PENGOLAHAN dan PENYEDIAAN AIR

Transkripsi

1 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

2 DAFTAR ISI Daftar Isi Daftar Gambar Daftar Tabel i iii iv BAB 1 PENDAHULUAN Sumber-Sumber Air Penggunaan Air di Industri Klasifikasi Pengolahan Air Pengolahan Eksternal Pengolahan Internal 1-4 BAB 2 KIMIA AIR Pengantar Satuan-satuan Konsentrasi Reaksi Hidrolisa Beberapa Sifat Kation Logam dan Garamnya Kesetimbangan Analisa Air Contoh Perhitungan Analisis Air dan Interpretasinya 2-12 BAB 3 ZAT PENGOTOR (IMPURITIES) DALAM AIR Padatan Tersuspensi dalam Air Padatan Terlarut Kesadahan Alkalinitas (Alkalinity) Gas Terlarut 3-7 BAB 4 PENGOLAHAN AIR Pengolahan Eksternal Proses Pendahuluan Sedimentasi Klarifikasi Aerasi 4-6 Pengolahan dan Penyediaan Air - i -

3 4.1.2 Filtrasi Pertukaran Ion Prinsip-prinsip Pertukaran Ion Jenis-jenis Resin Penukar Ion Resin Penukar Kation Asam Kuat Resin Penukar Kation Asam Lemah Resin Penukar Anion Basa Kuat Resin Penukar Anion Basa Lemah Operasi Sistem Pertukaran Ion Tahap Layanan Tahap Pencucian Balik Tahap Regenerasi Tahap Pembilasan Penghilangan Gas (Deaerator) Pengolahan Internal 4-19 BAB 5 PENGOLAHAN AIR UMPAN KETEL Persyaratan Air Umpan Ketel Pengolahan Air Umpan Ketel Secara Umum Pengolahan Air Umpan Ketel dengan Penambahan 4 Bahan-bahan Kimia Perlakuan Terhadap Kondensat (Condensate Treatment) 5-6 BAB 6 PENGOLAHAN AIR PENDINGIN Persyaratan Air Pendingin Sistem Air Pendingin dengan Resirkulasi Terbuka Pengendalian Pembentukan Kerak Pengendalian Korosi Pengendalian Pembentukan Fouling dan Penghilangan Padatan Tersuspensi Sistem Air Pendingin dengan Resirkulasi Tertutup dan Sistem Air Pendingin Sekali-Lewat 6-6 PUSTAKA Pengolahan dan Penyediaan Air - ii -

4 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 - iii -

5 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 Pengolahan dan Penyediaan Air - iv -

6 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 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 Bab 1 Pendahuluan 1-1

7 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 Bab1- Pendahuluan 1-2

8 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 SiO 2 Iron as Fe Manganese as Mn Calsium as Ca Magnesium as Mg Sodium (Na) + Potassium (K) Carbonate as CO 3 Bicarbonate as HCO 3 Sulfate as SO 4 Chloride as Cl Fluoride as F Nitrate as NO 3 Dissolved solids Total hardness as CaCO 3 Non carbonate hardness as CaCO 3 Color Turbidity ph (in ph units) Clear Tan 0 to Trace Clear to 8.4 Perkiraan yang pernah dibuat menunjukkan bahwa untuk centimeter persegi (cm 2 ) 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 Bab1- Pendahuluan 1-3

9 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 : 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 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. Bahanbahan kimia tersebut, akan bereaksi dengan impurities sehingga tidak menimbulkan Bab1- Pendahuluan 1-4

10 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. Bab1- Pendahuluan 1-5

11 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 H 2 (2.1) Penambahan satu atom oksigen pada satu molekul gas hidrogen tersebut menghasilkan molekul air. H 2 + O H 2 O (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 H 2 O 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. Bab 2 Kimia Air 2-1

12 1. Kation : Natrium Kalium Kalsium Magnesium Besi Mangan Barium Stronsium Aluminium 2. Anion : Klorida Sulfida Karbonat Bikarbonat Hidroksida 3. Gas-gas : Oksigen Hidrogen Sulfida Karbondioksida Tabel 2.1 Zat-zat terlarut dalam air Simbol kimia Na + K + Ca 2+ Mg 2+ Fe 2+ Mn 2+ Ba 2+ Sr 2+ Al 3+ Cl - 2- SO 4 2- CO 3 - HCO 3 OH - O 2 H 2 S CO 2 Berat atom 23,0 39,1 40,1 24,3 55,8 54,9 137,4 87,6 27,0 35,5 96,0 60,0 61,0 17,0 Berat Ekivalen 23,0 39,1 20,0 12,2 27,9 27,5 68,7 43,8 9,0 35,5 48,0 30,0 61,0 17,0 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 20 C (64 F). Jika larutan jenuh tersebut didinginkan atau dipekatkan dengan cara evaporasi, ion Na dan Cl akan bergabung kembali dan terlihat terbentuk Bab 2 Kimia Air 2-2

13 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 ppm = mg/l air spgr 2. Milliequivalents meq/l mg / l per million berat equivalen 4. Equivalents e.p.m. ppm per million berat equivalen 5. Grains per gallon gpg mg/l x 17,1 6. Calcium Carbonat mg/l as Equivalent CaCO 3 (dari beberapa ion) mg / l ion dari 50 x analisa air berat equivalent ion dari Tabel Persen Berat % wt g/100 milliliters (ml) mg / l or (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 H 2 S 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 Bab 2 Kimia Air 2-3

14 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 Ca 2+ sama dengan 1000/20 atau 50 meq/1 Ca mg/1 SO 2-4 sama dengan 1000/48 atau 20,8 meq/1 S 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 Ca 2+ dan 1000 mg/l SO 2-4 dan ingin diketahui berapa CaSO4 di air tersebut. Dari contoh 2.1 diketahui bahwa meq/l masing-masing adalah 50 untuk Ca 2+ dan 20,8 untuk SO 2-4, walaupun konsentrasi keduanya sama jika dinyatakan dengan mg/l tapi konsentrasi (meq/1) Ca 2+ lebih besar dari konsentrasi SO 2-4, sehingga CaSO 4 yang akan dibentuk terbatas dan tidak bisa lebih besar dari meq/l SO 2-4, berarti CaSO 4 yang terbentuk mempunyai konsentrasi 20,8 meq/l. Untuk mengubah 20,8 meq/1 CaSO 4 ke satuan mg/l atau ppm, berat ekivalen CaSO 4 harus diketahui. Secara mudah dapat ditentukan dengan melihat pada Tabel 2. 1 untuk berat ekivalen Ca 2+ dan SO 2-4, maka berat ekivalen CaSO 4 sama dengan (berat ekivalen Ca 2+ ) + (berat ekivalen SO 2-4 ) = = 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 CaSO 4 ) = 1414 mg/1 CaSO 4 Sebuah senyawa dapat dibentuk dengan kombinasi ekivalen atau satu banding satu dari unsur-unsur atau radikal-radikal pembentuknya. Bab 2 Kimia Air 2-4

15 Contoh soal 2.3: Berapa gram kalsium (Ca) yang dibutuhkan agar dapat berkombinasi dengan 90 gram karbonat (CO 2-3 ) 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 : [ (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 CO 2-3 = 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 CaCO 3 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 : (gr / l)a x (gr / eq)b (gr / eq)a = (gr / l)a dinyatakan sebagai B (2.4) Persamaan (2.4) sangat berguna dalam kimia air, karena jumlah padatan terlarut biasanya dinyatakan sebagai ekivalen CaCO 3. Bab 2 Kimia Air 2-5

16 Contoh soal 2.4 : Berapa ekivalen (sebagai CaCO 3 ) dari : (a) 117 mg/1 NaCl (b) mol NaCl Penyelesaian : (a) 1. Satu ekivalen kalsium karbonat : [ (16) ] / 2 = 50 gr/eq = 50 mg/meq 2. Satu ekivalen NaCl : ( ,5)/1 = 58,5 gr/eq = 58,5 mg/meq 3. Dengan pers (2.4) 117 mg / l 58,5 mg / l x 50 mg/meq = 100 mg/1 NaCl sebagai CaCO 3 (b) l. satu mol zat dibagi dengan valensinya sama dengan satu ekivalen ( mol/1) / 1 mol /eq = eq/1 2. sehingga : eq/1 x 50 gr/eq = 0,1 gr/l = 100 mg/l NaCl sebagai CaCO 3. (7) Persen berat dipakai untuk menunjukkan konsentrasi yang tinggi seperti macammacam garam yang ditambahkan ke air untuk menaikkan densitas. 2.3 Reaksi Hidrolisa Salah satu reaksi kimia air yang penting adalah reaksi hidrolisa dari garamgaram 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 (CO 2-3 ) disebut basa dan larutannya disebut larutan basa atau alkali. Basa dapat menetralkan asam. Bab 2 Kimia Air 2-6

17 Contoh-contoh basa adalah : 1. Ammonia, NH 3 (ammonium hidroksida, NH 4 OH) 2. Natrium hidroksida, NaOH 3. Natrium karbonat, Na 2 CO 3 (soda abu) 4. Natrium bikarbonat, Na 2 HCO 3 (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, H 2 SO 4 3. Asam Asetat, CH 3 COOH 4. Asam karbonat, H 2 CO 3 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 NaHCO 3 yang dibentuk dari NaOH (basa kuat) dengan H 2 CO 3 (asam lemah). Garam bersifat asam terhidrolisa dalam air untuk membentuk kembali asam kuat dan basa lemah pembentuknya, seperti disajikan oleh reaksi berikut : 2 FeCl H 2 O 2 Fe(OH) HCl (2.5) Besi Klorida (FeCl 3 ) 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 SO - 4 untuk membentuk garam Na 2 SO 4. Hanya satu ion Ca 2+ yang dibutuhkan oleh satu ion SO 2-4 untuk membentuk garam Ca 2 SO 4. Dua ion Al +3 dibutuhkan oleh tiga ion SO 2-4 untuk membentuk Al 2 (SO 4 ) 3 dan seterusnya. Bab 2 Kimia Air 2-7

18 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 : BaSO 4 < SrSO 4 < CaSO 4 < MgSO 4 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 + H 2 O Ca OH - (2.6) NaCl + H 2 O Na + + Cl - + H 2 O (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 : A x B y xa + yb (2.8) padatan ionik Persamaan kesetimbangan untuk reaksi tersebut dinyatakan sebagai berikut : K = [A] x [B] y / [A x B y ] (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 : Bab 2 Kimia Air 2-8

19 [A x B y ] = 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 Tentukan konsentrasi Mg 2+ dan OH - pada saat kesetimbangan, dinyatakan sebagai mg/1 CaCO 3. Penyelesaian : 1. Persamaan reaksi disosiasi Mg(OH) 2 : Mg(OH) 2 Mg OH - (2.11) 2. Berdasarkan persamaan (2.11) : Ksp = [Mg 2+ ] + [OH - ] 2 = Jika x adalah jumlah mol Mg 2+ pada reaksi (2.11), maka OH - adalah 2x, maka: [x][2x] 2 = 4x 3 = x = 1, mol/1 = Mg ; 2x = 2, mol/1 = OH 3. Mg = (1, mol/1) / (0,5 mol/eq) x mg/eq = 13 mg/1 sebagai CaCO OH = (2, mol/l) / (1,0 mol/eq) x mg/eq = 13 mg/1 sebagai CaCO 3. Bab 2 Kimia Air 2-9

20 Tabel 2.3. Harga Ksp Persamaan reaksi Ksp pada 25 o C MgCO 3 Mg(OH) 2 CaCO 3 Ca(OH) 2 CaSO 4 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 Ca 3 (PO 4 ) 2 CaHPO 4 CaF 2 AgCl BaSO 4 <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> <==> Mg CO 3 Mg OH - Ca CO 3 Ca 2+ + OH - Ca SO 4 Cu OH - Zn OH - Ni OH - Cr OH - Al OH - Fe OH - Fe OH - Mn OH - Mn OH - 3 Ca PO 4 Ca HPO 4 Ca F - Ag + + Cl - Ba SO 4 4 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x Source : Adapted from Sawyer and McCarty [2-12] Significance in Environmental Engineering 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 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 CO 2, 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 (HCO - 3 ), karbonat (CO 2-3 ) 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 -, Bab 2 Kimia Air 2-10

21 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 ( 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 4 C dimana densitas air murni tepat 1,000 g/l. Jika temperatur air yang dianalisis lebih besar dari 4 C, temperatur yang terukur dicatat dan specific gravity dilaporkan sebagai : o 20 C Sp. Gr. pada o 4 C o 25 C =, dll o 4 C 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 g/l. TDS (g/1) = (Sp.Gr. -1)x 1380 Atau : Sp.Gr. = 1 + [TDS (g/1) / 1380] Bab 2 Kimia Air 2-11

22 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 zatzat 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. Bab 2 Kimia Air 2-12

23 Ion Na K Ca Mg Fe Ba Sr Cl SO 4 HCO 3 CO 3 OH TDS Sp.gr. ph phs@50 o C O 2 H 2 S Tabel 2.4 Contoh analisis air mg/l Sampel 1 Fresh Water meq/l 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 CaCO 3. Alkalinitas total sebagai CaCO 3 = 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 CaCO 3 : = Ca 2+ + Mg 2+ = (101 x 50/20) + (28 x 50/12,2) = 368 mg/1 sebagai CaCO 3 Bab 2 Kimia Air 2-13

24 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 CaCO 3. Untuk sampel 1, ph sebenarnya lebih besar dari phs pada 50 C (122 F) dan ini menunjukkan bahwa pengendapan kerak CaCO 3 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 CaCO 3 sampai mendekati 0 untuk pemakaian air umpan boiler. 2. Pengendapan kerak. Endapan kerak CaCO 3 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 2 Kimia Air 2-14

25 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 : CaCO 3, MgCO 3, CaSO 4, MgSO 4, NaCl, Na 2 SO 4, SiO 2 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. Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-1

26 KOMPONEN/ SENYAWA 1. Turbidity 2. Warna 3. Hardness (kesadahan) 4. Alkalinity (alkalinity) 5. Asam mineral bebas 6. Karbon dioksida Tabel 3.1 Zat-zat pengotor dan karakteristiknya RUMUS KIMIA EFEK Tidak ada - Air menjadi keruh - Membentuk deposit pada pipa-pipa, alatlat, ketel dan lain-lain Tidak ada - Timbul buih dalam ketel - Menghambat proses pengendapan pada penghilangan besi dan hot phosphate softening Kalsium dan magnesium yang dinyatakan dalam CaCO3 - Membentuk scale/kerak pada sistem penukar pans, ketel, pipa - Menghambat daya cuci dengan sabun - Bikarbonat (H2CO3) - Karbonat (CO3) - Hidroksida (OH) - dinyatakan sebagai CaCO3 H2SO4, HCl, dan sebagainya, dinyatakan - Timbul buih dan carry over, (lolosnya) padatan ke dalam uap panas mengakibatkan karatan pada pipa ketel - Bikarbonat dan karbonat menghasilkan CO2 dalam uap panas, sehingga bersifat korosif - Korosif CO2 - Korosif terhadap jaringan pipa CARA PENGOLAHAN - Koagulasi, pengendapan dan filtrasi - Koagulasi, filtrasi, klorinasi, adsorpsi dengan karbon aktif - Pelunakan - Distilasi - Pengolahan internal - Pelunakan dengan kapur dan kapur soda - Demineralisasi - Penambahan asam - Dealkilasi dengan penukar ion - Distilasi - Netralisasi dengan alkali - Aerasi - Deaerasi - Netralisasi dengan alkali - Filmingdan Neutralizing Amines Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-2

27 KOMPONEN/ SENYAWA 7. ph 8. Sulfate 9. Klorida 10.Nitral 11. Silika 12. Besi 13. Mangan RUMUS KIMIA Konsentrasi ion hidrogen ph = - log (H + ) SO4 2- Cl - NO3 - SiO2 Fe 2+ Fe 3+ Mn Tabel 3.1 Lanjutan EFEK - Perubahan ph dipengaruhi oleh keasaman atau kebasaan dalam air. Air alam biasanya ph Menaikkan kandungan padatan dalam air - Bereaksi dengan Ca membentuk CaSO4 - Menaikkan kandungan padatan dalam air dan bersifat korosif - Menaikkan kandungan padatan - Konsentrasi yang tinggi mengakibatkan penyakit methemogoblin pada bayi - Berguna untuk mencegah keretakan logam pada ketel - Terbentuk kerak pada ketel dan sudu-sudu turbin - Terbentuk deposit pada pipa-pipa dan boiler - Terbentuk deposit - CARA PENGOLAHAN - ph dapat dinaikkan dengan penambahan alkali dan sebaliknya dengan asam - Demineralisasi - Distilasi - Demineralisasi - Distilasi - Demineralisasi - Distilasi - Penghilangan secara proses panas dengan garam Mg - Demineralisasi - Distilasi - Aerasi - Koagulasi dan filtrasi - Pelunakan kapur - Penukar kation - Aerasi - Pelunakan kapur Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-3

28 KOMPONEN/SENYAWA 14. Minyak 15. Oksigen 16. Hidrogen sulfida 17. Amoniak 18. Konduktifitas 19. Padatan larutan 20. Padatan tersuspensi 21. Padatan total RUMUS KIMIA Dinyatakan sebagai oil atau chloroform extracticible matter O2 H2S NH3 Dinyatakan dalam micromhos, konduktansi spesifik Tidak ada Tidak ada Tidak ada Tabel 3.1 Lanjutan EFEK - Terbentuk kerak, lumpur dan buih dalam ketel - Korosi - Bau telur busuk - Korosi - Korosi pada tembaga dan seng - Konduktifitas tinggi maka sifat korosi makin tinggi - Padatan terlarut menunjukkan jumlah zatzat terlarut - Menyebabkan buih - Menyebabkan deposit - Padatan total adalah padatan tersuspensi ditambah padatan terlarut CARA PENGOLAHAN - Baffle separator - Stainers - Koagulasi dan filtrasi dengan diatomaceous earth - Deaerasi - Sodium sulfite - Hydrazine - Zat pencegah korosi - Aerasi - Klorinasi - Penukar kation berbasa tinggi - Penukar kation dengan zeolite hidrogen - Klorinasi - Deaerasi - Demineralisasi - Pelunakan kapur, dsb - Pelunakan kapur - Penukar kation dengan zeolite hidrogen - Demineralisasi - Distilasi - Pengendapan - Filtrasi dan koagulasi - Sama dengan 19 dan 20 Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-4

29 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 Ca 2+ MgH : Kesadahan Magnesium = Kadar Mg 2+ KH : Kesadahan Karbonat = Ca(HCO 3 ) 2, Mg(HCO 3 ) 2 NH : Kesadahan non-karbonat = CaSO 4, MgSO 4, CaCl 2, MgCl 2, dsb. Satuan yang dipakai untuk menyatakan kesadahan, adalah sebagai berikut : - milival (mval) = miligram equivalent perliter - mg/l = ppm sebagai CaCO 3 - o d = Derajat kesadahan Jerman = 5,6 mg CaO/liter Hubungan antara satuan-satuan tersebut adalah sebagai berikut : 1 mval = 50 mg/l sebagai CaCO 3 = 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 Alkalinitas (Alkalinity) Alkalinitas air disebabkan oleh adanya senyawa alkalis dalam air. Alkalinitas Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-5

30 didefinisikan sebagai ukuran dari kapasitas air untuk menetralkan asam. Alkalinitas dalam air ada tiga jenis yaitu: alkalinitas hidroksida (OH-alkalinity), alkalinitas karbonat (CO 3 -alkalinity) dan alkalinitas bikarbonat (HCO 3 -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 + <==> H 2 O (3.3) CO 3 + H + <==> HCO 3 (3.4) Alkalinitas-M, ph = 4, 5 HCO H + <==> H 2 CO 3 (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 (CO 2-3 ) 3. Hanya senyawa bikarbonat (HCO - 3 ) 4. CO dan HCO 3 5. OH - 2- dan CO 3 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 HCO 3 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 CO 3 - alk HCO 3 -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 Bab 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-6

31 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 P-alk OH-alk CO 3 -alk = alkalinitas metil orange = alkalinitas phenolphthalein = alkalinitas hidroksida = alkalinitas karbonat HCO 3 -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 : CO 2, O 2, N 2, NH 3, NO 2 dan H 2 S. Gas-gas yang terlarut tersebut pada umumnya tidak menimbulkan korosi kecuali CO 2, O 2 dan NH 3. Karbon dioksida sesungguhnya adalah suatu asam jika bergabung dengan air, dan dengan demikian dapat menyerang logam. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : CO 2 + H 2 O <==> H 2 CO 3 <== > H + + HCO 3 (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 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-7

32 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). Bab 4 Pengolahan Air 4-1

33 Raw water supply Cooling Fire Protection General Utility Rough Screens Aeration Sedimentasi Cooling Fire Protection Paper Clarification Lime Softening (cold) Lime Softening (hot) Group A Process Mangeneee Zeolite Filtration Adsorption Group B Process Clear Water, Paper, Cooling, Rinsing, Potable, Beverage Low and Medium Boilers Laudries car washes, rinses Almost Exclusive for low and medium pressure boilers Medium Pressure Boilers Sodium Cation Dealkalizer Desilicizer Ultrapure water once through boiler 1500 psig plus rinsing Hydrogen Cation Weak and/or strong Degasification Low and Medium Pressure Boilers Anion Weak and/or strong Pure Water Low in solids Boilers Process Mixed bed Ultra Filtration Demineralization Processes Group C Process (to end) Elektrodyalisis Reverse Osmosis Distilation Rinsing Misc Process Further Treatment by Ion Exchange Ultimate water electronics Pharmaceautical Gambar 4.1 Proses-proses air secara eksternal Bab 4 Pengolahan Air 4-2

34 4.1.1 Proses Pendahuluan Proses-proses pendahuluan yang akan dibahas antara lain : sedimentasi, aerasi, dan klarifikasi 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 Waktu pengendapan Nama Partikel (mm) 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. Bab 4 Pengolahan Air 4-3

35 Inlet flume effluent flume tube modules sludge collector clarified effluent to sludge disposal Gambar 4.2 Bak pengendapan jenis segi empat (rectangular) peripheral effluent flume tube modules clarified effluent sludge collector basin inlet Gambar 4.3 Bak pengendapan jenis lingkaran (circular) 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 bersamasama. 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 Bab 4 Pengolahan Air 4-4

36 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 : Al 2 (SO 4 ) Ca(HCO 3 ) 2 <==> 2 Al(OH) CaSO CO 2 (4.1) 6 FeSO 4.7H 2 O + 3 C1 2 <==> 2 Fe(SO 4 ) 3 + FeCl 3 + H 2 O (4.2) Al 2 (SO 4 ) NaCO H 2 O <==> 2 Al(OH) Na 2 SO CO 2 (4.3) Al 2 (SO 4 ) NaOH <==> 2 Al(OH) Na 2 SO 4 (4.4) Al 2 (SO 4 ) Ca(OH) 2 <==> 2 Al(OH) CaSO 4 (4.5) Fe 2 (SO 4 ) Ca(HCO 3 ) 2 <==> 2 Fe(OH) CaSO CO 2 (4.6) Fe 2 (SO 4 ) Ca(OH) 2 <==> 2 Fe(OH) CaSO 4 (4.7) FeSO 4 + Ca(OH) 2 <==> Fe(OH) 2 + CaSO 4 (4.8) 4 Fe(OH) 2 + O H 2 O <==> 4 Fe(OH) 3 (4.9) 2 FeCl Ca(HCO3) 2 <==> 2 Fe(OH) CaCl CO 2 (4.10) 2 FeCl Ca(OH) 2 <==> 2 Fe(OH) 3 + 3CaCl 2 (4.11) MgCO 3 + CaCl 2 <==> CaCO 3 + MgCl 2 (4.12) Mg(HCO 3 ) Ca(OH) 2 <==> Mg(OH) CaCO H 2 O (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. Langkahlangkah proses klarifikasi pada alat tersebut dilakukan pada ruangan-ruangan yang terpisah. Langkah-langkah proses pada alat klarifikasi yang lebih modern dikombinasikan dalam satu alat. Contoh alat tersebut adalah alat jenis solids contact seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.5. Bab 4 Pengolahan Air 4-5

37 Gambar 4.4 Klarifikasi air dengan flash mixing, flokulasi, dan pengendapan Gambar 4.5 Alat klarifikasi dengan pengadukan dan koagulasi dalam alat yang sama 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. Bab 4 Pengolahan Air 4-6

38 2. Menghilangkan gas-gas yang terlarut dalam air terutama yang bersifat korosif. Contoh gas seperti ini adalah CO 2 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 coketray 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 Bab 4 Pengolahan Air 4-7