutuhan energi ini maka berbagai sumber energi terus dikembangkan, salah satunya adalah gas alam. Gas alam merupakan energi alternatif pengganti minyak bumi yang cukup menjanjikan mengingat ketersediaannnya di Indonesia. Kandungan pengotor pada gas alam seperti CO 2 perlu dihilangkan sebelum diolah menjadi produk akhir yang diinginkan, karena pengotor ini dapat menghambat proses pengolahan gas dan menimbulkan polusi lingkungan. Proses penghilangan CO 2 dari gas alam dapat dilakukan dengan berbagai macam proses, misalnya kriogenik, cairan absorbsi, dan teknologi membran. Proses-proses ini memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing. Aplikasi yang terbaik dan paling menguntungkan untuk digunakan dalam pemisahan gas tergantung dari sifat dan kapasitas gas yang akan diolah. Dari tabel 1 dapat dilihat perbandingan dari proses pemisahan gas alam yang lazim dilakukan (Baker, 2000). 20

21 Tabel 1. Perbandingan Metode Pemisahan CO 2 Metode Pemisahan Absorbsi Kelebihan Kekurangan Aplikasi Selektivitas tinggi Konsumsi energi Untuk umpan Biaya modal rendah tinggi diatas 50 juta Sulit untuk daerah Ada regenerasi pelarut kaki kubik per terpencil hari (MMscfd), kandungan CO 2 rendah Selektivitas tinggi Biaya operasional Kandungan CO 2 Biaya modal rendah tinggi rendah Kriogenik Konsumsi energi tinggi Operasi sederhana dan Selektivitas lebih Umpan dibawah mudah rendah 50 MMscfd Tidak membutuhkan Umur pemakaian dengan ruang yang besar Konsumsi energi pendek Biaya modal tinggi kandungan CO 2 tinggi (> 10 %) relatif rendah apabila butuh Membran Ramah lingkungan rekompresi dan dapat diregenerasi Tidak tahan Instalasi modul cepat temperatur tinggi Cocok untuk daerah Tidak tahan terpencil keasamaan atau kebasaan yang tinggi Karbon dioksida adalah gas yang tidak berwarna dan tidak berbau. Kandungan CO 2 di udara segar bervariasi antara 300 ppm sampai dengan

22 ppm bergantung pada lokasi. Menurut Otoritas Keselamatan Maritim Australia, pada konsentrasi tiga persen berdasarkan volume di udara, ia bersifat narkotik ringan dan menyebabkan peningkatan tekanan darah dan denyut nadi, dan menyebabkan penurunan daya dengar. Pada konsentrasi sekitar lima persen berdasarkan volume, ia menyebabkan stimulasi pusat pernafasan, pusing-pusing, kebingungan, dan kesulitan pernafasan yang diikuti sakit kepala dan sesak nafas. Pada konsentrasi delapan persen, ia menyebabkan sakit kepala, keringatan, penglihatan buram, tremor, dan kehilangan kesadaran setelah paparan selama lima sampai sepuluh menit (Davidson, 2003). Oleh karena bahaya kesehatan di atas, penanganan CO 2 baik dalam proses pemisahan maupun setelah berhasil dipisahkan haruslah ditangani dengan cermat dan memperhatikan aspek keselamatan kerja dan lingkungan alam. Ada beberapa skenario pelepasan CO 2 setelah dipisahkan dari gas alam, yaitu : 1. Gas CO 2 dilepas ke udara melalui pembakaran gas buang yang tidak bermanfaat. 2. Apabila kandungan gas CO 2 pada gas alam tinggi, CO 2 dapat dimasukkan kembali ke dalam bumi di bawah batuan reservoir. 3. Gas CO 2 dimanfaatkan dengan mengubah menjadi produk lain yang bermanfaat seperti dry ice. 22

23 2.2. Definisi Membran Membran secara umum didefinisikan sebagai penghalang antara dua fasa yang bersifat selektif sehingga memungkinkan suatu fasa/komponen tertentu menembus lebih cepat dibandingkan fasa/komponen lainnya dibawah pengaruh gaya penggerak (driving force). Gaya penggerak ini dapat berupa perbedaan tekanan, konsentrasi, suhu, dan potensial listrik (Mulder, 2000). Skema pemisahan membran secara umum ditunjukkan pada gambar 1. Phase 1 (Feed) Phase 2 (Permeate) Driving force ( C, P, T, E) Gambar 1. Skema Pemisahan Membran Aliran yang masuk ke dalam membran adalah aliran umpan. fasa yang melewati/menembus membran disebut permeat sedangkan fasa yang tidak menembus membran disebut retentat (Fane, 2000). 23

24 2.3. Klasifikasi Membran Membran dapat diklasifikasikan dalam beberapa kategori, seperti klasifikasi berdasarkan jenis bahan, klasifikasi berdasarkan struktur dan prinsip pemisahan, dan klasifikasi berdasarkan morfologinya Klasifikasi Membran Berdasarkan Jenis Bahan Menurut jenis bahan pembentuknya membran dibagi menjadi dua macam, yaitu (Mulder, 2000) : a. Membran alami, yaitu membran yang terbentuk secara alamiah (tersusun atas protein dan lipida). b. Membran sintetik, yaitu membran yang biasanya tersusun dari bahan sintetik baik organik (polimer) maupun anorganik (keramik, gelas) Klasifikasi Membran Berdasarkan Struktur dan Prinsip Pemisahan Berdasarkan struktur dan prinsip separasi/pemisahan, membran diklasifikasikan menjadi tiga jenis yaitu (Mulder, 2000) : a. Membran berpori Proses pemisahannya berdasarkan ukuran partikel. Aplikasi dari membran ini adalah mikrofiltrasi dengan ukuran pori 0,1 10 µm dan ultrafiltrasi dengan ukuran pori nm. b. Membran tidak berpori Membran jenis ini mampu memisahkan molekul yang ukurannya mirip, yaitu pada gas-gas dan larutan. Perpindahan molekul ditentukan dengan mekanisme difusi, dimana komponen-komponen tersebut pertama-tama terlarut dalam membran kemudian terdifusi melewati membran karena adanya gaya 24

25 penggerak (driving force). Pemisahan terjadi berdasarkan perbedaan kelarutan dan atau difusivitas. Hal ini berarti sifat intrinsik membran akan menentukan selektivitas dan permaebilitasnya. Membran tidak berpori diaplikasikan untuk pervaporisasi, permeasi uap, separasi gas, dan dialisis. c. Membran dengan pembawa Pada membran jenis ini, pemisahan terjadi karena ada molekul gas pembawa yang memindahkan komponen yang diinginkan melewati pembatas. Molekul pembawa ini mempunyai spesifik afinitas terhadap komponen yang diinginkan. Size Diffusion&Solubility Affinity (mikrofiltrasi / ultrafiltrasi) (pemisahan gas / pervaporasi) (gas / cairan) a b c Gambar 2. Membran Berdasarkan Struktur dan Prinsip Separasi. (a) Membran Berpori, (b) Membran Tidak Berpori, (c) Membran dengan Pembawa 25

26 Klasifikasi Membran Berdasarkan Morfologi Berdasarkan struktur morfologisnya, membran dibedakan menjadi (Freeman, 1999) : a. Membran simetrik Membran ini mempunyai struktur yang sama dari lapisan atas ke lapisan bawah dengan ketebalan µm. Membran ini terbagi menjadi tiga jenis, yaitu membran mikropori isotropik (ukuran porinya 0,01 10 µm), membran homogen tidak berpori (difusi dengan gaya penggerak), dan membran bermuatan listrik (dinding ion bermuatan). Kelemahan dari membran ini adalah untuk struktur yang lebih rapat, selektivitas tinggi tapi permeabilitasnya rendah. Sedangkan untuk struktur yang lebih berpori permeabilitasnya tinggi namun selektivitasnya rendah. b. Membran asimetrik Membran ini memiliki struktur yang berbeda pada lapisan atas dan lapisan bawah. Lapisan atas membran memiliki struktur yang sangat rapat dengan ketebalan 0,1 0,5 µm sedangkan lapisan bawah memiliki struktur yang lebih berpori dengan ketebalan µm. Membran ini menggabungkan struktur membran yang lebih rapat (yang memiliki selektivitas yang tinggi) dengan struktur membran yang lebih berpori (yang memiliki permeabilitas tinggi) sehingga dihasilkan membran dengan selektivitas dan permeabilitas yang tinggi. 26

27 Gambar 3. Membran Berdasarkan Morfologi 2.4. Modul Membran Modul membran merupakan suatu peralatan kompak yang berfungsi sebagai area pemisah antara permeat dan retentat. Dalam skala industri biasanya diinginkan luas area membran per unit volume yang besar sehingga dapat meningkatkan kontak pemisahan. Secara umum ada dua tipe modul membran, yaitu modul lembaran (flat) dan modul pipa (tubular). Tipe lembaran dapat berupa modul plate and frame dan spiral wounds, sedangkan modul pipa dapat berupa hollow fiber, kapiler, dan tubular (Mulder, 2000). 27

28 Modul Plate and Frame Modul ini terdiri dari dua atau lebih membran yang diberi pembatas atau disebut juga penyangga (support) sehingga membentuk suatu susunan yang digabungkan dengan suatu penyekat dan diberi plat pada kedua ujungnya sehingga membentuk modul plate and frame. Modul ini mempunyai luas membran per unit volume antara m 2 /m 3 (Mulder, 2000). Gambar 4. Modul Plate and Frame Modul Spiral Wounds Modul ini merupakan pengembangan dari modul plate and frame yang bertujuan untuk memperluas kontak pemisahan. Modul ini merupakan modul plate and frame yang digulung membentuk suatu pipa sehingga akan meningkatkan kontak pemisahan dan laju permeasi yang diinginkan. Modul ini mempunyai luas membran per unit volume antara m 2 /m 3 (Mulder, 2000). 28

29 Gambar 5. Modul Spiral Wounds Modul Tubular Membran ini mempunyai diameter 5 15 mm. Modul ini ditempatkan di dalam suatu baja berpori, keramik, atau tabung plastik dengan diameter tabung yang lebih dari 10 mm. Jumlah tabung yang dapat ditempatkan dalam modul bervariasi antara 4 sampai 8 buah. Larutan umpan selalu mengalir melalui pusat tabung sedangkan permeasi mengalir melalui pori. Densitas kemasan modul ini rendah yaitu 300 m 2 /m 3 sehingga memerlukan biaya investasi awal yang tinggi tetapi memiliki ketahanan terhadap pengotoran karena memiliki hidrodinamika fluida yang baik (Mulder, 2000). Permeate Feed Retentate Gambar 6. Modul Tubular 29

30 Modul Kapiler Modul ini terdiri atas sejumlah besar membran kapiler yang dipasang bersama dalam satu modul dalam sebuah pipa yang bebas di ujung-ujungnya dengan resin epoksi, poliuretan, atau karet silikon. Diameter yang digunakan adalah 0,5 10 mm. Densitas kemasan modul ini berkisar antara m 2 /m 3 (Baker, 2000). Gambar 7. Modul Kapiler Modul Hollow Fiber Modul ini berdiameter < 0,5 mm yang terdiri atas sejumlah membran yang ditempatkan pada suatu tabung dengan diameter lebih dari 10 mm. Tabung dapat terbuat dari keramik, besi baja, dan plastik. Jumlah tabung yang berada dalam modul sekitar 4 18 buah. Salah satu pengembangan dari modul tubular yang paling sering digunakan adalah modul hollow fiber. Modul hollow fiber atau modul serat berongga mempunyai luas membran per unit volume sekitar m 2 /m 3. perbedaan antara modul kapiler dengan modul ini hanya pada dimensi. Pada modul ini, larutan umpan dapat masuk di dalam atau di luar serat. Serat di 30

31 dalam modul memiliki struktur asimetrik dengan diameter dalam sekitar 42 µm dan diameter luar ± 85 µm (Schendel, 1984). Gambar 8. Modul Hollow Fiber 2.5. Teknik Pembuatan Membran Teknik pembuatan (preparasi) membran yaitu modifikasi material membran dengan teknik tertentu untuk mendapatkan struktur membran dengan morfologi yang diinginkan pada proses separasi tertentu. Material yang digunakan akan membatasi teknik yang dapat dipakai untuk preparasi, morfologi membran, dan prinsip separasi yang digunakan. Dengan kata lain tidak semua proses pemisahan dapat dicapai dengan semua jenis material (Mulder, 2000). Pembuatan membran merupakan tahap terpenting dalam rangkaian pemisahan gas menggunakan membran terutama dalam skala laboratorium. Faktor-faktor yang terlibat mulai dari pemilihan tipe polimer yang digunakan, 31

32 kemurnian, berat molekul, konsentrasi, jenis pelarut, sifat pelarut, komposisi tiap bahan, tebal casting, temperatur ruangan, hingga pengotor-pengotor berukuran milimeter akan dapat mempengaruhi kemampuan selektivitas, permeabilitas, dan morfologi dari membran yang dihasilkan (Pandey, 2001). Teknik pembuatan membran yang tepat akan menentukan struktur membran dengan morfologi yang sesuai untuk pemisahan tertentu. Ada beberapa teknik pembuatan membran yang dapat digunakan untuk membuat membran dari material tertentu. Jenis teknik yang digunakan tergantung dari material yang digunakan dan struktur membran yang diinginkan (yang nantinya bergantung pada masalah separasi yang dihadapi). Berbagai teknik berbeda dapat dipakai untuk preparasi membran, yang dapat diaplikasikan pada membran organik maupun anorganik. Beberapa teknik yang penting adalah (Mulder, 2000): 1. Sintering (pelelehan) Teknik ini dapat menghasilkan membran berpori dari bahan organik maupun anorganik. Metode ini menggunakan pemanasan tinggi terhadap partikelpartikel padat. Selama terjadinya proses, tegangan permukaan antar partikel akan menghilang sehingga akan membentuk pori. Teknik ini hanya dapat membentuk pori pada membran mikrofiltrasi karena ukuran yang dihasilkan antara 0,1 10 µm dan hanya sekitar % dari keseluruhan struktur membran. 32

33 2. Streching (peregangan) Teknik ini dilakukan dengan meregangkan polimer semi kristalin, seperti polietilena sehingga dapat dihasilkan membran berpori antara 0,1 3 µm. Pori yang dihasilkan bisa sekitar 90 % dari keseluruhan struktur membran. 3. Track etching Teknik ini dapat menghasilkan dimensi pori paralel silinder dengan dimensi yang sama. Teknik ini dilakukan dengan meradiasi partikel film (seperti polikarbonat) dengan radiasi partikel energi tinggi. Partikel akan merusak matriks polimer dan menciptakan jalan (track). Kemudian film ini direndam di dalam bak alkali atau bak asam yang dapat menggores jalan tersebut untuk dapat membentuk pori yang sejenis. Ukuran pori berada diantara 0,02 10 µm. Porositas dihasilkan dari adanya waktu radiasi. Diameter pori bergantung pada waktu penggoresan. 4. Pelapisan larutan Teknik ini digunakan untuk dapat menghasilkan membran komposit dimana lapisan selektif bagian atas terdiri dari bahan yang berbeda dengan lapisan penyangga pada bagian bawahnya. Teknik ini dapat menghasilkan selektivitas serta fluks yang tinggi. 5. Inversi fasa Inversi fasa atau dikenal juga dengan nama presipitasi larutan atau presipitasi polimer adalah proses dimana polimer ditransformasikan dengan kondisi terkendali dari bentuk cairan ke padat. Pada proses ini polimer dipresipitasi menjadi dua fasa yaitu padatan dan cairan. Fasa padat merupakan fasa yang kaya akan polimer dan akan membentuk matriks membran. Sedangkan 33

34 fasa cair merupakan fasa yang sedikit polimernya dan akan membentuk pori membran. Proses presipitasi (pemadatan) diawali dengan transisi dari satu fasa cair menjadi dua fasa cair (liquid-liquid demixing). Pada kondisi tertentu selama demixing, satu dari fasa cair tersebut (fasa dengan konsentrasi polimer tinggi) akan memadat sehingga terbentuk suatu matriks padatan dan fasa cair lainnya (fasa dengan konsentrasi polimer rendah) akan membentuk pori membran Parameter yang Mempengaruhi Morfologi Membran Ada beberapa faktor yang dapat mempengaruhi morfologi dan kinerja membran, contohnya pemilihan polimer, pemilihan sistem pelarut dan koagulan, media presipitasi, waktu evaporasi, pemilihan pembawa, serta aditif Pemilihan Polimer Pada dasarnya semua jenis polimer dapat digunakan sebagai membran, namun karena sifat fisik dan kimianya yang berbeda sehingga hanya beberapa jenis polimer saja yang dapat digunakan sebagai membran. Polimer yang ideal adalah yang kuat, amorf, dan tidak rapuh dengan pemakaian pada temperatur di bawah T g -nya. Polimer juga harus larut dalam pelarut yang sedikit larut dalam air. Pemilihan polimer adalah faktor yang sangat penting karena akan mempengaruhi unjuk kerja membran secara langsung. Sifat pemisahan tergantung pada struktur dan sifat kimia polimer tersebut. Membran yang sering digunakan untuk pemisahan gas CO 2 dan CH 4 adalah selulosa asetat, polisulfon, polikarbonat, dan poliimida. Perbandingan rasio 34

35 difusivitas, solubilitas, dan permeabilitas gas CO 2 dan CH 4 pada keempat jenis membran tersebut dapat dilihat pada tabel 2 (Mulder, 2000). Tabel 2. Perbandingan Rasio Difusivitas, Solubilitas, dan Permeabilitas Gas CO 2 dan CH 4 pada Beberapa Polimer Polimer P CO 2 (barrer) D CO 2 / D CH 4 S CO 2 / S CH 4 P CO 2 / P CH 4 selulosa asetat 6,0 4,2 7,3 30,8 poliimida 0,2 15,4 4,1 63,6 polikarbonat 10,0 6,8 3,6 24,4 Polisulfon 4,4 8,9 3,2 28,3 Keterangan : P = permeabilitas ; D = difusivitas ; S = solubilitas 1 Barrer = cm 3 (STP)cm/cm 2 s cm Hg Berdasarkan data di atas, walaupun rasio difusivitas gas CO 2 terhadap CH 4 pada membran selulosa asetat memiliki harga terkecil namun selulosa asetat dipilih karena harga solubilitas CO 2 dan CH 4 cukup tinggi nilainya. Pemilihan selulosa asetat ini juga didasarkan pada sifatnya yang non polar, sama seperti gas CO 2 yang lebih non polar dibandingkan gas CH 4. Karena sifatnya yang non polar, selulosa asetat memiliki afinitas yang tinggi terhadap CO 2 dan akan meningkatkan laju permeasi gas CO 2 sehingga nilainya lebih tinggi dari polimer lainnya. Selulosa asetat adalah ester dari asam asetat dan selulosa Dari segi produksi, selulosa asetat merupakan bahan kimia yang mudah diproduksi karena terbuat dari selulosa yang tersedia melimpah di alam seperti dari serat kapas dan pulp kayu. 35

36 Gambar 9. Selulosa Asetat Pemilihan Sistem Pelarut dan Koagulan Pemilihan pelarut tergantung pada morfologi membran yang diinginkan. Aseton merupakan salah satu pelarut yang mempunyai parameter solubilitas yang rendah terhadap air dan laju penguapan yang cepat dibandingkan pelarut lainnya seperti dimetilformadida (DMF), dimetilacetamid (DMAc), dan N-Metilpirolidin (NMP). Aseton juga dapat melarutkan selulosa asetat dengan baik. Saat koagulasi dengan air, aseton akan mengalami pemadatan yang lambat pada pencetakkan sehingga dihasilkan membran yang relatif tidak berpori (dense). Pada pemisahan gas, membran ini sangat cocok karena akan memberikan selektivitas yang tinggi. Aseton adalah senyawa berbentuk cairan yang tidak berwarna dan mudah terbakar. Gambar 10. Aseton 36

37 Media Presipitasi Media presipitasi yang umum digunakan adalah air karena akan menghasilkan membran yang mempunyai fluks yang lebih tinggi dibandingkan media presipitasi lainnya seperti i-propanol ataupun metanol. Media presipitasi dibutuhkan dalam jumlah yang cukup banyak dan harus sering diganti sehingga dari segi lingkungan tidak boleh dipilih suatu media presipitasi yang dapat menimbulkan pencemaran lingkungan. Air merupakan media presipitasi yang ramah lingkungan. Selain itu, air juga merupakan media yang murah dan mudah didapat Waktu Evaporasi Setelah membran dicetak, pelarut yang terdapat dalam membran tersebut akan diuapkan dalam waktu yang dapat divariasikan. Semakin singkat penguapan maka pori membran yang terbentuk akan semakin kecil dan densitas lapisan tipis akan semakin kecil juga. Tetapi pada tekanan tinggi, densitas lapisan tipis tidak bisa terlalu kecil karena membran yang terlalu tipis tidak dapat menahan tekanan yang terlalu tinggi Pemilihan Pembawa Biasanya membran terbuat dari bahan padat dan jarang sekali berupa cairan. Akan tetapi prinsip keduanya sama yaitu pemisahan antara komponen yang satu dari komponen yang lain. Pemisahan pada membran terjadi karena adanya perbedaan solubilitas dan difusivitas. Media pembawa dapat mengefektifkan fungsi absorbsi diluar peranan solubilitas dan difusivitas. Adanya pembawa juga dapat meningkatkan kemurnian dari gas yang dipisahkan. Namun 37

38 jika pembawa ada di dalam membran dengan kemampuan yang kompleks, maka fluks dapat ditingkatkan. Pembawa dapat berupa cairan yang bersifat bergerak (mobile) ataupun yang tetap (mobilitasnya terbatas) dan dapat berikatan secara kimia (kovalen) atau fisika terhadap polimer membran. (a) (b) Gambar 11. Perpindahan Massa pada Membran dengan Media Pembawa. (a) Pembawa Bergerak, (b) Pembawa Tetap Pada sistem pembawa yang bergerak, molekul pembawa berdifusi melewati membran. Sedangkan pada sistem pembawa tetap, gas yang berikatan dengan pembawa akan bergerak pindah dari sisi pembawa yang satu ke sisi pembawa yang lainnya. Gambar 12. Polietilen Glikol Pemilihan pembawa dilakukan berdasarkan kemampuannya untuk mengabsorbsi CO 2 sehingga fluks dan selektivitasnya dapat ditingkatkan. Absorban yang biasa digunakan pada pemisahan dengan metode absorbsi adalah amina, karbonat, dan etilen glikol. Berdasarkan penelitian Li, dkk (1995) 38

39 polietilen glikol (PEG) dapat melarutkan gas-gas yang bersifat asam seperti CO 2. penggunaan PEG juga memberikan pengaruh terhadap selektivitas dan laju permeasi CO 2 seperti terlihat pada tabel 3. Tabel 3. Selektivitas dan Laju Permeasi Membran yang Menggunakan PEG Membran Selektivitas Permeasi CO 2 Tekanan Referensi (cm 3 (STP)/cm 2 s cmhg) (cmhg) PEG 6000 dicampur selulosa 25,6 6,16 x (Li, dkk. 1998) asetat PEG dicampur selulosa 30,3 7,49 x (Li, dkk. 1998) asetat PEG untuk pelapisan 23,8 9,5 x (H.J, dkk 1999) polisulfon PEG (C. Yi, dkk. dicampur 63,1 5,8 x polivinilamina 2005) PEG 400 dicampur selulosa asetat 178,4 2,55 x ,4 (Lucia, 2006) Satu hal yang mendasar pada membran dengan pembawa adalah reaksi pengikatan antara carrier dengan solute harus bersifat reversible, karena jika tidak reversibel maka transportasi gas akan berhenti ketika semua molekul pembawa telah berikatan dengan gas yang terlarut. Energi ikatan yang dapat bersifat reversibel berkisar antara kj/mol (King). Skema transportasi dapat dilihat dalam gambar berikut ini : 39

40 Gambar 13. Proses Transportasi CO 2 Melewati Membran Dengan Pembawa CO 2 adalah solute, R adalah carrier dan RCO 2 adalah ikatan yang terjadi antara gas terlarut dengan pembawa Pemilihan Aditif Kriteria aditif yang digunakan adalah aditif harus larut dengan pelarut tetapi tidak mudah menguap. Sifat ini dibutuhkan saat evaporasi, agar pori membran dapat terbentuk dengan baik. Dalam penelitian ini digunakan formamida karena sifatnya yang lebih sukar menguap dibandingkan aseton dan pada penelitian sebelumnya dinilai cukup optimal (Lucia, 2006). Formamida berbentuk cairan tidak berwarna namun dapat menyebabkan iritasi pada mata dan kulit. Penambahan formamida pada membran bertujuan meningkatkan jumlah pori serta pori yang lebih besar pada sublayer. Hal ini akan memudahkan keluarnya gas-gas yang telah diseleksi pada lapisan membran yang lebih rapat (dense) sehingga akan memberikan permeabilitas gas CO 2 yang tinggi. Gambar 14. Formamida 40

41 2.7. Defect Pada Membran Defect merupakan cacat yang terdapat pada permukaan atas membran yang disebabkan oleh gelembung udara, partikel debu, dan ketidaksempurnaan dalam pembuatan membran. Defect terkadang sangat sulit untuk dihindari, terutama bila pembuatan membran dilakukan di udara terbuka. Pada tahap preparasi membran asimetrik, tujuan yang ingin dicapai adalah membuat membran dengan lapisan selektif yang setipis mungkin untuk meningkatkan fluks gas yang ingin dipisahkan. Namun lapisan selektif ini harus bebas defect untuk mendapatkan selektivitas membran yang tinggi (Baker, 2000). Gambar 15. Defect Pada Membran Asimetrik Pada membran asimetrik, defect ini akan membuat lapisan selektif (dense) berlubang sehingga pada bagian yang terkena defect tersebut, zat yang akan dipisahkan tidak melewati lapisan dense tapi langsung menuju lapisan berpori. Defect ini tidak akan memberikan pengaruh yang terlalu signifikan terhadap performa dari membran asimetrik yang digunakan untuk proses pemisahan cairan 41

42 seperti ultrafiltrasi dan reverse osmosis, tetapi akan menjadi masalah besar untuk aplikasi pemisahan gas. Salah satu cara untuk mengatasi masalah defect ini adalah dengan melakukan coating pada permukaan atas membran dengan suatu lapisan tipis yang terbuat dari bahan yang relatif permeabel seperti silicone rubber. Lapisan ini tidak berfungsi sebagai penghalang selektif melainkan hanya untuk mengurangi aliran gas yang akan melewati bagian membran yang terkena defect. Karena bagian yang terkena defect sangat kecil, adanya lapisan coating ini akan membuat defect yang terjadi dapat dianggap diabaikan (Baker, 2000). Gambar 16. Coating Pada Defect Membran 2.8. Perpindahan Massa Pada Membran Membran memiliki kemampuan untuk memisahkan satu komponen dengan komponen lainnya karena adanya perbedaan sifat fisika dan atau sifat kimia antara membran dengan komponen permeat. Perpindahan massa pada membran dapat disebabkan oleh adanya gaya penggerak yang dapat berupa perbedaan konsentrasi ( C), perbedaan tekanan uap ( P), perbedaan temperatur 42

43 ( T), ataupun perbedaan potensial listrik ( E) antara kedua fasa. Besarnya laju permeasi sebanding dengan besar gaya penggerak tersebut (Mulder, 2000) Mekanisme penyerapan gas oleh membran dimana tekanan sebagai daya penggeraknya adalah : a. Penyerapan molekul gas oleh membran pada sisi gas yang bertekanan tinggi b. Pelarutan gas ke dalam membran c. Difusi gas dalam membran ke arah yang bertekanan rendah d. Pelepasan molekul gas dari larutannya pada sisi yang bertekanan lebih rendah Laju pemisahan (fluks) didefinisikan sebagai jumlah volume, massa atau mol suatu zat yang mengalir melewati membran persatuan luas persatuan waktu. Sedangkan gaya penggerak adalah besarnya gradien X (dapat berupa konsentrasi, tekanan, temperatur, ataupun potensial listrik). Hubungan antara fluks dengan gaya penggerak dinyatakan dengan persamaan : dx J = D( dx ) Keterangan : J = fluks (g.cm -2 s -1 ) D dx dx = Koefisien difusi = gaya penggerak Permeabilitas pada membran adalah besaran yang menggambarkan seberapa banyak gas yang menembus membran tersebut karena suatu perbedan tekanan per area membran. Permeabilitas gas (P) pada membran dikendalikan oleh mekanisme pelarutan difusi, yang secara metematis ditulis sebagai berikut : 43

44 P = D x S keterangan : P = Permeabilitas [cm 3 (STP) cm/cm 2 s cmhg] D = Difusivitas [cm 2 /s] S = Solubilitas [cm 3 (STP) / cm 3 cmhg] Difusivitas menunjukkan seberapa cepat suatu gas dapat berdifusi. Difusivitas gas yang melalui membran dipengaruhi oleh ukuran molekul gas. Difusivitas akan meningkat dengan berkurangnya ukuran molekul gas. Gas CO 2 memiliki diameter kinetik yang lebih kecil dibanding CH 4 sehingga memiliki difusivitas yang lebih tinggi. Diameter kinetik beberapa molekul gas dapat dilihat pada tabel 4 (Mulder, 2000). Tabel 4. Diameter Kinetik Beberapa Molekul Gas Molekul Gas Diameter Kinetik (A 0 ) He 2,6 Ne 2,75 H 2 2,89 CO 2 3,3 Ar 3,4 O 2 3,46 N 2 3,64 CO 3,76 CH 4 3,8 C 2 H 4 3,9 Solubilitas atau kelarutan gas pada membran polimer ditentukan oleh kemudahan gas tersebut untuk terkondensasi. Semakin mudah terkondensasi maka solubilitas gas tersebut semakin tinggi. Suhu kritis gas dapat menunjukkan mudah 44

45 tidaknya gas tersebut terkondensasi. Semakin tinggi suhu kritis suatu gas semakin mudah gas tersebut berkondensasi sehingga solubilitas semakin tinggi pula. Tabel 5. Suhu Kritis (T c ) dan Solubilitas Gas Pada Karet Silikon Gas T c (K) Solubilitas (cm 3 (STP)/cm 3.bar N 2 126,1 0,2 O 2 154,4 0,4 CH 4 190,7 0,5 CO 2 304,2 2,0 Solubilitas dan difusivitas gas CO 2 yang lebih tinggi dari gas CH 4 akan menghasilkan permeabilitas gas CO 2 yang jauh lebih besar dibanding permeabilitas gas CH 4 pada proses pemisahan dengan membran. Hal inilah yang menjadi salah satu dasar pertimbangan penggunaan membran untuk pemisahan gas CO 2 dengan CH Permeabilitas Gas Murni Permeabilitas gas murni adalah permeabilitas suatu gas murni terhadap membran. Persamaan yang digunakan untuk menentukan permeabilitas gas murni adalah : P = QI Am. P Keterangan : P Q I = Permeabilitas gas murni (cm 3 cm/cm 2 det cmhg) = Laju alir permeat (cm 3 /det) = Tebal membran (cm) Am = Luas membran (cm 2 ) P = Beda tekanan umpan dan permeat (cmhg) 45

46 Selektivitas membran umumnya dinyatakan dalam dua parameter, yakni faktor retensi (R) untuk proses pemisahan partikulat dari larutan atau faktor pemisahan (α) untuk proses pemisahan gas. Faktor pemisahan (α) adalah perbandingan permeabilitas dari pasangan gas yang dialirkan (i,j) dengan rumus : Pi α ij = atau Pj Di. Si Dj. Sj Selektivitas dapat dinyatakan dalam dua bentuk yaitu selektivitas ideal dan selektivitas aktual. Selektivitas ideal adalah perbandingan permeabilitas gas murni (i) terhadap permeabilitas gas murni (j). Selektivitas aktual adalah perbandingan permeabilitas komponen gas (i) terhadap permeabilitas komponen gas (j) dalam campuran gas (i) dan (j). Kinerja membran ditentukan oleh dua parameter, yaitu fluks (J) dan selektivitas (α). Nilai fluks yang tinggi mengarah kepada produktivitas yang tinggi, kebutuhan luas area membran yang sempit, dan penurunan biaya. Sedangkan selektivitas yang tinggi mempengaruhi efesiensi pemisahan dan penurunan biaya. Pada dasarnya kedua parameter tersebut bertujuan untuk menghasilkan proses yang lebih ekonomis. Namun pada umumnya, kedua parameter tersebut cenderung berlawanan. Pada tekanan yang rendah, fluks yang dihasilkan rendah namun selektivitas tinggi dan sebaliknya, pada tekanan tinggi fluks yang dihasilkan tinggi tapi selektivitasnya menjadi rendah. 46

47 BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan selama 10 bulan pada bulan Juli 2007 Mei 2008 di Laboratorium Separasi, Kelompok Program Riset dan Teknologi (KPRT) Proses, Pusat Penelitian dan Pengembangan teknologi Minyak dan Gas Bumi (PPPTMGB) "LEMIGAS" Jl. Ciledug Raya, Cipulir Kebayoran Lama, Jakarta Selatan Bahan dan Alat Bahan Bahan-bahan yang digunakan pada penelitian ini antara lain: Gas CH 4 dan CO 2 dengan kemurnian 99%, Selulosa asetat, Aseton, Formamida, polietilen glikol berat molekul 600 dan , isopropil alkohol, n-hexan dan air Alat Peralatan yang digunakan pada penelitian ini antara lain: Neraca Metler Toledo tipe PB 3002-S, Magnetic stirer merek IKAlabortechnik tipe RCT-B, aluminium foil, pisau perata merek Yoshimitsu (0-500 mikrometer), kaca lembaran (ukuran 26x32) tebal 5 mm, Syringe 10 ml merek B-D (Becton Dickinson), stopwatch merek Seiko S k, penangas air, merek Grant W28, 47

48 o-ring, desikator, sel permeasi terdiri dari dua buah lempeng logam yang dikaitkan dengan baut sehingga gas yang dialirkan ke dalam sel permeasi tidak bocor Prosedur Kerja Preparasi Membran Pembuatan membran bentuk lembaran ini menggunakan teknik inversi fasa. Pada penelitian ini, dibuat beberapa jenis membran dengan berbagai variasi dalam preparasi membran, namun secara umum tahapan-tahapan pada preparasi membran adalah sebagai berikut: 1. Selulosa asetat (CA), aseton, formamida, dan PEG dilarutkan dengan perbandingan berat ( 1 : 2,15 : 1 : 0,05 ). Selulosa asetat dilarutkan terlebih dahulu dalam aseton kemudian baru ditambahkan PEG dan formamida. Campuran kemudian ditutup lembaran aluminium foil dan diaduk dengan pengaduk magnetik hingga homogen selama 24 jam. 2. Campuran yang telah homogen didiamkan selama ± 24 jam untuk menghilangkan gelembung. 3. Adonan dituang secukupnya ke atas plat kaca dan dicetak dengan variasi ketebalan 200 µm dengan pisau perata. Contoh proses pencetakkan dapat dilihat pada gambar

49 Gambar 17. Proses Pencetakan Membran Berbentuk Lembaran 4. Membran dikeringkan di udara terbuka dengan variasi waktu 30, 45 dan 60 detik 5. Membran segera dimasukkan ke dalam bak koagulasi berisi air dengan variasi suhu 9, 15 dan 25 0 C selama 1 jam 6. Membran kemudian dimasukkan ke dalam bak annealing berisi air dengan suhu 70 0 C selama 10 menit 7. Membran disimpan dalam tempat penyimpanan dengan variasi desikator dan air Berbagai variasi preparasi membran dapat dilihat dalam tabel berikut (Tabel 6). 49

50 Tabel 6. Variasi Preparasi Membran NO Komposisi Tebal Waktu Perendaman Suhu Tempat casting Evaporasi PEG Koagulasi penyimpanan (µm) (det) (det) Variasi Suhu Koagulasi 1 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air 2 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air 3 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air Variasi Waktu Evaporasi 4 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air 5 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air 6 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air Variasi Perendaman PEG 7 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air 8 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air 9 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air Variasi Media Penyimpanan 10 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC air 11 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC Desikator Variasi Penyimpanan dengan Kepolaran Bertahap 12 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC n-heksan 13 CA+Aseton+Form+5% PEG ºC Desikator Variasi penyimpanan dengan kepolaran bertahap menggunakan campuran larutan yang dapat dilihat pada tabel berikut (tabel7). 50

51 Tabel 7. Komposisi campuran larutan kepolaran bertahap I Air = 100 II Air : IPA = 75 : 25 III Air : IPA = 50 : 50 IV Air : IPA = 25 : 75 V IPA = 100 VI IPA : Hexan = 75 : 25 VII IPA : Hexan = 50 : 50 VIII IPA : Hexan = 25 : 75 IX Hexan = 100 Setelah membran siap untuk disimpan, membran disimpan pertama kali dalam larutan I (air 100%) selama 15 menit, kemudian ke larutan II selama 15 menit, kemudian dilanjutkan hingga terakhir ke larutan IX. Pada tiap larutan waktu perendaman selama 15 menit. Ada dua variasi yang dilakukan yaitu, penyimpanan akhir dalam hexan 100% dan penyimpanan akhir dalam desikator (setelah disimpan dalam larutan IX 15 menit, membran dipindahkan ke dalam desikator) Uji Permeabilitas dan Selektivitas Membran Pengujian dilakukan dalam sel permeasi dengan pengukuran laju permeasi gas CO 2 atau CH 4 murni yang melewati membran. Yaitu dengan mencatat waktu yang ditempuh oleh gas yang menembus membran untuk mencapai jarak tertentu 51