Osmosis balik: tekanan osmotik, tekanan pendorong bersih, dan membran komposit

Sebuah restoran di daerah pegunungan memakai unit osmosis balik (reverse osmosis, RO) berpompa untuk air minum dan air masak. Saat dipasang di musim kemarau, alat ukur debit di jalur air bersih menunjukkan sekitar 2,1 L/menit. Tiga bulan kemudian, ketika musim hujan datang, angkanya tinggal sekitar 1,5 L/menit. Tidak ada filter yang diganti, pompa berbunyi normal, dan TDS air hasil masih rendah. Teknisi baru dapat menilai keadaan itu setelah mengukur suhu air baku: angkanya turun dari sekitar 25 °C menjadi 15 °C. Penurunan debit sebesar itu justru sesuai perkiraan untuk membran yang sehat, dan penjelasannya ada pada cara air menembus membran.

Tekanan, debit, dan kecepatan dalam saluran sudah dibahas di Bab 1 · Fluida & Termal; TDS dan cara mengukurnya ada di Bab 1; letak RO dalam alur pengolahan air ada di Bab 2. Yang ditinjau di sini adalah apa yang terjadi di permukaan membran: mengapa tekanan pompa tidak seluruhnya menjadi aliran air bersih, berapa bagian yang habis untuk melawan tekanan osmotik, dan mengapa suhu, tekanan balik, serta penumpukan garam di dekat membran mengubah debit tanpa ada komponen yang rusak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas osmosis dan osmosis balik, tekanan osmotik dan perkiraannya dari TDS, model larutan-difusi, tekanan pendorong bersih (net driving pressure, NDP), faktor koreksi suhu (temperature correction factor, TCF), polarisasi konsentrasi, serta susunan membran komposit dan elemen gulungan spiral. Recovery, rejeksi, dan neraca konsentrat dibahas di bab Recovery, rejeksi, dan neraca konsentrat RO. Normalisasi data dan diagnosis ada di bab Normalisasi data kinerja dan diagnosis sistem RO. Prapengolahan, pembersihan, dan sanitasi ada di bab Prapengolahan, pembersihan, sanitasi, dan pengawetan membran RO. Rugi tekan pipa dan pompa tidak diulang; keduanya ada di Bab 2 · Fluida & Termal dan Bab 3 · Fluida & Termal.

Osmosis dan arah aliran yang dibalik

Membran semipermeabel melewatkan air jauh lebih mudah daripada ion terlarut. Bila larutan encer dan larutan pekat dipisahkan oleh membran seperti itu, air berpindah dari sisi encer ke sisi pekat sampai keadaan setimbang. Perpindahan alami ini disebut osmosis. Tekanan yang harus diberikan pada sisi pekat agar perpindahan itu berhenti disebut tekanan osmotik, dilambangkan $\pi$, dengan satuan pascal atau bar.

Osmosis balik membalik arah itu. Pompa memberi tekanan hidraulik $p$ pada sisi umpan yang lebih besar daripada tekanan osmotiknya, sehingga air bergerak dari sisi pekat menembus membran ke sisi encer. Ion terlarut sebagian besar tertinggal dan keluar bersama aliran konsentrat. Syarat paling dasar dapat ditulis:

$$p > \pi$$

Ketaksamaan ini baru syarat perlu. Ia hanya mengatakan bahwa tanpa tekanan di atas $\pi$ tidak ada air bersih yang dihasilkan. Berapa banyak air yang dihasilkan bergantung pada selisih tekanan yang benar-benar tersisa di permukaan membran setelah semua pengurang diperhitungkan, yaitu NDP yang dibahas di bawah. Akibat langsungnya mudah diamati di lapangan: air baku yang lebih asin memiliki $\pi$ lebih besar, sehingga unit yang sama menghasilkan air lebih sedikit bila tekanan kerjanya tidak dinaikkan.

Tekanan osmotik dari TDS

Untuk larutan encer, tekanan osmotik dapat diperkirakan dengan persamaan van 't Hoff:

$$\pi = i\,C\,R\,T$$

Di sini $i$ adalah jumlah partikel yang dihasilkan satu satuan zat terlarut (untuk NaCl yang terurai menjadi Na⁺ dan Cl⁻, $i = 2$), $C$ konsentrasi molar zat terlarut (mol/m³), $R$ tetapan gas 8,314 J/(mol·K), dan $T$ suhu mutlak (K). Hasilnya dalam pascal. Persamaan ini menganggap larutan ideal, yaitu ion tidak saling memengaruhi. Anggapan itu cukup dekat untuk air tawar dan payau, tetapi makin menyimpang ketika larutan makin pekat; pada air laut persamaan ideal cenderung memberi angka sedikit lebih besar daripada nilai terukur.

Di lapangan, yang tersedia biasanya TDS dalam mg/L, bukan konsentrasi molar. Sumber pemilik memakai aturan praktis untuk air yang dianggap setara NaCl pada 25 °C:

$$\pi \approx 0{,}0008\ \text{bar} \times \text{TDS}$$

dengan TDS dalam mg/L (atau ppm untuk air tawar). Aturan ini setara sekitar 0,08 bar per 100 mg/L. Ia memberi orde besaran yang berguna untuk keputusan cepat, dengan dua batas. Pertama, ia menganggap seluruh TDS berupa NaCl; air yang didominasi ion bervalensi dua seperti kalsium, magnesium, atau sulfat menghasilkan jumlah partikel per miligram yang berbeda, sehingga $\pi$ sebenarnya bisa berbeda untuk TDS yang sama. Kedua, angka itu adalah tekanan osmotik air umpan. Di permukaan membran, garam lebih pekat karena dua sebab: sebagian air sudah diambil sepanjang elemen, dan garam menumpuk di lapisan dekat membran (polarisasi konsentrasi). Karena itu NDP yang dihitung dengan $\pi$ umpan selalu sedikit optimistis.

Tabel berikut memakai aturan praktis tersebut untuk melihat orde besaran tekanan osmotik pada beberapa jenis air. Kelas membran di kolom terakhir mengikuti pembagian sumber pemilik.

Pola yang perlu dibaca dari tabel ini adalah skalanya. Untuk air keran, tekanan osmotik hanya sepersekian bar dan hampir seluruh tekanan pompa tersedia untuk mendorong air. Untuk air laut, tekanan osmotik saja sudah puluhan bar, jauh di atas kemampuan pompa unit rumah tangga atau komersial kecil. Prapengolahan seperti pasir, karbon, atau resin tidak menurunkan salinitas, sehingga air payau dan air laut memerlukan kelas membran dan pompa yang berbeda, bukan tambahan tabung filter.

Model larutan-difusi

Membran RO sering digambarkan sebagai saringan berlubang sangat halus. Gambaran itu menyesatkan untuk membran poliamida. Model yang dipakai untuk menjelaskan perpindahan air dan garam pada membran ini adalah model larutan-difusi (solution-diffusion model): molekul air larut ke dalam lapisan aktif poliamida, berdifusi melintasinya karena dorongan tekanan, lalu keluar di sisi permeat. Ion garam juga dapat larut dan berdifusi, tetapi jauh lebih sedikit, sehingga sebagian besar tertolak.

Model ini menjelaskan dua perilaku yang sering membingungkan. Aliran air sebanding dengan tekanan pendorong bersih, sedangkan aliran garam hampir tidak bergantung pada tekanan dan lebih ditentukan oleh beda konsentrasi. Akibatnya, ketika tekanan pendorong turun, air yang lewat berkurang tetapi garam yang lewat relatif tetap, sehingga air hasil menjadi sedikit lebih asin. Sebaliknya, pada tekanan pendorong yang lebih tinggi, air hasil menjadi sedikit lebih tawar. Kesimpulan ini dipakai lagi saat menormalisasi data kinerja.

Ungkapan "pori 0,0001 mikron" yang beredar di brosur dan di sebagian sumber pemilik tidak dipakai di buku ini. Angka itu setara 0,1 nanometer, lebih kecil daripada ukuran sebuah molekul air, sehingga tidak dapat menjelaskan bagaimana air lewat. Yang dapat diukur dan dipakai adalah koefisien permeabilitas air, rejeksi garam, dan NDP.

Tekanan pendorong bersih

Tekanan yang dibaca di pengukur tekanan umpan tidak seluruhnya mendorong air menembus membran. Sebagian hilang sebagai rugi tekan sepanjang elemen, sebagian ditahan oleh tekanan balik di sisi permeat, dan sebagian dipakai untuk melawan selisih tekanan osmotik antara sisi umpan dan sisi permeat. Sisanya adalah NDP:

$$\text{NDP} = p_\text{f} - \frac{\Delta p_\text{fc}}{2} - p_\text{p} - \left(\bar{\pi} - \pi_\text{p}\right)$$

Simbol $p_\text{f}$ adalah tekanan umpan di masuk elemen (bar), $\Delta p_\text{fc}$ penurunan tekanan dari ujung umpan ke ujung konsentrat sepanjang elemen (bar), $p_\text{p}$ tekanan balik di sisi permeat (bar), $\bar{\pi}$ tekanan osmotik rata-rata di sisi umpan (bar), dan $\pi_\text{p}$ tekanan osmotik permeat (bar). Suku $\Delta p_\text{fc}/2$ dipakai karena tekanan di sisi umpan menurun sepanjang elemen, sehingga yang mewakili adalah nilai rata-ratanya. Permeat yang baik memiliki TDS rendah, sehingga $\pi_\text{p}$ biasanya mendekati nol.

Setiap suku mempunyai penyebab fisik yang berbeda, dan itu membantu diagnosis. $\Delta p_\text{fc}$ naik bila celah aliran di dalam elemen mulai tersumbat. $p_\text{p}$ naik bila jalur air bersih tertekuk, terlalu panjang dan menanjak, atau bila tangki tekan mulai penuh. $\bar{\pi}$ naik bila air baku makin asin, bila recovery dinaikkan, atau bila polarisasi konsentrasi memburuk. Unit tanpa tangki tekan mendapat keuntungan dari sisi ini: tekanan balik permeatnya mendekati nol.

Debit permeat sebanding dengan NDP menurut hubungan yang dipakai lembar desain pabrikan membran:

$$Q_\text{p} = A \cdot S_\text{E} \cdot \text{TCF} \cdot \text{FF} \cdot \text{NDP}$$

$Q_\text{p}$ adalah debit permeat, $A$ koefisien permeabilitas air membran, $S_\text{E}$ luas aktif membran, TCF faktor koreksi suhu (tanpa satuan, bernilai 1 pada 25 °C), dan FF faktor penurunan akibat pengotoran (fouling factor, tanpa satuan, 1 untuk membran bersih). Satuan $A$ dipilih agar hasil kali di kanan bersatuan debit. Selama $A$, $S_\text{E}$, TCF, dan FF tetap, debit berubah sebanding dengan NDP: NDP yang turun 30% menurunkan debit sekitar 30% walaupun pompa bekerja penuh.

Suhu dan faktor koreksi suhu

Kapasitas nominal membran dinyatakan pada suhu air 25 °C. Pada air yang lebih dingin, molekul air berdifusi lebih lambat di dalam lapisan poliamida, sehingga permeabilitas membran turun dan debit ikut turun. Air dingin memang sedikit lebih kental dan menambah rugi gesek di selang, tetapi sumber pemilik menegaskan bahwa sumbangan itu kecil dibanding turunnya permeabilitas membran. Lembar desain FilmTec memakai faktor koreksi berikut, dengan $T$ suhu air dalam derajat Celsius:

$$\text{TCF} = \exp\!\left[3020\left(\frac{1}{298} - \frac{1}{273 + T}\right)\right] \quad (T \le 25)$$$$\text{TCF} = \exp\!\left[2640\left(\frac{1}{298} - \frac{1}{273 + T}\right)\right] \quad (T \ge 25)$$

Angka 298 adalah 25 °C dalam kelvin, dibulatkan. Konstanta 3020 dan 2640 berlaku untuk membran poliamida pabrikan tersebut; pabrikan lain dapat memakai konstanta yang sedikit berbeda, sehingga hasilnya diperlakukan sebagai perkiraan lapangan. Dari persamaan itu diperoleh TCF sekitar 0,48 pada 5 °C, 0,58 pada 10 °C, 0,70 pada 15 °C, 0,84 pada 20 °C, 1,16 pada 30 °C, dan 1,33 pada 35 °C.

Kenaikan debit pada air hangat tidak gratis. Pada suhu lebih tinggi rejeksi garam turun, sehingga air hasil sedikit lebih asin. Lembar data membran rumah tangga yang dirujuk sumber pemilik membatasi suhu air maksimum 45 °C, dan batas mesin bisa lebih rendah; yang berlaku adalah batas paling ketat di antara keduanya.

Polarisasi konsentrasi dan aliran silang

Ketika air menembus membran, garam yang tertolak tertinggal di dekat permukaannya. Akibatnya terbentuk lapisan tipis yang lebih pekat daripada air umpan di tengah saluran. Gejala ini disebut polarisasi konsentrasi (concentration polarization). Lapisan itu menaikkan tekanan osmotik tepat di permukaan membran, sehingga NDP turun walaupun tekanan pompa tidak berubah, dan menaikkan kecenderungan garam yang sukar larut mengendap sebagai kerak.

Yang menipiskan lapisan itu adalah aliran sejajar permukaan membran, yaitu aliran silang (cross-flow), yang akhirnya keluar sebagai konsentrat. Di dalam elemen gulungan spiral, celah aliran umpan hanya sekitar 1 mm, sehingga bilangan Reynolds di celah itu hanya beberapa ratus. Pencampuran di dekat membran terutama dihasilkan oleh jaring pemisah umpan (feed spacer) yang terus membelokkan aliran, bukan oleh turbulensi seperti di pipa. Karena itu pembatas aliran konsentrat (flow restrictor) dan katup konsentrat tidak boleh disumbat atau dicekik. Aliran silang yang terlalu kecil menebalkan lapisan polarisasi dan mempercepat kerak; aliran yang dibuka terlalu lebar menurunkan tekanan umpan dan membuang air. Pengaturannya dibahas sebagai recovery di bab berikutnya.

Membran komposit dan elemen gulungan spiral

Membran yang dipakai pada unit RO rumah tangga dan komersial kecil adalah membran komposit lapis tipis (thin-film composite, TFC). Lapisan teratas adalah lapisan aktif poliamida setebal sekitar 0,2 µm, kurang dari 200 nm, yang menentukan rejeksi. Di bawahnya ada lapisan penyangga polisulfon berpori yang menahan lapisan aktif terhadap tekanan, dan paling bawah kain poliester yang memberi kekuatan mekanis. Lapisan aktif TFC menolak sekitar 95–99% garam terlarut. Membran juga menahan bakteri secara fisik, tetapi sistem RO tidak boleh disebut steril: kebocoran kecil di cincin-O, sambungan, atau segel elemen dapat meloloskan air yang tidak melewati membran, dan klaim kesehatan memerlukan sertifikasi, misalnya menurut NSF/ANSI 58.

Lembaran membran digulung menjadi elemen gulungan spiral (spiral-wound). Dua lembar membran direkatkan pada tiga sisi menjadi amplop yang mengapit jaring pengumpul permeat. Beberapa amplop, dipisahkan jaring pemisah umpan, digulung mengelilingi pipa berlubang di tengah elemen. Air umpan mengalir sejajar sumbu di luar amplop, air yang menembus membran berputar ke dalam menuju pipa tengah, dan sisanya keluar di ujung sebagai konsentrat. Susunan ini memuat luas membran yang besar di dalam rumah silinder kecil, misalnya ukuran 1812 atau 3012 pada unit rumah tangga.

Celah sempit di antara lembaran itulah titik lemahnya. Serbuk karbon dari filter karbon baru yang tidak dibilas, lumpur halus, atau endapan logam mudah tersangkut di jaring pemisah dan menaikkan $\Delta p_\text{fc}$. Permukaan lapisan aktif juga mudah tercemar minyak kulit, sehingga membran dipegang pada bagian luarnya saja. Cara mencegah dan menangani gangguan ini ada di bab prapengolahan dan pembersihan.

Contoh kerja

Tekanan osmotik air payau. Sebuah sumur pesisir memberi air dengan TDS 1.500 mg/L yang dianggap setara NaCl pada 25 °C. Dengan aturan praktis sumber pemilik:

$$\pi \approx 0{,}0008 \times 1500 = 1{,}20\ \text{bar}$$

Sebagai pemeriksaan, hitung dengan van 't Hoff. Massa molar NaCl 58,44 g/mol, sehingga 1.500 mg/L setara $C = 1{,}5/58{,}44 = 0{,}02567$ mol/L atau 25,67 mol/m³. Pada $T = 298{,}15$ K:

$$\pi = 2 \times 25{,}67 \times 8{,}314 \times 298{,}15 \approx 1{,}27 \times 10^{5}\ \text{Pa} = 1{,}27\ \text{bar}$$

Kedua cara berselisih sekitar 6%, cukup dekat untuk keputusan lapangan. Bila unit bekerja dengan tekanan umpan sekitar 5 bar, tekanan osmotik air ini mengambil kira-kira seperempatnya, sebelum rugi tekan dan tekanan balik diperhitungkan.

NDP dan tekanan balik permeat. Data unit berpompa: $p_\text{f} = 6{,}5$ bar, $\Delta p_\text{fc}/2 = 0{,}3$ bar, $p_\text{p} = 0{,}5$ bar, $\bar{\pi} = 0{,}4$ bar, dan $\pi_\text{p} \approx 0$:

$$\text{NDP} = (6{,}5 - 0{,}3 - 0{,}5) - (0{,}4 - 0) = 5{,}3\ \text{bar}$$

Selang air bersih kemudian tertekuk dan tekanan balik naik menjadi 2,0 bar:

$$\text{NDP} = (6{,}5 - 0{,}3 - 2{,}0) - 0{,}4 = 3{,}8\ \text{bar}$$

NDP turun $(5{,}3 - 3{,}8)/5{,}3 \approx 28\%$. Bila membran, suhu, dan pengotoran tidak berubah, debit permeat ikut turun sekitar 28%, misalnya dari 2,1 menjadi sekitar 1,5 L/menit. Penyebabnya ada di jalur hilir, bukan di membran.

Debit pada air 15 °C. Membran berkapasitas nominal 800 GPD (galon AS per hari) pada 25 °C setara $800 \times 3{,}785/1440 \approx 2{,}10$ L/menit. Pada 15 °C:

$$\text{TCF} = \exp\!\left[3020\left(\frac{1}{298} - \frac{1}{288}\right)\right] = \exp(-0{,}352) \approx 0{,}70$$

Debit perkiraan menjadi $2{,}10 \times 0{,}70 \approx 1{,}47$ L/menit, atau sekitar 560 GPD. Inilah keadaan restoran di pembuka: debit 1,5 L/menit pada air 15 °C sesuai dengan perkiraan untuk membran yang sehat. Untuk benar-benar memastikan, data perlu dinormalisasi terhadap suhu dan tekanan.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus bab ini; angka yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Contoh ini menilai angka, bukan izin membuka atau menyetel unit; batasnya tetap kondisi berhenti di bawah.

Contoh 1: sumur payau di hotel pesisir. Sebuah hotel pesisir ingin memakai unit berpompa kelas air keran, dengan tekanan umpan sekitar 5 bar seperti unit contoh sumber pemilik, untuk sumur ber-TDS 3.200 mg/L (angka latihan):

$$\pi \approx 0{,}0008 \times 3200 = 2{,}56\ \text{bar}$$

Tekanan osmotik itu memakan sekitar separuh tekanan umpan, sedangkan air keran 250 mg/L hanya memakan 0,20 bar. Dengan suku lain seperti contoh kerja ($\Delta p_\text{fc}/2 = 0{,}3$ bar, $p_\text{p} = 0{,}5$ bar), NDP air sumur 1,64 bar, hanya 41% dari 4,0 bar untuk air keran, dan angka itu masih optimistis karena memakai $\pi$ umpan. TDS di atas 1.000 mg/L masuk wilayah membran air payau (BWRO), jauh di atas batas 500 mg/L membran air keran. Tekanan pompa tidak dinaikkan (kondisi berhenti butir 2); pemilihan membran dan pompa kelas air payau diserahkan kepada perancang sistem.

Contoh 2: prafilter mampet di dapur rumah sakit. Unit pada contoh kerja NDP (5,3 bar, 2,1 L/menit) melayani dapur gizi sebuah rumah sakit. Sebulan kemudian tekanan umpan di masuk elemen tinggal 5,2 bar karena prafilter mulai mampet (angka latihan), sedangkan suku lain tetap:

$$\text{NDP} = (5{,}2 - 0{,}3 - 0{,}5) - 0{,}4 = 4{,}0\ \text{bar}$$

Debit turun sebanding menjadi $2{,}1 \times 4{,}0/5{,}3 \approx 1{,}6$ L/menit, sekitar 25% lebih rendah. Menurut model larutan-difusi, aliran garam relatif tetap, sehingga TDS permeat ikut naik sedikit walaupun membran tidak berubah. Yang diperiksa lebih dahulu adalah prafilter, dan rumah filter baru dibuka setelah listrik dan air diisolasi serta tekanan dibuang (kondisi berhenti butir 1). Menaikkan tekanan pompa untuk mengejar debit hanya menunda penemuan penyebabnya.

Contoh 3: air umpan hangat di laundry hotel. Unit 800 GPD di laundry sebuah hotel mengambil air dari tangki atap yang pada musim kemarau mencapai 32 °C (angka latihan). Karena suhunya di atas 25 °C, dipakai konstanta 2640:

$$\text{TCF} = \exp\!\left[2640\left(\frac{1}{298} - \frac{1}{305}\right)\right] = \exp(0{,}203) \approx 1{,}23$$

Debit perkiraan $2{,}10 \times 1{,}23 \approx 2{,}6$ L/menit, lebih dari 20% di atas nominal, sementara rejeksi turun dan TDS permeat sedikit naik. Kenaikan sebesar itu sesuai suhu; kenaikan yang jauh melebihi perkiraan TCF dicari penyebabnya dengan normalisasi. Keadaannya lain bila jalur air dingin tercampur air panas laundry dan suhu umpan terbaca 50 °C (angka latihan). Batas 45 °C lembar data terlampaui, atau batas mesin bila lebih rendah, sehingga unit dihentikan dan diserahkan kepada orang yang berwenang (kondisi berhenti butir 3).

Contoh 4: dua penyebab sekaligus di hotel dataran tinggi. Unit sebuah hotel di dataran tinggi memberi 2,1 L/menit saat diuji pada 25 °C dengan NDP 5,3 bar. Kini air 20 °C (TCF 0,84), dan selang permeat yang dinaikkan ke dispenser di lantai atas menambah tekanan balik menjadi 1,2 bar (angka latihan):

$$\text{NDP} = (6{,}5 - 0{,}3 - 1{,}2) - 0{,}4 = 4{,}6\ \text{bar}, \qquad Q_\text{p} \approx 2{,}1 \times 0{,}84 \times \frac{4{,}6}{5{,}3} \approx 1{,}53\ \text{L/menit}$$

Hubungan ini berlaku karena $A$, $S_\text{E}$, dan FF dianggap tetap. Suhu saja menurunkan debit 16% menjadi sekitar 1,76 L/menit, lalu tekanan balik menurunkannya lagi 13% dari angka itu, sehingga totalnya turun sekitar 27%. Keduanya bukan kerusakan membran. Jalur permeat dapat diperbaiki, suhu tidak, dan penilaian membran menunggu normalisasi.

Kondisi berhenti

Bab ini menjelaskan prinsip, bukan prosedur membuka atau menyetel unit. Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang yang berwenang bila salah satu keadaan berikut ditemui:

1. Rumah membran, rumah filter, atau sambungan selang perlu dibuka sementara pompa masih dapat menyala atau saluran masih bertekanan. Isolasi listrik dan air serta buang tekanan lebih dahulu menurut prosedur fasilitas dan bab keselamatan.
2. Tekanan umpan terbaca di atas batas lembar data membran atau rumahnya. Jangan menaikkan tekanan pompa untuk mengejar debit yang turun sebelum penyebabnya diketahui.
3. Suhu air umpan melewati batas lembar data membran atau batas mesin, mana pun yang lebih rendah.
4. Air hasil akan dinyatakan aman diminum hanya berdasarkan bacaan TDS. RO bukan jaminan steril; kelayakan air minum memerlukan uji laboratorium.
5. TDS air baku terukur di atas batas kelas membran yang terpasang, yaitu 500 mg/L untuk membran air keran atau sekitar 10.000 mg/L untuk membran air payau: tekanan pompa tidak dinaikkan untuk mengimbanginya. Prapengolahan tidak menurunkan salinitas, sehingga pemilihan kelas membran dan pompa diserahkan kepada perancang atau pemasok.

Salah tafsir yang sering terjadi

Kesalahan pertama adalah menyamakan debit yang turun dengan membran yang kotor. Debit juga turun karena air lebih dingin, tekanan balik permeat naik, air baku lebih asin, atau tekanan umpan turun akibat prafilter tersumbat. Membran baru dapat dinilai setelah suku-suku itu disingkirkan, dan cara sistematisnya adalah normalisasi.

Kesalahan kedua adalah menaikkan tekanan pompa untuk mengatasi setiap penurunan debit. Tekanan yang lebih tinggi memang menaikkan NDP, tetapi tidak menghilangkan tekanan balik permeat, polarisasi konsentrasi, atau kerak. Tekanan juga dibatasi oleh membran, rumah, dan selang.

Kesalahan ketiga adalah memakai tekanan osmotik air umpan sebagai tekanan osmotik di permukaan membran. Garam lebih pekat di dekat membran dan di ujung elemen, sehingga NDP sebenarnya lebih kecil daripada hasil hitung dengan $\pi$ umpan.

Kesalahan keempat adalah membayangkan membran sebagai saringan berpori. Bayangan itu membuat orang menyimpulkan bahwa tekanan lebih tinggi pasti memaksa lebih banyak garam lolos. Menurut model larutan-difusi, yang terjadi justru sebaliknya: tekanan yang lebih tinggi menaikkan aliran air lebih banyak daripada aliran garam.

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 · Fluida & Termal dan Bab 2 · Fluida & Termal memberi dasar tekanan, debit, dan rugi tekan yang muncul sebagai suku $\Delta p_\text{fc}$ dan tekanan balik permeat. Bab 3 · Fluida & Termal membahas pompa yang menyediakan $p_\text{f}$. Bab 1 menjelaskan TDS dan batas pengukurannya, yang menjadi masukan perkiraan $\pi$. Bab berikutnya menghitung bagaimana recovery memekatkan konsentrat dan menaikkan $\bar{\pi}$. Normalisasi memakai TCF dan NDP untuk memisahkan pengaruh suhu dan tekanan dari kondisi membran.

Latihan dan pembahasan

1. Air sumur memiliki TDS 800 mg/L yang dianggap setara NaCl, suhu 25 °C. Hitung tekanan osmotiknya dengan aturan praktis dan dengan van 't Hoff, lalu jelaskan mengapa keduanya berbeda sedikit.
2. Sebuah unit bekerja dengan $p_\text{f} = 7{,}0$ bar, $\Delta p_\text{fc}/2 = 0{,}4$ bar, $p_\text{p} = 0{,}8$ bar, $\bar{\pi} = 0{,}5$ bar, dan $\pi_\text{p} \approx 0$. Hitung NDP. Bila tekanan balik permeat naik menjadi 1,5 bar, berapa NDP baru dan berapa persen perkiraan penurunan debit?
3. Membran berkapasitas 1.200 GPD pada 25 °C dipasang pada air 10 °C. Hitung TCF dengan persamaan, lalu perkiraan debitnya. Apakah penurunan itu tanda kerusakan?
4. Bandingkan dua tindakan pada jalur konsentrat: pembatas aliran dilepas sehingga konsentrat mengalir bebas, dan selang konsentrat diklem setengah tertutup agar "hemat air". Apa akibat masing-masing terhadap tekanan umpan, NDP, dan polarisasi konsentrasi?
5. Unit berpompa yang menjadi contoh dalam sumber pemilik bekerja pada tekanan umpan sekitar 4,8–5,5 bar. Dengan aturan praktis, mengapa unit itu tidak dapat mengolah air laut ber-TDS 35.000 mg/L, walaupun ditambah prafilter?
6. Menurut model larutan-difusi, apa yang terjadi pada TDS permeat bila tekanan umpan turun karena prafilter tersumbat, sementara TDS umpan dan suhu tetap? Mengapa pengamatan ini penting sebelum menyimpulkan bahwa membran rusak?

Kunci jawaban beralasan

1. Aturan praktis: $\pi \approx 0{,}0008 \times 800 = 0{,}64$ bar. Van 't Hoff: $C = 0{,}8/58{,}44 = 0{,}01369$ mol/L = 13,69 mol/m³; $\pi = 2 \times 13{,}69 \times 8{,}314 \times 298{,}15 \approx 6{,}79 \times 10^{4}$ Pa = 0,68 bar. Selisih sekitar 6% berasal dari faktor yang dibulatkan dalam aturan praktis; keduanya menganggap larutan NaCl ideal.
2. NDP awal $= (7{,}0 - 0{,}4 - 0{,}8) - 0{,}5 = 5{,}3$ bar. NDP baru $= (7{,}0 - 0{,}4 - 1{,}5) - 0{,}5 = 4{,}6$ bar. Bila $A$, TCF, dan FF tetap, debit turun sebanding: $(5{,}3 - 4{,}6)/5{,}3 \approx 13\%$. Penyebabnya ada di jalur air bersih.
3. $\text{TCF} = \exp[3020(1/298 - 1/283)] = \exp(-0{,}537) \approx 0{,}58$. Debit perkiraan $1200 \times 0{,}58 \approx 700$ GPD. Penurunan ini adalah respons normal terhadap suhu; kesimpulan tentang kondisi membran baru dapat ditarik setelah data dinormalisasi.
4. Pembatas dilepas: tahanan jalur konsentrat hilang, tekanan umpan di membran turun, NDP dan debit permeat turun, dan air terbuang jauh lebih banyak. Selang diklem: tekanan umpan naik tetapi aliran silang berkurang, recovery naik, garam lebih pekat di ujung elemen, polarisasi konsentrasi menebal, dan risiko kerak naik. Keduanya salah; aliran konsentrat diatur menurut recovery yang dirancang.
5. Tekanan osmotik air laut sekitar $0{,}0008 \times 35000 = 28$ bar, jauh di atas tekanan umpan 4,8–5,5 bar. Syarat $p > \pi$ tidak terpenuhi, sehingga tidak ada permeat. Prafilter tidak menurunkan salinitas; yang diperlukan adalah membran dan pompa kelas air laut.
6. Aliran air turun sebanding NDP, sedangkan aliran garam hampir tetap, sehingga TDS permeat naik dan rejeksi tampak turun. Membran bisa tampak memburuk padahal penyebabnya tekanan umpan yang turun. Prafilter dan tekanan diperiksa dulu, dan salt passage dinormalisasi terhadap NDP sebelum membran dinilai.

Referensi