COAGULATIONDefinition and Measurement of ColloidsBanyak pencemar dalam air dan air limbah mengandun material dalam bentuk koloid. Koloid ini menghasilkan SUSPENSION yang stabil. Umumnya bentuk SUSPENSION ini cukup stabil sehingga gaya gravitasi tidak dapat menyebabkan pengendapan dari partikel koloid ini. Oleh karena itu butuh perlakukan khusus untuk menyisihkan dari fase cair. DESTABILIZATION dari koloid ini disebut KOAGULATION

Bak pengendapan akan tidak efektif mengendapkan polutan dalam bentuk

The following graphic shows some size characteristics for particulates in water and wastewater.

Bagi koloid, sifat permukaan mendominasi gaya gravitasi. Sifat permukaan ini mencegah koloid untuk bergabung dengan koloid lainnya. Penggabungan ini dapat menghasilkan berat yang cukup untuk mengendap. Koloid koloid ini umumnya cukup kecil untuk di saring oleh peralatan penyaring standar. Koloid tidak akan mengendap dan tidak akan tersaring sampai mereka bergabung menjadi ukuran yang lebih besar

Menghitung konsentrasi Koloid: Luas permukaan mungkin cara yang paling baik dalam menghitung konsentrasi koloid, namun itu sangat sulit dan perhitungan Suspended Solids Standar tidak akan bekerja karena koloid lolos ketika disaring dengan sebagian besar filter. Cara yang paling bagus adalah dengan nephelometry atau perhitungan dari asborsi cahaya. Karena ukuran koloid pada panjang gelombang yang sesuai, mereka akan mengadsorbsi cahaya.

Penyebab dari kestabilan koloid

Kestabilan koloid dapat dipengarui oleh tingkat dari afinitas pelarut dimana koloid tersebut tersuspensi. Hal ini menghasilkan klasifikasi dari koloid sebagai berikut.

Klasifikasi Koloid berdasarkan afinitas dari pelarutnya

  1. Hydrophobic ( water-hating):Koloid ini biasanya bermuatan negatif dan dispersinya distabilkan oleh gaya tolak menolak elektrostatis. Umumnya, muatan negatif adalah dari sifat asli fisika/kimia (spt. Clays, metal oxides, sulfides). Koloid ini diklasifikasikan sebagai tidak stabil secara thermodynamik (thermodynamically unstable) atau irreversible – yang berarti bahwa jika ada cukup waktu, partikel koloid akan agregate (bergabung), walaupun sangat lambat.

2. Hydrophilic ( water-loving):Koloid jenis ini punya afinitas besar dengan pelarutnya (dalam banyak kasus

pelarutnya adalah air). Koloid ini biasanya memiliki muatan kecil (negatif) tetapi penyebarannya (dispersinya) distabilkan oleh hydration (penarikan partikel dari air) umumnya koloid ini adalah partikel yang berasal dari mahluk hidup (contoh, gelatin, patin, protein) partikel ini stabil secara termodinamik (reversible). Mereka akan bereaksi secara spontan membentuk koloid dalam air. Mereka sebenarnya terlarut, tetapi karena ukurannya yang besar, membuat mereka seperti koloid.

Di dalam air dan air limbah, fokus utama pembahasan adalah koloid hydrophobic , sehingga kita mencoba untuk meningkatkan kinetik / kecepatan agregation/penggabungan untuk membuat proses pengolahan air/air limbah yang efektif. Sebagai catatan, bahwa koloid yang kita tangani bukanlah hydrophobic sempurna, karena mereka biasanya punya satu lapisan air yang menempel pada permukaannya. Sehingga, kestabilan koloid hydrophobic utamanya dikarenakan muatan permukaan (disebuat muatan primer – primary charge), tetapi banyak solvation (partikel yang terlarut) juga terlibat .

Beberapa sumber dari muatan permukaan utama pada koloid

Adsorpsi dari ion ion yang menentukan muatan - Adsorption of potential determining ions.

Ini melibatkan kecenderungan adsorpsi dari tipe tertentu dari ion pada permukaan koloid. Adsropsi ini biasanya ikatan van derWaals atau ikatan hidrogen. Contohnya, surfactant pada permukaan clay, humic acid pada silica, OH- pada banyak mineral. Muatannya merupakan fungsi dari konsentrasi dan tipe dari ion dalam larutan.

  2. Lattice imperfections or isomorphic replacement. Hal ini sangat biasa terjadi pada mineral mineral sejenis clay. Contohnya, penggantian isomorphic Al3+ terhadap Si4+ seperti gambar berikut:

3. Ionogenic groups at surface. Group – groups yang permukaannya dapat terionisasi seperti carboxyl, amino, hydroxyl, sulfonic, dll. Muatannya ini biasanya tergantung pada pH.

ELECTRICAL DOUBLE LAYER (EDL):

Jika kita tempatkan partikel bermuatan dalam suspension yang ada ion ionnya,

maka muatan utama akan menarik ion ion yang bermuatan berlawanan dengan

gaya elektrostatic.

Muatan utama ini tidak dapat menarik jumlah yang sama dari muatannya

karena gradient muatan yang berlawanan yang terbentuk yang menyebabkan

tolakan ion menjauh dari permukaan

Pembentukan lapisan double elektron -the electrical double layer (EDL) – yang

terjadi melalui penarikan dari ion ion yang bermuatan berlawanan oleh muatan

permukaan utama dan lalu difusi dari ion berlawanan menjaduh dari

permukaan. Ion yang berlawanan tersebut dapat bergerak (mobileP sedangkan

muatan utama tidak. Pembentukan EDL secara skematis ditunjukkan sebagaia

berikut:

Sebagai hasil dari EDL, ada jaringan tarikan dan tolakan elektrostatik yang dikembangkan antara koloid. Gaya jaringan ini ditunjukkan sebagai berikut:

-Semakin jauh jarak antara koloid, semakin kecil gaya tolak karena zeta potensial

- Semakin jauh jarak antara kolid, semakin kecil gaya tarik akibat gaya van der Waals

Hasil akhir dari gaya gaya yang bekerja adalah akibat dari:

1. Energi potensial tarikan (terutama gaya van der Waals) Va,.

Gaya ini sangat kuat pada jarak yang pendek

a 61Vr

R 21Vr

2. Energi potensial tolakan (gaya elektrostatic), Vr (oleh hukum

Coulomb)

Kecepatan penggabungan dari koloid koloid tergantung pada

gaya akhir jaringan – the net resultant force- antar koloid.

Semakin tinggi the net repulsive force, semakin kurang efektif

terjadinya koagulasi.

Tujuan utama dari koagulasi adalah mengurani the net repulsive

force.

Untuk mendiskusikan tersebut, pertama harus dilihat cara

mengukur the EDL lewat Zeta Potential and Electrophoretic

mobility.

Jika koloid ditempatkan pada bidang listrik, mereka (koloid) akan

bermigrasi (bergerak) umumnya menuju ke elektrode positif dari

bidang listrik tersebut. Mereka bergerak ke arah tersebut, karena

bagian dalam dari koloid (bermuatan lebih besar dibanding koloid

secara keseluruhan) akan merespond ke bidang tersebut dan

meninggalkan lapisan diffuse terluar di belakangnya.

EDL sebenarnya memotong bidang dan potensial (voltage ) dari

EDL saat memotong bidang tersebut disebut the Zeta Potential,

The EDL actually shears at a plane and the potential (voltage) of

the EDL at this shear plane is called the Zeta Potential,

Zeta Potential mewakili muatan jaringan antara muatan primer dan

muatan yang berlawanan dalam EDL yang terletak antaran permukaan

dan bidang gesernya.

Dengan muatan inilah koloid berinteraksi dengan koloid lainnya.

Electrophoretic mobility (EM) digunakan untuk menghitung potensial ini.

Kecepatan koloid dihutung melalui pengamatan microscopic saat

kehadiran bidang listrik dan setelah terbentungnya kesetimbangan gaya

pada koloid.

Dapat di tulis sebagai berikut: EM4

dielectric constant – Konstanta dielektrik = viscosity of surrounding fluid. – viscositas dari cairan

EM adalah kecepatan pergerakan koloid dibagi dengan gradient voltase.

Umumnya diukur dalam cm/sec per volts/cm.

Sebagai catatan, tidaka ada cara untuk mengetahui pada zeta

potensial ZP berapa seharusnya untuk mendapatkan koagulasi

yang efektif, namun umumnya ZP yang rendah mengindikasikan

koagulasi yang lebih efektif.

Penyisihan Koloid Hydrophobic dari fase cair

Penyisihan koloid hydrophobic dalam pengolahan air dan air limbah meliputi dua tahap:

1. Destabilization (or Coagulation) - mengurangi – menurunkan gaya gaya yang mempertahankan partikel terpisah dengan yang lain, artinya menurunkan repulsion forces (gaya tolak menolak)

2. Flocculation – proses yang menjembatani partikel partikel koloid yang sudah destabilized untuk mengijinkan mereka bergabung menjadi ukuran yang lebih besar dan dapat disisihkan – diendapkan melalui gravitasi.

Setelah koagulasi dan flokulasi, pengendapan secara grafitasi dan kadang

penyaringan – filtrasi diterapkan untuk menyisihkan koloid koloid yang sudah

terflokulasi.

Methods to Destabilize Colloids ( Coagulation Processes):

1.Double layer compression

2.Adsorption and Charge Neutralization

3.Adsorption and Interparticle bridging

4.Enmeshment in a precipitate (sweep floc)

Metode metode untuk me-nidak- stabilkan koloid (proses Koagulasi) :

1. Double layer compression: ini dapat dilakukan dengan penambahan elektrolit umum

– indifferent elctrolyte (ion ion yang bermuatan dengan tidak ada kecenderungan

tarikan pada permukaan utama) penambahan indifferent electrolye meningkatkan

kekuatan ion dari larutan yang mempunyai efek dari compressing the EDL. Selama

counterions (ion ion yang berlawanan) ditekan semakin dekat ke permukaan, gaya

gaya tolakan menjadi lebih mudah untuk di abaikan – ditiadakan oleh gaya van der

Waals

Muatan dari indifferent electrolyte yang ditambahkan tersebut penting

sesuai dengan hukum Schulze-Hardy yang menyatakan bahwa dosis

bagi koagulasi yang efektif sebanding (logratithmically) dengan

muatannya (electrolyte tersebut). Sebagai contoh, konsentrasi yang

dibutuhkan untuk koagulasi yang efektif oleh Na+, Ca2+ dan Al3+ akan

bervariasi dalam rasio 1:10-2:10-3 . Artinya Al3+ adalah yang paling

efektif.

Pada tipe ini, koagulasi tidak bisa mendapatkan overdosing

(sebagaimana nanti akan dijelaskan jenis koagulasi lainnya. Tidak ada

hubungan antara konsentrasi koloid dengan dosis optimum dari

koagulan. Jumlah indifferent electrolyte yang sama dibutuhkan bagi

konsentrasi koloid rendah dan tinggi. Ini berarti koagulasi tidak terlalu

efektif dalam pengolahan air ataupun air limbah.

2. Adsorption and Charge Neutralization: Jika counterions yang

bermuatan (+) punya spesifik affinitas bagi permukaan dari koloid (not

merely electrostatic attraction) lalu adsorpsi dari counterion akan

mengurangi muatan utama dari koloid. Ini akan mengurangi net

potential {r}, pada nilai r apapun akan membuat gaya tarik menarik

lebih efekti. Dan ZP sangat mungkin menurun juga.

Karakteristik Koagulasi melalui Adsorpstion / Neutralization - Characteristics of Adsorption/Neutralization:

1. Destabilisasi pada konsentrasi yang lebih rendah dibanding indifferent electrolytes

2.  Destabilisasi adalah fungsi dari adsorptiviti ion. Adsorptivity adalah fungsi dari

ukuran ion yang berlawanan – counter-ion. Ion ion yang lebih besar tidak dihidrasi

(not hydrated- secara mudah dibanding ion ion yang lebih kecil, sehingga mereka

lebih mudah teradsorbsi pada traikan pelarut/ioon yang lebih rendah

konsentrasinya. (contoh aktif permukaannya lebih)

3. Molekul molekul yang terpolimerisasi lebih mudah teradsorbsi dari pada molekul

yang tidak terpolemirisasi – terkait dengan point 2

4. Adsropsi dapat menghasilkan overdosing dengan muatan permukaan - Adsorption

can result in overdosing with subsequent surface charge reversal.

5. Dosis optimal dari coagulan sebanding dengan konsentrasi colloid – ada

keseimbangan stoichiometri pada proses koagulasi

3. Adsorption and Interparticle bridging:

Untuk kasus polymers, metal salt atau senyawa organik sintetis, khususnya adsorbsi pada permukaan, sering terjadi pada muatan netral. (reaction 1 below), namun seterusnya, bagian bagian lain dari polimer teradsrob pada koloid lainnya. Ini membentuk jembatan polimer (polymer bridge) seperti gambar berikut ini. Menggunakan difinisi yang didiskusikan di atas, reaksi satu mewakili coagulasi dan reaksi dua mewakili flocculasi. Ada stoichimetri dari coagulasi (dosage dari koagulan sebanding dengan konsentrasi koloid)

Mekanisme adsorpsi adalah unik (biasanya ikatan kimia), itu mungkin untuk

meng-adsrob polimer yang bermuatan negatif atau netral pada permukaan

koloid yang biasanya bermuatan negatif.

Overdosing sangat mungkin terjadi. Prinsipnya, polimer meng-cover (menutupi)

koloid koloid tanpa menjembatani (menghubungkan dengan koloid yang lain.

Seperti pada gambar berikut:

4. Enmeshment in a precipitate (sweep floc):

Jika metal salts, seperti Al2(SO4)3 , FeCl3 ditambahkan pada jumlah yang cukup

sampai melebihi dari kelarutan produk dari metal hydroxide, oxide atau kadang

carbonates, sweep floc akan terbentuk. Koloid akan terjerat – enmeshed –

dalam sweep floc yang sedang mengendap dan sehingga tersisihkan dari

cairan

Karena koloid dapat menjadi pusat “nukleus” – nucleation site

bagi pengendapan AL atau Fe oxide, hubungan antara dosis

koagulan (Al atau Fe) yang optimun dengan konsentrasi Koloid

sering bolak balik – inverse. Itu sangat mungkin bahwa

mekanisme netralisasi muatan dan penggabungan polimer -

polymer bridging- terjadi secara simultan. Ada bukti bahwa

berubahnya muatan ini picu oleh kehadiran SO42-.

Hal ini disebabkan karena SO42-

disdsorbsi pada permukaan

primer yang muatannya dapat berubah shg muantan berubah

menjadi negatif lagi.

Metal salt chemistry as it relates to coagulation. - Koagulan yang sering digunakan adalah Al dan Fe Sulfate. Kerja koagulan ini tergantung pada pH. Oleh karena itu, sifat kimia dari logam logam ini dalam air harus dipahami terlebih dahulu. Keduanya, Fe dan Al adalah logam yang meng-hidrolysis. Ketika dilarutkan mereka –mendorong- H+ keluar dari kulit hidrasi utama (the primary hydration shell). Mekanisme ini tergantung pada nilai pH.

Contoh Al yang dilarutkan dalam air

3 2Al(H O) Al(OH)(H O) H2 6 2 5

0Al(OH) (H O) H Al(OH) (H O) H2 2 4 3 2 3

Monomer tersebut bisa berkominasi membentuk polymers seperti

Al3O4(OH)247+ or Al3(OH)4

5+

H+, terdorong ke luar

Reaksi yang mirip terjadi pada Fe. Kedua mekanismenya, Fe dan Al sangat tergantung pada pH. Grafik berikut menunjukkan ke-khususan- sifat Al dan Fe pada variasi pH.

Umumnya, semakin rndah pH semakin tinggi muatan positif Al

dan Fe. Juga, semakin tinggi pH semakin besar dominasinya, dan

semakin besar kecenderungan membentuk polimer. Ini

mempengaruhi secara significant, bagaimana koagulan akan

bekerja.

Contohnya, pada pH rendah (muatan positif Al dan Fe akan

tinggi), maka mekanisme koagulasi adalah pengurangan muatan

utama. Tetapi karena ada muatan yang lebih tinggi dari Al dan Fe,

akan ada kemungkinan overdosing dan akan menghasilkan

muatan yang kembali (kembali asal).

Pada pH lebih tinggi, maka semakin banyak Al dan Fe yang

membentu polymer, tetapi muatan Al dan Fe menurun. Sehingga,

pad apH yang lebih tinggi akan memperoleh adsorpsi yang

berlebihdan menjembatani dan lalu akhirnya membentuk seep floc

(jika konsentrasi jenuhnya tercapai)

Polimer sintetik tidak tergantung pH dan mekanisme dari

koagulasi terutama adalah adsorpsi dan bridging.

Strategi penambahan dosis koagulan - Dosing Strategies (for hydrolyzing metal salts)

Pembagian Zone bagi dosis yang efektif

Zone 1: Dosis rendah, koagulan yang ditambahkan sedikit untuk menghasilkan destabilisasi

Zone 2: Dosis cukup untuk menghasilkan destabilisasi yang cepat dan efisien

Zone 3: Dosis cukup tinggi untuk menyebabkan re-stabilisasi (muatan kembali ke awal atau polimer melipat kembali – foldback)\Zone 4: Dosis cukup tinggi untuk menghasilkan sweep floc yang menjadikan destabilization efektif

Dosis yang diThe dosages which result in these zones depends

on the colloid concentration, often measured in terms of surface

area . Let’s look at 4 different values for S and see how the

zones develop. S1 < S2 < S3 <S4.