Apabila anda memiliki artikel yang berkenaan dengan lingkungan hidup untuk diposting di blog ini, silahkan kirim artikel anda (attachment) ke: yusmanmsc@email.com atau yusman61@gmail.com. Terima kasih atas partisipasi anda.
If you have articles related to environment to be posted on this blog, please send your articles (attachment) to: yusmanmsc@email.com or yusman61@gmail.com. Thank you for your participation.

APLIKASI MEMBRAN KONTAKTOR UNTUK PEMISAHAN CO2

by Prayudi Noverri

Pemanasan global (global warming) merupakan permasalahan lingkungan yang telah banyak mendapat perhatian serius saat ini. Konsekuensi yang timbul akibat pemanasan global antara lain meningkatnya temperatur rata-rata bumi dan tinggi permukaan air laut, kemarau yang berkepanjangan, meluasnya gurun, adanya gelombang panas, terpecah belahnya ekosistem, dan berkurangnya aktivitas agrikultural. Gas CO2 memiliki kontribusi yang paling besar dalam efek rumah kaca, Berdasarkan observasi yang dilakukan laboratorium Mauna Loa, Hawaii, jumlah karbon dioksida di udara meningkat dengan cepat, dari 310 ppmv pada tahun 1958 sampai 370 ppmv di tahun 2001. Peningkatan jumlah karbon dioksida ini terutama disebabkan oleh penggunaan bahan bakar fosil yang memproduksi sekitar 24 milyar ton CO2 per tahun dan hanya setengahnya yang dapat diabsorb oleh proses alam.

CO2 dibutuhkan dalam jumlah kecil untuk siklus karbon di alam, seperti yang kita ketahui tumbuhan membutuhkan CO2 untuk proses fotosintesis. Tapi, CO2 dalam jumlah besar juga dimanfaatkan di dalam industri kimia. Beberapa aplikasi gas CO2 antara lain :

1. Minuman berkarbonasi
2. Proses pembuatan urea
3. Produksi etanol
4. Fire extinguisher
5. Dry ice
6. Supercritical carbon dioxide

Gas CO2 dalam jumlah besar dapat ditemukan pada gas buang yang dihasilkan dari peralatan industri seperti steam generator, furnace, blast furnace pada industri besi dan baja, rotary kiln pada industri semen, dan lain sebagainya. Secara prinsip, berbagai cara dapat digunakan untuk pemisahan CO2. Pemilihan metoda yang cocok tergantung pada beberapa parameter, seperti konsentrasi CO2 di aliran umpan, sifat alami komponen umpan, tekanan dan temperatur. Pemilihan proses pemisahan CO2 dapat dilihat pada gambar-1 dibawah.


Berdasarkan diagram tersebut, proses yang paling banyak digunakan untuk pemisahan CO2 adalah absorpsi cairan. Absorben yang digunakan harus mempunyai kapasitas yang besar terhadap CO2 dan harus bisa diregenerasi.
Membran Kontaktor untuk Pemisahan CO2
Membran Kontaktor versus Kontaktor Gas/Cair
Secara umum proses absorpsi dilakukan menggunakan kontaktor gas-cair. Perpindahan massa kontaktor gas-cair diperoleh dengan kontak langsung dan dispersi satu fasa ke fasa yang lainnya. Kontaktor industri diklasifikasikan ke dalam tiga kategori tergantung pada fasa terdispersinya.
1. Kontaktor dimana cairan mengalir sebagai film tipis (contoh: packed column, disc contactors, dll).
2. Kontaktor dimana gas didispersikan ke dalam fasa cairan (contoh: plate column, bubble column, mechanically agitated contactors, dll).
3. Kontaktor dimana cairan didispersikan ke dalam fasa gas (contoh: spray column, venturi scrubbers, dll).
Sayangnya kontaktor konvensional ini memiliki beberapa kekurangan, antara lain: konsumsi energi yang besar, susah dioperasikan karena seringnya muncul masalah seperti flooding, foaming, channeling, dan entrainment. Keterbatasan teknologi ini menyebabkan proses menjadi kurang efisien dan biaya yang mahal.

Gambar-2: Membran Hollow Fiber

Teknologi alternatif yang tepat untuk menggantikan proses kontaktor konvensional adalah membran kontaktor hollow fiber. Sekarang pertanyaannya ialah, mengapa demikian? Untuk menjawab hal tersebut, marilah kita meninjau beberapa keuntungan membran kontaktor dibandingkan dengan kontaktor konvensional, antara lain:
1. Kontak bersifat non-dispersif sehingga tidak mungkin terjadi flooding dan entrainment
2. Laju alir gas dan cairan lebih rendah dari kontaktor konvensional dan dapat bervariasi secara bebas
3. Luas permukaan kontak yang sangat besar, yaitu 500-1500 m2/m3. Luas ini jauh lebih besar dari pada luas permukaan kontaktor konvensional yaitu 100-250 m2/m3
4. Hold up pelarutnya rendah, sangat atraktif untuk pelarut yang mahal
5. Scale-up dapat dilakukan dengan mudah
Keuntungan yang diberikan oleh membran kontaktor menyebabkan ukuran kontaktor menjadi jauh lebih kecil daripada kontaktor konvesional.


Gambar-3: Kontak Non-Dispersif pada Membran Kontaktor

Membran Kontaktor Hollow fiber
Aplikasi membran ini menggunakan modul hollow fiber. Apakah hollow fiber itu sebenarnya? Hollow fiber dapat diartikan sebagai membran kapiler yang terdiri dari bagian tube dan shell, persis seperti heat exchanger. Pada membran kontaktor, absorben mengalir didalam tube sedangkan aliran gas akan mengalir di bagian shell atau bisa juga sebaliknya. Jenis membran yang digunakan bisa berupa membran porous maupun membran non-porous. Pada membran non-porous, membran berfungsi sebagai batas antara fasa gas dan fasa liquid. Sedangkan pada membran porous, terjadi proses selektif dan perpindahan partikel yang terkontrol dari fasa gas ke fasa cairan. Akan tetapi, membran porous menyebabkan transfer perpindahan massa dari gas ke cairan menjadi kecil akibat tahanan dari membran. Sehingga,membran porous lebih disukai pada aplikasi membran kontaktor.
Seperti yang dijelakan di atas, pada membran kontaktor terjadi kontak non-dispersif, yang artinya tidak terjadi kontak secara langsung antara absorben dan gas. Permukaan (interface) fluida/fluida terbentuk pada mulut pori membran, dan perpindahan massa akan terjadi melalui difusi pada permukaan fluida di dalam pori membran. Berbeda dengan jenis membran reverse osmosis ataupun nanofiltrasi yang menggunakan tekanan sebagai gaya dorong karena pada membran kontaktor gaya dorong yang digunakan adalah perbedaan konsentrasi. CO2 akan berpindah dari gas yang memiliki konsentrasi CO2 tinggi menuju cairan absorben yang memiliki konsentrasi CO2 rendah.
Perpindahan Massa dan Modelling pada Membran Kontaktor Gas/Cair
Perpindahan massa suatu komponen dari fasa gas ke dalam cairan yang mengalir di dalam membran hollow fiber terdiri dari tiga tahap, yaitu difusi solute dari fasa bulk gas ke permukaan membran, difusi melalui pori membran ke permukaan cairan, dan difusi dari permukaan cairan ke fasa bulk cairan. Koefisien perpindahan massa overall tergantung pada resisten perpindahan massa individual, untuk fasa gas (1/kg), membran (1/km), fasa cairan (1/mkLE) dengan persamaan sebagai berikut [Kreulen et al]:

E adalah enhancement factor yang menunjukkan peningkatan laju absorpsi karena reaksi kimia dan m adalah kelarutan fisik komponen gas di dalam cairan absorben. Sedangkan g ialah koefisien perpindahan massa berhubungan dengan hidrodinamik.
Target dalam proses membran kontaktor adalah terjadinya perpindahan massa yang besar dari aliran gas menuju cairan absorben. Permasalahan utama yang muncul pada membran absorber adalah wetting.


Gambar-4: (a) Membran kontaktor gas/cair non-wetted ; (b) Membran kontaktor gas/cair wetted

Peristiwa wetting disebabkan karena masuknya cairan absorben ke dalam pori membran yang menyebabkan terjadi peningkatan hambatan pada peristiwa perpindahan CO2 menuju cairan absorben sehingga terjadi penurunan koefisien perpindahan massa secara siginifikan. Untuk membran berpori, tekanan minimum dibutuhkan oleh cairan untuk melakukan penetrasi ke dalam pori. Tekanan ini disebut tekanan breakthrough dan untuk menghidari wetting, tekanan cairan harus berada di bawah tekanan breakthrough. Selain itu, ada faktor lain yang harus diperhatikan seperti ukuran pori membran, dan sifat material dari membran


Gambar-5: SEM. Hollow Fiber in Detail. OD=0.6 mm

Aplikasi Komersial Membran Kontaktor
Beberapa perusahaan yang telah menggunakan membran kontaktor gas/cair untuk pemisahan CO2 secara komersial:
• Kvaerner Oil & Gas and W.L. Gore & Associates GmbH mengembangkan membran gas absorpsi untuk pemisahan gas asam dari gas alam dan gas buang dari turbin gas offshore. Pada proses ini, membran hollow fiber PTFE digunakan dengan pelarut fisik (Morphysorb) dan kimia (alkanolamine)
• TNO Environment Energy and Process Innovation (Belanda) telah mengembangkan proses MGA untuk pemisahan CO2 dari gas buang menggunakan membran PP hollow fiber. Pelarut yang digunakan disebut CORAL yang merupakan campuran garam dan asam amino.
Saat ini, teknologi membran kontaktor bergerak ke arah pemakaian dual hollow fiber membrane untuk proses absorsi dan desorpsi secara simultan. Saat ini, pemakaian membran kontaktor hanya digunakan pada proses absorpsi, sedangkan proses regenerasi dilakukan dengan menggunakan temperatur tinggi untuk melepaskan gas CO2 dari cairan absorben. Dari sisi energi, hal ini sangat tidak efisien. Oleh karena itu,dikembangkan proses desorpsi yang juga dilakukan melalui membran.


Gambar-6: Dual Hollow Fiber Membrane for CO2 Separation

Demikian ialah salah satu dari sekian banyak fungsi membran yang berguna untuk melengkapi dan meningkatkan perfomansi teknologi pemisahan CO2 yang sudah ada. Anda tertarik?? **** Prayudi Noverri - Majari Magazine

Referensi: The membrane contactors: environmental applications and possibilities, State of the art and recent progress in membrane contactors

2 komentar: