Prinsip Mekanisme Transpor pada Membran Mikrofiltrasi

Mikrofiltrasi banyak digunakan dalam berbagai aplikasi khususnya pada pemurnian larutan koloid yang memiliki ukuran partikel antara 0,1 – 20 μm. Sebagai contoh air distilat biasanya berisi 100.000 macam partikel /cm³, namun dengan proses mikroelektronik kensentrainya bisa dikurangi hingga  500 dan dalam beberapa kasus dampai 2 partikel/cm³. Selama mikrofiltrasi, hambatan hidrodinamik dari membran mikrofiltrasi meningkat (dan flux air menurun) disebabkan adanya blocking pori membran dari larutan feed dan penyumbatan pada membran.

1.      Mekanisme Transpor Cross Flow pada Membran Mikrofiltrasi

Pemisahan dengan membran dilakukan dengan mengalirkan feed ke dalam membran kemudian akan terpisah sesuai driving force yang digunakan. Proses pemisahan dengan membran menghasilkan dua aliran yaitu permeate dan retentate. Permeate merupakan hasil pemisahan yang diinginkan sedangkan retentate merupakan hasil sisa.

 Kinerja membran dapat dilihat dari besarnya selektivitas yang dihasilkan. Persamaan yang digunakan yaitu:

 dimana, A dan B merupakan komponen - komponen yang terdapat pada campuran yang akan dipisahkan

Pada membran mikrofiltrasi driving force yang biasa digunakan adalah gradien tekanan ( ∆P ). Kinerja instalasi membran berupa fluks (J) dan rejeksi (R) dapat dihitung melalui persamaan

  Dimana :

Jv = volume fluks (liter/m2.sec)

QP = laju alir permeate (liter/sec)

Am = luas permukaan membran (m2)

R = rejeksi / retensi (span = 0–1)

CP = konsentrasi permeate

CF = konsentrasi umpan

Besarnya fluks dihitung dari besarnya laju alir yang melewati setiap luas permukaan membran. Semakin besar laju alir permeate dan semakin kecil luas permukaan membran maka fluks yang dihasilkan semakin besar. Rejeksi merupakan ukuran perbandingan konsentrasi permeate dan retentate yang berhasil dipisahkan.

Mekanisme transpor cross-flow pada membran mikrofiltrasi serupa dengan mekanisme yang terjadi pada membran ultrafiltrasi, sehingga model konsentrasi polarisasi yang digunakan dalam ultrafiltrasi merupakan percobaan pertama untuk memperkirakan fluks pada crossflow mikrofiltrasi. Berdasarkan model ini, gaya tarikan diberikan secara vertikal pada permukaan membran, ini desebabkan karena driving force nya (tekanan transmembran) seimbang pada keadaan tunak, oleh difusitas Brownian partikel. Penerapan dari model ini memberikan nilai orde satu atau orde dua pada jaraknya dibawah pengamatan eksperimental. Ketidak sesuaian ini disebut dengan “flux paradox”. Upaya untuk memecahkan flux paradox menyebabkan perkembangan pada berbagai model, yang menyarankan mekanisme yang berbeda yang bertanggung jawab pada transpor balik dari partikel untuk meneyeimbangkan gaya tarikan (drag force). Beberapa mekanisme disarankan antara lain teori deposisi. Bedasarkan teori ini, fluks permeat pada keadaan tunak, J, ekual dengan kecepatan angkat (lift velocity,U_L) :

J = U_L                                                                                                  ( 4 )

Dimana U_L dapat diberikan dengan berbagai persamaan. Kesesuaian yang buruk antara teori deposisi dengan hasil percobaan menyebabkan Medsen menyarankan kombinasi antara model polarisasi konsentrasi dengan  teori deposisi, yakni:

J = U_L + k ln c_w/c_b                                                                               ( 5 )

Persamaan ke-5 tersebut sesuai untuk suspensi terlarut. Baik pengembangan yang diberikan oleh Madsen maupun Belfort, model yang didasarkan pada mekanisme gaya tarikan dengan atau tanpa difusitas partikel tidak menghindari beberapa ketidaksesuaian , antara lain kegagalan untuk memperkirakan nilai tekanan independen untuk fluks ataupun ketergantungan pada konsentrasi partikel (Gekas dan Hallstrom, 1990). Ada beberapa hal yang mempengaruhi transpr pada membran mikrofiltrasi. Salah satu yang paling penting adalah segregasi ukuran partikel. Segregasi ukuran partikel ini menyebabkan perbedaan pengaruh pada karakterisasi pemisahan antara lain ukuran partikel dan kandungan permeat ( Kromkamp, 2006)

1.      Mekanisme Penyaringan pada Membran Mikrofiltrasi

Jika suatu partikel yang mendekati pori memiliki diameter lebih kecil daripada diameter pori pada membran maka partikel akan melewati membran tersebut. Sementara jika partikel memiliki diameter lebih besar daripada diameter pori maka partikel akan tertahan oleh membran, pori akan tertutup dan hambatan hidrodinamik pada membran akan meningkat. Istilah “mendekati pori”  didefinisikan sebagai istilah “daerah pengaruh pori”. Dalam hal ini, jika diameter pori adalah d dengan cross section πd²/4, maka semua partikel yang ada di silinder di atas membran dengan area bawah βπd²/4, dimana β > 1, baik yang melalui maupun tertahan oleh pori tergantung pada diameternya; jika partikel berada di luar silinder, pori dibawah pertimbangan ini tidak akan mempengaruhi perilaku partikel.

Gambar 1. Gambar skematik proses mikrofiltrasi:

(1)   Partikel melekat pada permukaan membran

(2)   Partikel tertahan oleh pori kecil

(3)   Partikel kecil melewati pori besar

(4)   Partikel akan menutupi pori.

Lingkaran disekitar  pori menggambarkan bagian bawah dari daerah pengaruh pori dengan area βπ(Id)²/4

1.1  Model Teoritis

Pada mikrofiltrasi ded-end, aliran feed larutan koloidal berjalan normal pada permukaan membran. Diameter seluruh partikel  dan diameter pori membran d dibuat tidak berdimensi: D = / l dan d = /l , dimana l adalah skala karakteristik (misalnya _min atau _min). Probabilitas fungsi distribusi diameter partikel daimeter pori membran adalah f_p (D) dan f_m (d). Biasanya untuk mikrofiltrasi log-normal, bilog-normal dan fungsi gausian digunakan untuk fungsi distribusi diameter pori membran, f_m (d). D_min, D_max,d_min, dan d_max adalah diameter partikel minimum dan maksimum (pada feed) serta diameter pori. Hal ini diasumsikan:

 dan

Koefisien difusi partikel dapat diperkirakan sebagai ~kT/(3πμD) (dimana k adalah tetapan boltzman dan T adalah temperatur dalam K) dan dengan partikel dengan karakteristik diameter ~1 μm nilai koefisien difusinya adalah ~10^-9 cm²/s. Sebenarnya koefisien difusi harus lebih rendah karena seiring dengan penurunan mobilitasd hidrodinamik partikel di dekat dinding (Filipov, 1994).

Daftar Pustaka

Kromkamp, Janneke at all. 2006. Effects of particle size segregation on crossflow microfiltration performance: Control mechanism for concentration polarisation and particle fractionation. Journal of Membrane Science 268, 189 – 197

Filipov, A at all. 1994. Sieve Mechanism of Microfiltration. Journal of membrane Science 89, 199 – 213

Gekas, v dan B. Hallstrom. 1990. Microfiltration Membranes, Cross-Flow Transport Mechanisms and Fouling Studies. Desalination, 77, 195 - 218