Electronic Theses and Dissertation

Fouling merupakan permasalahan yang tidak dapat terlepas dari aplikasi teknologi membran, khususnya pada polimer hidrofobik seperti polietersulfon (PES). Pada proses pengolahan air, kontaminan dapat berasal dari senyawa organik, seperti asam humus, protein, dan polisakarida. Dimana selama proses filtrasi, senyawa tersebut akan terakumulasi dan menyumbat pori membran. Fouling dapat mengakibatkan penurunan fluks permeat, selektivitas, dan meningkatkan biaya operasi. Pengendalian fouling merupakan aspek penting dalam mempertahankan kinerja dan usia pakai membran. Guna mengatasi permasalahan tersebut, modifikasi permukaan membran umumnya dipilih karena kesederhanaannya dan hanya diperlukan sebelum pengaplikasian membran. Ini dapat dilakukan melalui pelapisan atau fungsionalisasi sehingga meningkatkan hidrofilisitasnya, mengurangi adhesi foulant dan meningkatkan ketahanannya terhadap fouling. Terdapat beberapa metode untuk memodifikasi permukaan membran antara lain metode fisik dan metode kimia. Kedua metode tersebut memiliki kesamaan yaitu adanya penambahan aditif dengan tujuan tertentu. Dewasa ini penggunaan aditif dari bahan alam mulai dikembangkan secara massif karena dinilai lebih ekonomis dan ramah lingkungan. Oleh karena itu, pada studi ini telah dipelajari secara komprehensif penggunaan aditif bioresin jernang (dragon blood resin, DBR) untuk meningkatkan karakteristik dan kinerja membran PES. Meskipun modifikasi ini menunjukkan hasil yang memuaskan dari segi permeabilitas dan anti-fouling, ia memiliki keterbatasan yaitu ikatan kimianya yang kurang stabil. Sehingga dibutuhkan modifikasi dengan senyawa kovalen untuk meningkatkan stabilitas kimia membran. Maka dari itu, penelitian ini terbagi menjadi beberapa tahapan. Penelitian tahap-1, merupakan studi pendahuluan untuk mengidentifikasi karakteristik penting DBR dan bertujuan untuk menginvestigasi pengaruh konsentrasi DBR terhadap sifat dan kinerja membran PES. Aditif DBR menunjukkan adanya gugus hidrofilik dan muatan negatif, namun tidak memiliki aktivitas anti-bakteri E. coli. Konsentrasi DBR 3% menghasilkan permeabilitas yang tinggi (25x dari PES murni) dan anti-fouling yang sangat baik, bagaimanapun penggabungan DBR di dalam rantai PES bersifat kurang stabil. Oleh karena itu, pada penelitian tahap-2 (bagian 1) telah dipelajari mekanisme pelindian DBR pada kondisi basa kuat. Hal ini terjadi karena sifat hidrofiliknya serta degradasi DBR yang dipicu oleh ion hidroksida (OH-) pada larutan NaOH. Akibatnya kenaikan permeabilitas air yang sangat tinggi setelah perendaman (mencapai 90.74%). Pada tahap-2 (bagain 2), guna membatasi terjadinya pelindian, maka diperkenalkanlah reaksi koordinasi dengan menggunakan senyawa kovalen Fe3+. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari pengaruh konsentrasi Fe3+ terhadap karakteristik dan performa membran PES/DBR 3%. Pada tahap-2 (bagian 3) dilakukan studi perbandingan antara membran PES/DBR dan PES/DBR-Fe pada kondisi asam dan basa kuat selama 16 hari. Hasil menunjukkan bahwa stabilitas DBR yang lebih baik dicapai pada konsentrasi Fe3+ 0,05 M. Teknik modifikasi yang diaplikasikan pada penelitian tahap-1 dan tahap-2 adalah secara blending. Eksplorasi dilakukan dengan mempelajari perubahan karakteristik dan performa membran PES hasil modifikasi secara coating. Pada tahap-3, digunakan Perangkat lunak statistik Design-Expert, Response Surface Methodology (RSM) untuk menginvestigasi korelasi antara parameter input dan variabel response, serta melakukan optimasi. Hasil ANOVA menunjukkan bahwa p-value model prediksi untuk keempat variabel respon signifikan, kecuali pada rejeksi asam humus. Temuan ini menunjukkan bahwa membran yang dilapisi dengan DBR memiliki sifat anti-fouling yang sangat baik. Membran yang dipreparasi dengan teknik blending menghasilkan permeabilitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan coating, namun rejeksi lebih rendah.

Kata kunci: anti-fouling, dragon blood resin, leach out, response surface methodology, stabilitas kimia

Fouling is a problem that cannot be separated from the application of membrane technology, especially in hydrophobic polymers such as polyethersulfone (PES). In the water treatment process, contaminants come from organic compounds such as humic acids, proteins, and polysaccharides. During the filtration process, these compounds will accumulate and deposited the membrane pores. Fouling can result in a decrease in permeate flux, decreased selectivity, and increased operating costs. Control of fouling is an important aspect of maintaining the performance and life-span of the membrane. In order to solve these problems, membrane surface modification is generally chosen because of its simplicity and is only required before applying the membrane. This can be done through coating or functionalization, thereby increasing their hydrophilicity, reducing foulant adhesion, and increasing their resistance to fouling. There are several methods to modify the membrane surface, including physical and chemical methods. Both of these methods have something in common: the addition of additives with a specific purpose. Today, the use of additives from natural materials has begun to grow rapidly because they are considered more economical and environmentally friendly. Therefore, this study has comprehensively studied the use of dragon blood resin (DBR) to improve the characteristics and performance of PES membranes. Although this modification shows satisfactory results in terms of permeability and anti-fouling, it has limitations, which is the less stable chemical bonds. It needs modification with covalent compounds to increase the stability of the membrane. Therefore, this research is divided into several stages. Phase I research is a preliminary study to identify the important characteristics of DBR and aims to investigate the effect of DBR concentration on the properties and performance of PES membranes. DBR additive shows the presence of hydrophilic groups and a negative charge but does not have anti-bacterial activity against E. coli. a 3% DBR concentration results in high permeability (25x that of pure PES) and excellent anti-fouling; however, the incorporation of DBR in the PES chain is less stable. Therefore, in the phase-2 study (section 1), the mechanism of DBR leach out under strong alkaline conditions has been studied. This is due to its hydrophilic nature and DBR degradation triggered by hydroxide ions (OH-) in NaOH solution. The result is a very high increase in water permeability after immersion (reaching 90.74%). In step 2 (section 2), in order to limit the occurrence of leach out, a coordination reaction is introduced using the covalent compound Fe3+. This study aims to study the effect of Fe3+ concentration on the characteristics and performance of PES/DBR membranes. In phase 2 (section 3), a comparative study was carried out between PES/DBR and PES/DBR-Fe membranes under strong acidic and alkaline conditions for 16 days. The results showed that better stability of the DBR was achieved at a concentration of Fe3+ 0.05 M. The modification technique applied in the first and second stages of the research was blending. Exploration was carried out by studying changes in the characteristics and performance of PES membranes resulting from coatings. In phase 3, the Design-Expert statistical software, Response Surface Methodology (RSM), is used to investigate the correlation between input parameters and response variables as well as perform optimization. The ANOVA results show that the p-value of the predictive model for the four response variables is significant, except for the rejection of humic acid. These findings indicate that the membranes coated with DBR have excellent anti-fouling properties. Membranes prepared by blending techniques produce higher permeability compared to coatings, but rejection is lower. Keywords: anti-fouling, dragon blood resin, leach out, response surface methodology, chemical stability