A. PENDAHULUAN
1. Latar Belakang
Air merupakan sumber daya alam yang sangat penting bagi kehidupan di bumi. Sumber air tersebut ada yang diperoleh dari air tanah, mata air, sungai, danau dan air laut. Sumber air di bumi tersebut berasal dari suatu siklus air dimana tenaga matahari merupakan sumber panas yang mampu menguapkan air. Air baik yang berada di darat maupun laut akan menguap oleh panas matahari. Uap kemudian naik berkumpul menjadi awan. Awan mengalami kondensasi dan pendinginan akan membentuk titik-titik air dan akhirnya akan menjadi hujan. Air hujan jatuh kebumi sebagian meresap kedalam tanah menjadi air tanah dan mata air, sebagian mengalir melalui saluran yang disebut air sungai, sebagian lagi terkumpul dalam danau/rawa dan sebagian lagi kembali ke laut.
Manusia sering dihadapkan pada situasi yang sulit dimana sumber air tawar sangat terbatas dan di lain pihak terjadi peningkatan kebutuhan. Bagi masyarakat yang tinggal di daerah pantai, pulau kecil seperti Kepulauan Seribu air tawar merupakan sumber air yang sangat penting. Sering terdengar ketika musim kemarau mulai datang maka masyarakat yang tinggal di daerah pantai atau pulau kecil mulai kekurangan air. Air hujan yang merupakan sumber air yang telah disiapkan di bak penampung air hujan (PAH) sering tidak dapat mencukupi kebutuhan pada musim kemarau.
Padahal kita ketahui bahwa sebenarnya sumber air laut itu begitu melimpah, namun, kenyataan menunjukkan bahwa ada banyak daerah pemukiman yang justru berkembang pada daerah pantai kekurangan air. Melihat kenyataan semacam itu manusia telah berupaya untuk mengolah air asin/payau menjadi air tawar mulai dari yang menggunakan teknologi sederhana seperti menyuling, filtrasi dan ionisasi (pertukaran ion). Sumber air asin/payau yang sifatnya sangat melimpah telah membuat manusia berfikir untuk mengolahnya menjadi air tawar.
Untuk memenuhi kebutuhan akan air tawar manusia telah mengembangkan sistem pengolahan air asin/payau dengan teknologi membran semipermeabel. Membran (selaput) semipermeabel adalah suatu selaput penyaring skala molekul yang dapat ditembus oleh molekul air dengan mudah, akan tetapi tidak dapat atau sulit sekali dilalui oleh molekul lain yang lebih besar dari molekul air.
Teknologi pengolahan air asin/payau yang akan dibahas pada tulisan ini terutama yang menggunakan teknologi filtrasi membran semipermeabel. Teknologi pengolahan air asin/payau ini lebih dikenal dengan sistem osmosis balik (Reverse Osmosis disingkat RO). Metode ini dipilih karena mudah dilakukan, efesien, dan lebih ekonomis jika dibandingkan dengan metode desalinasi yang lain.
Teknologi ini menerapkan sistem osmosis yang dibalik yaitu dengan memberikan tekanan yang lebih besar dari tekanan osmosis air asin/payau. Air asin/payau tersebut ditekan supaya melewati membran yang bersifat semi permeabel, molekul yang mempunyai diameter lebih besar dari air akan tersaring (Nusa Idaman Said, 2011).
2. Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dalam makalah ini adalah “Bagaimanakah proses desalinasi air laut dengan menggunakan metode osmosis terbalik (RO)?”
Adapun pertanyaan penelitian berdasarkan perumusan masalah di atas adalah sebagai berikut:
1) Apakah yang dimaksud dengan proses desalinasi air laut?
2) Apakah yang dimaksud dengan proses osmosis terbalik (RO)?
3) Bagaimana prinsip kerja desalinasi air laut dengan metode osmosis terbalik?
4) Jenis membran apa yang digunakan pada proses desalinasi air laut dengan menggunakan metode osmosis terbalik?
3. Pembatasan Masalah
Agar masalah dalam makalah ini dapat dibahas dengan jelas dan tidak meluas, maka masalah ini harus dibatasi, yaitu:
1) Air yang dimurnikan dan dibuat menjadi air tawar adalah air laut.
2) Proses pembuatan air tawar ini adalah proses desalinasi.
3) Metode desalinasi yang digunakan adalah metode osmosis terbalik.
B. PEMBAHASAN
1. Proses Desalinasi Air Laut dengan Metode Osmosis Terbalik
Desalinasi
Desalinasi adalah proses pengurangan kadar garam pada air laut, air payau, atau air limbah. Proses desalinasi biasanya digunakan untuk mengolah air laut menjadi air bebas mineral yang dapat dikonsumsi oleh manusia (Retno, 2001). Bagian dari air murni terbentuk dalam aliran produk, garam yang terlarut terkumpul dalam aliran limbah (brine) yang dibuang dari sistem sebagai blow down. Produk proses desalinasi umumnya merupakan air dengan kandungan garam terlarut kurang dari 500 mg/l, yang dapat digunakan untuk keperluan domestik, industri, dan pertanian (Majari Magazine, 2011).
Instalasi desalinasi biasanya menggunakan air laut (langsung dari lautan diambil jauh dari pantai dan garis pipa, atau dari mata air dekat pantai, atau laut dalam), air tanah yang payau atau air yang dikembalikan sebagai umpan. Hampir semua proyek desalinasi dalam skala besar menggunakan air laut sebagai umpan. Air laut yang digunakan sebanyak 72,9% sebagai umpan instalasi desalinasi. Pipa pengambilan umpan air untuk instalasi desalinasi harus diletakkan jauh dari saluran buangan pabrik untuk menghindari agar buangan tidak terambil.
Produk air desalinasi biasanya lebih murni dari air minum standar. Jadi ketika air hendak digunakan untuk kebutuhan sehari-hari biasanya dicampur dengan air yang mengandung TDS yang lebih tinggi. Air hasil desalinasi murni biasanya sangat asam dan menyebabkan korosi pada pipa jadi harus harus dicampur dengan sumber air lain yang diambil dari luar atau dengan mengatur pH, kesadahan dan alkaliitas sebelum dialirkan keluar (Retno, 2001).
Dalam pemisahan air asin menjadi air tawar, ada beberapa teknologi proses desalinasi yang telah banyak dikenal antara lain proses destilasi, teknologi proses dengan menggunakan membran (osmosis terbalik), proses pertukaran ion, dan lain-lain.
Osmosis Terbalik
Apabila dua buah larutan dengan konsentrasi encer dan konsentrasi pekat dipisahkan oleh membran semipermeabel, maka larutan dengan konsentrasi yang encer akan terdifusi melalui membran semi permeabel tersebut masuk ke dalam larutan yang pekat sampai terjadi kesetimbangan konsentrasi. Fenomena ini dikenal sebagai proses osmosis.
Osmosis terbalik (RO) adalah suatu metode penyaringan yang dapat menyaring berbagai molekul besar dan ion-ion dari suatu larutan dengan cara memberi tekanan pada larutan ketika larutan itu berada di salah satu sisi membran seleksi (lapisan penyaring). Proses tersebut menjadikan zat terlarut terendap di lapisan yang dialiri tekanan sehingga zat pelarut murni bisa mengalir ke lapisan berikutnya. Membran seleksi itu harus bersifat selektif atau bisa memilah yang artinya bisa dilewati zat pelarutnya (atau bagian lebih kecil dari larutan) tapi tidak bisa dilewati zat terlarut seperti molekul berukuran besar dan ion-ion.
Osmosis terbalik dilakukan dengan cara memberikan tekanan pada bagian larutan dengan konsentrasi tinggi menjadi melebihi tekanan pada bagian larutan dengan konsentrasi rendah. Sehingga larutan akan mengalir dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Proses perpindahan larutan terjadi melalui sebuah membran yang semipermeabel dan tekanan yang diberikan adalah tekanan hidrostatik (Shun Dar Lin, 2001).
Membran Osmosis Terbalik
Membran semipermeabel yang digunakan pada osmosis terbalik disebut membran osmosis terbalik (membran RO). Membran RO memiliki ukuran pori <1 nm (http://www.lenntech.com/membrane-technology.htm). Karena ukuran porinya yang sangat kecil, membran RO disebut juga membran tidak berpori. Membran RO biasanya digunakan untuk pengolahan air, seperti pengolahan air minum, desalinasi air laut, dan pengolahan limbah cair. Saat ini membran RO juga banyak digunakan pada proses pengolahan air isi ulang.
Gambar 1. Ilustrasi Proses Osmosis dan Osmosis Balik
(Sumber : Pusat Penelitian Geoteknologi, LIPI)
Air Laut
Sekitar 97% air di bumi merupakan air laut yang 96,5% komposisinya adalah air dan 3,5% terdiri dari zat-zat lain yang ada sebagai hasil proses fisik, kimia, dan biologis. Secara umum material yang terdapat dalam air laut digolongkan dalam 5 kategori, yaitu: garam-garam terlarut, gas-gas terlarut, unsur organik terlarut, unsur organik padat, dan unsur anorganik padat. Adapun yang paling mempengaruhi sifat fisik dan kimia air laut adalah garam-garam terlarut. Adapun jenis ion yang terkandung di dalam air laut adalah sebagai berikut:
Tabel. 1. Kandungan Jenis Ion dalam Air Laut
|
Unsur |
Konsentrasi (ppm) |
|
Na + |
10,561 |
|
Mg2+ |
1,272 |
|
Ca2+ |
400 |
|
K+ |
380 |
|
Cl– |
18,980 |
|
SO42- |
2,649 |
|
HCO3– |
142 |
|
Br– |
65 |
|
Padatan lain |
3 |
Adapun beberapa faktor yang mempengaruhi jumlah dan komposisi padatan terlarut adalah presipitasi, penguapan, pembekuan, dan pencairan salju dan es, pertukaran kimia dan atmosfer, aktivitas gunung berapi, aktivitas biologi, aliran sungai, adsorpsi partikel dan peluruhan radioaktif.
2. Metode dan Proses
Proses desalinasi menggunakan sistem RO terdiri dari 4 proses utama, yaitu:
(1) Pretreatment
Air umpan pada tahap pretreatment disesuaikan dengan membran dengan cara memisahkan padatan tersuspensi, menyesuaikan pH, dan menambahkan inhibitor untuk mengontrol scaling yang dapat disebabkan oleh senyawa tetentu, seperti kalsium sulfat.
(2) Pressurization
Pompa akan meningkatkan tekanan dari umpan yang sudah melalui proses pretreatment hingga tekanan operasi yang sesuai dengan membran dan salinitas air umpan.
(3) Membrane separation
Membran permeable akan menghalangi aliran garam terlarut, sementara membran akan memperbolehkan air produk terdesalinasi melewatinya. Efek permeabilitas membran ini akan menyebabkan terdapatnya dua aliran, yaitu aliran produk air bersih, dan aliran brine terkonsentrasi. Karena tidak ada membran yang sempurna pada proses pemisahan ini, sedikit garam dapat mengalir melewati membran dan tersisa pada air produk. Membran RO memiliki berbagai jenis konfigurasi, antara lain spiral wound dan hollow fine fiber membranes.
(4) Post treatment stabilization.
Air produk hasil pemisahan dengan membran biasanya membutuhkan penyesuaian pH sebelum dialirkan ke sistem distribusi untuk dapat digunakan sebagai air minum. Produk mengalir melalui kolom aerasi dimana pH akan ditingkatkan dari sekitar 5 hingga mendekati 7. (BPPT, 2011).
3. Hasil
Tabel 2. Kualitas Air Hasil Pengolahan Sistem RO
Tabel 3. Kualitas Air Hasil Uji Coba
Tekanan Membran : 300 Psi, Temperatur Air : 20-28 oC
|
Parameter |
Satuan (ppm) |
Air Baku I |
Air Olahan I |
Air Baku II |
Air Olahan II |
| Fisik | |||||
| Warna |
Pt-Co |
15 |
5 |
10 |
5 |
| Turbidity |
SiO2 |
– |
– |
7,7 |
0 |
| Bau |
|
Tdk |
Tdk |
Tdk |
Tdk |
| Rasa |
|
Asin |
Tdk |
Asin |
Tdk |
| D.H.L |
mm |
7500 |
350 |
7520 |
350 |
|
Kimia |
|||||
| pH |
7,5 |
6,3 |
7,6 |
6 |
|
| Zat Padat |
|
– |
– |
5340 |
138 |
| Zat Organik |
KMnO4 |
3,79 |
1,58 |
4,74 |
1,58 |
| CO2 bebas |
CO2 |
13,2 |
17,6 |
30 |
22 |
| P. Alkalinity |
CaCO3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| M. Alkalinity |
CaCO3 |
390 |
60 |
275 |
25 |
| Karbonat |
CaCO3 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| Bikarbonat |
CaCO3 |
390 |
60 |
275 |
25 |
| Tot Hardness |
OD |
19,4 |
0 |
29 |
0,8 |
| Calsium |
Ca2+ |
49,98 |
0 |
74,97 |
2,856 |
| Magnesium |
Mg2+ |
53,35 |
0 |
79,55 |
1,72 |
| Besi |
Fe2+ |
4,4 |
Negatif |
1,4 |
Negatif |
| Mangan |
Mn2+ |
Negatif |
Negatif |
Negatif |
Negatif |
| Sulphate |
SO42- |
950 |
Negatif |
1250 |
Negatif |
| Phospate |
PO4 |
Negatif |
Negatif |
Negatif |
Negatif |
| Ammonium |
NH4 |
0,25 |
Negatif |
0,25 |
Negatif |
| Nitrite |
NH4 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| D.O |
O2 |
– |
– |
– |
– |
| Silika |
SiO2 |
– |
– |
25 |
1 |
| Chlorida |
Cl |
2215,2 |
110,76 |
2680 |
116,44 |
Sumber : Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi
4. Pembahasan
Sistem RO tidak bisa menyaring garam sampai 100 % sehingga air produksi masih sedikit mengandung garam. Untuk mendapatkan air dengan kadar garam yang kecil maka diterapkan sistem dengan dua sampai tiga saluran. Jika ingin membuat air minum yang mengandung kira-kira 300 sampai 600 ppm TDS cukup menggunakan saluran tunggal. Jika air olahan yang dihasilkan menjadi semakin banyak maka jumlah air baku akan menjadi lebih besar dan sebagai akibatnya tekanan yang dibutuhkan akan menjadi semakin besar. Tekanan buatan (tekanan kerja) tersebut harus lebih besar dari tekanan osmosis pada air baku. Tekanan kerja yang dibutuhkan jika memakai air laut adalah antara 55 sampai 70 kg/cm2.
Sistem pengolahan air sangat bergantung pada kualitas air baku yang akan diolah. Kualitas air baku yang buruk akan membutuhkan sistem pengolahan yang lebih rumit. Apabila kualitas air baku mempunyai kandungan parameter fisik yang buruk (seperti warna dan kekeruhan), maka yang membutuhkan pengolahan secara lebih khusus adalah penghilangan warna, sedangkan proses untuk kekeruhan cukup dengan penjernihan melalui pengendapan dan penyaringan biasa. Tetapi apabila kualitas air baku mempunyai kandungan parameter kimia yang buruk, maka pengolahan yang dibutuhkan akan lebih kompleks lagi.
Untuk daerah pesisir pantai dan kepulauan kecil, air baku utama yang digunakan pada umumnya adalah air tanah (dangkal atau dalam). Kualitas air tanah ini sangat bergantung dari curah hujan. Jadi bila pada musim kemarau panjang, air tawar yang berasal dari air hujan sudah tidak tersedia lagi, sehingga air tanah tersebut dengan mudah akan terkontaminasi oleh air laut. Ciri adanya intrusi air laut adalah air yang terasa payau atau mengandung kadar garam klorida dan TDS yang tinggi.
Air baku yang buruk, seperti adanya kandungan klorida dan TDS yang tinggi, membutuhkan pengolahan dengan sistem Osmosis terbalik (RO). Sistem RO menggunakan penyaringan skala mikro, yaitu yang dilakukan melalui suatu elemen yang disebut membran. Dengan sistem RO ini, klorida dan TDS yang tinggi dapat diturunkan atau dihilangkan sama sekali. Syarat penting yang harus diperhatikan adalah kualitas air yang masuk ke dalam elemen membran harus bebas dari besi, mangan dan zat organik (warna organik). Dengan demikian sistem RO pada umumnya selalu dilengkapi dengan pretreatment yang memadai untuk menghilangkan unsur-unsur pengotor, seperti besi, mangan dan zat warna organik.
Air baku yang mengandung Fe dan Mn dialirkan ke suatu filter yang medianya mengandung MnO2.nH2O. Selama mengalir melalui mediatersebut 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 klorin kedalam filter yang telah jenuh tersebut.
Reaksinya adalah sebagai berikut :
MnO2.MnO.nH2O + 2 H2O + Cl2 2 MnO2.nH2O + 2 H+ + 2Cl–
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) 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 Kalium permanganat kedalam zeolite yang telah jenuh tersebut sehingga akan terbentuk lagi mangan zeolite (K2Z.MnO.Mn2O7).
Pada pengolahan air minum, membran RO didesain untuk dapat melewatkan molekul-molekul air dan menahan solid, seperti ion-ion garam. Membran RO dapat memisahkan dan menyisihkan zat terlarut, zat organik, pirogen, koloid, virus, dan bakteri dari air baku. Efisiensi penyisihan membran RO untuk zat terlarut total (TDS) dan bakteri masing-masing adalah 95-99% dan 99%. Sehingga pada akhir proses akan dihasilkan air yang murni. Efisiensi penyisihan membran RO yang tinggi menyebabkan terjadinya penyisihan mineral-mineral alami pada air baku. Mineral-mineral alami ini tidak hanya memberikan rasa yang enak pada air tetapi juga membantu fungsi vital sistem tubuh. Air minum akan kurang sehat bagi tubuh apabila kurang mengandung mineral-mineral ini.
Dengan kata lain, air murni yang dihasilkan oleh membran RO tidak sehat bagi tubuh. Selain itu, membran RO memiliki keterbatasan dalam pengoperasiannya, di antaranya:
§ Tekanan air baku adalah antara 40 – 70 psig (800 – 1.000 psi).
§ Kekeruhan air baku tidak boleh lebih dari 1 NTU.
§ pH operasi berkisar antara 4 – 11.
§ TDS air baku tidak boleh lebih dari 35.000 ppm. Nilai TDS yang lebih tinggi akan menurunkan kecepatan produksi.
§ Suspended Solid air baku; (dinyatakan dengan SDI, Salt Density Index), harus kurang dari 5.
§ Sisa klor air baku harus nol (0).
Masalah lain yang sering terjadi pada aplikasi membran RO adalah terjadinya membrane fouling. Membrane fouling adalah peristiwa menumpuknya zat terlarut pada permukaan membran atau di dalam pori membran, sehingga kinerja membran akan menurun. Apabila membran mengalami fouling, perlu dilakukan pencucian dengan larutan kimia atau penggantian membran.
C. KESIMPULAN
Berdasarkan uraian di atas, maka dapat disimpulkan bahwa:
1. Proses desalinasi air laut adalah proses pengurangan kadar garam pada air laut, air payau, atau air limbah.
2. Proses osmosis adalah proses perpindahan larutan dengan konsentrasi encer ke larutan dengan konsentrasi pekat melalui membran semi permeabel sampai terjadi kesetimbangan konsentrasi
3. Prinsip kerja osmosis terbalik (osmosis terbalik) adalah suatu metode penyaringan yang dapat menyaring berbagai molekul besar dan ion-ion dari suatu larutan dengan cara memberi tekanan pada larutan ketika larutan itu berada di salah satu sisi membran seleksi (lapisan penyaring). Proses tersebut menjadikan zat terlarut terendap di lapisan yang dialiri tekanan sehingga zat pelarut murni bisa mengalir ke lapisan berikutnya.
4. Jenis membran semipermeabel yang digunakan pada proses desalinasi air laut adalah membran osmosis terbalik (RO).
DAFTAR PUSTAKA
Ahmad, Rukaesih. (2004). Kimia Lingkungan. Yogyakarta: Andi.
Atael, Abtin, et al. (2011). Integration of Reverse Osmosis and Refrigeration Systems for Energy Efficient Seawater Desalination. International Journal of The Physical Science Vol. 6 (12) pp. 2832-2843.
Ashlynn. (2010). Desalination and Long-Houl Water Transfer as a Water Supply for Dallas, Texas: a Case Study of the Energy-Water Nexus in Texas. Texas Water Journal: volume 1, Number 1, pp 33-41.
Alimah, Siti. (2007). Studi Banding Teknologi Desalinasi RO dan MSF untuk PLTN Jenis PWR. Prosiding Seminar Nasional KE-13 Teknologi dan Kesehatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir. [Online]
Hartoyo, Robertus. (1999). Pengolahan Air Asin atau Payau dengan Sistem Osmosis Balik. [Online]
Rusydi, Anna Fadliah, ST. (2011). Membran Osmosis terbalik. Pusat Penelitian Geoteknologi, LIPI. [Online]
Said, Nusa Idaman. (2011). Pengolahan Air Asin atau Payau dengan Teknologi Osmosis Balik. Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi (BPPT), Jakarta. [Online]
Tamim, Younos. (2005). Desalination: Suplementing Freswater Supplies Approaches and Challenges. Journal of Contemporary Water Reaseasch and Education.
Evi Sapinatul Bahriah 