Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
52
3. AIR DAN PENGOLAHANNYA
3-1 Pendahuluan
1. Umum
Merupakan fakta yang tidak dapat dibantah bahwa air ada di planet bumi ini lama sebelum
evolusi kehidupan yang pertama kali. Air adalah zat atau materi atau unsur yang penting bagi
semua bentuk kehidupan yang diketahui sampai saat ini di bumi, tetapi tidak di planet lain.
Air menutupi hampir 71% permukaan bumi, terdapat 1,4 trilyun kilometer kubik tersedia di
bumi. Tergantung pada ukuran badan, tubuh manusia terdiri atas 55% sampai 78% air. Air
sebagian besar terdapat di laut (air asin) dan pada lapisan-lapisan es (di kutub dan puncak-
puncak gunung), akan tetapi juga dapat hadir sebagai awan, hujan, sungai, permukaan air
tawar, danau, uap air, dan lautan es. Air dalam obyek-obyek tersebut bergerak mengikuti
suatu siklus air menuju laut, yaitu: melalui penguapan, hujan, dan aliran air di atas
permukaan tanah (runoff), yang meliputi mata air, sungai, muara. Air bersih penting bagi
kehidupan manusia, di banyak tempat di dunia terjadi kekurangan persediaan air. Selain di
bumi, sejumlah besar air juga diperkirakan terdapat pada kutub utara dan selatan planet Mars,
serta pada bulan-bulan Europa dan Enceladus.
Air dapat berwujud padatan (es), cairan (air) dan gas (uap air). Gambar di bawah ini
merupakan contoh air dalam tiga wujudnya, cairan di laut, es yang mengambang, dan awan di
udara yang merupakan uap air.
Air merupakan satu-satunya zat yang secara alami terdapat di permukaan bumi dalam ketiga
wujudnya tersebut. Pengelolaan sumber daya air yang kurang baik dapat menyebabkan
kekurangan air, monopolisasi serta privatisasi air bahkan menyulut konflik. Indonesia telah
53
memiliki undang-undang yang mengatur sumber daya air sejak tahun 2004, yakni Undang
Undang nomor 7 tahun 2004 tentang Sumber Daya Air.
Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O, satu molekul air tersusun atas dua atom
hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna,
tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) dan
temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, air sering
disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia, seperti garam-
garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik.
2. Sifat fisik dan kimia
Beberapa sifat fisik dan kimia dari air diantaranya adalah sebagai berikut :
Nama sistematis air
Nama alternatif aqua, dihidrogen monoksida, hidrogen hidroksida
Rumus molekul H2O
Massa molar 18.0153 g/mol
Densitas 0.998 g/cm³ (cairan pada 20 °C) ; 0.92 g/cm³ (padatan)
Titik lebur 0 °C atau 273.15 K atau 32 °F
Titik didih 100 °C atau 373.15 K atau 212 °F
Kalor jenis 4184 J kg-1 K-1 (cairan pada 20 °C)
54
3. Sumber air
Air dapat diperoleh dari berbagai sumber, diantaranya :
a. Air hujan (rain water)
Air hujan adalah air yang berasal dari hujan, relatif lebih murni dibandingkan dengan
sumber air alam lainnya, meskipun demikian air hujan dapat terkontaminasi dengan
kotoran. Pengotoran sangat tergantung dari daerah tempat hujan turun (misal : lingkungan
industri, dll.).
b. Air permukaan (surface water)
Air permukaan adalah air yang terkumpul di permukaan tanah seperti di aliran/arus,
sungai, danau, tanah yang basah, atau laut. Air permukaan mengandung CO2 terlarut dari
udara atau hasil oksidasi senyawa organik. Air yang mengandung CO2 akan bereaksi
dengan batu-batuan mineral umpamanya batu kapur dan akan menghasilkan larutan
bikarbonat.
CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2
batu kapur Ca-bikarbonat
Garam sulfat dan khlorida dalam batu kapur juga larut. Air permukaan juga mengandung
zat-zat tersuspensi seperti silika dan tanah liat hasil reaksi, dan CO2 terlarut dengan batu
mineral, misal: alumino silikat.
K2O.Al2O3.6SiO2 + 2H2O + CO2 Al2O3.2SiO2.2H2O + K2CO3 + 4 SiO2
tanah liat
silika
c. Air tanah (ground water)
Air tanah adalah air yang berada di bawah permukaan tanah, yaitu di pori-pori tanah atau
sela batu. Air tanah bebas dari zat tersuspensi karena sudah melalui lapisan-lapisan
berpori kulit bumi, selain itu air tanah mengandung banyak garam mineral.
d. Air laut
Air laut adalah air yang berasal dari laut, banyak mengandung garam-garam seperti NaCl
dan MgCl2. Kandungan garam dalam air laut disebut salinity, pada umumnya salinity air
laut adalah sekitar 3,5% (35 gram/liter), artinya setiap kilogram air laut mengandung
sekitar 35 gram garam terlarut (ion Na+ dan Cl-). Karena mengandung garam terlarut, air
laut memiliki densitas (1,025 g/ml) yang lebih besar dari pada air murni (1,0 g/ml). Titik
beku air laut menurun bersamaan dengan meningkatnya kandungan garam, dengan kadar
garam yang normal titik beku air laut adalah – 2 oC. Mengingat bahwa sebagian besar air
55
yang menutupi bumi adalah air laut, maka sebetulnya air laut merupakan sumber air yang
berlimpah. Akan tetapi karena sifat fisik dan kimianya, air laut jarang digunakan untuk
keperluan hidup sehari-hari, karena memerlukan biaya yang cukup besar untuk proses
pemurniannya. Air laut biasanya digunakan untuk proses pendinginan, misal mesin.
4. Spesifikasi Air
Air permukaan dan air tanah paling banyak dipakai dalam industri, keperluan domestik, dan
pertanian. Spesifikasi air untuk beberapa keperluan industri dapat dilihat pada tabel di bawah
ini :
No Keperluan Spesifikasi Catatan
1 Minuman Tidak boleh basa Basa akan menetralkan asam dari buah-
buahan sehingga rasa akan berubah atau
hilang
2 Susu dan
industri yang
sejenis
a. Tidak berwarna
b. Tidak berbau
c. Tidak berasa
d. Bebas dari
organisme patogen
3 Tekstil/pakaian a. Tidak boleh air
keras/ sadah
b. Tidak keruh dan
bebas dari Fe dan
Mn
c. Bebas dari zat-zat
organik
d. Bebas dari warna
a. Air keras/sadah akan meningkatkan
penggunaan sabun/detejen, selain itu
air sadah mengendapkan zat warna
basa dan mengurangi kelarutan zat
warna asam
b. Garam Fe dan Mn menyebabkan
warna abu-abu dan kuning pada kain,
selain itu pewarkaan akan tidak rata
dan meninggalkan bercak-bercak
pada kain
c. Menghasilkan bau yang tidak enak
4 Kertas a. Tidak boleh basa
a. Pemakaian alum (koagulan) akan
menaikkan biaya produksi
56
b. Tidak boleh keruh,
berwarna,
mengandung Fe dan
Mn
c. Tidak boleh ada
SiO2
d. Tidak boleh air
sadah
b. Mempengaruhi warna kertas
c. Menyebabkan kertas pecah-pecah
d. Garam Ca dan Mg menaikkan
kandungan abu dalam kertas
5 Stasiun
pembangkit
a. Sistem
pendingin
b. Boiler/ketel
- Tidak menyebabkan
korosi
- Tidak menghasilkan
kerak
- Tidak menyebabkan
pertumbuhan jamur
- Kesadahan = 0
Jamur menyebabkan air berbau
Air sadah menyebabkan kerak yang akan
mengurangi efisiensi perpindahan panas
3-2 Analisis Air
Sebelum air diolah, terlebih dahulu harus diketahui zat-zat pengganggu apa saja yang ada dan
berapa banyak jumlahnya. Hasil analisis air biasanya dinyatakan dalam ppm (part per
million), yaitu jumlah bagian zat dalam sejuta bagian air (mg/liter). Beberapa analisis yang
umum dilakukan terhadap air adalah sebagai berikut :
a. Kesadahan
Menetapkan kadar Ca2+ dan Mg2+
b. Alkalinitas
Menetapkan kadar HCO3- (bikarbonat), CO3
2- (karbonat), dan OH- (hidroksida)
c. Keasaman
Menetapkan kadar H+
d. Lain-lain
Menetapkan kadar Na+, Fe2+, Mn2+, SiO2, NO3-, Cl-, SO4
2-, F-
57
Konsentrasi zat-zat pengganggu yang menyebabkan kesadahan, alkalinitas, dan keasaman
biasanya dinyatakan dalam jumlah ekivalen CaCO3. Dipilih CaCO3 karena CaCO3 paling
tidak larut dalam air dan berat molekulnya = 100. Dengan demikian perhitungan menjadi
mudah, karena valensinya = 2, maka berat ekivalennya = 50 (berat ekivalen = berat
atom/valensi). Untuk suatu konstituen dengan konsentrasi X mg/l, maka jumlah ekivalen
CaCO3 = 50 X / ekivalen konstituen. Sebagai contoh : suatu air mengandung 30 mg/l Ca2+,
16 mg/l Mg2+, 9,2 mg/l Na2+, 183 mg/l HCO3-, 57,5 mg/l SO4
2- dan 7 mg/l Cl-. Maka
konsentrasi masing-masing konstituen dalam berat ekivalen CaCO3 adalah sebagai berikut :
Ion Konsentrasi
(ppm = mg/l)
Berat Ekivalen
(Berat atom/valensi)
Konsentrasi
dalam ekivalen CaCO3
(mg/l)
Ca2+ (40) 30 40/2 = 20 50 x 30/20 = 75
Mg2+ (24) 16 24/2 = 12 50 x 16/12 = 62,5
Na+ (23) 9,2 23/1 = 23 50 x 9,2/23 = 20
HCO3- (61) 183 61/1 = 61 50 x 183/61 = 150
SO42- (96) 57,5 96/2 = 48 50 x 57,5/48 = 58
Cl- (35,5) 7 35,5/1 = 35,5 50 7/35,5 = 95
3-3 Kesadahan Air
Air sadah, atau biasa disebut juga air keras (hard water), adalah air dengan kandungan
mineral yang tinggi, mineral terlarut yang paling mengganggu adalah kation multivalen yaitu
kation dengan muatan lebih besar dari 1, seperti kalsium (Ca2+) dan magnesium (Mg2+). Ion-
ion ini masuk dalam air karena dalam perjalanannya, air melewati mineral yang mengandung
kalsium dan magnesium seperti batu kapur (CaCO3) dan gypsum. Di beberapa tempat
tertentu, selain Ca2+ dan Mg2+, ion-ion Fe2+, Al3+, dan Mn2+ juga berkontribusi terhadap
kesadahan air.
CaCO3 + CO2 + H2O ⇋ Ca2+ + 2HCO3-
58
Sebetulnya semua air, kecuali air yang didestilasi dengan cermat, mengandung sejumlah
mineral terlarut, karena air merupakan pelarut yang sangat baik. Akan tetapi, mineral terlarut
dengan kadar yang tinggi dapat menimbulkan masalah, karena pengendapan oksida mineral
yang dapat menyumbat pipa saluran air. Endapan ini disebut kerak dan biasanya berbentuk
kalsium karbonat (CaCO3), magnesium hidroksida (Mg(OH)2), dan kalsium sulfat
(CaSO4). Air sadah tidak berbahaya bagi manusia, World Health Organization (WHO)
menegaskan bahwa tidak ada bukti yang meyakinkan bahwa air sadah menyebabkan
gangguan kesehatan pada manusia. Meskipun demikian, direkomendasikan supaya batas
minimum dan maksimum kandungan Ca2+ dalam air minum adalah 40 – 80 ppm, sedangkan
kandungan Mg2+ adalah 20 – 30 ppm. Sebagai perbandingan, air disebut air sadah apabila
kandungan CaCO3 adalah 121 – 180 mg/l. Selain kandungan CaCO3, kesadahan air dapat
diukur melalui pH nya, yang disebut Langelier Saturation Index (LSI) dan Ryznar Stability
Index (RSI).
Dalam kehidupan sehari-hari, masalah dengan air sadah lebih dikenal bukan karena skala
pembentukannya akan tetapi karena air sadah sulit bereaksi dengan sabun. Air sadah
menyebabkan sabun sukar larut sehingga tidak berbusa, kondisi ini menyebabkan orang
cenderung menggunakan sabun lebih banyak. Dengan sabun, kehadiran garam-garam
bikarbonat, khlorida, dan sulfat dari ion-ion Ca2+ dan Mg2+ dalam air sadah akan membentuk
padatan (soap scum) yang cukup tebal. Kandungan utama dari endapan ini adalah kalsium
stearat, yang merupakan komponen utama dari sabun. Sabun tidak akan berbusa sebelum
semua ion M2+ diendapkan. Dengan demikian maka kesadahan air dapat didefinisikan
sebagai kapasitas air dalam mengkonsumsi sabun.
2 C17H35COONa + M2+ (C17H35COO)2M + 2 Na+
sabun (Ca/Mg) padatan
Ada 2 jenis kesadahan, yaitu :
a. Kesadahan sementara (temporary hardness)
Disebabkan oleh bikarbonat dari Ca2+ dan Mg2+, disebut carbonate hardness (CH), dapat
dihilangkan dengan dididihkan
Ca (HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2
Mg (HCO3)2 Mg(OH)2 + 2 CO2
59
b. Kesadahan tetap (permanent hardness)
Disebabkan oleh sulfat dan khlorida dari Ca2+ dan Mg2+, disebut non-carbonate hardness
(NCH), tidak dapat dihilangkan dengan pendidihan
Kesadahan air biasanya diukur terhadap total dari kesadahan sementara dan kesadahan tetap,
disebut kesadahan total (total hardness/TH), TH = CH + NCH, dengan satuan ppm (mg
CaCO3 dalam l liter
air).
3-4 Alkalinitas Air
Alkalinitas air adalah kemampuan dari larutan untuk menetralkan asam sampai pada titik
ekivalen dari karbonat (CO32-) atau bikarbonat (HCO3
-). Atau dengan kata lain, alkalinitas
adalah kemampuan menyangga (buffering) larutan asam. Alkalinitas sebanding dengan
jumlah stoikiometri basa dalam larutan. Total alkalinitas didominasi oleh karbonat alkalinitas
yang disebabkan oleh batu kapur dan adanya CO2 di atmosfer. Komponen alamiah lainnya
yang berkontribusi pada alkalinitas adalah borat, hidroksida, fosfat, silikat nitrat, amonia, dan
konjugat basa dari beberapa asam organik dan sulfida. Alkalinitas tidak sama dengan
kebasaan, sebagai contoh, pH suatu larutan dapat diturunkan dengan penambahan CO2,
dengan demikian maka kebasaan larutan tersebut akan turun, akan tetapi alkalinitasnya tetap.
Air dengan alkalinitas yang tinggi akan terasa seperti soda dan dapat menyebabkan
kekeringan/iritasi pada kulit karena alkalinitas cenderung menghilangkan lapisan minyak
pada kulit, air dengan alkalinitas tinggi disebut air sadah.
Alkalinitas dinyatakan dengan kandungan CaCO3 dalam air dalam ppm, air minum
mempunyai kandungan CaCO3 sebesar 20 – 200 ppm (mg per liter air). Alkalinitas dapat
diukur melalui titrasi dengan asam kuat (H+) sampai seluruh kapasitas buffer dari basa habis
terpakai. Volume dari asam yang diperlukan untuk mencapai nilai pH tertentu mencerminkan
alkalinitas. Tercapainya pH pada titik akhir ditandai dengan perubahan warna larutan, untuk
mengamati perubahan warna ini digunakan indikator. Pemilihan indikator tergantung pada
daerah transisi pH titik akhir :
60
a. Untuk titrasi karbonat (CO32-) dapat digunakan indikator phenolphthalein yang bekerja
pada pH=8,3. Warna berubah dari merah jambu menjadi tidak berwarna.
CO32- + H+
HCO3-
b. Untuk titrasi bikarbonat (HCO3-) dapat digunakan indikator metil oranye yang bekerja
pada pH = 4,5. Warna berubah dari kuning menjadi merah jambu.
HCO3- + H+
H2O + CO2
Pada pH titik akhir, semua basa telah diambil H+ (disebut protonasi). Mengingat bahwa di
dalam air terdapat beberapa ion penyebab alkalinitas, maka ukuran alkalinitas merupakan
total dari alkalinitas masing-masing ion. Untuk ion dengan valensi lebih dari satu, maka
dalam menghitung alkalinitas total, alkalinitas ion tersebut dikalikan dengan faktor valensi.
Sebagai contoh, untuk air yang mengandung ion bikarbonat (HCO3-), ion karbonat (CO3
2-),
hidroksida (OH-), fosfat (PO43-), dan bifosfat (HPO4
2-), maka berdasarkan reaksi :
HCO3− + H+ → CO2 + H2O
CO3−2 + 2H+ → CO2 + H2O
OH− + H+ → H2O
PO4−3 + 2H+ → H2PO4
−
HPO4−2 + H+ → H2PO4
−
Alkalinitas totalnya (AT) adalah :
AT = [HCO3−]T + 2 [CO3
−2]T + [OH−]T + 2 [PO4−3]T + [HPO4
−2]
3-5 Keasaman Air
Dalam ilmu kimia, pH digunakan sebagai ukuran keasaman atau kebasaan suatu larutan. Air
murni disebut netral dengan pH = 7 pada 25oC. Larutan dengan pH kurang dari 7 disebut
asam, dan larutan dengan pH lebih besar dari 7 disebut basa. Beberapa contoh harga pH dapat
dilihat pada gambar di bawah ini :
61
Darah manusia mempunyai pH antara 7,34 – 7,45, perubahan pH tubuh berakibat pada sakit.
Asidosis adalah kelainan kesetimbangan asam basa dalam tubuh, dimana terdapat asam yang
berlebih dalam tubuh sehingga pH darah turun. Beberapa gejala asidosis sebagai akibat dari
turunnya pH darah dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
62
Keasaman pada air dapat menyebabkan korosi, dengan demikian diperlukan soda dan kapur
lebih banyak untuk pengolahan air. Ada 2 jenis keasaman, yaitu :
a. Keasaman CO2, disebabkan oleh CO2 terlarut dalam air.
b. Keasaman mineral, disebabkan oleh asam mineral yang dapat berasal dari limbah industri
terutama dari hidrolisa garam Fe dan Al.
3-6 Pengolahan Air
Pengolahan air adalah proses untuk membuat air menjadi lebih bermanfaat untuk keperluan-
keperluan tertentu, misal untuk minum, keperluan industri, keperluan medis, dll. Tujuan dari
proses pengolahan air adalah menghilangkan atau mengurangi kontaminan yang ada
dalam air, supaya air dapat digunakan untuk keperluan tertentu. Dalam hal ini pengolahan air
termasuk juga pembersihan air buangan supaya aman untuk dibuang ke lingkungan. Untuk
air minum, pemurnian air biasanya untuk menghilangkan padatan, bakteri, jamur, virus,
ganggang, dan mineral (besi, mangan, sulfur). WHO telah menerbitkan panduan tentang
persyaratan yang harus dipenuhi untuk air minum, diantaranya :
a. Jernih, tidak berwarna, dan tidak berbau
b. Bebas dari organisme patogen
c. Tidak mengandung senyawa kimia yang membahayakan manusia atau merusak mesin
d. Tidak terlalu keras atau lunak (kesadahan = ± 80 mg/l)
Tahap pengolahan air minum secara umum dimulai dengan pemisahan padatan dengan
menggunakan proses fisik (penyaringan), dilanjutkan dengan proses kimia seperti
desinfektan dan koagulasi. Untuk keperluan tertentu dilakukan juga proses biologi. Tahapan
proses pemurnian air untuk air minum yang sudah umum dapat dilihat pada tabel di bawah
ini.
63
Pra-khlorinasi Mengontrol ganggang dan menghentikan pertumbuhan biologi
Aerasi Menghilangkan besi (Fe) dan mangan (Mn) terlarut
Koagulasi Flokulasi (pembentukan floc)
Koagulasi asam Memperbaiki flokulasi sehingga floc yang dihasilkan lebih tebal
Sedimentasi Pemisahan padatan, yaitu menghilangkan endapan tersuspensi yang
terperangkap dalam floc
Filtrasi Menghilangkan partikel pengganggu
Desalinasi Menghilangkan garam
Desinfeksinasi Membunuh bakteri (giardia lamblia, coliform, dll), untuk mencegah
penyebaran penyakit. Standar untuk bakteri coliform dalam air minum
adalah lebih kecil dari 1 koloni coliform per 100 ml air (< 1/100 ml)
Desinfeksi sering dilakukan dengan khlorinasi, pada sistem yang ideal
konsentrasi khlorin (Cl2) bebas dalam air adalah 0,3 – 0,5 mg/l.
Tidak ada proses pengolahan air yang unik untuk semua air, selain itu juga sulit untuk
membuat standar pengolahan air karena sumber air yang berbeda-beda. Air dari setiap
sumber air harus diolah secara tersendiri untuk keperluan tertentu. Tergantung pada sumber
air dan untuk keperluan apa, pemurnian air dapat dilakukan dengan memilih tahapan-tahapan
tersebut di atas. Bagan di bawah ini adalah salah satu contoh proses pemurnian air :
64
1) Air (sungai, danau)
Dialirkan/dipompa
Reservoir
+ n-C16H33OH (mencegah penguapan)
terbentuk monolayer dengan gugus OH yang mempunyai sifat
hidrofil
+ CuSO4 (mencegah jamur tumbuh)
2) Penghilangan zat tersuspensi
● Koagulasi (pemilihan koagulan tergantung pada pH air), penambahan
tawas pada air merubah sifat air menjadi basa, carbonate hardness
(CH) menjadi non carbonate hardness (NCH)
Al2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2
CH NCH
* pH 7 – 9 dapat digunakan tawas, Al2(SO4)3, 5 – 50 mg/l
* pH 6 – 10 digunakan Fe2(SO4)3, jumlah tergantung tes awal
● Disaring (pasir, kerikil)
3) Pemberian disinfektan
● Cl2, Br2, ClO2, O3, sinar UV, radiasi, dll.
● Pemberian desinfektan dapat dilakukan sebelum atau sesudah
penyaringan
● Konsentrasi antara 0,1 – 0,2 ppm
● Cl2 dengan air membentuk HCl dan HOCl, HOCl ikut aktif membunuh
kuman.
● Kalau air mengandung NH3 terbentuk:
NH3 + HOCl H2O + NH2Cl pH = 8
NH2Cl + HOCl H2O + NHCl2 pH = 5
NHCl2 + HOCl H2O + NCl3 pH = 4
berfungsi membunuh bakteri
● Kalau air mengandung fenol, terbentuk khlorofenol (bau air tidak
enak)
● ClO2 mempunyai efektivitas sama dengan Cl2, sesuai untuk pH tinggi,
dengan fenol tidak membentuk khlorofenol, tetapi relatif mahal dan
agak tidak stabil
● Ozon (O3), lebih mahal dari Cl2, hanya larut sebagian dalam air, tidak
memberi rasa pada air
4) Disimpan/distribusi
65
3-7 Pelunakan Air
Pelunakan air (water softening) adalah proses pengurangan atau penghilangan ion-ion Ca2+
dan Mg2+ dalam air sadah. Beberapa metoda pelunakan air yang sering digunakan adalah :
resin penukar ion, chelating, dan lime softening.
1. Resin penukar ion
Resin penukar ion adalah polimer organik yang mampu melakukan pertukaran ion
antara ion dalam polimer dengan ion dalam larutan yang dilewatkan resin. Pada
pemurnian air, tujuan penggunaan resin penukar ion adalah untuk melunakkan air
dengan menghilangkan ion Ca2+ dan Mg2+ yang terdapat dalam air sadah. Air dilunakkan
dengan menggunakan resin yang mengandung kation Na+ yang akan mengikat ion Ca2+
dan Mg2+ dengan lebih kuat dibandingkan dengan mengikat ion Na+. Ketika air
dilewatkan resin, resin akan mengikat Ca2+ dan Mg2+ dan melepaskan Na+ yang
menyebabkan air menjadi lunak, karena ion Na+ tidak menyebabkan kesadahan. Resin
yang digunakan untuk menukar anion disebut resin penukar anion, sedangkan resin yang
digunakan untuk menukar kation disebut resin penukar kation.
Larutan mengandung Ca2+ dan Mg2+
Penukar ion/resin
Na Zeolite
Reaksi penukaran:
(HCO3)2 (HCO3)
M SO4 + Na2Z MZ + Na2 SO4
Cl2 Cl2
M = Ca/Mg
Tentu saja lama kelamaan kapasitas resin akan semakin berkurang dan habis, oleh karena
itu resin harus di-regenasi dengan mengalirkan larutan NaCl atau KCl kedalam resin.
MZ + 2 NaCl MCl2 + Na2Z
dicuci untuk menghilangkan M
66
Dengan penukaran ion kesadahan air dapat ditekan sampai 1-2 ppm. Air minum tidak
boleh terlalu lunak sebab akan menyebabkan Pb pada pipa air terlarut.
2Pb + 2H2O + O 2 Pb(OH)2
2. Chelation
Chelate adalah senyawa kimia yang tersusun atas ion logam dan chelating agent.
Chelating agent adalah senyawa dimana molekulnya dapat membentuk beberapa ikatan
ke ion logam tunggal. Dengan kata lain, chelating agent adalah ligan multidentat.
Chelation berasal dari kata Yunani yang berarti cakar (claw). Chelation adalah
pembentukan 2 atau lebih ikatan terpisah antara ligan multidentat (ikatan ganda) dengan
atom pusat tunggal. Biasanya ligan adalah senyawa organik yang disebut
chelant/chelator/chelating agent. Ligan terletak disekitar atom pusat seperti cakar pada
lobster. Hasil dari proses chelating adalah chelant yaitu molekul kompleks dengan ion
logam tertentu yang apabila bereaksi akan membentuk endapan. Contoh chelating agent
yang sederhana adalah ethylenediamine.
Molekul ethylenediamine tunggal dapat membentuk 2 ikatan dengan ion logam transisi
seperti Ni2+. Ikatan terbentuk antara ion logam dengan atom-atom nitrogen dari
ethylenediamine.
EDTA adalah chelating agent yang sering digunakan dalam sabun dan deterjen, karena
membentuk senyawa kompleks dengan ion kalsium dan magnesium. EDTA mengikat ion-
ion Ca2+ dan Mg2+, sehingga tidak menyebabkan kesadahan pada air. Pada kompleks
kalsium, [Ca(EDTA)]2–, EDTA adalah ligan tetradenta dan chelation melibatkan 2 atom
nitrogen dan 2 atom oksigen pada gugus karboksil (-COO–) yang terpisah.
ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA)
67
3. Lime softening
Lime softening atau Clark Process merupakan salah satu metoda pelunakan air dengan
cara mengendapkan ion-ion Ca2+ dan Mg2+ pada air sadah menjadi garam-garam yang
tidak larut dalam air. Lime softening melibatkan serangkaian reaksi kimia yang kompleks.
Tujuan dari reaksi kimia ini adalah merubah Ca2+ dan Mg2+ menjadi endapan kalsium
karbonat (CaCO3) dan magnesium hidroksida (Mg(OH)2). Pengendapan akan terjadi
kalau pH air dinaikkan, senyawa kalsium akan mengendap pada pH 9 – 9,5, sedangkan
senyawa magnesium memerlukan pH 10 – 10,5. Pengendapan dilakukan dengan
menambahkan zat pelunak seperti kapur (lime) dalam bentuk Ca(OH)2 atau CaO, pada
air sadah. Pada saat zat pelunak ditambahkan pada air, pH air akan naik dan
kesetimbangan spesies karbonat dalam air akan bergeser. CO2 terlarut akan berubah
menjadi bikarbonat (HCO3-1) dan kemudian menjadi karbonat (CO3
-2). Reaksi ini
menyebabkan kalsium karbonat (CaCO3) mengendap karena melebihi hasil kali kelarutan.
Sedangkan ion Mg2+ akan mengendap sebagai magnesium hidroksida (Mg(OH)2).
CO2 + CaO Ca(HCO3)2 CaCO3
CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O
Senyawa magnesium mengalami reaksi yang agak berbeda, mula-mula magnesium
bikarbonat (Mg(HCO3)2 akan bereaksi dengan lime dan menghasilkan kalsium karbonat
(CaCO3). Kemudian magnesium karbonat bereaksi lebih lanjut dengan lime dan
membentuk kalsium karbonat dan magnesium hidroksida (Mg(OH)2). Kedua senyawa ini
mengendap dalam air.
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 CaCO3 + MgCO3 + 2 H2O
MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + Mg(OH)2
Kadang-kadang selain kesadahan karbonat, kesadahan non karbonat juga perlu
dihilangkan, dalam hal ini dapat digunakan soda ash (Na2CO3), atau caustic soda
(NaOH). Na2SO4 tidak menyebabkan kesadahan air, maka tidak perlu dihilangkan.
MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaSO4
CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4
Lime softening menghasilkan endapan dalam bentuk sludge (lumpur) dalam jumlah
banyak, untuk setiap pound lime akan dihasilkan 2 pound sludge.
68
3-8 Air Untuk Keperluan Pendinginan
1. Air Boiler (Ketel)
Boiler (ketel) adalah bejana tertutup dimana air dibawah tekanan dirubah menjadi uap dengan
memanaskannya. Karena fungsi dari ketel adalah menghasilkan panas melalui uap air, maka
ketel harus dirancang untuk menyerap panas secara maksimum. Di pabrik, ketel memegang
peranan penting, oleh karena itu pemeliharaan ketel menjadi hal yang perlu diperhatikan. Air
yang digunakan untuk ketel tidak boleh menyebabkan kerak/endapan, karena akan
menyumbat pipa dan menghambat perpindahan panas, sehingga diperlukan lebih banyak
bahan bakar. Supaya titik didih air dapat dicapai lebih rendah dari pada titik didih normal,
maka pemanasan air dalam ketel dilakukan dibawah tekanan tinggi. Apabila panas dari bahan
bakar yang diterima ketel tidak segera disalurkan kedalam air maka akan terjadi overheating
pada ketel yang dapat menyebabkan korosi pada logam ketel.
Zat-zat yang tidak diinginkan untuk air ketel adalah :
a. CaCO3, CaSO4, Mg(OH)2, SiO2 (Silika)
Senyawa-senyawa tersebut akan membentuk kerak. Menghilangkan kerak dapat
dilakukan dengan asam (untuk kerak karbonat dan fosfat), Na-heksa metafosfat, atau
campuran EDTA dan garam tetra Na-EDT. Untuk ketel yang beroperasi pada tekanan
rendah (1,76 x 104 kg m-2), sedikit silika tidak menimbulkan masalah, akan tetapi pada
tekanan sedang (56,24 x 104 kgm-2) dan tinggi (> 56,24 x 104 kg m-2), silika akan
membentuk kerak (K-silikat, Na/Al silikat dll).
b. Minyak
Minyak membentuk lapisan penghambat panas pada bahan ketel, selain itu, minyak dapat
terhidrolisa menjadi asam lunak yang dapat menyebabkan korosi.
c. Gas-gas terlarut
Gas O2, H2S, dan SO2 menyebabkan korosi dan menyerang bahan ketel
Supaya ketel dapat beroperasi dengan baik, maka harus dilakukan pemeliharaan dengan
seksama. Pemeliharaan ketel terdiri atas 2 tahap, yaitu external treatment dan internal
treatment. External treatment dilakukan dengan menghilangkan kontaminan dalam air yang
akan digunakan (pelunakan air), melalui klarifikasi, filtrasi, pelunakan, dealkalisasi,
demineralisasi, deaerasi, dan pemanasan. Sedangkan internal treatment dilakukan dengan
penambahan zat kimia kedalam air. Deaerasi pada air ketel ditujukan untuk menghilangkan
69
oksigen, karbon dioksida, dan gas-gas yang tidak terkondensasi lainnya sebagai penyebab
korosi, mengurangi kelarutan dari gas-gas yang tidak diinginkan, dan memanaskan air pada
temperatur tertinggi sesuai persyaratan yang ditetapkan. Menghilangkan Silika (SiO2) dapat
dilakukan dengan MgO2 atau ditambah Fe2(SO4)3 dan NaOH. SiO2 diubah menjadi SiF63-
dengan HF dan dihilangkan dengan penukaran ion.
2. Air Pendingin
Bagian terbesar dari air dalam industri digunakan sebagai air pendingin. Syarat-syarat air
pendingin adalah:
a. Tidak menyebabkan terbentuknya kerak
b. Tidak menyenbabkan terbentuknya karat
c. Harus stabil (tidak melarutkan CaCO3 supaya pipa tidak diserang korosi dan tidak
mengendapkan CaCO3 supaya pipa tidak tersumbat)
3-9 Desalinasi
Desalinasi adalah proses untuk menghilangkan garam dan mineral berlebih dari air untuk
memperoleh air yang dapat dikonsumsi oleh makhluk hidup. Biasanya desalinasi dilakukan
terhadap air laut, proses desalinasi pada umumnya memerlukan biaya yang besar. Beberapa
metoda desalinasi adalah :
a. Penguapan (destilasi)
Destilasi dilakukan dengan memanaskan air, uap air yang terbentuk dialirkan melalui
kondensator untuk mengembunkan kembali uap air. Pemanasan dalam jumlah besar
biasanya dilakukan dengan matahari, dalam hal air laut akan diperoleh hasil samping
yaitu garam untuk memasak. Untuk menghemat energi, pemanasan air dilakukan dibawah
tekanan tinggi (disebut vacuum destilation) sehingga air akan menguap pada temperatur
yang lebih rendah dari temperatur normal.
b. Pembekuan
Metoda ini menggunakan prinsip sifat koligatif larutan, yaitu bahwa zat terlarut akan
menurunkan titik beku larutan. Dengan demikian, maka pada 0oC, air akan membeku
sedangkan zat terlarut tidak.
70
c. Ekstraksi
Ekstraksi adalah proses pemisahan senyawa dari suatu matriks. Pada ekstraksi digunakan
2 fasa yang tidak saling larut, untuk memindahkan zat terlarut pada suatu fasa ke fasa
lainnya. Distribusi zat terlarut diantara 2 fasa adalah keadaan setimbang. Sebagai contoh,
daun teh yang didihkan dalam air akan mengekstrak (memindahkan) tanin, teobromin,
dan kafein dari daun teh ke air.
d. Reversed osmosis (osmosis terbalik)
Pada kehidupan modern seperti saat ini, proses desalinasi difokuskan pada pengembangan
cara yang efektif untuk menyediakan air bersih untuk digunakan di wilayah yang
memiliki keterbatasan air. Desalinasi pada skala besar biasanya menggunakan sejumlah
besar energi dan infrastruktur spesialis, sehingga sangat mahal dibandingkan dengan
penggunaan air tawar dari sungai atau air tanah. Metoda osmosis terbalik ini
menggunakan prinsip sifat koligatif larutan yaitu tekanan osmosis, hanya saja prosesnya
dibalik. Tekanan osmosis adalah tekanan yang diperlukan untuk menghentikan aliran
osmosis. Aliran osmosis adalah perpindahan pelarut dari larutan dengan konsentrasi zat
terlarut rendah ke ke larutan dengan konsentrasi zat terlarut tinggi, melalui membran
semipermeable. Membran semipermeabel adalah membran yang hanya dapat dilewati
oleh pelarut, zat terlarut tidak dapat menembus membran. Apabila diatas larutan diberi
tekanan maka aliran osmosis akan terhambat, dan apabila tekanan diperbesar maka pada
suatu saat tekanan ini akan menghentikan aliran osmosis, inilah yang disebut sebagai
tekanan osmosis. Kalau tekanan osmosis ini kemudian diperbesar lagi, maka aliran
osmosis akan terbalik, alirannya menjadi dari larutan dengan konsentrasi zat terlarut
tinggi ke ke larutan dengan konsentrasi zat terlarut rendah. Karena membran
semipermeabel hanya dapat dilewati oleh pelarut, maka zat terlarut akan tinggal di
kolomnya dan akan diperoleh pelarut murni yaitu air. Proses ini disebut reversed osmosis
71
(osmosis terbalik), dan sangat potensial untuk digunakan sebagai proses pemurnian air
laut untuk mendapatkan air murni. Dibandingkan dengan metoda yang lain, osmosis
terbalik relatif memerlukan biaya yang lebih murah.
Membran permeable
Air murniPompa tekanan tinggi
Air garam
Larutan pekat
garam
Kilang desalinasi air terbesar dengan menggunakan metoda osmosis terbalik ada di Jebel
Ali di Uni Emirat Arab. Kilang ini mampu menghasilkan 300 juta m3 air per tahun,
sebagai perbandingan, kilang desalinasi air di Tampa Bay, Florida, USA, menghasilkan
34,7 juta m3 air per tahun. Di bawah ini adalah gambar kilang desalinasi osmosis terbalik
di Barcelona, Spanyol.
e. Elektrodialisis
Elektrodialisis adalah proses dimana ion garam dipindahkan dari satu larutan melalui
membran penukar ion ke larutan lain di bawah pengaruh perbedaan potensial listrik.
Proses ini dilakukan dalam suatu konfigurasi yang disebut sel elektrodialisis. Sel terdiri
atas feed compartment dan concentrate (brine) compartment yang dibentuk dari membran
penukar anion dan membran penukar kation yang diletakkan diantara 2 elektroda. Sel
72
elektrodialisis bertingkat disusun dalam konfigurasi yang disebut rak elektrodialisis,
dengan penempatan membran penukar anion dan kation secara selang seling.
Pada rak elektrodialisis, D stream, C stream, dan E stream diijinkan mengalir melalui
kompartmen sel yang dibentuk oleh membran penukar ion. Dengan pengaruh dari
perbedaan potensial listrik, ion bermuatan negatif (misal : Cl-) di D stream bermigrasi ke
anoda yang bermuatan positif. Ion-ion ini melewati membran penukar anion yang
bermuatan positif, akan tetapi dicegah untuk bermigrasi lebih lanjut ke anoda oleh
membran penukar kation yang bermuatan negatif, dan tetap tinggal di C stream. Spesies
dengan muatan positif (misal : Na+) di D stream bermigrasi ke katoda yang bermuatan
negatif . Ion-ion ini melewati membran penukar kation yang bermuatan negatif dan juga
tetap tinggal di C stream dan dicegah untuk bermigrasi lebih lanjut ke katoda oleh
membran penukar anion yang bermuatan positif. Sebagai hasil dari migrasi anion dan
kation, arus listrik mengalir diantara katoda dan anoda. Hanya ekivelen muatan anion dan
kation yang sama yang dipindahkan dari D stream ke C stream, dengan demikian
kesetimbangan muatan terjaga di masing-masing stream. Hasil secara keseluruhan dari
proses elektrodialisis adalah peningkatan konsentrasi ion di C stream dan penipisan ion di
D stream. Reaksi yang terjadi pada masing-masing elektroda adalah sebagai berikut :
73
Katoda : 2e- + 2 H2O → H2 (g) + 2 OH-
Anoda : H2O → 2 H+ + ½ O2 (g) + 2e- atau 2 Cl- → Cl2 (g) + 2e-