BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.2 Klasifikasi Sistem Desalinasi
Solar still terdiri dari bak yang dicat hitam yang diisi oleh air payau atau air laut hingga pada kedalaman tertentu dan ditutup oleh kaca yang dimiringkan sebagai tempat masuknya radiasi surya sekaligus peristiwa kondensasi. Radiasi surya memasuki bak untuk memanaskan sisi bak yang dicat hitam yang mengakibatkan pemanasan air laut hingga terjadi evaporasi, karena perbedaan
Condensate Brine
Saline Water Saline Water Tank
Solar Heating System
Evaporator
C o n d e n s e r
tekanan parsial dan perbedaan temperatur, uap air terkondensasi sepanjang kaca penutup yang dimiringkan dan ditampung oleh penampung yang cocok tepat dibawah kemiringan kaca (Qiblawey dkk, 2008). Sistem solar still sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.2
Kelebihan menggunakan Solar Still : 1. Konstruksi sederhana
2. Kondensasi tidak menggunakan kondensor, kondensasi hanya terjadi di kaca
3. Mudah dalam perawatannya Kelemahan menggunakan Solar Still :
1. Laju produksi air bersih per hari rendah
2. Sebagian uap air yang naik ke kaca dapat langsung terkondensasi dan jatuh bercampur dengan air laut yang belum mendidih
3. Tidak dapat memproduksi air bersih pada kondisi tidak ada matahari
Gambar 2.2. Solar Still Sederhana (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
Sea Water Tank
Basin
Brine Tank Fresh Water Tank
Solar Radiation
Glass
2.2.2 Solar Desalinasi Humidifikasi-Dehumidifikasi
Ide utama dibalik proses solar humidification-dehumidification adalah embun yang membawa kapasitas udara bertambah dengan meningkatnya temperatur. Saat udara panas dipanaskan oleh kolektor surya disirkulasikan secara alamiah atau paksa bersinggungan dengan air laut yang disemprotkan di dalam evaporator, sebagian uap diekstrak oleh udara yang dapat dipulihkan oleh kondensor dimana air laut pengumpan dipanaskan terlebih dahulu (Parekh dkk, 2004). Sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi dapat dilihat pada gambar 2.3
Kelebihan sistem desalinasi humidifikasi-dehumidifikasi : 1. Efektif dalam memproduksi air bersih
2. Sangat cocok dioperasikan untuk kapasitas rendah 3. Biaya produksi air tidak mahal
Kelemahan sistem desalinasi humidifikasi – dehumidifikasi : 1. Konstruksi Kompleks
2. Sulit dalam perawatannya 3. Konstruksi sistem mahal
Gambar 2.3. Sistem Desalinasi Surya Humidifikasi – Dehumidifikasi (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
Hot Air Evaporator Air in Solar Air Heater Blower Hot Air Inlet
Brine Out
Brine Storage Tank Solar Water Heater
Preheated Sea Water Hot Sea Water
Distillate Tank
Brine Recycle Pump Dehumidified Air Outlet
Saline Water Tank Sea Water In
2.2.3 Solar Chimney
Solar Chimney mengkonversikan energi termal surya ke energi kinetik yang akan dikonversikan menjadi energi listrik dengan menggunakan turbo-generator. Komponen-komponen utama dalam solar chimney adalah diameter kolektor surya besar, turbin, generator dan cerobong (chimney) yang panjang. Penggunaan kolektor terutama kaca atau lembaran plastik yang berperan sebagai rumah kaca, menjebak panas dan menyebabkan pemanasan pada ruang dibawah kolektor sehingga terjadi perbedaan temperatur antara udara lingkungan dan udara di dalam sistem yang menyebabkan udara panas mengalir melalui cerobong. Energi kinetik dari udara yang mengalir menyebabkan turbin yang dipasang dibawah cerobong berotasi dan menghasilkan daya (Sangi, 2012). Sistem solar chimney dapat dilihat pada gambar 2.4
Kelebihan sistem desalinasi solar chimney : 1. Laju produksi air bersih yang tinggi 2. Dapat menghasilkan daya selain air bersih 3. Biaya produksi air bersih yang lebih rendah Kelemahan sistem desalinasi solar chimney :
1. Konstruksi sistem kompleks
2. Biaya kolektor surya yang mahal karena dibutuhkan kolektor yang sangat besar
Gambar 2.4. Instalasi Sistem Desalinasi Solar Chimney pada Air Laut (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.4 Solar Multi Stage Flash Desalination
Dalam sistem desalinasi Multi-Stage Flash, air garam pengumpan dipanaskan diatas temperatur saturasi dalam pemanas konsentrat garam dan dibuat perubahan fasa secara cepat dalam bak dimana tekanan rendah dipertahankan dengan menggunakan pompa vakum. Konsentrat garam yang dibuang keluar dari tingkat sebelumnya diizinkan untuk berubah fasa secara cepat dalam tingkat berturutan dan uap dibentuk di setiap tingkat dikondensasikan dengan menggunakan kondensor dimana air laut masuk telah dipanaskan terlebih dahulu (Manjarrez dkk, 1979). Sistem solar multi stage flash desalination dapat dilihat pada gambar 2.5
Kelebihan solar multi stage flash desalination : 1. Laju produksi air bersih yang sangat tinggi
2. Pemanasan yang cepat sehingga tidak memakan banyak energi panas dari kolektor surya
3. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyuplai energi panas selama 24 jam
Condensate Tank Condensate Pump
Condenser
Air In Sea Water Sea Water Air In
Transparent Plastic or Glass Cover
SUN
Chimney
Humid Hot Air
Wind Turbine
Solar Radiation Solar Radiation
Kelemahan solar multi stage flash desalination : 1. Konstruksi sistem yang kompleks 2. Tangki penyimpan kalor mahal 3. Perawatan sulit dan mahal
Gambar 2.5. Sistem Desalinasi Solar Multi Stage Flash (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.5 Solar Multi Effect Distillation
Unit Multi-Effect Distillation (MED) terdiri dari bak-bak dimana secara umum disebut efek sukses dipertahankan pada tekanan rendah dimana air laut disemprot. Panas yang dibutuhkan untuk terjadi evaporasi pada efek pertama disuplai dari energi surya atau dengan pembakaran bahan bakar fosil dan uap yang dibentuk digunakan untuk memanaskan air pengumpan pada efek selanjutnya. Sehingga, panas laten yang diproduksi uap air pada efek sebelumnya dapat digunakan seluruhnya di efek selanjutnya pada MED. Sistem MED mendapat banyak pembagian di market karena kompatibilitas yang lebih baik dengan desalinasi solar termal (Mezher dkk, 2011). Sistem solar multi effect distillation dapat dilihat pada gambar 2.6
Brine
Saline Water Tank
Saline Water Destilate Tank Pump Condenser Preheated Feed Water Solar Field Thermal Energy Storage
Heat Transfer Field
Thermic Fluid Boiler
Kelebihan solar multi effect distillation :
1. Proses pemanasan dilakukan secara bertingkat, sehingga tidak ada air bersih yang terkandung dalam konsentrat garam
2. Sistem dapat diperbanyak dengan menambah tingkat pemanasan 3. Biaya produksi air bersih yang rendah
Kelemahan solar multi effect distillation : 1. Proses pemvakuman ruangan sulit 2. Laju produksi air bersih yang rendah 3. Konstruksi sistem mahal dan kompleks
Gambar 2.6. Solar Multi Effect Distillation (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.6 Desalinasi Kompresi Uap
Dalam Desalinasi Uap Terkompresi, air laut pengumpan dipanaskan oleh sumber panas dari luar dan diizinkan untuk berubah fasa secara cepat, sehingga uap yang diproduksi akan dikompres menggunakan Mechanical Vapor Compressor (MVC) atau Thermo Vapor Compressor (TVC) untuk meningkatkan tekanan kondensasi dan temperatur uap dan uap terkompresi digunakan untuk
To Vacuum To Vacuum To Vacuum
Preheated Feed Water
Saline Water Tank
Destillste Tank Destillate Pump Condenser Brine Solar Cell Hot Thermic Fluid
memanaskan air pengumpan pada tingkat yang sama maupun tingkat yang lain (Helal dkk, 2006). Sistem desalinasi kompresi uap dapat dilihat pada Gambar 2.7 Kelebihan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Konsumsi daya spesifik lebih rendah dibanding sistem desalinasi lain 2. Biaya produksi air bersih lebih rendah
3. Dapat menghasilkan daya selain air bersih Kelemahan sistem desalinasi kompresi uap :
1. Konstruksi Mahal dan Kompleks 2. Perawatan sistem yang sulit
3. Hanya efektif dalam menghasilkan air bersih bila tingkat proses ada 12 tingkat
Gambar 2.7. Sistem Desalinasi Kompresi Uap Mekanik (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.7 Freeze Desalination
Desalinasi beku adalah teknik di mana air laut diperbolehkan untuk mendinginkan bawah titik beku, dimana kristal es dari air murni yang terbentuk di permukaan. Ketiga jenis desalinasi beku adalah desalinasi beku kontak lansung,
Condenser
Destillate Tank Saline Water Tank Pump Brine Tank Brine Out Compressor External power Source Electic Heater
Hot Saline Water
Heated Vapor Vapor
desalinasi beku kontak tidak langsung dan desalinasi beku operasi vakum (Rane dkk, 2011). Dalam proses desalinasi beku kontak langsung cairan refrigeran (biasanya n-butana) dicampur langsung dengan masukan air garam dalam pembeku sehingga panas dari air garam akan diserap oleh refrigeran menghasilkan pembentukan kristal es yang kemudian dipisahkan dan dimurnikan untuk mendapatkan air minum. Proses desalinasi beku seperti ini membutuhkan rasio tekanan rendah, untuk mencapai rasio tekanan ini dengan kompresor konvensional tidak ekonomis dan ini mengarah pada pengembangan refrigeran kompresor hidrolik. Kompresor pendingin hidrolik tidak menggunakan minyak pelumas hasilnya kontaminasi kristal es oleh minyak pelumas pun dihindari. Ukuran dari freezing desalination plant melter dan washer dapat di perkecil dengan menerima sejumlah garam dalam air hasilnya biaya dan ukuran sistem dapat diperkecil dan produk air dapat digunakan untuk tujuan irigasi di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih (Rice dkk, 1997). Dalam desalinasi beku kontak tak langsung, pendingin dan air garam yang tidak dicampur dengan satu sama lain, mereka dipisahkan dalam bentuk crystal oleh permukaan perpindahan panas dan es yang terbentuk dalam sistem ini kemudian dikerok dari permukaan perpindahan panas (Rane dkk, 2011). Dalam system desalinasi beku vakum, air garam umpan didinginkan di bawah titik tiga dengan mengurangi tekanan untuk menghasilkan masing-masing es dan uap. Es yang terbentuk dikumpulkan dan uap yang dihasilkan dikompresi dan kondensi di ruang beku. Metode ini membutuhkan kompresor ukuran besar karena volume spesifik uap air yang tinggi dan dikenal dengan vacuum vapors compression freeze desalination. Freeze desalination dapat dilihat pada gambar 2.8
Kelebihan Freeze Desalination :
1. Biaya produksi air bersih dapat diperkecil
2. Dapat digunakan di daerah yang mengalami kelangkaan air bersih 3. Laju Produksi air bersih tinggi
Kelemahan Freeze Desalination : 1. Konsumsi daya spesifik tinggi
2. Perawatan sistem sulit
3. Membutuhkan kompresor yang besar
Gambar 2.8. Desalinasi Beku menggunakan Auto Reversed Vapor Compression Heat Pump (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.8 Desalinasi Adsorpsi
Sistem utama desalinasi adsorpsi terdiri dari evaporator, dudukan adsorpsi (silica atau zirconia) dan kondensor. Dudukan adsorpsi disuplai dengan air panas atau pendingin sesuai kebutuhan. Air garam menguap di evaporator diserap oleh dudukan dengan dipertahankan pada suhu rendah oleh sirkulasi air pendingin. Uap air terperangkap di dudukan dipulihkan oleh sirkulasi air panas, uap air pulih dikondensasikan dalam kondensor dan berkualitas tinggi karena distilasi ganda. Untuk sistem dua dudukan, adsorpsi berlangsung di satu dudukan dan Desorpsi berlangsung di dudukan lain secara bersamaan (Wu dkk, 2010). Sistem desalinasi adsorpsi dapat dilihat pada gambar 2.9
Fresh Water Brine Water Waste Washing Water Line
Brine Fresh Water
B
A
Evaporator or Condenser Evaporator or Condenser Solar PV or Thermal Powered Compressor UnitSolenoid Controlled Valve
Reversing Unit Throttling Valve Sea Water Tank Saline Water
Kelebihan sistem desalinasi adsorpsi : 1. Laju produksi air bersih yang tinggi 2. Konsumsi daya spesifik yang rendah 3. Biaya produksi air bersih yang rendah Kelemahan sistem desalinasi adsorpsi :
1. Konstruksi yang kompleks 2. Perawatan sistem sulit dan mahal 3. Konstruksi mahal
Gambar 2.9. Sistem Desalinasi Adsorpsi (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)
2.2.9 Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal
Dalam desalinasi RO tenaga panas surya, energi mekanik yang dihasilkan oleh siklus surya organik secara langsung digunakan untuk menjalankan unit RO
Brine Tank Ambient Temperatur Water Saline Water V1 V2
Warm Water Out Warm Water Out Cold water In Hot water In
Adsorption Process Desorption Process BED 1 BED 2 V3 V4
Chilled Water Warm Water Desalinated Water Destillate Tank Condenser Pump Chilled Water Evaporator
pompa tekanan tinggi. Unit desalinasi RO surya thermal adalah teknologi yang lebih menjanjikan, setiap perkembangan teknologi RO akan berguna untuk mengembangkan teknologi RO berdasarkan sistem panas matahari. Menggabungkan unit RO dengan siklus Rankine tenaga surya dapat memotong emisi CO2 dan mengakibatkan penghematan lingkungan dengan selisih sedikit tambahan biaya modal (Salcedo dkk, 2012). Desalinasi osmosis dapat dilihat pada Gambar 2.10
Kelebihan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Adanya tangki penyimpan kalor yang dapat menyimpan energi termal selama 24 jam
2. Pemanasan cepat karena dibantu oleh boiler
3. Adanya kolektor surya dalam jumlah banyak dapat menyuplai baik energi termal mauun energi listrik yang dibutuhkan sistem
Kelemahan Desalinasi Osmosis Terbalik Tenaga Surya Termal :
1. Sistem membutuhkan daya listrik yang besar karena adanya boiler dan dua pompa bertekanan tinggi
2. Biaya produksi air bersih mahal 3. Konstruksi kompleks dan mahal
Gambar 2.10. Unit Desalinasi Reverse Osmosis Bertenaga Siklus Rankine Organik Surya (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan) 2.2.10 Elektrodialisis Tenaga Surya (ED)
Elektrodialisis (ED) adalah proses penghilangan garam dari air garam dan unit ED terdiri dari sejumlah besar ruangan diisi dengan air garam dan dipisahkan oleh kation dan anion membran pertukaran. Ketika polaritas DC diterapkan melalui katoda dan node, ion negatif melewati membran pertukaran anion dan ion positif melewati membran penukar kation dan ion ini akan terakumulasi dalam ruangan khusus dan dibuang sebagai air garam. Pembalikan polaritas biasanya diikuti setiap 20 menit untuk mencegah pengendapan garam di membran (Charcosset dkk, 2009). Sistem Elektrodialisis dapat dilihat pada gambar 2.11 Kelebihan Elektrodialisis :
1. Tidak adanya penggunaan kalor untuk pemanasan air laut, kolektor surya disini digunakan untuk membangkitkan arus listrik DC
2. Konstruksi sederhana
3. Laju produksi air bersih tinggi Kelemahan Elektrodialisis :
1. Membran sangat mahal
Saline Water Tank Saline Water Condenser Solar Organic Rankine Cycle Organic Fluid Turbine High Pressure Pump RO Module Fresh Water Brine
Brine Tank Fresh Water Tank Heat Transfer Fluid
Thermal Energy Storage Boiler Solar Field Thermic Fluid
2. Biaya produksi air bersih mahal 3. Perawatan sistem mahal
Gambar 2.11. Sistem Unit Elektrodialisis (Sumber: Dokumentasi Frengky C. Nababan)