STUDI AWAL REVERSE OSMOSIS TEKANAN RENDA
STUDI AWAL REVERSE OSMOSIS TEKANAN RENDAH UNTUK AIR
PAYAU DENGAN KADAR SALINI TAS DAN SUSPENDED SOLID RENDAH
Azfah, R.A. *, Dewi L.K.*, dan S oedjono E.S .*
*Jurusan Teknik Lingkungan
Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
e-mail: soedjono@enviro.its.ac.id
Abstrak
Penduduk di kawasan pesisir, mayoritas menggunakan sumur gali untuk keperluan sehari-hari, karena kualitas
air dianggap cukup baik oleh warga t erutama saat musim hujan. Sumur yang digunakan warga di kawasan pesisir
cenderung memiliki karakteristik kadar salinitas dan kadar suspended solid rendah (kekeruhan rendah). Salah s atu
teknologi yang digunakan untuk pemurnian air payau adalah des alinasi dengan menggunakan membran reverse
osmosis. Pada penelitian ini membran yang digunakan adalah m embran m erk FilmTec TW30-1812-50. Air baku yang
digunakan beras al dari sumur warga di daerah Pesisir Kenjeran Surabaya.
Pada penelitian ini dilteliti pengaruh kualitas air baku terhadap kemampuan membran dal am merejeksi TDS
dan Cl- serta fluks yang dihasilkan. Selain itu, diteliti pula mengenai pengaruh tekanan operasi yang diberikan pada air
umpan terhadap kemampuan rejeksi TDS dan Cl - pada air permeat, serta fluks permeat yang dihasilkan
Dari hasil penelitian didapatkan bahwa kemampuan membran dalam merejeksi kadar garam (Cl-) adalah
sekitar 85,6% hingga 97,52%, dan rejeksi t ertinggi diperoleh pada tekanan operasi 5,2 bar. Kemampuan membran
dalam merejeksi TDS adalah s ekitar 87,06% hingga 96,15%, hal ini sangat bergantung pada tekanan osmotiknya. Hal
ini juga berlaku untuk pengaruh tekanan operasi terhadap fluks, semakin tinggi tekanan yang diberikan, fluks yang
dihasilkan semakin tinggi.
Kata Kunci
1.
: membran reverse osmosis, rejeksi membran, fluks, tekanan operasi
PENDAHULUAN
Indonesia merupakan negara yang memiliki garis pantai sepanjang 95.181 km2, yang
merupakan keempat yang terpanjang di dunia setelah Amerika Serikat, Kanada, dan Rusia. Sekitar
63,47 % masyarakat miskin di Indonesia berada di kawasan pesisir dan pedesaan. M asyarakat
Indonesia yang sebagian besar hidup di kawasan pesisir, juga memiliki masalah dengan air baku
yang digunakan sebagai bahan baku untuk air minum dan kegiatan sehari-hari. M asyarakat pesisir,
terutama masyarakat yang kurang mampu, dibandingkan harus membayar sambungan rumah untuk
mendapatkan akses air bersih, mereka cenderung memanfaatkan air sumur gali yang kualitasnya
dianggap baik oleh warga terutama pada saat musim hujan. Sumur gali yang digunakan oleh warga
cenderung bersifat payau dan memiliki kadar padatan tersuspensi yang cukup rendah. Salah satu
teknologi yang tepat guna untuk memurnikan air payau untuk memenuhi ketersediaan air minum
bagi masyarakat wilayah pesisir adalah dengan menggunakan sistem desalinasi membran reverse
osmosis tekanan rendah dan menghasilkan permeat (filtrat) yang rendah pula.
1
M enurut jenis tekanan operasinya sistem osmosa balik dapat dibedakan menjadi dua, yaitu
unit tekanan tinggi dan unit tekanan rendah. Sistem osmosis balik yang bekerja pada tekanan ratarata sebesar 17,6 kg/cm2 (250 Psi) dapat diklasifikasikan sebagai unit tekanan rendah (Said,1999).
Namun, pada literatur lain, disebutkan pula bahwa untuk membran yang bertekanan rendah, tekanan
operasi yang digunakan adalah sekitar 0,2 hingga 0,9 M Pa (Ozaki, 2002). Tekanan operasi yang
digunakan untuk sistem pengolahan air payau pada umumnya adalah sekitar 14 hingga 42 bar,
namun pada penelitian ini digunakan tekanan yang lebih rendah hanya 2,4 hingga 5,2 bar, karena
menyesuaikan jenis membran RO yang digunakan. Supaya operasional RO lebih efektif dan efisien,
digunakan air payau yang tentunya memiliki salinitas rendah dan kadar suspended solid rendah
yang sesuai dengan karakteristik air yang digunakan oleh masyrakat pesisr di wilayah Kenjeran
Surabaya. Studi awal mengenai membran reverse osmosis tekanan rendah dalam memurnikan air
payau ini, akan dianalisis mengenai kemampuan rejeksi membran bertekanan rendah menggunakan
air payau yang memiliki kadar salinitas dan suspended solid rendah terhadap kadar Cl- dan TDS
pada air permeat yang dihasilkan. Selain itu juga menganalisis hubungan pengaruh antara tekanan
yang diberikan pada air umpan terhadap rejeksi kadar Cl- dan TDS pada air permeat, serta
menganalisis hubungan pengaruh antara tekanan yang diberikan pada air umpan terhadap fluks pada
air permeat.
Apabila dua buah larutan dengan konsentrasi encer dan konsentrasi pekat dipisahkan oleh
membran semi-permeabel, maka larutan dengan konsentrasi yang encer akan terdifusi melalui
membran semi-permeabel tersebut masuk ke dalam larutan yang pekat sampai kesetimbangan
konsentrasi . fenomena ini dikenal dengan proses osmosis. Supaya larutan dapat mengalir dari
konsentrasi tinggi ke sisi larutan dengan konsentrasi yang lebih rendah diperlukan suatu tekanan
operasi yang diberikan pada air umpan yang melebihi tekanan osmotik larutan, sehingga proses
reverse osmosis dapat terjadi. Prinsip kerja reverse osmosis ditunjukkan oleh Gambar 1. Besarnya
tekanan osmosis tersebut tergantung dari temperatur air, dan konsentrasi garam yang dapat terlarut
dalam air. Air laut atau air asin dipompa dengan tekanan tinggi ke dalam suatu membran osmosa
balik yang memiliki 2 buah pipa keluaran,yakni pipa keluaran untuk air tawar yang dihasilkan dan
pipa keluaran untuk air garam yang telah dipekatkan (brine).
2
Gambar 1. Prinsip kerja Osmosa Balik
(sumber: Said,1999)
Rejeksi kandungan garam oleh membran yang menggunakan sistem aliran crossflow dapat
dilihat pada persamaan:
1
100%
Dimana ;
Cpermeate
= konsentrasi garam air olahan (mg/L)
Cfeed
= Konsentrasi garam air umpan (mg/L)
Selama konsentrasi sisi diniding umpan membran tetap, maka jumlah massa fluks garam
yang melewati membran tetap pula. Sementara dengan kenaikan tekanan akan menyebabkan
kenaikan fluks air yang melewati membran , dimana tekanan operasi merupakan driving force fluks
pelarut, dengan demikian tekanan akan menyebabkan kenaikan fluks pelarut (air)sedangkan fluks
zat terlarut (garam) adalah tetap sehingga akan menyebabkan rejeksi meningkat (Nurhayati dan
Soedjono, 2005).Fluks, merupakan laju volume fluida yang melewati penampang membran. Fluks
ini diukur dengan mengukur waktu yang diperlukan untuk menampung permeat dalam volume
tertentu. Secara matematis fluks dirumuskan sebagai:
.
Dengan Jw adalah fluks (L/m2/menit), Vp adalah volume permeat (mL), A adalah luas
permukaan membran (m2), dan t adalah waktu (menit).
Membran Reverse Osmosis
M embran osmosa balik yang ideal harus memiliki ketahanan terhadap serangan senyawa
kimia dan oleh mikroba, selain itu karakteristik pemisahan maupun mekanis tidak mudah berubah
setelah pengoperasian dalam waktu yang lama.(Williams dalam Winston, 1992). M embran osmosa
balik bertindak sebagai penghalang yang bersifat semi-permeabel yang dengan mudah melewatkan
3
komponen secara selektif (pelarut , biasanya air) dan menghalangi zat terlarut secara parsial
maupun keseluruhan. Air akan berpindah dari sisi umpan ke sisi permeat dengan proses difusi
dengan tekanan sebagai daya penggeraknya.
Jenis modul membran antara lain plate-end-frame, tubular, spiral-wound, dan hollow fiber.
Saat ini banyak Instalasi Pemurnian Air dengan osmosa balik menggunakan spiral-wound membran
, hal ini dikarenakan adanya pengembangan dalam berbagai material polimer, konduktivitas tinggi,
memiliki kemampuan rejeksi yang tinggi serta memiliki ketahanan yang tinggi terhadap fouling.
(Bick, 2000). Berikut merupakan gambaran potongan membran spiral wound yang digunakan.
Gambar 2 bagian-bagian Spiral-wound membrane
(Sumber: http://www.tectrapro.com)
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja membran, diantaranya yaitu: karakteristik
membran, yang merupakan material membran; tekanan operasi, tekanan operasi sangat berpengaruh
terhadap fluks yang dihasilkan serta kemampuan rejeksi membran; pH umpan; Periode Operasi
membran; konsentrasi umpan; temperatur; serta kadar suspended solid dalam air umpan
(Rahmadyanti, 2004).
Selain beberapa faktor tersebut, ada faktor lain yang juga berpengaruh terhadap kinerja
membran terhadap fluks yang dihasilkan dan kemampuan rejeksi membran, yaitu adanya
mekanisme polarisasi konsentrasi dalam membran dan efek Donnan potensial. Istilah polarisasi
konsentrasi digunakan untuk menggambarkan adanya akumulasi zat terlarut yang tertahan pada
permukaan membran dimana konsentrasi zat terlarut tersebut jauh lebih tinggi dibandingkan dengan
larutan umpan yang masuk. (Bhattacharyya dalam Ho, 1992). Dalam literatur lain menyebutkan
bahwa polarisasi konsentrasi dapat disebut sebagai polarisasi gel (Hendricks, 2006). Fenomena
polarisasi ini dapat menyebabkan penurunan fluks air (permeat) yang melewati membran yang
disebabkan karena resistensi hidrolik yang meningkat maupun atau karena tekanan osmotik di
daerah tempat lapisan gel terbentuk meningkat.
4
Air umpan mengandung berbagai macam ion, baik monovalen maupun ion divalen, dimana
dalam mekanisme pelolosan garam oleh membran, ion monovalen lebih mudah lolos daripada ion
lain seperti ion divalen. Secara spesifik, kombinasi pengaruh antara muatan membran dan kekuatan
ion dalam air umpan memegang peranan penting dalam merejeksi garam. Seperti yang ditunjukkan
oleh gambar 3 berikut, ketika air umpan yang mengandung ion bermuatan positif (kation) maupun
ion bermuatan negatif (anion) menyentuh membran monopolar yang bermuatan negatif, konsentrasi
kation pada membran lebih besar dibandingkan dengan jumlahnya pada larutan, pada saat yang
sama, konsentrasi anion pada membran lebih sedikit dibandingkan dengan pada larutan. Pertukaran
ion semacam ini menciptakan potensial elektrik yang dikenal dengan Donnan potensial. Donnan
Potensial ini terjadi pada batasan antara membran dengan zat terlarut.
Gambar 3 Donnan potensial yang ditimbulkan oleh rejeksi anion dan gaya tarik kation
oleh membran yang bermuatan negatif (sumber: Bartels dkk, 2005)
Berdasarkan teori Donnan potensial ini, rejeksi garam sangat bergantung pada kemampuan
membran dalam merejeksi anion. Dari teori yang ada dapat diasumsikan bahwa membran yang
memiliki muatan negatif yang kuat akan memiliki kemampuan rejeksi yang lebih tinggi
dibandingkan dengan membran yang memiliki muatan negatif lemah. (Bartels dkk, 2005).
Kualitas Air Baku
Kualitas air baku yang digunakan sangat berpengaruh terhadap kualitas permeat yang akan
dihasilkan. Jika menggunakan air laut sebagai air baku, diperlukan tekanan tinggi agar rejeksi
terhadap NaCl bisa maksimal. Sumber air payau biasanya adalah air tanah, yang mana air tanah ini
merupakan akuifer yang saline secara alamiah atau air tanah yang menjadi payau akibat intrusi air
laut maupun pengaruh aktifitas manusia (pemakaian secara berlebih dan irigasi. Air payau memiliki
kandungan yang sangat beragam. Hal ini sangat bergantung dimana air payau tersebut berada.
Dalam literatur yang ditulis oleh Alghoul et.al. (2009) air payau memiliki kadar TDS antara 1000
mg/L hingga 1500 mg/L. Air payau memiliki range TDS yang luas (1000 – 10.000 mg/L) dan
secara tipikal memiliki ciri kandungan organik karbon yang rendah, dan partikulat rendah maupun
kontaminan koloid.
5
2.
METODE PENELITIAN
Penelitian yang dilakukan ini merupakan penelitian skala laboratorium yang dilakukan di
Laboratorium Jurusan Teknik lingkungan ITS Surabaya, dilakukan selama Bulan M ei hingga Bulan
Juni, dimana rentang waktu tersebut merupakan periode akhir musim hujan dan awal musim
kemarau. Setelah dilakukan surveI secara acak terhadap 6 sumur di lokasi yang berbeda-beda di
kawasan Kenjeran pada periode bulan M ei, diketahui bahwa sumur yang berada di kawasan
kenjeran memiliki konsentrasi Cl- sebesar 400 mg/L hingga 2300 mg/L, sedangkan kadar padatan
terlarut nya adalah rendah yaitu berkisar 8 mg/L hingga 28 mg/L, sehingga dapat dikatakan sumur
di wilayah yang di survei memiliki kekeruhan yang sangat rendah yang berkisar antara 0,51 NTU
hingga 2,1 NTU. Hal ini dapat dilihat di Tabel 1 berikut.
Tabel 1. Karakteristik Air Sumur Daerah Tambak Deres
Lokasi
Kekeruhan
(NTU)
Kadar
TSS
(mg/L)
Sumur A
2,1
8
Sumur B
0,76
20
Sumur C
0,51
28
Sumur D
1,75
16
Sumur E
1,38
12
Sumur F
1,05
16
Pada penelitian ini digunakan sumur penduduk yang berlokasi di Jalan Kenjeran pantai
Kelurahan Tambak Deres, sekitar 50 m dari bibir pantai (sumur A). Lokasi pengambilam air payau
dapat dilihat pada gambar 4 yang diambil dari foto satelit oleh Google map, dimana garis lingkar
merah menunjukkan lokasi pengambilan air payau selama penelitian.
M embran RO yang digunakan merupakan membran merk FilmTec tipe TW30-1812-50
yang memiliki kapasitas maksimal 189 liter per hari (50 gallon per day). Karena setelah dilakukan
survey ke beberapa tempat , diketahui membran merk dan tipe ini adalah membran yang paling
murah dan memiliki kemampuan rejeksi yang cukup baik dalam merejeksi kadar Cl- dalam air
umpan,Bahan membran ini yaitu jenis membran Thin Film Composite. M enurut literatur yang ada,
tekanan operasi optimum untuk membran ini adalah 3,5 bar, dan membran ini dapat bekerja pada
tekanan maksimum sebesar 10 bar. M embran yang digunakan dalam penelitian ini hanya 1 buah
6
untuk semua variabel, sehingga kondisi membran pada setiap variabel sudah tidak 100% lagi, untuk
menyiasati hal tersebut, maka dilakukan pencucian dengan menggunakan aquades selama 15 menit.
Pada penelitian ini variasi tekanan yang diberikan adalah sebesar 2,4 bar, 3,5 bar, 4,5 bar
dan 5,2 bar. Untuk memompakan air umpan yang masuk melalui membran, digunakan diaphragm
pump 24V yang mampu memompa air umpan hingga 8,6 bar. Untuk variasi konsentrasi Cl- yang
dilakukan adalah sebesar 500 mg/L, 1000 mg/L, 1500 mg/L dan 2000 mg/L.
Gambar 4. Lokasi Sumber Air
Variasi ini dilakukan berdasarkan karakteristik dari air sumur yang ada. Proses pengenceran
dilakukan dengan menggunakan aquades. Percobaan untuk setiap variabel tekanan dan konsentrasi
dilakukan selama 30 menit dengan waktu pengambilan sampel setiap 5 menit. Untuk parameter
yang digunakan yaitu fluks permeat (L/m2.menit), konsentrasi Cl- (mg/L) dan konsentrasi TDS
(mg/L). Pengukuran fluks dilakukan dengan cara mengukur volume permeat yang dihasilkan
selama 5 menit. Untuk pengukuran kadar Cl- dilakukan dengan metode argentometri, dan
pengukuran TDS dilakukan dengan metode gravimetri
M ekanisme pencucian membran RO tidak hanya digunakan pada saat sebelum membran RO
dioperasikan dengan air umpan, namun juga digunakan untuk setiap pergantian variabel. Pencucian
membran RO hanya dilakukan dengan menggunakan aquades, dan tidak menggunakan zat kimia
lain untuk pencucian membran RO. Hal ini dikarenakan, ditakutkan, jika pencucian membran
menggunakan asam atau bahan kimia lain tidak benar, kemudian saat pembilasan dengan
menggunakan aquades juga tidak bersih, ditakutkan ada asam yang masih tertinggal di dalam
membran, dan akan berpengaruh pada kualitas air hasil produksi (permeat).
Setelah membran dikondisikan dengan cara yang tersebut di atas, kemudian air umpan yang
telah diketahui karakteristiknya, akan dilewatkan pada membran reverse osmosis TW30-1812-50
7
dengan variasi kadar TDS, kadar garam (Cl-) serta tekanan pada air umpan. Air umpan ini
dilewatkan melalui membran dengan menggunakan diaphragm pump yang dapat dioperasikan
hingga tekanan maksimum 125 psi (pounds per square inch, atau sekitar 10 bar), pada selang yang
mengalirkan air umpan, dan aliran konsentrat dilengkapi dengan pressure gauge, sehingga tekanan
yang akan melewati membran akan diketahui besarannya. Pengaturan tekanan operasi yang akan
masuk melewati membran dilakukan dengan cara membuka penuh aliran air permeat, dengan cara
membuka penuh kran pada jalur permeat. Untuk regulator valve R2 pada jalur brine, diatur
bukaannya hingga pressure gauge pada jalur brine menunjukkan angka tekanan yang diinginkan.
Gambar 5 berikut merupakan skema proses pengoperasian membran RO dimana notasi Qf dan Cf
merupakan debit air umpan dan konsentrasi air umpan, sedangkan notasi Qb dan Cb merupakan
debit air konsentrat (brine) dan konsentrasi konsentrat (brine).
Gambar 5. Skema pengoperasian membran RO
Notasi Qf dan Cf merupakan debit air umpan dan konsentrasi air umpan, notasi Qp dan Cp
merupakan debit air permeat dan konsentrasi permeat sedangkan notasi Qb dan Cb merupakan debit
air konsentrat (brine) dan konsentrasi konsentrat (brine).
3. HAS IL D AN PEMBAHAS AN
Pengaruh Tekanan Operasi
Tekanan operasi adalah salah satu faktor yang mempengaruhi fluks serta rejeksi membran.
Sesuai dengan prinsip kerja dari proses reverse osmosis, maka tekanan operasi yang diperlukan agar
dapat melewati membran reverse osmosis harus lebih besar daripada tekanan osmotiknya. Tekanan
osmotik suatu larutan bergantung dari konsentrasi larutan tersebut. Semakin tinggi konsentrasi suatu
larutan, maka semakin tinggi pula tekanan osmosis nya, sehingga gaya dorong (driving force) yang
diperlukan juga lebih besar.
a. Pengaruh Tekanan Operasi terhadap Fluks
8
Gambar 6 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
tekanan operasi yang diberikan pada air umpan dengan fluks permeat yang dihasilkan. Ketika
tekanan operasi yang diberikan terhadap air umpan meningkat, maka fluks yang dihasilkan juga
Fluks permeat
(L/m2.menit)
meningkat. Hal ini dikarenakan, perbedaan tekanan dengan tekanan osmotik larutan.
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
2,4 2,7
518 mg/L
3
3,3 3,6 3,9 4,2 4,5 4,8 5,1
Tekanan Operasi (bar)
1008 mg/L
1500 mg/L
2085 mg/L
Gambar 6 Grafik pengaruh tekanan operasi terhad ap fluks permeat
Dengan konsentrasi larutan yang sama, yang berarti tekanan osmotik juga tidak berubah,
namun pemberian tekanan operasi terhadap air umpan semakin meningkat, menyebabkan perbedan
tekanan operasi yang diberikan dengan tekanan osmotik menjadi semakin besar, hal ini yang
menyebabkan gaya dorong yang terjadi pada air yang melalui membran semakin besar, yang
berdampak pada semakin besarnya fluks permeat yang dihasilkan.
b. Pengaruh Tekanan Operasi terhadap kadar Cl Gambar 7 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
tekanan operasi yang diberikan pada air umpan dengan rejeksi kadar Cl- oleh membran. Dari
gambar 7 diketahui bahwa kemampuan membran dalam merejeksi Cl- dalam air umpan berkisar
antara 85,6% hingga 97,52%, tergantung dari konsentrasi larutan dan tekanan operasi yang
diberikan terhadap air umpan. Rejeksi tertinggi diperoleh pada tekanan 5,2 bar untuk semua variasi
konsentrasi Cl-, hal ini dikarenakan perbedaan tekanan antara tekanan operasi dengan tekanan
osmotik larutan cukup jauh. Pada grafik 7 dapat dilihat bahwa peningkatan rejeksi sebanding
dengan peningkatan tekanan.
Cl- merupakan monovalent yang memiliki ukuran lebih besar dibandingkan dengan ukuran
pori membran reverse osmosis yang digunakan, yaitu sekitar 5 x 10-3 – 1 x 10-4 µm sedangkan
membran RO memiliki ukuran 0,0001 µ m, namun seperti yang disajikan pada grafik, rejeksi
membran RO terhadap ion Cl- tidak mencapai 100%, hal ini dikarenakan membran RO merupakan
penahan yang tidak sempurna terhadap garam-garam terlarut dalam air umpan. (Product
Information, FilmTec).
9
Secara keseluruhan, membran RO memiliki muatan pemukaan yang negatif dan menolak
ion atau molekul yang bermuatan negatif. Karena semua ion negatif tertolak, sehingga kation lebih
banyak berada di sekitar permukaan membran.
Rejeksi Cl- (%)
100
96
92
88
84
80
2,4 2,7
3
3,3 3,6 3,9 4,2 4,5 4,8
Tekanan Operasi (Bar)
518
1008
1500
2085
5,1
Gambar 7. Grafik pengaruh tekanan operasi terhadap Rejeksi kadar Cl-
Fenomena ini menciptakan potensial elektrik yang disebut Potensial Donnan. Fenomena
potensial Donnan ini membantu menolak ion negatif (anion) dari membran, namun peningkatan
salinitas atau ion-ion divalent menurunkan efek dari Potensial Donnan pada rejeksi garam oleh
membran. Besarnya perubahan rejeksi garam pada membran tertentu dapat bervariasi bergantung
ada komposisi air serta kekuatan membran.
c. Pengaruh Tekanan Operasi terhadap kadar TDS
Gambar 8 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
tekanan operasi yang diberikan pada air umpan dengan rejeksi kadar TDS oleh membran. Hal ini
berarti kemampuan membran dalam merejeksi TDS dalam air umpan berkisar antara 87,06% hingga
96,15%, tergantung dari konsentrasi larutan dan tekanan operasi yang diberikan terhadap air umpan.
Rejeksi TDS (%)
Rejeksi tertinggi diperoleh pada tekanan 5,2 bar untuk semua variasi konsentrasi TDS.
100
96
92
88
84
80
2,4 2,7
1080 mg/L
3
3,3 3,6 3,9 4,2 4,5 4,8 5,1
Tekanan Operasi (Bar)
1910 mg/L
2630 mg/L
3470 mg/L
Gambar 8 Grafik pengaruh tekanan operasi terhadap Rejeksi kadar TDS
Sama halnya dengan rejeksi Cl- , rejeksi TDS oleh membran juga sangat dipengaruhi oleh
tekanan osmotik larutan umpan. Semakin tinggi kadar TDS pada air umpan, maka semakin tinggi
10
pula tekanan osmotik larutan umpan. Hal ini akan berarti bahwa, semakin besar perbedaan antara
tekanan operasi dengan tekanan osmotik larutan, rejeksi TDS yang dihasilkan juga akan semakin
meningkat.
Pengaruh Konsentrasi Air Umpan
a. Pengaruh Konsentrasi air umpan terhadap Fluks Permeat
Gambar 9 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
Fluks permeat
(L/m2.menit)
Konsentrasi air umpan dengan fluks permeat yang dihasilkan.
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
500
2,4 bar
1000
1500
Kadar Cl- (mg/L)
3,5 bar
4,5 bar
2000
5,2 bar
Gambar 9 Grafik pengaruh Konsentrasi air umpan
terhadap Rejeksi kadar Cl-
Berdasarkan grafik hubungan antara variasi konsentrasi air umpan (mg/L) dengan fluks
permeat yang dihasilkan (L/m2.menit) yang diuji pada tekanan operasi yang sama, dapat dilihat
bahwa memiliki hubungan yang berbanding terbalik. Artinya, semakin besar kadar konsentrasi Clpada air umpan, maka fluks permeat yang dihasilkan semakin turun, hal ini berlaku untuk semua
variasi tekanan. Penurunan nilai fluks yang disebabkan karena semakin meningkatnya kadar Clpada air umpan, dapat dijelaskan oleh mekanisme polarisasi konsentrasi pada membran.
Fenomena yang disebabkan akibat menumpuknya zat terlarut pada permukaan membran
yang dapat membentuk lapisan gel ini dapat menurunkan fluks permeat yang melewati membran
yang disebabkan karena resistensi hidrolik meningkat maupun karena tekanan osmotik di daerah
tempat lapisan gel terbentuk meningkat.
Bhattacharyya dalam Ho,(1992) mengatakan bahwa fluks air bergantung pada konsentrasi
dari zat terlarut dan debit air umpan yang masuk. Semakin tinggi konsentrasi larutan, dapat
menurunkan fluks air dikarenakan meningkatnya tekanan osmotik. Seperti yang disebutkan dalam
literature, efek polarisasi konsentrasi dapat diminimalisasi dengan meningkatkan kecepatan aliran
11
cross-flow yang masuk melalui membran. Karena hal ini akan dapat meresuspensi zat terlarut yang
menumpuk di permukaan membran.
b. Pengaruh Konsentrasi air umpan terhadap konsentrasi ClGambar 10 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
Konsentrasi air umpan dengan rejeksi kadar Cl- oleh membran, yang dioperasikan pada tekanan
yang sama. Dari gambar 10 berikut dapat dilihat bahwa terjadi hubungan yang berbanding terbalik
antara kadar Cl- pada air umpan dengan rejeksi Cl- oleh membran yang dioperasikan pada tekanan
yang sama. Peningkatan konsentrasi Cl- pada saat dioperasikan pada tekanan yang konstan, rejeksi
nya akan menurun.
Rejeksi Cl- (%)
100
96
92
88
84
80
500
1000
2,4 bar
1500
Kadar Cl- (mg/L)
3,5 bar
4,5 bar
2000
5,2 bar
Gambar 10 Grafik pengaruh Konsentrasi air
umpan terhadap Rejeksi kadar Cl Adanya efek Donnan potensial yang ditimbulkan akibat gaya tolak terhadap anion dalam air
umpan serta gaya tarik terhadap kation dalam air umpan juga sangat berpengaruh terhadap rejeksi
garam oleh membran. Keuntungan dengan adanya Donnan potensial dalam hal merejeksi kadar
garam sangat baik dalam menaikkan rejeksi pada air umpan yang memiliki konsentrasi rendah,
sedangkan untuk konsentrasi yang cukup tinggi diatas 2000 mg/L, Donnan potensial cenderung
melemah sehingga menurunkan kemampuan rejeksi membran. Dapat dilihat pada gambar 10, ketika
konsentrasi air umpan meningkat, keuntungan dari adanya Donnan potensial sehingga seharusnya
dapat meningkatkan rejeksi garam oleh membran akan berkurang hingga pada titik dimana Donnan
potensial tidak lagi efektif, karena semakin tinggi konsentrasi air umpan, maka kation yang tertarik
oleh membran yang bermuatan negatif akan semakin banyak, sehingga menjadi penghalang
sehingga dapat memeperkecil gaya tolak menolak terhadap anion yang terkandung pada zat terlarut.
sehingga dapat memeperkecil gaya tolak menolak terhadap anion yang terkandung pada zat terlarut.
c. Pengaruh Konsentrasi air umpan terhadap konsentrasi kadar TDS
12
Gambar 11 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
Konsentrasi TDS air umpan dengan rejeksi kadar TDS oleh membran.
Rejeksi TDS (%)
100
96
92
88
84
80
1000
1500
2,4 bar
2000
2500
3000
3500
Konsentrasi TDS (mg/L)
3,5 bar
4,5 bar
5,2 bar
Gambar 11 Grafik pengaruh Konsentrasi air umpan
terhadap Rejeksi TDS
Semakin tinggi konsentrasi yang diberikan, namun tekanan operasi yang diberikan adalah
tetap, maka rejeksi TDS oleh membran akan mengalami penurunan. Hal ini jelas dikarenakan
konsentrasi zat terlarut akan berpengaruh pada nilai tekanan osmotiknya. Sehingga seharusnya,
peningkatan konsentrasi zat terlarut pada air umpan harus diimbangi dengan peningkatan tekanan
operasi, sehingga perbedaan tekanan yang cukup dapat menghasilkan rejeksi yang cukup tinggi.
Apabila perbedaan tekanan yang dihasilkan kurang mencukupi, maka akan terjadi penumpukan zat
terlarut di sekitar permukaan membran. Hal ini mengakibatkan tekanan osmotik untuk zat terlarut
yang berada di sekitar membran meningkat. Hal ini juga berakibat semakin besarnya gaya dorong
yang diperlukan.
4.
KES IMPULAN
1. M embran Reverse Osmosis merk FilmTec Tipe TW30-1812-50 bila diberikan air umpan yang
berasal dari air payau yang memiliki kadar garam, suspended solid sebesar 8 mg/L, kemampuan
membran dalam merejeksi Cl- dalam air umpan berkisar antara 85,6% hingga 97,52%, untuk
variasi konsentrasi antara 518 mg/L hingga 2085 mg/L tergantung dari konsentrasi larutan dan
tekanan operasi yang diberikan terhadap air umpan. Rejeksi tertinggi diperoleh pada tekanan 5,2
bar untuk semua variasi konsentrasi Cl-. Kemampuan membran dalam merejeksi TDS dalam air
umpan berkisar antara 87,06% hingga 96,15%, tergantung dari konsentrasi larutan dan tekanan
operasi yang diberikan terhadap air umpan yang memiliki konsentrasi TDS antara 1080 mg/L
hingga 3470 mg/L. rejeksi TDS oleh membran juga sangat dipengaruhi oleh tekanan osmotik
larutan umpan. Semakin tinggi kadar TDS pada air umpan, maka semakin tinggi pula tekanan
osmotik larutan umpan.
13
2. Hubungan pengaruh tekanan yang diberikan pada air umpan terhadap rejeksi kadar salinitas dan
TDS air permeat, secara umum meningkat, seiring dengan peningkatan tekanan operasi yang
diberikan.
3. Hubungan pengaruh antara tekanan yang diberikan pada air umpan terhadap fluks air permeat
berbanding lurus dengan peningkatan tekanan operasi. Semakin tinggi konsentrasi larutan,
semakin tinggi tekanan operasi yang diberikan, maka fluks air yang didapatkan juga akan
semakin meningkat.
5.
DAFTAR PUS TAKA
Alghoul, M .A., Poovanaesvaran, K., Soplan, M .Y., Sulaiman. 2009. “Review of Brackish Water
Reverse Osmosis (BWRO) System Designs”. Renewable and S ustainable Energy
Reviews 13, 2661 – 2667.
Bartels, C., Rich F., Stefan R., M anfred S., M ark W. 2005. “The Effect of Feed Ionic Strength on
Salt Passage through Reverse Osmosis M embranes”. Desalination 184, 185 – 195
Bick, A dan Gideon O. 2001. “Assessing the linkage between Feed Water Quality and Reverse
Osmosis M embrane Performance”. Desalination 137, 141 – 148
DOW FilmTec M embranes. Product Information Bulletin. Edina M N, USA
Greenlee, L.F., Desmond F.L., Benny D.F., Benoit M ., dan Philippe M . 2009. “Review, Reverse
Osmosis Desalination : Water Sources, Technology, and Today’s Challenges”. Water
Research 43, 2317 – 2348
Hendricks, David. 2006. Water Treatment Process Unit. London, New York: Taylor & Francis
Nurhayati, I. dan Soedjono, E.S., 2005. “Desalinasi Air Payau dengan M embran Reverse Osmosis
Tekanan Rendah”. Prosiding S eminar Nasional Manajemen Teknologi VI. Surabaya
Ozaki, H. dan Li, H. 2002. “Rejection of Organic Compound by Ultra-Low Pressure Reverse
Osmosis M embrane”. Water Research 36, 123-130
Peraturan M enteri Keseharan RI No. 492/PERM EN/IV/2010 tentang Persyaratan Kualitas Air
Minum.
Rahmadyanti, E. 2004. Pembuatan dan Pemanfaatan Membran Chitosan Untuk Pemisahan Larutan
Deterjen. Program Pasca Sarjana. Jurusan Teknik Lingkungan. Surabaya
Riduan, R., dan Soedjono E.S. 2002. Penurunan Kandungan Organik pada Air Gambut
Menggunakan Membran Ultrafiltrasi dengan Pretreatment PAC. Program Pasca Sarjana.
Jurusan Teknik Lingkungan. Surabaya.
Said, N.I. 1999. “Kesehatan M asyarakat dan Teknologi Peningkatan Kualitas Air”. Direktorat
Teknologi Lingkungan-BPPT
Supranata, L.N.E dan Soedjono E.S. 2004. Penyisihan Zat Warna Indigo Biru dengan Kombinasi
Pengolahan Menggunakan PAC dan Membran Chitosan. Program Pasca Sarjana. Jurusan
Teknik Lingkungan. Surabaya.
Williams, M .E. dan Bhattacharyya, D. 1992. Re verse Osmosis dalam Winston, W.S dan Kamalesh
K. S. Membrane Handbook. New York: Van Nostrand Reinhold.
14
PAYAU DENGAN KADAR SALINI TAS DAN SUSPENDED SOLID RENDAH
Azfah, R.A. *, Dewi L.K.*, dan S oedjono E.S .*
*Jurusan Teknik Lingkungan
Fakultas Teknik Sipil dan Perencanaan
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
e-mail: soedjono@enviro.its.ac.id
Abstrak
Penduduk di kawasan pesisir, mayoritas menggunakan sumur gali untuk keperluan sehari-hari, karena kualitas
air dianggap cukup baik oleh warga t erutama saat musim hujan. Sumur yang digunakan warga di kawasan pesisir
cenderung memiliki karakteristik kadar salinitas dan kadar suspended solid rendah (kekeruhan rendah). Salah s atu
teknologi yang digunakan untuk pemurnian air payau adalah des alinasi dengan menggunakan membran reverse
osmosis. Pada penelitian ini membran yang digunakan adalah m embran m erk FilmTec TW30-1812-50. Air baku yang
digunakan beras al dari sumur warga di daerah Pesisir Kenjeran Surabaya.
Pada penelitian ini dilteliti pengaruh kualitas air baku terhadap kemampuan membran dal am merejeksi TDS
dan Cl- serta fluks yang dihasilkan. Selain itu, diteliti pula mengenai pengaruh tekanan operasi yang diberikan pada air
umpan terhadap kemampuan rejeksi TDS dan Cl - pada air permeat, serta fluks permeat yang dihasilkan
Dari hasil penelitian didapatkan bahwa kemampuan membran dalam merejeksi kadar garam (Cl-) adalah
sekitar 85,6% hingga 97,52%, dan rejeksi t ertinggi diperoleh pada tekanan operasi 5,2 bar. Kemampuan membran
dalam merejeksi TDS adalah s ekitar 87,06% hingga 96,15%, hal ini sangat bergantung pada tekanan osmotiknya. Hal
ini juga berlaku untuk pengaruh tekanan operasi terhadap fluks, semakin tinggi tekanan yang diberikan, fluks yang
dihasilkan semakin tinggi.
Kata Kunci
1.
: membran reverse osmosis, rejeksi membran, fluks, tekanan operasi
PENDAHULUAN
Indonesia merupakan negara yang memiliki garis pantai sepanjang 95.181 km2, yang
merupakan keempat yang terpanjang di dunia setelah Amerika Serikat, Kanada, dan Rusia. Sekitar
63,47 % masyarakat miskin di Indonesia berada di kawasan pesisir dan pedesaan. M asyarakat
Indonesia yang sebagian besar hidup di kawasan pesisir, juga memiliki masalah dengan air baku
yang digunakan sebagai bahan baku untuk air minum dan kegiatan sehari-hari. M asyarakat pesisir,
terutama masyarakat yang kurang mampu, dibandingkan harus membayar sambungan rumah untuk
mendapatkan akses air bersih, mereka cenderung memanfaatkan air sumur gali yang kualitasnya
dianggap baik oleh warga terutama pada saat musim hujan. Sumur gali yang digunakan oleh warga
cenderung bersifat payau dan memiliki kadar padatan tersuspensi yang cukup rendah. Salah satu
teknologi yang tepat guna untuk memurnikan air payau untuk memenuhi ketersediaan air minum
bagi masyarakat wilayah pesisir adalah dengan menggunakan sistem desalinasi membran reverse
osmosis tekanan rendah dan menghasilkan permeat (filtrat) yang rendah pula.
1
M enurut jenis tekanan operasinya sistem osmosa balik dapat dibedakan menjadi dua, yaitu
unit tekanan tinggi dan unit tekanan rendah. Sistem osmosis balik yang bekerja pada tekanan ratarata sebesar 17,6 kg/cm2 (250 Psi) dapat diklasifikasikan sebagai unit tekanan rendah (Said,1999).
Namun, pada literatur lain, disebutkan pula bahwa untuk membran yang bertekanan rendah, tekanan
operasi yang digunakan adalah sekitar 0,2 hingga 0,9 M Pa (Ozaki, 2002). Tekanan operasi yang
digunakan untuk sistem pengolahan air payau pada umumnya adalah sekitar 14 hingga 42 bar,
namun pada penelitian ini digunakan tekanan yang lebih rendah hanya 2,4 hingga 5,2 bar, karena
menyesuaikan jenis membran RO yang digunakan. Supaya operasional RO lebih efektif dan efisien,
digunakan air payau yang tentunya memiliki salinitas rendah dan kadar suspended solid rendah
yang sesuai dengan karakteristik air yang digunakan oleh masyrakat pesisr di wilayah Kenjeran
Surabaya. Studi awal mengenai membran reverse osmosis tekanan rendah dalam memurnikan air
payau ini, akan dianalisis mengenai kemampuan rejeksi membran bertekanan rendah menggunakan
air payau yang memiliki kadar salinitas dan suspended solid rendah terhadap kadar Cl- dan TDS
pada air permeat yang dihasilkan. Selain itu juga menganalisis hubungan pengaruh antara tekanan
yang diberikan pada air umpan terhadap rejeksi kadar Cl- dan TDS pada air permeat, serta
menganalisis hubungan pengaruh antara tekanan yang diberikan pada air umpan terhadap fluks pada
air permeat.
Apabila dua buah larutan dengan konsentrasi encer dan konsentrasi pekat dipisahkan oleh
membran semi-permeabel, maka larutan dengan konsentrasi yang encer akan terdifusi melalui
membran semi-permeabel tersebut masuk ke dalam larutan yang pekat sampai kesetimbangan
konsentrasi . fenomena ini dikenal dengan proses osmosis. Supaya larutan dapat mengalir dari
konsentrasi tinggi ke sisi larutan dengan konsentrasi yang lebih rendah diperlukan suatu tekanan
operasi yang diberikan pada air umpan yang melebihi tekanan osmotik larutan, sehingga proses
reverse osmosis dapat terjadi. Prinsip kerja reverse osmosis ditunjukkan oleh Gambar 1. Besarnya
tekanan osmosis tersebut tergantung dari temperatur air, dan konsentrasi garam yang dapat terlarut
dalam air. Air laut atau air asin dipompa dengan tekanan tinggi ke dalam suatu membran osmosa
balik yang memiliki 2 buah pipa keluaran,yakni pipa keluaran untuk air tawar yang dihasilkan dan
pipa keluaran untuk air garam yang telah dipekatkan (brine).
2
Gambar 1. Prinsip kerja Osmosa Balik
(sumber: Said,1999)
Rejeksi kandungan garam oleh membran yang menggunakan sistem aliran crossflow dapat
dilihat pada persamaan:
1
100%
Dimana ;
Cpermeate
= konsentrasi garam air olahan (mg/L)
Cfeed
= Konsentrasi garam air umpan (mg/L)
Selama konsentrasi sisi diniding umpan membran tetap, maka jumlah massa fluks garam
yang melewati membran tetap pula. Sementara dengan kenaikan tekanan akan menyebabkan
kenaikan fluks air yang melewati membran , dimana tekanan operasi merupakan driving force fluks
pelarut, dengan demikian tekanan akan menyebabkan kenaikan fluks pelarut (air)sedangkan fluks
zat terlarut (garam) adalah tetap sehingga akan menyebabkan rejeksi meningkat (Nurhayati dan
Soedjono, 2005).Fluks, merupakan laju volume fluida yang melewati penampang membran. Fluks
ini diukur dengan mengukur waktu yang diperlukan untuk menampung permeat dalam volume
tertentu. Secara matematis fluks dirumuskan sebagai:
.
Dengan Jw adalah fluks (L/m2/menit), Vp adalah volume permeat (mL), A adalah luas
permukaan membran (m2), dan t adalah waktu (menit).
Membran Reverse Osmosis
M embran osmosa balik yang ideal harus memiliki ketahanan terhadap serangan senyawa
kimia dan oleh mikroba, selain itu karakteristik pemisahan maupun mekanis tidak mudah berubah
setelah pengoperasian dalam waktu yang lama.(Williams dalam Winston, 1992). M embran osmosa
balik bertindak sebagai penghalang yang bersifat semi-permeabel yang dengan mudah melewatkan
3
komponen secara selektif (pelarut , biasanya air) dan menghalangi zat terlarut secara parsial
maupun keseluruhan. Air akan berpindah dari sisi umpan ke sisi permeat dengan proses difusi
dengan tekanan sebagai daya penggeraknya.
Jenis modul membran antara lain plate-end-frame, tubular, spiral-wound, dan hollow fiber.
Saat ini banyak Instalasi Pemurnian Air dengan osmosa balik menggunakan spiral-wound membran
, hal ini dikarenakan adanya pengembangan dalam berbagai material polimer, konduktivitas tinggi,
memiliki kemampuan rejeksi yang tinggi serta memiliki ketahanan yang tinggi terhadap fouling.
(Bick, 2000). Berikut merupakan gambaran potongan membran spiral wound yang digunakan.
Gambar 2 bagian-bagian Spiral-wound membrane
(Sumber: http://www.tectrapro.com)
Ada beberapa faktor yang mempengaruhi kinerja membran, diantaranya yaitu: karakteristik
membran, yang merupakan material membran; tekanan operasi, tekanan operasi sangat berpengaruh
terhadap fluks yang dihasilkan serta kemampuan rejeksi membran; pH umpan; Periode Operasi
membran; konsentrasi umpan; temperatur; serta kadar suspended solid dalam air umpan
(Rahmadyanti, 2004).
Selain beberapa faktor tersebut, ada faktor lain yang juga berpengaruh terhadap kinerja
membran terhadap fluks yang dihasilkan dan kemampuan rejeksi membran, yaitu adanya
mekanisme polarisasi konsentrasi dalam membran dan efek Donnan potensial. Istilah polarisasi
konsentrasi digunakan untuk menggambarkan adanya akumulasi zat terlarut yang tertahan pada
permukaan membran dimana konsentrasi zat terlarut tersebut jauh lebih tinggi dibandingkan dengan
larutan umpan yang masuk. (Bhattacharyya dalam Ho, 1992). Dalam literatur lain menyebutkan
bahwa polarisasi konsentrasi dapat disebut sebagai polarisasi gel (Hendricks, 2006). Fenomena
polarisasi ini dapat menyebabkan penurunan fluks air (permeat) yang melewati membran yang
disebabkan karena resistensi hidrolik yang meningkat maupun atau karena tekanan osmotik di
daerah tempat lapisan gel terbentuk meningkat.
4
Air umpan mengandung berbagai macam ion, baik monovalen maupun ion divalen, dimana
dalam mekanisme pelolosan garam oleh membran, ion monovalen lebih mudah lolos daripada ion
lain seperti ion divalen. Secara spesifik, kombinasi pengaruh antara muatan membran dan kekuatan
ion dalam air umpan memegang peranan penting dalam merejeksi garam. Seperti yang ditunjukkan
oleh gambar 3 berikut, ketika air umpan yang mengandung ion bermuatan positif (kation) maupun
ion bermuatan negatif (anion) menyentuh membran monopolar yang bermuatan negatif, konsentrasi
kation pada membran lebih besar dibandingkan dengan jumlahnya pada larutan, pada saat yang
sama, konsentrasi anion pada membran lebih sedikit dibandingkan dengan pada larutan. Pertukaran
ion semacam ini menciptakan potensial elektrik yang dikenal dengan Donnan potensial. Donnan
Potensial ini terjadi pada batasan antara membran dengan zat terlarut.
Gambar 3 Donnan potensial yang ditimbulkan oleh rejeksi anion dan gaya tarik kation
oleh membran yang bermuatan negatif (sumber: Bartels dkk, 2005)
Berdasarkan teori Donnan potensial ini, rejeksi garam sangat bergantung pada kemampuan
membran dalam merejeksi anion. Dari teori yang ada dapat diasumsikan bahwa membran yang
memiliki muatan negatif yang kuat akan memiliki kemampuan rejeksi yang lebih tinggi
dibandingkan dengan membran yang memiliki muatan negatif lemah. (Bartels dkk, 2005).
Kualitas Air Baku
Kualitas air baku yang digunakan sangat berpengaruh terhadap kualitas permeat yang akan
dihasilkan. Jika menggunakan air laut sebagai air baku, diperlukan tekanan tinggi agar rejeksi
terhadap NaCl bisa maksimal. Sumber air payau biasanya adalah air tanah, yang mana air tanah ini
merupakan akuifer yang saline secara alamiah atau air tanah yang menjadi payau akibat intrusi air
laut maupun pengaruh aktifitas manusia (pemakaian secara berlebih dan irigasi. Air payau memiliki
kandungan yang sangat beragam. Hal ini sangat bergantung dimana air payau tersebut berada.
Dalam literatur yang ditulis oleh Alghoul et.al. (2009) air payau memiliki kadar TDS antara 1000
mg/L hingga 1500 mg/L. Air payau memiliki range TDS yang luas (1000 – 10.000 mg/L) dan
secara tipikal memiliki ciri kandungan organik karbon yang rendah, dan partikulat rendah maupun
kontaminan koloid.
5
2.
METODE PENELITIAN
Penelitian yang dilakukan ini merupakan penelitian skala laboratorium yang dilakukan di
Laboratorium Jurusan Teknik lingkungan ITS Surabaya, dilakukan selama Bulan M ei hingga Bulan
Juni, dimana rentang waktu tersebut merupakan periode akhir musim hujan dan awal musim
kemarau. Setelah dilakukan surveI secara acak terhadap 6 sumur di lokasi yang berbeda-beda di
kawasan Kenjeran pada periode bulan M ei, diketahui bahwa sumur yang berada di kawasan
kenjeran memiliki konsentrasi Cl- sebesar 400 mg/L hingga 2300 mg/L, sedangkan kadar padatan
terlarut nya adalah rendah yaitu berkisar 8 mg/L hingga 28 mg/L, sehingga dapat dikatakan sumur
di wilayah yang di survei memiliki kekeruhan yang sangat rendah yang berkisar antara 0,51 NTU
hingga 2,1 NTU. Hal ini dapat dilihat di Tabel 1 berikut.
Tabel 1. Karakteristik Air Sumur Daerah Tambak Deres
Lokasi
Kekeruhan
(NTU)
Kadar
TSS
(mg/L)
Sumur A
2,1
8
Sumur B
0,76
20
Sumur C
0,51
28
Sumur D
1,75
16
Sumur E
1,38
12
Sumur F
1,05
16
Pada penelitian ini digunakan sumur penduduk yang berlokasi di Jalan Kenjeran pantai
Kelurahan Tambak Deres, sekitar 50 m dari bibir pantai (sumur A). Lokasi pengambilam air payau
dapat dilihat pada gambar 4 yang diambil dari foto satelit oleh Google map, dimana garis lingkar
merah menunjukkan lokasi pengambilan air payau selama penelitian.
M embran RO yang digunakan merupakan membran merk FilmTec tipe TW30-1812-50
yang memiliki kapasitas maksimal 189 liter per hari (50 gallon per day). Karena setelah dilakukan
survey ke beberapa tempat , diketahui membran merk dan tipe ini adalah membran yang paling
murah dan memiliki kemampuan rejeksi yang cukup baik dalam merejeksi kadar Cl- dalam air
umpan,Bahan membran ini yaitu jenis membran Thin Film Composite. M enurut literatur yang ada,
tekanan operasi optimum untuk membran ini adalah 3,5 bar, dan membran ini dapat bekerja pada
tekanan maksimum sebesar 10 bar. M embran yang digunakan dalam penelitian ini hanya 1 buah
6
untuk semua variabel, sehingga kondisi membran pada setiap variabel sudah tidak 100% lagi, untuk
menyiasati hal tersebut, maka dilakukan pencucian dengan menggunakan aquades selama 15 menit.
Pada penelitian ini variasi tekanan yang diberikan adalah sebesar 2,4 bar, 3,5 bar, 4,5 bar
dan 5,2 bar. Untuk memompakan air umpan yang masuk melalui membran, digunakan diaphragm
pump 24V yang mampu memompa air umpan hingga 8,6 bar. Untuk variasi konsentrasi Cl- yang
dilakukan adalah sebesar 500 mg/L, 1000 mg/L, 1500 mg/L dan 2000 mg/L.
Gambar 4. Lokasi Sumber Air
Variasi ini dilakukan berdasarkan karakteristik dari air sumur yang ada. Proses pengenceran
dilakukan dengan menggunakan aquades. Percobaan untuk setiap variabel tekanan dan konsentrasi
dilakukan selama 30 menit dengan waktu pengambilan sampel setiap 5 menit. Untuk parameter
yang digunakan yaitu fluks permeat (L/m2.menit), konsentrasi Cl- (mg/L) dan konsentrasi TDS
(mg/L). Pengukuran fluks dilakukan dengan cara mengukur volume permeat yang dihasilkan
selama 5 menit. Untuk pengukuran kadar Cl- dilakukan dengan metode argentometri, dan
pengukuran TDS dilakukan dengan metode gravimetri
M ekanisme pencucian membran RO tidak hanya digunakan pada saat sebelum membran RO
dioperasikan dengan air umpan, namun juga digunakan untuk setiap pergantian variabel. Pencucian
membran RO hanya dilakukan dengan menggunakan aquades, dan tidak menggunakan zat kimia
lain untuk pencucian membran RO. Hal ini dikarenakan, ditakutkan, jika pencucian membran
menggunakan asam atau bahan kimia lain tidak benar, kemudian saat pembilasan dengan
menggunakan aquades juga tidak bersih, ditakutkan ada asam yang masih tertinggal di dalam
membran, dan akan berpengaruh pada kualitas air hasil produksi (permeat).
Setelah membran dikondisikan dengan cara yang tersebut di atas, kemudian air umpan yang
telah diketahui karakteristiknya, akan dilewatkan pada membran reverse osmosis TW30-1812-50
7
dengan variasi kadar TDS, kadar garam (Cl-) serta tekanan pada air umpan. Air umpan ini
dilewatkan melalui membran dengan menggunakan diaphragm pump yang dapat dioperasikan
hingga tekanan maksimum 125 psi (pounds per square inch, atau sekitar 10 bar), pada selang yang
mengalirkan air umpan, dan aliran konsentrat dilengkapi dengan pressure gauge, sehingga tekanan
yang akan melewati membran akan diketahui besarannya. Pengaturan tekanan operasi yang akan
masuk melewati membran dilakukan dengan cara membuka penuh aliran air permeat, dengan cara
membuka penuh kran pada jalur permeat. Untuk regulator valve R2 pada jalur brine, diatur
bukaannya hingga pressure gauge pada jalur brine menunjukkan angka tekanan yang diinginkan.
Gambar 5 berikut merupakan skema proses pengoperasian membran RO dimana notasi Qf dan Cf
merupakan debit air umpan dan konsentrasi air umpan, sedangkan notasi Qb dan Cb merupakan
debit air konsentrat (brine) dan konsentrasi konsentrat (brine).
Gambar 5. Skema pengoperasian membran RO
Notasi Qf dan Cf merupakan debit air umpan dan konsentrasi air umpan, notasi Qp dan Cp
merupakan debit air permeat dan konsentrasi permeat sedangkan notasi Qb dan Cb merupakan debit
air konsentrat (brine) dan konsentrasi konsentrat (brine).
3. HAS IL D AN PEMBAHAS AN
Pengaruh Tekanan Operasi
Tekanan operasi adalah salah satu faktor yang mempengaruhi fluks serta rejeksi membran.
Sesuai dengan prinsip kerja dari proses reverse osmosis, maka tekanan operasi yang diperlukan agar
dapat melewati membran reverse osmosis harus lebih besar daripada tekanan osmotiknya. Tekanan
osmotik suatu larutan bergantung dari konsentrasi larutan tersebut. Semakin tinggi konsentrasi suatu
larutan, maka semakin tinggi pula tekanan osmosis nya, sehingga gaya dorong (driving force) yang
diperlukan juga lebih besar.
a. Pengaruh Tekanan Operasi terhadap Fluks
8
Gambar 6 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
tekanan operasi yang diberikan pada air umpan dengan fluks permeat yang dihasilkan. Ketika
tekanan operasi yang diberikan terhadap air umpan meningkat, maka fluks yang dihasilkan juga
Fluks permeat
(L/m2.menit)
meningkat. Hal ini dikarenakan, perbedaan tekanan dengan tekanan osmotik larutan.
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
2,4 2,7
518 mg/L
3
3,3 3,6 3,9 4,2 4,5 4,8 5,1
Tekanan Operasi (bar)
1008 mg/L
1500 mg/L
2085 mg/L
Gambar 6 Grafik pengaruh tekanan operasi terhad ap fluks permeat
Dengan konsentrasi larutan yang sama, yang berarti tekanan osmotik juga tidak berubah,
namun pemberian tekanan operasi terhadap air umpan semakin meningkat, menyebabkan perbedan
tekanan operasi yang diberikan dengan tekanan osmotik menjadi semakin besar, hal ini yang
menyebabkan gaya dorong yang terjadi pada air yang melalui membran semakin besar, yang
berdampak pada semakin besarnya fluks permeat yang dihasilkan.
b. Pengaruh Tekanan Operasi terhadap kadar Cl Gambar 7 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
tekanan operasi yang diberikan pada air umpan dengan rejeksi kadar Cl- oleh membran. Dari
gambar 7 diketahui bahwa kemampuan membran dalam merejeksi Cl- dalam air umpan berkisar
antara 85,6% hingga 97,52%, tergantung dari konsentrasi larutan dan tekanan operasi yang
diberikan terhadap air umpan. Rejeksi tertinggi diperoleh pada tekanan 5,2 bar untuk semua variasi
konsentrasi Cl-, hal ini dikarenakan perbedaan tekanan antara tekanan operasi dengan tekanan
osmotik larutan cukup jauh. Pada grafik 7 dapat dilihat bahwa peningkatan rejeksi sebanding
dengan peningkatan tekanan.
Cl- merupakan monovalent yang memiliki ukuran lebih besar dibandingkan dengan ukuran
pori membran reverse osmosis yang digunakan, yaitu sekitar 5 x 10-3 – 1 x 10-4 µm sedangkan
membran RO memiliki ukuran 0,0001 µ m, namun seperti yang disajikan pada grafik, rejeksi
membran RO terhadap ion Cl- tidak mencapai 100%, hal ini dikarenakan membran RO merupakan
penahan yang tidak sempurna terhadap garam-garam terlarut dalam air umpan. (Product
Information, FilmTec).
9
Secara keseluruhan, membran RO memiliki muatan pemukaan yang negatif dan menolak
ion atau molekul yang bermuatan negatif. Karena semua ion negatif tertolak, sehingga kation lebih
banyak berada di sekitar permukaan membran.
Rejeksi Cl- (%)
100
96
92
88
84
80
2,4 2,7
3
3,3 3,6 3,9 4,2 4,5 4,8
Tekanan Operasi (Bar)
518
1008
1500
2085
5,1
Gambar 7. Grafik pengaruh tekanan operasi terhadap Rejeksi kadar Cl-
Fenomena ini menciptakan potensial elektrik yang disebut Potensial Donnan. Fenomena
potensial Donnan ini membantu menolak ion negatif (anion) dari membran, namun peningkatan
salinitas atau ion-ion divalent menurunkan efek dari Potensial Donnan pada rejeksi garam oleh
membran. Besarnya perubahan rejeksi garam pada membran tertentu dapat bervariasi bergantung
ada komposisi air serta kekuatan membran.
c. Pengaruh Tekanan Operasi terhadap kadar TDS
Gambar 8 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
tekanan operasi yang diberikan pada air umpan dengan rejeksi kadar TDS oleh membran. Hal ini
berarti kemampuan membran dalam merejeksi TDS dalam air umpan berkisar antara 87,06% hingga
96,15%, tergantung dari konsentrasi larutan dan tekanan operasi yang diberikan terhadap air umpan.
Rejeksi TDS (%)
Rejeksi tertinggi diperoleh pada tekanan 5,2 bar untuk semua variasi konsentrasi TDS.
100
96
92
88
84
80
2,4 2,7
1080 mg/L
3
3,3 3,6 3,9 4,2 4,5 4,8 5,1
Tekanan Operasi (Bar)
1910 mg/L
2630 mg/L
3470 mg/L
Gambar 8 Grafik pengaruh tekanan operasi terhadap Rejeksi kadar TDS
Sama halnya dengan rejeksi Cl- , rejeksi TDS oleh membran juga sangat dipengaruhi oleh
tekanan osmotik larutan umpan. Semakin tinggi kadar TDS pada air umpan, maka semakin tinggi
10
pula tekanan osmotik larutan umpan. Hal ini akan berarti bahwa, semakin besar perbedaan antara
tekanan operasi dengan tekanan osmotik larutan, rejeksi TDS yang dihasilkan juga akan semakin
meningkat.
Pengaruh Konsentrasi Air Umpan
a. Pengaruh Konsentrasi air umpan terhadap Fluks Permeat
Gambar 9 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
Fluks permeat
(L/m2.menit)
Konsentrasi air umpan dengan fluks permeat yang dihasilkan.
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
500
2,4 bar
1000
1500
Kadar Cl- (mg/L)
3,5 bar
4,5 bar
2000
5,2 bar
Gambar 9 Grafik pengaruh Konsentrasi air umpan
terhadap Rejeksi kadar Cl-
Berdasarkan grafik hubungan antara variasi konsentrasi air umpan (mg/L) dengan fluks
permeat yang dihasilkan (L/m2.menit) yang diuji pada tekanan operasi yang sama, dapat dilihat
bahwa memiliki hubungan yang berbanding terbalik. Artinya, semakin besar kadar konsentrasi Clpada air umpan, maka fluks permeat yang dihasilkan semakin turun, hal ini berlaku untuk semua
variasi tekanan. Penurunan nilai fluks yang disebabkan karena semakin meningkatnya kadar Clpada air umpan, dapat dijelaskan oleh mekanisme polarisasi konsentrasi pada membran.
Fenomena yang disebabkan akibat menumpuknya zat terlarut pada permukaan membran
yang dapat membentuk lapisan gel ini dapat menurunkan fluks permeat yang melewati membran
yang disebabkan karena resistensi hidrolik meningkat maupun karena tekanan osmotik di daerah
tempat lapisan gel terbentuk meningkat.
Bhattacharyya dalam Ho,(1992) mengatakan bahwa fluks air bergantung pada konsentrasi
dari zat terlarut dan debit air umpan yang masuk. Semakin tinggi konsentrasi larutan, dapat
menurunkan fluks air dikarenakan meningkatnya tekanan osmotik. Seperti yang disebutkan dalam
literature, efek polarisasi konsentrasi dapat diminimalisasi dengan meningkatkan kecepatan aliran
11
cross-flow yang masuk melalui membran. Karena hal ini akan dapat meresuspensi zat terlarut yang
menumpuk di permukaan membran.
b. Pengaruh Konsentrasi air umpan terhadap konsentrasi ClGambar 10 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
Konsentrasi air umpan dengan rejeksi kadar Cl- oleh membran, yang dioperasikan pada tekanan
yang sama. Dari gambar 10 berikut dapat dilihat bahwa terjadi hubungan yang berbanding terbalik
antara kadar Cl- pada air umpan dengan rejeksi Cl- oleh membran yang dioperasikan pada tekanan
yang sama. Peningkatan konsentrasi Cl- pada saat dioperasikan pada tekanan yang konstan, rejeksi
nya akan menurun.
Rejeksi Cl- (%)
100
96
92
88
84
80
500
1000
2,4 bar
1500
Kadar Cl- (mg/L)
3,5 bar
4,5 bar
2000
5,2 bar
Gambar 10 Grafik pengaruh Konsentrasi air
umpan terhadap Rejeksi kadar Cl Adanya efek Donnan potensial yang ditimbulkan akibat gaya tolak terhadap anion dalam air
umpan serta gaya tarik terhadap kation dalam air umpan juga sangat berpengaruh terhadap rejeksi
garam oleh membran. Keuntungan dengan adanya Donnan potensial dalam hal merejeksi kadar
garam sangat baik dalam menaikkan rejeksi pada air umpan yang memiliki konsentrasi rendah,
sedangkan untuk konsentrasi yang cukup tinggi diatas 2000 mg/L, Donnan potensial cenderung
melemah sehingga menurunkan kemampuan rejeksi membran. Dapat dilihat pada gambar 10, ketika
konsentrasi air umpan meningkat, keuntungan dari adanya Donnan potensial sehingga seharusnya
dapat meningkatkan rejeksi garam oleh membran akan berkurang hingga pada titik dimana Donnan
potensial tidak lagi efektif, karena semakin tinggi konsentrasi air umpan, maka kation yang tertarik
oleh membran yang bermuatan negatif akan semakin banyak, sehingga menjadi penghalang
sehingga dapat memeperkecil gaya tolak menolak terhadap anion yang terkandung pada zat terlarut.
sehingga dapat memeperkecil gaya tolak menolak terhadap anion yang terkandung pada zat terlarut.
c. Pengaruh Konsentrasi air umpan terhadap konsentrasi kadar TDS
12
Gambar 11 berikut merupakan grafik yang menggambarkan hubungan pengaruh antara
Konsentrasi TDS air umpan dengan rejeksi kadar TDS oleh membran.
Rejeksi TDS (%)
100
96
92
88
84
80
1000
1500
2,4 bar
2000
2500
3000
3500
Konsentrasi TDS (mg/L)
3,5 bar
4,5 bar
5,2 bar
Gambar 11 Grafik pengaruh Konsentrasi air umpan
terhadap Rejeksi TDS
Semakin tinggi konsentrasi yang diberikan, namun tekanan operasi yang diberikan adalah
tetap, maka rejeksi TDS oleh membran akan mengalami penurunan. Hal ini jelas dikarenakan
konsentrasi zat terlarut akan berpengaruh pada nilai tekanan osmotiknya. Sehingga seharusnya,
peningkatan konsentrasi zat terlarut pada air umpan harus diimbangi dengan peningkatan tekanan
operasi, sehingga perbedaan tekanan yang cukup dapat menghasilkan rejeksi yang cukup tinggi.
Apabila perbedaan tekanan yang dihasilkan kurang mencukupi, maka akan terjadi penumpukan zat
terlarut di sekitar permukaan membran. Hal ini mengakibatkan tekanan osmotik untuk zat terlarut
yang berada di sekitar membran meningkat. Hal ini juga berakibat semakin besarnya gaya dorong
yang diperlukan.
4.
KES IMPULAN
1. M embran Reverse Osmosis merk FilmTec Tipe TW30-1812-50 bila diberikan air umpan yang
berasal dari air payau yang memiliki kadar garam, suspended solid sebesar 8 mg/L, kemampuan
membran dalam merejeksi Cl- dalam air umpan berkisar antara 85,6% hingga 97,52%, untuk
variasi konsentrasi antara 518 mg/L hingga 2085 mg/L tergantung dari konsentrasi larutan dan
tekanan operasi yang diberikan terhadap air umpan. Rejeksi tertinggi diperoleh pada tekanan 5,2
bar untuk semua variasi konsentrasi Cl-. Kemampuan membran dalam merejeksi TDS dalam air
umpan berkisar antara 87,06% hingga 96,15%, tergantung dari konsentrasi larutan dan tekanan
operasi yang diberikan terhadap air umpan yang memiliki konsentrasi TDS antara 1080 mg/L
hingga 3470 mg/L. rejeksi TDS oleh membran juga sangat dipengaruhi oleh tekanan osmotik
larutan umpan. Semakin tinggi kadar TDS pada air umpan, maka semakin tinggi pula tekanan
osmotik larutan umpan.
13
2. Hubungan pengaruh tekanan yang diberikan pada air umpan terhadap rejeksi kadar salinitas dan
TDS air permeat, secara umum meningkat, seiring dengan peningkatan tekanan operasi yang
diberikan.
3. Hubungan pengaruh antara tekanan yang diberikan pada air umpan terhadap fluks air permeat
berbanding lurus dengan peningkatan tekanan operasi. Semakin tinggi konsentrasi larutan,
semakin tinggi tekanan operasi yang diberikan, maka fluks air yang didapatkan juga akan
semakin meningkat.
5.
DAFTAR PUS TAKA
Alghoul, M .A., Poovanaesvaran, K., Soplan, M .Y., Sulaiman. 2009. “Review of Brackish Water
Reverse Osmosis (BWRO) System Designs”. Renewable and S ustainable Energy
Reviews 13, 2661 – 2667.
Bartels, C., Rich F., Stefan R., M anfred S., M ark W. 2005. “The Effect of Feed Ionic Strength on
Salt Passage through Reverse Osmosis M embranes”. Desalination 184, 185 – 195
Bick, A dan Gideon O. 2001. “Assessing the linkage between Feed Water Quality and Reverse
Osmosis M embrane Performance”. Desalination 137, 141 – 148
DOW FilmTec M embranes. Product Information Bulletin. Edina M N, USA
Greenlee, L.F., Desmond F.L., Benny D.F., Benoit M ., dan Philippe M . 2009. “Review, Reverse
Osmosis Desalination : Water Sources, Technology, and Today’s Challenges”. Water
Research 43, 2317 – 2348
Hendricks, David. 2006. Water Treatment Process Unit. London, New York: Taylor & Francis
Nurhayati, I. dan Soedjono, E.S., 2005. “Desalinasi Air Payau dengan M embran Reverse Osmosis
Tekanan Rendah”. Prosiding S eminar Nasional Manajemen Teknologi VI. Surabaya
Ozaki, H. dan Li, H. 2002. “Rejection of Organic Compound by Ultra-Low Pressure Reverse
Osmosis M embrane”. Water Research 36, 123-130
Peraturan M enteri Keseharan RI No. 492/PERM EN/IV/2010 tentang Persyaratan Kualitas Air
Minum.
Rahmadyanti, E. 2004. Pembuatan dan Pemanfaatan Membran Chitosan Untuk Pemisahan Larutan
Deterjen. Program Pasca Sarjana. Jurusan Teknik Lingkungan. Surabaya
Riduan, R., dan Soedjono E.S. 2002. Penurunan Kandungan Organik pada Air Gambut
Menggunakan Membran Ultrafiltrasi dengan Pretreatment PAC. Program Pasca Sarjana.
Jurusan Teknik Lingkungan. Surabaya.
Said, N.I. 1999. “Kesehatan M asyarakat dan Teknologi Peningkatan Kualitas Air”. Direktorat
Teknologi Lingkungan-BPPT
Supranata, L.N.E dan Soedjono E.S. 2004. Penyisihan Zat Warna Indigo Biru dengan Kombinasi
Pengolahan Menggunakan PAC dan Membran Chitosan. Program Pasca Sarjana. Jurusan
Teknik Lingkungan. Surabaya.
Williams, M .E. dan Bhattacharyya, D. 1992. Re verse Osmosis dalam Winston, W.S dan Kamalesh
K. S. Membrane Handbook. New York: Van Nostrand Reinhold.
14