PROSES PELUNAKAN AIR
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memenuhi Tugas Mata Kuliah Teknik Penyediaan Air Industri
Disusun oleh : Kelompok 3 Ikrom aji Arfianto
L0C 009 014
Shofa Shidqiana
L0C 009 021
Dea Novita P.
L0C 009 045
Dendy Andalas Putra
L0C 009 062
PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA PROGRAM DIPLOMA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2012
I.
Pendahuluan a. Pengertian pelunakan Pelunakan (pengurangan kesadahan air) adalah penghilangan ion tertentu
dalam
air
yang
dapat
bereaksi
dengan
zat
lain,
yang
mengakibatkan distribusi air serta penggunaanya terganggu. Pelunakan air berarti menghilangkan penyebab kesadahan. Prinsip pelunakan air pada berbagai metoda adalah sama, yaitu menghilangkan sifat garam penyebab kesadahan, Kesadahan sementara dapat dihilangkan dengan cara pendidihan air, sedangkan kesadahan tetap dengan cara ini tidak dapat dilakukan. Tetapi garam-garam Mg dan Ca - sulfat, nitrat dan klorida dapat dirubah menjadi garam karbonat yang tidak larut, yang kemudian dipisahkan dengan pengendapan dan penyaringan. Kerak pada dinding pipa air atau ketel uap disebabkan oleh adanya kelebihan ion Ca2+ dan CO32- yang membentuk lapisan kerak sehingga
mengurangi
penampang
dalam
dari
pipa
yang
akan
mengakibatkan aliran air terganggu atau menyulitkan pemanasan ketel uap. b. Tujuan Pelunakan Tujuan Proses Pelunakan Air atau Pengurangan Kesadahan Air :
Mengurangi penggunaan sabun, biaya, waktu, dan tenaga pencucian
Meningkatkan efisiensi penyaringan
Mencegah terjadinya kerak dalam pipa atau ketel uap
Menghilangkan warna yang ditimbulkan oleh besi atau mangan
Mengurangi sifat korosif air dan memperbaiki sifat air
c. Metode Pelunakan Air Ada beberapa jenis proses pengolahan yang dapat digunakan untuk melunakkan air. Pada setiap proses pengolahan, hasil akhir yang diharapkan adalah sama. Air yang dilunakkan harus mempunyai suatu kesadahan (hardness) sekitar 80 hingga 90 mg/L sebagai kalsium karbonat (CaCO3). Jika air yang dilunakkan lebih lanjut (seperti dalam proses pertukaran ion/ion exchange), air sadah harus dicampur dengan air yang dilunakkan untuk mencapai tingkat kesadahan yang diinginkan. Air terlalu lunak (soft) juga tidak terlalu baik, karena air mineral salah satu unsurnya adalah calsium, tetapi terlalu tinggi juga tidak baik karena dapat menyebabkan air sabun tidak dapat berbusa serta dapat menyebabkan karatan pada pipa. 1. Demineralisasi 2. Penggunaan Resin :
a. Resin Anion b. Resin Kation
II. Tahapan Proses 1. Demineralisasi Demineralisasi merupakan proses penghilangan mineral-mineral yang terlarut di dalam air, umumnya mempergunakan media penukar ion yang dibedakan atas muatan listrik yang terkandung di dalamnya menjadi : penukar
kation
dan
penukar
anion.
Caranya
untuk
menghilangkan
kandungan ion – ion yang terdapat di air untuk menghasilkan air murni. Hal ini umum digunakan untuk air umpan boiler bertekanan tinggi. Tujuan dari percobaan demineralisasi adalah untuk mengukur kualitas air demin dengan cara menentukan besarnya pH, Total Dissolved Solid (TDS),
Ca-Hardness, Total Hardness, dan Alkalinitas dari sampel air demin hasil proses pengolahan kation anion exchanger serta membandingkan hasil sebelum dan sesudah demineralisasi dengan standar.
Cara Demineralisasi Garam dari air dapat juga dapat dihilangkan dengan memakai ion.
Unit penukar ion dilengkapi dengan penyaring pasir. Penukar ion terdiri dari penukat kation dan penukar anion. Penukar kation yang mengambil ion positif dari air dan penukar anion mengambil ion negatif dari air. Bahan penukar ini adalah resin yang apabila telah jenuh dapat diaktifkan kembali setelah diregenerasi. Penukar kation di regenerasi dengan asam sulfat (H 2SO4) sedang penukar anion diregenerasi dengan menggunakan natrium hidroksida (NaOH).
Tahap Operasi Proses Demineralisasi Dalam paparan ringkas di bawah ini disampaikan empat tahap proses
demineralisasi. 1. Tahap operasi (service, layanan) 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).
(www.Google.com/Gede on Writing Water Waste/demineralisasi).
Macam Demineralisasi Berdasarkan pada tipe bed (unggun) dari resin penukar ion :
- Tipe bed campuran - Tipe dua bed satu degasifikasi - Tipe empat bed satu degasifikasi Berdasarkan cara regenerasinya :
- Regenerasi aliran searah -
Regenerasi aliran berlawanan arah
-
Regenerasi berkesinambungan
Air Mineral adalah air yang diambil langsung dari sumber mata air alam tanpa melalui pemompaan atau tekanan. Sangat penting untuk diketahui jenis mineral yang terkandung di dalam air yang kita minum. Jika tubuh kita kekurangan beberapa jenis mineral, jenis air ini mungkin yang kita butuhkan. Tetapi mengkonsumsi secara berlebihan dan terus menerus juga dapat membahayakan kesehatan.
Air Demineralisasi adalah jenis air tanpa kandungan logam berat seperti nitrat, kalsium dan magnesium setelah melalui proses dimana electron dalam air dinetrlisir. Terdapat beberapa jenis proses demineralisasi antara lain : * Proses destilasi *
Deinonisasi
* Filtrasi membran (nano filtration) * Elektrodialisis
2. Penggunaan Resin ( Softener ) Resin adalah senyawa hidrokarbon terpolimerisasi sampai tingkat yang tinggi yang mengandung ikatan-ikatan hubung silang (cross-linking) serta gugusan yang mengandung ion-ion yang dapat dipertukarkan . Resin pertukaran ion merupakan bahan sintetik yang berasal dari aneka ragam bahan, alamiah maupun sintetik, organik maupun anorganik, memperagakan perilaku pertukaran ion dalam analisis laboratorium dimana keseragaman dipentingkan dengan jalan penukaran dari suatu ion. Pertukaran ion bersifat
stokiometri, yakni satu H + diganti oleh suatu Na +. Pertukaran ion adalah suatu proses kesetimbangan dan jarang berlangsung lengkap, namun tak peduli sejauh mana proses itu terjadi, stokiometrinya bersifat eksak dalam arti satu muatan positif meninggalkan resin untuk tiap satu muatan yang masuk. Ion dapat ditukar yakni ion yang tidak terikat pada matriks polimer disebut ion lawan (Counterio n) (Underwood, 2001). Resin dapat digunakan dalam suatu analisis jika resin itu harus cukup terangkai silang, sehingga keterlarutan yang dapat diabaikan, resin itu cukup hidrofilik untuk memungkinkan difusi ion-ion melalui strukturnya dengan laju yang terukur dan berguna. Selain itu, resin juga harus menggunakan cukup banyak gugus penukar ion yang dapat dicapai dan harus stabil kimiawi dan resin yang sedang mengembang, harus lebih besar rapatannya daripada air (Harjadi, 1993). Berdasarkan gugus fungsionalnya, resin penukar ion terbagi menjadi dua yaitu resin penukar kation dan resin penukar anion.
Resin penukar kation , mengandung kation yang dapat dipertukarkan.
Resin penukar anion , mengandung anion yang dapat yang dapat dipertukarkan. Secara umum rumus struktur resin penukar ion yang dapat merupakan
resin penukar kation (Gambar 1) dan resin penukar anion. (Gambar 2).
Jenis – jenis Resin Penukar Ion Berdasarkan jenis gugus fungsi yang digunakan, resin penukar ion dapat dibedakan menjadi empat jenis, yaitu: 1. Resin penukar kation asam kuat 2. Resin penukar kation asam lemah 3. Resin penukar anion basa kuat 4. Resin penukar anion basa lemah Resin penukar kation mengandung gugus fungsi seperti Sulfonat (RSO3H), phosphonat (R-PO 3H2), phenolat (R-OH), atau karboksilat (R-COOH),
dengan R menyatakan resin. Gugus fungsi pada Resin penukar ion asam kuat adalah asam kuat, seperti Sulfonat, phosphonat, phenolat, dan gugus fungsi pada resin penukar asam lemah adalah karboksilat. Gugus fungsi pada resin penukar anion adalah senyawa amina (primer/RNH2, sekunder/R-N2H, tersier/R-R’2N) dan gugus ammonium kuartener (RNR’/tipe I, R-R’3N+OH/tipe H), dengan R’ menyatakan radikal organic seperti CH3. Resin anion yang mempunyai gugus fungsi ammonium kuartener disebut resin penukar anion basa kuat dan resin penukar anion basa lemah yang mempuyai gugus fungsi selain ammonium kuartener. A. Resin Penukar Kation Asam Kuat Resin penukar kation asam kuat yang beroperasi dengan siklus H, regenerasi dilakukan menggunakan asam HCl atau H 2SO4. B. Resin Penukar Kation Asam Lemah Gugus fungsi pada resin penukar kation asam lemah adalah karboksilat (RCOOH). Jenis resin ini tidak dapat memisahkan garam yang berasal dari asam kuat dan basa kuat, tetapi dapat menghilangkan kation yang berasal dari garam bikarbonat untuk membentuk asam karbonat atau dengan kata lain resin ini hanya dapat menghasilkan asam yang lebih lemah dari gugus fungsinya. C. Resin Penukar Anion Basa Kuat Resin penukar kation asam kuat siklus hydrogen akan mengubah garam – garam terlarut menjadi asam dan resin penukar anion basa kuat akan menghilangkan asam-asam tersebut, termasuk asam silikat dan asam karbonat.
D. Resin Penukar Anion Basa Lemah Resin penukar anion basa lemah hanya dapat memisahkan asam kuat seperti HCl dan H 2SO4 tetapi tidak dapat menghilangkan asam lemah seperti asam silikat dan asam karbonat. Oleh sebab itu resin penukar anion basa lemah acap kali disebut sebagai acid adsorbers.
PENGOLAHAN AIR UMPAN KETEL
Kebutuhan energi dan sistem pemanasan dalam industri umumnya dipenuhidengan cara memanfaatkan steam yang dibangkitkan dalam suatu ketel (boiler).Air yang berasal dari sungai, danau, dan sumur, tidak dapat langsung digunakan untuk air umpan ketel. Air yang digunakan harus diolah terlebih dahulu, karena jika tidak, maka masa pakai ketel akan berkurang.
Persyaratan Air Umpan Ketel Penggunaan air umpan ketel yang tidak memenuhi persyaratan akan
menimbulkan beberapa masalah, antara lain : i. Pembentukan kerak ii. Terjadinya korosi iii. Pembentukan busa Untuk mengatasi permasalahan di atas perlu diterapkan persyaratan terhadap air umpan ketel. Persyaratan tersebut bergantung kepada tekanan kerja ketel seperti terlihat di Tabel
Tabel 1. Persyaratan air ketel (air umpan boiler) pada berbagai tekanan kerja
Pengolahan Air Umpan Ketel Secara Umum Sebelum digunakan sebagai umpan air yang berasal dari berbagai jenis
sumber,
diolah
dengan
menggunakan
metoda
pengolahan
pendahuluan
(pengolahan eksternal ), air umpan boiler harusmengalami pengolahan khusus. Pengolahan ini menggunakan berbagai macam zat kimia, yang diinjeksikan /ditambahkan ke air umpan boiler. Penambahan bahan kimia ini diharapkan dapat digunakan untuk mencegah berbagai akibat yang dapat merugikan performansi kerja dari ketel. Penambahan bahan-bahan kimia pada air umpan boiler merupakan proses yang esensial, terlepas dari kenyataan apakah air itu diolah atau tidak sebelumnya. Oleh karena itu, pengolahan eksternal dalam beberapa hal tidak diperlukan, sehingga air dapat langsung digunakan setelah penambahan beberapa bahan-bahan kimia saja. Contoh penambahan bahan-bahan kimia pada air umpan ketel tanpa harus mengalami pengolahan terlebih dahulu adalah : - apabila ketel beroperasi pada tekanan rendah atau sedang - apabila sejumlah besar kondensat digunakan kembali sebagai air umpan - atau bila air baku yang digunakan untuk air umpan ketel telah memiliki kualitas yang baik Proses pengolahan air dengan penambahan bahan-bahan kimia ini memiliki beberapa kesulitan. Kesulitan yang utama adalah adalah bila k esadahan air umpan sangat tinggi sehingga banyak lumpur yang terbentuk. Hal ini dapat menaikkan jumlah blow down . Pengolahan air umpan ketel dengan penambahan bahan-bahan kimia yang dilakukan tanpa pengolahan pendahuluan (pengolahan
eksternal) juga memperbesar kemungkinan pembentukan kerak pada sistem sebelum ketel dan pada saluran-saluran air umpan.
Pengolahan Air Umpan Ketel dengan Penambahan Bahan-bahan Kimia
Tujuan penambahan bahan-bahan dalam proses pengolahan air umpan boiler adalah sebagai berikut : (1) Bereaksi dengan kesadahan dan kandungan silika air umpan dan mencegah pengendapannya pada permukaan logam ketel sebagai kerak. Ion-ion kalsium dapat diendapkan dalam bentuk kalsium hidroksi apatit (3Ca 3(PO4)2.Ca(OH)2) dan kalsium karbonat (CaCO 3), dan ion-ion magnesium dan silika diendapkan dalam bentuk sarpentin (2MgSiO 3.Mg(OH)2.H2O), magnesium silikat (MgSiO 2) dan magnesium hidroksida (Mg(OH) 2). Reaksi-reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :
pH yang cukup baik untuk proses ini adalah di atas 9,5. Kondisi ini memungkinkan pembentukan endapan yang dapat mengalir dengan mudah pada saat dilakukan blow down . Penggunaan bahan-bahan kimia khusus untuk mengendalikan pembentukan kerak ( chelating agents ) merupakan alternatif lain yang dapat dilakukan. Bahan-bahan kimia ini bersama ion-ion seperti kalsium dan magnesium dapat membentuk senyawa kompleks yang larut dalam air. Penggunaan chelating agents ini hanya sesuai untuk boiler bertekanan rendah dan air umpan ketel dengan kesadahan yang rendah (1-2
ppm). Contoh dari chelating agent adalah NTA (nitrilo triacetic acid) dan EDTA (ethylene diamine tetraacetic acid). (2) Menjadikan zat-zat tersuspensi seperti lumpur, kesadahan dan besi oksida menjadi suatu massa yang tidak melekat pada logam ketel. Pengaturan sifat lumpur agar tidak melekat pada logam ketel dilakukan dengan penggunaan bermacam-macam bahan organik yang masuk golongan tannin, lignin atau alginat. Bahan-bahan organik ini perlu dipilih dan diproses sedemikian rupa sehingga efektif dan stabil pada tekanan operasi ketel. Pengeluaran lumpur dari ketel dilakukan dengan cara blow down . (3) Menyediakan perlindungan anti busa untuk memungkinkan pemekatan padatan terlarut dan tersuspensi dalam air ketel sampai taraf tertentu tanpa terjadi carry over . Pembentukan carry-over dapat terjadi akibat disain ketel yang kurang baik, alat pemisah steam dan air yang tidak efektif atau akibat level air yang tinggi. Busa dapat terbentuk akibat adanya padatan yang terlarut atau tersuspensi dalam air, alkalinitas atau akibat masuknya material yang dapat merangsang pembentukan busa seperti kondensat steam yang terkontaminasi oleh minyak. Penggunaan senyawa-senyawa pencegah pembentukan busa ( anti foam agents ), dapat dilakukan untuk mengatasi masalah ini, akan tetapi cara yang lebih ekonomis adalah dengan melakukan pengolahan air yang baik, peningkatan
blow
down dari
ketel
dan
menghilangkan senyawa yang dapat membantu pembentukan busa dari kondensat steam yang didaur ulang ( recycle ). (4) Menghilangkan oksigen dari air dan menyediakan alkalinitas yang cukup untuk mencegah korosi ketel. Sejumlah oksigen dapat terbawa dalam air umpan ketel meskipun sudah melewati tahap deaerasi. Kandungan oksigen
ini harus dihilangkan untuk mencegah terjadinya korosi. Bahan kimia untuk menghilangkan oksigen ( chemical oxygen scavenger ) yang biasa digunakan adalah natrium sulfit dan hydrazine. Reaksi yang terjadi pada proses ini adalah sebagai berikut : 2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4 (5.10) N2H4 + O2 H2O + N2 (5.11) Natrium sulfit digunakan pada proses ini karena alasan-alasan seperti : mempunyai kecepatan reaksi yang cepat pada temperatur rendah, mudah untuk diumpankan dan sisa yang tidak bereaksi dapat dianalisis dengan mudah. Hydrazine
dapat
digunakan
untuk
menghilangkan
oksigen
tanpa
menambah jumlah kandungan padatan terlarut atau padatan tersuspensi. Hydrazine hanya dapat bereaksi dengan oksigen bebas pada suhu tinggi, dan boiler dengan tekanan di bawah 400 psig tidak dapat menggunakan senyawa ini. Hydrazine yang tidak bereaksi akan menambah kandungan ammonia dan nitrogen bebas di air boiler. Hydrazine baik digunakan jika pemakaian natrium sulfit menghasilkan impurities pada kukus yang dapat merusak katalis dan pada tekanan tinggi natrium sulfit akan menambah padatan terlarut di air boiler. Oleh sebab itu hydrazine lebih banyak dipakai pada plant yang menggunakan boiler tekanan tinggi. Jumlah hydrazine yang ditambahkan sama dengan jumlah oksigen terlarut dan berlebih 100 % untuk menjaga agar kandungan minimum di air umpan tetap sebesar 0,05 - 0,1 ppm. Hydrazine adalah larutan beracun dan harus ditangani secara hati-hati. Selain tujuan-tujuan di atas, pengolahan internal juga harus mencegah korosi dan pembentukan kerak pada sistem air umpan serta memberikan
perlindungan korosi dalam sistem kondensat-uap. Penambahan soda kaustik, soda abu atau campuran senyawa-senyawa fosfat dapat dilakukan untuk mengatasi alkalinitas air yang terlalu rendah.
Perlakuan terhadap Kondensat ( Condensate Treatment ) Perlakuan terhadap kondensat mencakup pengendalian korosi di sistem
kondensat dan perbaikan mutu kondensat ( condensate polishing ). Sekalipun kondensat yang diumpankan kembali relatif murni, tetapi mungkin masih mengandung impurities dari hasil proses korosi, dan erosi, baik yang larut maupun yang tidak larut. Impurities tersebut dapat berupa mineral-mineral, kesadahan
dan
minyak.
Condensate
polishing
dimaksudkan
untuk
meminimumkan jumlah impurities tersebut agar dapat mencegah pembentukan kerak pada ketel dan turbin, dan meminimumkan pengaruh korosif. Tahap perbaikan kondensat merupakan kombinasi dari tahap filtrasi dan pertukaran ion. Sistem pertama yang dipakai adalah sistem filtrasi dan pertukaran ion secara terpisah. Filtrasi digunakan untuk menyaring pengotor tersuspensi dan minyak. Tahap filtrasi saja sudah cukup memadai jika dipakai untuk menyaring impurities pada saat start-up dan operasi normal, tetapi jika terjadi kebocoran pada pipa kondensat sehingga padatan terlarut banyak memasuki kondensat, tahap filtrasi saja tidak cukup dan dibutuhkan sistem demineralisasi ( mix-bed demineralizer ) untuk operasi perbaikan. Alternatif lain yang dapat dipakai adalah penggunaan tahap filtrasi dan demineralisasi dalam satu alat.
BOILER 1. Boiler Pipa Api Pada boiler pipa api, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Boilerpipa apibiasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, boiler pipa api kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm 2. Boilerpipa api dapat menggunakan bahan bakarminyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar boiler pipa api dikonstruksi sebagai “paket” boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar.
Gambar 1. Boiler PipaApi
2. Boiler Pipa Air Pada boiler pipa air,air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uapdalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan
tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Boilerpipa airyang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 kg/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak boiler pipa air yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk boiler pipa air yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Karakteristikwater tube boilers sebagai berikut : a. Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensipembakaran b. Kurang toleran terhadap kualitas air yang dihasilkan dari plant pengolahan air. c. Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.
Gambar 2. Boiler Pipa Air
