Teknologi Membran untuk Purifikasi Air
Teknologi Membran untuk Purifikasi Air
Natasha Andrea Winata
Teknik Kimia, ITB, Jl. Ganesa 10, Bandung, Indonesia
natashawinata@students.itb.ac.id
Abstrak
Teknologi membran memberikan pengaruh besar dalam proses purifikasi air laut maupun air limbah. Kebutuhan akan air bersih serta
kelangkaan sumber air menjadi faktor pendorong besar dalam perkembangan teknologi membran. Sejak tahun 1627, teknologi
membran mulai dikembangkan, khususnya dalam pengolahan air untuk menunjang kesehatan manusia. Rendahnya energi yang
dibutuhkan dalam pengoperasian teknologi membran juga memicu perkembangan teknologi membran. Proses berbasis membran
dengan gaya dorong tekanan, seperti mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse osmosis telah banyak digunakan dalam proses
pengolahan air maupun air limbah. Dalam operasinya, kendala utama yang dihadapi adalah adanya peristiwa fouling yang dapat
menurunkan produktivitas dan selektivitas membran sehingga dikembangkan metode-metode untuk mengatasi masalah fouling tersebut
termasuk pengembangan membran dengan sifat anti-fouling. Teknologi membran dalam purifikasi air memiliki prospek untuk
diaplikasikan ke dalam kehidupan, contohnya adalah sistem pengolahan air minum untuk kebutuhan rumah tangga, desalinasi
terintegrasi dalam pengolahan air laut, pengolahan air untuk mendapatkan Ultrapure Water (UPW) untuk umpan boiler dan turbin
gas, serta desalinasi inland untuk mengolah air payau dan limbah subsurface.Teknologi membran untuk pengolahan air memiliki
prospek yang luas. Salah satu contoh yang sistem terintegrasi yang prospektif untuk diterapkan dalam pengolahan air adalah Zero
Discharge Desalination yang dapat meningkatkan efisiensi desalinasi air laut serta mengurangi efek negative terhadap lingkungan
akibat buangan larutan garam berkonsentrasi tinggi. Selain itu, sistem terintegrasi tersebut dapat menghasilkan air dan garam secara
simultan.
Kata kunci: purifikasi air, membran, desalinasi air laut, filtrasi, pengolahan air, air minum
berkembanglah pemisahan gas membran industrial serta
pervaporasi untuk dehidrasi alkohol [3].
Sejak 50 tahun yang lalu, osmosis balik (RO)
merupakan metode utama dalam desalinasi air laut dan
hal ini memenuhi harapan President J.F. Kennedy untuk
mendapatkan air bersih dari air laut dengan biaya yang
murah. Sekitar tahun 1960, desalinasi menggunakan RO
dapat menghasilkan air bersih dari air laut dengan biaya
kurang dari US $ 1.00 per m2 yang setara dengan 1000
liter air[4].
Kelangkaan air menjadi faktor pendorong
diperlukannya membran purifikasi air. Menurut data
United Nations Department of Economic and Social
Affairs (UNDESA), sekitar 700 juta penduduk dari 43
negara berbeda menderita dari kelangkaan air pada tahun
2014. Diperkirakan pada tahun 2025, 1,8 miliar penduduk
akan tinggal pada negara dengan tidak adanya air sama
sekali [5]. Menurut data dari National Geographic, dari
70% air yang menutupi bumi, hanya terdapat 2,5% air
bersih dan sisanya merupakan air laut dan saline water
[6]. Faktor pendorong lain dalam perkembangan
membran purifikasi air adalah rendahnya energi yang
diperlukan untuk desalinasi air laut, bahkan dapat
mencapai energi hanya sebesar 3 kWh/m3 air laut. Selain
itu, limbah juga memerlukan energi yang kecil dalam
proses purifikasinya.
1. Latar Belakang
Teknologi membran telah berkembang pesat dan
memberikan dampak positif bagi kehidupan manusia,
khususnya dalam bidang pengolahan air laut dan air
limbah.
Pada tahun 1627, Sir Francis Bacon mengadakan
percobaan mengenai teknologi sand filtration untuk
menghilangkan partikel garam dari air laut.Percobaannya
tidak begitu berhasil, namun setidaknya memicu
penelitian lebih lanjut dari para ilmuwan [1]. Adanya
mikroorganisme yang diamati di mikroskop pada tahun
1676 oleh Antonie Van Leeuwenhoek memicu
perkembangan teknologi membran lebih jauh lagi. Pada
tahun 1748, Abbe Nollet mengemukakan konsep
semipermeabilitas untuk pertama kalinya. Sekitar tahun
1800, Fick memperkenalkan hukum difusi fenomenal
yang masih kita gunakan hingga saat ini [2]. Pada 1804,
Robert Thom mendesain rancangan purifikasi air yang
dibangun di Skotlandia. Teknologi ini berbasis slow sand
filtration dimana kereta dan kuda yang mendistribusiakan
air ini. Tiga tahun kemudian, pipa air mulai terpasang.
Perkembangan berikutnya terjadi pada tahun 1890
dimana Amerika mulai membangun sand filter secara
besar-besaran. Namun, teknologi yang digunakan adalah
rapid sand filter dimana filternya terjaga bersih karena
adanya jet steam [3]. Tahun 1970 merupakan awal SWRO
dikomersialisasikan. Kemudian, pada tahun 1980,
1
berpori untuk memisahkan partikel tersuspensi yang
memiliki diameter sekitar 0,1 – 10 μm [12]. Substansi
yang berukuran lebih besar dari pori tentunya akan
tertahan oleh membran.
Mikrofiltrasi akan menahan bakteri dan padatan
yang tersuspensi. Membran ini dapat dibuat dari material
organik seperti polimer berbasis membran, maupun
material anorganik seperti keramik dan stainless steel
[14]Aplikasi dari mikrofiltrasi adalah untuk sterilisasi
minuman dan alat-alat farmasi, membesihkan jus, wine,
dan bir, memisahkan emulsi air dan minyak, serta pretreatment untuk penyaringan NF maupun RO [15].
Ultrafiltrasi (UF) merupakan membran dimana
tekanan hidrostatik akan membuat cairan menembus
lapisan semipermeabel dimana padatan serta air dengan
berat molekul berat akan tertahan membran [12].
Ultrafiltrasi memiliki kemampuan untuk memisahkan
virus, protein, partikulat, koloid, silika, dan dye.
Ultrafiltrasi yang menggunakan bahan dasar polimer
memiliki kemampuan untuk tahan terhadap bahan kimia
dan temperatur, memiliki efek fouling rendah bila
dilakukan pre-treatment sebelumnya. Ultrafiltrasi sering
diaplikasikan dalam memisahkan minyak dari limbah,
pengolahan produk dairy, pembuatan antibiotik,
menghilangkan endotoksin dan pirogen, pemekatan dan
purifikasi gelatin serta jus, pemrosesan ekstrak tumbuhan,
pengecatan electrocoat, dan masih banyak lagi [16]. MF
dan UF cenderung memiliki distribusi ukuran pori yang
besar. Semakin besar Pore Size Distribution (PSD) yang
dimiliki oleh membran, semakin besar kemungkinan
terjadinya fouling karena akan terjadinya disproporsinasi
fluks yang menyebabkan pori akan rentan tertutup oleh
partikel [4].
Nanofiltrasi (NF) dan Osmosis Balik (RO)
merupakan membran yang digunakan untuk memisahkan
spesi ionik dan senyawa dengan berat molekul rendah. NF
akan menahan ion hidrat besar dan ion bervalensi leih dari
satu, sedangkan RO akan menahan ion dengan jumlah
valensi satu, contohnya Na+ dan Cl-[4]. NF beroperasi
pada tekanan yang lebih rendah dari RO dan dapat bersifat
selektif zat terlarut berdasarkan ukuran dan muatannya.
Lain halnya dengan RO yang akan menolak semua zat
terlarut.Nanofiltrasi merupakan membran berdasarkan
gaya dorong tekan yang biasanya berguna untuk
menghilangkan pestisida dan logam berat dari air tanah,
water softening, menghilangkan sulfat dan nitrat,
demineralisasi laktosa dan whey saat dairy processing
[17]. Osmosis balik (RO) adalah metode filtrasi yang
mampu menyisihkan banyak jenis molekul dan ion besar
dari larutan dengan memberikan tekanan pada larutan
yang berada pada salah satu sisi membran selektif[18].
Membran ini melibatkan proses dimana dua fluida
terpisah oleh lapisan semipermeabel, dimana fluida
dengan konsentrasi yang lebih rendah akan bergerak
menuju fluida berkonsentrasi tinggi. Namun, lama-
2. Jenis Membran
Membran merupakan lapisan pembatas tipis yang
bersifat selektif permeabel yang artinya hanya dapat
dilalui oleh molekul-molekul tertentu. Membran dapat
dikarakterisasi menjadi tiga jenis, yaitu membran berpori,
membran tak berpori, serta membran penukar ion [7].
Membran berpori memiliki pori dengan ukuran
tertentu, distribusi ukuran pori, ketebalan lapisan, dan
porositas permukaan. Untuk mencapai selektivitas tinggi,
pori pada membran harus relatif lebih kecil dari pada
partikel. Membran berpori sering diaplikasikan pada
mikrofiltrasi (MF) dan ultrafiltrasi (UF). Membran
memiliki ukuran pori sekitar 0,1- 10 μm untuk MF dan
0,001 – 0,01 μm untuk UF. Pemisahan berdasarkan MF
dan UF didasarkan pada ukuran partikel.Salah satu
kekurangan pada membran berpori adalah dapat
terjadinya fouling (deposisi irreversibel dari partikel yang
tertahan dalam dinding pori membran atau pada
permukaan membran) [8].
Membran tak berpori terdiri atas lapisan rapat dimana
permeat dibawa melalui difusi. Proses pemisahan terjadi
karena adanya perbedaan kelarutan dan difusivitas.
Kekurangan dari membran tak berpori ini adalah
rendahnya fluks. Oleh karena itu, lapisan membrannya
dibuat setipis mungkin [9].
Membran penukar ion terdiri atas dua jenis, yaitu
membran penukar kation dan membran penukar anion.
Anion akan ditolak oleh muatan negatif dan tidak bisa
melewati membran penukar kation. Membran penukar
kation hanya dapat dilewati oleh kation, dan sebaliknya.
Gambar 1. Membran Penukar Anion dan Kation
(diadaptasi dari [10]).
Berdasarkan prosesnya, terdapat 4 macam jenis
membran dalam pengolahan air antara lain
ultrafiltrasi(UF), mikrofiltrasi (MF), osmosis balik(RO),
nanofiltrasi (NF), membran bioreaktor (MBR), membran
distilasi (MD), forward osmosis (FO), dan
elektrodialisis(ED). Namun, jenis membran yang paling
sering digunakan dalam pengolahan air adalah MF, UF,
NF, dan RO. Berbagai jenis membran beserta
karakteristiknya akan dipaparkan melalui tabel di bawah
ini.
Mikrofiltrasi (MF) merupakan membran dengan
gaya dorong tekanan yang menggunakan membran
2
kelamaan fluida (air) akan terdorong kembali dari kolom
yang mengandung padatan terlarut banyak menuju kolom
dengan padatan terlarut sedikit dimana padatan
terlarutnya tetap dan tidak berpindah. Dengan teknik ini,
bagian garam dari air dapat dipisahkan [19]. RO
menggunakan aplikasi solubilitas diffusivitas dan
menggunakan tekanan tinggi untuk melewati membran
dense yang digunakan. Permeabilitas dapat dirumuskan
sebagai hasil kali antar solubilitas dengan diffusivitas
seperti yang tertulis pada rumus (1). Solubilitas adalah
jumlah dari penetran yang terserap alam membran
(tergantung dari sifat kimia membran dan penetran).
� =���
air bersih yang siap pakai sehingga RO lebih sering
digunakan dalam desalinasi air laut dibandingkan FO. FO
dapat digunakan dalam brine concentration, desalinasi
air, dan memekatkan jus dan bahan kimia [20].
Membran distilasi (MD) adalah proses distilasi
dimana fasa cair dan gas dipisahkan oleh membran
berpori namun porinya tidak terbasahkan oleh fasa cair.
Membran ini menggunakan gaya dorong berdasarkan
perbedaan tekanan parsial antara kedua sisi
membran.Perbedaan tekanan ini dikarenakan adanya
perbedaan temperature antara membran hidrofobik. MD
cocok digunakan untuk aplikasi dengan air [12]. MD
sering digunakan dalam pemekatan/pemisahan amonium,
purifikasi air, desalinasi Brackish water , dan desalinasi
air laut.
Elektrodialisis (ED) adalah membran berdasarkan
gaya dorong listrik dimana ion dipindahkan melalui
membran karena perbedaan potensial dan aliran arus
listrik yang diberikan [12]. Membran yang digunakan ada
ED memiliki sifat slektif yang menolak ion dengan
muatan yang berlawanan. Elektrolisis memiliki berbagai
aplikasi seperti mengurangi nitrat dari air minum,
mengurangi muatan elektrolit dari bahan makanan, air
cooling water , plasma darah untuk memperbaiki protein,
potassium tartrat dari wine, serta melakukan recovery
elektrolit pada NaCl dari air laut[21].
Dalam membran berbasis gaya dorong tekanan,
sering digunakan hukum Darcy untuk menghitung
volumetric flux (J ) dalam rumus berikut [22].
(1)
Sedangkan, diffusivitas adalah parameter yang
menunjukkan
kecepatan
penetran
dipindahkan
(tergantung pada kondisi operasi dan ukuran molekul)
[18].
RO sering digunakan dalam desalinasi air laut, pretreatment dari boiler water, pemekatan jus buah dan sirup
maple, penghilangan alcohol dari wine, dan recovery gula
dan asam dari air bilasan fruit cocktail dicer [18].
Forward Osmosis (FO) adalah proses osmotis yang
menggunakan lapisan semipermeabel untuk memisahkan
air dengan padatan terlarut. Membran FO memiliki gaya
dorong berupa gradien tekanan osmotik antara larutan
dengan konsentrasi tinggi yang biasa disebut “draw” dan
larutan dengan konsentrasi rendah yang disebut
“feed”[13]. FO beroperasi pada tekanan rendah, yaitu
sekitar 25 psi. Rendahnya tekanan ini menyebabkan FO
cenderung lebih susah untuk mengalami fouling
dibandingkan RO yang memiliki tekanan yang
tinggi[13].Namun, FO menghasilkan efek “trade” antara
padatan terlarut pada larutan feed dan larutan
draw.Sedangkan, RO lebih berfokus pada menghasilkan
J=
∆�− ∆Π
μ Rf+ Rm
(2)
Tabel 1. Proses-proses berbasis membran
Proses
MF
P operasi
50%
Ref.
[2, 4, 11]
[13, 20]
[12]
Membran inorganik juga dapat digabungkan dengan
oksidan kuat untuk mengatur fouling organik.
Proses FO memerlukan crossflow pada kedua sisi dari
membran. Oleh karena itu, disarankan agar FO
menggunakan aliran counter current. PRO yang
merupakan modifikasi dari FO memberikan tantangan
baru karena adanya perbedaan tekanan pada membran
yang dapat mengakibatkan deformasi terjadi.
Proses MD dapat diaplikasikan pada berbagai mode
seperti direct contact MD (DCMD), vacuum MD, dan air
or sweep gas MD. Pada DCMD, digunakan aliran counter
current. Proses ED didasarkan pada lapisan datar dengan
aliran pada kedua sisi membran yang dijalankan pada cocurrent mode. Pada ED, digunakan saluran aliran yang
sempit, hanya sekitar 0,5 – 2mm untuk meminimalkan
hambatan elektrik.
Untuk aliran counter current seperti yang digunakan
pada FO dan DCMD, dan aliran co-current yang
digunakan pada ED, kriteria daerah hilir harus sama
dengan daerah hulu (umpan). Daerah hilir dari membran
untuk cross flow dan dead end harus dapat mengonduksi
permeat tanpa disertai perubahan tekanan yang signifikan
[4].
3. Jenis Aliran & Modul pada Membran
Modul menjadi penyangga bagi membran dan aliran
masuk serta keluar fluida. Aliran fluida harus dapat
menangani tekanan dan concentration polarization (CP)
serta fouling. Berikut merupakan jenis aliran untuk modul
membran.
Gambar 2. Jenis aliran pada membran (diadaptasi dari
[4])
Aliran Cross Flow (CF) banyak digunakan pada MF,
UF, NF, serta RO. Modul untuk RO dan NF adalah Spiral
Wound Module (SWM) yang menggunakan membran
lembaran datar yang membungkus tabung permeat.
Aliran keluar memicu terbentuknya pusaran yang
meningkatkan transfer massa, yaitu k [4].
Hollow Fiber Membrane (HFM), yaitu modul yang
terdiri atas serat dalam jumlah banyak yang diatur dalam
bentuk shell & tube. Umpan yang bertekanan masuk
melalui shell dan kemudian permeat lolos dan mengalir
melalui lumen. Untuk mengatasi tekanan tinggi dari
SWRO, serat dibuat dengan diameter 18,2 MΩ-cm
pada
25oC
dimana
material
lain
sudah
dihilangkan[36].Sistem UPW memproduksi 16 m3/h
permeat flow of deionized (DI) air untuk turbin gas dan
boiler . UPW berguna untuk elektrodeionisasi pada
industri dan industri yang bergantung pada uap [37].
Beberapa tahap dalam pemrosesan UPW terlihat melalui
skema dibawah ini.
Gambar 4. Tahap pengolahan air minum dengan sistem
RO [35]
Contoh aplikasi berikutnya adalah desalinasi air laut
terintegrasi. Desalinasi air laut terintegrasi dikembangkan
untuk menjamin pengelolaan limbah brine untuk
mencegah dampak negatif yang ditimbulkan garam
terhadap lingkungan sekitar [18]. Desalinasi terintegrasi
ini memiliki tujuan untuk memproduksi air sekaligus
memproduksi garam dimana biaya produksi air dapat
berkurang seiring dengan pertambahan perolehan air [24].
Dengan adanya membrane crystallizer , garam-garam
berkonsentrasi dapat diolah dan dikristalisasi. Berikut
merupakan skema singkat desalinasi air laut terintegrasi.
Gambar 6. Proses filtrasi Ultrapure Water (diadaptasi
dari [37])
Pada skema filtrasi UPW diatas, dilakukan EDI
(Electrodeionization) untuk memisahkan air dari ion
termasuk Na, Ca, Fe, Cu, dan anion seperti Cl- dan Br-.
Deionized (DI) water didapatkan dengan cara
memaparkan air dengan resin bermuatan yang mengikat
garam dan memisahkannya dari air. Namun, bakteri dan
virus yang tidak terikat kepada resin bermuatan memiliki
kemungkinan masih ada pada air. Kemudian, dilakukan
juga filtrasi untuk menghilangkan pengotor yang tidak
diinginkan dan mencapai kualitas UPW yang diinginkan
meliputi filtrasi partikulat besar, filtrasi karbon, water
softening, RO, pemaparan dengan sinar UV untuk
mengontrol TOC dan bakteri, polishing menggunakan
resin penukar ion atau EDI, dan yang terakhir filtrasi atau
ultrafiltrasi [37].
Aplikasi pengolahan air lainnya adalah desalinasi
inland untuk mengolah brackish water , yaitu air yang
mengandung garam namun konsentrasinya tidak setinggi
air laut. Desalinasi ini difokuskan untuk mengolah air
payau maupun air limbah subsurface. Desalinasi ini
sangat berguna untuk negara-negara yang tidak memiliki
Gambar 5. Skema Desalinasi Terintegrasi (diadaptasi
dari [18])
Pada skema diatas, digunakan MF/UF serta NF
sebagai pre-treatment desalinasi agar air yang dihasilkan
semakin bersih. Setelah penyaringan menggunakan RO,
digunakan Membrane Crystallizer untuk mengkristalisasi
garam berkonsentrasi. Dengan adanya penggunaan pretreatment berbasis membran, konsumsi bahan kimia
dapat dikurangi jumlahnya, luas area yang diperlukan
menjadi lebih kecil, kualitas produk lebih konsisten, serta
mudah untuk dilakukan scale up. Dengan menerapkan NF
6
laut, seperti Chad dan Burkina Faso. Pada desalinasi
inland, konsentrat tidak dapat dibuang ke lautan karena
air garam inland cenderung kaya akan kalsium namun
kadar Na nya sedikit, kandugan silikanya lebih tinggi, dan
anion sulfat lebih dominan dibanding klorida. Karena
perbedaan dengan air laut, konsentrat tidak dapat dibuang
ke lautan, namun ke air permukaan, selokan, atau kolam
evaporasi. Dari segi ekonomi, ongkos yang diperlukan
lebih tinggi karena meliputi biaya pemompaan air sumur,
biaya energi dan pembuangan konsentrat yang lebih
tinggi [38].
buangan berkonsentrasi seperti garam terhadap
lingkungan. ZDD telah dievaluasi pada beberapa daerah
seperti Texas, California, Florida, dan New Mexico dan
dilihat bahwa efisiensi air mencapai 95-99% dengan
sedikitnya tingkat kalsium sulfat dan silika. Pada ZDD,
garam berkonsentrasi yang ditolak oleh RO dan NF akan
menuju ke EDM (Electrodialysis Metathesis) sebagai
membran penukar ion. EDM bertindak sebagai “ginjal”
yang akan menghilangkan garam dengan cara
metathesizing atau menukar ion pada waste brine RO/NF
dengan aliran NaCl. Analisis ekonomi untuk suatu proyek
yang disebut Alamogordo Project membandingkan biaya
antara chemical softening with high recovery RO dan
ZDD [39]. Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa biaya operasi
untuk ZDD lebih kecil dari pada high recovery RO.
6. Prospek Teknologi Membran dalam Pengolahan
Air
Indonesia yang memiliki garis pantai terpanjang
kedua di dunia memiliki potensi untuk mengolah air
lautnya menjadi air untuk keperluan desalinasi, industri,
dan rumah tangga melalui proses desalinasi air laut.
Proses SWRO yang sangat banyak diaplikasikan sekarang
ini dapat dipadukan dengan proses produksi garam
melalui Zero Discharge Desalination (ZDD) [24].
7. Kesimpulan
Teknologi membran memberikan pengaruh besar
dalam proses purifikasi air laut maupun air limbah.
Kebutuhan akan air bersih serta kelangkaan sumber air
menjadi faktor pendorong besar dalam perkembangan
teknologi membran. Terdapat berbagai jenis-jenis proses
membran yang dapat diaplikasikan untuk purifikasi air.
Reserve Osmosis (RO) merupakan proses membran yang
sesuai dan cocok untuk digunakan untuk desalinasi air
laut. MF, UF, dan NF sering digunakan dalam pretreatment desalinasi air laut dan pengolahan air
permukaan lainnya. Salah satu contoh yang sistem
terintegrasi yang prospektif untuk diterapkan dalam
pengolahan air adalah Zero Discharge Desalination yang
dapat meningkatkan efisiensi desalinasi air laut serta
mengurangi efek negative terhadap lingkungan akibat
buangan larutan garam berkonsentrasi tinggi. Selain itu,
sistem terintegrasi tersebut dapat menghasilkan air dan
garam secara simultan.
Tabel 2. Analisis ekonomi dalam proyek Alamogordo
[39]
Parameter
Kapasitas produksi
(gpm)
System recovery
Pond size untuk
evaporasi
Installed CAPEX
($/gpd)
Amortized capital
($/k-gal)
Tenaga ($/k-gal)
Bahan kimia ($/kgal)
Membran ($/k-gal)
Expendables ($/kgal)
Total OPEX (&/kgal)
Total biaya ($/kgal)
Chemical
Softening
dengan High
Recovery RO
2,596
ZDD
2,729
93%
37
98,2%
9
$6,11
$5,17
$1,34
$1,14
$0,39
$2,51
$0,51
$0,67
$0,03
$0,04
$0,12
$0,15
$2,97
$1,46
$4,32
$2,59
Daftar Notasi
P
Permeabilitas
S
Solubilitas
D
Diffusivitas
J
Fluks volumerik (m.s-1)
∆P
Perbedaan tekanan hidraulik antara sisi umpan
dan permeat pada membran (Pa)
∆Π
Perbedaan tekanan osmotic antara sisi umpan dan
permeat pada membran (Pa)
μ
Viskositas dinamis (Pa. s)
Rf
Hambatan fouling (m-1)
Rm
Hambatan membran (m-1)
ZDD dapat memaksimalkan volume dari produksi air
dari sumber brackish dengan meminimalkan pengaruh
7
Daftar Pustaka
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
References
Water tech treading. History of Water Purification. http://www.watertechtrading.com/purification-of-water/historyof-water-purification. Diakses 10-4-2016.
I.G. Wenten. “Industri Membran dan Perkembangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.
Lenntech. History of Water Treatment. http://www.lenntech.com/history-water-treatment.htm. Diakses pada 10-042016.
A.G. Fane, R. Wang, M.X. Hu, Synthetic Membranes for Water Purification: Status and Future, Angew Chem Int Ed
Engl. 54 (2015) 3368-3386.
Water Scarcity. http://www.un.org/waterforlifedecade/scarcity.shtml. Diakses 26-03-2016.
National
Geographic.
Fresh
Water
Crisis.
http://environment.nationalgeographic.com/environment/freshwater/freshwater-crisis. Diakses pada 26-03-2016.
Synder Filtration. Polymeric Membranes. http://synderfiltration.com/learning-center/articles/introduction-tomembranes/definition-of-a-membrane/.
Synder Filtration. Polymeric Membranes. http://synderfiltration.com/learning-enter/articles /introduction-tomembranes/polymeric-embranes-porous-non-porous/. Diakses 26-03-2016.
Membrane Classification. http://www.separationprocesses.com/Membrane/MT_Chp02a.htm. Diakses 10-4-2016.
Astom Corporation. Product. http://www.astom-corp.jp/en/product/02.html. Diakses 10-4-2016.
D. Schilling, Water Desalination using 99% less energy with pefrorene. http://www.industrytap.com/waterdesalination-using-99-less-energy-with-pef rorene/2745. Diakses 10-4-2016.
I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim. “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, 2010.
HTI. Forward Osmosis Solution. http://www.htiwater.com/technology/Forwardosmosis/. Diakses pada 10-4-2016.
Synder Filtration. http://synderfiltration.com/microfiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016.
Lenntech. Microfiltration and Ultrafiltration. http://www.lenntech.com/microfiltration-and-ultrafiltration.htm.
Diakses pada 10-4-2016.
Synder Filtration. http://synderfiltration.com/ultrafiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016.
Synder Filtration. Nanofiltration. http://synderfiltration.com/nanofiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016.
I.G. Wenten, K. Khoiruddin, A.N. Hakim. “OSMOSIS BALIK.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.
Lenntech. http://www.lenntech.com/nanofiltration-and-rosmosis.htm. Diakses pada 10-4-2016.
International Forward Osmosis Association. What is Forward Osmosis? http://forwardosmosis.biz/education/whatis-forward-osmosis/. Diakses pada 10-4-2016.
Electrosynthesis. Electrodialysis. https://electrosynthesis.com/electrodialysis/. Diakses pada 10-4-2016.
Darcy’s Law. https://old.uqu.edu.sa/files2/tiny_mce/plugins/filemanager/files/4282164/Darcy.pdf. Diakses pada 104-2016.
A.Abdelrasoul, H. Doan, A. Lohi. Fouling in membrane filtration and remediation methods.
http://www.intechopen.com/books/mass-transfer-advances-in-sustainable-energy-and-environmentorientednumerical-modeling/fouling-in-membrane-filtration-and-remediation-methods. Diakses pada 10-4-2016.
IG. Wenten. “Teknologi Membran Prospek dan Tantangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.
M. Ulbricht. Advanced functional polymer membranes, Polymer , 47 (2006) 2217-2262.
L. Setiawan, R. Wang, S. Tan, L. Shi, A. G. Fane. Fabrication of poly (amide-imide)-polyethersulfone dual layer
hollow fiber membranes applied in forward osmosis by combined polyelectrolyte cross-linking and depositions,
Desalination 312 (2013) 99-106.
Z. W. Dai, L. S. Wan, Z. K. Xu, J. Surface glycosylation of polyacrylonitrile ultrafiltration membrane to improve its
anti-fouling performance. J. Membr. Sci. 325 (2008) 479-485.
N. Inagaki, S. Tasaka, K. Hibi, Surface modification of Kapton film by plasma treatments Polym. Sci Part A.30
(1992) 1425-1431.
R.A. Minamisawa, R. L. Zimmerman, D. Ila. Creation mechanism of pores by ion beam modification of
fluoropolymer film membranes Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B.266 (2008) 1273-1275.
S. Wongchitphimon, R. Wang, R. Jiraratananon Surface modification of polyvinylidene fluoride-cohexafluoropropylene (PVDF–HFP) hollow fiber membrane for membrane gas absorption. J. Membr. Sci. 381 (2011)
183-191.
8
[31] C. Lindner, O. Kedem. Nanofiltration: Principles and Applications (Eds.: A. I. Schfer, A. G. Fane, T. D. Waite ),
Elsevier, Oxford. Page 20, 2002.
[32] J. Jegal, N.-W. Oh, D.-S. Park, K.-H. Lee, Characteristics of the nanofiltration composite membranes based on PVA
and sodium alginate. J. Appl. Polym. Sci.79 (2001) 2471-2479.
[33] A. Gugliuzza, E. Drioli, PVDF and HYFLON AD membranes: ideal interfaces for contactor applications. J. Membr.
Sci. 300 (2007) 51-62.
[34] M. Taniguchi, Y. Fusaoka, T. Nishikawa, M. Kurihara. Boron Removal in Sea-water RO Desalination.Toray
Industries, 2004.
[35] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti. A.N. Hakim. “Teknologi Membran dalam Pengolahan Air.” Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, 2014.
[36] Membrane Solution. Ultra Pure Water. https://www.membranesolutions.com /ultrapure-water.htm. Diakses pada 104-2016.
[37] RWL water. Ultrapure Water Solutions. https://www.rwlwater.com/ultrapure-water/. Diakses 10-4-2016.
[38] I.G. Wenten. “PERKEMBANGAN TERKINI DI BIDANG TEKNOLOGI MEMBRAN.” Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, 2014.
[39] E.
Gilbert.
Zero
Discharge
Desalination.
http://www.waterworld.com/articles/print/volume28/ssue12/editorialfeatures/zero-discharge-desalination-holdspromise-max-waterrecover.html. Diakses pada 10-4-2016.
9
Natasha Andrea Winata
Teknik Kimia, ITB, Jl. Ganesa 10, Bandung, Indonesia
natashawinata@students.itb.ac.id
Abstrak
Teknologi membran memberikan pengaruh besar dalam proses purifikasi air laut maupun air limbah. Kebutuhan akan air bersih serta
kelangkaan sumber air menjadi faktor pendorong besar dalam perkembangan teknologi membran. Sejak tahun 1627, teknologi
membran mulai dikembangkan, khususnya dalam pengolahan air untuk menunjang kesehatan manusia. Rendahnya energi yang
dibutuhkan dalam pengoperasian teknologi membran juga memicu perkembangan teknologi membran. Proses berbasis membran
dengan gaya dorong tekanan, seperti mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse osmosis telah banyak digunakan dalam proses
pengolahan air maupun air limbah. Dalam operasinya, kendala utama yang dihadapi adalah adanya peristiwa fouling yang dapat
menurunkan produktivitas dan selektivitas membran sehingga dikembangkan metode-metode untuk mengatasi masalah fouling tersebut
termasuk pengembangan membran dengan sifat anti-fouling. Teknologi membran dalam purifikasi air memiliki prospek untuk
diaplikasikan ke dalam kehidupan, contohnya adalah sistem pengolahan air minum untuk kebutuhan rumah tangga, desalinasi
terintegrasi dalam pengolahan air laut, pengolahan air untuk mendapatkan Ultrapure Water (UPW) untuk umpan boiler dan turbin
gas, serta desalinasi inland untuk mengolah air payau dan limbah subsurface.Teknologi membran untuk pengolahan air memiliki
prospek yang luas. Salah satu contoh yang sistem terintegrasi yang prospektif untuk diterapkan dalam pengolahan air adalah Zero
Discharge Desalination yang dapat meningkatkan efisiensi desalinasi air laut serta mengurangi efek negative terhadap lingkungan
akibat buangan larutan garam berkonsentrasi tinggi. Selain itu, sistem terintegrasi tersebut dapat menghasilkan air dan garam secara
simultan.
Kata kunci: purifikasi air, membran, desalinasi air laut, filtrasi, pengolahan air, air minum
berkembanglah pemisahan gas membran industrial serta
pervaporasi untuk dehidrasi alkohol [3].
Sejak 50 tahun yang lalu, osmosis balik (RO)
merupakan metode utama dalam desalinasi air laut dan
hal ini memenuhi harapan President J.F. Kennedy untuk
mendapatkan air bersih dari air laut dengan biaya yang
murah. Sekitar tahun 1960, desalinasi menggunakan RO
dapat menghasilkan air bersih dari air laut dengan biaya
kurang dari US $ 1.00 per m2 yang setara dengan 1000
liter air[4].
Kelangkaan air menjadi faktor pendorong
diperlukannya membran purifikasi air. Menurut data
United Nations Department of Economic and Social
Affairs (UNDESA), sekitar 700 juta penduduk dari 43
negara berbeda menderita dari kelangkaan air pada tahun
2014. Diperkirakan pada tahun 2025, 1,8 miliar penduduk
akan tinggal pada negara dengan tidak adanya air sama
sekali [5]. Menurut data dari National Geographic, dari
70% air yang menutupi bumi, hanya terdapat 2,5% air
bersih dan sisanya merupakan air laut dan saline water
[6]. Faktor pendorong lain dalam perkembangan
membran purifikasi air adalah rendahnya energi yang
diperlukan untuk desalinasi air laut, bahkan dapat
mencapai energi hanya sebesar 3 kWh/m3 air laut. Selain
itu, limbah juga memerlukan energi yang kecil dalam
proses purifikasinya.
1. Latar Belakang
Teknologi membran telah berkembang pesat dan
memberikan dampak positif bagi kehidupan manusia,
khususnya dalam bidang pengolahan air laut dan air
limbah.
Pada tahun 1627, Sir Francis Bacon mengadakan
percobaan mengenai teknologi sand filtration untuk
menghilangkan partikel garam dari air laut.Percobaannya
tidak begitu berhasil, namun setidaknya memicu
penelitian lebih lanjut dari para ilmuwan [1]. Adanya
mikroorganisme yang diamati di mikroskop pada tahun
1676 oleh Antonie Van Leeuwenhoek memicu
perkembangan teknologi membran lebih jauh lagi. Pada
tahun 1748, Abbe Nollet mengemukakan konsep
semipermeabilitas untuk pertama kalinya. Sekitar tahun
1800, Fick memperkenalkan hukum difusi fenomenal
yang masih kita gunakan hingga saat ini [2]. Pada 1804,
Robert Thom mendesain rancangan purifikasi air yang
dibangun di Skotlandia. Teknologi ini berbasis slow sand
filtration dimana kereta dan kuda yang mendistribusiakan
air ini. Tiga tahun kemudian, pipa air mulai terpasang.
Perkembangan berikutnya terjadi pada tahun 1890
dimana Amerika mulai membangun sand filter secara
besar-besaran. Namun, teknologi yang digunakan adalah
rapid sand filter dimana filternya terjaga bersih karena
adanya jet steam [3]. Tahun 1970 merupakan awal SWRO
dikomersialisasikan. Kemudian, pada tahun 1980,
1
berpori untuk memisahkan partikel tersuspensi yang
memiliki diameter sekitar 0,1 – 10 μm [12]. Substansi
yang berukuran lebih besar dari pori tentunya akan
tertahan oleh membran.
Mikrofiltrasi akan menahan bakteri dan padatan
yang tersuspensi. Membran ini dapat dibuat dari material
organik seperti polimer berbasis membran, maupun
material anorganik seperti keramik dan stainless steel
[14]Aplikasi dari mikrofiltrasi adalah untuk sterilisasi
minuman dan alat-alat farmasi, membesihkan jus, wine,
dan bir, memisahkan emulsi air dan minyak, serta pretreatment untuk penyaringan NF maupun RO [15].
Ultrafiltrasi (UF) merupakan membran dimana
tekanan hidrostatik akan membuat cairan menembus
lapisan semipermeabel dimana padatan serta air dengan
berat molekul berat akan tertahan membran [12].
Ultrafiltrasi memiliki kemampuan untuk memisahkan
virus, protein, partikulat, koloid, silika, dan dye.
Ultrafiltrasi yang menggunakan bahan dasar polimer
memiliki kemampuan untuk tahan terhadap bahan kimia
dan temperatur, memiliki efek fouling rendah bila
dilakukan pre-treatment sebelumnya. Ultrafiltrasi sering
diaplikasikan dalam memisahkan minyak dari limbah,
pengolahan produk dairy, pembuatan antibiotik,
menghilangkan endotoksin dan pirogen, pemekatan dan
purifikasi gelatin serta jus, pemrosesan ekstrak tumbuhan,
pengecatan electrocoat, dan masih banyak lagi [16]. MF
dan UF cenderung memiliki distribusi ukuran pori yang
besar. Semakin besar Pore Size Distribution (PSD) yang
dimiliki oleh membran, semakin besar kemungkinan
terjadinya fouling karena akan terjadinya disproporsinasi
fluks yang menyebabkan pori akan rentan tertutup oleh
partikel [4].
Nanofiltrasi (NF) dan Osmosis Balik (RO)
merupakan membran yang digunakan untuk memisahkan
spesi ionik dan senyawa dengan berat molekul rendah. NF
akan menahan ion hidrat besar dan ion bervalensi leih dari
satu, sedangkan RO akan menahan ion dengan jumlah
valensi satu, contohnya Na+ dan Cl-[4]. NF beroperasi
pada tekanan yang lebih rendah dari RO dan dapat bersifat
selektif zat terlarut berdasarkan ukuran dan muatannya.
Lain halnya dengan RO yang akan menolak semua zat
terlarut.Nanofiltrasi merupakan membran berdasarkan
gaya dorong tekan yang biasanya berguna untuk
menghilangkan pestisida dan logam berat dari air tanah,
water softening, menghilangkan sulfat dan nitrat,
demineralisasi laktosa dan whey saat dairy processing
[17]. Osmosis balik (RO) adalah metode filtrasi yang
mampu menyisihkan banyak jenis molekul dan ion besar
dari larutan dengan memberikan tekanan pada larutan
yang berada pada salah satu sisi membran selektif[18].
Membran ini melibatkan proses dimana dua fluida
terpisah oleh lapisan semipermeabel, dimana fluida
dengan konsentrasi yang lebih rendah akan bergerak
menuju fluida berkonsentrasi tinggi. Namun, lama-
2. Jenis Membran
Membran merupakan lapisan pembatas tipis yang
bersifat selektif permeabel yang artinya hanya dapat
dilalui oleh molekul-molekul tertentu. Membran dapat
dikarakterisasi menjadi tiga jenis, yaitu membran berpori,
membran tak berpori, serta membran penukar ion [7].
Membran berpori memiliki pori dengan ukuran
tertentu, distribusi ukuran pori, ketebalan lapisan, dan
porositas permukaan. Untuk mencapai selektivitas tinggi,
pori pada membran harus relatif lebih kecil dari pada
partikel. Membran berpori sering diaplikasikan pada
mikrofiltrasi (MF) dan ultrafiltrasi (UF). Membran
memiliki ukuran pori sekitar 0,1- 10 μm untuk MF dan
0,001 – 0,01 μm untuk UF. Pemisahan berdasarkan MF
dan UF didasarkan pada ukuran partikel.Salah satu
kekurangan pada membran berpori adalah dapat
terjadinya fouling (deposisi irreversibel dari partikel yang
tertahan dalam dinding pori membran atau pada
permukaan membran) [8].
Membran tak berpori terdiri atas lapisan rapat dimana
permeat dibawa melalui difusi. Proses pemisahan terjadi
karena adanya perbedaan kelarutan dan difusivitas.
Kekurangan dari membran tak berpori ini adalah
rendahnya fluks. Oleh karena itu, lapisan membrannya
dibuat setipis mungkin [9].
Membran penukar ion terdiri atas dua jenis, yaitu
membran penukar kation dan membran penukar anion.
Anion akan ditolak oleh muatan negatif dan tidak bisa
melewati membran penukar kation. Membran penukar
kation hanya dapat dilewati oleh kation, dan sebaliknya.
Gambar 1. Membran Penukar Anion dan Kation
(diadaptasi dari [10]).
Berdasarkan prosesnya, terdapat 4 macam jenis
membran dalam pengolahan air antara lain
ultrafiltrasi(UF), mikrofiltrasi (MF), osmosis balik(RO),
nanofiltrasi (NF), membran bioreaktor (MBR), membran
distilasi (MD), forward osmosis (FO), dan
elektrodialisis(ED). Namun, jenis membran yang paling
sering digunakan dalam pengolahan air adalah MF, UF,
NF, dan RO. Berbagai jenis membran beserta
karakteristiknya akan dipaparkan melalui tabel di bawah
ini.
Mikrofiltrasi (MF) merupakan membran dengan
gaya dorong tekanan yang menggunakan membran
2
kelamaan fluida (air) akan terdorong kembali dari kolom
yang mengandung padatan terlarut banyak menuju kolom
dengan padatan terlarut sedikit dimana padatan
terlarutnya tetap dan tidak berpindah. Dengan teknik ini,
bagian garam dari air dapat dipisahkan [19]. RO
menggunakan aplikasi solubilitas diffusivitas dan
menggunakan tekanan tinggi untuk melewati membran
dense yang digunakan. Permeabilitas dapat dirumuskan
sebagai hasil kali antar solubilitas dengan diffusivitas
seperti yang tertulis pada rumus (1). Solubilitas adalah
jumlah dari penetran yang terserap alam membran
(tergantung dari sifat kimia membran dan penetran).
� =���
air bersih yang siap pakai sehingga RO lebih sering
digunakan dalam desalinasi air laut dibandingkan FO. FO
dapat digunakan dalam brine concentration, desalinasi
air, dan memekatkan jus dan bahan kimia [20].
Membran distilasi (MD) adalah proses distilasi
dimana fasa cair dan gas dipisahkan oleh membran
berpori namun porinya tidak terbasahkan oleh fasa cair.
Membran ini menggunakan gaya dorong berdasarkan
perbedaan tekanan parsial antara kedua sisi
membran.Perbedaan tekanan ini dikarenakan adanya
perbedaan temperature antara membran hidrofobik. MD
cocok digunakan untuk aplikasi dengan air [12]. MD
sering digunakan dalam pemekatan/pemisahan amonium,
purifikasi air, desalinasi Brackish water , dan desalinasi
air laut.
Elektrodialisis (ED) adalah membran berdasarkan
gaya dorong listrik dimana ion dipindahkan melalui
membran karena perbedaan potensial dan aliran arus
listrik yang diberikan [12]. Membran yang digunakan ada
ED memiliki sifat slektif yang menolak ion dengan
muatan yang berlawanan. Elektrolisis memiliki berbagai
aplikasi seperti mengurangi nitrat dari air minum,
mengurangi muatan elektrolit dari bahan makanan, air
cooling water , plasma darah untuk memperbaiki protein,
potassium tartrat dari wine, serta melakukan recovery
elektrolit pada NaCl dari air laut[21].
Dalam membran berbasis gaya dorong tekanan,
sering digunakan hukum Darcy untuk menghitung
volumetric flux (J ) dalam rumus berikut [22].
(1)
Sedangkan, diffusivitas adalah parameter yang
menunjukkan
kecepatan
penetran
dipindahkan
(tergantung pada kondisi operasi dan ukuran molekul)
[18].
RO sering digunakan dalam desalinasi air laut, pretreatment dari boiler water, pemekatan jus buah dan sirup
maple, penghilangan alcohol dari wine, dan recovery gula
dan asam dari air bilasan fruit cocktail dicer [18].
Forward Osmosis (FO) adalah proses osmotis yang
menggunakan lapisan semipermeabel untuk memisahkan
air dengan padatan terlarut. Membran FO memiliki gaya
dorong berupa gradien tekanan osmotik antara larutan
dengan konsentrasi tinggi yang biasa disebut “draw” dan
larutan dengan konsentrasi rendah yang disebut
“feed”[13]. FO beroperasi pada tekanan rendah, yaitu
sekitar 25 psi. Rendahnya tekanan ini menyebabkan FO
cenderung lebih susah untuk mengalami fouling
dibandingkan RO yang memiliki tekanan yang
tinggi[13].Namun, FO menghasilkan efek “trade” antara
padatan terlarut pada larutan feed dan larutan
draw.Sedangkan, RO lebih berfokus pada menghasilkan
J=
∆�− ∆Π
μ Rf+ Rm
(2)
Tabel 1. Proses-proses berbasis membran
Proses
MF
P operasi
50%
Ref.
[2, 4, 11]
[13, 20]
[12]
Membran inorganik juga dapat digabungkan dengan
oksidan kuat untuk mengatur fouling organik.
Proses FO memerlukan crossflow pada kedua sisi dari
membran. Oleh karena itu, disarankan agar FO
menggunakan aliran counter current. PRO yang
merupakan modifikasi dari FO memberikan tantangan
baru karena adanya perbedaan tekanan pada membran
yang dapat mengakibatkan deformasi terjadi.
Proses MD dapat diaplikasikan pada berbagai mode
seperti direct contact MD (DCMD), vacuum MD, dan air
or sweep gas MD. Pada DCMD, digunakan aliran counter
current. Proses ED didasarkan pada lapisan datar dengan
aliran pada kedua sisi membran yang dijalankan pada cocurrent mode. Pada ED, digunakan saluran aliran yang
sempit, hanya sekitar 0,5 – 2mm untuk meminimalkan
hambatan elektrik.
Untuk aliran counter current seperti yang digunakan
pada FO dan DCMD, dan aliran co-current yang
digunakan pada ED, kriteria daerah hilir harus sama
dengan daerah hulu (umpan). Daerah hilir dari membran
untuk cross flow dan dead end harus dapat mengonduksi
permeat tanpa disertai perubahan tekanan yang signifikan
[4].
3. Jenis Aliran & Modul pada Membran
Modul menjadi penyangga bagi membran dan aliran
masuk serta keluar fluida. Aliran fluida harus dapat
menangani tekanan dan concentration polarization (CP)
serta fouling. Berikut merupakan jenis aliran untuk modul
membran.
Gambar 2. Jenis aliran pada membran (diadaptasi dari
[4])
Aliran Cross Flow (CF) banyak digunakan pada MF,
UF, NF, serta RO. Modul untuk RO dan NF adalah Spiral
Wound Module (SWM) yang menggunakan membran
lembaran datar yang membungkus tabung permeat.
Aliran keluar memicu terbentuknya pusaran yang
meningkatkan transfer massa, yaitu k [4].
Hollow Fiber Membrane (HFM), yaitu modul yang
terdiri atas serat dalam jumlah banyak yang diatur dalam
bentuk shell & tube. Umpan yang bertekanan masuk
melalui shell dan kemudian permeat lolos dan mengalir
melalui lumen. Untuk mengatasi tekanan tinggi dari
SWRO, serat dibuat dengan diameter 18,2 MΩ-cm
pada
25oC
dimana
material
lain
sudah
dihilangkan[36].Sistem UPW memproduksi 16 m3/h
permeat flow of deionized (DI) air untuk turbin gas dan
boiler . UPW berguna untuk elektrodeionisasi pada
industri dan industri yang bergantung pada uap [37].
Beberapa tahap dalam pemrosesan UPW terlihat melalui
skema dibawah ini.
Gambar 4. Tahap pengolahan air minum dengan sistem
RO [35]
Contoh aplikasi berikutnya adalah desalinasi air laut
terintegrasi. Desalinasi air laut terintegrasi dikembangkan
untuk menjamin pengelolaan limbah brine untuk
mencegah dampak negatif yang ditimbulkan garam
terhadap lingkungan sekitar [18]. Desalinasi terintegrasi
ini memiliki tujuan untuk memproduksi air sekaligus
memproduksi garam dimana biaya produksi air dapat
berkurang seiring dengan pertambahan perolehan air [24].
Dengan adanya membrane crystallizer , garam-garam
berkonsentrasi dapat diolah dan dikristalisasi. Berikut
merupakan skema singkat desalinasi air laut terintegrasi.
Gambar 6. Proses filtrasi Ultrapure Water (diadaptasi
dari [37])
Pada skema filtrasi UPW diatas, dilakukan EDI
(Electrodeionization) untuk memisahkan air dari ion
termasuk Na, Ca, Fe, Cu, dan anion seperti Cl- dan Br-.
Deionized (DI) water didapatkan dengan cara
memaparkan air dengan resin bermuatan yang mengikat
garam dan memisahkannya dari air. Namun, bakteri dan
virus yang tidak terikat kepada resin bermuatan memiliki
kemungkinan masih ada pada air. Kemudian, dilakukan
juga filtrasi untuk menghilangkan pengotor yang tidak
diinginkan dan mencapai kualitas UPW yang diinginkan
meliputi filtrasi partikulat besar, filtrasi karbon, water
softening, RO, pemaparan dengan sinar UV untuk
mengontrol TOC dan bakteri, polishing menggunakan
resin penukar ion atau EDI, dan yang terakhir filtrasi atau
ultrafiltrasi [37].
Aplikasi pengolahan air lainnya adalah desalinasi
inland untuk mengolah brackish water , yaitu air yang
mengandung garam namun konsentrasinya tidak setinggi
air laut. Desalinasi ini difokuskan untuk mengolah air
payau maupun air limbah subsurface. Desalinasi ini
sangat berguna untuk negara-negara yang tidak memiliki
Gambar 5. Skema Desalinasi Terintegrasi (diadaptasi
dari [18])
Pada skema diatas, digunakan MF/UF serta NF
sebagai pre-treatment desalinasi agar air yang dihasilkan
semakin bersih. Setelah penyaringan menggunakan RO,
digunakan Membrane Crystallizer untuk mengkristalisasi
garam berkonsentrasi. Dengan adanya penggunaan pretreatment berbasis membran, konsumsi bahan kimia
dapat dikurangi jumlahnya, luas area yang diperlukan
menjadi lebih kecil, kualitas produk lebih konsisten, serta
mudah untuk dilakukan scale up. Dengan menerapkan NF
6
laut, seperti Chad dan Burkina Faso. Pada desalinasi
inland, konsentrat tidak dapat dibuang ke lautan karena
air garam inland cenderung kaya akan kalsium namun
kadar Na nya sedikit, kandugan silikanya lebih tinggi, dan
anion sulfat lebih dominan dibanding klorida. Karena
perbedaan dengan air laut, konsentrat tidak dapat dibuang
ke lautan, namun ke air permukaan, selokan, atau kolam
evaporasi. Dari segi ekonomi, ongkos yang diperlukan
lebih tinggi karena meliputi biaya pemompaan air sumur,
biaya energi dan pembuangan konsentrat yang lebih
tinggi [38].
buangan berkonsentrasi seperti garam terhadap
lingkungan. ZDD telah dievaluasi pada beberapa daerah
seperti Texas, California, Florida, dan New Mexico dan
dilihat bahwa efisiensi air mencapai 95-99% dengan
sedikitnya tingkat kalsium sulfat dan silika. Pada ZDD,
garam berkonsentrasi yang ditolak oleh RO dan NF akan
menuju ke EDM (Electrodialysis Metathesis) sebagai
membran penukar ion. EDM bertindak sebagai “ginjal”
yang akan menghilangkan garam dengan cara
metathesizing atau menukar ion pada waste brine RO/NF
dengan aliran NaCl. Analisis ekonomi untuk suatu proyek
yang disebut Alamogordo Project membandingkan biaya
antara chemical softening with high recovery RO dan
ZDD [39]. Dari Tabel 2 dapat dilihat bahwa biaya operasi
untuk ZDD lebih kecil dari pada high recovery RO.
6. Prospek Teknologi Membran dalam Pengolahan
Air
Indonesia yang memiliki garis pantai terpanjang
kedua di dunia memiliki potensi untuk mengolah air
lautnya menjadi air untuk keperluan desalinasi, industri,
dan rumah tangga melalui proses desalinasi air laut.
Proses SWRO yang sangat banyak diaplikasikan sekarang
ini dapat dipadukan dengan proses produksi garam
melalui Zero Discharge Desalination (ZDD) [24].
7. Kesimpulan
Teknologi membran memberikan pengaruh besar
dalam proses purifikasi air laut maupun air limbah.
Kebutuhan akan air bersih serta kelangkaan sumber air
menjadi faktor pendorong besar dalam perkembangan
teknologi membran. Terdapat berbagai jenis-jenis proses
membran yang dapat diaplikasikan untuk purifikasi air.
Reserve Osmosis (RO) merupakan proses membran yang
sesuai dan cocok untuk digunakan untuk desalinasi air
laut. MF, UF, dan NF sering digunakan dalam pretreatment desalinasi air laut dan pengolahan air
permukaan lainnya. Salah satu contoh yang sistem
terintegrasi yang prospektif untuk diterapkan dalam
pengolahan air adalah Zero Discharge Desalination yang
dapat meningkatkan efisiensi desalinasi air laut serta
mengurangi efek negative terhadap lingkungan akibat
buangan larutan garam berkonsentrasi tinggi. Selain itu,
sistem terintegrasi tersebut dapat menghasilkan air dan
garam secara simultan.
Tabel 2. Analisis ekonomi dalam proyek Alamogordo
[39]
Parameter
Kapasitas produksi
(gpm)
System recovery
Pond size untuk
evaporasi
Installed CAPEX
($/gpd)
Amortized capital
($/k-gal)
Tenaga ($/k-gal)
Bahan kimia ($/kgal)
Membran ($/k-gal)
Expendables ($/kgal)
Total OPEX (&/kgal)
Total biaya ($/kgal)
Chemical
Softening
dengan High
Recovery RO
2,596
ZDD
2,729
93%
37
98,2%
9
$6,11
$5,17
$1,34
$1,14
$0,39
$2,51
$0,51
$0,67
$0,03
$0,04
$0,12
$0,15
$2,97
$1,46
$4,32
$2,59
Daftar Notasi
P
Permeabilitas
S
Solubilitas
D
Diffusivitas
J
Fluks volumerik (m.s-1)
∆P
Perbedaan tekanan hidraulik antara sisi umpan
dan permeat pada membran (Pa)
∆Π
Perbedaan tekanan osmotic antara sisi umpan dan
permeat pada membran (Pa)
μ
Viskositas dinamis (Pa. s)
Rf
Hambatan fouling (m-1)
Rm
Hambatan membran (m-1)
ZDD dapat memaksimalkan volume dari produksi air
dari sumber brackish dengan meminimalkan pengaruh
7
Daftar Pustaka
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
[23]
[24]
[25]
[26]
[27]
[28]
[29]
[30]
References
Water tech treading. History of Water Purification. http://www.watertechtrading.com/purification-of-water/historyof-water-purification. Diakses 10-4-2016.
I.G. Wenten. “Industri Membran dan Perkembangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.
Lenntech. History of Water Treatment. http://www.lenntech.com/history-water-treatment.htm. Diakses pada 10-042016.
A.G. Fane, R. Wang, M.X. Hu, Synthetic Membranes for Water Purification: Status and Future, Angew Chem Int Ed
Engl. 54 (2015) 3368-3386.
Water Scarcity. http://www.un.org/waterforlifedecade/scarcity.shtml. Diakses 26-03-2016.
National
Geographic.
Fresh
Water
Crisis.
http://environment.nationalgeographic.com/environment/freshwater/freshwater-crisis. Diakses pada 26-03-2016.
Synder Filtration. Polymeric Membranes. http://synderfiltration.com/learning-center/articles/introduction-tomembranes/definition-of-a-membrane/.
Synder Filtration. Polymeric Membranes. http://synderfiltration.com/learning-enter/articles /introduction-tomembranes/polymeric-embranes-porous-non-porous/. Diakses 26-03-2016.
Membrane Classification. http://www.separationprocesses.com/Membrane/MT_Chp02a.htm. Diakses 10-4-2016.
Astom Corporation. Product. http://www.astom-corp.jp/en/product/02.html. Diakses 10-4-2016.
D. Schilling, Water Desalination using 99% less energy with pefrorene. http://www.industrytap.com/waterdesalination-using-99-less-energy-with-pef rorene/2745. Diakses 10-4-2016.
I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P. Aryanti, A.N. Hakim. “Pengantar Teknologi Membran.” Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, 2010.
HTI. Forward Osmosis Solution. http://www.htiwater.com/technology/Forwardosmosis/. Diakses pada 10-4-2016.
Synder Filtration. http://synderfiltration.com/microfiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016.
Lenntech. Microfiltration and Ultrafiltration. http://www.lenntech.com/microfiltration-and-ultrafiltration.htm.
Diakses pada 10-4-2016.
Synder Filtration. http://synderfiltration.com/ultrafiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016.
Synder Filtration. Nanofiltration. http://synderfiltration.com/nanofiltration/membranes/. Diakses pada 10-4-2016.
I.G. Wenten, K. Khoiruddin, A.N. Hakim. “OSMOSIS BALIK.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2014.
Lenntech. http://www.lenntech.com/nanofiltration-and-rosmosis.htm. Diakses pada 10-4-2016.
International Forward Osmosis Association. What is Forward Osmosis? http://forwardosmosis.biz/education/whatis-forward-osmosis/. Diakses pada 10-4-2016.
Electrosynthesis. Electrodialysis. https://electrosynthesis.com/electrodialysis/. Diakses pada 10-4-2016.
Darcy’s Law. https://old.uqu.edu.sa/files2/tiny_mce/plugins/filemanager/files/4282164/Darcy.pdf. Diakses pada 104-2016.
A.Abdelrasoul, H. Doan, A. Lohi. Fouling in membrane filtration and remediation methods.
http://www.intechopen.com/books/mass-transfer-advances-in-sustainable-energy-and-environmentorientednumerical-modeling/fouling-in-membrane-filtration-and-remediation-methods. Diakses pada 10-4-2016.
IG. Wenten. “Teknologi Membran Prospek dan Tantangannya.” Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, 2015.
M. Ulbricht. Advanced functional polymer membranes, Polymer , 47 (2006) 2217-2262.
L. Setiawan, R. Wang, S. Tan, L. Shi, A. G. Fane. Fabrication of poly (amide-imide)-polyethersulfone dual layer
hollow fiber membranes applied in forward osmosis by combined polyelectrolyte cross-linking and depositions,
Desalination 312 (2013) 99-106.
Z. W. Dai, L. S. Wan, Z. K. Xu, J. Surface glycosylation of polyacrylonitrile ultrafiltration membrane to improve its
anti-fouling performance. J. Membr. Sci. 325 (2008) 479-485.
N. Inagaki, S. Tasaka, K. Hibi, Surface modification of Kapton film by plasma treatments Polym. Sci Part A.30
(1992) 1425-1431.
R.A. Minamisawa, R. L. Zimmerman, D. Ila. Creation mechanism of pores by ion beam modification of
fluoropolymer film membranes Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B.266 (2008) 1273-1275.
S. Wongchitphimon, R. Wang, R. Jiraratananon Surface modification of polyvinylidene fluoride-cohexafluoropropylene (PVDF–HFP) hollow fiber membrane for membrane gas absorption. J. Membr. Sci. 381 (2011)
183-191.
8
[31] C. Lindner, O. Kedem. Nanofiltration: Principles and Applications (Eds.: A. I. Schfer, A. G. Fane, T. D. Waite ),
Elsevier, Oxford. Page 20, 2002.
[32] J. Jegal, N.-W. Oh, D.-S. Park, K.-H. Lee, Characteristics of the nanofiltration composite membranes based on PVA
and sodium alginate. J. Appl. Polym. Sci.79 (2001) 2471-2479.
[33] A. Gugliuzza, E. Drioli, PVDF and HYFLON AD membranes: ideal interfaces for contactor applications. J. Membr.
Sci. 300 (2007) 51-62.
[34] M. Taniguchi, Y. Fusaoka, T. Nishikawa, M. Kurihara. Boron Removal in Sea-water RO Desalination.Toray
Industries, 2004.
[35] I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti. A.N. Hakim. “Teknologi Membran dalam Pengolahan Air.” Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, 2014.
[36] Membrane Solution. Ultra Pure Water. https://www.membranesolutions.com /ultrapure-water.htm. Diakses pada 104-2016.
[37] RWL water. Ultrapure Water Solutions. https://www.rwlwater.com/ultrapure-water/. Diakses 10-4-2016.
[38] I.G. Wenten. “PERKEMBANGAN TERKINI DI BIDANG TEKNOLOGI MEMBRAN.” Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, 2014.
[39] E.
Gilbert.
Zero
Discharge
Desalination.
http://www.waterworld.com/articles/print/volume28/ssue12/editorialfeatures/zero-discharge-desalination-holdspromise-max-waterrecover.html. Diakses pada 10-4-2016.
9