TUGAS KELOMPOK SISTEM UTILITAS TUGAS KELOMPOK SISTEM UTILITAS
“
“Pengolahan Air pada Industri dengan Pengolahan Air pada Industri dengan Cara Penukar IonCara Penukar Ion””
Kelas C Kelas C Kelompok 4 Kelompok 4 Angelina (1107155397) Angelina (1107155397) Arif
Arif Yusra Yusra (090713623(0907136236)6) Hamsyah
Hamsyah Adhari Adhari (1107120420)(1107120420)
Khamaluddin Aditya
Khamaluddin Aditya (090713305(0907133051)1) Luci Octaria Sitorus
Luci Octaria Sitorus (1107135614(1107135614))
Raflesya
Raflesya Arnoldi Arnoldi (100712148(1007121485)5)
Widya
Widya Yoesepha Yoesepha (110711419(1107114194)4)
PROGRAM SARJANA TEKNIK KIMIA PROGRAM SARJANA TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS RIAU UNIVERSITAS RIAU 2014 2014
BAB I BAB I
ISI ISI
1.
1. Pengolahan Air pada Industri dengan Cara Pengolahan Air pada Industri dengan Cara Penukaran IonPenukaran Ion
Dewasa ini tantangan dalam dunia industri maupun perdagangan Dewasa ini tantangan dalam dunia industri maupun perdagangan sedemikian pesat. Hal ini menuntut adanya strategi efektif dalam sedemikian pesat. Hal ini menuntut adanya strategi efektif dalam mengembangkan industri
mengembangkan industri, , sehingga sehingga dapat dapat bersaing bersaing dengan dengan negara-negara negara-negara lainlain yang lebih maju. Pembangunan terfokus pada pemenuhan kebutuhan saat ini yang lebih maju. Pembangunan terfokus pada pemenuhan kebutuhan saat ini tanpa mengesampingkan kebutuhan mendatang yang mana hal ini dikaitkan tanpa mengesampingkan kebutuhan mendatang yang mana hal ini dikaitkan dengan kelestarian dan kesehatan lingkungan alam. Permasalahan lingkungan saat dengan kelestarian dan kesehatan lingkungan alam. Permasalahan lingkungan saat ini yang dominan salah satunya adalah limbah cair berasal dari kegiatan industri. ini yang dominan salah satunya adalah limbah cair berasal dari kegiatan industri. Limbah
Limbah cair cair yang yang tidak tidak dikelola dikelola dengan dengan baik baik akan akan menimbulkan menimbulkan dampak dampak yangyang luar biasa
luar biasa pada perairpada perairan, an, khususnya sumber khususnya sumber daya air. daya air. Kelangkaan air Kelangkaan air didi masa
masa mendatang mendatang dan dan bencana bencana alam alam semisal semisal erosi, erosi, banjir banjir dan dan kepunahankepunahan ekosistem perairan tidak pelak lagi dapat terjadi apabila kita kaum akademisi ekosistem perairan tidak pelak lagi dapat terjadi apabila kita kaum akademisi tidak peduli terhadap permasalahan tersebut.
tidak peduli terhadap permasalahan tersebut.
Alam memiliki kemampuan dalam menetralisir pencemaran yang Alam memiliki kemampuan dalam menetralisir pencemaran yang terjadi apabila
terjadi apabila jumlahnya kecil, jumlahnya kecil, akan tetapi akan tetapi apabila dalam apabila dalam jumlah yang jumlah yang besarbesar akan dapat menimbulkan dampak negatif terhadap alam karena dapat akan dapat menimbulkan dampak negatif terhadap alam karena dapat mengakibatkan terjadinya perubahan keseimbangan lingkungan sehingga mengakibatkan terjadinya perubahan keseimbangan lingkungan sehingga limbah tersebut dikat
limbah tersebut dikatakan telah akan telah mencemari lingkungan. Hal mencemari lingkungan. Hal ini dapat ini dapat dicegahdicegah dengan mengolah limbah
dengan mengolah limbah yang dihasilkan industri yang dihasilkan industri sebelum sebelum dibuang ke badandibuang ke badan sungai. Limbah
sungai. Limbah yang dibuang ke yang dibuang ke sungai harus sungai harus memenuhi baku memenuhi baku mutu yangmutu yang telah
telah ditetapkan, ditetapkan, karena karena sungai sungai merupakan merupakan salah salah satu satu sumber sumber air air bersih bersih bagibagi masyarakat, sehingga
masyarakat, sehingga diharapkan tidak diharapkan tidak Perkiraan besar Perkiraan besar air limbah air limbah kegiatankegiatan industri
industri bervariasi bervariasi menurut menurut jenis jenis dan dan ukuran ukuran industri industri yang ada, yang ada, pengawasanpengawasan industri tersebut,
industri tersebut, jumlah air jumlah air yang pemakaiannya berulang, yang pemakaiannya berulang, serta serta cara cara yangyang dipergunakan
dipergunakan untuk untuk pemrosesan pemrosesan setempat, setempat, bila bila ada ada (Tchobanoglous, (Tchobanoglous, 1991).1991). Berikut
Berikut adalah dadalah diagram hubuniagram hubungan gan antara unsur-unsur antara unsur-unsur fungsional fungsional dari sistemdari sistem pengelolaan air
pengelolaan air limbah (limbah (Gambar 1).terGambar 1).tercemar cemar dan dan bisa digunakan bisa digunakan untuk keperluanuntuk keperluan lainnya.
Gambar 1. Hubungan antara unsur-unsur fungsional dari sistem pengelolaan air limbah (Tchobagonoglous,1991)
2. Prinsip Proses Pertukaran Ion
Prinsip pertukaran ion adalah selektifitas, artinya ion yang
mempunyai koefisien selektifitas besar mampu menggantikan ion lain di resin yang koefisien selektifitasnya lebih kecil.
Empat tahap pengoperasian penukar ion: (a) service, (b) backwash, (c)
Gambar 2. Proses pertukaran ion
Proses pertukaran ion melibatkan reaksi kimia antara ion dalam fase cair dan ion dalam fase padat. Dalam aplikasi pengolahan air, ion dalam fase cair merupakan ion yang terkandung dalam air baku dan ion dalam fase padat merupakan ion yang terdapat dalam resin, baik resin alami maupun resin sintetis. Beberapa aplikasi yang umum dalam pengolahan air bersih antara lain:
Penurunan kesadahan, yaitu dengan mempertukarkan ion natrium
dalam resin dengan ion kalsium dan/atau magnesium dalam air.
Demineralisasi total, yaitu mempertukarkan ion dalam resin dengan
semua kation dan anion dalam air. Dalam demineralisasi total ini, resin kationik mengandung ion hidrogen dan resin anionik mengandung ion hidroksil. Jadi air yang terolah hanya mengandung ion hidrogen dan hidroksil, yang akan membentuk air murni.
Pertukaran ion dalam reaksi kimia dapat ditulis:
di mana R - adalah gugus anionik yang melekat pada resin pertukaran ion, dan A+ dan Bn- adalah ion di larutan. Dari reaksi itu dapat ditulis konstanta
kesetimbangan sebagai berikut:
K A+B merupakan koefisien selektifitas atau konstanta aksi massa. Besarnya
K A+B menyatakan besarnya preferensi relatif untuk pertukaran ion, artinya
kecenderungan resin untuk mengikat ion B dibandingkan dengan ion A. Koefisien selektifitas yang lebih besar berarti mempunyai preferensi yang lebih besar terhadap ion di resin. Sebuah penukar ion cenderung untuk memilih:
a. ion yang valensinya lebih besar
b. ion dengan volume terlarut lebih kecil
c. ion dengan kemampuan polarisasi lebih besar
d. ion yang bereaksi kuat dengan site pertukaran ion dari resin
e. ion yang kurang terlibat dengan ion lain untuk membentuk kompleks
Atas dasar itu, maka preferensi beberapa kation dapat disusun sebagai berikut (Reynold, 1996):
Seri ini adalah untuk resin asam kuat - yang mempunyai site reaktif kuat seperti gugus sulfonat (-SO3H). Resin asam lemah - yang mempunyai site reaktif
lemah seperti gugus karboksilat (-COOH) - akan memposisikan H+ ke kiri. Untuk site yang sangat lemah, posisi H+ bisa ke kiri sampai pada posisi Ag+. Untuk beberapa anion, preferensinya sebagai berikut (Reynold, 1996):
Seri ini adalah untuk resin basa kuat - yang mempunyai site reaktif kuat seperti gugus ammonium kuarter. Untuk resin basa lemah - yang memunyai site reaktif lemah seperti gugus amina sekunder atau tersier akan memposisikan OH- ke kiri. (untuk kation) dan OH -(untuk anion). Koefisien selektifitas kation Bn+ terhadap kation A+ dapat ditulis:
Kecepatan pertukaran ion tergantung pada kecepatan beberapa mekanisme transpor yang terlibat dan kecepatan reaksi pertukaran se ndiri, yaitu:
a. pergerakan ion dari larutan ke film atau lapisan batas sekitar resin b. difusi ion melewati film ke permukaan resin
c. difusi ion menembus pori solid ke site pertukaran d. pertukaran ion oleh reaksi
e. difusi ion tertukar keluar dari pori ke permukaan solid
f. difusi ion tertukar melewati film cairan atau lapisan batas sekitar solid g. pergerakan ion tertukar ke dalam larutan
3. Tipe dan Karakteristik Resin
Berdasarkan muatan ion yang dapat dipertukarkan, resin pertukaran ion dapat dikelompokkan menjadi (Benefild, 1982):
a. Resin pertukaran kation (mengandung kation yang dapat dipertukarkan)
Resin pertukaran asam kuat Resin pertukaran asam lemah
b. Resin pertukaran anion (mengandung anion yang dapat dipertukarkan)
Resin pertukaran basa kuat Resin pertukaran basa lemah
Resin pertukaran asam kuat mengandung gugus fungsional yang diturunkan dari asam kuat (biasanya asam sulfat). Resin pertukaranan asam lemah mengandung gugus fungsional yang diturunkan dari asam lemah (umumnya bentuk karboksilat atau fenolat). Resin pertukaran basa kuat mengandung
gugus fungsional yang berasal dari gugus ammonium kuarter tipe I dan II, sedangkan resin pertukaran basa lemah mengandung amina primer, sekunder dan/atau tersier sebagai gugus fungsional.
Sebagai contoh reaksi pertukaran tiap tipe resin digambarkan sebagai berikut: a. Resin pertukaran asam kuat
b. Resin pertukaran asam lemah
c. Resin pertukaran basa kuat
d. Resin pertukaran basa lemah
Karakteristik resin sebagai media pertukaran ion harus mempunyai ion yang dapat dipertukarkan dengan struktur yang tidak larut dalam air dan tersedia ruang yang cukup di porinya agar ion bebas keluar masuk. Dalam merancang sistem pertukaran ion atau memilih resin, kapasitas resin adalah hal yang penting karena berpengaruh pada efisiensi proses dan biaya. Kapasitas resin biasanya dinyatakan sebagai kapasitas total atau kapasitas operasi. Kapasitas total menyatakan jumlah ion total yang secara teoritis dapat dipertukarkan per satuan massa atau volume resin (misal: meq/l, meq/g).
4. Pengoperasian
Sistem pertukaran ion dapat dioperasikan dalam salah satu model berikut: batch, fixed-bed, fluidized-bed, dan continuous. Sistem fixed-bed
merupakan sistem yang paling umum (Gambar 3). Daur operasinya meliputi empat tahap: service, backwash, regenerasi dan pembilasan.
a. Ser vice
Reaksi pertukaran terjadi selama tahap service. Tahap ini dikarakterisasi dengan kurva konsentrasi efluen atau kurva breakthrough. Dalam prakteknya, kecepatan aliran cukup berarti dan kesetimbangan tidak pernah tercapai secara total dalam kolom. Dalam kondisi demikian terdapat batas yang memisahkan resin yang mengandung ion yang ditukarkan dengan resin yang mengandung ion yang menukarkan, yang membetuk “kurva -S”. Batas ini bergerak dari bagian atas menuju ke bawah.
Gambar 3. Kolom pertukaran ion: (a) tahap operasi, (b) backwash
b. Backwash
Backwash dengan air produk dilakukan setelah kapasitas operasi penukar ion tercapai. Proses upflow digunakan untuk mempersiapkan resin yang
akan diregenerasi. Back-wash mempunyai tujuan:
Menghilangkan bahan yang terperangkap dalam resin dengan filtrasi Mengeliminasi gas
Me-stratifikasi ulang resin
c. Regenerasi
Regenerasi menggantikan ion tertukar selama service berlangsung dan mengembalikan resin ke kapasitas pertukarannya semula, yang tergantung pada jumlah regeneran yang digunakan. Pada umumnya asam-asam mineral digunakan untuk meregenerasi resin kation, dan alkali digunakan untuk meregenerasi resin anion. Efisiensi regenerasi didefinisikan sebagai rasio ekivalen total ion yang disisihkan dari resin dengan ekivalen total ion dalam volume regeneran yang digunakan.
d. Pembilasan
Setelah tahap regenerasi, resin pertukaran ion harus dicuci untuk membebaskan regeneran berlebih sebelum dioperasikan kembali. Prosedur pencucian meliputi dua tahap menggunakan air produk. Pencucian lambat menggantikan regeneran, dan limbah dari pencucian ini digabungkan dengan regeneran bekas untuk dibuang. Pencucian cepat membersihkan ion berlebih, dan buangan dari pencucian itu dikumpulkan dan digunakan untuk air pengencer
regeneran.
5. Contoh Aplikasi Pengolahan Air Limbah dengan Penukar Ion di Industri
5.1 Pengolahan Air Limbah Industri Pelapisan Logam
Sejak awal tahun 1970-an berbagai macam industri seperti industri-industri permesinan, perakitan kendaraan bermotor, alat-alat elektronika, sepeda, serta barang-barang logam lain telah tumbuh dan berkembang pesat. Beberapa industri tersebut telah memiliki unit pelapisan listrik sendiri. Industri pelapisan listrik menggunakan beraneka ragam bahan kimia untuk prosesnya antara lain berbagai asam, basa, dan senyawa-senyawa kimia seperti khromat, sianida,
klorida, posfat, dll, menghasilkan gas buangan yang berupa padatan, cairan ataupun gas yang berbahaya. Walaupun jumlah bahan limbah dari indutri pelapisan listrik ini tidak sebanyak yang dihasilkan industri lain namun karena
sifatnya yang sangat beracun maka bahan buangan sedikit ini amat sangat berbahaya bagi manusia serta dapat mengancam kelestarian lingkungan hidup.
Prinsip Dasar Pengolahan beberapa Bahan Kimia
Air limbah yang keluar dari industri pelapisan logam dan khusus industri pelapisan nikel, khrom, dan tembaga mengandung zat-zat kimia berbahaya misalnya senyawa khrom, nikel, tembaga, sulfat, klorida, sianida, serta zat-zat organik seperti lemak, minyak dll.
5.1.1 Pengolahan Senyawa Khrom Valensi Enam (Cr6+) Pengolahan khrom dilakukan dengan tiga cara antara lain :
a. Cara Reduksi Cr 6+ menjadi Cr 3+ kemudian dilanjutkan dengan pengendapan Cr 3+ sebagai hidroksida
Seperti halnya prose-proses kimia lain maka proses reduksi Cr 6+ menjadi Cr 3+ dipengaruhi oleh beberapa faktor diantaranya adalah : waktu reaksi, pH, larutan konsentrasi Cr 6+ dan banyaknya serta jenisnya bahan pereduksi yang dipakai. Hubungan waktu reduksi dengan pH, dan konsentrasi Cr 6+. Bahwa semakin tinggi konsentrasi Cr 6+ dalam larutan proses reduksinya lebih lama daripada dengan konsentrasi rendah.
Reduksi dengan ferrosulfat:
Reduksi dengan SO3 :
b. Cara kedua adalah dengan mengikat Cr 6+ dengan resin tertentu (ion exchanger) dengan mengatur pH antara 4,5-5,0
c. Cara ketiga adalah pengambilan kembali Cr 6+ dan Cr 3+ dengan cara pengentalan
5.1.2 Proses Pengolahan
Air limbah yang mengandung berbagai jenis ion logam berat dapat dilakukan pengolahan dengan berbagai proses (cara) diantaranya :
a. Proses Adsorpsi
Proses ini dilakukan dengan mempergunakan bahan (media) padat untuk “menyerap ion logam berat”. Bahan media penyerap dapat mempergunakan berbagai media seperti karbon aktif, batubara, mikroba atau limbah padat hasil pertanian.
b. Proses Kimia
Proses ini dilakukan dengan mempergunakan bahan kimia, pada proses kimia ini diharapkan ion-ion logam berat dapat bereaksi dengan bahan kimia dan membentuk padatan hidroksida. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam proses ini adalah kelarutan masing-masing ion logam berat, setiap ion logam berat mempunyai tingkat kelarutan yang berbeda- beda tergantung pada derajat keasaman (pH). Dalam pengolahan air limbah secara kimia dipilih kelarutan ion logam berat pada tingkat kelarutan ion logam berat terendah agar memudahkan terjadinya pengendapan (terbentuknya hidroksida). Pada pengolahan secara kimia ini akan dihasilkan padatan hidroksida dalam jumlah yang kecil, padatan ini selanjutnya dikeringkan dan dikirim ke pengolahan limbah B3. Bahan kimia yang dapat dipergunakan dalam proses pengolahan secara kimia yaitu Ferro sulfat dan Natrium Hidroksida (NaOH), Kalsium Hidroksida (Ca(OH)2), Kalium Hidroksida (KOH) dan sebagainya. Proses pengolahan
secara kimia ini dilakukan dalam "Tangki Berpengaduk", Jika ingin melakukan penelitian dapat mengkaji pengaruh waktu pengadukan,
kecepatan putaran pengaduk dan konsentrasi bahan kimia terhadap persen removal (pengambilan) ion logam berat.
c. Proses Pertukaran Ion (Ion exchange)
Proses ini dilakukan dengan mempergunakan media penukar ion (resin), jenis resin yang dipergunakan tergantung pada muatan ion logam berat yang terkandung dalam air limbah. Pada proses pengolahan air limbah dengan konsep Pertukaran Ion ada 2 Mekanisme yaitu
Mekanisme pertukaran ion : ion logam berat yang terkandung dalam
air limbah ditukar dengan ion yang terdapat dalam resin (proses pengolahan air limbah), disini ion-ion dalam air limbah terikat pada
resin, jumlah ion logam berat yang terikat tergantung pada kapasitas (daya tukar) resin.
Mekanisme Regenerasi Resin: ion-ion yang terikat dalam resin
dikeluarkan dari resin dengan menggunakan bahan kimia, pemilihan bahan kimia tergantung pada jenis resinnya. Umumnya untuk resin kation (H+) diregenerasi dengan asam (asam sulfat, asam klorida sedangkan resin kation (Na+) diregenerasi dengan natrium hidroksida (NaOH). Sedangkan untuk resin anion (OH-) diregenerasi dengan hidroksida (OH), bahan kimia yang mengandung hidroksida seperti NaOH, KOH dapat dipergunakan, yang umum dipergunakan adalah Natrium Hidroksida (NaOH).
Hasil proses regenerasi akan menghasilkan endapan hidroksida-hidroksida logam dalam jumlah yang kecil. Jika proses yang diaplikasikan untuk recovery ion logam berat, maka hasil regenerasi dapat direaksikan dengan bahan kimia sehingga dapat dihasilkan bahan kimia baru yang dapat dimanfaatkan. Pada proses pengolahan air limbah industri elektroplating atau air limbah yang mengandung ion logam berat dengan Proses Pertukaran Ion, ada beberapa hal yang perlu diperhatikan yaitu :
Kapsitas Resin, yaitu kemampuan resin untuk mempertukarkan ion,
setiap jenis atau merk dagang resin mempunyai kapasitas resin yang berbeda-beda. Data kapasitas resin dibutuhkan untuk menentukan :
Berapa jumlah resin yang dibutuhkan per satuan volume air limbah yang diolah dan menentukan kapan resin tersebut dilakukan proses regenerasi.
Selektivitas ion, didalam air limbah terdapat berbagai jenis ion logam
berat yang mempunyai valensi dan berat atom yang berbeda-beda, perbedaan valensi dan berat atom akan mempengaruhi mekanisme pertukaran ion.
*. Ion logam berat yang mempunyai valensi tertinggi akan mengalami pertukaran lebih dahulu (masuk kedalam resin pertama kali) diikuti oleh ion
dengan valensi dibawahnya (berurutan sesuai valensinya)
*. Jika valensi ion sama, maka Ion yang mempunyai berat Atom terbesar akan mengalami pertukaran lebih dahulu (masuk kedalam resin pertama kali) diikuti oleh ion logam berat dengan berat atom dibawahnya banding dengan valensi lainnya.
Proses pertukaran ion ini dapat diaplikasikan pada : * Penyediaan air untuk air umpan boiler
* Pengolahan air limbah yang mengandung ion logam berat * Proses pemisahan ion yang terkandung dalam fasa cair.
d. Proses Biologi
Pengolahan air limbah inustri electroplating dengan proses biologi pada umumnya terjadi 2 (dua) mekanisme yaitu mekanisme perubahan valensi ion logam berat, disini mikroorganisme bersifat sebagai oksidator atau reduktor sehingga valensi ion logam beratnya berubah, perubahan valensi dimaksudkan untuk mengurangi tingkat racunnya. Disamping perubahan valensi pada proses ini dapat terjadi mekanisme ADSORPSI (penyerapan), ion logam berat terserap kedalam mikroorganisme (proses ini identik dengan Proses Adsorpsi)
e. Proses Vaporizer
Proses pengolahan dengan proses vaporizer atau penguapan dilakukan dengan memanaskan air limbah pada temperature diatas titik didih air.
Proses ini membutuhkan biaya yang cukup besar jika volume air limbahnya besar, jika volume air limbah kecil dan konsentrasinya pekat, maka proses ini dapat dipertimbangkan untuk diaplikasikan.
Proses pengolahan air limbah elektroplating secara kimia-fisik :
1. Air limbah dimasukan kedalam tangki (bak) penampung air limbah
2. Air limbah dari bak penampung dipompa dengan laju alir tertentu menuju tangki Pengaduk untuk proses reduksi atau oksidasi (tergantung valensi ion logam berat yang ada), Pada tangki ini diberi bahan kimia oksidator/reduktor, atau ditambahkan ferrosulfat, diaduk dengan kecepatan putaran pengaduk 75-100 rpm selama 30 menit.
3. Dari tangki pengaduk reduksi/oksidasi dialirkan secara gravitasi atau dipompa menuju tangki pengaduk II dengan penambahan bahan hidroksida (NaOH, Ca(OH)2, atau KOH), kecepatan putaran pengaduknya 35-50 rpm
dengan waktu pengadukan selama 30 menit. Pada tangki ini akan terjadi pembentukan flok-flok yang besar dan mudah untuk diendapkan.
4. Dari tangki pengadukan II ini, selanjutnya dialirkan ke proses berikutnnya untuk memisahkan flok-flok yang terjadi. Proses pengolahan flok ini dapat dilakukan dengan proses sedimentasi, filtrasi maupun mempergunakan filter press hal ini sangat tergantung pada jumlah air limbah yang diolah dan jumlah flok yang dihasilkan. Filtrat yang keluar dari proses ini perlu dilakukan pengukuran derajat keasamannnya (pH) terlebih dahulu sebelum dibuang kesungai.
5. Jika pH air limbah hasil pengolahan terlalu basa yaitu pH > 9, maka ini perlu dilakukan proses netralisasi dengan menginjeksikan larutan asam
yaitu HCl atau H2SO4, dan jika pHnya < 9, maka air limbah ini dapat
dialirkan langsung kedalam badan air penerima (sungai).
Sebelum diaplikasikan dilapangan, sebaiknya dilakukan percobaan kecil terlebih dahulu untuk mengetahui konsentrasi oksidator/reduktor dan bahan penghidroksidanya.
5.1.3 Proses pengolahan air limbah elektroplating secara Pertukaran ION (ion exchange)
1. Analisis kualitas air limbah, untuk menentukan jenis dan muatan logam beratnya, apakah bermuatan negatif atau positif, ini sangat penting karena mempengaruhi penyediaan jenis risin (media penukar ion) nya. Jika dalam air limbah hanya ada ion logam berat bermuatan positif, maka media penukar ion yang dipergunakan hanya kation exchange s aja, jika dalam air limbah mengandung ion positif dan negatif makan dalam pengolahannya harus menydiakan media resin kation dan anion exchange. Kedua media penukar ion tersebut dapat dicampur dalam satu kolom (tangki) atau
dipisah (kation dalam satu kolom, dan anion dalam satu kolom) 2. Air limbah dimasukan kedalam tangki (bak) penampung air limbah
3. Pengendalian pH, pada umumnya air limbah elektroplating bersifat asam atau dengan pH 2-3, proses netralisasi air limbah dapat dilakukan pada awal proses atau pada akhir proses, sebaiknya dilakukan pada awal proses hal ini dapat mengurangi beban kerja media penukar ion karena pada saat proses netralisasi terdapat logam berat yang berubah menjadi endapan, endapan yang terbentuk dipisahkan dengan proses filtrasi. Filtrat yang keluar diproses dengan media penukar ion.
4. Air limbah yang telah mengalami proses netralisasi dipompa menuju kolom kation exchange, dalam kolom ini ion-ion yang bermuatan positif akan terikat dalam kation exchange, air limbah yang keluar dari kation exchange dialirkan ke kolom anion exchange, pada kolom ini ion logam berat yang bermuatan negatif akan terikat. Air hasil pengolahan dilakukan
analisis.
5. Pada waktu tertentu (hari atau bulan tertentu) media penukar ion tersebut mengalami kejenuhan. pada kondisi jenuh terlihat bahwa konsentrasi ion masuk sama dengan konsentrasi ion keluar atau lebih kecil sedikit dibanding konsentrasi ion keluar.
6. Jika resin (media penukar ion) telah mengalami kejenuhan maka resin tersebut perlu diregenerasi. Bahan kimia yang dipergunakan untuk
regenerasi resin bermuatan positif bisa mempergunakan asam (H+) atau (Na+), sedangkan untuk resin bermuatan negatif diregenerasi dengan bahan kimia bermuatan (OH-) seperti NaOH, KOH.
7. Setelah proses regenerasi, kedua jenis resin tersebut dapat dipergunakan kembali untuk pengolahan air limbah.
Catatan :
Air limbah yang masuk kedalam resin (media penukar ion) harus bersih,
tidak mengandung padatan, karena padatan akan menyumbat aliran dan mengganggu proses pertukaran ion
Dalam melakukan proses regenerasi dengan asam maupun basa harus
memperhatikan konsentrasinya, karena jika terlalu pekat atau basa dapat merusak resin.
Pada saat membeli resin penukar ion, minta brosurnya dan perhatikan
prosedur operasionalnya.
Gambar 5. Proses Pengolahan Air Limbah Industri kecil Pelapisan Logam
5.1.4 Peralatan Pengolahan
a. Pompa Air baku (Raw Water Pump)
Pompa air baku digunakan jenis sentrifugal dengan kapaistas maksimal yang dibutuhkan untuk pengolahan (daya tarik minimal 9 meter dan daya dorong 40 meter). Air baku yang dipompa berasal dari bak akhir dari proses pengendapan pada hasil buangan limbah industri pelapisan logam. b. Pompa dosing (Dosing Pump)
Merupakan peralatan untuk menginjeksi bahan kimia (ferrosulfat dan PAC) dengan pengaturan laju alir dan konsentrasi tertentu untuk mengatur dosis bahan kimia tersebut. Tujuan dari pemberian bahan kimia ini adalah sebagai oksidator.
c. Pencampur Statik (Static Mixer)
Dalam peralatan ini bahanbahan kimia dicampur sampai homogen dengan kecepatan pengadukan tertentu untuk menghindari pecah flok.
d. Bak koagulasi-flokulasi
Dalam unit ini terjadi pemisahan padatan tersuspensi yang terkumpul dalam bentuk flok-flok dan mengendap sedangkan air mengalir overflow menuju proses berikutnya.
e. Pompa Filter
Pompa yang digunakan mirip dengan pompa air baku. Pompa ini harus dapat melalui saringan multimedia, saringan karbon aktif, dan saringan penukar ion.
f. Saringan multimedia
Air dan bak koagulasi-flokulasi dipomap masuk ke unit penyaringan multimedia dengan tekanan maksimum sekitar 4 bar. Unit ini berfungsi menyaring partikel kasar dari air olahan. Unit filter berbentuk silinder dan terbuat dari bahan fiberglass. Unit ini dilengkapi dengan keran multi purpose( multiport ), sehingga untuk proses pencucian balik dapat dilakukan dengan sangat sederhana yaitu dengan hanya memutar keran tersebut sesuai dengan petunjuknya. Tinggi filter ini dapat mencapai 120 cm dan berdiameter 30 cm. Media penyaring yang digunakan berupa pasir silika dan zeolit. Dengan menggunakan unit ini maka kadar besi dan mangan serta beberapa logam lain yang masih terlarut dalam air dapat dikurangi sampai sesuai dengan kandungan yang diperbolehkan untuk air minum.
g. Saringan karbon aktif
Unit ini khusu digunakan untuk penghilang bau, warna aktif, logam berat dan pengotor-pengotor organik lainnya. Ukuran dan bentuk unit ini sama dengan unit penyaring lainnya. Media penyaring yang digunakan adalah karbgranular atau butiran ukuran 1-2,5 mm atau resin sintesis serta menggunakan juga media pendukung berupa pasir silika pada bagian dasar.
h. Saringan Penukar ion
Pada proses pertukaran ion, kalsium dan magnesium ditukar dengan sodium. Pertukaran ini berlangsung dengan cara melewatkan air sadah ke dalam unggun butiran yang terbuat dari bahan yang mempunyai kemmapuan menukarkan ion. Bahan penukar ion pada awalnya menggunakan bahan yang berasal dari alam yaitu greensand diproses terlebih dahulu. Disamping itu digunakan zeolit sintesis yang terbuat dari
sulphonated coals dan condentatiaon polymer . Pada saat ini bahan-bahan tersebut dapat diganti dengan bahan yang lebih efektif yang disebut resin penukar ion. Resin penukar ion umumnya terbuat dari cross-linked polystirene. Apabila resin telah jenuh maka resin tersebut perlu diregenarasi. Proses regenerasi dilakukan dengan cara melewatkan garam dapur pekat ke dalam unggun resin yang telah jenuh. Proses regenerasi terjadi reaksi sebaliknya yaitu kalsium dan magnesium dilepaskan dari resin diganti dengan sodium dari larutan garam.
i. Sistem Jaringan Perpipaan
Sistem jaringan perpipaan terdiri dari empat bagian, yaitu jaringan inlet (air masuk), jaringan outlet (air hasil olahan), jaringan bahan kimia dari pompa dosing dan jaringan pipa pembuangan air pencucian. Sistem jaringan ini dilengkapi dengan keran-keran sesuai dengan ukuran perpipaan. Diameter yang dipakai sebagian besar adalah 1” dan pembuangan dari bak koagulasi-flokualsi sebesar 2”. Bahan pipa PVC tahan tekan seeprti rucika. Sedangkan keran (ball valve) yang dipakai adalah keran tahan karat terbuat dari plastik.
j. Tangki Bahan-Bahan Kimia
Tangki bahan kimia terdiri dari 2 buah tangki fiberglass dengan volume masing-masing 30 L. Bahan-bahan kimia adalah ferrosulfat dan PAC. Bahan kimia berfungsi sebagai oksidator.
5.1.5 Aplikasi pada salah satu Industri : Penyisihan Pb dalam Air Limbah dengan Teknik Pertukaran Ion (Studi Kasus Air Limbah Pabrik Aki PT. GS Battery, Inc., Sunter-Jakarta Utara)
Industri aki merupakan salah satu industri yang menghasilkan limbah Pb dalam jumiah yang paling banyak. Pb sebagai saiah satu unsur yang termasuk dalam kelompok logam berat dalam konsentrasi tertentu sangat berbahaya terhadap manusia dan lingkungan hidup. Salah satu upaya yang saat ini telah dilakukan untuk menyisihkan Pb dalam air limbah pabrik aki adalah dengan cara kimiawi (chemical treatment). Namun hasil penyisihan dengan proses ini masih
kurang memuaskan khususnya terhadap upaya pelestarian lingkungan. Oleh sebab itu dilakukan upaya lain sebagai alternatif yakni dengan memanfaatkan potensi zeolit alam sebagai media penukar kation guna menyisihkan Pb yang berada dalam air limbah pabrik aki, yakni melalui proses pertukaran ion.. Proses pertukaran ion adalah proses di mana suatu material atau bahan tidak iarut menangkap ion-ion bermuatan baik positif maupun negatif dari suatu larutan dan melepaskan ion-ion bermuatan sejenis ke dalam larutan dalam jumlah yang setara. Bila proses pertukaran telah mencapai titik jenuh, maka dilakukan proses regenerasi dengan tujuan agar kapasitas penukaran material penukar ion dapat kembali seperti semula.
Sebagai studi awal/studi kelayakan teknik dan lingkungan proses pertukaran ion untuk menyisihkan Pb dalam air limbah pabrik aki mempunyai tujuan untuk menentukan faktor yang paling berpengaruh dalam menyisihkan Pb dari keempat faktor percobaan yang divariasikan (konsentrasi iniluen, debit influen, keaktifan zeolit, dan ukuran diameter partikel zeolit); untuk mengetahui besar kapasitas operasi tukar kation tertinggi dari zeolit Bayah; untuk menentukan besar penyisihan Pb dalam air limbah setelah diolah dengan teknik pertukaran ion dalam kolom yang berisi zeolit Bayah sebagai media penukar kation; untuk menentukan besarnya efisiensi regenerasi dari larutan regenerant alum sulfat Al2(SO)3 yang digunakan; untuk menentukan efisiensi dari proses pertukaran ion;
dan untuk mengetahui kelayakan lingkungan dari pelaksanaan proses pertukaran ion. Berdasarkan reaksi pertukaran ion yang terjadi antara air limbah aki yang mengandung unsur Pb dengan kation yang berada di dalam zeolit asal Bayah, maka hipotesis kerja yang dibuat dalam penelitian ini adalah:
1. Pb yang terdapat di dalam air limbah pabrik aki dapat disisihkan dengan cara pertukaran ion dengan memanfaatkan zeolit sebagai media penukar kation, hingga mencapai konsentrasi di bawah konsentrasi baku mutu yang telah ditetapkan;
2. besar penyisihan Pb dalam air limbah aki dengan proses pertukaran ion bergantung pada besarnya konsentrasi limbah yang akan diolah
(konsentrasi influen), debit influen, keaktifan zeolit, serta ukuran diameter partikel zeolit;
3. pemanfaatan proses pertukaran ion untuk mengolah air limbah pabrik aki lebih efisien jika dibandingkan dengan cara pengolahan yang menggunakan bahan-bahan kimia.
Berdasarkan analisis yang dilakukan maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Faktor yang paling berpengaruh terhadap besarnya penyisihan Pb dengan teknik pertukaran ion adalah ukuran diameter partikel zeolit yang digunakan dan debit influen.
2. Kapasitas operasi tukar kation Pb tertinggi yang dapat dicapai pada proses pertukaran ion dengan memanfaatkan zeolit Bayah sebagai media penukar kation (Pb) adalah pada kondisi percobaan dengan konsentrasi influen terbesar yaitu 5,923 mg/L, debit terkecil yaitu 10 mL/menit, zeolit diaktivasi, dan ukuran diameter partikel lebih halus yaitu (-18+48#). Besar kapasitas operasi tukar kation tertinggi tersebut adalah 0,769 mg/L.
3. Pb dalam air Iimbah pabrik aid PT. GS Battery, Inc Sunter yang diolah dengan teknik pertukaran ion secara kontinu dalam waktu 8 jam dapat melakukan penyisihan Pb sebesar 99,02 %.
4. Efisiensi regenerasi yang dapat dicapai dengan kadar larutan regeneran1 aluminium sulfat (Al2(SO4)3) sebesar 2%, untuk zeolit diaktivasi sebesar
0,30I %, dan efisiensi regenerasi zeolit tidak diaktivasi adalah 0,294%. 5. Pengolahan air limbah dengan proses pertukaran ion, bila dibandingkan
dengan kondisi pengolahan air limbah yang sama di WWTP ternyata iebih efisien baik dalam hal efisiensi operasi penyisihan Pb, waktu, biaya maupun luas penggunaan lahan. Besarnya efisiensi operasi adalah 10%, efisiensi waktu sekitar 51%, efisiensi biaya sekitar 65.48%, dan efisiensi luas penggunaan lahan sekitar 36,13%.
6. Besarnya kontribusi beban pencemaran Pb melalui proses pertukaran ion (jika Pb masuk ke dalam badan air penerima) adalah sebesar 1,67.10-6 kg/hari, dengan konsentrasi Pb pada efluen sebesar 0,058 mg/L. Sementara
itu melalui pengolahan dengan WWTP maka kontribusi beban pencemaran Pb adalah sebesar 0,325 kg/hari dengan konsentrasi Pb pada efluen WWTP adalah sebesar 0,65 mg/L.
5.2 Proses Pengolahan Air pada Pabrik Sawit dengan Penukar Ion Secara umum, proses pengolahan air pada pabrik sawit terdiri dari : 1. Penjernihan air
a. Klarifikasi : merupakan proses pengendapan kotoran/lumpur yang tersuspensi dalam air dengan penambahan bahan kimia yang terbagi atas 3 langkah, yakni koagulasi, flokulasi dan sendimentasi.
b. Filtrasi : tahap akhir dari proses penjernihan air, alat berupa pressure sand filter.
c. Desinfeksi/klorinasi : proses pemusnahan bakteri dan virus yang ada dalam air dengan menambahkan klorin atau kaporit pada air yang dikirim ke water tank.
2. Pelunakan air dengan cara pertukaran ion
Bertujuan untuk menghilangkan atau menurunkan kesadahan air, silica, TDS sehingga air memenuhi syarat untuk digunakan sebagai air umpan boiler.
a. Softener : resin penukar ion yang berfungsi menurunkan kesadahan air. b. Demineralizer plant : resin penukar kation dan anion berfungsi untuk
menerunkan kesadahan, silica, dan TDS.
c. Dearator : alat pemanas air umpan boiler dengan tujuan untuk menghilangkan gas terlarut seperti oksigen, CO2 dan ammonia yang dapat
menyebabkan korosi.
3. Boiler internal treatment
Bertujuan untuk mencegah pembentukan kerak, mencegah korosi serta mencegah terjadinya carry over.
Ion exchanger (penukar ion) sebagai water softener merupakan fungsi umum dan digunakan sangat luas di industri yang memerlukan soft water untuk proses dan bahan baku boiler. Air baku yang tingkat ke-sadahan-nya (hardness)
tinggi karena kandungan kalsium dan magnesium harus diturunkan dengan cara menggantikannya dengan muatan ion natrium yang terdapat pada resin.
Proses pertukaran ion terus berjalan sampai tercapai kesetimbangan dan jenuh dan sesudah kondisi resin jenuh maka segera dilakukan re-generasi dengan dicuci dengan air yang mengandung garam NaCl tinggi. Soft water digunakan untuk boiler air umpan guna mencegah terjadinya endapan (scaling) pada pipa saluran air baik pada sistem boiler maupun pada sistem pendingin.
5.2.1 Penukar kation
Air dari tangki penyimpanan dipompakan ketangki kation yang berisi resin penukar kation. Resin penukar kation ini bersifat asam kuat (strong acid cation) atau bersifat asam lemah (weak acid cation), bahan kimia yang dipakai untuk mengaktifkan resin adalah asam sulfat.
Fungsi penukar kation:
Menghilangkan atau mengurangi kesadahan (hardness) yang disebabkan
oleh garam-garam kalsium dan magnesium.
Menghilangakan atau mengurangi zat-zat padatan terlarut (TDS).
Menghilangkan atau mengurangi alkalinity dari garam-garam alkali
(karbonat, bikarbonat, dan asam lemah atau bersifat asam lemah hidroksida).
Didalam kation terjadi pertukaran antara ion kalsium, magnesium dengan ion-ion hidrogen sehingga garam-garam bikarbonat, sulfat, klorida, dan silika dirubah menjadi asam karbonat, asam sulfat, asam klorida, dan asam silikat yang larut dalam air.
Reaksi penukar kation:
Selanjutnya dari water tower , air dipompakan kembali untuk diproses dengan sistem demineralisasi, dengan tujuan untuk menghilangkan semua/ sebagian unsur-unsur kimiawi yang dikandung oleh air tersebut. Air yang bersal dari water tower dimasukkan ke dalam tangki kation Exchanger resin, setelah air kontak dengan resin, maka semua ikatan-ikatan unsur kimiawi dari garam alkali, seperti Ca2+, Mg2+, Fe2+, dan lain sebagainya yang dikandung oleh air, diikat dengan 1 (satu) atom Hidrogen (H+).
Jadi semua garam-garam bermuatan positif yang dikandung oleh air, dibebaskan didalam kation.
5.2.2 Penukar anion
Setelah dialirkan melalui kation, selanjutnya air dialirkan masuk ketangki anion yang berisi resin bersifat basah kuat ( strong base anion) dan basa lemah (weak base anion). Bahan kimia yang dipakai adalah kaustik soda, dosis pemakaian 60 g/L resin, konsentrasi cairan NaOH watu kontak dengan resin.
Fungsi penukar anion :
Menyerap asam-asam karbonat, sulfat, klorida, dan silikat yang dihasilkan
Untuk menghilangkan atau mengurangi semua garam-garam mineral
sehingga air yang dihasilkan tidak mengandung garam mineral lagi
5.2.3 Pengaktifan Resin (Regenerasi)
Regenerasi adalah suatu peremajaan, penginfeksian dengan kekuatan baru terhadap resin penukar ion yang telah habis saat kerjanya atau telah terbebani, telah jenuh. Regenerasi penukaran ion dapat dilakukan dengan mudah karena pertukaran ion merupakan suatu proses yang reversibel yang perlu diusahakan hanyalah agar pada regenerasi berlangsung reaksi dalam arah yang berlawanan dari pertukaran ion.
Pada umumnya senyawa yang digunakan untuk kerangka dasar resin penukar ion asam kuat dan basa kuat adalah senyawa polimer stiren divinilbenzena. Ikatan kimia pada polimer ini amat kuat sehingga tidak mudah larut dalam keasaman dan sifat basa yang tinggi dan tetap stabil pada suhu diatas 150oC.
Polimer ini dibuat dengan mereaksikan stiren dengan divinilbenzena, setelah terbentuk kerangka resin penukar ion maka akan digunakan untuk menempelnya gugus ion yang akan dipertukarkan.
Resin penukar kation dibuat dengan cara mereaksikan senyawa dasar tersebut dengan gugus ion yang dapat menghasilkan (melepaskan) ion positif. Gugus ion yang biasa dipakai pada resin penukar kation asam kuat adalah gugus sulfonat dan cara pembuatannya dengan sulfonasi polimer polistyren divinilbenzena (matrik resin).
Resin penukar ion yang direaksikan dengan gugus ion yang dapat melepaskan ion negatif diperoleh resin penukar anion. Resin penukar anion dibuat dengan matrik yang sama dengan resin penukar kation tetapi gugus ion yang dimasukkan harus bisa melepas ion negatif, misalnya – N (CH3)3+ atau gugus lain atau dengan kata lain setelah terbentuk kopolimer stiren divinilbenzena (DVB), maka diaminasi kemudian diklorometilasikan untuk memperoleh resin penukar anion.
Material penukar ion yang utama berbentuk butiran atau granular dengan struktur dari molekul yang panjang (hasil co-polimerisasi), dengan memasukkan gugus fungsional dari asam sulfonat, ion karboksil. Senyawa ini akan bergabung dengan ion pasangan seperti Na+, OH− atau H+. Senyawa ini merupakan struktur yang porous. Senyawa ini merupakan penukar ion positif (kationik) untuk menukar ion dengan muatan elektrolit yang sama (positif) demikian sebaliknya penukar ion negatif (anionik) untuk menukar anion yang terdapat di dalam air
yang diproses di dalam unit “Ion Exchanger”.
a. Regenerasi Resin Penukar Kation - Bahan H2SO4(p)
- Reaksi yang terjadi pada regenerasi resin penukar kation : Ca + R + 2H+ H2 + R + Ca 2+
Urutan Penukar Kation : Ra2+ < Ba2+ < Sr 2+< Ni2+ < Cu2+ < Co2+ < Zn2+ < Mn2+ < UO2+ < Ag2+ < Cs+ < K +< NH4+< Na+< Li+
- Cara Regenerasi : b. Resin Penukar anion
- Bahan: NaOH
- Reaksi yang terjadi pada regenerasi resin penukar anion R.SO4 + 2 OH- R. (OH)2 + SO4
2-Urutan penukar anion:
HCrO4 <NO3 < Br- < HPO4 < CN- < NO2- < Cl- < OH-< CH3COO- < F
-c. Cara regenerasi
Unit kation
- Pencucian kembali : mendistribusikan kembali lapisan resin dan menghilangkan kotoran-kotoran serta resin yang pecah dari unit.
- Regenerasi dengan larutan asam : larutan asam (H2SO4) diinjeksikan kedalam unit kation. Sesudah melalui permukaan resin, asam atau ion hidrogen akan menggantikan semua kation seperti ion kalsium, natrium dan magnesium.
- Pembilasan : bila unit beroperasi kembali, akan terdapat sejumlah kecil leakage (kelewatan ion) yang harus dibersihkan dengan melakukan pembilasan.
Kondisi Operasi Kation:
Operasi Larutan Waktu
Perbaikan (kearah bawah) Air umpan
- Backwash (arah keatas) Air umpan 10-20 menit
Regenerasi H2SO4 98% 20-30 menit
Slow rinse (pembilasan secara lambat) Air kation 30-60menit Fast rinse (pembilasan secara cepat) Air umpan 20-60 menit
Unit anion
- Pencucian kembali : pencucian kembali akan menghilangkan kotoran-kotoran, lumpur, dan bahan-bahan tersuspensi dari unit dan mendistribusikan kembali lapisan resin.
- Penambahan Kaustik Soda : larutan kaustik diinjeksikan kedalam unit anion dan akan kontak langsung dengan resin. Sesudah melalui permukaan resin, Kaustik Soda (larutan NaOH) atau ion hidroksi dan menggantikan anion-anion yang terdapat dipermukaan resin.
- Pembilasan : apabila unit sudah kembali beroperasi akan terdapat sejumlah kecil ion leakage, maka harus dibersihkan dengan pembilasan
Kondisi Operasi anion:
Operasi Larutan Waktu
Perbaikan (kearah bawah) Air dari kation
- Backwash (arah keatas) Air umpan 10-20 menit
Regenerasi 2-8 % NaOH 20-30 menit
Slow rinse (pembilasan secara lambat) Air dekation 30-60menit Fast rinse (pembilasan secara cepat) Air anion 20-60 menit
BAB II KESIMPULAN
1. Resin penukar ion terbagi dua yakni: a. Resin anion
b. Resin Kation
2. Empat tahap pengoperasian penukar ion: a. service
b. backwash c. regenerasi d. pembilasan
3. Aplikasi pengolahan air dengan penukar ion dapat dilakukan pada berbagai industri seperti industri sawit dan pelapis logam.
DAFTAR PUSTAKA
Benefild, L.D., Process Chemistry for Water and Wastewater Treatment, Droste, Ronald L., Theory and Practice of Water and Wastewater
Treatment,
John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997 dalam modul Proses Pengolahan air secara fisik-kimia
Mawar Debora Seremian Silalahi, Penyisihan Pb dalam Air Limbah dengan Teknik Pertukaran Ion (StudiKasus Air Limbah Pabrik Aki PT. GS Battery, Inc., Sunter-Jakarta Utara) UI - Tesis
Prentice-Hall, New Jersey, 1982 dalam modul Proses Pengolahan air secara fisik-kimia
Simanjuntak E., 2010, Pengolahan Internal Air Boiler dengan Penambahan Asam Sulfat, Universitas Sumatera Utara-Modul
