Nanomaterial
See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/304022447
Article · June 2016
CITATIONS READS
0 300
1 author:
1 PUBLICATION 0 CITATIONS
The user has requested enhancement of the
downloaded file.
Pemisahan
Pelarut Organik dengan Nanofiltrasi
Lisya
Edel
Teknik
Kimia, ITB, Jl. Ganesha No. 10, Bandung, Indonesia
Abstrak
Proses
pemisahan suatu zat terlarut dari pelarut merupakan proses yang penting dalam
berbagai bidang industri. Proses pemisahan yang berkembang seringkali memakan
energi yang besar sehingga biaya yang dibutuhkan untuk proses pemisahan
tersebut juga besar. Metode pemisahan dengan membran nanofiltrasi merupakan
metode pemisahan yang relatif baru, namun dapat mengatasi sebagian besar
kekurangan-kekurangan dari metode pemisahan secara konvensional. Membran
nanofiltrasi adalah membran yang menggunakan perbedaan tekanan sebagai driving
force. Membran ini dapat terbuat dari berbagai jenis bahan. Selektifitas dari
masing-masing membran juga spesifik pada pelarut tertentu dan dalam kondisi
operasi tertentu. Metode nanofiltrasi yang dibahas adalah metode yang digunakan
untuk memisahkan pelarut organik. Metode ini dapat digunakan pada industri
petrokimia, pemisahan katalis homogen sehingga dapat didaur ulang, pemisahan
lelehan ion, mengoptimalkan tahap pertukaran pelarut pada sintesis senyawa
organik multitahap, dan pemisahan minyak nabati dari asam lemak bebas dalam
industri pangan. Walaupun membran dapat memberikan beberapa keuntungan dalam
proses pemisahan dibanding dengan proses pemisahan secara konvensional, metode
membran juga memiliki beberapa kekurangan. Beberapa kekurangan yang terdapat
dalam metode membran seringkali menjadi faktor penghambat pengembangan membran
untuk digunakan secara luas dalam bidang industri.
Kata kunci : nanofiltrasi, pemisahan pelarut
organik, distilasi osmotik membran
1. Pengantar
Dalam beberapa tahun belakangan,
membran telah menjadi salah satu metode pemisahan yang banyak digunakan oleh
berbagai industri dan pengobatan. Fokus yang akan dibahas dalam paper ini adalah membran berbasis gaya
dorong tekanan,
khususnya membran nanofiltrasi.
Berdasarkan gaya dorong tekanan, membrane dapat
dibagi menjadi membran mikrofiltrasi, ultrafiltrasi, nanofiltrasi, dan reverse osmosis. Mikrofiltrasi (MF)
merupakan jenis membran yang selektivitasnya tidak
terlalu besar. Membran ini dapat memisahkan partikel pada kisaran 0.1 hingga 10
μm. Mikrofiltrasi banyak
dikembangkan dalam pengolahan mikroorganisme yang
terdapat pada air minum. Setingkat lebih selektif dibanding mikrofiltrasi,
membran ultrafiltrasi (UF) dapat memisahkan partikel dengan ukuran 1 hingga 100
nm. Membran jenis ini berbasis pada tekanan hidrostatik yang dapat
mendorong larutan untuk melewati membran
semipermeabel. Membran nanofiltrasi (NF) merupakan jenis membran yang baru
berkembang dengan pesat. Membran ini dapat memisahkan partikel dengan ukuran
kurang dari 2 nm. Membran nanofiltrasi seringkali digunakan untuk pemisahan
larutan dengan konsentrasi zat terlarut yang sangat rendah. Sedangkan reverse osmosis adalah metode pemisahan
zat terlarut dari pelarut menggunakan tekanan eksternal
untuk mengatasi tekanan osmotik. Penggunaan tekanan
eksternal berakibat pada pemisahan berbagai jenis molekul bahkan ion dari
larutan [1-2].
Membran tersebut dapat diproduksi
dengan proses fabrikasi. Proses tersebut terdiri dari persiapan membran. Tahap
ini terdiri dari casting, spinning, dan
coating. Tahap persiapan membran kemudian dilanjutkan dengan sintering, stretching, track-etching, template leaching, inversi fasa, dan polimerisasi interfasa [3].
2. Pemisahan menggunakan metode
konvensional dan membran
Pemisahan komponen menggunakan
membran nanofiltrasi tidak melibatkan adanya perubahan fasa, sehingga energi
yang digunakan dalam proses pemisahan menjadi lebih sedikit dibanding dengan
proses pemisahan secara konvensional, seperti distilasi dan ekstraksi [4]-[8].
Namun, hasil yang optimal seringkali dicapai dengan menggabungkan kedua proses
pemisahan tersebut, baik dengan menggunakan
membran, mampun dengan cara konvensional. Umumnya,
pemisahan diawali dengan penggunaan membran nanofiltrasi dilanjutkan dengan proses
konvensional. Hal ini dilakukan agar komponen pelarut sebagian besar telah
terpisahkan oleh membran nanofiltrasi, sehingga energi yang dibutuhkan oleh
proses konvensional dalam pemisahan komponen tidak terlalu besar. Dengan
demikian, biaya yang dikeluarkan
dapat diminimalisir. Di samping penggabungan kedua
proses pemisahan tersebut, pemisahan dapat dilakukan dengan menggunakan
distilasi membran. Distilasi membrane dilakukan dengan berbagai moda yang
berbeda cara pengumpulan permeat, mekanisme perpindahan massa melalui membran,
dan alasan untuk pembentukkan
gaya dorong. Salah satu jenis membran distilasi
adalah distilasi osmotik membran. Membran yang digunakan adalah membran yang
bersifat hidrofobik dimana membrane mencegah penetrasi dari larutan, sehingga
hanya komponen yang dapat melewati membran hanyalah komponen yang bersifat
volatil. [9].
Penggunaan membran dalam berbagai
sektor saat ini sedang diteliti. Apabila
Fasa
larutan
Membran
Larutan hidrofobik
Fasa gas
(volatil)
Gambar 1. Distilasi osmotik membran (diadaptasi
dari [9])
penelitian menunjukkan bahwa membran
nanofiltrasi dapat digunakan secara komersial,
membran ini kemungkinan dapat digunakan dalam berbagai bidang, seperti migas,
kimia, industri pangan, dan bahkan pemisahan pelarut organik pada katalis
homogen.
3. Membran untuk nanofiltrasi
pelarut organik
Beberapa syarat yang harus dimiliki
oleh membran nanofiltrasi untuk memisahkan pelarut
organik secara efektif adalah membran harus memiliki tahanan kimiawi dan
mekanis terhadap pelarut organik. Selain itu, membran juga harus mampu
melewatkan pelarut organik dengan baik, tetapi dapat memisahkan komponen dalam
pelarut tersebut dan menampungnya dalam jumlah yang cukup besar. Membran yang
sering digunakan sebagai bahan untuk nanofiltrasi sekarang ini adalah membran
polimer dan membran anorganik.
Membran polimer yang sering
digunakan untuk memisahkan pelarut organik dapat dibagi ke dalam tiga kelas,
yaitu:
1.
Membran karet dengan
permeabilitas tinggi
Membran
ini sering digunakan untuk
membentuk membran komposit dengan lapisan selektif
berada pada material penyangga berpori [10]-[12]. Contoh membran ini adlah
MPF-50 dengan ketebalan 100 nm.
Ketika penyimpanan komponen yang terpisahkan
sedikit, perpindahan larutan melalui lapisan selektif didominasi oleh pemutusan
dan difusi dari komponen dalam larutan.
Penyimpanan komponen yang terpisahkan dalam jumlah
besar diakibatkan adanya transpor massa yang besar. Walaupun hal ini dapat
meningkatkan efektifitas membrane, transpor massa dalam jumlah besar ini dapat
mengurangi properti mekanik dan selektifitas dari membran. Hal ini dapat
diatasi dengan menggunakan membran polimer dengan model cross-linking.
2.
Membran polimer kaca dengan
permeabilitas rendah
Membran ini
digunakan untuk
membentuk membran asimetris dengan lapisan selektif
dan lapisan penyangga terbuat dari material yang sama.15 Membran ini dapat terbuat dari
poliamida, polimida, polisulfon, dan poliamida. Kekurangan dari membran ini
adalah adanya kontak dengan pelarut organik yang berbeda dapat menyebabkan
perubahan morfologi, struktur, dan lapisan selektif membran secara ireversibel
yang dapat berakibat pada karakteristik perpindahan dan pemisahan komponen.
3.
Membran polimer kaca dengan
permeabilitas tinggi. Contoh membran ini adalah PTMSP [13]-[16].
Salah satu masalah yang
membutuhkan pemisahan senyawa organik dari pelarut adalah peningkatan kualitas
air minum. Beberapa senyawa organik yang terdapat dalam air diyakini dapat
membentuk produk samping yang berbahaya (THM atau trihalometan) ketika
dicampurkan dengan
desinfektan yang mengandung zat klorin. Proses
pemecahan masalah tersebut difokuskan pada pemisahan senyawa organik yang
terdapat dalam air sehingga jumlah desinfektan dan produk samping yang terbentuk
dapat dikurangi. Membran nanofiltrasi diyakini sebagai membran ramah lingkungan
yang cukup efektif dalam proses pengolahan air yang mengandung senyawa organik
tersebut. Penggunaan nanofiltrasi dalam pengolahan air telah dilakukan secara
besar-besaran di Florida, Amerika Serikat [17].
Air Desinfektan
Senyawa
organik Klorin
Produk samping
THM
Gambar 2. Penambahan desinfektan pada
air yang mengandung senyawa organik
4.
Aplikasi dari
nanofiltrasi pada
industri petrokimia
Industri petrokimia adalah
industri yang menggunakan bahan baku bersumber dari minyak bumi dan gas bumi
untuk
pengolahan produk kimia. Industri petrokimia dibagi
ke dalam tiga bagian besar, yaitu produk petrokimia hulu, produk antara, dan
produk petrokimia hilir. Industri petrokimia hulu berperan dalam pengolahan
produk dasar menjadi produk setengah jadi ataupun produk jadi, seperti
propilena, metanol, dan etanol. Industri antara berperan dalam mengolah produk
setengah jadi yang dihasilkan oleh industri hulu menjadi produk yang masih bisa
diolah ataupun produk jadi. Sedangkan industri hilir adalah industri yang
mengolah produk antara menjadi produk jadi
yang dapat digunakan langsung oleh masyarakat [18].
Gambar 3. Diagram alir industri
petrokimia
Industri petrokimia identik
dengan penggunaan bahan baku berupa hidrokarbon rantai panjang (parafin). Salah
satu contoh adalah adanya parafin dalam bensin dapat meningkatkan titik leleh
dari bensin. Hal tersebut dapat diatasi dengan melarutkan parafin dengan pelarut
organik. Pelarut organik akan menurunkan viskositas sistem pada temperatur yang
rendah. Pelarut organik kemudian didinginkan hingga -20 ⁰C untuk mengkristalisasi parafin. Parafin yang sudah terkristalisasi
selanjutnya dipisahkan dengan proses penyaringan. Proses penyaringan ini
dilakukan dengan menggunakan membran nanofiltrasi yang kemudian dilanjutkan
dengan proses distilasi.
Penggunaan nanofiltrasi dalam
industri petrokimia telah banyak
berkembang. Beberapa paten telah ditemukan untuk
memisahkan pelarut dari parafin. Paten ini menggunakan membran berbahan
selulosa asetat, polimida, dan polikarbonat. Selain itu, ‘Shell Oil’ juga telah
membangun sebuah unit berskala pilot untuk memisahkan campuran minyak dengan
berbagai pelarut [19].
Setelah diteliti, material
membran yang baik untuk pemisahan adalah bahan polisiloksan dengan substitusi
halogen dan memiliki ruang penyimpanan yang terbatas terhadap komponen yang
dipisahkan.
Suatu pabrik petrokimia di Texas,
USA, ‘Mobil Beaumont Refinery’ memulai industri pemisahan minyak dari parafin
dengan menggunakan membrane nanofiltrasi. Dalam 14
bulan, produktifitas dari membran menurun hingga setengahnya, namun kemurnian
dari pelarut yang digunakan tetap terjaga. Hal ini telah menunjukkan adanya
kemungkinan untuk mendaur ulang 25 hingga 50 % pelarut dengan menggunakan
membrane nanofiltrasi tersebut.
Selain itu, penggunaan proses berbasis
nanofiltrasi ini juga meminimalkan penggunaan
energi dibanding dengan proses konvensional yang melibatkan perubahan fasa.
Pengurangan jumlah energi yang digunakan berimpilikasi pada pendapatan tahunan
yang semakin meningkat. Dengan demikian penggunaan nanofiltrasi dalam industri
petrokimia dapat meningkatkan efektifitas pemisahan, mengurangi jumlah energi,
dan meningkatkan pendapatan industri.
5.
Aplikasi dari nanofiltrasi dalam kalatalis homogen
Kompleks antara logam
transisi (Pt,
Pd, Ru, Rh, dll) dengan ligan organik seringkali
digunakan sebagai katalis dalam proses sintesis senyawa organik dan industri
petrokimia. Katalis yang terbentuk tersebut biasanya mahal, sehingga dibutuhkan
proses daur ulang. Katalis yang diperoleh kembali di akhir reaksi diolah agar
dapat digunakan kembali dalam proses selanjutnya. Dengan demikian, dibutuhkan
teknologi yang dapat memisahkan katalis dari produk yang terbentuk dengan
efektif.
Beberapa sistem katalis dengan
aktifitas dan selektifitas yang besar dan digunakan pada kondisi operasi lunak
seringkali mengalami deaktivasi pada saat proses daur ulang. Dibutuhkan
beberapa metode untuk menjaga agar katalis yang digunakan tidak mengalami
deaktivasi.
Beberapa metode tersebut antara
lain:
1. Reaksi
dilakukan di sistem dua fasa.
2.
Katalis kompleks yang aktif
disusun menyilang pada material penyangga tidak larut dalam campuran reaksi.
3.
Katalis kompleks yang aktif
disusun menyilang dengan penyangga yang larut dalam campuran reaksi.
4. Nanofiltrasi
pelarut organik.
Apabila katalis larut dalam salah
satu fasa, sedangkan produk reaksi larut dalam fasa lainya, maka katalis dapat
dengan mudah dipisahkan dari produk reaksi. Salah satu kekurangan dari metode
ini adalah terkadang substrat dan produk reaksi tidak cukup larut dalam fasa
yang mengandung katalis sehingga dapat menurunkan laju reaksi. Untuk mengatasi
masalah ini, reaksi dapat dilakukan pada perbatasan antara fasa air dan fasa
organik.
Prinsip dari metode kedua adalah
memastikan bahwa katalis dapat dengan mudah dipisahkan pada proses filtrasi
[20],
[21].
Partikel berukuran halus yang
tidak larut dalam campuran reaksi digunakan sebagai material penyangga.
Kekurangan dari metode ini adalah adanya penurunan aktivitas dari katalis
karena kemungkinan pemutusan ikatan kovalen dengan material penyangga yang
cukup besar sehingga menyebabkan katalis larut dalam campuran reaksi dan
menjadi sulit dipisahkan.
Metode ketiga merupakan metode
dimana seluruh katalis didistribusikan secara sempurna di dalam sistem
[22]-[25]. Pada akhir reaksi, katalis kompleks yang tersebar secara merata
tersebut dapat dipisahkan dengan menggunakan ultrafiltrasi atau nanofiltrasi.
Metode keempat menggunaka membran
nanofiltrasi untuk memisahkan pelarut organik dari katalis. Metode ini sangat
efektif karena katalis yang telah terpisahkan dapat langsung digunakan tanpa
mengalami modifikasi sedikitpun. Prinsip dari metode ini adalah adanya membran
yang dapat menahan dan menampung katalis homogen secara efektif seiring dengan
pemisahan produk reaksi dari pelarut. Ukuran katalis yang dapat ditampung
berkisar antara 300-1200 Da.
Aplikasi dari metode ini dapat
dilakukan dengan menggunakan reaktor kimia yang dikombinasikan dengan membran
nanofiltrasi. Proses ini dapat dilakukan baik
secara batchmaupun kontinu. Pada
kenyataannya, metode ini hanya dapat digunakan
secara terbatas. Proses nanofiltrasi berlangsung dengan cukup lambat sehingga
menurunkan laju reaksi yang berimplikasi pada menurunnya derajat konversi.
Metode nanofiltrasi juga hanya dapat digunakan pada kondisi operasional yang
terbatas.
Penggunaan membran dalam proses
pemisahan katalis telah dimulai setengah abad yang lalu. Perusahaan ‘American
Oil’ telah memberi paten atas metode pemisahan yang digunakannya. Metode
pemisahan ini menggunakan membran hidrofobik berbahan polietilen dan digunakan
untuk memisahkan katalis asam pada proses konversi hidrokarbon. Membran yang digunakan
berbasis reverse osmosis [26].
Paten lain terhadap metode
pemisahan dengan membran ini juga
dilakukan oleh perusahaan ‘British Petroleum’ pada
tahun 1971. Perusahaan ini menggunakan membran ultrafiltrasi untuk menyaring
kompleks logam transisi seperti rhodium, nikel, dan vanadium. Membran yang
digunakan terbuat dari bahan selulosa asetat [27]. Paten lain juga diberikan
terhadap perusahaan tersebut pada tahun 1974. Paten ini berisi metode pemisahan
senyawa elemen organik dengan menggunakan membran yang terbuat dari bahan karet
silikon pada temperature 0 – 200 ⁰C [28].
Pada tahun 1974, perusahaan E I
du Pont de Nemours’ mematenkan metode pemisahan katalis organik dari media
organik yang mengandung senyawa nitril [29]. Pemisahan ini menggunakan membran
asimetris berbahan polimida dan poliamida aromatik [30]. Pemisahan dengan
metode ini dilakukan secara reverse
osmosis.
Selanjutnya, pada tahun 1993, ‘Membrane
Products Kiryat Weitzman Ltd’ mendapatkan paten atas metode pemisahan berbagai
zat terlarut dalam pelarut organik [31], [32]. Membran yang digunakan untuk
proses tersebut adalah membran nanofiltrasi. Metode ini kemudian dikembangkan
dan sering digunakan untuk memisahkan katalis homogen seperti kompleks logam
rhodium dan ligan fosfor organik dari campuran reaksi
yang mengandung senyawa aldehid enansiomer.
Paten lainnya diberikan pada
tahun 1997 untuk metode pemisahan katalis homogen berbasis membran [33]. Paten
tersebut menyatakan bahwa membran nanofiltrasi bertipe MPF-50 dapat digunakan untuk
menampung katalis rhodium hingga 92.8% pada tekanan 27.5 atm.
Paten-paten yang telah diberikan
tersebut menunjukkan bahwa pada sistem reaktor kontinu, penggunaan membran
nanofiltrasi dalam pemisahan senyawa organik berukuran halus dapat meningkatkan
produk yang dihasilkan. Selain jumlah
produk yang meningkat, waktu berlangsungnya reaksi
juga semakin berkurang sehingga proses kimia berjalan dengan semakin efektif
dan efisien. Keuntungan lain penggunaan nanofiltrasi adalah adanya selektifitas
yang tinggi terhadap produk samping yang dihasilkan selama reaksi.
Membran nanofiltrasi yang
digunakan untuk memisahkan dan mendaur ulang katalis juga memberikan beberapa
keuntungan lain. Katalis dapat didaur ulang dalam keadaan aktif hingga 10 kali
pendauran. Katalis yang telah didaur ulang berkali-kali tetap memberikan produk
dalam jumlah yang tinggi.
Namun, metode nanofiltrasi juga
memiliki beberapa kekurangan. Beberapa percobaan mengenai membran nanofiltrasi
menunjukkan bahwa dalam semua kasus (kecuali membran karet), penurunan
permeabilitas membran pada suatu media (khususnya toluena) dapat mempengaruhi
tekanan parsial membran ketika sistem berada dalam tekanan tinggi. Selain itu,
ketika membran diaplikasikan untuk memisahkan katalis, fluks yang melalui membran
berkurang dari 20% hingga 65%. Hal ini disebabkan oleh adanya fouling pada permukaan membran oleh
katalis homogen.
Selain itu, membran bersifat
cukup sensitif, sehingga pada kondisi operasional yang tidak lunak ataupun pada
pelarut yang berbeda, struktur dari membran dapat mengalami perubahan. Dengan
demikian,
sulit untuk mendapatkan data yang pasti mengenai
ukuran partikel yang dapat diisolasi oleh suatu membran. Data yang tersedia
oleh beberapa pabrik mengenai ukuran partikel hanya dapat diterapkan pada
kondisi dan pelarut tertentu.
Jenis membran yang paling efektif
dalam proses pemisahan adalah membran asimetrik. Membran asimetrik dapat
menampung katalis yang terlarut (terutama dalam toluena) dalam jumlah yang
besar. Membran asimetrik yang sering digunakan adalah membran STARMEM 122.
Membran ini dapat digunakan dalam proses pemisahan dan pendaur-ulangan katalis.
Walaupun katalis yang digunakan telah didaur ulang beberapa kali, laju
pembentukkan dari produk tetap seperti pada kondisi awal tanpa memerlukan
penambahan katalis. Namun,
setelah digunakan beberapa waktu, produktifitas dan
penampungan dari katalis dalam membran akan semakin menurun.
Berdasarkan percobaan, membran
berjenis STARMEM lebih disukai dalam proses nanofiltrasi untuk berbagai jenis
zat terlarut yang berada dalam pelarut etil asetat. Membran STARMEM memberikan
nilai fluks tertinggi dan penolakan katalis lebih dari 95%. Namun, membran
jenis ini juga
memiliki beberapa kekurangan jika digunakan untuk
memfiltrasi pelarut organik lain, misal membran polimida dari STARMEM 240 tidak
stabil dalam pelarut
diklorometana dan tetrahidrofuran, sedangkan
membrane STARMEM 120 dan 122 mempunyai nilai permeabilitas yang sangat rendah
dalam kedua pelarut organik tersebut. Untuk mengatasi hal tersebut, dirancang
membran bertipe Desal-5 yang memiliki karakteristik transpor lebih baik pada
pelarut diklorometana [34].
6.
Aplikasi Dari Nanofiltrasi Dalam Pemisahan Lelehan Ionik
Lelehan ionik digunakan sebagai
pelarut generasi terkini yang ramah lingkungan [35]-[37]. Senyawa ini termasuk
golongan non-volatil, sehingga pada suhu ruang senyawa ini berbentuk cairan.
Lelehan ionik tidak larut dalam air maupun
kebanyakan pelarut organik. Namun, banyak katalis
berbahan dasar kompleks dari senyawa organik larut dengan baik dalam lelehan
ionik tersebut. Dengan demikian, pelarut berbahan lelehan ionik ini dapat
memberikan prospek yang cerah dalam proses sintesis senyawa organik.
Adanya sisi aktif dari katalis
yang tidak tersolvasi dalam lelehan ionik berimplikasi pada adanya peningkatan
stabilitas dari senyawa, peningkatan efisiensi dan selektivitas dari sistem
katalis (terutama pada lelehan ionik yang cocok dengan sistem katalis
tersebut). Dalam kasus ini, pelarut organik dapat digunakan sebagai fasa non-misibel.
Medium lelehan ionik tersebut
memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan sistem air-pelarut organik.
Produk reaksi yang terbentuk dalam sistem ini akan terekstraksi ke dalam fasa
organik, sedangkan katalis akan tetap berada pada lelehan ionik. Selain itu,
katalis homogen tidak memerlukan modifikasi tambahan untuk menjaga
kelarutannya.
Penggunaan lelehan ionik memiliki
beberapa kelemahan. Kelemahan tersebut antara lain adalah adanya pelarutan
parsial dari lelehan anionik dan katalis dalam fasa organik. Lelehan anionik
dan katalis di dalam fasa organik sulit untuk dipisahkan. Sulitnya pemisahan
katalis akan berakibat pada sulitnya proses pendaur-ulangan dari katalis yang
digunakan. Masalah ini dapat diatasi dengan membrane STARMEM yang dapat memisahkan
molekul ionik hingga 200-400 Da. Membran ini dapat dengan baik digunakan untuk
memisahkan katalis dari pelarut metanol, toluene, dan etil asetat pada suhu 30 ⁰C dengan tekanan 30 dan 50 atm [38].
Beberapa percobaan menunjukkan
bahwa membrane STARMEM 120 dan STARMEM 122 dapat memisahkan lelehan ionik
berjenis CYPHOS 1L 101 dan ECOENG 500 dalam pelarut metanol dan etil asetat
hingga 95% (dalam mode mengalir) dan sekitar 80 – 90% dari pelarut toluena.
7. Nanofiltrasi sebagai metode
pertukaran pelarut dalam sintesis
organik bertahap
Pertukaran pelarut sering kali
menjadi masalah dalam proses sintesis organik multitahap. Hal ini sering
terjadi pada bidang farmasi, dimana langkah-langkah yang dibutuhkan untuk
mensintensis suatu senyawa organik cukup banyak dan rumit. Setiap tahap dalam
proses sintesis tersebut membutuhkan pelarut dengan jenis yang berbeda. Adanya
proses pertukaran pelarut seringkali menjadi masalah karena sulitnya proses
pemisahan suatu pelarut dari produk-produk reaksi yang telah terbentuk. Proses
pemisahan secara konvensional biasa dilakukan dengan cara distilasi vakum.
Namun proses distilasi tidak dapat digunakan jika pelarut kedua memiliki titik
didih yang lebih rendah dibanding dengan pelarut pertama. Proses distilasi juga
tidak dapat dilakukan jika pelarut membentuk campuran azeotrop dan produk
reaksi tidak stabil pada suhu tertentu.
Untuk mengatasi hal tersebut,
digunakan membran nanofiltrasi untuk menyaring pelarut organik. Pelarut akan
meresap ke dalam membran, sedangkan zat antara (produk yang terbentuk) dengan
berat molekul yang lebih besar dibanding pelarut akan tertahan. Proses ini
dapat memisahkan pelarut hingga 70 – 90%. Proses pemisahan juga dapat dilakukan
berkali-kali untuk mendapatkan hasil yang lebih maksimal. Setelah proses
pemisahan pelarut ini, pelarut kedua kemudian ditambahkan sehingga pertukaran
pelarut dapat berlangsung dengan baik.
Kemungkinan penggunaan membran
MPF-50 dan MPF-60 dalam proses substitusi metanol dari etil asetat dalam suatu
campuran di industri farmasi telah diteliti. Sebagai zat terlarut, digunakan
antibiotic eritromisin dengan ukuran 734 Da. Persentase akhir dari etil asetat
dalam campuran setelah dilakukan 3 kali proses pemisahan pada tekanan 30 atm
adalah sebesar 4%. Kedua jenis membran tersebut juga memberikan tingkat
pemisahan yang tinggi terhadap eritromisin. MPF-50 dapat memisahkan eritromisin
hingga 87%,
sedangkan MPF-60 dapat memisahkan hingga 96%.
8.
Aplikasi dari
nanofiltrasi dalam
bidang industri pangan
Dalam bidang industri, minyak
nabati biasa diperoleh dengan dua cara, yaitu penekanan biji dan ekstraksi
pelarut (biasa pelarut yang digunakan adalah heksana). Jika komposisi minyak di
dalam biji lebih besar dari 25%, metode ekstraksi dianggap cukup ekonomis.
Metode ini biasa digunakan dalam proses produksi minyak bunga matahari dan
minyak kedelai. Bagian dari proses ekstraksi yang paling banyak membutuhkan
energi adalah proses distilasi untuk memisahkan pelarut organik (heksana) dari
minyak yang dihasilkan. Karena ketidakekonomisan akibat penggunaan energi yang
besar, disarankan untuk menggunakan membran nanofiltrasi sebelum proses
distilasi. Proses pemisahan
dengan membran nanofiltrasi akan memekatkan zat
terlarut. Akibat banyaknya pelarut yang telah tersaring, proses distilasi tidak
membutuhkan energi yang terlalu besar untuk memisahkan zat terlarut dari sisa
pelarut yang ada. Walaupun penggunaan membran dalam proses pemisahan dapat
menghemat energi yang dibutuhkan, membran ini memiliki stabilitas kimia yang
lemah pada kondisi tertentu [39].
Pada tahun 1996, perusahan Jerman
‘GKSS’ mematenkan proses pemisahan minyak jagung dari pelarut heksana
menggunakan membran dengan lapisan selektif berbahan PDMS yang tersusun silang
dan teradiasi-induksi [40]. Melalui metode ini, komposisi minyak di dalam
campuran dapat meningkat dari 66% menjadi 90% seiring dengan penurunan
permeabilitas hingga 20%.
Stafie, et al. [41] juga meneliti penggunaan membran nanofiltrasi untuk
memisahkan pelarut heksana dari minyak bunga matahari di laboratorium dengan
menggunakan membran silang PDMS. Membran ini memberikan karakteristik pemisahan
yang stabil pada campuran 8% minyak bunga matahari dalam pelarut heksana.
Tingkat pemisahan dapat mencapai
90% pada tekanan 7 atm dan temperature 20 ⁰C selama 4 hari. (6 jam per hari). Penggunaan
campuran minyak bunga matahari dalam pelarut heksana dengan
konsentrasi melebihi 30% dapat menyebabkan tekanan
osmosis mencapai 4.3 atm pada suhu ruang. Peningkatan tekanan osmosis
menyebabkan semakin banyaknya minyak yang tertampung di dalam membran.
Peningkatan tekanan osmosis menjadi salah satu faktor yang menyebabkan proses
pemisahan dengan membran nanofiltrasi sebaiknya dilakukan sebelum proses
distilasi selain adanya penggunaan energi yang lebih efisien. Adanya peningkatan
tekanan osmosis antara lain disebabkan oleh fluks pelarut yang melewati membran
semakin besar yang menyebabkan jumlah pelarut heksana yang tersimpan di dalam
membran semakin banyak dan tekanan osmosis menjadi lebih tinggi.
Minyak nabati mengandung komponen
utama berupa trigliserida. Tingkat pemisahan dari trigliserida dalam suatu
campuran dengan pelarut heksana kemudian diteliti pada berbagai kombinasi
tekanan dan temperatur. Proses pemisahan secara nanofiltrasi dapat dilakukan
dengan menggunakan membran komposit berbahan karet silikon. Membran ini sering
disebut ‘Distilasi Membran Osmotik’. Temperatur larutan umpan diatur agar
mendekati larutan yang mengalir pada sisi lain membran. Penggunaan larutan
dengan tekanan uap air rendah (larutan ekstraksi di sisi distilat) menyebabkan
perbedaan tekanan uap di sepanjang membran. Dengan demikian, pemilihan larutan
ekstraksi menjadi faktor yang sangat penting dalam distilasi membran osmotik.
Tingkat pemisahan dari berbagai
jenis trigliserida dengan menggunakan membran osmotik dapat dilihat pada tabel
1. Berdasarkan data pada tabel tersebut, penolakan terhadap senyawa glierida
meningkat seiring dengan peningkatan berat molekul.
Tabel 1. Tingkat penolakan distilasi membran
osmotik terhadap trigliserida dalam pelarut heksana pada 45 ⁰C, 1 atm (diadaptasi dari [42]
|
Jenis Trigliserida
|
M/Da
|
R(%)
|
|
Tricaprin
|
554
|
72
|
|
Trilaurin
|
639
|
81
|
|
Trimiristin
|
723
|
83
|
|
Tripalmitin
|
807
|
92
|
|
Tristearin
|
890
|
90
|
Proses pemurninan dari minyak
nabati memiliki beberapa hal yang harus ditinjau, terutama mengenai pemisahan
asam lemak bebas. Beberapa solusi berbasis membran telah dikembangkan untuk
mengatasi
masalah tersebut. Metode pertama melibatkan
pemisahan parsial dari asam lemak dengan proses nanofiltrasi dari minyak nabati
[43]. Metode kedua adalah penambahan pelarut organik ke dalam minyak nabati
tersebut. Penambahan pelarut akan meningkatkan fluks total yang melewati
membran yang menyebabkan peningkatan proses transpor dari asam lemak bebas,
namun transpor dari trigliserida tetap (tidak berubah secara signifikan) [44],
[45]. Metode ketiga berdasarkan proses ekstraksi dari asam lemak dengan
menggunakan alkohol dan dilanjutkan oleh proses pemisahan secara nanofiltrasi
dan mendaur ulang pelarut (alkohol). Sedangkan metode yang terakhir adalah
memisahkan trigliserida dan asam lemak bebas menggunakan membran nanofiltrasi
tanpa perlu penambahan pelarut organik [46].
Karena keefisienan dan
keefektifan dari penggunaan membran nanofiltrasi dalam proses pemisahan minyak
nabaticukup tinggi, teknologi ini dapat memberi peningkatan dalam bidang
ekonomi dan menjadi salah satu teknologi yang ramah lingkungan.
9.
Kesimpulan
Diantara metode pemisahan
dengan
menggunakan membran, metode nanofiltrasi pelarut
organik merupakan teknologi yang relatif baru. Teknologi ini menjanjikan
penggunaan energi yang cukup rendah. Aplikasi
terbesar dari nanofiltrasi pada saat ini ada pada bidang petrokimia, sintesis
senyawa organik, dan industri pangan.
Pada skala industri, nanofiltrasi
digunakan untuk pemisahan minyak bensin
dari parafin. Penggunaan membran nanofiltrasi
sebaiknya dilakukan sebelum proses distilasi.
Selain digunakan untuk memisahkan
minyak bensin dari parafin, nanofiltrasi juga digunakan pada optimisasi tahap
sintesis-pemisahan. Metode ini sering digunakan untuk memisahkan dan mendaur
ulang katalis homogen dalam suatu campuran reaksi. Seiring dengan perkembangan
zaman, ditemukan metode baru untuk pemisahan berbasis nanofiltrasi yaitu
penggunaan lelehan ionik. Lelehan ionik tersebut akan mempermudah membran
nanofiltrasi untuk memisahkan katalis dari produk yang terbentuk.
Untuk produk antara yang tidak
stabil pada suhu tertentu, proses distilasi yang biasa digunakan untuk
pertukaran pelarut dalam sintesis multitahap dapat diganti dengan tekonologi
nanofiltrasi.
Selain keuntungan-keuntungan
tersebut, metode pemisahan nanofiltrasi juga memiliki beberapa kelemahan.
Aplikasi dari nanofiltrasi dalam berbagai bidang masih dibatasi oleh availability dari membran yang sensitif
dan sifat membran yang berbeda-beda pada kondisi operasi yang berbeda.
Daftar Pustaka
[1]
I.G. Wenten, Khoiruddin, P.T.P.
Aryanti, A.N. Hakim. Pengantar Teknologi Membran. Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, (2010).
[2]
I.G. Wenten. Teknologi Membran
dan Aplikasinya di Indonesia. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, (2010).
[3]
I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti,
Khoiruddin, A.N. Hakim. Proses Pembuatan Membran. Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, (2011).
[4]
N A Bhore, R M Gould, S M Jacob,
P O Staffeld, D Mcnally, P H Smiley, C R Wildemuth, New Membrane Process
debottlenecks Solvent Dewaxing Unit, Oil Gas J. 97 (46) (1999) 67.
[5]
L S White, A R Nitsch, Solvent
Recovery from Lube Oil Filtrates with Polyimide Membranes, J. Membr. Sci.
(2000) 179-267.
[6]
R M Gould, L S White, C R
Wildemuth, Membrane Separation in Solvent Tube Dewaxing, Environ. Prog. 20,
no.1 (2001) 12-16.
[7]
N A Bhore, R M Gould, T L
Hilbert,M P McGuiness, D McNally, P H Smiley, C R Wildemuth, Mmbranes
Debottleneck Lube and Wax Production, in Lubricants and Waxes Meeting, Houston,
TX (1999) LW-99-128.
[8]
L S White, Development of
Large-Scale Applications in Organic Solvent Nanofiltration and Pervaporation
for Chemical and Refining Process, J. Membr. Sci. 286 (2006) 26-35.
[9]
I.G. Wenten. Perkembangan Terkini
di Bidang Teknologi Membran. Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung, (2014).
[10]
I F J Vankelecom, K De Smet, L E
M Gevers, A Livingston, D Nair, S Aerts, S Kuypers, P A Jacobs,
Physico-chemical Interpretation of the SRNF Transport Mechanism for Solvents
through Dense Silicone Membranes, J. Membr. Sci. 231 (2004) 99-108.
[11]
J P Robinson, E S Tarleton, K
Ebert, C R Millington, A Nijmeijer, The Influence of Polarity on Flux and
Rejection Behaviour in Solvent Resistant Nanofiltration, Ind. Eng. Chem. Res.
44 (2005) 3238-3248.
[12]
N Stafie, D F Stamatialis,M
Wessling, Effect of PDMS Cross-linking Degree on the Permeation Performance of
PAN/PDMS Composite Nanofiltration Membranes, Sep. Purif. Technol. 45 (2005)
220-231.
[13]
A V Volkov, V V Parashchuk, Yu P
Kuznetsov, S V Kononova, D V Dmitriev, L I Trusov, V V Volkov Krit. Tekhnol.
Membrany 31 (2006) 14.
[14]
A V Volkov, dkk, in Proceedings
of International Conference `Euromembrane 2004', Hamburg, 2004, pp.131.
[15]
A V Volkov, D F Stamatialis, V S
Khotimsky, V V Volkov, M Wessling, N A Plate, Poly[1-(trimethylsilyl-1-propyne]
as a Solvent Resistance Nanofiltration Membrane Material, J. Membr. Sci. 281
(2006) 351-357.
[16]
A V Volkov, D F Stamatialis, V S
Khotimsky, V V Volkov, M Wessling, N A Plate, Desalination 199 (2006) 251-252.
[17]
I.G. Wenten, P.T.P. Aryanti,
Khoiruddin. Teknologi Membran dalam Pengolahan Limbah. Teknik Kimia Institut
Teknologi Bandung, (2014).
[18]
R. Jazz, Pengertian Dasar
Industri Petrokimia,
http://www.prosesindustri.com/2015/02/pengertian-dasar-industri-petrokimia.html,
diakses 10-04-2016.
[19]
J.G.A. Bitter, et al, Process for
the Separation of Solvents from Hydrocarbons Dissolved in the Solvents, U.S.
Patent (1988) 4,748,288.
[20]
I.T. Horváth. Hydroformylation of
olefins with the water soluble HRh (CO)[P (m-C6H4SO3Na) 3] 3 in supported
aqueous-phase. Is it really aqueous?. Catalysis
Letters, 6(1) (1990) 43-48.
[21]
Behr, A. (1998). Technische
Konzepte zum Recycling von Homogenkatalysatoren. Chemie Ingenieur Technik, 70(6),
685-695.
[22]
S J Connon, S Blechert, in
Ruthenium Catalysts and Fine Chemistry (Topics in Organometallic Chemistry)
Vol. 11, C Bruneau, P H Dixneuf (Eds.), Heidelberg, New York: Springer, 2004,
pp. 93.
[23]
B Cornils, W A Herrmann, I T
Horvath, W Leitner, S Mecking, H Olivier-Bourbigou, D Vogt (Eds.), Multiphase
Homogeneous Catalysis, Willey-VCH, Weinheim ( 2005).
[24]
M T Reetz, G Lohmer, R
Schwickardi, Synthetis and Catalytic Activity of Dendritic Diposhphane Metal
Complexes, Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 36 (1997) 1526.
[25]
N Brinkman, D Giebel, G Lohmer,M
T Reetz, U Kragl, Allylic Substitution with Dendritic Palladium Catalysts in a
Continuously Operating Membrane Reactor, J. Catal. 183 (1999) 163-168.
[26] J.F.H.
Douglas, et al, Synchronous Induction Motor, U.S. Patent (1959) 2,913,607.
[27] M.T.
Westaway, et al, Catalyst Ultrafiltration Process, U.S. Patent (1971)
3,617,553.
[28] M.T.
Westaway, et al, Separation of Metal Compounds, U.S. Patent (1972) 3,645,891.
[29]
M.T. Westaway, et al, Membrane
Seperatio of Homogenous Catalysts from Nitrile Solutions, U.S. Patent (1974)
3,853,754.
[30]
H.Bahrmann, et al, Process for
Separating Organometallic Compounds and/or Metal Carbonyls from Their Solutions
in Organic Media, U.S. Patent(1992) 5,174,899.
[31]
C. Linder, et al,
Silicone-derived Solvent Stable Membranes, U.S. Patent (1993) 5,205,934.
[32]
C.Linder, et al, Silicone-derived
Solvent Stable Membranes, U.S. Patent (1993) 5,265,734.
[33] J.F.
Miller, et al, Membrane Separation Process, U.S. Patent (1997) 5,681,473.
[34]
M. Pasternak, Membrane Process
for Treating a Mixture Containing Dewaxed Oil and Dewaxing Solvent, U.S. Patent
(1992) 5,102,551.
[35] T Welton,
Adv. Synth. Catal, Chem. Rev. 99 (1999) 2071.
[36]
N J Earle, K R Seddon, Ionic
Liquids (Green Solvents for Future), Pure Appl. Chem. 72 (2000) 1391-1398.
[37]
D Zhao,M Wu, Y Kou, E Min, Ionic
Liquids : Applications in Catalysis, Catal. Today 74 (2002) 157-189.
[38]
S Han, H-T Wong, A G Livingston,
Application of Organic Solvent Nanofiltration to Separation of Ionic Liquids
and Products from Ionic Liquid Mediated Reactions, Chem. Eng. Res. Des. 83
(2005) 309-316.
[39]
S S KoÈ seoglu, J T Lawhon, E W
Lusas, Membrane Processing of Crude Vegetable Oils; Pilot Plant Scale Removal
of Solvent from Oil Miscellas, J. Am. Oil Chem. Soc. 67 (1990) 315-322.
[40]
L.S. White, Polyimide Membranes
for Hyperfiltration Recovery of Aromatic Solvents, U.S. Patent (1998)
6,180,008.
12
[41]
L P Raman,M Cheryan, N
Rajagopalan, Solvent Recovery and Partial Deacification of Vegetable Oils by
Membrane Technology, Lipid/Fett 98 (1996) 10-14.
[42]
H J Zwijnenberg, A M Krosse, K
Ebert, K-V Peinemann, F P Cuperus, Acetone-Stable Nanofiltration Membranes in
Deacidifying Vegetable Oil, J. Am. Oil Chem. Soc. 76 (1999) 83-7.
[43]
N S Krishna Kumar, D N Bhowmick,
Separation of Fatty Acids/Triglycerol by Membranes, J. Am. Oil Chem. Soc. 73
(1996) 399-401.
[44]
V Kale, S P R Katikaneni,M
Cheryan, Deacidifying Rice Bran Oil by solvent Extraction and Membrane
Technology, J. Am. Oil Chem. Soc. 76 (1999), 723.
[45]
R Subramanian, K S M S
Raghavarao, H Nabetani, M Nakajima, T Kimura, T Maekawa, Differential
Permeation of Oil Constituents in Nonporous Denser Polymeric Membranes, J.
Membr. Sci. 187 (2001) 57-69.
[46] K Ebert,
F P Cuperus, Membranotechnology, Membr. Technol. 107 (1999) 5-8.
Komentar
Posting Komentar