PENERAPAN MEMBRAN FILTRASI DARI SELULOSA ASETAT DAN CHITOSAN UNTUK PRODUKSI BERSIH PADA INDUSTRI PULP DAN KERTAS

Disusun Oleh Rizki Baro Katun

PENDAHULUAN

Produksi bersih (cleaner production) merupa-kan elemen strategis dalam teknologi produksi saat ini dan dimasa mendatang. Penerapan produksi bersih menekankan pada pengurangan (reduction) atau penghilangan (avoiding) pencemaran lingkung-an pada sumbernya setiap tahapan proses, sehingga diperoleh keuntungan berupa pengurangan produksi hasil samping (non-product output)/limbah, optimasi penggunaan sumberdaya, dan peningkatan efisiensi produksi.

Dalam mencapai tujuan penerapan produksi bersih tersebut di atas, proses pemisahan dengan membran filtrasi memainkan peranan penting (Paul dan Ohirogge, 1998). Beberapa keunggulan proses membran dibandingkan dengan proses pemisahan lainnya (sedimentasi, destilasi, ekstraksi, dll) adalah: (i) tidak memerlukan pengubahan fase medium baik secara fisik, kimia maupun biologis, (ii) proses berlangsung dengan cepat, (iii) cara pengoperasian sederhana, (iv) mudah dalam penggadaan skala (scale up), (iv) tidak memerlukan banyak tempat (compact), dan (v) memberikan hasil (permeat) dengan kualitas sangat baik (Scott dan Hughes, 1996). Penggabungan membran filtrasi dengan koagulasi atau flo kulasi selain memberikan efek  penghilangan kekeruhan dan disinfeksi, juga meningkatkan efisiensi pemisahan bahan-bahan ter-larut seperti fosfat, dan warna (Rautenbach dan Vassenkeul, 1998).

Hambatan utama penerapan proses membran untuk produksi bersih adalah keterbatasan membran, karena membran masih harus diimpor dengan harga yang sangat mahal (saat ini sekitar Rp 350.000,- - Rp 500.000,-/m2, belum termasuk ongkos pengirim-an dan harga modulnya). Selain itu, aplikasi proses membran sering bermasalah karena rendahnya ting-kat fluks yang dicapai akibat terbentuknya polarisasi konsentrasi (concentration polarization) atau lapisan penutup (layer) pada permukaan membran. Pada kondisi ekstrem, pori-pori membran dapat tersum-bat, sehingga fluks menurun secara drastis dan kebu-tuhan luasan membran dan dengan demikia kebu-tuhan biaya investasi menjadi sangat tinggi.

Intensitas pembentukan polarisasi konsentrasi pada permukaan membran sangat ditentukan karak-teristik membran, karakteristik medium, kondisi operasi, serta interaksi antara membran dengan bahan yang dipisahkan (Weiss et al, 1993). Oleh karena itu, untuk meningkatkan kinerja membran diperlukan pengkajian secara khusus untuk pemilih-an jenis membran dan kondisi operasi yang  disesuai-kan dengan bidang aplikasi.

Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut:

(i) Memproduksi dan menentukan karakteristik membran dari polimer alami (selulosa asetat dan chitosan).

(ii) Pengujian kinerja membran yang dihasilkan untuk aplikasi produksi bersih, dengan studi kasus pada industri pulp dan kertas

(iii) Evaluasi kelayakan teknis / finansial penerapan membran untuk produksi bersih, meliputi kebu-tuhan biaya dan hasil yang dapat dicapai.

METODOLOGI PENELITIAN

Bahan dan Alat

Untuk penelitin ini dugunakan efluen instalasi pengolahan air limbah (IPAL) sekunder: (a) Efluen dari Pabrik A yaitu pabrik kertas dengan mengguna-kan pulp yang diperoleh dari luar pabrik. Efluen ini telah mengalami proses pengolahan secara kimia (koagulasi/flokulasi) dan pengendapan, yang dilan-jutkan dengan pengolahan secara biologis (activated sludge); (b) Efluen dari pabrik B yaitu pabrik kertas dengan bahan baku kertas bekas. Seperti pada efluen pabrik A, efluen ini juga telah mengalami proses pengolahan secara kimia (koagulasi / flokulasi) dan sedimentasi, serta proses biologis (activated sludge).

Percobaan dilakukan dengan menggunakan membran dari selulosa dan membran dari chitosan. Komposisi bahan membran dari selulosa asetat ada-lah sebagai berikut: selulosa asetat 13 %, aseton 70 %, air 16 %, dan Mg(Cl4)2 1 %. Chitosan untuk penelitian ini dibuat dari limbah perikanan (kulit udang). Chitosan dibuat dari limbah udang sesuai dengan prosedur Suptijah et.al. (1992).

Metode Penelitian

Secara umum, tahapan penelitian terdiri atas; produksi dan karakterisasi membran, uji-coba membran, dan evaluasi kelayakan teknis dan finansial.

Pembuatan membran dilakukan sesuai dengan prinsip proses inversi fase. Bahan utama untuk produksi membran adalah polimer alami berupa selulosa asetat dengan pelarut aseton, dan bahan ‘pengendap’ polimer (swelling agent) berupa air dan Mg(OCl4)2. Proses produksi membran dari selulosa asetat sesuai dengan rekomendasi Rosa dan Pinho (1995). 

Produksi membran dari chitosan dilakukan sesuai dengan prosedur sebagimana diuraikan oleh Uragami (1992). Sebanyak 3 gram chitosan dilarut-kan ke dalam 97 gram CH3COOH. Preparasi mem-bran dari chitosan dilakukan sesuai dengan prosedur. pembanding digunakan membran ultrafiltrasi dari bahan surface modified PVDF (Polivinilidin fluorid) dengan MWCO 10.000 Da.

Membran yang dihasilkan kemudian dikarak-terisasi yaitu dengan menentukan fluks/permabilitas membran dan resistensi membran. Permeabilitas atau fluks adalah laju aliran permeat (Q) per satuan luasan membran (A) dan dinyatakan dalam L/m2 jam:

Fluks J diukur pada berbagai tekanan transmembran dan suhu ruang (25 oC), dengan menggunakan medium air distilata. Selektivitas membran menyata-kan persentase komponen tertentu yang dapat di-tahan oleh membran, dan dinyatakan dengan per-samaan berikut:

dengan f = selektivitas membran (-), cR dan cP masing-masing adalah konsentrasi komponen refe-rensi di dalam retentat dan di dalam permeat (mg/L). Resistensi membran terhadap aliran permeat ditentu-kan dari nilai fluks J (m3/m2 s), tekanan trans membran p (Pa), dan viskositas dinamis permeat  (Pa.s) sesuai dengan persamaan berikut:

Uji coba membran dilakukan untuk menentu-kan kinerja membran untuk menyaring air limbah industri pulp dan paper pada berbagai kondisi operasi. Percobaan dilaksanakan dengan mengguna-kan prinsip operasi aliran silang (cross flow filtration). Gambar 5 menunjukkan skema peralatan untuk pengujian kinerja membran. Parameter kinerja membran dievaluasi melalui pengkuran fluks yang dapat dicapai dan kualitas permeat yang dihasilkan (kekeruhan, warna, konsentrasi padatan dan bahan organik). Luasan membran yang digunakan untuk penelitian ini adalah sebesar 10,8 cm2.

Uji coba aplikasi membran untuk produksi bersih di bidang agroindustri dilakukan pada kasus daur-ulang air limbah industri pulp dan kertas. Tuju-an dari daur-ulang air limbah adalah untuk mereduk-si penggunaan air sekaligus mengurangi volume air limbah yang dihasilkan.

Karakteristik Membran

Membran dari Selulosa Asetat

Dalam penelitian ini dilakukan preparasi membran dari sesulosa asetat dengan berbagai kon-sentrasi. Karakteristik membran yang dihasilkan di-evaluasi dari parameter fluks (L/m2 jam) atau per-meabilitas (L/m2 jam bar) dan resistensi membran terhadap aliran permeat. Fluks merupakan volume permeat yang diperoleh setiap satuan luasan mem-bran dan satuan waktu pada temperatur dan tekanan tertertentu, sedangkan permeabilitas didefinisikan sebagai peningkatan fluks jika tekanan transmem-bran ditingkatkan 1 bar. Resistensi membran ter-hadap aliran permeat ditentukan berdasarkan per-samaan. Untuk penentuan kedua parameter ter-sebut digunakan air bersih bebas padatan pada tem-peratur ruang.

Gambar 6 menunjukkan fluks membran selulosa asetat dibandingkan dengan membran PVDF. Dari gambar tersebut terlihat bahwa fluks membran berbanding lurus dengan tekanan trans membran. Kemiringan garis hubungan antara fluks dan tekanan transmembran adalah permeabilitas membran yang bersangkutan. Hasil pengukuran tersebut menunjukkan bahwa nilai permabilitas sebesar 41 L/m2 jam bar untuk membran selulosa asetat, lebih kecil dibandingkan dengan permeabili-tas membran PVDF yaitu sebesar 75 L/m2 jam bar. Nilai permabilitas tersebut ditentukan oleh tingkat resistensi membran terhadap aliran permeat. Nilai resistensi membran selulosa asetat adalah sebesar 1,23 x 1013 m-1, lebih besar dibanding dengan nilai resistensi membran PVDF (6,08 x 1012 m-1).

Fluks dan permeabilitas membran ditentukan selain oleh viskositas permeat (dalah hal ini air), sedangkan resistensi membran pada selang tempe-ratur wajar tidak terpengaruh oleh temperatur. Oleh karena viskositas air dipengaruhi oleh temperatur, maka permeabilitas juga dipengaruhi oleh tempera-tur. Semakin tinggi temparatur, semakin rendah viskositas permeat dan semakin tinggi permabilitas membran.

 Gambar 6. Fluks membran dari selulosa asetat dibandingkan dengan membran PVDF (komersial) pada berbagai tekanan transmembran

Membran dari Chitosan

Membran dari chitosan dibuat dengan cara melarutkan chitosan ke dalam asam asetat sesuai dengan prosedur pada Gambar 4. Dalam penelitian ini juga telah dilakukan preparasi membran dari chitosan dengan berbagai konsentrasi. Sebagaimana pada membran dari selulosa asetat, karakteristik membran yang dihasilkan dievaluasi dari parameter fluks (L/m2jam) atau permeabilitas (L/m2 jam bar) dan resistensi membran terhadap aliran permeat. Untuk penentuan kedua parameter tersebut diguna-kan air bersih bebas padatan pada temperatur ruang.

Kemiringan garis hubungan antara fluks dan tekanan transmembran adalah permeabilitas membran yang bersangkutan. Dari hasil pengukuran tersebut di-peroleh nilai permabilitas sebesar 37 L/m2 jam bar untuk membran dari chitosan, lebih kecil diban-dingkan dengan permeabilitas membran PVDF yaitu sebesar 75 L/m2 jam bar. Nilai permabilitas tersebut ditentukan oleh tingkat resistensi membran terhadap aliran permeat. Nilai resistensi membran selulosa asetat adalah sebesar 1,11 x 1013 m-1, lebih besar dibanding dengan nilai resistensi membran PVDF (6,08 x 1012 m-1).

Perbandingan Antara Membran Selulosa Asetat, Membran Chitosan, dan Membran PVDF

Perbandingan karakteristik membran selulosa asetat, membran chitosan, dan membran PVDF di-tinjau dari permeabilitas dan resistensi membran masing-masing. terlihat bahwa permeabilitas membran dari selulosa asetat dan membran dari chitosan relatif rendah, meskipun masih lebih tinggi disbanding dengan permabilitas membran PVDF.

selama operasi pada berbagai kondisi operasi. Pada semua kasus teramai adanya penurunan fluks pada awal waktu operasi dan sete-lah sekitar 30 menit fluks mencapai kondisi tunak (fluks tidak menurun lebih lanjut). Nilai fluks pada kondisi tersebut sekitar 100 L/m2 jam.

Peningkatan tekanan transmembran dari 1 menjadi 2 bar tidak menyebabkan perubahan fluks secara berarti. Kejadian yang sama juga diamati pada peningkatan tekanan transmembran dari 2 bar menjadi 3 bar. Peningkatan tekanan transmembran menyebabkan peningkatan daya tekan permeat melalui membran, sehingga menyebkan jumlah laju alir cairan menuju ke membran mingkat. Dengan meningkatnya laju alir ini maka jumlah partikel yang terbawa ke arah membran meningkat. Karena laju alir ke arah membran tidak diimbangi dengan laju balik dari membran, maka akan terjadi akumulasi partikel pada permukaan membran yang menyebab-kan peningkatan resistensi terhadap aliran permeat. Dengan demikian, peningkatan tekanan transmem-bran tidak menyebabkan peningkatan fluks. Pada penelitian ini tidak dimungkinan pengaturan tekanan transmembran tanpa mengubah laju pengaliran alir-an, sehingga peningkatan tekanan transmembran tersebut menyebabkan penurunan kecapatan laju pengaliran.

Biaya pengolahan air limbah dengan proses membran terdiri dari dua komponen yaitu biaya investasi dan biaya operasi. Biaya investasi terutama untuk pengadaan membran, pompa dan peralatan pendukung lainnya. Biaya operasi proses membran pada prinsipnya terdiri dari biaya penyusutan, penggantian membran, bahan kimia, pemeliharaan, dan energi.

Tingkat kelayakan teknis/ekonomis penerap-an proses membran sangat ditentukan oleh harga membran dan tingkat fluks yang dapat dicapai dan kualitas permeat yang dihasilkan. Berdasarkan dari hasil penelitian ini, fluks yang diperoleh dalam penelitian ini adalah sekitar 100 L/m2 jam untuk membran dari chitosan dan sekitar 33 L/m2 jam untuk membran dari selulosa asetat. Dengan meng-gunakan membran komersial (PVDF) diperoleh fluks sebesar sekitar 100 L/m2 jam.

Fluks merupakan parameter terpenting kelayakan penerapan proses membran, karena fluks menentukan kebutuhan luas membran. Fluks umum-nya tinggi pada awal operasi dan menurun dengan meningkatnya waktu operasi. Setelah waktu tertentu fluks mencapai kondisi tunak, dimana fluks tidak mengalami perubahan secara berarti dengan mening-katnya waktu operasi. Nilai fluks pada kondisi ini selain dipengaruhi oleh jenis membran, juga di-pengaruhi oleh kondisi operasi seperti kecepatan aliran umpan, tekanan transmembran, konsentrasi padatan, dan temperatur. Pada penelitian ini di-peroleh fluks relatif tinggi yaitu 100 L/m2 jam untuk membran dari chitosan, sebanding dengan fluks yang diperoleh dengan menggunakan membran komersial (membran PVDF). Namun dengan meng-gunakan membran dari selulosa asetat diperoleh fluks relatif kecil yaitu 33 L/m2 jam dan masih memerlukan optimasi lebih lanjut.

Dengan penerapan membran ultrafiltrasi, kualitas efluen industri pulp dan kertas dapat ditingkatkan secara signifikan. Selain penghilangan semua padatan tersuspensi, terasuk didalamnya mikroorganisme, parameter kekeruhan, warna, dan kadar COD dapat reduksi secara nyata. Penurunan kekeruhan, warna dan kadar COD ditentukan oleh jenis membran dan kondisi operasi. Pada penelitian ini diperoleh penurunan kekeruhan, warna dan kadar COD masing-masing sebesar 80 – 96 persen, 77 - 99 persen, dan 35 - 52 persen, tergantung pada karak-teristik air limbah, jenis membran dan kondisi ope-rasi. Tingkat rejeksi menurun dengan meningkatnya tekanan transmembran. Penurunan kadar pencemar ini ditentukan oleh tingkat rejeksi membran, dengan demikian kualitas permeat dapat ditingkatkan dengan meningkatkan tingkat rejeksi membran, misalnya dengan meningkatkan konsentrasi polimer pada pembuatan membran.

DAFTAR PUSTAKA

http://journal.ipb.ac.id/index.php/jurnaltin/article/download/4540/3040

http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-industri/limbah-indusrti/desain-dan-pelaksaan-konstruksi-fltrasi