Ultrafiltrasi - Filtrasi untuk Menghasilkan Air Super Jernih

Penggunaan teknologi ultrafiltrasi untuk aplikasi air minum perkotaan adalah konsep yang relatif baru, walaupun pada awalnya, ini sudah umum digunakan di banyak aplikasi industri seperti industri makanan atau farmasi. Ultrafiltrasi terbukti menjadi solusi yang kompetitif dibandingkan dengan yang konvensional. Dalam beberapa kasus, kombinasi ultrafiltrasi dengan proses konvensional juga dimungkinkan terutama untuk air umpan fouling yang tinggi atau untuk menghilangkan kontaminan tertentu. Baru-baru ini, ultrafiltrasi telah dikenal sebagai pra-perawatan kompetitif untuk sistem reverse osmosis. Sistem yang dirancang dengan ultrafiltrasi sebagai pra perawatan sebelum sistem reverse osmosis telah disebut sebagai Integrated Membrane System (IMS). Penerapan IMS adalah suatu keharusan untuk lokasi memerlukan perawatan konvensional yang sangat ekstensif atau jika fluktuasi kualitas air baku yang luas diharapkan terjadi. Namun, desain UF umumnya dianggap sebagai alternatif komersial untuk filtrasi konvensional karena biaya membrannya yang tinggi. Namun demikian, saat ini harga membran UF telah turun jauh, bahkan di bawah sistem perawatan konvensional dengan industri membran Asia yang baru datang. Oleh karena itu, tidak ada keraguan, UF sekarang menjadi sistem pretreatment kompetitif untuk RO dalam berbagai kualitas air baku.

PENDAHULUAN ULTRAFILTRASI

Membran dapat digambarkan sebagai material lapisan tipis yang mampu memisahkan bahan sebagai fungsi sifat fisik dan kimianya saat tekanan diterapkan sepanjang membran. Membran secara fisik dapat berupa padatan maupun cairan. Dalam proses pemisahan oleh membran, air umpan dipisahkan menjadi aliran yang melewati membran, yaitu permeate dan sebagian kecil tidak melalui membran, yaitu konsentrat. Proses tekanan pada membran kemudian memungkinkan transfer selektif dan terkontrol satu spesies dari satu fase bulk ke fase bulk lainnya yang dipisahkan oleh membran.

Terobosan besar dalam pengembangan teknologi membran tercatat pada akhir tahun 1950 an. Namun, aplikasi industri baru dimulai sepuluh tahun kemudian, dengan penerapan membran lapisan tipis asimetris selulosa asetat reverse osmosis untuk desalinasi air laut.

Proses membran dapat diklasifikasikan dalam banyak hal, yaitu, berdasarkan sifat, struktur, atau tekanan pendorongnya. Perbedaan tekanan hidrostatik digunakan pada mikrofiltrasi (MF) dan nanofiltrasi (NF) serta reverse osmosis (RO) dan pemisahan gas (GS) sebagai tekanan pendorong untuk transportasi massal melalui membran. Ultrafiltrasi (UF) sebagai topik utama dalam pembahasan ini juga merupakan salah satu proses membran berdasarkan perbedaan tekanan sebagai gaya pendorongnya. Ultrafiltrasi dalam definisi ideal seperti yang disebutkan oleh Cheryan (1986) adalah teknik fraksinasi yang secara simultan dapat memusatkan makromolekul atau zat koloid dalam aliran proses. Ultrafiltrasi dapat dianggap sebagai metode untuk memurnikan, mengkonsentrasikan, dan fraksinasi makromolekul atau suspensi koloid secara serentak secara bersamaan.

Pada awalnya, sebagian besar aplikasi ultrafiltrasi ada di sektor medis yaitu operasi dialisis ginjal. Saat ini ultrafiltrasi diterapkan di berbagai bidang, mulai dari industri makanan dan minuman sampai industri kimia. Pengolahan air bersih dan air limbah juga merupakan bidang potensial penerapan ultrafiltrasi. Saat ini, teknologi UF digunakan di seluruh dunia untuk treatment berbagai sumber air. Penggunaan teknologi UF untuk aplikasi air minum perkotaan adalah konsep yang relatif baru walaupun seperti yang disebutkan sebelumnya umumnya digunakan di berbagai aplikasi seperti industri makanan atau farmasi [Laîné, et. Al. 2000]. Adanya peningkatan kebutuhan penggunaan ultrafiltrasi baru-baru ini dalam penggunaan membran dalam aplikasi air disebabkan oleh beberapa faktor yaitu meningkatnya tekanan dari pemerintah mengenai peraturan untuk memberikan perawatan air yang lebih baik, meningkatnya permintaan akan air yang membutuhkan eksploitasi sumber daya air dengan kualitas yang lebih rendah daripada yang sebelumnya, dan pasar kekuatan seputar pengembangan dan komersialisasi teknologi membran serta industri air itu sendiri [Mallevialle, et. Al. 1996]. Dalam tulisan ini, penerapan ultrafiltrasi dalam pengolahan air, perancangan sistem, dan kinerjanya sebagai pra perawatan untuk sistem reverse osmosis disajikan

2. MEMBRAN ULTRAFILTRASI

Membran ultrafiltrasi dapat terbuat dari bahan organik (polimer) dan anorganik. Ada beberapa polimer dan bahan lain yang digunakan untuk pembuatan membran UF. Pilihan polimer yang diberikan sebagai bahan membran didasarkan pada sifat yang sangat spesifik seperti berat molekul, fleksibilitas rantai, interaksi rantai, dan lain-lain. Beberapa dari bahan ini adalah polisulfon, polietersulfon, polisulfon tersulfonasi, fluorida polivinilidena, poliakrilonitril, selulosa, polimida, polieterimida, poliamida alifatik, dan polyetherketone. Bahan anorganik yang juga telah digunakan seperti alumina dan zirkonia [Mulder,1996].
Struktur membran UF bisa simetris atau asimetris. Ketebalan membran simetris (berpori atau tidak berpori) berkisar antara 10 sampai 200 μm. Daya tahan terhadap massa Transfer ditentukan oleh ketebalan membran total. Penurunan hasil ketebalan membran menyebabkan tingkat permeasi yang meningkat. Membran ultrafiltrasi yang memiliki struktur asimetris terdiri dari top layer atau kulit yang sangat padat dengan ketebalan 0,1 sampai 0,5 μm yang didukung oleh sub layer berpori dengan ketebalan sekitar 50 sampai 150 μm. Membran ini menggabungkan selektivitas tinggi dari membran padat dengan tingkat permeasi tinggi dari membran yang sangat tipis. Resistensi terhadap Transfer massa ditentukan sebagian besar atau seluruhnya oleh toplayer tipis. Gambar 1 menunjukkan penampang membran simetris dan asimetris.

Fig 1. Respresentasi skematik membran simetris dan asimetris

Pada membran berpori, dimensi pori menentukan karakteristik pemisahan. Jenis bahan membran penting untuk stabilitas kimia, termal, dan mekanis namun tidak untuk fluks dan reject. Oleh karena itu, tujuan pembuatan membran adalah memodifikasi material dengan teknik yang sesuai untuk mendapatkan struktur membran dengan morfologi yang sesuai untuk pemisahan tertentu. Teknik yang paling penting adalah sintering, stretching, track-etching, fase inversi, proses sol-gel, deposisi uap, dan pelapisan larutan. Namun, teknik yang biasanya digunakan untuk pembuatan membran UF terutama adalah proses pembalikan fasa dan sol-gel.
Metode karakterisasi membran berpori dapat dilakukan berdasarkan parameter struktur (penentuan ukuran pori, distribusi ukuran pori, ketebalan lapisan atas, porositas permukaan) dan parameter permeasi (pengukuran cut-off) [Mulder, 1996]. Berat molekul cut-off (MWCO) adalah spesifikasi yang digunakan oleh pemasok membran untuk menggambarkan kemampuan retensi membran UF, dan ini mengacu pada massa molekul makro (biasanya, polietilena glikol, dekstran, atau protein) dimana membran memiliki kemampuan retensi lebih besar dari 90%. MWCO oleh karena itu dapat dianggap sebagai ukuran dimensi pori membran (Anselme & Jacobs, 1996]. UF mencakup partikel dan molekul yang berkisar dari sekitar 1000 dengan berat molekul sampai sekitar 500.000 Dalton [Cheryan, 1998]. Teknik lain selain pengukuran cut-off untuk mengkarakterisasi membran UF adalah thermoporometry, perpindahan cairan, dan permporometri.

3. DESAIN SISTEM ULTRAFILTRASI

Ultrafiltrasi (UF) adalah operasi bertekanan rendah pada tekanan transmembran biasanya 0,5 sampai 5 bar. Hal ini tidak hanya memungkinkan pompa transfer nonpositif untuk digunakan tetapi juga pemasangan membran dapat dibangun dari komponen sintetis yang memiliki keunggulan penghematan biaya.
Membran UF dapat dibuat dasarnya dalam salah satu dari dua bentuk: lembaran berbentuk tabung atau datar. Membran dari desain ini biasanya diproduksi pada bahan substrat berpori. Unit operasional tunggal di mana membran direkayasa untuk penggunaan disebut sebagai modul. Unit operasional ini terdiri dari membran, struktur pendukung tekanan, saluran umpan masuk, port outlet konsentrat, dan titik-titik penarik yang menyerap. Dua jenis modul UF dapat ditemukan di pasaran, yaitu hollow fibre (kapiler), dan spiral wound (Gambar 2). Modul lainnya adalah pelat dan bingkai, modul tubular, rotary, modul getar, dan Dean Vortices.

(a) spiral wound (b) hollow fibre

Setiap jenis modul memiliki karakteristik khusus berdasarkan kepadatan pengepakannya, kemudahan pembersihan, biaya modul, penurunan tekanan, penahanan volume dan kualitas perawatan pra-perawatan. Modul hollow fibre memiliki kerapatan kemasan tertinggi dibandingkan dengan jenis modul lainnya, termasuk modul beban yang paling mudah bersih dan relatif kompetitif dan spiral. Berdasarkan penurunan tekanan, modul tubular dan cakram rotasi / silinder memiliki penurunan tekanan terendah dibandingkan dengan yang lain. Tahan volume modul hollow fibre yang tertinggi, disusul dengan plat dan bingkai, spiral wound, tubular, dan cakram berputar / modul silinder. Kebutuhan pra perawatan paling rendah pada modul disk dan silinder berbentuk silinder dan berputar [Aptel & Buckley, 1996].
Modul membran saat ini biasanya modular dengan kepadatan kemasan tinggi. Sebagian besar cocok untuk skala hingga dimensi yang lebih besar. Berbagai perangkat membran, berguna untuk pemisahan skala kecil di laboratorium atau operasi skala besar industri, tersedia [Anselme & Jacobs, 1996]. Fasilitas membran skala penuh terdiri dari modul seri / paralel dan beroperasi sesuai dengan berbagai mode, mulai dari sistem satu tahap intermiten hingga sistem multistage kontiniu [Aptel & Buckley, 1996].
Pengoperasian membran UF dapat dilakukan dalam dua mode aliran yang berbeda, yaitu aliran mati dan aliran silang. Mode operasi bolak-balik beroperasi serupa dengan filter kartrid dimana hanya ada aliran umpan dan aliran filtrat. Pendekatan aliran dead-end biasanya memungkinkan pemulihan optimal air umpan pada rentang 95 sampai 98%, namun biasanya terbatas pada aliran umpan padatan tersuspensi rendah (<1 NTU). Mode cross-flow berbeda dengan mode dead-end dimana ada aliran tambahan selain aliran umpan dan aliran filtrat (permeat), yaitu konsentratnya. Mode operasi aliran silang biasanya menghasilkan recovery yang lebih rendah dari air umpan, yaitu kisaran 90 sampai 95% [Bates, 1999].

ultrafiltrasi
Saat ini, elemen membran skala penuh dirancang dalam beberapa cara untuk mengoptimalkan luas membran hingga ukuran elemen. Rancangan fasilitas juga telah dioptimalkan dengan meningkatnya kapasitas pabrik. Masing-masing unit (skid mounted units) biasanya digunakan untuk kapasitas aliran kecil sedangkan untuk rangkaian kapasitas aliran yang lebih besar (10.000 m3 / d dan di atas) dengan perlengkapan tambahan yang dirancang. Saat ini, rangkaian yang terdiri dari 48 modul membran sedang dibangun. Penurunan fluks memiliki pengaruh negatif terhadap operasi membran tertentu secara ekonomis. Penurunan fluks biasanya disebabkan oleh fenomena fouling. Konsekuensinya, modul harus dibersihkan secara berkala. Pembersihan membran adalah pemindahan material asing dari permukaan dan bodi membran dan peralatan yang terkait untuk mengurangi fouling sampai batas tertentu. Frekuensi pembersihan merupakan faktor ekonomis yang penting, karena memiliki efek yang mendalam pada umur operasional membran. Pembersihan dan sanitasi membran diperlukan karena beberapa alasan, yaitu undang-undang dan peraturan mungkin menuntutnya dalam aplikasi tertentu (mis., Industri makanan dan bioteknologi), pengurangan mikroorganisme untuk mencegah kontaminasi aliran produk, dan pengoptimalan proses. Membran yang bersih dapat didefinisikan dalam tiga istilah menurut Cheryan (1998), yaitu, membran yang bersih secara fisik, membran yang bersih secara kimiawi, dan membran yang bersih secara biologis. Pemulihan fluks ke fluks awal membran baru setelah pembersihan dapat digunakan sebagai indikasi adanya membran bersih.
Empat metode pembersihan bisa dibedakan, yaitu pembersihan hidrolik, pembersihan mekanik, pembersihan kimia, dan pembersihan listrik. Pilihan metode pembersihan terutama bergantung pada konfigurasi modul, tipe membran, ketahanan kimia membran dan jenis foulant yang dihadapi.
Metode pembersihan hidrolik meliputi pembilasan kembali, tekanan alternatif dan depressurising dan dengan mengubah arah aliran pada frekuensi tertentu. Dalam teknik bacfkflush, arah aliran perembesan melalui membran dibalik secara periodik. Namun, backflushing juga mengurangi waktu operasi yang efektif, dan memberi kerugian pada permeate ke larutan umpan. Dampak backflushing dalam aplikasi industri sangat terbatas, karena keterbatasan dasarnya, yaitu hilangnya waktu perembesan dan waktu operasi, oleh karena itu proses backflush memerlukan optimasi yang memadai. Proses backflush dioptimalkan baik untuk durasi backflush dan untuk interval backflush. Perbaikan tingkat produk pada backflushing terutama merupakan fungsi dari tekanan backflush dan interval antara dua backflush. Baru-baru ini, interval waktu pembilasan kembali telah dikurangi menjadi detik yang sangat singkat sehingga efisien dan efektif
Resistensi tetap rendah karena tidak memiliki waktu untuk membangun lapisan. Teknik backflush baru dengan frekuensi tinggi dan durasi waktu lebih singkat telah diperkenalkan. Ditemukan bahwa hasil yang sangat baik dapat diperoleh dengan menggunakan waktu backflush yang sangat singkat (biasanya 0,06 detik) dengan interval waktu maksimal 5 detik, sebaiknya 1 sampai 3 detik. Karena waktu backflush yang efektif sangat singkat dan tekanan backflush relatif tinggi (biasanya 1 bar di atas tekanan umpan), nama “backshock” diperkenalkan. Hilangnya resapan selama backshocking sangat rendah dan hampir tidak mempengaruhi aliran permeat bersih. Teknik backshock yang dikombinasikan dengan penggunaan struktur membran asimetris terbalik memungkinkan filtrasi pada kecepatan crossflow yang sangat rendah dengan fluks permeat yang sangat stabil. Backshock yang tinggi sering dapat mencegah membran dari penyumbatan, dan memungkinkan proses filtrasi dengan tingkat fluks yang sangat stabil [Wenten, 1995]. Pembersihan mekanis dengan menggunakan bola spons besar hanya dapat diterapkan pada sistem tubular. Beberapa peneliti sedang mengembangkan pembersihan mekanis lainnya menggunakan gelombang ultrasonik. Pembersihan kimia adalah metode yang paling penting untuk mengurangi fouling, dengan sejumlah bahan kimia digunakan secara terpisah atau kombinasi. Konsentrasi bahan kimia dan waktu pembersihan juga sangat penting dibandingkan dengan ketahanan kimia membran. Pembersihan listrik adalah metode pembersihan yang sangat khusus. Dengan menerapkan medan listrik melintasi membran, partikel bermuatan atau molekul akan bermigrasi ke arah medan listrik. Pembersihan listrik dapat diterapkan tanpa mengganggu proses dan medan listrik diterapkan pada interval waktu tertentu [Mulder, 1996].