PENDIDIKAN TEKNIK KIMIA DI INDONESIA

WORKSHOP

PENDIDIKAN TEKNIK KIMIA DI INDONESIA Di Kampus Institut Teknologi Indonesia (ITI) 20 Juni 2005

BEBERAPA TEKNOLOGI PENGOLAHAN AIR MODERN YANG TERKAIT DENGAN TUNTUTAN DAN

TANGGUNG JAWAB PROFESI TEKNIK KIMIA

Setijo Bismo Departemen TGP FTUI - Kampus UI Depok 16424

Property of Setijo Bismo, 2005

MATERI WORKSHOP: BEBERAPA TEKNOLOGI PENGOLAHAN AIR MODERN YANG TERKAIT DENGAN TUNTUTAN DAN TANGGUNG JAWAB PROFESI TEKNIK KIMIA Setijo Bismo – Departemen TGP FTUI, Kampus UI Depok 16424 Kampus Institut Teknologi Indonesia (ITI) – 20 Juni 2005 Makalah ini menyajikan secara ringkas prinsip-prinsip dari beberapa teknologi modern yang berhubungan dengan pengolahan-pengolahan air bersih dan air minum, khususnya yang terkait dengan profesi Teknik Kimia. Selain mengacu pada teori-teori dasarnya, bahan-bahan yang disajikan disini juga mengacu pada hasil-hasil penelitian yang telah

Prof.

Roekmijati

W.S.

pada

RUT

V

yang

lalu,

dengan

judul:

“Pemanfaatan Zeolit Alam Indonesia sebagai Adsorben Amonia dan Turunannya dalam Limbah Cair”, akan dijadiakan acuan dalam penulisan

makalah

ini.

Walaupun

secara

spesifik

penelitian

ini

menggunakan zeolit alam Klinoptilolit dari daerah Campang Tiga – Sidomulyo (Lampung Selatan) untuk pengolahan air limbah yang mengandung senyawa amoniak dan turunannya, namun manfaat lain dari zeolit untuk teknologi pengolahan air modern telah banyak dikembangkan sehingga

diharapkan

menjadi

sinergis

dengan

teknologi-teknologi

pengolahan air lainnya.

diperoleh oleh berbagai peneliti di Indonesia, termasuk juga yang berasal

Pembahasan tentang aplikasi teknologi membran akan disajikan

dari perguruan tinggi. Secara khusus, teknologi-teknologi pengolahan air

pada paragraf kedua. Aplikasi teknologi membran secara spesifik, yaitu

yang disajikan pada bagian ini memiliki masa depan menjanjikan untuk

teknologi membran mikrofiltrasi dari bahan polimer polysulfone, telah

Perlindungan Lingkungan, yaitu: teknologi membran, teknologi zeolit, dan

diteliti dan dilaporkan hasilnya oleh Dr. Tjandra Setiadi dari Departemen

teknologi ozon, yang secara filosofis akan lebih diarahkan pada teknik-

Teknik Kimia FTI-ITB pada RUT VI, dengan judul: “Pengembangan

teknik dan strategi penyediaan air bersih, baik untuk kawasan

Sistem Kombinasi Lumpur Aktif dan Membran dengan Teknik

pemukiman (common society) ataupun untuk kawasan industri.

Backflushing untuk Pengolahan Limbah Cair Industri”. Penelitian Dr.

Secara umum, kajian-kajian tersebut merupakan telaahan yang lebih bersifat aplikasi teknologi yang dapat dijadikan bahan atau masukan bagi

Tjandra Setiadi ini lebih difokuskan pada sistem pengolahan limbah yang menggunakan Bio-reaktor.

staf pengajar dan para lulusan dari Jurusan TK-ITI untuk melakukan studi

Pada paragraf ketiga, akan dibahas tentang teknologi ozon dan

dalam hal mengatasi masalah kelangkaan air bersih bagi bangsa yang

ozonasi baik untuk proses-proses pengolahan air maupun untuk

besar ini di masa mendatang. Dengan melakukan kajian dan telaahan

penyediaan air bersih dan untuk penyediaan air minum. Rekayasa dan

yang lebih mendalam tentang hasil-hasil penelitian tersebut, diharapkan

rancang bangun berbagai alat pembangkit ozon (ozonator) telah

juga akan dicapai sasaran penanganan yang spesifik, tepat serta

dikembangkan oleh Dr. Setijo Bismo pada RUT VI yang lalu, dengan

berbasis pada sumberdaya yang tersedia di daerah tertentu.

judul: “Pengolahan Limbah Cair yang Mengandung Senyawa Fenol

Pada paragraf pertama, akan dibahas tentang aplikasi teknologi zeolit untuk pengolahan air. Penelitian-penelitian yang dilakukan oleh

dan Turunannya dengan Ozon dalam Kolom Sistem Injeksi Berganda”.

Walaupun

secara

khusus,

Makalah Workshop Jurusan Teknik Kimia – Institut Teknologi Indonesia: Beberapa Teknologi Pengolahan Air Modern yang Terkait dengan Tuntutan dan Tanggung Jawab Profesi Teknik Kimia

penelitian

tentang

teknik [1]

ozonasinya

lebih

diarahkan

untuk

pengolahan

air

limbah

yang

Rekayasa dan rancang bangun molekul ataupun struktur rangka

mengandung senyawa fenolik (fenol dan turunannya), namun secara

zeolit didasarkan atas pengetahuan tentang mineral zeolit sebagai

umum sistem peralatan yang dikembangkan memiliki kemampuan yang

senyawa tektosilikat yang terdiri atas unit-unit pembentuk dasar ‘silikat’

sangat memadai untuk sistem penyediaan air bersih, bahkan untuk

[–SiO 4 –] dan ‘aluminat’ [–AlO 4 –] yang dihubungkan oleh atom O sat

teknologi produksi air minum.

sama lainnya, sehingga terbentuk struktur 3-D yang bersifat mikropori, termasuk di dalamnya memiliki struktur rongga (cave) sehingga zeolit ini, baik sebagai mineral maupun sebagai bahan sintetis memiliki sifat-sifat

1. PERANAN ZEOLIT DALAM PROSES PENYEDIAAN AIR BERSIH Kata zeolit berasal dari kosakata Yunani, yaitu ‘zein’ yang berarti

yang dominan sebagai:

membuih dan ‘lithos’ yang berarti batu. Secara utuh, zeolit berarti batua-

1. Penyaring molekular (molecular sieve), yang memiliki ukuran pori

batuan mineral yang ditemukan di alam sebagai hasil aktivitas vulkanik

dalam orde angstrom (Å), yaitu sebesar orde sepersepuluh

(gunung berapi) purbakala.

nanometer. mineralogis

2. Bahan atau material penjerap (adsorbent), yaitu suatu bahan

berkebangsaan Swedia, yaitu A.F. Cronstedt pada tahun 1976. Zeolit

yang memiliki sifat aktif permukaan (surface active) yang mampu

yang

yang

melakukan jerapan dalam ukuran molekul ke dalam pori-porinya

dimanfaatkan menjadi bahan ‘penyaring molekular’ dari bahan dasar

sedemikan rupa sehingga akan terjadi perubahan fasa di daerah

zeolit yang pertamakali. Penemuan zeolit alam oleh Cronstedt kemudian

jerapan tersebut. Dalam hal ini, mekanisme difusi sangat

disusul oleh penemuan-penemuan berbagai jenis zeolit lainnya, seperti

dominan dalam menetukan terjadinya adsorpsi tersebut.

Mineral

zeolit

ditemukan

pertama

oleh

tersebut

kali

ditemukan

adalah

dari

oleh

jenis

‘Stilbit’,

Heulandite (HEU), Clinoptilolite (CLI), Mordenite (MOR), Chabasite

3. Material penukar kation (cation exchanger), karena di dalam

(CHA), Analsime (ANA), Thomsonite (THO), dan lain-lainnya. Sampai

struktur rangkanya banyak terdapat kation-kation (terutama

saat ini telah ditemukan sekitar 45 macam atau jenis struktur dari zeolit

logam-logam alkali dan alkali tanah, seperti Na, K, Ca, Mg, Ba,

alam di dunia ini.

dll.) yang sangat mudah bergerak sedemikian rupa sehingga

Hasil-hasil penemuan yang dilakukan oleh Cronstedt telah memicu berbagai penemuan dan rekayasa tentang manfaat zeolit oleh berbagai

dapat mempertukarkan kation-kation tersebut dengan kation lain yang ada di dalam fasa larutan.

peneliti di seluruh dunia, termasuk juga rekayasa dan rancang bangun

4. Katalis (catalyst), yaitu sebagai suatu material yang sangat aktif

molekul dan struktur rangka dari zeolit-zeolit sintetis. Sampai saat ini,

berperan mendorong terjadinya suatu reaksi sintesis bahan kimia,

telah dihasilkan lebih dari 150 jenis zeolit sintetik (tiruan) beserta

baik karena mekanisme reaksi yang bersifat redoks (reduksi-

tiruannya oleh para ahli dan peneliti mineral zeolit ini di dunia. Makalah Workshop Jurusan Teknik Kimia – Institut Teknologi Indonesia: Beberapa Teknologi Pengolahan Air Modern yang Terkait dengan Tuntutan dan Tanggung Jawab Profesi Teknik Kimia

[2]

oksidasi) maupun sebagai reaksi yang mengikuti mekanisme

jauh lagi kemanfaatannya. Sebagai contoh, di daerah Campang Tiga,

reaksi asam-basa.

Sidomulyo – Lampung Selatan telah lama ditemukan dan bahkan diteliti struktur kristal, kemampuan serta fungsi-fungsi lainnya baik sebagai penyaring molekul, adsorben, penukar kation ataupun sebagai katalis. Kemurnian zeolit klinoptilolit yang berasal dari lampung Selatan tergolong cukup tinggi, yaitu sekitar 75 % yang tercampur dengan struktur-struktur zeolit alam lainnya seperti mordenit, analsim, dan erionit.

Gambar 1. Sistematika penyusunan struktur rangka dari zeolit. Salah satu jenis zeolit alam yang banyak dijumpai di Indonesia Gambar 2. Struktur dari berbagai zeolit alam yang ada di Indonesia.

adalah zeolit Klinoptilolit (Clinoptilolite), keluarga dari jenis zeolit Heulandite yang banyak ditemukan di daerah Semenanjung Balkan pada tahun 1890. Di samping klinoptilolit, jenis zeolit alam lain yang juga sangat banyak ditemukan di persada Nusantara adalah Mordenit (Mordenite). Potensi zeolit alam di Indonesia sebenarnya sangatlah besar, namun karena keterbatasan pengetahuan dan ketrampilan dari sumberdaya manusia yang ada serta keterpaduan dengan pemerintah atau pun

Telah lama dikenal tentang keunggulan zeolit klinoptilolit sebagai material yang sangat potensil sebagai penukar kation dan adsorben untuk proses-proses pengolahan air, termasuk juga sebagai bahan penjerap unsur-unsur radioaktif yang sangat ampuh (misalnya: Cs), termasuk juga di bidang pertanian. Sifat-sifat fisika dan kimiawi dari zeolit klinoptilolit yang terpenting dapat disenaraikan seperti di bawah ini:

pengguna lainnya masih relatif rendah, maka sampai saat ini mineral zeolit alam di Indonesia belum banyak dikembangkan atau diteliti lebih



Rumus Empiris :



Ukuran Pori :

(Na 4 K 4 )(Al 8 Si 40 O 96 ). 24 H 2 O

2,4 - 5,6 Å


[3]



Luas permukaan :

47 - 60 m2/g



Keasaman (pH) :

5,6 - 6,7



Deret selektivitas :

K > NH4 > Ca  Na > Mg

semenjak tahun 1998 sampai kini.  Bekerjasama

dengan

instansi

lain

(baik

swasta

ataupun

pemerintah) untuk penelitian tentang masalah-masalah pertanian

Dari sifat-sifat fisika dan kimiawi zeolit klinoptilolit di atas, dapat

dan peternakan, misalnya: dengan CV. Minatama Mineral

disimpulkan bahwa zeolit klinoptilolit tersebut memiliki kation-kation logam

Perdana – Bandar Lampung (1994 – kini), dengan Politeknik

alkali (K dan Na) di permukaan strukturnya yang sangat mudah

Negeri Lampung (1999 – kini), dengan PT. Pupuk Kujang –

+

Dawuan, Cikampek (1999 – 2000), dan lain-lain.

+

bertukaran dengan kation amonium (terutama ion K atau ion H yang diperoleh dari proses pengasaman zeolit ini menjadi H-zeolit). Sifat-sifat

Karakteristik sifat-sifat fisika dan kimiawi zeolit alam klinoptilolit

yang menonjol inilah yang dimanfaatkan oleh Prof. Roekmijati W.S.

lainnya yang dapat dimanfaatkan sebagai penjerap amoniak, secara

dalam penelitannya di RUT V yang lalu, yaitu sebagai adsorben senyawa

umum sangat berkaitan dengan 5 hal berikut (Boles, 1972; Belitski dkk.,

amoniak dan turunannya yang terdapat dalam limbah cair.

1973; Chelischev dkk., 1974):

Selain penelitian yang dilakukan oleh Prof. Roekmijati W.S. di atas, sebenarnya para peneliti di Departemen TGP-FTUI juga melakukan penelitian-penelitian lainnya, di antaranya adalah sebagai berikut:  Meningkatkan luas permukaan yang sangat berarti, sampai ± 250 % dengan menerapkan metode-metode baru yang dikembangkan sendiri (1996 – 1997).  Menghasilkan suatu produk modifikasi (H-Zeolit) yang aktif dan efektif sebagai material adsorben dan senyawa kimia polutan:

 Rasio Si/Al,  Ukuran bukaan pori (pore aperture) dan luas permukaan (surface area),  Keasaman zeolit (solid acidity), terutama yang berhubungan dengan kekuatan asam (inti aktif asam-asam Brønstëd dan Lewis),  Kestabilan asam (acid stability), dan  Kestabilan zeolit terhadap panas (thermal stability). Ke lima faktor di atas, sebenarnya saling terkait satu dengan lainnya.

NH 3 , H 2 S, CO 2 dan Fenol (C 6 H 5 OH), pada tahun 1997 - 1999.

Sebagai contoh: rasio antara Si : Al sebenarnya juga berkaitan dengan

 Menghasilkan suatu bahan padatan penukar kation logam-logam

kesetimbangan struktur asam-basa Brønstëd dan Lewis di dalam

berat dan beracun : Hg, Pb dan Fe, pada tahun 1997 - 2000.  Mendapatkan material atau bahan unggulan sebagai katalis reaksi-reaksi oksidasi dan asam-basa, pada tahun 1997 - 2001.  Meningkatkan penelitian-penelitian yang berkaitan langsung

(permukaan) padatan zeolit tersebut. Di samping itu juga, kesetimbangan asam-asam Brønstëd dan Lewis tersebut (gambar 3.) sebenarnya juga sangat

menentukan

keaktifan

permukaan

zeolit

dan

seterusnya

berhubungan dengan sifat katalis dari zeolit tersebut.

dengan masalah pengolahan limbah cair dan pengolahan air, Makalah Workshop Jurusan Teknik Kimia – Institut Teknologi Indonesia: Beberapa Teknologi Pengolahan Air Modern yang Terkait dengan Tuntutan dan Tanggung Jawab Profesi Teknik Kimia

[4]

Air Produk (keluaran)

Air Produk (keluaran)

Penahan entrainment zeolit

support atau penyangga zeolit

unggun zeolit

Gambar 3. Kesetimbangan struktur antara Asam Brønstëd dan Asam Lewis.

Air Umpan (masukan)

Sampai saat ini, pengembangan aplikasi zeolit dalam bidang industri

Air Umpan (masukan)

(a)

(b)

air bersih dan atau air minum masih sangat terbatas baik sebagai adsorben, penukar kation ataupun sebagai katalis. Jika dilihat dari konstelasi pengolahan air di dunia industri pengolahan air, maka aplikasi

distributor dan penyangga zeolit

unggun zeolit terfluidisasi

Gambar 4. Aplikasi kolom unggun isian zeolit: (a). unggun diam dan (b). unggun terfluidisasi.

teknologi zeolit dapat direalisasikan pada: Pengolahan primer (primary

Teknik dan aplikasi dari zeolit alam yang paling banyak digunakan

treatment) ataupun Pengolahan Sekunder (secondaray treatment),

adalah dalam bentuk kolom unggun isian (packed column), baik yang

dalam hal ini dimanfaatkan baik sebagai penyaring, adsorben partikel-

memiliki unggun isian diam (fixed bed) ataupun sebagai unggun bergerak

partikel koloid hasil proses koagulasi dan flokulasi secara kimiawi

terfluidisasi (fluidized bed). Unggun diam memiliki keunggulan baik

(umumnya menggunakan alum atau Al 2 (SO 4 ) 3 , poly alumunum chloride

sebagai penyaring maupun sebagai penukar kation, namun memiliki

atau PAC, FeSO 4 , atau koagulan sejenisnya), maupun sebagai penukar

kendala jatuh

kation dari zat-zat berbahaya (radioaktif atau material B3 lainnya). Dalam

regenerasinya. Unggun fluidisasi unggul dalam hal penukar kation,

banyak hal, penggunaan zeolit sebagai penukar kation memberikan

penggunaan energi tekanan yang rendah, dan efektifitas kontak aerasi

kendala pada waktu penjenuhan zeolit yang terlalu cepat, sehingga

dari air yang diolah, namun memiliki kelemahan dalam hal investasi

memerlukan siklus periode regenarsi yang sangat singkat. Ada juga

peralatan yang mahal serta kehilangan yang relatif besar akibat terbawa

beberapa industri yang memanfaatkan zeolit untuk bahan membran

arus air.

tekanan yang

besar

dan kesulitan

dalam tahap

mikrofiltrasi. Makalah Workshop Jurusan Teknik Kimia – Institut Teknologi Indonesia: Beberapa Teknologi Pengolahan Air Modern yang Terkait dengan Tuntutan dan Tanggung Jawab Profesi Teknik Kimia

[5]

akibat aliran umpan yang mengandung molekul-molekul makro dan partikel besar lainnya, disebut filtrasi aliran silang

2. TEKNOLOGI MEMBRAN DALAM PROSES PENYEDIAAN AIR BERSIH Teknologi membran bekerja berdasarkan suatu “tabir penghalang” yang selektif, yang memungkinkan suatu proses pemisahan dari suatu spesi atau spesi-spesi tertentu dalam suatu fluida dengan mekanisme kombinasi antara metode “penyaringan” dan “difusi serapan”. Peristiwa penyaringan memerlukan gaya penggerak (driving force) berupa tekanan (p),

sedangkan

peristiwa

difusi

memerlukan

gaya

penggerak

konsentrasi zat terlarutnya (c).

(cross flow filtration). Membran aliran silang memberikan keuntungan dalam hal umur pemakaian yang lama dan ukuran alat yang minimal. Prinsip filtrasi aliran silang memiliki tiga arah aliran, yaitu aliran umpan (masukan), aliran produk encer (permeat), dan aliran konsentrat atau produk kental (retentate atau reject), seperti dapat dilihat pada gambar 6. Untuk selanjutnya, pembahasan tentang terminologi membaran akan lebih difokuskan pada jenis filtrasi aliran silang ini.

Secara fundamental, prinsip pemisahan yang ada dapat dibagi atas 2 bagian besar, yaitu: Filter

(a).

Operasi

penyaringan

yang

memanfaatkan

penyaring

(membran atau tapis) secara maksimal sedemikian rupa

Aliran Umpan Aliran Filtrat

sehingga semua partikel yang lebih besar dari ukuran pori filter tidak akan lolos, sedangkan seluruh fluida dipaksa melewati saringan. Dalam hal ini, arah aliran fluidanya benarGambar 5. Skematisasi Filtrasi Dead-End.

benar tegak lurus terhadap bidang saringan, oleh karenanya, prinsip penyaringan konvensional seperti ini disebut dead-end filtration atau perpendicular filtration. Prinsip penyaringan

Arah Paralel

seperti ini hanya memiliki dua arah aliran saja, yaitu aliran umpan (masukan) dan aliran produk (keluaran), seperti dapat

Aliran Retentat

Aliran Umpan Arah Tegak-lurus

dilihat pada gambar 5. (b).

Aliran Retentat

Jika aliran dalam arah tangensial sepanjang membran dimanfaatkan permukaan

untuk tapis

Aliran Permeat

membersihkan

sehingga

dapat

secara

mengurangi

kontinyu

Membran

Gambar 6. Skematisasi Filtrasi Membran (Aliran Silang).

dampak

pembentukan lapisan kerak atau kotoran lainnya (fouling)

Ditinjau dari energinya, pemisahan dengan membran memiliki


[6]

keunggulan dibandingkan evaporasi dan distilasi: tidak ada perubahan

paling sering dijumpai di pasaran dalam bentuk cartridge filter, yang

fasa yang diperlukan (tidak ada energi dalam bentuk panas yang

umur operasinya jauh lebih singkat dibandingkan dengan filtrasi

diperlukan, termasuk untuk panas laten). Oleh karena itulah, dalam dunia

membran.

industri kimia, teknologi membran sangat tepat digunakan untuk proses-

Ukuran pori dari membran MF ini adalah dalam rentang 0,03 – 10

proses pemurnian, pemekatan, fraksionasi, dan produksi bahan-bahan

m sehingga dapat menghambat ukuran partikel-partikel (seringkali

dan atau produk-produk dengan kualitas utama dibandingkan dengan proses-proses konvensional (seperti: distilasi, evaporasi, ekstraksi, dll.).

disebut molecular weight cutting off atau MWCO) yang lebih besar dari 100.000 dalton, dan beroperasi pada tekanan yang

Penyaringan dengan teknologi membran secara selektif dapat

relatif rendah, yaitu antara 0,3 – 3,5 bar dan kecepatan aliran silang

memisahkan komponen-komponen dari campuran induknya dalam

(cross-flow velocity) sebesar 3 – 6 m/detik dalam modul tubular.

rentang ukuran partikel dan berat molekul yang sangat bervariasi, mulai

Dalam skala industri, membran MF banyak dijumpai dalam

dari material-material makromolekul, seperti kanji dan protein, sampai

konfigurasi operasi multi-tahap atau multistage (stages-in-series)

+

+

ion-ion monovalen seperti Na , K dan lain-lain. Secara umum, membran

terutama untuk proses pra-pemisahan material-material makro,

yang akan digunakan sebaiknya dipilih berdasarkan ukuran porinya yang

suspensi-suspensi terlarut (koloid), pasir, endapan, lempung, Giardia

lebih kecil dari ukuran ukuran partikel yang terkecil (yang ada dalam

lamblia, Cryptosporidium cysts, algae, beberapa jenis spesi bakteri,

aliran di umpan) yang akan disaring oleh membran.

dan juga proses-proses pemisahan fluida dari aliran umpan.

Berdasarkan ukuran pori dari membran yang digunakan, secara

Konfigurasi membran MF ini tidak dapat menyisihkan baik prokursor-

umum spektrum kerja membran dapat dibagi atas 4 kategori seperti

prekursor maupun produk-produk reaksi samping dari zat-zat

dijelaskan di bawah ini (lihat juga tabel 1.).

disinfektan (disebut DBP, disinfectant by products) seperti klor, hipoklorit, kloramin, dan ozon

(a). Membran Mikrofiltrasi (MF) Secara umum, membran MF dijumpai dalam 2 (dua) bentuk atau

(b). Membran Ultrafiltrasi (UF)

mode filtrasi, yaitu filtrasi aliran silang (cross-flow separation) dan

Membran UF lebih banyak digunakan untuk pemisahan campuran

filtrasi konvensional (dead-end filtration). Dalam pemisahan secara

berbagai macam fluida dan ion-ion (macromolekular). Membran UF

aliran

(pressure

bekerja pada tekanan relatif rendah untuk proses fraksionasi, oleh

Fenomena

tersebut

karena itu disebut juga low-pressure fractionation (berdasarkan

menembus

membran,

ukuran komponen yang akan dipisahkan). Membran UF memiliki

sementara fluida sisanya terus mengalir di sepanjang permukaan

ukuran pori efektif sekitar 10 kali lebih besar dari nanofiltrasi (NF),

membran sambil membersihkannya. Di sisi lain, filtrasi dead-end

yaitu sekitar 1,5 – 7,0 bar, sehingga energi yang dibutuhkan untuk

silang,

differential) mengakibatkan

terjadi

graduasi

sepanjang sejumlah

perbedaan

membran. (kecil)

fluida

tekanan


[7]

pengoperasian membran UF lebih kecil dibandingkan membran NF.

samping itu juga, sisi lain yang menjadi penyebab jenis membran ini

Salah satu contoh umum dari penggunaan membran UF di industri

relatif

adalah proses pemisahan dan penggunaan ulang (recovery) pigmen

pengolahan alternatif di industri dibandingkan membran-membran

cat dari resin cat. Membran UF dapat digunakan untuk berbagai

MF dan UF) adalah karena kebutuhan energinya yang relatif besar.

tujuan lainnya, seperti: pemekatan koloni bakteria, produksi

Pengguna terbanyak dari membran NF ini adalah industri-industri

beberapa jenis protein makromolekul, zat-zat pewarna (dyes), dan

pengolahan air minum di daerah pemukiman (municipal drinking

konstituen-konstituen lainnya yang memiliki MWCO antara 10,000 –

water plants), untuk menurunkan alkalinitas sampai ambang batas

100.000 dalton. Ukuran pori membran UF adalah sekitar 0,002 – 0,1

alkalinitas

mikron (m atau mikrometer) sehingga konfigurasi sebesar ini tidak

trihalometana).

tepat digunakan untuk pemisahan garam-garam terlarut (terutama

Kemampuan membran NF ini yang dapat menyisihkan ion-ion

monovalen dan divalen) dan molekul-molekul senyawa organik

divalen dan polivalen (muatan ion yang lebih besar dari 2), yang

(proteinm asam humat, dan prekursor-prekursor reaksi samping dari

berarti juga mampu menyisihkan alkalinitas, dapat berdampak pada

disinfektan atau DBP).

meningkatnya korosivitas pada air produk (permeat). Salah satu cara

(c). Membran Nanofiltrasi (NF)

penanggulannya adalah mengamati harga alkalinitas sekaligus pH

tidak

50

terlalu

ppm

banyak

dan

dikembangkan

regulasi

tentang

(sebagai

THM

proses

(senyawa

Hampir serupa dengan membran UF, membran NF digunakan untuk

dari cairan produk tersebut. Membran NF ini juga mampu

pemisahan campuran berbagai macam fluida dan ion-ion (terutama

menyisihkan kesadahan air sehingga seringkali membran ini disebut

divalen), dengan energi tekanan yang dibutuhkan sekitar 3 kali lebih

juga membran pelunak (softening membrane). Di sisi lain, produk

besar dari membran UF (yaitu sekitar 4,0 – 10,0 bar). Energi

pekatan (konsentrat) dari membran NF ini perlu diperhatikan tau

tersebut digunakan untuk pemisahan partikel-partikel dan atau ion-

diperlakukan lebih teliti karena dampaknya yang dapat memberikan

ion dengan rentang MWCO sebesar 1000 – 100.000 dalton melalui

presipitasi (fouling) pada dinding membran.

pori yang lebih halus dari membran UF (yaitu sekitar 0,001 mikron).

(d). Membran osmosis-balik atau reverse osmosis (RO)

Sistem membran NF mampu menyisihkan polutan-polutan dalam

Membran RO, yang sering juga disebut sebagai hiperfiltrasi

bentuk kista (cyst), bakteria, virus, ion-ion divalen, zat-zat pewarna

(hyperfiltration), merupakan teknologi penyaringan yang paling

(dyes), protein, material-material asam humat, dan prekursor-

halus yang dikenal sampai saat ini. Sistem RO menerapkan teknik-

prekursor ataupun produk reaksi samping dari disinfektan (DBP),

teknik yang paling kompleks, sehingga mampu menyisihkan partikel-

tetapi tidak mampu menyisihkan molekul-molekul organik dengan

partikel yang memiliki rentang ukuran sebesar ion-ion monovalen

berat molekul kecil seperti metanol dan formaldehida (formalin). Di

+ + (seperti Na dan K ) dari larutan air. Tekanan yang dibutuhkan


[8]

proses ini relatif paling tinggi dibandingkan sistem membran

Beberapa keuntungan potensial dari penggunaan membran RO ini

sebelumnya, yaitu antara 5 – 70 bar, yang sebanding dengan

adalah sebagai berikut: 

tekanan osmotik untuk menembus dinding membran semipermeabel tersebut.

Menyisihkan hampir semua ion kontaminan dan juga zat-zat terlarut non-ionik lainnya,



Teknik membran RO mampu menyisihkan polutan-polutan dalam

Relatif tidak sensitif terhadap kuantitas aliran dan kualitas

bentuk bakteria, virus, garam, gula, protein, zat warna, dan partikel-

TDS dari air, sehingga cocok untuk sistem berukuran kecil

partikel lainnya yang memiliki MWCO lebih besar dari rentang 150

yang memiliki fluktuasi kebutuhan air berdasarkan musim, 

– 250 dalton. Proses pemisahan atau penyisihan ion dengan teknik

Sistem RO beroperasi secara spontan, tanpa kesenjangan minimum proses yang berarti,

RO dibantu juga oleh jumlah muatan dalam partikel yang akan 

diproses, yang berarti bahwa garam atau ion-ion bermuatan akan

Memungkinkan

mendapatkan

konsentrasi

efluen

yang

lebih mudah ditolak (rejected) oleh membran dibandingkan senyawa-

sangat rendah, bahkan sampai nihil (jika dalam konfigurasi

senyawa organik yang tidak bermuatan. Makin besar muatan dan

seri).

ukura partikel, makin besar daya tolek membran terhadap partikel Tabel 1. Karakteristik umum dari keempat jenis teknologi pemisahan dengan membran.

tersebut. Teknik RO banyak digunakan untuk proses-proses pemurnian air, karena secara teoretis mampu menyisihkan hampir semua polutan

Membran

Komponen tertolak Tekanan (MWCO) transmembran

yang ada. Polutan-polutan air yang dianggap pang mengganggu

10 - 70 bar

Desalinasi, penghilangan garam (desalting), pemurnian air umpan ketel, pralakuan untuk proses pertukaran ion, produksi air ultramurni (ultrapure water production).

9 - 16 bar

Penyisihan kesadahan, depolusi mikrobiologi dan zat organik, penyisihan zat warna dan warna ir (dye desalting and color removal).

adalah: polutan garam-garam (termasuk monoionik dan radium), zatzat organik natural, pestisida, kista, bakteria, dan virus, disamping juga

kemampuannya

yang

baik

dalam

memperbaiki

warna

RO

lebih besar dari 150250 dalton

(kejernihan) dan rasa atau sifat-sifat estetis air lainnya. Walaupun demikian, proses disinfeksi tetap dianjurkan untuk menjamin keamanan atau kesehatan dalam mengkonsumsi air. Dalam industri kimia, membran RO dapat digunakan untuk proses pemurnian fluida-fluida organik dalam industri kimia (dihasilkan

NF

lebih besar dari 1000 dalton

Aplikasi proses

dalam aliran konsentrat atau retentat), seperti etanol, glikol (etilenglikol), dan gliserol (gliserin). Makalah Workshop Jurusan Teknik Kimia – Institut Teknologi Indonesia: Beberapa Teknologi Pengolahan Air Modern yang Terkait dengan Tuntutan dan Tanggung Jawab Profesi Teknik Kimia

[9]

lebih besar dari 10.000 dalton

UF

Partikel-partikel tersuspensi halus dengan ukuran lebih besar dari 0,1 meter

MF

1.5 – 7.0 bar

0.3 – 3.5 bar

Pralakuan awal/akhir untuk pertukaran ion, pemurnian minuman, pemekatan zat organik dan enceran minyak tersuspensi, penyisihan pirogena, bakteria, virus, dan koloid.

(a). Membran Selulosa Nitrat (CN Membrane)

Proses-proses pralakuan awal dalam industri air minum, penyisihan Giardia lamblia, Cryptosporidium cysts, algae, beberapa spesi bakteri, dan proses pemisahan fluida.

(b). Membran Ester Selulosa Campuran (Mixed Cellulose Ester

Di sisi lain, beberapa hal yang dapat dianggap kelemahan dari penggunaan sistem membran RO ini adalah sebagai berikut: 

Memerlukan investasi yang tinggi,



Memerlukan biaya operasi dan perawatan yang tinggi,



Pengelolaan produk pekat atau air limbah (retentat) merupakan problem tersendiri,



Seringkali memerlukan proses-proses pralakual awal yang

Membran selulosa nitrat paling banyak digunakan pada laboratorium dan analisis filtrasi. Membran ini memiliki sifat-sifat kebasahan (wetting properties) yang sangat baik dan memberikan laju alir terbesar untuk larutan air.

Membrane) Jenis membran yang memiliki keseragaman dan kehalusan lebih baik dibandingkan dengan membran ester-selulosa murni. Membran ini secara khusus banyak digunakan untuk analisis partikel yang dikandung dalam cairan atau tangkapan aerosol. (c). Membran Selulosa Asetat (Cellulose Acetate Membrane) Suatu bahan campuran dari selulosa triasetat dan diasetat yang membentuk kekuatan membran yang baik pada arah lateral dan longitudinal. Membran ini juga memiliki muatan statik yang rendah, ekstrabililitas larutan air yang sangat rendah, dan daya tahan yang baik terhadap pelarut-pelarut alkohol dengan berat molekul rendah. (d). Membran Nilon (Nylon Membrane)

cukup kompleks agar supaya sistem RO ini dapat beroperasi

Merupakan membran yang kuat, secara intrinsik hidrofilik, dan

dengan baik.

sangat kompatibel terhadap berbagai macam pelarut (air, alkohol, dan pelarut-pelarut untuk HPLC).

Bahan atau material membran yang digunakan dalam dunia industri cukup banyak ragamnya, terutama dari jenis-jenis membran keramik,

(e). Membran Polietersulfon (Polyethersulfone atau PES Membrane)

membran zeolit, dan membran polimer. Material-material polimer yang

Merupakan membran hidrofilik dan memiliki daya ikatan yang rendah

banyak digunakan sebagai membran dapat dibagi atas 6 (enam)

dengan protein. Tidak memerlukan zat-zat pembasah eksternal

golongan seperti di bawah ini.

sehingga memiliki ekstrabililitas larutan air yang sangat rendah. Membran PES ini secara umum memiliki laju alir yang tinggi dan


[ 10 ]

memiliki ketahanan yang baik terhadap bahan-bahan kimia (baik

(b). Pengolahan sekunder (secondary treatment), yang hampir

asam maupun basa) dibandingkan dengan jenis membran selulosa

serupa

asetat.

menggunakan teknik mikrofiltrasi untuk menyisihkan partikel-

dengan

aplikasi

pada

tahap

sebelumnya,

yaitu

partikel (halus) dan kesadahan yang dapat menyebabkan kerak (f). Membran TEFLON Membrane)

(PTFE,

Poly

Tetra-Fluoro

Ethylene

Merupakan membran yang sangat kuat dengan porositas yang tinggi, dan inert terhadap berbagai macam pelarut kimia (baik asam,

(scaling) pada proses selanjutnya. Selain itu juga, teknik ultrafiltrasi sudah mulai banyak diterapkan untuk proses-proses penyisihan mikroorganisme berukuran besar, seperti bakteria, virus, pirogen, dan lain sebagainya.

basa ataupun netral) dan relatif tahan terhadap panas. Sampai saat ini, pengembangan aplikasi teknologi membran yang terbanyak adalah dalam bidang industri air bersih dan atau air minum. Jika dilihat dari segmentasi pengolahan air di industri, maka aplikasi teknologi membran dapat direalisasikan pada posisi-posisi: (a). Pengolahan primer (primary treatment), sebagai tahapan dalam penyisihan limbah lumpur dan atau partikel-partikel besar dan koloid hasil proses koagulasi dan flokulasi secara kimiawi (umumnya menggunakan alum, PAC, FeSO 4 , atau koagulan sejenisnya). Jenis membran yang digunakan dalam tahap ini

Gambar 8. Skematis aplikasi membran MF/UF di bagian pengolahan primer atau sekunder.

adalah mikrofiltrasi.


[ 11 ]

Ukuran Ion

Ukuran Molekul

Ukuran Mikrometer (m)

0,001

Angstrom (Å)

10

1

Rentang Molekul Makro

0,01

0,1

100

Larutan Garam

Rentang Partikel Mikro

1,0

1.000

10

10.000

Carbon Black

Ukuran Relatif dari Beberapa Material

Dye

Jejari Atom

Kabut

Debu Batubara Pin Point

Gelatin Gula

Pasir Pantai

Bakteria

Asap Rokok/Tembakau

10.000.000

Rambut Manusia

Sel Ragi

Virus

1.000

1.000.000

Giardia Cyst

Endotoksin/Pirogen Ion Logam

100

100.000

Pigmen Cat

Partikel Makro

Silika Koloid

Indigo Dye

Pollen

Debu Pendingin Udara (AC)

Protein Albumin

GAC

Latex / Emulsi Asbestos

Proses Pemisahan

Reverse Osmosis Nano Filtrasi

Tepung Gandum

Filtrasi Partikel

Ultra Filtrasi Mikro Filtrasi

Gambar 7. Spektrum kerja keempat jenis membran (Mikro Ffiltrasi, Ultra Filtrasi, Nano Filtrasi, dan Reverse Osmosis).


[ 12 ]

(c).Pengolahan tahap lanjut (anvanced treatment), umumnya menerapkan

teknik-teknik

lebih

kompleks

dan

air.

canggih

menggunakan nanofiltrasi dan osmosis balik (reverse osmosis) untuk diarahkan pada produksi air minum (potable water atau drinking water). Aplikasi pada tahap akhir ini lebih banyak digunakan untuk menurunkan kadar TDS, kesadahan, garamgaram, bakteria, virus, rasa, dan bau (estetika air).

Gambar 10. Aplikasi unit operasi membran di industri air minum.

3. TEKNOLOGI OZON DALAM PROSES PENYEDIAAN AIR BERSIH DAN AIR MINUM Dalam kondisi ambien, ozon (O 3 ) berbentuk gas yang berwarna biru, berbau amis menyengat sebagai bentuk molekul alotropik oksigen (O 2 ) yang tidak stabil (meta-stable) sehingga keberadaannya di udara relatif singkat, hanya sekitar 5 sampai 30 menitan saja. Ketidakstabilan ozon ini yang menyebabkan molekul ozon tidak dapat disimpan ataupun ditransportasikan dengan mudah dari satu tempat ke tempat lainnya, sehingga gas ozon umumnya diproduksi di daerah dekat ia diaplikasikan Gambar 9. Skematis unit membran keramik yang digunakan di industri pengolahan

(in situ). Karakteristik fisik dari ozon adalah sebagai berikut:


[ 13 ]

– massa molar : 48 g/mol

Utara. Penggunaan ozon pada instalasi-instalasi pengolahan tersebut

– kerapatan relatif terhadap udara : 1,657

pada umumnya ditujukan untuk pengendalian rasa air, bau dan zat-zat

– berat jenis pada O ºC dan 760 mmHg : 2,143 kg/m3

yang menimbulkan warna. Ozon banyak dipakai sebagai disinfektan dan

– panas pembentukan pada volum tetap : 143 kJ/mol (34,2 kkal/mol).

proses depolusi air dalam pengolahan air bersih dan air minum karena sifatnya sebagai oksidator yang sangat kuat, hampir 6 kali lebih kuat dari

Keberadaan ozon di alam diakibatkan oleh dua hal, yang pertama

gas klor (tabel 2.).

adalah karena peristiwa alamiah, yaitu adanya ionisasi udara oleh petir (pada saat udara mendung, banyak hujan dan banyak petir). Keberadaan ozon yang kedua adalah karena pembuatan (secara artifisial) ozon oleh tegangan listrik tinggi (coronna discharge) ataupun oleh adanya pancaran gelombang UV. Pembuatan ozon dengan tegangan listrik jauh lebih efektif dan disukai, karena produktivitasnya yang tinggi walaupun energi yang diterapkan relatif cukup besar. Proses pembuatan senyawa ozon pada umumnya menggunakan bahan baku udara dan atau oksigen murni yang dilewatkan di antara 2 elektroda yang saling berdekatan yang dialiri arus listrik tegangan tinggi (antara 10 sampai 25 kilovolt). Korona energi tinggi yang terbentuk di antara kedua elektroda tersebut memicu terurainya O 2 menjadi dua molekul oksigen tunggal (radikal oksigen) yang kemudian bergabung dengan 2 molekul O 2 lainnya untuk membentuk 2 molekul ozon, seperti disajikan secara sederhana pada gambar 11. di bawah ini.

Gambar 11. Proses pembentukan ozon (O 3 ) dari molekul oksigen (O 2 ). Ozon juga dapat digunakan dalam pengolahan air bersih dan air minum untuk pengendalian bau dan dalam pengolahan lanjut untuk penyisihan zat-zat organik berbahaya yang terlarut dalam air limbah, sebagai pelengkap yang potensial dari proses pengolahan dengan adsorben karbon-aktif dan atau zeolit alam.

Ozon pertama kali digunakan sebagai senyawa disinfeksi dalam distribusi air minum di negara Perancis pada awal 1900-an. Pada saat ini pemakaiannya telah berkembang dengan sangat pesat, yaitu hampir sekitar 1000 instalasi disinfeksi dengan ozon telah dibangun (pada umumnya untuk pengolahan air minum), terutama di Eropa dan Amerika

Kemampuan ozon sebagai disinfektan juga jauh lebih baik dibandingkan dengan gas klor, sebagai ilustrasi pada tabel 3. di bawah ini diberikan data hasil penelitian tentang kemampuan ozon dalam menonaktifkan kista Giardia Lamblia, yang dinyatakan dalam orde ‘waktu kontak’ (CT, contact time dengan satuan mg*min/L) untuk bebagai

Makalah Workshop Jurusan Teknik Kimia – Institut Teknologi Indonesia (TK-ITI): Beberapa Teknologi Pengolahan Air Modern yang Terkait dengan Tuntutan dan Tanggung Jawab Profesi Teknik Kimia

[ 14 ]

jenis disinfektan yang banyak dipakai dalam industri pengolahan air,

NH 2 Cl

sedangkan pada tabel 4. diberikan harga-harga CT untuk inaktivasi virus

6–9

3.800

2.200

1.850

1.500

1.100

750

Sumber: Rice, R.G. dan P.K. Overbeck, GDT Corp., 1998.

oleh berbagai disinfektan. Tabel 4. Nilai CT dari berbagai disinfektan (germisida) untuk inaktivasi virus. Tabel 2. Kekuatan oksidasi relatif dari beberapa spesi

oksidator(*).

Rumus Molekul

Petensial Oksidasi (Volt)

Kekuatan Relatif Oksidator(*)

O3

2,08

5,2481

Hidrogen Peroksida

H2O2

1,78

2,6303

Asam Hipoklorit

HOCl

1,48

Cl 2

Spesi Oksidator Ozone

Gas Klor Asam Hipobromit

4-log 1,0

1,3183

Cl 2 (0,2 – 0,5 mg/L)

6–9

3

4

6

1,36

1,0000

ClO 2

6–9

4,2

12,8

25,1

NH 2 Cl

8

643

1,067

1,491

UV

–

21

36

tak ada data

0,9333

1,23

0,7413

Brom

Br 2

1,09

0,5370

Klordioksida

ClO 2

0,95

0,3890

I2

0,54

0,1514

Sumber: AWWA, 1991.

(*) Dihitung berdasarkan kekuatan oksidasi dari Cl 2 sebagai acuan (= E r ), yaitu sebesar: 10(E – Er) Water Quality Association Ozone Task Force. 1997. Ozone for Point-of-Use, Point-of-Entry, and Small System Water Treatment Applications: A Reference manual Water Quality Association. Lisie, IL, 2 - 4.

Seperti telah dijelaskan sebelumnya, sampai saat ini pengembangan aplikasi teknologi ozon yang paling dominan adalah dalam bidang pengolahan air bersih dan atau air minum. Jika dilihat dari segmentasi pengolahan air di industri, maka aplikasi teknologi ozon ini dapat

Nilai CT dari berbagai disinfektan untuk menonaktifkan 99,9 % (3-logs) dari kista Giardia Lamblia. pH

3-log 0,8

1,33

Disinfektan

2-log 0,5

O2

Tabel 3.

Harga CT untuk inaktivasi virus pada suhu 10 ºC (mg·min/L) atau (mW·s/cm2 untuk UV)

6–9

HOBr

Sumber:

pH

O3

Oksigen

Iodium

Disinfektan

direalisasikan pada posisi-posisi berikut:

Harga CT pada suhu kontak dalam larutan (mg·min/L)

(a). Pengolahan primer (primary treatment), sebagai coagulant

< 1 ºC

5 ºC

10 ºC

15 ºC

20 ºC

25 ºC

6

165

116

87

58

44

29

7

236

165

124

93

62

41

8

346

243

182

122

91

61

9

500

353

265

177

132

88

koagulan alum sampai sekitar 30 – 50 persen (dari sekitar 25

O3

6–9

2,9

1,9

1,43

0,95

0,72

0,48

mg/L alum menjadi 14 mg/L). Selain itu juga, pre-ozonasi ini

ClO 2

6–9

63

26

23

19

15

11

juga dapat digunakan untuk menurunkan turbiditas dari air baku

Cl 2 (2 mg/L)

aid pada proses sedimentasi dan koagulasi, selain juga untuk membantu proses penyisihan warna. Dengan dosis ozon sekitar 0,3 – 1,0 mg/L, proses pre-ozonasi ini dapat menghemat


[ 15 ]

sekaligus memperbaiki performa pengendapan floc pada dosis



alum yang rendah. Pada tahan ini juga, pro-ozonasi sangat

 Meningkatkan kelarutan oksigen dalam air (DO semakin besar),

membantu dalam menurunkan nilai TDS (total dissorlve solid)

 Hampir tidak membutuhkan bahan-bahan kimia, kecuali yang

dari air baku yang digunakan, dan hasilnya akan lebih ekonomis

mutlak dibutuhkan dalam proses sedimentasi (koagulasi dan

lagi jika menggunakan pre-ozonasi dengan katalis (karbon aktif

flokulasi),

atau senyawa-senyawa silika-alumina seperti zeolit).

2+ 2+  Mampu mengendapkan besi (Fe ) dan mangan (Mn ) terlarut

melalui proses reaksi oksidasi, sedemikian rupa sehingga kualitas

(b). Pengolahan sekunder (secondary treatment), yang digunakan secara efektif untuk menekan pertumbuhan bakteri, virus, kista, alga, lumut, warna, dan bau. Ozonasi pada tahap sekunder ini

Tidak meninggalkan bau ataupun rasa,

air (termasuk TDS) dapat meningkat secara signifikan, 

Mampu menghancurkan dan sekaligus menyisihkan algae dan lumut,

akan sangat ekonomis bila digunakan proses ozonasi katalititik,

 Bereaksi dan sangat efektif dalam penyisihan senyawa-senyawa

yaitu proses ozonasi dengan menggunakan katalis-katalis

organik yang terlarut dalam air (TOC, total organic compounds),

alumina, zeolit, dan GAC (karbon aktif dalam bentuk granul). (c).Pada tahap “Pengolahan lanjut”, ozon digunakan untuk prosesproses disinfeksi sterilisasi air produk menggantikan peranan gas klor. Selain itu juga, ozonasi dalam tahap ini berperan dalam memperbaiki estetika air (rasa dan bau) sedemikian rupa sehingga kualitas air minum yang dihasilkan berada dalam kondisi terbaik. Bila diperhatikan semua peranan ozon secara umum, dimulai dari

 Terurai dengan cepat dalam air (dalam orde 1 – 15 menit), sehingga efek residu dari ozon relatif mudah diatasi,  Mampu menyisihkan warna, rasa dan bau sebagai parameterparameter estetika air. Disisi lain, beberapa kelemahan atau kendala dari aplikasi teknologi ozon ini di antaranya adalah sebagai berikut:  Ozon merupakan gas atau senyawa kimia yang beracun (TLV dari OSHA adalah 0,1 ppm), yang tingkat peracunannya berbanding lurus dengan konsentrasi dan waktu paparan.

proses pengolahan primer sampai ke proses tahap lanjut, maka

 Biaya ozonasi lebih tinggi dari klorinasi.

keuntungan-keuntungan yang dapat dipeoleh dari aplikasi teknologi ozon

 Instalasi peralatan umumnya relatif lebih kompleks dari klorinasi.

ini adalah sebagai berikut:

 Suatu katalis perusak ozon sangat disarankan untuk dipasang

 Memiliki daya oksidasi yang sangat besar sehingga hanya memerluka waktu kontak (CT) yang relatif sangat pendek untuk menginaktifkan semua zat-zat renik (germs), yaitu dalam orde 5 – 15 detik saja,

pada bagian keluaran, untuk mencegah terjadinya keracunan dan kebakaran akibat ozon.  Dapat menghasilkan senyawa-senyawa karbonil (aldehida dan keton) yang tidak diinginkan, terutama bila waktu kontak terlalu


[ 16 ]

pendek.

pestisida, deterjen, dan fenol

 Untuk sistem distribusi, masih diperlukan klorinasi atau sanitasi lanjut

(post-chlorination)

karena

sifat

ozon

yang

tidak

meninggalkan residu.

– penyisihan sianida (oksida) – penyisihan padatan tersuspensi, SS (oksidasi) – menaikkan biodegradabilitas dari senyawa organik terlarut

 Ozon memiliki kelarutan dalam air yang jauh lebih rendah dari klor, sehingga diperlukan peralatan khusus untuk melarutkan ozon dalam air (dapat menggunakan diffuser, dengan efektivitas pelarutan maksimal sebesar 70 %; atau dapat juga menggunakan venturi injection dengan efektivitas pelarutan sampai sebesar

– sebagai proses pendukung dari penyisihan amonia dan zat organik terlarut dengan proses GAC (granular activated carbon). Unit pembangkit ozon atau generator ozon (ozonator) yang banyak dipakai di industri dan unit-unit pengolahan air dan air limbah umumnya dapat dikategorikan dalam 2 bagian besar, yaitu :

90 %).  Cenderung tidak menyisihkan atau melumat beberapa jenis

A.

Ozonator jenis pelat (plate-type ozonizer), yang terdiri dari

senyawa organik yang sulit diuraikan dalam air (refractory

dielektrik dan elektroda metal yang berbentuk lempeng.

organics), sehingga perlu difikirkan menggunakan katalis dari

Secara keseluruhan, unit ini terbungkus secara aman pada

bahan-bahan silika-aluminat ataupun GAC.

suatu ruangan isolasi yang digabungkan dengan unit air

Masih ada banyak lagi kegunaan dan peranan ozon dalam pengolahan air dan limbah cair, karena kelebihannya sebagai zat

pendingin. Secara skema-tis digambarkan pada gambar 5 sebagai berikut :

pengoksidasi yang sangat kuat, baik di berbagai industri maupun sistem pengolahan air kota. Untuk lebih jelasnya, di bawah ini dijelaskan secara garis besar manfaat dan aplikasi ozon (Rice dan Browning, 1981) : – disinfeksi bakteri – inaktivasi virus – oksidasi besi/mangan terlarut – dekompleksikasi ikatan mangan-organik (oksidasi) – penghilangan warna (oksidasi) – penghilangan rasa (oksidasi) – penghilangan bau (oksidasi) – penyisihan algae (oksidasi) – penyisihan

senyawa-senyawa

organik

(oksidasi),

seperti

:


[ 17 ]

Gambar 14. Ozonator industri hasil rancangan Ozonia Inc. (IOA, 2000). Gambar 12.. Skematis ozonator jenis pelat (Rice dan Browning, 1981). B.

Ozonator jenis tabung (tube-type ozonizer), yang pada dasarnya

mempunyai

konfigurasi

konsentris

antara

elektroda

dan

dielektrik.

Berdasarkan

posisi

tabung

elektroda dan dielektriknya sebagai saluran air pendingin, ozonator jenis tabung ini dibagi atas 2 bagian besar, yaitu : jenis horizontal dan jenis vertikal.

Ozonator jenis pelat dewasa ini sudah semakin berkurang pemakainya karena efektivitas dan produktivitasnya yang lebih rendah dibandingkan dengan jenis tabung. Sebaliknya, ozonator jenis tabung horizontal semakin banyak dikembangkan oleh beberapa produsen, seperti Ozonia di Perancis (gambar 14.), dan Wedeco, Jerman (gambar 15.).

Gambar 13. Skematis ozonator jenis tabung (Rice dan Browning, 1981). Makalah Workshop Jurusan Teknik Kimia – Institut Teknologi Indonesia (TK-ITI): Beberapa Teknologi Pengolahan Air Modern yang Terkait dengan Tuntutan dan Tanggung Jawab Profesi Teknik Kimia

[ 18 ]

Gambar 15. Ozonator hasil rancangan Wedeco., Jerman (IOA, 2000).

Gambar 16. Ozonator rancangan OZONIA Corp., sedang menjalani perawatan rutin.

Dalam ozonator-ozonator skala industri seperti di atas, gas ozon dihasilkan dengan cara melewatkan aliran oksigen atau udara di antara 2 elektroda (tegangan tinggi dan massa) yang diberi tegangan tinggi dengan arus bolak-balik. Untuk mencegah terjadinya bunga listrik (arc) yang berlebihan, salah satu atau kedua elektroda dimaksud dilapisi oleh suatu dielektrik dengan ketebalan tertentu yang seragam (uniform) sehingga diperoleh permukaan yang bertegangan listrik seragam (equipotential surface).

Gambar 17.

Sistem pelarutan ozon dalam air: (a). sistem injeksi venturi (atas kiri) dan (b) proses pelarutan secara difusi dengan bubbler (bawah kanan).

Sebagai contoh, beberapa penggunaan ozon secara spesifik dalam Makalah Workshop Jurusan Teknik Kimia – Institut Teknologi Indonesia (TK-ITI): Beberapa Teknologi Pengolahan Air Modern yang Terkait dengan Tuntutan dan Tanggung Jawab Profesi Teknik Kimia

[ 19 ]

sistem pengolahan air limbah pada berbagai industri (industri petrokimia, industri plastik, pengilangan minyak, industri pengolahan batubara, industri farmasi dan industri kimia lainnya) disajikan secara skematis,

Tabel 5.

Pemanfaatan Ozon untuk Pengolahan Limbah Cair (Besselievre & Schwartz, 1976; Eckenfelder, 1989; Metcalf & Eddy, 1991).

masing-masing pada gambar 18. (bersama dengan sinar UV untuk penyisihan kloro-aromat) dan gambar 19. (untuk penyisihan sianida dan senyawa-senyawa organik tertentu yang sulit didegradasi secara biologis,

No.

Sumber/Pengguna

1.

British-American Oil Co., Kanada (Pengilangan minyak)

Penghilangan senyawa ± 85 kg/j ozon fenol dalam limbah cair kilang minyak

 50 mg O 3 /l effl.  1150 liter/menit limbah cair

2.

Czech Technical Digest

Penghilangan senyawa 1,5 – 2,7 sulfur organik dan fenol mg/mgkontaminan

waktu kontak : 3 – 15 menit

3.

Welsbach Co., Philadelphia

4.

Industri pesawat terbang, automotif dan farmasi

Penghilangan sianida

5.

Industri Kimia, Instalasi air pendingin dan ketel uap

Pengolahan (recovery) kromat

Oksidasi-reduksi

6.

Industri pelapisan logam, industri pengolahan air

Penghilangan Fe dan Mn terlarut

Fe(II)  Fe(III)

biorefractory). Sedangkan penggunaan ozon secara spesifik di dunia industri disenaraikan pada tabel 5. di bawah ini.

Gambar 18. Diagram alir penggunaan ozon/UV untuk penyisihan kloroaromat (Prengle & Mauk, 1977).

Dari uraian peralatan ozonator di atas, secara umum perbedaan tegangan listrik di antara kedua elektroda yang digunakan sangat bergantung pada jenis dan ketebalan dielektrik dan lebar jarak (gap) ruang ionisasi; dalam prakteknya berkisar antara 8 – 20 kilovolt. Tegangan sebesar ini dapat dibangkitkan melalui transformator tegangan tinggi ataupun secara elektronik, atau kombinasi dari keduanya.

Penggunaan O 3

-

Kapasitas

Keterangan

35 kg O 3 /hari

industri generator ozon di AS.

2 mg O 3 /mg sianida

oksidasi menjadi sianat

Mn(IV)  Mn(VII)

Secara menyeluruh, reaksi pembentukan ozon dapat dijelaskan melalui reaksi endotermis berikut :

3 O2   2 O3 ,

H1 atm   284,5 kJ / mol

Demikian pula entropi pembentukan ozon ini cukup besar dan tidak menguntungkan :


[ 20 ]

antara 10 sampai 20 gram/m3. Pada konsentrasi ini, dengan menganggap

S1 atm   69,9 ( J / mol ) / K

penggunaan

udara

kering

yang

selalu

terjaga

(dengan

cara

mengumpankan udara pada suhu –40 sampai –60 ºC), kapasitas produktif dari alat ozonator yang ada saat ini bervariasi, bergantung pada jenisnya, yaitu antara 50 sampai 100 gram perjam setiap m2 luas permukaan dielektrik dengan frekuansi arus listrik sekitar 50 - 60 Hz. Untuk suatu keperluan yang lebih spesifik, produktivitas ozon dapat ditingkatkan dengan penggunaan frekuensi arus listrik yang lebih tinggi (Dégremont, 1979). Gambar 19. Diagram alir penggunaan ozon/UV untuk penyisihan sianida dan senyawa organik yang sulit dioksidasi secara biologis (Prengle & Mauk, 1977). Jadi, sudah jelas bahwa ozon tidak mungkin diproduksi melalui aktivasi termis dari oksigen, karena energi bebas standar dari pembentukan

ozon

mempunyai

positif

yang

besar,

yaitu

Bergantung pada jenis dan dimensinya, total kebutuhan energi dari suatu instalasi ozonator secara lengkap adalah sekitar 20 sampai 30 Watt-jam per gram ozon yang diproduksi. Peralatan ozonator itu sendiri mengkonsumsi sekitar 14 sampai 18 Watt-jam per gram ozon. Adanya kehilangan yang sangat berarti dari energi listrik pada ozonator, sebagian besar porsinya adalah karena adanya konversi energi menjadi panas

G1 atm   161,3 kJ / mol . Dapat disimpulkan pula bahwa ozon

yang berakibat akan menaikan suhu gas pada ruang ionasasi secara

hanya dapat terdekomposisi secara mudah dengan pemanasan, dan

terdekomposisi secara berarti bila suhu gas menaik, untuk itulah

pengendalian temperatur yang memadai dari gas proses adalah suatu

diperlukan suatu sistem pendinginan yang biasanya berupa sirkuit air

faktor terpenting dari efisiensi pembentukan ozon.

pendingin sistem tertutup (radiator coolant).

berarti

(Dégremont,

1979).

Karena

ozon

yang

dihasilkan

akan

Untuk suatu perbedaan tegangan yang diberikan, produksi atau

Di Indonesia, sampai saat ini penggunaan ozon sebagai senyawa

ozon yang dihasilkan bergantung terutama pada geometri komponen

oksidator dalam industri masih sangat terbatas dan pada umumnya

peralatan, sifat dielektrik dari insulator, frekuensi arus listrik, derajat

hanya digunakan sebagai senyawa disinfeksi/sterilisasi pada industri

kekeringan dari udara (oksigen), tekanan dan konsentrasi ozon yang

pengolahan air minum kemasan. Alasan keterbatasan penggunaan ozon

diinginkan dalam udara atau oksigen. Produktivitas ozon tersebut juga

ini secara umum dapat dikatakan adalah besarnya biaya investasi dan

bergantung pada suhu air pendingin dalan ozonator.

kepraktisan instalasinya, seperti suhu produksi ozon yang terlalu rendah

Konsentrasi ozon dalam udara yang diozonasi umumnya berkisar di

sehingga energi yang dibutuhkan akan sengan tinggi.


[ 21 ]

Rekayasa dan rancang bangun ozonator yang telah dilakukan Dr. Setijo Bismo telah berhasil membangun suatu unit pembangkit ozon yang dapat beroperasi pada suhu ambien, yaitu antara 28 – 30 ºC. Dari hasil pengujian yang telah dilakukan, diperoleh hasil-hasil yang paling menarik untuk alat ozonator hasil rancangan, seperti digambarkan pada grafik di bawah ini.

y = 6E-05x3 - 0.0518x2 + 15.993x - 1643.2 2 R = 0.9728

0.65

POzon (g/jam)

0.6 0.55 0.5

Data 0.45 0.4 290

Pers. Regresi

295

300

305

310

TWBR (K)

Gambar 20. Kinerja produksi ozonator hasil rancang bangun sebagai fungsi dari suhu. (S. Bismo, 1999).

Dari gambar 20. di atas terlihat dengan jelas bahwa kinerja produksi ozon yang optimum sekitar suhu 28 – 30 ºC. Hal yang cukup menarik untuk dicatat, adalah bahwa kinerja dari elektroda yang digunakan tidak berbeda dengan elektroda yang digunakan oleh ozonator-ozonator hasil rancangan perusahaan-perusahaan besar.


[ 22 ]

PUSTAKA ACUAN

Dégremont, “Water Treatment Handbook”, edisi 5, John Wiley and Sons, New York 1979. Eckenfelder Jr., W.W. : “Industrial Water Pollution Control”, , McGraw-Hill Book Co., New York, 1989. Fan, Liang Shih, “Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering”, Butherworth, New York, 1989. Fishbein, L., “Chromatography of Environmental Hazards”, Vol. II Metals, Gaseous, and Industrial Pollutans. Elsevier Scientific Publishing Company. New York: 517pp, 1973. Freeman, H.M. (editor) : “Standard Handbook of Hazardous Waste Treatment and Disposal”, McGraw-Hill Book Co., New York, 1989. Hutzinger, O., Van Lelyveld, I. H., and Zoeteman, B. C. J., “Aquatic Pollutants: Transformation and Biological Effects. Proceeding of the Second International Symposium on Aquatic Pollutants”, Pergamon Press. New York. 519pp, 1978. Jorgensen, S. E., “Industrial Waste Water Management”, Elsevier Scientific Publishing Company. Amsterdam. 388pp, 1979. LaGrega, M. D. and Long, D. A., “Toxic And Hazardous Wastes”, Proceedings of the Sixteenth Mid-Atlantic Industrial Waste Conference. Technomic Publishing Company, Inc. Lancaster, Pennsylvania, 587pp, 1984. LaGrega, M. D., Buckingham, P. L., and Evans, J. C., “Hazardous Waste Management”, McGraw-Hill, Inc. Singapore. 1146pp, 1994. Langlais, B., D.A. Recklow, dan D.R. Brink : “Ozon in Water Treatment, Application and Engineering” (Cooperative Research Report), Lewis Publishers, 1991. Laporan Utama, “Pembangunan Sektor Air Bersih, Sebuah Peta Buta”, Majalah Air Minum, ISSN 0126-2785, Edisi 104, Mei 2004, halaman 5 – 7. Laporan Utama, “Pencapaian Air Minum dan Penyehatan Lingkungan pada Millenium Development Goals: Target Baru Masalah Klasik”, Majalah Percik, Februari 2004, halaman 3 – 11. Major, D. W. and J. Fitchko, “Hazardous Waste Treatment On-Site and In Situ”, Butterworth-Heinemann. London: 253pp, 1992.

Metcalf & Eddy, Inc.(Tchobanoglous, G., dan F.L. Burton) : “Wastewater Engineering : Treatment, Disposal, and Reuse”, McGraw-Hill Book Co., Singapore, 1991. Nemerow, N. L. and Dasgupta, A., “Industrial and Hazardous Waste Treatment”, 2nd ed. Van Nostrand Reinhold. New York. 743pp, 1991. Nemerow, N. L., “Industrial Water Pollution Origins, Characteristics, and Treatment”, Addison-Wesley Publishing Company. Massachusetts: 738pp, 1978. Potter, C., Soeparwadi, M., Gani, A.,”Limbah Cair Berbagai Industri di Indonesia - Sumber, Pengendalian dan Baku Mutu”, Project of the Ministry of State for the Environment, Republic of Indonesia and Dalhousie University, Canada. EMDI Jakarta. 220 hal, 1994. Rice, R.G., dan M.E. Browning : “Ozone Treatment of Industrial Waste Water”, Notes Data Corroration, Park Ridyl, 1981. Wentz, C. A., “Hazardous Waste Management”, McGraw-Hill Book Company. Singapore. 461pp, 1989.


[ 23 ]

PENDIDIKAN TEKNIK KIMIA DI INDONESIA

Recommend Documents