Modifikasi Membran (Pencampuran Membran, Komposit Film Tipis TFC, dan Pembuatan Nanokomposit)

اَلسَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُه

(Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakaatuh)

Puji Syukur kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta'ala yang telah memberikan Rahmat, Karunia, Taufik dan Hidayah-nya kepada kita semua sehingga kita masih dapat hidup di Dunia ini, serta semoga kita semua selalu mendapat Inayah dan Lindungan dari Allah Subhanahu Wa Ta'ala. آمِيْن يَا رَبَّ العَالَمِيْنَ “Aamiin ya Rabbal'alamin” ...

Shalawat, Salam serta Taslim kepada sang Revolusioner Dunia, Junjungan Alam Nabi Besar Sayyidina Maulana Muhammad Shallawlahu ‘Alaihi Wasallam yang telah membimbing kita dari zaman Kegelapan dan Kebodohan menuju zaman Terang Benerang, sangat jelas perbedaan antara Hak dan Bathil serta penuh dengan Ilmu Pengetahuan seperti saat ini.

Pada Artikel ini kami akan membahas mengenai Modifikasi Membran (Pencampuran Membran, Komposit Film Tipis TFC, dan Pembuatan Nanokomposit). Sebelum masuk ke Materi marilah kita membaca Ta‘awuz : أَعُوذُ بِاللَّهِ مِنَ الشَّيْطَانِ الرَّجِيمِ “A’udzu billahi minasy syaithonir rojiim” dan Basmalah : بِسْمِ اللهِ الرَّحْمٰنِ الرَّحيمِ “Bismillahirraahmanirrahiim” Agar Bacaan yang dibaca menjadi Berkah dan Bermanfaat. آمِيْن يَا رَبَّ العَالَمِيْنَ “Aamiin ya Rabbal'alamin” ...

Pada Artikel sebelumnya telah dibahas mengenai Pengertian dan Klasifikasi Membran, Teknologi Membran dalam Pengolahan Air dan Limbah Industri, dan Teknik Pembuatan Membran (Sintering, Stretching, Track-etching, Template Leaching, Coating dan Inversi Fasa), maka kali ini kami akan menjelaskan mengenai Modifikasi Membran (Pencampuran Membran, Komposit Film Tipis / TFC, dan Pembuatan Nanokomposit). Langsung saja dibawah ini beberapa cara Modifikasi Membran:

Pencampuran Membran

Polimer dapat dicampurkan dengan sesama Polimer, logam, garam, dan lain-lain melewati metode pencampuran. Beberapa Polimer seperti polietersulfon (PES) dan polivinilidenflorida (PVDF) sudah mempunyai sifat termal dan mekanik yang stabil sehingga cocok untuk dipakai dalam material penyusun Membran. Akan tetapi, Penggunaan PES dan PVDF hanya terbatas pada Membran yang bersifat hidrofobik sehingga tidak cocok untuk dilewatkan oleh air dan mempunyai kemungkinan fouling yang tinggi. Di lain pihak, Polimer yang terbuat dari bahan hidrofilik seperti polivinilalkohol (PVA) ,Selulosa asetat (CAc), dan poliakrilonitril (PAN) juga sering digunakan dalam pembuatan Membran. Akan tetapi, Membran hidrofilik tersebut mempunyai ketahanan mekanik dan termal yang lebih rendah dibandingkan dengan Membran hidrofobik. Penggabungan kedua sifat tersebut dapat diatur dengan memvariasikan komposisi pada campuran awal Membran.

Tujuan utama dari pencampuran Polimer dalam metode ini adalah untuk meningkatkan hidrofilitas dan menurunkan kemungkinan Fouling. Rahimpour dan Madaeni (2007) membuat Membran PES dengan mencampurkan Polimer dengan konsentrasi yang berbeda yaitu CAP (20,30,40%) dan PVP (2,4, dan 8%). Membran yang terbentuk bersifat hidrofilik karena terdapat banyak Gugus Karbonil pada CAP. Laju fluks air murni, dan rejeksi protein meningkat seiring dengan bertambahnya rasio komposisi PES/CAP. Penambahan CAP pada campuran juga dapat mengurangi Risiko Fouling pada Membran PES.

Komposit Film Tipis (TFC)

Membran padat umumnya mempunyai Fluks yang rendah tetapi mempunyai selektivitas tinggi. Sebaliknya. Membran berpori mempunyai selektivitas yang rendah tetapi mempunyai permeabilitas yang tinggi. Untuk meningkatkan fluks yang melewati Membran padat dengan selektivitas tinggi, diperlukan pengurangan ketebalan Membran.

Komposit yang dibuat terdiri dari dua lapisan yaitu lapisan tipis di atas dan penyangga. Fungsi utama dari penyangga adalah untuk memberikan ketahanan mekanik pada Membran, sedangkan fungsi utama dari lapisan tipis Membran adalah sebagai tempat permease dan pemisahan dengan Membran. Membran lapis tipis (TFC) umumnya dibuat dengan dua tahap yaitu pembentukan penyangga yang berpori dan dilanjutkan dengan pelapisan lapisan tipis. Pembentukan lapisan tipis dibuat dengan metode Dip-Coating dan Polimerisasi antarfasa.

Polimerisasi antarfasa sangat unik dan menjadi fokus perhatian dari para pakar Membran. Proses yang terjadi pada Polimerisasi antarfasa adalah reaksi yang terjadi pada permukaan antara dua monomer yang berhimpitan dengan perbatasan dua fasa antara larutan yang saling tidak larut. Pembuatan Membran dimulai dengan mengisi pori – pori penyangga dengan cairan A. Kemudian penyangga tersebut dicelupkan dalam wadah berisi reaktan yang akan bereaksi dengan cairan A. Polimerisasi terjadi pada perbatasan fasa sehingga terbentuk Polimer yang mempunyai banyak Cross-Link. Bantuan sinar uv digunakan untuk mengontrol reaksi Polimerisasi yang terjadi (Madaeni,2015).

Membran berbasis Polianilin (PA) telah dibuat secara komersial menggunakan metode Polimerisasi antarfasa. Reaksi Polimerisasi yang digunakan adalah reaksi Polimerisasi antara PDA dan TMC. Poliamida (PDA) menunjukkan unjuk kerja yang lebih baik untuk menghilangkan pengotor dari air. Permeabilitas dari air sebesar 7 hingga 21 kg/m2 untuk larutan garam NaCl (1g/L) dan MgSO4 (1g/L) pada tekanan operasi 5 dan 10 bar. Rejeksi ion bivalen lebih besar dibandingkan Monovalen (MgSO4 90%, NaCl 67%) (Rahimpour et. al. ,2010).

Pembuatan Membran lapis tipis ini juga bertujuan untuk meningkatkan permeabilitas air. Membran jenis ini banyak digunakan juga untuk komposit nanomaterial seperti pada perak, seng, titanium , dan lain-lain.

Tabel 2 Data Hasil Penelitian dari Pembuatan Membran Komposit (Sumber : Madaeni,2015)

	Umpan	Sifat
CA/ SPSf	-	Pori besar
PVDF/PMMA	Effluent dari pabrik mesin	Pori lebih besar, hidrofilitas, lower fouling
PS/PA	Larutan CN- , Zn₂+, Zn(CN4₂-)	Sifat kimia stabil, less mechanic resistance, selektivitas tinggi
PES/ CAP/ PVP	Larutan Susu	Hidrofilitas tinggi, fluks air, melewatkan larutan susu, menahan protein
PES/PI/PVP	Larutan garam	Hidrofilitas tinggi, fluks air tinggi, menahan larutan garam
SPC/ PVDF	Emulsi minyak	Lower fouling
PSf/ PAN	Larutan logam berat	Penurunan besar porositas permukaan, porositas dan permeabilitas ,rejeksi logam berat

Pembuatan Nanokomposit

Salah satu alternatif lain untuk meningkatkan unjuk kerja dari Membran adalah dengan menggunakan nanokomposit. Membran berbasis Polimer akan dicampurkan dengan partikel-partikel anorganik seperti Carbon Nanotubes, Nanoclay, Nano-Perak, TiO₂, ZnO, Al₂O₃, Fe₃O₄, SiO₂ ,dan ZrO₂. Nanokomposit tersebut adalah nanokomposit yang banyak digunakan. Penambahan komposit-komposit ini akan meningkatkan sifat fisika dan kimia dari Membran tersebut. (Al-Hobaib,2015). Pembuatan film dengan kandungan nanokomposit dapat meningkatkan sifat Antibakterial, Fotokatalisis , dan Adsoptivitas (Yin, 2014).

1. Carbon Nanotubes (CNT)

CNT telah menarik banyak perhatian karena sifatnya yang unik. CNT mempunyai sifat hidrofilitas yang baik, stabil secara kimia, dan mempunyai permukaan yang sangat luas. Sifat-sifat tersebut dapat digunakan untuk pembuatan material yang mempunyai sifat anti bakteri. CNT dapat menambah kekuatan Membran karena mempunyai rasio aspek yang tinggi dan kekuatan yang tinggi (Daraei, Madaeni, Ghaemi, et. al., 2013). Produksi CNT sudah dapat menghasilkan Single-Walled (SW), Double-Walled (DW), dan Multiwalled (MW) untuk ditambahkan pada komposit Polimer.(Vatanpour, Madaeni, Moradian, et. al., 2012).

Preparasi Membran ini dapat dilakukan dengan empat cara. Cara pertama adalah dengan filtrasi larutan yang mengandung CNT terdispersi dengan Membran. Cara kedua adalah dengan Polimerisasi In Situ pada permukaan komposit Membran. (Madaeni, Zinadini, & Vatanpour, 2011a). Cara ketiga adalah dengan mendispersikan CNT ke dalam larutan Monomer dan dilanjutkan dengan proses Polimerisasi antarfasa. (Madaeni,2015).

Cara keempat adalah dengan mencampurkan nanopartikel ke dalam campuran awal Membran dan dicelupkan pada Coagulation Bath. Metode pencampuran mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan metode lainnya. Metode ini mudah karena kondisi yang lunak, mempunyai reprodusibilitas yang tinggi, dan dapat dikomersialkan secara industri.

CNT mempunyai sifat yang baik dalam hal kestabilan kimia dan konduktivitas listrik. Akan tetapi, CNT tidak mudah untuk didispersikan dalam larutan organik dan Polimer. Oleh karena itu, dibutuhkan modifikasi permukaan dari CNT untuk dapat ditempelkan pada permukaan Membran. Modifikasi yang paling sering digunakan adalah modifikasi secara kimia yaitu dengan menambahkan gugus-gugus yang dapat meningkatkan interaksi dengan matriks Polimer atau sering disebut dengan gaya adesi.

Vatanpour dkk. (2011) membuat nanokomposit yang tersusun atas PES dan MWCNT yang telah termodifikasi oleh asam yaitu larutan 3M HNO₃/H₂SO₄ (1/3 v/v). CNT yang termodifikasi ini ditempelkan ke permukaan menggunakan metode inversi fasa. Pencampuran ini meningkatkan laju permeasi air dan menurunkan risiko Fouling. Vatanpour, Madaeni, Moradian, dkk., (2012) juga membuat Membran Anti-Biofouling dengan mencampurkan PES dengan MWCNT yang termodifikasi oleh TiO₂. Untuk mendapatkan Membran ini MWCNT dilarutkan ke dalam laurtan HNO₃ dan H₂SO₄ dengan rasio 3:1. Pencampuran ini akan menghasilkan gugus karboksil pada permukaan MWCNT. Untuk menempelkan TiO₂ ke dalam permukaan MWCNT yang telah teroksidasi, polycitric acid ditempelkan pada CNT. Tahap terakhir adalah pelapisan permukaan dengan partikel TiO₂. Berikut adalah jalur sintesis MWCO yang termodifikasi leh TiO₂, Gambar dibawah ini.

2. Nanopartikel Perak

Diantara nanopartikel lainnya, perak merupakan nanomaterial pertama yang mendapat perhatian dalam pembuatan komposit Membran. Sifat anti bakteri yang dimiliki oleh nanopartikel perak menjadikan material tersebut dijadikan sebagai bahan pembuatan Membran. Beberapa peneliti mempercayai bahwa perak adalah logam yang ramah lingkungan karena tidak menimbulkan gejala alergi, tidak beracun, dan dapat terolah dengan baik (Madaeni, 2015). Keuntungan dari nanopratikel perak adalah partikel tersebut tidak perlu ditempelkan pada Membran dalam tahap pembuatan. Akan tetapi, akitivitas antibakterial dari partikel tersebut menurun karena adanya partikel yang hilang selama proses dan adanya bakteri yang tidak mempunyai resistan terhadap Ag. Oleh karena itu, sifat yang paling dicari dari nanopartikel tersebut adalah sifat untuk mereduksi biofouling (Matsuyama, 2012). Contoh modifikasi Membran oleh nanopartikel perak adalah Membran nitroselulosa (Fernandez, 2015).

3. Nanopartikel TiO₂

Titanium oksida merupakan salah satu material yang digunakan dalam semikonduktor dan mulai menarik perhatian karena sifat fotokatalisis, hidrofilitas, dan penyerapan sinar UV. Beberapa peneliti membuat Membran dengan TiO2 untuk meningkatkan unjuk kerja Membran seperti hidrofilitas dan menguragi risiko fouling. TiO₂ merupakan Membran yang paling mudah dibuat untuk aplikasi katalisis , fotokatalisis, dan elektrokatalisis (Moushoul, 2015).

Ebert, Fritsch, Koll, dan Tjahjawiguna (2004) mengamati pengaruh dari komposisi TiO₂ terhadap unjuk kerja dari Membran PVDF dan PAI. Pembuatan Membran ini dilakukan dengan metode inversi fasa . Yang dan Wang (2006) membuat PS/TiO₂ organik-anorganik Membran hybrid dengan hidrofilitas yang tinggi dan permeasi yang tinggi dengan metode sol-gel dilanjutkan dengan proses inversi fasa. Membran ini mempunyai sifat Hidrofilik, berpori, dan Permeabilitas yang tinggi tanpa mengubah kapasitas retensi.Salah satu manfaat penggunaan TiO₂ pada campuran larutan Polimer adalah untuk mereduksi Fouling. Tabel 3 menunjukkan hasil Membran dengan mencampurkan TiO₂ dengan Polimer lainnya.

TiO2 mempunyai sifat pembunuh bakteri dengan bantuan sinar UV. Damodar dkk. (2009) membuat komposit Membran dari PVDF-TiO₂ dengan metode inversi fasa dengan mencampurkan kosentrat TiO2 sebesar (0-4%) pada larutan PVDF. Sifat katalisis tersebut diuji dengan bakteri E. Coli (Konsentrasi awal = 6,6 x 107cfu/ml) tanpa adanya paparan sinar uv. Pengaruh tersebut dapat dilihat dari gambar 4. TiO2 juga dapat dibuat dengan metoda electro-spinning dalam bentuk nanofiber (Bai,dkk ,2014).

Tabel 3 material komposit TiO₂ dan Membran (Sumber : Madaeni,2015)

Polimer	TiO₂ (jenis)	TiO₂ (ukuran, nm)
PSf-PVDF-PAN	Degussa P25	20
PVDF	Rutil	26-30
PVB	Anatase	180
PES	Degussa P25	20
PES	Rutile	30
PVDF	Degussa P25	20
PVDF	Degussa P25	20
PES	Degussa P25	20
PVDF	Degussa P25	20
PES	Degussa P25	20
CA	Anatase	62
PVDF/ SPES	Degussa P25	20
PVDF	Degussa P25	25
PVDF	Degussa (80% anatase dan 20% rutile)	20

Demikian Artikel mengenai Modifikasi Membran (Pencampuran Membran, Komposit Film Tipis TFC, dan Pembuatan Nanokomposit), kita akhiri dengan mebaca Hamdallah : اَ الحَمْدُ لِلّٰهِ رَبِّ العَالَمِيْنَ “Alhamdulillahirabbil ’Alamin”.