Penurunan Kadar Logam Berat dan Kekeruha

1

Penurunan Kadar Logam Berat dan Kekeruhan Air Limbah

Menggunakan Proses Elektrokoagulasi

Sutanto

1*

, Danang Widjajanto

1

, dan Hidjan

2

1. Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, Depok16425, Indonesia 2. Jurusan Teknik Sipil, Politeknik Negeri Jakarta, Depok16425, Indonesia

*

E-mail : stanto09@gmail.com

Abstrak

Kandungan polutan dalam air limbah yang tidak terkontrol dapat menyebabkan polusi lingkungan. Air limbah dengan kandungan polutan tinggi harus diturunkan sampai memenuhi ambang batas aman, sehingga tidak merusak lingkungan. Kandungan maksimum logam berat dan parameter lain yang diizinkan dalam air limbah masing-masing adalah: 1,0 mg/L untuk besi (Fe), 0,5 mg/L untuk mangan (Mn), 500 mg/L untuk kesadahan (CaCO3), 0,05 mg/L untuk arsen (As),

200 mg/L untuk natrium (Na), 0,5 mg/L untuk timbal (Pb), kekeruhan 25 NTU, 6,5 -9,0 untuk pH dan 10 mg/L untuk bahan organik. Jika kandungan logam berat dan kekeruhan melebihi dari ketentuan tersebut, maka air harus diolah sampai memenuhi syarat. Salah satu proses pengolahan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah menerapkan proses elektrokagulasi. Penelitian dilakukan dengan mengalirkan campuran air limbah dari industri pembuat komponen elektronika dan air limbah rumah potong ayam sebanyak 4,5 liter ke dalam bak elektrokoagulasi yang dilengkapi sumber arus searah. Proses elektrokoagulasi dijalankan menggunakan arus 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, dan 0,5 ampere dengan interval waktu pengamatan 20 menit. Analisis kandungan logam berat dilakukan dengan AAS dan kekeruhan dengan turbidimetri. Hasil analisis menunjukkan bahwa kadar besi yang memenuhi syarat adalah 0,91 mg/L dan kekeruhan 21,2 nepnelometrik turbidity units (NTU) dengan waktu proses 120 menit pada penggunaan arus 0,4 ampere.

Abstract

Reduction of Heavy Metal Content and Turbidity in Waste Water by Using Electrokoagulation Process. The

content pollutants in waste water that are not controlled can cause environmental pollution. The waste water with high content of pollutants must be reduced until to be safe for the environment.

M

aximum content of heavy metals and the other parameter that eligible in waste water are: 1.0 mg/L for iron (Fe), 0.05 mg/L for manganese (Mn), 500 mg/L for hardness (CaCO3), 0.5 mg/L for arsen (As), 200 mg/L for sodium (Na), 0.5 mg/L for lead (Pb), 25 NTU for turbidity,

6.5-9.0 for pH and 10 mg/L for organic matter. If the content of heavy metals and turbidity in the waste water is over of such provision, then the water must be treated until approach like as recommended. One of the processing carried out in this research is to apply the electrocoagulation process. The research is conducted by flowing water of 4.5 liters of mixed between waste water of electronic industry and waste water from home industry into the bath electrocoagulation process that equipped with source of direct current. The process is run with an electric current 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, and 0.5 amperes with intervals of 20 minutes for observation data. The content of heavy metals are analyzed by AAS and the turbidity by turbidimetry. The results showed that the iron content eligible is 0.91 mg/L and turbidity is 21.2 NTU at 120 minutes on the use current of 0.4 ampere.

Keywords: electrocoagulation, pollutants, reduction of heavy metal, turbidity

1.

Pendahuluan

Air limbah sebelum dibuang kelingkungan sebaiknya telah terkontrol kandungan logam berat, kekeruhan dan bahan organik yang ada didalamnya supaya tidak

Untuk menjamin keamanan air limbah sebelum dibuang ke lingkungan sebaiknya air tersebut telah diolah, sehingga bisa mendekati ambang batas aman sebagai air baku buangan. Bila ditemukan satu jenis logam berat atau lebih dan kekeruhan dengan kadar di atas batas maksimum, maka kadar logam dan kekeruhan tersebut harus diturunkan sampai memenuhi standar yang diizinkan. Hal ini dimaksudkan untuk mengantisipasi kemungkinan terjadinya keracunan atau akibat lain yang berdampak kurang baik bagi lingkungan sekitarnya. Salah satu metode yang akan dikembangkan dalam penelitian ini adalah penerapan prinsip elektrolisis yang dikenal sebagai proses elektrokoagulasi.

Menurut Carmona (2006) dalam proses elektrokoagulasi yang menggunakan anoda dan katoda dari bahan aluminium terjadi reaksi sebagai berikut [2]:

reaksi pada anoda (oksidasi)

2 Al 2 Al+3 _{+ 6 e}- ₍₁₎

reaksi pada katoda (reduksi)

6H2O + 6 e- 6 OH - + 3H2 + (2)

2 Al + 6 H2O 2 Al(OH)3 + 3H2 (3)

Dari Pers.(3) nampak terbentuk Al(OH)3 yang berperan

sebagai bahan koagulan, sehingga akan memudahkan polutan dalam air teperangkap membentuk flok atau gumpalan yang mudah terendapkan.

Menurut Sutanto et al. (2010) prinsip kerja proses elektrokoagulasi dapat dilihat pada Gambar 1 [3].

Untuk keperluan perancangan yang berhubungan dengan pembentukan ion logam Al+3 dalam proses elektrokoagulasi menurut Chen et al. (2000) dibutuhkan persamaan-persamaan perancangan [4]. Bila proses dilakukan secara kontinu, maka persamaan waktu tinggal air dalam bejana adalah:

t = (s)(A)/Q (4)

dengan t : waktu tinggal air limbah dalam bejana (det), A: luas penampang bejana (cm2), Q: debit air limbah (cm3/det) dan S: tinggi bejana (cm).

Persamaan untuk waktu proses elektrolisis menurut hukum Faraday pertama adalah:

t = [(96.500)(m)(n)]/[(ar)(I)] (5)

dengan t : waktu proses (det), m: massa Al+3 yang dilepaskan oleh anoda (gram), n: perubahan bilangan oksidasi, ar: massa atom relatif dan I: arus listrik (ampere). Jika Pers. (4) dimasukkan ke Pers. (5), maka didapat persamaan:

(s)(A)/Q = (96.500)(m)(n)/[ar)(I)] (6)

Tabel 1. Kandungan Maksimum Logam Berat dan Parameter Lain Dalam Air Limbah [1]

Parameter Kandungan maksimum

Gambar 1. Prinsip Kerja Proses Elektrokoagulasi [3]

Sehingga persamaan untuk massa ion logam Al+3 _yang

dihasilkan selama proses elektokoagulasi adalah:

m =(s)(A)(ar)(I)/[(Q)(96.500)(n) (7)

Harga n (perubahan bilangan oksidasi Al) dan ar (massa atom relatif Al), dalam hal ini n=3 dan ar=27. Berdasarkan Pers. (7) dapat dijelaskan jika arus yang digunakan pada proses elektrokoagulasi semakin besar, maka terbentuknya Al(OH)3 semakin banyak.

Akibatnya persediaan bahan koagulan Al(OH)3 menjadi semakin meningkat, sehingga kecepatan dan kesempatan untuk mengendapkan polutan dalam air limbah menjadi semakin meningkat pula.

Jika anoda dibuat dari bahan aluminum dan katoda dari bahan besi, maka akan terjadi pengendapan ion logam pada dasar bak proses dengan warna endapan yang berbeda-beda sesuai dengan jenis logam yang terkandung dalam air. Beberapa contoh warna endapan logam berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan oleh Sutanto et al. (2007)[5], ditunjukkan seperti pada Tabel 2.

Tabel 2. Warna Endapan Berbagai Ion Logam Hasil aluminium dilakukan pada penanganan limbah cair yang mengandung polutan timbal (Pb). Pada proses ini dihasilkan lumpur yang mengandung Pb bersama-sama dengan Al(OH)3 dan dikeluarkan lewat bagian dasar bak

proses, sedangkan cairan bening dikeluarkan lewat bagian atas bak proses. Pada percobaan yang dilakukan tersebut digunakan limbah cair dengan kadar awal kontaminan Pb 10,00 ppm dan zat padat terlarut (TSS) sebesar 200 ppm. Percobaan dilakukan secara aliran kontinu dengan debit sebesar 1,5 liter/menit, kuat arus bervariasi dari 1,0 sampai 5,0 ampere dan variasi waktu operasi dari 60 sampai 120 menit. Analisis Pb dalam filtrat hasil akhir dilakukan dengan menggunakan perangkat atomic absorption spectrophotometer (AAS) dan analisis TSS menggunakan metode gravimetri. Dari percobaan diperoleh nilai efisiensi elektrokoagulasi kontaminan Pb sebesar 99,16% dan TSS sebesar 80,24% pada kuat arus 5,0 ampere dan waktu operasi 120 menit.

Pada pengolahan limbah cair dari limbah rumah potong hewan (RPH) secara elektrokoagulasi pernah dilakukan secara batch dengan menempatkan cairan limbah di dalam sel elektrolisis. Proses dijalankan selama waktu tertentu untuk menurunkan kadar total suspended solid (TSS), total disolved solid (TDS), pH (derajad keasaman) dan turbiditi.Dari hasil penelitian didapatkan kadar TSS dan TDS yang semakin turun dan efisisensi

removal yang semakin besar. Hal ini menunjukkan

bahwa air limbah tersebut memiliki kualitas yang semakin baik [6].

Pada penelitian elektrokoagulasi menggunakan empat buah elektroda yang terbuat dari bahan aluminium (Al) dan besi (Fe) ternyata proses membutuhkan waktu operasi lebih pendek untuk mencapai efisiensi removal (penghilangan) TSS dan TDS yang maksimum dari pada hanya menggunakan dua buah elektroda. Pada penggunaan empat buah elektroda dibutuhkan waktu operasi 70 menit dengan kemampuan penghilangan TSS dan TDS mencapai 99%, sedangkan pada penggunaan dua buah elektroda dibutuhkan waktu operasi 90 menit dengan kemampuan penghilangan TSS dan TDS maksimum hanya mencapai 98% [7].

2.

Metode Penelitian

Bahan untuk elektroda dibuat dari bahan aluminium jenis HTC 16-35. Air limbah yang diolah adalah berasal dari industri pembuat komponen elektronika dicampur air limbah rumah potong ayam dengan kondisi fisik dan kimia seperti ditunjukkan pada Tabel 2.

Alat pendukung terdiri atas pompa air, avometer,

stabilizer, accumulator, detektor ion logam, turbidimetry, AAS dan kabel penghantar listrik.

Rangkaian alat penelitian dapat dilihat pada Gambar 2. Alat proses terdiri atas sumber DC, avometer, bak penampung air limbah, bak proses elektrokoagulasi, bak pengendap kotoran dan bak penampung air hasil olahan. Bak penampung air limbah berukuran panjang 40 cm, lebar 40 cm dan tinggi 40 cm. Bak proses elektrokoagulasi berbentuk persegi tersusun atas tiga sel. Masing-masing sel berukuran lebar 5 cm, panjang 20 cm dan tinggi 25 cm yang dilengkapi anoda dan katoda dari bahan aluminium masing-masing berukuran lebar 7 cm dan panjang 10 cm. Jarak antara anoda dan katoda 5 cm. Bak pengendap kotoran berbentuk persegi dengan ukuran tinggi 50 cm, panjang 50 cm dan lebar 50 cm. Bak penampung air hasil olahan berbentuk kubus dengan panjang sisi 50 cm.

Tabel 2. Kondisi Fisik dan Kimia Air Limbah

Pelaksanaan penelitian dilakukan dengan mengalirkan air limbah dari bak penampung sebanyak 4,5 liter ke bak elektrokoagulasi. Sumber DC dihidupkan pada arus 0,1 ampere untuk mengoperasikan proses elektrokoagulasi. Sumber DC dimatikan setelah proses berjalan 20 menit. Semua air dari bak elektrokoagulasi dialirkan ke bak pengendap untuk memisahkan kotoran. Selanjutnya dilakukan analisiss kandungan logam yang ada dalam air hasil olahan dengan AAS dan turbidimetri untuk kekeruhan (turbiditas). Pengulangan perlakuan yang sama dilakukan dengan waktu pengamatan 40, 60, 80, 100, 120 dan 140 menit. Untuk penelitian berikutnya digunakan arus listrik 0,2, 0,3, 0,4 , 0,5 dan 0,6 ampere dengan variasi waktu pengamatan 20, 40, 60, 80, 100, 120 dan 140 menit.

3.

Hasil dan Pembahasan

Berdasarkan Tabel 2 disebutkan bahwa kandungan logam berat dalam air limbah terdiri atas tembaga (Cu) sebanyak 3,52 mg/L, besi (Fe) sebanyak 1,21 mg/L dan tingkat kekeruhan 44,`10 NTU [5]. Artinya kandungan kedua logam dan kekeruhan tersebut belum memenuhi standar baku air limbah, karena masih berada di atas ambang batas aman. Pada pembahasan ini hanya dibatasi pada pengamatan perubahan kandungan logam besi (Fe) dan tingkat kekeruhan (turbiditas) saja, sedangkan logam tembaga tidak dibahas. Hasil penelitian perubahan kandungan atau kadar logam besi (Fe) dari proses elektrokoagulasi pada campuran air limbah industri pembuat komponen elektronik dan rumah potong ayam ditunjukkan pada Tabel 3 dan Gambar 3.

Pengukuran kandungan atau kadar besi (Fe) pada Tabel 3 dilakukan dengan alat AAS. Berdasarkan data pada Tabel 3, ditunjukkan bahwa pada penggunaan waktu yang semakin lama mengakibatkan terjadinya penurunan kadar besi semakin signifikan. Ditunjukkan pula bahwa pada penggunaan arus yang semakin besar dengan waktu proses yang sama, ternyata terjadi penurunan kadar besi yang cukup signifikan. Pada hasil

Tabel 3. Hasil Pengukuran Kadar Besi (Fe) dalam Air Limbah Setelah Proses Elektrokoagulasi

Gambar 3. Kurva Perubahan Kadar Besi terhadap Waktu

pengamatan proses elektrokoagulasi selama 120 menit atau 2 jam dengan arus 0,1 ampere terjadi penurunan kandungan besi dari 3,23 mg/L menjadi 2,11 mg/L. Demikian juga pada hasil pengamatan proses elektrokoagulasi yang dilakukan dengan waktu yang tetap selama 120 menit sedangkan arus yang digunakan ditingkatkan dari 0,1 ampere menjadi 0,2 ampere, maka terjadi penurunan kandungan besi dari 2,11 mg/L menjadi 1,82 mg/L. Hal ini disebabkan oleh terjadinya peningkatan pembentukan Al(OH)3 pada waktu proses

semakin lama dijalankan atau arus yang digunakan semakin ditingkatkan. Dalam hal ini Al(OH)3

dijalankan dengan waktu tetap, tetapi arus yang digunakan semakin ditingkatkan.

Hasil penelitian perubahan kekeruhan (turbiditas) dari proses elektrokoagulasi pada campuran air limbah industri pembuat komponen elektronik dan rumah potong ayam ditunjukkan pada Tabel 4 dan Gambar 4. Pengukuran perubahan kekeruhan air pada Tabel 4 dilakukan menggunakan turbidimetri dengan satuan NTU (nepnelometrik turbidity units). Berdasarkan Tabel 4 dan Gambar 4, terlihat bahwa kekeruhan air semakin berkurang pada saat proses dilakukan semakin lama. Hal ini disebabkan oleh terjadinya peningkatan pembentukan Al(OH)3. Dalam hal ini Al(OH)3

merupakan senyawa koagulan yang berperan sebagai bahan penggumpal dan penyerap berbagai polutan baik organik maupun anorganik yang terdapat dalam air limbah, sehingga membentuk senyawa kompleks dengan berat molekul yang lebih besar dan mudah diendapkan.Dengan semakin banyaknya endapan yang terbentuk menyebabkan penurunan jumlah polutan dalam air, sehingga semakin lama air nampak semakin jernih atau tingkat kekeruhannya semakin berkurang.

Tabel 4. Hasil Pengukuran Kekeruhan (Turbiditas) Air Limbah Setelah Proses Elektrokoagulasi

Gambar 4. Kurva Perubahan Kekeruhan terhadap Waktu

Dari Tabel 4 terlihat, bahwa untuk memenuhi standar baku air limbah dengan kekeruhan 25 NTU atau dibawahnya dibutuhkan waktu masing-masing 120 menit untuk arus 0,3 ampere, 100 menit untuk arus 0,4 ampere dan 80 menit untuk arus 0,5 ampere.

Mengingat perbedaan biaya yang agak mahal antara penggunaan arus 0,3, 0,4 dan 0,5 ampere dan tidak ada perbedaan waktu yang signifikan untuk mencapai kondisi standar baku air limbah dengan kekeruhan yang aman, maka sebaiknya proses dipilih pada arus 0,4 ampere dan waktu 120 menit. Karena dengan kondisi tersebut kadar besi dan kekeruhan secara simultan telah memenuhi syarat dalam air limbah yang aman. Sedangkan untuk arus 0,1 ampere sampai 0,3 ampere tidak diperlukan. Karena untuk mencapai standar baku air limbah ternyata proses berjalan terlalu lama, sehingga kecepatan produksi atau produktivitas pengolahan air limbah sangat rendah. Dengan mempertimbangkan efisiensi waktu, biaya operasional, persyaratan kandungan logam dan tingkat kekeruhan standar baku air limbah, maka penggunaan arus listrik 0,4 ampere dengan waktu proses 120 menit dapat direkomendasikan sebagai parameter yang memenuhi syarat untuk pengolahan air limbah menjadi air yang aman terhadap lingkungan. Pada penggunaan waktu 120 menit dan arus 0,4 ampere akan didapat kadar besi 0,91 mg/L (kurang dari 1,0 mg/L) dan kekeruhan air 21,2 NTU (kurang dari 25 NTU).

4.

Simpulan

Proses elektrokoagulasi dengan elektroda aluminium dapat menurunkan kadar besi dan kekeruhan dalam air limbah. Semakin lama waktu proses atau arus semakin besar, maka kadar besi dan kekeruhan air limbah semakin turun. Kondisi proses terbaik adalah arus listrik 0,4 ampere dan waktu proses 120 menit dengan kadar besi 0,91 mg/Ldan kekeruhan 21,2 NTU.

Ucapan Terima Kasih

Ucapan terimaksih disampaikan kepada DP2M-DIKTI yang telah memberikan dana penelitian Stranas tahun kedua.

Daftar Acuan

[1] Kementerian Kesehatan RI, Peraturan Menteri Kesehatan Nomor 416/Menkes/Per/IX/1990 tentang Syarat-syarat dan Pengawasan Kualitas Air, Jakarta, 1990.

[2] M. Carmona, M. Khemis, J.P. Leclerc, F. Lapicque, Chem. Eng. Sci. 61 (2006) 1237.

[4] X

.

Chen., G. Chen, P.L. Yue, Sep. Purif. Technol. 19 (2000) 65.

[5] Sutanto, D.S.T.S. Basuki, D. Wijayanto, Model Alat Pendeteksi Ion Logam dalam Air dengan Metode Elektrolisis, Laporan Penelitian, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Jakarta, 2007.

[6] M. Bayramoglu, M. Eyvaz, M. Kobya, E. Senturk, Sep. Purif. Technol. 51 (2006) 404.