Membran diaplikasikan pertama kali pada 1981. Penerimaan terhadap tekonologi ini lambat, terbatas pada flowrate yang kecil. Pada flowrate yang lebih besar, terdapat risiko ekonomi, di samping banyak parameter proses yang belum diketahui. Terkait manfaat yang menjanjikan, industri menggunakan hybrid system, yaitu menggabungkan membran dengan teknologi yang sudah ada, atau menggunakan membran sebagai debottleneck dari plant yang menggunakan solvent.
PERLUNYA PENYISIHAN CO2
Kandungan CO2 dalam natural gas dapat mencapai 80%. Bersama air, CO2 bersifat sangat korosif, menyerang pipa dan equipment, kecuali pipa dan equipment terbuat dari material konstruksi khusus. CO2 juga menurunkan heating value dari natural gas dan menuh-menuhin pipa saja (kapasitas natural gas jadi berkurang karena keberadaan CO2).
Teknologi penyisihan CO2 yang dikenal adalah:
- absorpsi: larutan potassium karbonat dan amine
- cryogenic
- adsorpsi: pressure swing adsorption (PSA), thermal swing adsorption (TSA), dan iron sponge
- membran
Masing-masing teknologi memiliki kelebihan. Teknologi membran sedang naik daun, khususnya untuk flowrate besar, CO2 tinggi, dan lokasi yang terpencil (remote area).
MATERIAL UNTUK PENYISIHAN CO2
Saat ini material membran yang digunakan untuk penyisihan CO2 adalah polymer based, seperti selulosa asetat, poliimida, poliamida, polisulfon, polikarbonat, polieterimida. Yang umum adalah selulosa asetat. Poliimida memiliki potensi yang menjanjikan.
MEMBRANE PERMEATION
Membran yang digunakan untuk penyisihan CO2 tidak beroperasi seperti filter. Pada filter, molekul kecil dipisahkan dari molekul yang lebih besar melalui medium berpori. Sedangkan pada membran, prinsip operasinya adalah difusi melalui nonporous membrane. Mula-mula CO2 larut (dissolve) ke dalam membran, kemudian berdifusi. Karena membran tidak berpori, pemisahan berlangsung bukan berdasarkan ukuran molekul, melainkan seberapa baik suatu senyawa terlarut dan berdifusi di dalam membran.
Gas yang dapat terlarut dan berdifusi dengan cepat di dalam membran disebut fast gas, misalnya CO2, H2, He, H2S, dan uap air. Sebaliknya, disebut slow gas, seperti CO, N2, metana, etana, dan hidrokarbon lain. Membran digunakan untuk memisahkan fast gas dari slow gas.
Proses pelarutan dan difusi digambarkan dengan Fick’s law.
dengan :
J : fluks CO2 melalui membran
k : solubillity CO2 di dalam membran
D : koefisien difusi CO2 melalui membran
Δp : perbedaan tekanan CO2 di aliran feed (high pressure) dan permeate (low pressure)
l : ketebalan membran
Untuk kemudahan, k dan D dikombinasikan menjadi variabel baru, yaitu permeabilitas (P).
Ada 2 hal pada Fick’s law terkait ketergantungan, yaitu:
- ketergantungan pada membran (P/l)
- ketergantungan pada proses (Δp)
Nilai P/l tidak konstan, bergantung pada temperatur dan tekanan.
Persamaan Fick’s law membimbing kita pada variabel penting lainnya, yaitu selektivitas (α). Selektivitas merupakan rasio permeabilitas CO2 terhadap komponen lain. Misalnya, selektivitas CO2/metana adalah 5-30. Hal ini berarti CO2 menembus membran 5-30 kali lebih cepat dibandingkan metana.
Permeabililtas dan selektivitas merupakan pertimbangan penting dalam menyeleksi membran. Jika permeabilitas semakin tinggi, luas membran akan semakin kecil (biaya makin rendah). Jika selektivitas semakin tinggi, loss hydrocarbon semakin kecil (volume produk semakin besar).
Sayangnya, tingginya permeabilitas CO2 belum tentu berbanding lurus dengan tingginya selektivitas. Kombinasi permeabilitas dan selektivitas merupakan tujuan utama para peneliti membran. Pilihannya adalah membran yang selektif, atau membran yang permeabel, atau di antara keduanya. Biasanya yang dipilih adalah material yang sangat selektif, kemudian membuatnya setipis mungkin untuk meningkatkan permeabilitas. Tetapi pengurangan tebal membuat membran mudah pecah (fragile) sehingga tidak dapat digunakan. Selama bertahun-tahun sistem membran tidak berkembang karena diperlukan membran yang tebal untuk menjaga mechanical strength-nya, sehingga permeabilitasnya minimal. Diperlukan solusi untuk memecahkan keterbatasan ini.
STRUKTUR MEMBRAN
Solusi yang digunakan adalah membran dengan lapisan nonporous sangat tipis, “ditempelkan” di lapisan berpori yang tebal, yang materialnya sama. Struktur membran ini disebut struktur asimetrik (lawan dari struktur homogen). Lapisan nonporous merupakan membran ideal, selektif, dan tipis. Sedangkan lapisan berpori berfungsi sebagai mechanical support, di mana permeate bebas mengalir.
Permasalahannya adalah karena hanya terdiri dari satu jenis material, diperlukan biaya yang mahal untuk membuat polimer yang diinginkan (customized).
Untuk memecahkan masalah di atas, digunakan composite membrane, yaitu lapisan tipis dari polimer, “ditempelkan” di polimer lainnya (berbeda material). Strukturnya asimetrik. Material komposit banyak digunakan. Dengan composite membrane, manufaktur leluasa membuat membran yang diinginkan dengan biaya yang reasonable.
http://engineering.osu.edu/nie/nie792/images/ho-membrane_opt.jpgELEMEN MEMBRAN
Manufaktur membuat membran dalam dua bentuk, yaitu flat sheet atau hollow fiber. Flat sheet biasanya digabungkan menjadi spiral-wound element, sedangkan hollow fiber digabungkan menjadi bundle, seperti shell and tube heat exchanger.
Spiral-wound element dapat menangani tekanan tinggi, lebih resisten terhadap fouling, dan memiliki sejarah panjang dalam natural gas sweetening.
http://www.mtrinc.com/images/faq/spiral.gifHollow-fiber elements memiliki packing density yang tinggi. Plant yang menggunakan hollow fiber biasanya lebih kecil daripada yang menggunakan spiral-wound.
http://www.medal.airliquide.com/image/photoelement/pj/carbon%20membrane_section38867.gif
MEMBRANE MODULES AND SKIDS
Setelah membran difabrikasi ke dalam bentuk elemen, mereka dimasukkan ke dalam tube.
(Sumber: Recent Developments in CO2 Removal Membrane Technology, David Dortmundt, Kishore Doshi, UOP LLC)
Multiple tube kemudian ditempelkan (mounted) ke skid. Orientasinya bisa vertikal atau horizontal.
http://www.mtrinc.com/images/refineries/membrane_skid.jpg
