CARA MENGHILANGKAN Fe DALAM H2O

Pada umumnya metode yang digunakan untuk menghilangkan besi adalah metode fisika, kimia, biologi maupun kombinasi dari masing – masing metode tersebut. Metode fisika dapat dilakukan dengan cara filtrasi, aerasi, presipitasi, elektrolitik, pertukaran ion (ion exchange), adsorpsi dan sebagainya. Metode kimia dapat dilakukan dengan pembubuhan senyawa khlor, kapur – soda, ozon, polyphosphat, koagulan, flokulan, dan sebagainya. Metode biologi dapat dilakukan dengan cara menggunakan mikroorganisme autotropis tertentu seperti bakteri besi yang mampu mengoksidasi senyawa besi.

Pemilihan proses tersebut dipilih berdasarkan besarnya konsentrasi zat besi serta kondisi air baku yang digunakan. Untuk menghilangkan zat besi di dalam air yang paling sering digunakan adalah dengan cara proses oksidasi secara kimiawi kemudian dilanjutkan dengan pemisahan endapan/suspensi/dispersi atau (suspended solid) yang terbentuk menggunakan proses sedimentasi dan atau filtrasi. Untuk meningkatkan efisiensi pemisahan endapan tersebut maka dapat digunakan proses koagulasi-flokulasi yang dilanjutkan dengan sedimentasi dan filtrasi.

Berikut ini beberapa proses penghilangan besi dalam air:

1.      Proses Oksidasi

Proses penghilangan besi dan mangan dengan cara oksidasi dapat dilakukan dengan tiga macam cara yaitu :

1.      Oksidasi dengan aerasi

Aerasi adalah proses pengambilan oksigen dengan cara mengkontakkan air yang tercemar Fe dengan udara sehingga kandungan oksigen dalam air bertambah.

Adanya kandungan alkalinity, (HCO₃)^- yang cukup besar dalam air, akan menyebabkan senyawa besi berada dalam bentuk senyawa ferro bikarbonat, Fe(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

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

hidroksida besi (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⁺

Sesuai dengan reaksi tersebut, maka untuk mengoksidasi setiap 1 mg/l zat besi dibutuhkan 0,14 mg/l oksigen. 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.

2.      Oksidasi dengan klorinasi

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 dengan khlorine adalah sebagai berikut:

2 Fe²⁺ + Cl₂ + 6 H₂O ==> 2 Fe(OH)₃ + 2 Cl- + 6 H⁺

Berdasarkan reaksi tersebut di atas, maka untuk mengoksidasi setiap 1 mg/l zat besi dibutuhkan 0,64 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 relatif sangat mudah karena kaporit berupa serbuk atau tablet yang mudah larut dalam air.

3.      Oksidasi dengan permanganat

Untuk menghilangkan besi 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⁺

Secara stokhiometri, untuk mengoksidasi 1 mg/l besi diperlukan 0,94 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⁺

2.      Proses Koagulasi-flokulasi

1.      Proses Koagulasi dengan penambahan bahan koagulan

Sebagaimana diketahui bahwa zat besi banyak terdapat dalam air tanah dan pada umumnya berada dalam bentuk senyawa valensi 2 atau dalam bentuk ion Fe²⁺ . Lain halnya jika besi tersebut berada dalam air dalam bentuk senyawa organik dan koloid, 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 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, koloid dalam air menjadi bergabung dan membentuk gumpalan (flock) kemudian mengendap. Setelah koloid senyawa besi mengendap, kemudian air disaring dengan saringan pasir cepat.

2.      Proses Koagulasi dengan Cara Elektrolitik

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.

3.      Proses Filtrasi Kontak

Ada dua cara yang banyak dipakai yaitu :

1.      Filtrasi dengan media filter yang mengandung MnO₂

Air baku yang mengandung Fe dialirkan ke suatu filter yang medianya mengandung MnO₂._nH_2O. Selama mengalir melalui media tersebut Fe yang terdapat dalam air baku akan teroksidasi menjadi bentuk Fe(OH)₃ oksigen terlarut dalam air, dengan oksigen sebagai oksidator. Reaksinya adalah sebagai berikut :

4 Fe²⁺ + O₂ + 10 H₂O ===> 4 Fe(OH)₃ + 8 H⁺

Untuk reaksi penghilangan besi tersebut diatas adalah merupakan reaksi katalitik dengan MnO₂  sebagai katalis sehingga kemampuan penghilangan Fe nya makin lama makin berkurang.

2.      Dengan Mangan Zeolite

Air baku yamg mengandung besi 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 yang ada dalam air teroksidasi menjadi bentuk ferri-oksida 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 Reaksi penghilangan besi dengan mangan zeoite tidak sama dengan proses pertukaran ion, tetapi merupakan reaksi dari Fe²⁺ dengan oksida mangan tinggi (higher mangan oxide).

Filtrat yang terjadi mengandung mengandung ferri-oksida 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).

4.      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 nya dipisahkan, air olahan harus dinetralkan kembali.

5.      Proses Penghilangan Besi 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 yang ada dalam air. Bakteri besi mendapatkan energi aktivasi yang dihasilkan oleh reaksi oksida besi, 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.

6.      Penghilangan Besi 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.

7.      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