Teknologi Membran

Membrane Technology

Air adalah kebutuhan dasar manusia yang paling penting bagi kelangsungan dan kualitas hidup manusia. Manusia menggunakan air untuk berbagai macam kegiatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Hirarki kebutuhan air per hari (WHO, 2013)

Sumber air yang biasanya digunakan untuk memenuhi kebutuhan air manusia berasal dari air permukaan (surface water) dan air tanah (ground water). Namun tidak semua daerah mempunyai sumber daya air yang baik. Wilayah pesisir pantai dan pulau – pulau kecil di tengah lautan lepas merupakan daerah – daerah yang sangat miskin akan sumber air bersih. Sumberdaya air yang terdapat di daerah tersebut umumnya berkualitas buruk, misalnya air tanah yang payau atau asin. Sumber air yang melimpah bagi masyarakat yang berada di kawasan pesisir hanyalah air laut, sedangkan air laut sendiri mengandung kadar garam atau TDS (Total Dissolved Solid) yang sangat tinggi.
Untuk mengatasi masalah tersebut diperlukan penerapan teknologi yang dapat mengkonversi air laut menjadi air tawar yang dikenal sebagai proses desalinasi air laut. Desalinasi merupakan proses pemisahan kandungan garam terlarut dari larutan garam pada level tertentu sesuai dengan baku mutu air yang ingin dicapai. Pemilihan teknologi yang digunakan dalam proses desalinasi air laut harus disesuaikan dengan lokasi pengolahan, kualitas air laut, penggunaan air hasil pengolahan dan lain sebagainya berdasarkan studi kelayakan.
Teknologi membran hadir sebagai solusi dalam memenuhi kebutuhan desalinasi air laut. Diantara teknologi pengolahan air laut, teknologi membran memiliki proses pemisahan yang sangat selektif untuk menghasilkan produk berkualitas tinggi. Proses pemisahan dengan membran yang dikenal luas dalam proses desalinasi air laut adalah reverse osmosis (RO). Reverse osmosis merupakan proses difusi yang berbasis gaya dorong (driving force) tekanan.

Selain menghasilkan produk yang berkualitas tinggi, reverse osmosis juga menawarkan keuntungan lain seperti :
• Konsumsi energi yang sangat rendah, sehingga dapat menghemat biaya operasional (air, listrik, bahan kimia, dll)
• Kecepatan dalam memproduksi air (air bersih, air minum atau air proses)
• Instalasi mudah, dapat disesuaikan dengan kondisi lokasi/ruang yang “terbatas”
• Pengoperasian dilakukan pada suhu kamar
• Mudah untuk memperbesar kapasitas
• Serta pengoperasian alat yang relatif mudah

Untuk memahami lebih lanjut tentang teknologi membran reverse osmosis, Berikut akan kami paparkan informasi yang meliputi perkembangan membran reverse osmosis sampai dengan saat ini.

PRINSIP KERJA REVERSE OSMOSISSebelum mengkaji teknologi membran reverse osmosis, alangkah baiknya kita mengenal konsep osmosis terlebih dahulu. Proses osmosis dapat dijelaskan dengan menggunakan ilustrasi yang ditunjukkan oleh Gambar 2

Gambar 2. Ilustrasi osmosis

            Pada Gambar 2, terdapat dua jenis larutan dengan konsentrasi berbeda yang diletakkan secara berdampingan dalam satu wadah dan dibatasi oleh membran semipermeable. Larutan dengan konsentrasi lebih tinggi pada sisi sebelah kanan disebut hypertonic/ concentrated solution. Sedangkan larutan dengan konsentrasi yang lebih rendah pada sisi sebelah kiri disebut hypotonic/ dilute solution. Kedua larutan ini dibatasi oleh membran semipermeable yang berfungsi untuk mencegah terjadinya pencampuran diantara kedua larutan tersebut. Membran semipermeable sendiri adalah jenis membran yang hanya dapat dilewati oleh molekul air.
Proses osmosis yang terjadi akan berlangsung secara alamiah sebagai upaya untuk menyeimbangkan konsentrasi larutan pada keduabelah sisi. Seperti terlihat pada Gambar 2, konsentrasi larutan yang lebih rendah akan mengalir menuju konsentrasi larutan yang lebih tinggi. Perpindahan larutan tersebut dikarenakan adanya pengaruh perbedaan tekanan. Tekanan yang terjadi inilah yang biasa disebut tekanan osmotik. Pada ketinggian air tertentu di concentrated solution, besarnya tekanan osmotik ini akan menyebabkan proses osmosis berhenti.

Berbeda dengan proses osmosis, reverse osmosis memerlukan gaya dorong (driving force) tekanan untuk memaksa larutan dengan konsentrasi tinggi (concentrated solution) mengalir menuju larutan dengan konsentrasi rendah (dilute solution) seperti yang ditunjukkan oleh ilustrasi pada Gambar 3.

Gambar 3. Ilustrasi reverse osmosis

            Larutan konsentrasi tinggi yang mendifusi membran semipermeable karena adanya gaya dorong tekanan akan menyisakan contaminant dan melewatkan molekul air menuju larutan yang konsentrasinya lebih rendah. Melalui proses ini, akan diperoleh air murni yang dihasilkan dari pemisahan larutan berkonsentrasi tinggi melalui membran semipermeabel. Mekanisme proses inilah yang dikenal sebagai prinsip kerja reverse osmosis.
Berdasarkan prinsip kerja reverse osmosis di atas, terdapat minimal dua komponen yang dibutuhkan dalam proses reverse osmosis yaitu tekanan tinggi (> tekanan osmotik) dan membran semipermeable. Oleh karena itu, dalam sebuah sistem desalinasi air laut dengan teknologi membrane reverse osmosis selalu menggunakan membrane semipermeabel dan pompa bertekanan tinggi (high pressure pump) sebagai komponen utamanya.

Permasalahan Pada Reverse Osmosis
Pada saat proses reverse osmosis, molekul air mengalir menembus membran semipermeable, akan tetapi pada saat yang bersamaan contaminant (molekul garam) tertahan karena contaminant tidak mampu melewati membran semipermeable. Sehingga setelah beberapa waktu, terjadi pengurangan volume air, sementara itu jumlah contaminant tetap sama. Hal ini mengakibatkan konsentrasi contaminant meningkat tajam. Peningkatan konsentrasi ini akan terus berlanjut seiring berkurangnya jumlah air. Peningkatan konsentrasi contaminant inilah yang akan menjadi penyebab utama “scaling” di membran semipermeable.Scaling sendiri merupakan peristiwa dimana terbentuknya padatan/ endapan yang disebabkan pertemuan antara ion positif dan ion negatif. Misalnya ion kalsium yang bereaksi dengan ion karbonat, akan menghasilkan padatan kalsium karbonat. Pada saat konsentrasi ion kalsium dan karbonat di air masih sangat rendah, kedua ion ini tidak bisa bereaksi membentuk padatan. Tetapi pada saat konsentrasinya meningkat tajam (karena semakin berkurangnya jumlah molekul air), maka terbentuklah endapan. Endapan yang terbentuk ini bisa menempel pada permukaan membran, dan menjadi penyebab terjadinya kebuntuan (kerak) pada membran.
Pada sistem reverse osmosis masalah utama yang sering terjadi adalah kebuntuan membran (membrane blocked). Secara umum penyebab terjadinya kebuntuan membran dapat dikategorikan menjadi dua, yaituscaling dan fouling. Fouling sendiri terjadi disebabkan karena adanya beberapa zat tertentu di dalam air yang memiliki kecenderungan dapat menempel di permukaan membran. Misalnya zat organik, zat besi, silika, dan masih banyak lagi. Dalam mengantisipasi serta mengatasi permasalahan ini, maka aspek desain sistem reverse osmosis menjadi sangat penting.

Untuk mengatasi permasalahan fouling, pada desain sistem reverse osmosis diperlukan unit pengolahan pendahuluan (pretreatment). Pretreatment pada sistem reverse osmosis bergantung pada bahan baku yang akan diolah. Beberapa jenis pretreatment yang biasa digunakan dalam sistem reverse osmosis diantaranya penambahan bahan kimia (klorin, koagulan dan antiklorin), penggunaan media filter (pasir silika, manganese filter, karbon aktif, softener filter dan penukar ion) dan pre – filter (cartridge filter). Sementara itu, untuk mengatasi scaling diperlukan penambahan antiscalant melalui sistem pencucian dalam unit Clean In Place (CIP).

APLIKASI TEKNOLOGI REVERSE OSMOSISMembran reverse osmosis (RO) atau juga disebut hyperfiltration, merupakan membran dengan ukuran pori terkecil diantara jenis filtrasi lainnya (MF, UF, NF dan filtrasi konvensional lainnya) yakni lebih kecil dari 0,0001 mikron (ion monovalensi, seperti NaCl). Sistem reverse osmosis dapat dikategorikan dalam low pressure RO (LPRO) dan high pressure RO (HPRO).

Gambar 4. Skematik pemisahan membran berbasis tekanan

            Sistem low pressure RO menggunakan tekanan operasi 5 – 10 bar untuk desalinasi umpan dengan TDS hingga 12.000 ppm. Membran LPRO seringkali digunakan dalam pengolahan air payau untuk menghasilkan air bersih yang dikenal dengan sistem BWRO (Brackish Water Reverse Osmosis). Sementara itu, sistem high pressure RO menggunakan tekanan operasi 40 – 60 bar untuk desalinasi umpan dengan TDS hingga 35.000 ppm, sehingga banyak digunakan untuk desalinasi air laut. Desalinasi air laut dengan membran HPRO dikenal luas sebagai sistem SWRO (Seawater Reverse Osmosis). BWRO dan SWRO merupakan aplikasi teknologi reverse osmosis yang diterapkan dalam skala industri.

Sistem reverse osmosis juga dapat diterapkan untuk skala kecil/ rumah tangga. Aplikasi sistem RO skala rumah tangga dapat dibagi menjadi beberapa tipe sesuai dengan kapasitas dan penggunaannya, yaitu tipeundersink, whole house dan farm and ranch. Tipe undersink merupakan sistem RO yang didesain untuk memenuhi kebutuhan air minum dalam rumah. Tipe ini biasanya dipasang di bawah wastafel seperti yang terlihat pada Gambar 5. Kapasitas produksi dari tipe undersink berkisar antara 95 – 378 kemasan galon/hari. Sistem yang digunakan pada tipe undersink terdiri dari 1 – 2 metode prefilter yang berfungsi memisahkan padatan yang  berukuran  1 – 20 mikron, RO yang akan memisahkan air dari ion, garam dan mineral yang terlarut, post filter serta tangki penampung.

Gambar 4. Sistem RO tipe undersink
Sama seperti undersink,tipe whole house didesain untuk memenuhi kebutuhan air dalam rumah tangga, seperti air minum, air untuk memasak, air untuk mandi, dsb. Tipe whole house lebih besar dibandingkan dengan tipe undersink. Sistem yang diterapkan pada tipe whole house meliputi, pre – filter seperti karbon aktif, penambahan antiscalant, unit RO, tangki penampung serta re – pressurization system yang memudahkan proses pemurnian air seperti pada Gambar 6.

Gambar 6. Sistem RO tipe whole house

Sementara sistem yang digunakan pada tipe multi family dan farm and ranch sama dengan tipe whole househanya kapasitas dan skala produksinya lebih besar. Tipe multi family biasanya digunakan pada kompleks apartemen kecil (+ 4 rumah) sedangkan tipe farm and ranch biasanya digunakan untuk memenuhi kebutuhan air pada kompleks apartemen besar dan peternakan dengan kapasitas 7 – 37 liter/menit seperti pada Gambar 7.

Gambar 7. Sistem RO tipe farm and ranch

            Pengembangan teknologi membran RO yang terus berlanjut dan semakin banyaknya plant berbasis membran RO yang telah dan akan  dibangun, menunjukkan betapa besarnya minat dan peluang pasar dalam memenuhi kebutuhan air melalui teknologi membran. Hal ini didukung pula dengan semakin terjangkaunya harga unit membran RO yang terlihat dari adanya sistem RO dalam skala rumah tangga yang diproduksi.

Saat ini, proses berbasis membran di industri juga telah banyak dikembangkan untuk aplikasi selain pengolahan air, diantaranya :
•	• Industri sawit	:	membran digunakan untuk media pemanfaatan ampas buah sawit.
	• Industri gula	:	membran digunakan untuk menyaring sari sari gula dari tebu.
	• Industri bir	:	membran digunakan untuk memisahkan bir dari ethanolnya, sehingga menghasilkan bir tanpa alkohol sebagai minuman sehat dan ethanol sebagai bahan bakar.
	• Industri air minum	:	membran digunakan untuk memisahkan air kelapa menjadi isotonik dan nata de coco.
	• Industri migas	:	membran digunakan untuk media penyerap gas karbon dioksida dari gas alam, dan membran digunakan untuk media pemisah gas dan minyak dalam separator.

Dan masih banyak lagi aplikasi teknologi membran lainnya. Walaupun saat ini aplikasi teknologi membran masih sebagian besar diperuntukkan bagi sektor pengolahan air.