TEKNOLOGI PENGOLAHAN AIR UNTUK INDUSTRITK090313

Agung Subyakto

Skema Pengolahan Air Industri

Air sebagai salah satu bahan utilitas. Secara praktis hampir tak pernah dijumpai air (H2O) di alam murni, air alam selalu mengandung senyawa-senyawa yang terlarut didalamnya. Hal ini disebakan akibat kuatnya daya larut air.

SENYAWA LAIN DALAM AIR- Senyawa Primer (kadar diatas 5 mg/lt) === 1mg = 1 ppm

Kalsium KarbonatMagnesium BikarbonatNatrium SulfatSilikat Khlorida

- Senyawa Sekunder (kadar antara 0,1 – 5 ppm)Kalsium NitratBesi (Fe) Flourida

Amoniak- Senyawa Tersier (kadar antara 0,01 – 0,1 ppm)

Tembaga PhospatTimah ArsenSeng AlumuniumDll

Disamping senyawa diatas, terdapat juga gas-gas terlarut O2, CO2, Cl2 dll. Sumber air (air baku) untuk kegiatan industri tersedia dalam

- Air sungai- Air Rawa/ Danau/ Waduk- Air Tanah- Air Laut

Sumber Air

Pengolahan Secara Fisika

Pengolahan Secara Kimia

Pengolahan Khusus

Pengolahan Secara Fisika

Air ProsesAir KetelAir

PendinginAir Sanitasi

Panyaringan Kasar

Plain Sedimentasi.

KoagulasiFloculasiSedimentasiAerasi

Gravity FilterPressure FilterAdsorbsi

Pelunakan dengan Kapur

Pelunakan Dengan Penukar ion

DemineralisasiDesinfiction

1. Air SungaiSungai merupakan sumber air baku yang potensial bagi industri industri berdiri sepanjang sungai.Karakteristik tergantung :- Asal aliran- Penggunaan disepanjang aliran sungai.- Struktur tanah disepanjang aliran sungai.

2. Air Rawa/ Danau/ WadukPada umumnya kualitas air ini hampir sama dengan air sungai, Fluktuatif kualitas

dan debit airnya lebih kecil daripada air sungai.

3. Air TanahMerupakan cadangan air yang cukup besar, Keberadaannya merupakan siklus

alam. Fluktuasi kualitas dan debit airnya stabil.

4. Air LautKarena kadar garam atau Salinitas (NaCl, Na2SO4) terlalu tinggi, biasanya

digunakan sebagai air pendingin alat mesin-mesin industri sekali lewat. Air laut sering digunakan sebagai air tawar tapi melalui proses terlebih dahulu.

KUALITAS dan PARAMETER AIRDitentukan oleh impurities yang terdapat di alamPenggolongan impuritiesa. Kotoran yang tersuspensi

- bakteri penyebab penyakit- algae menyebabkan bau, warna, kekeruhan- Lumpur (berupa pasir halus, dan zat-zat organik) menyebabkan warna

b. Kotoran yang terlarutDalam bentuk garam- Kalsium dan Magnesium : Karbonat, Bicarbonat, Klorida,

Sulfat.- Sodium : Kabonat, Bikarbonat, Klorida,

Sulfat.- Dalam Besi : Penyebab rasa, warna, korosi.- Gas-gas : Oxigen, Carbon dioksigen.

ISTILAH dalam KUALITAS AIRa. Kesadahan (Hardness)

Kesadahan adalah ukuran jumlah ogam alkali (biasanya Kalsium dan Magnesium) yang ada dalam air.Pengukuran biasanya dialkukan secara volumetric menggunakan reagent EDTA (Etilin Diamin Tetra Acetic Acid). Satuan yang lazim digunakan adalah :- Derajat Jerman (oD)- Ppm CaCO3

1 oD = 17,8 ppm CaCO3

b. Alkalinitas

Ukuran jumlah ion bikarbonat (HCO-3), Karbonat (CO-) dan Hidroksida (OH-)

dalam air.Cara pengukuran menggunakan titrasi (volumetric) menggunakan basa kuat (HCl atau H2SO4) dengan indikator PP (p. Alkalinitas) dan indikator MO (m. Alkalinitas).Dari kedua parameter diatas (p dan m alkalinitas) dapat dihitung kadar ion OH-, CO-, HCO-

3 Sbb:

(OH-) (CO3-) (HCO-

3)1. PA

LK = 02. PA

LK < 0,53. PA

LK = 0,5 MALK

4. PA

LK > 0,5 MALK

5. PA

LK = MALK

000

2.PALK-MALK

MALK

02.PALK

MALK

2(PALK-MALK)0

MALK

MALK-2.PALK

000

Kesimpulan :- Ketiga ion tidak pernah ada dalam satu air- Bila pH air kurang 8,3 maka p. Alk akan Nol, dengan demikian dalam

air tersebut selruh alkalinitas adalah bicarbonat.

Kegunaan air dalam Industri- Air Sanitasi- Air Pendingin - Air Ketel SteamAir baku tidak bisa langsung digunakan sebagai kebutuhan air diatas, perlu diolah sesuai dengan syarat tertentu.

PENGOLAHAN AIR BAKU

Air merupakan pelarut yang sangat baik, sehingga mineral-mineral dan gas-gas terlarut, Mineral dan gas ini sangat menganggu dalam penggunaannya maka PENGOLAHAN.

1. Pengolahan secara FISIKASeperti saringan, pengendapan karena beratnya : - memisahkan padatan yang kasar- memisahkan padatan yang terapung- memisahkan minyak dan lemak.A. Memisahkan padatan yang kasar

Pasir, Lumpur dapat diendapkan tanpa penambahan bahan kimia (Flokulasi dan Koagulasi)

B. Memisahkan padatan yang terapung.Plastik dan zat-zat organik sering dijumpai pada air permukaan terutama

yang melawati pemukiman penduduk. Untuk memisahkan digunakan screen maupun bak penampung dengan mengatur pengeluaran efluen dibawah permukaan air dan kotoran yang terapung dapat dipisahkan secara manual maupun mekanis.

2. Pengolahan secaraKIMIADengan menghembuskan proses koagulasi, flokulasi dan sedimentasi. Pada

prinsipnya untuk membuat partikel terlarut dan tersuspensi menjadi partikel gumpalan yang ukurannya lebih besar dan kompak sehingga mudah mengendap.

Koagulasi dapat didefinisikan sebagai proses diman bahan kimia ditambahkan (koagulan) dalam air yang mengandung partikel tersuspensi (koloidal) disertai dengan pengadukan dengan RPM tinggi agar mendapat homogenitas larutan. Kemudian dilanjutkan dengan pengadukan lambat (8-10 RPM), dimana koagulan menetralkan muatan koloid sehingga partikel dapat membentuk floc (gumpalan) yang besar dan partikel cepat mengendap. Proses ini disebut flokulasi.

Pemilihan koagulan yang sesuai tergantung dari suspended solid dan pH air.Macam-macam Koagulan- Alum (Alumunium sulfat/Al2(SO4)3

- PAC (poly Alumunium Chloride) Aln(OH)mCl3n-m

Standarisasi proses koagulasi dan flokulasiKoagulasi : n = 80 – 100 RPM

t = 1 – 5 menitFlokulasi : n= 5 – 8 RPM

t = 20 – 40 menitn = kecepatan pengadukant = waktu tinggalFloc (endapan) yang terbentuk dipisahkan dengan sedimentasi.

FiltrasiAir yang keluar dari proses flokulasi yang masih mengandung flok-flok halus

masih memerlukan penyaringan melalui suatu media yang berpori dimana flok/padatan tertapis, sedangkan air jernih diteruskan.Efektifitas proses filtrasi/penyaringan (sand filter) tergantung dari :

- Rate filtrasi- Ukuran filter media - Susunan media filter- Tinggi/kedalaman (bed) filter

Macam-macam filter/sand filterMenurut cara kerjanya filter dapat digolongkan sebagai :a. Grafity filter

Merupakan filter terbuka atau tertutup tetapi terhubung dengan udara luar (atmosfir). Filter media lapisan pasir (pasir silica/antrasit) halus sampai kasar dengan tinggi bed 60 – 90 cm.Air masuk dari atas dan keluar dari bawah dan dialirkan ke penampung air bersih.Semakin lama media penyaring akan jenuh dan perlu dilakukan pembersihan (backwash). Backwash dilakukan secara berlawanan arah, dari bawah ke atas, sebagai media pembersih biasanya air.

b. Pressure filterPada dasarnya sama dengan gravity filter hanya tangki dalam kondisi tertutup dimana air dipaksa melalui bed dengan tekanan tinggi.

Bahan filter media Banyak bahan yang dapat digunakan untuk menyaring air di dalam air industri,

misalnya pasir kwarsa, coke/antrasit, tanah diatome dll, dan yang lazim digunakan adalah pasir kuarsa antrasit.Pemilihan ukuran, kualitas dari pasir dan juga tebal/kedalaman lapisan sangat penting dalam design filter.

Antrasit coal.Media filter ini lazim digunakan dalam proses penyaringan dan juga dipakai pada

filtrasi air dari ”lime soda softening system”.Keuntungan bila dibandingkan dengan pasir kwarsa/silica :- Mempunyai true densitas yang lebih kecil (Sg + 1,5 dibandingkan

pasir + 2,65)- Bentuknya tidak beraturan sehingga tumpukan filter lebih porous,

sehingga lebih mudah dalam pencucian dan pressure dropnya kecil.- Antrasit mempunyai sifat inert bila dibandingkan dengan pasir silica.Kerugian media ini (antrasit) adalah kurang kuat bila dibandingkan dengan pasir silica

PENGOLAHAN LANJUTANAir yang telah mengalami penjernihan, ditampung pada bak penampung untuk

selanjutnya didistribusikan untuk berbagai keperluan dengan kualitas/syarat tertentu.Untuk keperluan industri, air umumnya digunakan :1. Air Sanitasi.2. Air Proses.3. Air Ketel/Boiler.4. Air Pendingin/Cooling Water System.

I. PERAWATAN AIR KETEL

- Air PAM

- Air industri Padatan terlarut

- Air Sumur Padatan tersuspensi

- Air Sungai Gas terlarut

Pengolahan =====> aman dan ofisien untuk operasi

1.1. Permasalahan yang disebabkan senyawa-senyawa kimia pada ketel dan proses

penanggulangannya

Senyawa-senyawa kimia

Permasalahan Penanggulangannya

Kesadahan

(Ca, Mg)

- Terbentuknya kerak pada bagian dalam drum atau permukaan panas

- Menyebabkan perluasan dan memecah/meletusnya pipa-pipa penguapan

- Pelunakan/softening

- Menggunakan ketel compound

- Pengontrolan kualitas air ketel

Silika (SiO2) - Terbentuknya kerak pada bagian dalam drum atau permukaan panas

- Menyebabkan perluasan dan memecah/meletusnya pipa-pipa penguapan

- Demineralisasi

- Menggunakan ketel compound

- Pengontrolan, kualitas air ketel

Alkalinitas - Akan terurai dengan adanya pemanasan pada ketel dan air ketel menjadi bersifat

- Menggunakan ketel compound

- Pengontrolan kualitas

alkali (kelebihan alkali)

- Menyebabkan ”Carry over”

- CO2 dihasilkan dari dekomposisi panas pH dari sistim kondensat menurun dan proses korosi akan meningkat

air ketel

- Menggunakan senyawa emina

- Pelunakan dengan dealkalinisasi

Senyawa-senyawa kimia

Permasalahan Penanggulangannya

Besi - Menurunnya efisiensi dari ion resin pengganti

- Korosi lanjut dalam ketel

- Perlakuan oksidasi dan filtrasi

- Koagulasi dan sedimentasi

- Demineralisasi

- Menggunakan pencegah karat

Gas-gas terlarut

(O2, CO2)

- Korosi dan sistim umpan ketel dan sistim kondensat

- Deaerasi

- Menggunakan “oxygen scavenger”

- Mengunakan senyawa amina

Total padatan - Menyebabkan “carry over”

- kontaminasi dan ion resin pengganti

- Penyumbatan dari pipa-pipa, membentuk endapan di dalam ketel

- Pengontrolan kualitas air ketel

- Filtrasi

- Demineraslisasi

- Koagulasi dan sedimentasi

Komponen minyak - Menyebabkan terbentuknya busa pada air Ketel dan terjadi “carry over”

- Terbentuknya kerak pada permukaan panas

- Filtrasi dengan menggunakan karbon aktif

- Flotasi

1.2. Permasalahan yang disebabkan oleh kualitas air dan penanggulangannya

Macam Pemasalahan

Permasalahan

Yang Ditimbulkan

Penyebab Dari Permasalahan

Pengerakan - Pengerakan yang disebab-kan kesadahan dan silika pada permukaan dalam dari drum atau permukaan panas

- Menyebabkan perluasan atau memecah / meletus-nya pipa-pipa penguapan

- Pengontrolan yang buruk pada proses softener

- Pengontrolan yang buruk dari kualitas air ketel

- Metode yang salah pada sistim injeksi kimia

Korosi - Korosi dari sistim umpan, saluran-saluran kondensat dan permukaan panas ketel karena adanya gas-gas terlarut

- Korosi oleh oksida-oksida metalik yang menempel dan pengendapan pada permukaan panas

- Tidak sempurnanya pengaturan pH dan penghilangan oksigen

- Penggunaan kembali air kondensat yang banyak mengandung bahan-bahan pembentuk karat

- Korosi yang terjadi selama ketel tidak dioperasikan

“Carry Over” - Menurunnya kualitas uap

- Menurunnya efisiensi ketel

- Perubahan beban yang mendadak

- Kontrol yang buruk cari kualitas air ketel

- kesalahan dari bagian pemisah uap (steam separator) atau pada pengontrolan air

umpan

- Terkontaminasinya air ketel karena proses

II. KERAK DAN PENCEGAHANNYA

Konsentrasi ion atau padatan terlarut dalam air ketel menjadi sangat pekat karena

adanya penguapan serta penurunan kelarutan karena meningkatnya temperatur.

II.1. Beberapa tipe kerak dalam ketel

Kalsium karbonat : CaCO3

Magnesium hidroksida : Mg(OH)2

Kalsium silikat : CaSiO3

Magnesium silikat : MgSiO3

Silika : (SiO2)n

Besi oksida : Fe2O3, Fe3O4, ….. dll

Hidroksi apatit : [Ca3(PO4)2]3 Ca(OH)2

Table 3. Thermal conductivities of typical scales and metals

Substance Thermal conductivity

(kcal/m.h.oC)

Silica scales 0.2 - 0.4

Carbonate scales 0.4 - 0.6

Sulfate scales 0.6 - 2.0

Carbon steel 40 – 60

Copper 320 - 360

Fig. 2.5 Schematic state of heating surface

NERACA AIR (WATER BALANCE) DI SISTEM BOILER

Steam ,E

F = C + M

F = E + B

N = CB / CF = F/B

B = E / (N - 1)

dimana : F = Air umpan (feed water), ton/jam

C = Kondensat , ton/jam.

E = Laju penguapan/evaporasi steam , ton/jam.

B = Blowdown, ton/jam.

N = Siklus pemekatan (konsentrasi).

CB = Konsentrasi padatan terlarut di Blowdown (= boiler)

PROSESKONDENSAT, C

AIR UMPAN, F

BOILERBLOWDOWN, B

TANGKI AIR

MAKE-UP, M

CF = Konsentrasi padatan terlarut di air umpan.

Fig. 3 Relationship between scale thickness and increase of fuel consumption

2.2. Metode pengendalian kerak

a. Perawatan Luar

Menghilangkan ion pembentuk kerak pada air umpan, seperti pelunakan maupun

pemurnian (demineralized).

b. Perawatan Dalam

Menjaga terbentuknya kerak sebagai akibat masuknya ion pembentuk kerak ke dalam

ketel menggunakan bahan kimia.

2.2.1. Perawatan Luar

a. Pelunakan

Regeneran NaCl

Softener(R.SO3Na)

Penyerapan hardness

R-(SO3Na)2 + Ca+2 R-(SO3)Ca + 2 Na+

R-(SO3Na)2 + Mg+2 R-(SO3)Mg + 2 Na+

Regenerasi

R-(SO3)2Ca + 2NaCl R-(SO3Na)2 + CaCl2

R-(SO3)2Mg + 2NaCl R-(SO3Na)2 + MgCl2

Penting

(1) Regenerasi dilakukan sebelum softener jenuh

(2) Selalu cek konsentrasi hardness dalain air lunak

(3) Cek kapasitas resin setiap 1-2 tahun

(4) Resin dicuci. Jika terkontaminasi oleh kotoran besi.

Figur 5. Relationship between hardness and amount of treated water in water softening

b. Demineralisasi

2.2.2. Perawatan dalam (kimiawi)

Tujuan :

Mencegah terbentuknya kerak menggunakan bahan kimia sebagai akibat dari

lolosnya hardness dan softener maupun unit demin, juga karena silika tidak dapat

diserap oleh softener.

ii. Bahan kimia :

a. Boiler compound : - fosfat : - fosfat

(Alcon) - alkali

- non fosfat (polymer)

Fungsi fosfat dan alkali adalah :

Bereaksi dengan hardness membentuk endapan lunak hydroxyapatit dan

magnesium hydroxide dalam ketel. Endapan ini akan dibuang keluar dan. ketel

melalui blowdown.

10Ca+2 + 6PO4-3 + 2OH- ----> (Ca3(PO4)2)3Ca(OH)2 +

Hydroxyapatit

10Na2CO3 + 10CO2 + 10H20

Mg+2 = 2OH- ----> Mg(OH)2

Alkali

Menjaga silika agar berbentuk sebagai sodium silika dalam air ketel sehingga selalu

larut dalam air ketel dalam pH tertentu.

H2SiO3 + 2NaOH ----> Na2SiO3 + 2H2O

Jadi untuk mencegah timbulnya kerak karena hardness dan silika, perlu dijaga :

- pH

- P-alkalinity

- Fosfat ion

??? P.alk. (ppm sbg CaCO3) ≥ 1,7 : silika tidak mengendap silika (ppm sbg SiO2)

1 ppm CaCO3 ≈ 0,57 ppm PO4-3

Konsentrasi fosfat ion dijaga : 20 – 40 ppm

b. Pendispersi endapan

1 ketel + boiler compound

- tersuspensi ---> blowdown

- tersuspensi --->

- blowdown kurang ---> aliran panas meningkat ---> pengendapan/lumpur +

pendispersi lumpur ---> blowdown

Kalsium

Magnesium Dispersan

Silika Kerak / ------------> terdispersi

Besi Lumpur (tidak mengendap)

Fosfat

Mekanisme kerja dispersan

Tanpa Dispersan Dengan Dispersan

Pipa Boiler Pipa Boiler

Keuntungan :

- Permukaan pipa bersih dari kerak & lumpur

- Menghemat blowdown Karena N >

- Menghemat Energi

II. KOROSI

1. Korosi karena oksigen terlarut

Terjadi pada pipa umpan dan pipa ketel

BlowDown

BlowDown

Figur 9. Corrosion reactions on carbon steel in neutral Water

Fe --------> Fe2+ 2e (anoda)

1/2O2 + 2e + H2O --------> 2OH- (katoda)

Fe+2 + 2OH- --------> Fe(OH)2

2Fe(OH)2 + 1/2O2 + H2O --------> 2Fe(OH)3

2. Korosi karena karbondioksida

Terjadi pada pipa kondensat

Ion bikarbonat dalam air umpan akan terurai karena panas menjadi

karbondioksida dalam ketel.

panas

2HCO3- --------> H2O + CO3

2- + CO2

panas

CO32- + H2O --------> 2OH- + CO2

CO2 akan terbawa oleh steam dan akan larut kembali pada saat steam

terkondensasi, sehingga pH air kondensat turun dan pipa kondensat akan

terkorosi.

CO2 + H2O --------> H2CO3

H2CO3 --------> H+ + HCO3-

Fe --------> Fe2+ + 2e (anoda)

2H+ + 2e --------> H2 (katoda)

Fe + 2H+ + 2HCO3- --------> Fe(HCO3)2 + H2

Figur 14. Relation between pH and carbon dioxide concentration

3. Korosi karena alkali

Pada bagian ketel yang sangat panas, komponen padatan terlarut yang mudah

rnengendap akan mengendap dan yang sulit mengendap seperti NaOH akan

terkonsentrasi.

Jika konsentrasi NaOH melebihi 20%, akan terjadi korosi pada besi :

Fe + 2NaOH --------> Na2FeO2 + H2

3Na2FeO2 + 4H2O --------> 6NaOH + Fe3O4 + H2

Korosi alkali biasa terjadi pada ketel dengan temperatur di atas 350oC.

IV. PENCEGAHAN KOROSI

1. Menghilangkan oksigen terlarut dalam air

a. Deaerator

b. Bahan kimia pengikat oksigen

* Hydrazine

N2H4 + O2 --------> N2 + H2O

N2H4 + 6Fe2O3 --------> 4Fe3O4 + N2 + 2H2O

(Magnetik Protective film)

1 ppm N2H4 1 ppm O2

Hydrazine :

- tidak menaikkan TDS (Total Dissolved Solid)

- baik untuk ketel tekanan tinggi maupun ketel “once through”.

pH

Carbon Dioxide (mg CO2 / lt )

- pada temperatur di atas 220oC, terurai menjadi amonia

3H2N4 --------> 4NH3 + N2

* Sodium sulfit

2Na2SO3 + O2 --------> 2Na2SO4

7,9 ppm Na2SO3 1 ppm O2 -----> 8,9 ppm sodium sulfat

Figur 21. Influences of oxigen and sulfate on carbon sleel corrosion

- tidak menghasilkan zat korosif

- tidak beracun

- baik untuk ketel pada pabrik makanan dan obat

2. Menghilangkan karbondioksida

a. Decarbonator

Ion bikarbonat dapat dihilangkan dengan decarbonator pada demin unit. Jika

menggunakan softener, maka resin harus dalam bentuk H+.

b. Neutralizing agents

Bahan kimia : volatile amines

Fungsi : menaikkan pH air kondensat

V. CARRY OVER

Padatan terlarut dalam air ketel ikut terbawa oleh aliran uap. Hal ini akan

menurunkan kemurnian uap air, sehingga akan menyebabkan kerak pada turbin atau

mengotori produk.

1. Sebab-sebab carry over

a. Struktur separator yang kurang baik.

b. Perubahan beban penguapan yang mendadak

c. Level air dalam ketel terlalu tinggi.

d. Air ketel terlalu pekat, sehingga terjadi foaming.

2. Pencegahan carry over

a. Perbaiki struktur separator.

b. Hindari perubahan beban penguapan yang mendadak.

c. Jaga level air.

d. Menghilangkan minyak dan lemak dalam air umpan.

e. Jaga kualitas air ketel denqan mengatur blowdown.

HUBUNGAN ALKALINITAS DAN ION-ION

Hasil Tes

Akkalinitas

Konsentrasi

OH- CO32- HCO3

-

P = 0

P < ½ M

P = ½ M

P > ½ M

P = M

0

0

0

2P – M

M

0

2P

2P

2 (M-P)

0

M

M – 2P

0

0

0

TABEL SOFTENERDasar : Total Hardness = 200 ppm as CaCO3

Siklus Regenerasi = 24 jam

Konsentrasi Reg. = 6 %

Flow Rate

(m3/jam)

Ukuran TangkiResin (liter)

Regenerant NaCl.

100 % (Kg)Ø (cm) Tinggi (cm)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

12

14

16

30

40

50

55

60

65

70

75

80

80

85

90

95

180

200

200

220

220

230

230

230

230

250

260

280

280

80

160

250

310

400

500

550

650

700

800

950

1100

1250

13

25

40

50

60

75

85

100

110

120

150

170

200

18

20

22

24

26

28

30

35

40

45

50

100

105

110

115

120

125

130

140

150

160

170

280

280

290

290

290

290

290

290

290

290

290

1400

1550

1700

1900

2050

2200

2400

2800

3100

3500

4000

220

245

260

290

310

340

360

425

500

550

600