Makalah Lime Softening

Lime Softening

Presipitasi kimia adalah salah satu metode yang digunakan untuk melunakkan air.  Pelunakkan digunakan untuk mengurangi kesadahan air baku, alkalinitas, silika, dan konstituen lainnya. Hal ini membantu mempersiapkan air untuk pemanfaatan langsung sebagai umpan cooling water atau sebagai pengolahan tahap pertama diikuti dengan pertukaran ion untuk umpan boiler atau penggunaan proses. Proses ini juga efektif menghilangkan berbagai mikroorganisme dan bahan organic terlarut. Presipitasi kimia biasanya diterapkan untuk mengolah air dalam jumlah yang besar (missal untuk boiler PLTU atau industri petrokimia).

 

Bahan kimia yang digunakan biasanya adalah kapur (kalsium hidroksida, Ca(OH)₂ atau CaO) dan soda abu (natrium karbonat, Na₂CO₃). Pilihan tergantung pada faktor ekonomi, seperti biaya dari bahan serta ukuran dan peralatan di pabrik. Kapur digunakan untuk menghilangkan bahan kimia karena carbonat hardness sedangkan Soda abu digunakan untuk non-karbonat hardness. Kesadahan adalah jumlah dari semua ion multivalent yaitu kalsium dan magnesium. Air dianggap keras jika mengandung 150 mg/L sebagai CaCO₃ atau lebih.

Tingkat kesadahan dari air diklasifikasikan sebagai berikut:

Pelunakkan melalui pemberian bahan kimia sama caranya seperti yang dilakukan pada penanganan kekeruhan (removal of turbidity), diantaranya koagulasi, flokulasi, dan sedimentasi. Peralatan yang digunakan juga menyerupai peralatan penanganan kekeruhan (removal of turbidity), kapur (lime) ditambahkan pada proses pengadukan (flash mixer), kemudian air diflokulasi, dan setelah itu senyawa-senyawa kesadahan (hardness compounds) menggumpal dan mengendap secara gravitasi di dalam bak sedimentasi. Ketika kapur dan soda abu ditambahkan kedalam air yang akan diolah, kesadahan yang disebabkan oleh mineral-mineral akan terbentuk menjadi endapan yang tidak larut, sehingga akan mudah dipisahkan.

Air tanah merupakan air yang paling sering dilakukan pelunakkan dibandingkan dengan air permukaan. Hal ini berkaitan dengan mineral yang dikandung oleh air tersebut, air tanah memiliki banyak Kalsium dan Magnesium.

Penambahan bahan kimia adalah suatu proses pelunakkan yang efektif, tetapi juga mempunyai beberapa kerugian. Proses ini memerlukan banyak operator dan peralatan yang digunakan dalam rangka mendapatkan hasil yang efisien. Selain itu, pH air yang tinggi pada pelunakkan dengan kapur dapat menghasilkan warna di dalam air dan membuat warna tersebut sukar untuk dihilangkan.

Cara kerja proses Lime softening

Dalam proses lime softening, pH air dinaikkan untuk mengendapkan kalsium karbonat dan magnesium hidroksida. pH normal air adalah antara 6,5-8,5. Dalam sistem kecil (skala rumah), lime softening biasanya dipraktekkan dengan menambahkan kapur kepada air baku untuk meningkatkan pH hingga sekitar 10. Hal ini pada dasarnya menghilangkan kalsium karbonat, tepatnya batu kapur. Jika penghilangan magnesium juga diperlukan, pH selama pelunakan harus mendekati 11. Sistem lime softening tidak perlu diujicobakan untuk sistem kecil yang menggunakan sumber air tanah. Jar testing digunakan untuk menentukan pH proses dan dosis kimia yang tepat dan cukup (biasanya dilakukan di laboratorium). Dosis bahan kimia ini tidak harus dirubah dari waktu ke waktu kecuali air tanah digunakan secara periodik dalam infiltrasi oleh air permukaan yang kualitasnya berubah. Sistem lime softening perlu diujicobakan jika menggunakan sumber air permukaan dengan kualitas variabel yang digunakan dalam percobaan tersebut.

Kesadahan kalsium akan diendapkan sebagai kalsium karbonat (CaCO₃) dan Magnesium sebagai  magnesium hidroksida (Mg(OH)₂). Semua endapan ini kemudian dihilangkan dengan proses konvensional yaitu koagulasi / flokulasi, sedimentasi, dan filtrasi. Tidak semua kesadahan ini dapat dihilangkan dalam air, biasanya kesadahan masih akan tersisa sekitar 30-40 mg/L (sebagai CaCO3).

Reaksi Pada Pelunakan Menggunakan Kapur

 Hardness              Kapur           Endapan
 CO₂                +   Ca(OH)₂   ->   CaCO₃   + H₂O
 Ca (HCO₃)₂     +   Ca(OH)₂   ->   2CaCO₃ + 2H₂O
 Mg (HCO₃)₂    +   Ca(OH)₂   ->   CaCO₃   + MgCO₃  +  2H₂O
 MgCO₃           +   Ca(OH)₂   ->   CaCO₃   + Mg(OH)₂

CO₂ tidak termasuk kedalam senyawa sadah, akan tetapi CO₂ ini akan bereaksi dengan kapur (Ca(OH)₂), oleh karena itu ditambahkan kapur yang berlebih.
                   Kapur          Endapan
MgSO₄ + Ca(OH)₂  ->  Mg(OH)₂ + CaSO₄

               Soda abu    Endapan

CaSO₄ + Na₂CO₃ -> CaCO₃ + Na₂SO₄ 

Untuk penghilangan satu molekul kalsium bikarbonat, digunakan satu molekul kapur sedangkan Untuk penghilangan satu molekul magnesium bikarbonat, digunakan dua molekul kapur. Dan untuk satu molekul non-karbonat hardness, digunakan satu molekul soda abu.

Pretreatment

Sebelum dilakukan proses pelunakan ini, air biasanya dilakukan pengolahan terlebih dahulu. Pengolahan tersebut yaitu: Aerasi, dapat digunakan untuk menghilangkan karbon dioksida dari sumber air sebelum pelunakan. Ini hanya berlaku untuk air tanah dimana konsentrasi karbon dioksida relatif tinggi. Penghilangan kapur dari karbon dioksida dalam sumber air menambah biaya operasi karena biaya bahan kimia dan residu kalsium karbonat meningkat. Induced draft atau open tray pada aerasi sering digunakan dan dapat mengurangi tingkat karbon dioksida sampai 10 mg/L atau kurang. Presedimentasi digunakan terutama oleh pabrik yang memiliki kekeruhan air permukaan yang tinggi.

Pengolahan Terpisah

Bila air yang akan digunakan mengandung kesadahan magnesium yang tinggi, maka dilakukan pengolahan terpisah. Pengolahan terpisah ini mengolah sekitar 80 % air dengan kapur berlebih untuk menghilangkan magnesium pada pH di atas 11, setelah itu baru dicampur dengan 20 % sisa air. Pengolahan terpisah ini bisa mengurangi jumlah karbon dioksida yang terkandung dalam air sehingga akan mengurangi kebutuhan kapur yang akan digunakan dan menghemat biaya pengolahan. Pengolahan terpisah ini dapat mengurangi jumlah bahan kimia yang diperlukan untuk menghilangkan kesadahan dari air sebesar 20 % - 25 %.

Pertimbangan Desain Proses

Dalam sebuah plant pelunakkan menggunakan kapur-soda abu, proses pelunakkan dapat dilakukan dengan urutanseperti berikut: pencampuran, flokulasi, dan sedimentasi, proses-proses tersebut terjadi dalam satu unit kontaktor padatan. Prosesnya ini dimulai dengan mencampur bahan kimia (Kapur dan Soda-Abu) ke dalam air, diikuti dengan pengadukan. Ini memungkinkan bahan kimia bereaksi dengan kalsium atau magnesium di dalam air membentuk endapan.

Flokulasi memungkinkan suatu padatan bergabung dengan padatan lain dan masuk ke tahap proses sedimentasi sehingga proses berjalan lebih efektif. Penahanan waktu di flokulator sangat penting untuk memungkinkan partikel bergabung lagi dengan partikel lainnya membentuk endapan yang cukup besar sehingga akan mempermudah didalam pemisahan. Waktu minimum yang disarankan waktu penahanan ini adalah sekitar 30 menit.

Sedimentasi mengikuti flokulasi, proses sedimentasi ini dipengaruhi oleh ukuran partikel dan massa jenis dari larutan. Waktu sedimentasi berkisar dari 1,5 jam sampai 3,0 jam, dan bentuk dari alat sedimentasi ini bisa persegi panjang, persegi, atau lingkaran.

Rekarbonisasi

Setelah menambahkan kapur dan / atau soda abu, air yang diolah umumnya akan memiliki pH lebih besar dari 10. pH yang tinggi ini akan mempengaruhi dan dapat merusak pada kualitas air yang akan digunakan.

Ketika kandungan magnesium dalam air rendah dilunakkan, tidak ada kapur berlebih yang perlu ditambahkan. Setelah pelunakan, air menjadi jenuh dengan kalsium karbonat dan memiliki pH antara 10,0 dan 10,6.

Ca²⁺  + CO₃^2-  + CO₂  + H₂O à 2HCO^3- 

Rekarbonisasi adalah proses yang paling umum digunakan untuk mengurangi pH. Proses ini dilakukan dengan menambah karbon dioksida kedalam air. Umumnya karbon dioksida cukup ditambahkan untuk mengurangi pH air menjadi kurang dari 8,7. Jumlah karbon dioksida yang ditambahkan ditentukan berdasarkan indeks saturasi. Indeks Langelier (LI) adalah yang paling umum digunakan, tetapi beberapa proses menggunakan Indeks Rizner, (kebalikan dari Langelier Index). Indeks Langelier dinyatakan sebagai pH stabilisasi (pH) dikurangi pH aktual diukur (pHs - pH). Ketika Indeks Langelier positif, pipa cenderung menjadi dilapisi dengan kerak, dan ketika negatif, air cenderung korosif.

Ketika kandungan magnesium yang tinggi dalam air dilunakkan, kebutuhan kapur berlebih akan ditambahkan untuk menaikkan pH di atas 11, dan terbentuk endapan magnesium hidroksida. Setelah pengolahan, karbon dioksida cukup ditambahkan untuk menetralkan kelebihan ion hidroksida, serta mengkonversi ion karbonat untuk bikarbonat ion. Tahap pertama dari reaksi ini mengurangi pH menjadi antara 10,0 dan 10,5. Dalam rentang ini, kalsium karbonat dibentuk dan magnesium hidroksida yang tidak mengendap, diubah menjadi magnesium karbonat.

Ca²⁺ + 2OH^- + CO₂ à CaCO₃ + H₂O 

Mg²⁺ + 2OH^- + CO₂ à MgCO₃ + H₂O 

Penambahan Karbon dioksida dibutuhkan untuk menurunkan pH menjadi antara 8,4 - 8,6. Sebelumnya terbentuk kalsium karbonat yang kembali larut dan ion karbonat dikonversi menjadi ion bikarbonat seperti berikut:
            CaCO3 + H₂O + CO₂à Ca²⁺ + 2HCO^3-

Mg²⁺ + CO₃²⁺ + CO₂ + H₂O à Mg²⁺ + 2HCO^3-

Untuk pengolahan air dengan magnesium yang rendah (di mana kelebihan-kapur tidak diperlukan) satu tahap rekarbonisasi digunakan. Airnya dicampur dengan kapur atau abu soda, sehingga airnya berada dalam pH 10,2-10,5. Jika penghilangan non-karbonat hardness diperlukan, abu soda juga akan ditambahkan pada langkah ini. Setelah dicampur, bubur yang dihasilkan dicampur dengan waktu 30 sampai 50 menit agar zat padat terflokulasi. Setelah flokulasi, air dibiarkan mengalir ke dalam cekungan sedimentasi di mana padatan akan dihilangkan melalui sedimentasi. Setelah sedimentasi air jernih mengalir ke tempat rekarbonisasi dimana karbon dioksida akan ditambahkan ke mengurangi pH menjadi antara 8,3 dan 8,6. Setiap partikel dalam suspensi yang tersisa setelah rekarbonisasi dihilangkan dengan filtrasi.

Double Stage Softening

Tahap ini kadang digunakan untuk pengolahan air dengan kandungan magnesium tinggi (dimana kelebihan kapur diperlukan). Kelebihan kapur ditambahkan pada tahap pertama untuk meningkatkan pH menjadi 11,0. Setelah pengolahan tahap pertama, karbon dioksida ditambahkan untuk mengurangi pH antara 10,0 - 10,5. Jika penghilangan non-karbonat hardness diperlukan, soda abu akan ditambahkan pada proses ini. Setelah pengolahan tahap kedua, air mengalir ke tangki rekarbonisasi sekunder, dimana pH dikurangi menjadi antara 8,3 dan 8,6.

Single-Stage Softening

Single-stage rekarbonisasi adalah yang paling umum dilakukan (Karena biaya yang tinggi untuk membangun double-stage softening). Ada manfaat yang ada pada tahap ini, biaya pembangunan rendah dan biaya operasi berkurang karena karbon dioksida kurang dibutuhkan. Akan tetapi pada single-stage ini kualitas air rendah jika dibandingkan dengan double-stage.

 Manfaat

Manfaat dari pelunakan air pada pusat pabrik pengolahan diantaranya adalah:

·         Mengurangi mineral terlarut dan kecenderungan scaleforming,

·         mengurangi konsumsi bahan pembersih rumah tangga,

·         menghapus radium 226 dan 228,

·         menghilangkan arsenik dan uranium,

·         menghilangkan logam berat,

·         melengkapi desinfeksi dan mengurangi pertumbuhan alga di sungai,

·         menghilangkan senyawa organik tertentu dan mengurangi total karbon organik (TOC),

·         menghilangkan silika dan fluorida,

·         menghilangkan besi dan mangan,

·         mengurangi kekeruhan air permukaan dalam hubungannya dengan proses presipitasi kesadahan,

·         meningkatkan Indeks Langelier Saturation, berguna untuk pengendalian korosi di bawah beberapa kondisi, dan

·         menghilangkan kista Giardia lamblia.

Residu Yang Terbentuk

Endapan yang dihasilkan dari proses pelunakkan dengan kapur dan soda-abu mempunyai kandungan kalsium karbonat atau gabungan kalsium karbonat dan magnesium karbonat yang tinggi. Endapan kalsium karbonat biasanya padat, stabil inert, dan mudah bergabung dengan air. pH padatan dari lumpur biasanya lebih besar dari 10,5. Lumpur dari Kapur-soda abu dapat diolah dengan filtrasi vakum, sentrifugasi, filtrasi tekanan, recalcination, atau aplikasi lahan.

Pemilihan kapur, soda abu pada proses pengendapan kimia harus cukup dalam mengatasi pembuangan lumpur yang dihasilkan. Pembuangan akhir dari endapan kapur atau kaustik sekarang termasuk pilihan, seperti pembuangan ke saluran yang bersih, danau kering, dan aplikasi lahan.

Dalam beberapa kasus, lumpur dibuang langsung ke sebuah sistem pembuangan limbah. Pembuangan limbah harus dilakukan dengan persetujuan departemen limbah kota, karena tidak semua sistem dapat menampung limbah alkali, setidaknya dalam volume yang dihasilkan. Dalam kasus lain, pembuangan lumpur tersebut dapat membuktikan manfaat dalam menetralisir limbah asam lain yang masuk ke sistem yang sama. Sebuah pabrik kecil diijinkan untuk membuang langsung ke sistem saluran pembuangan masyarakat, meskipun metode ini telah dihilangkan dalam banyak kasus.

Lagooning adalah solusi lain yang praktis. Jika lumpur dapat dikeringkan menjadi sekitar 50 persen kadar air dalam laguna, kebutuhan tahunan akan mencapai sekitar 0,5 sampai 1,0 acrefeet per 100 mg/L kesadahan dihilangkan untuk setiap juta galon per hari. Beberapa laguna digunakan dalam mengisi dan mengeringkan, atau mengisi dari satu ujung dan menarik atau menuangkan ke ujung yang lain, hasil dari pengeringan lumpur biasanya lebih baik.

Kesimpulan:  
Metode lain yang digunakan yaitu aplikasi lahan lumpur pada ladang pertanian dimana pH tanah terlalu rendah untuk pertumbuhan tanaman yang optimal. Selain menyediakan pH yang diinginkan untuk pertumbuhan tanaman, Lumpur lime softening umumnya merupakan sumber murni kalsium karbonat dengan berbagai jumlah kecil dari magnesium hidroksida dan menyediakan sumber yang efektif dari bahan pengapuran untuk petani. Memiliki nilai netralisasi untuk tanah asam dalam kelebihan dari bahan pengapuran pertanian.