PROSES PENGOLAHAN AIR/LIMBAH MENGGUNAKAN TEKNOLOGI

MEMBRAN

Membran ialah sebuah penghalang selektif antara dua fasa.

Membran memiliki ketebalan yang berbeda-beda, ada yang tebal dan ada juga yang tipis

serta ada yang homogen dan ada juga ada heterogen. Ditinjau dari bahannya

membran terdiri dari bahan alami dan bahan sintetis. Bahan alami adalah bahan yang

berasal dari alam misalnya pulp dan kapas, sedangkan bahan sintetis dibuat dari bahan

kimia, misalnya polimer. 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. Larutan yang mengandung komponen yang

tertahan disebut konsentrat dan larutan yang mengalir disebut permeat. Filtrasi dengan

menggunakan membran selain berfungsi sebagai sarana pemisahan juga berfungsi

sebagai sarana pemekatan dan pemurnian dari suatu larutan yang dilewatkan pada

membran tersebut. Kekurangan teknologi ini antara lain adalah fluks dan selektivitas,

karena pada proses pemisahan menggunakan membran umumnya fenomena yang

terjadi adalah fluks berbanding terbalik dengan selektivitas. Semakin tinggi fluks sering

kali berakibat menurunnya selektivitas, dan sebaliknya. Sedangkan yang diinginkan

dalam proses pemisahan berbasis membran adalah mempertinggi fluks dan selektivitas.

Teknologi membran dalam pengolahan air dan limbah merupakan proses

pemisahan secara fisika yang memisahkan komponen yang lebih besar dari yang lebih

kecil. Berbagai jenis proses membran dikategorikan berdasarkan driving force, jenis dan

konfigurasi membran dan kemampuan penyisihannya. Proses membran dipergunakan

dalam sistem pengolahan air minum dan air buangan seperti dalam proses desalinasi,

pelunakan, penyisihan bahan organik, penyisihan warna, partikel dan lain-lain. Proses

membran telah ada sejak 25 tahun yang lalu dan saat ini proses tersebut telah

mengalami perkembangan yang pesat. Proses membran dapat diklasifikasikan

berdasarkan driving force untuk menyokong proses pengolahan air. Proses membran

dengan menggunakan tekanan dan tenaga listrik hanya tersedia secara komersial dan

telah umum dipergunakan untuk proses pengolahan air minum dan buangan. Proses

membran yang paling umum adalah proses yang dijalankan dengan tekanan, dimana

tekanan di dalam dan di luar membran berbeda. Berdasarkan ukuran pori membrane,

membran dapat dibagi menjadi empat tipe:

1) Reverse Osmosis (RO)

Reverse osmosis merupakan proses filtrasi yang paling baik,virus influenza

dapat disisihkan oleh alat ini. Dalam proses filtrasi membran ini, terhadap air yang akan

diolah harus dilakukan pengolahan Aahuluan supaya partikel-partikel yang berukuran

besar tidak ikut masuk, sehingga tidak mengganggu kinerja alat yang nantinya akan

merusak membran. 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. gradien konsentrasi. Umpan dipompa untuk melewati

membran. Keluaran dari membran masih sangat korosif sehingga perlu diremineralisasi

dengan cara ditambahkan kapur atau CO2. Penambahan kapur ini juga bertujuan

menjaga pH pada kisaran 6,8-8,1 untuk memenuhi spesifikasi air minum.

Tabel 1. Ukuran Materi-Materi yang Dapat Dipisahkan oleh Proses Membran

Materi yang akan

dipisahkan

Perkiraan ukuran (nm) Proses

Ion 1-20 Difusi atau reverse osmosis

Organik terlarut 5-200 Difusi

Organik koloidal yang

tidak terlarut

200-10.000 Aliran berpori

Materi koloid & partikulat 75.000 Aliran berpori

(Sumber: Firdaus,2012)

Prinsip kerja proses ini merupakan kebalikan dari proses osmosis biasa. Pada

proses osmosis biasa terjadi perpindahan dengan sendirinya dari cairan yang murni atau

cairan yang encer ke cairan yang pekat melalui membran semi-permeable. Adanya

perpindahan cairan murni atau encer ke cairan yang pekat pada membran

semipermeable menandakan adanya perbedaan tekanan yang disebut tekanan osmosis.

Prinsip kerja proses ini merupakan kebalikan dari proses osmosis biasa. Pada proses

osmosis biasa terjadi perpindahan dengan sendirinya dari cairan yang murni atau cairan

yang encer ke cairan yang pekat melalui membran semi-permeable.

Tabel 2. Teknologi Pemisahan dengan Membran untuk Pengolahan Air Buangan

Feature MF UF NF RO Per-

vaporation

Pemisahan zat

padat tersuspensi

Sangat

baik

Tidak

praktis

Tidak

praktis

Tidak praktis Tidak

cocok

Pemisahan zat

organik terlarut

Tidak

cocok

Sempurna Sangat baik Sangat baik Baik

PemisahanVolatile

Organic Carbon

(VOC)

Tidak

cocok

Buruk Cukup Cukup-baik Sangat

baik

Pemisahan zat

inorganik terlarut

Tidak

cocok

Tidak

cocok

Baik (untuk

garam

inorganik

terlarut)

Sangat baik

(pemisahan

90-99%)

Tidak

cocok

Efek tekanan

osmosis

Tidak ada Kecil Signifikan High Tidak ada

Batasan

konsentrasi

total solid

sampai

dengan

lima

persen

(5%)

total

organik

sampai

lima puluh

persen

(50%)

sampai

dengan

lima belas

persen

(15%)

sampai

dengan

lima belas

persen (15%)

Tidak

cocok

Kualitas Permeate Sangat

baik

Sangat baik Baik Sangat baik Sangat

baik

Tekanan Kerja 1-3 bars 3-7 bars 5-10 bars 15-70 bars <25% dari

proses

Biaya capital

($/gallon per hari)

0.15-1.5 0.15-1.85 0.15-1.5 0.15-1.5 1.85-4.00

Biaya operasi

($/1000 liter

input)

0.15-1.10 0.15-0.80 0.20-0.80 0.25-0.80 0.80-1.30

(Sumber: Firdaus,2012)

Adanya perpindahan cairan murni atau encer ke cairan yang pekat pada

membran semi-permeable menandakan adanya perbedaan tekanan yang disebut tekanan

osmosis. Fenomena tersebut membuat para ahli berpipir terbalik, bagaimana caranya

agar dapat memisahkan cairan murni dari komponen lainnya yang membuat cairan

tersebut bersifat pekat. Dengan penambahan tekanan pada larutan yang pekat, ternyata

cairan murni dapat melalui membran semi-permeable yang nerupakan kebalikan dari

proses osmosis. Atas dasar tersebut teknologi ini disebut reverse osmosis (osmosis

terbalik). Kriteria unjuk kerja membran bisa dilihat dari derajat impermeabilitas, yaitu

seberapa baik membran menolak aliran dari larutan pekat; dan dari derajat

permeabilitasnya, yaitu berapa mudahnya material murni melalui aliran menembus

membran. Membran selulosa asetat merupakan bahan membran yang baik dari segi

impermeabilitas dan permeabilitasnya. Bahan membran lainnya yaitu etyl-cellulose,

polyvinyl alcohol, methyl polymetharcylate dan sebagainya.

Beberapa sistem reverse osmosis yang sering dipergunakan, yaitu tubular,

hollow fibre, spiral wound dan plate frame. Pada proses pemisahan menggunakan RO,

membran akan mengalami perubahan karena memampat dan menyumbat (fouling).

Pemampatan atau fluks merosot itu serupa dengan perayapan plastik/logam ketika

terkena beban tegangan kompresi. Makin besar tekanan dan suhu biasanya membran

makin mampat dan menjadi tidak reversible. Normalnya membran bekerja pada suhu

21-35 derajat celcius. Fouling membran dapat diakibatkan oleh zat-zat dalam air baku

seperti kerak, pengendapan koloid, oksida logam, bahan organik dan silika. Oleh sebab

itu cairan yang masuk ke proses reverse osmosis harus terbebas dari partikel-partikel

besar agar tidak merusak membran. Pada prakteknya, cairan sebelum masuk ke proses

reverse-osmosis dilakukan serangkaian pengolahan terlebih dahulu, biasanya dilakukan

pretreatment dengan koagulasi dan flockulasi yang dilanjutkan dengan adsorbsi karbon

aktif dan mikrofiltrasi.

Pada suatu saat membran akan mengalami kotor, akibat dari adanya material-

material yang tidak bisa lewat. Hal ini yang menyebabkan tersumbatnya membran.

Kotoran yang terbentuk gumpalan kotoran, kerak atau hasil proses hidrolisa. Untuk

mengembalikan kekondisi semula dilakukan pembersihan dengan menggunakan larutan

pembersih yang khusus. Bahan ini bisa melarutkan kotoran tetapi tidak merusak

membran yang biasanya terbuat dari enzim. Proses pencucian dilakukan dengan

meresirkulasi larutan pencuci ke membran selama kurang lebih 45 menit. Keuntungan

metode RO berdasarkan kajian ekonomi antara lain:

a) Untuk umpan dengan padatan terlarut total di bawah 400 ppm, RO merupakan

perlakuan yang murah.

b) Untuk umpan dengan padatan terlarut total di atas 400 ppm, dengan perlakuan awal

penurunan padatan terlarut total sebanyak 10% dari semula, RO lebih menguntungkan

dari proses deionisasi.

c) Untuk umpan dengan konsentrasi padatan terlarut total berapapun, disertai dengan

kandungan organik lebih dari 15 g/l, RO sangat baik untuk praperlakuan proses

deionisasi.

d) RO sedikit berhubungan dengan bahan kimia sehingga lebih praktis.

2. Nanofiltrasi

Proses nanofiltrasi merejeksi kesadahan, menghilangkan bakteri dan virus,

menghilangkan zat warna karena adanya bahan organik tanpa menghasilkan zat kimia

berbahaya seperti hidrokarbon terklorinasi. Nanofiltrasi cocok untuk pengiolahan air

dengan padatan terlarut total yang rendah, dimana bahan organiknya dilunakkan dan

dihilangkan. Sifat rejeksi nanofiltrasi khas terhadap tipe ion; ion dwivalen lebih cepat

dihilangkan daripada ion ekavalen, sesuai saat membran tersebut diproses, formulasi

bak pembuat, suhu, waktu annealing, dan lain-lain. Formulasi dasarnya mirip RO,

namun mekanisme operasionalnya mirip ultrafiltrasi.

3. Ultrafiltrasi

Ultrafiltasi merupakan teknologi pemisahan menggunakan membran untuk

memisahkan berbagai zat terlarut dengan berat molekul tinggi, bermacam koloid,

mikroba sampai padatan tersuspensi dalam suatu larutan. Metode ini menggunakan

membran semi permeable untuk memisahkan makromolekul dari larutannya. Ukuran

dan bentuk molekul merupakan faktor penting dalam proses ultrafiltrasi. Cara kerja

proses ultrafiltrasi mirip dengan proses reverse osmosis, yaitu pemisahan partikel

berdasarkan ukurannya dengan menggunakan tekanan pada membran berpori. Ukuran

pori membran ultrafiltrasi lebih besar yaitu berdiameter sekitar 0.1 sampai 1 µm. Yang

membedakan dengan reverse osmosis adalah jenis membran dan lebih kecilnya tekanan

yang digunakan dalam pengoperasian. Membran ultrafiltrasi dibuat dengan mencetak

polimer selulosa asetat sebagai lembaran tipis.

Membran selulosa asetat mempunyai sifat pemisahan yang bagus, namun

sayangnya dapat rusak oleh bakteri dan zat kimia serta rentan terhadap pH. Selain

selulosa asetat ada juga membran yang terbuat dari polimer polisulfon, akrilik,

polikarbonat, PVC, poliamidda, poliviniliden fluoride, kopolimer AN-VC, poliasetal,

poliakrilat, kompleks polielektrolit, PVA ikat silang, keramik, aluminium oksida,

zirkonium oksida, dan sebagainya. Kecepatan hasil permeate (permeation flow) berkisar

sekitar 1.0 sampai 10 m3/m2.jam. Dalam teknologi pemurnian air, membran ultrafiltrasi

dengan berat molekul membran (MWC) 1.000 – 20.000, lazim untuk penghilangan

pirogen, sedangkan membran dengan MWC 80.000 – 100.000 untuk penghilangan

koloid. Tekanan dalam ultrafiltrasi biasanya rendah, sekitar 10-100 psi (70-700 kPa),

sehingga operasinya dapat menggunakan pompa sentrifugal biasa. Pada suatu saat

proses ultrafiltrasi pun akan menunjukan penurunan unjuk kerja. Hal ini disebabkan

adanya kotoran yang menyumbat pori-pori. Pembersihan membran dilakukan dengan

memasukan bahan pembersih yang terbuat dari larutan caustic soda, sodium

hypochlorite,asam belerang atau surface activator lainnya. Ciptakan aliran yang

olakannya kuat agar lebih memudahkan lepasnya kotoran yang menempel pada

permukaan dan pori-pori. Atau bisa juga dengan dicelupkan kedalam larutan pembersih

dan terakhir disemprot dengan tekanan cukup tinggi untuk mengusir kotorannya. Pada

saat ini ultrafiltrasi lebih banyak dipakai di berbagai macam bidang karena mudah

digunakan sebagai mikrofiltrasi dan tidak sesensitif reverse osmosis. Pemanfaataanya

mencakup pengolahan air limbah di ndustri pulp dan kertas, air limbah domestik,

macam-macam air limbah gedung-gedung, filtrasi MLSS di aeration tank proses biologi

dan diaplikasi lainnya.

Tabel 3. Perbandingan Kinerja Ultrafiltrasi dan Reverse Osmosis

Uraian Ultrafiltrasi Reverse Osmosis

Fraksi berat molekul 1.000 min 500 max

Tekanan osmosis Dapat diabaikan Signinikan

Tekanan operasi 1 sampai 7 kg/cm2 20 sampai 140 kg/cm2

Mekanisme fraksi Filtrasi Diffusi

Material membrane Tidak signifikan Mempengaruhi fraksi hasil

secara signifikan

Distribusi pori-pori halus Signifikan Tidak Nampak

Permiation flow rate 1.0 sampai 10 m3/m3.jam 0.1 sampai 1.0 m3/m2.jam

(Sumber: Rino,2010)

4. Mikrofiltrasi

Mikrofiltrasi merupakan pemisahan partikel berukuran micron atau submicron.

Bentuk lazimnya berupa cartridge yang berfungsi untuk menghilangkan partikel dari air

yang berukuran 0,04 sampai 100 micron, asalkan kandungan padatan terlarut total

dalam air tidak melebihi 100 ppm. Filtrasi cartridge merupakan filtrasi mutlak, artinya

partikel padat akan tertahan. dalam aplikasinya cartridge tersebut akan diletakkan

dalam suatu wadah tertentu (housing), dan dapat dibersihkan jika padatan yang tertahan

sudah terlalu banyak. Bahan yang dapat digunakan untuk cartridge bermacam-macam,

antara lain katun, wool, selulosa, fibre glass, polipropilen, akrilik, nilon, asbes, ester-

ester selulosa dan polimer hidrokarbon terfluorinasi. Jenis-jenis cartridge

dikelompokkan menjadi cartridge leletan, cartridge rajut-lekatan-terjurai, catridge

lembar berpori (kertas saring khusus, media nirpintal, membran berkarbon).

Mikrofiltrasi adalah proses filtrasi untuk menghilangkan kontaminan dari

fluidadengan menggunakan tekanan sebagai gaya dorong. Mikrofiltrasi merupakan

salah satu darisejumlah proses filtrasi menggunakan membran. air baku disaring melalui

bahan plastik atau polimer yang berisi jutaan pori-pori kecil. Penyaringan terjadi karena

pori-pori membran paamikrofiltrasi memiliki ukuran yang cukup agar dapat dilalui oleh

air, sedangkan kontaminanseperti partikulat dan organisme pathogen akan tertahan di

atas membran. Mikrofiltrasi merupakan salah satu jenis dari filtrasi dengan membran.

Perbedaan mikrofiltrasi dengan jenis filtrasi dengan membran lainnya terletak pada

ukuran pori-pori membran yang berdampak pula pada kemampuan membran untuk

menyaring kontaminan. Semakin kecil pori-pori membran, semakin kecil pula ukuran

partikel kontaminan yang dapat dihilangkan. Dalam pengolahan air, mikrofiltrasi

biasanya digunakan untuk menghilangkan partikel berukuran besar, seperti padatan

tersuspensi, partikulat, dan mikroorganisme. Membran yang digunakan umumnya

memiliki ukuran pori berkisar antara 0,05-10 mikron. Bahan membran biasanya terbuat

dari keramik, teflon, polypropylene, atau plastik lainnya. Konfigurasi membran dapat

bervariasi, tapi hollow fiber merupakan jenis membranyang paling umum digunakan.

Membran jenis hollow fiber dimasukkan ke dalam pipa berdiameter kecil, biasanya

berukuran satu meter. Ribuan pipa digabung bersama dan pada bagian ujung pipa

diikatkan pada sekat epoxy atau wadah. Sekat bagian ujung dipotong untuk

memungkinkan akses ke dalam serat-serat dari ujung wadah tersebut. Sekumpulan

pipayang terikat tersebut kemudian dimasukkan ke dalam PVC atau stainless

steel,dinamakan modul. Hal ini memungkinkan air didorong melalui dinding fiber tanpa

arus pendek.Modul kemudian disalurkan bersama-sama dengan cara mendorong air dari

satu sisi melewati dinding membran dan kemudian dikumpulkan. Biasanya, air dipompa

dari luar serat, dan air bersih yang dikumpulkan dari bagian dalam serat, dinamakan

aliran outside-to-inside. Arah aliran ini kadang-kadang terbalik tergantung pada

produsen dan konfigurasi membran. Mikrofiltrasi mempunyai keunggulan dibanding

filtrasi dengan cara konvensional. Harga mikrofiltrasi memang lebih mahal jika

dibanding harga alat filtrasi konvensional. Namun, semua itu dapat tergantikan dengan

kelebihan yang dimiliki mikrofiltrasi. Mikrofiltrasi lebih lengkap dibanding filtrasi

konvensional. Pada mikrofiltrasi, tidak ada pengontrolan aliran secara manual, tidak

membutuhkan flash mixer,tidak dibutuhkan flokulator, dan pengoperasian yang mudah.

Pembersihan dilakukan secara otomatis pada saatmembran memang butuh untuk

dibersihkan. Selain itu, semua settelable solid dapat terjebak di atas membran. Bakteri

dan patogen pun dapat dihilangkan dalam air.

Ultrasonic cross flow microfiltration merupakan alat filtrasi yang dilengkapi

dengan penambahan energi ultrasonik pada membran. Ultrasonic cross flow

microfiltration biasanya digunakan untuk pegolahan air pada air yang mengandung

banyak padatan. Dengan adanya energi ultrasonik, dapat mengurangi tindakan

pembersihan pada lapisan membrandan meningkatkan kemampuan untuk mengalirkan

air melalui membrane. Membran mikrofiltrasi dapat dibedakan dari membran  reverse

osmosis  dan ultrafiltrasi berdasarkan ukuran partikel yang dapat dipisahkannya. Pada

membran mikrofiltrasi, garam tidak dapat direjeksi membran. Proses filtrasi dapat

dilaksanakan pada tekanan relatif rendah yaitu di bawah 2 bar. Membran mikrofiltrasi

dapat dibuat dari berbagai macam material baik organik maupun anorganik. Proses

mikrofiltrasi menggunakan membran berpori. Membran ini terdiri dari matriks polimer

dimana terdapat pori yang berukuran 0,02 µm sampai 10 µm. Membran memiliki

berbagai macam geometri pori. Pada gambar 3 disajikan beberapa karakteristik struktur

yang ada. Membran ultrafiltrasi umumnya mempunyai struktur asimetrik dan tahanan

perpisahan ditentukan oleh lapisan atas yang berpori.

DAFTAR PUSTAKA

Ahmad, Reza Putra. 2014. Teknologi Membran. (Online).

http://rezaputraahmad.blogspot.com/. Diakses tanggal 4 Maret 2015.

Firdaus, Muhammad Yusuf. 2012. Teknologi Membran. (Online).

https://muhammadyusuffirdaus.wordpress.com/2012/02/12/teknologi-membran/.

Diakses tanggal 4 Maret 2015.

Laksono, Haren. 2015. Penggunaan Teknologi Membran Pada Pengolahan Air Limbah.

(Online). https://www.academia.edu/4273904/teknologimembran. Diakses

tanggal 4 Maret 2015.

Rino. 2010. Pengolahan Limbah Cair. (Online).

http://rino14.blogspot.com/2010/08/pengolahan-limbah-cair.html. Diakses

tanggal 4 Maret 2015.

Wanten, I Gede. 2013. Teknologi Membran Untuk Pengelolaan Air. (Online).

http://www.igwenten.com/2013/02/teknologi-membran-untuk-pengelolaan-

air.html. Diakses tanggal 4 Maret 2015.