Pembuatan Membran Selulosa Asetat pada Berbagai Variasi Komposisi Polimer, Jenis Pelarut dan KonsentrasiAditif (Syahril Ahmad)

PEMBUATAN MEMBRAN SELULOSA ASETAT

PADA BERBAGAI VARIASI KOMPOSISI POLIMER, JENISPELARUT DAN KONSENTRASI ADITIF

SyahrilAhmadPusat Penelitian Kimia (P2K) - LfPfJl. Cisitu 21/154D, Bandung 40135

ABSTRAK

PEMBUATAN MEMBRAN SELULOSA ASETATPADA BERBAG1\I VARIASI KOMPOSISI POLIMER,JENIS PELARUT DAN KONSENTRASI ADITIF. Pembuatan membran datar dari bahan selulosa asetat pada

berbagai variasi, seperti variasi komposisi polimer, jenis pelarut dan variasi aditiftelah dilakukan. Pelarut yangdiamati pada percobaan ini antara lain aseton, dimetilasetamida dan N- metilpirolidon dengan formamida sebagaiaditif. Parameter yang diamati adalah fluks membran dan koefisien rejeksi. Dari hasil percobaan didapatkan bahwakomposisi polimer, jenis pelarut dan jumlah aditif akan mempengaruhi karakteristik membran yang dihasilkan.Konsentrasi polimer yang lebih tinggi akan memberikan fluks yang lebih rendah, tetapi sebaliknya terhadap koefisienrejeksi membran. Membran yang dibuat dengan pelarut dimetilasetamida (DMAc) memberikan fluks membranterbesar tetapi koefisien rejeksinya terendah. Semakin banyak aditifyang ditambahkan pada larutan dope semakinbesar fluks membran yang dihasilkan.

Kata kunci: Selulosa asetat, variasi komposisi,jenis pelarut, aditif, fluks, rejeksi.

ABSTRACT

MEMRANESELLULOSEACETATEMADE WITH RADIATION OFPOLYMERCOMPOSITION, KIND OFSOLVENT AND CONCENTRATION OF ADDITIVE. Flat membrane sellulose acetate made with variation of polymer

composition, kjnd-of-solvent andaJp.ou~of additivehave~en done. Solvents observed on these experimentswere acetone, ~il acetamide and N, methylpyrrolidone with formamide as additive. Parameters observed wereflux, rejection coeffic"eht'ancrmolecula~~ht cut-offmembrane. From results of experiments found that polymercomposition, kind of solvent and amount oraadftive could influence membrane characteristic resulted. Highpolymer consentration will give low flux of the membrane, but coefficient rejection on the contrary. Membrane madewith dimethyl acetamide solvent give the highest flux, but the lowest coefficient rejection. Higher amount ofadditive added to dope solution, higher flux of membrane resulted.

Key words: Selulosa asetat, "ariasi komposisi,jenis pelarut, aditif, fluks, rejeksi.

PENDAHULUAN

Membran pertama yang dibuat oleh LoubdanSourirajan berasal dari bahan selulosaasetatuntuk proses desalinasi air. Penelitian membranselanjutnya berkembang ke bahan polimer lainseperti polisulfon, polieter sulfon, poliamida,

poliirnida, polietereter keton, polietilen lainnya.

Salah satu faktor penting dalam memilihbahan dasar untuk membran adalah struktur dan

sifat membran tersebut [1,2]. Kalau dilihat dari

sifat fisika dan kimianya, polimer selulosa asetat

memang kurang bagus dibanding polimer

polisulfon atau polieter sulfon karena polimer inimudah rusak oleh pengaruh suhu, pH atau adanya

khlorin dalam larutan umpan. Membran yangterbuat dari bahan selulosa asetat hanya dapat

bekerja pada daerah pH 2-10, suhu maksimum50°C dan toleransi terhadap CI-sekitar 1 ppm,

sedangkan membran dari bahan polisulfon dapatbekerja pada pH 1 sampai dengan 13, suhu

sampai 80°C dan toleransi terhadap Cl' sekitar100 ppm [3,4]. Polimer selulosa asetat banyak

terdapat dialam, tetapi selulosa asetat yang baikuntuk bahan membran harns mengandung asetil

minimal 39,5 %. Melihat pada harga palimer

selulosa asetat yang j auh lebih murah dibanding

harga polimer polisulfon dan polieter sulfon, maka

75

Prosiding Simposium Nasional Polimer V

untuk itu palimer ini banyak digunakan pengganti

polimer polisulfon asalkan daerah pemakaiannyamemenuhi persyaratan diatas.

Di Saudiarabia membran dari bahan

selulosa asetat dalam bentuk spiral woundbanyak

dipakai untuk proses desalinasi air [5]. Selainuntuk proses desalinasi, membran selUlosa asetat

juga dapat digunakan untuk menghilangkansenyawa organik runutan dalam larutan dengan

proses osmosa balik [6]. Selain untuk prosesdesalinasi air, membran selulosa aSetat juga dapatdigunakan untuk pembuatan air ultramumi dan airuntuk keperluan parmasi dimana air umpan diolah

dulu (pre chlorinated) untuk mence ah terjadinya

biodegradasi dan pH aiLUl1lpan iatur untukmencegah terjadinya ;;drolisa [7]. esar kecilnya

ukuran pori dalam pe buatan bran selulosaasetat dapat dikontrol dengan penambahan aditif

pada larutan polimer, pemilihan pelarut danperlakuan akhir pada membran [8]. Menurut altafdkk. adanya grup asetil dalam polimer selulosa

asetat akan memberikan sifat hidropobiksedangkan grup hidroksil yang membentuk ikatanhidrogen dengan air akan memberikan sifat

hidropilik pada membran [9].Pelarut yang dapat digunakan untuk

pembuatan membran-selulosa-asetat adalah

Aseton, 1).~al metil pirolidon (NMP)~ dimetil.~ 1 _asetamida (DMAc)-dan-:Qimetil formamida,. ---(DMF) [10]. Dalam pembuatan membran

kadang-kadang diperlukan aditif dengan maksud

dan tujuan berbeda, seperti misalnya untukmenaikan viskositas lanrtan polimer, meningkatkan

kestabilan atau untuk meningkatkan jumlah poriyang terbentuk [10]. Bahan yang dapat dijadikanaditifharus dapat bercampur baik dengan polimer

dan dengan pelarut. Besar kecilnya ukuran poriyang terdapat pada permukaan membran atau

bentuk stuktur yang terdapat dalam membran

sangat dipengaruhi oleh kecepatan penetrasi

koagulan (non pelarut) masuk kelapisan film dan

pelepasan pelarut meninggalkan lapisan film saatproses koahulasi terj adi [11]. Kalau kecepatan

koagulan masuk kelapisan film melebihi kecepatan

pelarut meninggalkan film maka didapat ukuranpori yang lebih besar dan akan menghasilkanmembranjenis ultrafiltrasi. Tetapi sebaliknya bila

kecepatan koagulan masuk kefilm lebih rendah

76

ISSN 1410-8720

dari kecepatan pelarut meninggalkan film maka

akan didapatkan membran yang berukuran porilebih kecil yang tergolong pada membran osmosabalik. Perbedaan antara membran ultrafiltrasi dan

membran osmosa balik didasarkan pada ukuranpori-pori yang terdapat pada permukaan membrantersebut, dimana untuk membran ultrafiltrasi

ukuran porinya adalah antara O,OI~m sampaidengan 0,5 ~m sedangkan untuk membranosmosa balik ukuran pori-porinya adalah 1 nm

sampai dengan 80 nm [12]. Membran ultrafiltrasi

dan osmosa balik juga dapat dibedakanberdasarkan ukuran partikel yang dapat

ditahannya, yaitu untuk membran ultrafiltrasi dapatmenahan partikel berukuran O,OOI~m sampaidengan 0,02 ~m dan untuk membran osmosa

balik dapat menahan partikel berukuran0,0001 ~m sampai dengan 0,001 ~m [13].

Pada percobaan ini dicoba membuatmembran jenis ultrafiltrasi (membran untuk

pemisahan senyawa berberat molekul besar dari1000 Da) dari bahan selulosa asetat dengan

memvariasikan konsentrasi polimer,jenis pelarut

serta jurnlah aditif yang dipakai, dimana parameteryang diamati antara lain adalah fluks, koefisienrejeksi terhadap sejumlah larutan dektran yangberbeda berat molekulnya pada setiap jenis

membran yang dihasilkan .Tujuan dari percobaan ini adalah untuk

mempel~ari karakteristik membran selulosa asetatyang dibuat dari berbagai variasi konsentrasi,

pelarut dan jumlah aditif yang dipakai.

METODEPERCOBAAN

Bahan

Bahan yang dipakai dalam percobaan ini

adalah ;polimer selulosa asetat (Aldrich), aseton(Merk) sebagai pelarut, formamida (Merk)

sebagai aditif, asam sulfat, dekstran (BM 9,5, 19,6

dan 38,9 k Da) (Sigma) dan aquades.

Alat

Peralatan yang dipakai an tara lain

adalah flat kaca, batang stailess steel, bakkoagulasi, alat testing membran (sel ami con),Spektrofotometer, kompressor, peralatan gelasdan lain sebagainya.

Pembuatan Membran Selulosa Asetat pada Berbaga; Var;as; Komposis; Polimer, Jenis Pelarut dan Konsentras;Ad;tif (Syahril Ahmad)

Gambar J. Pengaruh konsentrasi polimerselulosa asetat terhadap fluks air membran yangdihasilkan.

Cara Kerja

Larutan dope membran dibuat dengankomposisi seperti terlihat pada Tabel 1,Tabel2dan Tabel 3.

Tabel J. Pembuatan membran dengan komposisipolimer berbeda.

CA(%) Aseton (%)Formamida (%)

16

60 24

18

58 24

20

56 24

Tabel 2. Pembuatan membran dengan jenis pe1arutberbeda.

30

E 25'".....,

Ne 20

~ 15"0;

~ 10::J

t:L: 5

o

14 16 18

KOll'ientrasi CA (%)

20 22

CA AsetonNMPDMAc

(%)(%)(%)(%)

18

58

18

58

18

58

Tabel 3. Pembuatan membran dengan jumlah aditifberbeda ..

CA(%) Aseton (%)Formamida (%)

18

62 20

18

5824

18

5628

Dari ketiga komposisi diatas jumlahformamida dipertahankan konstan untukmelihat pengaruh konsentrasi polimer dalamlarutan dope.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari Gambar 1 terlihat bahwa semakinbesar konsentrasi selulosa asetat maka semakin

kecil fluks air yang didapat, dan ini menunjukanbahwa semakin besar konsentrasi selulosa asetat,maka akan semakin kecil ukuran pori padapermukaanmembran <ttausemakin sedikitjumlahpori yang terbentuk pada permukaan membran.Hal ini disebabkan karenajumlah pelarut akandilepas kedalam larutan koagulan saat koagulasijumlahnya berkurang.

Sama seperti fluks air pada Gambar 1.membran yang dibuat dengan konsentrasi selulosaasetat terkecil memberikan fluks dekstran yang

lebih besar dan ini jelas terlihat pada semuamembran yang diarnati (Gambar 2). Hal inimenunjukan bahwa pada konsentrasi selulosayang rendah dalam larutan dope, ad akemungkinanjumlah pori yangterbentuk semakin

. besar atau semakin banyakjumlahnya. Semuamembran yang diuji memperlihatkankecenderungan yang sarna yaitu semakin besarberat molekul dekstran yang diuji maka semakinturun fluks yang dihasilkan. Untuk mengetahuiapakah ukuran pori membran yang mengecil ataujumlah pori yangberkurang dengan meningkatnyakonsentrasi selulosa asetat dalam larutan polimermaka perlu dilakukan karakterisasi dengansejumlah larutan dekstran yang berbeda ukuranmolekulnya.

3025·

+-•E

•~ 20

----- -N

--CA 16%

..§ 15--- CA 18%C --.

~ 10

•--- CA 20 %

t:L:

AA A

50

515253545

Beral molekul dekslran k Da

Gambar 2. Fluks dekstran untuk membran dari

berbagai konsentrasi selulosa asetat.

Seperti terlihat pada Gambar 3. semakinbesar konsentrasi selulosa asetat dalam larutan

Prosiding Simposium Nasional Polimer V ISSN 1410-8720

Berat molekul dekstran (k Da)

Gambar 5. Rejeksi membran terhadap larutandesktran pada berbagai pelarut.

Gambar 6. Fluks membran terhadap dekstranpada konsentrasi aditif berbeda.

Penambahan aditif yang terlalu banyakmengakibatkan penurunan pada koefisien rekejsimembran yang didapat (Gambar 7). Dari sinidapat diketahui bahwajumlah aditif dalam larutandope dapat mempengaruhi ukuran sertajumlahpori membran, dimana semakin banyak aditif

I~ 30 ~ 25 .•

---1-- Mitif 20 %

N..§ 20

__ Mitif 24 %

do

--.- Mitif 28 %

§ 15

•

l:>

•

J2 10

•'"

'"'" •45

~

35

r;:

15

255

120" 100

---" •~ ]

80-- Aseton

'"

~

.~ 60 -- NMPc.~ 40

--.- DMI\c<:: 8~ 20

05

15253545

Berat molekulDekstran (k Da)

pelarut aseton, dan koefisien rejeksi terendahdidapat pada membran yang dibuat pakaipelarut DMAc.

Jumlah aditif sangatberpengaruh pada fluksmembran yang dihasilkan, dimana semakinbanyak aditifyang ditambahkan pada larutandopemaka semakin besar fluks membran yangdiperoleh seperti terlihat pada Gambar 6. Aditifdapat berfungsisebagaipengatur viskositas larutanpolimer at au sebagai pembentuk ataumemperbanyakjumlah pori. Disini terlihat bahwafungsi aditiflebih dominan pada pembentuk ataumemperbanyak jumlah pori pada permukaanmembran.

100

95~90

~ --CA 16%'"

85 --CA 18%"'"

.~ --- CA 20%c.::80

75-------

705

15253545

Gambar 3. Fluks dekstran untuk membran dari

berbagai konsentrasi selulosa asetat.

Berat molekul dekstran (k 03)

Gambar 4. Fluks membran yang dibuat denganpelarut berbeda.

dope maka akan semakin besar rejeksi membran

terhadap larutandekstran yang diuji.Dari sinijelasbahwa ukuran pori membran yang terbentuk akansemakin kecil bila konsentrasi selulosa dalam

larutandope semakin besar.Untuk membran yangdibuat padakonsentrasi selulosa asetat 18% dan20 % koefisien rejeksi membran terhadapdekstranyang berberat molekul 20 kDa semuanyamenunjukan diatas 90 %.

Kebalikkan dari harga fluks membran,koefisien rejeksi membran terbesar didapatpada membran yang dibuat menggunakan

Pada Gambar 4 dapat dilihat hasilpengukuran fluks dekstran untuk membran yangdibuat menggunakan pelarut berbeda. Disinipelarut aseton memperlihatkan fluks membranterhadap larutan dekstran terkecil dibandingpelarut lainnya sedangkan pelarut DMAcmemberikan fluks terbesar.

180

~ 160

~

§ N""! 140..§ 120

-- AsetonC 100 §80---. -- NMP

~•

I"'"60

--- DMAc'"

0'"40

"'" ::> 20r;: •• •

05

10 15 20 25 30 35 40 45

Berat molekul dekstran (k Da)--------

-----

78

Pembuatan Membran Selulosa Asetat pada Berbagai Variasi Komposisi Polimer, Jenis Pelarut dan Konsentrasi

Aditif (Syahril Ahmad)

100

98~96~ '-" 94'c;j ...::.:: 92<1)

& 90 -8886 5

2545

Berat molekul dekstran (k Da)

Gambar 7. Rejeksi membran pada berbagaikonsentrasi aditif.

ditambahkan maka semakin banyakjumlah poriyang dihasilkan danjuga ukuran pori semakinmembesar. Ini dapat diketahui dari rejeksimembran terhadap larutan dekstran yang diuji.

Tabel4. MWCO Membran pada berbagai konsentrasiCA, aditif dan berbagai pelarut.

Konsentrasi Ca (%) MWCO (k Da)

16

8734.692818

6.322320

0.0002

Jenis Pelarut Aseton

5.0842NMP

64.2246DMAc

831.2354

Konsentrasi aditif 20

0.999224

4.997428

13.3999

Dari Tabel 4 diketahui bahwa

konsentrasi CA terlalu tinggi akan menggeserMWCO membran ultrafiltrasi kearah membranosmosa balik. Untuk konsentrasi CA 20 %

membran diperoleh membran osmosa balikdengan MWCO 0.0002 kDa. Dari tiga jenispelarut yang diamati temyata aseton memberikanharga MWCO terendah dan DMAc memberikanharga MWCO terbesar. Konsentrasi aditifterlalubesar akan memperbesar harga MWCO.

KESIMPULAN

Beberapa kesimpulan yang dapat diperolehpada pembuatan membran selulosa asetat iniantara lainadalah:

1. Semakin banyak konsentrasi polimer dalamlarutan dope akan dihasilkan membran denganfluks yang rendah tetapi koefisien rejeksisebaliknya.

2. Penggunaan aseton sebagai pelarut selulosaasetat menghasilkan membran dengan fluksterendah, tetapi rejeksi tertinggi.

3. Jumlah aditifdapat mempengaruhi jumlah danukuran pori membran yang dihasilkan.

4. Konsentrasi CA sangat berpengaruh padaharga MWCO membran.

5. Pelarut berbeda akan memberikan hargaMWCO berbeda.

6. Jumlah aditifjuga dapat mempengaruhi hargaMWCO membran

DAFfAR PUSTAKA

[1]. HOON. H, LEE. S.H., LEE, YM., KIM.K. Y., KIM. J .1., Preparation andPermeability of Solutes Through AcrylicAcid-g-Methyl Cellulose CopolymerMembranes, J App. Polymer Sd. 47 (5)(1993) 917-924

[2]. GUNER. M" Membrane Materials: CurrentPractice and New Trends, Short Courseand Workshop on Standard Methods forPressure Driven Membrane Processes­

RO, UF and MF. Canada, (1994)[3]. WIESNER M.R., Membrane Process in

Portable Water Treatment, JAWWA.(1992) 59-67

[4]. Anonim., Committee Report: MembraneProcesses in Potable Water Treatment,

JAWWA, (1992) 59-67[5]. ABDULLAH M.E.R, Reverse Osmosis

Application In Saudi Arabia, JAWWA.(1991) 72-79

[6]. REINHARD. M, GOODMAN. N.L.,CARTY. M.C. AND ARGO. D.G.,Removing Trace Organics By ReverseOsmosis Using Cellulose Acetat andPoluamide Membranes, J.AWWA.(1986) 163-180.

[7]. HOUSSNI EL-SAIED, ALTAF H.BASTA, BARSOUM N. BARSOUM,MOHAMED M. ELBERRY, Cellulosemembranes for reverse osmosis Part 1.RO

79

Prosiding Simposium Nasional Polimer V

cellulose acetate membranes including witha composite polypropylene, Desalination159 (2003) 171-181

[8]. ALTAF H. BASTAA, HOUSSNIEL-SAIED, M. ELBERRY, Cellulosemembranes for reverse osmosis Part II.

Improving RO membranes prepared fromnon-woody Cellulose, Desalination 159,(2003) 183-196

[9]. K.C. KHULBE, F. HAMAD, C. FENG,T. MATSUURA, M. KHAYET, Study ofthe Surface of the Water Treated Cellulose

Acetate Membrane by Atomic Force·Microscopy, Esalination 161, (2004)259-262

[lO].TWEDDLE T.A, STRIEZ C.N.,Introduction to NRC Prosedures for UFand RO Membranes, CIDA Course (1994)

[11].FRIEDRICH. C., DRIANCOURT.A.,NOEL.C. and MONNERIE.L.,Asymmetric Reverse Osmosis andUltrafiltration Membranes Prepared fromSulfonated Polysulfone, Desalination, 36,(1981) 39-62

[12].SAWYER. L.C. and GRUBB.D.T.,Polymer Microscopy, Firt Publ. Chapmanand Hall. London, New York, (1987)184

[B].SCHWEITZER. P.A. Editor., Hand Bookof Separation Technology for ChemicalEngineers, 3rd• Ed. Mc Graw Hill, NewYork, (1997) 2-5

80

ISSN /4/0-8720