Tekanan transmembran (TMP) mengacu pada gaya penggerak rata-rata yang diperlukan untuk mendorong air (atau meresap) melalui membran ultrafiltrasi dari sisi umpan (di luar serat membran) ke sisi permeat (di dalam serat membran atau ruang pengumpulan). Ini adalah kekuatan pendorong mendasar dari proses pemisahan membran.
TMP mencerminkan tekanan total yang diperlukan untuk mengatasi ketahanan bawaan membran, lapisan polarisasi konsentrasi, dan ketahanan lapisan kue (kontaminan).
Dalam ultrafiltrasi tekanan eksternal, air umpan mengalir dan diberi tekanan di luar serat membran, sementara permeat melewati dinding membran ke dalam saluran berongga di dalam serat untuk dikumpulkan. Oleh karena itu, tekanan yang diterapkan terutama berada di bagian luar serat membran, sedangkan tekanan permeat biasanya mendekati tekanan atmosfer atau hanya sedikit lebih tinggi (tergantung pada desain sistem).
Perhitungan TMP untuk ultrafiltrasi tekanan eksternal memerlukan pemahaman tentang struktur saluran aliran unik dan distribusi tekanannya. Kuncinya terletak pada menghitung perbedaan tekanan rata-rata melintasi penghalang membran (dinding membran).
1. Model Sederhana yang Diidealkan
Asumsikan modul membran tekanan eksternal ideal dengan semua serat membran sejajar dan seragam. Air umpan didistribusikan secara merata dan mengalir ke luar ikatan serat membran. Permeat mengalir melalui filamen membran menuju tabung pengumpul, dengan hambatan yang dapat diabaikan sepanjang jalannya (atau tekanan konstan). Polarisasi konsentrasi dan pengotoran (yaitu, untuk membran baru atau membran segera setelah dibersihkan) diabaikan.
Dalam kondisi ideal ini, TMP dapat diperkirakan sebagai: TMP ≈ Pfeed - Ppermeate
Pfeed: Tekanan pada saluran masuk air umpan modul membran (mewakili tekanan rata-rata di luar filamen membran).
Ppermeate: Tekanan pada saluran keluar permeat modul membran (mewakili tekanan rata-rata di dalam filamen membran).
Mengapa ini "perkiraan"? Dalam model seragam yang ideal, tekanan di luar filamen membran secara bertahap menurun sepanjang jalur aliran (dari saluran masuk ke saluran keluar) karena adanya hambatan di sepanjang jalur tersebut. Sebenarnya, perbedaan tekanan yang bekerja pada setiap filamen membran bervariasi di lokasi berbeda. Pfeed mewakili rata-rata tekanan masuk yang "dilebih-lebihkan", sedangkan Ppermeate biasanya rendah dan tidak banyak bervariasi. Penyederhanaan ini sering digunakan untuk estimasi awal atau operasi-fluks rendah.
2. Metode Perhitungan Teknik
Untuk lebih akurat mencerminkan dampak penurunan tekanan di sepanjang serat membran selama pengoperasian sebenarnya, TMP biasanya dihitung menggunakan rata-rata tekanan masuk dan keluar pada sisi umpan/retentat modul membran. Rumusnya adalah sebagai berikut:
TMP=[(Pfeed + Pretentate) / 2] - Ppermeate
Pfeed: Tekanan absolut pada saluran masuk umpan/retentat modul membran (biasanya diukur dengan pengukur tekanan).
Pretentate: Tekanan absolut pada saluran keluar air buangan/daur ulang pada modul membran (biasanya diukur dengan pengukur tekanan). Untuk filtrasi-jalan buntu (tidak ada pelepasan penolakan), Pretentate secara teori sama dengan Pfeed (mengabaikan kerugian minimal selama prosesnya). Namun, dalam filtrasi lintas-aliran (dengan daur ulang atau pelepasan penolakan), Pretentate secara signifikan lebih rendah dibandingkan Pfeed.
Ppermeate: Tekanan absolut pada saluran keluar permeat modul membran (biasanya mendekati tekanan atmosfer, diukur dengan pengukur tekanan atau diperkirakan). Jika sistem pengumpulan permeat mempunyai katup tekanan balik atau pompa pengangkat, tekanan sebenarnya pada lokasi ini harus diukur.
(Pfeed + Pretentate)/2: Perhitungan ini menghitung tekanan rata-rata di luar filamen membran (sisi feed/retentate) sepanjang arah aliran air. Ini adalah peningkatan inti dari keseluruhan perhitungan.
Pfeed adalah tekanan tertinggi pada titik awal filamen membran. Pretentate adalah tekanan terendah pada titik akhir filamen membran (dalam mode aliran silang).
Mengambil rata-rata dari kedua nilai ini lebih akurat mewakili tekanan eksternal rata-rata yang bekerja sepanjang seluruh panjang filamen membran. Ini lebih mendekati kekuatan pendorong rata-rata sebenarnya dibandingkan dengan sekadar menggunakan Pfeed.
Ppermeate: Perhitungan ini mengurangi tekanan di dalam filamen membran (sisi permeat). Karena permeat mengalir melalui saluran-saluran di dalam filamen membran, tekanannya umumnya rendah dan penurunan sepanjang salurannya minimal (karena saluran pendek dan laju aliran yang relatif rendah). Oleh karena itu, menggunakan tekanan keluar Ppermeate sebagai tekanan rata-rata untuk seluruh sisi permeat adalah perkiraan yang masuk akal.
Mengapa cara ini lebih akurat?
Mencerminkan gradien tekanan: Tekanan di luar filamen membran ultrafiltrasi tekanan eksternal berkurang secara linier (kira-kira) dari saluran masuk ke saluran keluar. Rata-rata tekanan masuk dan keluar lebih mewakili tekanan rata-rata lingkungan di seluruh area membran aktif dibandingkan tekanan-titik tunggal.
Berlaku untuk mode operasi utama berikut:
Filtrasi-jalan buntu: Pfeed ≈ Pretentate (katup kupu-kupu tertutup atau laju aliran sangat rendah). Persamaannya berubah menjadi TMP ≈ Pfeed - Ppermeate, yang sesuai dengan model yang disederhanakan.
Filtrasi-silang aliran: Berpura-pura < Pfeed. Nilai rata-rata (Pfeed + Pretentate)/2 secara signifikan lebih rendah daripada Pfeed, lebih akurat mencerminkan penurunan tekanan rata-rata di luar membran akibat hilangnya hambatan aliran.