Nama : Hazmi Azhari

Nim : D14112010

B A B II

K I M I A A I R2.1. PENDAHULUAN

Tubuh manusia terdiri dari 60 -70 % air. Transportasi zat-zat makanan pada tubuh semuanya dalam bentuk larutan dengan pelarut air. Begitu juga dengan unsur hara pada tanah yang hanya dapat diserap oleh akar dalam bentuk larutan. Sebagian besar keperluan air sehari-hari berasal dari PAM (air ledeng) yang sumber bahan bakunya berasal dari air tanah dan sungai.

Kimia Air (Aquatic Chemistry) merupakan ilmu yang berhubungan dengan air sungai, danau dan lautan, juga air tanah dan air permukaan meliputi distribusi dan sirkulasi dari bahan-bahan kimia dalam perairan alami serta reaksi-reaksi kimia dalam air.

2.2. SUMBER DAN KEGUNAAN AIR

Kualitas air yang buruk disebabkan adanya berbagai jenis bakteri pathogen dan kandungan bahan-bahan kimia berbahaya yang dapat membunuh jutaan manusia terutama di negara-negara berkembang. Suplai air dunia didapatkan dari siklus hidrologi, seperti gambar 2.1 berikut ini.

Sebagian besar dari air ditemukan dalam bentuk lautan dan samudra, sementara yang lainnya dalam bentuk uap air di

atmosfer. Air dalam bentuk padat juga ditemukan dalam bentuk salju di daerah kutub utara dan selatan.

Air permukaan terdapat dalam danau, sungai, dan sumber air lainnya, sedangkan air tanah (ground water) terdapat di dalam tanah. Air tanah dapat melarutkan mineral bahan induk dari tanah yang dilewatinya. Sebagian besar mikroorganisme yang semula ada dalam air tanah berangsur-angsur disaring sewaktu air meresap dalam tanah.

Terdapat perbedaan antara air tanah dan air permukaan, yaitu adanya kandungan berbagai zat baik yang terlarut maupun yang tersuspensi dalam perjalanan menuju laut. Air permukaan yang terkumpul di waduk atau danau mengandung nutrisi penting untuk pertumbuhan ganggang serta mengandung bahan organik yang mudah terurai dalam konsentrasi tinggi secara normal sehingga akan mengandung bakteri dalam jumlah tinggi pula dan dapat memengaruhi kualitas air permukaan.

Adanya keterkaitan antara lapisan air (hydrosphere) dan lapisan tanah/lahan (geosphere) dipengaruhi oleh kegiatan manusia, misalnya hutan yang berubah menjadi lahan pertanian. Akibat hal tersebut yaitu meningkatnya limpasan air, erosi, dan akumulasi dari lumpur dalam badan air (sungai) serta dapat meningkatkan unsur hara di permukaan air, sehingga siklus nutrient akan dipercepat dan mempengaruhi karakteristik kimia dan biologi dari badan air.

Air yang digunakan oleh manusia adalah air permukaan tawar dan air tanah murni. Pada daerah kering sebagian kebutuhan airnya berasal dari lautan. Meningkatnya kebutuhan air ini tidak hanya disebabkan meningkatnya jumlah penduduk, melainkan adanya peningkatan taraf hidup seperti kebutuhan air untuk keperluan rumah tangga, industri, rekreasi, dan pertanian.

2.3. SIFAT-SIFAT YANG UNIK DARI AIR

Ilmu yang mempelajari tentang air baik sifat kimia, sifat fisik, dan biologi air disebut Ilmu Hidrologi, yang terbagi menjadi dua cabang, yaitu Limnologi yang mempelajari sifat-sifat air tawar dan Oseanografi yang mempelajari tentang lautan.

Air merupakan senyawa kimia yang terdiri dari atom H dan O yang memiliki ikatan kovalen antara satu atom O dengan dua atom H. Antar molekul air bergabung dengan ikatan hydrogen antara atom H dan atom O. Hal inilah yang menyebabkakn air mempunyai sifat-sifat yang khas seperti terlihat pada table 2.1.

Tabel 2.1 Sifat-sifat penting dari air

SIFAT EFEK & KEGUNAANNYA

Pelarut yang sangat baik Transport zat makan dan bahan buangan yang dihasilkan proses biologi

Konstanta dielektrik paling tinggi diantara cairan murni lainnya

Kelarutan dan ionisasi dari senyawa ini tinggi dalam larutannya

Tegangan permukaan lebih tinggi daripada cairan lainnya

Faktor pengendali dalam fisiologi membentuk fenomena tetes dan permukaan

Transparan terhadap cahaya tampak dan sinar yang mempunyai panjang gelombang lebih besar dari ultraviolet

Tidak berwarna, mengakibatkan cahaya yang dibutuhkan untuk fotosintesis mencapai kedalaman tertentu.

Bobot jenis tertinggi dalam bentuk cairan (fasa cair) pada 40C

Air beku (es) mengapung, sirkulasi vertikal menghambat stratifikasi badan air.

Panas penguapan lebih tinggi dari material lainnya

Menentukan transfer panas dan molekul air antara atmosfer dan badan air.

Kapasitas kalor lebih tinggi dibandingkan dengan cairan lain kecuali ammonia

Stabilisasi dari temperatur organisme dan wilayah geografis

Panas laten dan peleburan lebih tinggi daripada cairan lain kecuali ammonia

Temperatur stabil pada titik beku.

Air merupakan pelarut yang sangat baik, sehingga air yang ada di Bumi tidak pernah terdapat dalam bentuk keadaan murni, tetapi selalu ada senyawa atau mineral/unsur lain yang terdapat didalamnya. Tak hanya itu, konstantan dielektrik yang tinggi pada air menyebabkan banyak senyawa ionis berdisosiasi dalam air. Kapasitas kalor air yang cukup tinggi yaitu 1 kal.g -

1.C-1 menyebabkan kalor yang diperlukan untuk merubah suhu dari sejumlah massa air cukup tinggi pula. Dengan kalor penguapan yang sangat tinggi yaitu 585 kal.g-1 pada suhu 200C dapat menjaga kestabilan suhu badan air dan wilayah geografi sekitarnya sehingga mempengaruhi perpindahan kalor dan uap air antar badan air dan atmosfer.

2.4. SIFAT-SIFAT UNIK BADAN AIR

Air permukaan terdapat dalam bentuk aliran sungai, danau, dan waduk/kolam. Danau dapat diklasifikasikan menjadi tiga, yakni:

a. Danau Oligotropik yaitu danau yang relatif muda, dalam, berair jernih, kurang mengandung zat hara, akibatnya kurang produktif untuk aktivitas biologis.

b. Danau Eutropik yaitu danau yang lebih banyak mengandung zat hara sehingga airnya agak keruh dan lebih banyak menunjang kehidupan akuatik. Danau tipe ini umurnya lebih tua dibanding Oligotropik.

c. Danau Dystropik yaitu danau yang dangkal, dipenuhi dengan tumbuhan air dan biasanya airnya berwarna serta mempunyai pH yang rendah. Danau tipe ini merupakan danau yang umurnya lebih tua.

Aliran sungai diklasifikasikan dalam empat tahapan, yaitu stadium lahir, muda, dewasa, dan umur tua. Pada stadium lahir, sungai belum tererosi, air tanah berperan penting pada stadium ini sehingga kalau musim kemarau sungai muda masih didukung oleh aliran air tanah tetapi aliran sungai berjalan secara kontinu. Sungai dewasa, air singai umumnya bersih dan lebih dalam dibanding sungai muda. Sedangkan sungai tua lebih dalam lagi dan hampir mencapai tingkat dasar geologinya.

Adanya hubungan antara suhu dengan bobot jenis air menyebabkan pembentukan lapisan yang berbeda dalam badan air, terutama air danau seperti pada gambar 2.2 berikut.

Gambar 2.2. Stratifikasi sebuah danau

Selama musim panas, lapisan permukaan danau atau epilimnion dipanaskan oleh radiasi matahari sehingga bobotnya lebih kecil. Lapisan ini mengapung di atas lapisan dasar atau hypolimnion. Lapisan diantaranya disebut thermoclyne, dimana terjadi fenomena stratifikasi termal.

Lapisan epliminion yang mendapat sinar matahari langsung yang menyebabkan ganggang tumbuh amat subur. Dari hasil fotosintesis, epliminion mengandung oksigen terlarut (DO) yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan lapisan lainnya yang bersifat aerobic. Di hypolimnion, bahan-bahan organik mudah diruaikan oleh bakteri pengurai yang menyebabkan air di lapisan ini kekurangan oksigen sehingga bersifat anaerobic.

Selama musim gugur, suhu eplimnion dingin. Pada saat suhu eplimnion dan hypolimnion sama, seluruh badan air mempunyai suhu yang tidak berbeda. Hilangnya stratifikasi termal ini menyebabkan badan air mempunyai satu satuan hidrologi dan proses pencampuran yang terjadi dikenal sebagai peristiwa pembalikan (turn-over). Selama peristiwa pembalikan, sifat fisika dan kimia badan air menjadi lebih seragam.

Tipe lain dari badan air adalah estuaria yang terbentuk oleh pertemuan aliran air tawar ke dalam air asin (air laut) sehingga badan air ini mempunyai sifat kimia dan biologi yang unik. Estuaria merupakan daerah tempat berkembang biaknya kebanyakan kehidupan laut.

2.5. SIFAT-SIFAT KIMIA PERAIRAN

Secara alamiah air tidak pernah dijumpai dalam keadaan benar-benar murni. Ketika air mengembun diudara dan jatuh dipermukaan bumi, air tersebut telah menyerap debu atau melarutkan oksigen, karbon dioksida, dan berbagai jenis gas lainnya. Kemudian air tersebut mengalir diatas maupun dibawah permukaan tanah dan melarutkan berbagai jenis batuan yang dilaluinya atau zat organik lainnya seperti nitrit, nitrat, ammonia, dan karbon dioksida. Hal ini menyebabkan kesukaran dalam menjelaskan sifat kimia dari perairan sebagai sistem terbuka yang mempunyai variabel input dan output dari energi dan materi. Maka dari itu penggambaran yang tepat dari sifat kimia perairan yaitu:

a. Alkalinitas

Kapasitas air untuk menerima protein disebut alkalinitas. Hal ini penting dalam perlakuan seperti pada proses pengolahan air limbah industri atau limbah domestik. Dengan menghitung alkalinitas maka dapat dihitung jumlah bahan kimia yang harus ditambahkan dalam pengolah air limbah. Air yang sangat alkali atau bersifat basa sering mempunyai pH tinggi dan mengandung padatan terlarut yang tinggi. Sifat ini dapat menurunkan kegunaanya untuk keperluan dalam tangki uap, prosesing makanan dan sistem saluran air dalam kota.

Pada umumnya, komponen utama yang memegang peran dalam menentukan alkalinitas perairan adalah ion bikarbonat, ion karbonat dan ion hidroksil. Selain itu ada juga ammonia dan konyugat basa dari asam fosfat, silikat, borat, dan asam organik.

HCO3- + H+ CO2 + H2O

CO32- + H+ HCO3

-

OH- + H+ H2O

Alkalinitas umumnya dinyatakan sebagai alkalinitas fenolftalein yaitu proses situasi dengan asam untuk mencapai pH 8,3. HCO3

- merupakan ion terbanyak dan alkalinitas total yang

menyatakan situasi dengan asam menuju titik akhir indikator metil jingga (pH 4,3) yang ditunjukkan oleh berubahnya kedua jenis ion karbonat dan bikarbonat menjadi CO2.

Kalau pH merupakan faktor intensitas, maka alkalinintas merupakan faktor kapasitas dimana kapasitas itu merupakan kapasitas air tersebut untuk menetralkan asam. Oleh karena itu, penambahan alkalinintas lebih banyak dibutuhkan untuk mencegah supaya air itu tidak menjadi asam.

Kebanyakan air alami alkalinitas disebabkan oleh adanya HCO3- dan sedikit adanya CO3

2- , dan air dengan alkalinitas tinggi mempunyai konsentrasi karbon organik yang tinggi.

b. Aciditas

Asiditas merupakan kapasitas air untuk menetralkan OH-. Penyebab asiditas yaitu adanya asam lemah seperti HPO4

2-, H2PO4-, CO2, HCO3-, protein dan ion-ioin logam yang bersifat asam terutama Fe3+. Penentuan asiditas lebih sukar dibandingkan alkalinitas karena adanya zat CO2 dan H2S yang mudah menguap.

Istilah asam mineral bebas dipakai dalam asam kuat seperti H2SO4 dan HCl dalam air. Air tambang asam mengandung asam mineral bebas dengan konsentrasi yang cukup berarti. Bila total asiditas ditentukan oleh situasi dengan basa sampai pada titik akhir fenolftalein (pH 8,2), maka asam mineral bebas ditentukan oleh situasi dengan basa sampai pada titik akhir indikator metil jingga pH 4,3. Pada pengolahan air limbah, penentuan asiditas diperlukan untuk menghitung jumlah kapur atau zat lain yang harus ditambahkan dalam proses pembiakan air limbah.

c. Terjadinya Senyawa Kompleks

Dalam air, ion logam dapat bergabung dengan ion negatif atau dengan senyawa netral membentuk sebuah kompleks atau senyawa koordinasi. Sebuah kompleks mengandung atom logam pusat dimana terikat elektron yang dimiliki oleh ligan sebagai donor electron. Ligan tersebut terdapat dalam daerah lengkung koordinasi atom logam pusat, tergantung dari jenis ikatan yang terjadi. Oleh sebab itu, ligan dari banyak senyawa kompleks akan berubah dengan cepat pada larutan yang berbeda. Senyawa kompleks berinti banyak mengandung dua atau lebih atom logam yang terikat bersama melau jembatan ligan, misal:

Cd2+ + CN- CdCN+

Dalam contoh tersebut, ligan sianida disebut sebagai ligan unidentat, yang berarti hanya mempunyai satu tempat untuk mengadakan ikatan pada ion logam pusat kadnium. Kompleks yang paling penting adalah senyawa kompleks dengan senyawa pengkelat, yaitu senyawa yang dapat mengikat lebih dari satu atom yang terdapat pada sebuah ion logam pusat pad suatu waktu membentuk struktur cincin. Ion pyrofosfat (P2O2

4-) mengikat pada dua tempat terhadap sebuah ion kalsium membentuk sebuah kelat.

Kelat lebih stabil dibandingkan kompleks yang melibatkan ligan unidentat karena mampu berikatan dengan sebuah ion logam pada lebih dari satu tempat secara simultan. Ligan yang ditemukan pada perairan terdiri dari berbagai macam gugus fungsi senyawa organik yang dapat memberikan elektron yang dibutuhkan untuk mengikat ligan pada ion logam, seperti gugus fungsi karboksilat, amino aromatic, fenoksida, dan fosfat.

Kompleks ligan dengan ion logam umumnya terjadi secara alamiah dalam perairan yang tidak tercemar dalam sistem biologi (Mg2+, Ca2+, MN2+, Fe2+, Cu2+, Zn2+, VO2+). Ion ini dapat mengikat ion logam kontaminan umum seperti CO2+, Ni2+, Sr2+, Cd2+, dan Ba2+. Pembentukan ion kompleks dalam perairan menyebabkan perubahan bilangan oksidasi logam.

d. Pentingnya Senyawa Kompleks Dalam Perairan

Banyaknya ion logam dalam sistem perairan yang membentuk ion kompleks menyebabkan berbagai macam pengaruh seperti:

1. Hilangnya ion logam dalam larutan.2. Perubahan potensial redoks yang ada.3. Pembetukan kompleks juga melarutkan ion dari senyawa logam tidak larut.

Senyawa kompleks seperti besi dalam senyawa hemoglobin dan magnesium dalam klorofil merupakan senyawa vital dalam proses kehidupan. Zat pengkompleks organik, asam humat, dan asam sulfat mengikat ion logam dengan kuat. Sedangkan zat kompleks sintesis seperti natrium-tripolifosfatm, natrium etilendiamin tetra asam (ETDA), natrium sitrat, dan natrium nitriloasetat (NTA) yang hampir ditemukan di sepanjang perjalanan sember buangan sampai ke sistem perairan.

Pupuk fosfat cair (Ammonium polifosfat) merupakan sumber pencemar karena dapat bertindak sebagai zat pengkelat, melarutkan ion logam dari hara mikro dalam tanah dan menjadikan logam esensial lebih berguna bagi tanaman.

Beberapa logam dalam jumlah sedikit dan penting untuk pertumbuhan ganggang diantaranya Cu, Fe, Zn, Ca, Mn, dan Mo. Logam ini membentuk kelat logam yang relatif kuat.

EDTA digunakan dalam pengolahan makanan karena dapat mengkelat ion logam dan menghilangkan rasa logam. Sedangkan pada air pendingin atau air pemanas masakan untuk menghindari pembentukan karat. Berikutu adalah rumus ion ethylene diamine tetra acetate (EDTA).

2.6. MIKROORGANISME SEBAGAI KATALIS REAKSI KIMIA PERAIRAN

Mikroorganisme seperti bakteri, cendawan, dan ganggang merupakan katalis hidup yang dapat mempengaruhi sejumlah proses kimia yang terjadi dalam air dan tanah. Sebagaian reaksi tersebut terjadi dalam perairan dan melibatkan proses oksidasi-reduksi melalui perantara bakteri.

a. Ganggang

Dalam ekosistem akuatik, ganggang merupakan organisme mikroskopis yang berfungsi sebagai produsen hidup dari hara anorganik dan menghasilkan bahan organik dari karbon dioksida melalui reaksi fotosintesis. Hara-hara yang dibutuhkan oleh ganggang diantaranya karbon yang berasal dari CO2 atau HCO3-, nitrogen dalam bentuk NO3-, fosfor dalam bentuk ortofosfat, belerang dalam bentuk SO4

2-, natrium, kalsium, magnesium, besi, kobalt, dan molibden. Ganggang digolongkan sebagai produsen karena menggunakan energi matahari dan menyimpannya sebagai energi kimia yang terkandung dalam biomas.

Tanpa adanya cahaya, ganggang memetabolisme bahan organik secara non fotosintetik yaitu proses metabolisme yang menggunakan energi kimia dari degradasi simpanan pati atau lemak maupun dari konsumsi protoplasma itu sendiri.

b. Cendawan

Cendawan tidak tumbuh baik dalam air namun memainkan peran yang cukup besar dalam komposisi air karena produksi yang cukup banyak dari hasil dekomposisi oleh cendawan darat yang akhirnya masuk ke perairan.

Cendawan merupakan organisme non fotosintetik yang membutuhkan oksigen untuk kehidupannya (organisme aerobic), umunya tumbuh subur dalam media yang lebih asam dari bakteri dan lebih toleran terhadap konsentrasi ion logam berat yang lebih tinggi dibandingkan bakteri. Cendawan dan beberapa jenis bakteri menghancurkan senyawa organik kompleks menjadi senyawa yang sederhana, sehingga memerlukan energi yang dibutuhkan untuk pertumbuhuan dan metabolismenya.

c. Bakteri Dan Klasifikasinya

Bakteri dapat dibagi menjadi dua golongan utama yaitu autotropik dan heterotropik. Untuk pertumbuhannya, bakteri autotropik tidak bergantung dari bahan organik, hidup dengan sempurna dalam anorganik, menggunakan karbon dioksida atau jenis karbonat lainnya sebagai sumber karbon dan sumber energi yang digunakan tergantung dari jenis bakterinya. Contoh dari jenis bakteri ini adalah gallionela yang memanfaatkan oksigen untuk tumbuh dalam suatu medium yang mengandung NH4Cl, fosfat, garam-garam mineral, dan CO2- sebagai sumber karbon serta FeS sebagai sumber energi.

4 FeS + 9 O2 + 10 H2O 4 Fe (OH)3 + 4 SO42- + 8 H+

Dengan bahan anorganik paling sederhana, bakteri autotropik mensintesis semua protein yang kompleks, enzim, dan bahan lainnya yang dibutuhkan dalam proses kehidupan secara proses kimia. Hal ini menyebabkan konsumsi dan produksi bakteri autotropik meliputi kisaran mineral yang luas dan ikut serta dalam perubahan biokimia.

Bakteri heterotropik tergantung dari senyawa organik baik untuk energinya maupun yang karbon yang diperlukan untuk pembentukan biomasnya serta lebih banyak terdapat diperairan dibandingkan bakteri autotropik. Bakteri ini merupakan mikroorganisme yang dalam ekosistemnya berfungsi menghancurkan bahan organik pencemar dalam perairan, buangan organik, dan proses pengolahan air buangan (air limbah) secara biologis.

Klasifikasi lain dari bakteri yaitu kebutuhan oksigen molekuler sebagai bakteri aerobic dan anaerobic. Bakteri aerobic membutuhkan oksigen sebagai akseptor (penerima) elektron, seperti terlihata pada reaksi berikut.

O2 + 4 H+ + 4 e- 2 H2O

Sementara bakteri anaerobic tidak membutuhkan oksigen dan kadang oksigen molekuler lebih toksik dibandingkan bakteri anaerobic. Hasil perombakan senyawa kimia dalam lingkungan oleh kedua jenis bakteri ini misalnya degradasi anaerobic oleh bakteri metan yang menghasilkan gas metana.

CH2O 12

CH4 + 12

CO2

Sementara degradasi aerobic bahan organik oleh bakteri aerobic tidak menghasilkan gas metana.

CH2O + O2 CO2 + H2O

Bakteri jenis lainnya yaitu bakteri fakultatif yang menggunakan oksigen bebas bila oksigen molekuler tidak tersedia. Ion nitrat dan ion sulfat merupakan pengganti oksigen dalam perairan, sehingga dengan ketiadaan oksigen ion nitrat dapat direduksi menjadi ion nitrit sementara ion sulfat direduksi menjadi H2S.

NO3- + 2 H+ + 2 e- NO2- + H2O

SO42- + 10 H+ + 8 e- H2S + 4 H2O

Mengingat mikroorganisme dapat berfungsi sebagai katalis terhadap reaksi perairan maka terdapat enzim sebagai katalis untuk reaksi biokimia di dalam mikroorganisme. Enzim ini diberi nama dengan penambahan akhiran –ase pada substrat yang dipengaruhinya, sebagai contoh, urease merupakan enzim yang mengkatalisis hidrolisis urea. Aktivitas enzim ini dipengaruhi oleh parameter pH dan suhu perairan yang mempengaruhi aktivitas microbial.

2.7. KEHIDUPAN AKUATIK

Dalam ekosistem akuatik terdapat dua jenis organisme yaitu autotropik dan heterotropik. Organisme autotropik menggunakan sinar matahari atau energi kimia untuk merubah unsur senyawa organik yang sederhana menjadi sempurna dengan molekul kompleks yang menyusun organisme hidup, misalnya organisme algae/ganggang. Secara umum untuk organisme autotropik CO2, NO3-, dan PO4

3- merupakan sumber C, N, dan P. Organisme heterotropik menggunakan zat organik yang dihasilkan oganisme autotropik sebagai sumber energi dan sebagai bahan mentah untuk membentuk biomasnya.

Untuk kehidupan ikan dibutuhkan perairan dengan produktivitas relatif tinggi. Namun, hal ini menyebabkan pertumbuhan ganggang cukup pesat sehingga dapat menimbulkan penurunan kadar oksigen perairan sampai sangat rendah akibat pembusukan dan penguraian ganggang yang mati. Produktivitas merupakan kemampuan dari suatu badan air untuk menghasilkan bahan kehidupan.

Sifat fisika dan kimia badan air mempengaruhi kehidupan akuatik seperti suhu, kecerahan dan turbulensi. Suhu yang sangat rendah dapat menyebabkan proses biologi berjalan sangat tinggi dan memusnahkan kehidupan akuatik. Kekeruhan mengurangi intensitas cahaya matahari yang masuk kedalam air. Air yang keruh menyebabkan biomas tidak cukup produktif walaupun di perairan tersebut mempunyai zat makanan yang cukup. Sementara turbulensi yang cukup dapat menguntungkan bagi kehidupan, seperti tumbuhan air yang berpengaruh terhadap zat makanan untuk organisme hidup serta transport oksigen, karbon dioksida, dan pertukaran gas pada bidang persentuhan antara air-atmosfer.

Oksigen merupakan kunci dalam menentukan jenis dan kehidupan akuatik. Kekurangan oksigen akan berakibat fatal bagig kebanyakan hewan akuatik seperti ikan, tetapi adanya oksigen juga berakibat fatal bagig bakteri anaerob. Oleh sebab itu pengukuran terhadap konsentrasi oksigen terlarut (Dissolved Oxygen (DO)) sangat penting untuk menenntukan sifat biologi suatu badan air.

Kebutuhan oksigen biologi (Biological Oxygen Demand (BOD)) merupakan salah satu parameter untuk kualitas air yang menunjukkan banyaknya oksigen yang digunakan bila bahan organik dalam suatu volume cair tertentu dirombak/diuraikan secara biologis.

Karbon dioksida (CO2) dihasilkan oleh pernapasan organisme dalam air dan sedimen. Gas ini dibutuhkan untuk proses produksi biomas melalui reaksi fotosintesis oleh ganggang. Tingginya konsentrasi CO2 dalam air menyebabkan pertumbuhan ganggan sangat cepat.

2.8. BAHAN-BAHAN KMIA DALAM PERAIRAN

Air merupakan pelarut yang sangat baik sehingga banyak mengandung bahan-bahan kmia yang terlarut maupun dalam bentuk tersuspensi. Pada table 2.2. tampak berbagai senyawa dalam bentuk ion yang biasa terdapat di perairan.

Tabel 2.2. Berbagai radikal yang biasa terdapat dalam air

Nama Rumus Muatan ListrikAmmonium NH4

+ 1+

Hydroxyl OH- 1-

Bikarbonat HCO3- 1-

Karbonat CO3= 2-

Ortofosfat PO4≡ 3-

Mono-hidrogen-ortofosfat HPO4= 2-

Di-hidrogen-ortofosfat H2PO4- 1-

Bisulfat HSO4- 1-

Sulasfat SO4= 2-

Bisulit HSO3- 1-

Suulfit SO3= 2-

Nitrite NO2- 1-

Nitrat NO3- 1-

Hipoklorit OCl- 1-

a. Senyawa Nitrogen Dalam Air

Senyawa nitrogen terdapat dalam bentuk terlarut maupun bahan tersuspensi dan memegang peranan penting dalam reaksi biologi perairan. Jenis nitrogen anorganik utama dalam air adalah ion nitrat (NO3

-), ammonium (NH4+), dan kadang dalam bentuk ion nitrit (NO2

-). Sebagian besat nitrogen dalam air terikat sebagai nitrogen organik yaitu dalam bahan yang berprotein dan dalam bentuk senyawa/ion-ion lainnya dari bahan pencemar.

Nitrogen perairan merupakan penyebab utama pertumbuhan yang sangat cepat dari ganggang, sehingga mengalami eutrofikasi. Pada umumnya nitrogen anorganik dalam perairan aerobic terdapat dalam keadaan bilangan oksidasi +5 pada NO3

- dan bilangan oksidasi +3 pada keadaan anaerob dimana NH4

+ bernilai stabil. Ion ammonium dan amino nitrogen (R-NH2 dalam bahan protein) mengalami oksidasi dengan adanya katalis biologi yang cocok. Reaksi ini dapat terjadi misalnya pada pengolahan air buangan dengan aerosi yang cukup dari limbah yang mengandung ion ammonoium.

NH4+ + 2 O3 NO3

- + H2O + 2 H+

Dalam keadaan tanpa oksigen, ion nitrat dapat sebagai penerima elektron dalam reaksi dengan mikroorganisme sebagai perantara. Kemampuan ion nirat ini digunakan dalam proses pengolahan air limbah untuk menghilangkan elektron dengan membiarkan ion nitrat mengoksidasi methanol melalui reaksi bermedia bakteri dalam

5 CH3OH + 6 NO3- + 6 H+ 5 CO2 + 3 N2 + 12

H2O

Orang dewasa mempunyai toleransi yang tinggi untuk ion nitrat dalam air, tetapi untuk bayi dan binatang memamah biak, ion tersebut bersifat toksik. Dalam sistem pencernaan bayi dan binatang memamah biak, nitrat direduksi menjadi nitrit yang dapat mengikat hemoglobin dalam darah sehingga mengurangi kemampuannya sebagai pembawa oksigen dalam darah. Kondisi seperti ini dikenal sebagai methemoglobinemi dimana korbannya terkena penyakit jantung yang disebut penyakit bayi biru (blue baby).

b. Senyawa Fosfor

Fosfor merupakan suatu komponen yang penting dan sering menimbulkan permasalahan lingkungan karena memiliki pengaruh yang kuat terhadap pertumbuhan ganggang yang menyebabkan pencemaran kualitas air. Sumber fosfor diantaranya limbah industri, hanyutan dari pupuk, limbah domestik, hancuran bahan organik dan mineral fosfat.

Fosfor dalam air terdapat dalam bentuk padat yang terjadi akibat suspensi garam-garam yang tidak larut, dalam bahan biologis, atau terabsorbsi dalam bahan padat serta dalam bentuk larutan terdapat dalam bentuk senyawa organik dan senyawa anorganik. Protonasi sempurna dari ion ortofosfat menghasilkan H3PO4 yang mempunyai nilai pK1 = 2, 17 ; pK2 = 7,31 ; dan pK3 = 12,36. Fosfat juga dapat dalam bentuk ligan pada sebuah kompleks logam karena bereaksi dengan sejumlah zat membentuk senyawa yang tidak larut dan mudah diadsorpsi oleh tumbuhan, konsentrasi dari fosfat anorganik terlarut dalam perairan konstan.

Kenaikan konsentrasi fosfat menjadi zat pencemar perairan dalam bentuk organofosfat atau polifosfat. Senyawa fosfor organik terdapat dalam bentuk asam nukleat, fosfolipid, dan gulafosfa yang masuk ke dalam perairan bersamaan dengan limbah industri dan rumah tangga.

c. Bahan Organik

Di dalam lingkungan, bahan organik terdapat dalam bentuk karbohidrat, protein, lemak dan secara normal bahan organik tersebut tersusun dari C, H, O dan mengandung N, S, P, dan Fe dalam jumlah kecil.

Senyawa organik pada umunya tidak stabil dan mudah dioksidasi secara biologis atau kimia menjadi senyawa stabil seperti CO2 dan H2O. Proses ini menyebabkan konsentrasi oksigen terlarut dalam perairan menurun dan permasalahan bagi kehidupan akuatik. Untuk menyatakan kandungan bahan organik dalam perairan dilakukan dengan mengukur jumlah

oksigen yang dibutuhkan untuk menguraikan bahan tersebut sehingga menjadi senyawa stabil menggunakan parameter berikut.

1. Biochemical Oxygen Demand (BOD) atau kebutuhan oksigen yang dibutuhkan oleh mikroorganisme selama penghancuran bahan organik dalam waktu tertentu pada suhu 200C. Oksidasi biokimiawi ini merupakan proses yang lambat dan secara teoritis memerlukan reaksi sempurna. Dalam waktu 20 hari, oksidasi mencapai 95 – 99 % sempurna dan dalam waktu 5 hari seperti yang umum digunakan untuk mengukur BOD kesempurnaan oksidasinya mencapai 60 – 70 %. Suhu 200C yang digunakan merupakan nilai rata-rata untuk daerah perairan arus lambat di daerah iklim sedang dan mudah ditiru dalam incubator. Hasil yang berbeda akan diperoleh pada suhu yang berbeda pula karena kecepatan reaksi biokimia tergantung dari suhu.

2. Chemical Oxygen Demand (COD) atau kebutuhan oksigen merupakan oksidasi secara kimiawi dengan menggunakan kaliumbikarbonat yang dipanaskan dengan asam sulfat pekat. COD umumnya lebih besar dari BOD karena jumlah senyawa kimia yang bisa dioksidasi secara kimiawi lebih besar dibandingkakn oksidasi secara biologis.

d. Kelarutan Gas Dalam Air

Kebanyakan gas dalam air larut dengan derajat (konsentrasi) yang berbeda-beda atau bereaksi secara kimia dengan air. Jenis gas yang paling banyak membentuk udara adalah nitrogen dan oksigen meskipiun tidak bereaksi dengan air namun larut dalam jumlah yang terbatas. Nitrogen yang terlarut dalam air menyebabkan masalah berat ketika membentuk gelembung gas dalam darah ikan sehingga menyebabkan ikan “kejang” bahkan mati. Hal inilah yang menyebabkan kematian ± 400.000 ekor ikan sekitar 40 mil di sungai Osage, Missouri pada bulan Juni 1978. Kelantanan dari setiap gas merupakan proporsional dengan tekanan partial gas yang kontak dengan cairan tersebut yang dikenal dengan Hukum Henry. Hukum ini hanya berlaku bagi gas yang tidak melakukan interaksi dengan pelarutnya, sehingga hukum ini tidak berlaku bagi gas CO2 dan Cl2 karena gas tersebut bereaksi dengan air. Keseimbangan antar molekul gas di atmosfer dan didalam larutan dapat dinyatakan sebagai berikut :

X(q) X(aq)

Sedangkan kelarutan gas didalam air dapat dinyatakan sebagai berikut :

[X(aq)] = K.Px

Dimana K adalah konstanta suatu gas pada suhu tertentu dan Px adalah tekanan parisal gas. Beberapa nilai K untuk berbagai macam gas dalam air terdapat pada table 2.3. berikut.

Tabel 2.3. Konstanta Hukum Henry untuk beberapa gas dalam air pada suhu 250C

Gas K (Mol. L-1 atm -1)O2 1,28 x 10-3

CO2 3,38 x 10-2H2 7,90 x 10-4N2 6,48 x 10-4

CH4 1,34 x 10-3NO 2,0 x 10-3

Tabel 2.4. Tekanan uap air pada berbagai suhu

T (0C) PH2O (torr) PH2O (atm)0 4,579 0,006035 6,543 0,0086110 9,209 0,0121215 12,788 0,0168320 17,535 0,0230725 23,756 0,0312630 31,824 0,0418735 42,175 0,0554940 55,324 0,0727945 71,88 0,0945850 92,51 0,12172100 760,00 1,0000

Kelarutan gas dalam cairan dipengaruhi oleh suhu, sehingga apabila suhu naik maka kelarutannya akan menurun. Pengaruh ini dirumuskan dalam persamaan Clausius-Claplyron.

Log C 2C 1 =

ΔH2 ,3030 R[

1T 1

− 1T 2]

e. Oksigen Dalam Air

Semua makhluk hidup membutuhkan oksigen termasuk makhluk hidup akuatik seperti ikan yang mendapatkan oksigen dalam bentuk oksigen terlarut. Banyaknya ikan mati dalam perairan tercemar bukan disebabkan toksitasi zat pencemar langsung melainkan karena kekurangan oksigen sebagai akibat dari digunakannya gas tersebut pada proses penguraian/penhancuran zat pencemar.

Keterangan:

D = Konsentrasi gas

T = Suhu mutlak (0K)

ΔH = Kalor larutan dalam Kal/mol

R = Konstanta gas (1,987 Kal.K-1.mol-1)

Dalam udara yang bersih dan kering terdapat 20,59 % oksigen berdasar volume. Sebagian besar oksigen dalam air berasal dari atmosfer . Kelarutan oksigen dalam air tergantung dari suhu, tekanan parsial oksigen dalam atmosfer dan kandungan garam dalam air. Diabwah ini contoh perhitungan kelantanan oksigen sebagai fungsgi dari tekanan parsial.

Soal : Hitung kelarutan oksigen dalam air yang jenuh dengan udara pada tekanan 1,000 atm dan suhu 250C.

Pemecahan : Dari table 2.4. , tekanan parisal uap air pada suhu 250C = 0,0313 atm. Udara kering megandung 20,59 % oksigen, maka tekanan parsial oksigen adalah ;

(1,000 atm – 0,0313 atm) x 0,2095 = 0,2029 atm

Konsentrasi molar oksigen dalam air dihitung berdasarkan hukum Henry :

[O2(aq)] = K.PO2

[O2(aq)] =1,28 x 10-3 mol L-1 atm-1 x 0,2029 atm

[O2(aq)] = 2,60 x 10-4 mol L-1 = 2,60 x 10-4 M

MR O2 = 32, maka kelarutannya = 8,32 mg/L

Dari perhitungan tersebut, kelantanan oksigen dalam air pada suhu 250C dalam keseimbangan dengan udara pada tekanan 1 atm hanya 8,32 mg/L. Berarti air dalam keadaan teresebut tidak mengandung kadar oksigen terlalu tinggi bila dibandingkan dengan banyak jenis zat terlarut yang lain.

Pengaruh suhu terhadap kelarutan gas dalam air dapat dihitung dengan menggunakan persamaan Clausius-Claplyron. Dengan kenaikan suhu air, terjadi penurunan kelarutan oksigen yang dibarengi dengan naiknya kecepatan pernapasan organisme perairan sehingga sering menyebabkan adanya suatu keadaan dimana naiknya kebutuhan oksigen diikuti oleh turunnya kelarutan gas tersebut.

Tabel 2.5. Kelarutan jenuh oksigen dalam air pada berbagai temperature di bawah tekanan udara 760 mm Hg

Temperatur (0C) Kelarutan oksigen (mg/L) Tekanan uap air (mm Hg)0 14,6 51 14,2 52 13,8 53 13,5 64 13,1 65 12,8 76 12,5 77 12,2 8

8 11,9 89 11,6 910 11,3 911 11,1 1012 10,8 1113 10,6 1114 10,2 1215 10,4 1316 10,0 1417 9,7 1518 9,5 1619 9,4 1720 9,2 1821 9,0 1922 8,8 2023 8,7 2124 8,5 2225 8,4 2426 8,2 2527 8,1 2728 7,9 2829 7,8 3030 7,6 32

f. Karbon Dioksida Dan Berbagai Jenis Karbonat

Karbon dioksida merupakan komponen yang sangat kecil di atmosfer kering yang normal, hanya berkisar 0,0314% volume. Air murni yang bebas alkalinitas dalam kesetimbangannya dengan atmosfer hanya mengandung karbondioksida yang sangat rendah. Oleh karena itu pembentukan HCO3

- dan CO32- akan menaikan kelarutan karbon

dioksida. Gas CO2 mempunyai sifat keasaman, maka akan menjadi lebih rumit dalam menghitung kelarutannya di dalam air dibandingkan kelarutan gas sukar bereaksi seperti O2

dan N2.

Karbon dioksida, ion karbonat dan ion bikarbonat mempunyai pengaruh yang sangat penting terhadap sifat kimia air. Dalam fotosintesisnya, ganggang menggunakan CO2

terlarut untuk menghasilkan biomas. Keseimbangan CO2 di atmosfer sebagai berikut :

CO2 CO2(atmosfer)

Dan keseimbangan ion CO32- antara larutannya dengan mineral karbonat

MCO3 M2+ + CO32-

(garam karbonat yang sedikit larut)

Konsentrasi CO2 akan memberikan pengaruh yang cukup tinggi terhadap kehidupan akuatik karena menghambat pernapasan dan pertukaran gas terutama bagi hewan peliharaan, bahkan mengakibatkan kematian. Kandungan CO2 dalam air tidak boleh melebihi 25mg/1.

Dalam perairan, gas CO2 dihasilkan dari penguraian bahan-bahan organik oleh bakteri. Ganggang yang digunakan CO2 dalam fotosintesis juga menghasilkan CO2 melalui proses metabolisme tanpa cahaya. Waktu air merembes melalui lapisan dari hancuran bahan organik sambil masuk ke dalam tanah, air dapat melarutkan banyak CO2 yang dihasilkan oleh pernapasan organisme dalam tanah. Lalu air masuk lewat batuan kapur dan melarutkan kasium karbonat karena adnya CO2 yang terlarut.

CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2HCO3-

Proses ini merupakan salah satau sebab dari terbentukny gua-gua kapur. Walaupun CO2 dalam air sering terdapat sebagai H2CO3, konstanta keseimbangan untuk reaksi,

CO2(aq) + H2O H2CO3

Hanya sekitar 2 x 10-3 pada suhu 25o dan hanya sebagian kecil dari karbon dioksida terlarut secara actual terdapat sebagai H2CO3. Jadi dapat disimpulkan bahwa karbondioksida yang tidak mengalami ionisasi dalam air sebagai CO2 molekuler yang terlarut dan H2CO3 yang tidak terisosiasi.

g. Silikon Dalam Air

Silicon merupakan unsur kedua terbanyak di kerak bumi setelah oksigen, yaitu sebesar 27,7%. Hal ini menyebabkan silikon tersebar luas dalam air.

Konsentrasi normalnya berkisar antara 1-30 mg/l sebagai SiO2, meski pun kadang mencapai 100 mg/l. Air laut di bagian permukaan umumnya konsentrasi silikonnya sangat rendah karena unsur ini digunakan oleh kerang dan pembentukan tulang organisme laut. Senyawa silikat dapat digunakan sebagai detergen dan anti karat. Oleh sebab itu, silicon/ion dari senyawa silicon terdapat banyak dalam air buangan baik limbah insudtri maupun limbah domestik.

h. Belerang Dalam Air

Belerang yang terdapat dalam air adalah S (IV) dalam ion sulfat, SO42-. Dalam kondisi

anaerobic SO42- dapat direduksi oleh aktivitas bakteri menjadi H2S, HS- atau garam sulfide

yang tidak larut. Gas H2S dihasilkan dari reduksi sulfat tersebut menyebabkan bau “telur

busuk”. Adanya perbedaan jenis belerang dalam air menggambarkan adanya hubungan antara pH air, potensial oksidasi dan aktivitas bekteri.

Sulfat dapat berasal dari hasil pencucian mineral terutama gips, CaSO4,2H2O. Oksidasi dari mineral dipengaruhi oleh mikroorganisme seperti pyrit, FeS2 menghasilkan sulfat. Garam sulfat digunakan dalam pembuatan detergen dan banyak hasil industry seperti ZA ,maka ion sulfat merupakan komponen yang umum dari air buangan. Indonesia mengandung sejumlah besar ion sulfat yang dikenal dengan hujan asam (acid rain).

Hal ini disebabkan oleh adanya pencemaran udara yang cukup berat oleh gas SO 2 yang kemudian mengalami oksidasi di udara,sebagai berikut :

2 SO2 + 2 H2O2 + O2 4 H+ + 2 HSO42-

Adanya H2SO4 di atmosfer inilah yang menyebabkan terjadinya hujan asam yang kadang pH nya mencapai 4.

i. Klorida dan Fluorida dalam Air

Senyawa halide, klorida, dan fluoride merupakan senyawa umum yang terdapat pada perairan alami. Senyawa tersebut mengalami proses disosiasi yang membentuk ion-ionnya. Kelebihan garam klorida menyebabkan penurunan kualitas air yang disebabkan oleh tingginya salinitas.

Ion fluorida jauh lebih penting dari ion klorida. Fluor adalah salah satu unsure halogen yang keelektronegatifannya paling tinggi dibandingkan unsur halogen lainnya. Dalam media asam, ion fluoride membentuk asam hidrofluorat, yang mengion :

HF H+ + F

Harga pKa = 3,13 oleh karena itu,dalam kisaran pH normal air fluoride lebih banyak terdapat sebagai F- dari pada HF. Garam-garam fluoride dari kation-kation divalent mempunyai kelarutan sedang.

Tabel. 2.6. Konstanta hasil kali kelarutan beberapa garam Fluorida

Senyawa Konstanta Hasil Kali KelarutanBF2 1,05 x 10-6

CaF2 3,9 x 10-11

PbF2 3,1 x 10-8

SrF2 2,7 x 10-9

Beberapa sifat geokimia dan fisiologis ion fluoridemempunyai jari-jari dan muatan yang sama dengan ion OH-, sehingga fluoride dan hidroksida mempunyai tingkah laku yang sama dan dapat saling menggantikan dalam mineral maupun bahan mineral dari gigi dan tulang.

j. Kalsium dan Magnesium dalam Air

Kalsium adalah unsur kimia yang memgang peranan penting dalam banyak proses geokimia. Mineral merupakan sumber primer ion kalsium dalam air. Di antara mineral-mineral primer yang berperan adalah gips, CaSO4, 2H2O ;anhidratnya, CaSO4, dolomite CaMg (CO3)2 ; kalsit dan aragonite yang merupakan modifikasi yang berbeda dari CaCO3.

Ion kalsium bersama dengan magnesium dan kadang ion ferro, ikut menyebabkan kesadahan air, baik yang bersifat sadah sementara mau pun kesadahan tetap. Kesadahan sementara disebabkan oleh adanya ion-ion kalsium dan bikarbonat dalam air dan dapat dihilangkan dengan jalan mendidihkan air tersebut karena terjadi reaksi :

Ca2+ + 2 HCO3- CaCO3 + CO2 + H2O

Kesadahan tetap disebabkan oleh adanya kalsium atau magnesium sulfat yang proses perlunakannya melalui proses kapur – soda, abu, proses zeoloit, dan resin organik.

Tidak sama halnya seperti kalsium yang densitas muatan dari ion Ca2+ relatif lebih kecil dibandingkan dengan ion logam-logam divalent lainnya,maka densitas muatan ion Mg2+

jauh lebih besar dan ikatannya lebih kuat dengan air untuk melakukan hidrasi. Magnesium dalam air terutama terdapat sebagai ion Mg2+ HCO3- dan Mg2+ SO4 terjadi bila konsentrasi bikarbonat dan sulfat yang tinggi. Mineral seperti dolomite adalah sumber magnesium yang paling umum yang terdapat di air :

CaMg (CO3)2 + 2CO2 + 2 H2O Ca2+ + Mg2+ + 4 HCO3-

k. Logam Alkali Dalam Air

Natrium terdapat dalam konsentrasi yang lebih tinggi dalam air tawar dibandingkan kalium. Ion natrium sama dengan ion klorida, bersosiasi dengan salinitas yang berlebiihan sehingga dapat menyebabkan penurunan kualitas air yang cukup serius.

Dalam perairan, kalium memiliki konsentrasi yang relative rendah karena unsur ini tidak mudah dilepaskan dari sumbernya dan unsur ini mudah sekali diadsorpsi oleh mineral. Jenis sumber alami dari kalium adalah feldspar, essensial dan bergabung ke dalam bahan tanaman.

l. Alumunium Dalam Air

Alumunium merupakan unsur terbanyak ketiga dalam kerak bumi. Kebanyakan alumunium yang dibawa air terdapat sebagai partikel mineral mikroskopik yang tersuspensi. Konsentrasi dari alumunium yang terlarut dalam kebanyakan air kemungkinan kurang dari 1,0 mg/l. Alumunium bersifat amfoter dan pada perairan alami memiliki pH diatas ± 10. Ion Alumunium membentuk endapan dengan silika dan ion ortofosfat.

m. Besi Dalam Air

Sifat kimia dari perairan besi adalah bersifat redoks, pembentukan kompleks, metabolisme oleh mikroorganisme, dan pertukaran dari besi antara fasa dan fase padat yang mengandung besi karbonat, hidroksida dan sulfide.

Dalam perairan, dengan pH sangat rendah ion ferro dan ferri dapat ditemukan. Hal ini terjadi apabila perairan memperoleh buangan dari limbah tambang asam (acid mine waters). Limbah yang bersifat H2SO4 yang dihasilkan oleh oksidasi dari oksidasi FeS melalui reaksi :

2 FeS2(s) + 2 H2O + 7 O2 4 H+ + 4 SO42- + 2 Fe2+

Dan tahap selanjutnya oksidasi dari ion ferro menjadi ion ferri dalam suatu proses yang terjadi sangat lambat. Dibawah pH 3,5 oksidasi tersebut dikatalis oleh bakteri besi, Thiobacillus ferroxidaus. Bakteri lainnya yang terlibat dalam oksidasi besi dengan adanya air tambang asam adalah Thiobacillus thiooxidaus dan Thiobacillus ferrooxidaus.

Kerusakan perairan yang disebabkan oleh aliran limbah tambang asam ini diperlihatkan dengan penutupan permukaan air oleh suatu lapisan yang sangat tipis dari Fe(OH)3 yang bersifat semigelatin.

MANGAN DALAM AIR

Toksisitas mangan (Mn) relatif tampak pada konsentrasi rendah. Kandungan Mn yang digunakan untuk keperluan domestik sangat rendah, yaitu dibawah 0,05 mg/l. Dalam kondisi aerob, mangan dalam perairan terdapat dalam bentuk MnO2 dan pada dasar perairan reduksi menjadi Mn2+ atau dalam air yang kekurangan oksigen (DO rendah). Pada pH yang agak tinggi dan kondisi aerob terbentuk mangan yang tidak terlarut seperti MnO2 ,MnO3, atau MnCO3 meskipun oksidasi dari Mn2+

berjalan relatif lambat.