dehidrasi etanol dengan teknik pervaporasi

5/13/2018 Dehidrasi Etanol Dengan Teknik Pervaporasi - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/dehidrasi-etanol-dengan-teknik-pervaporasi-55a8238c556be

AA 9 0 S I A S I P O L l T E K N I K I N D O N E S I A Jurnal P EtPT Vol. IV, NO.1 (2006) 182.191

JURNAL

e "

DEHIDRASI ETANOL DENGAN TEKNIK PERVAPORASI

MENGGUNAKAN MEMBRAN POLl(VINIL ALKOHOL) TERMODIFIKASI

1HARYADI, ~OTO S UBROTO, da n 2YEN1 QODRIANI

2 1Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung(POLBAN)

Program Ekstensi Kimia Industri, Jurusan Kimia FMIPA . UNPAD

ABSTRAK

Dalam penelitian ini, dehidrasi etanol pada kondisi azeotropik, 95 % , dengan teknik pervaporasi

dilakukan menggunakan membran poli(vinil alkohol), PVA, yang dimodifikasi dengan asam

malat (MA). Modifikasi dilakukan untuk menurunkan derajat pengembangan PVA dengan jalan

pembentukan ikatan silang di antara rantai polimer. Morfologi membran diamati menggunakan

SEM sedangkan kinerja proses diamati dengan melihat pengaruh komposisi PVA/MA, temperatur

operasi, dan konsentrasi umpan, terhadap laju permeasi dan faktor pemisahan. Membran yang

telah dibuatjuga diuji derajat pengembangannya dengan variasi komposisi etanol antara 80-95

% pada 35°C. Diperoleh hasil bahwa derajat pengembangan menurun dengan meningkatnya

konsentrasi etanol. Rasio optimum PVA/MA diketahui berada pada komposisi 85/15 (v/v) untuk

campuran etanol 95 % pada suhu 35°C. Faktor pemisahan 55,92 dan laju permeasi 0,151 kg/

m2jam diperoleh untuk komposisi membran PVA/MA 85/15, pada suhu 35°C, dan konsentrasi etanol umpan 95 % dengan konsentrasi etanol retentat yang dihasilkan sebesar 99,31 % dan

konsentrasi etanol permeat sebesar 24,59 % .

Kata Kunci: PVA, Asam Malat, Pervaporasi

ABSTRACT

In this research, the pervaporation for dehydration of ethanol-water mixture was carried out

using Poli(vinyl alcoho/), PVA, membranes modified using malic acid (MA). Modification has

been done to reduce the degree of swelling of PVA by cross/inking formation within the polymer

chains. Membrane morphology was observed by using SEM whereas process performance

such as the effects of PVA/MA ratio, operating temperature, and feed concentration, on the membrane permeation rate and separation factor was investigated. The result indicates that

degree of swelling decreased as ethanol concentration increased. Optimum PVA/MA ratio was

determined as 85:15 (v/v) for 95 % ethanol mixtures at 35°C. The prepared membranes were

also tested for the degree of swelling with various compositions of ethanol-water mixtures

between 80 - 95 % ethanol content at 35°C. 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 35°Cand

:;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 bahwa

pervaporasi merupakan pilihan yang paling

hemat energi dalam dehidrasi etanol-air

(Huang, et al., 2006).

Dalam pervaporasi, campuran cairan yang

akan dipisahkan dikontakkan dengan salah

satu sisi membran dan permeatnya dike-

luarkan pada tekanan uap rendah dari sisi

membran yang lain. Berdasarkan sifat difusi

larutan, pervaporasi berlangsung tiga tahap:

(1)penyerapan permean dari campuran cairan

ke dalam membran; (2)difusi permean melalui

membran, dan (3) desorpsi permean menjadifasa uap (Gambar 1.) (Durmaz-Hilmioglu, et

al.,2001).

PENDAHULUAN

Membran merupakan suatu lapisan tipis yang

memisahkan dua fasa dan bertindak sebagai

pembatas selektif terhadap perpindahan

materi. Membran tidak hanya bertindak

sebagai material yang pasif, tetapi lebih

tepat dianggap sebagai material fungsional.

Operasi membran merupakan suatu operasi

yang membagi umpan menjadi dua aliran

yaitu permeat yang berisi material-material

yang dapat melalui membran dan retentat

yang merupakan material yang tidak mampu

melewati membran. Operasi membrandapat digunakan untuk memekatkan atau

memurnikan larutan atau suspensi (pelarut

zat terlarut atau pemisahan partikel) dan

untuk memisahkan suatu campuran (Bungay,

et al., 1983).Pemisahan berdasarkan membran

berpotensi penting karena lebih sedikit

energi yang digunakan dan lebih ekonomis

dibandingkan dengan teknologi pemisahan

lainnya. Salah satu kemajuan terbaru dalam

pemisahan berdasarkan membran satu dian-

taranya adalah pervaporasi.

o

Dissolution

-oo

o0

Feed0

liquido

Membrane

Permeate

vapor

o , ~ .~~.

0,>

0-0Evaporation

Pervaporasi adalah proses pemisahan yang

mengontakkan campuran larutan secara

langsung dengan salah satu sisi dari membran

(upstream side), sedangkan produknya yaitu

permeat atau pervaporat, dikeluarkan dalam

fasa uap dari sisi membran yang lain (down

stream side) (Bungay, et al., 1983).Pervaporasi

merupakan teknik pemisahan menggunakan

membran yang saat ini berkembang dan

dianggap dapat menjadi alternatif penggantiproses distilasi pada campuran azeotropik

serta dehidrasi pelarut. Hal ini terutama

terlihat dari penggunaan energi yang sangat

efisien (Huang, et al., 2006). Tabel 1. menun-

jukkan penggunaan energi oleh berbagai

metode pemisahan dalam dehirasi etanol.

Tabell. Kebutuhan energi untuk dehidrasi etanol-air

(Huang, et al., 2006)

8,0 99,5

95,0 99,5

95,0 - 99,5

10376

3305

423

Gambar 1.Prinsip kerja membran pervaporasi

(Feng Huang, 1997)

Peningkatan tekanan pada sisi bawah

membran dalam pervaporasi dapat menu-

runkan faktor pemisahan. Tekanan pada sisi

bawah membran pervaporasi ini menentukan

parameter laju permeasi, tetapi tekanan pada

sisi atas membran hanya memberi pengaruh

yang sangat sedikit (Bungay, et al., 1983).

Ketika suhu operasi dinaikkan, laju permeasi

pervaporasi meningkat sesuai dengan per

samaan Arrhenius. Energi aktivasi yang

diperoleh mencapai 50 kJ/mol yang dapat

meningkatkan laju permeasi 20"lo/K. Pengaruh

ini sangat penting karena faktor pemisahan

menurun 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 komponen

yang terkandung di dalamnya maka laju

permeasi dan faktor pemisahan tergantung

pada komposisi umpan. Secara umum, laju

permeasi akan meningkat jika campuran kaya

akan permean (Bungay, et al., 1983).

Terdapat dua tipe membran pervaporasi

untuk campuran etanol-air, yang pertama

yaitu permselektif air dan kedua yaitu per

mselektif etanol. Membran permselektif etanol

baik digunakan untuk konsentrasi etanol

rendah dan membran permselektif air baik

digunakan untuk umpan dengan konsentrasietanol tinggi seperti pada dehidrasi etanol

dan turunannya. Khususnya dalam proses

dehidrasi etanol umpan yang mengandung

konsentrasi etanol tinggi atau kondisi azeo-

tropik (95 %) akan tertahan oleh membran

yang memiliki karakter hidrofilik tinggi

serta permselektif terhadap air sehingga pada

bagian permeat akan mengandung konsentrasi

air lebih banyak dibandingkan dengan bagian

retentat (Feng &Huang, 1997). Untuk menye-

suaikan membran dengan campuran yangakan dipisahkan, beberapa teknik seperti ikat

silang, blending, dan kopolimerisasi dapat

dilakukan (Huang, 1991).

Dehidrasi dengan pervaporasi daTi asam

dan basa organik dianggap penting karena

sebagian besar dari campuran tersebut

membentuk azeotrop atau menghasilkan

pinch pada kurva kesetimbangan uap-cair.

Pervaporasi juga merupakan metoda hemat

energi untuk pemisahan senyawa dengantitik didih yang berdekatan dan campuran

yang terdiri dari senyawa yang peka terhadap

panas. Asam asetat adalah salah satu dari

dua puluh-teratas senyawa organik antara

yang digunakan dalam industri kimia dan

campurannya dengan air ditemukan dalam

preparasi beberapa zat antara, seperti asam

asetat itu sendiri, vinil asetat, anhidrida asetat,

anhidrida ftalat, dan sebagainya. Pemisahan

asam asetat daTi air dengan distilasi biner

biasa sulit dilakukan berkaitan dengan

rendahnya volatilitas relatifnya, khususnya

184 • Jurnal PEtPT

pada asam asetat konsentrasi tinggi, dan oleh

karena itu, lebih banyak digunakan distilasi

azeotropik dengan lebih banyak energi yang

dibutuhkan atau digunakan ekstraksi pelarut

(Isiklan &Sanli, 2005).

Berdasarkan pertimbangan terse but, teknik

pervaporasi dapat menjadi salah satu pilihan

proses alternatif untuk menghemat energi.

Proses ini memberi perolehan permeat

yang efektif daTi media cair dan mencegah

terjadinya pembatasan tekanan osmosis pada

proses osmosis balik dengan menjaga permeat

di bawah tekanan uap jenuhnya. Meskipunvaporasi daTi bagian tangki umpan dibu-

tuhkan dalam proses ini, tekanan permeasi

dapat dikurangi dengan menggunakan pompa

vakum atau gas-sweeping. Pada umumnya,

pervaporasi dapat digunakan secara praktis

ketika faktor pemisahan membran jauh lebih

tinggi daripada untuk vaporasi biasa dan

ketika laju permeasi tinggi (lsi klan & Sanli,

2005).

Pada beberapa tahun terakhir, penelitian

mengenai pervaporasi ditekankan pad a

pengembangan membran polimer baru

yang mempunyai faktor pemisahan tinggi

dan laju permeasi yang optimum dengan

stabilitas yang baik terhadap campuran yang

akan dipisahkan. Beberapa membran perm-

selektif untuk air telah dicoba dari polimer

hidrofilik, seperti poli(asam akrilat)-nilon 6,

poli (akr ilat-co-s tirena), poli(4-vinilpiridina-

co-akrilonitril), nafion, dan poli(vinil alkohol)

dicampur dengan poli(vinil pirolidon), untuk

digunakan dalam pervaporasi, tetapi sangat

sedikit yang efektif untuk digunakan pada

dehidrasi asam asetat (Huang, et.al., 2006;

Isiklan &Sanli, 2005).

Poli(vinil alkohol) adalah salah satu pilihan

yang mungkin untuk proses pemisahan

campuran asam asetat-air berkaitan dengan

sifat-sifatnya, seperti hemat biaya, mempunyai

stabilitas kimia, kemampuan membentuk film,dan sangat hidrofilik. Namun demikian, PYA




mempunyai suatu kelemahan yaitu stabilitas

yang rendah dalam air. Dengan demikian,

PYA harus dibuat tidak dapat larut dalam

air dengan cara reaksi modifikasi seperti

mencampur, grafting, atau ikat silang, untuk

membentuk membran yang stabil dengan sifat

mekanik yang baik dan mempunyai permea-

bilitas yang selektif terhadap air (Isiklan &

Sanli, 2005).

Pada studi lain dari Nguyen et aI., bagian

yang memuat gugus karboksilat, terikat

secara kovalen pada PYA dengan tujuan untuk

menunjukkan peningkatan kinerja membran

tanpa beresiko terekstraksi oleh campuran

asam asetat-air. Grafting dari asam asetat telah

dilakukan pada sisi radikal dari oksidasi Ce"

pada membran PYA. Meskipun grafting dari

asam asetat menghasilkan membran dengan

permeabilitas tinggi, namun faktor pemisah-

annya masih rendah (Isiklan &Sanli, 2005).

Pengenalan struktur ikat silang pada membran

PYA untuk meningkatkan sifat dari pemisahanpervaporasi membran untuk sistI: m larutan

asam asetat-air juga telah dilakukan. Ketidak

larutan PYA dalam air dikarenakan adanya

ikat silang dengan dialdehid, seperti glutaral-

dehid (GA), telah dibuktikan dengan struktur

ikat silang yang diperoleh dari reaksi antara

gugus hidroksil pada PYA dan gugus aldehid

pada GA dalam kondisi keasaman yang kuat

(Isiklan & Sanli, 2005).

Selanjutnya, Isiklan dan Sanli telah mencobauntuk mengikat silang membran PYA dengan

menggunakan asam malat yang meru-

pakan asam dikarboksilat (asam suksinat)

dengan gugus hidroksil dan bertujuan untuk

mengikat silang membran PYA melalui reaksi

antara gugus karboksil pada asam malat dan

gugus hidroksil pada PYA tanpa kehilangan

sifat hidrofiliknya. Membran yang dihasilkan,

dengan konsentrasi MA yang bervariasi,

dikarakterisasi melalui spektroskopi Fourier

transform infrared, analisis termal, pengu-kuran derajat pengembangan, dan diterapkan

pada pervaporasi dari campuran asam

Vol. IV, NO.1, Juni 2006

asetat-air. Dari penelitian tersebut diketahui

pengaruh ketebalan membran, temperatur

operasi, dan konsentrasi umpan terhadap

kinerja pervaporasi (Isiklan &San Ii, 2005).

Dengan melihat struktur PYA yang memiliki

banyak gugus hidroksil serta sifat hidro-

filiknya, maka modifikasi membran PYA

dengan asam malat dapat pula diaplikasikan

untuk pemisahan campuran alkohol-air,

seperti yang dilakukan didalam penelitian

ini.

BAHAN DAN METODA

Bahan Penelitian

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini

adalah poli(vinil alkohol) (PYA), asam malat

(MA), etanol teknis, etanol pro analisis, dan

aquades.

Alat-alat yang Digunakan

Alat-alat yang digunakan dalam penelitian

ini adalah serangkaian alat pervaporasi hasil

rancang bangun (Gambar 2), refraktometer

ATAGO-lT, Scanning Electron Microscopy

(SEM) JSM - 35 C, perangkat casting membran

yang terdiri atas pelat kaca ukuran 20 x 20 cm

dan batang silinder perata, serta peralatan

gelas yang umum digunakan dalam labora-

torium.

Penjebak

dll'gin

o 0 Pompa

Penangasairdengan

pel1gendaliensuhu

Gambar 2. Sk e 11 la a l a t p c r v aporas i

Jurnal P fr PT • 185




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

METODE

Penelitian ini dilakukan dengan mengadopsimetode yang telah dilakukan oleh Isiklan dan

Sanli (Isiklan & Sanli, 2005) dengan sejumlah

modifikasi yang meliputi preparasi membran

dengan variasi komposisi poli(vinil alkohol)

(PYA)/asam malat (MA). Analisis membran

dilakukan dengan mengamati morfologi

membran menggunakan Scanning Electron

Microscopy (SEM) dan kemudian meng-

hitung derajat pengembangan (degree of

swelling). Dehidrasi etanol melalui metode

pervaporasi dengan variasi suhu umpan sertakonsentrasi etanol umpan terhadap kinerja

membran diamati sehingga dapat dihitung

faktor pemisahan (e x ) dan laju permeasi (J)

serta analisis etanol yang dihasilkan melalui

pengukuran indeks bias mengggunakan

refraktometer.

PreparasiMennbran

Larutan PYA 10% (b/v) disiapkan dengan

melarutkan sejumlah PYA padatan dalamair dan direfluks pada suhu 100°C sambil

diaduk selama 6 jam. Lalu, larutan PYA

tersebut dicampur dengan 7,5% (b/v) larutan

MA dengan berbagai rasio PYA/MA (v/v)

yang ditentukan dan diaduk selama satu hari

pada suhu kamar untuk membentuk larutan

homogen. Membran di-cast di atas pelat kaca

kemudian diuapkan pada suhu kamar untuk

membentuk membran. Membran yang sudah

kering dipanaskan pada oven selama 1 jam

pada suhu 150°C, lalu ditaruh dalam larutanetanol untuk penggunaan lebih lanjut.

Yariasi yang dilakukan pada preparasi

membran 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 35°C

selama 48 jam, kemudian membran ditimbang

secepat mungkin setelah dibersihkan dengantissue pembersih. Lalu sampel dikeringkan

dalam desikator pada suhu kamar hingga

beratnya konstan. Derajat pengembangan

atau swelling degrees, SD, dihitung sebagai

berikut:

3D =M s - M d xlOO (1 )

M d

dengan Ms adalah massa sampel yangmengembang dan Md adalah massa sampel

kering.

Pervaporasi

Peralatan yang digunakan pada penelitian ini

dapat dilihat pada Gambar 2. Sel pervaporasi

berupa dua sel kompartemen (terbuat dari

bahan PMMA) yang terikat bersama dengan

pengikat. Membran ditempatkan di atas

pendukung gelas berpori dalam sel. Daerah

membran yang efektif adalah 2,83.10-3 m2.

Tekanan pada bagian aliran bawah dijaga pada

50 cmHg (dibawah vakum) dengan bantuan

pompa vakum. Campuran umpan disirkulasi

untuk mencegah polarisasi konsentrasi dengan

pompa peristaltik melalui sel dari tangki

umpan, yang dijaga pada suhu konstan. Ketika

mencapai kondisi aliran yang steady-state, uap

permeat dikumpulkan dalam perangkap air

es dan etilen glikol, kemudian ditimbang.

Konsentrasi etanol permeat dihitung dengan

mengukur indeks biasnya menggunakan

refraktometer dengan bantuan kurva standar

untuk campuran etanol-air yang telah diper-

siapkan. Karakteristik membran ditunjukkan

dengan faktor pemisahan (selektivitas) dan

laju permeasi (fluks). Faktor pemisahan, e x ,

diberikan oleh:

Y llo() / Y Coli 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 adalah

komponen permeasi yang sangat istimewa.

Laju permeasi (J) ditentukan dengan menggu-

nakan persamaan:

dengan laju permeasi berkurang dengan ber

tambahnya kandungan MA dalam membran

PYA, sedangkan faktor pemisahan meningkat

dengan bertambahnya kandungan MA dalam

membran PYA.

(3 )

dengan Q, A, dan t berturut-turut menun-

jukkan berat permeasi (kg), daerah membran

efektif (m2), dan waktu operasi (jam).

HASIL DAN PEMBAHASAN

Q 45

II) 40

c: 35t e l

g ' 30

~ 25

~ 20Cl

a ; 15a.n ; 10

.~ 5

C I >

c 0

80 85 90 95

Pengaruh Penambahan Zat Pengikat Silang

pada Membran

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

suhu umpan 25°C (suhu kamar) dengan konsentrasi

etanol umpan 95%

Pengaruh penambahan asam malat (MA)

sebagai zat pengikat silang pada membran

PYA dalam pervaporasi untuk konsentrasi

etanol umpan 95% dengan variasi suhu umpan

dapat dilihat pada Gambar 3,

75:25

-0- S O P V A l M A 90 / 10

---+- S O P V A l M A 8 5 / 15

~ S O P V A lM A 80/20

---+- S O P V A l M A 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 terhadap

faktor pemisahan pada berbagai suhu umpan

Gambar 4. Derajat pengembangan untuk berbagai

komposisi PVA/MA

dengan variasi konsentrasi etanol

Gugus hidrofilik PYA merupakan penarik

yang kuat untuk afinitas dan serapan air,

sehingga PYA lebih menyerap air daripada

etanol. Dengan demikian, air dapat diserap

dan berdifusi secara selektif ke dalam

membran dibandingkan etanol. Ketika MA

ditambahkan, sehingga zat pengikat silang

dalam PYA meningkat, maka lebih banyak

gugus karboksil dari MA bereaksi dengan

gugus hidroksil dari PYA, yang menyebabk~n

kerapatan ikatan antara PYA dan MA semakm

meningkat, seperti terlihat pada Gambar 4.

180

160

i i i 140

m 120 2 : : :' E 100

~ 80

~ 60 ~_ .• = = = = = - = - = ~ ~ _ _ -( E 40 ~'------------~

20

o

180

180

14 0 c. .1 2 0 - ;

1 0 0 . ~m

80 0.

60 ~

40 ~

20

o

75:2585:15 80:20

Komposisi PVAlMA (vlv)

-Q-Laju Permeasi

-+-- Faktor Pemisahan

90:10

0.09

00 8

0.07

.~E 0.06

E . ! ! ! , 00 5~N

~ ~ 0.04

" '"' •• ~ 0 .0 3...J

0.02

0.01

o

Pada pervaporasi yangmenggunakanmembran

poli(vinil alkohol) (PVA) untuk dehidrasi

etanol, zat pengikat silang memegang peranan

yang sangat penting untuk memperoleh hasil

yang diinginkan. Pengaruh yang pertama, zat

pengikat silang ini memberikan ketahananyang lebih terhadap membran, sehingga laju

permeasinya lebih kedl. Yang kedua, zat

pengikat 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 bahwa

semakin banyak MA yang ditambahkan, maka

semakin keeil derajat pengembangannya.

Hal ini dikarenakan meningkatnya kerapatan

ikatan antara PYA dan MA yang menyebabkan

penurunan kelarutan dalam air, sehingga

difusifitas dari serapan air melalui membran

menurun, yang akan menekan laju permeasi

dan meningkatkan faktor pemisahan.

Pengaruh komposisi PVA/MA terhadap faktor

pemisahan dan laju permeasi dengan variasi

suhu umpan masing-masing dapat dilihatpada Gambar 5 dan 6.

E 0.45

.!!. 0.4

' E 0.35

C, 0.3

~ 0 .2 5

.~ 0.2 .. •E 0 .1 5

~ 0 .1

" 0 .0 5

: 5 a ~

dalam pervaporasi ialah membran yang

memiliki laju permeasi dan faktor pemisahan

yang tinggi. Namun hal tersebut sulitdiperoleh karena laju permeasi berbanding

terbalik dengan faktor pemisahan. Membran

dengan faktor pemisahan yang tinggi tetapi

laju permeasinya rendah hanya baik digu-

nakan dalam skala laboratorium, namun

kurang menguntungkan bila diterapkan

dalam skala industri. Oleh karena itu, dibuat

membran yang memiliki faktor pemisahan

yang paling tinggi yang dimungkinkan untuk

mendapatkan laju permeasi yang tidak terlalu

rendah (Huang, 1991).

90:10 85:15 80:20

Komposisi PVAlMA (v/v)

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

silang

-0--25 C

---+- 35 C

-o-45C

--55C

GambaI' 6. Pengarllh kOl71posisiPVA/MA lerhadap lajll

perl71easi pada berbagai slIhu wnpan

Selain itu, pengaruh penambahan zat pengikat

silang pada membran juga dapat dilihat dari

hasil S ca nn in g E le ctro n Mic ro sc op y (SEM)

pada Gambar 7 dan 8. PYA larut dalam air,

sehingga tidak dapat digunakan langsung

sebagai membran untuk dehidrasi etanol.

Oleh karena itu pada PYA ini dilakukan

pengikatsilangan dengan asam amalat (MA),

sehingga terbentuk membran tak berpori

(Asman, G. &O. Sanli, 2003; Isiklan & Sanli,

2005). Dikatakan membran tak berpori tidak

berarti membran tersebut benar-benar tak

berpori, namun ukuran porinya sangat

keeil, sehingga pemisahan tidak dilakukan

berdasarkan perbedaan ukuran partikel

yang akan dipisahkan, tetapi berdasarkan

perbedaan kelarutan dan difusi material

dalam membran.

Membran yang baik yang dapat digunakan

188 • Jurnat PEtPT

Gambar 8. Hasil SEM memhran PVA.1vng lelah diikat silang

dengan MA dengan rasio PVAIMA 85/15

Berdasarkan Gambar 3. diketahui bahwa rasio

membran yang paling baik dalam hal ini

adalah rasio membran PVA/MA 85/15 yang

memiliki keseimbangan antara laju permeasi

dan faktor pemisahan. Meskipun membran

PVA/MA 75/25 mempunyai faktor pemisahan

yang sangat tinggi, tetapi laju permeasinya

sangat rendah.

Pengaruh Suhu Umpan pada Pervaporasi

Pengaruh suhu umpan terhadap faktor

pemisahan dan laju permeasi dapat dilihat

pada Gambar 9. Dengan meningkatnya

suhu umpan, laju permeasi menjadi semakin

meningkat, sedangkan faktor pemisahannya




Vol. IV, NO.1, Jun; 2006

Pengaruh Konsentrasi Etanol Umpan pada

Pervaporasi

Gombar 9. Pengaruh suhu umpan terhadap !ajupermeasi dan faktor pemisahan dengan rasio PVA/MA 85/15 dan konsentrasi

etano! umpan 95%

50 1 ;.c:

40 : x

3 0 .~

0..

20 ~

10 ~

60

8085

- - 0 - L a iu P e r m e as i

__ _ F a k lo r P e m i sa h a n

90

Kansenlrasi Elanal Umpan (%)

95

0. 2

' ii i ~ 0.15

m iE '-~N

E 0.10 . . _

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

dijelaskan melalui pengujian derajat pengem-

bangan yang terlihat pada Gambar 4.

Pada gambar tersebut dapat dilihat bahwaderajat pengembangan membran PVA/MA

meningkat dengan berkurangnya konsentrasi

etanol umpan. Hal ini dapat terjadi karena

pengaruh pemlastisan dari air dan etanol ke

dalam membran. Pada konsentrasi etanol yang

rendah, tindakan pemlastisan dari air akan

meningkatkan permeasi etanol dengan cara

menurunkan energi yang dibutuhkan untuk

jalannya difusi etanol ke dalam membran,

sehingga menghasilkan berkurangnya faktor

pemisahan (Isiklan &San ii, 2005). Pada etanoldengan konsentrasi tinggi, pengurangan

fraksi berat air dalam umpan, menyebabkan

berkurangnya pengembangan pada membran.

Dengan demikian, laju permeasi berkurang

dan faktor pemisahan meningkat dengan

berkurangnya konsentrasi air dalam umpan,

seperti terlihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Pengaruh konsentrasi etano! umpan terhadap !aju

permeasi danfaktor pemisahan dengan rasio PVA/MA 85/15

dan suhu umpan 35°C

Dari hasil penelitian, diperoleh hasil laju

permeasi membran PVA/MA yang digu-

nakan untuk dehidrasi etanol berkisar antara

0,038-0,388 kg/m2jam dan faktor pemisah-

annya berkisar antara 8,69-158,92. Sedangkan

Isiklan dan Sanli yang juga telah melakukan

penelitian menggunakan membran PVA/MA

untuk dehidrasi asam asetat-air, memperoleh

hasil laju permeasi berkisar antara 0,05-0,29

kg/m2jam dan faktor pemisahan berkisar

antara 121-670 (Isiklan & Sanli, 2005). Dari

data terse but dapat terlihat bahwa pervaporasi

etanol dengan membran PVA/MA dapat lebih

menghasilkan laju permeasi yang lebih kecil.

Asam asetat lebih nonpolar daripada etanol,

sehingga sifat etanollebih mendekati sifat air

14 0

120 c:

' "1 0 0 . ;

8 0 .~

• .60 0..

40 ~

' "20 u.

5535 45

Suhu(C)

25

0.35

0.3

.~E 0.25

E .!. 0. 2

~ ~ 0 .1 5

::l '"~ Co 0.1

0.05

o

Dehidrasi campuran etanol-air dengan perva-

porasi dilakukan dengan variasi konsentrasi

etanol umpan 80%. 85%, 90%, dan 95% meng-

gunakan membran PVA/MA rasio 85/15 pada

suhu 35°C. Hasilnya dapatdilihatpada Gambar

10. Dari gambar tersebut terlihat bahwa faktor

pemisahan berkurang dengan berkurangnya

konsentrasi etanol umpan. Faktor pemisahan

tertinggi terjadi pada konsentrasi etanolumpan 95%. Sedangkan pada laju permeasi

terjadi sebaliknya. Fenomena ini dapat

Meskipun faktor pemisahan yang diperoleh

pada suhu 25°C (suhu kamar) tinggi, tetapi laju

permeasinya rendah. Oleh karena itu, suhu

35°C merupakan suhu operasi terbaik yang

memiliki keseimbangan antara laju permeasi

dan faktor pemisahan (Gambar 9).

semakin berkurang. Hal ini berdasarkan pada

teori volume bebas, yang mengatakan bahwa

gerakan termal dari rantai polimer dibagianyang tak terbentuk membentuk volume bebas

secara acak. Dengan meningkatnya suhu,

frekuensi dan amplitudo dari rantai meningkat

dengan cepat dan menghasilkan perbesaran

volume bebas (Isiklan & Sanli, 2005). Pada

pervaporasi, molekul yang menyerap dapat

pula berdifusi melalui volume bebas tersebut.

Jadi, ketika suhu tinggi, tingkat difusi molekul

yang dapat menyerap, baik terisolasi maupun

terasosiasi, akan tinggi pula, sehingga laju

permeasi total menjadi lebih tinggi dan faktorpemisahannya menjadi lebih rendah.

Jurna! P frP T • 189




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

dibandingkan dengan asam asetat. Dengan

demikian dehidrasi etanol dengan teknik

pervaporasi menggunakan membran PVA/ MA akan memberikan faktor pemisahan yang

lebih kecil dibandingkan dengan dehidrasi

asam asetat. Hal ini dikarenakall pemisahan

ini dilakukan berdasarkan perbedaan

polaritas. Membran PVA/MA bersifat hidro-

fi]ik sehingga kepolarannya relatif mendekati

air. Semakin jauh perbedaan kepolaran

campuran yang akan dipisahkan, maka

akan semakin mudah dipisahkan, sehingga

akan menghasilkan faktor pemisahan yang

tinggi. Sedangkan zat atau senyawa yang

kepolarannya mendekati air akan lebih sulit

dipisahkan karena kemungkinan terdapat zat

atau senyawa tersebut yang ikut berdifusi ke

dalam membran karena kepolarannya yang

relatif berdekatan, sehingga faktor pemisahan

yang 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 digunakan

untuk dehidrasi etanol. Faktor pemisahan dari

membran PYA pada proses pervaporasi ini

dapat ditingkatkan dengan cara memodifikasi

dengan MA. Dengan bertambahnya jumlahMA

pada membran, kerapatan zat pengikat silang

semakin meningkat dengan demikian faktor

pemisahan juga meningkat. Faktor pemisahan

berbanding terbalik dengan laju permeasi.

Dari variasi komposisi membran PVA/MA

diperoleh komposisi PVA/MA 85/15 sebagai

komposisi optimum. Adapun peningkatan

suhu umpan menunjukkan peningkatan laju

permeasi dan menurunkan faktor pemisahan.

Dengan rentang suhu umpan percobaan dari

25- 55°C, diperoleh suhu 35°C sebagai suhu

umpan optimum proses pervaporasi.

Dari hasil penelitian ini, faktor pemisahan

terbesar diperoleh pada komposisi membran

PVA/MA 75/15 dengan suhu umpan 25°Cdan konsentrasi umpan 95%. Pada kondisi

190 • Jurnal PEtPT

tersebut, konsentrasi etanol retentat yang

diperoleh adalah 99,80 % dan konsentrasi

etanol permeatnya adalah 10,30 % denganfaktor pemisahan 158,92 dan laju permeasi

0,038 kg/m2jam. Sementara itu, laju permeasi

terbesar diperoleh pada komposisi membran

PVA/MA 90/10 dengan suhu umpan 55°C

dan konsentrasi umpan 95%. Pada kondisi

ini, konsentrasi etanol retentat yang diperoleh

adalah 96,16 'X,dan konsentrasi etanol perme-

atnya adalah 41,88 % dengan faktor pemisahan

25,31 dan laju permeasi 0,388 kg/m2jam.

Namun berdasarkan kondisi optimum yang

dapat dilihat pada gambar, campuran etanol-air azeotropik dapat dipisahkan paling baik

dengan membran PVA/ MA 85/15 denga n suhu

umpan 35°C dan konsentrasi etanol umpan

95% yang menghasilkan faktor pemisahan

cukup tinggi dengan laju permeasi yang tidak

terlalu rendah.

Penelitian ini disarankan untuk dilanjutkan

dengan mengamati proses dehidrasi senyawa

turunan atau derivat senyawa alkohol yang

lebih nonpolar dan banyak digunakan diindustri seperti isopropanol dan butanol

dengan teknik pervaporasi ini.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terimakasih penulis ucapkan pada Jurusan

Teknik Kimia Polban dan Laboratorium Kimia

Bahan Alam dan Lingkungan Jurusan Kimia

FMIPA Unpad atas dukungan fasilitas yang

diberikan selama penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA

Asman, G. & O. Sanli (2003). Characteristics

o f pe rmea tion a nd sep arat io n fo r a ce tic a cid

- water mix tu re s throu gh p oly( viny l a lc oh ol)

membran es mod if ie d with p oly( ac ry lic a cid) .

J. Separation Science and Technology 38:

1963-1980.

Bungay, P.M.; H.K. Lonsdale; &M.N. de Pinho

( 19 83 ). S yn th et ic Membran es: S cien ce , E ng i-

neering, and Aplications. Dordrecht: D.

Reidel Publishing Company.




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

Durmaz-Hilmioglu, N.; A.E. Yildirim; A.S

Sakaoglu; S. Tulbentci (2001). Acetic Acid

Dehydration by Pervaporation. J. ChemicalEngineering and Processing 40: 263-267.

Feng, X &R.Y.M.Huang (1997). Liquid Sepa-

rat ion by Membrane Pervaporation: A Review.

J. Ind. Eng. Chern. Res. 36: 1048-1066.

Huang, R.Y.M (1991). Pervaporation Membrane

Separation Process. New York: Elsevier.

Huang, Z; Y. Shi; R. Wen; Y-H. Guo; J-F.Su; &

T. Matsuura (2006). Multilayer poly(vinyl

alc ohol)-zeolite 4A c omposite membranes for

ethanol dehydration by means of pervaporation.

J; Separation and Purification 8511:1-11.

Isiklan, N. & O. Sanli (2005). Separationcharacteristic of acet ic acid-water mixtures

b y p erva po ra tio n u sin g p oly (vin yl a lco ho l)

m em bra ne s m od ifie d w ith m alic a cid . 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

Documents