## PENGARUH TEKANAN OPERASI TERHADAP LAJU ALIRAN HASIL FILTRASI ROTATING FILTER PADA ALIRAN TAYLOR- COUTTE POISEUILLE DI DALAM SILINDER KONSENTRIS

## Sarip
Jurusan Teknik Mesin Sekolah Tinggi Teknologi Ronggolawe Cepu Jl. Kampus Ronggolawe Blok B/I Mentul Cepu 58315 E-mail: hidayatullohsarip566@gmail.com
Abstrak: Tekanan operasi pada sistem Rotating Filter dapat mempengaruhi laju  aliran  penyaringan.  Seksi  uji  penelitian  menggunakan  dua  silinder konsentris  yang  silinder  bagian  dalam  berputar  berfungsi  sebagai membran.  Tujuan  penelitian  untuk  mengetahui  pengaruh  tekanan  operasi terhadap  laju  aliran  penyaringan.  Penelitian  dilakukan  dengan  cara mengubah  tekanan  masuk  ke  dalam  seksi  uji  dengan  mengatur  gate  valve pada  Rotating  filter.  Gate  valve  digunakan  untuk  mengontrol  variasi tekanan operasi sesuai yang divariasikan. Variasi tekanan operasi yaitu: 77 kPa,  70  kPa,  58  kPa,  47  kPa,  dan  39  kPa  dilakukan  pada  kondisi  suhu campuran fluida 14 o C.  Porousitas membran yang digunakan 1 µm dengan debit  umpan  Q feed =  0,2  gpm.  Hasil  penelitian  menunjukkan  bahwa  pada tekanan  39  kPa:  6,661  L/m 2 .mnt,  47  kPa:  6,777  L/m 2 .mnt,  58  kPa;  6.864 L/m 2 .mnt,  70  kPa:  6.950  L/m 2 .mnt,  77  kPa:  7.066  L/m 2 .mnt.  Laju  aliran meningkat saat tekanan operasi naik dan menurun saat waktu penyaringan bertambah.  Laju  aliran  bertambah  karena  tekanan  operasi  naik menyebabkan  daya  dorong  meningkat  sehingga  jumlah  partikel  yang terhambat  semakin  sedikit.  Sedangkan  laju  aliran  menurun  karena  jumlah partikel  semakin  meningkat  sehingga  terjadi  fouling/pengendapan  yang dapat menyebabkan efisiensi membran menurun.
Kata Kunci: Aliran Taylor-Coutte, Tekanan operasi, Laju aliran.
Abstract: The operating pressure in the Rotating Filter system can affect the filter flow rate. The study used a concentric two-cylinder test section and the inner cylinder to function as a membrane. The aim study to determine effect of  membrane  operating  pressure  on  the  filtering  flow  rate.  To  research conducted by changing pressure into test section by using gate valve on the rotating filter. Variations of operating pressure: 77 kPa, 70 kPa, 58 kPa, 47 kPa,  and  39  kPa  are  carried  out  at  14 o C  fluid  mixture  temperature  and porousity  1  μm  with  Q feed =  0.2  gpm.  The  results  showed  a  pressure  of  39 kPa: 6,661 L / m 2 .mnt, 47 kPa: 6,777 L / m 2 .mnt, 58 kPa; 6,864 L / m 2 .mnt, 70 kPa: 6,950 L / m 2 .mnt, 77 kPa: 7,066 L / m 2 .mnt. The flow rate increases as  operating  pressure  rises  and  decreases  as  filtering  time  increases.  The flow rate increases because the operating pressure rises causing the thrust to increase so that the number of inhibited particles is getting smaller. The flow  rate  decreases  because  the  number particles  increases  so that  fouling occurs which can cause membrane efficiency to decrease.
Keywords: Taylor-Coutte flow, operating pressure, flow rate.

## PENDAHULUAN
istem penyaringan dengan menggunakan membran dapat menimbulkan terjadinya fouling (pengendapan zat terlarut dan partikel yang tersaring) di permukaan atau dinding membran. Pengendapan dapat menyebabkan kinerja dan umur membran berkurang  seiring  lama  waktu  pemakaian.  Salah  satu  solusi  yang  dilakukan  untuk mengatasi  masalah  tersebut  adalah  dengan  menggunakan  sistem  “ Rotating  Filter ”. Keuntungan  membran  berputar  partikel  yang  menyumbat  pori-pori  membran  sangat berkurang  bila  dibandingkan  penyaringan  biasa  karena  terjadi  aliran  Taylor-Couette pada celah antara membran dalam dan membran luar.
Penelitian  yang  dilakukan  oleh  Edward  H.S, et  al (2009),  membran reverse osmosis yang  digunakan  untuk  menyaring  larutan  NaCl  yang  diasumsikan  sebagai  air asin.  Larutan  NaCl  dengan  konsentrasi  2  mg/L;  2,25  mg/L;  2,5  mg/L;  2,75  mg/L  dan 3,0 mg/L disaring menggunakan membran spiral wound dengan merk  Filtec USA  TW 30-1812-100 dengan tekanan operasi dari 0,5 bar sampai 7 bar. Hasilnya menunjukkan bahwa  kenaikan  tekanan  umpan  menyebabkan  kenaikan fluks hasil  laju  aliran penyaringan. Fluks maksimal  diperoleh  pada  tekanan  umpan  7  bar  pada  konsentarasi sampel 2,0 mg/L ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Pengaruh tekanan operasi terhadap fluks pada beberapa konsentrasi larutan (Edwar et al ., 2009)
Lee  dan  Lueptow  (2001)  melakukan  penelitian  untuk  mengetahui  pengaruh kecepatan  putar  membran  terhadap  laju  aliran  (fluks)  dengan  tekanan  lintas  membran (ΔP)  1800  kPa,  dengan  nilai  REC  sebesar  0,9  dan  waktu  operasi  1  jam.  Penelitian menggunakan  silinder  dalam  membran Reverse  Osmosis dengan  jari-jari  2,5  cm  dan silinder luar dengan jari-jari 2,86 cm.
Untuk  mengetahui  pengaruh  kecepatan  putar  membran  terhadap  laju  aliran (fluks),  Lee  dan  Lueptow  (2011)  melakukan  penelitian  dengan  variasi  nilai  kecepatan, yaitu  0  rad/min,  70,8  rad/min,  86,5  rad/min,  157,3  rad/min  dan314,6  rad/min  dengan hasil kecepatan putar membran dapat memberikan efek yang besar terhadap  laju aliran (fluks).  Peristiwa Taylor  Vortices yang  ada  di  annulus,  menyebabkan  kinerja  dari penyaringan  membran  meningkat.  Hal  ini  membuat  polarisasi  konsentrasi  yang  terjadi di dekat membran menjadi berkurang, ditunjukkan pada Gambar 2.
S
Gambar 2. Pengaruh berbagai kecepatan putar silinder dalam, terhadap laju aliran/fluks (Lee dan Leuptow, 2001)
Aliran fluida di antara dua buah silinder konsentris dimana silinder bagian dalam berputar dan silinder luar diam disebut dengan aliran Taylor-Couette atau aliran Couette melingkar.  Sistem  koordinat  dalam  aliran Couette melingkar  dapat  diperhatikan  pada gambar  3.    Persamaan  momentum  arah  sumbu θ pada  kondisi  laminer,  tunak  untuk aliran di antara dua buah silinder konsentris berputar pada persamaan 1.
𝜕 𝜕𝑟 ( 1 𝑟 𝜕 𝜕𝑟 (𝑟𝑢 𝜃 )) = 0 (1)
Sehingga diperoleh penyelesaian umum : 𝑢 𝜃 = 𝑐 1 r + c 2 r (2)
Gambar 3. Sistem geometri pada aliran Couette melingkar diantara dua buah silinder konsentris
Dengan kondisi batas: 𝑢 𝜃 = 𝛺 𝑖 r i pada r = r i 𝑢 𝜃 = 𝛺 0 r 0 pada r = r 0 𝑢 𝜃 = 𝑟 𝑖 2 𝛺 𝑖 −𝑟 0 2 𝑟 𝑖 2 −𝑟 0 2 𝑟 + 𝑟 𝑖 2 𝑟 0 2 (𝛺 0 −𝛺 𝑖 ) 𝑟 𝑖 2 −𝑟 0 2 1 𝑟 (3)
Jika 𝛺 0 = 0, maka
𝑢 𝜃 = 𝑟 𝑖 2 Ω 𝑖 𝑟 𝑖 2 − 𝑟 𝑜 2 𝑟  − 𝑟 𝑖 2 𝑟 𝑜 2 Ω 𝑖 𝑟 𝑖 2 − 𝑟 𝑜 2 1 𝑟 (4)
Jika 𝛺 0 = 0, maka
𝑢 𝜃 = 𝑟 𝑖 2 Ω 𝑖 𝑟 𝑖 2 − 𝑟 𝑜 2 𝑟  − 𝑟 𝑖 2 𝑟 𝑜 2 Ω 𝑖 𝑟 𝑖 2 − 𝑟 𝑜 2 1 𝑟 (5)
Gambar 4. Profil kecepatan aliran Couette melingkar diantara dua buah silinder konsentris
Ketidakstabilan  yang  terjadi  pada  aliran Couette di  antara  dua  buah  silinder konsentris yang berputar berhasil dipecahkan oleh G.I. Taylor pada tahun 1923. Taylor menemukan  bahwa  fenomena  ketidakstabilan  terjadi  akibat  dari  gaya  sentrifugal  yang terjadi  pada  aliran Couette melingkar  dapat  mengatasi  gaya viscous .  Perbandingan antara  efek  gaya  sentrifugal  dan  gaya viscous tersebut  dinyatakan  dengan  bilangan nondimensi, Taylor number, Ta sebagai berikut:
𝑇𝑎  = 𝛺 1 𝑅 1 𝑑 𝜈 √ 𝑑 𝑅 1 (6)
Ketidakstabilan  pertama  terjadi  jika  putaran  silinder  dinaikkan  hingga  mencapai nilai Ta kritis maka aliran laminar Couette melingkar akan berubah menjadi aliran Taylor vortex seperti  terlihat  pada  Gambar  5.  Aliran Taylor  vortex ini  dapat  disebut  sebagai aliran transisi sebelum terbentuk aliran turbulen penuh. Batas untuk ketiga daerah aliran tersebut diberikan dalam parameter bilangan Taylor sebagai berikut:
Ta < 41.3 : aliran laminer Couette 41.3 < Ta < 400 : aliran laminer dengan Taylor vortex Ta > 400 : aliran turbulen
Gambar 5. Taylor vortex yang terjadi pada aliran Couette melingkar (Schlichting, 1979)
Di  dalam  proses  filtrasi  fluida  padat  dengan  cair,  cair  dengan  cair    atau  cair dengan gas memerlukan suatu media filter sebagai alat pemisahnya. Sedangkan filtrasi
merupakan suatu proses dimana zat padat dipisahkan dari cairan atau gas dengan suatu media yang berpori mempertahankan padat tetapi memungkinkan fluida melewati atau suatu  unit  operasi  yang  dirancang  untuk  memisahkan  partikel  tersuspensi  dari  media cairan  dengan  melewatkan  larutan  melalui  membran  berpori  atau  yang  lebih  besar. Osmosis  adalah  bagian  spontan  cairan  dari  encer  ke  larutan  lebih  terkonsentrasi melintasi  membran  semipermeabel  yang  ideal  yang  memungkinkan  bagian  dari  (air) pelarut  tetapi  bukan  padatan  terlarut  (solut)/  Jika  kekuatan  exsternal  dijalankan  pada solusi yang lebih terkonsentrasi, kesetimbangan terganggu dan aliran pelarut terbalik.
Untuk Reverse  Osmosis digunakan  membran porous sintesis  yang  terbuat  dari polimer.  Bahan  polimer  yang  dipakai  adalah cellulose  triacetate dengan  metode produksi phase inversion , struktur membran-nya asimetrik sedangkan bentuknya berupa hollow  fiber .  Bahan cellulose banyak  digunakan  sebagai  bahan  pembuatan  membran dialisis.  Di  samping  properties  yang  sangat  bagus  untuk  sebuah  membran,  akan  tetapi jenis cellulose ester sangat sensitif terhadap degradasi panas, bahan kimia dan biologis. Untuk  mencegah  terjadinya  hal  tersebut,  pHnya  harus  dijaga  antara  4  dan  6,5  pada temperatur lingkungan.

## METODE PENELITIAN
Bahan  yang  digunakan  terdiri  dari  air  sebagai  fluida  kerja  dan  serbuk  plastik dengan ukuran 98 µm - 212 µm sebagai zat campuran. Untuk melaksanakan penelitian dilakukan dengan skema alat penelitian sebagai berikut:

## Gambar 6. Skema alat pengujian
Keterangan:
1. Inverter.
2. Motor listrik .
3. Pully transmisi.
4. Seksi uji.
5. Efluent.
6. Pressure transducer
7. Gate valve .
8. Gate valve .
9. Flushing
10. Influent.
11. Pressure gauge . 12. Gate valve . 13. Filtrat. 14. Pressure transducer
15. Gate valve .
16. Gate valve . 17. Gate valve . 18. Flow meter keluar. 19. Flow meter masuk. 20. Gate valve . 21. Flushing . 22. Gate valve .
23. Globe valve . 24. Gate valve. 25. Gate valve. 26. Gate valve. 27. Pompa.
28. Reservoar.
Silinder  bagian  dalam  diputar  dengan  motor  listrik  yang  dihubungkan  dengan sebuah  inverter  yang  berfungsi  untuk  mengendalikan  putaran.  Variasi  tekanan  operasi membran  diatur  sesuai  tekanan  yang  divariasikan  dengan  menggunakan  gate  valve. Secara singkat alur penelitian dapat dijelaskan sebagai berikut: membran diputar dengan tekanan operasi disesuaikan selama 45 menit. Laju aliran hasil penyaringan/fluks diukur mulai  1  menit  sampai  45  menit  dengan  rentang  waktu  per  5  menit.  Hasil  pengujian tekanan  operasi  membran  ditabelkan  mulai  dari  (77,  70,  58,  47,  39)  kPa,  kemudian dibuat grafik dan dianalisis dengan memberi penjelasan.

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## A. Hasil Penelitian Pengaruh Tekanan Operasi Membran
Hasil penelitian pengaruh tekanan operasi membran disajikan pada Tabel 1.
Tabel 1. Hasil pengujian dengan variasi tekanan operasi membran.

## B. Analisa
Hubungan  antara  fluks  terhadap  waktu  penyaringan  dengan  variasi  tekanan operasi  membran  dapat  digambarkan  seperti  Gambar  5.  Pada  saat  tekanan  operasi sebesar  39  kPa,  nilai  fluks  awal  adalah  6,66  L/m 2 .menit  dan  menurun  hingga  6,24 L/m 2 .menit pada menit ke-45. Pada saat tekanan operasi sebesar 47 kPa, nilai fluks awal adalah  6,78  L/m 2 .menit  dan  menurun  hingga  6,27  L/m 2 .menit  pada  menit  ke-45.  Pada saat  tekanan  operasi  sebesar  58  kPa,  nilai  fluks  awal  adalah  6,86  L/m 2 .menit  dan menurun hingga 6,31  L/m 2 .menit pada menit ke-45. Pada saat tekanan operasi sebesar 70  kPa,  nilai  fluks  awal  adalah  6,95  L/m 2 .menit  dan menurun  hingga  6,35  L/m 2 .menit pada menit ke-45. Pada saat tekanan operasi sebesar 77 kPa, nilai fluks awal adalah 7,07 L/m 2 .menit dan menurun hingga 6,46 L/m 2 .menit pada menit ke-45.
Laju  aliran  penyaringan/fluks  cenderung  semakin  menurun  nilainya  seiring bertambahnya  waktu  penyaringan  terlihat  pada  Gambar  5.  Menurunnya  fluks  sudah diprediksi  sebelumnya  karena  adanya  pengendapan  partikel  serbuk  plastik  pada permukaan  membran  yang  menyebabkan  aliran  masuk  melalui  pori-pori  membran terganggu.
Permasalahan  yang  timbul  pada  sistem filtrasi membran  adalah  pengendapan yang disebut fouling . Foulin g  yang terjadi pada dinding membran dapat menyebabkan kinerja membran menurun.
Fluks (L/m 2 .mnt) Tek (kPa) Waktu (menit) 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 77 7.07 6.85 6.84 6.71 6.65 6.56  6.49  6.48  6.49 6.46 70 6.95 6.84 6.71 6.66 6.59 6.52  6.46  6.38  6.37 6.35 58 6.86 6.78 6.64 6.55 6.54 6.47  6.43  6.36  6.34 6.31 47 6.78 6.68 6.56 6.52 6.46 6.41  6.37  6.35  6.28 6.27 39 6.66 6.61 6.49 6.46 6.42 6.36  6.31  6.27  6.23 6.24
Gambar 7. Fluks penyaringan vs waktu dengan variasi tekanan operasi membran
Jika  dilihat  dari  Tabel  1  dan  Gambar  5,  semakin  meningkatnya  tekanan  operasi, maka  fluks  yang  dihasilkan  juga  semakin  tinggi  karena  gaya  dorong  yang  dihasilkan oleh tekanan operasi membran meningkat sehingga jumlah aliran yang masuk ke dalam membran juga semakin besar. Tekanan operasi merupakan gaya dorong ( driving force ) untuk  proses filtrasi dalam  teknologi  membran.  Jadi  semakin  tinggi  tekanan  operasi, maka fluks yang dihasilkan juga semakin tinggi.

## KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian mengenai  variasi tekanan operasi membran terhadap laju aliran hasil filtrasi Rotating filter dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Nilai fluks meningkat seiring dengan bertambahnya nilai tekanan operasi membran. Hal ini terjadi karena gaya dorong naik sehingga menyebabkan jumlah aliran fluida yang melalui membran bertambah.
2. Nilai  fluks  menurun  seiring  bertambahnya  waktu  penyaringan  karena  adanya endapan  partikel-partikel  yang  menempel  pada  dinding  membran  meningkat. Endapan-endapan  partikel  semakin  lama  semakin  meningkat  yang  menyebabkan efisiensi membran menurun.
3. Nilai fluks meningkat akibat Rotating filter mempunyai gaya vortex yang terjadi di antara silinder konsentris. Gaya Vortex saling berpasangan untuk menyapu partikel- partikel yang menempel pada dinding membran. Aliran fluida di antara dua silinder konsentris  juga  menimbulkan  gaya  sentrifugal  yang  selalu  menjauhkan  partikel- partikel dari dinding membran.

## DAFTAR PUSTAKA
Sutherland, Ken. (2008). Fiters and Filtration Handbook, Fifth Edition. BH.
Lathrop,  D.P.,  Fineberg,  J.  &  Swinney,  H.L.  (1992).  Transition  to  shear-driven  turbulence  in  Couette- Taylor flow. Phys. Rev , 46(10), 6390-6405.
Lueptow, R.M., Docter, A &  Min, K. (1992). Stability of axial flow in an  annulus with a rotating inner cylinder . Physics Fluid A , 4, 2446-2455.
Lueptow, R.M., & Lee, S. (2004). Model Predictions and Experiments for Rotating Reverse Osmosis for Space Mission Water Reuse. Separation Science and Technology , 39(3), 539-561.
Lueptow,  R.M.,  &  Min,  K.  (1994).  Circular  couette  flow  with  pressure-driven  axial  flow  and  a  porous inner cylinder. Experiment in Fluids , 17, 190-197.
6.000 6.200 6.400 6.600 6.800 7.000 7.200 0 10 20 30 40 50 F lu k s (L /m 2 .m en it ) Waktu (Menit) 77 kPa 70 kPa 58 kPa 47 kPa
Lueptow,  R.M.,  &  Pederson,  C.L.  (2006).  Fouling  in  a  high  pressure,  high  recovery  rotating  reverse osmosis system. Desalination , 212, 1-14.
Rushton. A, A.S. Ward & R.G. Holdich. (1996). Solid-Liquid Filtration and Separation Technology. New York, NY (USA): VCH Publishers, Inc.
Schlichting, H. (1979). Boundary Layer Theory . New York: McGraw-Hill.
Wereley,  S.T.,  &  Lueptow,  R.M.  (1999).  Velocity  field  for  Taylor-Couette  flow  with  an  axial  flow. Physics of Fluid, 11, 3637-3649.
White, F.M. (1991). Viscous Fluid Flow. New York: McGraw-Hill.