52

3. AIR DAN PENGOLAHANNYA

3-1 Pendahuluan

1. Umum

Merupakan fakta yang tidak dapat dibantah bahwa air ada di planet bumi ini lama sebelum

evolusi kehidupan yang pertama kali. Air adalah zat atau materi atau unsur yang penting bagi

semua bentuk kehidupan yang diketahui sampai saat ini di bumi, tetapi tidak di planet lain.

Air menutupi hampir 71% permukaan bumi, terdapat 1,4 trilyun kilometer kubik tersedia di

bumi. Tergantung pada ukuran badan, tubuh manusia terdiri atas 55% sampai 78% air. Air

sebagian besar terdapat di laut (air asin) dan pada lapisan-lapisan es (di kutub dan puncak-

puncak gunung), akan tetapi juga dapat hadir sebagai awan, hujan, sungai, permukaan air

tawar, danau, uap air, dan lautan es. Air dalam obyek-obyek tersebut bergerak mengikuti

suatu siklus air menuju laut, yaitu: melalui penguapan, hujan, dan aliran air di atas

permukaan tanah (runoff), yang meliputi mata air, sungai, muara. Air bersih penting bagi

kehidupan manusia, di banyak tempat di dunia terjadi kekurangan persediaan air. Selain di

bumi, sejumlah besar air juga diperkirakan terdapat pada kutub utara dan selatan planet Mars,

serta pada bulan-bulan Europa dan Enceladus.

Air dapat berwujud padatan (es), cairan (air) dan gas (uap air). Gambar di bawah ini

merupakan contoh air dalam tiga wujudnya, cairan di laut, es yang mengambang, dan awan di

udara yang merupakan uap air.

Air merupakan satu-satunya zat yang secara alami terdapat di permukaan bumi dalam ketiga

wujudnya tersebut. Pengelolaan sumber daya air yang kurang baik dapat menyebabkan

kekurangan air, monopolisasi serta privatisasi air bahkan menyulut konflik. Indonesia telah

53

memiliki undang-undang yang mengatur sumber daya air sejak tahun 2004, yakni Undang

Undang nomor 7 tahun 2004 tentang Sumber Daya Air.

Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O, satu molekul air tersusun atas dua atom

hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna,

tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) dan

temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, air sering

disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia, seperti garam-

garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik.

2. Sifat fisik dan kimia

Beberapa sifat fisik dan kimia dari air diantaranya adalah sebagai berikut :

Nama sistematis air

Nama alternatif aqua, dihidrogen monoksida, hidrogen hidroksida

Rumus molekul H2O

Massa molar 18.0153 g/mol

Densitas 0.998 g/cm³ (cairan pada 20 °C) ; 0.92 g/cm³ (padatan)

Titik lebur 0 °C atau 273.15 K atau 32 °F

Titik didih 100 °C atau 373.15 K atau 212 °F

Kalor jenis 4184 J kg-1 K-1 (cairan pada 20 °C)

54

3. Sumber air

Air dapat diperoleh dari berbagai sumber, diantaranya :

a. Air hujan (rain water)

Air hujan adalah air yang berasal dari hujan, relatif lebih murni dibandingkan dengan

sumber air alam lainnya, meskipun demikian air hujan dapat terkontaminasi dengan

kotoran. Pengotoran sangat tergantung dari daerah tempat hujan turun (misal : lingkungan

industri, dll.).

b. Air permukaan (surface water)

Air permukaan adalah air yang terkumpul di permukaan tanah seperti di aliran/arus,

sungai, danau, tanah yang basah, atau laut. Air permukaan mengandung CO2 terlarut dari

udara atau hasil oksidasi senyawa organik. Air yang mengandung CO2 akan bereaksi

dengan batu-batuan mineral umpamanya batu kapur dan akan menghasilkan larutan

bikarbonat.

CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2

batu kapur Ca-bikarbonat

Garam sulfat dan khlorida dalam batu kapur juga larut. Air permukaan juga mengandung

zat-zat tersuspensi seperti silika dan tanah liat hasil reaksi, dan CO2 terlarut dengan batu

mineral, misal: alumino silikat.

K2O.Al2O3.6SiO2 + 2H2O + CO2 Al2O3.2SiO2.2H2O + K2CO3 + 4 SiO2

tanah liat

silika

c. Air tanah (ground water)

Air tanah adalah air yang berada di bawah permukaan tanah, yaitu di pori-pori tanah atau

sela batu. Air tanah bebas dari zat tersuspensi karena sudah melalui lapisan-lapisan

berpori kulit bumi, selain itu air tanah mengandung banyak garam mineral.

d. Air laut

Air laut adalah air yang berasal dari laut, banyak mengandung garam-garam seperti NaCl

dan MgCl2. Kandungan garam dalam air laut disebut salinity, pada umumnya salinity air

laut adalah sekitar 3,5% (35 gram/liter), artinya setiap kilogram air laut mengandung

sekitar 35 gram garam terlarut (ion Na+ dan Cl-). Karena mengandung garam terlarut, air

laut memiliki densitas (1,025 g/ml) yang lebih besar dari pada air murni (1,0 g/ml). Titik

beku air laut menurun bersamaan dengan meningkatnya kandungan garam, dengan kadar

garam yang normal titik beku air laut adalah – 2 oC. Mengingat bahwa sebagian besar air

55

yang menutupi bumi adalah air laut, maka sebetulnya air laut merupakan sumber air yang

berlimpah. Akan tetapi karena sifat fisik dan kimianya, air laut jarang digunakan untuk

keperluan hidup sehari-hari, karena memerlukan biaya yang cukup besar untuk proses

pemurniannya. Air laut biasanya digunakan untuk proses pendinginan, misal mesin.

4. Spesifikasi Air

Air permukaan dan air tanah paling banyak dipakai dalam industri, keperluan domestik, dan

pertanian. Spesifikasi air untuk beberapa keperluan industri dapat dilihat pada tabel di bawah

ini :

No Keperluan Spesifikasi Catatan

1 Minuman Tidak boleh basa Basa akan menetralkan asam dari buah-

buahan sehingga rasa akan berubah atau

hilang

2 Susu dan

industri yang

sejenis

a. Tidak berwarna

b. Tidak berbau

c. Tidak berasa

d. Bebas dari

organisme patogen

3 Tekstil/pakaian a. Tidak boleh air

keras/ sadah

b. Tidak keruh dan

bebas dari Fe dan

Mn

c. Bebas dari zat-zat

organik

d. Bebas dari warna

a. Air keras/sadah akan meningkatkan

penggunaan sabun/detejen, selain itu

air sadah mengendapkan zat warna

basa dan mengurangi kelarutan zat

warna asam

b. Garam Fe dan Mn menyebabkan

warna abu-abu dan kuning pada kain,

selain itu pewarkaan akan tidak rata

dan meninggalkan bercak-bercak

pada kain

c. Menghasilkan bau yang tidak enak

4 Kertas a. Tidak boleh basa

a. Pemakaian alum (koagulan) akan

menaikkan biaya produksi

56

b. Tidak boleh keruh,

berwarna,

mengandung Fe dan

Mn

c. Tidak boleh ada

SiO2

d. Tidak boleh air

sadah

b. Mempengaruhi warna kertas

c. Menyebabkan kertas pecah-pecah

d. Garam Ca dan Mg menaikkan

kandungan abu dalam kertas

5 Stasiun

pembangkit

a. Sistem

pendingin

b. Boiler/ketel

- Tidak menyebabkan

korosi

- Tidak menghasilkan

kerak

- Tidak menyebabkan

pertumbuhan jamur

- Kesadahan = 0

Jamur menyebabkan air berbau

Air sadah menyebabkan kerak yang akan

mengurangi efisiensi perpindahan panas

3-2 Analisis Air

Sebelum air diolah, terlebih dahulu harus diketahui zat-zat pengganggu apa saja yang ada dan

berapa banyak jumlahnya. Hasil analisis air biasanya dinyatakan dalam ppm (part per

million), yaitu jumlah bagian zat dalam sejuta bagian air (mg/liter). Beberapa analisis yang

umum dilakukan terhadap air adalah sebagai berikut :

a. Kesadahan

Menetapkan kadar Ca2+ dan Mg2+

b. Alkalinitas

Menetapkan kadar HCO3- (bikarbonat), CO3

2- (karbonat), dan OH- (hidroksida)

c. Keasaman

Menetapkan kadar H+

d. Lain-lain

Menetapkan kadar Na+, Fe2+, Mn2+, SiO2, NO3-, Cl-, SO4

2-, F-

57

Konsentrasi zat-zat pengganggu yang menyebabkan kesadahan, alkalinitas, dan keasaman

biasanya dinyatakan dalam jumlah ekivalen CaCO3. Dipilih CaCO3 karena CaCO3 paling

tidak larut dalam air dan berat molekulnya = 100. Dengan demikian perhitungan menjadi

mudah, karena valensinya = 2, maka berat ekivalennya = 50 (berat ekivalen = berat

atom/valensi). Untuk suatu konstituen dengan konsentrasi X mg/l, maka jumlah ekivalen

CaCO3 = 50 X / ekivalen konstituen. Sebagai contoh : suatu air mengandung 30 mg/l Ca2+,

16 mg/l Mg2+, 9,2 mg/l Na2+, 183 mg/l HCO3-, 57,5 mg/l SO4

2- dan 7 mg/l Cl-. Maka

konsentrasi masing-masing konstituen dalam berat ekivalen CaCO3 adalah sebagai berikut :

Ion Konsentrasi

(ppm = mg/l)

Berat Ekivalen

(Berat atom/valensi)

Konsentrasi

dalam ekivalen CaCO3

(mg/l)

Ca2+ (40) 30 40/2 = 20 50 x 30/20 = 75

Mg2+ (24) 16 24/2 = 12 50 x 16/12 = 62,5

Na+ (23) 9,2 23/1 = 23 50 x 9,2/23 = 20

HCO3- (61) 183 61/1 = 61 50 x 183/61 = 150

SO42- (96) 57,5 96/2 = 48 50 x 57,5/48 = 58

Cl- (35,5) 7 35,5/1 = 35,5 50 7/35,5 = 95

3-3 Kesadahan Air

Air sadah, atau biasa disebut juga air keras (hard water), adalah air dengan kandungan

mineral yang tinggi, mineral terlarut yang paling mengganggu adalah kation multivalen yaitu

kation dengan muatan lebih besar dari 1, seperti kalsium (Ca2+) dan magnesium (Mg2+). Ion-

ion ini masuk dalam air karena dalam perjalanannya, air melewati mineral yang mengandung

kalsium dan magnesium seperti batu kapur (CaCO3) dan gypsum. Di beberapa tempat

tertentu, selain Ca2+ dan Mg2+, ion-ion Fe2+, Al3+, dan Mn2+ juga berkontribusi terhadap

kesadahan air.

CaCO3 + CO2 + H2O ⇋ Ca2+ + 2HCO3-

58

Sebetulnya semua air, kecuali air yang didestilasi dengan cermat, mengandung sejumlah

mineral terlarut, karena air merupakan pelarut yang sangat baik. Akan tetapi, mineral terlarut

dengan kadar yang tinggi dapat menimbulkan masalah, karena pengendapan oksida mineral

yang dapat menyumbat pipa saluran air. Endapan ini disebut kerak dan biasanya berbentuk

kalsium karbonat (CaCO3), magnesium hidroksida (Mg(OH)2), dan kalsium sulfat

(CaSO4). Air sadah tidak berbahaya bagi manusia, World Health Organization (WHO)

menegaskan bahwa tidak ada bukti yang meyakinkan bahwa air sadah menyebabkan

gangguan kesehatan pada manusia. Meskipun demikian, direkomendasikan supaya batas

minimum dan maksimum kandungan Ca2+ dalam air minum adalah 40 – 80 ppm, sedangkan

kandungan Mg2+ adalah 20 – 30 ppm. Sebagai perbandingan, air disebut air sadah apabila

kandungan CaCO3 adalah 121 – 180 mg/l. Selain kandungan CaCO3, kesadahan air dapat

diukur melalui pH nya, yang disebut Langelier Saturation Index (LSI) dan Ryznar Stability

Index (RSI).

Dalam kehidupan sehari-hari, masalah dengan air sadah lebih dikenal bukan karena skala

pembentukannya akan tetapi karena air sadah sulit bereaksi dengan sabun. Air sadah

menyebabkan sabun sukar larut sehingga tidak berbusa, kondisi ini menyebabkan orang

cenderung menggunakan sabun lebih banyak. Dengan sabun, kehadiran garam-garam

bikarbonat, khlorida, dan sulfat dari ion-ion Ca2+ dan Mg2+ dalam air sadah akan membentuk

padatan (soap scum) yang cukup tebal. Kandungan utama dari endapan ini adalah kalsium

stearat, yang merupakan komponen utama dari sabun. Sabun tidak akan berbusa sebelum

semua ion M2+ diendapkan. Dengan demikian maka kesadahan air dapat didefinisikan

sebagai kapasitas air dalam mengkonsumsi sabun.

2 C17H35COONa + M2+ (C17H35COO)2M + 2 Na+

sabun (Ca/Mg) padatan

Ada 2 jenis kesadahan, yaitu :

a. Kesadahan sementara (temporary hardness)

Disebabkan oleh bikarbonat dari Ca2+ dan Mg2+, disebut carbonate hardness (CH), dapat

dihilangkan dengan dididihkan

Ca (HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2

Mg (HCO3)2 Mg(OH)2 + 2 CO2

59

b. Kesadahan tetap (permanent hardness)

Disebabkan oleh sulfat dan khlorida dari Ca2+ dan Mg2+, disebut non-carbonate hardness

(NCH), tidak dapat dihilangkan dengan pendidihan

Kesadahan air biasanya diukur terhadap total dari kesadahan sementara dan kesadahan tetap,

disebut kesadahan total (total hardness/TH), TH = CH + NCH, dengan satuan ppm (mg

CaCO3 dalam l liter

air).

3-4 Alkalinitas Air

Alkalinitas air adalah kemampuan dari larutan untuk menetralkan asam sampai pada titik

ekivalen dari karbonat (CO32-) atau bikarbonat (HCO3

-). Atau dengan kata lain, alkalinitas

adalah kemampuan menyangga (buffering) larutan asam. Alkalinitas sebanding dengan

jumlah stoikiometri basa dalam larutan. Total alkalinitas didominasi oleh karbonat alkalinitas

yang disebabkan oleh batu kapur dan adanya CO2 di atmosfer. Komponen alamiah lainnya

yang berkontribusi pada alkalinitas adalah borat, hidroksida, fosfat, silikat nitrat, amonia, dan

konjugat basa dari beberapa asam organik dan sulfida. Alkalinitas tidak sama dengan

kebasaan, sebagai contoh, pH suatu larutan dapat diturunkan dengan penambahan CO2,

dengan demikian maka kebasaan larutan tersebut akan turun, akan tetapi alkalinitasnya tetap.

Air dengan alkalinitas yang tinggi akan terasa seperti soda dan dapat menyebabkan

kekeringan/iritasi pada kulit karena alkalinitas cenderung menghilangkan lapisan minyak

pada kulit, air dengan alkalinitas tinggi disebut air sadah.

Alkalinitas dinyatakan dengan kandungan CaCO3 dalam air dalam ppm, air minum

mempunyai kandungan CaCO3 sebesar 20 – 200 ppm (mg per liter air). Alkalinitas dapat

diukur melalui titrasi dengan asam kuat (H+) sampai seluruh kapasitas buffer dari basa habis

terpakai. Volume dari asam yang diperlukan untuk mencapai nilai pH tertentu mencerminkan

alkalinitas. Tercapainya pH pada titik akhir ditandai dengan perubahan warna larutan, untuk

mengamati perubahan warna ini digunakan indikator. Pemilihan indikator tergantung pada

daerah transisi pH titik akhir :

60

a. Untuk titrasi karbonat (CO32-) dapat digunakan indikator phenolphthalein yang bekerja

pada pH=8,3. Warna berubah dari merah jambu menjadi tidak berwarna.

CO32- + H+

HCO3-

b. Untuk titrasi bikarbonat (HCO3-) dapat digunakan indikator metil oranye yang bekerja

pada pH = 4,5. Warna berubah dari kuning menjadi merah jambu.

HCO3- + H+

H2O + CO2

Pada pH titik akhir, semua basa telah diambil H+ (disebut protonasi). Mengingat bahwa di

dalam air terdapat beberapa ion penyebab alkalinitas, maka ukuran alkalinitas merupakan

total dari alkalinitas masing-masing ion. Untuk ion dengan valensi lebih dari satu, maka

dalam menghitung alkalinitas total, alkalinitas ion tersebut dikalikan dengan faktor valensi.

Sebagai contoh, untuk air yang mengandung ion bikarbonat (HCO3-), ion karbonat (CO3

2-),

hidroksida (OH-), fosfat (PO43-), dan bifosfat (HPO4

2-), maka berdasarkan reaksi :

HCO3− + H+ → CO2 + H2O

CO3−2 + 2H+ → CO2 + H2O

OH− + H+ → H2O

PO4−3 + 2H+ → H2PO4

−

HPO4−2 + H+ → H2PO4

−

Alkalinitas totalnya (AT) adalah :

AT = [HCO3−]T + 2 [CO3

−2]T + [OH−]T + 2 [PO4−3]T + [HPO4

−2]

3-5 Keasaman Air

Dalam ilmu kimia, pH digunakan sebagai ukuran keasaman atau kebasaan suatu larutan. Air

murni disebut netral dengan pH = 7 pada 25oC. Larutan dengan pH kurang dari 7 disebut

asam, dan larutan dengan pH lebih besar dari 7 disebut basa. Beberapa contoh harga pH dapat

dilihat pada gambar di bawah ini :

61

Darah manusia mempunyai pH antara 7,34 – 7,45, perubahan pH tubuh berakibat pada sakit.

Asidosis adalah kelainan kesetimbangan asam basa dalam tubuh, dimana terdapat asam yang

berlebih dalam tubuh sehingga pH darah turun. Beberapa gejala asidosis sebagai akibat dari

turunnya pH darah dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

62

Keasaman pada air dapat menyebabkan korosi, dengan demikian diperlukan soda dan kapur

lebih banyak untuk pengolahan air. Ada 2 jenis keasaman, yaitu :

a. Keasaman CO2, disebabkan oleh CO2 terlarut dalam air.

b. Keasaman mineral, disebabkan oleh asam mineral yang dapat berasal dari limbah industri

terutama dari hidrolisa garam Fe dan Al.

3-6 Pengolahan Air

Pengolahan air adalah proses untuk membuat air menjadi lebih bermanfaat untuk keperluan-

keperluan tertentu, misal untuk minum, keperluan industri, keperluan medis, dll. Tujuan dari

proses pengolahan air adalah menghilangkan atau mengurangi kontaminan yang ada

dalam air, supaya air dapat digunakan untuk keperluan tertentu. Dalam hal ini pengolahan air

termasuk juga pembersihan air buangan supaya aman untuk dibuang ke lingkungan. Untuk

air minum, pemurnian air biasanya untuk menghilangkan padatan, bakteri, jamur, virus,

ganggang, dan mineral (besi, mangan, sulfur). WHO telah menerbitkan panduan tentang

persyaratan yang harus dipenuhi untuk air minum, diantaranya :

a. Jernih, tidak berwarna, dan tidak berbau

b. Bebas dari organisme patogen

c. Tidak mengandung senyawa kimia yang membahayakan manusia atau merusak mesin

d. Tidak terlalu keras atau lunak (kesadahan = ± 80 mg/l)

Tahap pengolahan air minum secara umum dimulai dengan pemisahan padatan dengan

menggunakan proses fisik (penyaringan), dilanjutkan dengan proses kimia seperti

desinfektan dan koagulasi. Untuk keperluan tertentu dilakukan juga proses biologi. Tahapan

proses pemurnian air untuk air minum yang sudah umum dapat dilihat pada tabel di bawah

ini.

63

Pra-khlorinasi Mengontrol ganggang dan menghentikan pertumbuhan biologi

Aerasi Menghilangkan besi (Fe) dan mangan (Mn) terlarut

Koagulasi Flokulasi (pembentukan floc)

Koagulasi asam Memperbaiki flokulasi sehingga floc yang dihasilkan lebih tebal

Sedimentasi Pemisahan padatan, yaitu menghilangkan endapan tersuspensi yang

terperangkap dalam floc

Filtrasi Menghilangkan partikel pengganggu

Desalinasi Menghilangkan garam

Desinfeksinasi Membunuh bakteri (giardia lamblia, coliform, dll), untuk mencegah

penyebaran penyakit. Standar untuk bakteri coliform dalam air minum

adalah lebih kecil dari 1 koloni coliform per 100 ml air (< 1/100 ml)

Desinfeksi sering dilakukan dengan khlorinasi, pada sistem yang ideal

konsentrasi khlorin (Cl2) bebas dalam air adalah 0,3 – 0,5 mg/l.

Tidak ada proses pengolahan air yang unik untuk semua air, selain itu juga sulit untuk

membuat standar pengolahan air karena sumber air yang berbeda-beda. Air dari setiap

sumber air harus diolah secara tersendiri untuk keperluan tertentu. Tergantung pada sumber

air dan untuk keperluan apa, pemurnian air dapat dilakukan dengan memilih tahapan-tahapan

tersebut di atas. Bagan di bawah ini adalah salah satu contoh proses pemurnian air :

64

1) Air (sungai, danau)

Dialirkan/dipompa

Reservoir

+ n-C16H33OH (mencegah penguapan)

terbentuk monolayer dengan gugus OH yang mempunyai sifat

hidrofil

+ CuSO4 (mencegah jamur tumbuh)

2) Penghilangan zat tersuspensi

● Koagulasi (pemilihan koagulan tergantung pada pH air), penambahan

tawas pada air merubah sifat air menjadi basa, carbonate hardness

(CH) menjadi non carbonate hardness (NCH)

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

CH NCH

* pH 7 – 9 dapat digunakan tawas, Al2(SO4)3, 5 – 50 mg/l

* pH 6 – 10 digunakan Fe2(SO4)3, jumlah tergantung tes awal

● Disaring (pasir, kerikil)

3) Pemberian disinfektan

● Cl2, Br2, ClO2, O3, sinar UV, radiasi, dll.

● Pemberian desinfektan dapat dilakukan sebelum atau sesudah

penyaringan

● Konsentrasi antara 0,1 – 0,2 ppm

● Cl2 dengan air membentuk HCl dan HOCl, HOCl ikut aktif membunuh

kuman.

● Kalau air mengandung NH3 terbentuk:

NH3 + HOCl H2O + NH2Cl pH = 8

NH2Cl + HOCl H2O + NHCl2 pH = 5

NHCl2 + HOCl H2O + NCl3 pH = 4

berfungsi membunuh bakteri

● Kalau air mengandung fenol, terbentuk khlorofenol (bau air tidak

enak)

● ClO2 mempunyai efektivitas sama dengan Cl2, sesuai untuk pH tinggi,

dengan fenol tidak membentuk khlorofenol, tetapi relatif mahal dan

agak tidak stabil

● Ozon (O3), lebih mahal dari Cl2, hanya larut sebagian dalam air, tidak

memberi rasa pada air

4) Disimpan/distribusi

65

3-7 Pelunakan Air

Pelunakan air (water softening) adalah proses pengurangan atau penghilangan ion-ion Ca2+

dan Mg2+ dalam air sadah. Beberapa metoda pelunakan air yang sering digunakan adalah :

resin penukar ion, chelating, dan lime softening.

1. Resin penukar ion

Resin penukar ion adalah polimer organik yang mampu melakukan pertukaran ion

antara ion dalam polimer dengan ion dalam larutan yang dilewatkan resin. Pada

pemurnian air, tujuan penggunaan resin penukar ion adalah untuk melunakkan air

dengan menghilangkan ion Ca2+ dan Mg2+ yang terdapat dalam air sadah. Air dilunakkan

dengan menggunakan resin yang mengandung kation Na+ yang akan mengikat ion Ca2+

dan Mg2+ dengan lebih kuat dibandingkan dengan mengikat ion Na+. Ketika air

dilewatkan resin, resin akan mengikat Ca2+ dan Mg2+ dan melepaskan Na+ yang

menyebabkan air menjadi lunak, karena ion Na+ tidak menyebabkan kesadahan. Resin

yang digunakan untuk menukar anion disebut resin penukar anion, sedangkan resin yang

digunakan untuk menukar kation disebut resin penukar kation.

Larutan mengandung Ca2+ dan Mg2+

Penukar ion/resin

Na Zeolite

Reaksi penukaran:

(HCO3)2 (HCO3)

M SO4 + Na2Z MZ + Na2 SO4

Cl2 Cl2

M = Ca/Mg

Tentu saja lama kelamaan kapasitas resin akan semakin berkurang dan habis, oleh karena

itu resin harus di-regenasi dengan mengalirkan larutan NaCl atau KCl kedalam resin.

MZ + 2 NaCl MCl2 + Na2Z

dicuci untuk menghilangkan M

66

Dengan penukaran ion kesadahan air dapat ditekan sampai 1-2 ppm. Air minum tidak

boleh terlalu lunak sebab akan menyebabkan Pb pada pipa air terlarut.

2Pb + 2H2O + O 2 Pb(OH)2

2. Chelation

Chelate adalah senyawa kimia yang tersusun atas ion logam dan chelating agent.

Chelating agent adalah senyawa dimana molekulnya dapat membentuk beberapa ikatan

ke ion logam tunggal. Dengan kata lain, chelating agent adalah ligan multidentat.

Chelation berasal dari kata Yunani yang berarti cakar (claw). Chelation adalah

pembentukan 2 atau lebih ikatan terpisah antara ligan multidentat (ikatan ganda) dengan

atom pusat tunggal. Biasanya ligan adalah senyawa organik yang disebut

chelant/chelator/chelating agent. Ligan terletak disekitar atom pusat seperti cakar pada

lobster. Hasil dari proses chelating adalah chelant yaitu molekul kompleks dengan ion

logam tertentu yang apabila bereaksi akan membentuk endapan. Contoh chelating agent

yang sederhana adalah ethylenediamine.

Molekul ethylenediamine tunggal dapat membentuk 2 ikatan dengan ion logam transisi

seperti Ni2+. Ikatan terbentuk antara ion logam dengan atom-atom nitrogen dari

ethylenediamine.

EDTA adalah chelating agent yang sering digunakan dalam sabun dan deterjen, karena

membentuk senyawa kompleks dengan ion kalsium dan magnesium. EDTA mengikat ion-

ion Ca2+ dan Mg2+, sehingga tidak menyebabkan kesadahan pada air. Pada kompleks

kalsium, [Ca(EDTA)]2–, EDTA adalah ligan tetradenta dan chelation melibatkan 2 atom

nitrogen dan 2 atom oksigen pada gugus karboksil (-COO–) yang terpisah.

ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA)

67

3. Lime softening

Lime softening atau Clark Process merupakan salah satu metoda pelunakan air dengan

cara mengendapkan ion-ion Ca2+ dan Mg2+ pada air sadah menjadi garam-garam yang

tidak larut dalam air. Lime softening melibatkan serangkaian reaksi kimia yang kompleks.

Tujuan dari reaksi kimia ini adalah merubah Ca2+ dan Mg2+ menjadi endapan kalsium

karbonat (CaCO3) dan magnesium hidroksida (Mg(OH)2). Pengendapan akan terjadi

kalau pH air dinaikkan, senyawa kalsium akan mengendap pada pH 9 – 9,5, sedangkan

senyawa magnesium memerlukan pH 10 – 10,5. Pengendapan dilakukan dengan

menambahkan zat pelunak seperti kapur (lime) dalam bentuk Ca(OH)2 atau CaO, pada

air sadah. Pada saat zat pelunak ditambahkan pada air, pH air akan naik dan

kesetimbangan spesies karbonat dalam air akan bergeser. CO2 terlarut akan berubah

menjadi bikarbonat (HCO3-1) dan kemudian menjadi karbonat (CO3

-2). Reaksi ini

menyebabkan kalsium karbonat (CaCO3) mengendap karena melebihi hasil kali kelarutan.

Sedangkan ion Mg2+ akan mengendap sebagai magnesium hidroksida (Mg(OH)2).

CO2 + CaO Ca(HCO3)2 CaCO3

CO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + H2O

Senyawa magnesium mengalami reaksi yang agak berbeda, mula-mula magnesium

bikarbonat (Mg(HCO3)2 akan bereaksi dengan lime dan menghasilkan kalsium karbonat

(CaCO3). Kemudian magnesium karbonat bereaksi lebih lanjut dengan lime dan

membentuk kalsium karbonat dan magnesium hidroksida (Mg(OH)2). Kedua senyawa ini

mengendap dalam air.

Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 CaCO3 + MgCO3 + 2 H2O

MgCO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + Mg(OH)2

Kadang-kadang selain kesadahan karbonat, kesadahan non karbonat juga perlu

dihilangkan, dalam hal ini dapat digunakan soda ash (Na2CO3), atau caustic soda

(NaOH). Na2SO4 tidak menyebabkan kesadahan air, maka tidak perlu dihilangkan.

MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + CaSO4

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4

Lime softening menghasilkan endapan dalam bentuk sludge (lumpur) dalam jumlah

banyak, untuk setiap pound lime akan dihasilkan 2 pound sludge.

68

3-8 Air Untuk Keperluan Pendinginan

1. Air Boiler (Ketel)

Boiler (ketel) adalah bejana tertutup dimana air dibawah tekanan dirubah menjadi uap dengan

memanaskannya. Karena fungsi dari ketel adalah menghasilkan panas melalui uap air, maka

ketel harus dirancang untuk menyerap panas secara maksimum. Di pabrik, ketel memegang

peranan penting, oleh karena itu pemeliharaan ketel menjadi hal yang perlu diperhatikan. Air

yang digunakan untuk ketel tidak boleh menyebabkan kerak/endapan, karena akan

menyumbat pipa dan menghambat perpindahan panas, sehingga diperlukan lebih banyak

bahan bakar. Supaya titik didih air dapat dicapai lebih rendah dari pada titik didih normal,

maka pemanasan air dalam ketel dilakukan dibawah tekanan tinggi. Apabila panas dari bahan

bakar yang diterima ketel tidak segera disalurkan kedalam air maka akan terjadi overheating

pada ketel yang dapat menyebabkan korosi pada logam ketel.

Zat-zat yang tidak diinginkan untuk air ketel adalah :

a. CaCO3, CaSO4, Mg(OH)2, SiO2 (Silika)

Senyawa-senyawa tersebut akan membentuk kerak. Menghilangkan kerak dapat

dilakukan dengan asam (untuk kerak karbonat dan fosfat), Na-heksa metafosfat, atau

campuran EDTA dan garam tetra Na-EDT. Untuk ketel yang beroperasi pada tekanan

rendah (1,76 x 104 kg m-2), sedikit silika tidak menimbulkan masalah, akan tetapi pada

tekanan sedang (56,24 x 104 kgm-2) dan tinggi (> 56,24 x 104 kg m-2), silika akan

membentuk kerak (K-silikat, Na/Al silikat dll).

b. Minyak

Minyak membentuk lapisan penghambat panas pada bahan ketel, selain itu, minyak dapat

terhidrolisa menjadi asam lunak yang dapat menyebabkan korosi.

c. Gas-gas terlarut

Gas O2, H2S, dan SO2 menyebabkan korosi dan menyerang bahan ketel

Supaya ketel dapat beroperasi dengan baik, maka harus dilakukan pemeliharaan dengan

seksama. Pemeliharaan ketel terdiri atas 2 tahap, yaitu external treatment dan internal

treatment. External treatment dilakukan dengan menghilangkan kontaminan dalam air yang

akan digunakan (pelunakan air), melalui klarifikasi, filtrasi, pelunakan, dealkalisasi,

demineralisasi, deaerasi, dan pemanasan. Sedangkan internal treatment dilakukan dengan

penambahan zat kimia kedalam air. Deaerasi pada air ketel ditujukan untuk menghilangkan

69

oksigen, karbon dioksida, dan gas-gas yang tidak terkondensasi lainnya sebagai penyebab

korosi, mengurangi kelarutan dari gas-gas yang tidak diinginkan, dan memanaskan air pada

temperatur tertinggi sesuai persyaratan yang ditetapkan. Menghilangkan Silika (SiO2) dapat

dilakukan dengan MgO2 atau ditambah Fe2(SO4)3 dan NaOH. SiO2 diubah menjadi SiF63-

dengan HF dan dihilangkan dengan penukaran ion.

2. Air Pendingin

Bagian terbesar dari air dalam industri digunakan sebagai air pendingin. Syarat-syarat air

pendingin adalah:

a. Tidak menyebabkan terbentuknya kerak

b. Tidak menyenbabkan terbentuknya karat

c. Harus stabil (tidak melarutkan CaCO3 supaya pipa tidak diserang korosi dan tidak

mengendapkan CaCO3 supaya pipa tidak tersumbat)

3-9 Desalinasi

Desalinasi adalah proses untuk menghilangkan garam dan mineral berlebih dari air untuk

memperoleh air yang dapat dikonsumsi oleh makhluk hidup. Biasanya desalinasi dilakukan

terhadap air laut, proses desalinasi pada umumnya memerlukan biaya yang besar. Beberapa

metoda desalinasi adalah :

a. Penguapan (destilasi)

Destilasi dilakukan dengan memanaskan air, uap air yang terbentuk dialirkan melalui

kondensator untuk mengembunkan kembali uap air. Pemanasan dalam jumlah besar

biasanya dilakukan dengan matahari, dalam hal air laut akan diperoleh hasil samping

yaitu garam untuk memasak. Untuk menghemat energi, pemanasan air dilakukan dibawah

tekanan tinggi (disebut vacuum destilation) sehingga air akan menguap pada temperatur

yang lebih rendah dari temperatur normal.

b. Pembekuan

Metoda ini menggunakan prinsip sifat koligatif larutan, yaitu bahwa zat terlarut akan

menurunkan titik beku larutan. Dengan demikian, maka pada 0oC, air akan membeku

sedangkan zat terlarut tidak.

70

c. Ekstraksi

Ekstraksi adalah proses pemisahan senyawa dari suatu matriks. Pada ekstraksi digunakan

2 fasa yang tidak saling larut, untuk memindahkan zat terlarut pada suatu fasa ke fasa

lainnya. Distribusi zat terlarut diantara 2 fasa adalah keadaan setimbang. Sebagai contoh,

daun teh yang didihkan dalam air akan mengekstrak (memindahkan) tanin, teobromin,

dan kafein dari daun teh ke air.

d. Reversed osmosis (osmosis terbalik)

Pada kehidupan modern seperti saat ini, proses desalinasi difokuskan pada pengembangan

cara yang efektif untuk menyediakan air bersih untuk digunakan di wilayah yang

memiliki keterbatasan air. Desalinasi pada skala besar biasanya menggunakan sejumlah

besar energi dan infrastruktur spesialis, sehingga sangat mahal dibandingkan dengan

penggunaan air tawar dari sungai atau air tanah. Metoda osmosis terbalik ini

menggunakan prinsip sifat koligatif larutan yaitu tekanan osmosis, hanya saja prosesnya

dibalik. Tekanan osmosis adalah tekanan yang diperlukan untuk menghentikan aliran

osmosis. Aliran osmosis adalah perpindahan pelarut dari larutan dengan konsentrasi zat

terlarut rendah ke ke larutan dengan konsentrasi zat terlarut tinggi, melalui membran

semipermeable. Membran semipermeabel adalah membran yang hanya dapat dilewati

oleh pelarut, zat terlarut tidak dapat menembus membran. Apabila diatas larutan diberi

tekanan maka aliran osmosis akan terhambat, dan apabila tekanan diperbesar maka pada

suatu saat tekanan ini akan menghentikan aliran osmosis, inilah yang disebut sebagai

tekanan osmosis. Kalau tekanan osmosis ini kemudian diperbesar lagi, maka aliran

osmosis akan terbalik, alirannya menjadi dari larutan dengan konsentrasi zat terlarut

tinggi ke ke larutan dengan konsentrasi zat terlarut rendah. Karena membran

semipermeabel hanya dapat dilewati oleh pelarut, maka zat terlarut akan tinggal di

kolomnya dan akan diperoleh pelarut murni yaitu air. Proses ini disebut reversed osmosis

71

(osmosis terbalik), dan sangat potensial untuk digunakan sebagai proses pemurnian air

laut untuk mendapatkan air murni. Dibandingkan dengan metoda yang lain, osmosis

terbalik relatif memerlukan biaya yang lebih murah.

Membran permeable

Air murniPompa tekanan tinggi

Air garam

Larutan pekat

garam

Kilang desalinasi air terbesar dengan menggunakan metoda osmosis terbalik ada di Jebel

Ali di Uni Emirat Arab. Kilang ini mampu menghasilkan 300 juta m3 air per tahun,

sebagai perbandingan, kilang desalinasi air di Tampa Bay, Florida, USA, menghasilkan

34,7 juta m3 air per tahun. Di bawah ini adalah gambar kilang desalinasi osmosis terbalik

di Barcelona, Spanyol.

e. Elektrodialisis

Elektrodialisis adalah proses dimana ion garam dipindahkan dari satu larutan melalui

membran penukar ion ke larutan lain di bawah pengaruh perbedaan potensial listrik.

Proses ini dilakukan dalam suatu konfigurasi yang disebut sel elektrodialisis. Sel terdiri

atas feed compartment dan concentrate (brine) compartment yang dibentuk dari membran

penukar anion dan membran penukar kation yang diletakkan diantara 2 elektroda. Sel

72

elektrodialisis bertingkat disusun dalam konfigurasi yang disebut rak elektrodialisis,

dengan penempatan membran penukar anion dan kation secara selang seling.

Pada rak elektrodialisis, D stream, C stream, dan E stream diijinkan mengalir melalui

kompartmen sel yang dibentuk oleh membran penukar ion. Dengan pengaruh dari

perbedaan potensial listrik, ion bermuatan negatif (misal : Cl-) di D stream bermigrasi ke

anoda yang bermuatan positif. Ion-ion ini melewati membran penukar anion yang

bermuatan positif, akan tetapi dicegah untuk bermigrasi lebih lanjut ke anoda oleh

membran penukar kation yang bermuatan negatif, dan tetap tinggal di C stream. Spesies

dengan muatan positif (misal : Na+) di D stream bermigrasi ke katoda yang bermuatan

negatif . Ion-ion ini melewati membran penukar kation yang bermuatan negatif dan juga

tetap tinggal di C stream dan dicegah untuk bermigrasi lebih lanjut ke katoda oleh

membran penukar anion yang bermuatan positif. Sebagai hasil dari migrasi anion dan

kation, arus listrik mengalir diantara katoda dan anoda. Hanya ekivelen muatan anion dan

kation yang sama yang dipindahkan dari D stream ke C stream, dengan demikian

kesetimbangan muatan terjaga di masing-masing stream. Hasil secara keseluruhan dari

proses elektrodialisis adalah peningkatan konsentrasi ion di C stream dan penipisan ion di

D stream. Reaksi yang terjadi pada masing-masing elektroda adalah sebagai berikut :

73

Katoda : 2e- + 2 H2O → H2 (g) + 2 OH-

Anoda : H2O → 2 H+ + ½ O2 (g) + 2e- atau 2 Cl- → Cl2 (g) + 2e-