SU I : K.3Dasar-dasar teknologi pemrosesan air - proses penjernihan air/water purification*

Water Purification Termonologi :

Water treatment : - pengolahan air (umum) - pengolahan limbah cair (khusus) Water purification : penghilangan kekeruhan air (clarification)Water conditioning : pengolahan/penyiapan air untuk menyesuaikan kondisinya dengan kebutuhan proses.

*

Pentingnya pengolahan air Penggunaan air baku tanpa pretreatment dapat mengakibatkan problem, seperti timbulnya endapan pada produk proses, timbulnya kerak dan korosi pada sistem pendingin dan boiler, carryover pada boiler dan pipa uap, masalah kesehatan pada pengguna air domestik, dll. Berikut adalah contoh kualitas air baku.

*

Contoh kualitas air baku Lokasi : Jakarta pH : 8.4Electrical conductivity, (S/cm) : 529 M-alkalinity, (mg CaCO3/l) : 296Total hardness, (mg CaCO3/l) : 24Ca-hardness, (mg CaCO3/l) : 5Chloride ion, (mg/l) : 5Sulfate ion, (mg/l) : Silica, (mg SiO2/l) : 13Total iron, (mg Fe/l) : *

Air baku mengandung : -solid tersuspensi -mikroorganisme -garam-garam terlarut (ion) -gas-gas terlarut. Bahan-bahan tsb menyebabkan berbagai masalah pada sistem-sistem yang menggunakan air.

*

Pada air minum, masalah disebabkan oleh : -solid tersuspensi -mikroorganisme yang berpengaruh buruk bagi kesehatan manusia -bahan-bahan kimia yang merugikan kesehatan maupun proses dalam rumah tangga.

*

Pada air pendingin, masalah disebabkan oleh kesadahan, oksigen dan organisme mikro. Kesadahan oleh senyawa terlarut seperti kalsium karbonat, dapat mengendap sebagai kerak di permukaan HE, yang menghambat aliran dan menurunkan efisiensi termal alat. Oksigen terlarut menyebabkan korosi pada logam konstruksi dan memperpendek umur alat. Organisme mikro dapat tumbuh dan membentuk slime (biofouling) pada permukaan tube HE. Adhesi slime akan menurunkan efisiensi termal HE dan kadang-kadang menyebabkan korosi underdeposit ataupun korosi mikrobial, microbiologically influenced corrosion (MIC). *

Pada air umpan boiler, masalahnya seperti pada air pendingin, yang disebabkan oleh kandungan kesadahan dan oksigen terlarut. Bahkan permasalahan pada air umpan boiler lebih parah dari masalah pada air pendingin. Karena boiler bekerja pada suhu dan tekanan yang tinggi, maka kalau sampai terjadi kebocoran, boiler akan meledak. Tabel berikut menunjukkan besaran yang harus dikontrol dalam boiler feed water, cara kontrol dan kegunaannya (akhir K. 2)

*

Table 3 Control items of boiler feedwater quality and their purposes

Control item Purpose

pH Corrosion inhibition Prevention of scaling caused by corrosion products

Total hardness Scale control on heat transfer surface Reduction of sludge formation Oils and fats Prevention of foaming and carryover in boiler Prevention of carbon scale on heat transfer surface

Dissolved oxygen Corrosion inhibition

Total iron and total copper Prevention of scaling on heat transfer surface Prevention of under deposit corrosion

Hydrazine Corrosion inhibition of feed water line, boiler and condensate line

Electrical conductivity Corrosion and scale control Maintenance of steam purity

Silica Scale prevention on heat transfer surfaceMaintenance of steam purity. *

Jenis dan tingkat masalah yang ditimbulkan oleh kualitas air tertentu bergantung pada macam penggunaan dan kondisi operasi sistem yang menggunakan air tsb. Perlu dilakukan program pengolahan air yang tepat untuk menghindari masalah tsb. Seleksi program harus dilakukan hati-hati, dengan mempertimbangkan kualitas air, penggunaan air, kondisi operasi sistem, dsb.

*

Pengolahan Air Proses Karena air proses memiliki spesifikasi yang sangat bervariasi, maka pengolahan air proses juga sangat bervariasi, bergantung spesifikasinya. Pada umumnya tidak dikehendaki air proses yang keruh.

*

Penghilangan kekeruhan (water purification) filtered waterKekeruhan disebabkan oleh suspensi solid dalam air. Solid tersuspensi tidak dapat mengendap karena ukurannya yang kecil, seukuran partikel koloid, sehingga melayang dalam air. Agar mengendap, solid tersuspensi harus dikumpulkan menjadi gumpalan/flok yang lebih besar. Penggumpalan dilakukan menggunakan senyawa koagulan dan flokulan. Penghilangan kekeruhan dilakukan melalui proses koagulasi, flokulasi dan pemisahan flok.

*

Koagulasi dan flokulasi Koagulasi dan flokulasi = cara menggumpalkan partikel halus dan koloid yang terdispersi dalam air, membentuk flok besar yang mudah dipisahkan dari air melalui proses sedimentasi/pengenapan, flotasi, filtrasi, dsb. Koagulan yang biasa digunakan : garam ferri dan garam aluminium. Flokulan yang biasa digunakan : polimer dengan BM tinggi. *

Garis Besar Koagulasi dan Flokulasi Koagulasi dan flokulasi dilakukan untuk menghilangkan suspended solid (SS) anorganik dari air. Koagulasi dan flokulasi adalah proses penggumpalan SS yang terdispers sebagai partikel halus dan/atau koloid dalam air, membentuk flok besar, menggunakan koagulan dan/atau flokulan. Untuk memisahkan flok dari air, dilakukan proses sedimentasi (klarifikasi), flotasi atau filtrasi koagulasi. Pemisahan dilakukan dalam thickeners, flotation equipments, filters, dsb.

*

Pada air selokan dan limbah yang mengandung SS organik, seperti limbah pabrik pulp & kertas dan limbah pabrik petro kimia, maka koagulasi dan flokulasi dilakukan pada saat pre- ataupun saat post-treatment dari proses lumpur aktif.

*

Partikel halus atau koloidal dalam air memiliki muatan listrik pada permukaannya, atau diliputi oleh senyawa hidrofil, sehingga mereka terdispersi karena gaya tolak di antara mereka. Koagulan menyerap atau bereaksi dengan partikel halus tsb dan menetralkan muatan listrik pada permukaan mereka. Akibatnya, gaya tolak antar mereka melemah, kestabilan dispersi partikel dalam air rusak, sehingga partikel dapat disatukan. Proses ini disebut koagulasi atau netralisasi muatan listrik.

*

Flokulan mengumpulkan partikel yang telah terkoagulasi/netral, membentuk flok yang besar. Proses ini disebut flokulasi atau bridging. Kedua bahan, koagulan dan flokulan, biasanya digunakan serentak pada pengolahan air dan pengolahan limbah. Umumnya : - sebagai koagulan digunakan senyawa anorganik, seperti garam aluminium dan garam besi - sebagai flokulan digunakan polimer organik dengan BM tinggi.

*

Pemisahan flok Setelah flok terbentuk melalui koagulasi dan flokulasi, ia dipisah dari air menggunakan alat pemisah flok berupa clarifier, alat flotasi, ataupun filter, tergantung konsentrasi dan karakteristik flok, konsentrasi target SS, dsb. Sludge yang berhasil dipisahkan sering dipekatkan memakai thickener sebelum dikenai perlakuan dewatering. Berikut adalah penjelasan alat pemisah flok (clarifier, alat flotasi, ataupun filter).

*

Clarifier

Pada sedimentasi, faktor utama yang berpengaruh terhadap kecepatan settling partikel adalah diameter partikel serta densitas dan viskositas larutan. Hubungan antara parameter-parameter tsb dinyatakan dalam persamaan-persamaan Allen, Newton, Stoke, dsb. Pada pengolahan air dan limbah biasanya digunakan pers. Stoke. Penggunaan koagulan dan flokulan menaikkan kecepatan settling melalui pembentukan flok dengan diameter besar. Penggunaan koagulan dan flokulan merupakan realisasi pemakaian upflow clarifier yang kompak dan ekonomis untuk memisahkan SS. *

Tipe khas upflow clarifier adalah tipe sludge blanket dan tipe solid-contact. Pada kedua unit, air umpan melewati lapisan flok yang telah terbentuk sebelumnya, sehingga netralisasi muatan dan pembentukan flok terjadi secara efisien. Pada upflow clarifier, biasanya koagulan dimasukkan ke dalam air umpan bersama bahan pengatur pH (pencampuran dalam premix tank), sedangkan flokulan ditambahkan ke dalam mixing zone dari clarifier (floctreator).

*

SU I : K.4 Dasar-dasar teknologi pemrosesan air (lanjutan) Proses koagulasi dan flokulasi a. Koagulasi b. Flokulasi.

Proses pemisahan flok, 24 Sedimentasi/klarifikasi FlotasiFiltrasi koagulasi.

*

Proses koagulasi dan flokulasi Karena memiliki muatan di permukaannya, partikel halus saling tolak, tidak dapat menyatu, dan terdispersi secara stabil di dalam air, sehingga tidak dapat mengenap. Untuk mengenapkannya, maka partikel halus tsb harus disatukan membentuk flok yang besar. *

Step pertama pengolahan air keruh adalah penetralan muatan partikel menggunakan bahan kimia, sehingga terbentuk micro-flocs. Langkah ini disebut koagulasi, dan bahan kimia yang digunakan untuk netralisasi disebut koagulan. Selanjutnya, micro-flocs disatukan membentuk macro-flocs melalui penambahan bahan kimia tipe lain. Step ini disebut flokulasi (bridging), dan bahan kimia yang digunakan disebut flokulan. *

Sebagai koagulan biasanya digunakan garam-garam aluminium dan besi, polimer kation dengan BM rendah, dsb. Sebagai flokulan digunakan polimer organik dengan BM tinggi. *

Koagulasi

Partikel halus tersuspensi dalam air biasanya memiliki muatan listrik negatif pada permukaannya akibat disosiasi bahan pembentuk partikel tersebut, adsorpsi hidroksida logam, dsb. Muatan negatif pada permukaan ini menarik kation ke permukaan dan menolak anion. Akibatnya, terbentuk suatu lapisan listrik dobel di sekeliling partikel.

*

Jenis dan rumus koagulan anorganik 1. Aluminum sulfate (Alum)Liquid type: Al2O3 8%Powder type: Al2O3 16% 2. Polyaluminum chloride (PAC)Liquid type: Al2O3 10 - 11%Powder type: Al2O3 30% 3. Ferric chlorideLiquid type: FeCl3 38% 4. Ferrous sulfate(FeSO47H2O) *

Koagulan Organik

Jenis dan bentuk Seperti koagulan anorganik, koagulan organik juga digunakan untuk menetralkan muatan listrik dari solid tersuspensi (suspended solid, SS). Efek koagulasi dari koagulan organik lebih besar dari koagulan anorganik karena valensi ioniknya lebih tinggi. Beberapa koagulan organik bukan hanya menetralkan muatan SS tapi juga bereaksi dengan senyawa organik anionik terlarut, seperti lignin-sulfonate, anionic-surfactant, arginic acid dan humic acid, membentuk garam-garam tak larut dalam air. *

Jenis dan rumus koagulan organik tipikal

1. Poly-dimethyl-diallylammonium chloride 2. Condensed polymer of alkylamine and epichlorohydrin 3. Polyethylene-imine 4. Condensed polymer of alkylene-dichloride and alkylene-polyamine 5. Condensed polymer of dicyandiamide and formalin.

*

Kebanyakan koagulan organik adalah polimer kationik dengan BM rendah, mulai dari ribuan sampai ratusan ribu. Grup fungsional kationil mereka pada dasarnya adalah grup amin (termasuk grup amin primer, sekunder dan tersier), serta grup amonium klorida kuarterner.

*

Koagulan organik memiliki kemampuan netralisasi yang tinggi, tetapi mereka jarang/sulit membentuk flok sendirian. Biasanya kombinasi koagulan organik dan anorganik memberikan efek koagulasi yang lebih baik. *

Penggunaan kombinasi dari koagulan organik, ZETA ACE, dengan dosis rendah, 5mg/l, dengan koagulan anorganik, sulfat, secara tajam menurunkan potensial zeta dan menurunkan turbiditas air yang diolah. Di sini, pemakaian Zeta Ace dapat menurunkan dosis sulfat liquid dari 500 mg/l menjadi 200 mg/l pada pengolahan air limbah di pabrik mobil.

*

Jika koagulan organik digunakan bersama dengan koagulan anorganik, dianjurkan melakukan jar test untuk menentukan : dosis, saat injeksi, jenis koagulan yang tepat, dsb. Biasanya, koagulan anorganik lebih dulu ditambahkan ke dalam air dari pada koagulan organik, tetapi injeksi yang sebaliknya kadang juga memberikan hasil yang lebih baik.

*

Flokulasi Pada flokulasi, digunakan flokulan untuk membuat micro flock yang telah dinetralkan muatannya oleh koagulan agar bersatu menjadi macro flock melalui reaksi bridging. Jenis dan bentuk flokulan yang biasa digunakan adalah Flokulan Polimer BM Tinggi Nonionik dan Anionik. Penggunaan flokulan polimer adalah esensial untuk menghilangkan SS secara efisien dari air dan limbah.

*

Berikut adalah jenis dan bentuk tipikal flokulan polimer nonionik dan anionik : 1. Polyacrylate : Strongly anionic2. Partially hydrolyzed polyacrylamide : Anionic Weakly anionic Nonionic 3. Partially sulfonated polyacrylamide : Weakly anionic

*

1. Polyacrylate : Strongly anionic

---[--- CH2 CH -------]--- [ l ] [ COONa ]n

*

2. Partially hydrolyzed polyacrylamide : Anionic, Weakly anionic, Nonionic ---[--- CH2CH -----]----[--- CH2 CH -----]--- [ l ] [ l ] [ COONa]n [ CONH2 ]m

*

3. Partially sulfonated polyacrylamide : Weakly anionic ---[--- CH2 CH ----------------------- ]--- [ l ] [ C = 0 ] [ l ] [ l CH2 ] [ l l ] [ N --- C --- CH2SO3Na] [ l l ] [ H CH2 ]n *

Sifat penting flokulan polimer yang mempengaruhi efek flokulasi adalah : BM sifat ionik derajat cross linking dan branching dari molekul polimer. Hubungan antara sifat-sifat flokulan polimer tsb dan efek mereka dibicarakan berikut.

*

(2) Hubungan antara sifat flokulan dan efeknya Flokulan polimer harus : mempunyai kemampuan adsorpsi yang cukup terhadap micro flock yang telah dinetralkanmemiliki volume terekspansi yang luas dari molekul mereka dalam air. Volume terekspansi yang luas adalah penting untuk membentuk loop dari polimer yang teradsorpsi pada micro flock dan untuk membuat macro flock melalui reaksi bridging. *

Perubahan pH dan jumlah metal hidroksida pada micro flock juga mempengaruhi efek flokulasi dari flokulan polimer. Untuk mengatasi masalah fluktuasi kualitas air, dilakukan excess dosing dari koagulan anorganik dan digunakan flokulan polimer nonionik.

Berikut adalah skema proses koagulasi dan flokulasi.

*

*Fine particles Poly-aluminum hydroxide Nonionic or anionic polymer (or colloids)Suspended particles Soluble substances

Charge neutralization (coagulation) Bridging (flocculation)

Skema proses koagulasi dan flokulasi

Flokulan polimer sulfonatedUmumnya, efek flokulasi dari polimer nonionik dan anionik konvensional bervariasi, bergantung perubahan pH, dosis koagulan terhadap jumlah SS, dsb. Pada pengolahan limbah, sifat limbah berfluktuasi, tapi koagulan biasanya didosiskan dengan rate tetap. Demikian pula, perubahan pH dan jumlah metal hidroksida pada micro flock mempengaruhi efek flokulasi dari flokulan polimer. Sebagai tindakan terhadap fluktuasi kualitas air, dilakukan excess dosing dari koagulan anorganik dan digunakan flokulan polimer nonionik. *

Popular water treatment chemicals Aluminum sulfate, Al2(SO4)3 = koagulanSodium chloride, NaCl = pengatur pHSodium carbonate (soda ash), Na2CO3 = pengatur pHSodium dihydrogenphosphate, NaH2PO4 = inhibitor korosi dan dipersan Sodium hydrogenphosphate, Na2HPO4 = inhibitor korosi dan dipersan Sodium phosphate, Na3PO4 = inhibitor korosi dan dipersanSodium hydroxide (caustic soda), NaOH = pengatur pH Sodium sulfite, Na2SO3 = oxygen scavenger.

*

Proses pemisahan flok (sedimentasi/klarifikasi, flotasi ataupun filtrasi koagulasi). Pada proses sedimentasi/klarifikasi, flotasi ataupun filtrasi koagulasi, flok yang telah terbentuk melalui koagulasi dan flokulasi dipisahkan dari air menggunakan peralatan pemisah flok yang dapat berupa clarifier, alat flotasi, ataupun filter, tergantung konsentrasi flok, karakteristik flok, konsentrasi target SS, dsb. Sludge yang berhasil dipisahkan sering dipekatkan memakai thickener sebelum dikenai perlakuan dewatering. Berikut adalah penjelasan alat pemisah flok.

*

Peralatan pemisah flok Di antara peralatan pemisah flok adalah : (1). Clarifier (2). Peralatan Flotasi (3). Peralatan Filtrasi Koagulasi

*

(1). Clarifier Clarifier adalah alat pemisah padatan-liquid berdasarkan pengenapan/sedimentasi padatan. Faktor utama yang berpengaruh terhadap kecepatan pengenapan (settling) partikel pada sedimentasi adalah diameter partikel, densitas dan viskositas larutan. Hubungan antara parameter-parameter tsb di nyatakan dalam persamaan-persamaan Allen, Newton, Stoke, dsb. Pada pengolahan air dan limbah biasanya digunakan pers. Stoke. Penggunaan koagulan dan flokulan menaikkan kecepatan settling melalui pembentukan flok dengan diameter besar. *

Penggunaan upflow clarifier dengan penambahan koagulan dan flokulan merupakan cara yang kompak dan ekonomis untuk memisah SS. Tipe khas upflow clarifier adalah tipe sludge blanket dan tipe solid-contact. Pada kedua unit, air umpan melewati lapisan flok yang telah terbentuk sebelumnya, sehingga netralisasi muatan dan pembentukan flok terjadi secara efisien. Pada upflow clarifier, biasanya koagulan dimasukkan ke dalam air umpan, sedangkan flokulan ditambahkan ke dalam mixing zone dari clarifier.

*

ierKe luar dari clarifier, kemungkinan air masih belum sama sekali terbebas dari suspended solid. Mungkin masih ada solid yang lolos. Oleh sebab itu dilakukan filtrasi menggunakan saringan pasir dan/atau antrasit.

*

(2) Peralatan Flotasi Pada sedimentasi, flok mengenap karena densitas flok lebih besar dari densitas air. Flok tidak dapat mengenap jika densitas flok sama atau lebih rendah dari densitas air. Jika densitas flok lebih rendah dari densitas air, maka dapat terjadi flotasi flok secara alami. Flok yang mengapung, dapat dipisahkan dari air. Jika densitas flok sama dengan densitas air, maka pemisahan melalui flotasi alami sulit terjadi. Untuk itu dilakukan flotasi paksa melalui penggabungan flok dengan gelembung udara yang lembut menggunakan alat flotasi udara terlarut (dissolved air flotation equipment, DAF). Alat DAF banyak digunakan untuk memisah oils, fats, organic flocs, etc, dari air. Cara ini juga digunakan pada ore dressing. *

Pada DAF, air baku atau air recycle dikirim ke pressurized tank, dan udara dari kompresor dilarutkan ke dalam air dalam tangki bertekanan 2-5 kg/cm2. Air bertekanan tsb kemudian dicampur dengan air baku yang sudah terflokulasi sebanyak 3-4X volume air bertekanan, dan dimasukkan ke dalam clarifier flotasi melalui kran pereduksi tekanan. Reduksi tekanan mengakibatkan terbentuknya gelembung udara yang lembut. Selanjutnya, gelembung udara bergabung dengan flok sehingga flok mengapung. *

Step proses flotasi adalah sbb :

1. Koagulan dan flokulan dimasukkan ke dalam air baku, membentuk flok besar dalam tangki flokulasi. 2. Air baku ataupun air recycle dikirim ke pressurized tank bertekanan 2-5 kg/cm2, dan udara dari kompresor dilarutkan ke dalamnya. 3. Air bertekanan kemudian dicampur dengan air baku yang sudah terflokulasi sebanyak 1/4-1/3X volume air yang sudah terflokulasi. 4. Campuran dimasukkan ke dalam clarifier flotasi melalui kran pereduksi tekanan. *

(3) Peralatan filtrasi koagulasi Koagulan ditambahkan ke dalam air baku sehingga muatan listrik dari partikel dinetralkan dan partikel membentuk micro-flocs. Selanjutnya dilakukan filtrasi, sehingga diperoleh air dengan kadar SS yang sangat rendah. Cara filtrasi ini disebut filtrasi koagulasi. Pada filtrasi koagulasi, biasanya digunakan pressure filter dengan media filter dobel, yakni pasir dan antrasit. *

*********** atau flok*****************************************