A. Pendahuluan Osmosis Terbalik
Membran semi-permeable di awal-awal percobaan osmosis berasal dari kantung kemih babi. Sebelum tahun 1960, membran-membran jenis ini dinilai sangat tidak efisien, mahal, dan tidak handal untuk penggunaan aplikasi osmosis diluar laboratorium. Bahan-bahan sintetik modern, mampu memecahkan masalah ini, membuat membran menjadi lebih efektif dalam menghilangkan kontaminan, dan membuatnya lebih kuat untuk menahan tekanan air yang lebih besar sebagai efisiensi pengoperasian. (Water riview Technical Brief, 1995)
Pemisahan yang dilakukan dengan menggunakan metoda osmosis terbalik ini didasari pada prinsip osmosis. Osmosis merupakan peristiwa yang terjadi secara alamiah pada dua buah larutan yang berbeda konsentrasinya dan terpisahkan oleh membran semipermeabel sehingga menyebabkan perpindahan pelarut hingga akhirnya dicapai kesetimbangan antar keduanya. Membran semipermeabel tersebut merupakan membran berpori yang dapat dilewati oleh pelarut (air) namun tidak dapat dilewati zat terlarut. Membran dengan ukuran lubang pori-pori yang dimilikinya sangat kecil mencapai 0,0001-0,0006 mikron (1 mikron = 1/1000 mm). Pelarut (air) akan bergerak dari larutan yang berkonsentrasi rendah menuju larutan yang berkonsentrasi tinggi melalui membran hingga konsentrasi di kedua sisi sama.
Untuk dapat memisahkan antara larutan dan pelarut (air) dengan membran semipermeabel, diperlukan tekanan yang cukup besar agar pelarut dapat bergerak untuk mecapai kesetimbangan atau kesamaan konsentrasi di kedua sisi. Tekanan inilah yang disebut tekanan osmosis. (gambar (a))
Dalam proses pemisahan yang digunakan pada metoda osmosis terbalik, tekanan sebagai energi pendorong dari luar diberikan kepada sisi yang memiiki konsentrasi lebih tinggi (kadar zat terlarutnya tinggi) sehingga mampu mendorong pelarut (air) untuk melewati membran tersebut. Gaya yang diberikan tersebut menyebabkan pelarut (dalam hal ini air murni) akan berpindah dari larutan yang berkonsentrasi tinggi ke larutan yang berkonsentrasi rendah. Pelarut air yang telah murni tersebut dipindahkan ke dalam penampungan, sedangkan zat terlarut sebagai zat kontaminan yang tidak mampu melewati membran semipermeabel akan dibuang sebagai residu. (gambar (b))
B. Manfaat Teknologi Osmosis Terbalik
Teknologi osmosis terbalik umumnya digunakan di mana air murni dibutuhkan di tempat-tempat seperti berikut:
1| Air minum
2| Humidifikasi
3| Pembuatan Es
4| Air pembilas
5| Aplikasi biomedikal
6| Aplikasi laboratotium
7| Fotografi
8| Produksi obat-obatan
9| Dianalisis ginjal
10| Proses kimia
11| Pembuatan kosmetik
12| Restoran
13| Aplikasi metal plating
14| Air pengisi boiler
15| Air pengisi baterai/aki
16| Produksi semikonduktor
Tujuan utamanya dari teknologi ini adalah untuk mengurangi kadar TDS (total dissolve solid/total zat terlarut) dalam air, sehingga akan diperoleh kualitas air murni.
Beberapa zat kontaminan tidak dapat hilang dari air saat penggunaan teknologi osmosis terbalik ini, seperti gas terlarut seperti H2S, yaitu zat pengkontaminasi yang mempunyai ciri berbau telur busuk yang dapat melewati membran. Beberapa pestisida, pelarut, dan VOCs (volatile organic chemicals) tidak hilang oleh teknologi proses osmosis terbalik. Efisiensi teknologi osmosis terbalik ini berkurang tergantung oleh konsentrasi zat-zat pengkontaminasi, sifat-sifat zat pengkontaminan, jenis dan tipe membran dan kondisi operasi.
2| Humidifikasi
3| Pembuatan Es
4| Air pembilas
5| Aplikasi biomedikal
6| Aplikasi laboratotium
7| Fotografi
8| Produksi obat-obatan
9| Dianalisis ginjal
10| Proses kimia
11| Pembuatan kosmetik
12| Restoran
13| Aplikasi metal plating
14| Air pengisi boiler
15| Air pengisi baterai/aki
16| Produksi semikonduktor
Tujuan utamanya dari teknologi ini adalah untuk mengurangi kadar TDS (total dissolve solid/total zat terlarut) dalam air, sehingga akan diperoleh kualitas air murni.
C. Teknik Kerja Osmosis Terbalik
Membran semipermeabel bersifat selektif terhadap benda-benda yang melaluinya, seperti membran yang terdapat pada dinding sel maupun susunan sel pada kantung kemih. Membran ini sangat mudah dilalui oleh air karena ukuran molekul air sangat kecil, serta akan mencegah masuknya kontaminan-kontaminan yang ukuran partikelnya lebih besar dari pada air. Perpindahan massa air akan terjadi jika terjadi perbedaan konsentrasi mineral-mineral terlarut diantara kedua sisi membran, karena air memiliki sifat berpindah dari larutan yang berkonsentrasi rendah ke konsentrasi yang tinggi (berdifusi), melalui membran dari sisi konsentrasi rendah menuju larutan berkonsentrasi tinggi. Sehingga tekanan osmotik akan melawan proses difusi yang menyebabkan terbentuknya kesetimbangan konsentrasi di antara kedua sisi membran.
Proses osmosis terbalik akan mampu memindahkan massa air dalam konsentrasi kontaminan tinggi (sebagai air baku) menuju sisi penampungan air dengan konsentrasi kontaminan rendah. Gaya dorong yang tercipta berasal dari air bertekanan tinggi di sisi air baku, sehingga menciptakan proses yang berlawanan arah dari proses alamiah osmosis. Proses yang terjadi secara spesifik dinamakan sebagai ion eksklusi, dimana sejumlah ion pada permukaan membran sebagai sebuah pembatas mengizinkan molekul-molekul air untuk melaluinya seiring melepas substansi-substansi lain. (Water riview Technical Brief ,1995)
D. Jenis-Jenis Teknologi Osmosis Terbalik
Teknologi osmosis terbalik ini dibagi menjadi dua buah jenis berbeda dengan fokus pada besar kecilnya tekanan yang diberikan pada sistem.
1. Sistem Bertekanan Rendah
Sistem osmosis terbalik bertekanan rendah adalah yang bertekanan kurang dari 100 psig. Biasanya digunakan di area perumahan yang menggunakan sistem penampungan seperti pada skema berikut.
skema sistem osmosis terbalik Sistem Bertekanan Rendah
Tangki penampungan yang diletakkan pada posisi diatas (countertop) biasanya tidak diberi takanan, namun untuk jenis tangki penampungan terbenam (undersink) biasanya diberikan tekanan yang cukup, sehingga akan mampu menggerakkan air dari tangki menuju keran. Namun dengan jenis sistem tersebut (undersink), akan menyebabkan tekanan balik yang arahnya berlawanan dengan tekanan masuk pada membran, sehingga akan mengurangi efisiensi kerja sistem. Solusi dari masalah yang timbul ini adalah menggunakan tangki yang tidak bertekanan dengan tambahan alat pompa untuk mendapatkan air yang telah dimurnikan saat dibutuhkan.
Untuk unit-unit bertekanan rendah ini pada umumnya hanya mampu mampu menghasilkan 2–15 galon per hari, dengan efisiensi besar jumlah air limbah (reject water) yang dihasilkan sebanyak 2–4 galon untuk setiap galon air murni yang dihasilkan. Kemurnian air yang dihasilkan mampu mencapai 95%. Sistem Unit jenis ini memerlukan pemeliharaan berupa penggantian pre dan post filter (biasanya 1 hingga 4 kali per tahun) serta penggantian membran osmosis setiap 2 hingga 3 tahun sekali, bergantung pada penggunaan.
b.
2. Sistem Bertekanan Tinggi
Sistem yang menggunakan tekanan tinggi ini biasanya beroperasi pada tekanan 100-1000 psig, bergantung pada membran yang digunakan dan air yang akan diolah. Sistem ini biasa digunakan untuk industri dan keperluan komersial dimana dibutuhkan volume yang besar.
Kebanyakan sistem komersial dan industri menggunakan banyak membran yang diatur secara paralel untuk menghasilkan jumlah air dan kualitas air yang diinginkan lebih baik. Air yang telah diproses dari stage pertama kemudian dilanjutkan ke modul membran tambahan untuk mendapatkan tingkat pemurnian yang lebih tinggi. Residu yang dihasilkanpun dapat diarahkan ke modul membran lain untuk meningkatkan efisiensi sistem.
Sistem High Pressure untuk industri mampu menghasilkan hingga sepuluh ribu galon air perhari dengan efisiensi 1 – 9 galon air limbah. Kemurnian air dapat mencapai 95%.
E. Zat kontaminan dalam Teknologi Osmosis Terbalik
1. Zat yang dapat dihilangkan
Beberapa zat yang efektif dihilangkan dengan menggunakan filter membran osmosis terbalik:
Ion dan logam | Arsenik, Alumunium, Barium, Cadmium, Kalsium, Kloride, Kromium, Tembaga, Flouride, Besi, Timah, Magnesium, Mangan, Merkuri, Nitrat, Potasium, Radium, Selenium, Perak, Sodium, Sulfat, Seng |
Partikel | Asbes, Kista Protozoa, Criptosporidium |
Pestisida | Endrin, Heptachlor, Lindane, Pentachorophenol |
Tabel zat kontaminan yang dapat dihilangkan dengan osmosis terbalik
Teknologi osmosis terbalik ini mampu menghilangkan banyak jenis kontaminan kesehatan dan aestatik, mampu menghilangkan rasa, warna dan bau yang tidak sedap, dan rasa asin atau soda yang disebabkan oleh klorida atau sulfat.
Teknologi osmosis terbalik juga efektif untuk menghilangkan kontaminan kesehatan seperti arsenik, asbestos, atrazine (hebrisida/pestisida), florida, timah, merkuri, nitrat, dan radium. Dengan menggunakan pre-filter karbon yang sesuai (yang biasanya termasuk di banyak sistem reverse osmosis), maka akan mampu menghilangkan kontaminan seperti benzene, trikloretilen, trihalometana, dan radon. Beberapa sistem reverse osmosis juga mampu menghilangkan kontaminan biologi seperti Crystosporidium. Peringatan dari Water Quality Association (WQA), bahwa membran reverse osmosis secara umum mampu menghilangkan semua mikro-organisme dan kontaminan kesehatan, dengan perancangan sistem teknologi osmosis terbalik ini, dapat dicegah kegagalan perlindungan pada sistem air minum. (Water riview Technical Brief ,1995)
2. Zat yang tidak dapat dihilangkan
Beberapa zat kontaminan tidak dapat hilang dari air saat penggunaan teknologi osmosis terbalik ini, seperti gas terlarut seperti H2S, yaitu zat pengkontaminasi yang mempunyai ciri berbau telur busuk yang dapat melewati membran. Beberapa pestisida, pelarut, dan VOCs (volatile organic chemicals) tidak hilang oleh teknologi proses osmosis terbalik. Efisiensi teknologi osmosis terbalik ini berkurang tergantung oleh konsentrasi zat-zat pengkontaminasi, sifat-sifat zat pengkontaminan, jenis dan tipe membran dan kondisi operasi.
Tidak ada satupun dari peralatan pemurnian yang bisa menghilangkan semua zat kontaminan, karena semua metoda memiliki kekurangan dan kelebihannya masing-masing, sehingga perlu adanya pengombinasian diantara berbagai alat pemurnian agar efektifitas pemurnian air akan semakin tinggi. Teknologi penyaringan dengan karbon aktif maupun dengan penyaringan sendimentasi biasanya ditambahkan pada teknologi osmosis terbalik ini. Penyaringan sendimentasi akan membantu menghilangkan partikel endapan yang lolos pada membran osmosis terbalik. Sedangkan karbon aktif akan menghilangkan kandungan klorin, beberapa pestisida dengan ukuran partikel sangat kecil serta pelarut-pelarut organik yang secara karakteristik tidak akan dihilangkan secara efektif oleh membran osmosis terbalik (membran semipermeabel).
Ion dan logam | Klorin, Radon |
Kimia Organik | Benzen, Carbon Tetraclorida, Diklorobenzena, Toluen, trikloroetilen, Total trihalomethane (THMs) |
Pestisida | 1,2,3-tricholobenzene, 2,4-D, Atrazine |
Tabel zat kontaminan yang dihilangkan oleh karbon aktif
F. Kinerja Filter Reverse Osmosis
Dengan kemampuannya untuk memurnikan air baku, sistem teknologi osmosis terbalik harus secara berkala dibersihkan untuk mencegah terbentuknya kerak di permukaan membran. Sistem osmosis terbalik memerlukan karbon sebagai penyaring awal untuk mereduksi kandungan klorin yang akan merusak membran osmosis terbalik dan juga membutuhkan filter sedimen untuk menyaring material-material terlarut dari air baku sehingga tidak menymbat di membran. Mereduksi kesadahan melalui proses water softening atau chemical softening juga dibutuhkan untuk wilayah-wilayah yang memiliki air baku sadah.
Kinerja alat osmosis terbalik diukur dari kinerja filter dan membran osmosis terbalik dengan mengukur besar total padatan terlarut yang mampu dihilangkan. Besar penurunan TDS mengindikasikan penurunan mikro-organisme dan partikel non-solid berbahaya seperti klorin dan flourida.
Persentase Kinerja RO
Kinerja dari membran osmosis terbalik dilihat dari persentase penurunan kadar TDS atau disebut dengan rejection rate. Rejection rate adalah persentase kontaminan yang tidak bisa tembus/melewati membran. Rejection rate harus setinggi mungkin sehingga air olahan bisa masuk kategori “ideal“.
Untuk mengetahui besar Rejection rate maka perlu diketahui besar TDS air baku (air sebelum diolah). Sebagai contoh, air baku diujikan dan diketahui memiliki konsentrasi TDS sebesar 300ppm, setelah diolah menggunakan alat Reverse Osmosis didapatkan hasil sebesar 15-30ppm, maka Rejection rate adalah sebesar 90% – 95%.
Karakteristik dari alat Reverse Osmosis didesain untuk kualitas air baku tertentu, dan besar Rejection rate tertentu. Sehingga membran osmosis terbalik bila didesain dengan Rejection rate yang rendah, maka kualitas air minum yang dihasilkan juga rendah.
Terjadinya penurunan kualitas dari proses pemurnian air ini dapat diakibatkan oleh tersumbatnya pori-pori membran. Kebuntuan pada membran osmosis terbalik ini dinamakan dengan membrane fouling atau scaling.
Ciri-ciri membran yang mengalami membran fouling:
- Permeate flow
- Salt passages = menggambarkan berapa persen ion yang berhasil lolos ke permeate.
- Pressure drop = selisih tekanan antara feed pressure dengan concentrate pressure lebih dari 1,5 bar. (dalam keadaan normal, pressure drop berada pada range 0,1-1,3 bar)
Pada sistem plant dari teknologi osmosis terbalik ini terdiri dari banyak alat pemurnian, seperti :
a. Filter Sendimen
Filter yang terbuat dari serat karbon 5 mikon yang berfungs untuk menyaring partikel berbahaya seperti kapur, lumpur, endapan , zat polutan, dll sebelum masuk ke dalam membran.
b. Filter Karbon
Filter yang berfungsi untuk menyerap bahan organik, warna, spora,, jamur, bahan karsinogen dan sebagainya.
c. Filter karbon perak
Filter yang berfungsi untuk mencegah terjadinya pembiakan bakteri, kuman, virus, sisa bau, sisa gas dan zat pencemar lainnya.
d. Filter bio magnetized
Filter yang berfungsi memparkecil kelompok molekul air sehingga dapat meningkatkan kandungan oksigen dalam molekul air yaitu tiga kali lipat dari air biasa.
e. Filter Membran Osmosis Terbalik
Element Penyusun Membran Dalam Vessel Bertekanan:
1. contaminant spacer
ruang untuk zat kontaminan yang tidak mampu melewati membran osmosis terbalik.
2. Fabric banking
3. Plasticized Tricot
Memberikan bentuk aliran spiral dari air yang didesalinasi agar terarahkan masuk ke dalam desalted water exit tube, dan keluar sistem sebagai air murni
4. Sealant
Merekatkan membran agar membentuk struktur spiral.
5. Fiberglass Membrane Shell
Untuk membungkus bagian membran.
6. Contaminants-rejecting Membran
Membran yang akan dilewati oleh air namun tidak dapat dilewati oleh zat-zat kontaminan.
7. Fiberglass Pressure Vessel
Bagian yang menjadi rumah elemen membran dalam vessel bertekanan.
8. Desalted water exit tube
Bagian keluaran air yang telah melewati proses desalinasi (teknologi osmosis terbalik)
Perakitan elemen membran ini harus cukup kuat dalam menahan tekanan dari umpan masuk. Hai ini berkaitan dengan jenis tekhnologi yang digunakan, bisa menggunakan sistem dengan tekanan rendah, maupun sistem dengan tekanan tinggi.
G. Peralatan tambahan yang mendukung proses
Pipa
Pipa merupakan salah satu bagian dari unit proses yang kondisi fisiknya harus memadai dengan kondisi proses, tidak terjadi penyumbatan, korosi maupun terdapat zat-zat yang berpotensi menjadi kontaminan.
Storaged Tank
Tangki ini berguna untuk menampung air hasil pemurnian. Volume dari tanki ini harus dideduaikan dengan kebutuhan proses. Persyaratan tangki penampungan ini adalah, steril dari zat-zat kontaminan, sehingga air murni yang diperoleh benar-benar dalam kondisi air murni.
Pressure Gadge
Alat pengukur tekanan ini diletakkan pada titik-titik tertentu untuk mengetahui keadaan tekanan pada sistem. Penempatan alat ukur ini sangat erat kaitannya dengan sistem kondisi proses yang diperlukan agar proses diketahui berjalan baik serta aman.
Pompa bertekanan tinggi
Pompa memasok tekanan yang diperlukan untuk mendorong air melalui membran. Untuk keperluan proses desalinasi air laut yang menggunakan teknologi reverse osmosis, tekanan yang diberikan berkisar antara 800 hingga 1180 psi (55-81,5 bar atau 6-8 MPa) sedangkan untuk air payau berkisar antara 225-375 psi (15,5-26 bar atau 1,6-2,6 Mpa). Semakin tinggi kebutuhan tekanan untuk membawa air melewati membran, artinya konsentrasi kontaminan yang dikandung air semakin besar.
Selain peralatan softener dan pennghilang kandungan klorin yang juga dibutuhkan, semua alat yang dipakai harus disesuaikan dengan jenis baku air yang akan diolah.
H. Menentukan Karakteristik Osmosis Terbalik yang dibutuhkan
Ukuran dari peralatan osmosis terbalik dan pemilihan membran akan ditentukan dari kemampuan penyerapan dan jumlah yang diperlukan, salinitas air umpan dan kualitas penyerapan yang dibutuhkan. Membran dengan energi yang kecil mengizinkan sistem bekerja dengan tekanan disekitar 150-200 psi, sehingga tekanan pompa yang dibutuhkan untuk menghasilkan kualitas air murni lebih sedikit serta konsumsi daya yang dapat dikurangi secara signifikan.
Membran tersebut dapat menghasilkan kualitas air kira-kira sebesar 10 mikrosiemens dari masukan air antara 500-700 mikrosiemens. Jika penyerapan yang lebih tinggi dibutuhkan, penyerapan dapat digunakan dengan beberapa membran dan dipasang secara paralel sehingga akan menggandakan produksi dari penyerapan.
Untuk kebutuhan air yang sangat murni, penggunaan “double pass mode” dapat digunakan. Ini artinya, air dari hasil penyerapan pertama akan menjadi umpan untuk membran osmosis terbalik yang kedua. Keadaan ini akan menghasilkan air yang benar-benar murni yaitu sekitar 14 mikrosiemens.
Konsentrasi kontaminan dari bahan baku air yang akan dimurnikan harus diketahui untuk keperluan ppengendalian proses yang dibutuhkan, agar diperoleh hasil optimal yang bisa didapat dari penggunaan energi yang kecil. Pengukuran ini sangat diperlukan termasuk jumlah air yang akan dijadikan umpan, 75% dihasilkan menjadi air murni sedangkan 25% menjadi residu yang dibuang oleh osmosis terbalik yang dapat dipergunakan sebagai grey water.
Daftar Pustaka
- http://extension.unl.edu/publications
- www.unce.unr.edu/publications/SP00/SP0019.pdf
- www.unce.unr.edu/publications/SP00/SP0020.pdf
- www.unce.unr.edu/publications/FS00/FS0046.pdf
- http://www.who.int/water_sanitation_health/dwq/en/watreatpath.pdf.
- www.safewater.org.
- Water riview Technical Brief ,1995
- Agriculture and Agri-Food Canada. 2003. Reverse osmosis: enjoy cleaner water.
- United States Environmental Protection Agency. 2007. Water & Health Series: Filtration Facts.
******
TERIMA KASIH
MOHON DOA'NYA
- Unduh Presentasi Reverse Osmosis DISINI
- Budayakan Komentar Oke ;)
