Teknologi pengolahan air

Teknologi pengolahan air

Air merupakan kebutuhan dasar yang sangat penting bagi kehidupan manusia dan makhluk hidup lainnya. Tidak semua daerah memiliki sumber air yang baik. Wilayah pesisir pantai dan pulau-pulau kecil di muara sungai atau di tengah lautan lepas merupakan daerah yang sangat miskin dengan air bersih sehingga timbul masalah pemenuhan kebutuhan air bersih terutama pada musim kemarau panjang. Untuk mengatasi masalah pemenuhan kebutuhan air bersih tersebut diperlukan penerapan teknologi pengolahan air yang sesuai dengan kondisi sumber air baku, kondisi sosial budaya, ekonomi, dan SDM masyarakat setempat. Berikut beberapa prinsip pengolahan air meliputi:

1. Teknologi Membran
 Mikrofiltrasi
 Ultrafiltrasi
 Nanofiltrasi
 Reverse Osmosis
2. Pertukaran Ion
 Softening
 Deionisasi
3. Adsorpsi Karbón Aktif
4. Destilasi

Teknologi Membran

Teknik pemisahan dengan membran umumnya berdasarkan ukuran partikel dan berat molekul. Teknologi membran memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan proses lain yaitu, pemisahan dapat dilakukan secara kontinu, konsumsi energi umumnya relatif lebih rendah, proses membran dapat digabungkan dengan proses pemisahan lainnya (hybrid processing), pemisahan dapat dilakukan dalam kondisi yang mudah diciptakan. Berikut jenis-jenis proses pemisahan dengan membran:

A Mikrofiltrasi (MF)

Mikrofiltrasi merupakan pemisahan partikel berukuran mikron atau semimikron. Membran mikrofiltrasi berukuran 0.1-1.0 mikron. Bentuknya lazim berupa cartridge gunanya untuk menghilangkan partikel dari air yang berukuran 0.04-100 mikron, asalkan kandungan total padatan terlarut tidak melebihi 100 ppm. Filtrasi cartridge merupakan filtrasi mutlak, artinya partikel padat akan tertahan, terkadang cartridge yang berbentuk silinder itu dapat dibersihkan. Cartridge tersebut diletakkan dalam wadah tertentu (housing). Bahan cartridge beragam diantaranya berasal dari katun, wool, rayon, selulosa, fiberglass, polipropilena, akrilik, nilon, asbes, ester-ester selulosa, serta polimer hidrokarbon terfluorinasi. Gambar 1 menunjukkan proses filtrasi pada membran mikrofiltrasi.

Gambar 1 Proses Filtrasi pada Membran Mikrofiltrasi

Keuntungan mikrofiltrasi diantaranya mampu menghilangkan semua partikel dan mikroorganisme yang lebih besar dari ukuran pori, dan perawatan yang dibutuhkan minimal. Sementara kerugiannya tidak mampu menghilangkan senyawa anorganik terlarut, senyawa kimia, pirogen, dan semua koloid. Selain itu mikrofiltrasi tidak dapat diregenerasi. Mikrofiltrasi tidak berbeda secara fundamental dengan reverse osmosis, ultrafiltrasi ataupun nanofiltrasi kecuali dalam hal ukuran partikel yang dihilangkannya.

B Ultrafiltrasi (UF)

Membran ultrafiltrasi adalah teknik pemisahan dengan menggunakan membran untuk menghilangkan zat terlarut dengan bobot molekul (BM) tinggi, aneka koloid, mikroba sampai padatan tersuspensi dari air lautan. Membran semipermeabel dipakai untuk memisahkan makromolekul dari larutan. Proses pemisahan menggunakan membran ultrafiltrasi biasanya digunakan di bidang industri dan penelitian untuk penjernihan air karena ukuran yang dapat diolah adalah air pekat yang mengandung makromolekul yang memiliki berat atom sekitar 103-106 Da (1 Da = 0,000714 gram). Pengolahan menggunakan ultrafiltrasi pada umumnya menggunakan membran berukuran 0.001 mikron – 0.01 mikron. Dalam teknologi pemurnian air, membran ultrafiltrasi dengan BM membran 1000-20000 lazim untuk penghilangan pirogen, sedangkan BM membran 80000-100000 untuk penghilangan koloid. Pirogen dengan BM 10000-20000 terkadang dapat dipisahkan dengan membran 80000 karena adanya membran dinamis. Tekanan sistem ultrafiltrasi biasanya rendah 10-100 psi (70-700 kPa) maka dapat menggunakan pompa sentrifugal biasa. Membran UF sehubungan dengan pemurnian air dipergunakan untuk menghilangkan koloid (penyebab fouling), mikroba, pirogen, dan partikel modul higienis.

Membran ultrafiltrasi dibuat dengan mencetak membran selulosa asetat (SA) sebagai lembaran tipis. Membran selulosa asetat mempunyai sifat pemisahan namun sayangnya dapat dirusak oleh bakteri dan zat kimia serta rentan terhadap pH. Adapula membran dari polimer polisulfon, akrilik, polikarbonat, PVC, poliamida, poliviniliden fluorida, kopolimer AN-VC, poliasetal, poliakrilat, kompleks polielektrolit, dan PVA ikat silang. Selain itu, membran dapat dibuat dari keramik, aluminium oksida, zirkonium oksida, dsb.

Membran ultrafiltrasi berfungsi sebagai saringan molekul. Ultrafiltrasi memisahkan molekul terlarut berdasarkan ukuran dengan melewatkan larutan tersebut pada filter. Ultrafiltrasi merupakan membran permeabel kasar, tipis, dan selektif yang mampu menahan makromolekul seperti koloid, mikroorganisme, dan pirogen. Molekul yang lebih kecil seperti pelarut dan kontaminan terionisasi dapat melewati membran UF sebagai filtrat. Keuntungan ultrafiltrasi secara efektif mampu menghilangkan sebagian besar partikel, pirogen, mikroorganisme, dan koloid dengan ukuran tertentu. Selain itu, mampu menghasilkan air kualitas tinggi dengan hanya sedikit energi. Berikut proses filtrasi pada proses ultrafiltrasi.

Gambar 2 Proses Filtrasi pada Membran Ultrafiltrasi

C Nanofiltrasi (NF)

Nanofiltrasi adalah proses pemisahan jika ultrafiltrasi dan mikrofiltrasi tidak dapat mengolah air seperti yang diharapkan. Nanofiltrasi dapat menghasilkan proses pemisahan yang sangat terjangkau secara ekonomis namun belum dapat mengolah mineral terlarut, warna dan salinasi air sehingga air hasil olahan (permeate) masih mungkin mengandung ion monovalen dan larutan dengan pencemar yang memiliki berat molekul rendah seperti alkohol. Pengolahan menggunakan nanofiltrasi umumnya menggunakan membran berukuran 0.0001–0.001 mikron.

Proses nanofiltrasi merejeksi kesadahan, menghilangkan bakteri dan virus, menghilangkan warna yang disebabkan oleh senyawa organik tanpa menghasilkan zat kimia berbahaya seperti hidrokarbon terklorinasi. Nanofiltrasi cocok bagi air dengan total padatan terlarut yang rendah, dilunakkan dan dihilangkan senyawa organiknya. Formulasi dasarnya mirip reverse osmosis tetapi mekanisme operasionalnya mirip ultrafiltrasi. Jadi, nanofiltrasi merupakan gabungan antara reverse osmosis dan ultrafiltrasi.

D Reverse Osmosis (RO)

Reverse osmosis adalah proses pengolahan yang membutuhkan tekanan relatif tinggi, walaupun pada beberapa kasus dapat digunakan dalam tekanan rendah, hemat energi, menghasilkan air olahan yang dapat menyaring zat dengan molekul terkecil sekalipun yang tidak dapat diolah oleh proses mikrofiltrasi, ultrafiltrasi dan nanofiltrasi. Reverse osmosis didasarkan pada prinsip osmosis. Dalam osmosis, membran semipermeabel memisahkan dua larutan dengan jumlah kandungan zat terlarut yang berbeda, dengan kata lain kedua larutan tersebut memiliki konsentrasi yang berbeda. Membran semipermeabel melewatkan air dan senyawa lain berbobot molekul rendah dan menahan senyawa dengan bobot molekul tinggi seperti senyawa-senyawa organik dan kompleks logam. Adanya tekanan menyebabkan air melewati membran dari larutan konsentrasi rendah (encer) ke larutan dengan konsentrasi yang lebih tinggi (pekat) seperti terlihat pada Gambar 3, tekanan tersebut dinamakan tekanan osmosis.

Gambar 3 Peristiwa Osmosis

Air memiliki kecenderungan untuk bergerak dari konsentrasi rendah ke tinggi sampai diperoleh konsentrasi yang sama, hal ini diilustrasikan pada Gambar 4.

Gambar 4 Hasil Akhir Peristiwa Osmosis

Dalam reverse osmosis (RO), tekanan diberikan pada larutan yang lebih pekat, besarnya tekanan tergantung perbedaan konsentrasi antara kedua larutan, tekanan tersebut harus dapat melampaui tekanan osmosis (Gambar 5).

Gambar 5 Peristiwa Reverse Osmosis

Air yang telah ditreatment dengan RO mampu menghasilkan 10-35 galon per hari. Jumlah tersebut tergantung pada beberapa faktor, diantaranya tipe dan kondisi membran, kondisi operasi (seperti laju alir dan tekanan) dan kualitas air baku (seperti konsentrasi kontaminan, suhu, dan pH). Hasil pengukuran RO dapat dinyatakan sebagai % Recovery dan % Rejeksi. Persen recovery menunjukkan bagian air yang melewati RO dan keluar sebagai air bersih (air yang telah ditreatment), sedangkan persen rejeksi menunjukkan bagian air yang melewati RO dan keluar sebagai air buangan (wastewater).

% Recovery = (Volume air setelah treatment/Volume total air baku) x 100

Sistem RO dalam rumah tangga didesain dengan menghasilkan % Recovery 20-30%, hal ini berarti 100 galon/hari air baku dapat menghasilkan 20-30 galon/hari air yang telah ditreatment dan 80 galon/hari air buangan (wastewater). Apabila laju alir wastewater lambat, kemungkinan % Recovery tinggi, demikian pula sebaliknya. Persen rejeksi menyatakan persentase kontaminan yang tidak melewati membran. Persen rejeksi dapat menunjukkan kualitas air yang dihasilkan, misalnya air baku mengandung nitrat 40 mg/l dengan % Rejeksi 85%, hal ini berarti terdapat 0.85 x 40 = 34 mg/l nitrat dalam wastewater dan meninggalkan hanya 6 mg/l nitrat dalam air hasil treatment.

Komponen unit RO (Gambar 6) terdiri atas strainer, pompa booster, filter cartridge, dan membran RO. Strainer berfungsi untuk menghilangkan padatan terlarut berukuran besar dari air baku, hal ini bertujuan untuk melindungi pompa booster. Pompa booster berfungsi untuk meningkatkan tekanan dari air baku, tekanannya berkisar antara 150-800 psi. filter Cartridge digunakan untuk menghilangkan partikel-partikel dari air baku yang dapat mengotori unit RO, ukuran pori filter berkisar antara 1-5 mikron. Material membran yang umum digunakan adalah poliamida aromatik, selulosa asetat (SA), polieteramida, polieteramina, polieterurea, polifelilena oksida, polifenilena bibenzimidazol. Membran PA digunakan pada tipe bentuk spiral membentuk komposit film tipis atau poliamida thin-film composit (TFC). TFC lebih mahal, serta memiliki kekuatan dan durabilitas (daya tahan) yang lebih baik dibandingkan SA. Selain itu, TFC memiliki % Rejeksi yang tinggi terhadap TDS, tahan terhadap serangan mikroba, dan toleran terhadap pH tinggi. TFC dapat digunakan pada kisaran pH 2-11 dengan toleransi suhu 160°F dibandingkan dengan membran material tunggal (single-material membrane). Sementara itu, SA lebih murah dan toleran terhadap klorin, biasanya digunakan sebagai desinfektan dalam air minum. Membran SA memiliki kisaran pH 2.5-7 dengan toleransi suhu yang lebih rendah 85°F, membran tersebut bersifat biodegradabel Setiap membran terdiri atas membran film tipis yang terikat pada lapisan material-material pori yang mendukung dan menguatkan membran. Membran tipe lain adalah polisulfon sulfonat (SPS), SPS toleran terhadap klorin dan pH tinggi, lebih mahal dibandingkan SA tetapi kurang efektif jika dibandingkan dengan TFC. SPS dapat digunakan ketika air baku licin dan memiliki pH tinggi. Tipe membran RO bergantung pada karakteristik air baku.

Sebelum mesuk unit RO, air baku melewati pretreatment, diantaranya:
• Pengaturan pH: Apabila pH air baku berada di luar kisaran pH membran
• Pemisahan minyak dan lemak: Digunakan untuk air baku yang mengandung minyak atau lemak.
• Desinfektan: Air baku sebaiknya ditambahkan desinfektan untuk mencegah bakteri dari kerusakan dan pengotoran membran. UV biasanya digunakan untuk menghilangkan klorin.
• Pengaturan suhu: Apabila suhu air baku lebih besar dibandingkan suhu membran, heat exchanger atau alat lain dapat digunakan untuk mendinginkan air baku dan mencegah kerusakan membran.

Gambar 6 Komponen Unit RO

Sistem RO sangat baik digunakan untuk air yang memiliki kontaminan anorganik terlarut, terutama air yang mengandung nitrat yang berasal dari limbah pertanian. Beberapa kontaminan yang dapat dihilangkan oleh filter membran RO terdapat pada Tabel 1.

Tabel 1 Jenis kontaminan yang dapat dihilangkan dengan unit RO

Ion dan LogamArsen, Aluminium, Barium, Kadmium, Kalsium, Klorida, Kromium, Tembaga, Fluorida, Besi, Timbal, Magnesium, Mangan, Merkuri, Nitrat, Kalium, Radium, Selenium, Perak, Natrium, Sulfat, Besi.Partikel-partikelAsbestos, Protozoa, CryptosporidiumPestisidaEndrin, Heptaklor, Lindan, Pentaklorofenol

Beberapa kontaminan yang tidak dapat dihilangkan dengan filter RO yaitu, gas terlarut seperti hidrogen sulfida, beberapa pestisida tertentu, pelarut, dan senyawa organik volatil (VOCs). Efisiensi membran RO dalam menghilangkan kontaminan tergantung konsentrasi kontaminan, sifat-sifat kimia kontaminan, tipe dan kondisi membran, serta kondisi operasi. Setiap metode memiliki keterbatasan dalam menghilangkan kontaminan, tidak ada metode yang dapat menghilangkan semua kontaminan, dibutuhkan kombinasi antara dua metode treatment air sehingga diperoleh air yang bersih bebas segala kontaminan. Biasanya unit RO dikombinasikan dengan karbon aktif.

Berdasarkan uraian diatas, sistem RO memiliki keuntungan diantaranya mampu menghilangkan senyawa-senyawa anorganik maupun senyawa-senyawa organik yang terdapat dalam air, mampu menghilangkan parasit dan mikroorganisme seperti virus, mampu menghasilkan air lebih murni dibandingkan dengan sistem destilasi dengan harga yang lebih murah. Selain itu, sistem RO tidak membutuhkan aliran listrik hanya membutuhkan tekanan tinggi untuk dapat beroperasi.

Sistem RO juga memiliki beberapa kerugian diantaranya output air yang dihasilkan setelah treatment lebih sedikit, tidak mampu menghilangkan beberapa pestisida tertentu, pelarut, dan senyawa-senyawa organik volatil (VOCs) sehingga harus dilengkapi dengan filter post karbon untuk menghilangkan kontaminan tersebut, pada saat tidak diberikan tekanan, sistem RO tidak dapat beroperasi, RO memerlukan perawatan yang intensif untuk membran prefilter dan postfilter serta tanki penyimpanan harus dikontrol secara periodik Selain itu, pada sistem RO kerusakan membran sulit dideteksi.

Pertukaran Ion

Ion merupakan atom atau molekul yang bermuatan, dapat bermuatan positif maupun negatif. Secara umum metode pertukaran ion terdiri atas softening dan deionisasi. Softening utamanya digunakan sebagai metode pretreatment untuk mereduksi air sadah sebelum memasuki proses reverse osmosis (RO).

A Softening

Air tanah melarutkan bebatuan dan melepaskan mineral-mineral salah satunya ion kalsium dan magnesium. Keberadaan kalsium dan magnesium ini dapat menyebabkan air bersifat sadah atau lebih dikenal dengan istilah hardwater. Mineral-mineral tersebut dapat menurunkan kualitas air, terlihat dari sifat fisiknya yang nampak keruh dan berbau. Kalsium dan magnesium terdapat dalam bentuk CaCO3 dan MgCO3, kedua garam tersebut dapat dihilangkan dengan pemanasan namun membutuhkan energi yang besar. Agen pembersih yang biasa digunakan untuk mencuci pakaian pun tidak mampu menghilangkan kotoran dan kuman apabila menggunakan air sadah, bahkan membuat pakaian menjadi kusam. Selain itu, mineral-mineral tersebut dapat meninggalkan kerak putih pada kamar mandi.

Kesadahan air atau water hardness dapat dihilangkan dengan metode pertukaran ion.. Water hardness dapat dinyatakan dalam grain per gallon (gpg) dan part per million (ppm) atau miligram per liter (mg/L). 1 gpg sama dengan 17 ppm(mg/L). Tabel 2 menunjukkan tingkat kesadahan air.

Tabel 2 Klasifikasi kesadahan air (sebagai CaCO3)

Tingkat Kesadahan	ppm atau mg/L	grain/galon (gpg)
Tidak sadah	0-17	0-1
Sedikit sadah	17-60	1-3.5
Cukup sadah	60-120	3.5-7
Sadah	120-180	7-10.5
Sangat sadah	>180	>10.5

Pertukaran ion mampu menghilangkan ion Ca dan Mg penyebab kesadahan air dan menggantinya dengan ion yang tidak menyebabkan kesadahan seperti ion Na. Na dapat diperoleh dari garam NaCl. Untuk mengatasi kesadahan (hardness) dapat digunakan suatu softener yang mengandung resin pertukaran mikropori, biasanya berupa polistirena sulfonat yang sangat jenuh dengan Na, menutupi seluruh permukaan resin. Resin menukar dua ion Na+ untuk setiap ion Ca2+ atau Mg2+ yang akan dihilangkan. Air akan melewati resin ini, ion Ca dan Mg yang berasal dari air sadah menyerang resin dan menggantikan posisi ion Na dalam resin sehingga resin melepaskan ion Na ke dalam air. Proses tersebut merupakan proses softening air sadah seperti terlihat pada Gambar 7.

Setelah proses softening dalam jumlah besar, resin menjadi jenuh dengan ion Ca dan Mg sehingga resin harus diregenerasi (Gambar 7). Resin yang telah jenuh ditambahkan larutan pencuci yang mengandung ion Na (brine solution) sehingga ion Na akan menggantikan kembali posisi ion Ca dan Mg dalam resin, ion Ca dan Mg keluar sebagai wastewater. Secara garis besar dalam proses softening maupun regenerasi terjadi reaksi sebagai berikut:

Proses softening: Na-Resin + Ca2+/Mg2+  Ca-Resin/Mg-Resin + Na+
Proses regenerasi: NaCl + Ca-Resin/Mg-Resin  Na-Resin + Ca2=/Mg2+

Gambar 7 Proses Softening dan Regenerasi (Recharge)

Frekuensi untuk regenerasi resin tergantung tingkat kesadahan air, jumlah air yang digunakan, ukuran softener, serta kapasitas resin. Waktu regenerasi sekitar 60-120 menit. Pada proses softening, Na yang ditambahkan ke dalam setiap galon air sadah 8 ppm. Setelah treatment, air dengan kesadahan 10 gpg akan memiliki kandungan Na sebesar 80 ppm. Hal ini berarti untuk setiap liter air (0.26 galon) yang masuk mengandung 80 mg Na.

Water softener diklasifikasikan ke dalam lima kategori, yaitu:
 Manual: Operator menutup dan membuka kran untuk mengontrol frekuensi, tingkat dan waktu regenerasi.
 Semi-automatic: Operator hanya mengawali siklus regeneasi, tombol ditekan saat softener perlu untuk diregenerasi, kemudian unit akan mengontrol dan melengkapi proses regenerasi.
 Automatic: Softener dilengkapi pengatur waktu yang secara otomatis akan mengawali siklus

regenerasi dan setiap tahapan dalam proses tersebut. Operator hanya perlu mengatur waktu dan menambahkan garam sesuai kebutuhan. Regenerasi umumnya dilakukan saat penggunaan air sedikit, yaitu sekitar jam 4 pagi atau tengah malam. Tipe softener ini paling polular digunakan.
 Demand Initiated Regeneration (DIR): Semua operasi diawali secara otomatis tergantung respon

penggunaan air dan permintaan akan proses softening. Sistem DIR secara umum mempunyai dua tanki softening dan satu tanki larutan pencuci (brine solution). Pada saat sedang berlangsung proses softening pada satu tanki, akan berlangsung proses regenerasi pada tanki lainnya.
 Off-site regeneration: Penggunaan tanki softening secara fisik diganti dengan tanki regenerasi.

Setelah proses softening kemudian diregenerasi di lokasi pusat.
Semua tipe softener harus diinstal secara tepat dan dimonitor untuk pengoperasian yang sesuai. Softener tipe automatic dan DIR membutuhkan lebih banyak garam. Jumlah garam yang ditambahkan tergantung jumlah individu setiap rumah, penggunaan air sehari-hari, kapasitas softener, dan tingkat kesadahan. Sementara ukuran softener tergantung tingkat kesadahan, penggunaan air sehari-hari, dan laju alir air. Berikut adalah tipe instalasi softener air (Gambar 8).

Gambar 8 Instalasi Softener Air

Selama proses softening natrium dilepaskan dari resin ke air yang akan digunakan sehingga kandungan natrium dalam air tinggi, penggunaan garam natrium dapat diganti dengan KCl untuk alasan kesehatan maupun kelestarian lingkungan. KCl memang lebih mahal namun aman bagi tubuh dibandingkan dengan NaCl. KCl relatif mahal karena KCl terikat lebih kuat pada resin sehingga mereduksi efisiensi proses softening dan KCl yang dibutuhkan lebih banyak.

Perawatan untuk softener tergantung tipe softener yang digunakan. Tanki larutan pencuci harus selalu diperiksa dan dibersihkan secara teratur. Frekuensi pembersihan bergantung pada tipe dan kemurnian garam yang digunakan dalam proses softening serta karakteristik air yang akan ditreatment. Proses backwash resin sangat penting untuk efisiensi regenerasi. Apabila proses backwash dilakukan semi-otomatis, backwash sebaiknya tetap dilanjutkan sampai diperoleh air yang benar-benar bersih. Apabila proses backwash dilakukan secara otomatis, atur waktu backwash cukup lama sehingga diperoleh air bersih. Kandungan besi > 5 ppm, mangan atau hidrogen sulfida yang cukup tinggi dalam air akan mereduksi efektivitas softener, apabila ini terjadi resin harus dibersihkan terlebih dahulu atau bahkan diganti.
Keuntungan purifikasi air dengan metode pertukaran ion melalui proses softening diantaranya dapat menghilangkan ion Ca2+ dan Mg2+ sehingga air lebih bersih dan lembut untuk pakaian, membuat mesin cuci dan alat rumah tangga lainnya tahan lama, deterjen ataupun sabun yang digunakan pun lebih sedikit. Adapun kerugian metode ini diantaranya air hasil softening tidak direkomendasikan untuk menyiram tanaman dan kebun karena kandungan natriumnya, dapat mereduksi efektivitas sistem septik dan selokan, beresiko terhadap kesehatan akibat pemasukan natrium yang tinggi ke dalam tubuh.

Masalah kesadahan air untuk keperluan mencuci dapat direduksi dengan menggunakan deterjen yang telah ditambahkan formula kimia softening. Beberapa senyawa kimia yang ditambahkan untuk mereduksi efek negatif dari air sadah meliputi Sal soda dan Calgon. Sal soda dikombinasikan dengan kalsium dan magnesium membentuk partikel padat, merupakan zat aditif pengendap, tidak bersih secara sempurna karena partikel padat kemungkinan melekat pada serat pakaian. Calgon dikombinasikan dengan kalsium dan magnesium membentuk senyawa dalam larutan, merupakan zat aditif bukan pengendap namun berakibat negatif pada lingkungan karena kandungan fosfat yang sangat tinggi.

B Deionisasi

Deionisasi merupakan suatu metode dimana aliran air akan melewati 2 material pertukaran ion dalam hal ini resin sehingga dapat menghilangkan semua kandungan garam. Deionisasi menukar baik ion H+ (kation) maupun ion OH- (anion). Resin penukar kation terbuat dari stirena dan divinil benzena yang mengandung gugus asam sulfonat yang akan menukarkan setiap ion H+ untuk berbagai kation seperti Na+ Ca2+ dan Al3+. Demikian halnya dengan resin penukar anion, terbuat dari stirena dan mengandung gugus ammonium kuarterner yang akan menukar setiap ion OH- dengan berbagai anion seperti Cl-. Ion hidrogen dari unit penukar kation dan ion hidroksil dari unit penukar anion akan membentuk air murni.

Aliran air pertama melewati resin penukar kation hanya menghilangkan ion Ca2+ dan Mg2+ sebagaimana proses softening normal. Deionisasi juga dapat menghilangkan ion-ion logam positif lain selama proses dan menggantinya dengan ion H+. Ion logam mampu menempatkan dirinya pada resin pertukaran kation. Pertukaran ion H+ dan ion positif lainnya harus ekuivalen secara kimia untuk menjaga keseimbangan muatan listrik. Ion Na+ menggantikan 1 ion H+ dari resin, ion Ca2+ menggantikan 2 ion H+ dari resin, ion Fe3+ menggantikan 3 ion H+ dari resin. Hasil akhir setelah melewati penukar kation diperoleh ion H+ dengan konsentrasi relatif tinggi sehingga larutan bersifat asam. Dalam hal ini proses deionisasi terjadi secara parsial. Selanjutnya air akan mengalir melalui penukar anion, pertukaran terjadi antara ion OH- dengan ion negatif lain seperti Cl-. Dari semua proses tersebut, sistem akan menghasilkan air bebas ion seperti pada Gambar 9.

Gambar 9 Proses Deionisasi

Ada beberapa tipe untuk proses deionisasi yaitu, untuk unit multiple dan unit single. Unit multiple mempunyai sepasang tangki untuk penukar kation dan penukar anion. Sementara unit single hanya memiliki satu tangki, penukar anion dan kation dicampurkan dalam satu tempat. Material penukar ion (resin penukar ion) tersebut harus diregenerasi sehingga dapat digunakan kembali untuk proses purifikasi air.
Deionisasi dapat menjadi komponen penting dalam sistem purifikasi air secara total ketika dikombinasikan dengan metode lain seperti RO dan adsorpsi karbon. Deionisasi mampu menghilangkan kontaminan berupa ion-ion secara efektif tetapi tidak mampu menghilangkan senyawa-senyawa organik maupun mikroorganisme. Mikroorganisme dapat menyerang resin karena resin dapat menyediakan media untuk pertumbuhan bakteri dan generasi pirogen. Secara garis besar, keuntungan deionisasi menghilangkan senyawa anorganik secara efektif, mampu diregenerasi, modal awal relatif murah. Namun terdapat beberapa kerugian dari deionisasi yaitu, tidak dapat menghilangkan partikel-partikel kecil, pirogen atau bakteri dan biaya operasionalnya relatif mahal.

Adsorpsi Karbon

Adsorpsi (penyerapan) adalah suatu proses pemisahan dimana komponen dari suatu fase fluida/cairan berpindah ke permukaan zat padat yang menjerap (adsorban). Biasanya partikel-partikel kecil zat penjerap dilepaskan pada adsorpsi kimia, terbentuk ikatan kuat antara penjerap dan zat yang dijerap sehingga tidak mungkin terjadi proses yang bolak-balik (Tinsley 1979). Pada adsorpsi digunakan istilah adsorbat dan adsorban, dimana adsorbat adalah substansi yang terjerap atau substansi yang akan dipisahkan dari pelarutnya, sedangkan adsorban adalah merupakan suatu media penjerap yang dalam hal ini biasanya berbentuk padatan (Webar 1972). Pada proses ini adsorbat menempel dipermukaan adsorban membentuk suatu lapisan tipis (film). Dalam proses purifikasi air adsorban yang digunakan biasanya berupa karbon sehingga dikenal istilah proses adsorpsi karbon.

Produksi karbon aktif dunia diperkirakan 300000-400000 ton. Sekitar 80% karbon aktif diaplikasikan pada fase cair. karbon aktif dapat berasal dari arang hasil pembakaran, batu bara, lignit, produk-produk kayu, batok kelapa, dan lainnya. Karbon tersebut kemudian diaktivasi dengan memberikan uap pada suhu tinggi (2300°F) tanpa pemberian oksigen. Pada beberapa kasus, karbon juga diproses dengan asam pencuci atau dilapisi oleh suatu senyawa yang dapat menambah kemampuan karbon dalam menghilangkan kontaminan tertentu. Karbon yang telah diaktivasi memiliki ukuran partikel yang kecil dan luas permukaan yang besar sehingga memungkinkan kontaminan lebih banyak terjerap ke dalam karbon. PAC (Powdered Activated Carbon) diperoleh dengan menghaluskan karbon sehingga diperoleh karbon berupa serbuk yang sangat halus. Luas permukaan karbon aktif berkisar 500-1400 m2/g (Hassler 1974).

Karbon aktif mempunyai ukuran pori yang sangat banyak. Pori-pori ini dapat menangkap partikel-partikel yang sangat halus maupun molekul organik yang besar seperti rasa, warna, maupun bau dan menjebaknya disana. Karbon aktif memiliki jaringan pori yang sangat luas dan berubah-ubah bentuknya untuk menerima molekul kontaminan baik besar maupun kecil. Pori karbon aktif diklasifikasikan berdasarkan ukuran dan diameter pori. Variasi pori meliputi mikropori (2 nm), mesopori (2-50 nm), dan makropori (>50 nm).

Adsorpsi karbon aktif merupakan proses adsorpsi dimana kontaminan ditarik atau dijerap oleh permukaan partikel karbon (Gambar 10). Efisiensi proses adsorpsi dipengaruhi oleh karakteristik karbon (ukuran partikel, ukuran pori, luas permukaan, densitas, kekerasan) dan karakteristik kontaminan (konsentrasi, kelarutan kontaminan, penarikan kontaminan ke permukaan karbon. Adsorpsi karbon merupakan metode yang sering digunakan dalam treatment air karena kemampuannya dalam menghilangkan rasa dan bau termasuk klorin. Karbon aktif dapat menghilangkan banyak senyawa kimia dan gas, bahkan senyawa mikroorganisme. Karbon aktif sangat baik digunakan untuk menghilangkan kontaminan kelas 1 yang merupakan senyawa organik penyebab rasa dan bau menurut Enviroment Protect Agency(EPA).

Gambar 10 Proses Adsorpsi Karbon Aktif

Pada proses adsorpsi, kontaminan mematahkan ikatannya dengan molekul air untuk berikatan kimia dengan media filter. Kontaminan yang dapat dihilangkan dengan karbon aktif terdapat pada Tabel 3.

Tabel 3 Jenis kontaminan yang dapat dihilangkan dengan karbon aktif

Kontaminan	Jenis Kontaminan
Ion dan Logam	Klorin, Radon
Senyawa Kimia Organik	Benzena, Karbon Tetraklorida, Dikloro Benzena, Toluena, Trikloroetilena, Trihalometana (THMs)
Pestisida	1,2,4-Triklorobenzena, 2,4-D, Atrazine

Kontaminan tidak semua dapat diatasi dengan satu metode karena semua metode memiliki keterbatasan, dan terkadang harus dikombinasikan untuk mentreatment air sehingga diperoleh air bersih. Setiap tipe karbon memiliki kemampuan yang berbeda dalam menghilangkan kontaminan, tidak ada satupun karbon yang dapat menghilangkan semua kontaminan secara maksimal. Adsorpsi karbon aktif tidak dapat menghilangkan virus, bakteri, kalsium dan magnesium, fluorida, nitrat dan senyawa lainnya. Efektivitas penghilangan kontaminan yang spesifik tergantung pada sumber atau tipe karbon dan metode aktivasi. Contohnya, karbon yang paling efektif untuk menghilangkan Timbal berbeda tipe dan metode aktivasinya dengan karbon yang digunakan untuk menghilangkan klorin. Berikut adalah faktor-faktor yang dapat mempengaruhi kapasitas adsorpsi.

Tabel 4 Faktor-faktor yang mempengaruhi kapasitas adsorpsi

>

Faktor yang mempengaruhi	Efek
Luas Permukaan	Luas permukaan sebanding dengan kapasitas adsorpsi (luas permukaan ditentukan oleh derajat aktivasi)
Ukuran Pori	Ukuran pori sangat penting untuk proses distribusi karena menyediakan sisi adsorpsi dan jalan untuk transport adsorbat
Kelarutan	Senyawa dengan kelarutan rendah dalam pelarut dijerap lebih mudah dibandingkan dengan senyawa dengan kelarutan tinggi
Struktur Molekul	Senyawa organik rantai bercabang lebih mudah dijerap dibandingkan dengan rantai lurus
Ukuran Partikel	Partikel yang lebih kecil memiliki tingkat adsorpsi yang lebih besar
Polaritas	Senyawa nonpolar lebih mudah dijerap dibandingkan dengan senyawa polar
Sifat Hidrokarbon	Senyawa hidrokarbon tak jenuh (ikatan ganda atau rangkap tiga) akan dijerap lebih mudah dibandingkan hidrokarbon jenuh (ikatan tunggal)
Suhu	Suhu yang rendah dapat meningkatkan kapasitas adsorpsi kecuali untuk l;arutan yang kental
Nilai pH	Kapasitas adsorpsi meningkat pada kondisi pH rendah
Konsentrasi Adsorbat	Kapasitas adsorpsi sebanding dengan konsentrasi adsorbat
Waktu Kontak	Waktu kontak yang cukup dibutuhkan untuk mencapai kesetimbangan adsorpsi

Waktu kontak antara air dan karbon ditentukan oleh laju alir dan proses adsorpsi kontaminan. Semakin lama waktu kontak semakin besar pula jumlah kontaminan yang teradsorpsi. Jumlah karbon dalam filter juga mempengaruhi proses penghilangan kontaminan, contohnya karbon dalam jumlah sedikit secara umum hanya mampu menghilangkan rasa dan senyawa penyebab bau, sementara untuk menghilangkan THMs diperlukan jumlah karbon yang lebih banyak. Jumlah karbon juga mempengaruhi kecepatan penjenuhan media.
Pada saat semua sisi aktif karbon terisi oleh kontaminan, media menjadi jenuh dan telah mencapai kapasitasnya. Pada saat seperti itu kontaminan tidak dapat lagi dijerap atau mungkin beberapa kontaminan terlepas kembali ke dalam air. Apabila ini terjadi, kemungkinan kontaminan dalam air setelah treatment lebih tinggi dibandingkan dengan sebelum treatment, untuk mencegahnya kita harus mengetahui kapasitas media yang digunakan. Media yang telah jenuh dapat diregenerasi kembali artinya setelah proses aktivasi karbon mencapai batas maksimum dan semua sisi aktif terisi, regenerasi dapat dilakukan dengan mencuci dan memanaskan kembali karbon aktif pada suhu 820-930° C. Persen recovery dari proses regenerasi berkisar 90-95%.

Rangkaian unit sistem adsorpsi karbon aktif terdiri atas tipe point of use(POU) dan point of entry(POE). POE mentreatment semua air yang masuk ke rumah. Tipe ini direkomendasikan untuk mentreatment senyawa-senyawa berbahaya dalam air seperti radon dan VOCs. VOCs mudah menguap tetapi tetap menempel pada shower, mesin cuci, maupun dishwasher sehingga kemungkinan tetap kontak dengan kulit. POE dapat mereduksi kontaminan saat masuk dalam berbagai situasi. POE harus memperhatikan waktu kontak, tipe dan jumlah karbon yang digunakan untuk membuang air buangan (wastewater).

POU mentreatment air pada saat akan digunakan, biasanya sistem ini hanya digunakan untuk minum dan keperluan memasak. Pada tipe ini air yang akan digunakan saja yang ditreatment, air yang bukan untuk konsumsi tidak ditreatment dan dikeluarkan melalui suatu kran. Filter karbon pada tipe ini tidak dihubungkan dengan sumber air/air baku, harganya lebih murah dan susunan alatnya sederhana, namun air yang ditreatment jumlahnya terbatas karena waktu kontak terbatas dan jumlah karbon pun sedikit.
Berdasarkan uraian diatas, keuntungan adsorpsi karbon adalah menghilangkan senyawa organik volatil (VOCs) terlarut dan klorin secara efektif dan memiliki kapasitas adsorpsi yang tinggi (long life) untuk menghilangkan lebih banyak kontaminan, sementara kerugiannya karbon aktif relatif mahal, aktivasi karbon dapat mengembangbiakan mikroorganisme, hal ini dapat menjadi keuntungan pula sejak mikroba mampu mendegradasi senyawa organik terlarut. Solusinya adalah air harus didesinfeksi sebelum melalui media karbon, post desinfeksi juga sebaiknya digunakan karena reaksi dengan karbon aktif dapat menghilangkan zat pengoksidasi yang digunakan pada saat awal proses desinfeksi. Perlu diketahui, kondisi yang paling baik untuk pertumbuhan bakteri yaitu saat filter jenuh dengan kontaminan organik karena dapat menyediakan sumber makanan untuk bakteri, dan pada saat filter tidak digunakan lagi dalam jangka waktu lama. Kondisi seperti itu dapat membuat air tidak jernih, untuk mengatasinya karbon aktif harus dilengkapi dengan logam perak yang dapat mencegah pertumbuhan bakteri. Namun, efektivitas prosedur ini tidak valid karena perak juga dapat mengkontaminasi air. Hal terbaik adalah kita harus sering mengganti karbon aktif lebih sering lagi daripada yang dianjurkan dalam petunjuk pemakaian. Kerugian lain, karbon aktif menghasilkan emisi tinggi berupa sulfur oksida (SO2), emisi tersebut dapat diperoleh dari proses pemanasan pembuatan karbon aktif dari batu bara.

Destilasi

Destilasi merupakan metode tertua untuk treatment air, metode ini efektif untuk mereduksi berbagai kontaminan. Destilasi dapat menghilangkan lebih banyak kontaminan dalam air, senyawa yang dapat dihilangkan meliputi natrium, senyawa penyebab kesadahan seperti kalsium dan magnesium, senyawa padatan terlarut lain seperti besi, mangan, fluorida, dan nitrat. Destilasi dapat menonaktifkan mikroorganisme seperti bakteri, virus, dan protozoa. Selain itu, destilasi juga dapat menghilangkan berbagai senyawa organik dan logam berat seperti timbal, klorin, kloramin, dan radionukleotida. Kendala yang dihadapi, destilasi dapat menghilangkan kandungan oksigen sehingga apabila terdapat logam-logam kelumit akan menyebabkan air berasa. Alat destilasi pun memiliki keterbatasan yaitu, tidak mampu menghilangkan secara sempurna kontaminan berupa pestisida, pelarut volatil, serta senyawa organik volatil (VOCs) seperti benzena dan toluene.

Destilasi bekerja dengan prinsip penguapan dan kondensasi. Elemen pemanas listrik (1000-1500 watt) memanaskan air yang belum ditreatment sehingga dihasilkan uap. Uap akan memasuki bagian pendingin dan dikondensasikan menjadi air destilat dalam kondensor, kemudian dialirkan ke kontainer penyimpanan. Beberapa alat destilasi menggunakan udara untuk mendinginkan uap, bahkan ada pula yang menggunakan aliran air untuk mendinginkan uap. Air yang terkumpul dalam kontainer telah bebas dari kontaminan, lebih dari 99.5% kontaminan dapat dihilangkan dengan destilasi. Sementara air yang berada dalam chamber pemanasan yang masih mengandung kontaminan dengan konsentrasi tinggi dikeluarkan melalui suatu saluran dalam chamber (drain). Kontaminan seperti senyawa anorganik dan senyawa organik nonvolatil tidak diuapkan tetapi meninggalkan unit chamber melalui saluran belakang. Gambar 11 merupakan tipe alat destilasi.

Gambar 11 Tipe alat destilasi

Pemanasan dapat menonaktifkan bakteri, virus, dan protozoa. Senyawa organik volatil (VOCs) diketahui dapat teruapkan seperti air bahkan lebih cepat, hal ini dapat mengganggu proses penghilangan kontaminan, untuk menghilangkan kontaminan-kontaminan tersebut, metode destilasi sebaiknya dikombinasikan dengan metode lain. Alat destilasi dapat dilengkapi dengan lubang gas (gas vent), lubang ini dapat melewatkan VOCs keluar dari unit destilasi sebelum memasuki kondensor. Opsi lain dapat menggunakan destilasi kolom bertingkat (fraksional). Dalam destilasi tipe ini, VOCs dikondensasikan terpisah dari kondensasi air. Opsi ketiga menggunakan filter karbon aktif untuk menghilangkan VOCs dari air kondensat sebelum air memasuki tanki penyimpanan. Alternatif lain, karbon aktif ditempatkan di air baku sehingga VOCs telah dihilangkan sebelum memasuki unit destilasi.

Pada umumnya, VOCs dalam air akan menguap lebih dulu dibandingkan dengan air baku selama proses destilasi. Jika tidak dihilangkan, VOCs akan terkondensasi kembali ke cairan bersama dengan air destilat. Berdasarkan hal tersebut, untuk alat destilasi yang tidak disertai gas vent sebaiknya dilakukan pretreatment dengan karbon aktif untuk menghilangkan VOCs atau menggunakan destilasi bertingkat.
Biaya operasional untuk destilasi harus diperhatikan, yang paling signifikan adalah biaya operasional listrik yang dibutuhkan untuk memanaskan air hingga terbentuk uap. Biaya operasional secara langsung dipengaruhi oleh jumlah air destilat yang digunakan sehari-hari. Biaya operasional ini paling mahal dibandingkan dengan metode treatment air lainnya. Biaya untuk mendestilasi 1 galon air ditentukan oleh besarnya daya listrik dalam setiap unit. Contohnya, 1 unit alat destilasi membutuhkan daya 1100 watt untuk mendestilasi 1 galon air dalam waktu 3 jam dengan biaya $0.10/kWh, maka dapat diperkirakan biaya operasional yang dibutuhkan yaitu,

Biaya listrik = 1100watt/1000 watt per kWatt x 3 jam x $0.10/kWh = $0.33/gallon

Model alat destilasi didesain untuk kemudahan pembersihan dan direkomendasikan pula untuk sistem aliran otomatis. Secara umum, alat destilasi terbuat dari stainless steel, aluminium, dan material plastik. Material-material ini tidak memiliki kecenderungan untuk menyerap kontaminan dari air dan mudah untuk dibersihkan. Alat destilasi sebaiknya disimpan dalam kondisi sanitary untuk mencegah kontaminan datang kembali. Kontainer juga sebaiknya terbuat dari gelas atau stainless steel.

Ada 2 tipe dasar alat destilasi: Batch distiller, dilakukan secara manual, air dituang langsung ke chamber pemanas. Unit mulai dinyalakan dan air dipanaskan sampai mendidih. Pada saat air dalam chamber pemanas semua menguap, unit akan dimatikan. Air destilat disimpan dalam kontainer untuk kebutuhan rumah tangga. Unit batch distiller mampu menghasilkan 3-10 galon per hari. Batch distiller seperti terlihat pada Gambar 9.

Gambar 9 Alat Destilasi Tipe Batch Distiller

Apabila terdapat 2 campuran dengan volatilitas yang berbeda, dengan A lebih volatil dibandingkan dengan B, campuran A dan B dimasukan ke batch destiller dan dipanaskan sampai mendidih sehingga diperoleh campuran dalam fase uap. Komposisi A dan B dalam fase cair akan berbeda dengan fase uap. Dalam fase uap, A lebih dominan dibandingkan dengan B karena A lebih mudah menguap. Uap akan masuk ke bagian pendingin dan dikondensasi kembali menjadi air destilat seperti terlihat pada gambar 9.
Continuous flow distiller, dilakukan secara otomatis, dihubungkan dengan sumber air baku. Tingkat air atau banyaknya air dalam chamber pemanas diatur oleh kran yang dihubungkan langsung ke sumber air. Air destilat akan dipindahkan ke kontainer penyimpanan dan secara otomatis proses destilasi akan berlangsung kembali memproduksi air destilat lebih banyak lagi. Air dalam chamber pemanas sisa proses destilasi yang masih mengandung kontaminan dibuang melalui suatu saluran. Peralatan tambahan yang terdapat dalam continuous flow distiller diantaranya kontainer penyimpanan suplemen, pompa transfer, dan kran khusus instalasi.

Air yang dipanaskan dalam alat destilasi menyebabkan mineral-mineral dan padatan lain terakumulasi dalam chamber pemanas. Apabila chamber tidak dibersihkan secara rutin, alat destilasi akan berkurang efisiensinya karena membutuhkan lebih banyak listrik untuk proses destilasi air. Biasanya digunakan asam organik untuk membersihkan chamber pemanas. Asam mineral kuat seperti asam hidroklorida, asam sulfat, atau asam nitrat sebaiknya tidak digunakan karena akan merusak stainless steel dan peralatan yang berlapis aluminium. Air sadah dapat menyebabkan kerak putih pada chamber pemanas, pembersihan chamber pemanas dapat menggunakan larutan cuka. Larutan cuka 50% juga mengandung asam organik lemah yang dapat digunakan sebagai agen pembersih. Tangki pemanas diisi dengan larutan cuka:air (1:1) kemudian dipanaskan selama 1 jam. Larutan dibiarkan berada dalam tangki pemanas. Lamanya waktu yang dibutuhkan tergantung jumlah kerak yang terbentuk dalam chamber pemanas. Apabila terbentuk banyak kerak akan diperlukan waktu yang lebih lama untuk proses pembersihan chamber. Alat destilasi biasanya dilengkapi sistem aliran otomatis yang dapat mengatur waktu proses pembersihan. Aliran manual juga dapat dilakukan sekali dalam 1 minggu. Air yang sangat sadah sebaiknya dilakukan pretreatment terlebih dahulu dengan menggunakan softener untuk mereduksi frekuensi pembersihan dan untuk menjaga efisiensi operasi.
Untuk air baku yang mengandung senyawa organik volatil (VOCs) dapat digunakan filter karbon aktif dan perawatannya mengganti filter karbon aktif tersebut setiap 3 bulan atau setiap 150-200 galon air destilat yang dihasilkan. Perawatan lain yaitu, menjaga kebersihan gas vent untuk membuang VOCs, mengganti elemen pemanas karena apabila pemanas tidak dapat bekerja misalnya karena terdapat banyak gelembung udara udara kontaminan dapat masuk ke alat destilasi, atau bisa juga mengganti kondensor. Tangki atau kontainer penyimpanan air destilasi sebaiknya juga didesinfeksi dan dibilas dengan air bersih secara teratur. Ketahanan alat destilasi bergantung pada beberapa faktor diantaranya persediaan air baku, frekuensi alat beroperasi, serta perawatan alat destilasi secara layak. Alat destilasi dengan kualitas yang baik mampu bertahan sekitar 10-15 tahun.

Berdasarkan uraian diatas, keuntungan alat destilasi dapat menghilangkan 99.5% kontaminan yang meliputi bakteri, berbagai jenis logam, mineral, dan padatan terlarut lainnya. Sementara itu kerugian dari penggunaan alat destilasi biaya operasionalnya paling mahal dibandingkan sistem treatment air lainnya.