Page 16 Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012
PENGOLAHAN LIMBAH AIR ASAM TAMBANG
MENGGUNAKAN TEKNOLOGI MEMBRAN KERAMIK
Citria Afrianty
*, Lustiana Gustin, Tri Kurnia Dewi
Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya Jln. Raya Palembang Prabumulih Km. 32 Inderalaya Ogan Ilir (OI) 30662Abstrak
Telah dilakukan penelitian pengaruh komposisi membran (persentase zeolit), siklus (waktu operasi) dan tekanan pada pengolahan limbah air asam tambang menggunakan teknologi membran keramik. Pengolahan air asam tambang dapat digunakan sebagai solusi penanggulangan limbah agar dapat mengurangi dampak buruknya terhadap lingkungan. Penelitian ini mengamati pengaruh komposisi membran (persentase zeolit), siklus (waktu operasi) dan tekanan terhadap kualitas air yang dihasilkan. Jangkauan variabel yang digunakan pada penelitian ini adalah persentase zeolit 10, 20, 30, 40, 50 %, siklus 101, 204, 306 dan 408, dan tekanan fluida 0,038 , 0,056 , 0,08 , 0,114 atm. Hasil kualitas air dianalisa secara spektrofotometri untuk mendapatkan nilai kandungan ion Mn dan Fe. Serta menghitung nilai TSS dan pH. Kenaikan persentase zeolit dan siklus berpengaruh terhadap nilai kandungan ion Mn dan Fe, pH dan TSS. Namun tekanan tidak berpengaruh terhadap nilai pH tetapi berpengaruh terhadap nilai TSS dan logam Fe dan Mn meskipun tidak terlalu signifikan. Diperoleh hasil air terbaik pada persentase zeolit 30 %, 408 siklus (60 menit), dan tekanan 0,08 atm.
Kata kunci : Air asam tambang, membran keramik, zeolit
Abstract
This research was carried out using ceramic membrane technology as processing acid mine waste water treatment. That was useful for making the good environment. This research investigate the effects of variables such as the increasing of zeolite percentage, circulating time, and the fluid pressure related to the water quality produced by this process. Range of variables that used in this research are the increasing of zeolite percentage 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%, circulation time 101,204, 306, and 408 circulation, and the fluid pressure 0.0380, 0.056, 0.08, and 0.114 atm. The water product is analyzed to get the content of TSS, pH, iron (Fe), and manganese (Mn). The increasing of circulation time and pressure fluid does not have significant effect to the pH value, but the increasing of percentage zeolite is occured. The increasing of percentage zeolite influenced on iron (Fe) and Manganese (Mn) contents. The best water result was obtained at 30% zeolite, 404 circulation (60 minutes) and 0.08 atm.
Keywords: acid mine waste water, membrane ceramics, zeolite
1. PENDAHULUAN
Pada pertambangan batubara, terdapat dua tipe sistem penambangan yaitu, pertambangan terbuka (open pit mining) dan pertambangan bawah tanah (underground mining). Baik pertambangan bawah tanah maupun pertambangan terbuka dapat menyebabkan terlepasnya unsur-unsur kimia tertentu seperti Fe dan S dari senyawa pirit (Fe2S) yang
menghasilkan air buangan bersifat asam (Acid Mine Drainage / Acid Rock Drainage).
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012 Page 17 diameter pori (0,1-0,3 μm) dengan komposisi
zeolit : lempung. Zeolit (LmAlxSiyOz . nH2O)
berfungsi mengikat logam tersebut dan ion H+. Sehingga komposisi membran tersebut dapat dipergunakan dalam pengolahan limbah cair.
Pengertian Air Asam Tambang (AAT)
Air asam tambang (AAT) adalah air yang telah dipengaruhi oleh oksidasi alamiah mineral sulfida yang terkandung dalam batubara yang ditambang. Faktor pembentukan AAT yang dominan adalah mineral sulfida yang reaktif, oksigen dan air. Air asam tambang yang timbul akibat dari kegiatan penambangan sangat berpengaruh negatif terhadap lingkungan.
Tabel 1. Spesifikasi kualitas Air Asam Tambang (AAT) Sumber: Hasil Analisa di Laboratorium
pengujian Balai Teknik Kesehatan Lingkungan dan Pengendalian Penyakit
Reaksi yang terjadi pada kontak mineral sulfida diklasifikasikan menjadi empat yaitu kategori berdasarkan bentuk, katagori berdasarkan fungsi, kategori berdasarkan eksistensi dan kategori berdasarkan bentuk aliran dengan penjelasan sebagai berikut:
Berdasarkan bentuknya membran dibagi menjadi dua yaitu sebagai berikut:
1.) Membran Datar 2.) Membran Tubular
Berdasarkan fungsinya membran dapat diklasifikasikan menjadi enam jenis, yaitu sebagai berikut :
1.) Membran mikrofiltrasi 2.)Membran ultrafiltrasi
3.) Membran osmosa balik (OR) 4.) Nanofiltrasi
5.) Membran dialisa 6.) Membran elektrodialisa
Berdasarkan eksistensinya, membran dibagi menjadi dua yaitu sebagai berikut:
1.) Membran Alamiah 2.) Membran Sintetik
Berdasarkan bentuk aliran, membran dapat dibagi menjadi dua sebagai berikut:
1.) Dead-End Filtration
2.) Cross-Flow Filtration
Prinsip Pemisahan Dengan Membran
Pada prinsipnya proses pemisahan dengan menggunakan membran adalah proses pemisahan antara pelarut dengan zat terlarut. Pelarut dipisahkan dari zat terlarut yang akan tertahan pada membran dan disebut dengan konsentrat, sedangkan pelarut akan lolos melalui membran dan dinamakan permeat.
Kecepatan aliran komponen yang dipisahkan bergantung kepada jenis gaya pendorong dan karakteristik membran. Jenis gaya pendorong yang ada pada proses pemisahan dengan menggunakan membran yaitu perbedaan tekanan, perbedaan konsentrasi, dan perbedaan temperatur.
Kinerja Membran
Kinerja atau efisiensi pemisahan di dalam membran dipengaruhi oleh 2 faktor yaitu parameter operasional dan karakteristik membran yaitu :
a.) Parameter operasional
Parameter operasional yang mempengarui kinerja membran adalah waktu, laju alir, tekanan , temperatur.
b.) Karakteristik membran 1.Permeabilitas
Page 18 Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012 interaksi antara membran dan larutan umpan,
viskositas larutan serta tekanan dari luar. Fluks (Jv) dirumus sebagai berikut (Mulder,1996) :
Jv =
Selektifitas yang parameternya dinyatakan sebagai koefisien penolakan atau koefisien rejeksi adalah ukuran kemampuan membran menahan suatu spesi. Faktor yang mempengaruhi selektifitas adalah besarnya ukuran partikel yang akan melewatinya, interaksi antara membran dan larutan umpan dan ukuran pori. Koefisien rejeksi (R) dirumuskan sebagai berikut :
R = (1 – Cp/Cf) x 100% Keterangan :
R = koefisien rejeksi Cp = konsentrasi permeat Cf = konsentrasi umpan
Beberapa faktor yang mempengaruhi dalam penggunaan membran sebagai berikut :
a. Ukuran Molekul Membran
Ukuran molekul membran sangat mempengaruhi kinerja membran.
b. Bentuk Membran
Membran dapat dibuat dalam berbagai macam bentuk, seperti bentuk datar, bentuk tabung, dan bentuk serat berongga.
c. Bahan Membran
Perbedaan bahan membran akan berpengaruh pada hasil rejeksi dan distribusi ukuran pori.
d. Karakteristik Larutan
Karakteristik larutan ini mempunyai efek pada permeability membran.
Membran Keramik
Membran keramik adalah membran yang terbentuk dari kombinasi logam (aluminium, titanium, zirkonium) dengan non logam dalam bentuk oksida, nitrida atau karbida.
Fluks membran keramik secara langsung berhubungan dengan porositas, membran keramik yang bagus adalah membran dengan porositas tinggi, tetapi tidak menurunkan kekuatan mekanik membran tersebut. Porositas membran keramik dapat ditingkatkan dengan aglomerisasi partikel-partikel bahan keramik pada tahap awal pemprosesan yaitu pada saat pembentukan suspensi dan proses pencetakan.
Tanah Liat (Lempung)
Tanah liat berasal dari kerak bumi yang terjadi karena pelapukan dan erosi angin, air dan gletser sehingga berbentuk halus.
Agar tanah liat dapat digunakan untuk membentuk benda keramik maka harus memenuhi 5 persyaratan yaitu memiliki:
a. Sifat plastis
b. kemampuan dibentuk c. Susut kering dan susut bakar d. Suhu kematangan (vitrifikasi) e. Porositas
Zeolit
Zeolit adalah salah satu penukar ion alami yang banyak tersedia. Kemampuan zeolit sebagai
ion exchanger telah lama diketahui dan digunakan sebagai penghilang polutan kimia. Dalam air zeolit juga ternyata mampu mengikat bakteri E. coli.
Mineral zeolit adalah kelompok mineral alumunium silikat terhidrasi. Zeolit secara empiris ditulis (M+ ,M2+)Al2O3gSiO2. zH2O, M+
berupa Na atau K dan M2+ berupa Mg, Ca, atau Fe. Li , Sr atau Ba dalam jumlah kecil dapat menggantikan M+ atau M2+, g dan z bilangan koefisien.
Pertukaran Ion (Ion Exchange)
Pertukaran ion adalah suatu proses ion-ion dari suatu larutan elektrolit diikat pada permukaan bahan padat. Sebagai pengganti ion-ion tersebut, ion-ion-ion-ion dari bahan padat diberikan ke dalam larutan. Pertukaran hanya terjadi di antara ion-ion yang sejenis dan berlangsung dalam waktu yang singkat, yaitu pada saat terjadi kontak antara larutan elektrolit dengan penukar ion.
Pada skala industri, Fe dan Mn dalam air biasanya diturunkan dengan mengaerasi air pada pH>7 sehingga kedua logam ini mengendap sebagai oksidanya. Proses lain adalah mengikat Fe dan Mn dengan suatu cation exchanger.
2. METODOLOGI
Bahan dan Peralatan Penelitian - Alat Pengolahan Limbah Cair
1.) Membran keramik
2.) Housing membran keramik 3.) Ember plastik
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012 Page 19 - Alat Analisa Air Asam Tambang
1.) PHmeter
2.) Gelas ukur 100 ml 3.) Erlenmeyer 4.) Oven
5.) Timbangan elektrik
6.) Spektrofotometri Serapan Atom (SSA) 7.) Pipet tetes
8.) Corong gelas
9.) kertas saring whatman 40, dengan ukuran pori θ 0.42 μm
10.) TDSmeter
Bahan yang Digunakan
-Pada Penjernihan Air Asam Tambang 1.) Limbah air asam tambang 2.) Pencuci
-Pada Pembuatan Membran 1.) Tanah Liat (Lempung) 2.) Zeolit
-Pada Analisa Parameter Limbah Cair 1.)Air suling
2.)Larutan Standar Logam Besi (Fe) dan Mangan (Mn)
Prosedur Penelitian
Pembuatan Membran Keramik
Berikut ini adalah langkah-langkah penjelasan diagram alir proses pembuatan membran keramik diatas:
1.) Pencampuran tanah liat dan zeolit, dengan perbandingan tanah liat : zeolit yaitu (90% :10%, 80%:20%, 70%:30%, 60%:40%, 50% :50%), ditambah air kemudian diaduk rata.
2.) Bahan dicetak dengan cetakan gips.
3.) Bahan yang dicetak dikeluarkan dari cetakan kemudian ditempatkan diatas lembaran pohon pisang.
4.) Bahan yang dicetak dikeringkan pada suhu kamar selama 7 hari.
5.) Bahan yang dicetak dibakar pada suhu 900 – 1000oC.
6.) Lama pembakaran 12 jam, yaitu 4 jam pengasapan dan 8 jam pembakaran.
Skema Rancangan Membran Keramik Membran keramik dibuat dari tanah liat dan zeolit yang mempunyai:
Diameter dalam = 3 cm Diameter luar = 5 cm
Ketebalan = 2 cm
Panjang = 30 cm
Gambar 1. Skema Rancangan Membran Keramik
Housing Membran
Housing membran terbuat dari fiber glass, yang mempunyai :
Diameter housing = 14 cm Panjang housing = 35 cm
Limbah cair masuk melalui bagian dalam membran kemudian akan merembes melewati pori-pori dinding membran sehingga terjadi proses filtrasi lalu permeat akan keluar dari bagian bawah membran.
Prosedur Penelitian Pengolahan Limbah Air Asam Tambang
Membran di masukkan ke dalam housing lalu air limbah yang ada di dalam wadah feed, dialirkan dengan menggunakan pompa ke dalam housing yang telah dipasang membran di bagian dalamnya. Aliran dibuat recycle, yang tidak keluar ke housing membran dikembalikan ke wadah feed.
Aliran limbah diatur dengan menggunakan kerangan yang dipasang di pipa masuk housing. Air hasil penyaringan (permeat) dibiarkan beberapa waktu kemudian ditampung diwadah botol dengan interval waktu 15, 30, 45 dan 60 menit. Serta interval tekanan 0.038, 0.056, 0.08, 0.114 bar. Ratio membran 5:5, 6:4, 7:3, 8:2, 9:1.
Page 20 Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012 5
1 2 3
4
6 3
4 4
7
Gambar 2. Rangkaian Peralatan Pengolahan Limbah Air Asam Tambang Menggunakan
Membran Keramik
Pemeriksaan pH
Pemeriksaan pH dilakukan dengan alat pH meter. Dikalibrasi terlebih dahulu pHmeter dengan menggunakan aquadest sehingga pHnya 7. Apabila sudah selesai pengukuran pHnya, maka alat harus dicuci bersih.
Pemeriksaan TSS
a. Kertas saring dibakar di dalam oven pada suhu 108oC selama 1 jam
b. Kertas saring yang telah dibakar didinginkan di dalam desikator selama 15 menit
c. Ditimbang kertas saring, dicatat berat awalnya
d. Sampel limbah yang akan diperiksa diambil sebanyak 50 ml, kemudian disaring dengan menggunakan kertas saring yang sudah ditimbang beratnya
e. Dibakar kembali kertas saring tersebut dengan suhu 108oC selama 1 jam
f. Kertas saring didinginkan di dalam desikator selama 15 menit
g. Timbang berat akhir kertas saring dengan isinya.
Keterangan :
A = Berat akhir kertas saring B = Berat awal kertas saring C = Volume sampel
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Sampel air awal yang diteliti adalah air asam tambang (AAT) dari Tanjung Api-api dengan kandungan seperti pada tabel di bawah ini :
Tabel 2. Kandungan Air Asam Tambang (AAT) Awal
No Parameter Nilai Standar
1. pH 4,31 6-9
3. TSS (ppm) 97,5 50 5. Logam Fe 2,335 0,300 6. Logam Mn 10,982 0,1000 Sumber: Hasil Analisa di Laboratorium
Kesetimbangan Kimia Jurusan Teknik Kimia Universitas Sriwijaya
Dari tabel 2 terlihat bahwa TSS, pH, kadar ion Besi dan Mangan tidak sesuai standar yang diperbolehkan.
Pengaruh Komposisi Membran (Persentase Zeolit) Terhadap Parameter Analisa Hasil pada Tekanan 0,038 atm dan 204 siklus (30 menit)
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012 Page 21 Dari gambar 3 terlihat bahwa semakin tinggi
persentase zeolit pada membran, derajat keasaman (pH) hasil semakin meningkat namun tidak terlalu signifikan (6,75-6.9). Hal ini karena ukuran ion H+ yang kecil dan memiliki mobilitas yang tinggi sehingga tidak dapat tersaring. Ion H+ merupakan kation, seperti ion Fe2+ dan Mn2+, sedangkan zeolit merupakan cation exchanger. Hal ini memungkinkan kenaikan pH hasil, karena ion H+ terikat oleh zeolit, meskipun dalam jumlah yang sedikit.
Gambar 4. Pengaruh komposisi membran (persentase zeolit) Terhadap nilai TSS pada tekanan 0,038 atm dan 202 siklus (30 menit)
Zeolit sering disebut sebagai 'molecular sieve' / 'molecular mesh' (saringan molekuler) karena zeolit memiliki pori-pori berukuran kecil (kurang dari 0,28 nm) yang mampu memisahkan / menyaring molekul dengan ukuran lebih besar dari 0,28 nm (Wiradini, 2007). Pada gambar 4.2 terlihat bahwa nilai TSS dengan kenaikan persentase zeolit. Hal ini disebabkan oleh Semakin tingginya persentase zeolit, maka makin banyak pori yang terdapat pada membran sehingga banyak TSS yang lolos (tidak tersaring).
Gambar 5. Pengaruh komposisi membran (persentase zeolit) Terhadap kandungan logam Fe pada tekanan 0,038 atm dan 204 siklus (30 menit)
Gambar 6. Pengaruh Komposisi Membran (Persentase Zeolit) Terhadap Kandungan Logam Mn pada Tekanan 0,038 atm dan 204 Siklus (30 menit)
Zeolit memiliki karakteristik sebagai penyerap (adsorbent) dan sebagai penukar ion (ion exchanger) (Wiradini, 2007). Zeolit sebagai
Page 22 Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012 Dari gambar 5 dan 6 terlihat bahwa
semakin tinggi persentase zeolit pada membran maka nilai kandungan logam Fe dan Mn dalam air hasil makin berkurang. Hal ini disebabkan terjadinya proses pertukaran ion antara kation alkali (Na+) yang ada dalam padatan zeolit dengan ion logam Fe2+ dan Mn2+, yang ada dalam air asam tambang sesuai dengan reaksi sbb :
Fe2+(aq) + Na2(O.Al2O3.3SiO2.2H2O)(s)
Fe(O.Al2O3.3SiO2.2H2O) (s) + 2 Na +
(aq)
Mn2+(aq)+ Na2(O.Al2O3.3SiO2.2H2O (s)
Mn(O.Al2O3.3SiO2.2H2O(s) + 2 Na+(aq)
Namun pada persentase zeolit dari 40% ke 50%, nilai kandungan logam Fe dan Mn dalam air hasil mengalami sedikit kenaikan. Hal ini disebabkan banyak pori pada permukaan membran sehingga ion logam Fe dan Mn lolos atau tidak tersaring.
Dari data di atas, dapat disimpulkan bahwa komposisi membran terbaik adalah 30% zeolit sampai 40% zeolit. Pada percobaan selanjutnya dipilih komposisi membran terbaik 30% zeolit . Alasan dipilihnya membran ini karena membran dengan persentase zeolite 30% lebih murah dari membran dengan persentase zeolit 40%.
Pengaruh Siklus (Waktu Operasi) Terhadap Parameter Analisa Hasil pada Persentase Zeolit 30% dan Tekanan 0,038 atm
Gambar 7. Pengaruh Siklus (Waktu Operasi) Terhadap pH Hasil pada Persentase Zeolit 30% dan Tekanan 0,038 atm
Dari gambar 7 terlihat bahwa kenaikan nilai derajat keasaman (pH) terhadap kenaikan siklus tidak terlalu signifikan (6,80-6,86). Kenaikan nilai pH ini dikarenakan kenaikan siklus (waktu kontak) makin banyak ion H+ yang terikat oleh zeolit menggantikan ion Na.
Gambar 8. Pengaruh Siklus (Waktu Operasi) Terhadap Nilai TSS pada Persentase Zeolit 30% dan Tekanan 0,038 atm
Dari gambar 8 terlihat bahwa semakin banyak siklus maka nilai TSS yang didapat makin kecil. Penurunan nilai TSS ini disebabkan karena zat terlarut yang tertahan oleh membran lama kelamaan akan terakumulasi atau menumpuk pada permukaan membran membentuk endapan yang berfungsi sebagai penyaring/penghambat aliran TSS.
Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012 Page 23 Gambar 10. Pengaruh Siklus (Waktu Operasi)
Terhadap Kandungan Logam Mn pada Persentase Zeolit 30% dan Tekanan 0,038 atm
Dari gambar 9 dan 10 terlihat bahwa makin banyak siklus, maka makin rendah nilai kandungan logam Fe dan Mn dalam air hasil. Hal ini karena dengan makin banyakya siklus, maka makin banyak kesempatan ion Fe dan Mn yang terikat pada zeolit.
Dari data di atas, dapat disimpulkan bahwa dalam range percobaan ini, jumlah siklus terbaik adalah 408 (60 menit) yang merupakan siklus terbanyak pada percobaan itu. Selanjutnya jumlah siklus ini dipilih sebagai variabel tetap selanjutnya.
Pengaruh Tekanan Terhadap Parameter Analisa Hasil pada Persentase Zeolit 30% dan 408 siklus (60 menit)
Gambar 11. Pengaruh Tekanan Terhadap pH hasil Pada Persentase Zeolit 30% dan 408 siklus (60 menit)
Dari gambar 11 terlihat tidak ada pengaruh tekanan yang signifikan terhadap pH (6,8-6,81) air hasil. Pertukaran ion sulit terjadi karena ion H+ jauh lebih kecil dari ion Na+, sehingga ikatan ion H+ lebih lemah dan mudah terlepas dengan zeolit.
Gambar 12. Pengaruh Tekanan Terhadap nilai TSS pada Persentase Zeolit 30% dan 408 siklus (60 menit)
Dari gambar 12 terlihat bahwa makin tinggi tekanan pada membran maka nilai TSS makin bertambah. Hal ini dikarenakan bertambahnya daya tekan pada membran menyebabkan TSS menerobos pori-pori pada permukaan membran. Selain itu bertambahnya tekanan dapat mengakibatkan permukaan membran yang rusak (terkikis).
Page 24 Jurnal Teknik Kimia No. 3, Vol. 18, Agustus 2012 Gambar 14. Pengaruh Tekanan Terhadap
Kandungan Logam Mn pada Persentase Zeolit 30% dan 408 Siklus (60 menit)
Dari gambar 13 dan 14 terlihat bahwa perubahan nilai kandungan logam Fe dan Mn tidak terlalu signifikan. Nilai kandungan logam Fe dari 0,05 sampai 0,064 dan kandungan logam Mn dari 0,035 sampai 0,039. Semakin tinggi tekanan maka kandungan logam Mn dan Fe semakin kecil disebabkan rejeksi kandungan logam yang meningkat. Namun terdapat batasan tertentu bagi jumlah kandungan logam yang dapat direjeksi untuk tekanan yang digunakan. Semakin tinggi tekanan yang diberikan mengakibatkan kandungan logam yang melewati membran semakin bertambah. Hal ini terjadi karena umpan didorong melalui membran pada kecepatan tinggi sehingga kandungan logam yang berada pada permukaan membran ikut menembus membran bersama umpan (Kaliapan, dkk, 2005)
4. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa :
1) Semakin tinggi komposisi membran (persentase zeolit) maka makin tinggi nilai pH, TSS, dan semakin rendah kandungan logam Fe dan Mn
2) Semakin banyak siklus (waktu operasi) maka makin rendah nilai TSS, logam Fe dan Mn, namun pH tidak berpengaruh secara signifikan.
3) Semakin tinggi tekanan maka makin tinggi nilai TSS, kandungan logam Fe dan Mn, namun pH tidak berpengaruh secara signifikan.
4) Komposisi membran yang optimal diperoleh pada persentase zeolit 30 %, siklus 406 siklus (60 menit) dan tekanan 0,08 atm.
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2012. “Zeolit” . Diakses pada 20 Januari 2012 dari
http://en.wikipedia.org.
Anonim. 2012. “Ion Exchange” .Diakses pada 2 Maret 2012 dari http://en.wikipedia.org.
Anonim. 2009. “Membran Keramik” .Diakses pada 2 Maret 2012 dari http://en.wikipedia.org.
Wagner, Jørgen, B. Sc. 2001. Membrane Filtration Handbook. Osmonics, Inc.
Noble, R. D and S. A. Stern. 1995. Membrane Separations Technology, Principles and Applications. Elsevier Science B.V.
