CARA MENGHILANGKAN ZAT BESI (Fe) DAN MANGAN (Mn) DALAM AIR
Baik
besi maupun mangan, dalam air biasanya terlarut dalam bentuk senyawa
atau garam bikarbonat, garam sulfat, hidroksida dan juga dalam bentuk
kolloid atau dalam keadaan bergabung dengan senyawa organik. Oleh karena
itu cara pengolahannyapun harus disesuaikan dengan bentuk senyawa besi
dan mangan dalam air yang akan diolah. Ada beberapa cara untuk
menghilangkan zat besi dan mangan dalam air salah satu diantarannya
yakni dengan cara oksidasi, dengan cara koagulasi, cara elektrolitik,
cara pertukaran ion, cara filtrasi kontak, proses soda lime, pengolahan
dengan bakteri besi dan cara lainnya.
Proses penghilangan besi dan mangan dengan cara oksidasi dapat dilakukan
dengan tiga macam cara yakni oksidasi dengan udara atau aerasi,
oksidasi dengan khlorine (khlorinasi) dan oksidasi dengan kalium
permanganat. Selain dengan cara oksidasi, penghilangan senyawa besi dan
mangan dalam air yang umum digunakan khususnya untuk skala rumah tangga
yakni dengan mengalirkan ke suatu filter dengan media mangan zeolit.
Menghilangkan Besi dan Mangan Dengan Cara Oksidasi.
Proses penghilangan besi dan mangan dengan cara oksidasi dapat dilakukan dengan tiga macam cara yaitu :
Adanya kandungan alkalinity, (HCO3)- yang cukup besar dalam air, akan menyebabkan senyawa besi atau mangan berada dalam bentuk senyawa ferro bikarbonat, Fe(HCO3)2 atau mangano bikarbonat, Mn(HCO3)2. Oleh karena bentuk CO2 bebas lebih stabil daripada (HCO3)-, maka senyawa bikarbonat cenderung berubah menjadi senyawa karbonat.
Fe(HCO3)2 ===> FeCO3 + CO2 + H2O Mn(HCO3)2 ===> MnCO3 + CO2 + H2O
Dari
reakasi tersebut dapat dilihat, jika CO2 berkurang, maka kesetimbangan
reaksi akan bergeser ke kanan dan selanjutnya reaksi akan menjadi
sebagai berikut :
FeCO3 + CO2 ===> Fe(OH)2 + CO2 MnCO3 + CO2 ===> Mn(OH)2 + CO2
Baik
hidroksida besi (II) maupun hidroksida mangan (II) masih mempunyai
kelarutan yang cukup besar, sehingga jika terus dilakukan oksidasi
dengan udara atau aerasi akan terjadi reaksi (ion) sebagai berikut:
4 Fe2+ + O2 + 10 H2O ===> 4 Fe(OH)3 + 8 H+ 2 Mn2+ + O2 + 2 H2O ===> 2 MnO2 + 4 H+
Sesuai dengan reaksi tersebut, maka untuk mengoksidasi setiap 1 mg/l zat
besi dibutuhkan 0,14 mg/l oksigen dan setiap 1 mg/l mangan dibutuhkan
0,29 mg/l. Pada pH rendah, kecepatan reaksi oksidasi besi dengan oksigen
(udara) relatif lambat, sehingga pada prakteknya untuk mempercepat
reaksi dilakukan dengan cara menaikkan pH air yang akan diolah. Pengaruh
pH terhadap oksidasi besi dengan udara (aerasi) dapat dilihat pada
Tabel 1.
Tabel 1 Pengaruh pH terhadap oksidasi besi dengan udara.
| Air Baku | Konsentrasi Fe setelah aerasi | |||
| pH Air | Fe (ppm) | 15 menit | 30 menit | 60 menit |
| 5,0 | 10,0 | 9,0 | - | 7,5 |
| 5,5 | 10,0 | 5,5 | 4,6 | 4,0 |
| 5,95 | 10,0 | 5,0 | 4,0 | 3,5 |
| 6,15 | 10,0 | 4,4 | 3,5 | 2,5 |
| 6,5 | 10,0 | 2,8 | 1,8 | 0,3 |
| 6,65 | 10,0 | 0,7 | 0,2 | 0,1 |
| 6,8 | 10,0 | 0,2 | 0,1 | < 0,1 |
| 7,0 | 10,0 | 0,1 | < 0,1 | < 0,1 |
| 7,45 | 10,0 | 0,1 | < 0,1 | < 0,1 |
| 8,05 | 10,0 | < 0,1 | < 0,1 | < 0,1 |
Catatan : Air baku yang digunakan adalah air tanah.
Konsentrasi Fe setelah diaerasi dan disaring dengan kertas saring.
Sumber : Tatsumi Iwao, 1971.
Konsentrasi Fe setelah diaerasi dan disaring dengan kertas saring.
Sumber : Tatsumi Iwao, 1971.
Oksidasi dengan Khlorine (Khlorinasi)
Khlorine, Cl2
dan ion hipokhlorit, (OCl)- adalah merupakan bahan oksidator yang kuat
sehingga meskipun pada kondisi pH rendah dan oksigen terlarut sedikit,
dapat mengoksidasi dengan cepat. Reaksi oksidasi antara besi dan mangan
dengan khlorine adalah sebagai berikut:
2 Fe2+ + Cl2 + 6 H2O ==> 2 Fe(OH)3 + 2 Cl- + 6 H+ Mn2+ + Cl2 + 2 H2O ==> MnO2 + 2 Cl- + 4 H+
Berdasarkan reaksi tersebut di atas, maka untuk mengoksidasi setiap 1
mg/l zat besi dibutuhkan 0,64 mg/l khlorine dan setiap 1 mg/l mangan
dibutuhkan 1,29 mg/l khlorine. Tetapi pada prakteknya, pemakaian
khlorine ini lebih besar dari kebutuhan teoritis karena adanya
reaksi-reaksi samping yang mengikutinya. Disamping itu apabila kandungan
besi dalam air baku jumlahnya besar, maka jumlah khlorine yang
diperlukan dan endapan yang terjadi juga besar sehingga beban
flokulator, bak pengendap dan filter menjadi besar pula.
Berdasarkan sifatnya, pada tekanan atmosfir khlorine adalah berupa gas.
Oleh karena itu, untuk mengefisienkannya, khlorine disimpan dalam bentuk
cair dalam suatu tabung silinder bertekanan 5 sampai 10 atmosfir. Untuk
melakukan khlorinasi, khlorine dilarutkan dalam air kemudian dimasukkan
ke dalam air yang jumlahnya diatur melalui orifice flowmeter atau
dosimeter yang disebut khlorinator. Pemakaian kaporit atau kalsium
hipokhlorit untuk mengoksidasi atau menghilangkan besi dan mangan
relatif sangat mudah karena kaporit berupa serbuk atau tablet yang mudah
larut dalam air.
Oksidasi dengan kalium permanganat
Untuk menghilangkan besi dan mangan dalam air, dapat pula dilakukan
dengan mengoksidasinya dengan memakai oksidator kalium permanganat
dengan persamaan reaksi sebagai berikut :
3 Fe2+ + KMnO4 + 7 H2O ==> 3 Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5 H+ 3 Mn2+ + 2 KMnO4 + 2 H2O ==> 5 MnO2 + 2 K+ + 4 H+
Secara stokhiometri, untuk mengoksidasi 1 mg/l besi diperlukan 0,94 mg/l
kalium permanganat dan untuk 1 mg/l mangan diperlukan 1,92 mg/l kalium
permanganat. Dalam prakteknya, kebutuhan kalium permanganat ternyata
lebih sedikit dari kebutuhan yang dihitung berdasarkan stokhiometri. Hal
ini disebabkan karena terbentuknya mangan dioksida yang berlebihan yang
dapat berfungsi sebagai oksidator dan reaksi berlanjut sebagai berikut :
2 Fe2+ + 2 MnO2 + 5 H2O ==> 2 Fe(OH)3 + Mn2O3 + 4 H+ 3 Mn2+ + MnO2 + 4 H2O ==> 2 Mn2O3 + 8 H+
Menghilangkan Besi dan Mangan dengan Cara Koagulasi
Proses menghilangkan besi dan mangan dengan koagulasi dapat dilakukan dengan dua macam cara yaitu :
Proses Koagulasi dengan Penambahan Bahan Koagulan.
Sebagaimana diketahui pada bab-bab terdahulu bahwa zat besi dan mangan
banyak terdapat dalam air tanah dan pada umumnya berada dalam bentuk
senyawa valensi 2 atau dalam bentuk ion Fe2+ dan Mn2+Lain halnya jika
besi dan mangan tersebut berada dalam air dalam bentuk senyawa organik
dan kolloid, misalnya bersenyawa dengan zat warna organik atau asam
humus (humic acid), maka keadaan yang demikian susah dihilangkan baik
dengan cara aerasi, penambahan khlorine maupun dengan penambahan kalium
permangganat. Adanya partikel-partikel halus Fe(OH)3.n H2O air juga sukar mengendap dan menyebabkan air menjadi keruh.
Untuk menghilangkan zat besi dan mangan seperti pada kasus tersebut di
atas, perlu dilakukan koagulasi dengan membubuhkan bahan koagulan,
misalnya aluminium sulfat, Al2(SO4).nH2O
dalam air yang mengandung kolloid. Dengan pembubuhan koagulan tersebut,
kolloid dalam air menjadi bergabung dan membentuk gumpalan (flock)
kemudian mengendap. Setelah kolloid senyawa besi dan mangan mengendap,
kemudian air disaring dengan saringan pasir cepat atau saringan pasir
lambat.
Ke
dalam air baku dimasukkan elektroda dari lempengan logam aluminium (Al)
yang dialiri dengan listrik arus searah. Dengan adanya arus listrik
tersebut, maka elektroda logam Al tersebut sedikit demi sedikit akan
larut ke dalam air membentuk ion Al3+, yang oleh reaksi hidrolisa air akan membentuk Al(OH)3 merupakan koagulan yang sangat efektif. Dengan terbentuknya Al(OH)3.nH2O dan besi organik serta partikel-pertikel kolloid lain yang bermuatan negatif akan tertarik oleh ion Al3+
sehingga menggumpal menjadi partikel yang besar, mengendap dan dapat
dipisahkan. Cara ini sangat efektif, tetapi makin besar skalanya maka
kebutuhan listriknya makin besar pula.
Penghilangan Fe dan Mn Dengan Cara Pertukaran Ion
Penghilangan besi dan mangan dengan cara pertukaran ion yaitu dengan
cara mengalirkan air baku yang mengandung Fe dan/atau Mn melalui suatu
media penukaran ion. Sehingga Fe dan Mn akan bereaksi dengan media
penukaran ionnya. Sebagai media penukaran ion yang sering dipakai
zeolite alami yang merupakan senyawa hydrous silikat aluminium dengan
calsium dan natrium (Na). Disamping bahan penukar ion alami ada juga
penukar ion tiruan (resin sintetis) yang mempunyai sifat-sifat yang
lebih khusus.
Ditinjau dari siklus penukaran ionnya, ada 2 (dua) tipe yaitu :
penukaran ion dengan siklus Na yang regenerasinya dengan memakai larutan
NaCl, dan Penukaran ion dengan siklus H yang regenerasinya dengan
menggunakan larutan HCl. Reaksinya dapat ditulis sbb :
a. Menggunakan Zeolite
| Penghilangan Fe dan Mn dg zeolit | Na2Z + Fe(HCO3)2 ==> FeZ + 2 Na(HCO3) Na2Z + Mn(HCO3)2 ==> MnZ + 2 Na(HCO3) |
| Regenerasi dg NaCl | FeZ + NaCl ===> Na2Z + FeCl2 MnZ + NaCl ===> Na2Z + MnCl2 |
b. Menggunakan Resin Sintetis
| Penghilangan Fe dan Mn | R-Na2 + Fe(HCO3)2 ===> R-Fe + 2 Na(HCO3) R-Na2 + Mn(HCO3)2 ===> R-Mn + 2 Na(HCO3) | |||||||||
| Regenerasi dg NaCl |
|
Dengan Siklus Hidrogen (H)
a. Dengan Media Penukar Ion Zeolite
| Penghilangan Fe dan Mn |
| ||||||||||||||
| Regenerasi dg HCl |
|
b. Dengan Media Penukar Ion Resin
| Penghilangan Fe dan Mn | R-H2 + Mn(HCO3)2 ====> R-Mn + 2 H2O + 2 CO2 R-H2 + Fe(HCO3)2 ====> R-Fe + 2 H2O + 2 CO2 |
| Regenerasi dg HCl | R-Mn + 2 Hcl ====> R-H2 + MnCl2 R-Fe + 2 HCl ====> R-H2 + FeCl2 |
Dilihat dari persamaan reaksinya maka proses penghilangan besi dan
mangan dengan pertukaran ion sangat mudah operasinya, tetapi jika air
bakunya mempunyai kekeruhan, kandungan zat organik serta kadar Fe3+ dan Mn2+
penukar ionnya oleh kotoran tersebut sehingga daya penukar ionnya
menjadi cepat jenuh. Hal ini mengakibatkan regenerasi harus lebih sering
dilakukan.
Ada dua cara yang banyak dipakai yaitu :
Filtrasi dengan media filter yang mengandung MnO2
Air baku yang mengandung Fe dan Mn dialirkan ke suatu filter yang medianya mengandung MnO2.nH2O. Selama mengalir melalui media tersebut Fe dan Mn yang terdapat dalam air baku akan teroksidasi menjadi bentuk Fe(OH)3 dan Mn2O3 oksigen terlarut dalam air, dengan oksigen sebagai oksidator.
Reaksinya adalah sebagai berikut : 4 Fe2+ + O2 + 10 H2O ===> 4 Fe(OH)3 + 8 H+
Mn2+ + MnO2.nH2O ===> MnO2.MnO.nH2O + H+
Untuk reaksi penghilangan besi tersebut diatas adalah merupakan reaksi katalitik dengan MnO2 sebagai katalis, sedangkan untuk reaksi penghilangan Mn adalah merupakan reaksi antara Mn2+
dengan hidrat mangandioksida. Jika kandungan mangan dalam air baku
besar maka hidrat mangandioksida yang ada dalam media filter akan habis
dan terbentuk senyawa MnO2.MnO.nH2O sehingga kemampuan penghilangan Fe dan Mn nya makin lama makin berkurang.
Untuk memperbaharui daya reaksi dari media fiternya dapat dilakukan
dengan memberikan khlorine kedalam filter yang telah jenuh tersebut.
Reaksinya adalah sebagai berikut : MnO2.MnO.nH2O + 2 H2O + Cl2 ====> 2 MnO2.nH2O + 2 H+ + 2Cl-
Dengan Mangan Zeolite
Air
baku yamg mengandung besi dan mangan dialirkan melalui suatu filter bed
yang media filternya terdiri dari mangan-zeolite (K2Z.MnO.Mn2O7).
Mangan Zeolit berfungsi 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.
Reaksinya adalah sebagai berikut : K2Z.MnO.Mn2O7 + 4 Fe(HCO3)2 ====> K2Z + 3 MnO2 + 2 Fe2O3 + 8 CO2 + 4 H2O
K2Z.MnO.Mn2O7 + 2 Mn(HCO3)2 ===> K2Z + 5 MnO2 + 4 CO2 + 2 H2O
Reaksi
penghilangan besi dan mangan dengan mangan zeoite tidak sama dengan
proses pertukaran ion, tetapi merupakan reaksi dari Fe2+ dan Mn2+ dengan oksida mangan tinggi (higher mangan oxide).
Filtrat yang terjadi mengandung mengandung ferri-oksida dan
mangan-dioksida yang tak larut dalam air dan dapat dipisahkan dengan
pengendapan dan penyaringan. Selama proses berlangsung kemampunan
reaksinya makin lama makin berkurang dan akhirnya menjadi jenuh. Untuk
regenerasinya dapat dilakukan dengan menambahkan larutan
Kaliumpermanganat kedalam zeolite yang telah jenuh tersebut sehingga
akan terbentuk lagi mangan zeolite (K2Z.MnO.Mn2O7).
Proses Soda Lime
Proses ini adalah merupakan gabungan antara proses pemberian zat alkali
untuk menaikkan pH dengan proses aerasi. Dengan menaikkan pH air baku
sampai harga tertentu maka reaksi oksidasi besi dan mangan dengan cara
aerasi dapat berjalan lebih cepat. Zat alkali yang sering dipakai yaitu
kapur (CaO) atau larutan kapur [Ca(OH)2 ] dan soda api
[Na(OH)] atau campuran antara keduanya. Cara penambahan zat alkali yakni
sebelum proses aerasi. Untuk oksidasi besi, sangat efektif pada pH 8-9,
sedang untuk oksidasi mangan baru efektif pada pH > 10. Oleh karena
pH air baku menjadi tinggi, maka setelah Fe dan Mn nya dipisahkan, air
olahan harus dinetralkan kembali.
Penghilangan Besi dan Mangan dengan Bakteri Besi
Pada
saringan pasir lambat, pada saat operasi dengan kecepatan 10-30
meter/hari, setelah operasi berjalan 7-10 hari, maka pada permukaan atau
dalam media filternya akan tumbuh dan berkembang biak bakteri besi yang
dapat mengoksidasi besi atau mangan yang ada dalam air. Bakteri besi
mendapatkan energi aktivasi yang dihasilkan oleh reaksi oksida besi
ataupun oksida mangan, untuk proses perkembangbiakannya. Dengan
didapatkannya energi tersebut maka jumlah sel bakteri juga akan
bertambah. Dengan bertambahnya jumlah sel bakteri besi tersebut, maka
kemampuan mengoksidasi-nyapun menjadi bertambah pula. Sedangkan besi
yang telah teroksidasi akan tersaring/tertinggal dalam filter. Yang
termasuk dalam grup Bakteri besi yang banyak dijumpai yaitu: Crenothrix
yang dapat menghilangkan besi maupun Mangan.
Penghilangan Besi dan Mangan dengan Filtrasi DuaTahap
Cara
ini sebetulnya untuk menghilangkan / meniadakan proses koagulasi dan
sedimentasi yaitu dengan cara melakukan penyaringan 2 (dua) tahap dengan
saringan pasir cepat. Setelah proses aerasi, maka senyawa besi dalam
bentuk Fe(OH)3larut dalam air dialirkan ke dalam saringan pasir cepat
secara bertahap. Cara ini dapat menghemat biaya operasi untuk koagulasi
dan pengendapan tetapi beban saringan pertama akan cukup besar.
Cara Lain
Khususnya untuk menghilangkan besi yang ada dalam air ada cara lain yang
dapat digunakan yaitu dengan Oksidasi Kontak (Contact Oxydation). Air
baku dialirkan melalui saringan pasir atau media lainnya yang
permukaannya terlapisi oleh zat oksiferrihidroksida (FeOOH). Pada saat
melalui media tersebut Fe2+ dengan waktu yang sangat singkat akan teroksidasi menjadi Fe3+ dengan zat oksigen yang terlarut (DO) sebagai oksidator.
Tetapi jika kandugnan oksigen yang terlarut dalam air baku kecil
misalnya air tanah, maka air bakunya harus dikontakkan dengan udara
dengan cara kontak biasa atau menggunakan peralatan tertentu untuk
suplai oksigen. Mekanisme reaksi penghilangan besi dengan oksidasi
kontak adalah merupakan reaksi auto-katalitik dengan oksiferrihidroksida
(FeOOH) sebagai katalis, yang banyak terdapat pada bijih limonite. Jika
dibandingkan dengan cara-cara yang lain, penghilangan besi dengan cara
ini mempunyai karakteristik yang sangat berbeda. Cara oksidasi kontak
ini mempunyai keuntungan:
- Tanpa proses Koagulasi dan Pengendapan.
- Kecepatan filtrasi besar.
- Waktu pakai media filter (penyaringan) / katalis lama.
- Tanpa proses regenerasi
Semoga bermanfaat !!
istilah/bahasa di pasaran apa ya nama untuk meregenerasu media filter yang sudah jenuh? istilah-istilah diatas istilah kimia semua, susah juga mau nyari di toko2 kalau mau beli
BalasHapus