Pengolahan Limbah Laundry Menggunakan Membran Nanofiltrasi Zeolit Variasi Massa untuk Filtrasi Kekeruhan dan Fosfat

Transkripsi

1 1 Pengolahan Limbah Laundry Menggunakan Membran Nanofiltrasi Zeolit Variasi Massa untuk Filtrasi Kekeruhan dan Fosfat Tika Kumala Sari dan Alia Damayanti Jurusan Teknik Lingkungan, Fakultas Teknik Sipil dan perencanaan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya Indonesia Abstrak Limbah laundry mengandung kekeruhan dan fosfat yang tinggi. Limbah laundry yang dibuang ke badan air tanpa pengolahan terlebih dahulu dapat mengakibatkan pencemaran air. Permasalahan pencemaran badan air oleh limbah laundry dapat diatasi dengan menggunakan teknologi membran. Pada saat ini teknologi membran sedang berkembang karena sifatnya yang ramha lingkungan. Membran dapat dibuat dari bahan alam yaitu zeolit. Zeolit digunakan sebagai bahan baku pembuatan membran karena mudah didapatkan dan murah. Penggunaan membran zeolit ini dapat menjadi alternatif pengolahan limbah laundry untuk menurunkan kadar kekeruhan dan fosfat. Pembuatan membran nanofiltrasi zeolit dimulai dengan mensintesis zeolite. Sintesis zeolit bertujuan untuk mendapatkan zeolit murni. Tujuan dari penelitian ini yaitu untuk mengetahui massa zeolit terbaik, nilai rejeksi dan nilai fluks untuk setiap variasi massa yang digunakan. Variabel penelitian yang digunakan yaitu massa zeolit sebanyak 3 dan 6 gram. Membran nanofiltrasi zeolit yang dibuat akan diuji pada reactor membran dengan aliran cross flow selama 80 menit. Analisis permeate dilakukan setiap 20 menit. Pengujian komposisi membran dan morfologi membran menggunakan SEM EDX. Berdasarkan hasil penelitian didapatkan massa zeolit terbaik untuk pembatan membran yaitu 6 gram, nilai rejeksi tertinggi kekeruhan adalah 88,46% dan fosfat sebesar 82,97%. Kata Kunci cross flow, limbah laundry, membran nanofiltrasi, zeolit I. PENDAHULUAN Semakin banyaknya jumlah industri kecil dalam bidang pencucian pakaian (laundry) mengakibatkan dampak yang tidak baik terhadap lingkungan sekitar, hal itu dikarenakan industriindustri kecil tersebut sebagian besar membuang limbahnya ke selokan atau badan air tanpa pengolahan terlebih dahulu. Hal ini dapat menyebabkan pencemaran lingkungan karena dalam limbah tersebut antara lain yaitu fosfat yang tinggi. Dampak negatif lain dari limbah laundry limbah cair yang dihasilkan mengandung kekeruhan yang tinggi [1]. Membran nanofiltrasi mempunyai ukuran pori 0,001 μm yang dapat menyaring limbah mulai dari kadar organik yang rendah sampai dengan kadar organik yang sangat tinggi [2]. Nanofiltrasi juga dipakai untuk pelunakan air (water softening), removal polutan mikro seperti pada pengolahan limbah dan air sehingga dapat digunakan untuk alternatif pengolahan limbah laundry [3]. Zeolit alam merupakan bahan yang cocok dalam fabrikasi membran keramik karena sifatnya yang tidak mudah mengembang dalam air dan mudah membentuk suspensi untuk melapisi membran sebagai support [4]. Membran berbasis zeolit juga banyak dimanfaatkan untuk pemisahan gas dari hidrokarbon, dehidrasi pelarut, sebagai katalis untuk konversi kimia, remediasi polutan dan untuk produksi air bersih [5]. Struktur pori zeolit yang berbeda-beda membuat zeolit banyak digunakan untuk pemisahan berbagai molekul kecil [6] Pengolahan limbah laundry yang menggunakan membran filter keramik tanah liat dan zeolit. Sedangkan pada penelitian ini adalah pengolahan limbah laundry menggunakan membran nanofiltrasi dengan bahan dasar zeolit [7]. Pada penelitian ini reaktor yang digunakan adalah reaktor dengan aliran cross flow. Secara umum penelitian ini bertujuan untuk mencari altenatif pengolahan limbah laundry dengan sistem filtrasi membran dengan bahan dasar zeolit. Sistem ini diharapkan dapat menyisihkan polutan yang terkandung dalam air limbah laundry. A. Sintesis Zeolit II. METODOLOGI PENELITIAN Pembuatan membran zeolit diawali dengan sintesis zeolit.. Tahap awal yaitu menyiapkan cawan porselen yang telah dioven selama 1 jam dan menimbang zeolit dan KOH 12% : 88% dengan perbandingan 1 : 4 (10 gram zeolit dan 73,3 g KOH). Setelah ditimbang campuran zeolit dan KOH yang telah diletakkan di cawan porselen di furnace selama 4 jam pada suhu 360 o C. Setelah dibakar di furnace sampel dibiarkan sampai mencapai suhu ruang. Langkah selanjutnya memasukkan sampel ke dalam gelas beaker 1000 ml untuk dilarutkan dengan 500 ml aquades dan terbentuk endapan. Endapan yang terbentuk dibuang sedangkan larutan diambil. Larutan tersebut dititrasi sambil diaduk pada suhu 50 o C sampai mencapai ph 1-2. Hasil dari titrasi akan terbentuk endapan gel yang berwarna kekuningan. Gel yang berwarna kekuningan dicuci dengan aquadest sebanyak 10 kali hingga gel berwarna putih. Gel yang sudah berwarna putih di vacum pump dan hasilnya di oven selama 24 jam. Gel yang sudah dioven ditumbuk hingga menjadi serbuk. serbuk zeolit selanjutnya

2 2 digunakan untuk pembuatan membran. Serbuk zeolit berwarna kecoklatan dan berbentuk serbuk halus, B. Pembuatan Membran Tahap pembuatan membran dibagi menjadi dua langkah yaitu pembuatan larutan dan dan pencetakan membran. Langkah pertama pembuatan membran yaitu menimbang serbuk zeolit hasil sintesis sebanyak 3 gram dan 6 gram. Serbuk zeolit dimasukkan ke dalam botol centrifuge kemudian ditambahkan 35 ml 2-Propanol. Campuran tersebut di centrifuge selama 10 menit dengan kecepatan 600 rpm. Setelah itu cairan di atas supernatan dibuang. Endapan putih dimasukkan ke gelas beaker yang telah berisi campuran 3,5 g NH 4 Cl dan 200 ml aquades kemudian diaduk dengan magnetic stirrer selama 1 jam Pada tahap pencetakan membran, endapan yang dihasilkan dicampur dengan PEG 5 ml dan PVA : zeolit dengan perbandingan 1 : 3. Larutan campuran ini dipanaskan pada gelas beaker yang berisi air agar larutan tidak hangus karena waktu pemanasan yang cukup lama. Larutan dipanaskan sampai semua bahan tercampur dengan halus dan mengental. Setelah larutan mengental dicetak dengan menggunakan cawan petri kecil dan dibiarkan selama 30 jam. Membran yang sudah kering berwarna kecoklatan dan bersifat lentur. C. Pengujian Membran pada Reaktor Cross Flow Membran yang akan digunakan untuk pengujian dipotong bentuk lingkaran dengan diameter 3 cm. Membran diletakkan di dalam reaktor cross flow. Reaktor cross flow terdiri atas manometer, valve, water mur, by pass dan selang. Pada awal pengoperasian, valve dan by pass dibuka dan ditutup secara perlahan untuk memperbesar tekanan hingga mencapai 5 bar. Air limbah ditampung pada bak 10 liter yang selanjutnya akan dipompa menuju reaktor membran. Pompa yang digunakan adalah pompa booster. Pengujian membran dalam reaktor dilakukan selama 1 jam 20 menit untuk setiap variasi massa zeolit. Permeate yang dihasilkan dianalisis nilai kekeruhan dan fosfat setiap 20 menit. Reaktor cross flow yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar 1 Reaktor Cross Flow (Hasil Penelitian, 2014) D. Analisis Sampel Analisis sampel dilakukan pada 2 titik yang berbeda. Pengambilan sampel pada titik nomor 1 dilakukan untuk analisis awal air limbah. Pengambilan sampel pada titik nomor 2 untuk analisis akhir limbah setelah difiltrasi menggunakan membran zeolit nanofiltrasi. Titik pengambilan sampel permeate ditunjukkan pada Gambar 1. Terdapat 2 parameter yang dianalisis yaitu kekeruhan dan fosfat, Analisis kekeruhan pada air limbah laundry menggunakan alat turbidimeter. Metode pengujian mengacu pada SNI Sedangkan analisis fosfat menggunakan metode klorid timah. Metode pengujian mengacu pada SNI E. Analisis Morfologi Membran Analisis morfologi dilakukan dengan metode SEM EDX (Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). Analisis SEM EDX dilakukan untuk mengetahui pori membran dan komposisi unsur pada membran. Pengujian morfologi dengan metode SEM dilakukan dengan cara membran yang akan diujikan terlebih dahulu dikeringkan. Membran yang telah kering dibekukan dengan nitrogen cair, kemudian dipatahkan dan ditempelkan pada holder. Membran kemudian dilapisi emas lalu dimasukkan ke dalam chamber. Uji struktur dan analisis morfologi dilakukan sebanyak dua kali yaitu membran yang memiliki kinerja terbaik pada saat sebelum dan sesudah digunakan untuk menyaring air limbah laundry. Uji morfologi membran dilakukan di Laboratorium Energi ITS. III. ANALISIS DAN PEMBAHASAN. A. Analisis Awal Limbah Laundry Limbah yang digunakan pada penelitian ini adalah limbah laundry yang diambil di daerah Keputih, Surabaya. Pengambilan sampel di ambil di titik awal saluran pembuangan sebelum air limbah masuk ke badan air yang diambil langsung dari hasil pencucian yaitu pada bilasan pertama. Pengawetan sampel disimpan di dalam kulkas pada suhu 4 o C. Sebelum diujikan pada reaktor cross flow dilakukan analisis awal limbah laundry berupa parameter kekeruhan dan fosfat. Berdasarkan hasil analisis didapatkan nilai kekeruhan awal pada limbah laundry adalah 151 NTU dan fosfat adalah 31,30 mg/l B. Pengaruh massa zeolit terhadap nilai fluks Nilai fluks adalah jumlah volume permeate yang melewati satuan luas permukaan membran pada waktu tertentu dengan adanya gaya dorong berupa tekanan Nilai fluks membran adalah fungsi dari ukuran pori, porositas, ketebalan dan struktur membran. Nilai fluks mempengaruhi efisiensi pemisahan pada proses membran yang tergantung pada struktur membran seperti distribusi ukuran pori, bentuk pori, porositas dan tortuositas. J = dimana: J = Fluks (L/m 22.jam) V = Volum permeat (L) A = Luas permukaan membran (m 2 ) t = Waktu (jam)

3 3 Berdasarkan hasil penelitian didapatkan grafik pengaruh massa zeolit terhadap nilai fluks yang ditunjukkan pada Gambar 1. dengan massa zeolit 6 gram mempunyai nilai fluks yang lebih kecil dibandingkan dengan massa zeolit 3 gram. Faktor-faktor yang berpengaruh pada kinerja membran nanofiltrasi salah satunya adalah sifat membran seperti kekasaran permukaan, distribusi ukuran pori dan ketebalan membran [10].. C. Pengaruh Massa Zeolit Terhadap Nilai Rejeksi Kekeruhan Nilai rejeksi menggambarkan nilai permselektivitas dari suatu membran. Permselektivitas merupakan ukuran kemampuan membran untuk menahan suatu spesi atau melewatkan suatu spesi tertentu, Perhitungan nilai rejeksi menggunakan rumus. Gambar 1 Grafik Nilai Fluks Membran (Hasil Penelitian, 2014) Nilai fluks tertinggi terjadi pada menit ke 20. Pada variasi massa zeolit 3 gram nilai fluks sebesar 11,04 L/m 2.jam dan 10,19 L/m 2.jam pada variasi massa zeolit 6 gram. Terjadi penurunan nilai fluks seiring dengan lamanya waktu pengoperasian membran. Nilai fluks terkecil terjadi pada menit ke 80 pada variasi massa zeolit 3 gram dan 6 gram. Proses perpindahan suatu molekul atau partikel di dalam membran disebabkan adanya gaya yang berkerja pada molekul atau partikel tersebut. Pada penelitian ini digunakan gaya dorong tekanan sebesar 5 bar. Pengujian membran zeolit pada tekanan 5 bar memiliki rentang nilai fluks rata-rata 1,80-11,04 L/m 2.jam. Dengan demikian dapat dinyatakan membran zeolit yang digunakan adalah membran nanofiltrasi. Membran nanofiltrasi dapat beroperasi pada tekanan 5-20 bar dan mempunyai kisaran nilai fluks 1,4-12 L/m 2.jam [7]. Nilai fluks akan cenderung menurun seiring dengan bertambahnya waktu. Penurunan nilai fluks ini dapat disebabkan terjadinya fouling pada membran. Fouling adalah suatu fenomena penumpukan material pada membran sehingga menyebabkan pori membran semakin kecil. Berdasarkan grafik diatas didapatkan semakin besar massa zeolit maka nilai fluks semakin rendah. Hal ini mungkin disebabkan semakin banyak massa zeolit yang digunakan untuk pembuatan membran semakin kecil pori yang dibentuk [8]. Semakin besar pori menyebabkan laju alir umpan akan semakin besar sehingga nilai fluks juga akan semakin besar. Ukuran pori yang lebih besar menyebabkan polarisasi konsentrasi/fouling lebih mudah terjadi akibat nilai fluks yang besar [9]. Pada penelitian ini sifat fisik membran dengan massa zeolit 6 gram lebih tebal dibandingkan dengan membran dengan massa zeolit 3 gram. Perbedaan ketebalan ini berpengaruh terhadap kinerja membran yaitu nilai fluks membran massa zeolit yang semakin banyak juga dapat berpengaruh pada ketebalan membran. Maka dapat disimpulkan bahwa ketebalan membran berpengaruh terhadap nilai fluks membran. Semakin tebal membran nilai fluks akan semakin kecil. Hal ini disebabkan karena semakin tebal membran, umpan yang melewati membutuhkan waktu yang lebih lama sehingga pada membran R = 1- Dimana : R = nilai rejeksi (%) Cp = konsentrasi zat terlarut dalam permeate Cf = konsentrasi zat terlarut dalam umpan. Gambar 2 menunjukkan grafik nilai rejeksi kekeruhan. Gambar 2 Grafik Nilai Rejeksi Kekeruhan (Hasil Penelitian, 2014) Berdasarkan Gambar 2 nilai rejeksi kekeruhan paling besar pada massa zeolit 3 gram terjadi pada menit ke 80 sebesar 87,09%. Pada membran dengan massa zeolit 6 gram nilai rejeksi kekeruhan terbesar juga terjadi di menit ke 80 sebesar 88,46%. Perubahan nilai rejeksi pada variasi membran 3 gram dan 6 gram pada umumnya cenderung stabil pada menit ke 20 sampai menit ke 80. Pada rentang waktu operasi selama 80 menit nilai rejeksi masih belum konstan. Hal ini menandakan bahwa tingkat fouling masih belum terlalu tinggi sehingga membran masih mampu merejeksi air limbah. Proses pemisahan berbasis membran merupakan proses pemisahan dengan jalan menahan salah satu komponen dan melewatkan komponen lainnya. pada proses dengan gaya dorong berupa tekanan, ketika gaya dorong bekerja pada sisi umpan maka beberapa bagian padatan terlarut akan tertahan pada membran sedangkan pelarut akan lolos menembus membran. Hal ini menyebabkan konsentrasi permeate menjadi lebih rendah dibandingkan konsentrasi umpan yang menjadi konsep dasar pemisahan dengan membran. Akumulasi partikel padatan yang disebut dengan polarisasi konsentrasi/fouling akan tertahan pada permukaan membran sehingga meningkatkan konsentrasi padatan pada permukaan membran.

4 4 Polarisasi konsentrasi ini akan sangat berpengaruh pada selektivitas [7]. Berdasarkan Gambar 2, membran dengan massa zeolit 6 gram umumnya juga mempunyai nilai rejeksi yang lebih besar dibandingkan dengan membran dengan massa zeolit 3 gram. Hal ini mungkin disebabkan pori yang terbentuk dari komposisi massa zeolit yang lebih banyak menyebabkan pori yang terbentuk semakin rapat atau kecil. Sehingga membran dengan variasi massa zeolit 6 gram lebih selektiv untuk memisahkan partikel-partikel penyebab kekeruhan pada air limbah laundry. Namun perbedaan nilai rejeksi antara membran dengan massa zeolit 3 gram dan 6 gram tidak terlalu signifikan karena perbedaan nilai rejeksi yang tidak terlalu besar. Pengaruh massa zeolit terhadap nilai rejeksi juga diakibatkan karena banyaknya massa yang digunakan akan berpengaruh pada ketebalan membran. Semakin tebal membran nilai rejeksi juga akan semakin meningkat sehingga membran dengan massa zeolit 6 gram mempunyai nilai rejeksi yang lebih besar dibandingkan dengan membran 3 gram. Ukuran pori dan tebal membran akan secara otomatis mempengaruhi tingkat rejeksi dari membran tersebut [10]. merupakan ion multivalen yang bervalensi 3 dan 2. Membran nanofiltrasi dapat memisahkan ion divalen sehingga dalam hal ini, kandungan fosfat yang terkandung pada air limbah laundry dapat terejeksi oleh membran nanofiltrasi karena ion fosfat yang tertahan pada membran. Proses perpindahan molekul melalui membran mengikuti mekanisme difusi yang dipengaruhi oleh ukuran atau berat molekul dari zat terlarut. Semakin besar ukuran molekul zat terlarut akan semakin sulit zat terlarut tersebut untuk berdifusi melewati membran. Oleh karena itu konsentrasi zat terlarut dalam permeate menjadi lebih kecil [11]. E. Analisis Morfologi Membran Analisis morfologi membran menggunakan alat Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (SEM EDX). Analisis SEM dilakukan sebelum dan sesudah membran digunakan untuk proses filtrasi air limbah. Membran yang digunakan untuk analisis SEM dilakukan pada membran yang mempunyai nilai rejeksi tertinggi yaitu membran dengan massa zeolit 6 gram. Foto hasil analisis SEM ditunjukkan pada Gambar 4 dan Gambar 5. D. Pengaruh Massa Zeolit Terhadap Nilai Rejeksi Fosfat Pengujian membran zeolit untuk mengetahui nilai rejeksi fosfat dilakukan selama 80 menit dengan pengambilan permeate setiap 20 menit. Grafik nilai rejeksi fosfat ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar 4 Foto SEM membran sebelum digunakan perbesaran kali (Hasil penelitian, 2014) Gambar 3 Grafik nilai rejeksi fosfat (Hasil Penelitian, 2014) Berdasarkan Gambar 3 menunjukkan bahwa rejeksi fosfat terus meningkat seiring dengan waktu pengoperasian membran. Kecenderungan nilai rejeksi fosfat pada membran dengan massa zeolit 6 gram mempunyai nilai rejeksi yang lebih tinggi dibandingkan membran dengan massa zeolit 3 gram. Berdasarkan hasil analisis awal, konsentrasi fosfat yang terkandung pada air limbah laundry adalah 31,30 mg/l dan semakin menurun menjadi sebesar 5,42 mg/l dengan nilai rejeksi sebesar 82,68% pada menit ke 80. Penurunan kandungan fosfat ini terjadi karena kemampuan membran merejeksi molekul yang ukurannya lebih besar dari diameter pori membran dan molekul dengan diameter yang lebih kecil dari pori membran dapat lolos melewati membran. Ortofosfat Gambar 5 Foto SEM membran setelah digunakan perbesaran kali (Hasil penelitian, 2014) Pada Gambar 3 dan Gambar 4 menunjukkan foto hasil SEM membran sebelum dan sesudah digunakan untuk proses filtrasi terlihat berbeda. Membran terlihat semakin padat disebabkan karena terjadinya fouling. Fouling menyebabkan terjadinya penyumbatan pori-pori pada membran karena penumpukan material di permukaan membrane [12].

5 5 IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan didapatkan beberapa kesimpulan yaitu : a. Massa zeolit terbaik pembuatan membran nanofiltrasi zeolit untuk pengolahan limbah laundry adalah 6 gram. b. Nilai fluks yang tertinggi terdapat pada variasi massa membran 3 gram sebesar 11,04 L/m 2.jam dan pada membran 6 gram sebesar 10,19 L/m 2.jam. c. Nilai rejeksi tertinggi untuk parameter kekeruhan pada variasi massa zeolit 3 gram yaitu 87,09% dan massa 6 gram sebesar 88,46%. Nilai rejeksi tertinggi untuk parameter fosfat pada variasi massa zeolit 3 gram yaitu 82,68% dan pada membran 6 gram sebesar 82,97%. DAFTAR PUSTAKA [1] Stefhany, C.A., Sutisna, M., Pharmawati, K. Fitoremediasi phospat dengan menggunakan tumbuhan eceng gondok (Eichornia crassipes) pada limbah cair industri kecil pencucian pakaian (laundry) Jurnal Institut Teknologi Nasional. 1 (1) [2] Damayanti, A., Ujang, Z., Salim, M.R The influenced of PAC, zeolite and moringa oleifera as biofouling reducer (BFR) on hybrid membrane bioreactor of palm oil mill effluent (POME). Bioresource technology, 102, [3] Gomes, S., Cavaco, S.A., J, Margarida., Quina Licinio M., Gando- Ferreira Nanofiltration process for separating Cr (III) from acid solution : experimental and modelling analysis. Desalination. 254, [4] Dong, Y., Chena, S., Zhang, X., Yang, J., Liu. X Fabrication and characterization of low cost tubular mineral-based ceramic membranes for micro-filtration from natural zeolite. Journal of Membrane Science, 281, [5] Cui, J., Zhang, Z., Liu, H., Liu, S., Yeung, K.L Preparation and application of zeolite/ceramic microfiltration membranes for treatment of oil contaminated water, Journal of Membrane Science, 325, [6] Shan, W., Zhang, Y., Yang, W., Ke. C., Gao, Z., Ye, Y., Tang, Y Electrophoretic deposition of nanosized zeolites in non-aqueous medium and its application in fabricating thin zeolite membranes. Microporous and Mesoporous Material. 69, [7] Mulder, M., 1996, Basic Principles of membrane technology. 2nd edition. London : Kluwer Academic Publishers Netherlands [8] Aufiyah dan Damayanti, A Pengolahan limbah laundry menggunakan membran nanofiltrasi aliran cross flow untuk menurunkan kekeruhan dan fosfat. Jurnal Teknik POMITS. 2 (2) [9] Wenten, I.G Membrane technologi for industry and environmental protection, UNESCO. Center for membrane science and technology, ITB [10] Notodarmojo, S dan Deniva, A Penurunan zat organik dan kekeruhan menggunakan teknologi membran ultrafiltrasi dengan sistem aliran dead end (studi kasus : Waduk Saguling, Padalarang). PROC. ITB Sains & Tek. 36 A (1), [11] Ren, J dan Wang, R Preparation of Polymeric Membranes : Handbook of Environmental Engineering : Membrane [12] Rachmawati, V dan Damayanti, A Pengolahan limbah cair industri pewarnaan jeans menggunakan membran silika nanofiltrasi aliran cross flow untuk menurunkan warna dan kekeruhan. Surabaya : Jurusan Teknik Lingkungan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember