BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
A. Air
Air murni merupakan suatu persenyawaan kimia yang sangat sederhana
terdiri dari dua atom hydrogen (H) berikatan dengan satu atom oksigen (O).
Secara simbolik air dinyatakan sebagai H2O. Air serta bahan-bahan dan energy
yang terkandung didalamnya merupakan lingkungan bagi jasad-jasad air.
Pengaruhnya terhadap kehidupan yang ada didalamnya, yaitu: (1) dengan sifat-
sifat fisikanya yaitu sebagai medium tempat hidup tumbuh-tumbuhan dan hewan,
dan (2) dengan sifat-sifat kimianya sebagai pembawa zat-zat hara yang diperlukan
bagi pembentukan bahan-bahan organic oleh tumbuh-tumbuhan dengan produksi
primernya.
Sifat-sifat fisik inilah yang memisahkan lingkungan air dari lingkungan
udara. Berat jenis, panas jenis, kekentalan dan tegangan permukaan adalah faktor-
faktor yang paling banyak memperngaruhi kehidupan. Berat jenis air murni
adalah 775 kali lebih besar daripada udara (0oC, 760 mmHg). Demikian pula
pengaruhnya terhadap daya apung suatu benda. Ini merupakan suatu
penghhematan energi yang cukup besar untuk menahan beratnya sendiri dan
memungkinkan reduksi dan jaringan-jaringan penunjang. Dibawah ini merupakan
table beberapa dari sifat-sifat air.
Tabel 1. Beberapa Sifat Air
Sifat Dibandingkan Dengan Zat Lain
Tegangan permukaan Paling tinggi dari semua zat cair pada
umumnya
Penghantaran panas Paling tinggi dari semua zat cair pada
umumnya, kecuali air raksa
Viskositas Relatif rendah untuk suatu zat cair (menurun
dengan meningkatnya suhu)
Panas laten penguapan. Jumlah
pertambahan atau kehilangan panas per
satuan massa oleh perubahan zat dari fase
padat ke gas atau gas ke padat tanpa
disertai kenaikan suhu (kal/g)
Paling tinggi dari semua zat pada umumnya
Panas laten peleburan; jumlah pertambahan
atau kehilangan panas per satuan massa
oleh perubahan zat dari fase padat ke cair
atau cair ke padat tanpa disertai kenaikan
suhu (kal/g)
Paling tinggi dari semua zat cair pada
umumnya dan sebagian besar zat padat
Kapastas panas; jumlah kebutuhan panas
untuk menaikkan suhu 1g zat 1oC (kal/g/oC)
Paling tinggi dari semua zat padat dan zat
cair pada umumnya
Kerapatan : massa per satuan volume
(gram/cm3 atau gram/ml)
Berat jenis ditentukan oleh: (1) suhu; (2)
salinitas ; (3) tekanan. Berat jenis maksimum
air murni adalah pada 4oC. untuk air laut, titik
beku menurun dengan meningkatnya
salinitas.
Kemampuan melarutkan Melarutkan banyak zat dalam jumlah lebih
besar dari pada zat cair lain pada umumnya.
Sumber : Ingmansion dan Wallace, 197
1. Sumber Air
Air merupakan suatu senyawa kimia yang tersusun atas dua molekul
hidrogen dan satu molekuk oksigen, mempunyai bobot molekul 18,016,
H=19,19%, O= 88,8%, berupa suatu cairan jernih, tidak berwarna, tidak
berbau, dan tidak berasa, mempunyai titik didih 100 oC dan titik beku 0 oC
pada tekanan 1 atm, bobot jenis 1,000000 serta mempunyai indeks bias
1,3330 pada suhu 20 oC.
Kurang lebih 3/4 bagian dari permukaan bumi terdiri atas air dalam
bentuk cairan, padat dan gas. Air merupakan komponen penting dibumi, juga
dalam bentuk jaringan mekhluk hidup dan tumbuh-tumbuhan, dimana
fungsinya tidak dapat diganti oleh senyawa lain. Air adalah suatu zat yang
dapat digunanan untuk kebutuhan hidup manusia dan kebutuhan industri
tanpa adanya pengolahan terlebih dahulu.
Sumber air yang dapat kita manfaatkan pada dasarnya dapat
digolongkan sebagai berikut : air hujan, air tanah, air permukaan, air sungai,
danau, waduk, air laut, dll.
2. Sungai
Sungai adalah aliran air yang besar dan memanjang yang mengalir secara
terus-menerus dari hulu (sumber) menuju hilir (muara). Air sungai adalah air
yang mengalir melalui terusan alami yang kedua pinggirnya dibatasi oleh tanggul-
tanggul dan airnya mengalir ke laut, ke danau, atau ke sungai lain yang
merupakan sungai induk. Sungai banyak terdapat di Indonesia yang berhulu di
daerah pegunungan. Bagi daerah-daerah tertentu kegunaan sungai-sungai itu
berbeda-beda. Manfaat air sungai bagi kehidupan sangat besar artinya seperti
untuk mengairi pertanian di pesawahan, perikanan lalu lintas perairan,
pembangkit tenaga listrik, dan pariwisata. Sungai merupakan salah satu bagian
dari siklus hidrologi. Air dalam sungai umumnya terkumpul dari presipitasi,
seperti hujan, embun, mata air, limpasan bawah tanah, dan di beberapa negara
tertentu juga berasal dari lelehan es/salju. Selain air, sungai juga mengalirkan
sedimen dan polutan.
Ada beberapa jenis sungai menurut jumlah alirnya, yaitu :
a. Sungai Permanen
Yaitu sungai yang debit airnya sepanjang tahun relatif tetap.
b. Sungai Periodik
Yaitu sungai yang pada waktu musim hujan airnya banyak, sedangkan pada
musim kemarau airnya sedikit.
c. Sungai Intermittent
Yaitu sungai yang mengalirkan airnya pada musim penghujan, sedangkan
pada musim kemarau airnya kering.
d. Sungai Ephemeral
Yaitu sungai yang ada airnya hanya pada saat musim hujan.
Komposisi zat terlarut dalam air sungai dapat dikelompokkan menjadi empat
kelompok, yaitu :
1. Unsur utama (major constituents), dengan kandungan 1,0-1000 mg/l, yakni:
natrium, kalsium, magnesium, bikarbonat, sulfat, klorida, silika.
2. Unsur sekunder (secondary constituents), dengan kandungan 0,01-10 mg/l,
yakni besi, strountium, kalium, kabornat, nitrat, florida, boron.
3. Unsur minor (minor constituents), dengan kandungan 0,0001-0,1 mg/l, yakni
atimon, aluminium, arsen, barium, brom, cadmium, krom, kobalt, tembaga,
germanium, jodium, timbal, litium, mangan, molibdiunum, nikel, fosfat,
rubidium, selenium, titanium, uranium, vanadium, seng.
4. Unsur langka (trace constituents), dengan kandungan biasanya kurang dari
0,001 mg/l, yakni berilium, bismut, cerium, cesium, galium, emas, indium,
lanthanum, niobium, platina, radium, ruthenium, scandium, perak, thalium,
tharium, timah, tungsten, yttrium, zirkon.
B. Kesadahan
Kesadahan digunakan untuk menunjukkan kandungan garam kalsium dan
magnesium yang terlarut, dinyatakan sebagai ekuivalen ( setara) kalsium
karbonat. Kesadahan air dapat dibagi atas dua kelompok: karbonat dan
nonkarbonat, atau kesadahan sementara (temporary) yang disebabkan oleh
garam-garam karbonat (CO32-) dan bikarbonat (HCO3
-) dan kesadahan permanen
(kekal) yang disebabkan oleh adanya garam-garam klorida (Cl-) , sulfat (SO42-),
dan silika (SiO2). Tingkat kesadahan sementara biasanya dapat diturunkan
dengan pemanasan atau pemberian kapur tohor. Sedangkan untuk menurunkan
kesadahan permanen hanya dapat dihilangkan dengan cara melakukan
eprtukaran ion. Unsur-unsur kesadahan menyebabkan erosi pada sudut sudut
turbin. Oleh karena itu air yang akan digunakan untuk industri seharusnya sifat
kesadahannya harus dikurangi terlebih dahulu. Table dibawah ini menunjukkan
tingkat derajat kesadahan.
Tabel 2. Kesadahan Air
Sumber : Suripin, 2001
Tujuan pengurangan keasdahan air adalah :
1. Mencegah terjadinya kerak dalam boiler atau alat-alat lainnya.
2. Menghilangkan atau mengurangi warna yang ditimbulkan oleh besi
dan mangan.
3. Mengurangi sifat korosi air,
4. Mengurangi pengunaan bahan pemebersih dan mempercepat waktu
pencucian dalam proses pembersihan.
C. Silika
Silikon Dioksida, atau silika, adalah salah satu senyawa kimia yang paling
umum. Kristal SiO2 murni ditemukan dalam alam dalam tiga bentuk polimorfis,
yang paling umum diantaranya adalah kuarsa. Pasir, agata (akik), oniks, opal,
batu kecubung (ametis), dan flint adalah silicon dioksida dengan runutas bahan
kotoran.
Bentuk-bentuk silika merupakan beberapa dari struktur kristal yang benar-
benar penting, bukan saja karena silika sendiri merupakan zat yang begitu
melimpah dan berguna, tetapi juga karena strukturnya adalah unit yang mendasar
dalam kebanyakan mineral. Kristal SiO2 memiliki dua cirri utama :
1. Setiap atom silicon berada pada pusat suatu tetrahedron yang terdiri dari
empat atom oksigen
2. Setiap atom okeigen berada ditengah-tengah antara dua atom silicon.
Yang sering menarik perhatian adalah perbedaan yang besar antara sifat
fisika SiO2 dan CO2. Zat yang pertama, tidak melembut sampai dipanaskan ke
sekitar 1500oC; zat yang terakhir bersublimasi pada -78oC. Ini, serta perbedaan
lain, dapat dihubungkan dengan tipe molekul, yang pada gilirannya bergantung
pada jenis ikatan, ikatan tunggal Si-O atau ikatan rangkap C=O.
Karbon bersatu dengan oksigen dan membentuk dua ikatan kovalen
dengan masing-masing atom oksigen, O=C=O. Karbondioksida terdiri dari
molekul-molekul triatom yang kecil sekali, dan merupakan gas pada suhu kamar.
Berlawanan degan ini, struktur yang seakan-akan tak ada akhirnya.
Kelebihan kadar silika didalam air dapat menyebabkan kerusakan pada
pipa pengaliran air dan boiler. Dibawah ini merupakan standar atau maksimum
kadar silika diperbolehkan didalam air umpan menurut IS0392, 1982
Tabel 3. Tabel baku mutu air umpan boiler
REKOMENDASI BATAS AIR UMPAN (IS0392, 1982)
Parameter Satuan Ukuran
pH Unit 10,5-11,5
Conductivity ymhos/cm 5000 max
TDS ppm 3500 max
P-Alkalinity ppm -
M-Alkalinity ppm 800 max
O-Alkalinity ppm 2,5 x SiO2 , min
T-Hardness ppm -
Silica ppm 150, max
Besi ppm 2, max
Phospat residual ppm -
Sulphite residual ppm 20,50
pH condensate ppm 8,9 – 9,0
D. Pertukaran Ion
1. Resin Penukar Ion
Resin penukar ion adalah suatu material buatan yang mengandung
gugus aktif tertentu disamping mengandung ion-ion yang dapat dipertukarkan
dengan ion-ion yang terdapat didalam air, dalam usaha menghilangkan ion-
ion tersebut didalam air. Pengembangan pembuatan resin dilakukan
berdasarkan hasil penelitian D’Alelio (1994) yaitu dari hasil kopolimerisasi
styrene dengan divinil benzene. Dibawah ini merupakan gambar dari alat atau
tangki tempat terjadinya pertukaran ion.
Gambar 1. Tangki Ion Exchanger
2. Jenis Resin Penukar Anion
Resin yaitu suatu material yang mengandung aktif tertentu disamping
yang mengandung ion-ion yang dapat dipertukarkan dengan ion-ion tersebut
dari dalam air. Air dilewatkan melalui sebuah tangki yang berisi resin penukar
ion. Resin dibuat dalam bentuk murjan bulat-bukat dengan diameter antara 0,4
– 0,6 mm dan merupakan suatu polimer organik yang penggunaannya untuk
melunakkan air membuat air bebas ion (deonized) atau air bebas mineral
(demineralized).
Jenis/tipe resin penukar ada dua macam, yaitu: resin penukar kation
dan resin penukar anion. Resin penukar kation terdiri dari dua macam yaitu:
bersifat asam kuat dan asam lemah. Demikian juga resin penukar anion ada
dua macam yaitu : besifat basa kuat dan basa lemah.
a. Resin Penukar Anion Bersifat Basa Kuat
Resin penukar anion basa kuat adalah resin amin kuartener sebagai hasil dari
reaksi trietilamin yang kopolimer dari stiren dan dvinil benzen yang
diklorometilasi, misalnya amberlite IRP-276 (Rhom and Hass), dan DOWEX
MSA-A (DOWnChemical). Resin penukar anion basa kuat ini befungsi
diseluruh kisaran pH.
b. Resin Penukar Anion Bersifat Basa Lemah
Resin penukar ion basa lemah dibentuk dengan mereaksikan amin primer dan
amin sekunder atau amonia dengan kopolimer stiren dan divinil benzene yang
diklorometilasi, biasanya digunakan dimetilamin. Resin penukar anion basa
lemah ini berfungsi dengan baik dibawah pH.
Dibawah ini merupakan gambar dari resin anion.
Gambar 2. Resin Anion
Fungsi penukar anion yaitu :
1. Menyerap asam-asam karbonat, sulfat, klorida, dan silikat yang
dihasilkan oleh penukar kation.
2. Untuk menghilangkan atau mengurangi semua garam-garam mineral
sehingga air yang dihasilkan tidak mengandung garam mineral lagi.
E. Mekanisme Pertukaran Anion Regenerasi
Didalam tangki penukar anion terdapat resin anion yang melakukan
pertukaran dengan anion-anion yang terdapat didalam air. Air yang keluar dari
tangki adalah air yang telah bebas dari anion-anion. Reaksi pertukaran anion
adalah suatu cara untuk menghilangkan silika dalam air. Reaksi pertukaran anion
ini berlangsung dengan dua tahap yaitu:
1. Tahap Servis
Yaitu suatu tahap operasi pengolahan untuk menghasilkan air bebas anion.
Selama tahun ini air yang dialirkan dari sisi masuk (inlet) akan melalui
hamparan resin dan melakukan pertukaran. Tetapi selama operasi berlangsung
pada resin tercampur anion-anion hasil pertukaran. Mekanisme pertukaran
anion dapat dilihat pada gambar 3 berikut ini :
Gambar 3. Mekanisme pertukaran anion pada tangki pertukaran anion
Keterangan:
1, 2, 3 : Lapisan yang ada dalam larutan (alkalinitas yaitu silika)
A, B, C : Lapisan yang ada pada resin
Co : Konsentrasi silika pada air sebelum masuk ketangki penukar
anion.
C : Konsentrasi silika setelah keluar dari tangki penukar kation.
Suatu larutan yang berisikan alkalinitas, silika ( andaikan dengan lapisan 1, 2,
dan 3 ) melewati kolom resin yang mengandung ion Hidroksida ( OH - )
( diandaikan lapisan a, b, dan c ) pada waktu lapisan 11 melewati lapisan A,
terjadi pertukaran ion alkalinitas, dan silika pada lapisan A, ion-ion tersebut
dalam lapisan 1 tinggal ½ dari semula, sementara ion OH- bertambah dengan
jumlah ½ . sedangkan pada lapisan A, ion hidroksida berkurang setengah,
karena diganti dengan ion alkalinitas, silika meninggalkan lapisan B,
konsentrasi ion-ion tersebut berkurang menjadi ¼ , sedangkan konsentrasi
OH- bertambah menjadi ¾ , meninggalkan lapisan C, konsentrasi ion-ion
tersebut berkurang 18
sedangkan OH- bertambah 78
. Demikian seterusnya,
konsentrasi ion-ion tersebut berkurang sementara konsentrasi OH- bertambah.
Sebaliknya pada lapisan resin, konsentrasi hidroksida makin berkurang
sedangkan konsentrasi alkalinitas bertambah. Sesudah kapasitas total tercapai,
resin tidak mampu lagi menuakr ion, kemampuan ini harus dikembalikan
dengan melakukan regenerasi dengan mengalirkan larutan yang dapat
mengaktifkan resin.
Di pabrik PTPN IV Unit Adolina Perbaungan menggunakan resin
dengan nama dagang “ AMBERJET 4000 Cl “, pada resin ini yang menjadi
gugus fungsional adalah Natrium Hidroksida ( Na+OH- ) sehingga sebagai
penukar adalah ion OH- untuk anion. Dimana anion-anion yang ada didalam
air seperti Silika ( SiO2) ditukar dengan ion OH- yang ada dalam resin. Ion
OH- terikat bersama air dan ion SiO2 ada dalam resin. Dan alat untuk
pengukur kadar silika yang ada dalam air digunakanlah alat ukur silika dengan
merk “LOVIBOND 2000” seperti gambar dibawah ini.
Gambar 4. Lovibond
2. Tahap-Tahap regenerasi
Kejenuhan resin dapat diketahui dari konsentrasi kesadahan total yang keluar
dari tangki penukar anion tidak berubah. Hal ini menunjukkan bahwa kemampuan
resin harus dikembalikan dengan melakukan regenerasi, yakni mengalirkan
larutan yang mengandung anion yang sama dengan resin ( NaOH ) untuk
mengaktifkan kembali daya serap ion-ionnya.
Reaksi pertukaran ion adalah sebagai berikut :
H2CO3 + 2RZOH CO3
2HCl + 2RZOH Cl2
H2SO + 2RZOH SO4(RZ)2 + 2H2O
H2SiO3 + 2RZOH SiO2
CO3 + 2NaOH Na2CO3
Cl2 + 2NaOH 2NaCl
SO4(RZ)2 + 2NaOH 2RZOH + Na2SO4
SiO3 + 2NaOH Na2SiO3
Kontaminan air murni adalah silika. Silika dihilangkan dalam proses
demineralisasi dengan penukar anion basa kuat dalam mode hidroksida. Reaksi
penghilangan kadar silika adalah sebagai berikut :
R-CH2N+(CH3)3OH- + H4SiO4 R-CH2N+(CH3)3 H3SiO4 + H2O
Pada perlakuan regenerasi resin ada empat tahap pekerjaan yang harus
dilaksanakan, yaitu :
a. Pencucian (Backwash)
Selain pertukaran anion berlangsung banyak kotoran-kotoran berupa padatan-
padatan tersuspensi melekat pada permukaan resin. Hal ini akan mengganggu
berlangsungnya pertukaran anion. Jadi pada tahap ini kototran-kotoran itu
dipisahkan dari resin dengan jalan mengalirkan air dengan arah berlawanan.
Maksudnya jika selama pada tahap servis air dialirkan dari atas maka pada
pencucian air ini dialirkan dari bawah ke atas. Hal ini dimaksudkan agar
lapisan air menjadi longgar sehingga kotoran-kotoran pada resin akan
terlepas. Pencucian dinyatakan selesai apabila air dari hasil pencucian yang
keluar telah bersih.
b. Pengaliran Larutan Regenerasi
Setelah resin dibersihkan dari kotoran-kotoran maka resin dialiri larutan
peregenerasi. Maksudnya agar ion-ion yang terikat pada resin diganti dengan
ion semula. Pada resin hydrogen ion-ion yang etrikat pada resin diganti
dengan ion semula. Pada resin hydrogen ion-ion OH- yang semula ada
padanya telah ebrtukar pada ion SiO2. Hal ini berlangsung hingga ion-ion itu
tidak ada lagi pada resin. Dengan dialirkannya larutan ini maka ion-ion itu
digantikan dengan ion yang sama dari larutan peregenerasi (digantikan dengan
anion OH-). Pengaliran ini dilakukan dengan kecepatan yang perlahan supaya
pergantian dapat berlangsung dengan baik.
c. Pembilasan Dengan Lambat
Pembilasan ini dimaksudkan untuk membersihkan resin dari SiO2 yang belum
terbuang dari tangki dengan cara mengalirkan air dari atas ke bawah tangki.
d. Pembilasan Cepat
Pembilasan ini dimaksudkan untuk membersihkan resin dari kemungkinan
adanya sisa-sisa larutan peregenerasi. Setelah pembilasan resin kembali aktif
sebagai penukar ion.
Tabel 4. Kondisi Operasi Anion