Perolehan Kembali NaOH Dari Limbah White Liquor Hasil Pengelantangan Sistem Fotosensitizer Katil Bergerak *

Transkripsi

1 Akta Kimindo Vol. 1 No. 1 Oktober 2005: AKTA KIMIA INDONESIA Perolehan Kembali NaOH Dari Limbah White Liquor Hasil Pengelantangan Sistem Fotosensitizer Katil Bergerak * Syafsir Akhlus ** dan Nurul Widiastuti Laboratorium Kimia Fisika, Jurusan Kimia FMIPA ITS Kampus ITS Keputih-Sukolilo Surabaya ABSTRACT The NaOH recovery from the white liquor waste of Moving Bed Photosensitizer photobleaching systems has been observed. The recovery done by separating NaOH from white liquor with polysulfone membrane. The optimal compositions of the membrane was 18 % PSf (w/w), 18 % PEG (w/w) dan 64 % DMAc (w/w), in which the flux of NaOH with initial concentration and M at 2 atm operating pressure are 580,39 and 458,20 lm2hours-1, respectively. Keywords : Recovery, White Liquor, Photobleaching. ABSTRAK Telah dilakukan penelitian untuk memperoleh kembali NaOH dari limbah white liquor hasil pengelantangan fotokimia sistem Fotosensitizer Katil Bergerak. Perolehan kembali dilakukan dengan memisahkan NaOH di dalam white liquor menggunakan membran polisulfon. Kompoisi membran terbaik adalah pada campuran 18 % PSf (b/b), 18 % PEG (b/b) dan 64 % DMAc (b/b), dengan membran tersebut diperoleh fluks NaOH dengan konsentrasi awal 0,250 dan 0,125 M pada tekanan operasi 2 atm masing-masing 580,39 dan 458,20 lm2jam-1. Kata Kunci : Perolehan kembali, White Liquor, pengelantangan fotonis. PENDAHULUAN Sistem Fotosensitizer Katil Bergerak (FKB) adalah suatu sistem penghasil oksigen singlet secara fotokimia dengan menggunakan fotosensitizer yang disirkulasikan di dalam Generator Oksigen Singlet (Akhlus, 2000a). Sistem ini dapat diaplikasikan untuk beberapa jenis proses, salah satunya adalah proses pengelantangan pulp (Akhlus, 2000b). Proses pengelantangan pulp yang mengaplikasikan sistem FKB memiliki keunggulan antara lain sama sekali tidak menggunakan senyawa turunan klor seperti hipoklorit pada proses pengelantangannya. Pengelantangan dilakukan dengan cara mereaksikan oksigen singlet hasil reaksi fotokimia gas oksigen pada Generator Oksigen Singlet (GOS) dengan larutan pulp dalam media basa. Pada akhir pengelantangan, selain menghasilkan bleach pulp juga akan diperoleh limbah white liquor yang hanya mengandung lignin terdegradasi, air dan NaOH. * Makalah ini disajikan pada Seminar Nasional Kimia VII, di Surabaya 9 Agustus 2005 ** Corresponding author White liquor hasil proses pengelantangan merupakan limbah yang harus ditangani secara khusus. Komposisi kimia yang terkandung dalam white liquor tergantung pada jenis pengelantangan yang diaplikasikan. Pada pengelantangan yang menggunakan senyawa turunan klor, akan dihasilkan limbah yang mengandung klor (Qushsho o et al, 2004), dan sistem pengelantangan yang menggunakan bakteri akan menghasilkan bakteri di dalamnya (Bajpai, 2004). Pada sistem pengelantangan yang bebas klor (Dapa et al, 2003), white liquor yang dihasilkan juga masih mengandung senyawa lain selain NaOH. Berbeda dengan limbah white liquor pada proses pengelantangan konvensional, white liquor hasil proses pengelantangan dengan sistem FKB memiliki potensi yang besar untuk dapat dimanfaatkan kembali (reuse) dengan cara melakukan proses perolehan kembali (recovery) NaOH dari white liquor. Perolehan kembali NaOH tersebut dapat dilakukan dengan cara melakukan penyaringan/filtrasi terhadap white liquor sehingga NaOH terpisah dari lignin terdegradasi. NaOH yang terpisah ini dapat Kimia ITS HKI Jatim 35

2 Akhlus dan Widiastuti- Perolehan Kembali NaOH Dari Limbah White Liquor diumpankan kembali ke dalam proses pengelantangan. Proses pemisahan NaOH dari white liquor dapat dilakukan dengan menggunakan membran. Salah satu jenis membran yang dapat digunakan untuk proses filtrasi white liquor adalah membran ultrafiltrasi dengan bahan baku utama polisulfon. Pemilihan polisulfon sebagai bahan baku utama didasarkan pada laporan bahwa membran ini dapat menahan dengan baik molekul organik yang besar dan meloloskan molekul-molekul yang kecil (Widiastuti, 1999). Penggunaan membran ultrafiltrasi pada penelitian ini tidak sampai pada proses nanofiltrasi (Gesan-Guiziou et al, 2002) karena molekul yang ditahan pada proses ini merupakan molekul yang besar. Pada penelitian ini dilakukan evaluasi terhadap proses perolehan kembali NaOH dari white liquor dengan menggunakan beberapa jenis membran polisulfon yang komposisinya berbeda. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa membran polisulfon dengan komposisi 18 % (b/b) polisulfon, 18 % (b/b) polietilen glikol dan 64 % (b/b) N-N-dimetil asetamida merupakan membran terbaik untuk filtrasi. Fluks NaOH hasil recovery white liquor dengan konsentrasi awal 0,250 dan 0,125 M pada tekanan operasi 2 atm pada membran tersebut masing-masing 580,39 dan 458,20 l.m 2.jam -1. METODOLOGI Peralatan Peralatan yang digunakan pada penelitian ini adalah : sel ultrafiltrasi untuk penyaringan larutan, kompresor untuk memberikan tekanan pada sel ultrafiltrasi, pengaduk magnetik untuk mengaduk larutan selama proses filtrasi, mikrometer untuk mengukur tebal membran dan spektrofotometer uv-vis Beckman DU-7500 untuk mengukur absorbansi. Selain peralatan yang disebutkan diatas, digunakan juga beberapa peralatan bantu yang umum digunakan, baik berupa peralatan gelas seperti gelas piala, pipet ukur, erlenmeyer, labu ukur, mikroburet, pipet dan lain sebagainya, maupun berupa peralatan mekanik dan elektronik seperti timbangan, pengaduk, pemanas dan lain lain. Bahan Bahan-bahan yang digunakan adalah : polisulfon (PSf), N,N-dimetil asetamida (DMAc), polietilen glikol (PEG), dekstran T-10, aquadest, fenol, H2SO4 dan NaOH. PROSEDUR Pembuatan membran Pembuatan membran dilakukan dengan teknik inversi fasa rendam endap. Pada pembuatan membran M1, mula-mula disiapkan 82 gram DMAc didalam erlenmeyer tertutup lalu kedalamnya dimasukkan 18 gram PSf. Campuran yang terbentuk diaduk dengan pengaduk magnetik selama 24 jam. Setelah terbentuk larutan yang homogen, larutan dituangkan ke plat kaca yang seluruh tepinya telah diberi selotip sebagai batas ketebalan. Larutan diatas plat kaca diratakan dengan batangan silinder sampai permukaannya rata. Setelah larutan tersebar merata di atas plat kaca, lalu plat dimasukkan ke dalam bak yang berisi air. Beberapa menit setelah perendaman, akan terbentuk lapisan tipis putih membran. Membran yang terbentuk selanjutnya dicetak sesuai dengan ukuran pada sel ultra filtrasi. Prosedur yang sama juga dilakukan pada pembuatan membran dengan kode M2 dan M3. Pengujian Karakteristik Membran Karakter membran yang diuji adalah : ketebalan, permeabilitas terhadap H2O, NaOH, dan dextran, dan permselektifitas terhadap NaOH dan dextran T-10. Pemilihan dextran T-10 dimaksudkan untuk memberikan kinerja yang analog dengan lignin terdegradasi pada larutan white liquor. Pengukuran ketebalan dilakukan dengan cara mengukur tebal membran yang terbentuk dengan mikrometer di lima tempat yang berbeda, lalu hasilnya dirata-rata dan dinyatakan sebagai tebal membran. Pengukuran permeabilitas membran dilakukan dengan cara meletakkan membran pada dasar sel ultrafiltrasi, lalu ke dalam sel ultrafiltrasi dimasukkan masing-masing H2O, NaOH 0,5-M, dan dextran T-10. Selanjutnya kepada sel ultrafiltrasl dlberikan tekanan 1 dan 2 Atm, permeat yang keluar ditampung dengan gelas ukur dan dicatat volume dan waktunya. Hasil pengukuran permeabilitas ini dinyatakan sebagai fluks membran. Penentuan permselektifitas membran, yang dinyatakan dalam koefisien rejeksi, dilakukan dengan prosedur yang sama dengan pengukuran terhadap permeabilitas. Penentuan permselektifitas pada NaOH diukur dengan menentukan konsentrasi umpan dan permeatnya dengan cara titrasi. Untuk pengukuran permselektifitas terhadap larutan 0,1 % (b/b) dextran T-10, konsentrasi umpan dan permeat diukur dengan spektrofotometri UV-Vis. Penyiapan larutan 0,1 % (b/b) dextran T-10 dilakukan dengan cara memasukkan 1 ml dextran kedalam tabung 36 Kimia ITS HKI Jatim

3 reaksi lalu ditambahkan 1 ml fenol 5 % (b/b) kemudian diteteskan 5 ml H2SO4 96 % (b/b) secara perlahan. Larutan yang berwarna kuning oranye yang terbentuk diukur absorbansinya pada panjang gelombang maksimum. Perolehan Kembali NaOH dari White Liquior Perolehan kembali NaOH dari white liquor dilakukan dengan cara mengukur permeabilitas dan permselektifitas NaOH didalam white liquor dari hasil pengelantangan. White liquor yang diukur merupakan white liquor hasil pengelantangan dengan metoda fotosensitizer katil bergerak (FKB). Konsentrasi awal NaOH sebagai umpan divariasikan pada konsentrasi 0,125, 0,25 dan 0,5 m, tekanan operasi yang digunakan adalah 1 dan 2 Atm. Penentuan konsentrasi NaOH sebagai umpan dan permeat dilakukan dengan cara titrasi. HASIL DAN PEMBAHASAN Sintesis dan Pengujian Membran Pada penelitian ini, membran yang dievaluasi untuk digunakan pada proses perolehan kembali NaOH dari white liquor ada tiga jenis dengan komposisi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1. Tabel 1 : Komposisi Membran Membran % PSf % PEG % DMAc M M M Ketiga jenis membran ini merupakan membran yang lazim digunakan pada proses ultrafiltrasi, ketiganya dapat digunakan pada ph 1-14 dan tahan terhadap tekanan operasi 1-10 Atm. Penggunan PEG sebagai aditif pada membran M3 dimaksudkan untuk memperbesar pori membran dengan tetap menjaga ketahanan membran terhadap faktor eksternal, khususnya tekanan. Perbedaan komposisi membran akan menyebabkan adanya perbedaan ketebalan dari membran. Hasil pengukuran ketebalan rata-rata dari tiap jenis membran ditunjukkan pada Tabell 2. Tabel 2 : Ketebalan Membran Membran Ketebalan (mm) M 1 0,059 M 2 0,064 M 3 0,076 Data pada Tabel 2 menunjukkan bahwa ketebalan membran berbanding lurus dengan kuantitas PSf atau polimer yang ditambahkan. Keadaan tersebut menunjukan bahwa pada proses sintesis membran, jumlah polimer sangat berpengaruh pada proses pencetakan membran. Hal ini disebabkan karena pembentukan membran dapat terjadi setelah adanya proses pemisahan cair-cair dan terjadi pengendapan polimer karena DMAc sebagai pelarut akan terdifusi ke dalam air sebagai non pelarut. Proses difusi tersebut terjadi pada lapisan atas dan lapisan pendukung, pada saat lapisan pendukung melewati lapisan atas maka PSf akan terkonsentrasi, akibatnya semakin banyak kuantitas PSf atau polimer maka membran akan semakin tebal. Ketebalan membran berpengaruh pada permeabilitas dan permselektifitas membran tersebut. Permeabilitas dan permselektiftas merupakan parameter utama dalam pengujian kinerja suatu membran. Permeabilitas merupakan parameter yang menunjukkan banyaknya permeat yang melewati membran per satuan waktu persatuan luas, yang dinyatakan sebagai fluks. Permselektifitas merupakan ukuran kemampuan membran untuk menahan suatu spesi, dinyatakan dengan koefisien rejeksi. Data permeabilitas ketiga jenis membran yang diuji terhadap air, NaOH dan Dextran ditunjukkan pada tabel 3. Tabel 3 : Permeabilitas Membran Terhadap Air, NaOH dan Dextran (dalam l.m -2.jam -1 ) Membran Air NaOH Dextran P = 1 Atm P = 2 Atm P = 1 Atm P = 2 Atm P = 1 Atm P = 2 Atm M 1 1,75 3,06 0,32 0,64 0,29 0,54 M 2 0,24 0,38 0,18 0,28 0,16 0,26 M 3 681, ,80 230,10 460,92 200,39 394,22 Sedangkan data permselektifitas dari ketiga jenis membran terhadap NaOH dan dextran ditunjukkan pada tabel 4. Kimia ITS HKI Jatim 37

4 Akhlus dan Widiastuti- Perolehan Kembali NaOH Dari Limbah White Liquor Tabel 4 : Permselektifitas membran terhadap NaOH dan Dextran (dalam %) Membran NaOH Dextran P = 1 Atm P = 2 Atm P = 1 Atm P = 2 Atm M 1 55,40 54,20 60,75 55,25 M 2 60,00 60,00 61,31 60,07 M 3 24,40 18,60 54,83 28,64 Dari data pada Tabel 3 dan 4 terlihat bahwa pada tekanan yang sama, membran dengan kuantitas PSf yang lebih kecil memberikan fluks yang lebih besar, baik terhadap H2O, NaOH maupun dextran, sedangkan pada konsentrasi PSf yang sama, penambahan aditif PEG memperbesar nilai fluks untuk ketiga jenis larutan yang diukur. Hal ini menunjukkan bahwa penambahan kuantitas PSf akan memperkecil pori membran, sedangkan penambahan aditif akan memperbesar pori membran. Sebagaimana diketahui bahwa membran yang terbentuk tersusun dari molekul PSf, sehingga dalam satu ukuran yang sama, jumlah PSf yang bertambah akan memperkecil pori dari membran. Pada penambahan aditif dalam pembuatan membran, pori membran akan diperbesar dengan adanya penambahan aditif. Hal ini disebabkan karena aditif pada awalnya mengisi matriks dari membran yang terbentuk, lalu dalam proses pelarutan dengan non pelarut, aditif tersebut akan larut ke dalam non pelarut sehingga meninggalkan rongga atau pori pada membran. Pada tekanan yang lebih besar, fluks yang dihasilkan akan bertambah dengan naiknya tekanan. Hal ini menunjukkan bahwa sifat filtrasi dari membran berbanding lurus dengan tekanan yang diberikan. Ditinjau dari spesies yang dilewatkan pada membran, terlihat bahwa H2O yang ukuran molekulnya lebih kecil memiliki nilai fluks yang lebih besar dibanding dengan spesies lainnya yaitu NaOH dan dextran. Hal ini menunjukkan bahwa sistem filtrasi ini dapat digunakan untuk melakukan perolehan kembali NaOH dalam white liquor hasil proses pengelantangan dengan sistem FKB karena pada sistem FKB, white liquor yang dihasilkan masih mengandung NaOH dalam jumlah yang cukup tinggi. Penggunaan sistem filtrasi ini juga dapat menahan molekul-molekul besar seperti lignin sehingga hasil perolehan kembali adalah larutan NaOH semata. Selanjutnya. Larutan NaOH yang dihasilkan tersebut dapat diukur konsentrasinya untuk digunakan pada proses pengelantangan berikutnya. Perolehan kembali NaOH dari White Liquor Sebagai tahap awal untuk memperoleh kembali NaOH dari white liquor, mula-mula filtrasi diaplikasikan pada larutan white liquor dengan konsentrasi NaOH 0,500 M. Filtrasi dilakukan dengan ketiga jenis membran yang disintesis pada dua tekanan kerja, satu dan dua atm. Indikator kinerja dari sistem filtrasi diamati melalui permeabilitas dan permselektifitas membran terhadap white liquor dengan konsentrasi NaOH 0,500 M (disingkat dengan wlc). Data hasil penentuan permeabilitas terhadap NaOH dalam white liquor pada larutan wlc ditunjukkan pada Tabel 5. Tabel 5 : Permeabilitas membran terhadap NaOH dalam wlc Fluks (dalam l.m -2.jam -1 ) Membran P = 1 Atm P = 2 Atm M M M Seiring dengan uraian hasil sebelumnya, membran M3 memberikan fluks terbesar dibanding terhadap M1 dan M2, hal ini disebabkan karena M3 memiliki pori yang lebih besar dibanding M1 dan M2. Diantara ketiga membran, membran M2 dengan pori yang lebih rapat ternyata juga memberikan fluks yang terkecil terhadap larutan NaOH dalam wlc. Untuk mengetahui jumlah NaOH yang tertahan akibat filtrasi, data hasil penentuan permselektifitas terhadap NaOH dalam wlc disaikan pada Tabel 6. Tabel 6 : Permselektifitas membran terhadap NaOH dalam wlc R% (%) Membran P = 1 Atm P = 2 Atm M M M Pada Tabel 6 terlihat bahwa membran M3 memiliki koefisien rejeksi R yang terkecil, baik pada tekanan satu maupun dua atmosfir. Hal ini memberikan indikasi bahwa larutan permeat 38 Kimia ITS HKI Jatim

5 memiliki konsentrasi yang mendekati nilai konsentrasi larutan umpan. Nilai R berkurang seiring dengan berkurangnya tekanan, penurunan nilai R ini berlaku untuk tiap membran, mulai dari 4,00 sampai 6,67 %. Besarnya penurunan nilai R tidak tergantung hanya pada besarnya pori, membran M3 dengan pori yang lebih besar memiliki nilai penurunan diantara nilai penurunan M1 dan M2 dimana kedua membran tersebut memiliki pori yang lebih kecil dari M3. Untuk mengetahui konerja membran terhadap filtrasi white liquor, dilakukan penentuan permeabilitas dan permselektifitas ketiga jenis membran pada konsentrasi NaOH dlam white liquor yang berbeda. Dua konsentrasi awal NaOH yang diaplikasikan adalah 0,125 M (wla) dan 0,250 (wlb). Data permeabilitas membran terhadap wladan wlb pada tekanan 2 atm ditunjukkan pada Tabel 7. Tabel 7 : Permeabilitas membran terhadap NaOH dalam wla dan wlb Fluks (dalam l.m -2.jam -1 ) Membran wl A wl B M M M Sedangkan data permselektifitas membran pada wla dan wlb ditunjukkan pada Tabel 8. Tabel 8 : Permselektifitas membran dalam wla dan wlb R% (%) Membran wl A wl B M M M Dari data pada Tabel 7 dan Tabel 8, terlihat bahwa konsistensi kinerja membran terhadap NaOH dalam white liquor adalah tetap. Membran M3 selalu memberikan hasil permeabilitas yang terbesar dan permselektifitas yang terkecil dibanding kedua jenis membran lainnya. Hal ini menunjukkan bahwa membran M3 dapat direkomendasikan untuk digunakan sebagai filter pada perolehan kembali NaOH dari white liquor pada beberapa konsentrasi NaOH didalamnya. Dilihat dari pengamatan visual, larutan pemeat lebih jernih dibanding larutan umpan. Hal ini memberikan indikasi bahwa lignin yang ada di dalam white liquor tertahan oleh membran, dan NaOH yang diteruskan cukup besar, sehingga dapat disimpulkan bahwa kinerja membran, khususnya M3 terhadap perolehan kembali NaOH dari larutan white liquor cukup baik. Secara kuantitatif, kinerja membran dapat diamati dari nilai efisiensi membran yang dinyatakan sebagai : η = ( 100% % R) ( 100% % R) sc sm x100% dimana η = efisiensi, sc = spesi campuran dan sm = spesi murni. Pada perolehan kembali NaOH dari white liquor, nilai efisiensi dari masing-masing membran pada wla, wlb dan wlc dapat dilihat pada Gambar 1 Efisiensi (%) M1 M2 M wla wlb wlc Jenis White Liquor Gambar 1 : Efisiensi Membran Kimia ITS HKI Jatim 39

6 Akhlus dan Widiastuti- Perolehan Kembali NaOH Dari Limbah White Liquor Dari ketiga jenis membran yang diaplikasikan ke tiga jenis white liquor, terlihat bahwa membran M3 menunjukkan nilai efisiensi yang terbesar di ke tiga white liquor. Efisiensi dari membran M3 terhadap perolehan kembali NaOH pada white liquor memiliki nilai lebih besar dari 90 %, dengan nilai terbesar 95,08 %. Hal ini memperkuat argumentasi bahwa membran M3 ini dapat direkomendasi untuk digunakan pada perolehan kembali NaOH dari white liquor. Pada larutan wla dan wlb perolehan kembali NaOH dengan M3 pada tekanan operasi 2 atm menghasilkan fluks NaOH masing-masing 458,20 dan 580,39 l.m -2.jam -1. Perolehan kembali NaOH, tanpa bahan dominan lainnya, dari white liquor hasil pengelantangan pulp dengan metode FKB, dapat terjadi karena pada sistem FKB tidak terdapat fotosensitizer di dalam reaktor pengelantang. Pada sistem ini reaktor pengelantang hanya diisi dengan pulp dan NaOH, hal ini yang membedakan sistem ini dengan sistem pengelantangan lainnya. Selanjutnya, NaOH hasil perolehan kembali tersebut dapat digunakan untuk proses pengelantangan berikutnya. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil uraian yang telah dipaparkan pad hasil dan pembahasan, dapat disimpulkan bahwa Perolehan Kembali NaOH dari limbah white liquor hasil pengelantangan dengan sistem Fotosensitizer Katil Bergerak dapat mencapai 95,08 % dengan membran M3 pada wla. Membran M3 adalah membran dengan kinerja terbaik dibanding dua membran lainnya. Perolehan kembali NaOH pada dua konsentrasi NaOH yang rendah, wla dan wlb, dengan membran M3 pada tekanan operasi 2 atm, menghasilkan fluks NaOH masing-masing 458,20 dan 580,39 l.m -2.jam -1. Keadaan ini menunjukkan bahwa perolehan kembali NaOH ini cukup baik untuk diaplikasikan. Penelitian ini merupakan penelitian awal dan masih menerapkan sistem batch, namun begitu data yang dihsailkan dari penelitian ini dapat digunakan sebagai pedoman untuk merancang penelitian lanjutan, khususnya proses perolehan kembali dengan sistem kontinyu. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ellen Sugiarto yang telah membantu pelaksanaan pekerjaan laboratorium DAFTAR PUSTAKA Akhlus. S., [2000a], Generator Oksigen Singlet dengan Sistem Fotosensitizer Katil Bergerak, Paten RI No. P Akhlus. S. [2000b], Proses Pengelantangan Pulp bebas Klor dengan Sistem Fotosensitizer Katil Bergerak, Paten RI No. P Bajpai, P., [2004], Biological Bleaching of Chemical Pulps, Critical Reviews in Biotechnology, 24, (1), pp Dapa S.; Santos V.; Parajo J.C., [2003], Carboxymethylcellulose from totally chlorine-free-bleached milox pu, Bioresource Technology, 89, (3), pp Gesan-Guiziou G, Boyaval E.; Daufin G, [2002], Nanofiltration for the recovery of caustic cleaning-in-place solutions: robustness towards large variations of composition, Desalination, 149, (1), pp Qushsho o, M, C. Özgen,; U Yetis, [2004], A case study for control structure selection: chlorination stage in the bleaching process of a pulp and paper palnt, Chemical Engineering Communications, 191, (1), pp Widiastuti,N., C.L. Radiman [1999], Pengaruh ZnCl2 sebagai aditif terhadap karakteristik membran polisulfon untuk proses Ultrafiltrasi, Jurnal Matematika dan Sains, ITB, Bandung. 40 Kimia ITS HKI Jatim