BAB 2

II-1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1Dasar Teori

II.1.1 Pengertian Teknologi Membran

Membran merupakan suatu lapisan tipis antara dua fasa fluida yang bersifat

penghalang (barrier) terhadap suatu spesi tertentu, yang dapat memisahkan zat dengan

ukuran berbeda, serta membatasi transport dari berbagai spesi berdasakan sifat fisik dan

kimianya. Proses pemisahan dengan membrandapat terjadi karena adanya perbedaan

ukuran pori, bentuk, serta struktur kimianya. Membran demikian biasa disebut sebagai

membran semipermiabel, artinya dapat menahan spesi tertentu, tetapi dapat melewatkan

spesi lainnya. Fasa campuran yang akan dipisahkan disebut umpan (feed) dan fasa hasil

pemisahan disebut permeat (permeate). Sifat-sifat membran perlu dikarakterisasi, yang

meliputi efisien serta mikrostukturnya (Pratomo, 2003).

Proses pemisahan dengan membran mempunyai kemampuan memindahkan salah

satu komponen berdasarkan sifat fisik dan kimia dari membran serta komponen yang

dipisahkan. Perpindahan yang terjadi karena adanya gaya dorong (driving force) dalam

umpan yang berupa beda tekanan (P), beda konsentrasi (C), beda potensial listrik (E)

dan beda temperatur (T) serta selektifitas membran yang dinyatakan dengan rejeksi. Pada

gambar II.1 memperlihatkan skema proses pemisahan dengan membran (Agustin, 2007).

Gambar II.1 Skema pemisahan dengan menggunakan membran

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II-2

II Laboratorium Proses Pemisahan dengan Perpindahan Massa

Program Studi D3 Teknik Kimia

FTI - ITS

Menurut Akbar (2010),filtrasi membran selain berfungsi sebagai sarana pemisahan

sebagai pemurnian suatau larutan. Teknologi membran memiliki beberapa keunggulan

tertentu jika dibandingkan dengan proses lain, yaitu :

1. Pemisahan dapat dilakukan secara kontinyu, sehingga konsumsi energi umumnya

relatif lebih rendah.

2. Proses membran dapat mudah digabungkan dengan proses pemisahan lainnya.

3. Pemisahan dapat dilakukan dalam kondisi yang mudah dikondisikan

4. Mudah dalam memperbesar skala pemisahan (scale up)

5. Tidak perlu adanya bahan tambahan

6. Material membran bervariasi sehingga mudah diadaptasikan pemakaiannya.

7. Pemisahannya berlangsung pada suhu kamar

Membran dapat dibuat dari bahan alami dan bahan sintetis, dimana bahan alami

adalah bahan yang berasal dari alam seperti dari pulp, kapas sedangkan bahan sintetis

dibuat dari bahan kimia seperti polimer. Membran juga dapat dibuat dari polimer alam

(organik) dan polimer anorganik (Agustin, 2007).

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. Filtrasi

dengan menggunakan membran berfungsi sebagai sarana pemisahan dan juga sebagai

pemekatan dan pemurnian dari suatu larutan yang dilewatkan pada membran tersebut

(Agustin, 2007).

Proses pemisahan dengan membran menggunakan gaya dorong berupa beda kuat

tekan, medan listrik dan beda konsentrasi dan dapat dikelompokkan menjadi

mikromembran, ultramembran, nanomembran dan reverse osmosis. Selain memiliki sifat

yang unggul, teknologi membran juga mempunyai kelemahan yaitu pada fluks dan

selektifitas. Pada proses membran terjadi perbedaan yang berbanding terbalik antara fluks

dan selektifitas. Semakin tinggi fluks berakibat menurunnya selektifitas pada membran.

Sedangkan yang paling diharapkan pada membran adalah mempertinggi fluks dan

selektifitas dari kinerja membran tersebut (Agustin, 2007).


II-3



FTI - ITS

II.1.2 Klasifikasi Membran

Membran polimer dapat dibedakan berdasarkan ketebalan dan mikroporus. Untuk

ketebalan membran yang tak berbentuk dimensi diameter lubang mikroskopik membran

umumnya dibawah . Spesi terdifusi menyebar melalui polimer dan mengikat bagian

makromolekuler. Difusi merupakan metode yang rumit atau menyusahkan tetapi

mempunyai tingkat selektivitasan yang sangat tinggi (Seader & Henley, 2006).

Membran mikroporus terdiri dari lubang yang saling berhubungan dan dapat

dikategorikan berdasarkan kegunaannya yaitu mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF) dan

nanofiltrasi (NF). MF membran memiliki ukuran lubang sekitar 200-100.000 dan

biasanya digunakan untuk memisahkan bakteri dan ragi. Membran UF memiliki ukuran

lubang sekitar 10-200 dan biasanya digunakan memisahkan larutan yang mempunyai

berat molekul rendah seperti enzim, larutan yang mempunyai berat molekul tinggi seperti

virus. Membran NF mempunyai ukuran lubang dari 1 sampai 10 dan fungsinya dapat

memisahkan molekul yang sangat kecil. Membran NF biasanya digunakan dalam proses

osmosis dan proses pervaporasi untuk memurnikan cairan. Permeabilitas dari membran

mikroporus tinggi namun tingkat selektifitas dari molekul-molekul kecil rendah (Seader &

Henley, 2006).

Aplikasi dari membran polimer bekerja pada temperatur dibawah 200oC dan

digunakan untuk campuran zat kimia inert. Pengoperasian pada temperatur tinggi dan

pencampuran secara kimiawi aktif diperlukan membran yang terbuat dari material

anorganik (metal dan karbon) (Seader & Henley, 2006).

Geankoplis (1993) menyatakan bahwa klasifikasi proses membran terdiri atas enam

macam, antara lain:

1. Difusi gas dalam padatan berpori Pada jenis ini, suatu fase gas hadir pada kedua sisi

membran, yang merupakan padatan dengan pori mikroskopis. Laju difusi molekuler

dari berbagai molekul gas bergantung pada ukuran pori dan berat molekul.

2. Permeasi gas pada suatu membran Membran pada proses ini biasanya merupakan

polimer seperti karet, poliamida, dan lainnya, dan bukan merupakan padatan berpori.

Gas solut awalnya larut dalam membran dan kemudian berdifusi dalam padatan menuju

fase gas lainnya. Contohnya, hidrogen berdifusi melalui polimer fluorokarbon.

Pemisahan suatu campuran gas terjadi ketika setiap jenis molekul berdifusi pada

berbagai rate melalui membran.


II-4



FTI - ITS

3. Permeasi cairan atau dialisis Pada kasus ini, solute berukuran kecil dalam satu fase

cair siap berdifusi akibat perbedaan konsentrasi melalui membran berpori menuju fase

cair kedua (atau fase uap). Molekul yang berukuran besar cenderung lebih susah

melewati mebran ini. Proses membran ini telah diaplikasikan dalam proses pemisahan

senyawa seperti pemisahan H2SO4 dari nikel dan tembaga sulfat dalam larutan, proses

makanan, dan ginjal buatan. Dalam elektrodialisis, pemisahan ion terjadi dengan

mengimposi suatu beda EMF terhadap membran.

4. Osmosis balik Suatu membran, yang mengimpedansi aliran solute dengan berat

molekul rendah, ditempatkan di antara suatu larutan solute-solvent dan suatu solvent

murni. Solvent berdifusi ke dalam larutan dengan cara osmosis. Pada osmosis balik,

beda tekanan balik diimposikan sehingga menyebabkan aliran solvent berbalik seperti

yang terjadi pada desalinasi air laut. Proses ini juga digunakan untuk memisahkan

solutedengan berat molekul rendah lainnya, seperti garam, gula, dan asam sederhana

dari suatu solvent (biasanya air).

5. Proses membran ultrafiltrasi Pada proses ini, tekanan digunakan untuk mencapai

suatu pemisahan molekul dengan membran polimeris semipermeabel (M2). Membran

memisahkan berdasarkan ukuran, bentuk atau struktur kimia molekul dan memisahkan

solute yang memiliki berat molekul relatif tinggi seperti protein, polimer, material

koloid seperti mineral, dan lain sebagainya. Tekanan osmotik biasanya diabaikan karena

tingginya berat molekul.

6. Kromatografi permeasi gel Gel berpori menghalangi difusi dari solut dengan berat

molekul tinggi. Driving force yang dimaksud adalah konsentrasi zat. Proses ini cukup

berguna pada analisis larutan kimia kompleks dan pemurnian dari komponen yang

sangat terspesialisasi dan/atau berharga.

II.1.3 Gas Permeasi

Permeasi gas adalah proses perpindahan molekul/atom melalui bahan/membran

karena adanya perbedaan tekanan antara kedua ruang gas yang dibatasi bahan tersebut.

Sehingga proses interaksi gas dengan bahan akan digunakan sebagai sarana untuk

mengkarateristikan bahan itu sendiri (Untoro, 1996).

Suatu proses permeasi sebenarnya merupakan gabungan dari beberapa proses yaitu

merupakan proses adsorpsi, desorpsi, penetrasi permukaan serta proses difusi didalam

material (Untoro, 1996).


II-5



FTI - ITS

Untuk mempelajari fenomena permesi secara utuh, maka seluruh proses yang

berlangsung harus dikaitkan baik proses-proses laju aliran atom disekitar batas permukan

material dengan karateristiknya masing-masing maupun proses difusi didalam material

(Untoro, 1996).

Dengan penyelesaian persamaan dasar permeasi pada keadaan tak stasioner

didapatkan korelasi antara permeasi dan difusi sehingga dapat digunakan untuk

menentukan koefisien difusi gas pada bahan (Untoro, 1996).

Menurut Agustin (2007), membran yang dapat digunakan untuk pemisahan gas ada

2 tipe yaitu membran berpori (porous membrane) dan membran tidak berpori (non-porous

membrane) :

Gambar II.2 Skema Permeasi Gas menggunakan Membran (Agustin, 2007)

1. Permeasi gas pada membran berpori (porous membrane).

Mekanisme perpindahan yang dapat terjadi pada permeasi gas di sepanjang

membran berpori, antara lain :

a. Poiseulle / viscous flow Ketika gas berpindah di dalam membran secara

viscous flow (contoh pada mikrofiltrasi), perpindahan yang terjadi

tergantung pada ukuran pori membran dan mean free path of gas

molecule.Persamaan mean free path of gas molecule yaitu :

=

,

Dimana :

RO= konstanta gas ideal (0,082 liter.atm/mol.K)

T= temperatur (K)

P= tekanan (atm)

N= konstanta avogadro (6,022 x 1023

partikel / mol)

dm= diameter molekul (dm)

............................................... (1)


II-6



FTI - ITS

b. Knudsen diffusion

Mekanisme perpindahan jenis ini sama dengan viscous flow. Akan

tetapi, penurunan diameter pori membran, maka mean free path of gas

molecule bisa menjadi lebih besar daripada diameter pori. Mekanisme ini

tergantung pada rasio akar kuadrat dari berat molekul penetran. Hal ini

menunjukkan bahwa mekanisme ini dapat menghasilkan pemisahan yang

tinggi apabila operasi terjadi secara cascade. Mekanisme jenis ini biasanya

digunakan untuk pemisahan gas. knudsen diffusion terjadi pada membran

anorganik microporous atau disepanjang pori kecil dalam membran polimer

dense atau pada mixed matrix membrane. Mekanisme ini terjadi pada dp>

20 , sehingga persamaan koefisien knudsen diffusion menjadi :

= 3

=3

8

= 48,5

Dimana :

dp= diameter pori (m)

vA= rata-rata laju molekul (m/s)

MA= berat molekul gas (gram/mol)

T = temperatur (K)

c. Sieving action

Mekanisme ini sering digunakan pada proses adsorpsi dan reaksi.

Contoh mekanisme ini yaitu penggunaan zeolit dimana selektivitas

berhubungan dengan ukuran molekul gas. Mekanisme ini terjadi pada dP= 3

5 .

d. Surface diffusion

Mekanisme ini disebabkan oleh absorpsi/adsorpsi (sorpsi) gas di

dalam permukaan membran serta difusi gas yang terabsorpsi/teradsorpsi

(sorbed) disepanjang pori membran. Mekanisme ini biasanya untuk

pemisahan gas. Mekanisme ini tergantung pada sifat kimia gas dan

permukaan membran.

............................... (2)


II-7



FTI - ITS

2. Permeasi gas pada membran tidak berpori (non-porous membrane)

Mekanisme perpindahan yang biasa terjadi pada permeasi gas di sepanjang

membran tidak berpori (non-porous membrane) yaitu mekanisme solution-

diffusion. Mekanisme ini terjadi pada densepolymer membrane.

Permeabilitas tergantung pada sifat fisika gas yang akan dipisahkan dan

kestabilan polimer (glassy atau rubbery).

Gambar II.3 Mekanisme Permeasi Gas pada Membran (Agustin, 2007).

II.1.4 Teknik Pembuatan Membran

Menurut Agustin (2007), teknik pembuatan membran yang penting diantaranya

adalah sintering, stretching, track-etching, solution coating, inversi fasa, proses sol-gel,

dan vapour deposition. Sebagian besar membran yang diproduksi saat ini dibuat

dengan metode inversi fasa melalui teknik presipitasi terendam. Membran inversi fasa

dapat dibuat dari berbagai macam polimer dengan syarat polimer yang digunakan harus

larut pada pelarut yang sesuai atau campuran pelarut. Secara umum membran dapat

dibuat menjadi dua konfigurasi yaitu datar (lembaran) atau pipa (turbular). Tahapan

dasar pembuatan membran dengan teknik inversi fasa (presipitasi terendam) yaitu :

1. Pembuatan larutan polimer

2. Proses casting (penebaran diatas permukaan) membentuk lapisan tipis(100-200

m)

3. Perendaman di non pelarut di bak koagulasi

4. Perlakuan akhir

Inversi fasa adalah suatu proses dimana polimer ditransformasi dari fasa cair ke

fasa padat melalui mekanisme pengontrolan tertentu. Proses perubahan fasa ini sangat


II-8



FTI - ITS

sering diawali dengan transisi fasa cairan pembentuk membran dari satu fasa cairan

menjadi dua fasa cairan (liquid-liquid demixing). Pada tahap tertentu selama proses

demixing, salah satu fasa cairan mengalami pembekuan sehingga fasa padat terbentuk.

Dengan mengendalikan tahap awal perubahan fasa, maka morfologi membran dapat

dikendalikan (Agustin, 2007).

Kebanyakan membran yang diproduksi dengan presipitasi terendam. Larutan

polimer (dope) disebar pada media pencetakan kemudian direndam di bak koagulasi yang

berisi non-pelarut. Presipitasi terjadi karena pertukaran pelarut dan non-pelarut. Struktur

membran yang dihasilkan merupakan akibat dari kombinasi perpindahan masa dan

pemisahan fasa (Agustin, 2007).

II.1.5 Kinerja Membran

Menurut Agustin (2007), kemampuan membran dalam menyaring suatu zat atau

molekul diketahui dari permeabilitas dan selektifitas membran. Efisiensi membran

diketahui melalui permeabilitas, sedangkan kemampuan pemisahan diketahui melalui

selektifitas. Dan kinerja membran dapat di bagi menjadi 2, yaitu:

a. Permeabilitas

Permeabilitas merupakan kecepatan permeasi diartikan sebagai volume yang

melewati membran persatuan luas dalam satuan waktu tertentu dengan gaya penggerak

berupa tekanan. Permeabilitas membran dilihat dari fluks. Fluks adalah kecepatan aliran

melewati membran dihitung dengan persamaan :

=

.

Dimana :

J = fluks cairan,

V = volume permeat,

T = waktu permeat

A = luas permukaan membran.

Grafik fluks terhadap tekanan akan menghasilkan garis lurus dan kemiringan

(slope) merupakan konstanta permeabilitas sesuai dengan persamaan sebagai berikut :

J = Lp.P

.......................................... (4)

.......................................... (5)


II-9



FTI - ITS

Dimana :

L p = permeabilitas air

P = perubahan tekanan.

b. Selektifitas

Selektifitas menggambarkan kemampuan membran memisahkan satu jenis spesi

dari yang lain. Selektifitas dinyatakan oleh 2 parameter, yaitu tolakan (R) dan faktor

pemisahan (). Parameter tolakan berlaku pada sistem pemisahan padat-cair, sedangkan

faktor pemisahan ditentukan pada sistem pemisahan gas-gas dan cair-cair. Penentuan

tolakan ditentukan oleh persamaan :

= 1

100%

Dimana : Cp = konsentrasi zat terlarut di dalam permeat

Cb = rata-rata konsentrasi zat terlarut di dalam umpan (feed) dan retentat.

Ukuran pori juga berperan dalam menentukan selektifitas membran. Membran yang

memiliki ukuran pori kecil akan memberikan tolakan yang lebih besar daripada membran

yang mempunyai ukuran pori lebih besar. Terdapat empat jenis desain membran yaitu

dead-end, cross-flow, hybrid dead-end crossflow dan cascade. Sistem dead-end arah aliran

tegak lurus terhadap membran, mempunyai kelemahan yaitu cenderung mengakibatkan

fouling yang sangat tinggi karena terbentuknya cake di permukaan membran pada sisi

umpan. Sedangkan pada sistem crossflow, umpan dialirkan arah sejajar dengan permukaan

membran. Akibatnya pembentukan cake terjadi sangat lambat karena tersapu oleh gaya

geser yang disebabkan oleh aliran crossflow umpan (Agustin, 2007).

Gambar II.4 Perbandingan sistem desain operasi (a) dead-end, (b) crossflow (Agustin, 2007)

.......................................... (6)


II-10



FTI - ITS

Persamaan teoritis Pemisahan gas menggunakan membran

Seader & Henley (2006), menyatakan bahwa pemisahan suatu campuran gas

menggunakan membran dapat dimodelkan berdasarkan profil konsentrasi dan tekanan

parsialnya.

Gambar II.5 Profil konsentrasi dan tekanan parsial untuk transpor campuran gas melalui

membran berpori (kiri) dan membran tak berpori (kanan) (Seader,2006)

Gambar II.5 menunjukkan jenis profil solut untuk campuran gas dengan membran

berpori dan tak berpori secara berurutan, termasuk efek dari hambatan perpindahan massa

oleh lapisan atau film batas eksternal fluida.

Tabel II.1Faktor-faktor yang mempengaruhi Permeabilitas Solut dalam Polimer-Padat

Factor Value favoring high permaebility

Polymer density

Degree of crystallinity

Degree of cross-linking

Degree of vulcanization

Amount of plasticizers

Amount of fillers

Chemical affinity of solute for polymer

Low

Low

Low

Low

High

Low

High

(Seader & Henley, 2006)

(a) (b)


II-11



FTI - ITS

Tabel II.2 Koefisien untuk Permeasi Gas pada Polimer

Gas Species

H2 O2 N2 CO CO2 CH4

Low-Density Polyethylene :

D x 106

H x 106

PM x 1013

0,474

1,58

7,4

0,46

0,472

2,2

0,32

0,228

0,73

0,332

0,336

1,1

0,372

2,54

9,5

0,193

1,13

2,2

Polyethylmethacrylate :

D x 106

H x 106

PM x 1013

-

-

-

0,106

0,839

0,889

0,0301

0,565

0,170

-

-

-

0,0336

11,3

3,79

-

-

-

Polyvinylchloride :

D x 106

H x 106

PM x 1013

0,5

0,26

1,3

0,012

0,29

0,034

0,0038

0,23

0,0089

-

-

-

0,0025

4,7

0,12

0,0013

1,7

0,021

Butyl Rubber :

D x 106

H x 106

PM x 1013

1,52

0,355

5,43

0,081

1,20

0,977

0,045

0,543

0,243

-

-

-

0.0578

6,71

3,89

-

-

-


Untuk membran berpori, profil tekanan parsial kontinyu.Pada membran non-pori,

profil konsentrasi ditunjukkan dengan membran di mana solut terserap ke dalam membran

tersebut. Hukum Fick yang berlaku pada membran tak berpori adalah:


II-12



FTI - ITS

Ni= Di

Im (Cio-CiL)....................... (7)

di mana Di merupakan difusivitas solut dalam material membran. Formula ini berlaku

untuk transpor melalui membran. Mengasumsikan kesetimbangan termodinamika yang

terdapat pada antarmuka membran dua-fluida, konsentrasi pada hukum Fick dapat

dihubungkan dengan tekanan parsial yang berdekatan dengan muka membran berdasarkan

hukum Henry, yang merupakan hubungan linier yang paling umum ditulis untuk aplikasi

membran sebagai: Hio=Cio

Pio

dan

iL

iLiL

p

cH

.. (9)

Bila Hi diasumsikan terlepas dari tekanan total dan temperatur pada kedua muka

membran adalah sama:

iiLi0HHH

. (10)

Mengombinasikan persamaan (1), (2), dan (3), maka fluks adalah:

iLi0M

iii pp

l

DHN

.... (11)

Bila hambatan eksternal transfer massa diabaikan, piF =pi0 dan piL=piP, sehingga

iLiFM

M

iLiF

M

iii pp

l

Ppp

l

DHN i

.... (12)

di mana:

iiM DHP i .. (13)

Maka, permeabilitas bergantung pada solubilitas komponen gas pada membran

serta difusivitas komponen tersebut pada material membran.Rate transpor yang dapat

diterima melalui membran dapat dicapai hanya dengan menggunakan membran yang

sangat tipis dan tekanan tinggi pada sisi umpan. Permeabilitas komponen gas pada

membran polimer merupakan subyek terhadap faktor-faktor yang tertera pada Tabel II.1.

Gas ringan tidak berinteraksi dengan polimer atau menyebabkannya mengembang.

Sehingga, kombinasi gas ringanpolimer permean siap dikarakteristikkan secara

eksperimen. Seringkali kedua solubilitas dan difusivitas diukur. Data representatif pada

temperatur 25C ditunjukkan pada Tabel II.2 (Seader & Henley, 2006).

................................... (8)


II-13



FTI - ITS

Secara umum, difusivitas menurun dan solubilitas meningkat seiring peningkatan

berat molekul spesi gas, membuatnya sulit untuk mencapai selektivitas tinggi. Pengaruh

sederhana temperatur melebihi rentang yang berkisar dalam 50C dapat direpresentasikan

baik solubilitas dan difusivitas berdasarkan persamaan Arrhenius. Sebagai contoh:

/RTE

0DeDD

..... (14)

Secara umum, pengaruh sederhana temperatur pada solubilitas dapat bertindak pada

arah apapun. Namun, peningkatan pada temperatur dapat menyebabkan peningkatan

substansial pada difusivitas dan, oleh karena itu, peningkatan yang sesuai pada

permeabilitas. Jenis energi aktivasi difusi pada polimer, ED, berkisar antara 1560 kJ/mol.

Membran polimer-padat yang ideal memiliki permeansi yang tinggi, PM / lM, untuk

molekul penetran dan faktor pemisahan (selektivitas) yang tinggi antar komponen yang

akan dipisahkan. Faktor pemisahan didefinisikan seperti volatilitas relatif pada distilasi:

BB

AABA,

/xy

/xy

.... (15)

di mana yi adalah fraksi mol permeat yang meninggalkan membran, sesuai dengan

tekanan parsial pip pada Gambar II.4.b., sedangkan xi adalah fraksi mol rentetat pada sisi

umpan membran, sesuai dengan tekanan parsial piF. Tidak seperti kasus distilasi, yi dan xi

tidak setimbang.

Untuk pemisahan suatu campuran gas biner spesi A dan B tanpa adanya hambatan

perpindahan massa oleh lapisan atau film batas eksternal, fluks transpor dinyatakan sebagai:

PAFA

M

AAAA

M

AAA PyPx

l

DHpp

l

DHN

PF

. (16)

PBFB

M

BBBB

M

BBB PyPx

l

DHpp

l

DHN

PF

.. (17)

Ketika tidak ada gas sapuan yang digunakan, rasio NA dan NB menetapkan

komposisi permeat, demikian pula rasio yA dengan yB pada gas permeat. Sehingga,

PBFBBB

PAFAAA

B

A

B

A

PyPxDH

PyPxDH

y

y

N

N

(18)

Jika tekanan hilir (permeat), Pp, diabaikan jika dibandingkan dengan tekanan hulu,

PF, sehingga yA PP


II-14



FTI - ITS

BB

AA*

BA,/xy

/xy

. (19)

Sehingga, faktor pemisahan tinggi dapat dicapai dari rasio solubilitas tinggi, rasio

difusivitas tinggi, atau keduanya.Faktor pemisahan bergantung pada kedua fenomena

transpor dan kesetimbangan termodinamika.

Ketika tekanan hilir tidak diabaikan, dapat diatur ulang untuk menghasilkan

persamaan untuk A,Bpada istilah rasio tekanan, r = PP/PF, dan fraksi mol A pada sisi

umpan atau rentetat membran. Mengombinasikan persamaan dan definisi:

r/yx

r/yx

BB

BA,BB*

BA,BA, . (20)

Karena yA + yB = 1, dapat disubstitusikan ke dalam persamaan (20) untuk xB,

sehingga ditulis:

xB= xByA + xByB . (21)

untuk dinyatakan sebagai:

ry

xx

ry

x

B

BB

BA

B

B

BA

1

1

,

*

BA,,

. (22)

Tabel II.3 Faktor pemisahan ideal membran pasangan biner untuk dua material membran

PDMS, Silicon Rubbery

Polymer Membrane

PC, Polycarbonate Glassy

Polymer Membrane

PMHe, Barrer 5,61 14

* He,CH4 0,41 50

* He,C2H4 0,15 33,7

PMCO2, Barrer 4,550 6,5

* CO2, CH4 3,37 23,2

* CO2,C2H4 1,19 14,6

PMO2, Barrer 9,33 1,48

*O2, N2 2,12 5,12


Jika dikombinasikan dan xB digantikan dengan 1xA, dapat dihasilkan faktor

pemisahan:


II-15



FTI - ITS

r11x

r11x

BA,A

BA,BA,A*

BA,BA, . (23)

Persamaan (19) merupakan fungsi implisit untuk A,B, pada istilah rasio tekanan, r,

dan xA, yang siap terlarut untuk A,B dengan mengatur ulang persamaan tersebut menjadi

persamaan kuadrat. Pada batas ketika r = 0, persamaan (19) berkurang menjadi A,B=

*A,B= (PMA/PMB). Untuk polimer yang menyerupai karet, nilai permeabilitasnya tinggi,

namun faktor pemisahannya rendah. Hal yang sebaliknya terjadi pada polimer yang

menyerupai kaca. Untuk komposisi umpan yang telah disediakan, faktor pemisahan

menempatkan batasan yang terbatas pada derajat pemisahan yang dapat dicapai.

Transpor A dan B melalui membran dengan luas penampang AM, dengan tekanan

parsial pada kondisi keluar akibat mengalami percampuran sempurna (perfect

mixing/complete mixing), dapat ditulis sebagai berikut:

PPRRMMpPB PyPxPAnyN BBBB (24) atau

PPRRMMpPA PyPxPAnyN AABA .. (25) di mana AM adalah luas penampang membran normal untuk mengalir, np, melalui

membran. Rasio adalah yPA/ yPB, dan manipulasinya akan mengacu pada persamaan :

R

P

P

Pr

.. (26)


II.1.6 Matlab (Matrix Laboratory)

Menurut Firnansyah (2007), matlab merupakan bahasa pemrograman yang hadir

dengan fungsi dan karakteristik yang berbeda dengan bahasa pemrograman lain yang

sudah ada lebih dahulu seperti Delphi, Basic maupun C++. Matlab merupakan bahasa

pemrograman level tinggi yang dikhususkan untuk kebutuhan komputasi teknis, visualisasi

dan pemrograman seperti komputasi matematik, analisis data, pengembangan algoritma,

simulasi dan pemodelan dan grafik-grafik perhitungan. Matlab hadir dengan membawa

warna yang berbeda. Hal ini karena matlab membawa keistimewaan dalam fungsi-fungsi

matematika, fisika, statistik, dan visualisasi. Matlab dikembangkan oleh MathWorks, yang

pada awalnya dibuat untuk memberikan kemudahan mengakses data matrik pada proyek

LINPACK dan EISPACK. Saat ini matlab memiliki ratusan fungsi yang dapat digunakan


II-16



FTI - ITS

sebagai problem solver mulai dari simple sampai masalah-masalah yang kompleks dari

berbagai disiplin ilmu.

II.1.7 Beberapa Bagian dari Window Matlab

Current Directory

Window ini menampilkan isi dari direktori kerja saat menggunakan matlab.

Kita dapat mengganti direktori ini sesuai dengan tempat direktori kerja yang

diinginkan. Default dari alamat direktori berada dalam folder works tempat

program files Matlab berada.

Command History

Window ini berfungsi untuk menyimpan perintah-perintah apa saja yang

sebelumnya dilakukan oleh pengguna terhadap matlab.

Command Window

Window ini adalah window utama dari Matlab. Disini adalah tempat untuk

menjalankan fungsi, mendeklarasikan variable, menjalankan proses-proses , serta

melihat isi variabel

Workspace

Workspace berfungsi untuk menampilkan seluruh variabel-variabel yang

sedang aktif pada saat pemakaian matlab. Apabila variabel berupa data matriks

berukuran besar maka user dapat melihat isi dari seluruh data dengan melakukan

double klik pada variabel tersebut. Matlab secara otomatis akan menampilkan

window array editor yang berisikan data pada setiap variabel yang dipilih user.


II-17



FTI - ITS

Gambar II.6 Tampilan antar muka dari matlab versi 7.0(Firmansyah, 2007)

II.1.8 Variabel Pada Matlab

Matlab hanya memiliki dua jenis tipe data yaitu Numeric dan String. Dalam matlab

setiap variabel akan disimpan dalam bentuk matrik. User dapat langsung menuliskan

variabel baru tanpa harus mendeklarasikannya terlebih dahulu pada command window

Gambar II.7 Contoh pembuatan variabel pada matlab (Firmansyah, 2007)

Penamaan variabel pada matlab bersifat case sensitif karena itu perlu diperhatikan

penggunaan huruf besar dan kecil pada penamaan variabel. Apabila terdapat variabel lama

dengan nama yang sama maka matlab secara otomatis akan me-replace variabel lama

tersebut dengan variabel baru yang dibuat user.Di dalam matlab, kita dapat menyimpan


II-18



FTI - ITS

semua script yang akan digunakan dalam file padamatlab dengan ekstensi .M. M-File

dapat dipanggil dengan memilih menu file->new->M-File.

Gambar II.8 Contoh gambar M-File (Firmansyah, 2007)


II-19



FTI - ITS

II.2 Jurnal Aplikasi Industri

SIMULASI DISTRIBUSI TEMPERATUR PADA GAS DIFFUSION

LAYER SEBUAH SEL BAHAN BAKAR POLYMER

ELECTROLYTE MEMBRANE KAPASITAS 20 W

Ismail Rusli, Tekad Sitepu

Mahasiswa Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera

Utara

Pendahuluan

Semua aktivitas kehidupan manusia sangat bergantung pada ketersediaan energi

yang cukup. Untuk beberapa tahun kedepan manusia masih akan memakai energi

bahan bakar fosil dikarenakan bahan bakar inilah yang mampu memenuhi kebutuhan

energi manusia dalam skala yang besar. Tetapi manusia dihadapi dengan semakin

menipisnya bahan bakar fosil yang selama ini digunakan sebagai penghasil energi,

maka dicarilah alternatif peralatan lain yang mampu menghasilkan energi tanpa

memakai bahan bakar fosil. Selain itu, dampak pemakaian bahan bakar fosil yang

menghasilkan gas karbon monoksida (CO), kurang baik bagi kehidupan dan

meningkatnya kerusakan lingkungan. Kebutuhan manusia akan peralatan penghasil

energi yang bebas polusi, mudah diaplikasikan, serta fleksibel juga dapat digunakan

sebagai energi cadangan di luar ketergantungan kita terhadap energi yang selama ini

disuplai oleh negara. Pencarian energi alternatif ini akan lebih meringankan beban

negara karena dapat mengurangi jumlah kebutuhan energi untuk masyarakat yang

harus disediakan oleh negara.Pada tahun 1839, William Grove memperkenalkan sel

bahan bakar untuk pertama kalinya. Prinsip kerja dari sel bahan bakar adalah

kebalikan dari proses elektrolisis. Elektrolisis adalah proses pemisahan H2O menjadi

H2 dan O2 . Sedangkan prinsip kerja sel bahan bakar adalah menggabungkan H2

dan O2 untuk membentuk H2O. Emisi yang dihasilkan oleh sel bahan bakar jauh lebih

kecil jika dibandingkan emisi mesin berbahan bakar fosil sehingga ramah terhadap

lingkungan. Ini dikarenakan bahan bakar yang digunakan pada sel bahan bakar adalah

hidrogen dan menghasilkan uap air sebagai emisi selama berlangsungnya proses. Sel

bahan bakar juga mempunyai nilai efisiensi yang baik.


II-20



FTI - ITS

Metode

Pengujian ini dimulai dengan melakukan pemisahan molekul H2O dari

aquadest menjadi H2 dan O2 . Dan lalu kemudian H2 tersebut diisi ke dalam tabung

pengisian Hydrostik. Pada saat pemisahan molekul H2O ini dilakukan pembacaan

temperatur air dengan menggunakan Agilient. Kabel kabel termocouple dihubungkan

ke dalam air yang akan dielektrolisis. Flash disk dihubungkan ke Agilientuntuk

pembacaan data. Setelah Hydrostik penuh diisi dengan H2 maka flash disk dicabut dan

kemudian dibaca menggunakan microsoft excel. Setelah pengisian Hydrostik penuh,

maka kemudian flash disk dihubungkan kembali ke Agilient untuk pembacaan pada

saat hydrostik dihubungkan ke stack dan menghasilkan listrik. Kabel kabel

termocouple dihubungkan pada permukaan hydrostik, lubang input dan lubang output

yang terdapat pada stack fuel cell. Setelah fuel cell beroperasi secara penuh dan

hidrogen yang terdapat di dalam hydrostik habis, flash disk dicabut dan dibaca

menggunakan excel untuk mengetahui temperatur pada kondisi saat pengoperasian.

Hasil

Dengan menggunakan perintah pada software MATLAB untuk membuat

simulasi pemodelan temperatur lapisan dalam Gas Diffusion Layer, hasil yang didapat

adalah penurunan temperatur yang terjadi pada lapisan dalam gas diffusion layer.

Kesimpulan

1. Gas diffusion layer pada sel bahan bakar Polymer Electrolyte Membrane berfungsi

menyediakan lintasan akses reaksi dan produk, membantu penanganan air sebagai

produk akhir dan memberikan dukungan untuk Membrane Electroda Assembly.

2. Membran yang digunakan pada proton exchange adalah Nafion.

3. Hasil simulasi menggunakan software MATLAB menunjukkan adanya penurunan

temperatur yang terjadi pada lapisan dalam gas diffusion layer

.

Documents

BAB 2