Sifat Fisik dan Kimia Air dalam Berbagai Industri Made Jaka Satwika Sukma Prana* Jurusan Kimia, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Bandung Jalan Ganesa No. 10, Bandung, Indonesia *Corresponding Author:
[email protected]
Abstrak Air adalah suatu senyawa yang melapisi sekitar 70% dari permukaan bumi, membangun 70% massa tubuh manusia, dan sangat penting bagi kehidupan manusia. Air adalah satu-satunya substansi di dunia yang secara alami memiliki tiga keadaan fisik, yaitu uap, cair, dan padat. Sebagaimana air yang secara alami berada pada tiga keadaan fisik di alam, maka air tidak akan bisa lepas dari seluruh aktivitas manusia. Oleh karena itu, peran air sangatlah penting, baik itu dalam skala mikro seperti kebutuhan individu maupun rumah tangga hingga skala makro seperti industrial dan negara. Dalam memberikan dampaknya pada seluruh aktivitas manusia, penting bagi kita untuk melihat keterkaitan antara sifat fisik dan kimia dari air dengan manfaat yang diberikan. Kata kunci : air, keadaan fisik, sifat fisik dan kimia.
1.
Pendahuluan Air adalah sumber kehidupan, setiap makhluk hidup di bumi membutuhkan air. Bahkan sekitar 70% permukaan bumi tertutupi oleh air. Bumi memiliki samudera yang begitu luas, dimana air berada dalam fasa cairnya. Sedangkan pada kedua kutub bumi, Bumi memiliki lapisan es, dimana air berada dalam fasa padatnya. Dalam fasa gasnya, air juga bisa ditemukan pada uap air atau atmosfer sebagai gas yang tak terlihat. Dalam ketiga fasanya, air sangat berpengaruh terhadap iklim planet bumi ini. Sebagaimana air yang juga merupakan molekul, maka air memiliki sifat fisik dan sifat kimia sebagaimana senyawa lainnya. Secara kimia, air merupakan senyawa yang tersusun dari satu buah atom oksigen dan dua buah atom hidrogen yang biasa ditulis sebagai H2O atau apabila dituliskan menurut aturan Lewis menjadi H-O-H. Satu molekul air tersusun oleh ikatan ionik dimana elektron dari ataom H diberikan kepada atom O. Namun untuk membentuk senyawa air, antarmolekul air berinteraksi karena adanya ikatan
hidrogen. Molekul air berada dalam fasa padatnya pada suhu 0oC, berada pada fasa cairnya pada suhu 0-100 oC, dan mendidih pada suhu diatas 100 oC. Meskipun air mendidih pada suhu 100 oC, namun air menguap pada suhu berapapun.
Gambar 1. Diagram Fasa Air. Air memiliki tegangan permukaan yang besar yang disebabkan oleh kuatnya sifat kohesi antar molekulmolekul air. Air adalah senyawa nomor dua dengan tegangan permukaan terbesar setelah merkuri. Satu molekul air memiliki massa molar sebesar 18,0153 g/mol. Adanya ikatan antara atom hidrogen dan oksigen menyebabkan elektron terpolarisasi, karena adanya
2
perbedaan elektronegativitas yang cukup besar antara atom hodrogen dengan oksigen. Sehingga air adalah molekul yang bersifat polar. Karena ikatan antara atom hidrogen dengan oksigen adalah ikatan ionik, maka ikatannya mudah lepas, dimana akan dihasilkan spesi H+ dan OH-. Adanya kedua spesi ini lah yang menyebabkan air bersifat netral atau pHnya berkisar di antara 7,0. Pada gambar di bawah ini digambarkan diagram fasa dari air yang merupakan hubungan antara tekanan dan suhu. Secara fisik, senyawa air dapat ditinjau dari beberapa faktor seperti warna, bau, serta rasa. Air yang murni umumnya tidak berwarna atau bening, tidak berbau, dan tidak memiliki rasa. Pada artikel ini akan dikaji bagaimana sifat kimia dan sifat fisik dari air dalam kegunaannya di berbagai kepentingan industri. 2.
Latar Belakang Sumber air tawar, terutama sumber air tawar berkualitas tinggi, menjadi semakin langka. Penggunaan air secara global pada tahun 2000 diperkirakan meningkat hampir tiga kali dibandingkan tahun 1950 [1]. Sementara, ketersediaan sumber daya air tawar yang memadai, baik kuantitas dan kualitas, sangat penting untuk kebutuhan industri seperti keamanan pangan dan produksi. Perbaikan dalam kesehatan masyarakat selama seabad terakhir telah didukung oleh kemajuan positif dalam pengelolaan sumber daya vital, yang salah satunya adalah air. Kualitas air memiliki hubungan yang saling terkait erat dengan keberlangsungan industri. Hal ini dikarenakan oleh kemampuan air sebagai pelarut yang baik, sifatnya yang polar, derajat keasamannya yang netral, dan lain-lain. Beberapa contoh industri yang berkaitan langsung dengan ketersediaan air yang akan dibahas dalam makalah ini adalah industri makanan, farmasi, dan
produksi sabun. Dalam industri makanan, air memainkan peran dalam produksi primer (irigasi, penyiraman ternak, budidaya) dan dalam pengolahan (sebagai bahan komposisi, media transportasi dan bantuan kesehatan). Dalam industri farmasi, air berperan dalam pembuatan bahan aktif farmasi dan pembentukan dosis, serta untuk kegiatan manufaktur baik mengenai desain, instalasi dan pengoperasian sistem air farmasi. Sedangkan pada industri produksi sabun, air berperan dalam proses produksi, walaupun juga berperan dalam permasalahan limbah dari industri ini. 3. 3.1
Air dalam Berbagai Industri Industri Makanan Dalam industri makanan, air sangat penting dalam pemrosesan produk makanan. Ketika air digunakan sebagai komposisi bahan makanan, kualitas air dapat mempengaruhi sifat-sifat makanan, termasuk tekstur, penampilan, aroma dan rasa. Sebagai alat bantu pengolahan, air dapat digunakan untuk membawa, memanaskan, mendinginkan, membilas, melarutkan, menyelimuti, menipiskan, memisahkan, pembangkit uap dan kegiatan lainnya. Dalam setiap kasus, kemurnian air akan mempengaruhi kinerjanya. Misalnya, kesadahan (keberadaan mineral dalam air) dapat terdeposisi pada permukaan peralatan pendingin penguapan atau mengurangi kemampuan air untuk melarutkan bahan makanan[2]. Kegiatan pembersihan di industri makanan melibatkan penggunaan air sebagai agen yang membawa, pendispersi, pelarut dan pengencer. Kegunaan air dalam sistem produksi pangan termasuk dalam kasus-kasus berikut: 1. Komposisi bahan makanan 2. Air kemasan 3. Pencucian dan pembilasan 4. Air umpan boiler
3
3.1.A
Komposisi Bahan Makanan
Ketika digunakan sebagai komposisi bahan makanan, air harus bebas dari rasa yang tidak diinginkan, PRE FILTER
5 MICRON FILTER
bau, warna dan kotoran yang bisa membahayakan konsumen dan kualitas produk.
ACTIVATE D CARBON FILTER
ION EXCHANGE
OZONE
STORAGE TANK
POINT OF USE
Gambar 2. Diagram Alir Sistem Pengolahan Air sebagai Komposisi Bahan Makanan [3] 3.1.B
Air Kemasan
Air minum kemasan harus bebas bakteri. Banyak prosesor air kemasan menggunakan ozonasi untuk mensterilkan air karena memiliki sedikit efek pada rasa. Penanganan menggunakan ultra-violet PRE FILTER
5 MICRON FILTER
ACTIVATE D CARBON FILTER
dapat juga digunakan. Reverse Osmosis (RO) menghilangkan 99,9 persen dari semua virus, bakteri dan pirogen serta lebih hemat energi dibandingkan dengan proses distilasi. ION EXCHANGE
BOTTLE LINE
REVERSE OSMOSIS
TANK
OZONE Gambar 2. Diagram Alir Sistem Pengolahan Air Kemasan[4] 3.1.C
Pencucian dan Pembilasan
Mencuci dan membilas membutuhkan air bersih dan lunak. Rasa dan bau dalam jumlah kecil tidak terlalu berpengaruh layaknya dalam komposisi bahan makanan dan air kemasan. MUNICIPAL WATER
PRE FILTER
5 MICRON FILTER
Kandungan mineral yang dapat mempengaruhi kinerja aditif harus dihapus. Sabun, dan berbagai macam pembersih akan tampil jauh lebih baik dalam air melunak. ION EXCHANGE
POINT OF USE
Gambar 3. Diagram Alir Sistem Pengolahan Air untuk Pencucian dan Pembilasan
4
3.1.D
Air Umpan Boiler
Air untuk umpan boiler mungkin salah satu kasus penanganan yang paling sulit dalam industri makanan. Air umpan boiler harus benar-benar diperlakukan untuk mencegah masalah di ketel dan PRE FILTER
5 MICRON FILTER
terkait pipa, katup dan peralatan pengolahan. Komponen korosif, seperti oksigen dan karbon dioksida, dapat dihilangkan dengan deaerasi[5].
ACTIVATE D CARBON FILTER
ION EXCHANGE
BOILER
REVERSE OSMOSIS
DEAERATOR
CONDENSATE RETURN
Gambar 4. Diagram Alir Sistem Pengolahan Air Umpan Boiler
3.2
Industri Farmasi Otoritas perizinan produk menentukan nilai minimum dari WPU yang harus digunakan selama pembuatan dosis yang berbeda atau untuk tahapan yang berbeda dalam mencuci, persiapan, sintesis, manufaktur atau formulasi. BWFI harus digunakan dalam pembuatan produk yang dapat disuntikan untuk melarutkan atau mengencerkan zat dan untuk pembuatan air steril untuk persiapan penyuntikan. BWFI juga harus digunakan untuk bilasan akhir setelah pembersihan peralatan dan komponen yang bersentuhan dengan produk yang disuntikan serta untuk bilasan akhir dalam proses pencucian di mana tidak ada proses depyrogenization termal atau kimia yang diterapkan selanjutnya. Proses khas yang dipekerjakan di pabrik pengguna atau oleh otoritas pemasok air meliputi: - Desalinisasi - Penyaringan - Pelunakan - Desinfeksi atau sanitasi (misalnya dengan penyuntikan natrium hipoklorit atau klorin);
- Penghilangan kandungan besi - Pengendapan - Penurunan konsentrasi bahan anorganik dan / atau organik tertentu. 3.3
Industri Produksi Sabun Dalam industri produksi sabun, air berperan sebagai pelarut karena memang secara umum, air merupakan pelarut yang baik untuk berbagai senyawa, salah satunya senyawa logam alkali. Baik warna maupun bau sering dihasilkan oleh zat organik seperti alga. Kehadiran warna dalam air tidak selalu menunjukkan air tersebut tidak layak minum. Zat penyebab terbentuknya warna seperti tanin mungkin tidak berbahaya. Massa jenis air limbah yang dihasilkan dari industri sabun biasanya lebih besar dibandingkan air murni. Begitu pula tegangan permukaan dan viskositasnya yang lebih besar yang menunjukkan adanya kotoran tak larut pada air limbah. pH dari limbah industri sabun berkisar atara 7-8,5 karena adanya kandungan basa. Apabila pH-nya sebesar 6,5, maka
5
hal ini dapat merusak pipa. Biasanya dalam air limbah juga diamati nilai BOD dan COD. Pada limbah industri produksi sabun, nilai BOD-nya tidak ada dan nilai COD-nya kecil. Nilai COD yang menunjukkan status yang bersih adalah sebesar 0,5 mg/L menurut WHO. Air limbah hasil produksi sabun pada umumnya memiliki nilai alkalinitas yang tinggi. Nilai alkalinitas yang tinggi disebabkan oleh adanya spesi OH-, CO32-, dan HCO3-. Selain itu, dari air limbah industri ini juga dapat dilihat nilai TDS dan DO-nya. Nilai TDS yang tinggi menunjukkan kemungkinan yang tinggi pula terjadinya korosi, sedangkan nilai DO yang rendah justru memberikan dampak yang negative terhadap sungai. Daftar Notasi : RO : Reverse Osmosis WPU : Water for Pharmaceutical Use BWFI : Bulk Water For Injection BOD : Biological Oxygen Demand COD : Chemical Oxygen Demand TDS : Total Dissolved Solid DO : Dissolved Oxygen Daftar Pustaka [1] Shiklomanov, I.A .(1998). Assessment of water resources and water
availability in the world. Report for the comprehensive assessment of the freshwater resources of the world. United Nations, New York. [2] Osmonics. 1997. Pure water
handbook. Osmonics Inc., Minnetonka, MN. Available at http://dwb4.unl.edu/Chem/CHEM869A/ CHEM869AMats/PureWater/pwh-s.pdf, [3] Collentro, W.V. 2010. Pretreatment unit operations. Journal of validation technology. 16(2): 37-48. [4] Everpure. 2012. Understanding reverse osmosis systems. Available at: www.everpure.com. [5] Cleanboiler.org. 2012. pH treatment. Available at: http://www.cleanboiler.org/Eff_Improve /Operations/pH_Treatment.asp. [6] T-Y. Tebutt, Principles of Quality Control, Pergamon, England, 235 (1983). [7] https://en.wikipedia.org/wiki/Water, diakses 11-11-2015 [8] Tekade, P.V., Mohabansi, N.P., and Patil, V.B. Study of Physico-Chemical Properties of Effluents From Soap Industry in Wardha. Department of Chemistry, Jankidevi Bajaj College of science, Jamnalal Bajaj Marg, Civil lines, Wardha442001-M.S. (India)
