MK Unit Proses Teknik Lingkungan

(1)

Pengolahan Fisik

Kimiawi

(2)

Topik yang dibahas:

•

Koagulasi-fokulasi

•

Disinfeksi

•

Aerasi

•

Adsorpsi

•

Pertukaran Ion

Monday, November 05, 2

(3)

KOAGULASI-FLOKULASI

(4)

KOAGULASI-FLOKULASI

Aplikasi koagulasi-fokulasi pada pengolahan air dan air limbah:

• _{Menurunkan/menghilangkan kadar}

partikel tersuspensi/koloid dengan cara mengubah partikel menjadi

coagulated particles, sehingga mudah diendapkan

(5)

pengadukan lambat outlet inlet pengadukan cepat Larutan koagulan Mg2+

Ca2+_(HCO 3-)2

Mg2+

Ca2+

Na+

Ca2+

Ca2+_(HCO 3-)2

Mg2+ Ca2+ Ca2+ Mg2+ Na+ Al3+ Al3+ Al3+

Al3+ _Al(OH) 3

Al(OH)₃ Al3+

Ca2+_(HCO 3-)2

Al3+ Al3+ Al3+ Al(OH)₃ Al(OH)₃ Koagulasi Flokulasi

Pembentukan flok besar Destabilisasi partikel

(6)

Pengadukan

• _{Proses koagulasi-fokulasi membutuhkan}

PENGADUKAN CEPAT DAN PENGADUKAN LAMBAT

• _{Kecepatan pengadukan dinyatakan}

dengan GRADIEN KECEPATAN (G):

P = suplai tenaga ke air (N.m/detik)

V = volume air yang diaduk, m3

 = viskositas absolut air, N.detik/m2

V . P G



(7)

Gradien Kecepatan

• _{Pengadukan cepat} G= 300 sampai

1000 detik-1 (waktu pengadukan

tidak lebih dari 1 menit)

• _{Pengadukan lambat} G= 20 sampai

100 detik-1 (waktu pengadukan 15

(8)

Jenis Pengadukan

•

Mekanis

•

Hidrolis

(9)

Pengadukan Mekanis

• _{menggunakan alat pengaduk berupa}

impeller yang digerakkan dengan motor bertenaga listrik

motor

impeller

bak pengaduk

inlet _outlet

inlet outlet

(10)

Pengadukan Hidrolis

• _{memanfaatkan gerakan air sebagai tenaga}

pengadukan

Pembubuhan koagulan

inlet

outlet

(11)

Pengadukan Pneumatis

• _{menggunakan udara (gas) berbentuk}

gelembung yang dimasukkan ke dalam air sehingga menimbulkan gerakan

pengadukan pada air

inlet

outlet

udara

koagulan

(12)

Reaksi kimia untuk

menghasilkan fok

Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(HCO3)2  2Al(OH)3 +

3CaSO4 + 14H2O + 6CO2

2FeSO4.7H2O + 2Ca(OH)2 + 1/2 O2  2Fe(OH)3 +

2CaSO4 + 13H2O

Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2  2Fe(OH)3 + 3CaSO4 +

6CO2

2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2  2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2

(13)

Beberapa Jenis Koagulan

Nama Kimia Nama Lain Rumus Kimia Berat Molekul Wujud

Densitas bulk, kg/m3 Specific Gravity Kelarutan dalam Air, kg/m3 Kadar Kimia %w/w Kadar Air % w/w pH larutan Aluminium sulfat

Alum Al₂(SO₄)₃.14,3H₂O 599,77 Putih terang,

padat 1000-1096 1,25-1,36 Sekitar 872 Al: 9,0-9,3

Sekitar 3,5 Alum cair Al₂(SO₄)₃.49,6H₂O 1235,71

Putih atau

terang- abu abu kekuningan, cair

1,30-1,34 Sangat larut Al: 4,0-4,5 71,2-74,5

Ferri klorida

Besi (III) klorida,

Besi triklorida FeCl3 162,21

Hijau-hitam,

bubuk 721-962 Sekitar 719 Fe: kira2 34

Ferri klorin cair

FeCl₃.6H₂O 270,30 Kuning-coklat,

bongkahan 962-1026 Sekitar 814

Fe:

20,3-21,0 FeCl₃.13,1H₂O 398,21 Coklat

kemerahan, cair 1,20-1,48 Sangat larut

Fe:

12,7-14,5 56,5-62,0 0,1-1,5

Ferri sulfat

Besi (III) sulfat,

Besi persulfat Fe2(SO4)3.9H2O 562,02

Merah-coklat,

bubuk 1122-1154

Fe:

17,9-18,7 Ferri sulfat cair Fe₂(SO₄)₃.36,9H₂O 1064,64 Coklat

kemerahan, cair 1,40-1,57 Sangat larut

Fe:

10,1-12,0 56,5-64,0 0,1-1,5 Ferro sulfat Copperas FeSO₄.7H₂O 278,02

Hijau, bongkahan kristal

1010-1058 Fe: Sekitar

20

(14)

Kebutuhan koagulan

• _{Besarnya kebutuhan koagulan tidak}

dapat ditentukan secara

stoikiometris, sehingga harus ditentukan dengan percobaan laboratorium (jar test)

(15)

Jar Test

• _{Pemilihan koagulan dan kadarnya}

membutuhkan studi laboratorium

atau pilot plant (menggunakan jar

(16)

DISINFEKSI

(17)

DISINFEKSI

• _{Berfungsi untuk:}

– _{membunuh mikroba pathogen pada air}

limbah sebelum dibuang ke lingkungan

– _{membunuh mikroba pathogen pada air}

minum sebelum

didistribusikan/dikonsumsi

• _{Metoda: fsik atau kimiawi}

(18)

Radiasi Ultra Violet

• _{Sumber sinar ultra violet} lampu

mercury tekanan rendah

• _{Radiasi ultra violet dengan panjang}

gelombang sekitar 254 nm menembus dinding sel

(19)

• _{Penonaktifan bakteri oleh sinar UV:}

N_t = densitas bakteri yang tersisa setelah disinari UV (organisme/100 ml)

N_o = densitas bakteri sebelum disinari UV (organisme/100 ml)

k = konstanta kecepatan penon-aktifan (cm2_/__{W.det atau}

cm2_/__W.menit)

I = intensitas input energi ultra violet (W/cm2₎

t = waktu pemaparan, detik atau menit

kIt N

N ln

o t

(20)

Klorinasi

• _{Klorinasi adalah penggunaan}

senyawa klor sebagai disinfektan

• _{Senyawa klor yang umum digunakan:}

– gas klor (Cl₂),

– kalsium hipoklorit (Ca(OCl)₂),

(21)

Reaksi pada klorinasi

• Cl₂ + H₂O  HOCl + H+

+ Cl

-• _HOCl_H+ + OCl

-• _{Jumlah HOCl dan OCl}- yang

ada dalam air disebut klor tersedia bebas 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

(22)

l-Penentuan dosis klor

Rekasi yang terjadi saat awal pembubuhan klor:

• NH₃ + HOCl  NH₂Cl (monokloramin) + H₂O

• NH₂Cl + HOCl  NHCl₂ (dikloramin) + H₂O

• NHCl₂ + HOCl  NCl₃ (nitrogen triklorida) +

H₂O Klor aktif

(mg/l)

Bereaksi dengan NH3

Terbentuk N2

Breakpoint chlorination

(23)

Dosis klor

• _Problem:_{What should the chlorinator setting be}

(lb/day) to treat a fow of 3 MGD if the chlorine demand is 12 mg/L and a chlorine residual of 2 mg/L is desired?

• Chlorine dose (mg/L) = 12 mg/L + 2 mg/L = 14

mg/L

• Then we can make the mg/L to lb/day calculation:

14 mg/L × 3 MGD × 8.34 lb/gal = 350 lb/day

(24)

• _Problem:_{A total chlorine dosage of 10 mg/L is required}

to treat a particular wastewater. If the fow is 1.4 MGD and the hypochlorite has 65% available chlorine, how many lb/day of hypochlorite will be required?

• _Solution:

1. Calculate the lb/day chlorine required using the mg/ L to lb/day equation:

mg/L × MGD × 8.34 lb/gal = lb/day

10 mg/L × 1.4 MGD × 8.34 lb/gal = 117 lb/day 2. Calculate the lb/day hypochlorite required.

Because only 65% of the hypochlorite is chlorine, more than 117 lb/day will be required:

(25)

Disinfeksi dengan Ozone

(O

₃

)

• _{Pemakaian ozone yang paling umum}

adalah untuk disinfeksi terhadap bakteri dan virus.

• _{Dosis ozone sebesar 0,4 mg/l dalam}

waktu 4 menit (faktor waktu kontak (CT) = 1,6) mampu menghilangkan bakteri patogenik dan polivirus

• _{Faktor CT sebesar 2 diperlukan untuk}

menjamin penghilangan total Giardia

(26)

Bak kontaktor

Off-gass

Ozonated water

(27)

Rumus disinfeksi

di mana :

N = jumlah patogen pada waktu t N₀ = jumlah patogen pada t = 0 C = konsentrasi disinfektan, mg/l t = waktu, menit

k = koefsien kematian spesifk, (mg/l)-1_menit –1

n = koefsien pengenceran

Kematian spesifk dari O₃ terhadap beberapa organisme untuk n = 1 :

- enteric bacteria : 500 - virus : 5

- spora : 2

- cyst amuba : 0.5

N kC dt

dN _n



 _kC _t

(28)

Contoh soal

(29)

AERASI

(30)

AERASI

• Transfer gas/aerasi didefnisikan

sebagai perpindahan gas dari fase gas menuju fase cair atau sebaliknya

• Transfer gas dan aerasi merupakan proses penting dalam pengolahan air limbah:

– _{Penambahan oksigen terlarut}

– Penyisihan rasa, bau, dan warna

– _{Penyisihan bahan organik}

– _{Penyisihan karbon dioksida}

– Penyisihan hidrogen sulfda

(31)

Type of aeration

• _{Difused aeration}

• _{Gravity aeration}

– _{Cascade aeration} – _{Tray aeration}

– _{Spray aeration} – _{Packed tower}

• _{Mechanical aeration}

(32)

Aeration

Difused Aeration:

• _{Coarse Bubble}

• _{Fine Bubble}

(33)

(34)

_{Pipe with} drilled holes

(35)

35

Gravity Aeration

Cascade aeration

(36)

018 36

Gravity Aeration

(37)

37

Gravity Aeration

(38)

Mechanical Aeration

(39)

Modeling Gas Transfer

Henry’s Law: S = K P

• S = solubility of the gas, mg gas/L • _{P = partial pressure of the gas} • _{K = solubility constant}

If a gas is 60% O2 and 40% N2 and the total

pressure of the gas is 1 atm (101 KPa), the partial

pressure of O2 = 0.6 x 101 = 60.6 Kpa. The total

pressure is equal to the sum of the partial pressures (Dalton’s Law)

(40)

Example

At one atmosphere, the solubility of pure oxygen is 46 mg/L in water with no suspended solids. What would be the solubility if the gas were replaced by air?

• With Pure oxygen:

S = K P

46 = K x 1

K = 46 mg/(L-atm)

• With air:

S = K P

Since air is 20% oxygen, P = 1 x 0.2 = 0.2 atm S = 46 x 0.2 = 9.2 mg/L

(41)

Oxygen Transfer

The rate of oxygen transfer is proportional to the

diference in the oxygen concentration that exists in the system (C) and the saturation concentration

(Cs):

dC/dt ~ (Cs – C)

• _{The constant of proportionality is called the gas}

transfer coefcient, KLa

• _Integrating:

(42)

Temperature efect

• θ = 1.015 – 1.040 (typical 1.024)

018 42

) T

( La

T

La

)

(

K

)

K

(

₂₀ 20

(43)

Konsentrasi Oksigen Terlarut (pada Tekanan 760 mmHg)

Suhu, o_C Oksigen Terlarut Jenuh, Cs (mg/l) pada kadar garam (mg/l) 0 5000 10000 15000 20000 0 14,62 13,79 12,97 12,14 11,32 2 13,84 13,05 12,28 11,52 10,76 4 13,13 12,41 11,69 10,97 10,25 6 12,48 11,79 11,12 10,45 9,78 8 11,87 11,24 10,61 9,98 9,36 10 11,33 10,73 10,13 9,55 8,98 12 10,83 10,28 9,72 9,17 8,62

14 10,37 9,85 9,32 8,8 8,3

16 9,95 9,46 8,96 8,47 7,99

18 9,54 9,07 8,62 8,15 7,7

20 9,17 8,73 8,3 7,85 7,42

22 8,83 8,42 7,99 7,57 7,14

24 8,53 8,12 7,71 7,3 6,87

26 8,22 7,81 7,42 7,02 6,61

28 7,92 7,53 7,14 6,75 6,37

30 7,63 7,25 6,86 6,49 6,13

Sumber: Reynolds dan Richards (1996)

(44)

Example

(45)

(46)

Example

• _{Two difusers are to be tested for their oxygen}

transfer capability. Tests were conducted at 20oC

using the system shown below, with the following results:

018 46

Time, min Air-max Wonder Diffuser Diffuser

0 2 3.5

1 4 4.8

2 4.8 6

3 5.7 6.7

(47)

• K_La = slope of the lines

• Air-Max: K_la = 2.37 min-1

• Wonder: K_la = 2.69 min-1

018 47

Time, min Air-max Wonder Diffuser Diffuser

0 7.2 5.7 1 5.2 4.4 2 4.4 3.2 3 3.5 2.5

(48)

Contoh Soal

Percobaan aerasi dengan menggunakan

surface aerator dalam tangki uji berbentuk silinder dengan volume 600 liter dengan kondisi suhu air 28C dan tekanan

atmosfer 750 mm Hg. Data yang diperoleh adalah:

Tentukanlah Nilai K_La (1/jam)

018 48

Waktu (menit) C (mg O₂/l)

(49)

Penyelesaian

• _{Pada suhu 28}_{C dan tekanan 760 mm Hg}

nilai Cs = 7,92 mg/L, karena dioperasikan pada tekanan 750 mmHg, maka diperlukan koreksi nilai Cs untuk penentuan KLa. Pada

suhu ini tekanan uap air Pv = 28,6 mm Hg sehingga:

• _{Data percobaan diolah}

sebagai berikut :

018 49

Waktu (menit)

C (mg O₂/l) C_s - C

0 0 7,81

10 2,6 5,21

20 4,8 3,01

30 6 1,81

40 7,1 0,71

50 7,3 0,51

60 7,8 0,01

L / mg , , , x , p p P Cs

Cs 781

(50)

Tekanan jenuh uap air

Suhu C Tekanan uap (mm Hg)

0 5 10 15 20 25 30

4,5 6,5 9,2 12,8 17,5 23,8 31,8

(51)

Selanjutnya dibuat grafk hubungan antara ln (Cs – C) Vs t, diperoleh kemiringan garis

(slope) = KLa = 0,0931/menit = 5,59/jam

018 51

0 10 20 30 40 50 60 70

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3

f(x) = − 0.09 x + 2.76 R² = 0.8

(52)

Aplikasi Nilai K

_La

• _{Surface aerator pada Contoh Soal di atas digunakan pada}

tangki aerasi dengan volume 500 m3_{dan suhu air 30}_C.

Hitunglah (a) nilai K_La, (b) jumlah oksigen yang ditransfer per jam.

• _{Penyelesaian :}

(K_la)_28C = 5,59 /jam

(K_La)_20C = (K_La)_T x 20-T =(5,59) x (1,024)20-28 = 4,62 /jam

(K_La)_30C = (K_La)₂₀ x T-20 =(4,62) x (1,024)30-20 = 5,86 /jam

Jumlah Oksigen yang diperlukan : kg O₂/ jam = (K_La)_30C x C_s x V

pada 30C konsentrasi jenuh Cs = 7,63 mg O₂/l = 7,63. 10-6

kg O₂/l

kg O₂/ jam = 5,86/jam x 7,63 x 10-6 kg O

2/l x 500.000 liter

= 22,36 kg O₂/jam

• _{Lihat spesifkasi aerator (cari brosur) yang mampu}

menghasilkan transfer oksigen sebesar 22,36 kg O₂/jam

(53)

ADSORPSI

(54)

ADSORPSI

•

ADSORPSI: serangkaian proses

yang terdiri atas reaksi-reaksi

permukaan zat padat (disebut

adsorben) dengan bahan

pencemar yang diadsorpsi

(disebut adsorbat)

(55)

Pengelompokan Adsorpsi:

•

Adsorpsi fsik

•

Adsorpsi kimiawi

•

Adsorpsi pertukaran

(56)

Aplikasi Adsorpsi

Pada pengolahan air limbah:

• _{untuk penyisihan bahan organik}

non-biodegradable atau refractory organic

• _{untuk penyisihan logam berat}

(57)

(58)

Operasi Adsorpsi

•

Batch atau sequencing batch

reactor (SBR)

•

Kontinyu

(59)

Model Adsorpsi

• SISTEM BATCH:

– Model Adsorpsi Langmuir

– Model Adsorpsi Freundlich

– Model Adsorpsi B.E.T (Brunauer, Emmett,

Teller)

• _{SISTEM KONTINYU:}

– Model Transfer Massa

– Model Bohart-adams

– _{Model Pendekatan}_{Bed Depth / Service Time}

– Model Pendekatan Matematis / Grafs

(60)

Model adsorpsi Langmuir

• PERSAMAAN:

x/m= kap. adsorpsi, g/g q_m=kap. adsorpsi maks. C=konsentrasi, mg/L

b=koef. langmuir

018 60

x/ m

C

bC

1

bC

q

m

x

_m

(61)

• _{Linierisasi persamaan Langmuir:}

018 61

1 . x/m 1/C Slope =

bC

1

bC

q

m

x

_m



m

mbC q

(62)

Model adsorpsi

Freundlich

• PERSAMAAN:

x/m

C

018 62

n 1

KC m

x

(63)

• _{Linierisasi persamaan Freundlich:}

018 63

ln x/ m

ln C

Slope =

n 1

KC m

x

 ln _mx  ln K  1_n lnC

(64)

Contoh soal

Air limbah dengan COD 80 mg/l diolah dengan adsorpsi menggunakan karbon aktif. Efuen yang diharapkan adalah tidak lebih dari 15 mg/l COD. Data hasil percobaan ditabulasi sebagai berikut:

• _{Tentukan konstanta Freundlich} • _{Tentukan konstanta Langmuir}

Flask Massa karbon

(65)

Penyelesaian:

• _{Hitung massa COD teradsorpsi (x):}

x = (CODawal - CODakhir) x volume = (80 mg/l - 49 mg/l) x 0,25 l = 7,75 mg

• _{Hitung x/m:}

x/m = 7,75 mg / 50 mg = 0,155 mg/mg

• Hitung ln (x/m) dan ln Ce:

– _{ln (x/m) = ln 0,155 = -1,864}

– ln Ce = ln 49 = 3,892

• Hitung 1/(x/m) dan 1/Ce:

– _{1/(x/m) = 1/0,155 = 6,452}

– 1/Ce = 1/49 = 0,020

(66)

• _{Perhitungan selanjutnya lihat tabel}

berikut:No m C_e x x/m ln (x/m) ln C_e 1/(x/m) 1/C_e

1 0 80

2 50 49 7,75 0,155 -1,864 3,892 6,452 0,020

3 100 31 12,25 0,1225 -2,100 3,434 8,163 0,032

4 200 20 15 0,075 -2,590 2,996 13,333 0,050

5 500 7 18,25 0,0365 -3,310 1,946 27,397 0,143

6 800 4 19 0,02375 -3,740 1,386 42,105 0,250

7 1000 3 19,25 0,01925 -3,950 1,099 51,948 0,333

11/5/18 66

y = 0,7582x - 4,7901 R2 = 0,9965

-5 -4 -3 -2 -1 0

0 1 2 3 4

ln C ln ( x /m )

y = 145,9x + 4,7441 R2 = 0,9938

0 10 20 30 40 50 60

0 0,1 0,2 0,3 0,4

(67)

• _{Dari dua grafk tersebut diperoleh:}

– _{1/n = 0,7582 dan ln K = -4,7901 atau K}

= 0,0083

– 1/(q_mb) = 145,9 dan 1/q_m = 4,7441 atau q_m = 0,2108 dan b = 0,0325

• _{Dengan demikian persamaan}

adsorpsi yang diperoleh adalah:

– Freundlich : x/m = 0,0083 C_e0,7582

– _{Langmuir :}

(68)

PETUKARAN ION

(69)

PERTUKARAN ION

• _{Proses pertukaran ion melibatkan}

reaksi kimia antara ion dalam fase cair dan ion dalam fase padat.

• _{Dalam aplikasi pengolahan air limbah,}

ion dalam fase cair merupakan ion yang terkandung dalam air limbah

(70)

Reaksi

• _{Pertukaran ion dalam reaksi kimia}

dapat ditulis: nR-A+ + Bn+  R

n -Bn+ + nA+

Resin

A+

B+

A+

B+

A+

B+

(71)

PRINSIP PERTUKARAN

ION

•

Prinsip pertukaran ion adalah

selektiftas, artinya ion yang

mempunyai koefsien selektiftas

besar mampu menggantikan ion

lain di resin yang koefsien

selektiftasnya lebih kecil

•

Koefsien selektiftas:

K _[[R_R B_A _]][_n_[A_B_n]_]

n n n B A n              

  _A

(72)

Koefsien Selektiftas Relatif beberapa Kation

(73)

Koefsien Selektiftas Relatif beberapa Anion

(74)

Selektiftas

KATION:

Ba2+ > Pb2+ > Sr2+ > Ca2+ > Ni2+ >

Cd2+ > Cu2+ > Co2+ > Zn2+ > Mg2+ > Ag+ > Cs+ > K+ > NH₄₊ > Na+ > H₊

_ANION:

(75)

-Koefsien selektiftas juga dapat dinyatakan dalam fraksi ekivalen. Untuk mengkonversi satuan

konsentrasi ke fraksi ekivalen adalah sebagai berikut:

X_A + X_B = 1

• _{C = konsentrasi anion atau kation total dalam}

larutan (eq/l)

• X_A adalah fraksi ekivalen ion A dalam larutan

• X_B adalah fraksi ekivalen ion B dalam larutan

• _{adalah fraksi ekivalen ion A dalam resin} • _{adalah konsentrasi ion total di resin}

• _{adalah fraksi ekivalen ion B dalam resin}

(76)

• _{Dengan substitusi beberapa}

persamaan di atas dengan

persamaan diperoleh:

018 76     

  _A

H B H B A K K K n n ] CX ][ X C [ ] CX ][ X C [ K B A A B B A n               B A A B B

A _X _X

X X K n          B B B B B

A ₍ _X ₎_X

(77)

Contoh soal

Dalam analisa air diperoleh data laboratorium sebagai berikut: Ca2+ = 1,5 meq/L Cl- = 2,5 meq/L

Mg2+ = 1,0 meq/L SO

42- = 0,0 meq/L

Na+ = 2,0 meq/L NO

3- = 2,0 meq/L

Total kation = 4,5 meq/L Total anion = 4,5 meq/L

Air tersebut akan dihilangkan kandungan nitratnya dengan resin pertukaran anion basa kuat. Kapasitas resin adalah 1,25 eq/L dan 4.

Hitunglah volume air maksimum yang dapat diolah!

Penyelesaian:

• _{Fraksi ekivalen nitrat di larutan:} • _{Fraksi ekivalen nitrat di resin:}

• _{Artinya 76% resin akan digunakan untuk removal nitrat} • _{Kapasitas operasi terbatas: (1,25 eq/L)(0,76) = 0,95 eq/L} • _{Volume air yang terolah selama service:}

• _{Jadi volume air yang dapat diolah selama service adalah 475liter tiap liter resin.}

018 77    3 NO Cl K 44 0 5 4 0 2

3 , ,

, X_NO  

           44 0 1 44 0 4 1 ₃ 3 , , X X NO NO 76 0 3 ,

X NO 

L/L 10 75 4 larutan) di nitrat eq/L 10 0 2 sisihkan) nitrat ter L 95 0 2

3 ₍ , x

(78)

Tipe Resin

• _{Resin pertukaran kation}

(mengandung kation yang dapat dipertukarkan)

– _{Resin pertukaran asam kuat}

– _{Resin pertukaran asam lemah}

• _{Resin pertukaran anion}

(mengandung anion yang dapat dipertukarkan)

– _{Resin pertukaran basa kuat}

(79)