bab iii rancangan penelitian - · pdf filepipa plastik tahan panas 9 ... cairan yang menjadi...
TRANSCRIPT
B.67.3.04
43
BAB III
RANCANGAN PENELITIAN
3.1. Metodologi
Hasil yang diharapkan dari sistem yang dibentuk adalah kondisi optimal untuk dapat
menghasilkan fluks air yang tinggi, kualitas garam super-saturated sebagai output dari
modul membran, kualitas padatan garam yang murni, kemudahan pengukuran dan
pengendalian, serta keluaran proses yang stabil. Untuk membentuk sistem yang
diinginkan, langkah penelitian yang ditempuh adalah penyusunan alat, uji coba kondisi
operasi per membran, penentuan fluks proses, penentuan konsentrasi garam, evaluasi
kinerja vacuum reverse osmosis, dan penyelidikan kondisi operasi moderat.
Konfigurasi untuk membran distilasi secara garis besar dapat dibagi menjadi 4 macam
yaitu, Direct contact Membrane Distillation (DCMD), Vacuum Membran Distillation
(VMD), Sweep Gas Membran Distillation (SGMD), dan Air Gap Membrane
Distillation (AGMD). Untuk mencapai tujuan dari penelitian, konfigurasi yang dipilih
untuk membran distilasi adalah konfigurasi VMD. Pemilihan konfigurasi ini didasarkan
pada tujuan penelitian ini yaitu untuk menghasilkan fluks permeat tinggi serta kondisi
retentat yang lebih mendekati keadaan saturated. Vacuum membrane distillation
merupakan tipe konfigurasi yang mampu menghasilkan fluks tinggi (M.S. El Bourawi
dkk., 2006) dan dapat digunakan dalam kondisi larutan yang supersaturated (I.G.
Wenten, 2006). Evaluasi kinerja vacuum reverse osmosis (VRO) dilakukan dengan
memvariasikan sistem dengan konsentrasi yang berbeda-beda.
Modul membran yang dipakai tidak memakai coating, karena proses coating sangat
sulit dilakukan meskipun menggunakan teknik coating yang paling sederhna. Dalam
kasus tertentu penggunaan coating yang tidak tepat malah dapat menurunkan fluks
(Agreement Assistance No. 99-FC-810-180, 2001).
B.67.3.04
44
3.2. Percobaan
3.2.1. Bahan
Bahan kimia yang akan dipakai dalam penelitian adalah NaCl. Komposisi NaCl dalam
larutan umpan adalah 3 % w/w untuk MD dan larutan 3,7,10,15, dan 20% untuk
vacuum reverse osmosis. Feed yang dibuat hanya terdiri dari NaCl, karena NaCl adalah
78% garam yang terkandung dalam air laut dan tidak ada konsentrasi garam lain yang
melebihi 10%.
3.2.2. Alat
Alat yang akan dipakai dalam penelitian adalah sebagai berikut :
1. Modul membran distilasi
Karakteristik dari membran tersebut adalah sebagai berikut :
a. Jenis membran : Mikrofiltrasi
b. Modul membran : Hollow fiber
c. Material membran : Polipropilen
d. Sifat kimia permukaan : Hidrofobik
e. Jumlah modul : 1 buah
f. Panjang membran : 0.4 m
g. Diameter pori : 0.1 µm
h. Diameter lumen fiber : 0.28 mm
i. Porositas : 47%
j. Luas permukaan : 0.5 m2
2. Modul membran reverse osmosis
a. Jenis membran : Dense RO
b. Modul membran : Spiral Wound
c. Material membran :
d. Sifat kimia permukaan : Hidrofilik
e. Jumlah modul : 1 buah
f. Panjang membran : 0.3 m
g. Luas permukaan : 0.25 m2
3. Pompa (2 buah)
B.67.3.04
45
4. Pompa Vakum
5. Kondenser
6. Manometer dan manometer vakum
7. Tangki permeate
8. Pipa plastik tahan panas
9. Rotameter
10. Wet test meter
Gambar 3.1 Membran hidrofobik dan hidofilik
B.67.3.04
46
3.2.3 Prosedur
3.2.3.1 Uji Kebocoran membran
Kebocoran pada membran hidrofobik dapat dideteksi dengan mengalirkan air pada
bagian lumen pada suhu kamar. Bila terdapat kebocoran, maka akan ada air mengalir
pada bagian permeat. Pembersihan sebelum pengencekan dengan menggunakan aliran
udara diperlukan untuk memastikan tidak ada cairan yang tertinggal dalam membran.
Kebocoran pada membran hidrofilik (vacuum reverse osmosis) dilakukan dengan cara
berikut :
1. Pembersihan membran secara keseluruhan sebelum dilakukan pengujian
2. Membuat larutan penguji yaitu larutan garam 1000 ppm
3. Larutan dialirkan ke dalam membran dengan pompa sampaikan stabil.
4. Pompa vakum dijalankan untuk mendapatkan permeat.
5. Pengukuran rejeksi dari permeat dilakukan
6. Tingkat rejeksi yang tinggi pada saat awal adalah bukti tidak terjadinya
kebocoran.
3.2.3.2 Penyusunan Peralatan
Penggunaan modul VMD dilakukan dengan menghubungkan modul dengan sistem
kondenser serta vakum. Penyusunan peralatan dilakukan sesuai dengan gambar 3.2 dan
gambar 3.3.
. Beberapa hal yang harus dipastikan sebelum alat dipakai :
1. Pastikan kebocoran tidak terjadi dalam sambungan antar alat
2. Pastikan seluruh alat ukur berjalan dengan baik
3. Proses tetap menjaga safety lingkungan peneliti (tingkat keberisikan rendah dan
tidak memakai zat-zat yang berbahaya)
4. Seluruh komponen telah dibersihkan(pipa, pompa, membran, pemanas, dan
kondenser)
Untuk variasi konsentrasi pada membran vacuum reverse osmosis, penyusunan alat
mengikuti Gambar 3.4.
B.6
67.3.04
GGambar 3.2 S
Gambar
Feed Tan
Pompa
Mano
Skema penyu
3.3 Rangkai
nk
P
ometer
usunan alat u
ian alat untuk
VM
Pompa Vakum
Condenser
untuk konfig
k konfiguras
MD
Tan
m
gurasi VMD
si VMD
nki Permeat
47
B.67.3.04
48
Gambar 3.4 Skema penyusunan alat untuk konfigurasi vacuum reverse osmosis
3.2.3.3 Penentuan Fluks Proses
Fluks adalah parameter yang selalu diukur dalam percobaan membran distilasi karena
termasuk salah satu parameter utama kinerja membran distilasi. Fluks dapat
didefinisikan sebagai berikut :
. (3.2)
Prosedur untuk pengukuran fluks dapat dilakukan sebagai berikut :
1. Aliran fluida yang hendak diukur dimasukkan kedalam gelas ukur dan perhitungan
waktu dimulai ketika tetes pertama fluida masuk ke dalam gelas ukur.
2. Pengukuran waktu dihentikan ketika fluida telah mencapai batas yang diinginkan
3. Data waktu, volume batas gelas ukur, serta luas efektif permukaan membran
digunakan untuk mengukur fluks
4. Data fluks dialurkan terhadap waktu
3.2.3.4 Penentuan Konsentrasi Garam
Untuk menganalisis konsentrasi garam, alat yang digunakan adalah konduktivitimeter.
Tahapan yang dilalui untuk melakukan pengukuran konsentrasi garam adalah :
1. Pembersihan
Feed Tank
Vacuum Reverse Osmosis
Tanki Permeat
Pompa Vakum
Pompa
Manometer
Condenser
B.67.3.04
49
• Bagian sensnor dicelupkan ke dalam air aquadest
• Konduktivitimeter didiamkan sampai pembacaan tidak berubah lagi
• Bagian sensor disemprot dengan aquadest
• Bagian sensor dicelupkan ke dalam larutan sampel atau standar sampai
pembacaan tidak berubah
2. Pembuatan kurva konduktivitas terhadap konsentrasi garam
• Larutan garam dengan berbagai suhu dan konsentrasi diukur
• Alurkan data konduktivitas terhadap konsentrasi dari data yang didapat
3. Pengukuran konduktivitas sampel
4. Penentuan konsentrasi garam
• Konsentrasi garam ditentukan dengan memakai kurva konduktivititas terhhadap
konsentrasi garam berdasarkan data konduktivitas sampel
Gambar 3.5 Contoh kurva konduktivitas terhadap konsentrasi garam
3.2.3.5 Penyajian Analisa VMD dan VRO
Penyajian analisa dilakukan berdasarkan variasi yang dibuat yaitu temperatur dan
konsentrasi umpan. Penyajian dibuat agar tren fluks, loss heat, dan koefisien temperatur
polarisasi terlihat pada VMD serta tren fluks dan rejeksi terlihat pada VRO.
Prosedur penelitian secara keseluruhan dapat dilihat pada gambar 3.6.
B.67.3.04
50
Gambar 3.6 Prosedur Penelitian
3.2.4. Variasi
Variabel yang divariasikan pada penelitian adalah temperatur dan konsentrasi feed.
Nilai variasi masing-masing variabel adalah sebagai berikut :
1. Temperatur aliran masuk (untuk VMD): 30, 40; 50oC
2. Konsentrasi aliran masuk (untuk VRO): 3,7,10,15, dan 20%
Pemilihan rentang temperatur antara 30-50oC berdasar pada kondisi tersebut masih
dapat dicapai tanpa pemanasan yang terlalu intensif. Driving Force pada suhu ini tidak
akan memberikan fluks sebanyak pada suhu 90oC (Baoan Li, 2005), namun konsumsi
energi lebih rendah. Keuntungan lainnya mengoperasikan pada suhu moderat adalah
Penyusunan Peralatan
Operasi VMD kondisi moderat
Evaluasi kondisi proses
Hasil analisa proses Operasi membran vacuum reverse osmosis dengan variasi konsentrasi
Pengukuran rejeksi
Analisa fluks dan rejeksi
Penyajian analisa VMD dan VRO
Uji Kebocoran Membran
B.67.3.04
51
tingkat pengaplikasian yang lebih mudah karena pemanasan sampai dengan 50oC di tepi
pantai bukan hal yang terlalu sulit dan masih bisa memanfaatkan matahari sampai batas
tertentu. Bila diaplikasikan di pabrik, waste heat pun dapat dipakai sebagai pemanas air
laut tersebut. Laju alir tidak divariasikan, tapi di set dalam laju yang rendah yaitu 9
liter/jam. Hal ini dioperasikan agar tidak terdapat pressure drop yang terlampau besar.
Pada pengoperasian membran VRO, variasi konsentrasi dibuat dalam rentang yang
cukup besar agar efektivitas VRO terlihat dalam merejeksi garam. Selain rejeksi,
kecenderungan fluks dilihat untuk mengetahui pengaruh perubahan konsentrasi garam
feed terhadap fluks.
Tekanan vakuum yang digunakan adalah 60 cmHg karena ini adalah tekanan maksimal
yang dapat diproduksi oleh exsisting system. Penggunaan tekanan vakum maksimal
dilakukan agar permeate didapatkan dalam jumlah besar sehingga menghasilkan nilai
recovery yang tinggi.
3.3. Interpretasi Data
3.3.1 Data kebocoran membran
Kebocoran dapat mengakibatkan kesalahan dalam interpretasi data selanjutnya. Karena
fluks dan rejeksi tidak lagi berdasarkan teori-teori yang berlaku karena membran tidak
dapat bekerja secara penuh.
3.3.2 Kualitas Permeat dan Retentat
Konsentrasi garam diukur untuk menunjukkan kinerja operasi terutama kelayakan data
fluks. Konsentrasi pada permeat haruslah nol, karena dalam membran distilasi garam
tidak akan masuk ke dalam permeat apabila tidak terjadi wetting. Konsentrasi retentat
akan menunjukkan apakah parameter sistem operasi telah menghasilkan larutan yang
super saturated. Kondisi operasi pada konfigurasi 1 membran yang dapat menghasilkan
permeat murni tanpa kandungan garam akan dipakai sebagai kondisi operasi untuk
gabungan 2 membran. Perkiraan hubungan antara konsentrasi garam pada permeat
terhadap tekanan feed dapat dilihat pada Gambar 3.7.
B.67.3.04
52
Gambar 3.7 Contoh kurva tekanan pompa terhadap konsentrasi
garam pada permeat atau retentat
Gambar 3.8 Contoh kurva konsentrasi terhadap waktu untuk berbagai suhu input
Konsentrasi pada retentat tidak akan sama untuk setiap waktu, sehingga pengukuran
konsentrasi akan dialurkan terhadap waktu seperti kurva pada Gambar 3.8. Hal ini
terjadi karena munculnya fenomena polarisasi temperatur dan konsentrasi pada
permukaan membran. Perbedaan temperatur juga akan membuat perbedaan pada
konsentrasi garam retentat. Temperatur akan menyebabkan perubahan tekanan uap
cairan yang menjadi driving force dalam proses perpindahan massa pada membran.
3.3.3 Penyajian data VMD dan VRO
Dalam pengolahan data VMD, selain fluks data lain seperti koefisien polarisasi
temperatur dan heat loss juga dihitung. Dalam perhitungan heat loss, Martinez-Diez,
et.al (1999) memberkan rangkaian perhitungan sebagai berikut :
(3)
Dimana,
B.67.3.04
53
.∆ (4)
exp 23.238 (5)
∆ 1.7535 224.3 / (6)
1.064.
(7)
Kemudian nilai koefisien polarisasi temperatur juga dihitung dengan rumus sebagai
berikut
(8)
(9)
Untuk pengolahan data VRO, data akan diolah dalam bentuk grafis sehingga tren dari
masing-masing konsentrasi dapat terlihat.
3.4. Jadwal
Penelitian dilakukan selama 5 bulan dengan jadwal sebagai berikut :
Tabel 3.1 Jadwal Penelitian
No Kegiatan Bulan ke -
1 3 5 7 9 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
1 Penyusunan alat 2 Uji permeabilitas Membran 3 Kalibrasi konduktivitimeter 4 Uji coba kondisi operasi per
membran
5 Analisa kelayakan kondisi
operasi
6 Operasi membran distilasi
konfigurasi 2 modul
7 Pengeringan retentat 8 Analisa fluks dan
konsentrasi garam
9 Penentuan kondisi optimum
proses
10 Pembuatan laporan
B.67.3.04
54
3.5. Biaya
Biaya untuk peneletian terdiri dari biaya alat, biaya bahan, serta biaya perjalanan.
Rincian biaya dapat dilihat secara lengkap pada lampiran B.
Tabel 3.2 Rekapitulasi biaya penelitian Komponen Biaya (Rp.)
Bahan habis pakai Rp 700.000.-
Peralatan Rp 10.180.000,-
Perjalanan Rp 50.000,-
Lain-lain Rp 152.000,-
Total Rp 11.082.000,-