Metode Pembuatan Membran

Berbagai material dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan membran, baik material

inorganik seperti keramik, gelas, logam, maupun organik seperti polimer. Proses pembuatan

membran bertujuan untuk memodifikasi bahan baku tersebut hingga terbentuk struktur membran

dengn morfologi yang dibutuhkan untuk proses pemisahan. Biasanya material membatasi teknik

yang dapat digunakan, morfologi yang dihasilkan serta prinsip pemisahan yang diterapkan.

Singkatnya, tidak semua jenis membran dapat dibuat dari setiap materail yang tersedia.

1. Sintering

Sintering, merupakan teknik sederhana untuk pembuatan membran berpori dari material

organik seperti polimer (polietilen, politetrafloroetilen, polipropilen) maupun inorganik

seperti logam (stanles, tungsen), keramik (alumunium oksida, zirkonium oksida) grapit

(karbon) dan delas (silika).

Teknik ini melibatkan pengompresan powder berupa partikel dengan ukuran tertentu

yang dipanaskan pada temperatur tertentu. Akibat pemanasan, sisi yang bersentuhan

(interfaces) menyatu membentuk struktur berongga. Ukuran pori dari membran yang

dihasilkan tergantung pada ukuran partikel powder dan distribusi ukuran partikelnya.

Semakin seragam ukuran partikel, semakin seragam pori yang diperoleh. Teknik ini

umumnya menghasilkan rentang pori 0.1-10µm. Teknik ini sangat sesuai untuk

pembuatan membran dari politetrafloroetilen karena polimer ini tidak bisa larut dan

sangat stabil terhadap perlakuan kimia dan termal. Hanya membran jenis mikrofiltrasi

yang bisa dibuat dengan teknik ini.

2. Stretching

Film atau foil yang terbuat dari semi-crystalline polymeric material

(polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene) yang ditarik tegak lurus ke arah

bidang tekan. Pori yang dihasilkan berukuran 0.1-3 µm. Porositasnya lebih besar

daripada membran dari proses sintering.

3. Track-etching

Film atau doil (biasanya polycarbonate) dikenai energi radiasi partikel yang tinggi kea

rah tegal lurus dari film. Partikel tersebut kemudian membentuk sebuah lintasan pada

polimer. Kemudian film tersebut direndam dalam bak asam atau alkali dan material

polimer ditarik sepanjang lintasan sehingga membentuk pori-pori berbentuk silinder yang

seragam. Pori yang dihasilkan berukuran 0.02-10 µm

4. Template Leaching

Melakukan leaching salah satu komponen dari sebuah film. Lelehan homogen dari sistem

3 komponen (Na2O-B2O3-SiO2) didinginkan untuk memisahkannya ke dalam 2 fase. Fase

yang pertama sebagian besar terdiri dari SiO2 yang tidak larut. Fase kedua yang larut

dilepaskan dengan menggunakan larutan asam atau basa dan terbentuk diameter pori

dengan ukuran minimal 0.005 µm.

5. Coating

Membran yang tebal akan menurunkan fluks. Maka perlu dibuat membrane setipis

mungkin agar fluks yang diperoleh lebih besar. Hal ini dapat dicapai dengan membrane

komposit. Membran komposit terdiri dari 2 material yang berbeda, dengan sebuah

membrane yang sangat selektif diletakkan sebagai lapisan tipis di atas sebuah sublayer

yang lebih atau kurang berpori. Selektivitas aktual ditentukan dari lapisan tipis bagian

atas, dan lapisan bawah sebagai support.

Ada beberapa teknik yang dapat digunakan:

o Dip coating

- Coating bath (polymer, monomer, prepolymer < 1%)

- Polimer melekat pada membran

- Pemanasan supaya terjadi Crosslinking

Contoh: Polydimetilsiloxane (PDMS)

o Plasma polymerisation

Ionisasi gas oleh elektroda bertegangan tinggi

Gas terionisasi bartabrakan dengan monomer -> radikal bebas yang sangat

reaktif -> menempel diatas membran

Ketebalan lapisan : 50 nm

o Interfacial polymerization

1. Porous support direndam dalam monomer reaktif (kolam 1)

2. Kolam 2 -> pelarut tidak larut air

3. Pemanasan supaya terjadi Crosslinking dan menguji stabilitas termal

Ketebalan lapisan : 50 nm

o In-situ polymerisation

o Grafting

o Spray coating

o Spin coating

6. Phase Inversion

Inversi fasa merupakan proses dimana sebuah polimer dirubah secara terkendali dari fasa

cair ke fasa padat. Proses pemadatan sering kali dimulai/diinisiasi melalui transisi dari

satu keadaan cair menjadi dua (pemisahan cair-cair). Pada titik tertentu selama proses

pemisahan, salah satu fasa cair tersebut (konsentrasi polimer yang lebih tinggi) akan

memadat sehingga matrik padat akan terbentuk. Dengan mengendalikan tahap awal

transisi fasa, morfologi membran dapat di atur, seperti berpori atau tidak berpori.

Konsep inversi fasa meliputi beberapa teknik berbeda seperti, penguapan pelarut (solvent

evaporation), presipitasi dengan penguapan terkendali, presipitasi panas, presipitasi dari

fasa uap dan presipitasi dengan perendaman.

1. Presipitasi melalui penguapan pelarut

Polimer dilarutkan kedalam pelarut kemudian larutan tersebut disebar (kasting) di

permukaan support/substrat (berupa: pelat kaca, logam, teflon (tak berpori), poliester

non-woven (berpori). Pelarut dibiarkan menguap ke atmosfer yg inert (biasanya gas

nitrogen) untuk mengeluarkan uap air, sehingga permukaan mampat (dense, tak

berpori) terbentuk. Metode penyebaran larutan polimer dapat dilakukan dengan

pelapisan terendam (dip-coating) atau penyemprotan (spraying) diikuti dengan

penguapan.

2. Presipitasi dari fasa uap

Larutan polimer yang telah tersebar membentuk film tipis dipermukaan support

diletakkan di atmosfer yang mengandung uap jenuh dari non-pelarut yg telah jenuh

oleh pelarut. Karena itu tidak terjadi penguapan pelarut dan hanya non-pelarut saja

yang berpenetrasi ke lapisan film. Hal ini menyebabkan terbentuknya membran

berpori. Pada presipitasi terendam tahap penguapan di udara kadang-kadang

ditambahkan dan jika pelarut bercampur dengan air, presipitasi dari uap akan dimulai

pada tahap ini. Tahap penguapan sering ditambahkan pada kasus pembuatan membran

serat-berongga (hollow fibre) dengan teknik presipitasi terendam, pertukaran antara

pelarut dan non-pelarut di fasa uap mengakibatkan terjadinya presipitasi.

3. Presipitasi dengan penguapan terkendali

Polimer dilarutkan dalam campuran pelarut dan non-pelarut (campuran ini bertindak

sebagai pelarut bagi polimer). Karena pelarut lebih mudah menguap dibandingkan

non-pelarut, komposisinya berubah selama penguapan menjadi campuran dengan

proporsi non-pelarut dan polimer yang lebih tinggi. Hal ini yang memicu presipitasi

polimer membentuk membran.

4. Presipitasi termal

Larutan polimer-pelarut baik pelarut tunggal maupun jamak didinginkan untuk

memudahkan pemisahan fasa berlangsung. Penguapan pelarut sering menjadikan

terbentuknya membran multi-lapis. Teknik ini sering digunakan untuk membuat

membran mikrofiltrasi.

5. Presipitasi imersi (presipitasi terendam)

Kebanyakan membran yang diproduksi secara besar dibuat dengan presipitasi

terendam. Larutan polimer (polimer + pelarut) di sebar pada support yang sesuai

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.

Karakter immersion precipitation :

Polimer larut dalam solvent

Solvent-nonsolvent saling tidak larut

Presipitasi terjadi akibat pertukaran solvent-nonsolvent

Struktur membran terbentuk akibat perpindahan massa dan pemisahan fasa

Ada 2 konfigurasi:

1. Flat Membran

2. Turbular Membran

DefinisiMembrane separation yaitu suatu teknik pemisahan campuran 2 atau lebih komponen tanpa

menggunakan panas. Komponen-komponen akan terpisah berdasarkan ukuran dan bentuknya,

dengan bantuan tekanan dan selaput semi-permeable. Hasil pemisahan berupa retentate (bagian dari

campuran yang tidak melewati membran) dan permeate (bagian dari campuran yang melewati

membran).

Struktur MembranBerdasarkan jenis pemisahan dan strukturnya, membran dapat dibagi menjadi 3 kategori:

Membran. Sweep (berupa cairan atau gas) digunakan untuk membawa permeate hasil pemisahan.

o Porous membrane. Pemisahan berdasarkan atas ukuran partikel dari zat-zat yang akan dipisahkan.

Hanya partikel dengan ukuran tertentu yang dapat melewati membran sedangkan sisanya akan

tertahan. Berdasarkan klasifikasi dari IUPAC, pori dapat dikelompokkan

menjadi macropores (>50nm),mesopores (2-50nm), dan micropores (<2nm).Porous

membrane digunakan pada microfiltration danultrafiltration.

o Non-porous membrane. Dapat digunakan untuk memisahkan molekul dengan ukuran yang sama, baik

gas maupun cairan. Pada non-porous membrane, tidak terdapat pori seperti halnya porous

membrane. Perpindahan molekul terjadi melalui mekanisme difusi. Jadi, molekul terlarut di dalam

membran, baru kemudian berdifusi melewati membran tersebut.

o Carrier membrane. Pada carriers membrane, perpindahan terjadi dengan bantuan carrier

molecule yang mentransportasikan komponen yang diinginkan untuk melewati membran. Carrier

molecule memiliki afinitas yang spesifik terhadap salah satu komponen sehingga pemisahan dengan

selektifitas yang tinggi dapat dicapai.

Reverse OsmosisSalah satu teknologi membran yang banyak digunakan saat ini yaitu reverse osmosis (RO). Proses ini

merupakan kebalikan dari osmosis. Pada osmosis, pelarut berpindah dari daerah berkonsentrasi

rendah (hipotonik) ke daerah berkonsentrasi tinggi (hipertonik) sehingga konsentrasi di kedua

daerah menjadi berimbang. Proses ini terjadi secara alami sehingga tidak membutuhkan energi.

Contoh osmosis yang terjadi di alam yaitu penyerapan air oleh akar tanaman. Berbeda dengan

osmosis, RO terjadi dengan arah yang berlawanan yaitu dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi

rendah. Untuk melawan gradien konsentrasi, dibutuhkan energi eksternal berupa tekanan.

Keunggulan dan Aplikasi Reverse Osmosis

Menurut Ir. Teuku Zulkarnain, MT, kandidat doktor teknik lingkungan Institut Teknologi Bandung,

Keunggulan RO yang paling superior dibandingkan metode-metode pemisahan lainnya yaitu

kemampuan dalam memisahkan zat-zat dengan berat molekul rendah seperti garam anorganik atau

molekul organik kecil seperti glukosa dan sukrosa. Keunggulan lain dari RO ini yaitu tidak

membutuhkan zat kimia, dapat dioperasikan pada suhu kamar, dan adanya penghalang absolut

terhadap aliran kontaminan, yaitu membran itu sendiri. Selain itu, ukuran penyaringannya yang

mendekati pikometer, juga mampu memisahkan virus dan bakteri.

Teknologi RO cocok digunakan dalam pemurnian air minum dan air buangan. Di bidang industri,

teknologi RO dapat digunakan untuk memurnikan air umpan boiler. Selain itu, Karena

kemampuannya dalam memisahkan garam-garaman, teknologi reverse osmosis cocok digunakan

dalam pengolahan air laut menjadi air tawar (desalinasi). Pengolahan ini terdiri dari beberapa tahap:

o Pre-treatment untuk memisahkan padatan-padatan yang terbawa oleh umpan. Padatan-padatan

tersebut jika terakumulasi pada permukaan membran dapat menimbulkan fouling. Pada tahap ini pH

dijaga antara 5,5-5,8.

o High pressure pump digunakan untuk memberi tekanan kepada umpan. Tekanan ini berfungsi

sebagai driving force untuk melawan gradien konsentrasi. Umpan dipompa untuk melewati

membran. Keluaran dari membran masih sangat korosif sehingga perlu diremineralisasidengan cara

ditambahkan kapur atau CO2. Penambahan kapur ini juga bertujuan menjaga pH pada kisaran 6,8-8,1

untuk memenuhi spesifikasi air minum.

o Disinfection dilakukan dengan menggunakan radiasi sinar UV ataupun dengan cara klorinasi.

Sebenarnya, penggunaan RO untuk desalinasi sudah cukup jitu untuk memisahkan virus dan bakteri

yang terdapat dalam air. Namun, untuk memastikan air benar-benar aman (bebas virus dan

bakteri), disinfection tetap dilakukan.

Karakteristik PolimerDalam polimer sintetik beberapa karakteristiknya menentukan sifat fisik dan kimiawi yang mempengaruhi dalam aplikasi membran yakni:1. Jumlah dan berat molekul dari unit pengulangan di dalam suatu polimer2. Apakah polimer tersebut termasuk homopolimer atau co-polimer3. Bagaimana monomer terikat: rantai random, copolimer blok dan grafted co-polimer4. Apakah polimer linier bercabang atau saling terikat5. Stereoisomer : isotactic (menghasilkan polimer kristalin), atactic (menghasilkan polimer noncrystalin atau    amporphous), dan syndiotactic. Kristalinitas mempunyai pengaruh atau efek utama pada permeabilitas    dan membran polimer6. Fleksibilitas rantai7. Interaksi rantai