su-1 sistem penyediaan air 2

Dep.Teknik Kimia ITB / TK-2206 Sist.Utilitas I

SistemPenyediaan Air


Sifat & Sumber AirSifat2 air murni:

Dalam keadaan murni tidak berasa, tidakberbau dan tidak berwarnaTitik leleh dan titik didihnya bergantungpada tekananTitik leleh dan titik didihnya dapat dicapaipada kondisi termodinamik yang praktisMerupakan pelarut yang baik, sehinggapraktis selalu mengandung zat-zat terlarut / tersuspensiMerupakan penghantar panas yang baikTidak dapat terbakarKapasitas panas pada temperatur ruangdan tekanan atmosferik ~ 1 kal/g.KPanas penguapan pada tekanan atmosferik~ 540 kal/g


Air sebagai media pembawa panas

Entalpi = energi yang dikandung / dibawa olehair / kukusPemanasan & penguapan berakibat padabertambahnya entalpiKarena sifat-sifat termodinamiknya, air dapatdiuapkan pada T & P praktisAir merupakan fluida pembawa panas yang baik karena memiliki titik didih cukup rendah, panas penguapan (pengembunan) besar, murah, serta relatif aman (tidak terbakar atautersulut oleh api)

diberi masukan energi dengan caradipanaskan & diuapkankukus dipindahkan ke titik-titik penggunaanentalpi kukus dimanfaatkan di titik-titikpenggunaankukus yang mendingin & mengembun dapatdiresirkulasikan & dipanaskan kembali


Sumber-sumber airAir senantiasa bergerak di bumi melalui siklushidrologikLaut berfungsi sebagai reservoir / penampungutamaAir laut menguap & membentuk awanPada kondisi tertentu, awan / uap air diatmosfer mengembun menjadi air presipitasi(hujan, salju, dsb.)Sebagian air yang jatuh ke daratan mengalir dipermukaan tanah sebagai air permukaan(sungai, danau, parit, dll.)Sebagian sisanya terserap ke dalam tanah & mengalir sebagai air tanah (mata air, aquifer, dll.)


Di sepanjang siklus hidrologik, air menyerap & membawa berbagai macam zat. Zat-zat iniberupa:

padatan terlarut: dari pelarutan mineralgas terlarut: dari udara, penguraian senyawaorganikpadatan tersuspensi: dari erosi batuan

Air juga menyerap berbagai macam buanganindustri dan domestikAir tanah relatif lebih murni daripada air permukaan. Komposisi air permukaan sangatdipengaruhi oleh musim, kondisi geologikbadan air, keberadaan pemukiman danindustri, dan sebagainya.


Untuk keperluan industri, air dapat diperoleh daribeberapa titik dalam siklus hidrologik. Air dapatdiambil dari cadangan air tanah, dari sungai, danauserta laut. Air tanah: lebih murni & konsisten kualitasnya, sehingga pengolahannya lebih mudahAir permukaan: mengandung lebih banyak pengotor, komposisi lebih bervariasi terhadap waktu, namunumumnya lebih banyak tersedia dibandingkan air tanahAir laut: sangat berlimpah, namun mengandungsangat banyak mineral (sekitar 35000 mg mineral / kg air); jika harus diolah menjadi air tawar terlebihdahulu memerlukan biaya tinggi

penggunaan air laut biasanya dibatasi untuk air pendingin saja

Keluaran air laut yang digunakan sebagai pendingin pada prosesrefrijerasi gas alam di PT Badak NGL, Bontang, Kaltim


rendahsangat tinggivariasi temporal

rendahtinggikandunganbiologik

tinggirendah-sedangmineral terlarut

rendahtinggiturbiditas

Air tanahAir permukaanKarakteristik

Perbandingan karakteristik air permukaan & air tanah


Komposisi kimiawi air

Zat-zat terlarut yang umum dijumpai dalamair baku:

Kation: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, Ba2+, Sr2+, Al3+

Anion: Cl-, SO42-, CO3

2-, HCO3-, OH-

Gas: O2, H2S, CO2

Konsentrasi zat terlarut lazim dinyatakandalam satuan:

mg/Lppm (kira-kira setara dg mg/L)meq/L = (mg/L) / berat ekivalenekivalen CaCO3 = (mg/L ion) x (50 / berat ekivalen ion)%-wt

*) berat ekivalen = BM / valensi ion


Zat-zat pengotor

Padatan tersuspensi:Terutama terdiri dari lumpur, humus, sertabuangan industri & domestikMenyebabkan kekeruhan / turbiditas airMasalah-masalah yang ditimbulkan olehturbiditas:

pembentukan kerak & pembusaan padaboiler dalam sistem air pendingin dapatmenimbulkan korosi di bawah endapanyang terbentuk di perpipaansecara umum, padatan tersuspensimenghambat proses-proses pengolahanair selanjutnya melalui pembentukankerak / endapan

Oleh karena itu, penghilangan padatantersuspensi terletak pada bagian huluproses pengolahan air


Kesadahan:= kesukaran air membentuk busa dengan sabundisebabkan oleh adanya garam-garam logamyang bereaksi dengan sabun & membentukendapankesadahan terutama disebabkan oleh garam-garam Ca & Mg; selain itu juga oleh senyawa-senyawa Fe, Al, asam organik dan asam mineralUkuran kesadahan:

Kesadahan total (total hardness) dari segi kation = penjumlahan dari kesadahan Ca & kesadahan Mg

TH = CaH + MgHdari segi anion = penjumlahan dari kesadahankarbonat (atau kesadahan sementara) & kesadahan non-karbonat (atau kesadahan tetap)

TH = KH + NHdimana:TH = kesadahan total

CaH = kesadahan Ca = kadar Ca2+

MgH = kesadahan Mg = kadar Mg2+

KH = kesadahan karbonat =kadar Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2NH = kesadahan non-karbonat =kadar CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2,dsb.


Masalah-masalah karena kesadahan:membentuk kerak dalam sistem air pendingin& air umpan boilermembentuk endapan dalam sistem air prosesmeningkatkan pemakaian sabun dalam air domestik, air pembilas, dsb.

Kerak yang terbentuk pada permukaan logamsistem pemindahan panas (baik sistempendinginan maupun ketel) akan menurunkanefisiensi pemindahan panas, meningkatkanhilang tekan pemompaan fluida, menimbulkanpemanasan lokal serta (paling parah) kegagalan logam alat proses


AlkalinitasMerupakan ukuran kebasaan air, dinyatakansebagai banyaknya larutan baku HCl 0,1 N yang diperlukan untuk menetralkan 100 mL air.Digunakan 2 indikator dalam penetralan:

fenolftalein, menyatakan alkalinitas-pmetil jingga, menyatakan alkalinitas-m

Jenis-jenis utama alkalinitas adalah hidroksida, karbonat & bikarbonat, yang dapat dihitungdengan terlebih dahulu memperbandingkan nilaialkalinitas-p (P) dan alkalinitas-m (M):

Dalam sistem air umpan boiler, alkalinitas yang cukup tinggi diperlukan untuk mencegah korosiNamun demikian, kadar OH- yang terlalu tinggidapat menimbulkan caustic embrittlement ataukerapuhan logam oleh hidroksida

Kasus OH CO3 HCO3

2P > M 2P – M 2(M – P) -2P = M - 2P -2P < M - 2P M – 2PM (2P = 0) - - M


Hubungan alkalinitas & kesadahan:bergantung pada nilai relatif kesadahantotal (TH) & alkalinitas metil jingga (M)

Kasus Kesadahannon-karbonat

Kesadahankarbonat

Kesadahansemu

TH > M TH – M M -TH = M - TH -TH < M - TH M - TH


Gas terlarut:Gas-gas terlarut yang dapat menyebabkanpermasalahan dalam sistem air adalahCO2, O2, dan NH3. Gas-gas inimenyebabkan korosi pada boiler, turbin, sistem air pendingin, dsb.Reaksi pelarutan karbon dioksida:CO2 + H2O ⇔ H2CO3 ⇔ H+ + HCO3-Hasil pelarutan bersifat asam, sehinggamempercepat proses korosi bahankonstruksi logam

Zat-zat organik:Air permukaan sering mengandung zat-zatorganik dalam konsentrasi relatif tinggiZat organik dapat menyebabkanpermasalahan operasional boiler, misalnyapembusaan yang menurunkan efisiensiperpindahan panas dan mengganggupemompaan air umpan boiler.


Sebuah pipa penyalur BFW yang mengalamikorosi pitting oleh oksigen terlarut


Zat-Zat Pengotor dan Karakteristiknya

No. Komponen/Senyawa

RumusKimia

Efek Cara Pengolahan

1 Turbidity Tidak ada Air menjadi keruh, membentuk deposit padapipa-pipa, alat-alat, ketel dll.

Koagulasi, pengendapan danfiltrasi.

2 Warna Tidak ada Timbul buih dalam ketel, menghambat prosespengendapan padapenghilangan besi dan hot phosphate softening.

Koagulasi, filtrasi, khlorinasi, adsorpsi dengan karbon aktif.

3 Hardness (kesadahan)

Kalsium danMagnesium dinyatakansebagaiCaCO3

Membentuk scale/kerak padasistem penukar panas, ketel, pipa, dan menghambat dayacuci dengan sabun.

Pelunakan, distilasi, pengolahan internal.

4 Alkalinity(alkalinitas)

Bikarbonat(HCO3)Karbonat(CO3)Hidroksida(OH)dinyatakansebagaiCaCO3

Timbul buih dan carry over (lolosnya) padatan ke dalamuap panas mengakibatkankaratan pada pipa ketel. Bikarbonat dan karbonatmenghasilkan CO2 dalam uappanas yang bersifat korosif.

Pelunakan dengan kapur dankapur-soda, demineralisasi, penambahan asam, dealkilasidengan penukar ion, distilasi.

5 Asam mineral bebas

H2SO4, HCldansebagainyadinyatakansebagaiCaCO3

Korosif Netralisasi dengan alkali.

6 Karbondioksida CO2 Korosif terhadap jaringanpipa.

Aerasi, deaerasi, netralisasidengan alkali, filming danneutalizing amines.

7 pH Konsentrasiion hydrogenpH = - log [H+]

Perubahan pH dipengaruhioleh keasaman atau kebasaandalam air.pH air alam biasanya 6 – 8.

pH dapat dinaikkan denganpenambahan alkali dansebaliknya dengan asam.

8 Sulfate SO4= Menaikkan kandungan

padatan dalam air, bereaksidengan Ca membentuk kerakCaSO4

Demineralisasi, distilasi.


Sama dengan 19 dan 20.Padatan total adalah padatanterlarut ditambah padatantersuspensi

Tidak adaPadatan total21

Pengendapan, filtrasi dankoagulasi.

Menyebabkan depositTidak adaPadatantersuspensi

20

Pelunakan kapur, penukarkation dengan zeolitehidrogen, demineralisasi, distilasi.

Padatan terlarut menunjukkanjumlah zat-zat yang terlarut, menyebabkan buih.

Tidak adaPadatan terlarut19

Demineralisasi, pelunakankapur, dan sebagainya.

Konduktivitas yang tinggimaka sifat korosi makintinggi.

DinyatakandalamMicromhos, konduktansispesifik.

Konduktivitas18

Penukar kation dengan zeolitehidrogen, khlorination, deaerasi.

Korosi pada tembaga danseng

NH3Amonia17

Aerasi, khlorinasi, penukar ion berbasa tinggi.

Bau telur busuk, korosiH2SHidrogensulfida

16

Deaerasi, sodim sulfate, hydrazine, zat pencegahkorosi.

KorosiO2Oksigen15

Baffle separators, strainers,koagulasi danfiltrasi, filtrasi dengandiatomaceous earth.

Membentuk kerak, lumpurdan buih dalam ketel.

Dinyatakansebagai Oil atauchloroform extractible matter.

Minyak14

Aerasi, pelunakan kapur.Membentuk deposit.MnMangan13

Aerasi, koagulasi dan flitrasi, pelunakan kapur, penukar ion.

Membentuk deposit padapipa-pipa dan boiler.

Fe2+ (ferro)Fe3+

Besi12

Penghilangan secara prosespanas dengan garam Mg, demineralisasi, distilasi.

Membentuk kerak pada keteldan sudu-sudu turbin.

SiO2Silika11

Demineralisasi, distilasi.Menaikkan kandunganpadatan, konsentrasi tinggimengakibatkan penyakitmethemoglobin pada bayi, berguna untuk mencegahkeretakan logam dalam ketel.

NO3-Nitrat10

Demineralisasi, distilasi.Menaikkan kandunganpadatan dalam air dan bersifatkorosif.

Cl-Chloride9


Analisis air

1. Keasaman (acidity)menyatakan kapasitas air untuk menetralkanbasa; disebabkan oleh CO2, asam organik, asam mineral & produk hidrolisis

2. Alkalinitasmenyatakan kapasitas air untuk menetralkanasam; berasal dari ion HCO3

-, CO32- & OH-

3. pHmenyatakan aktivitas ion H+

4. Salinitasmenyatakan kadar garam (NaCl) sebagaikonsentrasi total Cl- atau NaCl

5. Padatan terlarut total (TDS / total dissolved solids)

menyatakan kuantitas total ion terlarut, diukurdg menguapkan air & menimbang residu ygtertinggal

6. Densitasberat per satuan volume air


7. Specific gravityperbandingan antara densitas air dg densitasair murni pada 4 oCkandungan ion-ion meningkatkan s.g. air

8. Padatan tersuspensi total (TSS / total suspended solids)

menyatakan berat zat-zat tak larut, diukurmelalui penyaringan zat-zat tersebut

9. Kekeruhan (turbidity)menyatakan kadar zat tak larut berdasarkanpenyerapan & penyebaran cahaya (perubahanintensitas cahaya setelah melalui air)tidak terlalu akurat namun mudah diukur

10. Biochemical Oxygen Demand / BODmenyatakan kebutuhan oksigen terlarutselama penguraian zat-zat organik secarabiokimiawi-aerobik

11. Chemical Oxygen Demand / CODmenyatakan kebutuhan oksigen untukmengoksidasi zat-zat organik secara kimiawipada kondisi tertentu


Penggunaan air industrial

• Dalam suatu pabrik kimia, secara umum air digunakan untuk keperluan-keperluanberikut:

• air pendingin• air umpan ketel• air proses (digunakan secara langsung

dalam proses kimia-fisika yang terjadidalam pabrik)

• air domestik (MCK, perkantoran, air pembilas, dsb.)

• air pemadam kebakaran / fire water• Seperti halnya sistem-sistem utilitas lainnya,

pola pembangkitan dan penggunaan air bisasangat bervariasi, bergantung padakeperluan pabrik, kualitas & kuantitassumber air, biaya investasi & operasi, dansebagainya


Pengolahan air

Pengolahan air dalam sistem utilitas pabrikberfungsi meningkatkan kemurnian air untukmencegah berbagai permasalahan yang dapat ditimbulkan oleh zat-zat pengotor yang terlarut dan / atau tersuspensi dalam air bakuPermasalahan: korosi dan pengerakan(fouling) peralatan proses, penyumbatanperpipaan, pembusaan, gangguan kesehatanpersonil, penampilan visual, dsb.Pengolahan air dibedakan menjadi:

Pengolahan eksternal: diluar titikpenggunaan air, dilaksanakan olehberbagai macam unit proses dengantujuan utama meningkatkan kemurnianPengolahan internal: pada titikpenggunaan air, dilaksanakan dg menambahkan zat-zat tertentu utkmenyesuaikan sifat-sifat air dg penggunaannya


Pengolahan eksternal dibagi lebihlanjut menjadi:

A. Proses praperlakuan (pretreatment): sebagai proses penyediaan air pendinginatau sebagai proses awal produksi air berkualitas tinggi

B. Proses filtrasi: secara khususmenghilangkan padatan tersuspensi

C. Proses pengurangan/penghilanganpadatan terlarut, tanpa pengendapankimiawi


Alur proses pengolahan eksternal

Rough screens

Raw water supply

Aeration

Sedimentation ClarificationLime softening

(cold)

Lime softening(hot)

Filtration

Manganesezeolite Adsorption

Cooling, fireprotection,

general utility

Cooling, fireprotection, paper

Clear water,paper, cooling,rinsing, potable

Sodium cation

Dealkalizer

Desilicizer

Low & mediumP boilers


Medium Pboilers

Hydrogencation, weakand/or strong

Degasification

Anion weakand/or strong


Mixed bed

Pure water,high P boilers,process water

Ultrafiltration

Ultrapurewater, high Pboiler >1500

psig

Ultimate water,electronics,

pharmaceutical

Demineralizationprocess

Group Aprocess

Group Bprocess

Group Cprocess


Persyaratan air pendingin

Air pendingin = air yang dialirkanmelalui peralatan penukar panasuntuk menyerap & memindahkanpanasMasalah umum air pendingin:

korosimenyebabkan penyumbatan & kerusakanperpipaan, kontaminasi produk karenakebocoran, & penurunan efisiensi termal

pembentukan kerak & depositpenurunan efisiensi pemindahan panas, peningkatan hilang tekan & penyumbatanperpipaan

fouling oleh aktivitas mikrobamenyebabkan korosi lokal, penyumbatan& penurunan efisiensi pemindahan panas


Persyaratan kemurnian air pendinginrelatif tidak terlalu beratContoh spesifikasi air pendingin:

Parameter NilaiKonduktivitas (mmhos/cm) < 1000Turbiditas (ppm) < 10TSS (ppm) < 10Total hardness (ppm as CaCO3) < 100Total iron (ppm as Fe) < 1,0Residual chlorine (ppm as Cl2) 0,5 – 1,0Silicate (ppm as SiO2) < 150Total chromate (ppm as CrO4) 1,5 – 2,5pH 6,5 – 7,5


Persyaratan air umpanboiler

Air umpan boiler (BFW / boiler feed water = air yang diumpankan ke ketel/ boiler untuk membangkitkan kukusPermasalahan umum BFW:

pengerakanmenurunkan efisiensi pemindahan panas, menyebabkan pemanasan lokal & kegagalan logam perpipaan ketel

korosimenurunkan efisiensi pemindahan panas

pembentukan busa (foaming)terbentuk pada boiler drummenyebabkan terbawanya tetesan air & partikel kotoran bersama kukus (carryover), yang kemudian menyebabkanendapan & korosi pada permukaan logamsistem ketel


Diagram skematik ketel sirkulasi alamii


Spesifikasi BFW bergantung padatekanan kerja ketelSemakin tinggi tekanan, semakin ketatpersyaratan kemurnian BFW

P ketel(psig)

TDS (ppm)

alkalinitas(ppm)

TSS (ppm)

silika(ppm)

0-300 3500 700 300 125301-450 3000 600 250 90451-600 2500 500 150 50601-750 2000 400 100 35751-900 1500 300 60 20901-1000 1250 250 40 81001-1500 1000 200 20 2.51501-2000 750 150 10 1.0>2000 500 100 5 0.5


Baku mutu air minumBaku mutu Depkes RI (907/Menkes/SK/VII/2002)

Parameter Batas ambangTDS (mg/L) 1000Kekeruhan (NTU) 5Fe (mg/L) 0.3

Kesadahan (mg/L CaCO3) 500Klorida (mg/L) 250

Mangan (mg/L) 0.1

Natrium (mg/L) 200

pH 6.5-8.5

Sulfat (mg/L) 250


Proses PengolahanEksternal

Pengendapan PendahuluanPengendapan secara sederhana, hanyamengandalkan gravitasi; digunakan untukmengurangi kadar padatan tersuspensiMerupakan proses pengolahan air yang termurahMeskipun efisiensi pemisahan tidak setinggiklarifikasi, pengendapan gravitasi efektifsebagai unit pra-perlakuan air bakuLaju pengendapan padatan bergantungpada:

densitas partikelbentuk partikelukuran partikelviskositas air bakupola aliran dalam bak pengendap


Prinsip rancangan:hanya memisahkan sebagian daripadatan tersuspensibergantung pada sifat fisik padatantersuspensikecepatan aliran diupayakanseragam, dan tidak turbulen

Rancang bangun bak pengendap:dapat berupa bak silindris ataupersegi empatdilengkapi dengan saluran masukan, efluen air, serta drainase lumpur

Parameter rancangan:waktu tinggal air; biasanyadirancang 4-24 jam

θd = V/qdimana: V = volume bak pengendap, m3

q = laju alir air, m3/jam


waktu lewat: dari pengukurankonsentrasi zat perunut (tracer) vs. waktu, merupakan ukuranpenyimpangan dari aliran sumbat

θf = absis pusat massa daerah di bawahkurva konsentrasi tracer vs. t

efisiensi pemindahan didefinisikan sebagai:ηd = (θf / θd) x 100%

kecepatan alir (linier) horisontal: merupakan ukuran kecepatannominal bak pengendap

VH = (q/3600) / (b x d)dimana: b = lebar bak, m

d = dalam bak, mtidak boleh melebihi 0,005 m/detik

[tracer]

tθf


luas permukaan bak:dianggap air bergerak ke atas dg kecepatan Vo , padatan bergerak kebawah dg kecepatan Vs

supaya pengendapan berlangsung, Vs≥ Vo

Vo ditentukan oleh luas permukaan bak:Vo = (q/3600) / (l x b)

dimana l = panjang bak, mNilai Vs :

partikel bundar: 0,5-6,5 m/jampartikel amorf: 1,3-3,4 m/jam


KlarifikasiMerupakan tahap utama penghilanganpadatan tersuspensiPadatan tersuspensi terbagi menjadi duagolongan:

dapat diendapkan oleh gravitasi sajatidak dapat diendapkan / koloidal

Padatan tersuspensi yang tidak dapatdiendapkan begitu saja berinteraksi denganion-ion terlarut dalam air, membentuk suatusistem yang stabilProses klarifikasi diselenggarakan di huluproses pengolahan air, karena padatantersuspensi dapat mengganggu tahap-tahappemrosesan selanjutnya


Stabilitas suspensi:Partikel-partikel padatan tersuspensi(lempung, mikroba, dll.) umumnya memilikimuatan listrik statik negatif padapermukaannyaDi dalam air, partikel-partikel padatanmenarik ion-ion bermuatan positif dari fasacurah airKonsentrasi ion-ion positif yang tertarik olehpermukaan partikel ini pada gilirannyamenarik ion-ion negatif dari fasa curah airTerbentuk lapisan ganda (double layer) ionik. Potensial elektrostatik di sepanjanglapisan ganda ini disebut potensial zeta, yang menimbulkan gaya tolak-menolak diantara partikel yang berdekatan.Pada suspensi yang stabil, potensial zeta lebih besar daripada gaya tarik-menarik van der Waals antar partikel.Besarnya potensial zeta dipengaruhi olehkonsentrasi ion-ion di dalam air (atau pH air)


--------+

++++

+ +

+

+- -

-

--

+ -

+ -

+ -

+ -

Partikel

adsorbed/stern layer

Diffuse layer

hydrated counterions

Polar liquid

jarak

pote

nsia

l

Ψ0

ζ-potential

double layer bulk solution

shear plane

Stabilisasi sistem koloid


Tahapan proses klarifikasi:

1. Koagulasi:1. Ditambahkan koagulan yang

mengganggu adsorpsi ion-ion padapermukaan partikel padatan,

2. potensial zeta suspensi berkurang, gaya tarik-menarik Van der Waalslebih dominan

3. partikel-partikel dapat bergabung atauteraglomerasi.

4. dilaksanakan dengan pengadukancepat untuk menjamin distribusikoagulan yang baik dan untukmeningkatkan kontak antar partikelpadatan.


koagulan anorganik: Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3, AlCl3, FeCl3, Na2Al2O4

sering menyebabkan penurunan pH, sehingga perlu penambahan basarentang kerja pH: Al2(SO4)3 6.0-7.0, Fe2(SO4)3 5.0-11.0

koagulan organik: poliakrilamida, poly(DADMAC), poliamina kuaterner, poliaminamenghasilkan volume lumpur < koagulan anorganiktidak mengubah pHlumpur mengandung lebih sedikit air kimiawikurang efektif untuk turbiditas rendah


2. Flokulasi:Bertujuan menumbuhkan aglomeratmenjadi flok (aglomerat lebih besar) yang padat & beratDilakukan pengadukan lambat untukmenghasilkan kontak antar aglomerattanpa geseran (shear) berlebihan yang justru merusak aglomeratdapat dibantu dengan menambahkanbahan-bahan flokulan.

3. Sedimentasi:Flok-flok yang telah cukup besar danberat dipisahkan dari fasa curah air melalui pengendapan gravitasi. memerlukan kondisi aliran yang relatiftenang, dengan waktu tinggal yang cukup untuk mengendapkan flok.

Rancangan unit clarifier mengakomodasi 3 proses di atas:

1. pengadukan dengan gaya geser tinggi untukkoagulasi

2. pengadukan dengan gaya geser rendah & waktu tinggal panjang untuk flokulasi

3. pemisahan padatan & cairan


Tipe-tipe clarifier

Konfigurasi umum:horizontal flow clarifier

terdiri dari 3 kolam / bak tersendiri, masing2 menjalankan fungsi pengadukan cepat, pengadukan lambat & sedimentasikoagulan ditambahkan di bak pengadukancepatair umpan mengalir secara horisontal darisatu kolam ke kolam berikutnyaefisiensi penyisihan tinggi, namunmemerlukan lahan luas


upflow sludge blanket clarifierberbentuk tangki silindris tegak dg sebuahtabung vertikal yg terpasang di tengahtangkitangki terbagi menjadi zone pencampurancepat, pencampuran lambat & sedimentasipencampuran cepat terjadi di tabung sentral(zone reaksi)air yg mengandung flok kemudian mengalirvertikal melalui ruangan yg berisi lapisanlumpur (sludge blanket) yg terbentukterlebih dahuludi dalam sludge blanket terjadi flokulasi & pemisahan flok-air oleh adsorpsi padapermukaan partikel-partikel lumpur


Upflow solids-recirculation clarifierprinsip serupa dengan tipe sebelumnyanamun, pada zona reaksi terjadipencampuran air baku, koagulan, danlumpur yang disirkulasikan dari sludge blanketsirkulasi (sebagian) lumpur inidimaksudkan untuk membantu pembibitanflok di zona reaksi


Tipe-tipe upflow clarifier

Sludge blanket

Solids contact / solids-recirculation


Aerasi

Tujuan: menurunkan kadar CO2 terlarutoksidasi ion Fe & Mn (lazim dikandung air tanah)pelucutan (stripping) NH3 & H2S terlarut

Proses umum:waterfall: air dijatuhkan dalam wujudtetesan melalui udara (udara = fasakontinu)air diffusion: gelembung2 udaradipompakan melalui air (air = fasa kontinu)

proses air diffusion umumnya lebihefisien karena luas antarmuka gas-cair yang lebih besar


Contoh-contoh aerator

Multicone aerator

Forced-draft aerator


Mekanisme penyisihan ion logam:Fe, Mn dianggap berada dalam bentukgaram bikarbonatOksigen dari udara mengoksidasi garam2 tersebut:

4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O ⇔ 4Fe(OH)3↓ + 8CO2

2Mn(HCO3)2 + O2 ⇔ 2MnO2↓ + 4CO2 + 2H2O

Produk2 oksidasi di atas memilikikelarutan rendahlebih mudah dipisahkan pada proses2 selanjutnya (klarifikasi, filtrasi)

Proses oksidasi dapat dipercepatdengan menambahkan zat2 oksidator(Cl2, KMnO4)


Mekanisme pelucutan gas2 terlarut:Reaksi2 pelarutan

CO2 : H2O + CO2 ⇔ H+ + HCO3-

H2S : H2S ⇔ H+ + HS-

NH3 : H2O + NH3 ⇔ NH4+ + OH-

Pelucutan dilaksanakan melaluipergeseran kesetimbangan reaksi2 diatasKonsentrasi (kesetimbangan) gas2 terlarut sangat bergantung pada:

T → semakin tinggi, kelarutan semakinrendahpH → kecenderungan bergantung padareaksi!


Kelarutan gas-gas pencemar

CO2 H2S

NH3


Pelunakan denganpresipitasi (precipitation softening)

Proses pelunakan bertujuan menurunkankadar kesadahan & alkalinitas airKonsep: tambahkan bahan-bahan ygbereaksi dg mineral terlarut & membentukpadatan yg mudah mengendapProses yang banyak digunakan adalahproses pelunakan dengan kapur (lime softening) atau kapur & soda (lime-soda softening)Penggolongan lime softening berdasarkantemperatur operasi:

cold lime softening: temperatur ruangwarm lime softening: 49-60 oChot lime softening: 108-116 oC + tekanan tinggi

Semakin tinggi T, reaksi pelunakan semakintuntas:

penghilangan kesadahan semakin baikperlu energi lebih besar


Cold Lime Softening

Mekanisme penyisihan kesadahankarbonat / sementara:

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ⇔ 2CaCO3↓ + 2H2OMg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 ⇔ Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2H2OCO2 + Ca(OH)2 ⇔ CaCO3↓ + 2H2O

kadar kesadahan Ca(HCO3)2umumnya dapat dikurangi hingga 35-50 ppm

Mekanisme penyisihan kesadahan non-karbonat / tetap:

kesadahan Ca non-karbonat tidak dptdihilangkan dg Ca(OH)2kesadahan Mg non-karbonat:

MgSO4 + Ca(OH)2 ⇔ Mg(OH)2↓ + CaSO4MgCl2 + Ca(OH)2 ⇔ Mg(OH)2↓ + CaCl2

perhatikan bahwa reaksi-reaksi di atasmeningkatkan kesadahan Ca non-karbonat


Kesadahan Ca non-karbonat dikurangimelalui reaksi dg soda abu (Na2CO3):

CaSO4 + Na2CO3 ⇔ CaCO3↓ + Na2SO4

CaCl2 + Na2CO3 ⇔ CaCO3 + 2NaClPengurangan kesadahan Mg non-karbonat memerlukan soda abu & kapursekaligus:

MgSO4 + Ca(OH)2 + Na2CO3 ⇔Mg(OH)2↓ + CaCO3↓ + Na2SO4

MgCl2 + Ca(OH)2 + Na2CO3 ⇔ Mg(OH)2↓+ CaCO3↓ + 2NaCl


Warm Lime Softeningkelarutan senyawa Ca, Mg & Si berkurangterhadap Tkandungan silika berkurang karenaadsorpsi pada permukaan endapanMg(OH)2jika air baku tidak mengandung cukup Mg untuk mengadsorpsi silika, dapatditambahkan dalam bentuk MgSO4, MgOatau dolomit

Hot Lime SofteningT tinggi menuntaskan reaksi-reaksipresipitasiCO2 terlucutkan dari air karenapemanasan, sehingga tidak turutmengkonsumsi Ca(OH)2

Warm & hot lime softening digunakanjika diperlukan kadar Si rendah, misalnya untuk umpan prosesdemineralisasi


Filtrasi

Tujuan umum: memisahkan padatantersuspensi dari suatu fluida (cair, gas) dengan cara melewatkan campuran fluida-padat melalui lapisan berpori (media filtrasi)Pemisahan cair-padat:

Filtrasi digunakan untuk mengolah keluaranunit klarifikasi atau pelunakanpada kondisi tertentu dapat digunakansecara langsung untuk proses penjernihanair

FiltrasiSlurry

filter cake (slurry yg lebih pekat)

Filtrat(cairanjernih)


Pengoperasian filter berlangsungmenurut siklus:

mulai dg media bersihselama proses filtrasi, timbunan padatanpada media menyebabkan:berkurangnya laju filtrasi (constant pressure filtration) atau meningkatnyahilang tekan (constant rate filtration)setelah laju / ∆P mencapai harga tertentu, filtrasi dihentikan (atau dialihkan ke unit cadangan)media dibersihkan melalui cuci-balik(backwashing) menggunakan air / air+udara yang dialirkan berlawanan arahdg operasi normalsetelah cuci-balik, unit dioperasikankembali


Pertimbangan dalam pemilihan jenis filter:kuantitas slurry yang diolahsifat2 slurry: viskositas, densitas, korosivitas, toksisitas dll.konsentrasi padatan slurryukuran, distribusi, bentuk & kecenderunganberflokulasi dari partikel padatantingkat pemisahan yg diinginkankuantitas & bentuk produk yg diinginkanbiaya

Jenis2 filter dibedakan menurut:bentuk media: bed, plate & frame, leaf, rotarysiklus operasi: batch atau kontinuproduk yg diinginkan: filtrat atau filter cakegaya pendorong: gravitasi, vakum atautekanan


Untuk pengolahan air, jenis filter yang banyak digunakan adalah bed filterMedia filtrasi berbentuk unggunmaterial granularGaya pendorong: gravitasi (gravity filter) atau tekanan (pressure filter)Pressure filter digunakan jika:

konsentrasi padatan slurry tinggifilter cake tidak didaurulang

[gambar gravity & pressure filter]


Jenis lain yang digunakan untukpengolahan air: upflow filterAir mengalir dari bawah ke atas


Media filtrasi:Jenis unggun media filtrasi yang umumdigunakan adalah:

unggun tunggal pasir atau antrasit (batubara tua)unggun serial, antrasit di atas pasirunggun campuran antrasit dan pasir

Selain jenis-jenis media di atas, dapatdigunakan pula: tanah diatomit / kieselguhr, batu bara, pasir silika, serta kerikil (gravel)

Distribusi ukuran partikel media dicirikanoleh (1) ukuran efektif dan (2) koefisienkeseragaman

Ukuran efektif = defektif = d10 = ukuranayakan standar yang melewatkan 10% massa mediaKoefisien keseragaman = U = d60/d10

Contoh: untuk filter pasir cepat (rapid sand filter) digunakan defektif = 0,4 - 0,55 mm, dan U = 1,35 – 1,75


Perhitungan hidrolika filtrasi

Hidrolika pada operasi normalPersamaan dasar yg digunakan adalahpersamaan ∆P aliran fluida melaluiunggun tetapUnggun: ukuran partikel seragam atautak seragamUnggun seragam:

hf = hilang tekan, meterf’ = faktor gesekanL = tinggi unggun, me = porositas unggunVs = kecepatan filtrasi (laju alir volumetrik/ luas permukaan filter), m/sg = percepatan gravitasidp = diameter partikel media

p

sf gde

VeLfh 3

2)1(' −=


Faktor gesekan:

Re < 1 : laminerRe > 104 : turbulen1 < Re < 104 : transisiρw = densitas air, kg/m3

φ = faktor bentuk (shape factor)μ = viskositas dinamik, Ns/m2

μφρ psw dV

N

Nef

=

+−

=

Re

Re

75,1)1(150'


Unggun tak seragam:lakukan analisis ayakan terhadapmediahasil analisis: fraksi berat xij vs. diameter rata2 dij

tinggi media rata2 utk partikelberdiameter dij = xij.Lpersamaan hilang tekan unggunseragam dimodifikasi menjadi:

∑−=

ij

ijijsf d

xfge

VeLh 3

2)1(


Contoh:Air baku pada 20 oC difiltrasi padakecepatan 5,0 m/jam (1,39 mm/s). Unggunmedia tersusun dari pasir yang seragam, berdiameter 0,4 mm dengan faktor bentuk0,85 dan specific gravity 2,65. Tinggiunggun 0,67 m dengan porositas 0,4. Hitunghilang tekan melalui unggun tersebut.


Contoh:Air pada 20 oC difiltrasi dengan kecepatanalir 1,2x10-3 m/s. Tinggi unggun 0,75 m dantersusun dari pasir tak seragam yang berlapis-lapis sedemikian hingga partikelterhalus berada pada bagian atas danpartikel terkasar berada pada dasarunggun. Specific gravity partikel 2,65, sedangkan porositas dan faktor bentuksebesar 0,4 dan 0,85. Hitung hilang tekanjika hasil analisis ayakan media adalahsebagai berikut:

diameter rata2 dij, mm

fraksi massa xij

1,41 0,011,13 0,110,78 0,200,66 0,320,55 0,210,46 0,230,42 0,02


Pertukaran Ion

Proses pertukaran ion digunakanuntuk:

pelunakanpengurangan alkalinitasdemineralisasi

Prinsip-prinsip:Resin penukar ion mengandung ion-ion yang terikat relatif lemah pada strukturnyaResin menerima ion positif / negatif darilarutan dan melepaskan ion lain ke dalamlarutan dalam jumlah yang setara secarakimiawiJika yang dipertukarkan adalah kation: resin penukar kationJika yang dipertukarkan adalah anion: resin penukar anion


Contoh reaksi pertukaran kation:2 NaR(s) + CaCl2(aq) ⇔ CaR2(s) + 2 NaCl(aq)

Contoh reaksi pertukaran anion:2 RCl(s) + Na2SO4(aq) ⇔ R2SO4(s) + 2 NaCl(aq)

Jika resin telah mempertukarkansemua ion yang dimilikinya (yang dapat dipertukarkan), maka prosespertukaran akan terhenti.Resin harus diregenerasi denganlarutan yang mengandung ion semula(misalnya ion Na+ pada contohpertama)Reaksi regenerasi = kebalikan darireaksi pertukaran


Bahan resin penukar ion:alamiah atau sintetiksintetik: umumnya kopolimer stiren-divinilbenzen (DVB)mengandung gugus-gugus asam / basa (gugus fungsional)

jumlah gugus fungsional per satuanvolume resin menentukan kapasitaspertukaran ionjenis gugus fungsional menentukanselektivitas & tetapan kesetimbanganreaksi pertukaran

ukuran pori resin menentukanukuran ion-ion yg dapatdipertukarkan


Jenis-jenis resin penukar ion berdasarkan gugus fungsi:

resin penukar kation asam kuat: mengandung gugus sulfonat, fosfonat, atau fenolatresin penukar kation asam lemah: mengandung gugus karboksilatresin penukar anion basa kuat: mengandung gugus amonium kuaternerresin penukar anion basa lemah: mengandung gugus amina primer, sekunder & tersier


1. Resin kation asam kuatgugus fungsional: sulfonatmenetralisir basa kuatmengubah garam netral menjadiasamnyapenggunaan: pelunakan, demineralisasitotalreaksi siklus H utk demineralisasi:

H2CO3 dalam air mudah terurai menjadiH2O dan CO2 ... CO2 terlarut perludegasifikasi

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡+

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡⋅−⇔⋅−+

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−

−

++

+

HClSOHCOH

NaMgCa

SORHSORCl

SOHCO

NaMgCa

2

2

222

2

2

242

32

332

4

3

2

2


setelah jenuh diregenerasi dg larutanasam mineral berlebih:

untuk proses pelunakan digunakan siklusNa:

Regenerasi dengan larutan NaCl atauNaOH

++

+

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⋅−⇔⋅−+⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡Na

MgCa

SORNaSORMgCa

222 332

2

−

+

+

+

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

+⋅−⇔+⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡− 2

42

2

3423

22

22 SO

NaMgCa

HSORSOHNa

MgCa

SOR


2. Resin anion basa kuatgugus fungsional: amonium kuaternermenetralisir asam kuatmengubah garam netral menjadi basanyapenggunaan: pelunakan, demineralisasitotalreaksi pada siklus OH:

regenerasi dengan larutan basa kuatberlebih, misalnya NaOH

OH

HCOHSiO

ClSO

ROHR

COHSiOH

HClSOH

2

3

3

4

32

32

42

2

22

222

22

2+

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⋅⇔⋅+

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡


3. Resin kation asam lemahgugus fungsional: -COOHmenetralisir basa kuatpenggunaan: dealkalisasi, demin. parsialreaksi dalam siklus H:

kemampuan menghilangkan kation tidaksebesar resin asam kuat, tapi lebih efisiendalam regenerasi (perlu lebih sedikitlarutan regeneran)digunakan utk air umpan dg kesadahan & alkalinitas tinggi

3232

2

2222

2COH

NaMgCa

COORHCOORHCONa

MgCa

+⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡⋅−⇔⋅−+⋅

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡−

+

+

+


4. Resin anion basa lemahGugus fungsional: amina primer, sekunder atautersiercocok untuk menghilangkan asam sulfat, nitrat& klorida:

regenerasi dg larutan NaOH atau NH4OHlebih mudah diregenerasi daripada resin basakuat

OHCl

NOSO

ROHRHCl

HNOSOH

23

4

3

42

22

2222

2 +⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡⋅⇔⋅+

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡


1. Pelunakan AirProses pertukaran ion umumnya digunakanuntuk air dengan tingkat kesadahan yang relatiftidak terlalu tinggi (misalnya efluen dari prosespelunakan presipitasi)Resin penukar ion yang digunakanmengandung Na, yang dipertukarkan dengankation-kation kesadahan Ca, MgProses pelunakan:Ca2+, Mg2+ + 2 Rs-Na ⇔ Rs-Ca,Mg + 2Na+

(larutan) (resin) (resin) (larutan)Kapasitas pertukaran ion berkurang terhadapwaktu; jika telah mencapai tingkat tertentu, unggun resin diregenerasi dengan larutan NaClRs-Ca,Mg + 2Na+ ⇔ Rs-Na + Ca2+,Mg2+

Praktek umum - operasikan unggun resin hingga kapasitas pertukaran sekitar 6 g kesadahan (dihitung sebagai CaCO3) / m3 resin


2. Pengurangan alkalinitas airalkalinitas disebabkan oleh anion HCO3

-, CO3

2-, OH-, SiO32-, PO4

2-

resin yang digunakan kaya dengan hidrogenreaksi pertukaran:Ca2+, Mg2+ + 2HCO3

- + Rs-H⇔ 2 H2CO3+ Rs-Ca,Mg

Asam karbonat selanjutnya terurai menjadiH2O dan CO2CO2 dapat dihilangkan dengan aerasiPertukaran dg cara di atas menghasilkanefluen yang bersifat asam (kation logamdiganti dengan H+) ... netralisasi denganmenambahkan:

air bakularutan NaOHefluen dari pertukaran ion siklus Na


Setelah kolom resin jenuh, selanjutnyadiregenerasi dengan larutan H2SO4 :Rz-Ca + H2SO4 ⇔ Rz-H + SO4

2- + Ca2+

Alternatif cara penghilangan alkalinitas: pertukarkan anion alkali menggunakan resin penukar anion basa kuat dalam bentukklorida:

Rz-Cl + HCO3- ⇔ Rz-HCO3 + Cl-

keuntungan:regeneran relatif murah (NaCl)tidak perlu penanganan asam pekat yang berbahayatidak perlu unit degasifikasi (tidak terbentukCO2)efluen tidak bersifat asam, tidak perlunetralisasi setelah pertukaran ion


3. DemineralisasiDemineralisasi / deionisasi bertujuanmenghilangkan seluruh ion asing dalam airKonsep dasar: mempertukarkan kation, kemudian anion, pada rangkaian unggunpenukar ion yang tersusun seri, dengan unit degasifikasi di antara unggun-ungguntersebut untuk menghilangkan CO2 ygterbentukIngat bahwa terdapat beberapa jenis resin penukar ion: asam kuat, asam lemah, basakuat dan basa lemahDesain sistem demineralisasi adabermacam-macam, bergantung padakarakteristik air umpan dan spesifikasi efluen

A31

A31 insert scanning skema demin dari Betz handbookAspire 3002, 5/8/2006


Alternatif2 sistemdemineralisasi

AsamKuat

BasaLemah

• Penggunaan: jika kadar silika & CO2 efluen tdkkritis

• Karakteristik efluen: konduktansi 10-40 μmho, kadar silika tetap

• Karakteristik proses: harga peralatan murah, harga regeneran murah

AsamKuat

BasaKuat

• Penggunaan: alkalinitas air mentah rendah, perlu penghilangan silika & CO2

• Karakteristik efluen: konduktansi <15 μmho, silika 0.02-0.10 ppm

• Karateristik proses: harga peralatan murah, biaya regeneran moderat


AsamKuat Degasifikasi Basa

Kuat

• Penggunaan: alkalinitas air mentah tinggi, perlu penghilangan silika & CO2


• Karakteristik proses: harga peralatanrendah, perlu pemompaan ulang


LemahBasaKuat

• Penggunaan: air mentah dg kadar alkalinitas, klorida & sulfat tinggi, perlu penghilangan silika& CO2


• Karakteristik proses: harga peralatan tinggi, biaya regeneran paling rendah, perlupemompaan ulang



LemahBasaKuat

Asam Lemah

• Penggunaan: air mentah dg kadar kesadahan, alkalinitas, klorida & sulfate tinggi, perlupenghilangan silika & CO2

• Karakteristik efluen: konduktansi <15 μmho, silika0.02-0.10 ppm

• Karakteristik proses: harga peralatan tinggi, biayaregeneran paling rendah, perlu pemompaan ulang

AsamKuat

BasaKuat

AsamKuat

• Penggunaan: air mentah dg kadar Na tinggi, modifikasi thd sistem 2-unggun yg telah ada, perlukadar Na rendah dlm efluen

• Karakteristik efluen:konduktansi <10 μmho, silika 0.02-0.05 ppm

• Karakteristik proses: mudah utk memodifikasi sistem, bahaya kebocoran efluen asam atau berkadar anion tinggi

su-1 sistem penyediaan air 2

Documents