1pengolahan air untuk industri
TRANSCRIPT
TEKNOLOGI PENGOLAHAN AIR UNTUK INDUSTRITK090313
Agung Subyakto
Skema Pengolahan Air Industri
Air sebagai salah satu bahan utilitas. Secara praktis hampir tak pernah dijumpai air (H2O) di alam murni, air alam selalu mengandung senyawa-senyawa yang terlarut didalamnya. Hal ini disebakan akibat kuatnya daya larut air.
SENYAWA LAIN DALAM AIR- Senyawa Primer (kadar diatas 5 mg/lt) === 1mg = 1 ppm
Kalsium KarbonatMagnesium BikarbonatNatrium SulfatSilikat Khlorida
- Senyawa Sekunder (kadar antara 0,1 – 5 ppm)Kalsium NitratBesi (Fe) Flourida
Amoniak- Senyawa Tersier (kadar antara 0,01 – 0,1 ppm)
Tembaga PhospatTimah ArsenSeng AlumuniumDll
Disamping senyawa diatas, terdapat juga gas-gas terlarut O2, CO2, Cl2 dll. Sumber air (air baku) untuk kegiatan industri tersedia dalam
- Air sungai- Air Rawa/ Danau/ Waduk- Air Tanah- Air Laut
Sumber Air
Pengolahan Secara Fisika
Pengolahan Secara Kimia
Pengolahan Khusus
Pengolahan Secara Fisika
Air ProsesAir KetelAir
PendinginAir Sanitasi
Panyaringan Kasar
Plain Sedimentasi.
KoagulasiFloculasiSedimentasiAerasi
Gravity FilterPressure FilterAdsorbsi
Pelunakan dengan Kapur
Pelunakan Dengan Penukar ion
DemineralisasiDesinfiction
1. Air SungaiSungai merupakan sumber air baku yang potensial bagi industri industri berdiri sepanjang sungai.Karakteristik tergantung :- Asal aliran- Penggunaan disepanjang aliran sungai.- Struktur tanah disepanjang aliran sungai.
2. Air Rawa/ Danau/ WadukPada umumnya kualitas air ini hampir sama dengan air sungai, Fluktuatif kualitas
dan debit airnya lebih kecil daripada air sungai.
3. Air TanahMerupakan cadangan air yang cukup besar, Keberadaannya merupakan siklus
alam. Fluktuasi kualitas dan debit airnya stabil.
4. Air LautKarena kadar garam atau Salinitas (NaCl, Na2SO4) terlalu tinggi, biasanya
digunakan sebagai air pendingin alat mesin-mesin industri sekali lewat. Air laut sering digunakan sebagai air tawar tapi melalui proses terlebih dahulu.
KUALITAS dan PARAMETER AIRDitentukan oleh impurities yang terdapat di alamPenggolongan impuritiesa. Kotoran yang tersuspensi
- bakteri penyebab penyakit- algae menyebabkan bau, warna, kekeruhan- Lumpur (berupa pasir halus, dan zat-zat organik) menyebabkan warna
b. Kotoran yang terlarutDalam bentuk garam- Kalsium dan Magnesium : Karbonat, Bicarbonat, Klorida,
Sulfat.- Sodium : Kabonat, Bikarbonat, Klorida,
Sulfat.- Dalam Besi : Penyebab rasa, warna, korosi.- Gas-gas : Oxigen, Carbon dioksigen.
ISTILAH dalam KUALITAS AIRa. Kesadahan (Hardness)
Kesadahan adalah ukuran jumlah ogam alkali (biasanya Kalsium dan Magnesium) yang ada dalam air.Pengukuran biasanya dialkukan secara volumetric menggunakan reagent EDTA (Etilin Diamin Tetra Acetic Acid). Satuan yang lazim digunakan adalah :- Derajat Jerman (oD)- Ppm CaCO3
1 oD = 17,8 ppm CaCO3
b. Alkalinitas
Ukuran jumlah ion bikarbonat (HCO-3), Karbonat (CO-) dan Hidroksida (OH-)
dalam air.Cara pengukuran menggunakan titrasi (volumetric) menggunakan basa kuat (HCl atau H2SO4) dengan indikator PP (p. Alkalinitas) dan indikator MO (m. Alkalinitas).Dari kedua parameter diatas (p dan m alkalinitas) dapat dihitung kadar ion OH-, CO-, HCO-
3 Sbb:
(OH-) (CO3-) (HCO-
3)1. PA
LK = 02. PA
LK < 0,53. PA
LK = 0,5 MALK
4. PA
LK > 0,5 MALK
5. PA
LK = MALK
000
2.PALK-MALK
MALK
02.PALK
MALK
2(PALK-MALK)0
MALK
MALK-2.PALK
000
Kesimpulan :- Ketiga ion tidak pernah ada dalam satu air- Bila pH air kurang 8,3 maka p. Alk akan Nol, dengan demikian dalam
air tersebut selruh alkalinitas adalah bicarbonat.
Kegunaan air dalam Industri- Air Sanitasi- Air Pendingin - Air Ketel SteamAir baku tidak bisa langsung digunakan sebagai kebutuhan air diatas, perlu diolah sesuai dengan syarat tertentu.
PENGOLAHAN AIR BAKU
Air merupakan pelarut yang sangat baik, sehingga mineral-mineral dan gas-gas terlarut, Mineral dan gas ini sangat menganggu dalam penggunaannya maka PENGOLAHAN.
1. Pengolahan secara FISIKASeperti saringan, pengendapan karena beratnya : - memisahkan padatan yang kasar- memisahkan padatan yang terapung- memisahkan minyak dan lemak.A. Memisahkan padatan yang kasar
Pasir, Lumpur dapat diendapkan tanpa penambahan bahan kimia (Flokulasi dan Koagulasi)
B. Memisahkan padatan yang terapung.Plastik dan zat-zat organik sering dijumpai pada air permukaan terutama
yang melawati pemukiman penduduk. Untuk memisahkan digunakan screen maupun bak penampung dengan mengatur pengeluaran efluen dibawah permukaan air dan kotoran yang terapung dapat dipisahkan secara manual maupun mekanis.
2. Pengolahan secaraKIMIADengan menghembuskan proses koagulasi, flokulasi dan sedimentasi. Pada
prinsipnya untuk membuat partikel terlarut dan tersuspensi menjadi partikel gumpalan yang ukurannya lebih besar dan kompak sehingga mudah mengendap.
Koagulasi dapat didefinisikan sebagai proses diman bahan kimia ditambahkan (koagulan) dalam air yang mengandung partikel tersuspensi (koloidal) disertai dengan pengadukan dengan RPM tinggi agar mendapat homogenitas larutan. Kemudian dilanjutkan dengan pengadukan lambat (8-10 RPM), dimana koagulan menetralkan muatan koloid sehingga partikel dapat membentuk floc (gumpalan) yang besar dan partikel cepat mengendap. Proses ini disebut flokulasi.
Pemilihan koagulan yang sesuai tergantung dari suspended solid dan pH air.Macam-macam Koagulan- Alum (Alumunium sulfat/Al2(SO4)3
- PAC (poly Alumunium Chloride) Aln(OH)mCl3n-m
Standarisasi proses koagulasi dan flokulasiKoagulasi : n = 80 – 100 RPM
t = 1 – 5 menitFlokulasi : n= 5 – 8 RPM
t = 20 – 40 menitn = kecepatan pengadukant = waktu tinggalFloc (endapan) yang terbentuk dipisahkan dengan sedimentasi.
FiltrasiAir yang keluar dari proses flokulasi yang masih mengandung flok-flok halus
masih memerlukan penyaringan melalui suatu media yang berpori dimana flok/padatan tertapis, sedangkan air jernih diteruskan.Efektifitas proses filtrasi/penyaringan (sand filter) tergantung dari :
- Rate filtrasi- Ukuran filter media - Susunan media filter- Tinggi/kedalaman (bed) filter
Macam-macam filter/sand filterMenurut cara kerjanya filter dapat digolongkan sebagai :a. Grafity filter
Merupakan filter terbuka atau tertutup tetapi terhubung dengan udara luar (atmosfir). Filter media lapisan pasir (pasir silica/antrasit) halus sampai kasar dengan tinggi bed 60 – 90 cm.Air masuk dari atas dan keluar dari bawah dan dialirkan ke penampung air bersih.Semakin lama media penyaring akan jenuh dan perlu dilakukan pembersihan (backwash). Backwash dilakukan secara berlawanan arah, dari bawah ke atas, sebagai media pembersih biasanya air.
b. Pressure filterPada dasarnya sama dengan gravity filter hanya tangki dalam kondisi tertutup dimana air dipaksa melalui bed dengan tekanan tinggi.
Bahan filter media Banyak bahan yang dapat digunakan untuk menyaring air di dalam air industri,
misalnya pasir kwarsa, coke/antrasit, tanah diatome dll, dan yang lazim digunakan adalah pasir kuarsa antrasit.Pemilihan ukuran, kualitas dari pasir dan juga tebal/kedalaman lapisan sangat penting dalam design filter.
Antrasit coal.Media filter ini lazim digunakan dalam proses penyaringan dan juga dipakai pada
filtrasi air dari ”lime soda softening system”.Keuntungan bila dibandingkan dengan pasir kwarsa/silica :- Mempunyai true densitas yang lebih kecil (Sg + 1,5 dibandingkan
pasir + 2,65)- Bentuknya tidak beraturan sehingga tumpukan filter lebih porous,
sehingga lebih mudah dalam pencucian dan pressure dropnya kecil.- Antrasit mempunyai sifat inert bila dibandingkan dengan pasir silica.Kerugian media ini (antrasit) adalah kurang kuat bila dibandingkan dengan pasir silica
PENGOLAHAN LANJUTANAir yang telah mengalami penjernihan, ditampung pada bak penampung untuk
selanjutnya didistribusikan untuk berbagai keperluan dengan kualitas/syarat tertentu.Untuk keperluan industri, air umumnya digunakan :1. Air Sanitasi.2. Air Proses.3. Air Ketel/Boiler.4. Air Pendingin/Cooling Water System.
I. PERAWATAN AIR KETEL
- Air PAM
- Air industri Padatan terlarut
- Air Sumur Padatan tersuspensi
- Air Sungai Gas terlarut
Pengolahan =====> aman dan ofisien untuk operasi
1.1. Permasalahan yang disebabkan senyawa-senyawa kimia pada ketel dan proses
penanggulangannya
Senyawa-senyawa kimia
Permasalahan Penanggulangannya
Kesadahan
(Ca, Mg)
- Terbentuknya kerak pada bagian dalam drum atau permukaan panas
- Menyebabkan perluasan dan memecah/meletusnya pipa-pipa penguapan
- Pelunakan/softening
- Menggunakan ketel compound
- Pengontrolan kualitas air ketel
Silika (SiO2) - Terbentuknya kerak pada bagian dalam drum atau permukaan panas
- Menyebabkan perluasan dan memecah/meletusnya pipa-pipa penguapan
- Demineralisasi
- Menggunakan ketel compound
- Pengontrolan, kualitas air ketel
Alkalinitas - Akan terurai dengan adanya pemanasan pada ketel dan air ketel menjadi bersifat
- Menggunakan ketel compound
- Pengontrolan kualitas
alkali (kelebihan alkali)
- Menyebabkan ”Carry over”
- CO2 dihasilkan dari dekomposisi panas pH dari sistim kondensat menurun dan proses korosi akan meningkat
air ketel
- Menggunakan senyawa emina
- Pelunakan dengan dealkalinisasi
Senyawa-senyawa kimia
Permasalahan Penanggulangannya
Besi - Menurunnya efisiensi dari ion resin pengganti
- Korosi lanjut dalam ketel
- Perlakuan oksidasi dan filtrasi
- Koagulasi dan sedimentasi
- Demineralisasi
- Menggunakan pencegah karat
Gas-gas terlarut
(O2, CO2)
- Korosi dan sistim umpan ketel dan sistim kondensat
- Deaerasi
- Menggunakan “oxygen scavenger”
- Mengunakan senyawa amina
Total padatan - Menyebabkan “carry over”
- kontaminasi dan ion resin pengganti
- Penyumbatan dari pipa-pipa, membentuk endapan di dalam ketel
- Pengontrolan kualitas air ketel
- Filtrasi
- Demineraslisasi
- Koagulasi dan sedimentasi
Komponen minyak - Menyebabkan terbentuknya busa pada air Ketel dan terjadi “carry over”
- Terbentuknya kerak pada permukaan panas
- Filtrasi dengan menggunakan karbon aktif
- Flotasi
1.2. Permasalahan yang disebabkan oleh kualitas air dan penanggulangannya
Macam Pemasalahan
Permasalahan
Yang Ditimbulkan
Penyebab Dari Permasalahan
Pengerakan - Pengerakan yang disebab-kan kesadahan dan silika pada permukaan dalam dari drum atau permukaan panas
- Menyebabkan perluasan atau memecah / meletus-nya pipa-pipa penguapan
- Pengontrolan yang buruk pada proses softener
- Pengontrolan yang buruk dari kualitas air ketel
- Metode yang salah pada sistim injeksi kimia
Korosi - Korosi dari sistim umpan, saluran-saluran kondensat dan permukaan panas ketel karena adanya gas-gas terlarut
- Korosi oleh oksida-oksida metalik yang menempel dan pengendapan pada permukaan panas
- Tidak sempurnanya pengaturan pH dan penghilangan oksigen
- Penggunaan kembali air kondensat yang banyak mengandung bahan-bahan pembentuk karat
- Korosi yang terjadi selama ketel tidak dioperasikan
“Carry Over” - Menurunnya kualitas uap
- Menurunnya efisiensi ketel
- Perubahan beban yang mendadak
- Kontrol yang buruk cari kualitas air ketel
- kesalahan dari bagian pemisah uap (steam separator) atau pada pengontrolan air
umpan
- Terkontaminasinya air ketel karena proses
II. KERAK DAN PENCEGAHANNYA
Konsentrasi ion atau padatan terlarut dalam air ketel menjadi sangat pekat karena
adanya penguapan serta penurunan kelarutan karena meningkatnya temperatur.
II.1. Beberapa tipe kerak dalam ketel
Kalsium karbonat : CaCO3
Magnesium hidroksida : Mg(OH)2
Kalsium silikat : CaSiO3
Magnesium silikat : MgSiO3
Silika : (SiO2)n
Besi oksida : Fe2O3, Fe3O4, ….. dll
Hidroksi apatit : [Ca3(PO4)2]3 Ca(OH)2
Table 3. Thermal conductivities of typical scales and metals
Substance Thermal conductivity
(kcal/m.h.oC)
Silica scales 0.2 - 0.4
Carbonate scales 0.4 - 0.6
Sulfate scales 0.6 - 2.0
Carbon steel 40 – 60
Copper 320 - 360
Fig. 2.5 Schematic state of heating surface
NERACA AIR (WATER BALANCE) DI SISTEM BOILER
Steam ,E
F = C + M
F = E + B
N = CB / CF = F/B
B = E / (N - 1)
dimana : F = Air umpan (feed water), ton/jam
C = Kondensat , ton/jam.
E = Laju penguapan/evaporasi steam , ton/jam.
B = Blowdown, ton/jam.
N = Siklus pemekatan (konsentrasi).
CB = Konsentrasi padatan terlarut di Blowdown (= boiler)
PROSESKONDENSAT, C
AIR UMPAN, F
BOILERBLOWDOWN, B
TANGKI AIR
MAKE-UP, M
CF = Konsentrasi padatan terlarut di air umpan.
Fig. 3 Relationship between scale thickness and increase of fuel consumption
2.2. Metode pengendalian kerak
a. Perawatan Luar
Menghilangkan ion pembentuk kerak pada air umpan, seperti pelunakan maupun
pemurnian (demineralized).
b. Perawatan Dalam
Menjaga terbentuknya kerak sebagai akibat masuknya ion pembentuk kerak ke dalam
ketel menggunakan bahan kimia.
2.2.1. Perawatan Luar
a. Pelunakan
Regeneran NaCl
Softener(R.SO3Na)
Penyerapan hardness
R-(SO3Na)2 + Ca+2 R-(SO3)Ca + 2 Na+
R-(SO3Na)2 + Mg+2 R-(SO3)Mg + 2 Na+
Regenerasi
R-(SO3)2Ca + 2NaCl R-(SO3Na)2 + CaCl2
R-(SO3)2Mg + 2NaCl R-(SO3Na)2 + MgCl2
Penting
(1) Regenerasi dilakukan sebelum softener jenuh
(2) Selalu cek konsentrasi hardness dalain air lunak
(3) Cek kapasitas resin setiap 1-2 tahun
(4) Resin dicuci. Jika terkontaminasi oleh kotoran besi.
Figur 5. Relationship between hardness and amount of treated water in water softening
b. Demineralisasi
2.2.2. Perawatan dalam (kimiawi)
Tujuan :
Mencegah terbentuknya kerak menggunakan bahan kimia sebagai akibat dari
lolosnya hardness dan softener maupun unit demin, juga karena silika tidak dapat
diserap oleh softener.
ii. Bahan kimia :
a. Boiler compound : - fosfat : - fosfat
(Alcon) - alkali
- non fosfat (polymer)
Fungsi fosfat dan alkali adalah :
Bereaksi dengan hardness membentuk endapan lunak hydroxyapatit dan
magnesium hydroxide dalam ketel. Endapan ini akan dibuang keluar dan. ketel
melalui blowdown.
10Ca+2 + 6PO4-3 + 2OH- ----> (Ca3(PO4)2)3Ca(OH)2 +
Hydroxyapatit
10Na2CO3 + 10CO2 + 10H20
Mg+2 = 2OH- ----> Mg(OH)2
Alkali
Menjaga silika agar berbentuk sebagai sodium silika dalam air ketel sehingga selalu
larut dalam air ketel dalam pH tertentu.
H2SiO3 + 2NaOH ----> Na2SiO3 + 2H2O
Jadi untuk mencegah timbulnya kerak karena hardness dan silika, perlu dijaga :
- pH
- P-alkalinity
- Fosfat ion
??? P.alk. (ppm sbg CaCO3) ≥ 1,7 : silika tidak mengendap silika (ppm sbg SiO2)
1 ppm CaCO3 ≈ 0,57 ppm PO4-3
Konsentrasi fosfat ion dijaga : 20 – 40 ppm
b. Pendispersi endapan
1 ketel + boiler compound
- tersuspensi ---> blowdown
- tersuspensi --->
- blowdown kurang ---> aliran panas meningkat ---> pengendapan/lumpur +
pendispersi lumpur ---> blowdown
Kalsium
Magnesium Dispersan
Silika Kerak / ------------> terdispersi
Besi Lumpur (tidak mengendap)
Fosfat
Mekanisme kerja dispersan
Tanpa Dispersan Dengan Dispersan
Pipa Boiler Pipa Boiler
Keuntungan :
- Permukaan pipa bersih dari kerak & lumpur
- Menghemat blowdown Karena N >
- Menghemat Energi
II. KOROSI
1. Korosi karena oksigen terlarut
Terjadi pada pipa umpan dan pipa ketel
BlowDown
BlowDown
Figur 9. Corrosion reactions on carbon steel in neutral Water
Fe --------> Fe2+ 2e (anoda)
1/2O2 + 2e + H2O --------> 2OH- (katoda)
Fe+2 + 2OH- --------> Fe(OH)2
2Fe(OH)2 + 1/2O2 + H2O --------> 2Fe(OH)3
2. Korosi karena karbondioksida
Terjadi pada pipa kondensat
Ion bikarbonat dalam air umpan akan terurai karena panas menjadi
karbondioksida dalam ketel.
panas
2HCO3- --------> H2O + CO3
2- + CO2
panas
CO32- + H2O --------> 2OH- + CO2
CO2 akan terbawa oleh steam dan akan larut kembali pada saat steam
terkondensasi, sehingga pH air kondensat turun dan pipa kondensat akan
terkorosi.
CO2 + H2O --------> H2CO3
H2CO3 --------> H+ + HCO3-
Fe --------> Fe2+ + 2e (anoda)
2H+ + 2e --------> H2 (katoda)
Fe + 2H+ + 2HCO3- --------> Fe(HCO3)2 + H2
Figur 14. Relation between pH and carbon dioxide concentration
3. Korosi karena alkali
Pada bagian ketel yang sangat panas, komponen padatan terlarut yang mudah
rnengendap akan mengendap dan yang sulit mengendap seperti NaOH akan
terkonsentrasi.
Jika konsentrasi NaOH melebihi 20%, akan terjadi korosi pada besi :
Fe + 2NaOH --------> Na2FeO2 + H2
3Na2FeO2 + 4H2O --------> 6NaOH + Fe3O4 + H2
Korosi alkali biasa terjadi pada ketel dengan temperatur di atas 350oC.
IV. PENCEGAHAN KOROSI
1. Menghilangkan oksigen terlarut dalam air
a. Deaerator
b. Bahan kimia pengikat oksigen
* Hydrazine
N2H4 + O2 --------> N2 + H2O
N2H4 + 6Fe2O3 --------> 4Fe3O4 + N2 + 2H2O
(Magnetik Protective film)
1 ppm N2H4 1 ppm O2
Hydrazine :
- tidak menaikkan TDS (Total Dissolved Solid)
- baik untuk ketel tekanan tinggi maupun ketel “once through”.
pH
Carbon Dioxide (mg CO2 / lt )
- pada temperatur di atas 220oC, terurai menjadi amonia
3H2N4 --------> 4NH3 + N2
* Sodium sulfit
2Na2SO3 + O2 --------> 2Na2SO4
7,9 ppm Na2SO3 1 ppm O2 -----> 8,9 ppm sodium sulfat
Figur 21. Influences of oxigen and sulfate on carbon sleel corrosion
- tidak menghasilkan zat korosif
- tidak beracun
- baik untuk ketel pada pabrik makanan dan obat
2. Menghilangkan karbondioksida
a. Decarbonator
Ion bikarbonat dapat dihilangkan dengan decarbonator pada demin unit. Jika
menggunakan softener, maka resin harus dalam bentuk H+.
b. Neutralizing agents
Bahan kimia : volatile amines
Fungsi : menaikkan pH air kondensat
V. CARRY OVER
Padatan terlarut dalam air ketel ikut terbawa oleh aliran uap. Hal ini akan
menurunkan kemurnian uap air, sehingga akan menyebabkan kerak pada turbin atau
mengotori produk.
1. Sebab-sebab carry over
a. Struktur separator yang kurang baik.
b. Perubahan beban penguapan yang mendadak
c. Level air dalam ketel terlalu tinggi.
d. Air ketel terlalu pekat, sehingga terjadi foaming.
2. Pencegahan carry over
a. Perbaiki struktur separator.
b. Hindari perubahan beban penguapan yang mendadak.
c. Jaga level air.
d. Menghilangkan minyak dan lemak dalam air umpan.
e. Jaga kualitas air ketel denqan mengatur blowdown.
HUBUNGAN ALKALINITAS DAN ION-ION
Hasil Tes
Akkalinitas
Konsentrasi
OH- CO32- HCO3
-
P = 0
P < ½ M
P = ½ M
P > ½ M
P = M
0
0
0
2P – M
M
0
2P
2P
2 (M-P)
0
M
M – 2P
0
0
0
TABEL SOFTENERDasar : Total Hardness = 200 ppm as CaCO3
Siklus Regenerasi = 24 jam
Konsentrasi Reg. = 6 %
Flow Rate
(m3/jam)
Ukuran TangkiResin (liter)
Regenerant NaCl.
100 % (Kg)Ø (cm) Tinggi (cm)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
16
30
40
50
55
60
65
70
75
80
80
85
90
95
180
200
200
220
220
230
230
230
230
250
260
280
280
80
160
250
310
400
500
550
650
700
800
950
1100
1250
13
25
40
50
60
75
85
100
110
120
150
170
200
18
20
22
24
26
28
30
35
40
45
50
100
105
110
115
120
125
130
140
150
160
170
280
280
290
290
290
290
290
290
290
290
290
1400
1550
1700
1900
2050
2200
2400
2800
3100
3500
4000
220
245
260
290
310
340
360
425
500
550
600