air dan kegunaannya

BAB II

PEMBAHASAN

A. Air

1. Pengertian Air

Air merupakan senyawa yang sangat penting bagi kehidupan manusia

dan fungsinya tidak dapat digantikan oleh senyawa lain. Menurut Hartomo &

Widiatmoko (1994: 1) air merupakan senyawa sederhana yang terdiri dari dua

atom hidrogen dan satu atom oksigen dengan rumus molekul H2O. Sedangkan

menurut Winarno (1986: 3) air merupakan molekul yang tersusun dari satu atom

oksigen dan dua atom hidrogen yang berikatan kovalen. Oleh karena itu molekul

air memiliki ikatan yang sangat kokoh.

Dalam sebuah molekul air, dua buah atom hidrogen berikatan dengan

sebuah atom oksigen melalui dua ikatan kovalen. Masing-masing ikatan kovalen

tersebut mempunyai energi sebesar 110,2 kkal per mol (Winarno, 1986: 4-5).

Kemampuan molekul air membentuk ikatan hidrogen menyebabkan air

mempunyai sifat-sifat yang unik. Ikatan hidrogen yang terjadi dalam molekul air

mengakibatkan air bersifat mengalir pada suhu 0-100oC. Selain itu, air menjadi

memuai bila dibekukan tidak seperti molekul lainnya. Sehingga dalam keadaan

padat, kerapatan molekul air menjadi lebih kecil dibanding dalam keadaan

cairnya.

2. Potensi Air dan Sumber Air

Potensi air ialah jumlah air yang tersedia yang berupa air permukaan dan

air tanah yang dinyatakan dalam jangka rata-rata setahun (Winarno, 1986: 21).

Sedangkan sumber air merupakan sumber penyediaan air baku. Sekitar sepertiga

dari jumlah potensi air yang ada, berupa aliran mantap yaitu aliran air rendah yang

tersedia setiap saat sedangkan sisanya berupa aliran tak mantap berupa banjir yang

mengalir dan menghilang dengan cepat tanpa bisa dimanfaatkan.

Banyak sumber air yang bisa dimanfaatkan sebagai air baku. Menurut

Winarno (1986: 22) sumber air pada dasarnya dibedakan menjadi tiga jenis yaitu

5

6

air permukaan, air tanah dan air hujan. Ketiga sumber tersebut merupakan bagian

dari mata rantai siklus hidrologi. Ketiga jenis sumber air tersebut yaitu:

a. Air Permukaan

Air permukaan adalah air yang terdapat di permukaan tanah (Kodoatie

& Sjarief, 2008: 12). Air permukaan berada di sungai, danau, waduk, rawa dan

badan air lain, sehingga tidak mengalami infiltrasi ke bawah tanah.Air

permukaan banyak dimanfaatkan sebagai air baku karena ketersediaannya lebih

banyak. Namun, pada umumnya air permukaan sudah mengalami pencemaran

sedangkan tingkat pencemarannya tergantung dari lokasi daerahnya.

b. Air Tanah

Air tanah merupakan air yang telah meresap ke dalam tanah melalui

lapisan-lapisan mineral tanah dan batuan (Hartomo & Widiatmoko, 1994: 10).

Sedangkan menurut Kodoatie & Sjarief (2008: 13) air tanah merupakan air

yang terdapat dalam lapisan tanah atau batuan di bawah permukaan tanah. Air

tanah terbagi atas air tanah dangkal dan air tanah dalam. Air tanah dalam

terdapat setelah lapis rapat air yang pertama dalam suatu kedalaman biasanya

antara 100-300 m. Sedangkan air tanah dangkal berada hingga kedalaman 15

m.

Air tanah pada umumnya memiliki kualitas yang baik, akan tetapi

banyak tergantung kepada sifat lapisan tanahnya, apabila kondisi sanitasi

lingkungan sangat rendah maka banyak tercemar oleh bakteri. Apabila

berdekatan dengan industri dengan beban pencemaran tinggi dan tidak

memiliki sistem pengendalian pencemaran air maka akan terpengaruh

rembesan pencemaran.

c. Air Hujan

Air hujan adalah air yang menguap karena panas dan mengembara di

udara kemudian mengembun serta jatuh ke bumi berupa air hujan (Winarno,

1986: 25). Pada saat mengembara di udara, uap air dapat melarutkan gas-gas

7

oksigen, nitrogen, karbondioksida, debu dan senyawa lain. Oleh karena itu,

kualitas air hujan sangat dipengaruhi oleh keadaan lingkungannya.

Air hujan yang jatuh ke bumi dan menjadi air permukaan biasanya

memiliki kadar bahan-bahan terlarut atau unsur hara yang sangat sedikit. Air

hujan biasanya bersifat asam, dengan nilai pH sekitar 4,2. Hal ini disebabkan

air hujan melarutkan gas-gas yang terdapat di atmosfer, misalnya gas

karbondioksida (CO2), sulfur (S), dan nitrogen oksida (NO2) yang dapat

membentuk asam lemah. Setelah jatuh ke permukaan bumi, air hujan

mengalami kontak dengan tanah dan melarutkan bahan-bahan yang terkandung

di dalam tanah.

Pada beberapa daerah yang tidak memiliki cukup sumber air

permukaan maupun sumber air tanah, maka air hujan dapat digunakan sumber

air baku untuk keperluan rumah tangga. Pemanfaatan air hujan guna

penyediaan air bersih dapat dilakukan dengan cara membuat bak

penampungan. Namun, sumber air hujan tidak dapat dipastikan dan diatur

perolehannya karena tergantung curah hujan daerah tersebut.

3. Polusi Air

Polusi atau pencemaran air adalah segala sesuatu yang masuk atau

dimasukkannya makhluk hidup, zat, energi atau komponen lain ke dalam air oleh

kegiatan manusia atau proses alami, sehingga kualitas air turun sampai tingkat

tertentu yang menyebabkan air menjadi kurang atau tidak dapat berfungsi lagi

sesuai dengan peruntukkannya (Srikandi, 1992: 15). Air yang tersebar di alam

tidak pernah dalam keadan murni, tetapi bukan berarti semua air sudah terpolusi.

Ciri-ciri air yang terpolusi bervariasi tergantung dari jenis air dan

polutannya atau komponen yang mengakibatkan polusi. Berdasarkan sifatnya,

polutan air dikelompokkan menjadi beberapa kelompok, antara lain:

a. Padatan

Berdasarkan besar partikelnya, menurut Srikandi ( 1992: 25-27) polusi

padatan dibedakan menjadi tiga macam, yaitu:

8

1) Padatan terendap

Padatan terendap atau biasa disebut sedimen adalah padatan yang

dapat langsung mengendap jika air didiamkan selama beberapa waktu.

Padatan terendap biasanya berupa pasir dan lumpur.

2) Padatan tersuspensi

Padatan tersuspensi adalah padatan yang menyebabkan kekeruhan

yang tidak terlarut dan tidak dapat diendapkan secara langsung. Padatan

tersuspensi memiliki ukuran yang lebih kecil dari padatan sedimen, seperti

tanah liat dan bahan-bahan organik tertentu.

3) Padatan terlarut

Padatan terlarut adalah padatan-padatan yang mempunyai ukuran

lebih kecil dari pada padatan tersuspensi. Padatan terlarut berupa senyawa-

senyawa orgaik dan anorganik, mineral dan garam-garam yang terlarut

dalam air, seperti merkuri (Hg), timbal (Pb) serta garam-garam kalsium dan

magnesium yang mempengaruhi kesadahan air.

b. Mikroorganisme

Air dapat merupakan medium pembawa mikroorganisme yang

berbahaya bagi kesehatan. Patogen yang sering ditemukan dalam air terutama

adalah bakteri-bakteri penyebab infeksi saluran pencenaan seperti Vibrio

cholerae penyebab penyakit koler, Shigella dysentriae penyebab penyakit

disentri, dan Salmonella thyposa penyebab penyakit tifus (Srikandi 1992: 39).

Selain itu, pencemar air yang lain akibat aktivitas manusia diantaranya

limbah deterjen, pestisida dan limbah radioaktif.

4. Syarat Air Minum

Dalam Peraturan Menteri Kesehatan Nomor 416 Tahun 1990 tentang

Syarat-Syarat dan Pengawasan Kualitas Air, menyebutkan bahwa air minum

adalah air yang kualitasnya memenuhi syarat kesehatan dan dapat langsung

diminum. Kualitas air minum harus memenuhi syarat kesehatan yang meliputi

9

persyaratan Mikrobiologi, Fisika, Kimia, dan Radioaktif. Daftar persyaratan

kualitas air minum adalah sebagai berikut:

Tabel 2.1 Persyaratan kualitas air minum berdasarkan tinjauan fisika

ParameterKadar maksimum

yang diperbolehkan

Keterangan

Bau - Tidak berbauJumlah zat padat terlarut 1000 mg/L -

Kekeruhan 5 NTU -Rasa - Tidak berasaSuhu Suhu udara ±30C -

Warna 15 TCU -Sumber: Peraturan Menteri Kesehatan Nomor 416 Tahun 1990

Tabel 2.2 Persyaratan kualitas air minum berdasarkan tinjauan kimia anorganik


yang diperbolehkanKeterangan

Air raksa 0,001 mg/L -Alumunium 0,2 mg/L

Arsan 0,05 mg/L -Bakium 1 mg/L

Besi 0,3 mg/L -Flourida 1,5 mg/L -

Kadmium 0,005 mg/L -Kesadanan (CaCO3) 500 mg/L -

Klorida 250 mg/L -Kronium, valensi 6 0,05 mg/L -

Mangan 0,1 mg/L -Natrium 200 mg/L

Nitrat, sebagai N 10 mg/L -Nitrit, sebagai N 1,0 mg/L -

Perak 0,05 mg/L -Selenium 0,01 mg/L -

Seng 5,0 mg/L -Sianida 0,1 mg/L -Sulfat 400 mg/L -

Sulfida (sebagai H2S) 0,05 mg/LTembaga 1,0 mg/LTimbal 0,05 mg/L -

Sumber: Peraturan Menteri Kesehatan Nomor 416 Tahun 1990

10

Tabel 2.3 Persyaratan kualitas air minum berdasarkan tinjauan kimia organik



Aldrin & dieldrin 0,0007 mg/L -Benzene 0,001 mg/L -

Benzo (a) pyrene 0,00001 mg/L -Chloroform (total isomer) 0,0003 mg/L -

Chloroform 0,03 mg/L -2.4-D 0,10 mg/L -DDT 0,03 mg/L -

Detergen 0,05 mg/L -1,2-Dichloroethene 0,01 mg/L -1,1- Dichloroethene 0,0003 mg/L -

Heptachlor dan heptachlor epoxide 0,003 mg/L -Hexachlorobenzene 0,00001 mg/L -

Gamma-HCH (Lindane) 0,004 mg/L -Metoxychlor 0,03 mg/L -

Pentachloropenol 0,01 mg/L -Pestisida total 0,10 mg/L -

2,4,6-trichorophenol 0,01 mg/L -Zat organik (KmnO4) 10 mg/L -


Tabel 2.4 Persyaratan kualitas air minum berdasarkan tinjauan mikrobiologik



Total koliform (MPN) 0 tiap ml Bukan air pipaanKoliform tinja belum diperiksa 0 tiap ml Bukan air pipaan


Tabel 2.5 Persyaratan kualitas air minum berdasarkan tinjauan radioaktivitas



Aktivitas alpha (gross alpha activity) 0,1 Bg/L -Aktivitas beta (gross beta activity) 1,0 Bg/L -


Jumlah air minum yang diperlukan untuk rumah tangga sehari-hari

sangat berubah-ubah sehingga sulit diketahui dengan tepat. Menurut Fajar Hadi

(1978) perkiraan keperluan air minum tiap orang per harinya berkisar antara 2,5-5

liter (Winarno, 1986: 18). Bila satu rumah rata-rata terdiri dari 5 anggota keluarga

maka kebutuhan air minum rumah tangga berkisar antara 12,5-25 liter tiap

harinya. Dengan syarat-syarat di atas, dalam penyediaan air minum hendaknya

11

memperhatikan kualitas sertas kuantitas sumbernya. Untuk sumber air yang tidak

memenuhi persyaratan air bersih maupun air minum, maka perlu dilakukan usaha

pengolahan air.

B. Pengolahan Air

Pengolahan air diperlukan untuk mengolah air agar mencapai kualitas air

bersih sebagaimana yang disyaratkan sehingga menjadi siap untuk digunakan

memenuhi kebutuhan air minum. Pengolahan air ada banyak macamnya, mulai

dari pelunakan air sadah, penambahan tawas, elektrolisis hingga pemanfaatan

teknologi membran. Pelunakan air sadah dilakukan dengan cara merebus air

sehingga kandungan kalsium dapat terendapkan. Penambahan tawas dapat

menyerap kotoran yang berupa padatan tersuspensi. Elektrolisis dilakukan dengan

cara mengalirkan arus listrik melalui elektroda-elektroda yang terpasang pada air

baku. Sedangkan pengolahan air menggunakan teknologi membran dilakukan

dengan melewatkan air baku melalui pori-pori membran agar terjadi penyaringan

secara selektif.

Teknologi membran merupakan teknologi pengolahan air yang sedang

berkembang dewasa ini. Eryan (2004) menjelaskan bahwa, keunggulan

penggunaan teknologi membran dibandingkan dengan proses pengolahan air yang

lain ialah terjadi penghematan energi karena pemisahan dilakukan pada suhu

kamar, lebih bersih, dan ramah lingkungan karena tidak menggunakan bahan

kimia. Selain itu proses penggunaan membran dapat dengan mudah dipasang

secara cepat dan tidak membutuhkan ruangan yang luas (Andriansyah, 2005: 1).

Oleh karena itu roses pengolahan air dengan menggunakan membran merupakan

salah satu proses pengolahan air yang mudah dan ekonomis.

1. Pengolahan Air Menggunakan Teknologi

Membran

Membran menurut Scott dan Hughes (1996) adalah lapisan

semipermeabel berupa padatan polimer tipis yang menahan pergerakan bahan

tertentu. Menurut Osada dan Nakagawa (1992), membran merupakan lapisan

semipermeabel yang tipis dan dapat digunakan untuk memisahkan dua komponen

12

dengan cara menahan dan melewatkan komponen tertentu melalui pori–pori.

Sedangkan menurut Eryan (2004), membran adalah lapisan tipis dari suatu

material berpori (porous material) yang dapat digunakan untuk beberapa proses

pemisahan (Andriansyah, 2005: 3).

Berdasarkan morfologinya, membran dibagi menjadi dua yaitu membran

asimetrik dan membran simetrik. Mallevialle et.al (1996) menyatakan bahwa

membran simetrik merupakan membran yang memiliki morfologi homogen,

sedangkan membran asimetrik merupakan membran yang memiliki morfologi

pada bagian atas berbeda dengan yang di bawah (Andriansyah, 2005: 3).

Membran semipermeabel pada umumnya mempunyai struktur asimetrik

berbentuk kapiler yang merupakan lapisan semipermeabel yang bersifat selektif

yang dapat menahan dan melewatkan pergerakan bahan tertentu. Ada beberapa

macam teknologi membran yang dapat digunakan untuk mengolah air, antara lain:

a. Membran Mikrofiltrasi

Membran mikrofiltrasi merupakan membran yang digunakan untuk

pemisahan partikel berukuran micron atau submicron. Menurut Brocks (1983)

yang dikutip dari Andriansyah (2005: 4) membran mikrofiltrasi berfungsi

untuk menyaring partikel berukuran 0,10–10,00 µm. Bahan membran ini dapat

berupa katun, wool, rayon, selulosa, fiberglass, polypropilen, akrilik, nilon,

asbes, ester-ester selulosa, polimer hidrokarbon terfluorinasi.

b. Membran Ultrafiltrasi

Membran ultrafiltrasi merupakan membran yang digunakan untuk

menghilangkan berbagai zat terlarut dengan berat molekul tinggi, aneka koloid,

mikroba sampai padatan tersuspensi dari air larutan. Menurut Brocks (1983)

yang dikutip dari Andriansyah (2005: 4) membran ultrafiltrasi berfungsi untuk

menyaring partikel berukuran 0,01–0,100 µm. Membran ultrafiltrasi dibuat

dengan mencetak polimer selulosa acetate (CA) sebagai lembaran tipis tetapi

sayangnya dapat dirusak oleh bakteri dan zat kimia, rentan pH. Adapula

membrane dibuat dari polimer polisulfon, akrilik, polikarbonat, PVC,

13

poliamida, piliviniliden fluoride, kopolimer AN-VC, poliasetal, poliakrilat,

kompleks polielektrolit, PVA ikat silang.

c. Membran Nanofiltrasi

Proses nanofiltrasi merejeksi kesadahan, menghilangkan bakteri dan

virus, menghilangkan warna karena zat organik tanpa menghasilkan zat kimia

berbahaya seperti hidrokarbon terklorinisasi. Nanofiltrasi cocok bagi air

padatan total terlarut rendah, dilunakkan dan dihilangkan organiknya.

Formulasi dasarnya mirip reverse osmosis tetapi mekanisme operasionalnya

mirip ultrafiltrasi. Menurut Brocks (1983) yang dikutip dari Andriansyah

(2005: 4) membran nanofiltrasi berfungsi untuk menyaring partikel berukuran

0,001–0,010 µm.

d. Membran Reverse Osmosis

Membran reverse osmosis berfungsi menyaring garam–garam atau

partikel berukuran 0.0001 –0. 0010 µm. Membran RO dibuat dari berbagai

bahan seperti selulosa asetat (CA), poliamida (PA), poliamida aromatis,

polieteramida,polieteramina, polieterurea, polifelilene oksida, polifenilen

bibenzimidazol,dsb.

Osada & Kagawa (1992) menjelaskan bahwa kinerja atau effisiensi

membran ditentukan oleh dua parameter utama yaitu, nilai fluks dan rejeksi

(Andriansyah, 2005: 3). Fluks adalah jumlah permeat yang dihasilkan pada

operasi membran tiap satuan luas permukaan membran tiap satuan waktu. Secara

umum fluks dapat dinyatakan sebagai berikut:

(1)

di mana N merupakan fluks volume permeat dengan satuan liter/m².jam, V

merupakan volume permeat yang tertampung dengan satuan liter, A merupakan

luas permukaan membran dengan satuan m² dan t merupakan waktu dengan

satuan jam. Persamaan di atas kemudian diturunkan terhadap tekanan operasi

sehingga diperoleh permeabilitas membran (K) dengan persamaan

14

(2)

(Luqman, 2010: 39)

Rejeksi suatu membran merupakan ukuran kemampuan suatu membran

menahan atau melewatkan suatu molekul. Rejeksi membran tergantung pada

interaksi antar permukaan dengan molekul, ukuran molekul, dan ukuran pori

membran. Nilai rejeksi suatu zat padat terlarut dinyatakan sebagai berikut:

R (%) = (1 – ) x 100% (3)

(Susanto, 2009: 205)

di mana R merupakan rejeksi membran, Cpermeat merupakan konsentrasi partikel

dalam permeat dan Cumpan merupakan konsentrasi partikel dalam larutan umpan.

Nilai rejeksi membran bervariasi antara 0% – 100%. Nilai rejeksi membran 100%

artinya terjadi pemisahan sempurna, dalam hal ini membran semipermeabel ideal

sedangkan nilai rejeksi membran 0% berarti partikel semua lolos dari membran.

Tabel 2.6 Kisaran fluks dan tekanan operasi berbagai jenis membran

Jenis MembranKisaran Tekanan

OperasiKisaran Fluks

Mikrofiltrasi 1.104–2,0.105 Pa >50 L/m2.jamUltrafiltrasi 2,0.105 –5,0. 105 Pa 10–50 L/m2.jamNanofiltrasi 5,0. 105 –2,0. 106 Pa 1.4–12 L/m2.jam

Reverse osmosis 106 –107 Pa 0.05 –1.4 L/m2.jamSumber: Mulder (1996) dikutip dari (Andriansyah, 2005: 5).

Pemilihan sistem reverse osmosis sebagai metode pengolahan air karena

sistem reverse osmosis dapat memisahkan komponen-komponen yang tidak

diinginkan. Menurut Ariyanti & Widiasa (2011: 193) sistem reverse osmosis

dapat memisahkan air dengan komponen organik, non organik, bakteri, virus,

partikulat, ion atau garam terlarut serta memiliki pori paling kecil dibandingkan

membran-membran yang lain yaitu 0.0001 µm.

2. Reverse Osmosis sebagai Sistem Pengolahan Air

a. Pengertian Osmosis

15

Gejala osmosis merupakan fenomena pencapaian kesetimbangan

antara dua larutan yang memiliki perbedaan konsentrasi zat terlarut, dimana

kedua larutan ini berada pada satu bejana dan dipisahkan oleh lapisan

semipermeabel. Kesetimbangan terjadi akibat perpindahan pelarut dari larutan

yang memiliki konsentrasi zat terlarut rendah ke larutan yang memiliki

konsentrasi zat terlarut tinggi (Ariyanti & Widiasa, 2011: 193). Sedangkan

besarnya tekanan osmosis menurut Atkins (2006: 187) sebanding dengan

tekanan yang harus diberikan kepada larutan agar alirannya akibat gejala

osomosis dapat berhenti.

Gambar 2.1 Kesetimbangan tekanan osmosis π antara pelarut murni A pada satu sisi membran semipermeabel, dengan larutan A* pada sisi lain membran

(Atkins, 2006: 187).

Pada sisi pelarut murni, potensial kimia pelarut pada tekanan P adalah

πA*(P). Pada sisi larutan, potensial kimia diturunkan dengan adanya zat terlarut

sebanyak fraksi mol xA, tetapi dinaikkan karena tekanan lebih besar P + π yang

dialami larutan itu. Pada kesetimbangan, kedua belah sisi tekanan harus sama,

sehingga:

(4)

karena adanya zat terlarut, maka

(5)

sedangkan besarnya efek tekanan

(6)

dari persamaan (4), (5), dan (6) diperoleh

))

P P + π

Membran

16

(7)

(Atkins, 2006: 187)

Untuk larutan encer, ln XA dapat digantikan dengan ln (1-XB) ≈ -XB

dengan Vm merupakan konstanta dari fungsi tekanan, sehingga menghasilkan

(8)

(Atkins, 2006: 187)

jika larutan itu encer, XB ≈ dan Vm = dengan V volume total pelarut, maka persamaan (8) disederhanakan menjadi persamaan

Van’t Hoff

(9)

Besarnya tekanan osmosis tersebut tergantung dari temperatur air, dan

konsentrasi garam yang dapat terlarut dalam air. Karena nB/V = CB, yaitu

konsentrasi molar zat terlarut. Besarnya tekanan osmosis dapat disederhanakan

sebagai berikut:

(10)

(Atkins, 2006: 188)

dengan π adalah tekanan osmotik (Pa), C adalah konsentrasi molar total zat

terlarut (Molar), R adalah konstanta gas ideal, dan T adalah suhu larutan

(Kelvin).

b. Prinsip Kerja Reverse Osmosis

Supaya terjadi reverse osmosis, larutan harus mengalir dari

konsentrasi tinggi ke sisi larutan dengan konsentrasi yang lebih rendah

sehingga diperlukan suatu tekanan operasi yang diberikan pada larutan agar

proses penyaringan dapat terjadi. Dengan tekanan operasi tertentu maka akan

dihasilkan aliran akibat perbedaan tekanan dari dalam ke luar dinding membran

dengan arah yang melintasi permukaan membran.

Ariyanti & Widiasa menyatakan bahwa prinsip dasar reverse

osmosis adalah memberi tekanan hidrostatik yang melebihi tekanan osmosis

17

larutan sehingga pelarut dalam hal ini air dapat berpindah dari larutan yang

memiliki konsentrasi zat terlarut tinggi ke larutan yang memiliki konsentrasi

zat terlarut rendah (2011: 193). Prinsip kerja reverse osmosis ditunjukkan oleh

Gambar 2.2 di bawah ini.

Gambar 2.2 Skema fenomena osmosis dan reverse osmosis (Ariyanti & Widiasa, 2011: 193)

Menurut Mallevialle et. al. (1996), pada dasarnya operasi pemisahan

menggunakan membran reverse osmosis adalah memisahkan bagian tertentu

dari air umpan (feed) menjadi rentetat (larutan yang tidak tersaring) dan

permeat (larutan yang telah tersaring) (Andriansyah, 2005: 6). Pemisahan

bahan bukan berdasarkan ukuran molekul tetapi berdasarkan solution diffusion.

Menurut Ariyanti & Widiasa (2011: 194) teori solution diffusion

mengasumsikan bahwa baik zat terlarut (garam) maupun pelarut (air) terlarut

Membransemipermeabel

C1 C2

C1 < C2

π1 < π2

π = Tekanan Osmotik


C1 C2

Reverse OsmosisC1 << C2

π1 << π2


P > π


C1 C2

Saat kesetimbangan(osmosis)

C1 = C2

π1 = π2


18

secara homogen pada permukaan membran dan masing-masing akan berdifusi

melewati membran.

Difusi merupakan peristiwa transfer materi melalui materi lain

(Sudirham & Utari, 2009: 1). Fenomena difusi pada membran reverse osmosis

dijelaskan berdasarkan hukum Fick. Dalam keadaan mantap, Fick menyatakan

bahwa fluks aliran berbanding lurus dengan gradien konsentrasi (perubahan

konsentrasi tiap satuan panjang). Persamaan fluks materi yang berdifusi ( J )

dituliskan sebagai berikut:

(11)

(Alonso & Finn, 1994: 358)

D adalah koefisien difusi, adalah gradien konsentrasi dalam keadaan mantap

di mana C0 dan C bernilai konstan. Persamaan (11) ini disebut Hukum Fick

Pertama. Difusi dalam keadaan mantap digambarkan pada gambar 2.3 di

bawah ini.

Gambar 2.3 Fenomena difusi dalam keadaan mantap

Fenomena difusi seringkali lebih rumit dibandingkan persamaan yang

telah ada. Peristiwa yang lebih umum terjadi adalah peristiwa transien dimana

konsentrasi berubah terhadap waktu. Difusi dalam keadaan transien

digambarkan sebagai berikut

19

Gambar 2.4 Fenomena difusi dalam keadaan transien

Dengan menggabungkan hukum Fick pertama dengan prinsip kekekalan

molekul akan menghasilkan perubahan konsentrasi terhadap waktu.

Jumlah partikel pada saat tertentu adalah

(12)

Kemudian persamaan (12) diturunkan terhadap waktu diperoleh

(13)

Persamaan (13) di atas merupakan laju penimbunan yang besarnya juga

sebanding selisih antara fluks yang masuk di xo dan fluks yang keluar di x dan

luas membran. Sehingga diperoleh persamaan

(14)

Dari persamaan (11) dan (14) diperoleh persamaan

(15)

(Alonso & Finn, 1994: 358)

Persamaan (15) di atas merupakan hukum Fick II yang menyatakan bahwa laju

perubahan konsentrasi sebanding dengan turunan kedua konsentrasi terhadap

panjang. Penyelesaian persamaan (15) di atas dapat dilihat pada lampiran 1.

Suatu fenomena umum yang sering ditemukan dalam suatu proses

pemisahan dengan membran reverse omosis, yaitu apabila fluks membran

besar maka rejeksi akan rendah, demikian pula sebaliknya jika rejeksi tinggi

20

maka fluks juga akan rendah. Menurut Hartomo & Widiatmoko (1994: 147)

fluks nyata sering lebih kecil dari prakiraan akibat polarisasi konsentrasi, pada

saat penyaringan air melewati membran sedangkan garam yang tertinggal

memekat di dekat membran. Oleh karenanya, terjadi polarisasi konsentrasi

yang mengakibatkan efisiensi membran merosot pelan-pelan seiring

menebalnya lapisan garam tersebut.

Gambar 2.5 Skema peristiwa polarisasi konsentrasi

Perbedaan konsentrasi penetran yang terjadi di fasa ruah C1 dengan di

permukaan C2 akan menghasilkan difusi balik umpan dari permukaan membran

ke fasa ruah. Namun, setelah beberapa waktu keadaan mantap akan tercapai

dengan tebal polarisasi tetap (Hartomo & Widiatmoko, 1994: 147). Untuk

menghindari terbentuk lapisan pada permukaan membran berupa polarisasi

konsentrasi, digunakan proses dengan menggunakan metode pengaliran air

umpan secara cross–flow.

Pengaliran secara cross-flow dilakukan dengan cara mengalirkan air

umpan sejajar melalui suatu membran dengan hanya sebagian saja yang

melewati pori membran untuk memproduksi permeat. Partikel atau padatan

tersuspensi pada permukaan membran akan tersapu oleh kecepatan aliran

umpan. Sebagian aliran air umpan akan melewati permukaan membran

sehingga larutan, koloid, dan padatan tersuspensi yang tertahan oleh membran

akan terus terbawa menjadi aliran balik atau rentetat. Prinsip cross–flow

filtration pada membran dapat dilihat pada gambar 2.6 di bawah ini

21

Gambar 2.6 Prinsip Cross-Flow Filtration (Andriansyah, 2005: 6)

c. Pembuatan Membran Reverse Osmosis

Terdapat dua jenis polimer yang dapat digunakan sebagai membran

reverse osmosis, yaitu selulosa asetat dan komposit poliamida. Kedua jenis

material membran ini memiliki perbedaan yang cukup signifikan seperti yang

terlihat pada tabel berikut:

Tabel 2.7 Jenis membran reverse osmosis dan perbedaannya

BatasanMembran

selulosa asetatMembran

komposit poliamidapH 2-8 2-11

Temperatur 500C-3000C 500C-5000CKetahanan pada serangan bakteri Lemah Sangat kuat

Ketahanan pada klorin 0-1 ppm 0-0.1 ppmRejeksi terhadap garam saat 60 psi 85-92% 94-98%Rejeksi terhadap nitrat saat 60 psi 30-50% 70-90%

Sumber: Ariyanti & Widiasa (2011: 194)

Pembuatan membran dapat dilakukan dengan metode dry/wet phase

inversion dengan mengubah fasa polimer dari fasa cair menjadi padatan dengan

dilakukan pengepresan dan penguapan. Untuk menambah kinerja membran, zat

aditif sering ditambahkan ke dalam larutan polimer. Menurut Ahmad (2005)

yang dikutip dari Supriyadi (2013: 96), penambahan zat aditif dapat mengubah

sifat membran dan meningkatkan kinerja membran serta mempengaruhi jumlah

dan ukuran pori membran yang dihasilkan. Salah satu jenis aditif yang sering

digunakan adalah polietilen glikol (PEG). Sedangkan menurut Kim (2001)

yang dikutip dari Supriyadi (2013: 96), menjelaskan bahwa adanya pemanasan

22

dalam pembuatan membran menghasilkan membran yang memiliki fluks lebih

rendah tetapi memilikis selektivitas yang lebih tinggi.

C. Proses Pengolahan Air dan Instalasi Alat Sistem Reverse Osmosis

1. Proses Pengolahan Air Sistem Reverse Osmosis

Proses pengolahan air menggunakan sistem reverse osmosis pada

umumnya terdiri dari 3 proses, yaitu :

a. Pengolahan Awal (Pretreatment)

Kualitas air umpan yang digunakan sangat berpengaruh terhadap

kualitas permeat yang akan dihasilkan. Air umpan yang akan masuk ke dalam

membran reverse osmosis harus mempunyai persyaratan tertentu, antara lain

dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

Tabel 2.8 Standar kualitas air untuk air umpan unit reverse osmosis

Parameter Kandungan maksimal

WarnaBau

KekeruhanBesi

ManganKhlorida

Bahan organikTDS

100 TCURelatif

20 NTU2,0 mg/L1,3 mg/L

4000 mg/L40 mg/L

12000 mg/L

(Widayat, 2005: 268)

Oleh karena itu, air umpan terlebih dahulu diolah agar sesuai dengan

kondisi membran dengan menghilangkan padatan tersuspensi, menyesuaikan

pH operasi dan menambahkan inhibitor yang disebabkan oleh pengotor.

Pretreatment berfungsi untuk memisahkan padatan-padatan yang

terlarut dalam air umpan seperti partikulat, klorin dan komponen lain. Menurut

Ariyanti & Widiasa (2011: 195), pretreatment biasanya berupa sedimen filter,

karbon aktif, penambahan antiscalant atau kombinasi dari ketiganya. Widayat

(2005: 268) menambahkan bahwa kapasitas total unit pengolahan awal

23

diperlukan air baku tiga kali lipat dari jumlah kebutuhan air minum yang

diinginkan.

b. Pengolahan Lanjutan (Treatment)

Pada tahapan ini dilakukan proses penyaringan dengan membran

reverse osmosis. Air umpan yang sudah diolah pada pengolahan awal

dinaikkan tekanannya dengan pompa sampai tekanan operasi yang diinginkan.

Peningkatan tekanan operasi dapat meningkatkan fluks tetapi menurunkan

rejeksi, sehingga tekanan operasi harus disesuaikan dengan membran dan kadar

garam air umpan. Laju alir akan meningkat seiring peningkatan tekanan, tetapi

tekanan yang besar dapat merusak membran reverse osmosis sehingga

komponen yang semula akan dipisahkan dari air akan terikut sebagai produk.

Mulder (1996) menjelaskan bahwa operasi tekanan pada membran reverse

osmosis berkisar antara 106-107 Pascal pada suhu 21 oC - 35 oC (Andriansyah,

2005). Winduwati (2000), dalam kesimpulannya menjelaskan bahwa agar

memperoleh faktor rejeksi dan fluks permeat yang tinggi, larutan umpan harus

di bawah 40 mg/L dengan tekanan operasi di atas 100 psi atau berkisar di atas

7.105 Pascal.

Penggunaan membran reverse osmosis dapat menghambat jalannya

partikulat dari air umpan yang melewatinya. Namun, karena tidak ada

membran yang memiliki nilai rejeksi 100% sempurna, maka ada sebagian kecil

partikulat yang masih dapat melewati membran. Srikandi (1992: 88)

menyebutkan bahwa proses reverse osmosis dapat mengurangi 90% padatan

dan menghasilkan rekoveri air sebanyak 75%. Menurut Hartomo &

Widiatmoko menyebutkan bahwa reverse osmosis dapat mencapai rejeksi 95-

99% sedangkan rejeksi bakteri, virus dan pirogen dapat mencapai 100%

kecuali jika ada kebocoran atau membran rusak. Sedangkan menurut Widayat

(2005: 270), air hasil olahan lanjutan mempunyai kualitas sebagai air siap

minum dan kandungan jumlah padatan terlarut umumnya lebih kecil dari 150

ppm.

c. Stabilisasi Air

24

Air hasil keluaran kemudian disesuaikan pHnya terlebih dahulu

sebelum dialirkan ke sistem distribusi. Stabilisasi berfungsi untuk

menghilangkan bau, rasa yang tidak diinginkan. Proses ini biasanya

menggunakan karbon aktif yang dengan mudah dapat mengadsorbsi komponen

penyebab bau dan rasa yang tidak diinginkan.

2. Instalasi Reverse Osmosis

Secara sederhana, desain alat pengolahan air sistem reverse osmosis

untuk memenuhi kebutuhan air minum rumah tangga menggunakan tipe Whole

House. Menurut Ariyanti & Widiasa (2011: 194) tipe Whole House didesain

untuk memenuhi kebutuhan air di dalam sebuah rumah tangga, seperti air minum

dan air untuk memasak. Desain alat pengolahan air sistem reverse osmosis

menggunakan tipe Whole House memiliki spesifikasi teknis sebagai berikut:

a. Pompa Air Umpan

Pompa air umpan adalah pompa sentrifugal biasa dengan kapasitas

yang sesuai dengan kapasitas maksimum dari unit pengolah awal (BPPT,

2013).

b. Tangki Pencampur

Tangki pencampur adalah alat untuk mengakomodasikan terjadinya

proses pencampuran antara air umpan dengan bahan kimia KMnO4. Menurut

Widayat (2005: 268) penambahan KMnO4 berfungsi untuk menangkap

kelebihan besi dan mangan atau logam-logam bervalensi dua lainnya.

Konsentrasi KMnO4 yang masuk ke dalam tangki pencampur diatur agar

konsentrasinya sekitar 0,3 ppm.

c. Tangki Penyaring

Air dari tangki pencampur kemudian masuk ke tangki penyaringan

dengan tekanan maksimum sekitar 4 Bar. Alat ini berfungsi menyaring partikel

kasar yang berasal dari air baku dan hasil oksidasi kalium permanganat,

termasuk besi dan mangan. Media penyaring yang digunakan berupa pasir

silika dan terdiri dari 4 ukuran, yaitu dari diameter terbesar 2 - 3 cm, kemudian

25

0,5 - 1 cm, 3 - 5 mm dan yang terkecil 1 - 2 mm. Selain itu, media filter yang

digunakan adalah mangan zeolit (K2Z.MnO.Mn2O7) yang berdiameter sekitar

0,3 - 0,5 mm.

d. Penyaring Karbon Aktif

Unit ini khusus digunakan untuk penghilang bau, warna, logam berat

dan pengotor-pengotor organik lainnya. Media penyaring yang digunakan

adalah karbon aktif granular atau butiran dengan ukuran 1 - 2,5 mm atau resin

sintetis, serta menggunakan juga media pendukung berupa pasir silika pada

bagian dasar (BPPT, 2013).

e. Pompa Tekanan Tinggi (High Pressure Pump)

Pompa Tekanan Tinggi digunakan untuk mengalirkan air dari sistem

penyaringan konvensional ke sistem penyaringan skala molekuler. Untuk

menembus membran reverse osmosis membutuhkan tekanan besar berkisar 20

- 30 bar (BPPT, 2013).

f. Unit Reverse Osmosis

Unit reverse osmosis merupakan jantung dari sistem pengolahan air

secara keseluruhan. Unit ini terdiri dari selaput membran yang digulung secara

spiral (spiral wound) dengan pelindung kerangka luar yang tahan terhadap

tekanan tinggi. Kapasitas tiap unit bermacam-macam tergantung desain yang

diinginkan.

Saat ini banyak instalansi pengolahan air dengan reverse osmosis

menggunakan modulasi membran spiral wound. Menurut Ariyanti & Widiasa

(2011: 194), pada aplikasi reverse osmosis, konfigurasi modul membran yang

digunakan yaitu spiral wound sedangkan konfigurasi yang lain yaitu hollow

fiber, tubular dan plate and frame tidak terlalu banyak digunakan pada aplikasi

reverse osmosis, hanya diaplikasikan pada industri makanan serta sistem

khusus.

26

Gambar 2.7 Modul membran spiral woundSumber: Morales dan Maria (2002) dikutip dari Edward (2009: 2).

Membran dengan modul spiral wound terdiri dari dua lembar

membran datar, spacer umpan dan bahan berpori pengumpul permeat yang

digulung membentuk silinder. Pada bagian tengah silinder terdapat pipa

pengumpul permeat yang berfungsi untuk menampung aliran permeat dan

mengalirkannya sebagai produk. Spacer umpan merupakan suatu penyaring

yang berfungsi untuk meningkatkan turbulensi aliran umpan pada permukaan

membran. Dua lembar membran dan bahan berpori pengumpul permeat

disatukan dengan lem, sedangkan spacer umpan dibiarkan terbuka agar aliran

umpan dapat masuk. Larutan umpan mengalir aksial sepanjang modul dalam

celah yang terbentuk antara spacer dan membran. Skema modul spiral wound

dapat dilihat pada Gambar 2.7 di atas.

Daya tahan membran reverse osmosis sangat tergantung pada proses

pengolahan awal. Jika pengolahan awalnya baik, maka membran dapat tahan

lama. Elemen membran spiral wound yang digunakan untuk skala rumah

tangga memiliki panjang 25-100 cm dengan diameter 5-10 cm (Ariyanti &

Widiasa, 2011: 194).

27

Gambar 2.8 Unit reverse osmosis dengan modul spiral wound (Widayat, 2005: 266).

g. Tangki Penampung Air Olahan

Air hasil pengolahan sistem reverse osmosis ini ditampung pada

tangki penampung air olahan. Jumlah tangki penampung disesuaikan dengan

kebutuhan.

h. Sistem Jaringan Perpipaan

Sistem jaringan perpipaan terdiri dari tiga bagian, yaitu jaringan pipa

masukan, jaringan pipa keluaran, dan jaringan pipa pembuangan. Sistem

jaringan ini dilengkapi dengan keran-keran sesuai dengan ukuran

perpipaan. Pipa terbuat dari bahan PVC yang tahan terhadap tekanan

tinggi. Sedangkan keran yang dipakai adalah keran tahan karat terbuat dari

plastik.

Desain alat dan contoh instalasi pengolahan air sistem reverse osmosis

tipe Whole House dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

28

Gamba 2.9 Desain alat dan contoh instalasi pengolahan air sistem

reverse osmosis tipe Whole House (Ariyanti & Widiasa, 2011: 195).

Sedangkan biaya yang dibutuhkan dalam instalasi maupun pengoperasian

sistem reverse osmosis skala rumah tangga sangat bervariasi. Biaya instalasi

meliputi biaya pembelian membran dan peralatan proses lainnya, serta biaya

operasi yang diperlukan setelah sistem reverse osmosis terpasang dan siap

digunakan. Berikut contoh analisis biaya pengolahan air sistem reverse osmosis.

Tabel 2.9 Contoh analisis biaya pengolahan air sistem reverse osmosis

Macam Biaya Besar BiayaMembran dan peralatan Rp 2.500.000,-

Perawatan Rp 950.000,-/ 3 tahunBiaya operasi Rp 1.604,- /galon

(Ariyanti & Widiasa, 2011: 195)

air dan kegunaannya

Documents