STATUS REVIEW ON MEMBRANE SYSTEMS FOR

HYDROGEN SEPARATION

1. INTRODUCTION

Uni Eropa mendukung adanya proyek MIGREYD (Modular IGCC

Concepts for In-Refinery Energy and Hydrogen Supply) untuk memperkuat

teknologi IGCC yang fokus pada:

1. Konversi residu kilang minyak yang bernilai rendah menjadi energi yang

bersih dan lebih berguna.

2. Produksi hidrogen.

Peran utama proyek ECN ini adalah menganalisis dampak lingkungan

dari peningkatan IGCC pada kilang minyak. Tujuan utama dari WP3 (Work

Project) adalah pengurangan emisi CO2 dan penelitian tentang sistem membran

dalam pemisahan hidrogen. Tujuan pertama, yaitu pengurangan emisi CO2 dapat

dilakukan dengan co-gasificasi biomassa dan penerapan sistem SOFC dalam

proses IGCC. Wacana yang disajikan dalam makalah ini adalah tahap pertama

penggunaan membran untuk pemisahan hidrogen dari gas lainnya yang dihasilkan

dari siklus IGCC yang merupakan tujuan kedua dari WP3. Teknologi pemisahan

lainnya yang dapat digunakan adalah pressure swing adsorption (PSA) dan

pemisahan kriogenik yang keduanya tidak dibahas dalam makalah ini.

Makalah ini menjelaskan proses pemisahan gas hidrogen dengan teknologi

membran. Bab 2 memberikan penjelasan tentang membran yang meliputi

nomenklatur, definisi, mekanisme transportasi dan teknologi manufaktur.

Membran yang paling penting untuk proses pemisahan hidrogen dari refinery off-

gases dan pemisahan hidrogen dari syngas, campuran dari hidrogen dan karbon

monoksida dijelaskan dalam bab 3. Bab 4 memberikan pengantar rancangan

sistem membran. Bab 5 merupakan kesimpulan dari makalah ini.

1

2. MEMBRAN PEMISAHAN GAS

2.1 Pendahuluan

Membran adalah selaput yang memungkinkan terjadinya perpindahan

massa antara dua fase secara selektif dimana hanya komponen/ senyawa tertentu

yang dapat melewatinya. Hal inilah yang menjadikan membran sangat cocok

untuk memisahkan campuran suatu komponen baik berupa gas ataupun cairan.

Perkembangan membran diawali dengan proses pemisahan fasa cair yang

pertama kali dilakukan Nollet pada tahun 1748 menggunakan kandung kemih babi

sebagai membran. Membrane itu diletakkan di dalam cawan yang berisi wine dan

air. Air akan meresap melewati membrane sedangkan wine tidak (Mason, 1991).

Beberapa tahun kemudian, membran pemisahan gas mulai dikembangkan. Proses

pemisahan gas dengan membran dalam skala besar, pertama kali dilakukan pada

pertengahan 1940-an oleh Pemerintah Amerika Serikat untuk memisahkan isotop

UF6 sebagai bahan bakar nuklir. Membran pemisahan gas secara komersial

pertama kali diperkenalkan pada 1979-an dan dalam jangka waktu 10 tahun

berbagai membran pemisahan gas telah dikembangkan (Noble, 1995).

Dalam waktu 50 tahun terakhir telah terjadi perkembangan teknologi

membran yang sangat signifikan dan banyak diaplikasikan dalam kehidupan

sehari-hari. Sekarang ini, aplikasi penggunaan membran sangat beragam, mulai

dari reverse osmosis (untuk menghasilkan air bersih) hingga penyaringan mikro

(untuk menyaring bakteri).

Membran memiliki beberapa kelebihan antara lain (Mulder, 2000) :

secara umum membutuhkan energy yang tidak terlalu besar.

memungkinkan untuk melakukan proses pemisahan secara kontinyu.

kondisi proses tidak terlalu rumit.

Up scaling mudah.

tidak adanya aditif.

mudah dikombinasikan dengan teknologi pemisahan lainnya.

2

Selain memiliki kelebihan, membran juga mempunyai kelemahan yang

tergantung pada tipenya, antara lain:

kemungkinan terjadinya fouling.

tidak bisa digunakan dalam jangka waktu yang lama.

selektivitas rendah atau fluks.

Makalah ini hanya akan membahas membran pemisahan gas. Hal ini

disesuaiakn dengan aplikasi pemisahan hidrogen pada proyek Migreyd. Meskipun

kondisi di kilang dan IGCCS mungkin lebih ekstrim (dalam hal tekanan dan

suhu), hidrogen tidak akan dijumpai dalam bentuk cair maupun terlarut dalam

suatu cairan.

2.2 Klasifikasi Membran

Dari gambar di bawah ini, kita bisa mengetahui bahwa membrane

memiliki 2 sisi yaitu . Kedua sisi membran itu adalah feed side permeate side

(atau sisi hulu) permeate side (atau sisi hilir). Secara umum, feed side adalah arus

umpan sedangakn permeate side adalah arus yang keluar setelah melewati

membra dan retente merupakan arus yang tidak bisa melewati membran.

Gambar 1 Membrane unit nomenclature

Kinerja dan efisiensi membran biasanya dilihat berdasarkan dalam aliran

(atau fluks) melalui membran dan selektivitas membran terhadap campuran.

Selektivitas adalah ukuran untuk perbedaan permeabilitas (mudah tidaknya

spesies melewati membrane) dari komponen yang berbeda. Dengan kata lain,

selektivitas adalah efektivitas pemisahan membran. Faktor selektivitas αA / B dari

dua komponen A dan B dalam campuran didefinisikan sebagai:

α A /B

y A / yB

x A/ xB

……...……………………………...……………………....(2.1)

3

dimana yA dan yB adalah fraksi komponen A dan B pada permeate dan xA dan xB

adalah fraksi dari komponen A dan B pada feed. A dan B biasanya dipilih

sedemikian rupa sehingga faktor selektivitas lebih besar dari satu supaya terjadi

pemisahan. Semakin tinggi faktor selektivitas, membran menjadi lebih selektif.

Dua rasio penting lainnya untuk menggambarkan kinerja membran adalah

recovery dan volume reduksi. Recovery atau hasil (S) adalah bagian dari aliran

umpan yang melewati membran:

S=q p

q f

…...…………………………………………………...……….(2.2)

dimana qp adalah laju permeate dan qf adalah laju umpan. Volume reduksi (VR)

adalah rasio antara laju umpan mula-mula dengan laju aliran retentate:

VR=q f

qr ….………………………………………………………....... (2.3)

Membran dapat diklasifikasikan berdasarkan sifatnya. Salah satunya

adalah material yang digunakan untuk membuat membrane yaitu membran organi

dan anorganik. Membran organik terbuat dari polimer sedangkan membran

anorganik terdiri dari membran yang terbuat dari kaca, logam (termasuk karbon),

dan keramik (termasuk zeolit).

Berdasarkan struktur membran dan perpindahan material, membran dapat

diklasifikasikan menjadi membran berpori dan membran padat. Membran berpori

memungkinkan terjadinya perpindahan melalui pori-pori mereka, sedangkan

membran padat memungkinkan terjadinya perpindahan melalui sebagian besar

material.

Berdasarkan morfologi membran, membran dapat digolongkan menjadi

membran simetris dan asimetris. Membran simetris memiliki struktur homogen

sedangkan membran asimetris terdiri dari beberapa lapisan dengan karakteristik

yang berbeda. Selain beberapa jenis membran di atas, ada juga membran yang

terdiri dari berbagai lapisan bahan yang berbeda yang disebut membran komposit.

2.3 Mekanisme Pemisahan Gas

Ada 2 macam mekanisme pemisahan dengan membran, yaitu :

4

a. Membran padat (dense membrane) : melalui bulk material

Selektivitas tinggi, namun fluks rendah

b. Membran berpori (porous membrane) : Melalui pori-pori

- Pori-pori kecil : selektivitas tinggi, namun fluks rendah

- Pori-pori besar : fluks tinggi, namun selektivitas rendah

2.3.1 Mekanisme Pemisahan Membran Padat

Molekul gas diadsorpsi pada satu sisi membran, larut dalam

material membran, berdifusi melalui membran, dan diadsorpsi kembali

pada sisi lain dari membran.

Jika berdifusi dalam bentuk ion dan elektron atau atom, maka

molekul harus terpisah setelah adsorpsi kemudian bergabung kembali

setelah berdifusi melalui membran.

2.3.2 Mekanisme Pemisahan Membran Berpori

Ada 4 tipe mekanisme transportasi pada membran berpori, yaitu :

a. Knudsen (free molecule) diffusion

Selektivitas rendah dibanding surface diffusion dan capillary

condensation. Knudsen number (Kn) adalah rasio rata-rata jarak antar

tabrakan dengan skala panjang fisik.

Bila nilai Kn kecil, maka pori-pori besar, selektivitas rendah.

Kn < 1 mekanisme transportasi yang dominan adalah aliran

viskos yang non-selektif

b. Surface diffusion

Terjadi secara paralel dengan Knudsen diffusion. Molekul gas teradsorpsi

pada dinding pori-pori membran dan bermigrasi di sepanjang permukaan.

Surface diffusion meningkatkan permeabilitas komponen sehingga

menyerap lebih kuat ke pori-pori membran. Pada saat yang sama,

diameter pori berkurang sehingga selektivitas meningkat. Peristiwa ini

hanya terjadi pada temperatur dan diameter pori tertentu.

c. Capillary condensation

5

Kn= λL

Terjadi jika fase terkondensasi (sebagian) mengisi pori-pori membran.

Jika pori-pori membran terisi penuh oleh fase terkondensasi, hanya

spesies yang dapat larut dalam fase terkondensasi yang dapat terserap

melalui membran. Fluks dan selektivitas tinggi.

d. Molecular sieving

Digunakan jika ukuran pori cukup kecil (3,0 -5,2 ).

2.4 Teknik Manufaktur

Semua material, seperti keramik, kaca, logam atau polimer dapat

digunakan untuk membuat membran.Tujuannya adalah untuk memodifikasi

material teknik melalui teknik yang tepat untuk mendapat struktur membran

yang sesuai untuk pemisahan tertentu.

Beberapa teknik manufaktur untuk membuat membran pemisahan gas,

diantaranya :

a. Sintering / Pemanasan

Teknik ini melibatkan pengompresan powder dalam bentuk partikel dan

pembentukan solid dengan cara dipanaskan pada temperatur tertentu.

Ukuran pori : 0,1 sampai 10 μ m. Metode ini dapat digunakan untuk

bahan organik maupun anorganik. Cocok untuk material yang stabil

terhadap perlakuan kimia, suhu, dan mekanik.

Kekurangan : - hanya beberapa membran dapat dibuat dengan cara ini

- Porositas rendah (10 – 20%)

b. Stretching / Peregangan

Pada metode ini film yang terbuat dari polimer semikristal ditarik searah

dengan arah ekstrusi sehingga bagian kristal dari polimer terletak sejajar

dengan arah ekstrusi. Teknik ini hanya dapat digunakan untuk

memproduksi membran dari bahan (semi) kristal polimer.

c. Track-etching

Film ditembak dengan partikel radiasi berenergi tinggi pada arah tegak

lurus terhadap film kemudian merendam film dalam bak asam atau

basa,sehingga polimer akan terbentuk sepanjang lintasan. Ukuran pori

6

0,02-10 μ m. Porositas rendah (maksimum 10%). Metode ini umumnya

digunakan untuk bahan organik bahan, meskipun dapat digunakan untuk

sejumlah bahan anorganik juga.

d. Template leaching

Teknik ini dilakukan dengan melepas salahsatu komponen film

sehingga dihasilkan membranberpori. Melibatkan pemisahan sistem

menjadi 2 fase, yaitu fase yang larut dan fase tidak larut. Fase yang larut

dapat terlepas dengan penambahan asam atau basa. Ukuran pori : > 5 nm

(1 nm = 10-9 m)

e. Phase inversion / Inversi Fasa

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. Digunakan untuk

membuat membran berpori maupun tidak berpori.

f. Coating

Menghasilkan nilai fluk yang rendah. Untuk meningkatkan laju fluks,

maka ketebalan membran harus diperkecil dengan membentuk

membrankomposit. Coating dapat dilakukan dengan cara dip coating,

polimerisasi plasma, polimerisasi antarmuka, dan polimerisasi in-situ.

g. Sol-gel

Metode ini memungkinkan untuk membuat pori-pori dengan ukuran

nanometer untuk membran keramik. Pada metode ini,alkoksida

mengalami perubahan fase menjadi sol (koloid yang mempunyai padatan

tersuspensi dalam larutannya) dan kemudian menjadi gel (koloid tetapi

mempunyai fraksi solid yang lebih besar daripada sol). Kemudian gel

dikeringkan dan di-sintering / dipanaskan.

h. Chemical vapor deposition (CVD) / Deposisi uap kimia

7

Ukuran pori yang lebih kecil dapat diperoleh dengan densifikasi struktur

mesopori. Metode ini melibatkan deposisi internal pori-pori oleh

monolayer atau multilayer, pori memasukkan nanopartikel, pelapisan gel

polimer anorganik, dan konstriksi di lapisan atas dengan deposisi uap

kimia (CVD).

i. Physical vapor deposition (PVD)

Dalam proses ini, bahan padat dievaporasi dalam sistem vakum

menggunakan teknik fisik. Untuk mengurangi ketebalan, film

dikondensasi dan diendapkan pada substrat pendingin.

j. Alloy casting and rolling

Proses ini melibatkan pelelehan bahan baku pada suhu sangat

tinggi,casting ingot, homogenisasi pada suhu tinggi, penempaan panas

dan dingin, dan diikuti dengan cold rolling secara berulang sampai

diperoleh ketebalan yang diinginkan.

k. Electroless plating and electroplating

Electroless platingdidasarkan pada dekomposisi autocatalyzed garam

kompleks logam pada permukaan target. Dalam electroplating, substrat

bertindak sebagai katoda. Dalam bak pelapisan, logam atau paduan

dilapisi pada substrat.

l. Pyrolysis

Metode ini digunakan untuk silika dan karbon.

3. MEMBRAN SELEKTIF HIDROGEN

3.1. Pendahuluan

Untuk pemisahan hidrogen dari aliran gas, teknologi membran dapat

menjadi alternatif untuk PSA dan pemisahan kriogenik, tergantung pada skala dan

kemurnian produk stream yang diperlukan. Saat ini terdapat dua aplikasi

membran selektif hidrogen yang digunakan. Sejak tahun 1979 membran polimer

yang digunakan dalam industri amonia untuk pemurnian hidrogen dari off-gas dan

pada pertengahan tahun 1990-an aplikasi baru muncul: produksi hidrogen murni

dalam industri elektronik menggunakan membran paladium. Proyek skala kecil

8

yang sedang berjalan, untuk menunjukkan kelayakan teknis membran selektif

hidrogen dalam aplikasi lain, terlebih lagi dalam proses utama. Kedua kilang dan

IGCCs mungkin menjadi kandidat yang baik untuk aplikasi membran selektif

hidrogen, karena mereka memiliki aliran gas yang relatif kaya hidrogen.

Membran selektif hidrogen secara luas dapat dipisahkan menjadi empat

kategori: polimer (organik), logam, karbon dan keramik. Untuk waktu yang lama,

pengembangan lebih difokuskan ke dalam pengembangan membran polimer

daripada membran anorganik. Akibatnya membran polimer telah luas

diaplikasikan dan dapat dibeli dengan biaya yang relatif rendah. Namun demikian,

permintaan terhadap membran anorganik mulai meningkat dalam dekade terakhir.

Bahan anorganik dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dari membran

polimer dan umumnya memiliki stabilitas kimia lebih baik dibandingkan dengan

membran polimer. Keramik menjadi kelas utama membran anorganik (Mulder,

2000).

3.2. Membran Polimer

Membran polimer adalah membran jenis padat. Membran polimer dapat

dibagi lagi menjadi gelas (kondisi operasi pada suhu di bawah suhu transisi gelas)

dan karet (beroperasi pada suhu di atas suhu transisi gelas) membran polimer.

Membran gelas memiliki selektivitas relatif tinggi dan fluks rendah, sedangkan

membran karet mengalami peningkatan fluks tetapi selektivitas lebih rendah.

Keduanya biasanya diproduksi menggunakan metode inversi fasa.

Suhu operasi berkisar pada 90-100°C. Kelebihan dari membran polimer

adalah kemampuannya untuk mengatasi penurunan tekanan tinggi, biaya rendah,

dan skalabilitas yang baik. Sedangkan kekurangannya adalah ketahanan terhadap

bahan kimia tertentu yang terbatas seperti HCl, SOx, tetapi juga CO2, kekuatan

mekanik terbatas, dan kepekaan yang relatif tinggi untuk pemuaian dan

pemadatan. Membran polimer berada dalam stadium lanjut pembangunan.

Membran polimer untuk pemisahan hidrogen tersedia secara komersial dari

perusahaan penghasil gas seperti Air Produk, Linde, BOC dan Air Liquide.

9

3.3. Membran Logam

Jika hidrogen sangat murni diperlukan, membran logam padat mungkin

menjadi pilihan yang baik. Terutama paladium dan paladium paduan (hanya tipe

membran logam selektif hydrogen yang digunakan). Transportasi hidrogen

melalui membran yang terbaik dapat digambarkan melalui mekanisme difusi :

hidrogen diadsorbsi pada salah satu sisi membran, terbagi menjadi dua atom,

berdifusi melalui matriks logam, mengalami recombines dan desorbs pada sisi

permeat. Fluks yang terjadi adalah flux sedang. Untuk meningkatkan fluks (lihat

bagian 4.2) dan mengurangi biaya membran (biaya bahan paladium yang sangat

tinggi), lapisan tipis biasanya diletakkan di atas keramik atau logam berpori yang

digunakan. Jika membran paladium terkena hidrogen pada suhu yang lebih

rendah, bisa menyebabkan kerusakan yang serius, karena hidrogen dapat terkunci

di dalam paladium. Hal ini akan menyebabkan tekanan pada membran,

meningkatkan kemungkinan kegagalan membran. Solusi untuk masalah ini adalah

melapisi paladium dengan unsur lain seperti perak atau tembaga. Kondisi operasi

membran paduan paladium berada pada kisaran 300-600°C. Kelemahan utama

membran paladium adalah kepekaan terhadap bahan kimia yang tinggi seperti

belerang, klorin dan bahkan CO. Bahan kimia ini dapat mengurangi fluks

hidrogen efektif sebesar 20% bahkan 100%. Meskipun banyak pengembangan

membran paladium, ketersediaan bahan secara komersial masih terbatas. (Delft et

al. 2003).

3.4. Membran Karbon

Terdapat dua jenis membran karbon, yang menerapkan mekanisme

transportasi yang berbeda: molekuler pengayakan dan membran difusi

permukaan. Membran pengayak molekul cukup menjajikan, baik dari segi sifat

pemisahan (termasuk flux dicapai) dan kestabilan, tetapi belum tersedia secara

komersial pada skala besar. Ukuran pori berada dalam ukuran H2-molekul.

Mempunyai selektivitas pada kisaran 4-20.

Membran karbon dapat digunakan dalam non-pengoksidasi lingkungan

dengan suhu pada kisaran 500-900°C. Kelemahan dari membran karbon adalah

10

rapuh dan karena itu sulit digunakan jika permukaan membran menjadi lebih

besar. Selanjutnya, harga membran karbon masih tinggi dan mencari kondisi

produksi yang optimal masih perlu dikembangkan.(Delft et al., 2003).

3.5. Membran Keramik

Membran keramik dibuat dari kombinasi logam dengan non logam dalam

bentuk oksida, nitrida atau karbida. Membran keramik dapat berupa pori atau

padat. Membran keramik berpori umumnya memiliki struktur dua lapisan:

membran pemisahan itu sendiri dan lapisan yang lebih tebal atau disebut lapisan

berpori. Membran pemisahan biasanya dibuat dari alumina, zirkonia, titania, atau

silika. Tergantung pada komponen yang akan memisahkan selektivitas, dapat

mencapai nilai sampai dengan 140. Fluks hidrogen melalui membran cukup

menjanjikan. Suhu operasi untuk membran keramik berpori berada dalam kisaran

200-600°C. Pengembangan membran berpori pada tahap awal dan pemisahan gas,

diukur hanya beberapa sentimeter persegi di atas permukaan. Sampel tubular 20-

90 cm telah dibuat tetapi pengukuran di bawah kondisi operasi menunjukkan

bahwa ada banyak masalah yang harus diselesaikan sebelum teknologi ini dapat

diterapkan. Salah satu masalah adalah stabilitas dalam atmosfer yang mengandung

uap. stabilitas ini dapat ditingkatkan dengan memodifikasi membran silika dengan

gugus metil (Delft et al., 2003).

Dalam membran keramik padat, yang disebut proton atau pertukaran

proton membran, hidrogen diangkut dalam fase padat sebagai ion (proton).

Material yang dipilih adalah SrCeO3-δ dan BaCeO3-δ. Suhu operasi berada di

kisaran 600-900°C. Beberapa sumber menyebutkan suhu operasi sebesar 1000°C

(Shah, Drnevich & Balachandran, 2000), tapi tidak ada hasil percobaan pada suhu

di atas 900°C yang telah diumumkan. Temperatur yang tinggi (sekitar 900°C)

dibutuhkan untuk mencapai fluks yang diinginkan. Kestabilan terhadap senyawa

tertentu (misalnya, CO2, H2S) menjadi perhatian utama. Membran ini masih

dalam tahap awal pengembangan.

11

Secara umum, membran keramik masih memerlukan pengembangan yang

cukup besar dan pengujian adalah. Demonstrasi kelayakan teknologi skala-up

diperlukan (Delft et al., 2003).

3.6. Kaca membran (Glass membranes)

Kaca membran sebenarnya tidak terlalu penting untuk pemisahan

hydrogen karena selektivitasnya yang rendah. Kaca membran memilki pori – pori

dan berdasarkan ukurannya dibagi menjadi kaca membran berpori mikro (mikro

membrane dengan pori-pori di bawah 2 nm) dan mesopori (pori-pori 2-5 nm).

Mikro membrane berpori memiliki selektivitas yang lebih tinggi pada fluks yang

lebih rendah. Kedua jenis membran ini biasanya dihasilkan dari silika

menggunakan proses pencucian. Mikro membrane dan mesopori dapat digunakan

pada kisaran suhu 400-500°C. Vycor kaca membran telah tersedia secara

komersial.

3.7. Perbandingan membran

Berdasarkan suhu operasinya, membran dibagi menjadi :

1. Untuk suhu mencapai 100°C hanya padat polimer membran dapat digunakan.

2. Untuk suhu antara 200° C (atau 300°C) dan 600°C logam padat atau mikro

membran keramik berpori dapat digunakan.

3. Untuk temperatur antara (500°C atau) 600°C dan 900°C karbon berpori dan

membran keramik padat cocok.

12

Tabel 2: Sifat-sifat membran selektif hidrogen yang relevan

Polimer padat Keramik berpori mikro Metalik padat Karbon berpori Keramik padat

Rentang

suhu<100oC 200-600oC 300-600oC 500-900oC 600-900oC

Selektivitas H2 rendah 5-139 > 1000 4-20 >1000

H2 fluks

(10-3 mol/m2s) pada

∆P = 1 bar

rendah 60-300 60-300 10-200 6-80

Stabilitas masalah

pembengkakan,

pemadatan, kekuatan

mekanis

Stabilitas dalam air

(H2O)Fase transisi

Rapuh, mengalami

oksidasi

Stabilitas dalam air

(CO2)

Perumusanmasalah HCl, SOx, (CO2) H2S, HCl, COKuat menyerap uap,

organikH2S

Bahan Polimersilika, alumina,

zirkonia, titania, zeolitCampuran palladium karbon

proton

yang mengkonduksi

keramik (terutama

SrCeO3-δ, BaCeO3-δ)

13

Mekanisme

transportasidifusi Pengayakan molekuler difusi

Difusi permukaan;

pengayakan molekuler

Difusi (konduksi

proton)

Status

perkembangan

Telah dipasarkan oleh

Air Products, Linde,

BOC, Air Liquide

Prototype tubular silica

membrane tersedia

sampai 90 cm. bahan

lain hanya sampel

kecil

Telah dipasarkan oleh

Johnson Matthey;

prototype selaput

tabung tersedia sampai

60 cm

Modul selaput kecil

komersial,

kebanyakan sampel

kecil (cm2) yang

tersedia untuk

pengujian

Sampel kecil tersedia

untuk pengujian

14

4. DESAIN SISTEM MEMBRAN

4.1. Pendahuluan

Titik terkuat sebuah membran adalah fleksibilitasnya. Sejumlah variabel

dapat dipilih untuk mendapatkan desain yang optimal. Pada saat yang sama, sifat

yang fleksibilitas sangat sulit untuk memberikan sistem desain membran yang

manual. Langkah pertama dalam sistem desain membran adalah memilih aliran

umpan untuk dipisahkan. Sifat aliran ini (suhu, tekanan, komposisi), bersama

dengan pertimbangan biaya, menentukan membran yang akan digunakan. Pilihan

berikutnya adalah bentuk modul apa yang akan digunakan. Modul adalah unit

praktis terkecil yang berisi penentuan luas membran dan setiap struktur

pendukung. Untuk setiap bentuk membran modul tertentu tersedia secara

komersial. Jika diinginkan bentuk yang lain, modul ini perlu dirancang dan

diproduksi khusus untuk aplikasi ini, sehingga menyebabkan biaya yang tinggi.

Selain biaya, faktor lain yang mempengaruhi pilihan bentuk modul adalah

tekanan operasi dan fouling (terutama konsentrasi polarisasi).

Setelah bentuk modul dipilih, sistem membran secara keseluruhan dapat

dirancang. Di antara modul dan system tingkatan adalah tingkat tahapan.

Tahapan dibentuk dengan satu atau lebih modul membran yang dirakit menjadi

unit operasi yang menyediakan fungsi yang spesifik berbeda dari membran pada

tahap yang lain yang dapat dimanfaatkan dalam proses yang sama. Sistem desain

adalah penggabungan beberapa tahapan dengancara yang optimal.

Beberapa keterbatasan sistem satu tahap dapat diatasi dengan menggunakan

multi stage sistem. Jika terjadi reaksi kimia di dalam sistem membran ini disebut

membrane reaktor.

4.2. Menghitung fluks permeat membranuntuk pemisahan gas

Untuk arus yang diberikan dan sifat membran fluks permeat dari berbagai spesies

melalui membran dapat dihitung menggunakan rumus berikut:

15

J x=Pt( px ,feed

n −px, permeaten ) ………………………………………………(4.1)

Dimana:

Jx : Permeate flux x (mol/(m2s));

P : Permeabilitas (mol/(msPan));

t : ketebalan membrane (m);

px, feed : tekananparsial x pada sis iumpan (Pa);

px, permeate : tekananparsial x pada sisi permeat (Pa);

n : eksponen tekanan parsial (-)

Permeabilitas P dan tekanan parsial eksponen n dalam persamaan ini tergantung

pada asumsi mekanisme transportasi. Eksponen tekanan parsial ditemukan

biasanya antara 0,5 dan 2. Untuk membran berpori nilai 1 pada umumnya

digunakan pada perhitungan sejak mekanisme transportasi utama adalah difusi

Knudsen untuk membran mesopori dan pengayak molekul untuk mikro membran

berpori. Jika n = 1 persamaan (4.1) disebut hukum Fick. Untuk difusi hydrogen

berlaku hokum logam Sievert dengan n = 0,5. Persamaan ini menunjukkan bahwa

peningkatan ketebalan membran menghasilkan penurunan proporsional dalam

fluks. Bagian terakhir dari persamaan di atas dengan jelas menunjukkan bahwa

kekuatan pendorong untuk permeasi gas adalah perbedaan tekanan parsial atas

membran, semakin besar perbedaan ini, semakin besar fluks. Tekanan parsial

didefinisikan sebagai fraksi mol dari logam kali tekanan absolut:

px=nx . p…...…………………………………………………………………(4.1)

Dengan demikian, perbedaan tekanan parsial dapat ditingkatkan dengan

meningkatkan perbedaan tekanan absolute pada membran serta perbedaan relatif

dalam fraksi mol logam pada membran.

4.3 Desain Modul Membran Saat Ini

Blok bangunan dari sistem membran disebut modul. Modul dibagi berdasarkan

dua jenis konfigurasi membran: lembaran dan tubular. Modul jenis membran

lembaran disusun ke dalam bentuk pelat (plate-and-frame) dan modul spiral

(spiral-wound). Modul jenis membran tubular  dibagi  menjadi tubular, kapiler,

16

dan modul hollow fiber. Perbedaan utama diantara ketiganya adalah

dimensi: membran tubular memiliki diameter lebih dari 10 mm,

membran kapiler memiliki diameter antara 10 mm dan 0,5 m, dan membran

hollow fiber memiliki diameter kurang dari 0,5 mm.

Gambar 3 Schematic drawings of plate-and-frame modules

Gambar 4 Modul membran Plate and Frame (Coulson and Richardson, 2002)

Modul Plate-and-frame

Modul plate-and-frame  disusun dengan menempatkan membran lembaran sejajar

satu sama lain, seperti sandwich. Plate spacer memisahkan arus umpan yang

mengalir di sekeliling membran-membran yang berbeda pada modul dan memiliki

rangkaian disk anular dengan diameter luar 0,3 m ditempatkan setiap sisi

plate yang berfungsi sebagai tempat membran. Luas permukaan untuk satu modul

sebesar 19 m2. Densitas packing  (yaitu, luas permukaan membran per

volume module) sekitar 100-400 m2/m3.

17

Gambar 5 Modul Membran Spiral Wound

Modul Spiral-wound 

Modul spiral-wound adalah modul yang terdiri dari beberapa lembaran datar

tergulung spiral (seperti gulungan sandwich, lihat Gambar 4). Modul ini

berdiameter 0,1 m, panjang 0,9 m dan luas permukaan sebesar 5 m2. Aliran umpan

mengalir melalui silinder pada arah aksial, sedangkan permeat mengalir

radial terhadap pusat silinder. Densitas packing pada modul spiral-wound lebih

tinggi daripada packing dencity plate-dan-frame modul (sekitar 300-1000 m2/m3),

tapi sangat bergantung pada tinggi saluran.

Gambar 6 Schematic picture of a tubular module

Modul Tubular 

Pada modul dengan tipe modul tubular masing-masing membran ditempatkan

dalam suatu porous pipa stainless steel, keramik, atau plastik dengan

diameter pipa lebih besar dari 10 mm kemudian 4 sampai 8 pipa disusun

bersama. Umpan mengalir melalui bagian tengah membran dan permeat melintasi

18

membran, kemudian mengalir dalam pipa yang lebih besar. Densitas packing

maksimal adalah sekitar 300 m2/m3.

Gambar 7 schemes of capillary modules

Modul Kapiler 

Modul kapiler mempunyai densitas packing 600-1200 m2/m3, dengan dua tipe

susunan modul yang dapat digunakan berdasarkan feed yang masuk yaitu outside

in dan inside-in. Aliran umpan dapat mengalir melalui lubang  kapiler, dan

permeat keluar dari samping membrane (skema kiri), tapi umpan juga

dapat dialirkan melalui kapiler luar dengan  menembus  lubang membran.

Gambar 8 Outside-in hollow fibre configuration for gas separation

Modul Hollow Fiber 

Modul hollow fiber merupakan susunan ikatan – ikatan fiber dengan diameter

0,1-2,0 mm yang tersusun dalam sebuah pipa. Modul hollow fiber mempunyai

densitas packing 30000 m2/m3, keuntungan menggunakan modul ini yaitu

19

kemampuannya dalam hal backflushing sehingga memudahkan dalam

pencucian, dalam system ultrafiltrasi kecepatan aliran modul hollow fiber

berkisar antara 0,5 – 0,25 m/det.

Modul ini efektif untuk pemisahan dengan luas pemukaan besar untuk volume

yang kecil. Modul hollow fiber sebaiknya digunakan ketika aliran umpan relatif

bersih. Karena dengan diameter lubang yang kecil, kerugian tekanan relatif

tinggi. Dengan memilih tekanan  outside-in' kerugian yang terjadi di

dalam fiber dapat dikurangi, dan luas permukaan membran tinggi dapat dicapai.

4.4 Single stage membrane processes

Proses membrane yang paling sederhana ialah single membrane processes.

Satu tahap terdiri dari satu membran atau lebih yang tergabung menjadi satu unit

operasi yang memiliki fungsi spesifik, walaupun dalam sebuah proses yang sama.

Gambar 9 Simple membrane set-up

Pada umumnya, operasi membrane dapat dikelompokkan menjadi 2 suboperasi,

yaitu dead-end dan cross flow. Operasi dead-end terjadi bila tidak ada aliran

retentate, jadi feed hanya bisa keluar melalui membrane. Walaupun memiliki

recovery tinggi, proses ini jarang digunakan karena akan banyak terbentuk

retentate pada feed sehingga menyebabkan terjadinya polarisasi konsentrasi. Hal

ini menyebabkan berkurangnya permeat pada feed dan dapat mengurangi driving

force untuk melalui membrane. Sebaliknya, metode cross flow banyak digunakan.

Pada metode ini ada beberapa aliran mengalir di samping membran. Pengontrolan

terhadap penurunan fluks membrane juga dibatasi. Pada umunya, ada 4 tipe dalam

metode cross flow, yaitu:

co-current;

counter-current;

cross-flow with perfect permeate mixing;

perfect mixing.

20

Gambar 10 Comparison co-current, counter-current, perfect permeate mixing

and perfect mixing set up

Pada tipe co-current, laju feed dan permeat mengalir dengan arah yang

sama. Pada tipe counter-current laju feed dan permeat mengalir dengan arah

berlawanan. Pada tipe perfect permeate mixing, permeat dicampur dengan feed di

sepanjang membrane. Pada tipe perfect mixing, permeat dicampur dengan feed

dengan perbandingan 1:1.

Pada tipe co-current, driving force awalnya sangat besar, namun semakin

berkurang saat terjadi peresapan. Apabila dipilih membrane yang cukup besar,

tekanan parsial pada kedua sisi menjadi hampir sama. Sehingga, efisiensi dari

21

membran berkurang seiring dengan luas permukaan membran yang semakin

membesar. Pada tipe counter-current, tekanan parsial permeat semakin berkurang

menuju keluaran unit, sehingga menyebabkan driving force yang besar pada

keluaran unit. Pada tipe perfect permeate mixing, tekanan parsial permeat selalu

sama di sepanjang membran. Apabila luas permukaan membran cukup besar, akan

menyebabkan tekanan parsial retentate mendekati tekanan parsial permeat. Pada

tipe perfect mixing, tekanan parsial pada feed dan permeat selalu konstan di setiap

titik pada membran. Sehingga driving forcenya juga konstan. Namun pada

umumnya, tipe counter-current lah yang dapat memiliki hasil terbaik, diikuti tipe

permeate mixing dan tipe co-current. Sedangkan hasil paling jelek ialah tipe

Perfect mixing (Mulder, 2000).

Gambar 11 Single stage membrane process with feed flow compression

Selain dari macam-macam tipe aliran, terdapat banyak sekali variabel

yang dapat diatur untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Contohnya pada

gambar 10, kompresi pada feed akan meningkatkan penurunan tekanan, dan juga

driving force pada seluruh membran. Sehingga recovery produk akan meningkat.

Proses kompresi ini akan menambah total biaya, namun akan mengurangi produk

yang hilang dalam skala membran yang kecil dan berbiaya rendah. Hasil akhir

dari efek biaya ini tergantung pada berbagai situasi yang berbeda.

Gambar 12 Single stage membrane process with permeate vacuum

Cara lain untuk meningkatkan penurunan tekanan pada membrane ialah

dengan cara mengurangi tekanan permeat hingga vakum. Keuntungan dari metode

22

ini adalah aliran yang dikompresi dengan pompa vakum lebih rendah dari aliran

feed.

Gambar 13 Single stage process with permeate dilution by means of sweep

flow

Seperti yang telah dijelaskan pada bab 4.2, tekanan parsial pada membran

dapat dipengaruhi dengan memperbesar penurunan tekanan absolute membran

(misalnya dengan kompresi pada feed atau memvakumkan permeat), juga dengan

mengganti komposisi antara aliran feed dan permeat. Namun hal ini dapat

menambah total biaya untuk menyediakan sweep flow.

Gambar 13 Single stage membrane process with recycle

Adapun, aliran retentate atau permeat juga dapat direcycle sebagian. Hal

ini dapat memberpesar recovery produk dan membuat pengaturan lebih fleksibel.

Terutama pada aliran yang berpolusi dan terjadi polarisasi konsentrasi.

Sehingga dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

Penurunan kebutuhan luas area membran dan peningkatan recovery produk

sebanding dengan kenaikan penurunan tekanan pada membrane.

Tekanan absolute permeat (atau rasio tekanan) merupakan hal yang sangat

penting. Semakin tinggi rasio tekanan akan mempermudah proses pemisahan.

Penurunan tekanan tidak mempengaruhi kinerja dari membran.

Peningkatan luas area membran mengakibatkan peningkatan kemurnian

residue namun mengurangi kemurnian permeat.

23

Recovery produk akan menurun drastis sebanding dengan peningkatan

kebutuhan kemurnian.

4.5 Proses Membran Multi Stage

Untuk meningkatkan kinerja system membran, maka dapat dibuat system

membrane multistage. Sistem ini biasanya membutuhkan peralatan tambahan

yang biayanya relatif kecil.(Noble,1995)

Gambar 14. Two-Stage Membrane Process as Simple Spilt Up of Single Stage

Process

Dalam keadaan tertentu , split up membran single stage menjadi dua stage

akan lebih menguntungkan. Walaupun aliran akhir permeate pada gambar 14 tidak

akan berbeda dari aliran permeate system single stage sebelum spilt up, aliran

permeate yang terpisah dari kedua unit membrane akan berbeda( bisa sangat

berbeda). Perbedaan ini dapat digunakan jika aliran digunakan untuk berbagai

tujuan.

Kebanyakan sistem membran multi stage menggabungkan beberapa jenis

daur ulang untuk meningkatkan pemisahan produk dan recovery(pemulihan). Dari

segi membrane, desain ini mudah diterapkan,tetapi memerlukan kompresi untuk

aliran . Kompresi gas mahal,namun recycle umumnya meningkatkan efisiensi

proses secara keseluruhan(Noble,1995)

24

Gambar 15. Two-Stage Membrane Process with Permeate Recycle

Proses yang ditujukkan pada Gambar 15 dapat digunakan untuk

meningkatkan pemulihan produk. Membran unit pertama menghasilkan permeate

dengan kemurnian produk yang diinginkan,namun retentate masih mengandung

fraksi produk yang diinginkan dalam jumlah yang relative besar. Oleh karena itu,

membran unit kedua digunakan untuk mengambil kembali produk yang

diinginkan dari aliran retante. Karena kemurnian permeate pada membrane unit

kedua dianggap terlalu rendah, maka permeate ini akan di daur ulang ke aliran

umpan masuk.

Gambar 16. Two-Stage Membrane Process with Cascade

Membran multi stage yang popular adalah Cascade(Gambar 16). Pilihan

ini sangat berguna jika membrane pertama tidak dapat menghasilkan permeate

dengan kemurnian yang diinginkan. Permeate ini kemudian diteruskan ke unit

membrane kedua. Retentate dari unit kedua dapat direcycle untuk

pemulihan( recovery) produk. Karena sifatnya yang fleksibel maka system

membran ini banyak digunakan di industri.

4.6 Reaktor Membran.

Keuntungan penting dari membran adalah selektif untuk menyerap

spesies yang terjadi dalam reaksi kesetimbangan. Jika tidak ada membran, untuk

menggeser reaksi ke sisi produk maka suhu harus disesuaikan dan / atau spesies

reaktan ditambahkan. Dari segi efisiensi system,kedua opsi ini sering tidak

25

menguntungkan.Dengan adanya membrane maka proses reaksi akan lebih efisien,

karena membran selektif dalam mengambil produk reaksi, sehingga menggeser

kesetimbangan ke sisi produk.Jika reaksi kimia yang dilakukan (pada skala yang

cukup besar) dalam modul membran, sistem ini disebut reaktor membran.  Reaksi

yang terjadi pada modul membrane akan mempersulit rancangan modul. Reaksi

dapat mengakibatkan perubahan komposisi yang besar, hal ini akan

mempengaruhi operasi membran melalui perubahan tekanan parsial atau

pembentukan / penipisan kontaminan.

Untuk reaksi yang terjadi dalam suatu modul membran, diperlukan katalis

. Katalis-katalis ini ditampung di dalam reaktor membran. Tiga jenis pengaturan

yang ditemukan untuk mencapai hal ini (Mulder, 2000):

· Katalis ditempatkan di dalam aliran umpan masuk;

· Katalis ditempatkan dalam lapisan atas membran;

· Katalis ditempatkan di dalam membran itu sendiri.

Pengaturan katalis yang paling sederhana adalah pilihan pertama:

ditempatkan di dalam aliran umpan, karena mudah untuk

memprsiapka,mengoperasikan dan katalis dapat dengan mudah diganti. Jika

katalis ditempatkan dalam lapisan atas membrane atau di dalam membran itu

sendiri, menggantikan katalis yang terlibat biasanya berarti mengganti membran

secara lengkap.

Masalah yang paling penting dari sebuah reaktor membrane adalah

menyeimbangkan panas. Reaksi biasanya dipengaruhi suhu, baik endotermis atau

eksotermik. Jika reaksi terjadi pada beberapa saat yang sama mereka secara kasar

dapat menyeimbangkan satu sama lain termal.Namun, lebih mungkin bahwa akan

ada kebutuhan untuk pertukaran panas. Hal ini dapat menempatkan kendala besar

pada desaain reaktor membran. Misalnya, dalam kasus reaktor membran

pembentukan metana diperlukan panas yang bsar, karena reaksi pembentukn

adalah reaksi endotermis. Untuk memasukkan panas ke tempat di mana reaksi

harus berlangsung (dekat membran pengambilan hidrogen) adalah masalah yang

rumit. Aplikasi potensial dari reactor membran sudah banyak, tetapi aplikasi

komersial terhalang oleh keterbatasan praktis seperti faktor pemisahan rendah,

26

kebocoran pada suhu tinggi, keracunan katalis dan keterbatasan perpindahan

massa (Mulder, 2000).

4.7 Beberapa masalah praktis

Kinerja membran umumnya menurun seiring berjalannya waktu.

Fenomena ini dapat disebabkan oleh polarisasi konsentrasi dan fouling. Polarisasi

konsentrasi terjadi karena terbatasnya permeasi dari senyawa tertentu. Polarisasi

konsentrasi bukan merupakan masalah yang sangat berat untuk gas separation

membranes. Jika polarisasi konsentrasi tidak terjadi, aliran turbulen dapat

dinaikkan dalam aliran gas yang bersinggungan langsung dengan membran untuk

meminimalkan efek negatif. Penurunan fluks akibat polarisasi konsentrasi

umumnya konstan dari waktu ke waktu.

Fouling dikatakan terjadi ketika senyawa tertentu terserap pada permukaan

membran (juga dalam pori-pori), membatasi atau bahkan memblokir permeasi.

Contoh dari membran fouling adalah belerang yang mengandung senyawa seperti

H2S dan SO2. Untuk mengurangi dampak fouling, membran dapat dibersihkan

dengan memanaskan dan membersihkan dengan non-adsorbtion gasesI. Partikel -

partikel kecil dapat dikeluarkan dari aliran umpan menggunakan filter.

Kerusakan membran juga dapat disebabkan oleh pemadatan, yaitu

pengurangan ukuran pori, karena pemberian tekanan. Fenomena ini terjadi pada

membran polimer dan biasanya ireversibel: paling sering ukuran pori tidak

kembali ke nilai aslinya ketika tekanan diturunkan.

Untuk mendapatkan desain yang optimal, pertimbangan – pertimbangan

lainnya ikut dipertimbangkan. Salah satunya adalah efek dari tegangan termal

pada integritas struktural. Jika variasi suhu terjadi, beberapa bagian dari sistem

dapat mengalami berbagai tingkat ekspansi. Jika tidak ada ruang untuk

mengakomodasi perbedaan-perbedaan dalam ekspansi, sistem dapat rusak parah.

Selanjutnya, penurunan tekanan unit membran (bukan membran itu sendiri) secara

langsung sebanding dengan panjang modul. Untuk mengurangi penurunan

tekanan, akan lebih menguntungkan jika menerapkan modul yang lebih pendek.

27

Isu lain yang harus dipertimbangkan adalah kemudahan dalam

menghidupkan dan mematikan unit. Sebuah sistem desain perlu mengakomodasi

efek ini.

5. KESIMPULAN

Walaupun ada kompetisi dari teknologi pemisahan lainnya, seperti Press

Swing Adsorbtion (PSA) dan pemisahan kriogenik, sistem membran untuk

pemisahan gas telah menaikkan minat selama setengah abad terakhir. Saat ini

jumlah aplikasi dari hydrogen selective membrane masih terbatas pada dua, dan

kedua aplikasi tersebut bukan merupakan bagian penting dari proses tersebut. Dua

aplikasi tersebut adalah pemulihan hidrogen dari off-gas dalam industri amonia

dan produksi hidrogen murni dalam industri elektronik. Penelitian yang sedang

terjadi, dimaksudkan untuk menerapkan hydrogen selective membrane dalam

bagian penting dari proses.

Ada beberapa hydrogen selective membrane, dengan rentang operasi

masing-masing, dalam hal suhu dan komposisi aliran. Sifat aliran umpan yang

akan dipisahkan menjadi suatu titik awal untuk memilih jenis membran yang

sesuai. Untuk suhu di bawah 100 ° C, hanya membran polimer padat yang dapat

digunakan; pada kisaran suhu antara 200 dan 600 ° C, membran logam padat atau

membran keramik berpori mikro yang dapat digunakan, dan dalam kisaran suhu

antara 600 ° C dan 900 ° C, membran karbon berpori dan membran keramik padat

yang paling cocok. Kegunaan membran ini masih terbatas oleh kepekaan terhadap

spesies tertentu dan biaya. Selain itu, status pengembangan membran ini

bervariasi.

Setelah jenis membran dipilih, modul membran dapat dipilih atau didesain

dengan mengambil pertimbangan seperti manufakturabilitas, pemeliharaan,

pengoperasian, efisiensi, kerusakan membran, dan biaya. Saat ini ada lima jenis

modul,modul plate and frame dan spiral wound, berdasarkan membran datar,

dan tubular, modul kapiler dan serat berongga, berdasarkan membran tubular

geometri. Umumnya, untuk pemisahan gas harga modul bergantung sebagian

besar pada aplikasi khusus (feed tekanan, suhu, dll). Khususnya untuk aplikasi

28

suhu tinggi dan tekanan untuk mendapatkan kemasan dengan densitas tinggi.

Penerapan modul serat berongga lebih disukai daripada modul kapiler dan spiral

wound.

DAFTAR PUSTAKA

http://eprints.undip.ac.id/16669/3/Laporan_Skripsi_Penelitian_Membran.pdf

http://jurnal.unimus.ac.id/index.php/psn12012010/article/view/134/115

29

30