Koagulan yang dipakai dalam penjernihan Air (Kimia Koloid)

Koagulan adalah zat kimia yang menyebabkan destabilisasi muatan negatif partikel di dalam suspensi. Zat ini merupakan donor muatan positip yang digunakan untuk mendestabilisasi muatan negatip partikel. Dalam pengolahan air sering dipakai garam dari Aluminium, Al (III) atau garam besi (II) dan besi (III).Koagulan yang umum dan sudah dikenal yang digunakan pada pengolahan air adalah seperti yang terlihat pada tabel di bawah ini :

NAMA	FORMULA	BENTUK	REAKSI DENGAN AIR	pH OPTIMUM
Aluminium sulfat, Alum sulfat, Alum, Salum	Al2(SO4)3.xH2O x = 14,16,18	Bongkah, bubuk	Asam	6,0 – 7,8
Sodium aluminat	NaAlO2 atau Na2Al2O4	Bubuk	Basa	6,0 – 7,8
Polyaluminium Chloride, PAC	Aln(OH)mCl3n-m	Cairan, bubuk	Asam	6,0 – 7,8
Ferri sulfat	Fe2(SO4)3.9H2O	Kristal halus	Asam	4 – 9
Ferri klorida	FeCl3.6H2O	Bongkah, cairan	Asam	4 – 9
Ferro sulfat	FeSO4.7H2O	Kristal halus	Asam	> 8,5

Zat Koagulan terhidrolisa yang paling umum digunakan dalam proses pengolahan air minum adalah garam besi (ion Fe³⁺ ) atau Aluminium (ion Al³⁺ ) yang terdapat didalam bentuk yang berbeda-beda seperti tercantum di atas dan bentuk lainnya seperti :

1.             AlCl₃

2.             Aluminium klorida dan sulfat yang bersifat basa/alkalis

3.             Senyawa kompleks dari zat-zat tersebut diatas.

Alum/Tawas

Tawas/Alum adalah sejenis koagulan dengan rumus kimia Al₂S0₄ 11 H₂O atau 14 H₂O atau 18 H₂O umumnya yang digunakan adalah 18 H₂O. Semakin banyak ikatan molekul hidrat maka semakin banyak ion lawan yang nantinya akan ditangkap akan tetapi umumnya tidak stabil. Pada pH < 7 terbentuk Al ( OH )²⁺, Al ( OH )₂ ⁴⁺,  Al₂ ( OH )₂ ⁴⁺. Pada pH > 7 terbentuk Al ( OH )^-4. Flok –flok Al ( OH )₃ mengendap berwarna putih.

Gugus utama dalam proses koagulasi adalah senyawa aluminat yang optimum pada pH netral. Apabila pH tinggi atau boleh dikatakan kekurangan dosis maka air akan nampak seperti air baku karena gugus aluminat tidak terbentuk secara sempurna. Akan tetapi apabila pH rendah atau boleh dikata kelebihan dosis maka air akan tampak keputih – putihan karena terlalu banyak konsentrasi alum yang cenderung berwarna putih. Dalam cartesian terbentuk hubungan parabola terbuka, sehingga memerlukan dosis yang tepat dalam proses penjernihan air.  Reaksi alum dalam larutan dapat dituliskan.:

   Al₂S0₄ +  6 H₂O   —–à  Al ( OH )₃ + 6 H⁺ + SO₄^2-

Reaksi ini menyebabkan pembebasan ion H⁺ dengan kadar yang tinggi ditambah oleh adanya ion alumunium. Ion Alumunium bersifat amfoter sehingga bergantung pada suasana lingkungan yang mempengaruhinya. Karena suasananya asam maka alumunium akan juga bersifat asam sehingga pH larutan menjadi turun.

Jika zat-zat ini dilarutkan dalam air, akan terjadi disosiasi garam menjadi kation logam dan anion. Ion logam akan menjadi lapisan dalam larutan dengan konsentrasi lebih rendah dari pada molekul air, hal ini disebabkan oleh muatan posistif yang kuat pada permukaan ion logam (hidratasi) dengan membentuk molekul heksaquo (yaitu 6 molekul air yang digabung berdekatan) atau disebut dengan logam (H₂O)₆³⁺ , seperti [Al.(H₂O)₆]³⁺ .

Ion seperti ini hanya stabil pada media yang sedikit asam , untuk aluminium pada pH < 4, untuk Fe pada pH < 2.

Jika pH meningkat ada proton yang akan lepas dari ion logam yang terikat tadi dan bereaksi sebagai asam.

Sebelum digunakan satu hal yang harus disiapkan yaitu larutan koagulan. Di dalam larutan, koagulan harus lebih efektif, bila berada pada bentuk trivalen     (valensi 3) seperti Fe³⁺ atau Al³⁺, menghasilkan pH < 1,5. Bila larutan alum ditambahkan ke dalam air yang akan diolah terjadi reaksi sebagai berikut :

Reaksi hidrolisa : Al³⁺ + 3H₂O → Al(OH)₃ + 3H⁺   ….1)

Jika alkalinitas dalam air cukup, maka terjadi reaksi :

Jika ada CO₃²⁻ : CO₃²⁻ + H⁺ → HCO₃⁻ + H₂O ………..2)

Atau dengan HCO₃⁻ : HCO₃⁻ + H⁺ → CO₂ + H₂O ……3)

Dari reaksi di atas menyebabkan pH air turun.

Kelarutan Al(OH)₃ sangant rendah, jadi pengendapan akan terjadi dalam bentuk flok. Bentuk endapan lainnya adalah Al₂O₃. nH₂O seperti ditunjukkan reaksi :

2Al³⁺ + (n+3)H₂O → Al₂O₃.nH₂O + 6H⁺

Ion H⁺ bereaksi dengan alkalinitas.

Reaksi-reaksi hidrolisa yang tercantum di atas merupakan persamaan reaksi hidrolisa secara keseluruhan. Reaksi 1) biasanya digunakan untuk menghitung perubahan alkalinitas dan pH.

Pada kenyataannya ion Al³⁺ dalam larutan koagulan terhidrasi dan akan berlangsung dengan ketergantungan kepada pH hidrolisa. Senyawa yang terbentuk bermuatan positip dan dapat berinteraksi dengan zat kotoran seperti koloid.

[Al(H₂O)₆]³⁺     —à  [Al(H₂O)₅OH]²⁺ + H⁺

[Al(H₂O)₅OH]²⁺      —à   [Al(H2O)₄(OH)₂]⁺ + H⁺

[Al(H₂O)₄(OH)₂]⁺   —à    [Al(H₂O)₃(OH)₃] + H⁺ endapan

[Al(H₂O)₃(OH)₃]    —à   [Al(H₂O)₂(OH)₄]⁻ + H⁺ terlarut

Tahap pertama terbentuk senyawa dengan 5 molekul air dan 1 gugus hidroksil yang muatan total akan turun dari 3+ menjadi 2+ misalnya : [Al(H₂O)₅OH]²⁺.

Jika pH naik terus sampai mencapai ±5 maka akan terjadi reaksi tahap kedua dengan senyawa yang mempunyai 4 molekul air dan 2 gugus hidroksil. Larutan dengan pH >6 (dipengaruhi oleh Ca²⁺) akan terbentuk senyawa logam netral (OH)₃ yang tidak bisa larut dan mempunyai volume yang besar dan bisa diendapkan sebagai flok (di IPA).

Jika alkalinitas cukup ion H+ yang terbentuk akan terlepas dan endapan [Al(H₂O)₃(OH)₃] atau hanya Al(OH)₃ yang terbentuk. Pada pH lebih besar dari 7,8 ion aluminat [Al(H₂O)₂(OH)₄]⁻ atau hanya Al(OH)₄]⁻ yang terbentuk yang bermuatan negatip dan larut dalam air. Untuk menghindari terbentuknya senyawa aluminium terlarut, maka jangan dilakukan koagulasi dengan senyawa aluminium pada nilai pH lebih besar dari 7,8.

Polimerisasi senyawa aluminium hidroksil berlangsung dengan menghasilkan kompleks yang mengandung ion Al yang berbeda berikatan dengan ion lainnya oleh grup OH⁻. Contoh :

OH [(H₂O)₄ Al Al(H₂O)₄]⁴⁺ atau Al₂(OH)₂⁴⁺

OH Polinuklir Al kompleks diajukan untuk diadakan, seperti :

[Al₇(OH)₁₇]⁴⁺ ; [Al₈(OH)₂₀]⁴⁺ ; [Al₁₃(OH)₃₄]⁵⁺

Selama koagulasi pengaruh pH air terhadap ion H⁺ dan OH⁻ adalah penting untuk menentukan muatan hasil hidrolisa. Komposisi kimia air juga penting, karena ion divalen seperti SO₄²⁻ dan HPO₄²⁻ dapat diganti dengan ion-ion OH⁻ dalam kompleks oleh karena itu dapat berpengaruh terhadap sifat-sifat endapan.

Presipitasi dari hidroksida menjamin adanya ion logam yang bisa dipisahkan dari air karena koefisien kelarutan hidroksida sangat kecil. Senyawa yang terbentuk pada pH antara 4 – 6 dan yang terhidrolisa, dapat dimanfaatkan untuk polimerisasi dan kondensasi (bersifat membentuk senyawa dengan atom logam lain) misalnya Al₆(OH)₁₅³⁺.

Aluminium sering membentuk komplek 6 s/d 8 dibandingkan dengan ion Fe (III) yang membentuk suatu rantai polimer yang panjang. Senyawa itu disebut dengan cationic polynuclier metal hydroxo complex dan sangat bersifat mengadsorpsi dipermukaan zat-zat padat. Bentuk hidrolisa yang akan terbentuk didalam air , sebagian besar tergantung pada pH awal, kapasitas dapar (buffer), suhu, maupun konsentrasi koagulan dan kondisi ionik (Ca²⁺ dan SO₄^2–) maupun juga dari kondisi pencampuran dan kondisi reaksi.

Senyawa Al yang lainnya adalah sodium aluminat, NaAlO₂ atau Na₂Al₂O₄. Kelebihan NaOH yang ditambahkan (rasio Na₂O/Al₂O₃ dalam Na₂Al₂O₄ adalah : 1,2 − 1,3/1) untuk menaikkan stabilitas sodium aluminat. Penambahan zat ini dalam bentuk larutan akan menghasilkan reaksi berikut :

AlO₂⁻ + 2H₂O → Al(OH)₄⁻

Al(OH)₄⁻ → Al(OH)3 + OH⁻

Reaksi kedua hanya mungkin bila asiditas dalam air cukup untuk menghilangkan ion OH⁻ yang terbentuk sehingga menyebabkan kenaikan pH.

CO₂ + OH⁻ → HCO₃⁻

HCO₃⁻ + OH⁻ → CO₃ ²⁻ + H₂O

Kadang-kadang bila air tidak mengandung alkalinitas, perpaduan antara sodium aluminat dan alum digunakan untuk menghindari perubahan pH yang besar dan untuk membuat pH relatif konstan.

2Al³⁺ + 3SO₄²⁻ + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3SO²⁻ + 6H⁺

6AlO₂ + 6Na⁺ + 12H₂O → 6Al(OH)₃ + 6Na⁺ + 6OH⁻

_________________________________________________________

             2Al³⁺ + 3SO₄²⁻ + 6Na⁺ + 6AlO₂⁻ + 12H₂O → 8Al(OH)₃ + 6Na⁺+3SO₄²⁻

Pada prakteknya satu hal dipertimbangkan memberikan kelebihan asam dari larutan alum (pH 1,5) yang ditambahkan dan yang lainnya kelebihan NaOH di dalam sodium aluminat (untuk stabilitas).

Pada kekeruhan yang disebabkan tanah liat sangat baik dihilangkan dengan batas pH antara 6,0 sampai dengan 7,8; penghilangan warna umumnya dilakukan pada pH yang sedikit asam, lebih kecil dari 6, bahkan di beberapa daerah harus lebih kecil dari 5. Dari beberapa penelitian (untuk air gambut dari daerah Riau), efisiensi penghilangan warna akan baik bila pH lebih kecil dari 6 untuk setiap dosis koagulan alum sulfat yang digunakan. Walaupun demikian efisiensi penghilangan warna masih tetap tinggi dihasilkan pada koagulasi dengan pH sampai 7, tetapi dengan dosis alum sulfat yang lebih tinggi (sampai 100 mg/l), tetapi bila dosis alum sulfat lebih kecil (60 mg/l) pada pH yang sama (sampai dengan 7), terjadi penurunan efisiensi penghilangan warna secara drastis (sampai dengan 10 %).

Air setelah diolah dengan koagulasi – flokulasi untuk menghilangkan warna, pH harus ditetapkan diatas 6,5 (kurang dari 7,8) sebelum air disaring, karena pada pH tersebut bentuk aluminium tidak larut, jadi residu Al³⁺ terlarut didalam air dapat dihilangkan/dikurangi, pada pH > 7,8 bentuk Al adalah Al terlarut yaitu ion aluminat, [Al(H₂O)₂(OH)₄]^– Untuk hal ini dilakukan penambahan kapur sebelum proses filtrasi, dan biarkan aluminium berubah bentuk menjadi bentuk tidak larut/endapan supaya dapat dihilangkan dengan penyaringan.Dengan cara ini residu Al³⁺ dapat ditekan sampai tingkat yang diijinkan. Setelah itu baru boleh dilakukan penambahan kembali kapur atau soda abu untuk proses Stabilisasi dengan harapan tidak akan terjadi perubahan alum terlarut menjadi alum endapan. Bila cara diatas tidak dilakukan, kemungkinan akan terjadi pengendapan alum di reservoir atau pada jaringan pipa distribusi, akibat penambahan kapur atau soda abu untuk proses stabilisasi dilakukan setelah air keluar dari filter, seperti halnya yang dilakukan pada pengolahan air yang biasa ( tidak berwarna ).

Proses koagulasi dengan koagulan lain seperti halnya garam Fe (III) yang mempunyai rentang pH lebih besar (4–9) dan penggunaan koagulan Polyaluminium chloride (PAC), tanpa penetapan pH pun proses koagulasi – flokulasi tetap dapat berlangsung, tetapi pembentukan flok tidak optimum, hanya flok-flok halus yang terbentuk, sehingga beban filter akan bertambah.

Jika kehadiran alkalinitas didalam air cukup, pada koagulasi dengan koagulan garam Al ion H⁺ yang terbentuk akan diambil dan terbentuk endapan [Al(H₂O)₃(OH)₃] atau hanya Al(OH)_3, dimana bentuk ini bermanfaat pada pertumbuhan flok ( mekanisme adsorpsi ). Adanya alkalinitas didalam air jika pH air > 4,5. Jadi jika pH air baku < 4,5 perlu penambahan bahan alkali (kapur atau soda abu).

PAC ( Poly Aluminium Chloride )

Senyawa Al yang lain yang penting untuk koagulasi adalah Polyaluminium chloride (PAC), Al_n(OH)_mCl_3n-m.

Ada beberapa cara yang sudah dipatenkan untuk membuat polyaluminium chloride yang dapat dihasilkan dari hidrolisa parsial dari aluminium klorida, seperti ditunjukkan reaksi berikut :

n AlCl₃ + m OH⁻ . m Na⁺ → Al _n (OH) _m Cl _3n-m + m Na⁺ + m Cl⁻

Senyawa ini dibuat dengan berbagai cara menghasilkan larutan PAC yang agak stabil.

PAC adalah suatu persenyawaan anorganik komplek, ion hidroksil serta ion alumunium bertarap klorinasi yang berlainan sebagai pembentuk polynuclear mempunyai rumus umum Al_m(OH)_nCl_(3m-n).  Beberapa keunggulan yang dimiliki PAC dibanding koagulan lainnya adalah :

1.             PAC dapat bekerja di tingkat pH yang lebih luas, dengan demikian tidak diperlukan pengoreksian terhadap pH, terkecuali bagi air tertentu.

2.             Kandungan belerang dengan dosis cukup akan mengoksidasi senyawa karboksilat rantai siklik membentuk alifatik dan gugusan rantai hidrokarbon yang lebih pendek dan sederhana sehingga mudah untuk diikat membentuk flok.

3.             Kadar khlorida yang optimal dalam fasa cair yang bermuatan negatif akan cepat bereaksi dan merusak ikatan zat organik terutama ikatan karbon nitrogen yang umumnya dalam truktur ekuatik membentuk suatau makromolekul terutama gugusan protein, amina, amida dan penyusun minyak dan lipida.

4.             PAC tidak menjadi keruh bila pemakaiannya berlebihan, sedangkan koagulan yang lain (seperti alumunium sulfat, besi klorida dan fero sulfat) bila dosis berlebihan bagi air yang mempunyai kekeruhan yang rendah akan bertambah keruh. Jika digambarkan dengan suatu grafik untuk PAC adalah membentuk garis linier artinya jika dosis berlebih maka akan didapatkan hasil kekeruhan yang relatif sama dengan dosis optimum sehingga penghematan bahan kimia dapat dilakukan. Sedangkan untuk koagulan selain PAC memberikan grafik parabola terbuka artinya jika kelebihan atau kekurangan dosis akan menaikkan kekeruhan hasil akhir, hal ini perlu ketepatan dosis.

5.             PAC mengandung suatu polimer khusus dengan struktur polielektrolite yang dapat mengurangi atau tidak perlu sama sekali dalam pemakaian bahan pembantu, ini berarti disamping penyederhanaan juga penghematan untuk penjernihan air.

6.             Kandungan basa yang cukup akan menambah gugus hidroksil dalam air sehingga penurunan pH tidak terlalu ekstrim sehingga penghematan dalam penggunaan bahan untuk netralisasi dapat dilakukan.

7.             PAC lebih cepat membentuk flok daripada koagulan biasa ini diakibatkan dari gugus aktif aluminat yang bekerja efektif dalam mengikat koloid yang ikatan ini diperkuat dengan rantai polimer dari gugus polielektrolite sehingga gumpalan floknya menjadi lebih padat, penambahan gugus hidroksil kedalam rantai koloid yang hidrofobik akan menambah berat molekul, dengan demikian walaupun ukuran kolam pengendapan lebih kecil atau terjadi over-load  bagi instalasi yang ada, kapasitas produksi relatif tidak terpengaruh.

Senyawa Besi

Untuk senyawa besi, tipe hidrolisa yang sama dapat berlangsung seperti :

Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃ + 3H⁺

Reaksi di atas dilanjutkan dengan reaksi H⁺ dengan alkalinitas seperti ditunjukkan oleh reaksi 2) dan 3). Terdapat pula ion ferri hidrat seperti : [Fe(H₂O)₆]³⁺ dengan persamaan reaksi yang sama dengan hidrolisa [Al(H₂O)₆]³⁺.

Pembentukan [Fe(H₂O)₂(OH)₄]⁻ atau Fe(OH)₄⁻ hanya terjadi pada pH tinggi, tetapi tidak biasa ditemui pada pengolahan secara konvensional, jadi batas pH untuk koagulasi dengan Fe³⁺ lebih besar dari pada untuk Al³⁺, sebagai contoh pH 9 untuk koagulasi dengan Fe³⁺ dan 7,8 untuk Al³⁺.

Senyawa besi mempunyai tendensi membentuk jenis polinuklir yang lebih kecil dibandingkan dengan aluminium.

Dosis kagulan yang diperlukan tergantung pada :

1.             Konsentrasi warna.

2.             Zeta potential (pengukuran mobilitas elektroforesa) juga merupakan faktor penting untuk menghilangkan warna secara efektif. Hal ini erat hubungannya dengan sisa konsentrasi warna. Pada pH yang optimum, sisa warna berkurang secara proporsional dengan penambahan dosis koagulan.

3.             Jenis koagulan → koagulan yang dapat digunakan untuk menghilangkan warna adalah :

-   Garam aluminium : Alum sulfat/tawas, Al₂(SO₄)_3.xH₂O, Polyaluminium chloride, PAC (PACl), Al_n(OH)_mCl_3n-m

-   Garam besi (III) : Ferri sulfat, Fe₂(SO₄)₃.xH₂O, Ferri klorida, FeCl₃.

Semakin tinggi dosis koagulan yang digunakan akan menghasilkan efisiensi penghilangan warna yang lebih besar pula, akan tetapi residu koagulan akan semakin besar.

Pada kasus pembentukan flok yang lemah dengan menggunakan dosis tawas optimum untuk menghilangkan warna, polialumunium klorida (PAC) dapat digunakan sebagai koagulan pilihan selain tawas. Koagulasi dengan poli alumunium klorida dapat dengan mudah memproduksi flok yang kuat dalam air dengan jangkauan dosis yang lebih kecil dan rentang pH yang lebih besar, tanpa mempertimbangkan kehadiran alkalinitas yang cukup.

Posted in: Materi Kimia SMA XI