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