PERTANYAAN 1. Suatu industri bermaksud memanfaatkan efluen pengolahan air limbah yang telah memenuhi baku mutu sebagai air baku untuk kebutuhan domestik (karyawan), proses produksi dan boiler. Industri tersebut sedang menimbang teknologi membran RO dan elektrodialisis. Coba Saudara jelaskan mekanisme penyisihan kontaminan pada ke dua membran tersebut dan berikan saran berkaitan dengan kualitas raw water, pretreatment, permeat dan biaya operasi. JAWABAN 1. REVERSE OSMOSIS (RO) Reverse osmosis merupakan proses pemisahan berbagai pencemar dari dalam air dengan cara melewatkan air pada suatu membran yang bersifat semipermeabel, kualifikasi jenis membran ini hanya melewatkan atom yang sangat kecil dan kelompok atom seperti molekul air, molekul organik kecil, gas, serta ion yang telah terhidrasi tidak mampu melewati membran. Pemisahan Oleh Membran Reverse Osmosis (RO) Jika pada proses osmosis yang terjadi adalah perpindahan pelarut dari larutan yang lebih encer (potensial kimia rendah) ke larutan yang lebih pekat (potensial kimia tinggi), sedangkan pada proses reverse osmosis yang terjadi adalah sebaliknya; pelarut dipaksa berpindah dari larutan pekat ke larutan yang lebih encer dengan bantuan tekanan. Umumnya besar tekanan yang diberikan minimal 3 kali lipat tekanan osmosis larutan.
Karena pori membran yang digunakan sangat kecil, mendekati dense, maka mekanisme pemisahan yang terjadi tidak berdasarkan ukuran molekul tetapi lebih berdasarkan mekanisme solution diffusion. Membran yang digunakan umumnya bersifat asimetrik. Proses ini memerlukan suatu tekanan untuk diterapkan pada sisi membran yang berkonsentrasi tinggi dibandingkan tekanan operasi pada proses mikrofiltrasi dan ultrafiltrasi, untuk proses RO dengan bahan baku air tawar membutuhkan tekanan antara 2-8 bar (+/- 30 psi s/d 120 psi). Gambar 1. Membran Reverse Osmosis Reverse osmosis mampu memisahkan berbagai macam kontaminan dalam ukuran ion yang tidak mampu dilakukan oleh teknologi filtrasi lainnya, bahkan oleh ultrafiltrasi sekalipun. Gambar 2 menunjukkan kemampuan pemisahan reverse osmosis dibandingkan dengan proses filtrasi lain seperti ultrafiltrasi dan proses filtrasi konvensional lainnya. Reverse osmosis mampu menghilangkan sampai dengan 99,9% pengotor terlarut di dalam air tanpa penggunaan bahan kimia. Senyawa senyawa kontaminan yang umum terdapat di dalam air diantaranya adalah partikel, garam terlarut, organik, koloid dan bakteri. Kemampuan menyisihkan garam merupakan kemampuan RO yang sangat
superior dibandingkan proses lainnya. Oleh karena itu proses RO menjadi sistem yang diaplikasikan secara luas dalam proses desalinasi. TEORI DASAR REVERSE OSMOSIS Bila dalam bejana dimasukkan dua larutan yang berbeda konsentrasi dan dipisahkan oleh suatu sekat yang dapat dilalui oleh cairan (membrane semi permeable), maka akan terjadi perpindahan cairan dari konsentrasi rendah menuju konsentrasi yang lebih tinggi. Perpindahan akan berlangsung hingga tercapai kesetimbangan, hal ini dapat terlihat dengan adanya perbedaan tinggi larutan sebelum dan sesudahnya. Peristiwa ini disebut osmosis. Besarnya tekanan untuk menghasilkan perbedaan tinggi disebut tekanan osmosis atau osmotic pressure (π). Tekanan osmosis spesifik untuk setiap cairan (larutan), tergantung dari konsentrasi dan jenis larutan. Untuk memperoleh larutan dengan konsentrasi lebih rendah maka diperlukan driving force untuk melawan tekanan osmosis tersebut, agar terjadi aliran balik atau osmosa balik (Inggris = Reverse Osmosis). Sehingga dalam sistem ini diperlukan tekanan yang cukup tinggi, hingga mencapai 60 kg/cm2. Membran RO terbuat dari lembaran-lembaran yang berbeda pada setiap lapisannya. Dengan ukuran pori-pori terkecil hingga 0,0001 micron, membuat membrane mampu menyaring partikel besar maupun kecil hingga seukuran bakteri dalam air. Komponen-komponen akan terpisah berdasarkan ukuran dan bentuknya, dengan bantuan tekanan dan selaput semi-permeable. Hasil pemisahan berupa retentate (bagian dari campuran yang tidak melewati membran) dan permeate (bagian dari campuran yang melewati membran). Bahan membran yang digunakan biasanya adalah selulosa asetat, komposit, poliamida, dan lain-lain, dengan modul tubular, spiral wound, flat sheet, atau hollow fiber. Desalinasi dengan teknologi RO menggunakan bahan kimia antara lain Asam Sulfat (H2SO4), Anti scalant, SMBS (Sodium Meta Bi-Sulfit), NaOCl, dan Sodium Hidroksida (NaOH) untuk membantu pengaturan ph, penghilang kerak, dan pembunuh bakteri, alga, serta microorganisma.
PRINSIP KERJA REVERSE OSMOSIS Prinsip kerja proses reverse osmosis ini merupakan kebalikan dari proses osmosis biasa. Pada proses osmosis biasa terjadi perpindahan dengan sendirinya dari cairan yang murni atau cairan yang encer ke cairan yang pekat melalui membran semi-permeable. Adanya perpindahan cairan murni atau encer ke cairan yang pekat pada membran semipermeable menandakan adanya perbedaan tekanan yang disebut tekanan osmosis. Fenomena tersebut membuat para ahli berpipir terbalik, bagaimana caranya agar dapat memisahkan cairan murni dari komponen lainnya yang membuat cairan tersebut bersifat pekat. Dengan penambahan tekanan pada larutan yang pekat, ternyata cairan murni dapat melalui membran semi-permeable yang nerupakan kebalikan dari proses osmosis. Atas dasar tersebut teknologi ini disebut reverse osmosis (osmosis terbalik). Kriteria unjuk kerja membran bisa dilihat dari derajat impermeabilitas, yaitu seberapa baik membran menolak aliran dari larutan pekat; dan dari derajat permeabilitasnya, yaitu berapa mudahnya material murni melalui aliran menembus membran. Membran selulosa asetat merupakan bahan membran yang baik dari segi impermeabilitas dan permeabilitasnya. Bahan membrane lainnya yaitu etyl-cellulose, polyvinyl alcohol, methyl polymetharcylate dan sebagainya. Gambar 3. Sistem Reverse-Osmosis Beberapa sistem reverse-osmosis yang sering dipergunakan, yaitu:
Tubular, dibuat dari keramik, karbon atau beberapa jenis plastik berpori. Bentuk tubular ini mempunyai diameter bagian dalam (inside diameter) yang bervariasi antara 1/8 (3,2mm) sampai dengan sekitar 1 (25,4mm). Hollow fibre Spiral wound Plate and frame Pada proses pemisahan menggunakan RO,membran akan mengalami perubahan karena memampat dan menyumbat (fouling). Pemampatan atau fluks merosot itu serupa dengan perayapan plastik/logam ketika terkena beban tegangan kompresi. Makin besar tekanan dan suhu biasanya membran makin mampat dan menjadi tidak reversible. Normalnya membran bekerja pada suhu 21-35 derajat Celcius. Fouling membran dapat diakibatkan oleh zat-zat dalam air baku seperti kerak, pengendapan koloid, oksida logam, bahan organik dan silika. Oleh sebab itu cairan yang masuk ke proses reverse-osmosis harus terbebas dari partikel-partikel besar agar tidak merusak membran. Pada prakteknya, cairan sebelum masuk ke proses reverse-osmosis dilakukan serangkaian pengolahan terlebih dahulu, biasanya dilakukan pretreatment dengan koagulasi dan flockulasi yang dilanjutkan dengan adsorbsi karbon aktif dan mikrofiltrasi. Pada suatu saat membran akan mengalami kotor, akibat dari adanya material-material yang tidak bisa lewat. Hal ini yang menyebabkan tersumbatnya membran. Kotoran yang terbentuk gumpalan kotoran, kerak atau hasil proses hidrolisa. Untuk mengembalikan kekondisi semula dilakukan pembersihan dengan menggunakan larutan pembersih yang khusus. Bahan ini bisa melarutkan kotoran tetapi tidak merusak membran yang biasanya terbuat dari enzim. Proses pencucian dilakukan dengan meresirkulasi larutan pencuci ke membran selama kurang lebih 45 menit. Keuntungan metode RO berdasarkan kajian ekonomi antara lain: Untuk umpan dengan padatan terlarut total di bawah 400 ppm, Reverse Osmosis merupakan perlakuan yang murah. Untuk umpan dengan padatan terlarut total di atas 400 ppm, dengan perlakuan awal penurunan padatan terlarut total sebanyak 10% dari semula, RO lebih menguntungkan dari proses deionisasi.
Untuk umpan dengan konsentrasi padatan terlarut total berapapun, disertai dengan kandungan organik lebih dari 15 g/l, RO sangat baik untuk praperlakuan proses deionisasi. Reverse Osmosis sedikit berhubungan dengan bahan kimia sehingga lebih praktis. 2. ELEKTRODIALISIS Elektrodialisis merupakan proses pemisahan elektrokimia yang memindahkan ion melewati membran semipermeabel. Proses elektrodialisis pada dasarnya sama dengan proses dialisis. Faktor yang membedakan adalah pada driving force. Driving force pada elektrodialisis adalah adanya gaya elektromotif sehingga akan menghasilkan tingkat transfer ion yang meningkat. Sebuah stack elektrodialisis mempunyai tiga sel. Stack membran tersusun oleh: umpan air baku elektroda (katoda dan anoda) membran (anion-permeable dan cation-permeable) outlet air produk outlet konsentrat Gambar 4. Prinsip Elektrodialisis. (a) Tampa katas, (b) Penampang Aliran air dalam stack elektrodialisis berlangsung seperti pada penjelasan berikut. Jika aliran langsung mengenai elektroda, maka semua ion bermuatan positif (kation) cenderung bergerak menuju katoda. Sebaliknya, semua ion bermuatan negatif (anion) cenderung bergerak menuju anoda. Kation dapat menembus membran cation-permeable, dan akan tertahan oleh membran anion-permeable. Sebaliknya anion dapat menembus membran anionpermeable, dan
akan tertahan oleh membran cation-permeable. Kompartemen dibuat berselang-seling antara yang berkonsentrasi ion yang lebih besar atau lebih kecil daripada konsentrasi ion di umpan. Sebagai hasilnya, aliran dari stack mengandung air produk, yang mempunyai konsentrasi elektrolit rendah, dan larutan garam, yang mempunyai konsentrasi elektrolit tinggi. Sel dalam stack disambungkan dengan aliran paralel. Gas sering terbentuk pada elektroda, seperti hidrogen pada katoda dan oksigen serta klor pada anoda. Sebuah membran elektrodialisis bersifat berpori, tipis, matriks terbuat dari resin penukar ion sintetis. Matriks membran cation-permeable mempunyai muatan negatif karena ionisasi dari site penukar kation. Kation yang dapat ditukar dengan ruang pori sebanding dengan muatan negatif matriks. Jika arus mengalir, kation masuk ke pori dan menembus membran sehingga gaya perpindahan elektrik kation lebih besar daripada gaya tarik antara kation dan membran cationpermeable. Jika matriks bermuatan negatif, dia akan menolak anion. Membran anion-permeable dibuat dengan cara yang sama, di mana anion dapat menembus, tetapi kation akan tertahan.
Gambar 5. Proses Elektrodialisis. Proses pemisahan ion dalam suatu larutan dengan menggunakan alat elektrodialisis pada prinsipnya adalah dengan memanfaatkan perbedaan kemampuan ion untuk melewati rangkaian membran penukar ion dengan driving force perpindahan ionnya adalah perbedaan potensial listrik. Proses elektrodialisis sangat bergantung pada hal hal prinsip sebagai berikut : 1. Garam yang terlarut dalam air adalah terdiri dari ion ion (positif maupun negatif) 2. Ion ion dalam larutan bergerak ke arah elektroda yang memiliki muatan listrik yang berlawanan dengan muatan ion tersebut. 3. Membran yang digunakan dibuat agar bersifat selektif terhadap anion atau kation. Membran yang digunakan dalam proses elektrodialisis adalah membran penukar ion atau ion exchange membranes. Membran penukar ion ada dua, yaitu membran penukar kation dan membran penukar anion. Membran penukar ion umumnya dibuat dari proses crosslinking polymer dengan menambahkan gugus fungsi untuk masing masing membran. Membran penukar kation diberikan gugus fungsi negative sedangkan membran penukar anion diberikan gugus fungsi positif. Jika membran penukar ion diletakkan dalam suatu larutan elektrolit, afinitas membran penukar ion tersebut akan berbeda untuk setiap jenis ion bermuatan berbeda. Kation atau ion bermuatan positif akan bergerak menembus membran penukar kation karena adanya
gugus fungsi negative di dalam membran. Sedangkan anion dalam larutan elektrolit akan tertolak oleh membran penukar kation karena memiliki muatan yang sama dengan gugus fungsi negatif yang dimiliki oleh membran penukar kation.
DAFTAR PUSTAKA Ameridia, Inc, 1999. Production of Organic or Amino Acid by Bipolar Membrane Electrodialysis. Diambil dari internet di alamat http://www.ameridia.com/html/ebc.html Ameridia, Inc. 1999. The Bipolar Membrane.Diambil dari internet di alamat http://ameridia.com/html/ebp.htm
MAKALAH PBPAM MEKANISME PENYISIHAN KONTAMINAN PADA MEMBRAN REVERSE OSMOSIS DAN ELEKTRODIALISIS DISUSUN OLEH: NURUL FAJRI RAMADHANI 21080112130042 PROGRAM STUDI TEKNIK LINGKUNGAN FAKLTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2014