Sintesis, Karakterisasi dan Penggunaan Membran Hibrid Organik-Anorganik untuk Pengolahan Air Gambut

Transkripsi

1 Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia Kejuangan ISSN Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia Yogyakarta, 22 Februari 2011 Sintesis, Karakterisasi dan Penggunaan Membran Hibrid Organik-Anorganik untuk Pengolahan Air Gambut Jhon Armedi Pinem Laboratorium Pemisahan dan Pemurnian Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Riau Kampus Binawidya Jl. H.R. Subrantas Km 12,5 Simpang Baru Pekanbaru Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk menentukan kinerja membran hibrid PMMA/TEOT yang telah disintesis, untuk diaplikasikan pada penyaringan air sungai Siak. Kinerja membran ditunjukkan dengan fluks dan persentase rejeksi dengan memvariasikan tekanan operasi. Hasil penelitian menunjukkan kenaikan tekanan yang diberikan meningkatkan fluks yang dihasilkan. Fluks yang diperoleh dari tekanan 1 bar 1,5 bar, 2 bar, 2,5 bar dan 3 bar berturut-turut adalah 38, (L/m 2 jam), 8,3(L/m 2 jam), 59,29 (L/m 2 jam), 5,59(L/m 2 jam), dan 8,88 (L/m 2 jam). Membran yang dihasilkan menunjukkan kinerja cukup baik. Aplikasi dalam menyaring air Sungai Siak menunjukkan membran tersebut mampu merejeksi 2,06% TDS, 88,88% kekeruhan, 53,60% warna, 0,% logam Fe dan 3,68% logam Cu. Kata Kunci: membran, fluks, rejeksi. 1. Pendahuluan Proses pemisahan membran merupakan salah satu teknologi yang mengalami pertumbuhan sangat cepat selama dua dekade ter. Membran didefinisikan sebagai rintangan selektif diantara dua fasa fluida [Sirkar dan Ho 1992, Mark dan Menges 1985, Pandey dan Chauhan, 2001, dalam Ismail, 2002]. Membran telah banyak diterapkan dalam berbagai bidang kehidupan. Membran memiliki keunggulan antara lain bersifat modular, konsumsi energi rendah, dan mudah sistem pengoperasiannya. Umumnya membran dapat dibuat dari bahan polimer organik dan senyawa anorganik. Namun, sebagian besar bahan yang sering digunakan untuk membuat membran adalah bahan polimer organik karena proses pembuatannya yang relatif sederhana [Mulder, 1996]. Akan tetapi, membran polimer mempunyai beberapa keterbatasan seperti: selektivitas rendah, tidak stabil pada suhu dan ph ekstrim, serta mengalami penggembungan dan terdekomposisi dalam pelarut organik. Sebaliknya, membran anorganik mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan membran organik polimer, yaitu: mempunyai stabilitas termal dan kimia yang baik, tahan terhadap tekanan tinggi, kekuatan mekanik yang baik serta masa pakai yang lebih lama. Sama halnya seperti membran organik polimer, membran anorganik juga mempunyai beberapa kelemahan, yaitu: aplikasinya terbatas, rapuh dan mahal [Zulfikar et al., 2006]. 2. Landasan Teori Hibrid merupakan kombinasi dari dua atau lebih material berbeda untuk mendapatkan tujuan khusus. Keunggulan dari material ini yaitu menghasilkan kombinasi yang baik dengan sifat berbeda dari komponen asalnya. Schrotter et al. (1999) menggunakan film hibrid polyimide-silica untuk pemisahan gas H 2 /CO 2 yang menunjukkan permeabilitas dan selektivitas yang tinggi bila dibandingkan dengan polyimide murni. Ho et al. (1996) memisahkan aromatik dan alifatik menggunakan polyurethane/polyadipate dan polyimide/polyadipate copolymer membran, yang menunjukkan stabilitas termal dan ketahanan terhadap pelarut yang baik. Saat ini modul membran yang ada di pasaran Indonesia umumnya produk dari luar negeri. Oleh karena itu perlu upaya untuk membuat modul membran tersebut di dalam negeri. Untuk itu perlu dilakukan penelitian-penelitian yang menunjang ke arah tersebut. Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi untuk membuat membran di dalam negeri khususnya untuk pengolahan air gambut. 3. Metodologi Bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah membran hibrid PMMA/TEOT, akuades dan sampel air gambut (sungai Siak). Peralatan yang digunakan adalah Sel Ultrafiltrasi (gambar 2.1), batang pengaduk, corong, plat kaca, neraca analitik, magnetic stirrer, stirrer bar, pipet tetes, nampan, oven, AAS, ph meter, Spektrofotometer dan B1-1

2 peralatan gelas. Sampel air gambut berasal dari air sungai Siak di sekitar jembatan Siak I. Pengambilan sampel dilakukan di bagian tepi sungai dan bagian tengah sungai. Kemudian sampel tersebut dicampurkan ke dalam satu Jeregen dan diaduk. sampel air dilakukan baik pada air sumber maupun pada air yang telah disaring menggunakan membran. Adapun parameter yang dianalisa adalah kekeruhan, warna,tds, Logam Fe dan Cu Membran hibrid PMMA/TEOT yang sudah dibuat dipotong berbentuk lingkaran sesuai dengan ukuran Sel Ultrafiltrasi. Kemudian membran diletakkan di dalam Sel Ultrafiltrasi dan sampel air sungai Siak dimasukkan ke dalam Sel Ultrafiltrasi, kemudian diberi tekanan dengan variasi 1 bar, 1,5 bar, 2 bar, 2,5 bar dan 3 bar. Peraturan Pemerintah No.82 tahun Hal ini menunjukkan bahwa telah terjadi pencemaran air sungai Siak. Pencemaran yang terjadi dapat disebabkan oleh adanya kegiatan industri, domestik, perkebunan dan transportasi di sepanjang aliran sungai Siak (Amri, 2005)..2 Pengaruh Terhadap Fluks Fluks didefinisikan sebagai jumlah volume permeat yang melewati satu satuan luas membran dalam waktu tertentu dengan adanya gaya dorong dalam hal ini berupa tekanan (Mulder, 1996). Fluks (J) ditentukan dengan menampung volume permeat (V) pada waktu tertentu (t) dengan adanya driving force (P). Fluks dapat dihitung dengan persamaan berikut. J V A. t....(3.1) Dari penelitian ini didapatkan hubungan antara fluks dengan tekanan yang ditampilkan pada gambar berikut ini. Membran Permeat Stirrer Gambar 3.1 Sel Ultrafiltrasi. Hasil dan Pembahasan.1 Awal Air Gambut Sebelum disaring menggunakan membran hibrid PMMA/TEOT, sampel air gambut (Sungai Siak) dianalisa terlebih dahulu. Hasil analisa beberapa parameter penting air gambut disajikan pada tabel berikut. Tabel.1 Hasil Sampel Air Sungai Siak No Parameter Baku Hasil Satuan mutu* 1. TDS mg/l Kekeruhan NTU Warna Pt-Co Logam Fe mg/l 0,3 0,8 5. Logam Cu mg/l 0,02 0,05 *PP No.82 Tahun 2001 Dari tabel di atas dapat diketahui bahwa hasil analisa air gambut untuk parameter TDS, kekeruhan, warna, logam Fe, dan logam Cu melebihi baku mutu air kelas I berdasarkan Gambar.1 Kurva Pengaruh terhadap Fluks Membran Gambar di atas menunjukkan bahwa fluks membran pada tekanan 1 bar adalah 38, L/m 2 jam, kemudian fluks terus meningkat seiring dengan naiknya tekanan yang diberikan sampai dengan tekanan 3 bar. Penelitian yang dilakukan oleh Zulfikar dkk (2006) menunjukkan kecenderungan yang sama. Kenaikan fluks membran disebabkan karena adanya driving force pada permukaan membran yang menyebabkan volume fluida yang melewati membran akan semakin besar. Dengan meningkatnya volume fluida yang melewati membran, maka fluks membran juga akan semakin besar. Dari data tersebut dapat disimpulkan bahwa membran hibrid PMMA/TEOT hasil sintesis memiliki karakter membran ultrafiltrasi dengan nilai fluks pada tekanan 1 bar adalah L/m 2 jam (Wagner, 2001)..3 Kinerja Membran Hibrid PMMA/TEOT pada Penyisihan TDS TDS yang terdapat dalam air dapat berupa garam-garam terlarut, molekul protein dan zat koloidal yang berukuran 0,1-0,03 µm (Stephenson dkk, 2000). Pada tabel dan gambar berikut ini ditampilkan hasil analisa TDS air sungai Siak B1-2

3 sebelum disaring dan setelah disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT. Tabel.2 Hasil TDS Air Sungai Siak Sebelum dan Setelah Disaring Dengan Membran Hibrid PMMA/TEOT ,060 1, , ,060 2, , ,58 Gambar.2 Perbandingan Konsentrasi TDS Awal dan Akhir (Permeat) Air Sungai Siak pada Setiap Variasi Dari tabel dan gambar di atas menunjukkan parameter TDS mengalami penurunan (dari sebesar 2330 mg/l menjadi 651 mg/l pada 1 dan 2 bar) setelah disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT. Pada tekanan 2,5 bar dan 3 bar, penurunan TDS tidak sebesar pada tekanan 1 dan 2 bar, hal ini disebabkan oleh naiknya tekanan operasi yang mengakibatkan pori membran menjadi lebih besar, sehingga TDS yang terdapat dalam air sungai Siak tidak tertahan oleh membran (Notodarmojo dan Anne, 200). Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa air sungai Siak setelah disaring menggunakan membran hibrid PMMA/TEOT pada tekanan 1 bar-2,5 bar telah memenuhi baku mutu TDS air kelas I menurut PP No. 82 tahun Persentasi rejeksi dari proses tersebut ditampilkan pada gambar berikut ini. Hasil percobaan menunjukkan koefisien rejeksi membran hibrid PMMA/TEOT adalah sebesar 2 % pada tekanan 1-2 bar, sedangkan pada tekanan 2,5-3 bar mengalami penurunan (sekitar 5-65%). Gambar.3 Kurva Pengaruh terhadap TDS. Kinerja Membran Hibrid PMMA/TEOT pada Penyisihan Kekeruhan Hasil analisa kekeruhan air sungai Siak sebelum dan setelah disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT ditampilkan pada tabel dan gambar berikut. Tabel.3 Hasil Kekeruhan Air Sungai Siak Sebelum dan Setelah Disaring dengan Membran Hibrid PMMA/TEOT (NTU) (NTU) ,889 1, , ,111 2, , ,8 Gambar. Perbandingan Konsentrasi Kekeruhan Awal dan Akhir (Permeat) Air Sungai Siak pada Setiap Variasi Kekeruhan disebabkan oleh partikel tersuspensi yang terdapat dalam air yang berbentuk koloid berukuran 10 nm-10 µm (Alaerts dan Santika, 198). Dari Tabel 5.3 dan Gambar 5. dapat diketahui bahwa membran hibrid PMMA/TEOT mampu mengurangi kekeruhan air sungai Siak dari 36 NTU menjadi NTU pada tekanan 1 bar dan 1,5 bar. Pada tekanan 3 bar terjadi kenaikan kekeruhan yang signifikan pada air sungai Siak setelah disaring menggunakan membran hibrid PMMA/TEOT jika dibandingkan dengan kekeruhan pada tekanan 1-2,5 bar, yaitu dari 5 NTU menjadi 8 NTU. Kenaikan kadar kekeruhan disebabkan oleh tingginya tekanan yang diberikan dapat menyebabkan sebagian partikel koloid menjadi terpecah hingga dapat lolos dari pori membran (Jhonson, 2006). Dari hasil analisa dan analisa air sungai Siak, maka koefisien rejeksi membran hibrid PMMA/TEOT dapat ditentukan B1-3

4 untuk setiap tekanan operasi. Gambar.5 berikut menunjukkan pengaruh tekanan terhadap koefisien rejeksi membran pada penyisihan kekeruhan air sungai Siak. Gambar.6 Perbandingan Konsentrasi Warna Awal dan Akhir (Permeat) Air Sungai Siak pada Setiap Variasi Gambar.5 Kurva Pengaruh terhadap Kekeruhan Dari Gambar di atas dapat dilihat bahwa pada tekanan 1 bar dan 1,5 bar didapatkan koefisien rejeksi membran sebesar 88,89% dan 86,11% pada tekanan 2 dan 2,5 bar. Pada tekanan 3 bar koefisien rejeksi menurun secara signifikan yaitu menjadi,8%. Penurunan koefisien rejeksi merupakan pengaruh tekanan operasi, semakin besar tekanan operasi yang diberikan akan menyebabkan pori membran semakin besar (Notodarmojo dan Anne, 200)..5 Kinerja Membran Hibrid PMMA/TEOT pada Penyisihan Warna Hasil analisa warna air sungai Siak sebelum dan sesudah disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT ditampilkan pada Tabel. dan Gambar.6 berikut. Tabel. Hasil Warna Air Sungai Siak Sebelum dan Setelah Disaring dengan Membran Hibrid PMMA/TEOT (Pt-Co) (Pt-Co) ,60 1, , ,03 2, , ,189 Hasil analisa warna air sungai Siak sebelum disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT adalah 222 Pt-Co. Kadar warna menurun setelah disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT. Dari Tabel. dan Gambar.6 dapat diketahui bahwa kadar warna air sungai Siak setelah disaring adalah 103 Pt-Co pada tekanan 1 bar, 10 Pt-Co pada tekanan 1,5 bar, 105 Pt-Co pada tekanan 2 bar, 130 Pt-Co pada tekanan 2,5 bar dan 135 Pt-Co pada tekanan 3 bar. Pada tekanan 2,5 bar dan 3 bar terjadi kenaikan kadar warna yang signifikan, hal ini menunjukan semakin tingginya konsentrasi warna yang bisa melewati membran karena tingginya tekanan yang diberikan terhadap membran menyebabkan pori membran semakin membesar (Notodarmojo dan Anne, 200). Berdasarkan hasil analisa warna air sungai Siak sebelum dan setelah disaring menggunakan membran hibrid PMMA/TEOT dapat disimpulkan bahwa membran hibrid PMMA/TEOT telah berhasil mengurangi kadar warna air sungai Siak, tapi belum memenuhi baku mutu air kelas I menurut PP No.82 tahun 2001, yaitu 50 Pt-Co. Membran hibrid PMMA/TEOT tidak dapat menurunkan kadar warna secara signifikan karena asam-asam yang menyebabkan warna pada air seperti asam humat, fulvat dan humin mempunyai ukuran partikel yang lebih kecil dari ukuran pori membran (Sastrawijaya, 2000). Dari hasil analisa dan analisa air sungai Siak, maka koefisien rejeksi membran hibrid PMMA/TEOT terhadap warna dapat ditentukan. Pengaruh tekanan terhadap koefisien rejeksi membran ditampilkan pada gambar berikut. B1-

5 Gambar. Kurva Pengaruh terhadap Warna Dari Gambar. dapat dilihat bahwa semakin besar tekanan maka koefisien rejeksi membran semakin kecil. rejeksi terbesar pada tekanan 1 bar sebesar 53,60% dan terus menurun sampai tekanan 3 bar. Warna yang berhasil disisihkan oleh membran hibrid PMMA/TEOT adalah warna tampak yang berukuran 0,1-0,001 µm dan warna yang melewati membran adalah warna sejati yang berukuran <0,001 µm (Alaerts dan Santika, 198). Oleh karena itu membran hibrid PMMA/TEOT hanya mampu merejeksi warna sebesar 53,60%..6 Kinerja Membran Hibrid PMMA/TEOT pada Penyisihan Logam Fe dan Cu Logam Fe dan Cu merupakan logam yang secara alami terdapat di perairan, namun kegiatan industri dan buangan limbah rumah tangga menyebabkan meningkatnya kandungan logam Fe dan Cu dalam air sungai Siak (Alaerts dan Santika, 198). Hasil analisa logam Fe dan Cu yang terdapat di dalam air sungai Siak sebelum dan setelah disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT pada setiap variasi tekanan dapat dilihat pada tabel dan gambar berikut ini. Tabel.5 Hasil Logam Fe Dan Cu Air Sungai Siak Sebelum dan Setelah Disaring dengan Membran Hibrid PMMA/TEOT Teka nan Fe Cu Fe Cu Fe Cu 1 0,8 0,05 0,1 2 0,015 0, 1 3,68 1,5 0,8 0,05 0,1 0, ,68 2 0,8 0,05 0,1 0, ,92 9 2,5 0,8 0,05 0,31 0,026 3,5 83 5, ,8 0,05 0,32 1 0,035 33, ,59 6 Gambar.8 Perbandingan Konsentrasi Logam Fe Awal dan Akhir (Permeat) Air Sungai Siak pada Setiap Variasi Gambar.9 Perbandingan Konsentrasi Logam Cu Awal dan Akhir (Permeat) Air Sungai Siak pada Setiap Variasi Dari tabel dan gambar di atas menunjukkan bahwa setelah disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT terjadi penurunan kadar logam Fe dan Cu yang terdapat dalam air Sungai Siak. Sebelum disaring konsentrasi logam Fe adalah 0,8 mg/l, dan logam Cu sebesar 0,05 mg/l.setelah disaring logam Fe menjadi 0,12 mg/l (pada tekanan 1 bar), 0,1 mg/l pada( tekanan 1,5 bar dan 2 bar), 0,31 mg/l (pada tekanan 2,5 bar), dan 0,321 mg/l (pada tekanan 3 bar). Untuk logam Cu berturut-turut adalah sebesar 0,015 mg/l (tekanan 1 bar dan 2 bar), 0,016 mg/l (tekanan 2 bar), 0,026 mg/l (tekanan 2,5 bar) dan 0,035 mg/l (tekanan 3 bar). Penurunan konsentrasi logam Fe dan Cu setelah disaring disebabkan oleh sifat selektif membran yang bisa menahan ukuran partikel yang lebih besar dari ukuran pori membran dan melewatkan partikel yang ukurannya lebih kecil dari pori membran (Mulder, 1996). Logam Fe dan Cu yang tidak dapat melewati pori membran adalah yang berbentuk koloidal dengan diameter lebih kurang 1 µm (Alaerts dan Santika, 198). Untuk menentukan kemampuan membran hibrid PMMA/TEOT, maka perlu dihitung koefisien rejeksi membran terhadap logam Fe dan Cu pada variasi tekanan 1-3 bar. Gambar berikut menunjukkan pengaruh tekanan terhadap koefisien rejeksi membran. B1-5

6 Gambar.10 Kurva Pengaruh terhadap Logam Fe dan Cu Dari Gambar di atas dapat dilihat bahwa koefisien rejeksi membran hibrid PMMA/TEOT terhadap logam Fe dan Cu menurun secara signifikan pada tekanan 2,5 bar. Menurunnya koefisien rejeksi disebabkan oleh semakin banyaknya logam Fe dan Cu yang bisa melewati membran, hal ini terjadi karena pori membran semakin membesar akibat besarnya tekanan yang diberikan (Notodarmojo dan Anne, 200). rejeksi terbesar terdapat pada tekanan 1 bar sebesar 0,1 % (untuk logam Fe) dan 3,68% (untuk logam Cu). rejeksi logam Cu lebih besar dari koefisien rejeksi logam Fe, hal ini disebabkan oleh ukuran partikel logam Cu lebih besar dari ukuran partikel logam Fe (Alaerts dan Santika, 198). 5. Kesimpulan Semakin besar tekanan yang diberikan pada membran hibrid PMMA/TEOT, maka fluks yang dihasilkan juga semakin meningkat. rejeksi membran dipengaruhi oleh besarnya tekanan yang diberikan terhadap membran. Apabila tekanan yang diberikan melebihi kemampuan membran untuk menahan driving force, maka koefisien rejeksi membran akan menurun. Kualitas air sungai Siak meningkat setelah disaring dengan membran hibrid PMMA/TEOT berdasarkan parameter TDS, kekeruhan, warna, logam Fe dan Cu. Membran hibrid PMMA/TEOT yang telah disintesis mampu merejeksi TDS sebesar 2,06%, kekeruhan sebesar 88,89%, kandungan warna sebesar 53,60%, logam Fe sebesar 0,2%, dan logam Cu sebesar 3,68%. 6. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada DP2M DIKTI yang mendanai penelitian ini dan kepada saudara Ikas Miran yang telah membantu penelitian ini dan merupakan bagian dari tugas nya serta kepada bapak Muhammad Zulfikar atas saran-saran yang diberikan. DAFTAR PUSTAKA Baker, R Membrane Technology in Chemical Industry: Future Direction. Willow Park, CA USA Billmeyer, Fred W Textbook of Polymer Science. Jhon Wiley & Sons, New York. Chowdhury, S.R., ten Elshof, J.E., Benes, N.E & Keizer, K Development and comparative study of different nanofiltration membranes for recovery of highly charged large ions. Desalination. 1: 1-6. Cornelius, C.J & Marand, E Hybrid inorganic-organic materials bases on 6FDA- 6FpDA-DABA polyimid dan silica: Physical characterization studies. Polymer. 3: Cornelius, C.J., Hibshman, C & Marand, E Hybrid organic-inorganic membranes. Separation and Purification Technology. 25: Ho, W.S, Sartori, G, Thaler, W.A, Dalrymple, D.C, Mastondrea, R.P, Savage, D.W, Hard/Soft Segment Copolymer Membranes for Aromatics/Saturates Separation. Proceedingof the ICOM Ismail,A.F. et al Latest development on the membrane formation for gas separation. Membran science & Technologhy, 2: Mulder, M Basic principles of Membrane Technology, 2 nd ed., kluwer Academic Publisher, Dordrecht. Nunes, S.P., Peinemann, K.V., Ohlrogge, K., Alpers, A., Keller, M & Pires, A.T.N Membranes of poly(ether imide) and nanodispersed silica. Journal of Membrane Science. 15: Nunes, S.P., Peinemann, K.V Membrane Technologhy in the Chemical Industry. Wiley VCH-Verlag GmbH, Germany. Smaihi, M., Schrotter, J.C., Lesimple, C., Prevost, I & Guizard, C Gas separation properties of hybrid imidesiloxane copolymers with various silica contents. Journal of Membrane Science. 161: Wikipedia, Polymetylmethacrylate. <URL: /wiki/image: Acrylic_Glass> [Akses 3 September 2008]. Wikipedia, 2008, Tetraethyl Orthotitanate <URL: /wiki/image: Tetraethyl Orthotitanate> [Akses 3 September 2008]. Zulfikar, dkk. Synthesis and characterization of poly(methyl methacrylate)/sio 2 hybrid membranes: Effect of solvents on structural and thermal properties. Journal of Applied Polymer Science. 99: B1-6