12 BAB III TINJAUAN PUSTAKA 3.1 PENDAHULUAN Air merupakan kebutuhan dasar bagi sebuah unit pembangkit listrik tenaga uap (PLTU). Ketersediaan dan kualitas air sangat menentukan terhadap pemilihan lokasi untuk penempatan fasilitas sebuah unit pembangkit. Air digunakan untuk banyak keperluan dalam proses-proses yang terjadi pada unit pembangkit, termasuk pendinginan peralatan, maintenance cleaning, pengendalian polusi udara (scrubbing), pengaliran padatan dan sebagai fluida kerja untuk proses produksi steam pada PLTU (Richard, 1996). Pada unit pembangkit listrik tenaga uap (PLTU), untuk memenuhi kualitas air pengisi ketel (boiler) sesuai standar yang telah ditentukan, maka diperlukan instalasi pengolahan air dengan berbagai proses. Air yang berasal dari sungai, danau, sumur ataupun air laut tidak dapat langsung digunakan untuk air umpan ketel (boiler). Air yang digunakan harus diolah terlebih dahulu, karena jika tidak, maka masa pakai ketel (boiler) akan berkurang (Budiyono dan Siswo, 2013). Untuk mendapatkan air yang memenuhi syarat guna keperluan operasional PLTU, maka diperlukan air yang terbebas dari kontaminan-kontaminan yang dapat menimbulkan masalah korosi dan deposit pada peralatan utama. Hal ini bertujuan agar peralatan tahan lama, mencapai efisiensi proses, menjamin keselamatan kerja dan diperoleh kualitas produk yang baik.
13 3.2 WATER TREATMENT PLANT (WTP) Water Treatment Plant (WTP) merupkan unsur penting dari sebuah PLTU, dimana alat ini merupakan bagian dari berbagai komponen pada sebuah instalasi PLTU yang berfungsi sebagai tempat pengolahan air baku sebagai air umpan boiler dengan persyaratan tertentu (Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2010). Budiyono dan Siswo (2013) mengungkapkan bahwa cara pengolahan air umpan boiler agar memenuhi syarat yang telah ditetapkan sangat tergantung pada jenis bahan bakunya dan juga kontaminan yang terdapat di dalam bahan baku air umpan. Unit pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) yang menggunakan air umpan boiler dengan bahan baku air laut memiliki rangkaian peralatan yang dapat dikelompokkan berdasarkan urutan proses, mulai dari Water Pretreatment Plant, Desalination Plant dan Demineralization Plant, yang merupakan satu kesatuan dari instalasi sistem pengolahan air atau Water Treatment Plant (WTP). 3.2.1 WATER PRETREATMENT PLANT Menurut Budiyono dan Siswo (2013) air selalu melarutkan berbagai macam komponen dari media yang dilewatinya. Di samping itu, sebagai hasil dari siklus hidrologi, air mengandung berbagai komponen lain termasuk gas-gas. komponen-komponen atau senyawa-senyawa tersebut sering disebut kontaminan. Kontaminan yang terdapat dalam sumber-sumber penyedia air dapat dibedakan sebagai, bakteri pantogen, kekeruhan atau turbiditas dan padatan tersuspensi, warna, rasa dan bau, senyawasenyawa organik dan anorganik terlarut, kesadahan dan gas-gas terlarut. Water Pretreatment Plant adalah suatu peralatan yang berfungsi mengolah air laut menjadi air bersih. Air laut banyak mengandung kotoran baik berupa sampah, pasir, lumpur dan sebagainya. Sehingga untuk menanggulangi ikutnya benda-benda asing, baik yang terlihat maupun terlarut dalam air laut, dilakukan proses pretreatment (Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2010).
14 Proses yang terjadi pada sistem pretreatment plant meliputi beberapa tahapan yang dimulai dari proses pengambilan air baku di area intake, klorinasi, koagulasi dan flokulasi, sedimentasi (pengendapan) serta filtrasi (penyaringan). a. Intake Intake merupakan tempat pengambilan air baku yang dilengkapi dengan bar screen (penyaring) yang bertujuan untuk menyaring benda-benda terapung (sampah) agar tidak masuk ruang intake karena bisa mengganggu kinerja pompa. b. Klorinasi Klorinasi adalah pembubuhan zat desinfektan (gas klorin, sodium hipoklorit) yang bertujuan membunuh bakteri yang mungkin ada baik di reservoir maupun pada jaringan pipa. Dalam klorinasi dikenal istilah Chlorine Dosage, Chlorine Demand, Chlorine Residual. Chlorine Dosage adalah jumlah klorin yang ditambahkan, biasanya dinyatakan dalam mg/l. Chlorine Demand adalah jumlah klorin yang tidak tersedia sebagai desifektan sebagai akibat reaksi dari berbagai senyawa. Chlorine Residual adalah jumlah klorin sebagai desinfektan setelah waktu kontak tertentu. Bentuk desinfektan yang ditambahkan akan mempengaruhi kualitas yang didesnifeksi. Penambahan klorin dalam bentuk gas akan menyebabkan turunya ph air karena terjadi pembentukan asam kuat. Akan tetapi penambahan klorin dalam bentuk natrium hipoklorit akan menaikan alkalinitas air tersebut sehingga ph air akan lebih besar. sedangkan kalsium hipoklorit akan menaikkan ph dan kesadahan total air yang didesinfeksi. c. Koagulasi dan Flokulasi Tujuan utama proses koagulasi dan flokulasi adalah menghilangkan padatan di dalam air terutama padatan yang tidak mengendap (non settleable solid), padatan tersuspensi (suspended solid) dan koloid. Koagulasi didefinisikan sebagai proses penambahan bahan kimia (koagulan) disertai dengan pengadukan cepat (rapid mixing) yang bertujuan untuk mengurangi gaya tolak menolak antar partikel koloid sehingga partikel koloid bisa digabung menjadi flok-flok kecil (suspensi halus). Proses koagulasi diikuti proses flokulasi, yaitu pemberian bahan kimia (flokulan) untuk menggabungkan flok-flok kecil yang telah terbentuk pada proses sebelumnya (koagulasi) sehingga menjadi besar dan mudah untuk diendapkan. Dalam proses flokulasi dilakukan pengadukan secara lambat untuk memberikan kesempatan flok
15 flok kecil menjadi semakin besar dan mencegah pecahnya kembali flok-flok yang sudah terbentuk. d. Sedimentasi (pengendapan) Sedimentasi adalah pemisahan partikel-partikel padatan tersuspensi dalam air dengan pengendapan secara gravitasi. Di dalam proses sedimentasi partikel-partikel padatan tersuspensi atau flok-flok yang terbentuk dari flokulasi akan mengendap pada bak sedimentasi. Bak sedimentasi dilenkapi dengan tube settler yang bertujuan untuk mempercepat proses pengendapan. Bak sedimentasi sering disebut juga clarifier maupun thickener. Jika tujuan utama operasi sedimentasi adalah untuk menghasilkan keluaran yang rendah padatan tersuspensi, maka bak sedimentasi biasanya disebut sebagai clarifier. Sedangkan jika tujuan utamanya adalah untuk menghasilkan suspensi yang pekat, maka bak sedimentasi disebut sebagai thickener. Namun demikian, istilah clarifier maupun thickener sering digunakan untuk hal yang sama. Gambar 3.1 Bak Sedimentasi (Sumber: Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2010) e. Filtrasi (penyaringan) Proses filtrasi bertujuan untuk melakukan penyaringan zat-zat tersuspensi (suspended matter) atau flok-flok halus yang belum dapat terendapkan pada bak sedimentasi. Proses filtrasi dilakukan dengan cara melewatkan air melalui media porous (suatu lapisan yang berpori-pori), misalnya pasir, antrasit, karbon dan lainya.
16 3.2.2 DESALINATION PLANT Desalination Plant merupakan peralatan di unit Water Treatment Plant (WTP), yang berfungsi menghasilkan air baku melalui proses desalinasi. Proses desalinasi adalah proses pemisahan yang digunakan untuk mengurangi kepadatan terlarut dari air hingga level tertentu sehingga air dapat digunakan sebagai air bersih. Proses desalinasi melibatkan tiga aliran cairan, yaitu umpan berupa air asin (misalnya air laut) ataupun air payau, produk bersalinitas rendah dan konsentrat bersalinitas tinggi. Produk proses desalinasi umumnya merupakan air dengan kandungan garam terlarut kurang dari 500 mg/l. Hasil sampingan dari proses desalinasi adalah brine. Brine adalah larutan garam berkosentrasi tinggi (lebih dari 35000 mg/l garam terlarut). Ada beberapa teknologi proses desalinasi yang telah banyak dikenal antara lain: proses distilasi (penguapan), teknologi proses dengan menggunakan membran, proses pertukaran ion dll. Proses desalinasi dengan cara distilasi adalah proses pemisahan garam dan mineral lainya dari air laut atau air payau dengan cara pemanasan guna mendapatkan air murni (Mulyanef, et. al, 2012), sedangkan pada proses dengan membran yakni pemisahan air tawar dari air asin ataupun air payau dengan cara pemberian tekanan dan penggunaan membran Reverse Osmosis (RO) atau osmosis balik (Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2010). Proses distilasi dilakukan dengan cara air laut dipanaskan, kemudian uap yang timbul didinginkan sehingga akan didapatkan air tawar. Proses ini akan menghasilkan air baku yang mempunyai konduktivitas di bawah 20 µs/cm. Pada sistem destilasi bertingkat (Multistage Flash Distillation System) air laut dipanaskan berulang-ulang pada setiap tingkat destilasi dimana tekanan di tingkat sebelumnya dibuat lebih rendah dari pada tingkat berikutnya. (Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2012).
17 Gambar 3.2 Sistem destilasi bertingkat (Multistage Flash Distillation System) (Sumber: Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2012) Tahapan dalam proses distilasi meliputi proses sebagai berikut: a. Pemanasan Proses menaikkan temperature air laut yang terjadi di brine heater. b. Penguapan Terbentuknya fasa uap dari sebagian air laut yang terjadi di ruang evaporator. c. Kondensasi Proses perubahan fasa dari uap (vapour) menjadi cair (liquid) yang terjadi di kondensor. Pada proses desalinasi sistem membran Reverse Osmosis (RO) air yang mengandung larutan garam (air asin) dipisahkan dari garam terlarutnya dengan mengalirkannya melalui membran semipermeable. Air yang mengalir melalui membran semipermeable atau yang disebut permeate dapat mengalir melalui membran akibat adanya perbedaan tekanan yang diciptakan antara air asin (umpan) bertekanan dan produk yang memiliki tekanan dekat dengan tekanan atmosfer. Sisa umpan selanjutnya akan terus mengalir melalui sisi reaktor bertekanan sebagai brine. Proses ini tidak melalui tahap pemanasan ataupun perubahan fasa. Kebutuhan energi utama adalah untuk memberi tekanan pada air umpan, dimana desalinasi air payau memiliki tekanan
18 operasi berkisar antara 250-400 psi, sedangkan desalinasi air laut memiliki tekanan operasi antara 800-1000 psi (Yohansli, 2014). Menurut William (2003) Reverse Osmosis (RO) adalah kebalikan dari fenomena osmosis. Osmosis merupakan fenomena pencapaian kesetimbangan antara dua larutan yang memiliki perbedaan konsentrasi zat terlarut, dimana kedua larutan ini berada pada satu bejana dan dipisahkan oleh lapisan semipermeabel. Kesetimbangan terjadi akibat perpindahan pelarut dari larutan yang memiliki konsentrasi zat terlarut rendah ke larutan yang memiliki konsentrasi zat terlarut tinggi. Saat kesetimbangan konsentrasi dicapai maka terdapat perbedaan tinggi larutan yang dapat didefinisikan sebagai tekanan osmosis seperti yang terlihat dalam gambar 3.3 a. Gambar 3.3 Skema fenomena Osmosis dan Reverse Osmosis (Sumber: William, 2013) Prinsip dasar reverse osmosis adalah memberi tekanan hidrostatik yang melebihi tekanan osmosis larutan sehingga pelarut dalam hal ini air dapat berpindah dari larutan yang memiliki konsentrasi zat terlarut tinggi ke larutan yang memiliki konsentrasi zat terlarut rendah seperti yang terlihat pada Gambar 3.3 b. Prinsip reverse
19 osmosis ini dapat memisahkan air dari komponen-komponen yang tidak diinginkan dan dengan demikian akan didapatkan air dengan tingkat kemurnian yang tinggi. Gambar 3.4 Sistem destilasi Reserve Osmosis (RO) (Sumber: Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2012) Desalinasi air laut yang menggunakan system Sea Water Reverse Osmosis (SWRO) lebih kompleks jika dibandingkan dengan system Reverse Osmosis yang digunkan untuk memurnikan air tawar. Sistem RO yang dipakai dalam desalinasi air laut, sebelum air laut yang akan diolah diperlukan pengolahan awal (pretreatment) sebelum diteruskan ke bagian RO karena masih mengandung partikel padatan tersuspensi, mineral, plankton dan lainnya (Yohansli, 2014). Keunggulan teknologi membran Reverse Osmosis (RO) adalah kecepatan dalam memproduksi air, karena menggunakan tenaga pompa. Sedangkan kelemahannya adalah penyumbatan pada selaput membran oleh bakteri dan kerak kapur atau fosfat yang umum terdapat dalam air asin atau laut. Untuk mengatasi kelemahannya tersebut, pada unit pengolah air Reverse Osmosis (RO) selalu dilengkapi dengan unit anti pengerakkan dan anti penyumbatan oleh bakteri. Membran semipermeabel pada aplikasi Reverse Osmosis (RO) terdiri dari lapisan tipis polimer pada penyangga berpori (fabric support). Membran untuk kebutuhan komersial harus memiliki sifat permeabilitas yang tinggi terhadap air. Selain itu, membrane juga harus memiliki derajat semipermeabilitas yang tinggi dalam arti laju transportasi air melewati membran harus jauh lebih tinggi dibandingkan laju
20 transportasi ion-ion yang terlarut dalam air umpan. Membran juga harus memiliki ketahanan (stabil) terhadap variasi ph dan suhu (Ariyanti dan Widiasa, 2011) Secara teori Reverse Osmosis (RO) dapat mengurangi Total Disolved Solid (TDS) air baku sampai 99%, umumnya rejeksi 95% dapat dicapai. Rejeksi bakteri, virus dan pirogen oleh membrane dapat 100% kecuali ada kebocoran pada seal mekanisnya atau membrane rusak (Hartomo dan Widiatmoko, 1994). 3.2.3 DEMINERALIZATION PLANT Demineralization Plant adalah peralatan yang menghasilkan air murni dari air asalnya seperti air sungai, danau, sumur ataupun air laut. Proses yang terjadi adalah menghilangkan kadar mineral yang terkandung di dalam air tersebut. Proses ini menggunakan sebuah demineralizer yang berfungsi menghilangkan semua mineral yang terkandung dalam air dengan cara menukar kation dan anion dengan padatan penukar ion (resin) (Budiyono dan Siswo, 2013). Demineralization Plant bertujuan untuk mengolah air baku yang telah diproses di unit desalination plant sebelum masuk ke sistem melalui proses pemurnian air, dengan cara melewatkan air baku melalui filter-filter resin (Kation dan Anion aktif ), di mana resin-resin tersebut berfungsi sebagai pengikat ion-ion mineral-mineral yang ada di dalam air baku, sehingga diharapkan air yang keluar filter-filter resin tersebut adalah air yang sudah tidak lagi mengandung ion-ion mineral-mineral lagi. Hasil keluaran dari Demineralization Plant adalah air murni (Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2012). Air baku yang yang telah diproses di unit desalination plant masih mengandung mineral yang harus dihilangkan. Mineral-mineral tersebut antara lain: K+, Na+, Ca++, Mg++, SiO2, NH4, Cl-, SO4-, CO3-, dan lain-lain. Apabila telah jenuh, resin-resin tersebut harus segera di regenerasi dengan asam dan basa pada konsentrasi tertentu, serta melalui beberapa tahap. Proses demineralisasi pada dasarnya diawali dari air masuk terlebih dahulu ke dalam kolom penukar kation jenis Strong Acid Cation Resin (SACR) sehingga semua
21 kation yang ada ditukar dengan ion H + yang ada didalam resi SACR. Air dari kolom penukar kation kemudian masuk ke kolom penukar anio jenis Strong Based Anion Resin (SBAR) sehingga semua anion yang ada di dalam air ditukar dengan ion H - yang dimiliki oleh resin SBAR. Dengan demikian air keluar kolom penukar anion sudah bebas dari kation dan anion dan disimpan di dalam tangki air demin. Air murni keluaran dari Demineralization Plant tersebut berfungsi sebagai air penambah pada sistem siklus air boiler dan untuk pendingin bantu (Auxiliary Cooling Water). Penggunaan air murni dalam unit pembangkit ini bertujuan untuk menjaga peralatan-peralatan PLTU agar tidak cepat rusak, yang mana kerusakannya itu disebabkan oleh kualitas air yang tidak memenuhi standard yang direkomendasikan. Kerusakan yang mungkin timbul akibat kuwalitas air yang jelek antara lain terjadinya korosi, scalling, deposite dan lain-lain. Kapasitas produksi dari suatu unit Demineralization Plant dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain: Tingkat keberhasilan regenerasi (kualitas regenerasi), Kualitas air baku, Kondisi Resin dan Kualitas air murni yang diinginkan (Pusdiklat PT. PLN (Persero), 2012).