No.401/S2-TL/TPAL/2008
PENYISIHAN BESI DAN ZAT ORGANIK DARI AIR TANAH MENGGUNAKAN OZON (AOP)
TESIS Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dari Institut Teknologi Bandung
Oleh
ANITA KRISMA Nim: 25305020 Program Studi Teknik Lingkungan
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
ABSTRAK PENYISIHAN BESI DAN ZAT ORGANIK DARI AIR TANAH MENGGUNAKAN OZON (AOP) Anita Krisma NIM : 25305020 Penelitian ini mengaplikasikan proses oksidasi menggunakan ozon serta kombinasinya dengan sinar UV sebagai teknologi Advanced Oxidation Process, (AOP) untuk menyisihkan kandungan besi dan zat organik yang terdapat pada air tanah dangkal. Penelitian dilakukan menggunakan reaktor batch bervolume 2 liter, dengan sumber ozon dari generator tipe corona discharge, pada tiga variasi debit pemompaan udara 0.5, 1 dan 2 lpm. Kekuatan oksidasi ozon diharapkan dapat mengoksidasi besi menjadi bentuk terlarutnya sehingga dapat disisihkan dengan filtrasi sederhana. Oksidasi senyawa organik yang sukar teroksidasi dengan oksidator biasa diharapkan dapat terjadi melalui AOP dengan melibatkan pembentukan hidroksil radikal. Konsentrasi besi di dalam air tanah yang diteliti berkisar antara 3-4 mg/l dan konsentrasi zat organik sebagai TOC sekitar 9 mg/l. Hasil yang diperoleh setelah diozonasi selama 20 menit dan filtrasi sederhana terjadi penyisihan besi hingga 90 – 98%, dan penyisihan zat organik hingga 33,3%. Penyisihan zat organik meningkat hingga 100% dengan kombinasi ozon dan sinar UV. Penyisihan besi dengan ozon serta ozon/UV mengikuti persamaan reaksi orde satu semu dengan nilai konstanta laju reaksi antara 0,020 – 0,115 menit-1 Kata Kunci: Ozon, UV, AOP, Besi, Zat Organik
ABSTRACT IRON AND ORGANIC REMOVAL FROM GROUDWATER USING OZON (AOP) Anita Krisma NIM : 25305020 This study applied advanced oxidation process using ozon as oxidator and combined with UV for iron and organic matter removal from groundwater. Reactions took place in 2 litre batch reactor and using ozon source from corona discharge generator with variated air pump flowrate, 0.5, 1 and 2 lpm. Ozon potential oxidation were utilized to presipitate iron and the hydroxil radicals formed as AOP were utilized for organic matter removal. Through 20 minutes ozonation could reduced 90 – 98 % iron concentration and removed 33.3% organic matter as TOC. Organic removal increased to 100% with ozon-UV combination. Iron removal trough ozon and ozon/UV application is followed pseudo first order reaction with rate constants in range 0,020 to 0,115 minutes-1 Key Words: Ozone,UV, AOP, Iron,Organic Matter
PENYISIHAN BESI DAN ZAT ORGANIK DARI AIR TANAH MENGGUNAKAN OZON (AOP)
Oleh: Anita Krisma Nim: 25305020
Program Studi Teknik Lingkungan Institut Teknologi Bandung
Menyetujui Pembimbing
Tanggal, 30 Juni 2008
Prof. Ir. Suprihanto Notodarmojo, Ph.D
iii
PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS
Tesis S2 yang tidak dipublikasikan terdaftar dan tersedia di Perpustakaan Institut Teknologi Bandung, dan terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada pengarang dengan mengikuti aturan HaKI yng berlaku di Institut Teknologi Bandung. Referensi kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya dapat dilakukan seizin pengarang dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk menyebutkan sumbernya.
Memperbanyak atau menerbitkan sebagian atau seluruh tesis haruslah seizin Direktur Program Pascasarjana, Institut Teknologi Bandung.
iv
Untuk Tuhan, Bangsa dan Almamater
“Bagian hidupmu yang telah berlalu tak dapat tergantikan, dan apa yang engkau petik darinya tak ternilai harganya” “Bermacam (ujian) kesukaran adalah hamparan pemberian” ( Ibn ‘Athâ’illaâh , Al-Hikam )
“Life only real when shared”
v
KATA PENGANTAR
Alhamdulillahi rabbil’alamin laporan tesis yang berjudul Penyisihan Besi Dan Zat Organik Dari Air Tanah Menggunakan Ozon (AOP) telah dapat penulis selesaikan. Tesis ini merupakan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister pada bidang Teknologi Pengolahan Air dan Limbah, Program Studi Teknik Lingkungan, Institut Teknologi Bandung. Peyelesaian laporan tesis ini dapat terlaksana atas dukungan,dorongan, bimbingan, saran, nasehat dari berbagai pihak. Untuk itu secara khusus penulis menyampaikan rasa terima kasih kepada: 1. Prof. Ir. Surihanto Notodarmojo, Ph.D selaku pembimbing. 2. Dr.Ing.Ir. Prayatni Soewondo, MS selaku penguji sekaligus dosen wali. 3. Dr.Ing. Marisa Handajani, ST., MT selaku penguji yang dengan masukan dan koreksi telah sangat membantu dalam penyempurnaan laporan ini. 4. Dr.Eng. Rofiq Iqbal, ST selaku penguji. 5. Laboran
beserta
staf
Laboratorium
Pengabdian
Masyarakat
dan
Laboratorium Teknologi Pengolahan Air Teknik Lingkungan ITB serta Laboratorium Analisa Kimia Alam Universitas Padjadjaran. 6. Sdr. Wiwin, Sdr.Taufiq, Kel. Ibu Yadi Kel. Ibu Yati di Gang Samsi RT 01/RW I dan Kel. Ibu Djudju di Jl. Asep Berlian 111/143A Rt 03/RW II Kelurahan Kebonwaru Kecamatan Batununggal Bandung. 7.
Bp. Heri, Bp. Mahmud, Sdr Rangga dan Sdr. Eric yang telah membantu penulis dalam pengumpulan literatur.
8. Rekan sejawat, keluarga dan pihak – pihak lainnya yang tak dapat penulis tulis satu per satu yang telah turut memberikan andil yang besar bagi penulis dalam pengerjaan penelitian, perkuliahan, serta penulisan laporan ini.
vi
Tak ada gading yang tak retak, begitu pula dengan laporan tesis ini, untuk penyempurnaan masih diperlukan masukan serta kritik yang membangun. Semoga laporan ini dapat memberikan manfaat bagi pengembangan penelitian di bidang pengolahan air selanjutnya.
Bandung, Juni 2008 Penulis,
Anita Krisma
vii
Daftar Isi
DAFTAR ISI ABSTRAK ........................................................................................................ i ABSTRACT........................................................................................................ ii LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. iii PEDOMAN PENGGUNAAN TESIS .............................................................. iv HALAMAN PERSEMBAHAN ....................................................................... v KATA PENGANTAR ...................................................................................... vi DAFTAR ISI..................................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................ xi DAFTAR TABEL............................................................................................. xiv DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG ................................................... xv BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang........................................................................................ I-1
1.2
Maksud Dan Tujuan ............................................................................... I-2
1.3
Hipotesa .................................................................................................. I-3
1.4
Ruang Lingkup Penelitian ...................................................................... I-5
1.5
Sistematika Pembahasan......................................................................... I-5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1
Potensi Dan Permasalahan Air Tanah ...................................................
II-1
2.2
Keberadaan Besi Dan Zat Organik Dalam Air Tanah ...........................
II-3
2.2.1
Keberadaan Besi dalam Air Tanah............................................
II-3
2.2.2
Keberadaan Zat Organik dalam Air Tanah ...............................
II-5
Teknologi Penyisihan Besi Dan Zat Organik Dari Air Tanah...............
II-7
2.3.1
Teknologi PenyisihanBesi.........................................................
II-7
2.3.2
Teknologi Penyisihan Zat Organik ...........................................
II-11
Advanced Oxidation Process (AOP) .....................................................
II-11
2.4.1
Bentuk – bentuk AOP ...............................................................
II-12
2.4.2
Faktor – Faktor yang Mempengaruhi AOP...............................
II-14
Ozon.......................................................................................................
II-17
2.3
2.4
2.5
Thesis 25305020
viii
Daftar Isi
2.6
2.5.1
Sejarah Ozon .............................................................................
II-17
2.5.2
Sifat Fisik dan Kimia Ozon ......................................................
II-18
2.5.3
Kelarutan Ozon di dalam Air ....................................................
II-23
2.5.4
Reaksi Oksidasi Ozon ...............................................................
II-26
2.5.5
Pembentukan Ozon ...................................................................
II-31
Kinetika Laju Reaksi .............................................................................
II-32
2.6.1
Reaksi orde Nol .........................................................................
II-39
2.6.2
Reaksi Orde Pertama .................................................................
II-39
BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1
Umum .................................................................................................... III-1
3.2
Rancangan Penelitian ............................................................................ III-3
3.3
Alat Dan Bahan ..................................................................................... III-3 3.3.1
Alat yang Digunakan................................................................. III-4
3.3.2
Bahan yang Digunakan ............................................................. III-5
3.4
Reaktor Batch dan Pemasangannya....................................................... III-6
3.5
Pengukuran Produksi Ozon Dari Generator .......................................... III-8
3.6
Pengukuran Keterlarutan Ozon Dalam Air............................................ III-9
3.7
PELAKSANAAN PERCOBAAN ........................................................ III-10
3.8
Metode Pengukuran ............................................................................... III-10
3.9
3.8.1
Pengambilan Sampel ................................................................. III-10
3.8.2
Analisis Sampel......................................................................... III-11
Analisis Hasil Percobaan ....................................................................... III-11
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1
Kualitas Air Sumur di Daerah Bandung............................................... IV-1
4.2
Produksi Ozon dari Generator .............................................................. IV-3
4.3
Kelarutan Ozon Dalam Air................................................................... IV-5 4.3.1
Reaktor Tunggal ....................................................................... IV-6
4.3.2
Reaktor Seri.............................................................................. IV-8
4.3.3
Pada Perbedaan Debit Pemompaan.......................................... IV-9
4.3.4
Pengaruh Kelarutan Ozon Terhadap pH Air ............................ IV-10
Thesis 25305020
ix
Daftar Isi
4.4
Waktu Paruh Ozon Di Dalam Air......................................................... IV-13
4.5
Pengaruh Ozon dan Ozon/UV Terhadap Kualitas Air Tanah .............. IV-14
4.6
Penyisihan Besi Dan Organik Dari Air Sumur Dengan Ozonasi ......... IV-17
4.7
4.6.1
Penyisihan Besi ........................................................................ IV-17
4.6.2
Penyisihan Zat Organik............................................................ IV-20
Penyisihan Besi Dan Organik Dari Air Sumur Dengan Ozonasi Dan UV ........................................................................................................ IV-23
4.8
4.9
4.7.1
Penyisihan Besi ........................................................................ IV-23
4.7.2
Penyisihan Zat Organik............................................................ IV-25
Analisa Statistik Penyisihan Besi ......................................................... IV-27 4.8.1
Pengaruh Sumber Air yang Digunakan.................................... IV-28
4.8.2
Pengaruh Debit pemompaan .................................................... IV-30
4.8.3
Pengaruh Penggunaan Sinar UV .............................................. IV-31
Kinetika Reaksi Oksidasi Besi Dan Zat Organik ................................. IV-33 4.9.1
Orde Reaksi .............................................................................. IV-33
4.9.2
Konstanta Laju Reaksi ............................................................. IV-36
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1
Kesimpulan .......................................................................................... V-1
5.2
Saran .................................................................................................... V-2
LAMPIRAN Lampiran A Metode Analisis Ozon di Udara Lampiran B Analisis Konsentrasi Ozon di Dalam Air Lampiran C Analisa Kadar Besi Lampiran D Analisa Zat Organik Lampiran E Baku Mutu Air Minum Lampiran F Data Hasil Percobaan Lampiran G Kinetika Reaksi Lampiran H Analisa Statistika
Thesis 25305020
x
Daftar Gambar
DAFTAR GAMBAR Gambar I-1
Reaktifitas Ozon di dalam Larutan.......................................
I-4
Gambar II-1
Asam Humat......................................................................... II-4
Gambar II-2
Asam Fulvat.......................................................................... II-5
Gambar II-3
Representasi Struktur Humus ............................................... II-6
Gambar II-4
Ion Exchange untuk Penyisihan Besi ................................... II-7
Gambar II-5
Waktu Aerasi Besi Sebagai Fungsi pH dan Temperatur ...... II-9
Gambar II-6
Penggunaan Permanganat untuk Pengolahan Air................. II-10
Gambar II-7
Reaktor dan Skema AOP O3/H2O2 ....................................... II-13
Gambar II-8
Peluruhan Ozon .................................................................... II-14
Gambar II-9
Struktur Resonansi Ozon...................................................... II-19
Gambar II-10 Kelarutan Ozon di dalam Air (ppm)..................................... II-24 Gambar II-11 Hubungan Tekanan dan konsentrasi Gas Terhadap Kelarutan Ozon..................................................................... II-25 Gambar II-12 Model Transfer ozon ........................................................... II-26 Gambar II-13 Mekanisme Reaksi Ozon...................................................... II-27 Gambar II-14 Dipolar Cycloaddition dari Ozon Terhadap Ikatan TakJenuh..................................................................................... II-27 Gambar II-15 Mekanisme Criegee (2) ........................................................ II-28 Gambar II-16 Mekanisme Criegee .............................................................. II-28 Gambar II-17 Reaksi Elektrofilik Ozon dengan Senyawa Aromatik.......... II-29 Gambar II-18 Gugus Organik yang Dapat bereaksi dengan Ozon.............. II-30 Gambar II-19 Skema Reaksi Ozonasi terhadap Senyawa Aromatik........... II-30 Gambar II-20 Grafik Konsentrasi ozon terhadap Waktu ............................ II-34 Gambar II-21 Grafik Konsentrasi Reaktan Terhadap Produk..................... II-35 Gambar II-22 Grafik Orde Reaksi............................................................... II-38 Gambar II-23 Penentuan orde reaksi dengan cara plotting log ................... II-38 Gambar II-24 Plot Aritmatik Reaksi Orde Nol ........................................... II-39 Gambar II-25 Plot Aritmatik Reaksi Orde Pertama .................................... II-40 Gambar III-1
Diagram Alir Metodologi Penelitian .................................... III-2
Gambar III-2
Alat Pengukur Kadar Ozon dalam Air O3-2Z...................... III-5
Thesis 25305020
xi
Daftar Gambar
Gambar III-3
Generator Ozon .................................................................... III-6
Gambar III-4
Skema Produksi Ozon .......................................................... III-7
Gambar III-5
Pemasangan Flowmeter........................................................ III-7
Gambar III-6
Reaktor Batch ....................................................................... III-8
Gambar III-7
Reaktor Tunggal ................................................................... III-8
Gambar III-8
Reaktor Seri .......................................................................... III-8
Gambar III-9
Alat Pengukur Konsentrasi Ozon di Udara .......................... III-9
Gambar IV-1
Kurva Kelarutan Ozon dalam Air......................................... IV-7
Gambar IV-2
Reaktor Seri Untuk Aquades ................................................ IV-8
Gambar IV-3
Reaktor Seri Untuk Air Sumur ............................................. IV-9
Gambar IV-4
Kelarutan Ozon pada Beberapa Debit pemompaan.............. IV-10
Gambar IV-5
Kurva Kondisi pH Air dengan Ozonasi................................ IV-11
Gambar IV-6
Hubungan Konsentrasi Ozon Terhadap pH Aquades........... IV-11
Gambar IV-7
Hubungan Konsentrasi Ozon Terhadap pH Air Kran .......... IV-12
Gambar IV-8
Hubungan Konsentrasi Ozon Terhadap pH Air Sumur........ IV-12
Gambar IV-9
Kurva Konsentrasi Ozon Setelah Ozonasi ........................... IV-13
Gambar IV-10 Hasil Ozonasi Sumur 1 dan 2 ............................................... IV-15 Gambar IV-11 Hasil Ozon/UV Sumur 1 dan 2 Setelah 20 menit................. IV-15 Gambar IV-12 Hasil Ozonasi Sumur 1......................................................... IV-16 Gambar IV-13 Hasil Ozon/UV Sumur 1 ...................................................... IV-16 Gambar IV-14 Hasil Ozon/UV Sumur 2 ...................................................... IV-17 Gambar IV-15 Ozonasi Sumur 1, 0.5 lpm .................................................... IV-18 Gambar IV-16 Ozonasi Sumur 1, 1 lpm ....................................................... IV-18 Gambar IV-17 Ozonasi Sumur 2, 0.5 lpm .................................................... IV-19 Gambar IV-18 Ozonasi Sumur 2, 1 lpm ....................................................... IV-19 Gambar IV-19 Kurva Konsentrasi Ozon Setelah Ozonasi pada Debit 2 lpm untuk Air dari Sumur 2.................................................. IV-20 Gambar IV-20 Penyisihan Zat Organik dengan Ozonasi ............................ IV-21 Gambar IV-21 Kurva Konsentrasi Zat Oganik Setelah Ozonasi .................. IV-22 Gambar IV-22 Ozon/ UV Sumur 1............................................................... IV-23 Gambar IV-23 Kurva Penyisihan Besi dengan Ozonasi dan UV Sumur 1... IV-24 Gambar IV-24 Ozon + UV Sumur 2............................................................. IV-25
Thesis 25305020
xii
Daftar Gambar
Gambar IV-25 Kurva Penyisihan Besi dengan Ozonasi dan UV Sumur 2... IV-25 Gambar IV-26 Angka Permanganat dengan Ozonasi dan UV ..................... IV-26 Gambar IV-27 Kurva Penyisihan Zat Organik dengan Ozonasi dan UV..... IV-26 Gambar IV-28 Kurva Oksidasi dan Penyisihan Besi dalam Berbagai Kondisi ................................................................................. IV-29 Gambar IV-29 Kurva Pengaruh Debit pemompaan pada ozonasi dan Ozon/UV............................................................................... IV-31 Gambar IV-30 Kurva Pengaruh Penggunaan UV Terhadap Penyisihan Besi ...................................................................................... IV-32 Gambar IV-31 Kurva Pengaruh Penggunaan UV Terhadap Penyisihan Zat Organik ................................................................................. IV-33 Gambar IV-32 Grafik Persamaan Reaksi Orde Nol Ozonasi Sumur 1......... IV-34 Gambar IV-33 Grafik Persamaan Reaksi Orde Satu Ozonasi Sumur 1........ IV-35 Gambar IV-34 Grafik Persamaan Reaksi Orde Dua Ozonasi Sumur 1 ........ IV-35 Gambar IV-35 Grafik – Grafik Perbandingan Hasil Pengukuran dengan Perhitugan Konsentrasi Besi di Dalam Air Sumur............... IV-39
Thesis 25305020
xiii
Daftar Lampiran
DAFTAR TABEL Tabel II-1
Estimasi Volume Relatif Berbagai Sumber Air di Bumi ......... II-1
Tabel II -2
Kandungan Air Tanah Alami ................................................... II-2
Tabel II-3
Kebutuhan Oksidator untuk Mengoksidasi 1 ppm Besi........... II-11
Tabel II -4
Konstanta Laju Reaksi Hidroksil Radikal................................ II-12
Tabel II -5
Nilai Konstanta laju Reaksi Orde Kedua Hidroksil Radikal.... II-15
Tabel II -6
Sifat – Sifat Fisik Ozon ............................................................ II-18
Tabel II -7
Nilai Potensial Redoks dari Berbagai Oksidator...................... II-20
Tabel II -8
Kelarutan Ozon Murni di Dalam Air ....................................... II-24
Tabel II -9
Konsentrasi Ozon pada 303 K saat bereaksi dengan C2H4 ...... II-34
Tabel II -10 Contoh Data Hasil Eksperimen ............................................... II-37 Tabel III -11 Jenis dan Kegunaan Peralatan dalam Penelitian ...................... III-4 Tabel IV -1 Kualitas Air Sumur Kelurahan Kebonwaru Kecamatan Batununggal, Kota Bandung .................................................... IV-2 Tabel IV -2 Konsentrasi Besi dan Zat Organik Sumur 1............................. IV-3 Tabel IV -3 Produksi Ozon dari Generator.................................................. IV-4 Tabel IV -4 Kelarutan Ozon dalam Air (mg/L) ........................................... IV-6 Tabel IV -5 Kualitas Air Setelah Direaksikan dengna Ozon dan Ozon/UV IV-14 Tabel IV -6 Data Analisa Multifaktorial untuk Besi .................................. IV-27 Tabel IV -7 Hasil Rekapitulasi ANOVA Multifaktor.................................. IV-28 Tabel IV -8 Hasil Reaksi Ozonasi ............................................................... IV-33 Tabel IV -9 Hasil Reaksi Penggabungan Ozon/UV .................................... IV-34 Tabel IV -10 Hasil Rekapitulasi Perhitungan orde Reaksi ............................ IV-36 Tabel IV -11 Perhitungan Nilai k................................................................... IV-37
Thesis 25305020
xiv
Daftar Singkatan dan Lambang
DAFTAR SINGKATAN DAN LAMBANG Singkatan PDAM AOP UV US EPA
Nama
MRWA ANOVA lpm ppm
Perusahaan Daerah Air Minum Advanced Oxidation Process Ultra Violet United State Environmental Protection Agency Minnesota Rural Water Association Analisis of Variance Liter per menit Parr per million
Lambang O3 O2 H2O2 H2O OH* Fe Mn ˚C M -OH -COOH -NO2 x t Δ k C ANOVA T P
Ozon Oksigen Hidrogen Peroksida Air Hidroksil Radikal Besi Mangan Derajat Celsius Molaritas Hidroksida Asetat Nitrit posisi Waktu delta Konstanta laju reaksi Knsentrasi Analisis of Variance temperatur Tekanan udara
Thesis 25305020
Pemakaian Pertama Kali Pada Halaman I-1 I-2 I-3 I-4 II-8 III-11 III-2 IV-4
I-3 I-3 I-4 I-4 I-4 II-3 II-10 II-18 II-26 II-28 II-28 II-28 II-33 II-33 II-33 II-36 II-39 III-11 IV-3 IV-3
xv
