29738382 diktat pengolahan dan penyediaan air

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

Pengolahan dan Penyediaan Air - i -

DAFTAR ISI

Daftar Isi i

Daftar Gambar iii

Daftar Tabel iv

BAB 1 PENDAHULUAN 1-1

1.1 Sumber-Sumber Air 1-2

1.2 Penggunaan Air di Industri 1-3

1.3 Klasifikasi Pengolahan Air 1-4

1.3.1 Pengolahan Eksternal 1-4

1.3.2 Pengolahan Internal 1-4

BAB 2 KIMIA AIR 2-1

2.1 Pengantar 2-1

2.2 Satuan-satuan Konsentrasi 2-3

2.3 Reaksi Hidrolisa 2-6

2.4 Beberapa Sifat Kation Logam dan Garamnya 2-7

2.5 Kesetimbangan 2-8

2.6 Analisa Air 2-10

2.7 Contoh Perhitungan Analisis Air dan Interpretasinya 2-12

BAB 3 ZAT PENGOTOR (IMPURITIES) DALAM AIR 3-1

3.1 Padatan Tersuspensi dalam Air 3-1

3.2 Padatan Terlarut 3-1

3.2.1 Kesadahan 3-5

3.2.2 Alkalinitas (Alkalinity) 3-5

3.3 Gas Terlarut 3-7

BAB 4 PENGOLAHAN AIR 4-1

4.1 Pengolahan Eksternal 4-1

4.1.1 Proses Pendahuluan 4-3

4.1.1.1 Sedimentasi 4-3

4.1.1.2 Klarifikasi 4-4

4.1.1.3 Aerasi 4-6

Pengolahan dan Penyediaan Air - ii -

4.1.2 Filtrasi 4-8

4.1.3 Pertukaran Ion 4-11

4.1.3.1 Prinsip-prinsip Pertukaran Ion 4-11

4.1.3.2 Jenis-jenis Resin Penukar Ion 4-12

4.1.3.2.1 Resin Penukar Kation Asam Kuat 4-13

4.1.3.2.2 Resin Penukar Kation Asam Lemah 4-13

4.1.3.2.3 Resin Penukar Anion Basa Kuat 4-14

4.1.3.2.4 Resin Penukar Anion Basa Lemah 4-14

4.1.3.3 Operasi Sistem Pertukaran Ion 4-15

4.1.3.3.1 Tahap Layanan 4-16

4.1.3.3.2 Tahap Pencucian Balik 4-16

4.1.3.3.3 Tahap Regenerasi 4-16

4.1.3.3.4 Tahap Pembilasan 4-17

4.1.3.3.5 Penghilangan Gas (Deaerator) 4-18

4.2 Pengolahan Internal 4-19

BAB 5 PENGOLAHAN AIR UMPAN KETEL 5-1

5.1 Persyaratan Air Umpan Ketel 5-1

5.2 Pengolahan Air Umpan Ketel Secara Umum 5-3

5.3 Pengolahan Air Umpan Ketel dengan Penambahan 4

Bahan-bahan Kimia 5-4

5.4 Perlakuan Terhadap Kondensat (Condensate Treatment) 5-6

BAB 6 PENGOLAHAN AIR PENDINGIN 6-1

6.1 Persyaratan Air Pendingin 6-1

6.2 Sistem Air Pendingin dengan Resirkulasi Terbuka 6-2

6.2.1 Pengendalian Pembentukan Kerak 6-3

6.2.2 Pengendalian Korosi 6-3

6.2.3 Pengendalian Pembentukan Fouling dan

Penghilangan Padatan Tersuspensi 6-5

6.3 Sistem Air Pendingin dengan Resirkulasi Tertutup

dan Sistem Air Pendingin Sekali-Lewat 6-6

PUSTAKA

Pengolahan dan Penyediaan Air - iii -

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 - iv -

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

Bab 1 Pendahuluan 1-1

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 13.000 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

Pengolahan dan Penyediaan Air

Bab1- Pendahuluan 1-2

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



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 SiO2 Iron as Fe Manganese as Mn Calsium as Ca Magnesium as Mg Sodium (Na) + Potassium (K) Carbonate as CO3 Bicarbonate as HCO3 Sulfate as SO4 Chloride as Cl Fluoride as F Nitrate as NO3 Dissolved solids Total hardness as CaCO3 Non carbonate hardness as

CaCO3 Color Turbidity pH (in pH units)

13 0.1 -

50 14 35

1.2 158 97 16 -

4.6 326

183

53 19 58 7.9

2.1 0.01 0.00 38.0 8.3 11.1

0.0 117 26 18 0.1 1.8 167

130

34

Clear 85 7.9

12 3.5 2.5

113.8 19.3

-

0.0 170 29.0 76 - -

700

450

280 Tan

0 to 20 6.3

10 Trace 0.01 400 1252

10561 + 380

0 140 2650 19980

1.4 1.5

34450

6250

6.125 Clear

0 7.5 to 8.4

Perkiraan yang pernah dibuat menunjukkan bahwa untuk centimeter persegi

(cm2) 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



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 :

1.3.1 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

1.3.2 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. Bahan-

bahan kimia tersebut, akan bereaksi dengan impurities sehingga tidak menimbulkan



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.

Bab 2 Kimia Air 2-1

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 H2 (2.1) Penambahan satu atom oksigen pada satu molekul gas hidrogen tersebut

menghasilkan molekul air.

H2 + O H2O (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 H2O 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 2-2

Tabel 2.1 Zat-zat terlarut dalam air

Simbol kimia

Berat atom

Berat Ekivalen

1. Kation : Natrium Kalium Kalsium Magnesium Besi Mangan Barium Stronsium Aluminium

Na+ K+

Ca2+ Mg2+ Fe2+

Mn2+ Ba2+ Sr2+ Al3+

23,0 39,1 40,1 24,3 55,8 54,9 137,4 87,6 27,0

23,0 39,1 20,0 12,2 27,9 27,5 68,7 43,8 9,0

2. Anion : Klorida Sulfida Karbonat Bikarbonat Hidroksida

Cl-

SO42-

CO32- HCO3- OH-

35,5 96,0 60,0 61,0 17,0

35,5 48,0 30,0 61,0 17,0

3. Gas-gas : Oksigen Hidrogen Sulfida Karbondioksida

O2 H2S CO2

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 20C (64F). Jika larutan jenuh tersebut didinginkan atau dipekatkan

dengan cara evaporasi, ion Na dan Cl akan bergabung kembali dan terlihat terbentuk


Bab 2 Kimia Air 2-3

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

spgrppm

= mg/l air

2. Milliequivalents per million

meq/L

4. Equivalents per million

e.p.m.

equivalenberatppm

5. Grains per gallon gpg mg/l x 17,1 6. Calcium Carbonat Equivalent (dari beberapa ion)

mg/l as CaCO3

1.2Tabeldariionequivalentberat

50xairanalisadariionl/mg

7. Persen Berat % wt g/100 milliliters (ml)

or 10000

l/mg

(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 H2S 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

equivalenberatl/mg


Bab 2 Kimia Air 2-4

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 Ca2+ sama dengan 1000/20 atau 50 meq/1 Ca2+.

1000 mg/1 SO42- sama dengan 1000/48 atau 20,8 meq/1 S042-.

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 Ca2+ dan 1000 mg/l SO42- dan

ingin diketahui berapa CaSO4 di air tersebut.

Dari contoh 2.1 diketahui bahwa meq/l masing-masing adalah 50 untuk Ca2+ dan

20,8 untuk SO42-, walaupun konsentrasi keduanya sama jika dinyatakan dengan

mg/l tapi konsentrasi (meq/1) Ca2+ lebih besar dari konsentrasi SO42-, sehingga

CaSO4 yang akan dibentuk terbatas dan tidak bisa lebih besar dari meq/l SO42-,

berarti CaSO4 yang terbentuk mempunyai konsentrasi 20,8 meq/l.

Untuk mengubah 20,8 meq/1 CaSO4 ke satuan mg/l atau ppm, berat ekivalen

CaSO4 harus diketahui. Secara mudah dapat ditentukan dengan melihat pada

Tabel 2. 1 untuk berat ekivalen Ca2+ dan SO42-, maka berat ekivalen CaSO4 sama

dengan (berat ekivalen Ca2+) + (berat ekivalen SO42- ) =

20 + 48 = 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 CaSO4) = 1414 mg/1 CaSO4

Sebuah senyawa dapat dibentuk dengan kombinasi ekivalen atau satu banding satu

dari unsur-unsur atau radikal-radikal pembentuknya.


Bab 2 Kimia Air 2-5

Contoh soal 2.3:

Berapa gram kalsium (Ca) yang dibutuhkan agar dapat berkombinasi dengan 90

gram karbonat (CO32-) 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 :

[ 12 + 3(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 CO32- = 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 CaCO3 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 :

A)l/gr(B)eq/gr(xA)eq/gr(

A)l/gr( = dinyatakan sebagai B (2.4)

Persamaan (2.4) sangat berguna dalam kimia air, karena jumlah padatan terlarut

biasanya dinyatakan sebagai ekivalen CaCO3.


Bab 2 Kimia Air 2-6

Contoh soal 2.4 :

Berapa ekivalen (sebagai CaCO3) dari :

(a) 117 mg/1 NaCl

(b) 2.10-3 mol NaCl

Penyelesaian :

(a) 1. Satu ekivalen kalsium karbonat :

[ 40 + 12 + 3(16) ] / 2 = 50 gr/eq = 50 mg/meq

2. Satu ekivalen NaCl :

(23 + 35,5)/1 = 58,5 gr/eq = 58,5 mg/meq

3. Dengan pers (2.4)

lmglmg

/5,58/117 x 50 mg/meq = 100 mg/1 NaCl sebagai CaCO3

(b) l. satu mol zat dibagi dengan valensinya sama dengan satu ekivalen (2.10-3

mol/1) / 1 mol /eq = 2.10-3 eq/1

2. sehingga :

2.10-3 eq/1 x 50 gr/eq = 0,1 gr/l

= 100 mg/l NaCl sebagai CaCO3.

(7) Persen berat dipakai untuk menunjukkan konsentrasi yang tinggi seperti macam-

macam garam yang ditambahkan ke air untuk menaikkan densitas.

2.3 Reaksi Hidrolisa

Salah satu reaksi kimia air yang penting adalah reaksi hidrolisa dari garam-

garam 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 (CO32-) disebut basa dan larutannya disebut larutan basa atau alkali. Basa

dapat menetralkan asam.


Bab 2 Kimia Air 2-7

Contoh-contoh basa adalah :

1. Ammonia, NH3 (ammonium hidroksida, NH4OH)

2. Natrium hidroksida, NaOH

3. Natrium karbonat , Na2CO3 (soda abu)

4. Natrium bikarbonat, Na2HCO3 (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, H2SO4

3. Asam Asetat, CH3COOH

4. Asam karbonat, H2CO3

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

NaHCO3 yang dibentuk dari NaOH (basa kuat) dengan H2CO3 (asam lemah).

Garam bersifat asam terhidrolisa dalam air untuk membentuk kembali asam kuat

dan basa lemah pembentuknya, seperti disajikan oleh reaksi berikut :

2 FeCl3 + 6 H2O 2 Fe(OH)3 + 6 HCl (2.5) Besi Klorida (FeCl3) 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 SO4- untuk membentuk garam Na2SO4. Hanya satu ion Ca2+ yang dibutuhkan

oleh satu ion SO42- untuk membentuk garam Ca2SO4. Dua ion Al+3 dibutuhkan oleh tiga

ion SO42- untuk membentuk Al2(SO4)3 dan seterusnya.


Bab 2 Kimia Air 2-8

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 :

BaSO4 < SrSO4 < CaSO4 < MgSO4

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 + H2O Ca2+ + 2 OH- (2.6) NaCl + H2O Na+ + Cl- + H2O (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 :

AxBy xA + yB (2.8) padatan ionik

Persamaan kesetimbangan untuk reaksi tersebut dinyatakan sebagai berikut :

K = [A]x [B]y / [AxBy] (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 2-9

[AxBy] = 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 9.10-12. Tentukan

konsentrasi Mg2+ dan OH- pada saat kesetimbangan, dinyatakan sebagai mg/1 CaCO3.

Penyelesaian :

1. Persamaan reaksi disosiasi Mg(OH)2 :

Mg(OH)2 Mg2+ + 2 OH- (2.11)

2. Berdasarkan persamaan (2.11) :

Ksp = [Mg2+] + [OH- ]2 = 9.10-12

Jika x adalah jumlah mol Mg2+ pada reaksi (2.11), maka OH- adalah 2x, maka:

[x][2x]2 = 4x3 = 9.10-12

x = 1,3.10-4 mol/1 = Mg ; 2x = 2,6.10-4 mol/1 = OH

3. Mg = (1,3.10-4 mol/1) / (0,5 mol/eq) x 50.000 mg/eq = 13 mg/1 sebagai CaCO3.

4. OH = (2,6.10-4 mol/l) / (1,0 mol/eq) x 50.000 mg/eq = 13 mg/1 sebagai CaCO3.


Bab 2 Kimia Air 2-10

Tabel 2.3. Harga Ksp

Persamaan reaksi Ksp pada 25oC Significance in Environmental

Engineering MgCO3 Mg(OH)2

CaCO3 Ca(OH)2

CaSO4 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 Ca3(PO4)2 CaHPO4 CaF2

AgCl

BaSO4

Mg2+ + CO32-

Mg2+ + 2 OH-

Ca2+ + CO32-

Ca2+ + OH-

Ca2+ + SO42-

Cu2+ + 2 OH-

Zn2+ + 2 OH-

Ni2+ + 2 OH-

Cr2+ + 2 OH-

Al3+ + 3 OH-

Fe2+ + 2 OH-

Fe3+ + 3 OH-

Mn3+ + 3 OH-

Mn2+ + 2 OH-

3 Ca2+ + 2 PO43-

Ca2+ + HPO4-

Ca2+ + 2 F-

Ag+ + Cl-

Ba2+ + SO42-

4 x 10-3

9 x 10-12

5 x 10-9

8 x 10-4

2 x 10-5

2 x 10-19

3 x 10-17

2 x 10-16

6 x 10-31

1 x 10-32

6 x 10-36

5 x 10-15

1 x 10-36

8 x 10-14

1 x 10-27

3 x 10-7

3 x 10-11

3 x 10-10

1 x 10-10

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

Source : Adapted from Sawyer and McCarty [2-12]

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 CO2, 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 (HCO3-), karbonat (CO32-) 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-,



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 (50-100 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 4C dimana densitas air murni

tepat 1,000 g/l. Jika temperatur air yang dianalisis lebih besar dari 4C, temperatur

yang terukur dicatat dan specific gravity dilaporkan sebagai :

Sp. Gr. pada CC

CC

o

o

o

o

425

420 = , dll

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

10-150 g/l.

TDS (g/1) = (Sp.Gr. -1)x 1380

Atau :

Sp.Gr. = 1 + [TDS (g/1) / 1380]



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 zat-

zat 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.



Tabel 2.4 Contoh analisis air

Sampel 1 Fresh Water Ion

mg/L meq/L Na K Ca Mg Fe Ba Sr Cl

SO4 HCO3 CO3 OH TDS Sp.gr.

pH pHs@50oC

O2 H2S

1364 8

101 28 3 0 0

2265 24 165 0 0

3955 1.003

7.9 6.9 2.1 0

59.3 0.2 5.1 2.3 0.1

63.8 0.5 2.7

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 CaCO3.

Alkalinitas total sebagai CaCO3 = 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 CaCO3 :

= Ca2+ + Mg2+

= (101 x 50/20) + (28 x 50/12,2)

= 368 mg/1 sebagai CaCO3



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 CaCO3. Untuk sampel 1, pH sebenarnya lebih besar dari

pHs pada 50C (122F) dan ini menunjukkan bahwa pengendapan kerak CaCO3 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 CaCO3 sampai mendekati 0 untuk pemakaian air umpan

boiler.

2. Pengendapan kerak.

Endapan kerak CaCO3 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 3 Zat Pengotor (Impurities) dalam Air 3-1

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 : CaCO3, MgCO3,

CaSO4, MgSO4, NaCl, Na2SO4, SiO2 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.



CA

RA

PEN

GO

LAH

AN

- Koa

gula

si, p

enge

ndap

an d

an fi

ltras

i

- K

oagu

lasi

, fil

trasi

, kl

orin

asi,

adso

rpsi

deng

an k

arbo

n ak

tif

- Pe

luna

kan

- D

istil

asi

- Pe

ngol

ahan

inte

rnal

- Pe

luna

kan

deng

an

kapu

r da

n ka

pur

soda

-

Dem

iner

alis

asi

- Pe

nam

baha

n as

am

- D

ealk

ilasi

den

gan

penu

kar i

on

-D

istil

asi

- N

etra

lisas

i den

gan

alka

li -

Aer

asi

- D

eaer

asi

- N

etra

lisas

i den

gan

alka

li -

Film

ingd

an N

eutr

aliz

ing

Amin

es

EFEK

- A

ir m

enja

di k

eruh

-

Mem

bent

uk d

epos

it pa

da p

ipa-

pipa

, al

at-

lat,

kete

l dan

lain

-lain

- Ti

mbu

l bui

h da

lam

ket

el

- M

engh

amba

t pr

oses

pe

ngen

dapa

n pa

da

peng

hila

ngan

be

si

dan

hot

phos

phat

e so

fteni

ng

- M

embe

ntuk

scal

e/ke

rak

pada

si

stem

pe

nuka

r pan

s, ke

tel,

pipa

-

Men

gham

bat d

aya

cuci

den

gan

sabu

n

- Ti

mbu

l bu

ih d

an c

arry

ove

r, (lo

losn

ya)

pada

tan

ke

dala

m

uap

pana

s m

enga

kiba

tkan

kar

atan

pad

a pi

pa k

etel

-

Bik

arbo

nat

dan

karb

onat

m

engh

asilk

an

CO

2 da

lam

uap

pan

as,

sehi

ngga

ber

sifa

t ko

rosi

f-

Kor

osif

- K

oros

if te

rhad

ap ja

ringa

n pi

pa

RU

MU

S K

IMIA

Tida

k ad

a

Tida

k ad

a

Kal

sium

dan

mag

nesi

um

yang

din

yata

kan

dala

m

CaC

O3

- Bik

arbo

nat (

H2C

O3)

- Kar

bona

t (C

O3)

- Hid

roks

ida

(OH

) - d

inya

taka

n se

baga

i CaC

O3

H2S

O4,

HC

l, da

n se

baga

inya

, din

yata

kan

CO

2

Tabe

l 3.1

Zat

-zat

pen

goto

r dan

kar

akte

ristik

nya

KO

MPO

NEN

/ SE

NY

AW

A

1. T

urbi

dity

2. W

arna

3. H

ardn

ess (

kesa

daha

n)

4. A

lkal

inity

(alk

alin

ity)

5. A

sam

min

eral

beb

as

6. K

arbo

n di

oksi

da



CA

RA

PEN

GO

LAH

AN

- pH

da

pat

dina

ikka

n de

ngan

pen

amba

han

alka

li da

n se

balik

nya

deng

an a

sam

-

Dem

iner

alis

asi

- D

istil

asi

- D

emin

eral

isas

i -

Dis

tilas

i

- D

emin

eral

isas

i -

Dis

tilas

i

- Pe

nghi

lang

an s

ecar

a pr

oses

pan

as d

enga

n ga

ram

Mg

- D

emin

eral

isas

i -

Dis

tilas

i

- A

eras

i -

Koa

gula

si d

an fi

ltras

i -

Pelu

naka

n ka

pur

- Pe

nuka

r kat

ion

- A

eras

i -

Pelu

naka

n ka

pur

EFEK

- Pe

ruba

han

pH d

ipen

garu

hi o

leh

keas

aman

at

au

keba

saan

da

lam

ai

r. A

ir al

am

bias

anya

pH

6-8

-

Men

aikk

an k

andu

ngan

pad

atan

dal

am a

ir -

Ber

eaks

i den

gan

Ca

mem

bent

uk C

aSO

4

- M

enai

kkan

kan

dung

an p

adat

an d

alam

air

dan

bers

ifat k

oros

if

- M

enai

kkan

kan

dung

an p

adat

an

- K

onse

ntra

si

yang

tin

ggi

men

gaki

batk

an

peny

akit

met

hem

ogob

lin p

ada

bayi

-

Ber

guna

unt

uk m

ence

gah

kere

taka

n lo

gam

pa

da k

etel

- Te

rben

tuk

kera

k pa

da k

etel

dan

sud

u-su

du

turb

in

- Te

rben

tuk

depo

sit

pada

pi

pa-p

ipa

dan

boile

r

- Te

rben

tuk

depo

sit

-

RU

MU

S K

IMIA

Kon

sent

rasi

ion

hidr

ogen

pH

= -

log

(H+ )

SO42

-

Cl-

NO

3-

SiO

2

Fe2+

Fe

3+

Mn

Tabe

l 3.1

Lan

juta

n

KO

MPO

NEN

/ SE

NY

AW

A

7. p

H

8. S

ulfa

te

9. K

lorid

a

10.N

itral

11. S

ilika

12. B

esi

13. M

anga

n



CA

RA

PEN

GO

LAH

AN

- B

affle

sepa

rato

r -

Stai

ners

-

Koa

gula

si d

an f

iltra

si d

enga

n di

atom

aceo

us

earth

-

Dea

eras

i -

Sodi

um su

lfite

-

Hyd

razi

ne

- Za

t pen

cega

h ko

rosi

- A

eras

i -

Klo

rinas

i -

Penu

kar k

atio

n be

rbas

a tin

ggi

- Pe

nuka

r kat

ion

deng

an z

eolit

e hi

drog

en

- K

lorin

asi

- D

eaer

asi

- D

emin

eral

isas

i -

Pelu

naka

n ka

pur,

dsb

- Pe

luna

kan

kapu

r -

Penu

kar k

atio

n de

ngan

zeo

lite

hidr

ogen

-

Dem

iner

alis

asi

- D

istil

asi

- Pe

ngen

dapa

n -

Filtr

asi d

an k

oagu

lasi

- Sa

ma

deng

an 1

9 da

n 20

EFEK

- Te

rben

tuk

kera

k, l

umpu

r da

n bu

ih d

alam

ke

tel

- K

oros

i -

Bau

telu

r bus

uk

- K

oros

i

- K

oros

i pad

a te

mba

ga d

an se

ng

- K

ondu

ktifi

tas

tingg

i m

aka

sifa

t ko

rosi

m

akin

ting

gi

- Pa

data

n te

rlaru

t m

enun

jukk

an j

umla

h za

t-za

t ter

laru

t -

Men

yeba

bkan

bui

h

- M

enye

babk

an d

epos

it

- Pa

data

n to

tal

adal

ah p

adat

an t

ersu

spen

si

dita

mba

h pa

data

n te

rlaru

t

RU

MU

S K

IMIA

Din

yata

kan

seba

gai o

il at

au

chlo

rofo

rm e

xtra

ctic

ible

m

atte

r

O2

H2S

NH

3

Din

yata

kan

dala

m

mic

rom

hos,

kond

ukta

nsi

spes

ifik

Tida

k ad

a

Tida

k ad

a

Tida

k ad

a

Tabe

l 3.1

Lan

juta

n K

OM

PON

EN/S

ENY

AW

A

14. M

inya

k

15. O

ksig

en

16. H

idro

gen

sulfi

da

17. A

mon

iak

18. K

ondu

ktifi

tas

19. P

adat

an la

ruta

n

20. P

adat

an te

rsus

pens

i

21. P

adat

an to

tal



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 Ca2+

MgH : Kesadahan Magnesium = Kadar Mg2+

KH : Kesadahan Karbonat = Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2

NH : Kesadahan non-Karbonat = CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, dsb.

Satuan yang dipakai untuk menyatakan kesadahan, adalah sebagai berikut :

- milival (mval) = miligram equivalent perliter

- mg/l = ppm sebagai CaCO3

- od = Derajat kesadahan Jerman

= 5,6 mg CaO/liter

Hubungan antara satuan-satuan tersebut adalah sebagai berikut :

1 mval = 50 mg/l sebagai CaCO3 = 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.

3.2.2 Alkalinitas (Alkalinity)

Alkalinitas air disebabkan oleh adanya senyawa alkalis dalam air. Alkalinitas



didefinisikan sebagai ukuran dari kapasitas air untuk menetralkan asam. Alkalinitas

dalam air ada tiga jenis yaitu: alkalinitas hidroksida (OH-alkalinity), alkalinitas

karbonat (CO3-alkalinity) dan alkalinitas bikarbonat (HCO3-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+ H2O (3.3)

CO3 + H+ HCO3 (3.4)

Alkalinitas-M, pH = 4, 5

HCO3- + H+ H2CO3 (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 (CO32-)

3. Hanya senyawa bikarbonat (HCO3- )

4. CO32- dan HCO3-

5. OH- dan CO32-

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 HCO3 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 CO3- alk HCO3-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



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 = alkalinitas metil orange

P-alk = alkalinitas phenolphthalein

OH-alk = alkalinitas hidroksida

CO3-alk = alkalinitas karbonat

HCO3-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 : CO2, O2, N2, NH3, NO2 dan H2S.

Gas-gas yang terlarut tersebut pada umumnya tidak menimbulkan korosi kecuali CO2,

O2 dan NH3. Karbon dioksida sesungguhnya adalah suatu asam jika bergabung dengan

air, dan dengan demikian dapat menyerang logam. Reaksi yang terjadi adalah sebagai

berikut :

CO2+ H2O H2CO3 H+ + HCO3 (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 4 Pengolahan Air 4-1

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).



Rough Screens

Sedimentasi Clarification

Aeration

MangeneeeZeolite

Filtration

Adsorption

Lime Softening(cold)

Lime Softening(hot)

Sodium Cation

Dealkalizer

Desilicizer

Elektrodyalisis

ReverseOsmosis

Distilation

Ultrapure water once through boiler1500 psig plus rinsing

DemineralizationProcesses

Low andMediumPressureBoilers

Hydrogen CationWeak and/or strong

Degasification

Anion Weakand/or strong

Mixed bed

Ultra Filtration

Pure WaterLow in solidsBoilersProcess

Clear Water, Paper,Cooling, Rinsing,Potable, Beverage

Almost Exclusivefor low andmedium pressureboilers

Medium Pressure Boilers

Ultimate water electronics Pharmaceautical

Low andMedium BoilersLaudries carwashes, rinses

CoolingFireProtection Paper

Cooling FireProtectionGeneral Utility

Raw water supply

Rinsing Misc ProcessFurther Treatment byIon Exchange

GroupA

Process

GroupB

Process

GroupC

Process(to end)

Gambar 4.1 Proses-proses air secara eksternal



4.1.1 Proses Pendahuluan

Proses-proses pendahuluan yang akan dibahas antara lain : sedimentasi, aerasi,

dan klarifikasi.

4.1.1.1 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 (mm) Nama Partikel

Waktu pengendapan 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.



Inletflume

to sludgedisposal

clarifiedeffluent

effluentflume

tube modules

sludge collector

Gambar 4.2 Bak pengendapan jenis segi empat (rectangular)

tube modules

peripheraleffluent flume

clarifiedeffluent

basininlet

sludge collector

Gambar 4.3 Bak pengendapan jenis lingkaran (circular)

4.1.1.2 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


(i) Koagulasi

Koagulasi adalah proses penetralan partikel-partikel yang ada dalam air

sehingga sesamanya tidak saling tolak menolak dan dapat diendapkan bersama-

sama. 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



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 :

Al2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 (4.1)

6 FeSO4.7H2O + 3 C12 2 Fe(SO4)3 + FeCl3 + H2O (4.2)

Al2(SO4)3 + 3 NaCO3 + 3 H2O 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 + 3 CO2 (4.3)

Al2(SO4)3 + 6 NaOH 2 Al(OH)3 + 3 Na2SO4 (4.4)

Al2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2 2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 (4.5)

Fe2(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2 (4.6)

Fe2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 (4.7)

FeSO4 + Ca(OH)2 Fe(OH)2 + CaSO4 (4.8)

4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O 4 Fe(OH)3 (4.9)

2 FeCl3 + 3 Ca(HCO3)2 2 Fe(OH)3 + 3 CaCl2 + 6 CO2 (4.10)

2 FeCl3 + 3 Ca(OH)2 2 Fe(OH)3 + 3CaCl2 (4.11)

MgCO3 + CaCl2 CaCO3 + MgCl2 (4.12)

Mg(HCO3)2 + 3 Ca(OH)2 Mg(OH)2 + 2 CaCO3 + 2 H2O (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. Langkah-

langkah proses klarifikasi pada alat tersebut dilakukan pada ruangan-ruangan yang

terpisah. Langkah-langkah proses pada alat klarifikasi yang lebih modern dikombi-

nasikan dalam satu alat. Contoh alat tersebut adalah alat jenis solids contact seperti

yang ditunjukkan pada Gambar 4.5.



Gambar 4.4 Klarifikasi air dengan flash mixing, flokulasi, dan pengendapan

Gambar 4.5 Alat klarifikasi dengan pengadukan dan koagulasi dalam alat yang sama

4.1.1.3 Aerasi

Aerasi adalah proses mekanis pencampuran air dengan udara. Tujuan aerasi


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.



2. Menghilangkan gas-gas yang terlarut dalam air terutama yang bersifat korosif.

Contoh gas seperti ini adalah CO2 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 coke-

tray 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



Gambar 4.8 Pressure aerator

4.1.2 Filtrasi

Proses filtrasi bertujuan untuk menahan zat-zat tersuspensi (suspended matter)

dalam suatu fluida dengan cara melewatkan fluida tersebut melalui suatu lapisan yang

berpori-pori, misalnya : pasir, anthracite, karbon dan sebagainya. Fluida dapat berupa

cairan (zat-zat tersuspensi dalam cairan/slurry) atau gas. Zat-zat tersuspensi dapat

berukuran sangat halus atau kasar, kaku atau kenyal, berbentuk bulat atau sangat tidak

beraturan. Produk yang diinginkan dapat berupa filtrat atau padatan (cake).

Pada kondisi tertentu, filtrasi dapat digunakan untuk proses penjernihan air

dengan cara penyaringan langsung terhadap air baku.

Media penyaring (filter) dapat dioperasikan dengan baik untuk jangka waktu

tertentu, jika pressure drop meningkat sampai batas yang diizinkan, maka harus

dilakukan pembersihan filter dengan cara cuci balik (backwashing). Cuci-balik

dilakukan dengan cara mengalirkan air secara berlawanan arah dengan arah aliran pada

saat operasi selama 5 - 10 menit, setelah itu dilakukan pembilasan.

Filter dapat digolongkan menjadi beberapa jenis berdasarkan siklus operasinya

batch atau kontinu, produk yang diinginkan filtrat atau cake atau gaya pendorongnya

(driving force). Jenis filter yang dikenal berdasarkan gaya pendorong yang digunakan

antara lain jenis gravity filter (Gambar 4.9) dan pressure filter (Gambar 4.10)

Pressure filter cukup banyak digunakan karena memiliki beberapa keuntungan,

antara lain :

a. sedikit memerlukan tempat

b. pemasangannya mudah, murah dan cepat



c. unit-unit lain mudah ditambah jika diperlukan

d. mengurangi biaya pemompaan air untuk proses selanjutnya

Pressure filter juga memiliki beberapa kekurangan, antara lain :

a. keadaan media penyaring sukar dilihat

b. keadaan backwashing tidak dapat dilihat langsung

c. kehilangan media penyaring tidak dapat dilihat langsung

Contoh jenis filter yang lain adalah up flow filter (Gambar 4.11). Penamaan filter ini

didasarkan pada arah alirannya yaitu dari bawah ke atas. Ukuran media penyaring

ditentukan dari Uniformity-Coefficient (koefisien keseragaman). Semakin kecil harga

koefisien ini, semakin seragam ukuran media penyaring tersebut.

How filter operates

1. Open valve A (This allows influent to flow to filter). 2. Open valve B (This allows water to flow through filter). 3. During filter operation all other valves are closed.

How filter is backwashed 1. Close valve A. 2. Close valve B when water in filter drops down to top of overflow. 3. Open valves C and D (This allows water from wash-water tank to flow

up through the filtering medium, loosening up the sand and washing the accumulated solids from the surface of the sand, out of the filter. Filter backwash water is returned to head end of treatment plant.

How to filter to waste (if used) 1. Open valves A and E. All other valves closed. Effluent is sometimes

filtered to waste for a few minutes after filter has been washed to condition the filter before it is put into service.

Gambar 4.9 Conventional Gravity Filter



Uniformity coefficient (u) = 10

60

dd

sizeEffectiveUniformity =

dengan :

Uniformity = d60 = ukuran ayakan yang meloloskan 60% wt sampel yang dianalisa.

Effective size = d10 = ukuran ayakan yang meloloskan 10% wt sampel yang dianalisa.

Gambar 4.10 Pressure filter

Gambar 4.11 Up flow filter



4.1.3 Pertukaran Ion

Pertukaran ion secara luas digunakan untuk pengolahan air dan limbah cair,

terutama digunakan pada proses penghilangan kesadahan dan dalam proses

demineralisasi air.

4.1.3.1 Prinsip-prinsip Pertukaran Ion

Pertukaran ion adalah sebuah proses fisika-kimia. Pada proses tersebut senyawa

yang tidak larut, dalam hal ini resin, menerima ion positif atau negatif tertentu dari

larutan dan melepaskan ion lain ke dalam larutan tersebut dalam jumlah ekivalen yang

sama. Jika ion yang dipertukarkan berupa kation, maka resin tersebut dinamakan resin

penukar kation, dan jika ion yang dipertukarkan berupa anion, maka resin tersebut

dinamakan resin penukar anion.

Contoh reaksi pertukaran kation dan reaksi pertukaran anion disajikan pada

reaksi (4.15) dan (4.16) di bawah ini :

Reaksi pertukaran kation :

2NaR (s) + CaCl2 (aq) CaR(s) + 2 NaCl(aq) (4.15) Reaksi pertukaran anion :

2RCl (s) + Na2SO4 R2SO4(s) + 2 NaCl (4. 16) Reaksi (4.15) menyatakan bahwa larutan yang mengandung CaCl2 diolah dengan resin

penukar kation NaR, dengan R menyatakan resin. Resin mempertukarkan ion Na+

larutan dan melepaskan ion Na+ yang dimilikinya ke dalam larutan. Secara ilustratif hal

ini diberikan pada Gambar 4.11. Proses penukaran kation yang diikuti dengan

penukaran anion untuk mendapatkan air demin (demineralized water) diberikan pada

Gambar 4.12. Tahap terjadinya reaksi pertukaran ion disebut tahap layanan (service).

Jika resin tersebut telah mempertukarkan semua ion Na+ yang dimilikinya, maka

reaksi pertukaran ion akan terhenti. Pada saat itu resin dikatakan telah mencapai titik

habis (exhausted), sehingga harus diregenerasi dengan larutan yang mengandung ion

Na+ seperti NaCl. Tahap regenerasi merupakan kebalikan dari tahap layanan. Reaksi

yang terjadi pada tahap regenerasi merupakan kebalikan reaksi (4.15). Resin penukar

kation yang mempertukarkan ion Na+ tahap tersebut di atas dinamakan resin penukar

kation dengan siklus Na. Resin penukar kation dengan siklus H akan mempertukarkan

ion H+ pada tahap layanan dan regenerasi.



H

HH

HH

H

H

HH

H

H

H

HH

H H

H

HH

HH

OH

OH

OHOH

OHOH

OH

OH

DD

DD

D

OH

OHH

OHH

OHH

OHH

OHH

Ca

Ca Na

NaNa

Na

Na

Na

NaNa

NaNa

Na

NaNa

Na

Na

Na

Na

Na

NaNa

NaNa

NaNa

Na

Na

Na

Na

Ca

Ca

Ca

Mg

MgMg

Ca

CaCa

Mg

MgMg

Gambar 4.12 Proses penukaran Gambar 4.13. Proses Demineralisasi

ion Ca dengan Na (Pelunakan)

4.1.3.2 Jenis-jenis Resin Penukar Ion

Berdasarkan jenis gugus fungsi yang digunakan, resin penukar ion dapat

dibedakan menjadi empat jenis, yaitu :

1. resin penukar kation asam kuat

2. resin penukar kation asam lemah

3. resin penukar anion basa kuat, dan

4. resin penukar anion basa lemah

Resin penukar kation mengandung gugus fungsi seperti sulfonat (R-SO3H),

phosphonat (R-PO3H2), phenolat (R-OH), atau karboksilat (R-COOH), dengan R

menyatakan resin. Gugus fungsi pada resin penukar ion asam kuat adalah asam kuat



seperti sulfonat, phosphonat, atau phenolat, dan gugus fungsi pada resin penukar asam

lemah adalah karboksilat.

Gugus fungsi pada resin penukar anion adalah senyawa amina (primer/R-NH2,

sekunder/R-N2H, tersier/R-R'2N) dan gugus ammonium kuartener (R-NR'3/tipe I,

R-R'3N+OH/tipe II), dengan R' menyatakan radikal organik seperti CH3. Resin anion

yang mempunyai gugus fungsi ammonium kuartener disebut resin penukar anion basa

kuat dan resin penukar anion basa lemah mempunyai gugus fungsi selain ammonium

kuartener.

4.1.3.2.1 Resin Penukar Kation Asam Kuat

Resin penukar kation asam kuat yang beroperasi dengan siklus H, regenerasi

dilakukan menggunakan asam HCl atau H2SO4. Reaksi pada tahap layanan adalah

sebagai berikut :

Ca SO4 Ca H2SO4 Mg Cl Mg 2HCl

2Na 2HCO3 2Na 2H2CO3 Fe 2NO3 (aq)

+2HR(s) 2R

Fe (s)

+

2HNO3 (aq)

(4.17)

Konsentrasi asam keseluruhan yang dihasilkan oleh reaksi (4.17) disebut Free Mineral

Acid (FMA). Jika nilai FMA turun, berarti kemampuan resin mendekati titik-habis dan

regenerasi harus dilakukan. Reaksi pada tahap regenerasi adalah sebagai berikut :

Ca CaCl2 Mg MgCl2 2Na 2NaCl

2R

Fe (s)

+ 2HCl(aq) 2HR(s) +

2FeCl2 (aq)

(4.18)

4.1.3.2.2 Resin Penukar Kation Asam Lemah

Gugus fungsi pada resin penukar kation asam lemah adalah karboksilat (R-

COOH). Jenis resin ini tidak dapat memisahkan garam yang berasal dari asam kuat dan

basa kuat, tetapi dapat menghilangkan kation yang berasal dari garam bikarbonat untuk

membentuk asam karbonat, atau dengan kata lain resin ini hanya dapat menghasilkan

asam yang lebih lemah dari gugus fungsinya.

Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap layanan untuk resin penukar kation asam

lemah dengan siklus H, dinyatakan oleh reaksi-reaksi berikut ini :



Ca Ca Mg Mg 2Na 2Na Fe (aq)

2HCO3 + 2 HR(s) 2R

Fe (s)

+ 2H2CO3(aq) (4.19)

Larutan regenerasi dan reaksi yang terjadi pada tahap regenerasi identik dengan resin

penukar kation asam kuat.

4.1.3.2.3 Resin Penukar Anion Basa Kuat

Resin penukar kation asam kuat siklus hidrogen akan mengubah garam-garam

terlarut menjadi asam (reaksi 4.18), dan resin penukar anion basa kuat akan

menghilangkan asam-asam tersebut, termasuk asam silikat dan asam karbonat. Reaksi-

reaksi yang terjadi pada tahap layanan dan regenerasi adalah sebagai berikut :

Operasi layanan :

H2SO4 SO4 2HCl 2Cl 2NO3 (aq)

+ 2ROH(s) 2R2NO3 (s)

+ 2H2O (4.20)

H2CO3 HCO3 H2SiO3 (aq)

+ ROH(s) RHSiO3 (s)

+ H2O (4.21)

Regenerasi :

SO4 Na2SO4 2R 2Cl 2NaCl

2NO3 (aq) + 2NaOH(aq) 2ROH(s) +

2NaNO3 (s) (4.22)

HCO3 NaHCO3 R HSiO3 (s)

+ NaOH(aq) ROH(s) +NaHSiO3 (aq)

(4.23)

4.1.3.2.4 Resin Penukar Anion Basa Lemah

Resin penukar anion basa lemah hanya dapat memisahkan asam kuat seperti HCl

dan H2SO4 , tetapi tidak dapat menghilangkan asam lemah seperti asam silikat dan asam

karbonat, oleh sebab itu resin penukar anion basa lemah acap kali disebut sebagai acid

adsorbers. Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap layanan adalah sebagai berikut :

H2SO4 + 2RNH2(s) 2RNH2 SO4 (4.24)



2HCl 2Cl 2NO3 (aq)

2NO3 (s)

Resin penukar anion basa lemah dapat diregenerasi dengan NaOH, NH4OH atau N2CO3

seperti ditunjukkan oleh reaksi di bawah ini :

SO4 H2SO4 3RNH2 2Cl 2HCl

2NO3 + NaOH 2RNH2

2 HNO3 (4.25)

4.1.3.3 Operasi Sistem Pertukaran Ion

Operasi sistem pertukaran ion dilaksanakan dalam empat tahap, yaitu :

1. tahap layanan (service)

2. tahap pencucian balik (backwash)

3. tahap regenerasi, dan

4. tahap pembilasan

Tahapan-tahapan tersebut dapat pula dilihat pada Gambar 4.14

acid

1. In service 2. Backwash 3. Cation regeneration

caustic

4. Anion regeneration 5. Rinse 6. Drain

9. Rinse8. Refill7. Air mix Gambar 4.14 Tahapan-tahapan operasi dalam sistem pertukaran ion



4.1.3.3.1 Tahap Layanan

Tahap layanan adalah tahap dimana terjadi reaksi pertukaran ion, seperti

ditunjukkan oleh reaksi-reaksi (4.17), (4.19), (4.20), (4.21) dan (4.24) di atas. Watak

tahap layanan ditentukan oleh konsentrasi ion yang dihilangkan terhadap waktu, atau

volume air produk yang dihasilkan.

Hal yang penting pada tahap layanan adalah kapasitas (teoritik dan operasi) dan

beban pertukaran ion (ion exchange load). Kapasitas pertukaran teoritik didefinisikan

sebagai jumlah ion secara teoritik yang dapat dipertukarkan oleh resin per satuan massa

atau volume resin. Kapasitas pertukaran ion teoritik ditentukan oleh jumlah gugus

fungsi yang dapat diikat oleh matriks resin. Kapasitas operasi adalah kapasitas resin

aktual yang digunakan untuk reaksi pertukaran pada kondisi tertentu. Beban pertukaran

ion adalah berat ion yang dihilangkan selama tahap layanan dan diperoleh dari hasil kali

antara volume air yang diolah selama tahap layanan dengan konsentrasi ion yang

dihilangkan. Tahap layanan ini dilakukan dengan cara mengalirkan air umpan dari atas

(down flow).

4.1.3.3.2 Tahap Pencucian Balik

Tahap pencucian balik dilakukan jika kemampuan resin telah mencapai titik

habis. Sebagai pencuci digunakan air produk. Pencucian balik mempunyai sasaran

sebagai berikut :

1. pemecahan resin yang tergumpal

2. penghilangan partikel halus yang terperangkap dalam ruang antar resin

3. penghilangan kantong-kantong gas dalam unggun, dan

4. pembentukan ulang lapisan resin Pencucian balik dilakukan dengan pengaliran

air dari bawah ke atas (up flow). Pada tahap ini terjadi pengembangan unggun

antara 50 hingga 70%.

4.1.3.3.3 Tahap Regenerasi

Tahap regenerasi adalah operasi penggantian ion yang terserap dengan ion awal

yang semula berada dalam matriks resin dan pengembalian kapasitas ke tingkat awal

atau ke tingkat yang diinginkan.

Larutan regenerasi harus dapat menghasilkan titik puncak (mengembalikan

waktu regenerasi dan jumlah larutan yang digunakan). Jika sistem dapat dikembalikan



ke kemampuan pertukaran awal, maka ekivalen ion yang digantikan harus sama dengan

ion yang dihilangkan selama tahap layanan. Jadi secara teoritik, jumlah larutan

regenerasi (dalam ekivalen) harus sama dengan jumlah ion (dalam ekivalen) yang

dihilangkan (kebutuhan larutan regenerasi teoritik). Operasi regenerasi agar resin

mempunyai kapasitas seperti semula sangat mahal, oleh sebab itu maka regenerasi

hanya dilakukan untuk menghasilkan sebagian dari kemampuan pertukaran awal. Upaya

tersebut berarti bahwa regenerasi ditentukan oleh tingkat regenerasi (regeneration

level) yang diinginkan. Tingkat regenerasi dinyatakan sebagai jumlah larutan regenerasi

yang digunakan per volume resin. Perbandingan kapasitas operasi yang dihasilkan pada

tingkat regenerasi tertentu dengan kapasitas pertukaran yang secara teoritik yang dapat

dihasilkan pada tingkat regenerasi itu disebut efisiensi regenerasi. Efisiensi regenerasi

resin penukar kation asam kuat yang diregenerasi dengan H2 anion basa kuat yang

diregenerasi dengan NaOH antara 20-50%, oleh sebab itu pemakaian larutan regenerasi

2-5 kali lebih besar dari kebutuhan teoritik. Pada resin penukar kation asam lemah dan

resin penukar anion basa lemah efisiensi dapat mendekati harga 100%, atau dengan kata

lain kebutuhan larutan regenerasi untuk resin penukar golongan lemah lebih sedikit. Hal

tersebut dapat dijelaskan dengan dua alasan. Pertama, kekariban resin golongan lemah

dengan ion H dan ion OH lebih besar dibandingkan dengan resin golongan kuat. Kedua,

nilai koefisien selektivitas untuk regenerasi adalah kebalikan dari koefisien selektivitas

untuk pertukaran awal.

Besaran untuk menyatakan tingkat efisiensi penggunaan larutan regenerasi

adalah nisbah regenerasi (regeneration ratio) yang didefinisikan sebagai berat larutan

regenerasi dinyatakan dalam ekivalen atau gram CaCO3 dibagi dengan beban pertukaran

ion yang dinyatakan dalam satuan yang sama. Semakin rendah nisbah regenerasi,

semakin efisien penggunaan larutan regenerasi. Harga nisbah regenerasi merupakan

kebalikan harga efisiensi regenerasi. Operasi regenerasi dilakukan dengan mengalirkan

larutan regenerasi dari atas.

4.1.3.3.4 Tahap Pembilasan

Tahap pembilasan dilakukan untuk menghilangkan sisa larutan regenerasi yang

terperangkap oleh resin. Pembilasan dilakukan menggunakan air produk dengan aliran

down flow dan dilaksanakan dalam dua tingkat, yaitu :



1. tingkat laju alir rendah untuk menghilangkan larutan regenerasi, dan

2. tingkat laju alir tinggi untuk menghilangkan sisa ion.

Limbah pembilasan tingkat laju alir rendah digabungkan dengan larutan garam dan

dibuang, sedangkan limbah pembilasan tingkat laju alir tinggi disimpan dan digunakan

sebagai pelarut senyawa untuk regenerasi.

4.1.3.3.5 Penghilangan Gas (Deaerator)

Penghilangan gas dilakukan sebelum air keluaran kolom kation diolah di kolom

resin penukar anion dimaksudkan untuk mengurangi beban pertukaran pada kolom

penukar anion, yang berarti juga mengurangi penggunaan larutan regenerasi. Setelah

tahap pertukaran kation di resin penukar kation siklus hidrogen, alkalinitas bikarbonat

yang dikandung dalam air umpan akan dikonversi menjadi asam karbonat dan karbon

dioksida, seperti disajikan pada reaksi (4.26) di bawah ini :

CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-

Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut : karena air keluaran resin penukar

kation bersifat asam, maka reaksi kesetimbangan di atas akan bergeser ke kiri. Air yang

diolah di kolom degasifier mengandung karbon dioksida yang ekivalen dengan

alkalinitas bikarbonat ditambah dengan jumlah karbon dioksida yang larut dalam air

tersebut.

Cara kerja kolom degasifier mengikuti teori-teori yang berlaku untuk proses

stripping (pelucutan). Kandungan CO2 dalam air dilucuti menggunakan udara yang

dihembuskan oleh blower (Gambar 4.15) atau secara vakum (Gambar 4.16). Pemakaian

kolom degasified dapat mengurangi kandungan karbon dioksida menjadi 5 mg/l.

Gambar 4.15 Penghilangan gas dengan menggunakan blower (Forced Draft Aerator)



Gambar 4.16 Deaerator secara vakum

4.2 Pengolahan Internal

Pengolahan air secara internal (internal water treatment) adalah proses

penambahan/penginjeksian suatu atau beberapa bahan kimia (chemicals) ke dalam air

yang akan digunakan untuk proses maupun pendukung proses. Pengolahan air secara

internal merupakan proses yang esensial, terlepas dari kenyataan apakah air itu diolah

atau sebelumnya. Oleh karena itu, pengolahan eksternal dalam beberapa hal tidak

diperlukan, sehingga air dapat langsung diolah dengan cara pengolahan internal saja.

Keuntungan pengolahan air secara internal adalah meniadakan kebutuhan

peralatan pengolahan eksternal yang ekstensif . Hal ini merupakan keuntungan dalam

segi ekonomi. Selain itu, kesederhanaan program pengolahan secara internal

memungkinkan penghematan dalam tenaga kerja untuk pengumpanan dan

pengendalian.

Masalah-masalah umum yang membutuhkan pengolahan internal adalah :

(1) Masalah korosi

Untuk mencegah korosi dan scale digunakan bahan-bahan anorganik seperti kromat,

seng, orthophospat maupun bahan organik seperti polimer sintetik, organic nitrogen

compounds, dan organic phosphorous compounds. Kekurangan penggunaan

poliphospat adalah jika poliphospat berubah menjadi orthophospat, yang dapat

bereaksi dengan kalsium membentuk calsium phospat scale. Untuk mencegah ini pH

sistem perlu dijaga sekitar 7,0 dan juga perlu ditambahkan polimer sintetik untuk

menstabilkan calsium poliphospat.



(2) Masalah pembentukan kerak

Bahan-bahan kimia yang biasa digunakan untuk menghambat terjadinya deposit :

a. Threshold inhibitor

Bahan kimia jenis ini adalah poliphospat dan organophosphorous dan polimer

seperti poliacrilatea dapat digunakan untuk mengurangi pengendapan yang

ditimbulkan kalsium, besi dan mangan.

b. dispersant

Bahan kimia jenis ini adalah polielektrolit. Tujuan dari bahan kimia ini adalah

untuk mencegah pengendapan dari dari padatan yang tersuspensi.

c. Surfactants

Bahan kimia yang digunakan untuk mencegah deposit padatan dengan cara ini

adalah surface active agents. Bahan-bahan kimia jenis ini mengakibatkan padatan-

padatan tersuspensi tetap bergerak dalam air sehingga mencegah deposit. Surface

active agents yang biasa digunakan untuk mencegah terjadinya deposit akibat

mikroorganisme adalah dengan penambahan biocides. Biocide ini dapat digunakan

untuk membunuh koloni mikroba. Biocide yang sering digunakan adalah chlorine,

yang efektif bekerja pada pH 7,0. Bahan kimia lain yang sering digunakan adalah

bromide, karena bromide tetap efektif pada pH tinggi.

d. Pengubah susunan kristal

Contoh dari bahan kimia jenis ini adalah tannin, lignin, dan polimer sintetik.

Dengan penambahan bahan kimia jenis ini, deposit tetap terbentuk tapi dengan

struktur yang lemah, sehingga mudah dihancurkan.

Bab 5 Pengolahan Air Umpan Ketel 5-1

BAB 5

PENGOLAHAN AIR UMPAN KETEL

Kebutuhan energi dan sistem pemanasan dalam industri umumnya dipenuhi

dengan cara memanfaatkan steam yang dibangkitkan dalam suatu ketel (boiler).

Air yang berasal dari sungai, danau, dan sumur, tidak dapat langsung digunakan

untuk air umpan ketel. Air yang digunakan harus diolah terlebih dahulu, karena jika

tidak, maka masa pakai ketel akan berkurang.

5.1 Persyaratan Air Umpan Ketel

Penggunaan air umpan ketel yang tidak memenuhi persyaratan akan

menimbulkan beberapa masalah, antara lain :

i. Pembentukan kerak

ii. Terjadinya korosi

iii. Pembentukan busa

Pembentukan Kerak Ketel

Kerak pada ketel dapat terjadi karena pengendapan (precipitation) langsung dari

zat pengotor pada permukaan perpindahan panas, atau karena pengendapan zat

tersuspensi dalam air yang kemudian, melekat pada logam dan menjadi keras. Kerak

dapat mengakibatkan terjadinya pemanasan-lanjut setempat (local overheating) dan

logam ketel gagal berfungsi (failure). Macam-macam kerak yang dapat terbentuk akibat

senyawa-senyawa impurities pada air umpan ketel ditunjukkan pada Tabel 5.1.

Korosi pada Ketel

Pengertian korosi secara sederhana adalah perubahan kembali logam menjadi

bentuk bijihnya. Proses korosi sebenarnya merupakan proses elektrokimia yang rumit

dan kompleks. Korosi dapat menimbulkan kerusakan yang luas pada permukaan logam.

Penyebab utama timbulnya korosi, antara lain :

i. pH air yang rendah

ii. Gas-gas yang terlarut dalam air seperti : O2, CO2, dan lain-lain

iii. Garam-garam terlarut dan padatan tersuspensi

Kontak antara permukaan logam dan air menyebabkan terjadinya reaksi korosi sebagai

berikut :

Fe + 2 H2O Fe(OH)2 + H2 (5.1)


Bab 5 Pengolahan Air Umpan Ketel 5-2

Reaksi di atas pada suatu saat akan mencapai keadaan kesetimbangan dan korosi tidak

akan berlanjut; akan tetapi adanya oksigen terlarut dan pH air yang rendah akan

mengakibatkan terganggunya kesetimbangan dan reaksi bergeser ke sebelah kanan.

Reaksi yang terjadi akibat a

29738382 diktat pengolahan dan penyediaan air

Documents