Teknologi Membran dan Pemanfaatannya dalam Industri Migas

“Teknologi membran” merupakan istilah generik untuk berbagai jenis proses pemisahan yang menggunakan membran sebagai medium pemisah. Teknologi membran telah menjadi teknologi pemisahan yang unggul selama beberapa dekade terakhir ini. Kekuatan utama teknologi membran adalah fakta bahwa teknologi tersebut bekerja tanpa penambahan bahan kimia, penggunaan energi yang relatif rendah, serta kemudahan pengaturan dan pelaksanaan proses. Karena keunggulan itulah, maka proses pemisahan menggunakan membran menjadi lebih kompetitif dibandingkan proses konvensional.

Penelitian membran untuk proses osmosis sudah diteliti sejak tahun 1748, dan secara komersial sudah dimanufaktur oleh Sartorius di Jerman sejak akhir Perang Dunia I, walaupun baru digunakan untuk keperluan laboratorium. Saat ini, membran sudah diaplikasikan untuk proses mikrofiltrasi (MF), ultrafiltrasi (UF), nanofiltrasi (NF), reverse osmosis (RO), elektrodialisis, pemisahan gas, pervaporation, membrane distillation, serta membrane contactor, dan digunakan pada proses berikut :
- Pengolahan air limbah
- Pengolahan air proses
- Hemodialisis/cuci darah
- Pembuatan bir

Prinsip Proses Pemisahan dengan Membran
Secara sederhana, membran dapat didefinisikan sebagai penghalang tipis (semi-permeable) yang selektif antara dua fasa fluida yang berbeda. Membran dapat terbuat dari bahan organik (cellulose acetate, polysulphone, polyamide) atau anorganik (alumina, zirconia, titania, keramik). Membran anorganik umumnya lebih kuat dan tahan terhadap suhu tinggi serta serangan biologis (bakteri atau mikroorganisme lain) yang dapat merusak membran.
Umpan pada teknologi pemisahan dengan membran dipisahkan menjadi retentat (aliran yang lebih pekat/concentrate) dan permeat (lihat Gambar 1). Apabila yang diinginkan adalah konsentrasi larutan yang lebih pekat, maka yang menjadi produk adalah aliran retentat. Namun jika yang diinginkan adalah pemurnian aliran, maka baik retentat maupun permeat dapat dianggap sebagai aliran produk, bergantung pada senyawa apa yang ingin disingkirkan.

Prinsip proses pemisahan dengan membran adalah pemanfaatan sifat membran, di mana dalam kondisi yang identik, jenis molekul tertentu akan berpindah dari satu fasa fluida ke fasa lainnya di sisi lain membran dalam kecepatan yang berbeda-beda, sehingga membran bertindak sebagai filter yang sangat spesifik, di mana satu jenis molekul akan mengalir melalui membran, sedangkan jenis molekul yang berbeda akan “tertangkap” oleh membrane (lihat Gambar 2). Driving force yang memungkinkan molekul untuk menembus membran antara lain adanya perbedaan suhu, tekanan atau konsentrasi fluida. Driving force ini dapat dipicu antara lain dengan penerapan tekanan tinggi, atau pemberian tegangan listrik.
Terdapat dua faktor yang menentukan efektivitas proses filtrasi dengan membran : faktor selektivitas dan faktor produktivitas. Selektivitas adalah keberhasilan pemisahan komponen, dinyatakan dalam parameter Retention (untuk sistem larutan), atau faktor pemisahan [alpha](untuk sistem senyawa organic cair atau campuran gas). Produktivitas didefinisikan sebagai volume/massa yang mengalir melalui membran per satuan luas membran dan waktu, dan dinyatakan dalam parameter flux, dan. Nilai selektivitas dan produktivitas sangat bergantung pada jenis membran.

Keunggulan dan Kelemahan Teknologi Membran
Jika dibandingkan dengan teknologi pemisahan lainnya, keunggulan dari teknologi membran antara lain adalah :
- Proses pemisahan dapat dilaksanakan secara berkesinambungan (continuous)
- Konsumsi energi umumnya rendah
- Dapat dengan mudah dipadukan dengan teknologi pemisahan lainnya (hybrid)
- Umumnya dioperasikan dalam kondisi sedang (bukan pada tekanan dan temperatur tinggi) dan sifat membran mudah untuk dimodifikasi
- Mudah untuk melakukan up-scaling
- Tidak memerlukan aditif

Namun demikian, dalam pengoperasiannya, perlu juga diperhatikan hal-hal berikut :
- Penyumbatan/fouling
- Umur membran yang singkat
- Selektivitas yang rendah

Fouling atau penyumbatan merupakan masalah yang sangat umum terjadi, yang terjadi akibat kontaminan yang menumpuk di dalam dan permukaan pori membran dalam waktu tertentu. Fouling tidak dapat dielakkan, walaupun membran sudah melalui proses pre-treatment. Jenis fouling yang terjadi sangat bergantung pada berbagai faktor, termasuk diantaranya kualitas umpan, jenis membran, bahan membran, dan perancangan serta pengendalian proses.

Tiga jenis fouling yang sering terjadi pada membran adalah fouling akibat partikel, biofouling, dan scaling. Kontaminasi ini menyebabkan perlunya beban kerja lebih tinggi, untuk menjamin kapasitas membran yang berkesinambungan. Pada titik tertentu, beban kerja yang diterapkan akan menjadi terlalu tinggi, sehingga proses tidak lagi ekonomis. Fouling dapat diminimalisasi dengan cara menaikkan pH sistem, menerapkan sistem backwash, serta penggunaan zat disinfectant untuk mencegah bakteri yang dapat menyerang membran. Sedangkan cara untuk menyingkirkan fouling adalah dengan flushing atau chemical cleaning.

Penerapan di Industri Migas : Pemisahan Gas dan Recovery Komponen LPG Menggunakan Membran
Kilang memproduksi gas bertekanan rendah yang mengandung hidrokarbon ringan dan gas-gas lainnya. Gas ini umumnya digunakan sebagai bahan bakar kilang atau hanya dibakar pada flare. Secara tradisional, recovery komponen LPG dilakukan dengan proses absorpsi dan cryogenic, namun teknologi ini menggunakan peralatan bergerak dan penambahan bahan kimia, sehingga membutuhkan investasi yang besar dan biaya operasi tinggi. Teknologi membran menjadi alternatif yang sederhana dan efisien untuk me-recover komponen LPG dari gas kilang tersebut. Dengan menerapkan teknologi pemisahan gas menggunakan membran, komponen hidrokarbon ringan (C3+) dapat diambil kembali menjadi komponen LPG, sehingga memberikan nilai ekonomi yang lebih tinggi dibandingkan jika komponen tersebut dijadikan bahan bakar kilang. Jika diinginkan, retentat keluaran membran pemisahan komponen LPG tersebut dapat diproses lebih lanjut untuk me-recover gas-gas lain yang dapat dimanfaatkan kembali.

Salah satu perusahaan yang mengembangkan sistem membran untuk teknologi pemisahan gas di industri migas adalah Membrane Technology and Research, Inc. (MTR) di California, Amerika Serikat. Produk membrane mereka, VaporSep, telah digunakan sejak tahun 1996 di berbagai industri petrokimia, gas alam, dan kilang minyak bumi, dan telah diterapkan untuk berbagai lisensor proses. Salah satu sistem yang dikembangkan oleh MTR antara lain adalah untuk recovery komponen LPG dan hidrogen dari gas kilang, dengan memadukan dua jenis membran yang berbeda.

Diagram alir pada Gambar 3 menunjukkan bagaimana dua jenis membran yang berbeda dapat dipadukan untuk me-recover LPG dan hidrogen dari gas bahan bakar. Membran pertama berfungsi untuk menghasilkan permeat hidrogen murni dari gas kilang. Retentat dari permisahan ini kemudian dialirkan ke membran kedua yang menghasilkan permeat komponen LPG. Komponen LPG kemudian dikompresi, dan LPG diambil dalam bentuk cairan pada kondensor.

Keunggulan dari proses ini :
- dapat me-recover 60-90% komponen LPG dari umpan, dan dapat dikendalikan lebih mudah karena LPG yang dihasilkan berbentuk cairan
- mengurangi jumlah gas yang dikirim ke flare sehingga memperbaiki efisiensi penggunaan bahan bakar kilang
- recovery hidrogen yang dimurnikan dapat menjadi benefit tambahan
- beroperasi pada tekanan dan suhu sedang
- instalasi dan pengoperasian secara sederhana, tidak membutuhkan bahan kimia tambahan, sehingga praktis tidak menghasilkan limbah

Sesuai dengan peruntukannya, proses ini dapat diaplikasikan pada pada unit-unit berikut :
- gas kilang/flare
- gas keluaran catalytic reformer
- gas puncak FCC
- gas keluaran unit aromatik
- gas umpan unit steam methane reformer


Dimuat di : Warta Pertamina No. 9/XLV, September 2010