Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN : 978-602-0951-00-3 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 20 September 2014 PENINGKATAN KUALITAS SUMBER DAYA AIR MELALUI PENGOLAHAN BERBASIS ION EXCHANGE TERPADUKAN DENGAN MEMBRAN PERMIABEL PADA MEDAN ELECTRODEIONIZATION (EDI) IMPROVING THE QUALITY OF WATER RECOURCES TROUGH PROCESSING BASED ION EXCHANGE THE COMBINE WITH PERMIABLE MEMBRANE IN FIELD ELECTRODEIONIZATION (EDI) 1
Sugito 1), Budi Prijo Sembodo. 2) ) Program Studi Teknik Lingkungan Univ. PGRI Adi Buana Surabaya 2 ) Program Studi Teknik Elektro Univ. PGRI Adi Buana Surabaya Email :
[email protected]
Abstrak. Upaya peningkatan kualitas sumber daya air dapat dilakukan melalui teknologi berbasis kimiawi. Proses pengolahan air dapat dilakukan dengan berbagai cara. Penghilangan kation / anion di dalam air dapat dilakukan dengan menggunakan : resin penukar ion (ion exchange), deionisasi, destilasi transfer membran, flash evaporation, maupun reverse osmosis. Namun cara yang dilakukan secara terpisah, masing masing memiliki kelemahan. Jika proses dilakukan secara terpadu maka secara simultan dapat mendukung proses removal kation anion yang terdapat dalam air dengan optimal. Telah dilakukan penelitian pengolahan air berbasis ion exchange terpadukan dengan membran permiabel pada medan electrodeionization. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk menghasilkan air yang memenuhi kualitas baku mutu sehingga dapat digunakan sebagai air minum. Rangkaian reaktor dalam penelitian ini merupakan treatment filtrasi berbahan polipropylena menggunakan cartridge sebagai awal perlakuan, dilanjutkan dengan treatment Manganese zeolit, kemudian penukar ion menggunakan resin anion dan resin kation dalam tabung Fiberglass Reinforced Plastic (FRP). Reaktor filtrasi terpadukan dengan treatment elektrodeionisasi (EDI) menggunakan membrane permiabel kation dan membrane permiabel anion dirangkai secara bersilang, dimana elektroda anoda dipasang bersebelahan dengan membrane permiabel kation. Sebagai upaya peningkatan kualitas sumber daya alam dalam pengolahan air melalui teknologi berbasis ion exchange terpadukan dengan membran permiabel pada medan electrodeionization (EDI) disimpulkan bahwa removal parameter kimiawi adalah : Total Disolved Solid (TDS) 470 mg/L, Warna 15 Unit PtCo, Kekeruhan 1.84 Skala NTU, Sulfat 81.61 mg/L SO4, Nitrat 2.63 mg/L NO3-N, Natrium 143.74 mg/L Na, Besi 0.26 mg/L Fe, Mangan 0.71 mg/L Mn, Seng 0.05 mg/L Zn, Flourida 0.04 mg/L F, Deterjen 0.04 mg/L, Khlorida 144 mg/L Cl , Zat Organik 0.6 mg/L KMnO4. Kata Kunci : Ion exchange , Filtrasi, Absorbsi, Permeable membrane, Elektrodeionisasi (EDI) Abstract. The efforts increase of water recources can be done trough based chemistry tehcnology. Water treatment process can be done in various methods. Removal of cation/anion contained in the water using: Ion exchange, Deionization, Destilation transfer membrane, Flash evaporation, or Reverse Osmosis. How that is done separately, it has drawbacks. If done in anintegrated can be simultaneously support removal process of cation/anion in the water with optimal. It has been conducted a research water treatment based on Ion exchange combine with Permiable Membrane in field Electrodeionization (EDI). This research was aimed to produced water that meets the quality standards that can be used as drinking water. The series of reactors in this research is based polypropilena filtration treatments use initial treatment cartridge, followed Mangan-Zeolit treatment and Ion exchange with cation and anion resin on the tube FRP. The reactors of filtration combine with EDI used permiable membrane cation are arranged in crossed, where anode electrode mounted adjacent to the cation permiable membrane. As the efforts increase of natural recources in water treatment based on Ion exchange combine with permiable membrane in field EDI came up to the conclusion that removal parameter of TDS 470 mg/L, Color 15 Unit PtCo, Turbidity 1.84 NTU, Sulfat 81.61 mg/L SO4, Nitrat 2.63 mg/L NO3-N, Sodium 143.74 mg/L Na, Ferrum 0.26 mg/L Fe, Mangan 0.71 mg/L Mn, Zeng 0.05 mg/L Zn, Flourida 0.04 mg/L F, Deterjen 0.04 mg/L, Khlorida 144 mg/L Cl , and Organic Compound 0.6 mg/L KMnO4. Keywords : Ion exchange , Filtration, Absorbsi, Permeable membrane, Electrodeionzation (EDI) B - 219
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN : 978-602-0951-00-3 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 20 September 2014
membrane permeable anion dapat meningkatkan removal parameter air bersih ?” Tujuan Penelitian yang ingin dicapai adalah peningkatan kualitas sumber daya manusia melalui sumber daya air dengan pengolahan air menggunakan teknologi berbasis ion exchange terpadukan dengan membran permiabel pada medan electrodeionization (EDI).
PENDAHULUAN Peningkatan sumber daya air dapat dilakukan melalui teknologi berbasis kimiawi, diantaranya adalah proses deionisasi. Deionisasi air adalah proses penghilangan kation / anion yang terkandung di dalamnya. Kandungan mineral sebagai bentuk kation-anion dalam air secara makro diantaranya : Na+, Ca+2, Mg+2, K+, Fe+3, Cl-, SO4-2, dan CO3-2 [1]. Demineralisasi dapat dilakukan secara : filtrasi, absorbsi oleh manganese zeolit, resin penukar ion (ion exchange), elektrodeionisasi, destilasi transfer membran, flash evaporation, maupun reverse osmosis [2]. Namun cara yang dilakukan secara terpisah, masing masing memiliki kelemahan. Desalinasi secara treatment tunggal menggunakan resin penukar ion menurut hasil penelitian terdahulu, dengan salinitas air sample antara 2500 – 6500 ppm, hanya mampu meremoval salinitas yang rendah, sebesar 500 ppm [3]. Pemisahan kation-anion dengan resin penukar ion secara tunggal tersedia pada paten P981038. Untuk penggunaan membran permeabel, ditemukan pada paten P-962159, akan tetapi tidak menggunakan potensial elektroda. Penggunaan secara mixed antara resin asam dan resin basa yang dicampur dalam sebuah kolom, terdapat pada invensi dalam US3716481. Penggunaan membran dalam ion exchange dengan sistem kontinyu, dikenali pada US-4685909. Kemudian dikembangkan pada US-5066375, dimana dalam invensi tersebut selain penggunaan membran ditambahkan pula treatment konduktivitas, akan tetapi pada invensi tersebut menggunakan sistem aliran horizonflow, dan bukan up-flow sebagaimana dalam penelitian ini. Untuk mengatasi kelemahan kelemahan tersebut, perlu dilakukan penelitian yang sifatnya perpaduan beberapa treatment yang kontributif. Rumusan masalah dalam penelitian ini, yaitu : ”Apakah perpaduan treatment filtrasi, absorbsi dan penukar ion yang ditindaklanjuti dengan treatment elektrodeionisasi (EDI) menggunakan membrane permiabel kation dan
Aplikasi perpaduan treatment secara seri menggunakan reaktor silindris sistem aliran upflow dengan menggunakan reaktor berbasis ion exchange dengan membran permiabel pada medan elektrodeionization diharapkan memberikan kontribusi sebagai berikut : 1) Penggunaan resin kation dan resin anion secara berseri sebelum dilakukan elektrodeionisasi bertujuan proses pertukaran ion berlangsung secara optimal. 2) Treatment elektrodeionisasi menggunakan membran permeabel kation dan membran permeabel anion dipasang secara crossing, dimaksudkan agar adsorbsi kation dan anion berlangsung secara lengkap menurut kapasitas masing masing. 3) Pemasangan katoda anoda bersekat sebagai konduktifitas (potensial elektron) dilakukan guna memacu transport absorbsi ion ion yang melewati membran permeabel, sehingga kation dan anion pasca absorbsi membran dapat terakumulasi dalam satu ruang, dan tidak menempel pada dinding membran. Mangan Zeolit (Greensand) Fungsi utama dari manganese zeolit untuk menghilangkan kandungan Mangan (Mn2+), dan lapisan atas berminyak di dalam air sebagai katalis dan pada waktu yang bersamaan besi dan mangan yang ada dalam air teroksidasi menjadi bentuk ferri-oksida dan mangandioksida yang tak larut dalam air Electro-deionization (EDI) B - 220
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN : 978-602-0951-00-3 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 20 September 2014 Karakteristik kation anion dalam air sangat bervariasi, sedangkan tidak seluruh komponen dan sediaan konsentrasi yang ada di alam sesuai dengan kebutuhan manusia. Untuk itu perlu adanya deionisasi, dengan tujuan utamanya adalah penurunan kadar ion yang terkandung dalam air. Deionisasi dapat dilakukan dengan arus listrik DC untuk kuat arus tertentu agar transpor elektron dapat berlangsung dengan tepat dalam proses penarikan kation anionnya [5]. Kandungan mineral sebagai bentuk kation anion dalam air secara makro diantaranya : Na +, Ca+2, Mg+2, K+, Fe+3, Cl-, SO4-2, dan CO3-2 [1].
oleh ion (-) (anion). Sedangkan membran permeabel anion, hanya bisa ditembus oleh ion () (anion), dan tidak bisa ditembus oleh kation (ion +). Dengan adanya kinerja arus DC pada pengaruh elektroda, maka oleh pengaruh potensial elektroda, kation (ion+) akan menuju ke katoda (kutub negatip) dengan menembus membran permeabel kation. Sebaliknya anion (ion - ) menuju ke anoda (kutub positip) dengan menembus membran permeabel anion. BAHAN DAN METODE Alat Alat-alat yag digunakan dalam penelitian ini adalah : pemotong logam, pemotong PVC, unit Las Plastik (PVC), unit Las Logam, mesin bubut, bor, grenda Bahan Bahan-bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah : polipropylena, mangan Zeolit, carbon active, resin anion, resin kation, membran permeabel kation, membrane permeable anion, cartridge dan filter Housing, tabung Fiberglass Reinforced Plastic (FRP), tabung Electrodeionization (EDI), isolator, aquadest, kassa elektroda, kran Ø ½”, pipa Ø ½”, pipa PVC Ø 4“, pipa PVC Ø 6“, pipa PVC Ø 8“, cap (penutup) PVC, jirigen, lem besi dan lem PVC, kabel, nozle, tandon air, adaptor, dan au
Ion Exchange Sistem pertukaran ion (ion exchange) dapat digunakan resin sintetis, yaitu resin anion dan resin kation. Adapun prinsip dari pengolahan air secara pertukaran ion dengan treatment resin sintetis, yaitu terjadinya pertukaran ion antara kation-anion yang ada dalam air dengan kation anion yang terdapat pada ion exchange media dari resin [1]. Menurut Montgomery (2005), kekuatan pengusiran kation preferensinya tersusun sebagai berikut ; Ba2+ Pb2+ Sr2+ Ca2+ Ni2+ Cd2+ Cu2+ Co2+ Zn2+ Mg2+ Ag+ Cs+ K+ NH4+ Na+ H+ , sedangkan untuk urutan preferensi anion sebagai berikut : SO42- NO3- CrO42- Br- Cl- OH- [2]. Kapasitas operasi total ion exchange dinyatakan sebagai persamaan berikut :
X
C oVop Vr
Co Vr
Reaktor Penelitian Reaktor penelitian mengacu pada rangkaian Batch Reactor Electrodeionization (EDI) Air Hasil Filtrasi, Absorbsi Mangan Zeolit, Ion Exchange Pada Treatment Membrane Permiabel Sistem Aliran Up-Flow. Seperti terlihat pada gambar 1 menunjukkan rangkaian reactor yang terdiri dari 2 (dua) tabung silindris disusun secara seri dengan sistem aliran up-flow. Pada tabung pertama dilakukan treatment ion exchange menggunakan resin sintetis anion, tabung kedua menggunakan resin sintetis kation, dan tabung ketiga merupakan perlakuan elektro deionisasi (EDI) pada treatment membrane permiabel.
n
(Y V ) i
i
i 1
Membrane Salah satu metoda pemisahan yang sedang berkembang saat ini adalah teknologi membran. Teknologi pemisahan dengan menggunakan membran, disamping untuk demineralisasi air, dapat juga digunakan untuk meningkatkan efisiensi pengurangan limbah dan memisahkan impurities dalam mineral [4]. Membran Permeabel Membran permeabel kation hanya bisa ditembus oleh ion (+) (kation), dan tidak bisa ditembus B - 221
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN : 978-602-0951-00-3 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 20 September 2014
P Sampel
Gambar 1. Pengolah Air Berbasis Ion Exchange Terpadukan Dengan Membran Permiabel Pada Medan Electrodeionization (EDI) Membrane permiabel kation dan membrane permeable anion dirangkai secara bersilang, dan elektroda anoda dipasang bersebalahan dengan
membrane permiabel kation, begitu sebaliknya. seperti pada gambar 2.
Gambar potongan desain tabung reaktor Electrodeionization (EDI) disajikan pada Gambar 2.
Keterangan Gambar 2. : 1 = Inlet 2 = Air hasil ion exchange 3 = katoda 4 = anoda 5 = Membran permeabel kation 6 = Membran permeabel anion 7 = ruang antara dua membran 8,9 = ruang antara membran dan elektroda 10 = isolator
10 Gambar 2. Gambar Potongan Desain Reactor Elektro Deionisasi (EDI) dalam Membran Permeabel Membrane permiabel kation dan membrane permeable anion berfungsi sebagai penahan ion (+) (kation), dan ion (-) (anion) untuk tujuan efektifitas removal kation anion. Deionisasi dilakukan dengan arus listrik DC untuk kuat arus
tertentu agar transpor elektron dapat berlangsung dengan tepat pada kinerja membran permeabel dalam proses penarikan kation anionnya.
B - 222
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN : 978-602-0951-00-3 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 20 September 2014 Prototipe kriteria reaktor seperti pada tabel 1 seperti berikut : Tabel 1. Prototipe Kriteria Reaktor No. Item Kriteria 1. Bahan reaktor ; 1) Tabung Fiberglass Reinforced Plastic (FRP) 2) Pipa PVC 2. Model aliran ; Up-flow dengan model aliran by pass masuk pada nozle 3. Ukuran tabung ; FRP & PVC 10 inchi. 4. Jalur inlet ; Untuk memudahkan setting dan efisiensi aliran, pipa yang digunakan PVC, dengan setting sambungan system water-mur 5. Jalur pipa ; Jalur pipa dari samping dan bawah 6. Pompa supplay ; Menggunakan submersible-pump bahan plastic guna menghindari korosi 7. Suhu treatment ; Suhu lingkungan 8. Setting tabung ; Seri Electrodeionization tidak terlalu berat, maka dilakukan filter tahap kedua menggunakan sedimen polipropylena sebagai Cartridge (D). Hasil rangkaian treatment tersebut ditindaklanjuti dengan perlakuan membrane permiabel pada tabung Electrodeionization (EDI) (C). Sampel air hasil olahan di analisis dengan menggunakan metode penelitian air untuk menguji parameter air bersih [6].
Prosedur Penelitian Bahan baku (air sampel) dipompa menggunakan submersible pump (P) menuju filtrasi polipropylena sebagai Cartridge pada filter Housing (A), dilanjutkan dengan Absorbsi Mangan Zeolit, dan Carbon active. Treatment dilanjutkan dengan proses Ion Exchange menggunakan resin sintetis (resin anion dan resin kation) yang ditempatkan pada Fiberglass Reinforced Plastic (FRP) (B) dengan Sistem Aliran Up-Flow. Agar kinerja
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Penelitian Hasil analisis data parameter air bersih seperti pada tabel 3 sebagai berikut : Tabel 3. Hasil análisis parameter airbersih HasilAnalisis No
Parameter
Satuan
A (Air Baku)
B (Treatment Absorbsi dan Resin)
C (Treatment Elektro Deionisasi )
Tak Berbau
Tak Berbau
Tak Berbau
884
370
414
470
2.04
0.28
0.2
1.84
-
-
-
Removal
A. FISIKA 1
Bau
2
mg/L
3
Total Disolved Solid (TDS) Kekeruhan
4
Rasa
-
5
Suhu
oC
25
25
25
0
6
Warna
Unit PtCo
15
0
0
15
7
DayaHantarListrik (DHL) B. KIMIA
mhos/cm
1475
618
691
784
-
Skala NTU
a. Kimia B - 223
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN : 978-602-0951-00-3 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 20 September 2014 Anorganik 8
Besi
mg/L Fe
0.36
0.12
0.1
0.26
9
Fluorida
0.54
0.48
0.5
0.04
10
Kesadahan Total
mg/L F mg/L CaCO3
200
185.71
200
0
11
Khlorida
mg/L Cl
412
228
268
144
12
Mangan
mg/L Mn
2.4
0.19
1.69
0.71
13
Natrium
47.92
73.86
143.74
Nitrat
mg/L Na mg/L NO3N
217.6
14
3.01
0.37
0.38
2.63
15
pH
-
7.4
7.45
7.45
-0.05
16
Seng
mg/L Zn
0.09
0.06
0.04
0.05
17
Sulfat
mg/L SO4
81.61
0
0
81.61
b. Kimia Organik 18
ZatOrganik
mg/L KMnO4
3.01
2.41
2.41
0.6
19
Detergent
mg/L LAS
0.09
0.06
0.05
0.04
elektron dapat berlangsung dengan lebih tinggi menembus membran permiabel kation dan anion.
Pembahasan Mengacu pada Tabel 3, tampak adanya ketercapaian removal beberapa parameter seperti ; Total Disolved Solid (TDS), Warna, Kekeruhan, Sulfat, Nitrat, Natrium, Besi, Mangan, Seng, Flourida, Deterjen, Khlorida, dan Zat Organik. Penurunan parameter fisik air bersih terjadi akibat filtrasi dengan menggunakan media mangan zeolit dan karbon aktif. Manganzeolite dengan formulasi K2Z.MnO.Mn2O7, berfungsi sebagai filter dimana terjadi reaksi antara ion yang terlarut dalam air dengan senyawa dalam filter. Reaksi dari Fe2+ dan Mn2+ dalam air dengan oksida mangan tinggi (higher mangan oxide) menghasilkan filtrat yang mengandung ferri-oksida dan mangan-dioksida yang tak larut dalam air dan dapat dipisahkan dengan pengendapan dan penyaringan, sebagai Cartridge pada filter Housing. Reduksi anion dan kation terjadi akibat ion exchange dengan menggunakan resin. Penukaran ion yang terjadi dalam resin kation terjadi secara optimal jika sebelumnya dilakukan treatment melalui resin anion terlebih dahulu guna menurunan anion untuk mendekati ke OHform. Removal kation dan anion pada proses electrodeionization terjadi akibat arus listrik sehingga menyebabkan dorongan atau transport
Proses removal ion-ion akibat pengaruh potensial elektroda terjadi dimana kation akan menuju ke katoda dengan menembus membran permiabel kation. Setelah sampai pada membran permiabel anion maka kation akan terhambat dan tidak bisa menembus, sehingga terjadi akumulasi kation pada ruangan antara membran permiabel kation dengan membran permiabel anion. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa : 1. Removal parameter : Total Disolved Solid (TDS) 470 mg/L, Warna 15 Unit PtCo, Kekeruhan 1.84 Skala NTU, Sulfat 81.61 mg/L SO4, Nitrat 2.63 mg/L NO3-N, Natrium 143.74 mg/L Na, Besi 0.26 mg/L Fe, Mangan 0.71 mg/L Mn, Seng 0.05 mg/L Zn, Flourida 0.04 mg/L F, Deterjen 0.04 mg/L, Khlorida 144 mg/L Cl , ZatOrganik 0.6 mg/L KMnO4. 2. Peningkatan kualitas air sebagai sumber daya yang sangat dibutuhkan oleh manusia dapat dilakukan dengan penerapkan perpaduan teknologi berbasis ion exchange dengan membrane permiabel pada medan electrodeionization. B - 224
Prosiding Seminar Nasional Kimia, ISBN : 978-602-0951-00-3 Jurusan Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya, 20 September 2014 Sintetis Pada Reaktor Up-Flow DownFlow” ; Prosiding ISBN ; 978-97997071-8-5 DP2M-DIKTI-ITS Surabaya,SEMINAR NASIONAL HASIL PDM – SKW, 16-18 Desember 2008. 4. Wahyu Hidayat 2007 Teknologi Membran 5. Christ, A.G. (2004) Electrodeionisation, Switzerland 6. APHA AWWA Standart Methods 2008
UCAPAN TERIMA KASIH Ucapan terima kasih disampaikan Penanggungjawab kegiatan Hibah Penelitian Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Departemen Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia yang telah mendanai penelitian ini melalui koordinasi dengan KOPERTIS Wilayah VII JATIM.
Paten P-981038 Paten P-962159 US paten : US-3716481 US paten : US-4685909 US paten : US-5066375
DAFTAR PUSTAKA 1. Lee, C.C.,Lin, S.D., (2005). Handbook Of Environmental Engineering. McGraw-Hill Publishing, Tokyo. 2. Montgomery, J.M., (2005). Water Treatment Principles and Design. Johan Weley Inc. USA 3. Setyo Purwoto, Pungut, A., 2008 . “Removal Salinitas Air Payau Secara Ion Exchange Dengan Treatment Resin
B - 225
