Perpustakaan Digital ITB

ABSTRAK PENGARUH PENAMBAHAN ADITIF PEG400 DAN ASETON TERHADAP PENINGKATAN SELEKTIVITAS DAN PERMEABILITAS MEMBRAN ULTRAFILTRASI BERBASIS POLISULFON UNTUK PENYISIHAN SENYAWA HUMIK Oleh Putu Teta Prihartini Aryanti NIM : 33011001 Membran ultrafiltrasi (UF) polisulfon (PSf) telah menjadi bagian penting dalam industri pengolahan air, karena kinerjanya yang tinggi dalam menyisihkan koloid, senyawa organik alam, dan mikroorgnisme yang terkandung dalam air pada tekanan operasi yang rendah. Kinerja membran UF dalam pengolahan air masih dibatasi oleh fouling senyawa organik alam (natural organic matter/NOM) yang berkontribusi pada penurunan performa membran dan kehilangan flux. Sebagai fraksi utama NOM, senyawa humik dianggap sebagai sumber foulant terbesar. Saat ini, penyisihaan senyawa humik telah mendapat perhatian besar, karena reaktivitasnya dengan senyawa antiseptik (seperti klorin) membentuk zat karsinogenik. Karena ukuran molekul senyawa humik yang sangat kecil, membran UF tidak efektif untuk penyisihan senyawa humik. Karena itu, modifikasi membran UF menjadi tak terelakkan untuk mendapatkan struktur kulit membran yang rapat agar selektivitas membran meningkat, dengan tetap mempertahankan fluks membran yang tinggi. Dalam penelitian Disertasi ini, membran UF berbasis PSf dimodifikasi dengan penambahan polietilen glikol (PEG400) dan aseton sebagai aditif. PEG400 merupakan polimer hidrofilik yang memiliki afinitas kuat dengan air, sehingga PEG400 yang terperangkap di dalam struktur matriks PSf dapat meningkatkan hidrofilisitas membran. Selain itu, PEG400 dapat bertindak sebagai pembentuk pori yang dapat meningkatkan porositas membran PSf, sehingga fluks membran yang dihasilkan menjadi lebih besar. Sementara itu, penambahan aseton yang iii bersifat mudah menguap dapat meningkatkan konsentrasi PSf di permukaan membran seiring dengan penguapan aseton ketika pembentukan struktur membran. Struktur kulit membran yang terbentuk menjadi lebih rapat dan dapat meningkatkan selektivitas membran terhadap senyawa humik. Membran UF dibuat dengan metode inversi fasa, yang melibatkan proses perubahan fasa, yaitu larutan membran homogen menjadi matriks membran padat. Sebelum memadat, larutan membran homogen (yang tersusun atas PSf, PEG400, aseton, dan DMAc) akan terpisah menjadi dua fasa, yaitu fasa kaya polimer yang membentuk matriks membran dan fasa miskin polimer yang membentuk pori membran. Dalam penelitian Disertasi ini, pemisahan fasa larutan membran terjadi ketika larutan membran direndam dalam bak yang berisi non-pelarut (air). Air akan berdifusi masuk ke dalam larutan membran dan mengganggu kesetimbangannya. Pembentukan struktur membran dengan metode inversi fasa sangat dipengaruhi oleh komposisi komponen-komponen penyusun membran, meliputi PSf, DMAc. PEG400, dan aseton. Karena itu, pengaruh dari konsentrasi masing-masing komponen terhadap karakteristik membran dipelajari secara komperehensif, baik terhadap morfologi, maupun performa membran selama filtrasi air gambut. Tahap awal percobaan adalah pemilihan konsentrasi PSf untuk pembuatan membran ultrafiltrasi sebelum mengamati konsentrasi aditif terhadap karakteristik membran, meliputi fluks dan rejeksi senyawa humik. Pada tahap ini, PSf dilarutkan dalam DMAc pada berbagai konsentrasi, yaitu dari 14% hingga 24% berat. Kemudian larutan polisulfon ditambahkan PEG400 dan aseton pada konsentrasi tetap, yaitu 25% dan 4% berat. Langkah selanjutnya adalah pengamatan pengaruh masing-masing aditif terhadap performa membran pada konsentrasi PSf tetap. Konsentrasi PEG400 divariasikan dari 0 hingga 35% berat, sedangkan konsentrasi aseton divariasikan dari 0 – 10% berat. Performa membran yang dihasilkan diuji terhadap fouling selama dua jam filtrasi air gambut. Fouling pada membran diuji melalui pengukuran fluks selama proses filtrasi, flux recovery ratio (FRR) setelah pembersihan membran, dan hambatan fouling yang terbentuk. iv Hasil yang diharapkan adalah membran yang memiliki fluks diatas 100 Lm-2h-1 dan rejeksi senyawa humik diatas 80%. Tahap akhir penelitian adalah kajian termodinamik larutan membran untuk memahami lebih dalam sifat termodinamik larutan membran melalui kurva kesetimbangan dalam diagram terner. Dari percobaan yang telah dilakukan, diperoleh hasil bahwa membran UF yang dibuat pada konsentrasi PSf sebesar 14% berat memiliki struktur pori terbuka pada permukaan membran, sehingga rejeksi senyawa humik menjadi rendah, yaitu sebesar 72%. Selain itu, membran UF yang dibuat pada konsentrasi PSf yang rendah (14%) menghasilkan membran dengan kekuatan mekanik yang rendah, di mana membran menjadi rusak ketika diaplikasikan pada tekanan 30 psig. Struktur pori yang dihasilkan semakin rapat dengan semakin besar konsentrasi PSf yang digunakan untuk pembuatan membran UF. Struktur membran yang semakin rapat berdampak pada rejeksi senyawa humik yang semakin besar, namun peningkatan rejeksi membran tidak disertai dengan peningkatan fluks air. Pada konsentrasi PSf tinggi (di atas 22%), struktur membran yang sangat rapat (dense) sangat sulit untuk dilewati oleh air pada tekanan 10 psig. Konsentrasi membran yang dapat dioperasikan pada tekanan 10 – 30 psig adalah membran yang dibuat dengan konsentrasi PSf antara 18 – 20% berat. Pada konsentrasi PSf 18% berat, penurunan fluks selama dua jam filtrasi air gambut masih besar, karena masih adanya struktur pori terbuka yang rentan terhadap penyumbatan pori oleh partikel kecil. Konsentrasi polisulfon yang baik untuk pembuatan membran adalah sebesar 20% berat, di mana fluks yang dihasilkan adalah di atas 100 Lm-2h-1 dan rejeksi senyawa humik di atas 80%. Selain itu, fluks yang dihasilkan lebih stabil ketika dioperasikan pada berbagai tekanan transmembrane yang berbeda. Tahap selanjutnya adalah mengamati pengaruh konsentrasi PEG400 terhadap karakteristik dan performa membran, yang dilakukan pada variasi konsentrasi antara 0% hingga 35% berat. Sementara itu, konsentrasi polisulfon adalah tetap 20% berat tanpa penambahan aseton. Diperoleh hasil bahwa penambahan PEG400 ke dalam larutan membran dapat meningkatkan hidrofilisitas membran yang ditunjukkan dengan penurunan sudut kontak droplet air di atas permukaan v membran. Selain itu, semakin besar konsentrasi PEG400 dapat meningkatkan porositas membran, yang ditandai dengan meningkatnya tingkat kebasahan hingga 76% dengan penambahan 35% PEG400. Peningkatan konsentrasi PEG400 berdampak pada semakin besarnya struktur pori permukaan membran, sehingga memicu terbentuknya fouling ireversibel dan penurunan flux recovery ratio (FRR), serta rendahnya rejeksi senyawa senyawa humik (20%). Permasalahan fouling dan rendahnya rejeksi tersebut dapat diminimalisasi dengan penambahan aseton konsentrasi kecil ke dalam larutan membran. Hasil percobaan menunjukkan bahwa rejeksi senyawa humik yang tinggi dicapai, karena rapatnya struktur permukaan membran yang terbentuk. Akibatnya, fluks yang dihasilkan menjadi lebih rendah. Dengan mencampurkan 4% berat aseton dalam larutan yang mengandung 20% berat PSf dan 25% berat PEG400, fluks air yang dihasilkan adalah 126 Lm-2h-1 dengan rejeksi senyawa humik di atas 80%. Berdasarkan pengukuran pori membran dengan metode rejeksi solut (dextran), ukuran pori pada kulit membran yang dihasilkan adalah mendekati 20 kDa. Struktur permukaan membran yang rapat menghasilkan nilai FRR tinggi (98%) dibandingkan dengan membran tidak dimodifikasi (35%). Sebagian fouling terbentuk pada permukaan membran selama penyaringan air gambut adalah reversibel dan mudah dibersihkan dengan metode flushing, sehingga fluks yang dihasilkan lebih stabil untuk penggunaan membran yang lebih lama. Hal ini menunjukkan bahwa membran dimodifikasi dengan aseton memiliki ketahanan fouling yang baik terhadap senyawa organik untuk mempertahankan fluks. Tahap akhir penelitian adalah kajian termodinamik sistem Air/DMAc/PSf/PEG400 untuk mengungkap pengaruh komposisi sistem terhadap kelarutan sistem membran. Analisis yang dihasilkan dapat dijadikan dasar penelitian selanjutnya untuk memprediksi komposisi membran yang sesuai dan menghasilkan struktur membran yang diinginkan. Model termodinamik Flory-Huggins (F-H) digunakan untuk memprediksi keadaan kesetimbangan larutan yang dipengaruhi oleh interaksi komponen-komponen pembentuk struktur membran. Dalam penelitian ini, parameter interaksi sistem membran vi air/DMAc/PSf/PEG400 ditentukan berdasarkan percobaan cloud point. Percobaan penentuan parameter dilakukan pada konsentrasi PSf sebesar 20% berat dan variasi konsentrasi PEG400 antara 0 – 20% berat, dan diperoleh hasil bahwa parameter interaksi yang sesuai untuk masing-masing komponen membran adalah: X13 (air-Psf) = 6,76, g14 (air-PEG400) = 0,51, g23 (DMAc-PSf) = 0,46, g24 (DMAc-PEG400) = 0,46, dan g34 (PSf-PEG400) = -0,53. Parameter-parameter tersebut diuji pada konsentrasi PEG yang lebih tinggi, yaitu 25–35% berat dan selanjutnya pada konsentrasi PSf yang berbeda (12% berat). Dari pengujian yang telah dilakukan, parameter interaksi yang digunakan dalam model termodinamik menghasilkan kurva binodal yang sesuai dengan hasil percobaan cloud point. Selanjutnya, model termodinamik dengan parameter yang ditetapkan tersebut digunakan untuk memprediksi komposisi dan mempelajari sifat termodinamik larutan membran. Dari analisis yang dilakukan, kurva binodal sistem membran yang dihasilkan dari komposisi PSf 20% berat dengan konsentrasi PEG400 tinggi (20-35%) sangat dekat dengan sisi polisulfon dan DMAc pada diagram terner. Hal ini menunjukkan bahwa larutan membran pada komposisi polisulfon 20% berat dan PEG400 konsentrasi tinggi memiliki kelarutan dalam DMAc yang sangat rendah. Kelarutan membran yang rendah dapat memudahkan air untuk masuk ke dalam larutan membran, sehingga konsentrasi air yang dibutuhkan untuk pemisahan fasa larutan membran menjadi lebih sedikit dan pembentukan struktur membran menjadi lebih cepat. Dari hasil karakterisasi membran yang telah dilakukan dan didukung oleh analisa termodinamik larutan membran, komposisi membran yang baik dalam pembuatan membran UF untuk penyisihan senyawa humik adalah polisulfon sebesar 20% berat, PEG400 sebesar 25% berat, dan aseton sebesar 4% berat. Kata kunci: membran polisulfon, parameter interaksi, liquid-liquid demixing, aditif polimer, senyawa humik