METODA PENGHILANGAN ZAT BESI DAN MANGAN DI DALAM ...

Nusa Idaman Said : Metoda Penghilangan Zat Besi Dan Mangan di dalam …… JAI Vol. 1 , No.3 2005

239

METODA PENGHILANGAN ZAT BESI DAN MANGAN DI DALAM PENYEDIAANAIR MINUM DOMESTIK

Oleh :Nusa Idaman Said

Kelompok Teknologi Pengelolaan Air bersih dan Limbah Cair, Pusat Pengkajian dan PenerapanTeknologi Lingkungan, BPPT.

Abstract

Small amounts of iron and manganese are quite common in domestic water supplybecause of the presence of iron and manganese in the soil and rock formations throughwhich the water passes in reaching the point of use. Iron and manganese is characterizedby red-brown staining of bathroom fixtures and laundry, and cause taste and odorproblems. Iron and manganese are brought into solution by biological reactions underanaerobic reducing conditions. When the water is exposed to air or oxygen, oxidation ofiron and manganese occurs slowly, forming objectionable colloidal precipitates. Thedeposition of these precipitates will stain plumbing fixtures, interfere with laundering, andcause difficulties in water distribution systems by supporting growth of microorganismssuch as clonotrix and crenotrix that can clog pipelines and cause taste and odorproblems. Processes in which oxidation is followed by removal of suspended solids caneffectively remove soluble iron and manganese from water. Three common processes forremoving iron and manganese are: aeration-filtration, chlorination filtration, andpotassium permanganate-manganese greensand filtration. This article describes theseprocesses and present result from pilot’s studies of iron and manganese removal fromwater.

Kata kunci : zat besi, mangan, aerasi, kkhlorinasi, filtrasi, mangan zeolit.

1. PENDAHULUAN

1.1 Masalah Zat Besi dan Mangan Di dalamAir Minum

Keberadaan zat besi dan mangan didalam sistem penyediaan air minum domestiktelah menjadi masalah yang serius sejak lama.Zat besi dan mangan yang terlarut di dalam airumumnya berada dalam keadaan bervalensi dua(divalent) atau dalam keadaan ion ferous atauion manganous. Keduanya juga sering beradadalam keadaan senyawa dengan zat organikkompleks. Zat besi atau mangan yang beradadalam keadaan senyawa dengtan zat organikkompleks umumnya lebih sulit untuk dioksidasidibanding dengan zat besi atau mangan yangbersenyawa dengan zat organik biasa.

Besi atau mangan masuk ke dalam airoleh karena reaksi biologis pada kondisi reduksiatau anaerobik (tanpa oksigen). Jika air yangmengandung besi atau mangan dibiarkanterkena udara atau oksigen maka reaksi oksidasibesi atau mangan akan timbul dengan lambatmembentuk endapan atau gumpalan koloid darioksida besi atau oksida mangan yang tidakdiharapkan. Endapan koloid ini akan menempelatau tertinggal dalam sistem perpipaan,menyebabkan noda pada cucian pakaian, sertadapat menyebabkan masalah pada sistem pipadistribusi disebabkan karena dapat menyokong

tumbuhnya mikroorganisme seperti crenothrixdan clonothrix yang dapat menyumbat perpipaanserta dapat menimbulkan warna serta bau yangtidak enak. Pada konsentrasi rendah zat besidan mangan dapat menimbulkan rasa atau baulogam pada air minum, oleh karena itu untuk airminum kadar zat besi dan mangan yangdiperbolehkan yakni masing-masing 0,3 mg/l dan0,05 mg/l (Standar US EPA).

1.2 Senyawa Besi di dalam Air

Besi seperti juga cobalt dan nikel di dalamsusunan berkala unsur termasuk logamgolongan VII , dengan berat atom 55,85, beratjenis 7,86, dan mempunyai titik lebur 2450 0 C.Di alam biasanya banyak terdapat di dalam bijihbesi hematite, magnetite, limonite dan pyrite(FeS), sedangkan di dalam air umumnya dalambentuk senyawa garam ferri atau garam ferro(valensi 2). Senyawa ferro dalam air yang seringdijumpai adalah FeO, FeSO4, FeSO4. 7H2O, FeCO3, Fe(OH)2, FeCl2 dan lainnya, sedangkansenyawa ferri yang sering dijumpai yakni FePO4,Fe3O3, FeCl3, Fe(OH)3 dan lainnya. (Tatsumi,1971)

Untuk air minum, konsentrasi zat besidibatasi maksimum 0,3 mg/l. Hal ini ditetapkanbukan ditetapkan berdasarkan alasan kesehatansemata tetapi ditetapkan berdasarkan alasanmasalah warna, rasa, serta timbulnya kerak yang


240

menempel pada sistem perpipaan atau alasanestetika lainnya. Manusia dan mahluk hiduplainnya dalam kadar tertentu memerlukan zatbesi sebagai nutrient, tetapi untuk kadar yangberlebihan perlu dihindari. Untuk garam ferromisalnya ferrosulfat (FeSO4) dengan konsentrasi0,1-0,2 mg/l dapat menimbulkan rasa yang tidakenak pada air minum. Dengan dasar ini standarair minum WHO untuk Eropa menetapkan kadarbesi di dalam air minum maksimum 0,1 mg/l.

Berbeda dengan mangan, zat besi didalam air minum pada tingkat konsentrasi mg/ltidak memberikan pengaruh yang buruk padakesehatan, tetapi dalam kadar yang besar dapatmenyebabkan air menjadi berwarna coklatkemerahan yang tidak diharapkan. Oleh karenaitu di dalam proses pengolahan air minum,garam besi valensi dua (ferro) yang larut didalam air perlu dirubah menjadi garam besivalensi tiga (feri) yang tak larut di dalam airsehingga mudah dipisahkan. Untuk itu perluproses oksidasi dengan cara aerasi atau denganzat oksidator. Untuk air permukaan biasanyakandungan zat besi relatif rendah yakni jarangmelebihi 1 mg/l, tetapi untuk air tanahkandungan zat besinya sangat bervariasi darikonsentrasi yang rendah sampai konsentrasiyang tinggi (1 – 10 mg/l).

1.3 Senyawa Mangan di dalam Air

Mangan (Mn) merupakan unsur logamgolongan VII, dengan berat atom 54,93, titiklebur 1247 0 C, dan titik didihnya 2032 0C. Dialam jarang sekali berada dalam keadaan unsur.Umumnya berada dalam keadaan senyawadengan berbagai macam valensi. Di dalamhubungannya dengan kualitas air yang seringdijumpai adalah senyawa mangan denganvalensi 2, valensi 4 dan valensi 6. (Tatsumi,1971)

Di dalam sistem air alami dan juga didalam sistem pengolahan air, senyawa mangandan juga besi berubah-ubah tergantung derajatkeasaman (pH) air. Perubahan senyawa besidan mangan di alam berdasarkan kondisi pHsecara garis besar dapat ditunjukkan sepertipada Gambar 1.

Di dalam gambar tersebut dapat dilihatbahwa di dalam sistem air alami pada kondisireduksi, mangan dan juga besi pada umumnyamempunyai valensi dua yang larut di dalam air.Oleh karena itu di dalam sistem pengolahan airsenyawa mangan dan besi valensi dua tersebutdengan berbagai cara oksidasi diubah menjadisenyawa yang mempunyai valensi yang lebihtinggi yang tak larut di dalam air sehingga dapatdengan mudah dipisahkan secara fisik.Walaupun Mn di dalam senyawa senyawaMnCO3, Mn(OH)2 mempunyai valensi dua, zat

tersebut relatif sulit larut di dalam air, tetapi untuksenyawa Mn seperti garam MnCl2, MnSO4,Mn(NO3)2 mempunyai kelarutan yang besar didalam air.

Gambar 1 : Keberadaan zat besi atau mangan didalam lingkungan air alami.(Disesuaikan dari Tatsumi Iwao, 1971)

Konsentrasi mangan di dalam sistem airalami umumnya kurang dari 0,1 mg/l, jikakonsentrasinya melebihi 1 mg/l maka dengancara pengolahan biasa sangat sulit untukmenurunkan konsentrasinya sampai derajatyang diijinkan sebagai air minum. Oleh karenaitu perlu cara pengolahan yang khusus. WHOuntuk Eropa pada tahun 1961 menetapkanstandar konsentrasi Mangan di dalam air minummaksimum 0,1 mg/l, tetapi selanjutnya diperbaruimenjadi 0,05 mg/l. Untuk Amerika Serikat sejakawal menetapkan konsentrasi Mangan di dalamair minum maksimum 0,05 mg/l. Jepangmenetapkan total konsentrasi besi dan mangandi dalam air minum maksinum 0,3 mg/l. UntuKIndonesia berdasarkan Keputusan MenteriKesehatan Republik Indonesia Nomor907/MENKES/SK/VII/2002 menetapkan kadarzat besi di dalam air minum yang diperbolehkanmaksinum 0,3 mg/l dan kadar manganmaksimum yang diperbolehkan 0,1mg/l.

Standar WHO, Amerika dan Jepangseperti tersebut di atas tidak semata-mata


241

ditetapkan berdasarkan sudut pandangkesehatan tetapi juga ditetapkan berdasarkankenyataan bahwa besi dan mangan di dalam airdapat menimbulkan bau dan rasa yang tidaksedap serta air yang berwarna hitam (blackwater).

Di dalam tubuh manusia, mangan dalamjumlah yang kecil tidak menimbulkan gangguankesehatan, tetapi dalam jumlah yang besardapat tertimbun di dalam hati dan ginjal. Adaberbagai pendapat tentang gangguan kesehatanakibat keracunan senyawa mangan, tetapiumumnya dalam keadaan kronis menimbulkangangguan pada sistem saraf dan menampakkangejala seperti penyakit parkinson. Berdasarkanpercobaan yang dilakukan terhadap kelinci,keracunan mangan menimbulkan gangguanpada pertumbuhan tulang.

2. METODA PENGHILANGAN ZAT BESIDAN MANGAN DI DALAM AIR MINUM

Masalah zat besi dan mangan di dalam airminum lebih sering terjadi jika sumber air bakuyang digunakan berasal dari air tanah. Untuk airpermukaan masalah zat besi atau manganumumnya terjadi jika sumber air yang digunakanberasal dari danau yang kedalamannya cukuptinggi (dalam) atau danau yang telah mengalamieutropikasi dimana terjadi kondisi reduksi atauanaerobik di bagian bawah atau dasar danau.Kondisi tersebut dapat mengakibatkanterlarutnya kembali endapan senyawa oksidabesi atau mangan yang ada di dasar danau ataureservoir tersebut. Sering juga masalah sepertiini terjadi secara musiman atau pada periodatertentu saja.

Jika sumber air yang digunakan untukpenyediaan air minum mengandung konsentrasizat besi lebih besar 0,3 mg/l atau kandunganmangan melebihi 0,05 mg/l maka perlu pemilihancara pengolahan yang paling sesuai.

Untuk menghilangkan zat besi ataumangan di dalam air yang paling seringdigunakan adalah dengan cara oksidasi yangdiikuti proses pemisahan padatan (suspendedsolids). Mangan lebih sulit dioksidasi dari padabesi. Hal ini disebabkan karena kecepatanoksidasi mangan lebih rendah dibanding dengankecepatan oksidasi besi.

Ada beberapa cara oksidasi besi ataumangan yang paling sering digunakan di dalamindustri pengolahan air minum antara lain yakniproses aerasi-filtrasi, proses khlorinasi-filtrasidan proses oksidasi kalium permanganat-Filtrasidengan mangan zeolit (manganese greensand)(Wong, 1984).

Pemilihan proses tersebut dipilihberdasarkan besarnya konsentrasi zat besi ataumangan serta kondisi air baku yang digunakan.

Proses lain seperti pertukaran ion, proses filtrasidengan penambahan chlorine dioxide, prosespengaturan pH, proses filtrasi dengan katalisdengan media yang sesuai serta proses oksidasidengan ozone jarang digunakan karena alasanbiaya dan operasional. Rekomendasi untukproses tersebut dapat ditemukan di dalamberbagai literatur tentang pengolahan air.

Proses aerasi-filtrasi umumnya lebihdianjurkan untuk pengolahan air dengankonsentrasi zat besi lebih besar 5 mg/l untukmenghemat biaya bahan kimia. Proses khlorinasi– filtrasi lebih disarankan untuk konsentrasi zatbesi kurang dari 2 mg/l, sedangkan proses filtrasidengan manganese greensand denganpenambahan kalium permanganat direkomen-dasikan untuk penghilangan zat besi dengankonsentrasi 0-3 mg/l.

2.1 Proses Aerasi-Filtrasi

Proses aerasi-filtrasi biasanya terdiri dariaerator, bak pengendap serta filter ataupenyaring. Aerator adalah alat untukmengontakkan oksigen dari udara dengan airagar zat besi atau mangan yang ada di dalam airbaku bereaksi dengan oksigen membentuksenyawa ferri (Fe valensi 3) serta manganoksida yang relatif tidak larut di dalam air.Kecepatan oksidasi besi atau mangandipengaruhi oleh pH air. Umunnya makin tinggipH air kecepatan reaksi oksidasinya makincepat. Kadang-kadang perlu waktu tinggalsampai beberapa jam setelah proses aerasi agarreaksi berjalan tergantung dari karakteristik airbakunya.

Jika konsentrsi zat besi atau mangan didalam air baku cukup tinggi maka perlu bakpengendap yang dilengkapi dengan pengumpullumpur (sludge collection). Untuk unit fitrasi lebihdisarankan menggunakan filter bertekanandengan dua media yakni pasir silika dananthrasite. Kelemahan yang utama dari prosesaerasi-filtrasi iini adalah besarnya biaya awaluntuk pembuatan unit peralatan. Di samping itujika konsentrasi mangan lebih besar 1 mg/l makareaksi oksidasi cukup lama sehingga perlu waktutinggal yang lebih lama atau kadang memerlukantambahan bahan kimia untuk mempercepatproses oksidasi mangan tersebut sampai tingkatkonsentarsi yang diharapkan.

Di dalam proses penghilangan besi danmangan dengan cara Aerasi, adanya kandunganalkalinity, (HCO3)- yang cukup besar dalam air,akan menyebabkan senyawa besi atau manganberada dalam bentuk senyawa ferro bikarbonat,Fe(HCO3)2 atau mangano bikarbonat,Mn(HCO3)2. Oleh karena bentuk CO2 bebas lebihstabil daripada (HCO3)-, maka senyawa


242

bikarbonat cenderung berubah menjadi senyawakarbonat.

Fe(HCO3)2 ===> FeCO3 + CO2 + H2OMn(HCO3)2 ===> MnCO3 + CO2 + H2O

Dari reaksi tersebut dapat dilihat, jika CO2

berkurang, maka kesetimbangan reaksi akanbergeser ke kanan dan selanjutnya reaksi akanmenjadi sebagai berikut :

FeCO3 + CO2 ===> Fe(OH)2 + CO2

MnCO3 + CO2 ===> Mn(OH)2 + CO2

Baik hidroksida besi (valensi 2) maupunhidroksida mangan (valensi 2) masih mempunyaikelarutan yang cukup besar, sehingga jika terusdilakukan oksidasi dengan udara atau aerasiakan terjadi reaksi (ion) sebagai berikut :

4 Fe2+ + O2 + 10 H2O ===> 4 Fe(OH)3 + 8 H+

2 Mn2+ + O2 + 2 H2O ===> 2 MnO2 + 4 H+

Sesuai dengan reaksi tersebut, makauntuk mengoksidasi setiap 1 mg/l zat besidibutuhkan 0,14 mg/l oksigen dan setiap 1 mg/lmangan dibutuhkan 0,29 mg/l. Pada pH rendah,kecepatan reaksi oksidasi besi dengan oksigen(udara) relatif lambat, sehingga pada prakteknyauntuk mempercepat reaksi dilakukan dengancara menaikkan pH air yang akan diolah.Pengaruh pH terhadap oksidasi besi denganudara (aerasi) dapat dilihat pada Tabel 1 danGambar 2.

Tabel 1 : Pengaruh pH terhadap oksidasi besidengan udara.

Air Baku Konsentrasi Fe setelah aerasipH Air Fe (ppm) 15 menit 30 menit 60 menit

5,0 10,0 9,0 - 7,55,5 10,0 5,5 4,6 4,05,95 10,0 5,0 4,0 3,56,15 10,0 4,4 3,5 2,56,5 10,0 2,8 1,8 0,36,65 10,0 0,7 0,2 0,16,8 10,0 0,2 0,1 < 0,17,0 10,0 0,1 < 0,1 < 0,17,45 10,0 0,1 < 0,1 < 0,18,05 10,0 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Catatan : Air baku yang digunakan adalah air tanah.Konsentrasi Fe setelah diaerasi dan disaring dengan kertassaring.Sumber : Tatsumi Iwao, 1971.

Ada beberapa jenis peralatan aerasi yang seringdigunakan yakni aerator gravitasi, aeratorsembur (spray aerator), aerator dengan difuser,dan aerator secara mekanik (Benefiled, 1982;Fair and Geyer, 1971; Peavy, 1986; Hammer,1986).

Untuk aerator gravitasi, beberapa carayang sering digunakan misalnya aerator baki(tray aerator), aerator cascade, aerator dengantower vertikal misalnya bubble cap tray danlainnya.

0

2

4

6

8

10

12

0 10 20 30 40 50 60 70

pH 5.0pH 5.95pH 6.15pH 6.5

pH 6.65pH 6.8pH 7.0pH 7.45

KONS

ENTR

ASI F

e [mg

/l]WAKTU AERASI [MENIT]

Gambar 2: Pengaruh pH terhadap oksidasi besidengan udara.Catatan : Air baku yang digunakan adalah air tanah.Konsentrasi Fe setelah diaerasi dan disaring dengan kertassaring. Sumber : Tatsumi Iwao, 1971.

Untuk aerator sembur (spray aerator) cara yangsering digunakan adalah aerator denganmenggunakan nozzle atau orifice, baik yangstationer maupun bergerak.

Untuk aerator dengan difuser dilakukandengan cara menyemburkan udara bertekananke dalam air melalui difuser yang berbentuknozzle, pipa berlubang, atau difuser gelembunghalus. Dengan cara demikian maka akan terjadikontak yang efektif antara oksigen atau udaradengan zat besi atau mangan yang ada di dalamair sehingga terjadi reaksi oksidasi zat besi ataumangan membentuk oksida yang tak larut dalamair. Untuk aerator mekanik, beberapa cara yangsering digunakan adalah submerged paddle,surface paddle, propeler blade atau turbineblade.

Beberapa contoh peralatan aerasi yangsering digunakan yakni :

a. Aerator Baki (Tray Aerator)

Susunannya sangat sederhana dan tidakmahal serta memerlukan ruangan yang relatifkecil. Jenis aerator ini terdiri atas 4 sampai 8 traydengan susunan vertikal maupun piramida.Dasar tray berlubang-lubang dengan jarak 30-50cm. Melalui pipa berlubang air dibagi meratamelalui tray, dari bagian ini percikan air turundengan kecepatan 0,02 m3/detik per m2


243

permukaan tray. Tetesan air yang menyebardikumpulkan kembali pada setiap permukaantray berikutnya. Tray dapat terbuat dari semensabes (asbestos cement), PVC, logam maupunkayu. Untuk mendapatkan penyebaran air yanglebih halus, tray dapat diisi dengan kerikil kasardengan ketebalan 10 cm, kadang-kadangdigunakan lapisan batu apung atau arangsebagai katalisator dan mempercepat prosespenggumpalan besi dalam air.

Gambar 3 : Aerator Baki (Tray Aerator)

b. Cascade Aerator

Pada dasarnya aerator ini terdiri atas 4 sampai 6step, dengan ketinggian tiap step 30 cmdengan kecepatan 0,01 m3/detik per m2 .Dibandingkan dengan jenis tray, aerator jeniscascade ini tempat yang dibutuhkan lebih besarnamun total kehilangan tekanan lebih rendahdan keuntungan lain tidak memerlukanpemeliharaan

Gambar 4. Cascade aerator

c. Submerged Cascade Aerator

Submerged Cascade Aerator atau aerasi tanggameluncur penangkapan udara terjadi pada saatair terjun dari lempengan-lempengan trap yangmembawanya masuk ke dalam air yangdikumpulkan kelempengan di bawahnya. Totalketinggian jatuh 1,5 m yang dibagi dalam 3-5step. Kapasitas peralatan ini antara 0,005sampai 0,5 m3/detik per m2.

Gambar 5 : Submerged Cascade Aerator

d. Spray Aerator

Terdiri atas nozel penyemprotan statis(stationary nozzles), dihubungkan dengan kisilempengan yang mana air disemprotkan keudara di sekeliling pada kecepatan 5-7 m/detik.Aliran pada spray aerator dari arah bawahmelalui pipa yang panjangnya 25 cm dandiameter 15 – 30 mm. Piringan melingkarditempatkan beberapa centimeter di setiap ujungpipa, sehingga dapat terbentuk selaput air tipismelingkar yang selanjutnya menyebar menjadipercikan air yang halus

Gambar 6 : Aerator sembur (Spray aerator).

e. Aerator Dengan Difuser Gelembung(Bubble aerator)

Jumlah udara yang dibutuhkan untuk bubbleaerator tidak banyak, yaitu sekitar 0,3-0,5 m3

Udara per m3 air dan volume ini dengan sangatmudah untuk ditingkatkan. Udara dialirkanmelalui perpipaan yang diletakkan pada dasarbak.


244

Gambar 7 : Bubble aerator

2.2 Proses Khlorinasi-Filtrasi

Di dalam proses Khlorinasi – Filtrasi unitperalatan yang digunakan relatif sederhana.Umumnya terdiri dari sistem pembubuhan(injeksi) bahan kimia dan beberapa unit filter.Unit filter yang digunakan di dalam proses inisama dengan filter yang digunakan pada Aerasi-Filtrasi. Kadang-kadang perlu tangki retensi kecilserta pengaturan pH dengan penambahan sodaash, soda api atau kapur tohor (Ca(OH)2). Bahankimia yang digunakan adalah gas khlorine atauhipokhlorit.

Gas khlorine (Cl2) dan ion hipokhlorit(OCl)- adalah merupakan bahan oksidator yangkuat sehingga meskipun pada kondisi pH rendahdan oksigen terlarut sedikit, dapat mengoksidasidengan cepat. Reaksi oksidasi antara besi danmangan dengan khlorine adalah sebagai berikut:2 Fe2+ + Cl2 + 6 H2O ==> 2 Fe(OH)3 (s)+ 2 Cl- +

6 H+

Mn2+ + Cl2 + 2 H2O ==> MnO2 (s)+ 2 Cl- + 4 H+

Berdasarkan reaksi tersebut di atas, makauntuk mengoksidasi setiap 1 mg/l zat besidibutuhkan 0,64 mg/l khlorine dan setiap 1 mg/lmangan dibutuhkan 1,29 mg/l khlorine. Tetapipada prakteknya, pemakaian khlorine ini lebihbesar dari kebutuhan teoritis karena adanyareaksi-reaksi samping yang mengikutinya.Disamping itu apabila kandungan besi dalamair baku jumlahnya besar, maka jumlah khlorineyang diperlukan dan endapan yang terjadi jugabesar sehingga beban flokulator, bak pengendapdan filter menjadi besar pula.

Berdasarkan sifatnya, pada tekanan atmosfirkhlorine adalah berupa gas. Oleh karena itu,untuk mengefisienkannya, khlorine disimpandalam bentuk cair dalam suatu tabung silinderbertekanan 5 sampai 10 atmosfir. Untukmelakukan khlorinasi, khlorine dilarutkan dalamair kemudian dimasukkan ke dalam air yangjumlahnya diatur melalui orifice flowmeter ataudosimeter yang disebut khlorinator. Pemakaian

kaporit atau kalsium hipokhlorit untukmengoksidasi atau menghilangkan besi danmangan relatif sangat mudah karena kaporitberupa serbuk atau tablet yang mudah larutdalam air. Oksidasi Fe dengan khlorine dapatdilakukan dengan efektif walaupun pada kondisipH rendah. Salah satu hasil penelitian oksidasiFe dengan khlorine pada pH rendah ditunjukkanpada Tabel 2.

Tabel 2 : Oksidasi senyawa Fe (Fe+2) dengankhlorine pada pH rendah

Air Baku Konsentrasi Fe setelah Oksidasi dgCl2

pH Air Fe (ppm) 15 menit 30 menit 60 menit

4 10,0 - - 0,8

4,55 10,0 - - 0,5

5,0 10,0 < 0,1 < 0,1 < 0,1

Catatan : Air baku yang digunakan adalah air tanah.Konsentrasi Fe setelah diaerasi dan disaring dengan kertassaring.Sumber : Tatsumi Iwao, 1971.

2.3 Proses Kalium Permangganat – Filtrasidengan Manganese Greensand(mangan zeolit)

Untuk menghilangkan besi dan mangandalam air, dapat pula dilakukan denganmengoksidasinya dengan memakai oksidatorkalium permanganat dengan persamaan reaksisebagai berikut :

3 Fe2+ + KMnO4 + 7 H2O ==> 3 Fe(OH)3 + MnO2

+ K+ + 5 H+

3 Mn2+ + 2 KMnO4 + 2 H2O ==> 5 MnO2 + 2 K+

+ 4 H+

Secara stokhiometri, untuk mengoksidasi1 mg/l besi diperlukan 0,94 mg/l kaliumpermanganat dan untuk 1 mg/l mangandiperlukan 1,92 mg/l kalium permanganat. Dalamprakteknya, kebutuhan kalium permanganatternyata lebih sedikit dari kebutuhan yangdihitung berdasarkan stokhiometri. Hal inidisebabkan karena terbentuknya mangandioksida yang berlebihan yang dapat berfungsisebagai oksidator dan reaksi berlanjut sebagaiberikut :

2 Fe2+ + 2 MnO2 + 5 H2O ==> 2 Fe(OH)3 +Mn2O3 + 4 H+

3 Mn2+ + MnO2 + 4 H2O ==> 2 Mn2O3 + 8 H+

Peralatan yang digunakan di dalam prosesini sama dengan peralatan pada proseskhlorinasi – Fliltrasi, yang berbeda adalah bahankimia oksidator yang digunakan yakni kalium


245

permanganat dan media filter yang digunakanyakni manganese greensand (mangan zeolit).Larutan kalium permanganat 1-4 % secarakontinyu diinjeksikan ke dalam air baku sebelumproses filtrasi. Injeksi larutan kaliumpermanganat tersebut biasanya dilakukandengan menggunakan pompa dosing yang dapatdiatur laju pembubuhannya. Biasanya reaksioksidasi dapat berjalan sempurna pada pH 7,5 –9,0.

Mangan zeolit (manganese-treatedgreensand) adalah mineral yang dapat menukarelektron sehingga dapat mengoksidasi besi ataiumangan yang larut di dalam air menjadi bentukyang tak larut sehingga dapat dipisahkan denganfiltrasi. Mangan Zeolit (K2Z.MnO.Mn2O7) dapatjuga berfungsi sebagai katalis dan pada waktuyang bersamaan besi dan mangan yang adadalam air teroksidasi menjadi bentuk ferri-oksidadan mangandioksida yang tak larut dalam air.Reaksinya adalah sebagai berikut :

K2Z.MnO.Mn2O7 + 4 Fe(HCO3)2 ==> K2Z +3 MnO2 + 2 Fe2O3 + 8 CO2 + 4 H2O

K2Z.MnO.Mn2O7 + 2 Mn(HCO3)2 ==> K2Z +5 MnO2 + 4 CO2 + 2 H2O

Reaksi penghilangan besi dan mangandengan mangan zeolite tidak sama denganproses pertukaran ion, tetapi merupakan reaksidari Fe2+ dan Mn2+ dengan oksida mangan tinggi(higher mangan oxide).

Filtrat yang terjadi mengandungmengandung ferri-oksida dan mangan-dioksidayang tak larut dalam air dan dapat dipisahkandengan pengendapan dan penyaringan. Selamaproses berlangsung kemampuan reaksinyamakin lama makin berkurang dan akhirnyamenjadi jenuh. Untuk regenerasinya dapatdilakukan dengan menambahkan larutan kaliumpermanganat kedalam mangan zeolite yangtelah jenuh tersebut sehingga akan terbentuklagi mangan zeolite (K2Z.MnO.Mn2O7).

Keunggulan proses ini adalah manganzeolit dapat berlaku sebagai buffer (penyangga).Jika penambahan kalium permanganat tidakdapat mengoksidasi zat besi atau mangan yanglarut di dalam air secara sempurna makamangan zeolit akan mengoksidasi logam–logamtersebut dan tersaring di dalamnya.

3. PILOT PLANT STUDI

3.1 Pilot Plant untuk menghilangkan zatbesi dan mangan skala rumah tanggadengan Proses Aerasi – Filtrasi

Unit peralatan terdiri dari pompa air baku,bak penampung yang berfungsi sebagai

kontaktor udara atau oksigen dengan air, dansatu unit filter yang diisi dengan media pasir,mangan zeolit dan karbon aktif (filter multimedia). Air tanah dipompa ke bak penampungyang berfungsi untuk mengontakkan oksigen dariudara dengan zat besi atau mangan yang larut didalam air. Kemudian dari tangki penampung, airdialirkan ke unit filter multi media untukmenyaring atau menghilangkan zat besi ataumangan yang ada dalam air sertamenghilangkan padatan tersuspensi.

Jika ingin mendapatkan hasil yang lebihjernih, proses dapat dilengkapi dengan filtercartridge. Filter cartridge ini dapatmenghilangkan padatan tersuspensit denganukuran lebih besar 5 (lima) mikron. Dari filtercartridge air olahan sudah sangat jernih, danapabila diinginkan dapat langsung diminum, airdari filter cartridge dialirkan ke sterilisator ultraviolet untuk mematikan atau membunuhmikroorganisme patogen yang ada dalam air.Proses ini tanpa memerlukan energi yang besarkarena bekerja dengan sistem gravitasi danhanya memerlukan energi listrik sekitar 30 wattuntuk lampu disinfeksi ultra violetnya. Air yangkeluar dari sterilisator UV sudah dapat diminumlangsung. Skema proses pengolahanditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 8 : Diagram proses penghilangan zatbesi dan mangan skala rumah tangga denganproses aerasi-filtrasi.

Pada saat air dipompa ke bakpenampung, terjadi proses oksidasi antara zatbesi atau mangan yang ada dalam air denganoksigen yang ada di udara. Reaksi oksidasitersebut menghasilkan senyawa ferrihidroksidaatau mangan dioksida yang berupa gumpalansangat halus (micro flock) yang tak larut dalamair, sehinggga dapat tersaring pada filter multimedia. Berdasarkan reaksi tersebut diatas, untukmengoksidasi setiap 1 mg/l zat besi memerlukan0,14 mg/l oksigen , dan untuk setiap I mg/lmangan diperlukan oksigen sebanyak 0,29 mg/l .


246

Dengan memompa air baku ke bakpenampung, maka akan terjadi kontak antara zatbesi atau mangan yang ada dalam air denganoksigen yang ada di udara, sehingga besi ataumangan dapat dioksidasi, yang mana haltersebut dapat meringankan beban filter manganzeolitnya. Dengan demikian maka masa pakai(life time) dari filter mangan zeolitnya menjadilebih lama.

Untuk proses penyaringan, unit filter yangdigunakan adalah filter dengan bahan PVC,diameter 12 inc dan tinggi 120 cm. Media yangdigunakan adalah pasir silika, mangan zeolit(mangenese greensand, dan karbon aktif.Skema multi media filter yang digunakan dansusunan media dapat dilihat seperti padaGambar 9, sedangkan konstruksi filternya dapatdilihat pada Gambar 10.

Gambar 9 : Diagram filter multi media dansusunan media penyaring untuk penghilanganzat besi dan mangan di dalam air.

Gambar 10 : Filter multi media untukmenghilangkan zat besi dan mangan di dalamair.

Pengolahan air tanah dengan menggunakanfilter mangan zeolit dan filter karbon aktif , sertadilengkapi dengan filter cartridge 5 mikron dansterilizer Ultra Violet telah dicoba danmenghasilkan air lahan dengan kualitas yang

baik. Berdasarkan analisa laboratoriumterhadap hasil air olahan untuk parameter yangpenting antara lain : kekeruhan, zat besi,mangan, zat organik (angka permanganat), totalkesadahan, ammonium (NH4+), dan bakteri Colitelah memenuhi stadar baku mutu untuk airminum. Hasil analisa air olahan tersebut dapatdilihat pada Tabel 3.

Dari hasil analisa terhadap air olahantersebut diatas, jumlah total bakteri Coli nol,sedangkan total plate count masih diatas standarair kemasan. Hal ini air hasil olahan tersebutsudah layak langsung diminum, tetapi tidakdisarankan untuk disimpan dalam waktu yanglama.

Tabel 3 : Analisa kualitas air olahan

Parameter Satuan AirOlaha

n

BakuMutu AirMinum 1)

Baku MutuAir

Kemasan 2)

Kekeruhan FTU nil 5 5Besi (Fe) mg/l < 0,04 0,3 0,3Mangan(Mn)

< 0,02 0,1 0,05

AngkaPermanganat

mg/l nil 10 -

Kesadahan(CaCO3)

mg/l 1,05 500 -

Ammonium(NH4

+)mg/l < 0,04 - ttd

TotalBakteri Coli

MPN/ml nil 3 ttd

Total PlateCount

coloni/ml 8,2 104 - 102

Catatan :nil : nihil, ttd : tak terdeteksi.1) Berdasarkan baku mutu air minum PP No. 20 Tahun 1990.2) FDA Bottled Water Standards.

3.2 Pilot Plant Proses Khlorinasi- Filtrasi

Salah satu pilot plant untukmenghilangkan besi dan mangan di dalam airtanah dengan proses khlorinasi-filtrasi(Wong,1984), secara garis besar prosespengolahannya ditunjukkan seperti padaGambar 11.

Gambar 11 : Diagram proses penghilangan besidan mangan di dalam air dengan proseskhlorinasi-filtrasi.


247

Air dari sumur dipompa denganmenggunakan pompa sambil diinjeksi denganlarutan sodium hipokhlorit untuk mengoksidasizat besi atau mangan yang ada di dalam air,selanjutnya dialirkan ke static mixer agar larutansodium hipokhlorit dapat tercampur sempurnadengan air bakunya. Dari static mixer airselanjutnya di alirkan ke tangki reaktor (pressuretank) agar mempunyai waktu yang cukup untukproses oksidasi sempurna.

Dari tangki reaktor air dialirkan kesaringan pasir cepat bertekanan (rapid pressurefilter) untuk menyaring oksida besi atau oksidamangan yang terbentuk di dalam tangki reaktor.Setelah itu dilairkan ke filter mangan zeolit(manganese greensand filter). Filter manganzeolit berfungsi untuk menghilangkan zat besiatau mangan yang belum sempat teroksidasioleh kalium permanganat. Untuk menghilangkanpolutan mikro misalnya zat organik, deterjen,bau, senyawa phenol, logam berat dan lain-lainproses ini dapat juga dilengkapi dengan filterkarbon aktif.

Air hasil olahan selanjutnya dialirkan kebak penampung air bersih (Tower Tank) atausaluran distribusi. Salah satu contoh konstruksiperalatan proses penghilangan besi danmangan di dalam air dengan proses khlorinasi-filtrasi yang telah terpasang, dengan kapasitas30 M3 per hari dapat dilihat pada Gambar 12.Spesifikasi teknis peralatan adalah sebagaiberikut :

A. Pompa Air BakuType : jet pumpPower : 250 WattPressure : 4 Bars (max)Total Head : 40 mJumlah : 1 unit

B. Pompa dosingType : Chemtech 100/030Tekanan : 7 BarsKapasitas : 4.7 lt/hourPump head : SANDiaphragm : HypalonJumlah : 1 unit

C. Tangki Bahan KimiaVolume : 25 literUkuran : 50 cm x 25 cm x 10 cmMaterial of Contraction : Fiberglass ReinforcedPlastic (FRP)Jumlah : 1 unit

D. Tangki ReaktorKapasitas : 0,5 – 1 M3/jamUkuran : 63 cm x 120 cm, dilengkapi

dengan penyanggaMaterial :Fiber Reinforced Plastic(FRP)Inlet/Outlet : 1"Tekanan Operasi : 4 barJumlah : 1 unitE. Saringan Pasir Cepat (Sand Filter)Tekanan : 3 BarsCapacity : 1.4 – 1.8 m3 / jamUkuran : 12 inchi x 120 cmMaterial : FRPPipa Inlet / outlet : ¾ inchSystem : Semi automatic backwashMedia Filter : Pasir SilikaMedia Penahan : GravelNumber : 1 unit

F. Filter mangan ZeolitTekanan : 3 BarsCapacity : 1.4 – 1.8 m3 / jamUkuran : 12 inchi x 120 cmMaterial : FRPPipa Inlet / outlet : ¾ inchSystem : Semi automatic backwashMedia Filter : Mangan ZeolitMedia Penahan : GravelNumber : 1 unit

Gambar 12 : konstruksi peralatan prosespenghilangan besi dan mangan di dalam air denganproses khlorinasi-filtrasi.

Proses khlorinasi-filtrasi dapat juga digunakanuntuk penghilangan zat besi atau mangan didalam air slaka rumah tangga. Perbedaandengan proses skala yang besar adalah padasistem injeksi senyawa khlorine. Untuk skalayang besar injeksi khlorine atau larutan kaporitumumnya dilakukan dengan menggunakanpompa dosing, sedangkan untuk skala rumahtangga dilakukan dengan sistem injeksi kaporitsederhana menggunakan khlorin tablet. Diagramproses khlorinasi-filtrasi untuk skala rumahtangga dapat dilihat pada Gambar 13, danskema sistem injeksi khlorine sederhana dapatdilihat pada Gambar 14. Untuk konstruksi Injeksi


248

khlorine atau kaporit dan unit filter dapat dilihatpada Gambar 15. Untuk unit filter yangdigunakan adalah filter bertekanan denganmenggunakan media pasir, mangan zeolit dankarbon aktif (filter multi media).

Gambar 13 : Filter mangan zeolit dan karbonaktif skala rumah tangga.

Bentuk serta cara pengoperasian filtersecara sederhana ditunjukkan seperti padagambar 5, sedangkan cara kerja injektor khlorineditunjukkan pada Gambar 6. Beberapa contohfilter mangan zeolit dan karbon aktif yangdilengkapi dengan injektor khlorine dapat dilihatpada Gambar 7.

Gambar 14 : Injektor khlorine dan PAC.

Gambar 15 : Contoh filter mangan zeolit dankarbon aktif serta injektor khlorine.

3.3 Pilot Plant Proses KaliumPermanganat-Filtrasi dengan ManganZeolit

Pilot plant ini dibangun di daerahpemukiman transmigrasi di Kabupaten KualaKapuas, Kalimantan Tengah dengan kapasitas30 M3 per hari. Air yang akan diolah adalah airtanah dengan kandungan zat besi yang cukuptinggi yakni mencapai 10 mg/l dengan pH yangrendah yakni sekitar pH 4. Secara fisik pada saatdipompa keluar air terlihat jernih tetapi berbaulogam, dan setelah dibiarkan dan kontak denganudara air akan segera berubah menjadiberwarna coklat kemerahan dan keruh.

Proses yang digunakan yakni kombinasiproses pengaturan pH, proses oksidasi denganudara, pembubuhan kalium permanganat dandilanjutkan dengan proses filtrasi. Prosespenyaringan terdiri dari tiga tahap yaknipenyaringan dengan saringan pasir, kemudianpenyaringan dengan filter mangan zeolit(manganese greensand) dan selanjutnyapenyaringan dengan media karbon aktif.Diagram proses pengolahannya dapat dilihatseperti pada Gambar 16.

Gambar 16 : Diagram proses penghilangan zatbesi dan mangan di dalam air.Kombinasi proses pengaturan pH, proses oksidasi denganudara, pembubuhan kalium permanganat dan dilanjutkandengan proses filtrasi

Air baku yang berasal dari air air tanahdipompa ke tangki pencampur (static mixer)sambil diinjeksi dengan larutan soda ash(NaHCO3) untuk menaikkan pH menjadi sekitarpH 7-8, selanjutnya dialirkan ke bak clarifier ataubak pengendap. Di dalam bak pengendap,dengan adanya penambahan soda ash sertakontak dengan oksigen dari udara, zat besi ataumangan akan dengan cepat teroksidasi menjadi


249

oksida besi atau oksida mangan yang tidak larutdi dalam air dan akan mengendap di dalam bakpengendap.

Air limpasan dari bak pengendapselanjutnya dialirkan ke bak penampung airbaku. Dari bak penampung air baku, air dipompake tangki reaktor (tangki bertekanan) sambildiinjeksi dengan larutan kalium permanganatdengan menggunakan pompa dosing, agar zatbesi atau mangan yang belum teroksidasi olehoksigen dari udara dan masih terlarut dalam airdapat dioksidasi lebih sempurna menjadi bentuksenyawa oksida besi atau mangan yang tak larutdalam air.

Zat besi atau mangan di dalam air yangtelah teroksidasi dan juga padatan tersuspensiyang berupa partikel halus, selanjutnya di alirkanke filter pasir (sand filter). Air yang keluar darisaringan pasir selanjutnya dialirkan ke filtermangan zeolit (manganese greensand filter).Dengan adanya filter mangan zeolit ini, zat besiatau mangan yang belum teroksidasi di dalamtangki reaktor dapat dihilangkan sampaikonsentrasi < 0,1 mg/l.

Dari filter Mangan Zeolit, air dialirkan kefilter karbon aktif (activated carbon filter) untukmenghilangkan bau atau warna serta polutanmikro. Filter ini mempunyai fungsi untukmenghilangkan senyawa warna dalam air, sertauntuk menghilangkan senyawa yang dapatmenyebabkan bau. Setelah melalui filterpenghilangan warna, air dialirkan ke filtercartridge yang dapat menyaring partikel kotoransampai ukuran 5 mikron. Dari filter cartridge,selanjutnya, air dialirkan ke bak penampung airolahan dan selanjutnya dipompa ke salurandistribusi. Konstruksi peralatan yang telahterpasang dapat dilihat pada Gambar 17 sampaidengan Gambar 19.

Gambar 17 : Pompa air baku dan sistem injeksilarutan soda ash (NaHCO3) untuk menaikkan pHair.

Gambar 18 : Bak pengendap yang berfungsijuga sebagai kontaktor udara kontaktor udaradan bak penampung.

Gambar 19 : Sistem injeksi larutan kaliumpermanganat, filter pasir, filter mangan zeolitserta filter karbon aktif.

Hasil uji coba pilot plant penghilangan besidan mangan di dalam air dengan kombinasiproses pengaturan pH, proses oksidasi denganudara, pembubuhan kalium permanganat dandilanjutkan dengan proses filtrasi ditunjukkanseperti pada Tabel 4. Dari hasil tersebut dapatdilihat bahwa dengan kombinasi proses tersebutdi atas dapat menurunkan kadar zat besi dari10,06 mg/l menjadi 0,14 mg/l, dan konsentrasimangan (Mn) dari 2,94 mg/l turun menjadi 0,02mg/l. Proses penambahan soda ash (Na2CO3)dilakukan karena air baku mempunyai pH 5,5sehingga untuk air minum harus dinaikkanmenjadi pH 6,5 – 9,0.


250

Tabel 4: Hasil uji coba pilot plant penghilanganbesi dan mangan dengan kombinasi proses

pembubuhan kalium permanganat dan prosesfiltrasi.

Parameter Air Baku Air Olahan

pH 5,5 6,7Besi (mg/l) 10,06 0,14Mangan (mg/l) 2,94 0,02Kekeruhan (NTU) 60 4Warna (Pt-Co) 34 10Kesadahan Total(mg/l sebagaiCaCO3)

64,0 60

Catatan :Lokasi : Dadahup –Kuala Kapuas – Kalteng.Proses : Kombinasi proses pengaturan pH, proses oksidasidengan udara, pembubuhan kalium permanganat dandilanjutkan dengan proses filtrasi

4. PENUTUP

Dari uraian tersebut diatas, beberapacara oksidasi besi atau mangan yang palingsering digunakan di dalam industri pengolahanair minum antara lain yakni proses aerasi-filtrasi,proses khlorinasi-filtrasi dan proses oksidasikalium permanganat-Filtrasi dengan manganzeolit (manganese greensand).Pemilihan proses tersebut dipilih berdasarkanbesarnya konsentrasi zat besi atau manganserta kondisi air baku yang digunakan,kemudahan proses, serta besarnya biayapengolahan.

Kombinasi proses aerasi dan prosespenyaringan dengan filter yang berisi pasirsilika, mangan zeolit dan karbon aktif dapatmenurunkan kandungan zat besi dan mangancukup efefktif, tetapi membutuhkan biaya awalyang lebih besar dan tempat yang lebih besar.Hal ini disebabkan karena oksidasi denganaerasi udara memerlukan tempat atau bak yanglebih besar sehingga biaya peralatan ralatif lebihbesar. Disamping untuk menurunkan kadar besidan mangan, proses oksidasi zat besi danmangan dengan cara aerasi filtrasi dapat jugauntuk menghilangkan gas karbon dioksida (CO2), gas methan, gas hidrogen sulfida (H2S) sertadapat menghilangkan bau.

Untuk proses khlorinasi-filtrasi maupunproses kalium permanganat-fitrasi denganmangan zeolit, peralatan yang digunakan samayakni sistem pembubuhan bahan kimia, tangkireaktor serta unit filter. Di dalam proseskhlorinasi filtrasi senyawa khlorin yangdigunakan adalah gas khlorin atau larutanhipokhlorit. Bahan kimia ini selain merupakanoksidator kuat juga bersifat disinfektan kuat,

sehingga selain dapat mengoksidasi zat besiatau mangan juga dapat berfungsi sebagaipembunuh kuman. Tetapi jika pembubuhannyaberlebihan maka air olahan akan berbau kaporityang kurang disenagi masyarakat.

Di dalam proses kalium permanganat-filtrasi dengan managan zeolit bahan kimia yangdigunakan yakni larutan kalium permanganat 5 –10 %. Kalium permanganat adalah jugamerupakan oksidator kuat, berwarna merah-keunguan dan tidak berbau. Jika pembubuhankaliun permanaganat berlebihan maka air olahanakan berwarna kemerahan.

Pertimbangan utama pemilihan proseskhlorinasi-filtrasi atau proses kaliumpermanganat-filtrasi dengan mangan zeolitadalah pertimbangan harga bahan kimia yangdigunakan karena peralatan yang digunakanrelatif sama. Untuk harga eceran kaporit saat inisekitar Rp. 15.000,- (lima belas ribu rupiah)sedangkan harga eceran kalium permanganatsekitar Rp. 50.000 – Rp. 75.000,-

DAFTAR PUSTAKA

1. Keputusan Menteri Kesehatan RepublikIndonesia Nomor 907/MENKES/SK/VII/2002tanggal 29 Juli 2002 tentang syarat-syaratdan pengawasan kualitas air minum

2. Benefiled, L.D., Judkins, J.F., and Weand,B.L., "Process Chemistry For Water AndWaste Treatment", Prentice-Hall, Inc.,Englewood, 1982.

3. Fair, G.M., Geyer, J.C., AND Okun, D.A., "Element Of Water Supply And Waste WaterDisposal ", Second Edition, John Wiley AndSons, New York, 1971.

4. Hamer, M. J., " Water And Waste waterTechnology ", Second Edition, John WileyAnd Sons, New York, 1986.

5. JICA : Water Supply Engineering Vol. I.Edited by Japan Water WorkAssociation.1990.

6. Peavy, H.S., Rowe, D.R, ANDTchobanoglous, S.G., "EnvironmentalEngineering ", Mc Graw-Hill Book Company,Singapore, 1986.

7. Tatsumi Iwao, " Water Work Engineering(JOSUI KOGAKU) ", Japanese Edition,Tokyo, 1971.

8. Wong, J.M., “Chlorination-Filtration for Ironand Manganese Removal”, Journal AWWAVol.76, NO.1, January 1984.

METODA PENGHILANGAN ZAT BESI DAN MANGAN DI DALAM ...

Documents

Transcript of METODA PENGHILANGAN ZAT BESI DAN MANGAN DI DALAM ...