dehidrasi etanol dengan teknik pervaporasi.pdf

AA90SIASI POLlTEKNIK INDONESIA Jurnal P Et PT Vol. IV, NO.1 (2006) 182.191

JURNAL

e"

DEHIDRASI ETANOL DENGAN TEKNIK PERVAPORASIMENGGUNAKAN MEMBRAN POLl(VINIL ALKOHOL) TERMODIFIKASI

1HARYADI, ~OTO SUBROTO, dan 2YEN1 QODRIANI2 1Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung(POLBAN)Program Ekstensi Kimia Industri, Jurusan Kimia FMIPA . UNPAD

ABSTRAKDalam penelitian ini, dehidrasi etanol pada kondisi azeotropik, 95 %, dengan teknik pervaporasidilakukan menggunakan membran poli(vinil alkohol), PVA, yang dimodifikasi dengan asammalat (MA). Modifikasi dilakukan untuk menurunkan derajat pengembangan PVA dengan jalanpembentukan ikatan silang di antara rantai polimer. Morfologi membran diamati menggunakanSEM sedangkan kinerja proses diamati dengan melihat pengaruh komposisi PVA/MA, temperaturoperasi, dan konsentrasi umpan, terhadap laju permeasi dan faktor pemisahan. Membran yangtelah dibuatjuga diuji derajat pengembangannya dengan variasi komposisi etanol antara 80-95% pada 35C. Diperoleh hasil bahwa derajat pengembangan menurun dengan meningkatnyakonsentrasi etanol. Rasio optimum PVA/MA diketahui berada pada komposisi 85/15 (v/v) untukcampuran etanol 95 % pada suhu 35C. Faktor pemisahan 55,92 dan laju permeasi 0,151 kg/m2jam diperoleh untuk komposisi membran PVA/MA 85/15, pada suhu 35C, dan konsentrasietanol umpan 95 % dengan konsentrasi etanol retentat yang dihasilkan sebesar 99,31 % dankonsentrasi etanol permeat sebesar 24,59 %.

Kata Kunci: PVA, Asam Malat, Pervaporasi

ABSTRACTIn this research, the pervaporation for dehydration of ethanol-water mixture was carried outusing Poli(vinyl alcoho/), PVA, membranes modified using malic acid (MA). Modification hasbeen done to reduce the degree of swelling of PVA by cross/inking formation within the polymerchains. Membrane morphology was observed by using SEM whereas process performancesuch as the effects of PVA/MA ratio, operating temperature, and feed concentration, on themembrane permeation rate and separation factor was investigated. The result indicates thatdegree of swelling decreased as ethanol concentration increased. Optimum PVA/MA ratio wasdetermined as 85:15 (v/v) for 95 % ethanol mixtures at 35C. The prepared membranes werealso tested for the degree of swelling with various compositions of ethanol-water mixturesbetween 80 - 95 % ethanol content at 35C. Typically, separation factor of 55,92 and perme-i.Juon rate of 0,151 kg/m2h was obtained for PVA/MA ratio as 85/15, temperature at 35C and:; 5%ethar. ...: concentration in the feed with retentate concentration at 99,31 % and permeate, oncentration at 24,59 %.

Keywords: PVA, Malic Acid, Pervaporation

182

http://www.univpancasila.ac.id 7/29

_____________________________ Vol. IV, No.1, Juni 2006

Dari tabel tersebut dapat dilihat bahwapervaporasi merupakan pilihan yang palinghem at energi dalam dehidrasi etanol-air(Huang, et al., 2006).

Dalam pervaporasi, campuran cairan yangakan dipisahkan dikontakkan dengan salahsatu sisi membran dan permeatnya dike-luarkan pada tekanan uap rendah dari sisimembran yang lain. Berdasarkan sifat difusilarutan, pervaporasi berlangsung tiga tahap:(1)penyerapan permean dari campuran cairanke dalam membran; (2)difusi permean melaluimembran, dan (3) desorpsi permean menjadifasa uap (Gambar 1.) (Durmaz-Hilmioglu, etal.,2001).

PENDAHULUAN

Membran merupakan suatu lapisan tipis yangmemisahkan dua fasa dan bertindak sebagaipembatas selektif terhadap perpindahanmateri. Membran tidak hanya bertindaksebagai material yang pasif, tetapi lebihtepat dianggap sebagai material fungsional.Operasi membran merupakan suatu operasiyang membagi umpan menjadi dua aliranyaitu permeat yang berisi material-materialyang dapat melalui membran dan retentatyang merupakan material yang tidak mampumelewati membran. Operasi membrandapat digunakan untuk memekatkan ataumemurnikan larutan atau suspensi (pelarutzat terlarut atau pemisahan partikel) danuntuk memisahkan suatu campuran (Bungay,et al., 1983).Pemisahan berdasarkan membranberpotensi penting karena lebih sedikitenergi yang digunakan dan lebih ekonomisdibandingkan dengan teknologi pemisahanlainnya. Salah satu kemajuan terbaru dalampemisahan berdasarkan membran satu dian-taranya adalah pervaporasi.

oDissolution-o

oo 0

Feed 0liquid

o

Membrane

Permeatevaporo,~.~~.

0,>

0-0Evaporation

Pervaporasi adalah proses pemisahan yangmengontakkan campuran larutan secaralangsung dengan salah satu sisi dari membran(upstream side), sedangkan produknya yaitupermeat atau pervaporat, dikeluarkan dalamfasa uap dari sisi membran yang lain (downstream side) (Bungay, et al., 1983).Pervaporasimerupakan teknik pemisahan menggunakanmembran yang saat ini berkembang dandianggap dapat menjadi alternatif penggantiproses distilasi pada campuran azeotropikserta dehidrasi pelarut. Hal ini terutamaterlihat dari penggunaan energi yang sangatefisien (Huang, et al., 2006). Tabel 1. menun-jukkan penggunaan energi oleh berbagaimetode pemisahan dalam dehirasi etanol.

Tabell. Kebutuhan energi untuk dehidrasi etanol-air(Huang, et al., 2006)

8,0 99,595,0 99,595,0 - 99,5

103763305423

Gambar 1. Prinsip kerja membran pervaporasi(Feng Huang, 1997)

Peningkatan tekanan pada sisi bawahmembran dalam pervaporasi dapat menu-runkan faktor pemisahan. Tekanan pada sisibawah membran pervaporasi ini menentukanparameter laju permeasi, tetapi tekanan padasisi atas membran hanya memberi pengaruhyang sangat sedikit (Bungay, et al., 1983).

Ketika suhu operasi dinaikkan, laju permeasipervaporasi meningkat sesuai dengan persamaan Arrhenius. Energi aktivasi yangdiperoleh mencapai 50 kJ/mol yang dapatmeningkatkan laju permeasi 20"lo/K. Pengaruhini sangat penting karena faktor pemisahanmenurun dengan meningkatnya suhu operasi(Bungay, et al., 1983).

Karena kelarutan dan difusivitas daricampuran yang akan dipisahkan meru-

Jurnal PEtPT 183


Haryadi, Toto Subroto, dan Veni Qodriani- Dehidrasi Etanol dengan Teknik Pervaporasi

pakan fungsi dari konsentrasi komponenyang terkandung di dalamnya maka lajupermeasi dan faktor pemisahan tergantungpada komposisi umpan. Secara umum, lajupermeasi akan meningkat jika campuran kayaakan permean (Bungay, et al., 1983).

Terdapat dua tipe membran pervaporasiuntuk campuran etanol-air, yang pertamayaitu permselektif air dan kedua yaitu permselektif etanol. Membran permselektif etanolbaik digunakan untuk konsentrasi etanolrendah dan membran permselektif air baikdigunakan untuk umpan dengan konsentrasietanol tinggi seperti pada dehidrasi etanoldan turunannya. Khususnya dalam prosesdehidrasi etanol umpan yang mengandungkonsentrasi etanol tinggi atau kondisi azeo-tropik (95 %) akan tertahan oleh membranyang memiliki karakter hidrofilik tinggiserta permselektif terhadap air sehingga padabagian permeat akan mengandung konsentrasiair lebih banyak dibandingkan dengan bagianretentat (Feng & Huang, 1997). Untuk menye-suaikan membran dengan campuran yangakan dipisahkan, beberapa teknik seperti ikatsilang, blending, dan kopolimerisasi dapatdilakukan (Huang, 1991).

Dehidrasi dengan pervaporasi daTi asamdan basa organik dianggap penting karenasebagian besar dari campuran tersebutmembentuk azeotrop atau menghasilkanpinch pada kurva kesetimbangan uap-cair.Pervaporasi juga merupakan metoda hematenergi untuk pemisahan senyawa dengantitik didih yang berdekatan dan campuranyang terdiri dari senyawa yang peka terhadappanas. Asam asetat adalah salah satu daridua puluh-teratas senyawa organik antarayang digunakan dalam industri kimia dancampurannya dengan air ditemukan dalampreparasi beberapa zat antara, seperti asamasetat itu sendiri, vinil asetat, anhidrida asetat,anhidrida ftalat, dan sebagainya. Pemisahanasam asetat daTi air dengan distilasi binerbiasa sulit dilakukan berkaitan denganrendahnya volatilitas relatifnya, khususnya

184 Jurnal PEtPT

pada asam asetat konsentrasi tinggi, dan olehkarena itu, lebih banyak digunakan distilasiazeotropik dengan lebih banyak energi yangdibutuhkan at au digunakan ekstraksi pelarut(Isiklan & Sanli, 2005).

Berdasarkan pertimbangan terse but, teknikpervaporasi dapat menjadi salah satu pilihanproses alternatif untuk menghemat energi.Proses ini memberi perolehan permeatyang efektif daTi media cair dan mencegahterjadinya pembatasan tekanan osmosis padaproses osmosis balik dengan menjaga permeatdi bawah tekanan uap jenuhnya. Meskipunvaporasi daTi bagian tangki umpan dibu-tuhkan dalam proses ini, tekanan permeasidapat dikurangi dengan menggunakan pompavakum atau gas-sweeping. Pada umumnya,pervaporasi dapat digunakan secara praktisketika faktor pemisahan membran jauh lebihtinggi daripada untuk vaporasi biasa danketika laju permeasi tinggi (lsi klan & Sanli,2005).

Pada beberapa tahun terakhir, penelitianmengenai pervaporasi ditekankan pad apengembangan membran polimer baruyang mempunyai faktor pemisahan tinggidan laju permeasi yang optimum denganstabilitas yang baik terhadap campuran yangakan dipisahkan. Beberapa membran perm-selektif untuk air telah dicoba dari polimerhidrofilik, seperti poli(asam akrilat)-nilon 6,poli (akr ila t-co-s tirena), po li(4-vinilpiridina-co-akrilonitril), nafion, dan poli(vinil alkohol)dicampur dengan poli(vinil pirolidon), untukdigunakan dalam pervaporasi, tetapi sangatsedikit yang efektif untuk digunakan padadehidrasi asam asetat (Huang, et.al., 2006;Isiklan & Sanli, 2005).

Poli(vinil alkohol) adalah salah satu pilihanyang mungkin untuk proses pemisahancampuran asam asetat-air berkaitan dengansifat-sifatnya, seperti hemat biaya, mempunyaistabilitas kimia, kemampuan membentuk film,dan sangat hidrofilik. Namun demikian, PYA


mempunyai suatu kelemahan yaitu stabilitasyang rendah dalam air. Dengan demikian,PYA harus dibuat tidak dapat larut dalamair dengan cara reaksi modifikasi sepertimencampur, grafting, atau ikat silang, untukmembentuk membran yang stabil dengan sifatmekanik yang baik dan mempunyai permea-bilitas yang selektif terhadap air (Isiklan &Sanli, 2005).

Pada studi lain dari Nguyen et aI., bagianyang memuat gugus karboksilat, terikatsecara kovalen pada PYA dengan tujuan untukmenunjukkan peningkatan kinerja membrantanpa beresiko terekstraksi oleh campuranasam asetat-air. Grafting dari asam asetat telahdilakukan pada sisi radikal dari oksidasi Ce"pada membran PYA. Meskipun grafting dariasam asetat menghasilkan membran denganpermeabilitas tinggi, namun faktor pemisah-annya masih rendah (Isiklan & Sanli, 2005).

Pengenalan struktur ikat silang pada membranPYA untuk meningkatkan sifat dari pemisahanpervaporasi membran untuk sistI: m larutanasam asetat-air juga telah dilakukan. Ketidaklarutan PYA dalam air dikarenakan adanyaikat silang dengan dialdehid, seperti glutaral-dehid (GA), telah dibuktikan dengan strukturikat silang yang diperoleh dari reaksi antaragugus hidroksil pada PYA dan gugus aldehidpada GA dalam kondisi keasaman yang kuat(Isiklan & Sanli, 2005).

Selanjutnya, Isiklan dan Sanli telah mencobauntuk mengikat silang membran PYA denganmenggunakan asam malat yang meru-pakan asam dikarboksilat (asam suksinat)dengan gugus hidroksil dan bertujuan untukmengikat silang membran PYA melalui reaksiantara gugus karboksil pada asam malat dangugus hidroksil pada PYA tanpa kehilangansifat hidrofiliknya. Membran yang dihasilkan,dengan konsentrasi MA yang bervariasi,dikarakterisasi melalui spektroskopi Fouriertransform infrared, analisis termal, pengu-kuran derajat pengembangan, dan diterapkanpada pervaporasi dari campuran asam

Vol. IV, NO.1, Juni 2006

asetat-air. Dari penelitian tersebut diketahuipengaruh ketebalan membran, temperaturoperasi, dan konsentrasi umpan terhadapkinerja pervaporasi (Isiklan & San Ii, 2005).

Dengan melihat struktur PYA yang memilikibanyak gugus hidroksil serta sifat hidro-filiknya, maka modifikasi membran PYAdengan asam malat dapat pula diaplikasikanuntuk pemisahan campuran alkohol-air,seperti yang dilakukan didalam penelitianini.

BAHAN DAN METODA

Bahan Penelitian

Bahan yang digunakan dalam penelitian iniadalah poli(vinil alkohol) (PYA), asam malat(MA), etanol teknis, etanol pro analisis, danaquades.

Alat-alat yang Digunakan

Alat-alat yang digunakan dalam penelitianini adalah serangkaian alat pervaporasi hasilrancang bangun (Gambar 2), refraktometerATAGO-lT, Scanning Electron Microscopy(SEM) JSM - 35 C, perangkat casting membranyang terdiri atas pelat kaca ukuran 20 x 20 cmdan batang silinder perata, serta peralatangelas yang umum digunakan dalam labora-torium.

Penjebakdll'gin

o 0 PompaPenangasairdenganpel1gendaliensuhu

Gambar 2. Ske11la alat pcrvaporasi

Jurnal PfrPT 185


Haryadi, Toto Subroto, dan Veni Qodriani- Dehidrasi tonal dengan Teknik Pervaporasi --------

METODE

Penelitian ini dilakukan dengan mengadopsimetode yang telah dilakukan oleh Isiklan danSanli (Isiklan & Sanli, 2005) dengan sejumlahmodifikasi yang meliputi preparasi membrandengan variasi komposisi poli(vinil alkohol)(PYA)/asam malat (MA). Analisis membrandilakukan dengan mengamati morfologimembran menggunakan Scanning ElectronMicroscopy (SEM) dan kemudian meng-hitung derajat pengembangan (degree ofswelling). Dehidrasi etanol melalui metodepervaporasi dengan variasi suhu umpan sertakonsentrasi etanol umpan terhadap kinerjamembran diamati sehingga dapat dihitungfaktor pemisahan (ex) dan laju permeasi (J)serta analisis etanol yang dihasilkan melaluipengukuran indeks bias mengggunakanrefraktometer.

PreparasiMennbran

Larutan PYA 10% (b/v) disiapkan denganmelarutkan sejumlah PYA padatan dalamair dan direfluks pada suhu 100C sambildiaduk selama 6 jam. Lalu, larutan PYAtersebut dicampur dengan 7,5% (b/v) larutanMA dengan berbagai rasio PYA/MA (v/v)yang ditentukan dan diaduk selama satu haripada suhu kamar untuk membentuk larutanhomogen. Membran di-cast di atas pelat kacakemudian diuapkan pada suhu kamar untukmembentuk membran. Membran yang sudahkering dipanaskan pada oven selama 1 jampada suhu 150C, lalu ditaruh dalam larutanetanol untuk penggunaan lebih lanjut.

Yariasi yang dilakukan pada preparasimembran ini adalah variasi komposisi PYA/MA untuk membran, yang terdiri atas: a)PYA/MA 90/10, b) PYA/MA 85/15, c) PYA/MA 80/20, d) PYA/MA 75/25.

Pengukuran Derajat Pengennbangan

Sampel membran yang sudah kering dice-lupkan dalam campuran etanol-air dengan

186 Jurnal P&'PT

konsentrasi 80, 85, 90, dan 95% pada suhu 35Cselama 48 jam, kemudian membran ditimbangsecepat mungkin setelah dibersihkan dengantissue pembersih. Lalu sampel dikeringkandalam desikator pada suhu kamar hinggaberatnya konstan. Derajat pengembanganatau swelling degrees, SD, dihitung sebagaiberikut:

3D = Ms - Md xlOO (1)Md

dengan Ms adalah massa sampel yangmengembang dan Md adalah massa sampelkering.

Pervaporasi

Peralatan yang digunakan pada penelitian inidapat dilihat pada Gambar 2. Sel pervaporasiberupa dua sel kompartemen (terbuat daribahan PMMA) yang terikat bersama denganpengikat. Membran ditempatkan di at aspendukung gelas berpori dalam sel. Daerahmembran yang efektif adalah 2,83.10-3 m2.Tekanan pada bagian aliran bawah dijaga pada50 cmHg (dibawah vakum) dengan bantuanpompa vakum. Campuran umpan disirkulasiuntuk mencegah polarisasi konsentrasi denganpompa peristaltik melalui sel dari tangkiumpan, yang dijaga pada suhu konstan. Ketikamencapai kondisi aliran yang steady-state, uappermeat dikumpulkan dalam perangkap aires dan etilen glikol, kemudian ditimbang.Konsentrasi etanol permeat dihitung denganmengukur indeks biasnya menggunakanrefraktometer dengan bantuan kurva standaruntuk campuran etanol-air yang telah diper-siapkan. Karakteristik membran ditunjukkandengan faktor pemisahan (selektivitas) danlaju permeasi (fluks). Faktor pemisahan, ex ,diberikan oleh:

Yllo() / YColi Oil (2)(X= - - ,XII,o / XC,ff,OIl

dengan XHzo' XCzH,OH' YHzO dan YCzH,OH berturut-turut adalah fraksi berat dari air dan etanol


Vol. IV, NO.1, Juni 2006

dalam umpan dan dalam permeat. Air adalahkomponen permeasi yang sangat istimewa.

Laju permeasi (J) ditentukan dengan menggu-nakan persamaan:

dengan laju permeasi berkurang dengan bertambahnya kandungan MA dalam membranPYA, sedangkan faktor pemisahan meningkatdengan bertambahnya kandungan MA dalammembran PYA.

(3)

dengan Q, A, dan t berturut-turut menun-jukkan berat permeasi (kg), daerah membranefektif (m2), dan waktu operasi (jam).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Q 45II) 40

c: 35telg' 30~ 25~ 20Cla; 15a.n; 10.~ 5CI>c 0

80 85 90 95Pengaruh Penambahan Zat Pengikat Silangpada Membran

Gambar 3. Pengaruh komposisi PVA/MA terhadap lajupermeasi dan faktor pemisahan pada

suhu umpan 25C (suhu kamar) dengan konsentrasietanol umpan 95%

Pengaruh penambahan asam malat (MA)sebagai zat pengikat silang pada membranPYA dalam pervaporasi untuk konsentrasietanol umpan 95% dengan variasi suhu umpandapat dilihat pada Gambar 3,

75:25

-0- SO PVAlMA 90/10---+- SO PVAlMA85/15~ SO PVAlMA 80/20---+- SO PVAlMA 75/25

Konsentrasi Etanol (%)

90:10 85:15 80:20

Komposisi PVAlMA (v/v)

-o-25C--+-35 C-o-45C--tl-55 C

Gambar 5. Pengaruh komposisi PVA/MA terhadapfaktor pemisahan pada berbagai suhu umpan

Gambar 4. Derajat pengembangan untuk berbagaikomposisi PVA/MA

dengan variasi konsentrasi etanol

Gugus hidrofilik PYA merupakan penarikyang kuat untuk afinitas dan serapan air,sehingga PYA lebih menyerap air daripadaetanol. Dengan demikian, air dapat diserapdan berdifusi secara selektif ke dalammembran dibandingkan etanol. Ketika MAditambahkan, sehingga zat pengikat silangdalam PYA meningkat, maka lebih banyakgugus karboksil dari MA bereaksi dengangugus hidroksil dari PYA, yang menyebabk~nkerapatan ikatan antara PYA dan MA semakmmeningkat, seperti terlihat pada Gambar 4.

180160

iii 140

m 120 2:::'E 100~ 80~ 60 ~_ . =====-=-=~~__ -(E 40 ~'------------~

20o

180180140 c..120 -;100 .~

m80 0.

60 ~40 ~

20o

75:2585:15 80:20Komposisi PVAlMA (vlv)

-Q- Laju Permeasi

-+-- Faktor Pemisahan

90:10

0.090080.07

.~E 0.06E .!!!, 005~N

~ ~ 0.04" '"' ~ 0.03...J

0.020.01

o

Pada pervaporasi yangmenggunakanmembranpoli(vinil alkohol) (PVA) untuk dehidrasietanol, zat pengikat silang memegang perananyang sangat penting untuk memperoleh hasilyang diinginkan. Pengaruh yang pertama, zatpengikat silang ini memberikan ketahananyang lebih terhadap membran, sehingga lajupermeasinya lebih kedl. Yang kedua, zatpengikat silang dapat mengatur sifat hidro-filik atau hidrofobik dari material membran(Huang, et al., 2006).

"Jurnal paPT. 187


Haryadi, Toto Subroto, dan Veni Qodriani- Dehidrasi Etanol dengan Teknik Pervaporasi --------

Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwasemakin banyak MA yang ditambahkan, makasemakin keeil derajat pengembangannya.

Hal ini dikarenakan meningkatnya kerapatanikatan antara PYA dan MA yang menyebabkanpenurunan kelarutan dalam air, sehinggadifusifitas dari serapan air melalui membranmenurun, yang akan menekan laju permeasidan meningkatkan faktor pemisahan.Pengaruh komposisi PVA/MA terhadap faktorpemisahan dan laju permeasi dengan variasisuhu umpan masing-masing dapat dilihatpada Gambar 5 dan 6.E 0.45.!!. 0.4'E 0.35C, 0.3~ 0.25.~ 0.2 ..E 0.15~ 0.1" 0.05:5 a ~

dalam pervaporasi ialah membran yangmemiliki laju permeasi dan faktor pemisahanyang tinggi. Namun hal tersebut sulitdiperoleh karena laju permeasi berbandingterbalik dengan faktor pemisahan. Membrandengan faktor pemisahan yang tinggi tetapilaju permeasinya rendah hanya baik digu-nakan dalam skala laboratorium, namunkurang menguntungkan bila diterapkandalam skala industri. Oleh karena itu, dibuatmembran yang memiliki faktor pemisahanyang paling tinggi yang dimungkinkan untukmendapatkan laju permeasi yang tidak terlalurendah (Huang, 1991).

90:10 85:15 80:20

Komposisi PVAlMA (v/v)

75:25 GambaI' 7. Hasil SEM membran PVA yang he/lim diikalsilang

-0--25 C---+- 35 C-o-45C--55C

GambaI' 6. Pengarllh kOl71posisiPVA/MA lerhadap lajllperl71easi pada berbagai slIhu wnpan

Selain itu, pengaruh penambahan zat pengikatsilang pada membran juga dapat dilihat darihasil Scanning Electron Microscopy (SEM)pada Gambar 7 dan 8. PYA larut dalam air,sehingga tidak dapat digunakan langsungsebagai membran untuk dehidrasi etanol.Oleh karena itu pada PYA ini dilakukanpengikatsilangan dengan asam amalat (MA),sehingga terbentuk membran tak berpori(Asman, G. & O. Sanli, 2003; Isiklan & Sanli,2005). Dikatakan membran tak berpori tidakberarti membran tersebut benar-benar takberpori, namun ukuran porinya sangatkeeil, sehingga pemisahan tidak dilakukanberdasarkan perbedaan ukuran partikelyang akan dipisahkan, tetapi berdasarkanperbedaan kelarutan dan difusi materialdalam membran.

Membran yang baik yang dapat digunakan

188 Jurnat PEtPT

Gambar 8. Hasil SEM memhran PVA.1vng lelah diikat silangdengan MA dengan rasio PVAIMA 85/15

Berdasarkan Gambar 3. diketahui bahwa rasiomembran yang paling baik dalam hal iniadalah rasio membran PVA/MA 85/15 yangmemiliki keseimbangan antara laju permeasidan faktor pemisahan. Meskipun membranPVA/MA 75/25 mempunyai faktor pemisahanyang sangat tinggi, tetapi laju permeasinyasangat rendah.

Pengaruh Suhu Umpan pada Pervaporasi

Pengaruh suhu umpan terhadap faktorpemisahan dan laju permeasi dapat dilihatpada Gambar 9. Dengan meningkatnyasuhu umpan, laju permeasi menjadi semakinmeningkat, sedangkan faktor pemisahannya


Vol. IV, NO.1, Jun; 2006

Pengaruh Konsentrasi Etanol Umpan padaPervaporasi

Gombar 9. Pengaruh suhu umpan terhadap !aju permeasi danfaktor pemisahan dengan rasio PVA/MA 85/15 dan konsentrasi

etano! umpan 95%

50 1;.c:

40 :x30 .~

0..

20 ~

10 ~

60

8085

--0- Laiu Permeasi___ Faklor Pemisahan

90

Kansenlrasi Elanal Umpan (%)

95

0.2

'iii ~ 0.15m iE '-~ N

E0.10.._

::l '"._'"j ~ 005

dijelaskan melalui pengujian derajat pengem-bangan yang terlihat pada Gambar 4.Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwaderajat pengembangan membran PVA/MAmeningkat dengan berkurangnya konsentrasietanol umpan. Hal ini dapat terjadi karenapengaruh pemlastisan dari air dan etanol kedalam membran. Pada konsentrasi etanol yangrendah, tindakan pemlastisan dari air akanmeningkatkan permeasi etanol dengan caramenurunkan energi yang dibutuhkan untukjalannya difusi etanol ke dalam membran,sehingga menghasilkan berkurangnya faktorpemisahan (Isiklan & San ii, 2005). Pada etanoldengan konsentrasi tinggi, penguranganfraksi berat air dalam umpan, menyebabkanberkurangnya pengembangan pada membran.Dengan demikian, laju permeasi berkurangdan faktor pemisahan meningkat denganberkurangnya konsentrasi air dalam umpan,seperti terlihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Pengaruh konsentrasi etano! umpan terhadap !ajupermeasi dan faktor pemisahan dengan rasio PVA/MA 85/15

dan suhu umpan 35CDari hasil penelitian, diperoleh hasil lajupermeasi membran PVA/MA yang digu-nakan untuk dehidrasi etanol berkisar antara0,038-0,388 kg/m2jam dan faktor pemisah-annya berkisar antara 8,69-158,92. SedangkanIsiklan dan Sanli yang juga telah melakukanpenelitian menggunakan membran PVA/MAuntuk dehidrasi asam asetat-air, memperolehhasil laju permeasi berkisar antara 0,05-0,29kg/m2jam dan faktor pemisahan berkisarantara 121-670 (Isiklan & Sanli, 2005). Daridata terse but dapat terlihat bahwa pervaporasietanol dengan membran PVA/MA dapat lebihmenghasilkan laju permeasi yang lebih kecil.Asam asetat lebih nonpolar daripada etanol,sehingga sifat etanollebih mendekati sifat air

140

120 c:'"100 .;

80 .~.60 0..

40 ~'"20 u.

5535 45

Suhu(C)

25

0.35

0.3

.~E 0.25E.!. 0.2~ ~ 0.15::l '"~ Co 0.1

0.05

o

Dehidrasi campuran etanol-air dengan perva-porasi dilakukan dengan variasi konsentrasietanol umpan 80%. 85%, 90%, dan 95% meng-gunakan membran PVA/MA rasio 85/15 padasuhu 35C. Hasilnya dapatdilihatpada Gambar10. Dari gambar tersebut terlihat bahwa faktorpemisahan berkurang dengan berkurangnyakonsentrasi etanol umpan. Faktor pemisahantertinggi terjadi pada konsentrasi etanolumpan 95%. Sedangkan pada laju permeasiterjadi sebaliknya. Fenomena ini dapat

Meskipun faktor pemisahan yang diperolehpada suhu 25C (suhu kamar) tinggi, tetapi lajupermeasinya rendah. Oleh karena itu, suhu35C merupakan suhu operasi terbaik yangmemiliki keseimbangan antara laju permeasidan faktor pemisahan (Gambar 9).

semakin berkurang. Hal ini berdasarkan padateori volume bebas, yang mengatakan bahwagerakan termal dari rantai polimer dibagianyang tak terbentuk membentuk volume bebassecara acak. Dengan meningkatnya suhu,frekuensi dan amplitudo dari rantai meningkatdengan cepat dan menghasilkan perbesaranvolume bebas (Isiklan & Sanli, 2005). Padapervaporasi, molekul yang menyerap dapatpula berdifusi melalui volume bebas tersebut.Jadi, ketika suhu tinggi, tingkat difusi molekulyang dapat menyerap, baik terisolasi maupunterasosiasi, akan tinggi pula, sehingga lajupermeasi total menjadi lebih tinggi dan faktorpemisahannya menjadi lebih rendah.

Jurna! PfrPT 189


Haryadi, Toto Subroto, dan Veni Qodriani- Dehidrasi Etanol dengan Teknik Pervaporasi _

dibandingkan dengan asam asetat. Dengandemikian dehidrasi etanol dengan teknikpervaporasi menggunakan membran PVA/MA akan memberikan faktor pemisahan yanglebih kecil dibandingkan dengan dehidrasiasam asetat. Hal ini dikarenakall pemisahanini dilakukan berdasarkan perbedaanpolaritas. Membran PVA/MA bersifat hidro-fi]ik sehingga kepolarannya relatif mendekatiair. Semakin jauh perbedaan kepolarancampuran yang akan dipisahkan, makaakan semakin mudah dipisahkan, sehinggaakan menghasilkan faktor pemisahan yangtinggi. Sedangkan zat atau senyawa yangkepolarannya mendekati air akan lebih sulitdipisahkan karena kemungkinan terdapat zatatau senyawa tersebut yang ikut berdifusi kedalam membran karena kepolarannya yangrelatif berdekatan, sehingga faktor pemisahanyang dihasilkan pun lebih kecil (Asman, G. &O. Sanli, 2003; Isiklan & Sanli, 2005) .

KESIMPULAN DAN SARAN

Berdasarkan hasil penelitian, dapat disim-pulkan bahwa membran poli(vinil alkohol)(PVA)/asam malat (MA) dapat digunakanuntuk dehidrasi etanol. Faktor pemisahan darimembran PYA pada proses pervaporasi inidapat ditingkatkan dengan cara memodifikasidengan MA. Dengan bertambahnya jumlahMApada membran, kerapatan zat pengikat silangsemakin meningkat dengan demikian faktorpemisahan juga meningkat. Faktor pemisahanberbanding terbalik dengan laju permeasi.Dari variasi komposisi membran PVA/MAdiperoleh komposisi PVA/MA 85/15 sebagaikomposisi optimum. Adapun peningkatansuhu umpan menunjukkan peningkatan lajupermeasi dan menurunkan faktor pemisahan.Dengan rentang suhu umpan percobaan dari25- 55C, diperoleh suhu 35C sebagai suhuumpan optimum proses pervaporasi.

Dari hasil penelitian ini, faktor pemisahanterbesar diperoleh pada komposisi membranPVA/MA 75/15 dengan suhu umpan 25Cdan konsentrasi umpan 95%. Pada kondisi

190 Jurnal PEtPT

tersebut, konsentrasi etanol retentat yangdiperoleh adalah 99,80 % dan konsentrasietanol permeatnya adalah 10,30 % denganfaktor pemisahan 158,92 dan laju permeasi0,038 kg/m2jam. Sementara itu, laju permeasiterbesar diperoleh pada komposisi membranPVA/MA 90/10 dengan suhu umpan 55Cdan konsentrasi umpan 95%. Pada kondisiini, konsentrasi etanol retentat yang diperolehadalah 96,16 'X,dan konsentrasi etanol perme-atnya adalah 41,88 % dengan faktor pemisahan25,31 dan laju permeasi 0,388 kg/m2jam.Namun berdasarkan kondisi optimum yangdapat dilihat pada gambar, campuran etanol-air azeotropik dapat dipisahkan paling baikdengan membran PVA/ MA 85/15 denga n suhuumpan 35C dan konsentrasi etanol umpan95% yang menghasilkan faktor pemisahancukup tinggi dengan laju permeasi yang tidakterlalu rendah.

Penelitian ini disarankan untuk dilanjutkandengan mengamati proses dehidrasi senyawaturunan atau derivat senyawa alkohol yanglebih nonpolar dan banyak digunakan diindustri seperti isopropanol dan butanoldengan teknik pervaporasi ini.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terimakasih penulis ucapkan pada JurusanTeknik Kimia Polban dan Laboratorium KimiaBahan Alam dan Lingkungan Jurusan KimiaFMIPA Unpad atas dukungan fasilitas yangdiberikan selama penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKAAsman, G. & O. Sanli (2003). Characteristics

of permeation and separation for acetic acid- water mixtures through poly(vinyl alcohol)membranes modified with poly(acrylic acid).J. Separation Science and Technology 38:1963-1980.

Bungay, P.M.; H.K. Lonsdale; & M.N. de Pinho(1983). Synthetic Membranes: Science, Engi-neering, and Aplications. Dordrecht: D.Reidel Publishing Company.


________ ~~_~_~~ __ ~~_~~~ ~_~_ Vol. IV, No.1, Juni 2006

Durmaz-Hilmioglu, N.; A.E. Yildirim; A.SSakaoglu; S. Tulbentci (2001). Acetic AcidDehydration by Pervaporation. J. ChemicalEngineering and Processing 40: 263-267.

Feng, X & R.Y.M.Huang (1997). Liquid Sepa-ration by Membrane Pervaporation: A Review.J. Ind. Eng. Chern. Res. 36: 1048-1066.

Huang, R.Y.M (1991). Pervaporation MembraneSeparation Process. New York: Elsevier.

Huang, Z; Y. Shi; R. Wen; Y-H. Guo; J-F. Su; &T. Matsuura (2006). Multilayer poly(vinylalcohol)-zeolite 4A composite membranes for

ethanol dehydration by means of pervaporation.J; Separation and Purification 8511:1-11.

Isiklan, N. & O. Sanli (2005). Separationcharacteristic of acetic acid-water mixturesby pervaporation using poly(vinyl alcohol)membranes modified with malic acid. J.Chemical Engineering and Processing 44:1019-1027.

Jirage KB. & c.R. Martin (1999). New devel-opments in membran-based separations. J.Tibtech May 17:197-200.

Jurnal paPT. 191


dehidrasi etanol dengan teknik pervaporasi.pdf

Documents