Membran Ultrafiltrasi

Membran ultrafiltrasi adalah teknik pemisahan dengan menggunakan membran untuk menghilangkan zat terlarut dengan bobot molekul (BM) tinggi, aneka koloid, mikroba sampai padatan tersuspensi dari air lautan. Membran semipermeabel dipakai untuk memisahkan makromolekul dari larutan. Proses pemisahan menggunakan membran ultrafiltrasi biasanya digunakan di bidang industri dan penelitian untuk penjernihan air karena ukuran yang dapat diolah adalah air pekat yang mengandung makromolekul yang memiliki berat atom sekitar 103-106 Da (1 Da = 0,000714 gram). Pengolahan menggunakan ultrafiltrasi pada umumnya menggunakan membran berukuran 0.001 mikron – 0.01 mikron. Dalam teknologi pemurnian air, membran ultrafiltrasi dengan BM membran 1000-20000 lazim untuk penghilangan pirogen, sedangkan BM membran 80000-100000 untuk penghilangan koloid. Pirogen dengan BM 10000-20000 terkadang dapat dipisahkan dengan membran 80000 karena adanya membran dinamis. Tekanan sistem ultrafiltrasi biasanya rendah 10-100 psi (70-700 kPa) maka dapat menggunakan pompa sentrifugal biasa. Membran UF sehubungan dengan pemurnian air dipergunakan untuk menghilangkan koloid (penyebab fouling), mikroba, pirogen, dan partikel modul higienis.
Membran ultrafiltrasi dibuat dengan mencetak membran selulosa asetat (SA) sebagai lembaran tipis. Membran selulosa asetat mempunyai sifat pemisahan namun sayangnya dapat dirusak oleh bakteri dan zat kimia serta rentan terhadap pH. Adapula membran dari polimer polisulfon, akrilik, polikarbonat, PVC, poliamida, poliviniliden fluorida, kopolimer AN-VC, poliasetal, poliakrilat, kompleks polielektrolit, dan PVA ikat silang. Selain itu, membran dapat dibuat dari keramik, aluminium oksida, zirkonium oksida, dsb.
Membran ultrafiltrasi berfungsi sebagai saringan molekul. Ultrafiltrasi memisahkan molekul terlarut berdasarkan ukuran dengan melewatkan larutan tersebut pada filter. Ultrafiltrasi merupakan membran permeabel kasar, tipis, dan selektif yang mampu menahan makromolekul seperti koloid, mikroorganisme, dan pirogen. Molekul yang lebih kecil seperti pelarut dan kontaminan terionisasi dapat melewati membran UF sebagai filtrat. Keuntungan ultrafiltrasi secara efektif mampu menghilangkan sebagian besar partikel, pirogen, mikroorganisme, dan koloid dengan ukuran tertentu. Selain itu, mampu menghasilkan air kualitas tinggi dengan hanya sedikit energi. Berikut proses filtrasi pada proses ultrafiltrasi.
Proses membran Ultrafiltrasi (UF) merupakan upaya pemisahan dengan membran yang menggunakan gaya dorong beda tekanan yang sangat dipengaruhi oleh ukuran dan distribusi pori membran (Malleviale, 1996). Proses pemisahan terjadi pada partikel-partikel dalam rentang ukuran koloid. Membran ini beroperasi pada tekanan antara 1-5 bar dan batasan permeabilitasnya adalah 10-50 l/m2.jam.bar.
Terapan teknologi membrane ultrafiltrasi adalah untuk dapat menghasilkan air bersih dengan syarat kualitas air minum, untuk mengolah air gambut dan limbah emulsi minyak, untuk proses pengolahan minuman isotonic air kelapa. Berikut ini akan dijelaskan mengenai aplikasi membrane ultrafiltrasi untuk pengolahan air waduk Saguling dan pengolahan minuman isotonic air kelapa.Membran ultrafiltrasi yang digunakan adalah membran selulosa asetat yang dibuat sendiri dengan komposisi selulosa asetat 11% (CA-11), 13% (CA-13), 15% (CA-15). Membran ini dibuat dari selulosa asetat, aseton, formamide, dan aquades (Rautenbach, 1989). Membran dibuat dengan teknik inversi fasa dan presipitasi pencelupan yang menggunakan aquades sebagai precipitation agent. Membran yang telah dibuat, penyimpanannya harus tetap terjaga dalam kondisi basah. Cara penyimpanannya adalah dengan dimasukkan ke dalam plastik tertutup yang berisi aquades atau formalin.
Jenis membran ini bersifat hidrofilik sehingga mudah menyerap air. Selain itu, juga memiliki selektifitas yang tinggi karena membrannya rapat, dan fluks permeatnya tinggi karena berukuran sangat tipis.
Terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi fluks pada proses pengolahan air, antara lain komposisi membran, tekanan, ukuran pori, dan pencucian membran. Komposisi membran CA yang tinggi akan menghasilkan volume yang rendah, berbanding lurus dengan fluks. Tekanan yang terlalu tinggi dapat menyebabkan deformasi atau pelebaran pori membran yang mengakibatkan peningkatan permeabilitas membran. Tekanan juga menurunkan tingkat rejeksi zat organik dan kekeruhan. Hal ini juga disebabkan oleh adanya deformasi pada membran akibat tekanan yang mengakibatkan ukuran pori melebar.
Ukuran pori juga memegang peranan penting dalam penyisihan zat organik dan permeat. Contohnya pada membran CA-15. Kemampuan rejeksi zat organik mencapai 80-90%. Hal ini disebabkan pori yang terbentuk dari komposisi selulosa tinggi adalah rapat/kecil. Akibatnya, hanya partikel yang lebih kecil dari pori yang dapa melewati membran.
Pencucian membran juga berpengaruh pada fluks. Pencucian meningkatkan fluks, tetapi fluks yang diperoleh tidak sebesar waktu awal proses pencucian. Hal ini disebabkan karena proses pencucian tidak akan dapat membersihkan partikel-partikel yang tertangkap oleh pori membran. Pencucian membran akan membantu meningkatkan kenaikan fluks karena partikel-partikel yang mengotori permukaan membran dapat dibersihkan dengan pencucian.
Dari hasil penelitian air baku waduk Saguling setelah operasi membran dengan metode dead-end dapat disimpulkan bahwa membran ultrafiltrasi memiliki prospek yang sangat baik untuk digunakan sebagai unit pengolahan air minum (Notodarmojo, 2004).
Membran ultrafiltrasi juga dapat digunakan dalam proses pengolahan minuman isotonik air kelapa. Dalam pengolahan ini dapat digunakan teknologi membrane, yaitu Ultrafiltration Package Plant. Prinsip dari teknologi ultrafiltrasi yang diterapkan dalam pemrosesan air kelapa ini adalah sebagai proses sterilisasi dingin. Hal ini dilakukan karena sifat air kelapa yang sangat sensitive terhadap panas, sehingga teknologi pengawetan yang biasa dilakukan seperti pasteurisasi tidak efektif karena akan membuat cita rasa air kelapa berubah.
Sebelum memulai proses, membrane ultrafiltrasi perlu dibersihkan dari kotoran yang mungkin menempel. Air kelapa yang sudah dibuka tempurungnya segera dimasukkan ke dalam membrane dengan sebelumnya ditambahkan gula, asam askorbat dan mineral tambahan. Setelah melewati membrane, air kelapa bisa langsung dikemas ke dalam botol kaca yang sebelumnya telah disterilisasi. Proses ini sangat sederhana dimana filtrasi dan pemurnian dilakukan tanpa bantuan bahan kimia sehingga dapat menekan biaya.
Membran ultrafiltrasi mampu menahan berbagai bahan pengotor dan mikroorganisme dengan ukuran yang lebih besar dengan ukuran pori membrane. Hasil ini ditunjukkan dengan peningkatan kejernihan air kelapa. Hasil penelitian yang telah dilakukan oleh tim peneliti dari BB-Pascapanen memperlihatkan bahwa air kelapa yang diproses dengan membrane ultrafiltrasi (ukuran pori 0,5-2 nm) memperlihatkan bahwa kandungan kalium dan natrium masih sangat tinggi dan total mikroba > 22 (Sinartani, 2006).
Selain kedua aplikasi tersebut, film tipis Nata de Coco juga dapat digunakan sebagai membrane ultrafiltrasi. Pembuatan film nata de coco diawali dengan mencampurkan air kelapa dan gula, kemudian ditambah starter setelah melalui pendinginan pada suhu kamar. Setelah difermentasi selam 7 hari akan terbentuk gel pada permukaan media cairnya, yaitu pellicle. Pada proses pemurnian dilakukan pencucian dengan air dan perendaman dalam NaOH 2% untuk menghilangkan komponen-komponen non-selulosa dan sisa bakteri. Film nata de coco yang dihasilkan memiliki berat jenis yang tinggi dan derajat penggembungannya rendah. Hal ini menunjukkan bahwa membrane mempunyai struktur yang rapat, sehingga proses difusi air ke dalam film nata de coco lebih sulit.
Kinerja membrane dapat diketahui dengan cara melakukan uji kompaksi. Uji ini bertujuan untuk memperoleh harga fluks air yang konstan pada tekanan operasional. Hasil uji menunjukkan bahwa terjadi penurunan fluks sampai menit keduapuluh, dan selanjutnya nilai fluks relative konstan. Penrunan fluks air terjadi karena adanya deformasi mekanik pada matriks membrane akibat tekanan yang diberikan. Pada proses deformasi terjadi pemadatan pori film sehingga nilai fluks turun. Studi kompaksi paling banyak dipakai untuk membrane reverse osmosis (RO) karena tekanannya tinggi (Piluharto).


Referensi:
Mallaviale, Joel, (1996), Water Treatment Membran Processes, AWWA, Lyonnaise des Eaux, Water Research Commission of South Africa, Mc Graw Hill, New York
Mulder M., (1996), Basic Principles of Membrane Technology, Kluwer Academic Publisher, Netherland.
Notodarmojo, Suprihanto, (2004), Penurunan Zat Organik dan Kekeruhan Menggunakan Teknologi Membran Ultrafiltrasi dengan Sistem Aliran Dead-End, ITB, Bandung
Piluharto, Bambang, Kajian Sifat Fisik Film Tipis Nata de Coco Sebagai Membran Ultrafiltrasi, Jurusan Kimia FMIPA Universitas Jember
Rautenbach R & Albert R., (1989), Membrane Process, John Willey & Sons Ltd, New York.