Lecture Note
ELEKTRODIALISIS I.G. Wenten, A.N. Hakim, Khoiruddin
Diktat
TEKNIK KIMIA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2014
BAB I. PEMISAHAN ELEKTRO IONIK BERBASIS MEMBRAN BAB II. TEORI PERPINDAHAN BAB III. TINJAUAN ASPEK TEKNO-EKONOMI
BAB IV. APLIKASI ELEKTRODIALISIS
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
2
Pendahuluan Proses membran dimana perbedaan potensi listrik berperan sebagai gaya dorong dan membran bermuatan mengatur perpindahan ion. Membran bermuatan: 1. Membran penukar kation, memungkinkan perpindahan kation bermuatan positif 2. Membran penukar anion, memungkinkan perpindahan anion bermuatan negatif
Perbedaan potensial listrik
• Gaya dorong yang sangat kuat dibandingkan tekanan (sangat lemah) • Perbedaan potensial elektrik ¼ V = kebutuhan tekanan 1200 bar untuk gaya dorong yang sama [Mulder, 1996]
Diagram berikut mengilustrasikan sejarah proses membran bergaya dorong elektrik.
Antara 1880 dan1900 – Ostwald menemukan bahwa membran tidak dapat ditembus elektrolit Pada 1940 – Meyer dan Strauga, proses elektrodialisis multi sel
1903 – Morse dan Pierce, elektrolit dapat dihilangkan lebih cepat dari larutan umpan dengan bantuan potensi listrik
Akhir 1950an – skala industri pertama Awal 1960an – untuk desalinasi air payau
Sekitar tahun 1940 – membran penukar ion sintetis yang lebih efektif
[Strathmann, 2004]
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
3
Elektrodialisis (ED)
Elektrodialisis Sebuah proses dimana ion dipindahkan melalui membran karena perbedaan potensi elektrik yang diberikan dan sebagai konsekuensi dari aliran arus listrik (Mulder, 1996)
Membran
Membran penukar kation dan penukar anion
Ketebalan
≈ beberapa ratus µm (100 – 500 µm)
Ukuran pori
Tak berpori
Driving force
Perbedaan potensial elektrik
Prinsip Pemisahan
Mekanisme eksklusi Donnan
Material Membran
Kopolimer Crosslinked berbasis divinylbenzene (DVB) dengan kopolimer polystyrene atau polyvinylpyridine PTFE dan poly (sulfonyl fluoride-vinyl ether), (Strathmann, 2004)
ED menggunakan membran yang selektif terhadap ion tertentu, yaitu membran kation yang dapat melewatkan kation dan menolak anion dan membran anion yang dapat melewatkan anion dan menolak kation.
1. Aplikasi industrial pertama dari membran penukar ion, Click to add Title pengembangan teori fundamental, 2. Menyebabkan 3. Menyebabkan Click to add Title pengembangan teknologi lanjutan, Electrodialysis Reversal (EDR) Bipolar membrane electrodiaysis (BP)
Electrodeionization (EDI) Electrolysis (EL) Fuel cell (FC),
Aplikasi industrial dari membran penukar ion berawal pada elektrodialisis (ED) dan menyebabkan perkembangan teori fundamental. Pengembangan teori fundamental menyebabkan pengembangan lanjutan dari teknologi ED.
[Tanaka, 2007]
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
4
Elektrodialisis (ED)
Prinsip operasi elektrodialisis diilustrasikan sebagai berikut: Concentrat Membran penukar anion
Diluat
Katoda
-
Membran penukar kation
-
+ + -
+ + + + + + + +
+
-
+ +
+ + + + + + + +
Anoda
+
Larutan Umpan
Prinsip elektrodialisis (Mulder, 1996) Pasangan sel
Unit yang terdiri dari membran penukar kation, kompartemen diluat, membran penukar anion, dan kompartemen konsentrat Stack
Pasangan sel disusun antara dua elektroda, biasanya hingga 200 pasangan sel dalam satu tumpukan. (Strathmann, 2004)
Konstruksi dari tumpukan lembaran elektrodialisis (Strathmann,2004)
Stack elektrodialisis Industrial. Ref: www.ameridia.com/html/elea.html
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
5
Elektrodeionisasi (EDI)
Elektrodeionisasi Kombinasi dari elektrodialisis dan proses penukar ion konvensional. Proses campuran yang tidak memerlukan regenerasi kimia. (Li, et al, 2008)
1955 - Walters dkk menerapkannya pada limbah konsentrat radioaktif 1957 – Kollsman melakukan eksperimen untuk deionisasi air 1959 – Glueckauf, perlakukan terhadap limbah radioaktif encer
1971 – Matejka melaporkan perkembangan akan teori perpindahan ion
1987 Komersialisasi pertama (Thin cell) oleh Millipore
1990s Banyak tulisan teknis dipublikasikan
(ref: www.ameridia.com/html/elea.html; Gifford and Atnoor, 2000; Smith, et al, 2000; Bouhidel and Lakehal, 2006; Wood, et al, 2010)
Keuntungan, (Strathmann, 2004) Dibandingkan resin penukar ion: Proses kontinu Tanpa regenerasi, yang sangat butuh pekerja dan mahal Dibandingkan elektrodialisis konvensional: Konduktivitas dari sel yang diisi diluat meningkat lebih dari dua kali lipat Kerugian (Strathmann, 2004) Penggunaan arus yang relatif buruk
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
6
Elektrodeionisasi (EDI)
Prinsip elektrodeionisasi diilustrasikan sebagai berikut Potensial listrik: • Menciptakan gaya dorong untuk perpindahan ion • Memecah molekul air menjadi ion hidrogen dan hidroksil. (Li, et al, 2008) Membran penukar ion: • Berguna sebagai pembatas antara aliran curah air • Menetapkan wilayah kompartemen. (Tanaka, 2007)
Resin penukar ion: • Meningkatkan konduktivitas dari kompartemen dilut • Menambah laju perpindahan ion (Tanaka, 2007)
Prinsip perpindahan ion dalam sel diluat yang dipenuhi resin penukar ion dari EDI (Strathmann, 2004)
Mode operasi EDI dapat dibagi menjadi dua yaitu elektrodeionisasi (enhanced electrodeionization) dan mode elektroregenerasi. Keterangan masing-masing mode operasi dapat dilihat pada bagan berikut.
Mode operasi EDI (Ganzi, 1988)
Mode Elektrodeionisasi Ketika salinitas umpan tinggi, (Ganzi and Parise, 1990)
Mode Elektroregenerasi Ketika salinitas air umpan sangat rendah karena lewatnya spesi bermuatan kuat ke kamar konsentrat
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
7
Elektrolisis
Elektrolisis (Elektrolisis Membran) Kombinasi elektrolisis dan pemisahan membran. Contoh klasik: Proses klor-alkali, mengkonversi NaCl menjadi klorin dan soda kaustik. (Mulder, 1996)
Membran asam Perfluorosulfonat: Stabil secara kimia dan termal
Prinsip elektrolisis membran penukar ion dari sodium klorida. (Tanaka, 2007) Membran penukar kation untuk proses klor-alkali (Strathmann, 2004): Memiliki hambatan rendah untuk perpindahan ion Na+ Transport rendah terhadap air Menahan ion OH- sebanyak mungkin
Contoh aplikasi dari elektrolisis membran (Sata, 2004) Contoh
Perlakuan
Sintesis dari reagen organik dan anorganik
Proses klor-alkali, sintesis hidrogen peroksida, produksi gas hidrogen dengan elektrolisis air, reparasi larutan garam logam murni
Pengolahan air limbah
Regenerasi larutan kromat, pengolahan limbah asam dari larutan pengawetan stainless steel, regenerasi pengembangan developer, recoveri logam mulia
Pengendalian pH larutan
Pengendalian pH dari larutan coating deposisi elektrik
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
8
Proses-proses lainnya Diffusion Dialysis Diffusion dialysis umumnya diaplikasikan untuk pemulihan asam dan basa dalam campurannya dengan garam. Melalui proses yang sama, basa dapat dipisahkan dari campurannya dengan garam pada sel yang menggunakan membran penukar kation Strathmann dkk, 2006
Elektrodialisis dengan membran bipolar (EDBM) EDBM merupakan proses ED yang menggunakan membran bipolar. EDBM ini diaplikasikan dalam produksi asam dan atau basa, proses asidifikasi, dan proses alkalisasi. Membran bipolar yang digunakan dalam unit EDBM berfungsi untuk menghasilkan ion-ion H+ dan OHmelalui reaksi dissosiasi air. Huang dkk, 2007
Reverse electrodialysis (RED) RED adalah teknologi pembangkit energi listrik yang menggunakan proses dengan prinsip berlawanan dengan teknologi elektrodialisis. Fluks ion yang dihasilkan dari beda salinitas antara dua larutan dikonversi secara langsung menjadi arus listrik Ramon dkk, 2011
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
9
Proses-proses lainnya
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC)
Alkaline fuel cell (AFC)
Membran penukar ion juga telah diaplikasikan pada teknologi pembangkit energi seperti proton exchange membran fuel cell atau PEMFC. Untuk AFC, membran yang digunakan adalah membran penukar anion. Pada PEMFC, gas hydrogen dikoversi menjadi ion-ion H+ dan dilewatkan melalui membran kation. Sedangkan pada AFC, ion OH- hasil reaksi di sisi katoda dipindahkan melalui membran anion.
Microbial fuel cell (MFC) Microbial fuel cell (MFC) merupakan teknologi yang menggunakan membran penukar ion untuk mengkonversi bioenergi yang tidak hanya mengolah limbah tetapi juga dapat membangkitkan energi listrik. Leong dkk., 2013 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
10
Kesetimbangan Donnan
Difusi ion-ion dari fasa larutan menuju membran (kiri) dan gugus fungsi di dalam membran kation (kanan) Ion dalam larutan akan berpindah menuju membran akibat adanya gaya tarik elektrostatik. Perpindahan ion akan berlangsung secara terus menerus hingga tercapai kesetimbangan antara fasa curah dan fasa membran
G
im is im zi F m il zi F l RT ais ln Don zi F aim m
l
RT aKl 1 Don ln z K F aKm1 m
l
RT aKl 2 Don ln z K F aKm2 m
l
l cNa cHl m m cNa cH
Kesetimbangan akan tercapai ketika sistem berada dalam keadaan termodinamika yang sama
Asumsi larutan ideal Ref: Tanaka, 2007 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
11
Termodinamika Irreversibel
Termodinamika irreversibel dapat digunakan untuk menjelaskan mekanisme perpindahan dan interaksi antar fluks perpindahan dalam suatu sistem. Dalam proses elektromembran, perubahan energi Gibbs terjadi karena adanya perubahan potensial elektrokimia kimia selama proses pemisahan
0
G H TS N TS N Potensial elektrokimia
Ao RT ln a P P o V zF Persamaan produksi entropi dapat dijabarkan lebih lanjut menjadi
T
dS N i N i dt
T
dS a N o o NRT ln A NV P P N z F dt aA
Persamaan fenomenologi perpindahan massa pada membran penukar ion diturunkan dengan mengkombinasikan driving force dan resultan fluks kedalam fungsi disipasi
T
dS J * J P I dt Ref: Tanaka, 2007
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
12
Termodinamika Irreversibel
Fluks perpindahan merupakan hasil perkalian antara konstanta fenomenologi dan driving force
J LX Interaksi antar komponen fluks n
J i Li1 X 1 Li 2 X 2 ......... Lin X n Lik X k k 1
Arus listrik I LE LEP P LEi i i
Fluks air J v LPE LP P LPi i i
Fluks ion J s LiE LiP P Lik i i
Persamaan perubahan energi bebas Gibbs dapat dikembangkan dengan menambahkan tekanan osmosis pada suku perpindahan air
dS dG J P J i I dt dt dS C T J v P RTC J s RT * I dt C
T
Sehingga, fluks pepindahan menjadi:
J s RT LP RT C
t i F
J v LP RT C i I GLP RT C
GtRTC i FC *
Lp adalah permeabilitas t adalah bilangan transport β adalah permeabilitas elektro osmotik G adalah konduktansi listrik
Tanaka 2006, 2007
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
13
Perpindahan ion melalui membran penukar ion
Persamaan Nernst-Planck J i Di
Migrasi
dCi z i FC i Di d vCi dx RT dx
Difusi
Persamaan Nernst-Planck pada umumnya digunakan untuk menggambarkan perpindahan ion melewati membran penukar ion. Persamaan tersebut menjelaskan bahwa perpindahan ion dapat terjadi melalui mekanisme difusi, migrasi, dan konveksi (Strathmann dkk. 2013; Klaysom dkk. 2013).
Konveksi
Mekanisme
Mekanisme perpindahan ion melewati membran
Gambaran perpindahan ion melewati membran dan profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas dapat dilihat pada gambar berikut. Mekanisme migrasi terjadi karena adanya beda potensial listrik yang diberikan kepada sel. Karena bilangan transport counter-ion di dalam membran lebih tinggi daripada di dalam larutan, maka terjadi perbedaan konsentrasi antara di fasa membran dengan larutan bulk pada lapisan batas. Terbentuknya gradient konsentrasi tersebut mendorong mekanisme perpindahan melalui mekanisme difusi. Strathmann, 2010
Profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas membran penukar kation (Strathmann, 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
14
Perpindahan ion melalui membran penukar ion
Perbedaan konsentrasi antara larutan umpan dan sisi kosentrat pada inlet kompartemen diluat dan konsentrat serta outlet masing-masing kompartemen diilustrasikan oleh gambar berikut.
(Csfd Csd )Q d (Csc Csfc )Q c
I
Z v F c c
c
Transfer ion-ion di dalam pasangan sel unit elektrodialisis (diadaptasi dari, Strathmann, 2004)
Fluks garam melalui membran yang sangat selektif dan ion-ion dengan nilai valensi yang sama J ccm J aam i i m Js vc va Z C vc F Z a va F c
a
Persamaan sederhana untuk konsentrasi produk dan konsentrat di dalam unit elektrodialisis sebagai fungsi desain stack dan parameter operasi:
ln
CscCsfd s (r am r cm )(Csfd Csd ) sUYX d fc Cs Cs Z c vc FQ c
Ref: Strathmann, 2004 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
15
Perpindahan ion melalui membran penukar ion
I (A/m2)
Ilim
U (Volt) Rapat arus vs tegangan listrik dalam proses elektrodialisis (Strathmann, 2010)
Dalam proses elektrodialisis, hubungan arus listrik vs tegangan listirk pada umumnya menunjukkan tiga daerah sebagaimana dapat dilihat pada gambar. Pada daerah pertama, V vs I mengikuti hokum Ohm. Pada daerah kedua, setelah konsentrasi ion di permukaan diluat sangat kecil karena pengaruh polarisai konsentrasi, peningkatan V lebih lanjut tidak menghasilkan peningkatan I yang berbarti. Daerah ini disebut sebagai daerah plato yaitu daerah setelah titik rapat arus batas (limting current density). Pada daerah ketiga adalah daerah overlimiting current transfer yang dapat disebabakan oleh beberapa hal. Additional current carriers
Water splitting Exaltation effect Overlimiting current transfer Gravitational convection Current-induced convection Electroconvection
Mekanisme overlimiting current transfer (Nikonenko dkk., 2010) Overliming current transfer dapat terjadi melalui beberapa mekanisme yang dapat dikelompokkan menjadi 2, yaitu karena peristiwa reaksi pemecahan air dan konveksi yang disebabkan oleh arus listrik. Pembawa listrik tambahan dan efek exaltation disebabkan oleh reaksi pemecahan air yang menghasilkan ion-ion tambahan H+ dan OH-. Sedangkan konveksi gravitasi dan elektrokonveksi disebabkan oleh arus listrik. Contoh elektrokonveksi dapat dilihat pada gambar di samping.
Munculnya elektrokonveksi pada permukaan membran (Nikonenko et al., 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
16
Perpindahan ion melalui membran penukar ion
Pada proses-proses berbasis membran penukar ion, polarisasi konsentrasi terjadi karena perbedaan bilangan transport counter-ion di dalam larutan dengan membran. Perbedaan tersebut menyebabkan pembentukan gradient konsentrasi ion antara fasa membran dan fasa larutan curah. Pada sisi konsentrat, konsentrasi ion pada permukaan membran lebih tinggi dari pada di dalam fasa cairan. Sedangkan pada sisi diluat, konsentrasi ion pada permukaan membran lebih rendah dari pada di dalam larutan. Polarisasi kosentrasi tersebut dapat menyebabkan disosiasi air, scaling, perubahan pH secara lokal, dan penurunan efisiensi arus listrik.
Strathmann, 2010
Scaling pada membran kation (Widiasa dan Wenten, 2007) Profil konsentrasi ion di dalam lapisan batas membran penukar kation (diadaptasi dari: Strathmann, 2010) Efisiensi arus menurun
I (A/m2)
Peningkatan pH lokal
Polarisasi konsentrasi
Reaksi dissosiasi air
Ilim
Scaling
U (Volt) Tegangan vs arus listrik pada stack elektrodialisis (diadaptasi dari Strathmann, 2010)
Dampak polarisasi konsentrasi Ref: Strathmann, 2010
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
17
Perpindahan ion melalui membran penukar ion
Water dissociation and electrode reaction Pada proses elektrodialisis dan proses-proses serupa terjadi reaksi dissosiasi air. Reaksi dissosiasi air terjadi apabila arus yang diberikan telah melewati nilai rapat arus batas. Pada kondisi rapat rapat arus kelewat batas, tegangan listrik yang diberikan tidak memberikan peningkatan arus secara signifikan. Arus listrik yang diberikan sebagain besar digunakan untuk reaksi dissosiasi air. Pada kondisi tersebut, efisiensi arus untuk perpindahan ion sangat kecil.
Rapat arus lewat batas dan hidrolisis air secara irreversibel (Bazinet, 2005) Reaksi juga terjadi pada sisi elektroda. Proses kimiawi yang terjadi pada elektroda dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu proses faradaic dan non-faradaic. Proses faradic ditunjukkan oleh adanya transfer electron antara elektroda dengan fasa curah, yaitu proses oksidasi pada anoda dan proses reduksi pada katoda. Proses non-faradic mengacu pada mekanisme adsorpsi-desorpsi selama proses elektrolisis dan dapat mengubah-ubah struktur antarmuka larutan-elektroda. Reaksi elektrokimia sederhana pada elektroda dapat dilihat pada gambar di samping. Bazinet, 2005
Reaksi elektroda (Bazinet, 2005)
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
18
Perpindahan ion melalui membran penukar ion
Di dalam proses berbasis membran penukar ion, foulant yang menempel pada permukaan membran dapat disisihkan dengan menerapkan pembalikan muatan elektroda secara berkala. Proses penyisihan foulant melalui teknik polarity reversal dapat dilihat pada gambar berikut. Pembalikan polaritas listrik elektroda untuk menyisihkan foulant dari permukaan membran ionic (Strathmann, 2010) Saat ini telah dikembangkan membran penukar ion berprofil. Membran berprofil tersebut ditujukan untuk mengurangi lapisan batas sehingga polarisasi konsentrasi dapat dihindari. Kinerja membran berpori dapat dilihat pada gambar. Jika dibandingkan dengan membran flat, membran berprofil menunjukkan kinerja yang lebih baik.
Membran berproil untuk meningkatkan rapat arus batas (Strathmann, 2010)
Perbandingan kinerja membran flat dan membran berprofil pada berbagai konduktivitas umpan (Strathmann, 2010)
Strathmann, 2010 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
19
Perpindahan ion melalui membran penukar ion Sebagaimana diketahui, teknologi penukar ion konvensional (IE), mengandalkan kapasitas dari resin untuk menyisihkan ionion di dalam larutan. Seiring dengan waktu, kapasitas penukaran ion oleh resin semakin lama akan berkurang sehingga mencapai titik jenuhnya. Untuk mengembalikan performa resin, diperlukan regenerasi secara kimiawi dengan menggunakan larutan asam maupun basa. Oleh karenanya, teknologi IE bekerja secara batch.
Skema elektrodialisis (ED)
Teknologi ED dapat menyisihkan ion secara kontinyu dengan kinerja yang konsisten. Namun pada konsentrasi tertentu, ion-ion di dalam larutan tidak dapat dipindahkan lebih lanjut karena ada peningkatan hambatan dari larutan akibat penurunan konsentrasi ion. Selanjutnya, arus tidak dapat dilewatkan oleh media sehingga terjadi proses dissosiasi air. Oleh karenanya, ED tidak mampu mencapai pemurnian yang tinggi.
C/Co
IE ED
time Perbandingan kinerja IE dan ED Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
20
Biaya (cost) Biaya investasi elektrodialisis sangat ditentukan oleh luas area membran yang diperlukan untuk mencapai produk yang diinginkan dari umpan dengan konsentrasi garam awal tertentu. Sementera biaya operasi yang utama adalah kebutuhan energi yang diperlukan untuk menyisihkan garam dan energi yang diperlukan oleh pompa untuk mentransfer larutan.
Kebutuhan luas membran
Konsumsi energi untuk proses desalinasi
Rapat arus listrik yang diperlukan
Kebutuhan energi sebagai fungsi derajat penyisihan garam Strathmann, 2010
Beragam biaya sebagai fungsi rapat arus listrik (Strathmann, 2010)
Perbandingan biaya teknologi desalinasi sebagai fungsi konsnetrasi garam (Baker, 2012)
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
21
Desain stack/modul
Contoh desain stack/modul elektrodialisis dapat dilihat pada gambar berikut. Membran kation dan anion disusun secara bersaling-seling diantara sepasang elektroda. Antara membran yang satu dengan yang lain dipisahkan oleh spacer untuk membentuk ruangruang atau keompartemenkompartemen.
Susunan stack elektrodialisis
Sistem elektrodialisis terdiri dari stack elektrodialsis, pompa untuk transfer larutan menuju modul dan power supply untuk mentransfer ion-ion dari kompartemen diluat menuju kompartemen konsentrat.
Unit elektrodialisis yang dilengkapi dengan pompa dan power supply Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
22
Desain stack/modul Contoh-contoh desain spacer di dalam unit ED dapat dilihat pada gambar-gambar berikut. Spacer tidak hanya berfungsi sebagai pemisaha membran dan pembentuk ruang, tetapi juga dapat membantu mendistribusikan aliran di dalam kompartemenkompartemen.
Desain spacer dan end-plate Pada spacer jenis sheet flow, kompartemen disusun secara vertikal, memberikan jalur aliran larutan yang relatif lebih pendek, dan hilang tekan yang lebih kecil (0.2- 0.4 bar). Laju alir larutan rata-rata 2-4 cm/s. Spacer tipe tortuous path flow disusun secara horizontal, kecepatan aliran rata-rata 6-12 cm/s dan hilang tekan rata-rata 1-2 bar.
Gambar skematik spacer (a) desain “sheet flow” dan (b) desain “tortuous path flow” (Strathmann, 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
23
Desain proses Gambar-gambar menunjukkan berbagai mode operasi untuk proses elektrodialisis, yaitu batch, feed and bleed, dan kontinyu. Masing-masing memiliki keunggulan dan kelemahan. Mode operasi batch memiliki kapasitas kecil dengan keunggulan antara lain: laju demineralisasi tinggi dan tidak bergantung pada fluktuasi komposisi umpan. Kelemahannya adalah produksi tidak kontinyu, rancangan sistem kompleks yang berkaitan dengan penyimpangan (pengangkutan) umpan dan produk, kontrol, dan perpipaan internal.
Batch
Kontinyu
Feed-and-bleed Mode operasi feed and bleed memiliki kapasitas menengah sampai besar dengan keunggulan antara lain: produksi kontinyu, mudah beradaptasi dengan fluktuasi laju alir dan komposisi umpan, dan laju demineralisasi tinggi. Kelemahannya adalah laju resirkulasi tinggi, konsumsi energi spesifik tinggi, dan rancangan sistem kompleks yang berkaitan dengan perpipaan. Lebih lanjut, mode operasi kontinyu memiliki kapasitas besar dengan keuggulan antara lain: konsumsi energi spesifik rendah, biaya rendah untuk perpipaan, tangki penyimpan, dan kontrol. Namun, kelemahannya adalah tidak mudah beradaptasi terhadap fluktuasi laju alir dan konsentrasi umpan, laju demineralisasi dan laju alir saling bergantungan. Strathmann, 1992 Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
24
Contoh-contoh aplikasi ED pada skala industri dapat dilihat pada tabel berikut. ED dapat digunakan untuk tujuan pemurnian maupun pemekatan. Desalinasi air payau merupakan aplikasi ED pada skala industri yang pertama. Beberapa aplikasi skala industri mengalami permasalahan terutama biaya dan fouling. Biaya Aplikasi industrial teknologi elektrodialisis (Strathmann, 2010) Aplikasi industri
Desain stack dan proses
Status aplikasi
Hambatan
Permasalahan
Desalinasi air payau
Sheet dan tortuous, reverse polarity
Komersial
Biaya proses
Biaya
Air umpan boiler dan air proses
Sheet dan tortuous, reverse polarity
Komersial
Kualitas air produk dan biaya
Biaya
Pengolahan limbah
Sheet dan tortuous, unidirectional
Komersial
Karakterisik membran
Fouling
Demineralisasi produk makanan
Sheet dan tortuous, unidirectional
Komersial pilot plant
Selektivitas membran
Fouling
Produksi garam meja
Sheet dan tortuous, unidirectional
komersial
Biaya proses
Fouling
Elektrodialisis reversal skala industri untuk memproduksi air minum (Strathmann, 2010) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
25
Dalam proses produksi garam garam meja, meja, ED ED diaplikasikan diaplikasikan sebagai sebagai tahap tahappemekatan pemekatanawal awalsebelum sebelum brine diproses di dalam unit unit evaporasi. evaporasi. Penggunakan Penggunakan awal awal ED ED pada padaproses prosespemekatan pemekatandapat dapat menurunkan biaya energi yang diperlukan oleh unit evaporator.
Unit elektrodialisis untuk produksi garam (Strathmann, 2010)
Diagram skema elektrodialisis dalam produksi garam, Tokuyama Soda (Strathmann, 2004) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
26
ED telah diaplikasikan pada skala komersial untuk pengolahan air umpan boiler. Untuk tujuan tersebut, ED digunakan sebagai tahap awal pre-demineralisasi sebelum dioleh lebih lanjut oleh unit ion-exchange konvensional. Penggunaan ED sebagai unit pre-treatment tentu saja menambah biaya investasi. Namun biaya operasi yang diperlukan untuk meregenerasi resin penukar ion dapat dikurangi. Penerapan ED sebagai tahap demineralisasi awal dapat mengurangi biaya operasi secara keseluruhan. Perbandingan biaya operasi
Predemineralisasi air umpan boiler (Strathmann, 2004) Perbandingan biaya plant deionisasi kapasitas 1000 m3/hari dengan proses ion-exchange konvensional dengan plant yang menggunakan pretreatment ED (Strathmann, 2004) Konsentrasi garam pada umpan (mg/L)
300
600
900
Tanpa elektrodialisis (US$ /m3)
0.36
0.72
1.08
Biaya operasi elektrodialisis (US$ /m3)
0.14
0.20
0.25
Biaya regenerasi ion-exchange dengan ED (US$ /m3)
0.04
0.08
0.12
Penghematan biaya regenerasi ion-exchange dengan pretreatment ED (US$ /m3)
0.18
0.44
0.71
Penghematan biaya tahunan plant (operasi 360 hari), (US$)
64800
158400
255600
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
27
ED juga telah banyak diaplikasikan di bidang industry makanan dan minuman, diantaranya adalah demineralisasi whey dan deasidifikasi jus buah. Skema proses demineralisasi cheese whey dan skimmed milk dapat dilihat pada gambar berikut.
Unit elektrodialisis 4 tahap yang digunakan pada proses demineralisasi cheese whey dan skimmed milk (Strathmann, 2004)
Electrodialysis stacks for cheese whey demineralization (1000 m3/day. Plant in operation since 1989) (www.ameridia.com/html/tec.html) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
28
Potensi terbesar elektrodialisis dengan membran bipolar adalah untuk memproduksi asam dan basa dari garam. Dalam proses tersebut, membran bipolar berfungsi sebagai penghasil ion-ion H+ dan OH- melalui reaksi dissosiasi air. Karena beberapa alasan, elektrodialisis dengan membran bipolar saat ini tidak diaplikasikan pada skala komersial. Beberapa hambatan EDBM adalah sebagai berikut: - Permselektivitas membran tidak mencukupi meyebabkan kontaminasi produk dan rendahnya efisiensi arus - transport air akibat elektroosmosis - stabilitas membran bipolar dan monopolar yang rendah pada konsentrasi asam dan basa tinggi Produksi asam dan basa mineral menggunakan elektrodialsis dengan membran bipolar (Strathmann, 2004)
Strathmann, 2004
Stack elektrodialisis dengan membran bipolar untuk memproduksi asam organik (www.ameridia.com/html/ebp.html)
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
29
Proses EDBM dapat digunakan untuk proses regenerasi absorbent pada proses absorbsi gas SO2. larutan Na2SO3 yang telah bereaksi dengan gas SO2 (NaHSO3 dan NasSO4) diregenerasi dalam unit elektrodialisis dengan membran bipolar untuk diperoleh kembali Na2SO3 yang dapat digunakan dalam proses absorbs berikutnya.
Desulfurisasi gas cerobong melalui proses SoxalTM elektrodialisis membran bipolar (Strathmann, 2004)
menggunakan
Dalam bidang bioteknologi, EDBM dapat diaplikasikan untuk memperoleh asam organik dari proses fermentasi. Dengan menggabungkan EDBM, proses fermentasi dapat dioperasikan secara kontinyu. Salah contonya adalah proses pembuatan asam itanoic
Proses terintegrasi fermentasi kontinyu dan proses elektrodialsis dengan membran bipolar (Strathmann, 2004) Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
30
Elektrodialisis juga dapat diaplikasikan pada proses pengolahan produced water untuk memperoleh kembali air. Pada proses pengolahan produced water, ED digunakan pada tahap demineralisasi awal sebelum dioleh lebih lanjut melalui softener. Produced water yang telah diolah dapat digunakan untuk keperluan produksi steam.
Diagram sederhana yang menggambarkan plant recovery produced water dengan unit elektrodialisis terintegrasi (Strathmann, 2004)
Data operasi produced water recovering plant dengan unit elektrodialsis reversal (Strathmann, 2004) Plant elektrodialisis
Aquamite XV-3
Kosentrasi air garam umpan ED (mg/L)
2500 – 12000
Konsentrasi garam produk ED (mg/L)
350-3500
Konsentrasi garam brine (mg/L)
8000-35000
Laju penyisihan garam (%)
70-85
Volume air umpan (m3/hari)
680-560
Volume air produk (m3/hari)
480
Volume air limbah (m3/hari)
80-200
Pemulihan air (%)
70-85
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
31
AlMarzooqi, F.A., Al Ghaferi, A.A., Saadat, I. and Hilal, N. (2014), “Application of capacitive deionisation in water desalination: A review”, Desalination, http://dx.doi.org/10.1016/j.desal.2014.02.031 Baker, R.W. (2012) Membrane Technology and Applications, 3rd ed., John Wiley and Sons. Bazinet, L. (2005). Electrodialytic phenomena and their applications in the dairy industry: a review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 44(7-8), 525-544. Bouhidel, K.E., Lakehal, A. (2006). Influence of voltage and flow rate on electrodeionization (EDI) process efficiency. Desalination 193: 411–421 Ganzi, G.C. (1988). Electrodeionization for High-purity Water Production. In Sirkar, K.K., and Lloyd, D.R. (Eds.), New membrane materials and processes for separation. AIChE Symposium series, No. 261, Vol. 84, 73–83 Ganzi, G.C., Parise, P.L.(1990). The production of pharmaceutical grades of water using Continuous deionization post-reverse osmosis. Parenter. Sci. Technol. Parenter. Drug Assoc., 44 (4), 231–241. Gifford, J.D., Atnoor, D. (2000). An Innovative Approach to Continuous Electrodeionization Module and System Design for Power Applications. International Water Conference, October 22-26 Huang, C., Xu, T., Zhang, Y., Xue, Y., and Chen, G. (2007). Application of Electrodialysis to The Production of Organic Acids: State-of-The-Art and Recent Developments, Journal of Membrane Science, 288, 1–12. Klaysom, C., Ladewig, B.P., Lu, G.Q.M. & Wang, L. (2013) Recent Advances in Ion Exchange Membranes for Desalination Applications. In: Functional Nanostructured Materials and Membranes for Water Treatment. 125-161. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Leong, J.X., Wan Daud, W.R., Ghasemi, M., Liew, K.B., Ismail, M., (2013). Ion exchange membranes as separators in microbial fuel cells for bioenergy conversion: a comprehensive review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 28, 575–587 Li, N.N. et.al. (2008). Advanced membrane Technology and Applications. John Wiley and Sons Inc. Mulder, M. (1996). Basic Principle of Membrane Technology, Kluwer Academic Publishers, Netherlands. Nikonenko, V.V., Pismenskaya, N.D., Belova, E.I., Sistat, P., Pourcelly, G., Larchet, C., Huguet, P. (2010) Intensive current transfer in membrane systems: Modelling, mechanisms and application in electrodialysis, Advances in Colloid and Interface Science, 160, 101–123. Ramon, G. Z., Feinberg, B. J dan Hoek, E. M. V. (2011). Membrane-based production of salinity gradient power, Energy & Environmental Science, 4, 4423. Sata, T. (2004). Ion Exchange Membranes Preparation, Characterization, Modification and Application. The Royal society of chemistry. Strathmann, H. (1992). Electrodialysis. In Ho, W.S.W., Sirkar, K.K., Membrane Handbook, Van NostrandReinhold, New York Strathmann, H. (2004). Ion-Exchange Membrane Separation Process. Elsevier. Strathmann, H., Grabowski, A., Eigenberger, G., (2006). “Electromembrane processes, efficient and versatile tools in a sustainable industrial development” , Desalination, 199, 1–3. Strathmann, H. (2010) Electrodialysis, a mature technology with a multitude of new applications. Desalination. 264, 268-288. Strathmann, H., Grabowski, A. & Eigenberger, G. (2013) Ion-Exchange Membranes in the Chemical Process Industry. Industrial & Engineering Chemistry Research. 52, 10364-10379. Su, W., Pan, R., Xiao, Y., Chen, X. (2013). “Membran-free electrodeionization for high purity water production”, Desalination, 329, 86-92. Tanaka, Y (2006) Irreversible thermodynamics and overall mass transport in ion-exchange membrane electrodialysis. Journal of Membrane Science, 281, 517-531. Tanaka, Y. (2007). Ion Exchange Membranes: Fundamentals and Applications, Elsevier: Amsterdam.
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
32
Widiasa, I.N. and Wenten, I.G. (2007), “Combination of reverse osmosis and electrodeionization for simultaneous sugar recovery and salts removal from sugary wastewater”, Reaktor, 11, 91-97. Wood, J., Gifford, J., Arba, J., Shaw, M. (2010) Production of ultrapure water by continuous electrodeionization, Desalination, 250: 973–976. www.ameridia.com/html/tec.html www.ameridia.com/html/elea.html
Wenten dkk., Institut Teknologi Bandung, 2014
33