Nanofiltrasi

Nanofiltrasi

Oleh : Isti Nur Hidayati

Sistem   penanganan   air   bersih   adalah   suatu   mekanisme   tertentu   yang   bertujuan   untuk   mencapai standard yang dinginkan terhadap air baku baik secara manual maupun otomatis di suatu tempat (treatment plant).

Dasar perencanaan sistem water treatment ini mengacu kepada tiga hal yaitu kualitas air baku, kualitas air produk  dan kapasitas produksi berdasarkan total beban alat plumbing yang dibutuhkan. Prinsip dasar water treatment mengacu pada teknologi filtrasi yang terbaru. Yaitu menggunakan teknologi filtrasi dari tingkat partikel, molekul dan ionik.

Gambar 1. Bagan filtrasi dari berbagai tingkat. Semakin ke bawah ukuran zat yang

                         difiltrasi semakin kecil, sampai pada ion valensi satu.

Filtrasi Tingkat Partikel

Filtrasi tingkat partikel adalah filtrasi paling pertama sebelum masuk ke sistem berikutnya.  Treatment ini sering juga disebut pre-filter, dan berfungsi memperbaiki kualitas air pada sifat-sifat fisika.

1.    Filter pasir / Sand filter

a. Fungsi    : Menghilangkan kekeruhan (turbidity) dengan daya hingga 30  micron.

b. Kriteria desain

 i.   Media               : Silica Sand

ii.   Ukuran             : 0,8-2,36 mm            8 x 30 Mesh

         1,18-2,36 mm             8 x 16 Mesh

iii.  Warna              : Putih

Kekeruhan berasal dari adanya suspended solid matter dan koloid dalam air. Jika tidak ada sistem dalam WTP   maka   dapat   menyumbat   filter   lanjutan   sehingga   beban   filter   lanjutan   menjadi   bertambah   berat, karena tidak ada pre-filter di awal sistem.

2.    Filter Karbon aktif / Activated carbon Filter

a.  Menyerap bau, rasa, warna, sisa klorin

b.  Kriteria desain

i.   Media                : Activated carbon

ii.  Ukuran              : 12 x 40,08 x 30 Mesh

iii. Warna               : Hitam

Karbon   aktif   akan   mengadsorbsi   bau,   rasa   dan   sisa  klorin.   Sifat   bau   yang   ditimbulkan   oleh   aktivitas organik juga dapat dihilangkan dengan catatan masih dalam ambang batas air bersih (bukan air kotor / waste    water).  Karbon     yang    berongga,     menyebabkan        partikel-partikel     itu  masuk     dalam    celah-celahnya sehingga   hanya   air   dan   ion-ion   yang   sangat   renik yang   melewati   filter.   Bahan   media   karbon   biasanya berasal dari arang batok kelapa atau batu bara.

Zat organik yang dapat diserap karbon disebut juga sebagai KMnO₄  dalam analisa air. KMnO₄ ini berasal dari  aktivitas  mikroorganisme  seperti  algae, dan  jasad  renik  lainnya.Aktivitas  organik  yang  melibatkan oksigen bersifat korosif sehingga merusak peralatan-peralatan dari logam. Karbon aktif adalah salah satu cara untuk menanggulangi keadaan ini selain koagulasi dengan Al₂(SO₄), sedimentasi dan khlorinasi.

3.    Softener Filter

a.  Menghilangkan kesadahan / kapur

b.  Kriteria desain

i.   Media                : Resin Kation (merk Lewatit® atau Purolite®)

ii.  Service Rate      : tergantung nilai zat padat terlarut (Total Dissolve Solid / TDS)

Softener filter diharapkan mampu menghilangkan kesadahan total dalam air yang berasal dari ion Ca²⁺, Mg²⁺, Fe³⁺, Fe²⁺, Mn⁺. Kesadahan ini menyebabkan laksative (rasa mual dan mencret) ketika dikonsumsi, kerusakan (timbul kerak / scalling) pada perlengkapan pipa air panas dan ketel, pemborosan pemakaian sabun dan detergen serta merusak peralatan seperti autoclave. Walaupun softener ini dapat menghilangkan ion-ion   kesadahan,   tetapi   tetap   dimasukkan   dalam  filtrasi   tingkat   partikel   karena   menggunakan pressure filter standard, tidak menggunakan membran.

Filtrasi Tingkat Molekul

Filtrasi tingkat molekul ini menyaring zat yang lebih kecil lagi dibanding filter tingkat partikel biasa. Filter yang sudah umum dikenal adalah Mikron Filter (dari ukuran 10 - 0,1 µm), sedangkan yang teknologinya berkembang mulai tahun 2008 disebut             Ultrafiltration (dari ukuran 0,1 – 0,01 µm). Mikron filter biasanya menggunakan  cartridge  /  bag  filter,  sedangkan  ultrafiltration  menggunakan  membran  UF.  Mikron  filter sebenarnya      dapat   pula   digolongkan     dalam    filtrasi  ukuran   partikel,  jika  pori  yang   digunakan     dapat meloloskan   molekul   dan   hanya   menahan   partikel   saja.   Filtrasi   tingkat   ini  sudah   mulai   menggunakan membran.

Membran ialah sebuah penghalang selektif antara dua fasa. Membran memiliki ketebalan yang berbeda-beda, ada yang tebal dan ada juga yang tipis serta ada yang homogen dan ada juga ada heterogen. Ditinjau dari   bahannya   membran   terdiri   dari  bahan   alami   dan   bahan   sintetis.   Bahan   alami   adalah   bahan   yang berasal dari alam misalnya pulp dan kapas, sedangkan bahan sintetis dibuat dari bahan kimia, misalnya polimer.

Membran berfungsi memisahkan material berdasarkan ukuran dan bentuk molekul, menahan komponen dari umpan yang mempunyai ukuran lebih besar dari pori-pori membran dan melewatkan komponen yang mempunyai        ukuran    yang   lebih  kecil.  Larutan    yang   mengandung       komponen       yang   tertahan   disebut konsentrat   dan   larutan   yang   mengalir   disebut   permeat.   Filtrasi   dengan   menggunakan   membran   selain berfungsi sebagai sarana pemisahan juga berfungsi sebagai sarana pemekatan dan pemurnian dari suatu larutan yang dilewatkan pada membran tersebut.

Mikrofiltrasi merupakan pemisahan partikel berukuran micron atau submicron. Bentuknya lazim berupa cartridge, gunanya untuk menghilangkan partikel dari air yang berukuran 0,04 sampai 100 mikron. Asalkan kandungan   pdatan   total   terlarut   tidak   melebihi   100  ppm.   Filtrasi   cartridge   merupakan   filtrasi   mutlak. Artinya partikel padat akan tertahan, terkadang cartridge yang berbentuk silinder itu dapat dibersihkan.

Cartridge tersebut diletakkan di dalam wadah tertentu (housing). Bahan cartridge beraneka : katun, wool, rayon,    selulosa, fiberglass , poly  propilen ,  akrilik,  nilon,  asbes,  ester-ester  selulosa,  polimer   hidrokarbon terfluorinasi.

Dalam Ultrafiltrasi air baku akan ditekan (pressure) melalui pipa kapiler (membran) dalam tabung plastik. Ukuran yang beredar di pasaran berkisar dari 0.01 – 0.05 µm (sebagai perbandingan seutas rambut manusia memiliki diameter 50 µm – berarti poros ini 5000 kali lebih kecil). Kontaminan yang melebihi ukuran poros tersebut akan dibiarkan diluar membran dan dibuang sebagai reject water. Zat padat terlarut, garam dan ion-ion    masih    dapat    melalui membran   ini.   Keuntungan   terbesar   dari   ultrafiltrasi dibanding filtrasi biasa (mikron filter) adalah air yang dihasilkan lebih steril.

Pori-pori membran UF sangat kecil, sehingga bakteri Service dan bahkan virus terlalu besar untuk melewati membran ini (lihat  gambar  6). Banyaknya pori-pori dalam sebuah modul UF ditentukan dalam tingkat aliran yang diinginkan (service flow rate). Tergantung aplikasinya, modul UF memiliki ukuran berbeda tergantung kapasitas filtrasinya. Sehingga kebutuhan semua WTP dapat dipenuhi. Tidak seperti mikron filter yang bersifat disposable / habis pakai buang, sistem ultrafiltrasi dapat di-backwash dan di-flushing agar membran kembali ke kondisi awal setelah jenuh oleh partikel yang menyumbat pori-porinya. Air baku akan ditekan memasuki modul dari bawah. Proses ini disebut Dead End. selama filtrasi residu akan berada tetap dalam hollow fiber (casing membran sementara filtrat / air produk akan dikeluarkan.

Untuk  backwash  (aliran  air  dibalik)  ada  dua  macam.  Yaitu  backwash  awal  (primary  backwash)  atau  dikenal dengan istilahforward flush  /flushing.

Flushing :

Membersihkan residu dalam hollow fibre

Menguras hollow fibre itu sendiri

Backwash :

Membersihkan pori-pori membran dengan membalik arah air dari luar ke dalam membran

Filtrasi Tingkat Ion

Filtrasi tingkat ion adalah nanofiltration dan reverse osmosis. Nanofiltrasi sendiri jarang digunakan dalam industri  water  treatment,  yang  umum  adalah  reverse  osmosis.  Mungkin  karena  nanofilter  tidak  maksimal dalam penyaringan karena berukuran 0,01µ – 0,001µ sedangkan RO memiliki ukuran pori-pori yang lebih kecil yaitu 0,001µ – 0,0001µ atau sampai sepersepuluh ribu mikron.

Reverse Osmosis Sistem adalah sistem penyaringan air baku melalui membran TFC (Thin Film Composite). Dengan   tekanan   tinggi,   sehingga   menghasilkan   air yang   murni. Membran   tersebut   menyaring   zat-zat Kimia (organik & anorganik), garam, serta ion-ion yang terlarut dalam air. Sistem RO ini hanya dapat bekerja dengan baik apabila air baku yang dikelola jernih dan tidak banyak mengandung padatan   terlarut.  Apabila  air  terdapat  banyak    padatan   terlarut  maka   membran mudah mengalami penyumbatan (fouling), dan pengerakan (scalling). Untuk menghindari terjadinya penyumbatan dan pengerakan maka diperlukan pengolahan awal ataupre-treatment. Sistem yang baik akan dilengkapi dengan sistem antiscalant dan anti fouling. Dalam sistem RO biasanya disertai pemasangan filtrasi tingkat partikel berupa cartridge filter berukuran 5 – 10µm dengan harapan kerja membran menjadi lebih ringan. Adapun prosesnya mirip dengan proses ultrafiltrasi, hanya saja tekanan yang digunakan lebih tinggi dan pori-pori membrannya lebih kecil.

Meskipun nanofiltrasi belum dapat mengolah mineral terlarut, warna dan salinasi air, sehingga air hasil olahan (permeate) masih mungkin mengandung ion monovalen dan larutan dengan pencemar yang memiliki berat molekul rendah seperti alkohol. Namun nanofiltrasi sering diaplikasikan dan dimodifikasi untuk industri pengolahan lainnya karena sangat terjangkau dan ekonomis. Berikut pengertian nanofiltrasi, prinsip kerja, dan aplikasinya.

Pengertian

Nanofiltrasi adalah proses filtrasi membran yang relatif baru yang sering digunakan pada air yang mengandung total padatan terlarut rendah seperti air permukaan dan air tanah yang segar, bertujuan untuk pelunakan (penghilangan kation polivalen) dan penghilangan disinfeksi oleh produk prekursor seperti bahan organik alami dan bahan organik sintetik. Nanofiltrasi juga semakin banyak digunakan dalam aplikasi pengolah makanan seperti susu, untuk konsentrasi simultan dan parsial (ion monovalen) demineralisasi.

Prinsip

Nanofiltrasi (NF) adalah lintas aliran teknologi filtrasi yang berkisar antara ultrafiltrasi (UF) dan reverse osmosis (RO). Ukuran pori membran biasanya sekitar 1 nanometer. Membran Nanofilter biasanya diukur dari berat molekul cut-off (MWCO) daripada ukuran pori nominal. MWCO ini biasanya kurang dari 1000 unit massa atom (dalton). Tekanan transmembran (penurunan tekanan di seluruh membran) yang diperlukan lebih rendah (sampai dengan 3 Mpa) daripada yang digunakan pada RO, mengurangi biaya operasional secara signifikan. Namun, membran NF masih tergantung pada skala dan pengotor, dan sering mengubah seperti anti-scalant yang diperlukan untuk digunakan.

Metode mekanik atau  kimia dapat digunakan untuk efektivitas teknik filtrasi. Satu kelas teknik filtrasi didasarkan pada penggunaan membran dengan ukuran lubang yang sesuai, dimana cairan ditekan melalui membran. Membran nanoporous yang cocok untuk filtrasi mekanis dengan pori-pori sangat kecil lebih kecil dari 10 nm (inilah yang mendasari pemberian nama nanofiltrasi) dan dapat terdiri dari nanotube. Nanofiltrasi terutama digunakan untuk menghilangkan ion atau pemisahan cairan yang berbeda. Pada skala yang lebih besar, teknik filtrasi membran bernama ultrafiltrasi, yang bekerja antara 10nm dan 100 nm. Salah satu bidang penting dari aplikasi untuk ultrafiltrasi adalah tujuan medis seperti dapat ditemukan dalam dialisis ginjal.

Nanopartikel magnetik dapat memberikan suatu metode yang efektif dan dapat diandalkan untuk menghilangkan kontaminan logam berat dari air limbah dengan memanfaatkan teknik pemisahan magnetik. Menggunakan partikel nano meningkatkan efisiensi untuk menyerap kontaminan dan relatif murah dibandingkan dengan metode presipitasi dan penyaringan tradisional.

Beberapa perangkat pengolahan air menggabungkan nanoteknologi sudah ada di pasar, dengan pengembangan yang lebih luas. Rendahnya biaya pemisahan membran berstruktur nano metode telah terbukti efektif dalam memproduksi air minum dalam sebuah studi baru-baru ini.

Pemurnian air aplikasi

Di banyak negara berkembang, air minum bersih sulit didapat, dan nanoteknologi menyediakan satu solusi. Sementara nanofiltrasi digunakan untuk menghilangkan kontaminan dari sumber air, juga sering digunakan untuk desalinasi. Dalam sebuah penelitian di Afrika Selatan, tes dijalankan menggunakan nanofiltrasi polimer dalam hubungannya dengan proses reverse osmosis untuk mengolah air tanah payau. Tes ini menghasilkan air minum, tetapi sebagai harapan peneliti, reverse osmosis menghilangkan sebagian besar zat terlarut. Ini menyebabkan kekosongan air dari setiap nutrisi penting (ion kalsium, magnesium, dll), menempatkan tingkat gizi di bawah dari standar Organisasi Kesehatan Dunia yang diperlukan. Proses ini mungkin sedikit terlalu banyak untuk produksi air minum, sebagai peneliti harus mengembalikan dan menambahkan nutrisi untuk membawa tingkat terlarut ke tingkat standar untuk konsumsi air minum.

Menyediakan metode nanofiltrasi ke negara-negara berkembang, untuk meningkatkan pasokan air bersih mereka, adalah metode yang sangat murah dibandingkan dengan sistem pengolahan konvensional. Namun, masih ada isu-isu tentang bagaimana negara-negara berkembang akan dapat menggabungkan teknologi baru ke dalam perekonomian mereka tanpa menciptakan ketergantungan pada bantuan asing.

Daftar Pustaka :

Raymond D. Letterman (ed.)(1999). "Water Quality and Treatment." 5th Ed. (New York: American Water Works Association and McGraw-Hill.) ISBN 0-07-001659-3.

Dow Chemical Co. Nanofiltration Membranes and Applications

Hillie, Thembela; Hlophe, Mbhuti (2007). "Nanotechnology and the challenge of clean water". Nature Nanotechnology 2 (11): 663–664. doi:10.1038/nnano.2007.350. PMID 18654395.

Prüss-Üstün, Annette; Bos, Robert; Gore, Fiona; Bartram, Jamie. Safer water, better health. WHO, 2008

From Wikipedia, the free encyclopedia

http://www.waterpluspure.com/news/9/Teknologi-Membran-Mikro-Filtasi-Ultrafiltrasi-Nanofiltrasi-dan-Reverse-Osmosis