Pencemaran air terjadi apabila di dalam air terdapat berbagai macam zat atau kondisi yang dapat menurunkan standar kualitas air yang telah ditentukan, sehingga tidak dapat digunakan untuk kebutuhan rumah tangga serta industri. Suatu sumber air dikatakan tercemar jika telah tercampur dengan bahan pencemar. Contoh suatu sumber air yang mengandung logam berat atau mengandung bakteri penyakit masih dapat digunakan sebagai pembangkit tenaga listrik, tetapi tidak dapat digunakan untuk kebutuhan rumah tangga (keperluan minum, memasak, mandi, dan mencuci). Ada beberapa penyebab terjadinya pencemaran air antara lain apabila air terkontaminasi dengan sampah rumah tangga, sampah limbah industri, limbah rumah sakit, limbah
kotoran ternak, partikulat-partikulat padat hasil kebakaran hutan dan gunung berapi yang meletus atau endapan erosi tempat-tempat yang dilaluinya.4
Penyebab pencemaran dapat berupa panas yang berasal dari limbah pembangkit tenaga listrik atau limbah industri yang menggunakan air sebagai pendingin. Kondisi panas ini menyebabkan suhu air meningkat sehingga tidak sesuai untuk kehidupan akuatik (organisme, ikan dan tanaman dalam air).
Membran Selulosa Asetat
Membran selulosa asetat merupakan polimer sintetik. Pembuatan membran selulosa asetat dilakukan dengan melarutkan campuran selulosa asetat serbuk, kemudian direaksikan dengan asam
anhidrid. Asam cuka (acetid acid) sebagai bahan pelarut dan perchlorid acid atau
sulphuric acid sebagai katalisator. Kemudian dicetak menjadi lapisan film di atas lembaran kaca. Sejumlah pelarut diuapkan, lalu dicelupkan ke akuades untuk membentuk membran. Membran yang basah selanjutnya dikeringkan di udara terbuka.
Membran selulosa asetat merupakan membran yang morfologinya
asimetrik. Membran ini termasuk dalam kelompok membran nanofiltrasi yang tidak bermuatan. Membran filtrasi dari selulosa asetat digunakan untuk menghilangkan koloid, mikroba, pirogen, dan partikel dengan modul higienis.5
Membran selulosa asetat memiliki keunggulan dan kelemahan. Keunggulannya antara lain: cocok untuk sampel yang didasari kandungan air, membran selulosa asetat mengikat sedikit protein, laju alir
permeate (fluks) tinggi, relatif kuat, dan tidak larut dalam alkohol.6 Kelemahannya adalah: kisaran suhu sangat sempit (membran selulosa asetat biasanya dioperasikan tidak lebih dari 30oC), kisaran pH yang rendah biasanya antara 3-6. Pada kondisi asam, membran selulosa asetat dikatakan dapat tahan sampai 4 tahun bila digunakan pada pH 4-5 dan tahan sampai 2 tahun pada pH 6 serta hanya beberapa hari saja bila digunakan pada pH 1 atau 9 kisaran pH yang rendah sering menimbulkan masalah pada waktu pencucian membran, karena larutan pencuci membran biasanya bersifat asam. Membran selulosa asetat dapat teroksidasi oleh klorin sehingga tidak tahan jika didekatkan atau disimpan pada larutan klorin.6
Tabel 1 Spesifikasi membran selulosa asetat
No Parameter Spesifikasi
1 Adsorpsi 0,1 μ g/cm2untuk serum albumin sapi dengan ukuran pori 0,2 μ m
2 Compatibilityatau kesesuaian
Stabil pada kisaran pH 4-8, dan mengalami hambatan terhadap alkohol, hydrocarbon, dan minyak.
3 Laju aliranvolumetrik Nilai rata-rata air per cm2pada tekanan 1 bar, 22 ml/menit pada
ukuran pori 0,2 μ m, 69 ml/menit pada 0,45 μ m, 130 ml/menit pada 0,65 μ m, dan 200 ml/menit pada 0,8 μ m
4 Keterbatasan Suhu maksimum 180oC
5 Sterilisasi Dengan autoclaving (pada suhu 121oC atau 134oC) dengan radiasi-gamma atauethylene oxide
6 Validasi atau pengesahan
Hubungan nilai titik gembung ukuran pori membran 0,2 μ m agar
mampu mensterilisasi pada filtrasi telah disahkan olehStandard Bacteria Challenge Test
Teknologi Filtrasi Membran filtrasi
Membran adalah suatu lapisan tipis yang memisahkan dua fase dan membatasi pengangkutan berbagai bahan kimia secara selektif. Membran dapat heterogen dan homogen, netral dan bipolar, strukturnya simetrik dan asimetrik, padat dan cairan,
yang dapat membawa muatan positif dan juga negatif.
Filtrasi adalah teknik proses pemisahan membran untuk menghilangkan berbagai zat terlarut dengan BM (berat molekul) tinggi, aneka koloid, mikroba sampai padatan tersuspensi dari air larutan. Membran semipermeabel dipakai untuk memisahkan makromolekul larutan. Ukuran
dan adanya molekul terlarut merupakan faktor penting.
Proses pemisahan dengan membran terdiri dari beberapa macam, hal ini dapat digolongkan berdasarkan parameter penggeraknya7, yaitu:
Proses filtrasi, yaitu proses pemisahan dengan membran yang tenaga penggeraknya adalah berupa perbedaan tekanan. Ada tiga macam proses filtrasi pada membran yaitu osmosa balik, ultrafiltrasi, dan mikrofiltrasi.
Dialisa, yaitu proses pemisahan dengan membran yang tenaga penggeraknya berupa perbedaan konsentrasi.
Elektrodialisa, yaitu proses pemisahan dengan membran yang tenaga penggeraknya berupa beda potensial listrik.
Keuntungan dan kelemahan membran
Sebagai teknologi pemisah, teknologi membran mempunyai keuntungan dibandingkan dengan proses pemisahan lain seperti:
1. Pemisahan berdasarkan ukuran molekul (bentuk, molekul).
2. Energi yang dibutuhkan relatif rendah karena biasanya tidak terjadi perubahan fase.
3. Dapat beroperasi secara kontinyu atupunbatch.
4. Tidak ada penambahan produk buangan.
5. Proses membran dapat digabungkan dengan proses pemisahan lainnya. 6. Pemisahan dapat dilakukan dalam
kondisi yang mudah diciptakan. Disamping mempunyai keuntungan, proses membran juga mempunyai kekurangan di antaranya:
1. Penyumbatan pori membran (fouling) Adanya fouling dapat mengakibatkan penurunan fluks. Fluks berbanding terbalik dengan selektivitas. Semakin tinggi fluks seringkali berakibat menurunnya selektivitas dan sebaliknya. Sedangkan hal yang diinginkan dalam proses berbasiskan membran adalah mempertinggi fluks dan selektivitas. Fouling dikendalikan dengan pemisahan secara berkala. Dalam penyaringan air, ion Fe dan Mn menjadi salah satu penyebab terjadinya fouling. Ion Fe di dalam air berupa Fe2+ dan jika teroksidasi dengan udara akan berubah
menjadi ferri (Fe3+) sehingga akan terbentuk endapan Fe(OH)3. Mn di dalam air berbentuk Mn2+ dan Mn4+. Dalam kondisi cukup udara maka Mn2+teroksidasi menjadi Mn4+. Dalam kondisi anaerob, maka Mn2+ teroksidasi menjadi Mn4+membentuk MnO2. Kedua endapan ini biasa disebut dengan
fouling.
2. Stabilitas membran
Kebanyakan material membran terkendala polimer yang mempunyai keterbatasan terhadap pH, suhu, dan ketahanan kimia.
Membran ultrafiltrasi
Membran ultrafiltrasi adalah membran yang ukuran filtrasinya terletak antara nanofiltrasi dengan mikrofiltrasi serta memisahkan konstitu yang berukuran 1-100 nanometer. UF dapat menyaring mikroorganismepathogenkecil seperti virus dengan sangat efektif dan mengurangi kekeruhan air. Secara umum membran dapat dikelompokkan menjadi tiga kategori, yaitu:
a. Membran berpori (porous) dan tidak berpori (non porous)
b. Membran polimer (organic) dan keramik (non organic)
c. Membran bermuatan dan tidak bermuatan tetap
Ada dua produk UF yaitu hasil (permeate) yang mengandung komponen kecil yang sanggup melewati membran, dan konsentrat yang mengandung endapan. Pada proses pemisahan cross flow, aliran umpan searah dengan permukaan membran dan hasil filtrasi keluar tegak lurus searah aliran umpan. Hal ini dapat mengurangi kemungkinan terjadinya fouling pada membran, mengurangi polarisasi konsentrasi, dan adsorpsi. Cross flow lebih banyak digunakan pada hampir semua proses membran dengan beda tekanan berskala besar.
Fluks air
Fluks air adalah zat yang mengalir melalui membran dalam besaranvolumeper unit waktu dan luas.6 Terdapat beberapa parameter operasi yang mempengaruhi fluks, antara lain tekanan, konsentrasi umpan, suhu, laju aliran dan turbulensi.
t
A
V
J
.
(1) Keterangan, J = fluks (L/m2s), V =volume permeate (liter), t = waktu (s), A= luas membran (m2)
Gambar 1 Kurva perubahan fluks membrane terhadap waktu. Suatu membran dapat dikatakan efektif dan efisien apabila membran tersebut mempunyai nilai fluks yang tinggi. Masalah yang timbul ketika membran digunakan dalam proses filtrasi adalah adanya penurunan nilai fluks terhadap waktu. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1.
Foulingpada membran
Fouling pada membran merupakan
irreversibleyang terjadi pada membran yang disebabkan oleh interaksi fisik atau kimia spesifik antara membran dan komponen-komponen yang ada dalam aliran proses. Terjadinya fouling membran tidak dapat dihindari dan inilah tantangan terberat dalam teknologi membran. Lapisan fouling
membran (foulant) ini menghambat filtrasi.
Foulant ini dapat berupa endapan organik (makromolekul, substansi biologi), endapan anorganik (logam hidroksida, garam kalsium) dan partikulat. Foulant akan terakumulasi pada permukaan membran karena tidak ikut ambil bagian dalam perpindahan massa. Akibatnya foulant ini akan mengurangi efektivitas dan fluks membran. Berbagai cara telah dilakukan untuk menghindari terjadinya fouling
membran. Prefilter dan screen digunakan untuk memisahkan partikel berukuran besar yang dapat menutupi permukaan membran. Tingginya kecepatan cross flow dapat menyapufoulant yang berada di permukaan membran. Tekanan yang rendah menghindari pemadatan gel di permukaan membran. Beberapa polimer dan bahan kimia memiliki kepekaan yang tinggi sehingga terjadinyafouling. Ada dua proses yang terkait dengan fenomena fouling ini, yaitu secara internal akan terjadi proses peracunan (poisoning) dan secara eksternal
adalah pertumbuhan fouling itu sendiri. Mekanisme terbentuknya fouling pada membran sampai menutupi lubang
permukaan membran, tetapi masih ada celah untuk meresapnya cairan masuk ke membran, disitulah terbentuk penyempitan. Kemudian butiran foulant mulai menutupi permukaan membran sehingga tidak ada celah untuk cairan masuk ke membran. Tahap akhir adalah terbentuk lapisan gel. Butiran foulant mulai menutupi permukaan membran dan membentuk lapisangel.
Gambar 2 Fenomenafoulingpada membran8.
Sifat Fisik Limbah Cair
Sifat fisik limbah umumnya mudah terlihat. Sifat fisik yang penting antara lain kekeruhan, kerapatan, kekentalan, pH, warna, dan bau.
Kekeruhan
Kekeruhan adalah ukuran yang menggunakan efek cahaya sebagai dasar mengukur kualitas air sungai. Kekeruhan dapat disebabkan oleh bahan-bahan tersuspensi yang bervariasi dari ukuran koloid sampai dispersi kasar dan tergantung dari derajat turbulensinya. Nilai kekeruhan membantu mengetahui jumlah senyawa kimia yang dibutuhkan dalam pengolahan limbah. Penentuan kekeruhan dengan menggunakan metode fotometri disebut
turbidimetri.6
Kerapatan
Merupakan perbandingan antara massa dan volume dari suatu zat. Dirumuskan sebagai berikut:
V
m
(2) Keterangan : ρ = kerapatan (g/cm3) V =volume(cm3) m = massa (g) fluks waktu Fouling menutupi Pori membran Fouling menutupiUmumnya kerapatan zat padat dan cairan hampir tidak bergantung terhadap tekanan dan suhu, karena zat padat dan cairan hanya mengembang sedikit bila dipanaskan dan menyusut sedikit bila dipengaruhi tekanan eksternal sehingga perubahanvolumerelatif kecil.9
Jika suatu bahan dilarutkan dalam air dan membentuk larutan, maka kerapatannya akan berubah. Kerapatan bervariasi sesuai dengan konsentrasi larutan.10
Kekentalan
Kekentalan atau viskositas dapat dianggap sebagai gesekan internal yang besarnya tertentu pada suatu fluida. Besaran yang ditimbulkan untuk menimbulkan kecepatan tertentu berhubungan dengan kekentalan suatu fluida. Pada zat cair, kekentalan disebabkan oleh gaya kohesi antar molekul.11
l
v
A
Fg
(3) Keterangan:η: viskositas (poise), Fg : gaya geser (dyne), A : luas permukaan (cm2), v : kecepatan aliran (cm/s), l : jarak aliran yang diamati terhadap fluida
Fluida yang berbeda memiliki kekentalan yang berbeda pula. Zat cair memiliki kekentalan yang lebih besar daripada gas.12 Untuk memahami perilaku aliran fluida, diperlukan persamaan gerak fluida dengan menggunakan alat viskometer. Viskometer yang digunakan untuk mengukur kekentalan ada beberapa jenis antara lain viskometer pipa kapiler dan viskometer bola jatuh.
Tingkat keasaman (pH)
pH didefinisikan sebagai logaritma dari aktivitas ion hidrogen dan menunjukkan konsentrasi dari ion hidrogen tersebut. pH merupakan singkatan daripondus hydrogeni, dapat dituliskan sebagai berikut:
H
pH log
10 (4)Derajat keasaman atau pH berhubungan dengan konsentrasi ion hidrogen (H+). Mikroorganisme dapat tumbuh paling baik pada pH mendekati netral, tetapi beberapa mikroorganisme menyukai suasana asam dan yang lain dapat
tumbuh dengan sedikit asam atau dalam suasana basa13.
Warna
Warna limbah menunjukkan umur limbah. Limbah yang baru berwarna abu-abu, sedangkan limbah yang sudah lama berwarna gelap.6 Warna limbah bukan merupakan indikasi pencemaran yang baik.4
Bau
Bau disebabkan oleh gas-gas hasil pembusukan bahan organik dari senyawa nitrogen, belerang, dan fosfor. Pengukuran bau penting untuk mengetahui konsentrasi dari suatu zat dalam limbah, tetapi parameter bau sukar untuk dikuantitatifkan.4