Variasi
zat padat terlarut seperti ditulis pada MAM edisi 150, Maret 2008
dimulai dari molekul, atom dan ion dengan diameter 10 nm, 1 nm, dan 1
Angstrom. Salah satu cara untuk menghilangkannya ialah teknologi
demineralisasi atau desalinasi. Demineralisasi yang bersinonim dengan
desalinasi ini dilaksanakan dengan ion exchange dan/atau membran
semipermeabel. Hanya saja, kedua unit tersebut perlu air yang bebas
koloid, bebas suspended solid, apalagi coarse solid.
Seperti
tersurat pada namanya, demineralisasi dengan ion exchanger (resin) ini
bertujuan menghilangkan zat padat terlarut (ionic) di dalam air (dan zat
cair lainnya) sehingga banyak diterapkan untuk memurnikan air
(purification), tidak sekadar penjernihan (clarification).
Purifikasi hanya diterapkan untuk kalangan industri demi memperoleh air
bebas mineral sebagai air proses, boiler, atau yang lainnya. Bisa
dikatakan, aplikasi utama demineralisasi ialah menyiapkan air berkualitas tinggi untuk umpan (feed water)
boiler. Guna lainnya ialah dalam pabrik serat sintetis seperti nylon,
rayon, dan kain pada umumnya. Begitu pula pabrik komponen elektronika
seperti televisi, komputer, dan farmasi perlu air ultramurni. Bahkan
pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) dan yang berbahan bakar batubara
pun perlu proses demineralisasi atas air umpannya.
Khusus untuk air boiler, demineralisasinya dilaksanakan dengan ion exchanger yang terdiri atas cation exchanger (catex, penukar kation) dan anion exchanger (anex,
penukar anion). Dua jenis atau dua tahap penukar ion inilah yang
biasanya dipasang seri dalam dua kolom terpisah. Air bakunya melewati
penukar kation dulu, baru kemudian dilalukan di penukar anion. Tetapi
urutan ini bisa saja dibalik, bahkan bisa juga dicampur dalam satu kolom
yang disebut mixed bed atau monobed. Artinya, semua susunan resin
tersebut memiliki kelebihan sekaligus kekurangan, bergantung pada tahap
prosesnya, kualitas media resinnya dan kualitas air baku yang diolahnya.
Ion
exchanger tersebut serupa prinsipnya dengan pelunakan air di PDAM. Ion
natrium ditukar oleh ion kalsium dan magnesium dalam jumlah yang
ekivalen (setara) sehingga hakikatnya tidak terjadi pengurangan jumlah
zat padat terlarut (dissolved solid) di dalam air olahan. Oleh sebab
itu, kalau air hendak digunakan untuk keperluan boiler atau farmasi, dll
maka ion natrium itu tidak boleh lolos ke kompartemen air olahannya.
Sebab, baik ion kalsium, magnesium maupun ion natrium memberikan
kontribusi yang sama pada pembentukan zat padat terlarut (dissolved
solid). Untuk maksud ini, kationnya lantas diganti dengan ion hidrogen
dan ion hidroksida sebagai pengganti anionnya. Ion hidrogen dan
hidroksida ini akan bergabung menjadi air (H2O) sehingga tidak ada
tambahan padatan terlarut dan tidak mempengaruhi pH.
Satu
hal penting, kalau menggunakan air permukaan, maka tahap pengolahan air
seperti yang biasa diterapkan di PDAM wajib disertakan untuk melindungi
unit ion exchanger dari sumbatan koloid, SS, coarse solid, dan zat
organik. Baru selanjutnya dipasang sistem demineralisasi. Sistem ini
bisa bermacam-macam urutannya. Opsi yang bisa dan biasa dipasang ialah strong dan weak acid cation exchanger, strong dan weak base anion exchanger, mixed bed, decarbonator atau vacuum deaerator.
Sebagai contoh, (1) strong acid catex, decarbonator, strong base anex;
(2) strong acid catex, weak base anex, decarbonator, strong base anex.
Variasi sistem ini dapat dilanjutkan hingga mencapai minimal sepuluh
sistem. Kalau digabung dengan jenis unit pengolah lainnya untuk
meningkatkan kualitas air olahannya maka jumlahnya akan terus bertambah.
Beda urutan dan beda unit yang dipasang akan mempengaruhi kualitas air
olahan.
Pengolahan
dengan ion exchanger ini minimal dilaksanakan dalam dua tahap. Biasanya
kation disisihkan dulu lalu diikuti penyisihan anion. Ion exchange yang
mempertukarkan ion di dalam air (larutan) dengan ion lain di dalam
media resin banyak diterapkan untuk menurunkan kesadahan dan penyiapan
air umpan ketel. Di dalam teknologi pengolahan air limbah, pertukaran
ion digunakan untuk menyisihkan logam-logam toksik atau untuk recovery
metal.
Bahan
resin bisa berupa media alami, bisa juga media sintetis. Yang paling
banyak diterapkan ialah resin sintetis karena bagus kinerjanya. Resin
ialah senyawa hidrokarbon tiga dimensi yang berisi gugus fungsional
(contoh gugus fungsi: alkohol, karboksilat, karbonil).Gugus fungsi ini
mempengaruhi karakteristik senyawa (campuran) organik dan di sinilah
tertambat ion yang dapat ditukar serta larut di dalam air. Sebagai media
porus, resin mudah tersumbat (fouling). Ion besi dan mangan, juga koloid, suspended solid dapat
menyumbat resin. Apalagi resin dapat dimasukkan sebagai koagulan yang
baik bagi zat padat. Oleh sebab itu, konsentrasi padatan sebaiknya
kurang dari 2 NTU. Mengacu pada angka ini, maka air yang masuk ke resin
akan tampak sangat jernih.
Umpan Ketel
Air
umpan ketel yang tidak memenuhi syarat dapat menimbulkan masalah seperti
terjadinya kerak (scale), korosi, dan busa. Kerak dapat terjadi akibat
presipitasi padatan dalam air lalu melekat di permukaan dinding ketel.
Ini berakibat pada pemanasan lanjut lokal (local overheating) sehingga
fungsi logam ketel sebagai konduktor berkurang atau bahkan gagal.
Beberapa kerak yang sering terbentuk antara lain: kalsium karbonat
(kalsit), kalsium sulfat, magnesium hidroksida, besi oksida, kalsium
silikat, magnesium silikat.
Berkenaan
dengan korosi, fenomena ini disebabkan oleh pH airnya terlampau rendah,
ada gas oksigen di dalam air, karbondioksida, klor, hidrogen sulfida,
dll. Juga adanya garam-garam dan zat padat tersuspensi. Oksigen di dalam
air, apalagi didukung oleh pH yang rendah justru dapat menambah proses
korosi sehingga logam berubah menjadi bentuk bijih logam dalam proses
elektrokimia yang kompleks. Secara umum reaksi korosi bisa ditulis
sebagai berikut: Fe + 2H2O ↔ Fe(OH)2 + H2. Jika diperhatikan dengan
seksama, tampak tanda panahnya bermata dua sehingga reaksi ini dinamai
reaksi kesetimbangan. Pada suatu saat reaksi tersebut akan “berhenti”
karena mencapai titik setimbang sehingga proses korosi pun berhenti.
(Sesungguhnya reaksinya tidak pernah berhenti, tetapi terus berlanjut.
Hanya saja, konsentrasi ekivalennya tidak berubah, atau konsentrasi yang
bereaksi setara dengan yang terbentuk).
Namun
demikian, kehadiran gas oksigen di dalam air dan rendah pH-nya
menyebabkan gangguan pada reaksi kesetimbangan lalu bergeser ke kanan.
Pergeseran ini lantas terus melanjutkan proses korosi pada permukaan
ketel. Akibat oksigen dan pH air yang rendah ialah:
Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → Fe(OH)3
2H2 + O2 ↔ 2H2O
Fe(OH)2 + 2H+ ↔ Fe2+ + 2H2O
Berkaitan
dengan penyisihan gas, banyak ragam caranya. Karbondioksida misalnya,
bisa dihilangkan dengan cara aerasi (open aerator, degasifier). Adapun
oksigen biasanya dihilangkan dengan vacuum deaerator, heater deaerator
untuk umpan ketel, penambahan sodium sulfit atau hydrazine. Gas lainnya
seperti H2S, NH3, CH4 bisa dihilangkan dengan aerasi seperti banyak
diterapkan di IPAM milik PDAM.
Tahap Operasi
Dalam paparan ringkas di bawah ini disampaikan empat tahap proses demineralisasi.
1. Tahap operasi (service, layanan)
Pada tahap ini terjadi reaksi-reaksi seperti ditulis pada Surat Pembaca MAM edisi 150, Maret 2008. Pada artikel
ini reaksi tersebut tidak ditulis kembali. Pembaca dipersilakan merujuk
ke MAM edisi Maret 2008. Umumnya air baku mengalir dari atas ke bawah
(downflow). Pada artikel ini disisipkan juga sebuah unit tipikal
demineralisasi dengan dua media (two bed demineralizer).
2. Tahap cuci (backwash)
Kalau
kemampuan resin berkurang banyak atau habis maka tahap pencucian perlu
dilaksanakan. Air bersih dialirkan dari bawah ke atas (upflow) agar
memecah sumbatan pada resin, melepaskan padatan halus yang terperangkap
di dalamnya lalu melepaskan jebakan gas di dalam resin dan pelapisan
ulang resin.
3. Tahap regenerasi
Tujuan
tahap ini adalah mengganti ion yang terjerat resin dengan ion yang
semula ada di dalam media resin dan mengembalikan kapasitas tukar resin
ke tingkat awal atau ke tingkat yang diinginkan. Operasi regenerasi
dilaksanakan dengan mengalirkan larutan regeneran dari atas resin. Ada
empat tahap dalam regenerasi, yaitu backwahing untuk membersihkan media
resin (tahap dua di atas), memasukkan regeneran, slow rinse untuk mendorong regeneran ke media resin, fast rinse untuk menghilangkan sisa regeneran dari resin dan ion yang tak diinginkan ke saluran pembuangan (disposal point).
4. Tahap bilas (fast rinse).
Air
berkecepatan tinggi membilas partikulat di dalam media resin, juga ion
kalsium dan magnesium ke pembuangan dan untuk menghilangkan sisa-sisa
larutan regenerasi yang terperangkap di dalam resin. Pembilasan
dilakukan dengan air bersih aliran ke bawah. Setelah tahap ini, proses
kembali ke awal (tahap service).
Sesungguhnya
konfigurasi instalasi dan proses demineralisasi sangat kompleks, tidak
sesederhana seperti yang ditulis di atas dan jauh lebih rumit daripada
IPAM yang dimiliki PDAM. Pada kesempatan lain akan diupayakan untuk
menghadirkan artikel yang mengupas variasi unit demineralisasi ini dari
sudut pandang satu proses saja secara lebih lengkap. Demikian.*
Tidak ada komentar:
Posting Komentar