Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit dengan Menggunakan Membran Ultrafiltrasi

(1)

PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA

SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN

ULTRAFILTRASI

SKRIPSI

MUHAMMAD ADANAN

100803006

DEPARTEMEN MATEMATIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2014

(2)

PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA

SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN

ULTRAFILTRASI

SKRIPSI

Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai

gelar sarjana Sains

MUHAMMAD ADANAN

100803006

DEPARTEMEN MATEMATIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2014

(3)

PERSETUJUAN

Judul : Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit dengan Menggunakan Membran Ultrafiltrasi Kategori : Skripsi

Nama : Muhammad Adanan

Nomor Induk Mahasiswa : 100803006

Program Studi : Sarjana (S1) Matematika Departemen : Matematika

Fakultas : Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA) Universitas Sumatera Utara

Disetujui di

Medan, April 2014

Komisi Pembimbing :

Pembimbing 2, Pembimbing 1,

Dr. Mardiningsih,M.Si. Prof. Dr. Tulus, M.Si. NIP. 196304051988112001 NIP. 196209011988031002

Disetujui oleh

Departemen Matematika FMIPA USU Ketua,

Prof. Dr. Tulus, M.Si. NIP. 196209011988031002

(4)

PERNYATAAN

PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI

SKRIPSI

Saya mengakui bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, April 2014

Muhammad Adanan 100803006

(5)

PENGHARGAAN

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT Yang Maha Pemurah dan Maha Penyayang, dengan limpahan karunia Nya penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini dengan judul Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit dengan Menggunakan Membran Ultrafiltrasi.

Terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si. selaku pembimbing 1 dan Ibu Dr. Mardiningsih,M.Si. selaku pembimbing 2 yang telah memberikan bimbingan dan telah meluangkan waktunya selama penulisan skripsi ini. Terima kasih kepada ketua dan sekretaris Departemen Matematika Bapak Prof. Dr. Tulus, M.Si dan Ibu Dr. Mardiningsih, M.Si. Dekan dan Pembantu Dekan FMIPA USU, Seluruh Staff dan Dosen Matematika FMIPA USU, pegawai FMIPA USU dan rekan-rekan kuliah.

Ucapan terimakasih ditujukan kepada kedua orang tua penulis Ayahanda Salamat Pulungan dan Ibunda Samiah yang selalu mendo’akan, memberi semangat dan bantuan baik secara moril maupun material kepada penulis sejak awal perkuliahan hingga selesai skripsi ini. Semoga segala bentuk bantuan yang telah diberikan kepada penulis mendapatkan balasan yang lebih baik dari Allah SWT.

(6)

PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI

ABSTRAK

Model penyaringan biasanya digunakan untuk menggambarkan pemindahan koloid selama penyaringan dalam aplikasi perawatan air. Kertas kerja ini memaparkan model matematika dari air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran ultrafiltrasi. Model diturunkan menggunakan beda tekanan dari dua daerah yang dibatasi oleh penyaring selaput. Pembentukan lapisan akibat penyaringan diperhatikan yang bisa mempengaruhi prestasi penyaring. Model yang dihasilkan dibandingkan dengan hasil eksperimen.

(7)

PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI

ABSTRACT

Screening models are usually used to describe the removal of colloids during filtration in water treatment applications. This paper describes a mathematical model of palm oil mill wastewater with ultrafiltration membranes. Models derived using the pressure differences of the two regions bounded by the filter membrane. Due to the formation of a layer of screening that could affect achievement considered filter. The resulting model compared with experimental results.

(8)

DAFTAR ISI

Halaman

Persetujuan i

Pernyataan ii

Penghargaan iii

Abstrak iv

Abstract v

Daftar Isi vi

Daftar Tabel vii

Daftar Gambar viii

Bab 1. Pendahuluan

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Perumusan Masalah 3

1.3 Batasan Masalah 3

1.4 Tujuan Penelitian 3

1.5 Manfaat Penelitian 4

1.6 Metodologi Penelitian 4

Bab 2. Tinjauan Pustaka

2.1 Fndamental Proses Ultrafiltrasi 5

2.2 Keuntungan Dan Kelemahan Membran 6

2.3 Fouling Membran 7

2.4 Metode Reduksi Fouling 8

2.5 Polarisasi Konsentrasi 10

2.6 Membran Ultrafiltrasi 11

Bab 3. Pembahasan 3.1 Data Eksperimen Ultrafiltrasi 14

3.2Transportasi Phenomena di membran 16

3.3Prediksi Fluks oleh Model Tekanan Osmotik 18 Bab 4. Kesimpulan dan Saran

4.1 Kesimpulan 24

4.2 Saran 24

(9)

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

Tabel

3.1. Karakteristik POME Mentah dan POME yang diolah 15 (Ahmad et al,2006)

3.2. Data Eksperimen (Ahmad et al,2006) 15 3.3. Perkiraan Parameter 16

(10)

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

Gambar

2.1. Polarisasi Konsentrasi pada Membran 10 2.2. Reprentasi Skematik dari Fenomena Polarisasi Konsentrasi 12 Keadaan Mapan dalam Unit Filtrasi Cross Flow

3.1. Volume Fluks Permeat pada Model Terhadap Waktu 21 Filtras Pada Tekanan Transmembran yang Berbeda

3.2. Perbandingan VolumeFluksPermeat pada Modelterhadap 22 WaktuFiltrasipada TekananTransmembranyang Berbeda

3.3. Perbandingan VolumeFluksPermeat pada Eksperimen 23

terhadap WaktuFiltrasipada TekananTransmembran yang Berbeda

(11)

PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI

ABSTRAK

(12)

PEMODELAN PENYARINGAN AIR LIMBAH PABRIK KELAPA SAWIT DENGAN MENGGUNAKAN MEMBRAN ULTRAFILTRASI

ABSTRACT

(13)

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Indonesia merupakan salah satu negara penghasil minyak kelapa sawit (crude palm oil, CPO) terbesar di dunia. Hal ini dapat dilihat dari penguasaan pasar CPO dimana sekitar 80% minyak kelapa sawit yang beredar di pasaran dunia dihasilkan oleh Indonesia dan Malaysia. Berbagai usaha telah dilakukan untuk meningkatkan kinerja industri CPO . Salah satu di antaranya adalah melalui sistem integrasi kebun-ternak atau dikenal sebagai sistem integrasi kelapa sawit-sapi (SISS). Sistem ini telah terbukti dapat meningkatkan produktivitas dan kesejahteraan petani dimana keuntungan yang diperoleh tidak saja dari sektor perkebunan melainkan juga dari sektor peternakan. Namun demikian, permasalahan limbah hingga saat ini masih menjadi kendala utama dalam sektor industri CPO.

Limbah yang dihasilkan dari industri CPO termasuk kategori limbah berat seperti merkuri, seng, dan lain-lain. Dengan kuantitas yang tinggi dan kandungan kontaminan yang dapat mencapai hingga 20.000-60.000 mg/l dan 40.000-120.000 mg/l berturut-turut untuk BOD (biochemical oxygen demand) dan COD (chemical oxygen demand). Limbah terutama dihasilkan dari tahap perebusan, pengendapan, dekantasi, dan sentrifugasi yang dilakukan selama proses klarifikasi CPO. Limbah cair yang dihasilkan dari tahap ini tidak kurang dari 2,5 m3/ton produk CPO. Jika proyeksi produksi yang dicanangkan sebesar 10 juta ton tercapai, maka akan dihasilkan sekitar 25 juta m3 limbah cair. Limbah dalam bentuk heavy phase dan kondensat dengan karakteristik demikian sangat sulit diatasi hanya dengan konsep end-off pipe treatment

semata. Permasalahan utama yang dihadapi kemudian adalah kendala teknologi di mana pengolahan limbah yang ada saat ini sulit untuk menghasilkan keluaran yang mengarah pada industri CPO yang bebas limbah.

(14)

Daya saing suatu industri tidak hanya ditentukan oleh jumlah, kuantitas, dan harga produk yang dihasilkan, tetapi juga ditentukan oleh proses produksi yang digunakan terutama untuk produksi berorientasi ekspor. Beranjak dari permasalahan yang dijumpai di lapangan, solusi terpadu dari program zero waste effluent dan integrasi kebun-ternak dalam industri CPO merupakan alternatif yang sangat atraktif untuk menyelesaikan persoalan limbah industi.

Membran adalah suatu lapisan tipis bersifat selektif permeabel diantara dua fase yang membolehkan perpindahan spesi-spesi tertentu. Secara umum membran dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori, yaitu :

a. Membran berpori (porous) dan tidak berpori (non porous). b. Membran polimer (organic) dan keramik (non organic). c. Membran bermuatan dan tidak bermuatan.

Ultrafiltrasi (UF) adalah membran yang spektrum filtrasinya terletak antara nanofiltrasi dan mikrofiltrasi dan memisahkan konstituen yang berukuran 1 – 100 nanometer, atau beratnya sekitar 500-500.000 dalton. Mekanisme kerja membran UF berdasarkan perbedaan ukuran molekul dengan tekanan. UF dapat mengontrol mikroorganisme pathogen kecil seperti virus dengan sangat efektif dan mengurangi kekeruhan air (Mulder,1996).

UF bekerja dengan model crossflow yaitu aliran umpan mengalir paralel terhadap membran filtrasi. Crossflow bekerja pada ”sweep steam” yang terus

membersihkan permukaan membran dari endapan. Ada 2 produk dari UF yaitu permeat yang mengandung komponen yang kecil yang sanggup melewati membran, dan konsentrat yang mengandung endapan. Pada proses pemisahan crossflow, aliran umpan searah dengan permukaan membran dan permeat keluar tegak lurus dengan arah aliran umpan. Hal ini dapat mengurangi kemungkinan terjadinya fouling pada membran, mengurangi polarisasi konsentrasi, adsorpsi dan pembentukan cake.

Crossflow lebih banyak digunakan pada hampir semua proses membran dengan

(15)

Penelitian tentang pemodelan penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran mikrofiltrasi telah diteliti sebelumnya (Tulus,2008). Maka peneliti mencoba untuk meneliti tentang ” Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik

Kelapa Sawit dengan Menggunakan Membran Ultrafiltrasi “. Karena membran ultrafiltrasi memiliki pori yang lebih kecil dibandingkan dengan mikrofiltrasi sehingga lebih efisien.

1.2 Perumusan Masalah

Pada penelitian ini, yang menjadi permasalahan adalah memodelkan penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran ultrafiltrasi. Dimana nanti model yang dibuat merupakan prediksi fluks permeat dari penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan menggunakan membran ultrafiltrasi. Dan kemudian model yang diperoleh akan dibandingkan dengan hasil eksperimen.

1.3 Batasan Masalah

Penelitian dari Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit dengan Membran Ultrafiltrasi ini dibatasi oleh :

a. Tidak terjadi pembentukan lapisan akibat penyaringan.

b. Tekanan diberikan dari dua daerah yang dibatasi oleh penyaring selaput.

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan penelitian ini adalah:

a. Mengetahui proses ultrafiltrasi menggunakan bahan keramik dalam penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit.

(16)

b. Menyusun model yang sesuai untuk karakteristik proses ultrafiltrasi, kemudian membandingkan hasil yang diperoleh dari penelitian sebelumnya dengan model yang disusun.

1.5 Manfaat Penelitian

Dengan mengadakan penulisan ini, penulis berharap dapat menambah referensi bagi pembaca dan memberikan model penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan membran ultrafiltrasi.

1.6 Metode Penelitian

Penelitian ini bersifat studi literature,yaitu dengan melakukan penelitian literatur dan mengumpulkan data-data dari referensi buku dan jurnal-jurnal yg diperoleh dari perpustakaan maupun internet, dan melakukan bimbingan dengan dosen pembimbing untuk memperoleh bahan-bahan yang berkaitan dengan permasalahan yang dihadapi. Adapun langkah-langkah yang penulis lakukan adalah sebagai berikut:

Langkah 1 : Menjelaskan definisi penyaringan air limbah serta hubungan antara penyaringan air limbah dengan penyaringan air limbah pabrik kelapa

sawit dengan membran ultrafiltrasi. Langkah 2 :

a) Menentukan persamaan untuk ketebalan lapisan gel yang kemudian nanti akan disubstitusikan ke persamaan fluks permeat.

b) Memprediksi fluks permeat oleh model tekanan osmotik

c) Setelah model untuk fluks permeat diperoleh kemudian hasil model akan dibandingkan dengan hasil eksperimen sebelumnya.

(17)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Fundamental Proses Ultrafiltrasi

Membran adalah suatu lapisan tipis yang memisahkan dua fase dan membatasi pengangkutan berbagai bahan kimia secara selektif. Membran dapat berupa heterogen atau homogen, simetrik atau asimetrik dalam strukturnya, padat atau cairan, yang dapat membawa muatan positif atau negatif, netral atau bipolar. Membran dapat memanfaatkan berbagai driving force untuk memisahkan material. Ultrafiltrasi adalah teknik proses pemisahan membran untuk menghilangkan berbagai zat terlarut dengan BM (berat molekul) tinggi, aneka koloid, mikroba sampai padatan tersuspensi dari air larutan. Membran semipermeabel dipakai untuk memisahkan makromolekul dari larutan. Ukuran dan bentuk molekul terlarut merupakan faktor penting.

Dalam teknologi pemurnian air, membran ultrafiltrasi dengan berat molekul membran (MWC) 1000 – 20000 lazim untuk penghilangan pirogen, sedangkan berat molekul membran (MWC) 80.000- 100.000 untuk pemakaian penghilangan koloid. Terkadang pirogen (BM 10.000- 20.0000) dapat dihilangkan oleh membran 80.000 karena adanya membran dinamis. Tekanan sistem ultrafiltrasi biasanya rendah, 10-100 psi (70-700 kPa), maka dapat menggunakan pompa sentrifugal biasa. Membran ultrafiltrasi sehubungan dengan pemurnian air dipergunakan untuk menghilangkan koloid (penyebab fouling) dan penghilangan mikroba pirogen dan partikel dengan modul higienis. Membran ultrafiltrasi dibuat dengan mencetak polimer selulosa acetate (CA) sebagai lembaran tipis. Fluks maksimum bila membrannya anisotropic, ada kulit tipis rapat dan pengemban berpori. Membran selulosa acetate (CA) mempunyai sifat pemisahan yang bagus namun dapat dirusak oleh bakteri dan zat kimia, rentan pH. Ada pula membran dari polimer polisulfon, akrilik, juga polikarbonat, PVC, poliamida, piliviniliden fluoride, kopolimer AN-VC, poliasetal,

(18)

poliakrilat, kompleks polielektrolit, PVA ikat silang. Juga dapat dibuat membran dari keramik, aluminium oksida, zirconium oksida, dsb.

2.2 Keuntungan dan Kelemahan Membran

Sebagai teknologi pemisah, teknologi membran mempunyai keuntungan dibandingkan dengan proses pemisahan lain seperti:

1. Pemisahan berdasarkan ukuran molekul (bentuk, muatan)

2. Energi yang dibutuhkan relatif rendah karena biasanya tidak terjadi perubahan fase.

 Beroperasi pada temperatur rendah

 Menghindari kerusakan dari zat terlarut yang sensitif terhadap panas 3. Dapat beroperasi secara kontinyu ataupun bacth

4. Tidak ada penambahan produk buangan

5. Proses membran dapat digabungkan dengan proses pemisahan lainnya 6. Pemisahan dapat dilakukan dalam kondisi yang mudah diciptakan 7. Mudah dalam scale up

Di samping mempunyai keuntungan, proses membran juga mempunyai kekurangan di antaranya:

1. Penyumbatan pori membran (fouling)

Adanya fouling dapat menyebabkan penurunan fluks. Fluks berbanding terbalik dengan selektifitas. Semakin tinggi fluks seringkali berakibat menurunnya selektifitas dan sebaliknya. Sedangkan hal yang diinginkan dalam proses berbasiskan membran adalah mempertinggi fluks dan selektifitas. Fouling dikendalikan dengan pembersihan secara berkala. Dalam penyaringan air, ion Fe dan Mn menjadi salah satu penyebab terjadinya fouling. Ion Fe dalam air berupa _{dan jika teroksidasi dengan udara akan berubah menjadi ferri (} ₎ sehingga akan terbentuk endapan . Mn dalam air berbentuk dan _{. Dalam kondisi cukup udara maka} _{teroksidasi menjadi} _{. Dalam} kondisi anaerob maka teroksidasi menjadi membentuk .

(19)

Kedua endapan ini dapat membentuk lapisan pada permukaan membran, yang biasa disebut dengan fouling.

2. Stabilitas membrane

Kebanyakan material membran terkendala polimer yang mempunyai keterbatasan terhadap pH, temperatur, dan ketahanan kimia.

2.3 Fouling Membran

Fouling membran merupakan perubahan irreversibel yang terjadi pada membran yang disebabkan oleh interaksi fisik dan atau kimia spesifik antara membran dan komponen-komponen yang ada dalam aliran proses. Terjadinya fouling membran tidak dapat dihindari dan inilah tantangan terberat dalam teknologi membran. Lapisan fouling membran (foulant) ini menghambat filtrasi. Foulant ini dapat berupa endapan organik (makromolekul, substansi biologi), endapan inorganik (logam hidroksida, garam kalsium) dan partikulat. Foulant akan terakumulasi pada permukaan membran karena tidak ikut ambil bagian dalam transfer massa. Akibatnya foulant ini akan mengurangi efektivitas dan fluks membran. Berbagai cara telah dilakukan untuk menghindari terjadinya fouling membran. Prefilter atau screen digunakan untuk memisahkan partikel berukuran besar yang dapat menutupi permukaan membran. Tingginya kecepatan cross flow dapat menyapu foulant yang berada di permukaan membran. Tekanan yang rendah menghindari pemadatan gel di permukaan membran. Beberapa polimer dan bahan kimia memiliki kepekaan yang tinggi sebagai penyebab terjadinya fouling.

Fouling pada membran dapat menurunkan fluks pelarut melewati membran. Ada dua proses yang terjakit dengan fenomena fouling ini, yaitu secara internal akan terjadi proses peracunan (poisoning) dan secara eksternal adalah pertumbuhan fouling itu sendiri. Berikut adalah mekanisme terbentuknya fouling pada membran :

(20)

1. Terbentuk Pore Narrowing/Constriction. Butiran foulant teradsopsi ke dalam membran sampai menutupi lubang permukaan membran, tetapi masih ada celah untuk meresapnya cairan masuk ke membran

2. Terbentuk Pore Plugging. Butiran foulant mulai menutupi permukaan membran sehingga tidak ada celah untuk cairan masuk ke membran

3. Terbentuk lapisan gel. Butiran foulant mulai menutupi permukaan membran dan membentuk lapisan gel

Beberapa cara untuk mengurangi terjadinya fouling :

1. Perlakuan awal larutan umpan Perlakuan awal pada air umpan dimaksudkan untuk menghilangkan kekeruhan atau padatan tersuspensi, mengontrol pH umpan, mengurangi kecenderungan terbentuknya kerak dan menghilangkan zat teremulsi/zat organik lainnya.

2. Merubah sifat membran Merubah sifat membran dapat mengurangi terbentuknya

fouling pada membran berpori. Umumnya fouling lebih mudah terjadi pada membran berpori dibandingkan dengan membran yang tebal. Distribusi ukuran pori yang tipis dapat mengurangi penyumbatan. Pemakaian membran hidrofilik dibandingkan dengan membran hirofobik juga dapat mengurangi fouling.

3. Kondisi operasi Fenomena fouling dapat berkurang seperti pada polarisasi konsentrasi. Polarisasi konsentrasi dapat berkurang dengan meningkatkan koefisien perpindahan massa. Selain itu penggunaan aliran turbulen dapat mengurangi terjadinya fouling.

2.4 Metode Reduksi Fouling

Beberapa cara untuk mengurangi terjadinya fouling :

1. Perlakuan awal larutan umpan Perlakuan awal pada air umpan dimaksudkan untuk menghilangkan kekeruhan atau padatan tersuspensi, mengontrol pH umpan,

(21)

mengurangi kecenderungan terbentuknya kerak dan menghilangkan zat teremulsi/zat organik lainnya.

2. Merubah sifat membran Merubah sifat membran dapat mengurangi terbentunya fouling pada membran berpori. Umumnya fouling lebih mudah terjadi pada membran berpori dibandingkan dengan membran yang tebal. Distribusi ukuran pori yang tipis dapat mengurangi penyumbatan. Pemakaian membran hidrofilik dibandingkan dengan membran hirofobik juga dapat mengurangi fouling.

4. Pembersihan membran

metode pembersihan membran :

 Pembersihan secara hidrolik Termasuk back-flashing, penekanan, pengurangan tekanan, serta merubah arah aliran.

 Pembersihan secara mekanik Hanya dapat diterapkan pada sistem turbular menggunakan bola pembersih

 Pembersihan secara kimia Bahan kimia yang dapat digunakan antara lain asam kuat ( ), asam lemah (asam sitrat), alkali (NaOH), deterjen (alkalin, non ionic), complexing agent (EDTA), disinfektan dan (NaOCL) dan gas (etilen axida) sterilisasi. Bahan kimia untuk pembersihan yang digunakan hanya sebagian atau kombinasi. Konsentrasi bahan kimia dan waktu pencucian sangat penting dalam menangani

fouling.

 Pembersihan secara elektrik Metode pembersihan ini menggunakan medan elektrik di sekitar membran. Partikel akan tertarik pada medan elektrik. Pemindahan partikel dari interfase dapat diterapkan tanpa menganggu proses.

(22)

2.5 Polarisasi Konsentrasi

Polarisasi konsentrasi adalah sebuah fenomena yang menggambarkan bagaimana akumulasi dari solusi yang menahan membran hasil lapisan fouling pada permukaan membran dengan konsentrasi yang relative tinggi. Ini karena ditahan oleh larutan karna konsentrasi pada vicinity membran meningkat yang menghasilkan sebuah gradien konsentrasi sebagaimana di ilustrasikan pada gambar (2.1.).

Gambar 2.1. Polarisasi konsentrasi pada membran

Akumulasi zat terlarut pada permukaan membran akan menyebabkan transportasi difusi kembali dari membran menuju sebagian besar pakan. Proses itu mencapai steady state ketika transportasi konvektif dari zat terlarut terhadap permukaan membran adalah sama dengan jumlah dari aliran permeat ditambah tingkat zat terlarut menuju back-difusi (Bowen dan Jenner, 1995)

Jc

=

D

+

J

(2-1)

(23)

D = koefisen difusi Syarat batasnya adalah

y = 0 c = y = c =

integrasi dari hasil persamaaan (2-1) pada persamaan berikut :

J =

ln

(

)

(2-2)

= koefisen transfer massa δ = ketebalan batas lapisan

Ini adalah dasar dari persamaan konsentrasi polarisasi dimana = D/ .

2.6 Membran Ultrafiltrasi

UF bekerja dengan model crossflow yaitu aliran umpan mengalir paralel terhadap membran filtrasi. Crossflow bekerja pada ”sweep steam” yang terus membersihkan permukaan membran dari endapan. Ada 2 produk dari UF yaitu permeat yang mengandung komponen yang kecil yang sanggup melewati membran, dan konsentrat yang mengandung endapan. Pada proses pemisahan crossflow, aliran umpan searah dengan permukaan membran dan permeat keluar tegak lurus dengan arah aliran umpan. Hal ini dapat mengurangi kemungkinan terjadinya fouling pada membran, mengurangi polarisasi konsentrasi, adsorpsi dan pembentukan cake.

(24)

Crossflow lebih banyak digunakan pada hampir semua proses membran dengan

driving force beda tekanan berskala besar. Sebagian besar membran-membran ultrafiltrasi yang digunakan secara komersial akhir- akhir ini disiapkan dari bahan – bahan polymer misalnya:

- polysulfone/ poly (ether sulfone)/ sulfonated polysulfone - poly vinylidene fluoride

- polyacrylonitrile (dan block-copolymer yang berhubungan) - cellulocies (misalnya, asetat selulose)

- aliphatic polyamides - polyetheretherketone

Selain bahan-bahan tersebut, keramik juga telah digunakan untuk membran-membran ultrafiltrasi, khususnya alumina (Al2O3) dan zirconia (ZrO2) (Mulder, 1996).

Seperti disebutkan sebelumnya, zat terlarut ditolak oleh membran, menumpuk dekat permukaan membran dan ini dikenal sebagai polarisasi konsentrasi. Efek dari fenomena ini akan menyebabkan resistensi ekstra hidrolik untuk aliran pelarut. Sementara itu, tekanan osmotik mengembangkan dan bertindak terhadap tekanan transmembran yang diterapkan. Sebagaimana yang digambarkan oleh gambar 2.2.

Gambar 2.2.

(a) (b)

Representasi skematik dari fenomena polarisasi konsentrasi keadaan mapan dalam unit filtrasi cross-flow yang digambarkan (a) dibangun dari lapisan terpolarisasi dibawah akibat aliran aksial dan geretan permeasi, dan (b) akumulasi dari larutan

(25)

dekat membran pada posisi aksial dari kanal filtrasi. (b) juga menunjukkan tekanan mekanik dan osmotik pada lokasi yang berbeda dalam lapisan terpolarisasi.

Suatu proses filtrasi cross-flow keadaan mapan tergambar seperti dalam Gambar 2.2. (a). Larutan yang ditahan pada permukaan membran yang dihasilkan dalam suatu lapisan terpolarisasi dengan konsentrasi larutan variabel spasial. Pada keadaan setimbang, ketebalan dari lapisan terpolarisasi, konsentrasi larutan pada permukaan membran, dan fluks permeat bergantung pada posisi aksial dalam kanal filtrasi. Daerah tipikal dari lapisan terpolarisasi dan membran pada suatu jarak aksial arah ke bawah dari pintu masuk kanal ditunjukkan secara skematik dalam Gambar 2.2. (b). Sementara perjalanan dari larutan ke sisi tekanan rendah dari membran, permeat mendorong tahanan dari lapisan terpolarisasi yang diikuti oleh membran tersebut. Kedua tahanan ini ditampilkan secara berbeda oleh model filtrasi dan tekanan osmotik.

J =| | | |

(2-3)

J = fluks

= tekanan transmembran

= beda tekanan osmosis antara zat terlarut dengan permeat = tahanan membrane

(26)

BAB 3

PEMBAHASAN

3.1 Data Eksperimen Ultrafiltrasi

Data eksperimen yang diperoleh dari literatur ini akan digunakan untuk menguji validitas model yang dibuat. Data eksperimental disajikan dalam Bab ini berasal dari sistem membran dengan pretreatment limbah pabrik kelapa sawit (POME) sebagai pakan ke ultrafiltrasi, POME ini terdiri dari sistem larutan terner (karbohidrat konstituen, protein kasar dan ammonical nitrogen).

(Ahmad et al, 2006) diperoleh POME dari United Palm Oil Mill, Penang, Malaysia. Karena tujuan mereka pretreatment dari POME adalah untuk menghapus minyak dan lemak dan padatan sebelum POME yang dimasukkan kedalam ultrafiltrasi sistem (Ahmad et al, 2006) mereka pertama kali mulai dengan koagulasi dan proses flokulasi. Sebaliknya, ratusan liter POME dipindahkan ketangki perawatan kimia dan mereka membeli tiga liter, untuk ditambahkan ke dalam POME dengan kecepatan pengadukan 50 rpm. Untuk mengatur nilai pH dengan pH 6 mereka digunakan kelas industri natrium hidroksida 65 % (NaOH). Mereka juga menambahkan tiga liter flokulan (0,1 %), polimer kationik (FO 4190) yang POME pada kecepatan pengadukandari 10 rpm selama 15 menit. Setelah itu, mereka membiarkan campuran dibiarkan mengendap dan mereka dihapus hasil lumpur dengan menggunakan filter press. Supernatan adalah POME pretreatment untuk ultrafiltrasi. Tabel (3.1.) menyajikan karakteristik baku dan pra-perawatan POME. Rincian pretreatment dari POME disajikan tempat lain (Ahmad et al, 2006). Tabel (3.1.) menunjukkan dengan jelas bahwa minyak dan lemak serta padatan tersuspensi telah dihapus (dengan penghapusan 70 % dari COD) oleh koagulasi dan flokulasi. Untuk COD sisanya (30 %) itu dihapus oleh ultrafiltrasi dan proses osmosis balik.

(27)

Tabel 3.1. Karakteristik POME Mentah dan POME yang diolah (Ahmad et al,2006)

Ultrafiltrasi dalam hal ini berfungsi sebagai pretreatment untuk revers osmosis. Dari analisis komposisi kimia dari POME pra-perawatan, yang komponen utama (zat terlarut) berkontribusi pada COD adalah karbohidrat konstituen, protein kasar dan amonia nitrogen. Oleh karena itu, pra-perawatan POME membentuk sistem terner untuk zat terlarut ultrafiltrasi. Sampel POME pretreatment pada berbagai konsentrasi yang dibuat dengan mengencerkan sampel dengan air suling. Rincian eksperimental run tercantum dalam Tabel (3.2.).

Tabel 3.2 . Data eksperimen (Ahmad et al, 2006)

Percobaan (bar) (mg/L) (mg/L)

(mg/L) (mg/L)

(mg/L)

1 1 4 5720 3015 2675 34 0,17

2 2 4 5720 3015 2675 34 0,21

3 3 4 5720 3015 2675 34 0,25

4 4 4 5720 3015 2675 34 0,26

5 4 3 5720 3015 2675 34 0,11

6 4 5 5720 3015 2675 34 0,41

7 4 7 5720 3015 2675 34 0,56

8 4 4 1431 754 669 8 0,08

9 4 4 2862 1508 1337 17 0,13

10 4 4 7155 3770 3344 42 0,33

Parameter POME mentah

Pretreatment POME

PH 4,7 6

minyak dan lemak 4000 mg/L tidak terdeteksi Chemical oxygen demand

(COD) 50000 mg/L 15000 mg/L

padatan tersuspensi 40500 mg/L tidak terdeteksi Ammoniacal nitrogen 35 mg/L 34 mg/L

(28)

Tabel 3.3. Perkiraan Parameter Perkiraan Parameter

Parameter Nilai

3.2 Transportasi Fenomena di membran

Kekuatan pendorong filtrasi pada membran adalah tekanan gradien melintasi membran. Sebagai hasil dari kekuatan pendorong konvektif transportasi zat terlarut dan pelarut dari bulk ke permukaan membran. Pelarut meresap melalui membran dan zat terlarut dipertahankan oleh membran sehingga konsentrasi zat terlarut di dekat permukaan yang akan meningkatkan. Sebagai hasil dari gradien konsentrasi yang dihasilkan, molekul zat terlarut akan berdifusi jauh dari permukaan membran. Konvektif transportasi kepermukaan membran yang seimbang dengan transportasi kembali dari permukaan membran untuk bulk. Transportasi kembali ini diatur oleh difusi. Dalam aliran silang proses filtrasi membran steady state tercapai ketika konvektif transportasi sama dengan transportasi kembali, akibatnya fluksnya konstan. Transportasi kembali dipengaruhi oleh kondisi aliran di dalam membran. Massa transportasi untuk masing-masing zat terlarut i telah diasumsikan sebanding dengan koefisen transport, dan konsentrasi zat terlarut dalam lapisan gel (Bhattacharjee et al, 2006).

(29)

= koefisen transport

= massa

=

konsetrasi zat terlarut dalam lapisan gel

Dengan mengintegralkan persamaan (3.1)

∫

=

_∫

=

(3.2)

Dengan mensubstitusikan persamaan (3.2) ke persamaa (3.3) maka total volume permeatnya (Ahmad et al, 2006).

∑

=

∑

+

∑

t

(3.3)

∑

=

∑

+

t

∑

t

= waktu

= Volume permeat

= konsentrasi di bulk

= konsentrasi di gel

(30)

Dan ketebalan lapisan gel

z

merupakan

sehingga

∑

-

∑

=

∑

z = ∑ ∑

∑ (3.4)

3.3 Prediksi fluks oleh model tekanan osmotic

Tekanan osmotik adalah mekanisme pengendali tunggal untuk zat terlarut yang tidak membentuk gel dan telah menerima perhatian lebih baru-baru ini. Seperti disebutkan sebelumnya tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk menyelidiki apakah model ini mampu memprediksi perilaku fluks lengkap atau tidak, Penurunan fluks tidak hanya tergantung pada tekanan dan tekanan osmotik. Penurunan fluks juga tergantung pada peningkatan resistensi, ini bisa disebabkan oleh pembentukan lapisan gel. Dengan demikian, istilah baru termasuk ketahanan lapisan gel harus dimasukkan ke dalam hukum Decay dan model persamaan tekanan osmotik (Ahmad et al, 2006).

=

| |

(3.5)

= tahanan gel

Sebuah deskripsi kuantitatif penurunan fluks dalam ultrafiltrasi melibatkan hubungan berikut antara dua dari tiga variabel berikut yang terkait dengan:

(31)

=

(3.6)

Oleh karena itu, untuk system cross flow ultrafiltrasi terus menerus menggunakan hukum Darcy persamaan berikut dapat ditulis sebagai

=

(3.7)

Berdasarkan persamaan (2.3), dalam bentuk lain persamaan (3.7) dapat ditulis sebagai berikut :

=

| | | |

(3.8)

= tahanan pada lapisan gel

A = luas membran

persamaan (3.4) disubstitusikan ke persamaan (3.8) maka diperoleh

=

+

(32)

=

+

(

∑ ∑

-

∑ ∑

)

=

+

∑ ∑

–

∑ ∑

)

untuk i=1,2,3,…,n

Misalkan = =

∑ ∑ = ∑ ∑ Maka

= - t (3.9)

Dengan mensubstitusikan nilai-nilai yang diperoleh dari hasil eksperimen pada model persamaan (3.9) untuk mendapatkan hasil output. Hasil model yang diperoleh dibandingkan dengan data eksperimen (Ahmad et al., 2006). Dimana penurunan volume fluks permeat diplot terhadap waktu filtrasi dengan meningkatnya tekanan

(33)

transmembran, Penurunan volume fluks permeat seperti yang diperkirakan oleh model yang ditampilkan pada gambar (3.1.).

Gambar 3.1 Volume fluks permeat pada model terhadap waktu filtrasi pada tekanan transmembran yang berbeda.

3.4 Perbandingan antara hasil simulasi model dan data eksperimen dari Volume fluks permeat

Data diperkirakan oleh model dibandingkan dengan percobaan Hasil pada Gambar (3.2. dan 3.3.), dimana total fluks permeat yang dikumpulkan terhadap waktu. Tekanan adalah kekuatan pendorong utama dalam proses pemisahan membran. Garis padat sesuai dengan nilai-nilai yang dihitung dengan model sesuai dengan hasil eksperimen pada fluks terhadap waktu. Fluks permeat diperkirakan oleh model sangat mirip dengan hasil eksperimen. Fluks permeat menurun dengan waktu mencapai nilai steady state menyusul penurunan awal yang disebabkan oleh fouling membran. Pada saat yang sama, dengan peningkatan tekanan transmembran dari (1 sampai 4 bar) peningkatan fluks volume yang permeat diamati sampai nilai kritis

0 5 10 15 20 25 30 35

0 1000 2000 3000

4 bar 3 bar 2 bar 1 bar

(34)

tekanan transmembran (3 bar) tercapai. Fluks pertama meningkat dengan meningkatnya tekanan transmembran dan akhirnya menjadi konstan mengarah ke steady state fluks dan peningkatan lebih lanjut dari tekanan tidak akan meningkatkan fluks steady state dan sistem membran akan beroperasi pada nilai fluks kritis.

Fluks kritis adalah fluks di mana deposisi koloid terjadi di bawah nilai fluks-fluksnya, fluks berbanding lurus dengan transmembrane pressure (TMP). Namun, fluks bisa tetap jika tekanan melampaui titik kritis akibat polarisasi konsentrasi dan fouling membran, fluks tidak dapat meningkat setelah gel polarisasi terjadi, dan pada akhirnya dapat menurun dengan lebih meningkatkan tekanan transmembran akibat pemadatan lapisan gel_.

Gambar 3.2. Perbandingan Volume fluks permeat pada model terhadap waktu filtrasi pada tekanan transmembran yang berbeda.

0 5 10 15 20 25 30 35

0 1000 2000 3000

4 bar 3 bar 2 bar 1 bar

(35)

Gambar 3.3. Perbandingan Volume fluks permeat terhadap waktu filtrasi pada tekanan transmembran yang berbeda pada eksperimen

(36)

BAB 4

KESIMPULAN DAN SARAN

4.1 Kesimpulan

Dari studi ini dapat disimpulkan bahwa pemodelan filtrasi cross flow dapat diturunkan menggunakan proses filtrasi. Pembahasan bab sebelumnya membuktikan bahwa fluks permeat dengan waktu adalah berbanding terbalik. Dan model yang dibuat sama dengan hasil eksperimen sebelumnya.

4.2 Saran

Kajian ini dapat diperluas lagi dengan menggabungkan pemodelan penyaringan air limbah pabrik kelapa sawit dengan kombinasi membran ultrafiltrasi dan anaerob berbahan dasar polisulfon sebab membran polisulfon memiliki keunggulan yaitu kestabilan kimia dan temperatur yang baik hingga mencapai C dan dapat digunakan pada pH dari 1,5 sampai 12.

(37)

DAFTAR PUSTAKA

Ahmad, A.L., Chong, M.F. and Bhatia, S. 2006. “Ultrafiltration modeling of multiple solutes system for continous cross-flow process”,Chemical Eng. Sci, Vol 61,

pp.5057-5069.

Bowen, W.R., and Jenner F. 1995. Theoretical Descriptions of Membrane Filtration of Colloids and Fine Particles: and Assessment and Review . Advances in Colloid and Interface Science ,56 pp. 141-200.

Bhattacharjee C., Sarkar P., S. Datta S., B.B. Gupta B.B., Bhattacharya P.K.. 2006.

Parameter estimation and performance study during ultrafiltration of Kraft black liquor . Elsevier ,Separation and Purification Technology,1-11

Johnson, A.S., and Tragardh, G., 1990. Fundamental Principles of Ultrafiltration, Chem. Eng.

Kedem,O., and Katchalsky, A. 1961. A physical Interpretation of the Phenomenological Coefficients of Membrane Permeability ,The Journal of General Physiology.Vol 45, 143-179.

Maulana, S., Syarfi., Adrianto, A. 2008. Kombinasi pengolahan anaerob dan membran ultrafiltrasi berbahan dasar polisulfon untuk proses pengolahan limbah cair kelapa sawit. Universitas Riau.

Mulder, M. 1996. Basic principles of membrane technology, 2nd ed., Kluwer Academic Publisher, Dordrecht.

Maysoon ,A.2012. Assessment of mathematical models for ultrafiltration of multi-solute continuous cross-flow process, the thesis of University of Waterloo,Canada.

Tulus. 2008.Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit. Prosiding Konferensi Nasional Matematika XIV.

Van Den Berg G.B, Smolders C.A, 1990. Flux Decline in Ultrafiltration Processes.

Elsevier Science Publishers B.V.. Amsterdam.

(1)

=

+

(

∑ ∑

-

∑ ∑

)

=

+

∑ ∑

–

∑ ∑

)

untuk i=1,2,3,…,n

Misalkan = =

∑ ∑ = ∑ ∑ Maka

= - t (3.9)

(2)

transmembran, Penurunan volume fluks permeat seperti yang diperkirakan oleh model yang ditampilkan pada gambar (3.1.).

Gambar 3.1 Volume fluks permeat pada model terhadap waktu filtrasi pada tekanan transmembran yang berbeda.

3.4 Perbandingan antara hasil simulasi model dan data eksperimen dari

Volume fluks permeat

Data diperkirakan oleh model dibandingkan dengan percobaan Hasil pada Gambar (3.2. dan 3.3.), dimana total fluks permeat yang dikumpulkan terhadap waktu. Tekanan adalah kekuatan pendorong utama dalam proses pemisahan membran. Garis padat sesuai dengan nilai-nilai yang dihitung dengan model sesuai dengan hasil eksperimen pada fluks terhadap waktu. Fluks permeat diperkirakan oleh model sangat mirip dengan hasil eksperimen. Fluks permeat menurun dengan waktu mencapai nilai steady state menyusul penurunan awal yang disebabkan oleh fouling membran. Pada saat yang sama, dengan peningkatan tekanan transmembran dari (1 sampai 4 bar) peningkatan fluks volume yang permeat diamati sampai nilai kritis

0 5 10 15 20 25 30 35

0 1000 2000 3000

4 bar 3 bar 2 bar 1 bar

(3)

tekanan transmembran (3 bar) tercapai. Fluks pertama meningkat dengan meningkatnya tekanan transmembran dan akhirnya menjadi konstan mengarah ke steady state fluks dan peningkatan lebih lanjut dari tekanan tidak akan meningkatkan fluks steady state dan sistem membran akan beroperasi pada nilai fluks kritis.

Fluks kritis adalah fluks di mana deposisi koloid terjadi di bawah nilai fluks-fluksnya, fluks berbanding lurus dengan transmembrane pressure (TMP). Namun, fluks bisa tetap jika tekanan melampaui titik kritis akibat polarisasi konsentrasi dan fouling membran, fluks tidak dapat meningkat setelah gel polarisasi terjadi, dan pada akhirnya dapat menurun dengan lebih meningkatkan tekanan transmembran akibat pemadatan lapisan gel_.

Gambar 3.2. Perbandingan Volume fluks permeat pada model terhadap waktu filtrasi pada tekanan transmembran yang berbeda.

0 5 10 15 20 25 30 35

0 1000 2000 3000

4 bar 3 bar 2 bar 1 bar

(4)

Gambar 3.3. PerbandinganVolume fluks permeat terhadap waktu filtrasi pada tekanan transmembran yang berbeda pada eksperimen

(5)

BAB 4

KESIMPULAN DAN SARAN

4.1 Kesimpulan

Dari studi ini dapat disimpulkan bahwa pemodelan filtrasi cross flow dapat diturunkan menggunakan proses filtrasi. Pembahasan bab sebelumnya membuktikan bahwa fluks permeat dengan waktu adalah berbanding terbalik. Dan model yang dibuat sama dengan hasil eksperimen sebelumnya.

4.2 Saran

(6)

DAFTAR PUSTAKA

Ahmad, A.L., Chong, M.F. and Bhatia, S. 2006. “Ultrafiltration modeling of multiple solutes system for continous cross-flow process”,Chemical Eng. Sci, Vol 61, pp.5057-5069.

Bowen, W.R., and Jenner F. 1995. Theoretical Descriptions of Membrane Filtration of Colloids and Fine Particles: and Assessment and Review . Advances in Colloid and Interface Science ,56 pp. 141-200.

Bhattacharjee C., Sarkar P., S. Datta S., B.B. Gupta B.B., Bhattacharya P.K.. 2006. Parameter estimation and performance study during ultrafiltration of Kraft black liquor . Elsevier ,Separation and Purification Technology,1-11

Johnson, A.S., and Tragardh, G., 1990. Fundamental Principles of Ultrafiltration, Chem. Eng.

Kedem,O., and Katchalsky, A. 1961. A physical Interpretation of the Phenomenological Coefficients of Membrane Permeability ,The Journal of General Physiology.Vol 45, 143-179.

Maulana, S., Syarfi., Adrianto, A. 2008. Kombinasi pengolahan anaerob dan membran ultrafiltrasi berbahan dasar polisulfon untuk proses pengolahan limbah cair kelapa sawit. Universitas Riau.

Mulder, M. 1996. Basic principles of membrane technology, 2nd ed., Kluwer Academic Publisher, Dordrecht.

Maysoon ,A.2012. Assessment of mathematical models for ultrafiltration of multi-solute continuous cross-flow process, the thesis of University of Waterloo,Canada.

Tulus. 2008.Pemodelan Penyaringan Air Limbah Pabrik Kelapa Sawit. Prosiding Konferensi Nasional Matematika XIV.

Van Den Berg G.B, Smolders C.A, 1990. Flux Decline in Ultrafiltration Processes. Elsevier Science Publishers B.V.. Amsterdam.