membran nanofiltrasi

Pemasangan Sistem Nanofiltrasi di Pabrik AMDK

Nanofiltrasi adalah salah satu sistem yang menggunakan membran, selain reverse osmosis sistem. Pada bidang water treatment lebih banyak mengenal reverse osmosis daripada membran nanofiltrasi.  Penggunaan membrane ini umumnya untuk menurunkan TDS dengan efisiensi power listrik.

Pemasangan sistem nanofiltrasi lokasinya di Pabrik AMDK Jawa Timur pada Februari sampai Maret tahun 2022.  Kapasitas terpasang adalah 30 M³/jam, dengan recovery 75%.  Namun sumber air baku memiliki TDS air yang agak tinggi, sehingga perlunya pemasangan membran nanofiltrasi.

Tujuan pemasangan nanofiltration membrane adalah agar mendapatkan TDS air yang lebih rendah, namun efisien energi.  Pertimbangan lainnya adalah agar biaya operasional konsumsi power listrik lebih kecil.

Apakah Sistem Membran Nanofiltrasi?

Nanofiltrasi adalah sistem membran yang fungsinya hampir mirip dengan membrane reverse osmosis.  Secara sistem keduanya hampir sama operasionalnya, juga penggunaan beberapa komponen utama.  Perbedaan yang dominan adalah hanya terletak pada kebutuhan tekanan.

Membran Nanofiltrasi mempunyai karakteristik yang lebih mirip dengan reverse osmosis.  Pada spektrum membran, reverse osmosis dan ultrafiltrasi  mempunyai perbedaan pori – pori.  Maka fungsi membran ini akan berbeda dengan reverse osmosis dan ultrafiltrasi. Dari pada RO, sistem NF ini lebih sedikit digunakan

Sistem NF mempunyai rejection yang lebih rendah daripada sistem reverse osmosis.  Membran nanofiltrasi mempunyai rejection rata-rata adalah 90 – 98%, sedangkan reverse osmosis berkisar 95 – 99%.

Pada intinya fungsi dari nanofiltration dan reverse osmosis adalah sama, yaitu mampu menurunkan TDS air. Namun faktor yang membedakan adalah dari faktor sumber air bakunya.  Ketika sumber air baku dari air asin (baik payau atau air laut), maka tidak bisa menggunakan sistem nanofiltrasi.

Nanofiltrasi-Unit-Assy

Apa Saja Fungsi Membran Nanofiltrasi?

Membran nanofiltrasi mempunyai fungsi sebagai cara menurunkan TDS air, selain itu berfungsi sebagai berikut:

  • Menghilangkan warna dan karbon organik total (TOC) dari air permukaan.
  • Menghilangkan kesadahan atau radium dari air sumur.
  • Mengurangi total padatan terlarut (TDS) secara keseluruhan.
  • Demineralisasi air
  • Produksi air dengan mineral rendah
  • Menghilangkan heavy metal ion
  • Waste Water dalam Produksi Textile
  • Waste water dalam Produksi Kertas
  • Water Treatment pada Budidaya Tanaman (agriculture)
  • Water Softening
  • Menurunkan kadar nitrat

Bagaimana Proses Sistem Membran Nanofiltrasi?

Proses sistem nanofiltrasi mempunyai persamaan dengan sistem reverse osmosis.  Permulaan proses bermula pada pompa bertekanan yang mendorong air umpan ke nanofiltration membrane.  Selanjutnya sistem membran membagi air umpan menjadi air produk dan air konsentrat.

Pengaturan tekanan dengan valve concentrate, akan mengatur besarnya persentase recovery dan rejection.  Pengaturan tekanan pompa umumnya lebih kecil dari 100 psi, sedangkan pada reverse osmosis umumnya lebih besar dari 100 psi.

Sumber air baku membran nanofiltrasi harus menggunakan air yang soft dengan kadar kapur rendah.  Apabila tidak menggunakan softener, alternatifnya adalah menambahkan sistem antiscalant dosing.

Nanofiltrasi memiliki ukuran pori membran 0,001 micron, serta hanya  membutuhkan tekanan sedang.  Dengan tekanan sedang, maka membutuhkan listrik lebih kecil dari reverse osmosis.  Proses daur ulang limbah, juga bisa menggunakan membran nanofiltrasi.

Nanofiltrasi mempunyai rejeksi antara 50% hingga 90%, tergantung air baku. Karena kemampuannya untuk secara efektif menghilangkan ion “di” dan “trivalen,” maka membran nanofiltrasi sering digunakan untuk menghilangkan “kesadahan”.

Gambar Proses Flow Diagram Nanofiltrasi
Gambar Proses Flow Diagram Nanofiltrasi

Berapa Persentase Recovery System Nanofiltration?

Cara kerja nanofiltrasi adalah pada input membrane (sisi feed) akan mendapatkan  tekanan air hingga 5 – 8 bar.  Dari proses ini nantinya akan menghasilkan dua aliran yaitu aliran Air Hasil (produk) dan Aliran Air Buangan (concentrate).

Sistem nanofiltration membrane akan menghasilkan 60 – 80 % dari jumlah air bakunya.  Artinya apabila air baku 10 M³/jam, maka menghasilkan hasilnya hanya 5 – 8 M³/jam.  Sedangkan air sisanya sebesar 20 – 50% akan terbuang atau menggunakannya kembali untuk utilitas.

Pada proses tersebut menghilangkan 80 – 95% TDS air baku, sehingga mineral yang terkandung dari air hasil hanya 5 – 20%.  Jika air baku mempunyai TDS 300 ppm, asumsinya setelah proses membran nanofiltrasi maka TDS hasil kira-kira 10% dari 300 ppm, atau sekitar 30 ppm.

Hal yang perlu menjadi catatan adalah sistem nanofiltration ini tidak cocok untuk sumber air baku dari air payau atau air laut.  Atau sistem yang menghendaki high purification water.

Apa Saja Komponen Sistem Membran Nanofiltrasi?

Proses membran nanofiltrasi menggunakan dua komponen utama yaitu Membrane NF dan Pompa Tekanan Tinggi.  Nanofiltration adalah membran semi permeabel, biasanya terbuat dari lapisan polyamide film tipis, dengan micron rating 0,001 micron.

Desain dan komponen membran nanofiltrasi memiliki persamaan dengan reverse osmosis, yang berbeda adalah penggunaan jenis membran.  Secara umum komponen – komponen system nanofiltrasi adalah prefilter, pompa booster, vessel membran, membrane element, instrumentasi flow meter, pressure gauge, dll.

Sama halnya sistem RO, sistem nanofiltration membrane juga harus di proteksi dengan low pressure switch (LPS) dan high pressure switch (HPS).  Fungsi LPS akan memproteksi pompa saat tidak ada air atau tekanan rendah.  Sedangkan HPS berfungsi saat kesalahan operational atau membrane mampat.

Perbedaan lainnya adalah pipa untuk sistem nanofiltration tidak perlu menggunakan pipa tekanan tinggi.  Misalnya PVC Class AW atau PP – R PN 20 sudah cukup.  Berbeda dengan sistem RO harus menggunakan pipa tekanan tinggi, misalnya stainless steel schedule 40 atau schedule 80.

1. Prefilter Cartridge Membran Nanofiltrasi

Prefilter pada nanofiltrasi berfungsi untuk melindungi membran nanofiltrasi dari endapan partikel atau lumpur.  Pemasangan prefilter ini akan menghilangkan endapan, pasir, kotoran, dan sedimen lain yang dapat menyumbat sistem air baku.  Dengan adanya pre-filter, maka mencegah adanya partikel di permukaan membrane.

Komponen prefilter umumnya terletak sebelum air masuk ke nanofiltration membrane.  Prefilter menggunakan housing filter baik yang singel cartridge maupun multi cartridge.  Micron rating untuk prefilter menggunakan ukuran 5 micron.  Bisa juga menambahkan ukuran 1 micron, namun secara teknis di terlalu signifikan perbedaannya.

Sesungguhnya menggunakan hanya satu jenis cartridge 5 micron untuk sistem nanofiltration sudah cukup.  Hal ini ada riset yang menyebutkan bahwa dengan penambahancartridge 1 micron tidak signifikan memperpanjang penggunaan membrane.  Malah justru menambah cost pergantian cartrdige yang lebih sering.

Cartridge harus menggantinya secara berkala, misalnya 1 – 2 bulan sekali.  Indikator penggantian cartridge adalah saat adanya penurunan tekanan yang terbaca melalui pressure gauge pada membran nanofiltrasi unit.

2. Shut–Off Valve (solenoid)

Shut-off solenoid valve berfungsi untuk menutup aliran air pada saat sistem nanofiltrasi tidak berfungsi.  Solenoid ini sangat berperan ketika sumber air baku mempunyai tekanan, sehingga apabila sudah tidak berfungsi aliran air baku akan menutupnya.

Valve solenoid akan terkoneksi dengan system electronic control, sehingga fungsinya akan bekerja secara otomatis ketika mesin membran nanofiltrasi berhenti bekerja.  Shut-Off ini biasanya menggunakan beberapa pilihan material, misalnya PVC, Brass, SS – 304, SS – 316.

Jenis shut-off valve untuk nanofiltration membrane umumnya menggunakan solenoid valve pada sistem sedang, misalnya 3000 – 6000 gpd.  Namun untuk kapasitas yang lebih besar sebaiknya menggunakan motorized ball valve atau sejenisnya.

Usahakan gunakan kualitas shut – off valve yang baik, mengingat kalau sistemnya tidak terbuka maka akan menyebabkan terjadinya alarm low pressure switch.  Dan sudah tentu akan menyebabkan mesin nanofiltration tidak berfungsi.  Atau sebaliknya ketika tdak bisa menutup kembali maka banyak air baku akan terbuang.

3. Sensor Switch Untuk Tekanan Rendah (Low Pressure Switch) dan Tekanan Tinggi (High Pressure Switch)

Switch tekanan rendah (Low pressure switch) di sistem nanofiltrasi berfungsi untuk memberikan sinyal ke panel electronic control, apabila terjadi tekanan aliran air yang rendah.  Tujuannya adalah apabila pada tekanan air yang rendah, maka pompa booster akan mengalami kerusakan.

Hampir sebagian besar pompa booster untuk sistem nanofiltration bersifat “positive suction”, artinya akan berfungsi baik dan normal pada tekanan air input yang positive.

Kondisi air habis atau prefilter yang kotor, akan menyebabkan rendahnya tekanan air.  Pada kondisi ini akan menyebabkan fungsi low pressure switch bekerja, dan mengirimkan signal untuk memberhentikan sistem membran nanofiltrasi.

Sebaliknya selain low pressure switch (LPS) juga ada high pressure switch (HPS).  Pentingnya HPS pada sistem nanofiltration membrane adalah untuk mencegah adanya over pressure atau tekanan berlebihan.  Hal ini karena sering terjadi pompa booster berjalan terus karena adanya setting tekanan concentrate valve yang tidak pada posisinya.

4. High Pressure Pump Membran Nanofiltrasi

High pressure pump membran nanofiltrasi adalah pompa yang berfungsi untuk memberikan tekanan pada membrane.  Pompa ini akan menghasilkan tekanan antara 60 – 150 psi.  Sistem nanofiltration akan menggunakan pompa type multistage dan umumnya menggunakan type vertical multi stage.

Pompa yang digunakan pada sistem nanofiltration ini umumnya pompa type multistage.  Hampir tidak pernah menggunakan pompa jenis diaphragm, plunger atau piston.  Hal lainnya adalah sebagai besar menggunakan material SS – 304.  Penggunaan material SS – 316 ketikan aplikasi untuk industri pharmacy.

Untuk mendapatkan pompa booster membran nanofiltrasi mudah mendapatkannya di beberapa supplier pompa industri.  Yang terpenting kapasitasnya juga tekanannya cukup.  Cara menghitung kebutuhan pompa lebih sederhana adalah kapasitas produksi dibagi 0,6.  Dang tekanan kerjanya 80 – 100 psi sudah cukup.

5. Membrane Element Untuk Sistem Nanofiltrasi

Membran element adalah komponen utama dari sistem membran nanofiltrasi. J enis membran ini adalah semi permeabel, yang di desain untuk menghilangkan berbagai macam kontaminan yang berhubungan dengan mineralogi dan mikrobiologi.

Pada instalasi nanofiltration membrane ini, menggunakan membrane dengan diameter 8-inch, dengan jumlah membrane sebanyak 30 element.  Jenis membrane pada sistem nanofiltration ini tidak seperti reverse osmosis system.  Dimana pilihan jenis membranenya hanya 1 – 2 jenis, sementara RO banyak pilihan alternatif.

Desain pemasangan sistem nanofiltrasi juga mengikuti reverse osmosis, yaitu mempertimbangkan konfigurasi array antar membrane.  Pada sistem ini, pemasangan array membrane menggunakan array 3 X 2, dengan jumlah vessel 5 pc.  Masing – masing vessel terdiri dari 5 element membrane.

Merk membrane untuk nanofiltration ini ada beberapa merk, misalnya hydranautic, filmtech, LG, serta beberapa membrane merk China yang kualitasnya juga cukup baik.  Ketika harga menjadi pilihan, maka alternatif menggunakan membrane yang lebih murah seperti merk produk China juga bisa jadi pilihan.

6. Valve Pengaturan Tekanan (Concentrate Valve)

Valve pengatur tekanan ini mutlak harus ada pada system membran nanofiltrasi.  Tanpa valve ini, maka tidak bisa mengatur tekanan air untuk membrane.  Concentrate valve letaknya setelah vessel.

Pada nanofiltrasi ini, menggunakan concentrate valve yang terbuat dari stainless steel SS – 304 atau SS – 316.  Serta melakukan pengaturan tekanan hanya sekali pada saat di awal pemasangan.  Sebaiknya jangan mengatur concentrate valve ini secara terus menerus.

Pengaturan tekanan pada concentrate valve adalah presentasi dari tekanan kerja pada sistem membran nanofiltrasi.  Pada TDS air baku sekitar 150 ppm, umumnya tekanan kerja tidak lebih dari 110 psi.  Tapi yang menjadi acuan adalah kapasitasnya, cek selalu kapasitasnya  pada flow meter sesuai desain.

Jangan melakukan pengaturan concentrate valve yang berlebihan untuk tujuan mendapatkan hasil yang lebih besar.  Hal ini menyebabkan membran nanofiltrasi akan lebih cepat fouling.  Kecuali mempunyai kebijakan “recovery tinggi” karena faktor air baku yang mahal, misalnya membeli air PDAM.

Keuntungan Sistem Nanofiltrasi

Faktor dominan keuntungan menggunakan sistem nanofiltrasi adalah bisa menurunkan TDS dengan konsumsi power yang lebih rendah.  Pada umumnya metode menurunkan TDS yang umum adalah reverse osmosis, namun nanofiltration membran lebih cocok ketika tidak membutuhkan rejection yang tinggi.

Walaupun sistem nanofiltration menggunakan tekanan rendah, namun dari sisi pembelian system juga tidak lebih murah dari reverse osmosis.  Harga sistem nanofiltrasi cenderung sedikit lebih tinggi.  Hal ini karena harga membranenya lebih tinggi sedikit dari membrane RO.

Efisien Konsumsi Power Energi Dengan Nanofiltrasi

Menggunakan membran nanofiltrasi di Pabrik AMDK umumnya membutuhkan power energi  hanya 50% daripada reverse osmosis.  Sehingga penyediaan power energi lebih kecil, serta pemilihan pompa juga lebih mudah.

Investasi yang mempertimbangkan OPEX, maka beban biaya produksi menjadi konsentrasi yang sangat dominan. Pada teknologi membran dengan tekanan tinggi, maka biaya produksi dari faktor kebutuhan listrik akan lebih tinggi daripada sistem konvensional.

Sebagai contoh pada TDS air baku 200 ppm dan kapasitas produksi 10 M³/Jam, pada penggunaan membran nanofiltrasi maka membutuhkan power 5,5 kW. Sedangkan jika menggunakan reverse osmosis membran, maka kebutuhan listriknya 11 kW.

Jika menghitung Efisiensi sebesar 5,5 kW per satuan waktu dan per satuan kWH Rp. 1500 dan selama 30 hari selama setahun (jam kerja 20 jam), maka akan mendapatkan efisiensi sebesar 5,5kW X Rp. 1.500 X 20 jam X 30 hari X 12 bulan = Rp. 59,400,000.  Dari sisi kebutuhan daya listrik, maka nanofiltration lebih efisien dari pada RO.

Persamaan dan Perbedaan Nanofiltasi vs Reverse osmosis

Melihat system nanofiltration dan Reverse Osmosis secara visual hampir serupa, dengan komponen yang sama.  Namun pada uraian ini mencoba menjelaskan persamaan dan perbedaannya.

Antara nanofiltrasi dan RO sama – sama menggunakan pretreatment, salah satunya water softener ataupun antiscalant.  Juga beberapa unsur pretreatment lainnya seperti multimedia, carbon atau UF.

Persamaan Nanofiltrasi dan Reverse Osmosis

Persamaan nanofiltrasi dan reverse osmosis adalah sama –  sama menggunakan membrane.  Keduanya menggunakan komponen – komponen yang sama, seperti pompa, vessel membran dan membrane.  Keduanya juga mempunyai fungsi yang sama yaitu menurunkan TDS air.

RO filter dan membran nanofiltrasi sama – sama membutuhkan tekanan yang konstan untuk bisa berfungsi dengan baik.  Keduanya harus membutuhkan energi untuk memindahkan air yang masuk ke dalam membran.  Untuk bisa menembus pori – pori membran maka memerlukan tekanan tersebut.

Perbedaan lainnya membran nanofiltrasi, tidak bisa menggunakannya untuk kebutuhan desalinasi air laut.  Hal ini mengingat air laut mempunyai TDS air 12.000 – 36.000 ppm.  Bahkan nanofiltration juga tidak bisa menggunakan air asin payau, walaupun TDS-nya lebih rendah dari air laut.

Untuk pengolahan air laut, bisa menggunakan nanofiltration membrane-nya sebagai double phase system.  Artinya, nanofiltration berada setelah reverse osmosis air laut.  Dengan menggunakan nanofiltration membrane, akan menghasilkan air produk dengan TDS lebih kecil 100 ppm.

Baik Nanofiltrasi dan Reverse Osmosis Membutuhkan Pretreatment

Membran nanofiltrasi dan RO mempunyai pori – pori yang kecil, untuk itu perlu pretreatment agar partikel –  partikel besar tidak menutup permukaan membran.  Selain itu pretreatment juga harus mengurangi unsur yang tidak boleh masuk ke membran.

Dengan pretreatment yang baik, maka nanofilter dan reverse osmosis mempunyai masa pakai yang lebih lama.  Dengan semakin pretreatment memproses air baku, maka biaya pergantian dan cleaning membrane akan lebih kecil.

Salah satu pemeliharaan membran nanofiltrasi selain pretreatment adalah mengetahui cara membersihkan membrane.  Dalam masa pemakaiannya, maka membrane membutuhkan pembersihan.  Waktu pembersihan adalah ketikan kapasitas membrane sudah turun maksimal 20%.

Perbedaan Nanofiltrasi dan Reverse Osmosis

Faktor pembeda antara nanofiltration dan RO adalah ukuran pori – pori membran, walaupun ukuran membrane luarnya dimensinya sama.  Secara fungsi nanofiltrasi dan reverse osmosis mampu menghilangkan kontaminasi yang lebih halus daripada microfiltrasi dan ultrafiltrasi.

Membran Nanofiltasi memberikan filtrasi yang sedikit lebih kasar daripada RO.  Kemampuannya dapat menghilangkan partikel kurang dari 0,002 hingga 0,005 μm.   Nanofilter adalah teknologi yang relatif baru berkembang, terutama untuk air minum.  Untuk itu penggunaan untuk pabrik air minum AMDK akan semakin berkembang.

Nanofiltrasi dapat menghilangkan kontaminasi berbahaya, seperti senyawa pestisida dan makromolekul organik.  Namun membran nanofiltrasi bisa mempertahankan sebagian mineral, jika menggunakan RO pasti akan hilang.

Pada kondisi air baku yang cukup baik, lebih baik menggunakan nanofiltrasi dari pada RO komersial.  Pemilihan ini tentu tujuannya agar saving penggunaan listrik.

Sistem Nanofiltrasi Untuk AMDK

Penggunaan sistem nanofiltrasi  untuk AMDK (air minum dalam kemasan) adalah tergolong sangat jarang.  Metode yang umum adalah degan menggunakan reverse osmosis.  Pada pemasangan ini bertujuan menurunkan TDS air agar memperoleh hasil sekitar 60 – 70 ppm.

Selain menurunkan TDS, faktor kedua adalah mempertimbangkan efisiensi penggunaan power elektrik.  Menggunakan sistem membran nanofiltrasi akan mendapatkan efisiensi penggunaan power listrik hampir 50% dari pada reverse osmosis.

Untuk standar (non formal) kebanyakan air minum (mountain spring) TDS-nya berkisar 75 – 150 ppm.  Sehingga apabila air baku melebihi dari range tersebut, maka perlu adanya usaha untuk menurunkan TDS-nya.

Ada beberapa pilihan untuk menurunkan TDS, yaitu menggunakan ion exchange resin dan menggunakan membran.  Menurunkan TDS air dengan menggunakan ion resin sesungguhnya mempunyai risiko terkontaminasi bahan kimia.

Opex Sistem Nanofiltrasi Untuk Investasi Yang Ekonomis

Ketika menggunakan nanofiltrasi  atau RO untuk AMDK, maka yang menjadi pertimbangan penting adalah tujuan dari produk akhir.  Apabila ingin mendapatkan hasil yang lebih kecil mineralnya, maka pilihan menggunakan RO jadi lebih utama.

Membuat perhitungan software design, akan membantu design estimasi yang tepat dari sisi engineering dan prediksi membran fouling.  Bersama ini kami sampaikan gambar simulasi dari hasil perhitungan Software Desain membran.  Pada simulasi ini menggunakan nanofiltration membrane dan membran RO, dengan kondisi kapasitas produksinya sama yaitu 10 M³/Jam.

NANOFILTRASI RO
TDS air baku (ppm) 200 200
Kapasitas (M³/Jam) 10 10
Recovery (%) 50 50
Feed Flow (M³/Jam) 20 20
TDS Hasil (ppm) 18,35 0,87
TDS concentrate (ppm) 381,64 399,12
Pressure (bar) 4,36 11,2
Power (kW) 5.5 11
Simulasi perhitungan menggunakan Software Keensen oleh TIM MAPURNA

Perbandingan Efisiensi Penggunaan Konsumsi Listrik

Apabila dibandingkan cara menurunkan TDS air dengan menggunakan nanofiltration membrane dan membran RO, maka di bawah ini adalah gambar perbandingan kebutuhan listrik (kW) antara nanofiltrasi dan reverse osmosis.

Gambar Ilustrasi Kebutuhan Tekanan Nanofiltrasi VS Reverse Osmosis

Galeri Photo Perakitan Nanofiltrasi 30 M³/Jam

nanofiltrasi membrane

Sesi Training Nanofiltrasi di Pabrik AMDK