29738382 Diktat Pengolahan Dan Penyediaan Air
Transcript of 29738382 Diktat Pengolahan Dan Penyediaan Air
-
Diktat Kuliah
TK 2206 Sistem Utilitas I
PENGOLAHAN dan PENYEDIAAN AIR
Oleh :
Prof. Dr. Tjandra Setiadi
Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknologi Industri
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
2007
-
Pengolahan dan Penyediaan Air - i -
DAFTAR ISI
Daftar Isi i
Daftar Gambar iii
Daftar Tabel iv
BAB 1 PENDAHULUAN 1-1
1.1 Sumber-Sumber Air 1-2
1.2 Penggunaan Air di Industri 1-3
1.3 Klasifikasi Pengolahan Air 1-4
1.3.1 Pengolahan Eksternal 1-4
1.3.2 Pengolahan Internal 1-4
BAB 2 KIMIA AIR 2-1
2.1 Pengantar 2-1
2.2 Satuan-satuan Konsentrasi 2-3
2.3 Reaksi Hidrolisa 2-6
2.4 Beberapa Sifat Kation Logam dan Garamnya 2-7
2.5 Kesetimbangan 2-8
2.6 Analisa Air 2-10
2.7 Contoh Perhitungan Analisis Air dan Interpretasinya 2-12
BAB 3 ZAT PENGOTOR (IMPURITIES) DALAM AIR 3-1
3.1 Padatan Tersuspensi dalam Air 3-1
3.2 Padatan Terlarut 3-1
3.2.1 Kesadahan 3-5
3.2.2 Alkalinitas (Alkalinity) 3-5
3.3 Gas Terlarut 3-7
BAB 4 PENGOLAHAN AIR 4-1
4.1 Pengolahan Eksternal 4-1
4.1.1 Proses Pendahuluan 4-3
4.1.1.1 Sedimentasi 4-3
4.1.1.2 Klarifikasi 4-4
4.1.1.3 Aerasi 4-6
-
Pengolahan dan Penyediaan Air - ii -
4.1.2 Filtrasi 4-8
4.1.3 Pertukaran Ion 4-11
4.1.3.1 Prinsip-prinsip Pertukaran Ion 4-11
4.1.3.2 Jenis-jenis Resin Penukar Ion 4-12
4.1.3.2.1 Resin Penukar Kation Asam Kuat 4-13
4.1.3.2.2 Resin Penukar Kation Asam Lemah 4-13
4.1.3.2.3 Resin Penukar Anion Basa Kuat 4-14
4.1.3.2.4 Resin Penukar Anion Basa Lemah 4-14
4.1.3.3 Operasi Sistem Pertukaran Ion 4-15
4.1.3.3.1 Tahap Layanan 4-16
4.1.3.3.2 Tahap Pencucian Balik 4-16
4.1.3.3.3 Tahap Regenerasi 4-16
4.1.3.3.4 Tahap Pembilasan 4-17
4.1.3.3.5 Penghilangan Gas (Deaerator) 4-18
4.2 Pengolahan Internal 4-19
BAB 5 PENGOLAHAN AIR UMPAN KETEL 5-1
5.1 Persyaratan Air Umpan Ketel 5-1
5.2 Pengolahan Air Umpan Ketel Secara Umum 5-3
5.3 Pengolahan Air Umpan Ketel dengan Penambahan 4
Bahan-bahan Kimia 5-4
5.4 Perlakuan Terhadap Kondensat (Condensate Treatment) 5-6
BAB 6 PENGOLAHAN AIR PENDINGIN 6-1
6.1 Persyaratan Air Pendingin 6-1
6.2 Sistem Air Pendingin dengan Resirkulasi Terbuka 6-2
6.2.1 Pengendalian Pembentukan Kerak 6-3
6.2.2 Pengendalian Korosi 6-3
6.2.3 Pengendalian Pembentukan Fouling dan
Penghilangan Padatan Tersuspensi 6-5
6.3 Sistem Air Pendingin dengan Resirkulasi Tertutup
dan Sistem Air Pendingin Sekali-Lewat 6-6
PUSTAKA
-
Pengolahan dan Penyediaan Air - iii -
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Daur Hidrologi 1-1
Gambar 4.1 Proses-proses air secara eksternal 4-2
Gambar 4.2 Bak pengendapan jenis segi empat (rectangular) 4-4
Gambar 4.3 Bak pengendapan jenis lingkaran (circular) 4-4
Gambar 4.4 Klarifikasi air dengan flash mixing, flokulasi, dan pengendapan 4-6
Gambar 4.5 Alat klarifikasi dengan pengadukan dan koagulasi dalam
alat yang sama 4-6
Gambar 4.6 Forced draft aerator 4-7
Gambar 4.7 Coke-tray aerator 4-7
Gambar 4.8 Pressure aerator 4-8
Gambar 4.9 Conventional Gravity Filter 4-9
Gambar 4.10 Pressure filter 4-10
Gambar 4.11 Up flow filter 4-10
Gambar 4.12 Proses penukaran ion Ca dengan Na (Pelunakan) 4-12
Gambar 4.13 Proses Demineralisasi 4-12
Gambar 4.14 Tahapan-tahapan operasi dalam sistem pertukaran ion 4-15
Gambar 4.15 Penghilangan gas dengan menggunakan blower
(Forced Draft Aerator) 4-18
Gambar 4.16 Deaerator secara vakum 4-19
Gambar 6.1 Diagram Langelier Saturation Index 6-4
-
Pengolahan dan Penyediaan Air - iv -
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Komposisi berbagai jenis air 1-3
Tabel 2.1 Zat-zat terlarut dalam air 2-2
Tabel 2.2 Satuan-satuan konsentrasi analisis air 2-3
Tabel 2.3 Harga Ksp 2-10
Tabel 2.4 Contoh analisis air 2-13
Tabel 3.1 Zat-zat pengotor dan karakteristiknya 3-2
Tabel 3.2 Alkalinitas dan hubungannya dengan kesadahan 3-6
Tabel 4.1 Waktu pengendapan untuk berbagai
ukuran partikel diameter partikel 4-3
Tabel 5.1 Macam-macam kerak pada ketel 5-2
Tabel 5.2 Persyaratan air ketel pada berbagai tekanan kerja 5-3
Tabel 6.1 Contoh persyaratan untuk air pendingin resirkulasi terbuka 6-2
Tabel 6.2 Kecenderungan pembentukan kerak menurut LSI dan RSI 6-5
-
Bab 1 Pendahuluan 1-1
BAB 1
PENDAHULUAN
Air adalah zat yang sangat dibutuhkan oleh manusia maupun hewan dan
tumbuh-tumbuhan. Planet bumi ini hampir 70% luas permukaannya diisi oleh air,
dengan sumber utamanya adalah air laut. Laut dan sumber-sumber air lain di alam ini
merupakan suatu mata rantai yang membentuk siklus yang dikenal sebagai daur
hidrologi (hydrology cycle). Pergerakan air secara alamiah dalam siklus hidrologi ini
dapat dilihat pada Gambar 1.1.
EVAPORASI
LAUT
Gambar 1.1 Daur Hidrologi
Jumlah air yang menguap setiap saat untuk mempertahankan daur hidrologi ini
adalah sekitar 13.000 kilometer kubik dan disebarkan secara merata ke seluruh atmosfer
bumi. Bagian terbesar dari air yang menguap ke udara tersebut berasal dari air laut dan
sisanya berasal dari air di danau, sungai, tanah lembab dan dari permukaan daun
berbagai tumbuhan. Pada kondisi lingkungan yang tepat, uap-uap air ini dapat
terkondensasi sehingga membentuk hujan, salju, embun dan kabut. Sebagian uap air
yang terkondensasi tersebut sewaktu jatuh mengalami penguapan dan kembali ke
atmosfer, sedangkan sisanya jatuh ke tanah, sungai, danau dan laut. Air yang jatuh ke
tanah sebagian mengalir ke sungai dan dikembalikan ke laut, sedangkan sisanya
meresap ke dalam tanah. Air yang menguap dan meninggalkan permukaan bumi dalam
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab1- Pendahuluan 1-2
siklus hidrologi, akan dikembalikan ke bumi dalam jumlah yang sama. Air yang
bergerak dalam suatu siklus hidrologi akan bersentuhan dengan bahan atau senyawa
lain, sehingga bahan-bahan tersebut terlarut ke dalam air. Jadi pada hakekatnya tidak
ada air yang betul-betul murni.
1.1 Sumber-Sumber Air
Sumber-sumber air yang dapat dimanfaatkan untuk mendukung kehidupan
adalah sebagai berikut :
(1) Air laut :
Air laut memiliki kandungan garam-garam yang cukup banyak jenisnya dan salah
satu diantaranya adalah garam NaCl (2,7%)
(2) Air tawar :
Air tawar dapat digolongkan menjadi tiga, yaitu :
- Air hujan
Air hujan merupakan sumber air yang sangat penting terutama bagi daerah yang
tidak memiliki atau memiliki sedikit sumber air tanah maupun air permukaan.
- Air Permukaan
Air permukaan merupakan air baku utama bagi produksi air minum di kota-kota
besar. Sumber air permukaan dapat berupa sungai, danau, mata air, waduk,
empang, dan air dari saluran irigasi. Kandungan pengotor (impurities) yang
terdapat dalam air permukaan sangat bervariasi, bergantung pada lingkungannya.
Bahan-bahan seperti pestisida, herbisida, dan limbah industri, banyak terkandung
pada air permukaan.
- Air Tanah
Air tanah merupakan sumber air yang berbentuk mata air atau sumur. Sumur
dapat berupa sumur dangkal (kedalaman 5-20 meter) atau sumur dalam (deep
well) dengan kedalaman rata-rata 250 meter. Berbeda dengan air permukaan,
kandungan bahan pengotor (impurities) yang terdapat dalam air tanah lebih
sedikit dan komposisi air tanah cenderung konstan.
Komposisi bahan-bahan yang terkandung dalam jenis-jenis air yang telah disebutkan di
atas dapat dilihat pada Tabel 1.1
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab1- Pendahuluan 1-3
Tabel 1.1 Komposisi berbagai jenis air
Concentration in ppm
Mississippi river at
St.Louis, Mo. Lake Eric
Well Water at
moundsville W.Va.
Sea Water
Silica as SiO2 Iron as Fe Manganese as Mn Calsium as Ca Magnesium as Mg Sodium (Na) + Potassium (K) Carbonate as CO3 Bicarbonate as HCO3 Sulfate as SO4 Chloride as Cl Fluoride as F Nitrate as NO3 Dissolved solids Total hardness as CaCO3 Non carbonate hardness as
CaCO3 Color Turbidity pH (in pH units)
13 0.1 -
50 14 35
1.2 158 97 16 -
4.6 326
183
53 19 58 7.9
2.1 0.01 0.00 38.0 8.3 11.1
0.0 117 26 18 0.1 1.8 167
130
34
Clear 85 7.9
12 3.5 2.5
113.8 19.3
-
0.0 170 29.0 76 - -
700
450
280 Tan
0 to 20 6.3
10 Trace 0.01 400 1252
10561 + 380
0 140 2650 19980
1.4 1.5
34450
6250
6.125 Clear
0 7.5 to 8.4
Perkiraan yang pernah dibuat menunjukkan bahwa untuk centimeter persegi
(cm2) permukaan bumi terdapat 273 liter air, dengan perincian sebagai berikut :
- Air laut : 268,45 liter (98,33%)
- Air tawar : 0,1 liter (0,036%)
- Es kontinental : 4,5 liter (1,64%)
- Uap air : 0,003 liter (0,0011%)
1.2 Penggunaan Air di Industri
Air bagi suatu industri adalah bahan penunjang baik untuk kegiatan langsung
atau tak langsung. Penggunaan air di industri biasanya untuk mendukung beberapa
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab1- Pendahuluan 1-4
sistem, antara lain :
- Sistem pembangkit uap (boiler)
- Sistem pendingin
- Sistem pemroses (air proses)
- Sistem pemadam kebakaran
- Sistem air minum
Persyaratan kualitas air yang dapat digunakan dalam industri berbeda-beda
tergantung kepada tujuan penggunaan air tersebut. Air yang berasal dari alam pada
umumnya belum memenuhi persyaratan yang diperlukan sehingga harus menjalani
proses pengolahan lebih dahulu.
1.3 Klasifikasi Pengolahan Air
Pengolahan air dapat diklasifikasikan dalam dua golongan, antara lain :
- Pengolahan eksternal
- Pengolahan internal
Secara umum masing-masing pengolahan dapat diterangkan sebagai berikut :
1.3.1 Pengolahan Eksternal
Pengolahan eksternal dilakukan di luar titik penggunaan air yang bertujuan
untuk mengurangi atau menghilangkan impurities. Jenis-jenis proses pengolahan
eksternal ini antara lain :
- Sedimentasi
- Filtrasi
- Pelunakan (softening)
- Deionisasi (Demineralization)
- Deaerasi
1.3.2 Pengolahan Internal
Pengolahan internal adalah pengolahan yang dilakukan pada titik penggunaan
air dan bertujuan untuk menyesuaikan (conditioning) air kepada kriteria kondisi sistem
dimana air tersebut akan digunakan. Usaha untuk mencapai tujuan pengolahan internal
dilakukan dengan penambahan berbagai bahan kimia ke dalam air yang diolah. Bahan-
bahan kimia tersebut, akan bereaksi dengan impurities sehingga tidak menimbulkan
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab1- Pendahuluan 1-5
gangguan dalam penggunaan air tersebut. Oksigen, sebagai contoh, dapat diikat dengan
menggunakan sodium sulfit atau hydrazine. Sifat lumpur yang dapat melekat pada
logam peralatan proses dihilangkan dengan penambahan bahan-bahan organik yang
termasuk dalam golongan tanin, lignin atau alginat.
-
Bab 2 Kimia Air 2-1
BAB 2
KIMIA AIR
2.1 Pengantar
Atom adalah bagian terkecil dari suatu unsur. Sebuah molekul terbentuk dari
gabungan satu atau berbagai jenis atom. Sebagai contoh dua atom hidrogen digabung
untuk membentuk molekul gas hidrogen.
H + H H2 (2.1) Penambahan satu atom oksigen pada satu molekul gas hidrogen tersebut
menghasilkan molekul air.
H2 + O H2O (2.2) Massa relatif suatu unsur didasarkan pada masa karbon -12. Jumlah massa atom
dalam suatu molekul disebut massa molekul (molecular mass). Massa atom hidrogen
adalah 1 dan massa atom oksigen adalah 16, sehingga massa molekul H2O adalah 18.
Jumlah mol menyatakan perbandingan antara massa suatu zat terhadap massa
atom/ massa molekul zat tersebut. Satu mol zat terlarut dalam air, yang cukup untuk
membuat satu liter larutan disebut larutan satu molar.
Air adalah pelarut yang baik, oleh sebab itu di dalamnya air paling tidak terlarut
sejumlah kecil zat-zat anorganik dan organik. Dengan kata lain, tidak ada air yang
benar-benar murni dan ini menyebabkan dalam setiap analisis air ditemukan zat-zat lain
seperti disajikan pada Tabel 2.1.
Sifat/karakteristik air sangat dipengaruhi oleh zat-zat terlarut tersebut. Dari
Tabel 2.1 terlihat bahwa analisis air selalu dinyatakan dalam bentuk ion-ion. Ion
bermuatan positif disebut kation dan ion bermuatan negatif disebut anion. Sebagai
contoh, jika kristal garam dapur/natrium klorida, NaCl, dilarutkan dalam air, struktur
kristal tersebut akan terurai menjadi ion-ion seperti dinyatakan oleh reaksi berikut :
NaCl Na+ + Cl- (2.3)
Molekul NaCl adalah molekul yang stabil dan secara elektrolit molekul tersebut
bersifat netral. Jika molekul NaCl terlarut dalam air atom Na akan menyerahkan
sebuah elektronya ke atom klorida, sekaligus keduanya menjadi ion karena bermuatan.
Muatan tersebut yang membedakan ion-ion dari atomnya.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-2
Tabel 2.1 Zat-zat terlarut dalam air
Simbol kimia
Berat atom
Berat Ekivalen
1. Kation : Natrium Kalium Kalsium Magnesium Besi Mangan Barium Stronsium Aluminium
Na+ K+
Ca2+ Mg2+ Fe2+
Mn2+ Ba2+ Sr2+ Al3+
23,0 39,1 40,1 24,3 55,8 54,9 137,4 87,6 27,0
23,0 39,1 20,0 12,2 27,9 27,5 68,7 43,8 9,0
2. Anion : Klorida Sulfida Karbonat Bikarbonat Hidroksida
Cl-
SO42-
CO32- HCO3- OH-
35,5 96,0 60,0 61,0 17,0
35,5 48,0 30,0 61,0 17,0
3. Gas-gas : Oksigen Hidrogen Sulfida Karbondioksida
O2 H2S CO2
Adanya muatan tersebut menyebabkan air bersifat menghantarkan arus listrik
(electrically conductive). NaCl dalam larutan memperbesar harga viskositas, densitas,
dan tegangan permukaan. Oleh karena itu, dapat dilihat bagaimana sifat-sifat air
berubah dengan adanya zat-zat terlarut tersebut.
Jika NaCl dilarutkan dalam air, atom oksigen dari molekul air yang bermuatan
negatif ditarik ke arah ion Na, sedangkan sisi positif (hidrogen) "menempel" pada ion
Cl. Penarikan ini disebut hidrasi dan ini cukup untuk mengatasi gaya antar kristal garam
tidak terbentuk lagi. Pada suatu saat air akan jenuh dengan NaCl, ini berarti, batas
kelarutan (solubility limit) telah tercapai. Sekitar 330 gram NaCl dapat larut pada 1 liter
air pada suhu 20C (64F). Jika larutan jenuh tersebut didinginkan atau dipekatkan
dengan cara evaporasi, ion Na dan Cl akan bergabung kembali dan terlihat terbentuk
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-3
endapan. Kejadian ini ditunjukkan oleh tanda pada reaksi (2.3) di atas, tanda
tersebut menyatakan bahwa reaksi dapat berlangsung dalam dua arah dan terjadi
kesetimbangan.
2.2 Satuan-satuan Konsentrasi
Satuan-satuan konsentrasi yang biasa digunakan dalam analisis air disajikan
pada Tabel 2.2.
Tabel 2.2 Satuan-satuan konsentrasi analisis air Unit Satuan Keterangan
1. Milligram per liter mg/l Jumlah miligram substansi dalam satu liter air 2. Parts per million Ppm Kira-kira sama dengan mg/l
spgrppm
= mg/l air
2. Milliequivalents per million
meq/L
4. Equivalents per million
e.p.m.
equivalenberatppm
5. Grains per gallon gpg mg/l x 17,1 6. Calcium Carbonat Equivalent (dari beberapa ion)
mg/l as CaCO3
1.2Tabeldariionequivalentberat
50xairanalisadariionl/mg
7. Persen Berat % wt g/100 milliliters (ml)
or 10000
l/mg
(1) dan (2) adalah satuan yang menunjukkan berat masing-masing zat per satuan volume
adalah miligram per liter (mg/1). Part per million (ppm) tetap dipakai terutama
untuk menyatakan konsentrasi gas oksigen dan H2S terlarut. Dari Tabel 2.2 terlihat
bahwa mg/1 mempunyai harga yang sama dengan ppm apabila densitas larutan
mempunyai harga 1,0.
(3) milieqivalent per liter (meq/1)
Dari kolom 3 Tabel 2.1 terlihat bahwa masing-masing kation atau anion mempunyai
berat atom atau berat radikal tertentu. Kolom 4 menyatakan berat ekivalen yang
didapat dari berat atom atau berat radikal dibagi dengan berat valensi. Sebagai
equivalenberatl/mg
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-4
contoh, natrium/sodium mempunyai valensi satu. Jika valensi ion adalah dua atau
lebih, maka berat ekivalen adalah 1/2, 1/3 dan seterusnya dari berat atom/radikal
tersebut.
Dari Tabel 2.2 terlihat bahwa meq/1 pada masing-masing ion didapat dari mg/l dibagi
dengan berat ekivalen (dari Tabel 2.1).
Contoh soal 2.1:
1000 mg/1 Ca2+ sama dengan 1000/20 atau 50 meq/1 Ca2+.
1000 mg/1 SO42- sama dengan 1000/48 atau 20,8 meq/1 S042-.
Jumlah meq/1 untuk masing-masing ion sebagaimana tercantum pada analisis air,
disamping mg/l, meq/1 dipakai sebagai satuan konsentrasi karena berguna untuk
menentukan perhitungan kimia tertentu seperti perkiraan pembentukan kerak
Contoh soal 2.2 :
Jika analisis air menunjukkan adanya 1000 mg/l Ca2+ dan 1000 mg/l SO42- dan
ingin diketahui berapa CaSO4 di air tersebut.
Dari contoh 2.1 diketahui bahwa meq/l masing-masing adalah 50 untuk Ca2+ dan
20,8 untuk SO42-, walaupun konsentrasi keduanya sama jika dinyatakan dengan
mg/l tapi konsentrasi (meq/1) Ca2+ lebih besar dari konsentrasi SO42-, sehingga
CaSO4 yang akan dibentuk terbatas dan tidak bisa lebih besar dari meq/l SO42-,
berarti CaSO4 yang terbentuk mempunyai konsentrasi 20,8 meq/l.
Untuk mengubah 20,8 meq/1 CaSO4 ke satuan mg/l atau ppm, berat ekivalen
CaSO4 harus diketahui. Secara mudah dapat ditentukan dengan melihat pada
Tabel 2. 1 untuk berat ekivalen Ca2+ dan SO42-, maka berat ekivalen CaSO4 sama
dengan (berat ekivalen Ca2+) + (berat ekivalen SO42- ) =
20 + 48 = 68
Dari Tabel 2.2, meq/1 = (mg/1) / berat ekivalen, atau meq/1 x berat ekivalen =
mg/1 dan 20,8 meq/1 x 40 (berat ekivalen CaSO4) = 1414 mg/1 CaSO4
Sebuah senyawa dapat dibentuk dengan kombinasi ekivalen atau satu banding satu
dari unsur-unsur atau radikal-radikal pembentuknya.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-5
Contoh soal 2.3:
Berapa gram kalsium (Ca) yang dibutuhkan agar dapat berkombinasi dengan 90
gram karbonat (CO32-) untuk membentuk kalsium karbonat ?
Penyelesaian :
a. Karbonat adalah radikal yang dibentuk dari karbon (C) dan oksigen (O).
Karbon mempunyai berat atom 12 dan valensi +4, sedangkan oksigen bermassa
atom l6 dan bervalensi -2, sehingga total valensi dari radikal karbonat adalah +2.
Satu ekivalen karbonat adalah :
[ 12 + 3(16)]/2 = 30 gr/eq
b. Kalsium mempunyai massa atom 40 dan valensi +2. Satu ekivalen kalsium
adalah :
40/2 = 20 gr/eq
c. Karena senyawa hanya dapat dibentuk dengan jumlah ekivalen yang sama, maka
ekivalen kalsium harus sama dengan ekivalen karbonat.
90 gr CO32- = 3 eq
Jadi Ca = 3 eq
= 3 eq x 20 gr/eq
= 60 gr
(4) dan (5) ekivalen per million dan grain per gallon jarang dipakai pada laporan analisis
air modern tapi dituliskan sebagai referensi jika ditemui.
(6) Ekivalen CaCO3 masih tetap dipakai pada perhitungan proses pelunakan air (water
softening) dan sebagai satuan standard untuk alkalinitas dan kesadahan (hardness).
Konsentrasi zat A dapat dinyatakan sebagai konsentrasi ekivalen dari zat B
menggunakan persamaan berikut :
A)l/gr(B)eq/gr(xA)eq/gr(
A)l/gr( = dinyatakan sebagai B (2.4)
Persamaan (2.4) sangat berguna dalam kimia air, karena jumlah padatan terlarut
biasanya dinyatakan sebagai ekivalen CaCO3.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-6
Contoh soal 2.4 :
Berapa ekivalen (sebagai CaCO3) dari :
(a) 117 mg/1 NaCl
(b) 2.10-3 mol NaCl
Penyelesaian :
(a) 1. Satu ekivalen kalsium karbonat :
[ 40 + 12 + 3(16) ] / 2 = 50 gr/eq = 50 mg/meq
2. Satu ekivalen NaCl :
(23 + 35,5)/1 = 58,5 gr/eq = 58,5 mg/meq
3. Dengan pers (2.4)
lmglmg
/5,58/117 x 50 mg/meq = 100 mg/1 NaCl sebagai CaCO3
(b) l. satu mol zat dibagi dengan valensinya sama dengan satu ekivalen (2.10-3
mol/1) / 1 mol /eq = 2.10-3 eq/1
2. sehingga :
2.10-3 eq/1 x 50 gr/eq = 0,1 gr/l
= 100 mg/l NaCl sebagai CaCO3.
(7) Persen berat dipakai untuk menunjukkan konsentrasi yang tinggi seperti macam-
macam garam yang ditambahkan ke air untuk menaikkan densitas.
2.3 Reaksi Hidrolisa
Salah satu reaksi kimia air yang penting adalah reaksi hidrolisa dari garam-
garam tertentu. Hidrolisa adalah reaksi kimia dimana suatu zat bereaksi dengan air
membentuk asam dan ataupun basa. Reaksi-reaksi tersebut menyebabkan perubahan
keasaman dan alkalinitas larutan dan sekaligus menyebabkan perubahan kecenderungan
pengendapan kerak, korosi pada logam, dan masalah-masalah kimia yang lain.
Zat yang dapat larut dalam air dan dapat menghasilkan ion hidroksi (OH-) atau
karbonat (CO32-) disebut basa dan larutannya disebut larutan basa atau alkali. Basa
dapat menetralkan asam.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-7
Contoh-contoh basa adalah :
1. Ammonia, NH3 (ammonium hidroksida, NH4OH)
2. Natrium hidroksida, NaOH
3. Natrium karbonat , Na2CO3 (soda abu)
4. Natrium bikarbonat, Na2HCO3 (soda bubuk/baking soda)
Asam adalah zat yang dapat menyebabkan ion hidrogen (H+) bertambah jika
dilarutkan dalam air dan mempunyai kemampuan untuk menetralkan basa. Beberapa
asam yang dikenal adalah :
1. Asam Klorida, HCl
2. Asam Sulfat, H2SO4
3. Asam Asetat, CH3COOH
4. Asam karbonat, H2CO3
Basa dan asam bereaksi untuk membentuk garam sedemikian rupa sehingga
larutan bersifat netral, alkali atau asam. Garam netral dibentuk oleh reaksi asam kuat
dan basa kuat. Garam bersifat alkali didapat dari reaksi basa kuat dengan asam lemah,
yang jika dilarutkan dalam air akan membentuk larutan dalam alkali. Contoh seperti
NaHCO3 yang dibentuk dari NaOH (basa kuat) dengan H2CO3 (asam lemah).
Garam bersifat asam terhidrolisa dalam air untuk membentuk kembali asam kuat
dan basa lemah pembentuknya, seperti disajikan oleh reaksi berikut :
2 FeCl3 + 6 H2O 2 Fe(OH)3 + 6 HCl (2.5) Besi Klorida (FeCl3) adalah garam bersifat asam dan Fe(OH)3 adalah basa lemah.
2.4 Beberapa Sifat Kation Logam dan Garamnya
Masing-masing kation yang disajikan pada Tabel 2.1, pada kondisi tertentu,
bereaksi dengan anion untuk membentuk garam. Jika penggabungan terjadi, jumlah
total muatan valensi positif (+) dari kation harus sama dengan jumlah total muatan
valensi negatif (-) dari anion. Sebagai contoh, satu monovalen Na+ dapat digabungkan
dengan satu monovalen Cl- untuk membentuk garam NaCl. Dua ion Na dibutuhkan oleh
satu ion SO4- untuk membentuk garam Na2SO4. Hanya satu ion Ca2+ yang dibutuhkan
oleh satu ion SO42- untuk membentuk garam Ca2SO4. Dua ion Al+3 dibutuhkan oleh tiga
ion SO42- untuk membentuk Al2(SO4)3 dan seterusnya.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-8
Lebih dari 45 jenis garam dapat dibentuk dari unsur/senyawa yang tercantum
pada Tabel 2.1. Masing-masing garam tersebut mempunyai sifat fisik dan kimia yang
berbeda-beda. Walaupun demikian, telaahan umum berikut ini akan sangat berguna :
l. Semua garam yang berasal dari Na dan K sangat larut dalam air. Garam-garam
klorida dan sulfat yang dibentuk olehnya bersifat netral, sedangkan garam bikarbonat,
karbonat, dan hidroksida bersifat alkali.
2. Garam klorida dari Ca, Mg, Ba dan Sr larut dalam air tapi ke larutan garam sulfatnya
mengikuti aturan sebagai berikut :
BaSO4 < SrSO4 < CaSO4 < MgSO4
Garam karbonat dan hidroksida dari Ca, Mg, Ba dan Sr semuanya mempunyai
kelarutan dalam air yang rendah dengan Mg(OH)2 mempunyai kelarutan yang paling
kecil pada air netral.
3. Garam klorida dan sulfat dari besi, mangan dan aluminium larut dalam air dan
larutannya bersifat asam. Garam-garam anorganik yang lain yang dibentuk dari
unsur-unsur tersebut (karbon dioksida, hidroksida, sulfida dan lain-lain) mempunyai
kelarutan yang rendah di air tapi larut dalam asam.
2.5 Kesetimbangan
Beberapa zat padat, terutama yang berbentuk kristal terionisasi dengan cepat
dalam air, seperti ditunjukkan pada reaksi di bawah ini :
CaO + H2O Ca2+ + 2 OH- (2.6) NaCl + H2O Na+ + Cl- + H2O (2.7)
Dari dua persamaan di atas, air dapat berfungsi sebagai reaktan / zat pereaksi atau
bukan. Jika air tidak berfungsi sebagai reaktan, air dapat diabaikan dalam persamaan.
Pada reaksi :
AxBy xA + yB (2.8) padatan ionik
Persamaan kesetimbangan untuk reaksi tersebut dinyatakan sebagai berikut :
K = [A]x [B]y / [AxBy] (2.9)
dengan :
K = konstanta kesetimbangan zat-zat tersebut dalam air murni pada suhu tertentu
[A], [B] = konsentrasi A dan B pada saat kesetimbangan
Pada saat kesetimbangan fasa padat tidak berubah, karena laju pelarutan (dissolution)
dan pengendapan (precipitation) sama, sehingga :
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-9
[AxBy] = Ks = Konstan dan, [A]x[B]y = K.Ks = Ksp
Ksp adalah hasil kali kelarutan untuk pasangan ion. Jika konsentrasi salah satu atau
kedua ion bertambah besar, akan menyebabkan harga Ksp bertambah besar, dan
pengendapan akan terjadi untuk mempertahankan keadaan kesetimbangan. Harga Ksp
untuk beberapa pasangan ion disajikan pada Tabel 2.3. Penggunaan Ksp untuk
menentukan konsentrasi ion digambarkan pada contoh soal 2.5.
Contoh soal 2.5 :
Ksp untuk disosiasi Mg(OH)2 seperti tercantum pada Tabel 2.3 adalah 9.10-12. Tentukan
konsentrasi Mg2+ dan OH- pada saat kesetimbangan, dinyatakan sebagai mg/1 CaCO3.
Penyelesaian :
1. Persamaan reaksi disosiasi Mg(OH)2 :
Mg(OH)2 Mg2+ + 2 OH- (2.11)
2. Berdasarkan persamaan (2.11) :
Ksp = [Mg2+] + [OH- ]2 = 9.10-12
Jika x adalah jumlah mol Mg2+ pada reaksi (2.11), maka OH- adalah 2x, maka:
[x][2x]2 = 4x3 = 9.10-12
x = 1,3.10-4 mol/1 = Mg ; 2x = 2,6.10-4 mol/1 = OH
3. Mg = (1,3.10-4 mol/1) / (0,5 mol/eq) x 50.000 mg/eq = 13 mg/1 sebagai CaCO3.
4. OH = (2,6.10-4 mol/l) / (1,0 mol/eq) x 50.000 mg/eq = 13 mg/1 sebagai CaCO3.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-10
Tabel 2.3. Harga Ksp
Persamaan reaksi Ksp pada 25oC Significance in Environmental
Engineering MgCO3 Mg(OH)2
CaCO3 Ca(OH)2
CaSO4 Cu(OH)2 Zn(OH)2 Ni(OH)2 Cr(OH)2 Al(OH)3 Fe(OH)2 Fe(OH)3 Mn(OH)3 Mn(OH)2 Ca3(PO4)2 CaHPO4 CaF2
AgCl
BaSO4
Mg2+ + CO32-
Mg2+ + 2 OH-
Ca2+ + CO32-
Ca2+ + OH-
Ca2+ + SO42-
Cu2+ + 2 OH-
Zn2+ + 2 OH-
Ni2+ + 2 OH-
Cr2+ + 2 OH-
Al3+ + 3 OH-
Fe2+ + 2 OH-
Fe3+ + 3 OH-
Mn3+ + 3 OH-
Mn2+ + 2 OH-
3 Ca2+ + 2 PO43-
Ca2+ + HPO4-
Ca2+ + 2 F-
Ag+ + Cl-
Ba2+ + SO42-
4 x 10-3
9 x 10-12
5 x 10-9
8 x 10-4
2 x 10-5
2 x 10-19
3 x 10-17
2 x 10-16
6 x 10-31
1 x 10-32
6 x 10-36
5 x 10-15
1 x 10-36
8 x 10-14
1 x 10-27
3 x 10-7
3 x 10-11
3 x 10-10
1 x 10-10
Hardness removal, scaling Hardness removal, scaling Hardness removal, scaling Hardness removal Flue gas desulfurization Heavy metal removal Heavy metal removal Heavy metal removal Heavy metal removal Coagulation Coagulation, iron removal, corrosion Coagulation, iron removal, corrosion Manganese removal Manganese removal Phosphate removal Phosphate removal Fluoridation Chloride analysis Sulfate analysis
Source : Adapted from Sawyer and McCarty [2-12]
2.6 Analisa Air
Adanya zat-zat terlarut dan tersuspensi dalam air menyebabkan air mempunyai
kualitas atau karakteristik tertentu, yang dapat diukur dari sifat-sifat sebagai berikut :
1. Keasaman (acidity)
Keasaman menyatakan kapasitas air untuk menetralkan basa atau alkali. Keasaman
biasanya disebabkan oleh CO2, asam-asam organik, asam-asam mineral atau hasil
reaksi hidrolisa.
2. Alkalinitas / basa (alkalinity/basidity)
Alkalinitas menyatakan kapasitas air untuk menetralkan asam. Penyebab alkalinitas
adalah bikarbonat (HCO3-), karbonat (CO32-) dan hidroksida (OH-)
3. pH
pH menyatakan pengukuran aktivitas ion hidrogen (H+)
4. Salinitas (salinity)
Besaran ini digunakan untuk menggolongkan kandungan mineral yang terlarut dalam
air. Salinitas klorida menyatakan konsentrasi total dari keberadaan klorida, Cl-,
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-11
dalam air. Harga salinitas tinggi pada air garam atau batuan garam (brine). Salinitas
NaCl adalah hal yang serupa, kecuali kandungan klorida ditentukan dengan analisis
yang dinyatakan sebagai NaCl.
5. Padatan Terlarut Total (Total Dissolved Solids / TDS)
TDS menunjukkan jumlah ion terlarut yang disajikan pada analisis air. TDS
ditentukan dengan cara pemanasan secara perlahan-lahan penguapan sejumlah kecil
air sampel (50-100 ml), kemudian sisa garam kering ditimbang. Hasilnya dinyatakan
sebagai mg/1 atau ppm. Jumlah TDS hasil evaporasi ini biasanya lebih kecil
daripada penjumlahan ion-ion yang ditentukan pada analisis, hal ini terjadi karena
adanya zat yang hilang pada saat terjadi evaporasi.
6. Densitas (density)
Densitas adalah berat per satuan volume yang dinyatakan sebagai g/l, pound/gallon,
kg/m, dan lain-lain.
7. Specific Gravity (Sp.Gr.)
Specific Gravity adalah nisbah antara densitas air yang dianalisis terhadap air murni
(tidak ada garam-garam terlarut) pada temperatur tertentu. Karena merupakan
perbandingan maka specific gravity tidak bersatuan. Specific gravity biasanya diukur
dengan hidrometer. Hidrometer dikalibrasi pada suhu 4C dimana densitas air murni
tepat 1,000 g/l. Jika temperatur air yang dianalisis lebih besar dari 4C, temperatur
yang terukur dicatat dan specific gravity dilaporkan sebagai :
Sp. Gr. pada CC
CC
o
o
o
o
425
420 = , dll
Garam-garam terlarut menyebabkan kenaikan densitas, demikian juga specific
gravity. Walaupun besarnya kenaikan tersebut merupakan fungsi dari garam terlarut,
harga densitas dan specific gravity tidak dapat dipakai langsung untuk mengukur
TDS, walaupun demikian persamaan di bawah ini, dengan kesalahan rata-rata sekitar
6%, dapat dipakai untuk memperkirakan TDS pada air mempunyai salinitas antara
10-150 g/l.
TDS (g/1) = (Sp.Gr. -1)x 1380
Atau :
Sp.Gr. = 1 + [TDS (g/1) / 1380]
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-12
8. Padatan Tersuspensi Total (Total Suspended Solids / TSS)
TSS merupakan berat dari zat-zat yang tidak larut, zat-zat tersuspensi yang disaring
dari volume sampel tertentu, dan lebih sering dinyatakan dengan mg/l.
9. Kekeruhan (turbidity)
Turbidity merupakan sifat optik air yang berhubungan dengan penyerapan dan
penyebaran cahaya. Pengukuran turbidity secara empirik menunjukkan seberapa jauh
pengukuran tersebut dipengaruhi oleh jumlah dan jenis zat-zat tersuspensi.
Konsentrasi aktual dari zat yang tersuspensi tidak dapat ditunjukkan dan tidak ada
hubungan antara pembacaan turbidity dengan berat padatan tersuspensi. Walaupun
demikian pengukuran turbidity dapat dengan mudah dilakukan dengan menggunakan
turbiditymeter dan perubahan jenis atau jumlah padatan tersuspensi.
10. Biochemical Oxygen Demand (BOD)
BOD menyatakan harga kebutuhan oksigen terlarut selama proses penguraian zat-zat
organik secara biokimia aerobik.
11. Chemical Oxygen Demand (COD)
COD menunjukkan jumlah oksigen yang dikonsumsi selama terjadinya oksidasi zat-
zat organik secara kimia pada suatu kondisi tertentu. Nilai COD biasanya dipakai
untuk memantau unit pengolahan dan aliran air buangan tapi tidak dapat secara
langsung menunjukkan jumlah zat-zat organik yang dapat dioksidasi secara biologik.
2.7 Contoh Perhitungan Analisis Air dan Interpretasinya
Tabel 2.4 memperlihatkan data-data yang diperoleh dari analisis air terhadap
suatu sampel air.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-13
Tabel 2.4 Contoh analisis air
Sampel 1 Fresh Water Ion
mg/L meq/L Na K Ca Mg Fe Ba Sr Cl
SO4 HCO3 CO3 OH TDS Sp.gr.
pH pHs@50oC
O2 H2S
1364 8
101 28 3 0 0
2265 24 165 0 0
3955 1.003
7.9 6.9 2.1 0
59.3 0.2 5.1 2.3 0.1
63.8 0.5 2.7
Sampel 1 (satu), air diperoleh dari sumur yang dangkal (kurang dari 35 m) dan
berlumpur. Air tersebut akan dipakai pada sistem pendingin dan sebagai air umpan
boiler pada kilang gas. Kandungan oksigen dan pH air diukur pada saat pengumpulan
sampel. Sampel 1 ditandai dengan air segar, tapi dari inspeksi terhadap hasil analisis air,
air sumur tersebut lebih tepat disebut air payau. Air tidak mengandung ion hidroksida
dan karbonat, alkalinitas hanya disebabkan oleh adanya 165 mg/1 bikarbonat dan jika
dinyatakan sebagai CaCO3.
Alkalinitas total sebagai CaCO3 = 165 x (50/61) = 135 mg/l. Untuk perhitungan
ini, konsentrasi bikarbonat diambil dari analisis air dan berat ekivalen bikarbonat
didapat dari Tabel 2.1.
Kesadahan dihitung untuk menentukan kapasitas pelunakan air yang dibutuhkan
jika air dipakai sebagai air umpan boiler. Kesadahan total sebagai CaCO3 :
= Ca2+ + Mg2+
= (101 x 50/20) + (28 x 50/12,2)
= 368 mg/1 sebagai CaCO3
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 2 Kimia Air 2-14
Pada sampel baik pH maupun pHs dicantumkan. pH diukur pada saat
pengumpulan,sedangkan pHs dihitung setelah analisis air selesai. pHs adalah pH
teoritik jika air jenuh dengan CaCO3. Untuk sampel 1, pH sebenarnya lebih besar dari
pHs pada 50C (122F) dan ini menunjukkan bahwa pengendapan kerak CaCO3 sangat
mungkin terjadi jika air ini dipakai di plant sebagaimana direncanakan.
Berdasarkan hasil analisis air dan perhitungan di atas, sumur/sumber air tersebut
harus ditutup karena berbagai alasan seperti :
l. Kesadahan tinggi
Biaya untuk pelunakan air cukup tinggi karena kesadahan yang dihilangkan cukup
besar yaitu dari 368 mg/l CaCO3 sampai mendekati 0 untuk pemakaian air umpan
boiler.
2. Pengendapan kerak.
Endapan kerak CaCO3 pada pipa dan penukar panas sebenarnya tidak akan terjadi
jika air digunakan sekali saja (once trough). Pemantauan kerak menjadi cukup sulit
jika air dipekatkan (pada sistem air pendingin) 3 kali dari yang direncanakan.
3. Masalah korosi dan bakteri
Adanya oksigen terlarut dan besi dalam air menunjukkan adanya korosi pada pipa
dan pompa sumur yang cukup serius dan pencemaran akibat bakteri sangat mungkin.
-
Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-1
BAB 3
ZAT PENGOTOR DALAM AIR
Air menyerap zat-zat dalam perjalanan daur hidrologinya, sehingga
menyebabkan air tersebut menjadi tidak murni lagi. Zat-zat itu disebut sebagai zat
pengotor atau impurities. Berbagai jenis impurities dan karakteristiknya disajikan pada
Tabel 3.1. Zat pengotor dalam air pada dasarnya dapat dikelompokkan dalam tiga
golongan, yaitu :
i. Padatan tersuspensi
ii. Padatan terlarut
iii. Gas terlarut
3.1 Padatan Tersuspensi dalam Air
Padatan tersuspensi merupakan istilah yang diterapkan pada zat heterogen yang
terkandung dalam kebanyakan jenis air. Padatan tersuspensi terutama terdiri atas
lumpur, humus, limbah dan bahan buangan industri. Padatan tersuspensi menyebabkan
air menjadi keruh dan bila digunakan sebagai air umpan ketel akan menyebabkan
terbentuknya deposit, kerak dan atau busa. Padatan tersuspensi dalam air pendingin
akan menimbulkan endapan dan timbulnya korosi di bawah endapan tersebut.
Kekeruhan yang berlebihan dalam air minum sangat tidak diinginkan karena dapat
menimbulkan rasa yang kurang baik.
3.2 Padatan Terlarut
Air adalah pelarut yang baik, sehingga dapat melarutkan zat-zat dari batu-batuan
dan tanah yang terkontak dengannya. Bahan-bahan mineral yang dapat terkandung
dalam air karena kontaknya dengan batu-batuan tersebut, antara lain : CaCO3, MgCO3,
CaSO4, MgSO4, NaCl, Na2SO4, SiO2 dan sebagainya. Air yang akan dipakai untuk
pembangkit uap atau sistem pendingin mempunyai dua parameter penting yang
merupakan akibat dari padatan terlarut, yaitu kesadahan (hardness) dan alkalinitas
(alkalinity). Padatan terlarut lainnya, seperti garam terlarut, asam dan zat organik tidak
dibahas disini.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-2
CA
RA
PEN
GO
LAH
AN
- Koa
gula
si, p
enge
ndap
an d
an fi
ltras
i
- K
oagu
lasi
, fil
trasi
, kl
orin
asi,
adso
rpsi
deng
an k
arbo
n ak
tif
- Pe
luna
kan
- D
istil
asi
- Pe
ngol
ahan
inte
rnal
- Pe
luna
kan
deng
an
kapu
r da
n ka
pur
soda
-
Dem
iner
alis
asi
- Pe
nam
baha
n as
am
- D
ealk
ilasi
den
gan
penu
kar i
on
-D
istil
asi
- N
etra
lisas
i den
gan
alka
li -
Aer
asi
- D
eaer
asi
- N
etra
lisas
i den
gan
alka
li -
Film
ingd
an N
eutr
aliz
ing
Amin
es
EFEK
- A
ir m
enja
di k
eruh
-
Mem
bent
uk d
epos
it pa
da p
ipa-
pipa
, al
at-
lat,
kete
l dan
lain
-lain
- Ti
mbu
l bui
h da
lam
ket
el
- M
engh
amba
t pr
oses
pe
ngen
dapa
n pa
da
peng
hila
ngan
be
si
dan
hot
phos
phat
e so
fteni
ng
- M
embe
ntuk
scal
e/ke
rak
pada
si
stem
pe
nuka
r pan
s, ke
tel,
pipa
-
Men
gham
bat d
aya
cuci
den
gan
sabu
n
- Ti
mbu
l bu
ih d
an c
arry
ove
r, (lo
losn
ya)
pada
tan
ke
dala
m
uap
pana
s m
enga
kiba
tkan
kar
atan
pad
a pi
pa k
etel
-
Bik
arbo
nat
dan
karb
onat
m
engh
asilk
an
CO
2 da
lam
uap
pan
as,
sehi
ngga
ber
sifa
t ko
rosi
f-
Kor
osif
- K
oros
if te
rhad
ap ja
ringa
n pi
pa
RU
MU
S K
IMIA
Tida
k ad
a
Tida
k ad
a
Kal
sium
dan
mag
nesi
um
yang
din
yata
kan
dala
m
CaC
O3
- Bik
arbo
nat (
H2C
O3)
- Kar
bona
t (C
O3)
- Hid
roks
ida
(OH
) - d
inya
taka
n se
baga
i CaC
O3
H2S
O4,
HC
l, da
n se
baga
inya
, din
yata
kan
CO
2
Tabe
l 3.1
Zat
-zat
pen
goto
r dan
kar
akte
ristik
nya
KO
MPO
NEN
/ SE
NY
AW
A
1. T
urbi
dity
2. W
arna
3. H
ardn
ess (
kesa
daha
n)
4. A
lkal
inity
(alk
alin
ity)
5. A
sam
min
eral
beb
as
6. K
arbo
n di
oksi
da
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-3
CA
RA
PEN
GO
LAH
AN
- pH
da
pat
dina
ikka
n de
ngan
pen
amba
han
alka
li da
n se
balik
nya
deng
an a
sam
-
Dem
iner
alis
asi
- D
istil
asi
- D
emin
eral
isas
i -
Dis
tilas
i
- D
emin
eral
isas
i -
Dis
tilas
i
- Pe
nghi
lang
an s
ecar
a pr
oses
pan
as d
enga
n ga
ram
Mg
- D
emin
eral
isas
i -
Dis
tilas
i
- A
eras
i -
Koa
gula
si d
an fi
ltras
i -
Pelu
naka
n ka
pur
- Pe
nuka
r kat
ion
- A
eras
i -
Pelu
naka
n ka
pur
EFEK
- Pe
ruba
han
pH d
ipen
garu
hi o
leh
keas
aman
at
au
keba
saan
da
lam
ai
r. A
ir al
am
bias
anya
pH
6-8
-
Men
aikk
an k
andu
ngan
pad
atan
dal
am a
ir -
Ber
eaks
i den
gan
Ca
mem
bent
uk C
aSO
4
- M
enai
kkan
kan
dung
an p
adat
an d
alam
air
dan
bers
ifat k
oros
if
- M
enai
kkan
kan
dung
an p
adat
an
- K
onse
ntra
si
yang
tin
ggi
men
gaki
batk
an
peny
akit
met
hem
ogob
lin p
ada
bayi
-
Ber
guna
unt
uk m
ence
gah
kere
taka
n lo
gam
pa
da k
etel
- Te
rben
tuk
kera
k pa
da k
etel
dan
sud
u-su
du
turb
in
- Te
rben
tuk
depo
sit
pada
pi
pa-p
ipa
dan
boile
r
- Te
rben
tuk
depo
sit
-
RU
MU
S K
IMIA
Kon
sent
rasi
ion
hidr
ogen
pH
= -
log
(H+ )
SO42
-
Cl-
NO
3-
SiO
2
Fe2+
Fe
3+
Mn
Tabe
l 3.1
Lan
juta
n
KO
MPO
NEN
/ SE
NY
AW
A
7. p
H
8. S
ulfa
te
9. K
lorid
a
10.N
itral
11. S
ilika
12. B
esi
13. M
anga
n
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-4
CA
RA
PEN
GO
LAH
AN
- B
affle
sepa
rato
r -
Stai
ners
-
Koa
gula
si d
an f
iltra
si d
enga
n di
atom
aceo
us
earth
-
Dea
eras
i -
Sodi
um su
lfite
-
Hyd
razi
ne
- Za
t pen
cega
h ko
rosi
- A
eras
i -
Klo
rinas
i -
Penu
kar k
atio
n be
rbas
a tin
ggi
- Pe
nuka
r kat
ion
deng
an z
eolit
e hi
drog
en
- K
lorin
asi
- D
eaer
asi
- D
emin
eral
isas
i -
Pelu
naka
n ka
pur,
dsb
- Pe
luna
kan
kapu
r -
Penu
kar k
atio
n de
ngan
zeo
lite
hidr
ogen
-
Dem
iner
alis
asi
- D
istil
asi
- Pe
ngen
dapa
n -
Filtr
asi d
an k
oagu
lasi
- Sa
ma
deng
an 1
9 da
n 20
EFEK
- Te
rben
tuk
kera
k, l
umpu
r da
n bu
ih d
alam
ke
tel
- K
oros
i -
Bau
telu
r bus
uk
- K
oros
i
- K
oros
i pad
a te
mba
ga d
an se
ng
- K
ondu
ktifi
tas
tingg
i m
aka
sifa
t ko
rosi
m
akin
ting
gi
- Pa
data
n te
rlaru
t m
enun
jukk
an j
umla
h za
t-za
t ter
laru
t -
Men
yeba
bkan
bui
h
- M
enye
babk
an d
epos
it
- Pa
data
n to
tal
adal
ah p
adat
an t
ersu
spen
si
dita
mba
h pa
data
n te
rlaru
t
RU
MU
S K
IMIA
Din
yata
kan
seba
gai o
il at
au
chlo
rofo
rm e
xtra
ctic
ible
m
atte
r
O2
H2S
NH
3
Din
yata
kan
dala
m
mic
rom
hos,
kond
ukta
nsi
spes
ifik
Tida
k ad
a
Tida
k ad
a
Tida
k ad
a
Tabe
l 3.1
Lan
juta
n K
OM
PON
EN/S
ENY
AW
A
14. M
inya
k
15. O
ksig
en
16. H
idro
gen
sulfi
da
17. A
mon
iak
18. K
ondu
ktifi
tas
19. P
adat
an la
ruta
n
20. P
adat
an te
rsus
pens
i
21. P
adat
an to
tal
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-5
3.2.1 Kesadahan
Kesukaran pembentukan busa oleh sabun dalam air merupakan indikasi
kesadahan air. Kesadahan air terutama diakibatkan oleh adanya ion-ion kalsium dan
magnesium. Sabun dalam air bereaksi lebih dulu dengan ion-ion ini sebelum dapat
berfungsi untuk menurunkan tegangan permukaan air. Senyawa kalsium, magnesium
dan senyawa lain yang bereaksi dengan sabun, mempunyai ukuran yang disebut
kesadahan total (total hardness).
Kesadahan total dari sudut kationnya merupakan jumlah kesadahan kalsium dan
kesadahan magnesium, atau :
TH CaH + MgH (3.1)
kesadahan total dari sudut anionnya dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu kesadahan
karbonat atau kesadahan sementara dan kesadahan non-karbonat atau kesadahan tetap,
sehingga dapat dituliskan sebagai berikut :
TH KH + NH (3.2)
dengan :
TH : Kesadahan Total
CaH : Kesadahan Kalsium = Kadar Ca2+
MgH : Kesadahan Magnesium = Kadar Mg2+
KH : Kesadahan Karbonat = Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2
NH : Kesadahan non-Karbonat = CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, dsb.
Satuan yang dipakai untuk menyatakan kesadahan, adalah sebagai berikut :
- milival (mval) = miligram equivalent perliter
- mg/l = ppm sebagai CaCO3
- od = Derajat kesadahan Jerman
= 5,6 mg CaO/liter
Hubungan antara satuan-satuan tersebut adalah sebagai berikut :
1 mval = 50 mg/l sebagai CaCO3 = 2,8 d
Kerugian yang dapat timbul akibat adanya kesadahan dalam air industri
diantaranya adalah pembentukan kerak dalam ketel dan sistem pendingin, selain itu
pemakaian sabun akan meningkat bila kesadahan terdapat dalam air pencuci.
3.2.2 Alkalinitas (Alkalinity)
Alkalinitas air disebabkan oleh adanya senyawa alkalis dalam air. Alkalinitas
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-6
didefinisikan sebagai ukuran dari kapasitas air untuk menetralkan asam. Alkalinitas
dalam air ada tiga jenis yaitu: alkalinitas hidroksida (OH-alkalinity), alkalinitas
karbonat (CO3-alkalinity) dan alkalinitas bikarbonat (HCO3-alkalinity). Penentuan
alkalinitas dilakukan dengan titrasi menggunakan larutan HCI. Penetralan yang
dilakukan dengan indikator phenolphthalein, menghasilkan alkalinitas-P, sedangkan bila
digunakan indikator metil jingga akan dihasilkan alkalinitas-M. Reaksi yang terjadi
pada alkalinitas P dan M adalah sebagai berikut :
Alkalinitas-P, pH = 8,3
OH- + H+ H2O (3.3)
CO3 + H+ HCO3 (3.4)
Alkalinitas-M, pH = 4, 5
HCO3- + H+ H2CO3 (3.5)
Ketiga jenis senyawa yang menyebabkan alkalinitas tersebut tidak dapat hadir
bersama-sama dalam air. sehingga hanya ada lima kemungkinan terdapatnya senyawa
penyebab alkalinitas, yaitu :
1. Hanya senyawa hidroksida (OH)
2. Hanya senyawa karbonat (CO32-)
3. Hanya senyawa bikarbonat (HCO3- )
4. CO32- dan HCO3-
5. OH- dan CO32-
Kemungkinan-kemungkinan di atas dapat dilihat pada Tabel 3.2. Tabel tersebut
juga memperlihatkan adanya hubungan yang erat antara alkalinitas dengan kesadahan.
Menaikkan alkalinitas berarti menaikkan kesadahan karbonat dan mengurangi
kesadahan non-karbonat. Air baku pada umumnya hanya mengandung alkalinitas-M
saja (hanya mengandung HCO3 saja) dengan pH sekitar 7. Alkalinitas yang cukup tinggi
diperlukan pada air umpan ketel untuk mencegah korosi, akan tetapi kadar OH yang
terlalu tinggi dapat menimbulkan "kerapuhan kaustik" (Caustic Embrittlement).
Tabel 3.2 Alkalinitas dan hubungannya dengan kesadahan
M-alk & P-alk OH-alk CO3- alk HCO3-alk Total-alk P = nil nil nil M M 2P < M nil 2P M-2P M 2P = M nil 2P nil M 2P > M 2P-M 2 (M-P) nil M P = M M nil nil M
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-7
Hubungan alkalinitas dengan kesadahan :
Jika Kesadahan
non karbonat Kesadahan karbonat
Kesadahan semu
TH > M TH -M M nil TH = M nil TH Nil TH < M nil TH M TH
M-alk = alkalinitas metil orange
P-alk = alkalinitas phenolphthalein
OH-alk = alkalinitas hidroksida
CO3-alk = alkalinitas karbonat
HCO3-alk = alkalinitas bikarbonat
Total-alk = alkalinitas total = M
Kesadahan non-karbonat = S = M - TH
Kesadahan semu (pseudo hardness) = TH - M
3.3 Gas Terlarut
Berbagai gas dapat larut dalam air, antara lain : CO2, O2, N2, NH3, NO2 dan H2S.
Gas-gas yang terlarut tersebut pada umumnya tidak menimbulkan korosi kecuali CO2,
O2 dan NH3. Karbon dioksida sesungguhnya adalah suatu asam jika bergabung dengan
air, dan dengan demikian dapat menyerang logam. Reaksi yang terjadi adalah sebagai
berikut :
CO2+ H2O H2CO3 H+ + HCO3 (3.6)
Oksigen terlarut dalam air merupakan penyebab utama terjadinya korosi pada
ketel dan sistem pendingin. Penghilangan oksigen dari air umpan ketel dapat dilakukan
dengan cara deaerasi secara fisik dan kimia.
-
Bab 4 Pengolahan Air 4-1
BAB 4
PENGOLAHAN AIR
4.1 Pengolahan Eksternal
Proses pengolahan secara eksternal untuk memperbaiki kualitas air terdiri atas
berbagai jenis, dan penerapan proses-proses tersebut disesuaikan dengan tujuan
penggunaan air yang dikehendaki.
Gambar 4.1 menunjukkan sebagian besar jenis proses pengolahan air secara
eksternal. Proses-proses tersebut digunakan untuk mengolah impurities tertentu dan
pengolahan air secara eksternal ini dapat dibagi menjadi tiga kategori, yaitu :
A. Proses pendahuluan (pretreatment)
Proses ini umumnya digunakan untuk memperoleh kualifikasi air pendingin
atau sebagai proses awal untuk penyediaan air dengan kualitas yang lebih
tinggi.
B. Proses filtrasi
Proses ini khusus untuk menghilangkan zat padat tersuspensi
C. Proses penurunan/penghilangan padatan terlarut
Proses ini bertujuan menghilangkan padatan terlarut (dissolved solid) tanpa
menggunakan metoda pengendapan secara kimiawi (chemical precipitation),
misalnya: proses pertukaran ion (ion exchange).
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-2
Rough Screens
Sedimentasi Clarification
Aeration
MangeneeeZeolite
Filtration
Adsorption
Lime Softening(cold)
Lime Softening(hot)
Sodium Cation
Dealkalizer
Desilicizer
Elektrodyalisis
ReverseOsmosis
Distilation
Ultrapure water once through boiler1500 psig plus rinsing
DemineralizationProcesses
Low andMediumPressureBoilers
Hydrogen CationWeak and/or strong
Degasification
Anion Weakand/or strong
Mixed bed
Ultra Filtration
Pure WaterLow in solidsBoilersProcess
Clear Water, Paper,Cooling, Rinsing,Potable, Beverage
Almost Exclusivefor low andmedium pressureboilers
Medium Pressure Boilers
Ultimate water electronics Pharmaceautical
Low andMedium BoilersLaudries carwashes, rinses
CoolingFireProtection Paper
Cooling FireProtectionGeneral Utility
Raw water supply
Rinsing Misc ProcessFurther Treatment byIon Exchange
GroupA
Process
GroupB
Process
GroupC
Process(to end)
Gambar 4.1 Proses-proses air secara eksternal
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-3
4.1.1 Proses Pendahuluan
Proses-proses pendahuluan yang akan dibahas antara lain : sedimentasi, aerasi,
dan klarifikasi.
4.1.1.1 Sedimentasi
Sedimentasi adalah suatu proses yang bertujuan memisahkan/mengendapkan
zat-zat padat atau suspensi non-koloidal dalam air. Pengendapan dapat dilakukan
dengan memanfaatkan gaya gravitasi. Cara yang sederhana adalah dengan membiarkan
padatan mengendap dengan sendirinya. Setelah partikel-partikel mengendap, maka air
yang jernih dapat dipisahkan dari padatan yang semula tersuspensi di dalamnya. Cara
lain yang lebih cepat adalah dengan melewatkan air pada sebuah bak dengan kecepatan
tertentu sehingga padatannya terpisah dari aliran air dan jatuh ke dalam bak pengendap
tersebut. Kecepatan pengendapan partikel-partikel yang terdapat di dalam air
bergantung kepada berat jenis, bentuk dan ukuran partikel, viskositas air dan kecepatan
aliran dalam bak pengendap. Hubungan ukuran partikel dengan waktu pengendapan
ditunjukkan pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Waktu pengendapan untuk berbagai ukuran/diameter partikel
Diameter partikel (mm) Nama Partikel
Waktu pengendapan pada ketinggian 1 ft
10 kerikil 0,3 detik 1 pasir kasar 3 detik
0,1 pasir halus 38 detik 0,01 lumpur 33 menit
0,001 bakteri 35 jam 0,0001 partikel tanah liat 230 hari
0,00001 partikel koloid 63 tahun
Alat sedimentasi terdiri atas dua jenis, yaitu jenis bak pengendap segi empat
(rectangular) seperti terlihat pada Gambar 4.2, dan jenis lingkaran (circular) seperti
terlihat pada Gambar 4.3. Jenis segi empat biasanya digunakan untuk laju alir air yang
besar, karena pengendaliannya dapat dilakukan dengan mudah, sedangkan keuntungan
alat sedimentasi jenis lingkaran yaitu memiliki mekanisme pemisahan lumpur yang
sederhana. Proses sedimentasi biasanya dilakukan sebelum proses klarifikasi.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-4
Inletflume
to sludgedisposal
clarifiedeffluent
effluentflume
tube modules
sludge collector
Gambar 4.2 Bak pengendapan jenis segi empat (rectangular)
tube modules
peripheraleffluent flume
clarifiedeffluent
basininlet
sludge collector
Gambar 4.3 Bak pengendapan jenis lingkaran (circular)
4.1.1.2 Klarifikasi
Proses klarifikasi bertujuan untuk menghilangkan padatan tersuspensi, baik yang
kasar, halus atau bersifat koloid. Proses ini mencakup koagulasi, flokulasi dan
sedimentasi yang masing-masing merupakan langkah-langkah tersendiri dengan
persyaratan tertentu yang harus dipenuhi untuk memperoleh hasil yang dikehendaki.
Apabila ada kondisi yang merugikan salah satu dari ketiga langkah tersebut, maka hasil
yang diperoleh akan kurang memuaskan. Langkah-langkah proses klarifikasi tersebut
adalah sebagai berikut :
(i) Koagulasi
Koagulasi adalah proses penetralan partikel-partikel yang ada dalam air
sehingga sesamanya tidak saling tolak menolak dan dapat diendapkan bersama-
sama. Bahan kimia pengendap dimasukkan ke dalam air dan diaduk dengan cepat.
Hasil reaksi kimia yang terjadi disebut flok (floc) yaitu partikel bukan koloid yang
sangat halus.
(ii) Flokulasi
Flokulasi merupakan kelanjutan proses koagulasi, partikel-partikel halus hasil
koagulasi membentuk suatu gumpalan yang besar sehingga lebih mudah
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-5
mengendap. Proses flokulasi dibantu dengan cara pengadukan yang lambat.
Proses klarifikasi dilakukan dengan cara penambahan bahan kimia tertentu,
misalnya : alum (aluminium sulfat), natrium aluminat, ferri sulfat, ferri klorida, dan
sebagainya. Proses pengendapan dipercepat dengan penambahan coagulant aid
seperti: separan, clays, coagulant aid 2350, dsb.
Reaksi-reaksi yang dapat terjadi pada proses klarifikasi adalah sebagai berikut :
Al2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 (4.1)
6 FeSO4.7H2O + 3 C12 2 Fe(SO4)3 + FeCl3 + H2O (4.2)
Al2(SO4)3 + 3 NaCO3 + 3 H2O 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2 (4.3)
Al2(SO4)3 + 6 NaOH 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 (4.4)
Al2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 (4.5)
Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 (4.6)
Fe2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 (4.7)
FeSO4 + Ca(OH)2 Fe(OH)2 + CaSO4 (4.8)
4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O 4 Fe(OH)3 (4.9)
2 FeCl3 + 3 Ca(HCO3)2 2 Fe(OH)3 + 3 CaCl2 + 6 CO2 (4.10)
2 FeCl3 + 3 Ca(OH)2 2 Fe(OH)3 + 3CaCl2 (4.11)
MgCO3 + CaCl2 CaCO3 + MgCl2 (4.12)
Mg(HCO3)2 + 3 Ca(OH)2 Mg(OH)2 + 2 CaCO3 + 2 H2O (4.13)
Air yang telah menjalani proses koagulasi dan flokulasi masuk ke tahap
sedimentasi yang merupakan tahap akhir dari proses klarifikasi. Air yang bersih
dapat dipisahkan setelah flok mengendap. Efisiensi proses ini tidak dapat mencapai
l00% sehingga air yang dihasilkan masih mengandung zat-zat yang tersuspensi
dalam bentuk carry over flocs.
Desain alat klarifikasi yang paling tua ditunjukkan pada Gambar 4.4. Langkah-
langkah proses klarifikasi pada alat tersebut dilakukan pada ruangan-ruangan yang
terpisah. Langkah-langkah proses pada alat klarifikasi yang lebih modern dikombi-
nasikan dalam satu alat. Contoh alat tersebut adalah alat jenis solids contact seperti
yang ditunjukkan pada Gambar 4.5.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-6
Gambar 4.4 Klarifikasi air dengan flash mixing, flokulasi, dan pengendapan
Gambar 4.5 Alat klarifikasi dengan pengadukan dan koagulasi dalam alat yang sama
4.1.1.3 Aerasi
Aerasi adalah proses mekanis pencampuran air dengan udara. Tujuan aerasi
adalah sebagai berikut :
1. Membantu dalam pemisahan logam-logam yang tak diinginkan seperti besi (Fe) dan
mangan (Mn). Besi lebih sering ditemukan daripada mangan. Besi yang terdapat
dalam air biasanya berbentuk ferobikarbonat atau ferosulfat. Oksigen yang
dikontakkan dengan air akan merubah senyawa-senyawa tersebut menjadi ferioksida
yang tidak larut dalam air sehingga dapat dipisahkan dengan menggunakan filter.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-7
2. Menghilangkan gas-gas yang terlarut dalam air terutama yang bersifat korosif.
Contoh gas seperti ini adalah CO2 yang dapat menurunkan pH air sehingga
membantu proses korosi pada logam. Proses penghilangan gas akan makin baik
dengan :
- kenaikan temperatur
- lamanya waktu kontak
- makin luasnya permukaan kontak antara air dengan udara
- banyaknya volume gas yang kontak dengan air
3. Menghilangkan bau, rasa dan warna yang disebabkan oleh mikroorganisma.
Penurunan kualitas air tersebut disebabkan oleh bahan organik yang mengalami
dekomposisi, sisa-sisa atau bahan-bahan hasil metabolisme mikroba.
Aerasi dilakukan dalam alat yang disebut aerator. Aerator jenis forced draft fan
diperlihatkan pada Gambar 4.6. Gambar 4.7 dan 4.8 memperlihatkan aerator jenis coke-
tray aerator dan pressure aerator yang berfungsi untuk mengoksidasi besi terlarut
menjadi besi yang tak larut dengan diikuti pemisahan melalui filter.
Gambar 4.6. Forced draft aerator
Gambar 4.7 Coke-tray aerator
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-8
Gambar 4.8 Pressure aerator
4.1.2 Filtrasi
Proses filtrasi bertujuan untuk menahan zat-zat tersuspensi (suspended matter)
dalam suatu fluida dengan cara melewatkan fluida tersebut melalui suatu lapisan yang
berpori-pori, misalnya : pasir, anthracite, karbon dan sebagainya. Fluida dapat berupa
cairan (zat-zat tersuspensi dalam cairan/slurry) atau gas. Zat-zat tersuspensi dapat
berukuran sangat halus atau kasar, kaku atau kenyal, berbentuk bulat atau sangat tidak
beraturan. Produk yang diinginkan dapat berupa filtrat atau padatan (cake).
Pada kondisi tertentu, filtrasi dapat digunakan untuk proses penjernihan air
dengan cara penyaringan langsung terhadap air baku.
Media penyaring (filter) dapat dioperasikan dengan baik untuk jangka waktu
tertentu, jika pressure drop meningkat sampai batas yang diizinkan, maka harus
dilakukan pembersihan filter dengan cara cuci balik (backwashing). Cuci-balik
dilakukan dengan cara mengalirkan air secara berlawanan arah dengan arah aliran pada
saat operasi selama 5 - 10 menit, setelah itu dilakukan pembilasan.
Filter dapat digolongkan menjadi beberapa jenis berdasarkan siklus operasinya
batch atau kontinu, produk yang diinginkan filtrat atau cake atau gaya pendorongnya
(driving force). Jenis filter yang dikenal berdasarkan gaya pendorong yang digunakan
antara lain jenis gravity filter (Gambar 4.9) dan pressure filter (Gambar 4.10)
Pressure filter cukup banyak digunakan karena memiliki beberapa keuntungan,
antara lain :
a. sedikit memerlukan tempat
b. pemasangannya mudah, murah dan cepat
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-9
c. unit-unit lain mudah ditambah jika diperlukan
d. mengurangi biaya pemompaan air untuk proses selanjutnya
Pressure filter juga memiliki beberapa kekurangan, antara lain :
a. keadaan media penyaring sukar dilihat
b. keadaan backwashing tidak dapat dilihat langsung
c. kehilangan media penyaring tidak dapat dilihat langsung
Contoh jenis filter yang lain adalah up flow filter (Gambar 4.11). Penamaan filter ini
didasarkan pada arah alirannya yaitu dari bawah ke atas. Ukuran media penyaring
ditentukan dari Uniformity-Coefficient (koefisien keseragaman). Semakin kecil harga
koefisien ini, semakin seragam ukuran media penyaring tersebut.
How filter operates
1. Open valve A (This allows influent to flow to filter). 2. Open valve B (This allows water to flow through filter). 3. During filter operation all other valves are closed.
How filter is backwashed 1. Close valve A. 2. Close valve B when water in filter drops down to top of overflow. 3. Open valves C and D (This allows water from wash-water tank to flow
up through the filtering medium, loosening up the sand and washing the accumulated solids from the surface of the sand, out of the filter. Filter backwash water is returned to head end of treatment plant.
How to filter to waste (if used) 1. Open valves A and E. All other valves closed. Effluent is sometimes
filtered to waste for a few minutes after filter has been washed to condition the filter before it is put into service.
Gambar 4.9 Conventional Gravity Filter
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-10
Uniformity coefficient (u) = 10
60
dd
sizeEffectiveUniformity =
dengan :
Uniformity = d60 = ukuran ayakan yang meloloskan 60% wt sampel yang dianalisa.
Effective size = d10 = ukuran ayakan yang meloloskan 10% wt sampel yang dianalisa.
Gambar 4.10 Pressure filter
Gambar 4.11 Up flow filter
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-11
4.1.3 Pertukaran Ion
Pertukaran ion secara luas digunakan untuk pengolahan air dan limbah cair,
terutama digunakan pada proses penghilangan kesadahan dan dalam proses
demineralisasi air.
4.1.3.1 Prinsip-prinsip Pertukaran Ion
Pertukaran ion adalah sebuah proses fisika-kimia. Pada proses tersebut senyawa
yang tidak larut, dalam hal ini resin, menerima ion positif atau negatif tertentu dari
larutan dan melepaskan ion lain ke dalam larutan tersebut dalam jumlah ekivalen yang
sama. Jika ion yang dipertukarkan berupa kation, maka resin tersebut dinamakan resin
penukar kation, dan jika ion yang dipertukarkan berupa anion, maka resin tersebut
dinamakan resin penukar anion.
Contoh reaksi pertukaran kation dan reaksi pertukaran anion disajikan pada
reaksi (4.15) dan (4.16) di bawah ini :
Reaksi pertukaran kation :
2NaR (s) + CaCl2 (aq) CaR(s) + 2 NaCl(aq) (4.15) Reaksi pertukaran anion :
2RCl (s) + Na2SO4 R2SO4(s) + 2 NaCl (4. 16) Reaksi (4.15) menyatakan bahwa larutan yang mengandung CaCl2 diolah dengan resin
penukar kation NaR, dengan R menyatakan resin. Resin mempertukarkan ion Na+
larutan dan melepaskan ion Na+ yang dimilikinya ke dalam larutan. Secara ilustratif hal
ini diberikan pada Gambar 4.11. Proses penukaran kation yang diikuti dengan
penukaran anion untuk mendapatkan air demin (demineralized water) diberikan pada
Gambar 4.12. Tahap terjadinya reaksi pertukaran ion disebut tahap layanan (service).
Jika resin tersebut telah mempertukarkan semua ion Na+ yang dimilikinya, maka
reaksi pertukaran ion akan terhenti. Pada saat itu resin dikatakan telah mencapai titik
habis (exhausted), sehingga harus diregenerasi dengan larutan yang mengandung ion
Na+ seperti NaCl. Tahap regenerasi merupakan kebalikan dari tahap layanan. Reaksi
yang terjadi pada tahap regenerasi merupakan kebalikan reaksi (4.15). Resin penukar
kation yang mempertukarkan ion Na+ tahap tersebut di atas dinamakan resin penukar
kation dengan siklus Na. Resin penukar kation dengan siklus H akan mempertukarkan
ion H+ pada tahap layanan dan regenerasi.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-12
H
HH
HH
H
H
HH
H
H
H
HH
H H
H
HH
HH
OH
OH
OHOH
OHOH
OH
OH
DD
DD
D
OH
OHH
OHH
OHH
OHH
OHH
Ca
Ca Na
NaNa
Na
Na
Na
NaNa
NaNa
Na
NaNa
Na
Na
Na
Na
Na
NaNa
NaNa
NaNa
Na
Na
Na
Na
Ca
Ca
Ca
Mg
MgMg
Ca
CaCa
Mg
MgMg
Gambar 4.12 Proses penukaran Gambar 4.13. Proses Demineralisasi
ion Ca dengan Na (Pelunakan)
4.1.3.2 Jenis-jenis Resin Penukar Ion
Berdasarkan jenis gugus fungsi yang digunakan, resin penukar ion dapat
dibedakan menjadi empat jenis, yaitu :
1. resin penukar kation asam kuat
2. resin penukar kation asam lemah
3. resin penukar anion basa kuat, dan
4. resin penukar anion basa lemah
Resin penukar kation mengandung gugus fungsi seperti sulfonat (R-SO3H),
phosphonat (R-PO3H2), phenolat (R-OH), atau karboksilat (R-COOH), dengan R
menyatakan resin. Gugus fungsi pada resin penukar ion asam kuat adalah asam kuat
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-13
seperti sulfonat, phosphonat, atau phenolat, dan gugus fungsi pada resin penukar asam
lemah adalah karboksilat.
Gugus fungsi pada resin penukar anion adalah senyawa amina (primer/R-NH2,
sekunder/R-N2H, tersier/R-R'2N) dan gugus ammonium kuartener (R-NR'3/tipe I,
R-R'3N+OH/tipe II), dengan R' menyatakan radikal organik seperti CH3. Resin anion
yang mempunyai gugus fungsi ammonium kuartener disebut resin penukar anion basa
kuat dan resin penukar anion basa lemah mempunyai gugus fungsi selain ammonium
kuartener.
4.1.3.2.1 Resin Penukar Kation Asam Kuat
Resin penukar kation asam kuat yang beroperasi dengan siklus H, regenerasi
dilakukan menggunakan asam HCl atau H2SO4. Reaksi pada tahap layanan adalah
sebagai berikut :
Ca SO4 Ca H2SO4 Mg Cl Mg 2HCl
2Na 2HCO3 2Na 2H2CO3 Fe 2NO3 (aq)
+2HR(s) 2R
Fe (s)
+
2HNO3 (aq)
(4.17)
Konsentrasi asam keseluruhan yang dihasilkan oleh reaksi (4.17) disebut Free Mineral
Acid (FMA). Jika nilai FMA turun, berarti kemampuan resin mendekati titik-habis dan
regenerasi harus dilakukan. Reaksi pada tahap regenerasi adalah sebagai berikut :
Ca CaCl2 Mg MgCl2 2Na 2NaCl
2R
Fe (s)
+ 2HCl(aq) 2HR(s) +
2FeCl2 (aq)
(4.18)
4.1.3.2.2 Resin Penukar Kation Asam Lemah
Gugus fungsi pada resin penukar kation asam lemah adalah karboksilat (R-
COOH). Jenis resin ini tidak dapat memisahkan garam yang berasal dari asam kuat dan
basa kuat, tetapi dapat menghilangkan kation yang berasal dari garam bikarbonat untuk
membentuk asam karbonat, atau dengan kata lain resin ini hanya dapat menghasilkan
asam yang lebih lemah dari gugus fungsinya.
Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap layanan untuk resin penukar kation asam
lemah dengan siklus H, dinyatakan oleh reaksi-reaksi berikut ini :
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-14
Ca Ca Mg Mg 2Na 2Na Fe (aq)
2HCO3 + 2 HR(s) 2R
Fe (s)
+ 2H2CO3(aq) (4.19)
Larutan regenerasi dan reaksi yang terjadi pada tahap regenerasi identik dengan resin
penukar kation asam kuat.
4.1.3.2.3 Resin Penukar Anion Basa Kuat
Resin penukar kation asam kuat siklus hidrogen akan mengubah garam-garam
terlarut menjadi asam (reaksi 4.18), dan resin penukar anion basa kuat akan
menghilangkan asam-asam tersebut, termasuk asam silikat dan asam karbonat. Reaksi-
reaksi yang terjadi pada tahap layanan dan regenerasi adalah sebagai berikut :
Operasi layanan :
H2SO4 SO4 2HCl 2Cl 2NO3 (aq)
+ 2ROH(s) 2R2NO3 (s)
+ 2H2O (4.20)
H2CO3 HCO3 H2SiO3 (aq)
+ ROH(s) RHSiO3 (s)
+ H2O (4.21)
Regenerasi :
SO4 Na2SO4 2R 2Cl 2NaCl
2NO3 (aq) + 2NaOH(aq) 2ROH(s) +
2NaNO3 (s) (4.22)
HCO3 NaHCO3 R HSiO3 (s)
+ NaOH(aq) ROH(s) +NaHSiO3 (aq)
(4.23)
4.1.3.2.4 Resin Penukar Anion Basa Lemah
Resin penukar anion basa lemah hanya dapat memisahkan asam kuat seperti HCl
dan H2SO4 , tetapi tidak dapat menghilangkan asam lemah seperti asam silikat dan asam
karbonat, oleh sebab itu resin penukar anion basa lemah acap kali disebut sebagai acid
adsorbers. Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap layanan adalah sebagai berikut :
H2SO4 + 2RNH2(s) 2RNH2 SO4 (4.24)
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-15
2HCl 2Cl 2NO3 (aq)
2NO3 (s)
Resin penukar anion basa lemah dapat diregenerasi dengan NaOH, NH4OH atau N2CO3
seperti ditunjukkan oleh reaksi di bawah ini :
SO4 H2SO4 3RNH2 2Cl 2HCl
2NO3 + NaOH 2RNH2
2 HNO3 (4.25)
4.1.3.3 Operasi Sistem Pertukaran Ion
Operasi sistem pertukaran ion dilaksanakan dalam empat tahap, yaitu :
1. tahap layanan (service)
2. tahap pencucian balik (backwash)
3. tahap regenerasi, dan
4. tahap pembilasan
Tahapan-tahapan tersebut dapat pula dilihat pada Gambar 4.14
acid
1. In service 2. Backwash 3. Cation regeneration
caustic
4. Anion regeneration 5. Rinse 6. Drain
9. Rinse8. Refill7. Air mix Gambar 4.14 Tahapan-tahapan operasi dalam sistem pertukaran ion
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-16
4.1.3.3.1 Tahap Layanan
Tahap layanan adalah tahap dimana terjadi reaksi pertukaran ion, seperti
ditunjukkan oleh reaksi-reaksi (4.17), (4.19), (4.20), (4.21) dan (4.24) di atas. Watak
tahap layanan ditentukan oleh konsentrasi ion yang dihilangkan terhadap waktu, atau
volume air produk yang dihasilkan.
Hal yang penting pada tahap layanan adalah kapasitas (teoritik dan operasi) dan
beban pertukaran ion (ion exchange load). Kapasitas pertukaran teoritik didefinisikan
sebagai jumlah ion secara teoritik yang dapat dipertukarkan oleh resin per satuan massa
atau volume resin. Kapasitas pertukaran ion teoritik ditentukan oleh jumlah gugus
fungsi yang dapat diikat oleh matriks resin. Kapasitas operasi adalah kapasitas resin
aktual yang digunakan untuk reaksi pertukaran pada kondisi tertentu. Beban pertukaran
ion adalah berat ion yang dihilangkan selama tahap layanan dan diperoleh dari hasil kali
antara volume air yang diolah selama tahap layanan dengan konsentrasi ion yang
dihilangkan. Tahap layanan ini dilakukan dengan cara mengalirkan air umpan dari atas
(down flow).
4.1.3.3.2 Tahap Pencucian Balik
Tahap pencucian balik dilakukan jika kemampuan resin telah mencapai titik
habis. Sebagai pencuci digunakan air produk. Pencucian balik mempunyai sasaran
sebagai berikut :
1. pemecahan resin yang tergumpal
2. penghilangan partikel halus yang terperangkap dalam ruang antar resin
3. penghilangan kantong-kantong gas dalam unggun, dan
4. pembentukan ulang lapisan resin Pencucian balik dilakukan dengan pengaliran
air dari bawah ke atas (up flow). Pada tahap ini terjadi pengembangan unggun
antara 50 hingga 70%.
4.1.3.3.3 Tahap Regenerasi
Tahap regenerasi adalah operasi penggantian ion yang terserap dengan ion awal
yang semula berada dalam matriks resin dan pengembalian kapasitas ke tingkat awal
atau ke tingkat yang diinginkan.
Larutan regenerasi harus dapat menghasilkan titik puncak (mengembalikan
waktu regenerasi dan jumlah larutan yang digunakan). Jika sistem dapat dikembalikan
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-17
ke kemampuan pertukaran awal, maka ekivalen ion yang digantikan harus sama dengan
ion yang dihilangkan selama tahap layanan. Jadi secara teoritik, jumlah larutan
regenerasi (dalam ekivalen) harus sama dengan jumlah ion (dalam ekivalen) yang
dihilangkan (kebutuhan larutan regenerasi teoritik). Operasi regenerasi agar resin
mempunyai kapasitas seperti semula sangat mahal, oleh sebab itu maka regenerasi
hanya dilakukan untuk menghasilkan sebagian dari kemampuan pertukaran awal. Upaya
tersebut berarti bahwa regenerasi ditentukan oleh tingkat regenerasi (regeneration
level) yang diinginkan. Tingkat regenerasi dinyatakan sebagai jumlah larutan regenerasi
yang digunakan per volume resin. Perbandingan kapasitas operasi yang dihasilkan pada
tingkat regenerasi tertentu dengan kapasitas pertukaran yang secara teoritik yang dapat
dihasilkan pada tingkat regenerasi itu disebut efisiensi regenerasi. Efisiensi regenerasi
resin penukar kation asam kuat yang diregenerasi dengan H2 anion basa kuat yang
diregenerasi dengan NaOH antara 20-50%, oleh sebab itu pemakaian larutan regenerasi
2-5 kali lebih besar dari kebutuhan teoritik. Pada resin penukar kation asam lemah dan
resin penukar anion basa lemah efisiensi dapat mendekati harga 100%, atau dengan kata
lain kebutuhan larutan regenerasi untuk resin penukar golongan lemah lebih sedikit. Hal
tersebut dapat dijelaskan dengan dua alasan. Pertama, kekariban resin golongan lemah
dengan ion H dan ion OH lebih besar dibandingkan dengan resin golongan kuat. Kedua,
nilai koefisien selektivitas untuk regenerasi adalah kebalikan dari koefisien selektivitas
untuk pertukaran awal.
Besaran untuk menyatakan tingkat efisiensi penggunaan larutan regenerasi
adalah nisbah regenerasi (regeneration ratio) yang didefinisikan sebagai berat larutan
regenerasi dinyatakan dalam ekivalen atau gram CaCO3 dibagi dengan beban pertukaran
ion yang dinyatakan dalam satuan yang sama. Semakin rendah nisbah regenerasi,
semakin efisien penggunaan larutan regenerasi. Harga nisbah regenerasi merupakan
kebalikan harga efisiensi regenerasi. Operasi regenerasi dilakukan dengan mengalirkan
larutan regenerasi dari atas.
4.1.3.3.4 Tahap Pembilasan
Tahap pembilasan dilakukan untuk menghilangkan sisa larutan regenerasi yang
terperangkap oleh resin. Pembilasan dilakukan menggunakan air produk dengan aliran
down flow dan dilaksanakan dalam dua tingkat, yaitu :
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-18
1. tingkat laju alir rendah untuk menghilangkan larutan regenerasi, dan
2. tingkat laju alir tinggi untuk menghilangkan sisa ion.
Limbah pembilasan tingkat laju alir rendah digabungkan dengan larutan garam dan
dibuang, sedangkan limbah pembilasan tingkat laju alir tinggi disimpan dan digunakan
sebagai pelarut senyawa untuk regenerasi.
4.1.3.3.5 Penghilangan Gas (Deaerator)
Penghilangan gas dilakukan sebelum air keluaran kolom kation diolah di kolom
resin penukar anion dimaksudkan untuk mengurangi beban pertukaran pada kolom
penukar anion, yang berarti juga mengurangi penggunaan larutan regenerasi. Setelah
tahap pertukaran kation di resin penukar kation siklus hidrogen, alkalinitas bikarbonat
yang dikandung dalam air umpan akan dikonversi menjadi asam karbonat dan karbon
dioksida, seperti disajikan pada reaksi (4.26) di bawah ini :
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-
Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut : karena air keluaran resin penukar
kation bersifat asam, maka reaksi kesetimbangan di atas akan bergeser ke kiri. Air yang
diolah di kolom degasifier mengandung karbon dioksida yang ekivalen dengan
alkalinitas bikarbonat ditambah dengan jumlah karbon dioksida yang larut dalam air
tersebut.
Cara kerja kolom degasifier mengikuti teori-teori yang berlaku untuk proses
stripping (pelucutan). Kandungan CO2 dalam air dilucuti menggunakan udara yang
dihembuskan oleh blower (Gambar 4.15) atau secara vakum (Gambar 4.16). Pemakaian
kolom degasified dapat mengurangi kandungan karbon dioksida menjadi 5 mg/l.
Gambar 4.15 Penghilangan gas dengan menggunakan blower (Forced Draft Aerator)
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-19
Gambar 4.16 Deaerator secara vakum
4.2 Pengolahan Internal
Pengolahan air secara internal (internal water treatment) adalah proses
penambahan/penginjeksian suatu atau beberapa bahan kimia (chemicals) ke dalam air
yang akan digunakan untuk proses maupun pendukung proses. Pengolahan air secara
internal merupakan proses yang esensial, terlepas dari kenyataan apakah air itu diolah
atau sebelumnya. Oleh karena itu, pengolahan eksternal dalam beberapa hal tidak
diperlukan, sehingga air dapat langsung diolah dengan cara pengolahan internal saja.
Keuntungan pengolahan air secara internal adalah meniadakan kebutuhan
peralatan pengolahan eksternal yang ekstensif . Hal ini merupakan keuntungan dalam
segi ekonomi. Selain itu, kesederhanaan program pengolahan secara internal
memungkinkan penghematan dalam tenaga kerja untuk pengumpanan dan
pengendalian.
Masalah-masalah umum yang membutuhkan pengolahan internal adalah :
(1) Masalah korosi
Untuk mencegah korosi dan scale digunakan bahan-bahan anorganik seperti kromat,
seng, orthophospat maupun bahan organik seperti polimer sintetik, organic nitrogen
compounds, dan organic phosphorous compounds. Kekurangan penggunaan
poliphospat adalah jika poliphospat berubah menjadi orthophospat, yang dapat
bereaksi dengan kalsium membentuk calsium phospat scale. Untuk mencegah ini pH
sistem perlu dijaga sekitar 7,0 dan juga perlu ditambahkan polimer sintetik untuk
menstabilkan calsium poliphospat.
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 4 Pengolahan Air 4-20
(2) Masalah pembentukan kerak
Bahan-bahan kimia yang biasa digunakan untuk menghambat terjadinya deposit :
a. Threshold inhibitor
Bahan kimia jenis ini adalah poliphospat dan organophosphorous dan polimer
seperti poliacrilatea dapat digunakan untuk mengurangi pengendapan yang
ditimbulkan kalsium, besi dan mangan.
b. dispersant
Bahan kimia jenis ini adalah polielektrolit. Tujuan dari bahan kimia ini adalah
untuk mencegah pengendapan dari dari padatan yang tersuspensi.
c. Surfactants
Bahan kimia yang digunakan untuk mencegah deposit padatan dengan cara ini
adalah surface active agents. Bahan-bahan kimia jenis ini mengakibatkan padatan-
padatan tersuspensi tetap bergerak dalam air sehingga mencegah deposit. Surface
active agents yang biasa digunakan untuk mencegah terjadinya deposit akibat
mikroorganisme adalah dengan penambahan biocides. Biocide ini dapat digunakan
untuk membunuh koloni mikroba. Biocide yang sering digunakan adalah chlorine,
yang efektif bekerja pada pH 7,0. Bahan kimia lain yang sering digunakan adalah
bromide, karena bromide tetap efektif pada pH tinggi.
d. Pengubah susunan kristal
Contoh dari bahan kimia jenis ini adalah tannin, lignin, dan polimer sintetik.
Dengan penambahan bahan kimia jenis ini, deposit tetap terbentuk tapi dengan
struktur yang lemah, sehingga mudah dihancurkan.
-
Bab 5 Pengolahan Air Umpan Ketel 5-1
BAB 5
PENGOLAHAN AIR UMPAN KETEL
Kebutuhan energi dan sistem pemanasan dalam industri umumnya dipenuhi
dengan cara memanfaatkan steam yang dibangkitkan dalam suatu ketel (boiler).
Air yang berasal dari sungai, danau, dan sumur, tidak dapat langsung digunakan
untuk air umpan ketel. Air yang digunakan harus diolah terlebih dahulu, karena jika
tidak, maka masa pakai ketel akan berkurang.
5.1 Persyaratan Air Umpan Ketel
Penggunaan air umpan ketel yang tidak memenuhi persyaratan akan
menimbulkan beberapa masalah, antara lain :
i. Pembentukan kerak
ii. Terjadinya korosi
iii. Pembentukan busa
Pembentukan Kerak Ketel
Kerak pada ketel dapat terjadi karena pengendapan (precipitation) langsung dari
zat pengotor pada permukaan perpindahan panas, atau karena pengendapan zat
tersuspensi dalam air yang kemudian, melekat pada logam dan menjadi keras. Kerak
dapat mengakibatkan terjadinya pemanasan-lanjut setempat (local overheating) dan
logam ketel gagal berfungsi (failure). Macam-macam kerak yang dapat terbentuk akibat
senyawa-senyawa impurities pada air umpan ketel ditunjukkan pada Tabel 5.1.
Korosi pada Ketel
Pengertian korosi secara sederhana adalah perubahan kembali logam menjadi
bentuk bijihnya. Proses korosi sebenarnya merupakan proses elektrokimia yang rumit
dan kompleks. Korosi dapat menimbulkan kerusakan yang luas pada permukaan logam.
Penyebab utama timbulnya korosi, antara lain :
i. pH air yang rendah
ii. Gas-gas yang terlarut dalam air seperti : O2, CO2, dan lain-lain
iii. Garam-garam terlarut dan padatan tersuspensi
Kontak antara permukaan logam dan air menyebabkan terjadinya reaksi korosi sebagai
berikut :
Fe + 2 H2O Fe(OH)2 + H2 (5.1)
-
Pengolahan dan Penyediaan Air
Bab 5 Pengolahan Air Umpan Ketel 5-2
Reaksi di atas pada suatu saat akan mencapai keadaan kesetimbangan dan korosi tidak
akan berlanjut; akan tetapi adanya oksigen terlarut dan pH air yang rendah akan
mengakibatkan terganggunya kesetimbangan dan reaksi bergeser ke sebelah kanan.
Reaksi yang terjadi akibat a