Reverse Osmosis (Tanya jawab Reverse Osmosis)

Reverse osmosis (RO) menjadi terkenal sebagai teknologi pengolahan air yang dibutuhkan setiap industri dalam pemisahan atas kandungan larutan dari pelarut, pelarut tersebut biasanya berupa air.

Aplikasi yang paling umum dari RO adalah pemurnian air dengan memisahkan kandungan yang tidak diinginkan, Proses Ro digunakan juga untuk membuat air minum dengan menghilangkan bakteri dan zat-zat yang tidak berguna/berbahaya. Negara bagian middle east telah menggunakan RO sebagai penyaring air laut.

Kandungan larutan dapat berupa garam, organik seperti gula atau larutan minyak. Reverse osmosi menjadi dasar komponen didalam sistem pengolahan air yang dipakai dalam industri kimia, farmasi, alat kesehatan dimana kemurnian air tersebut dipakai untuk membantu analisa dan kebutuhan pelengkap produksi.

Didalam aplikasi Ro. ini merupakan penyaring yg paling baik dengan lubang penyaring mencapai 0,001 micron (diameter rambut manusia lebih dari 30 micron), lubang ini memberikan RO mampu memisahkan kandungan larutan, partikel, bakteri dan zat-zat berbahaya.

pertama-tama tentunya kita harus minimal mengerti sedikit tentang air, karna segala 
bentuk sistem RO yang akan dibangun semuanya tergantung dari sumber air baku yang akan kita lakukan penyaringan.

Air mempunyai nama alternatif yaitu Aqua, dihidrogen monoksida atau hydrogen hidroksida dan mempunyai 3 wujudnya, cairan dilaut, es yang mengambang, dan awan diudara yang merupakan uap air.

air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H₂O,satu molekul (Molekul adalah bagian tak terpisahkan yang paling kecil senyawa murni yang memiliki ciri unik kimia dan fisik yang terdiri dari dua atau lebih ikatan atom bersama) air tersusun atas dua atom hydrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna,tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar,yaitu pada tekanan 100 kPa(1 bar) dan temperature 273,15 K (0 ⁰C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam,gula,asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organic.

 

Air sering disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat dibawah tekanan dan temperature standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hydrogen (H⁺) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (OH^-). Air adalah pelarut yang kuat, melarutkan banyak zat kimia. Zat-zat yang bercampur dan larut dengan baik dalam air (misal: garam) disebut sebagai zat-zat hydrophilic (pecinta air), dan zat-zat yang tidak mudah tercampur dengan air (misalnya lemak dan minyak),disebut sebagai zat-zat hydrophobic (takut air). Kelarutan suatu zat dalam air ditentukan dapat tidaknya zat tersebut menandingi kekuatan gaya tarik-menarik listrik (gaya intermolekul dipol-dipol) antara molekul-molekul air. Jika suatu zat  mampu menandingi gaya tarik-menarik antar molekul air, molekul-molekul zat tersebut tidak larut dan akan mengendap dalam air.

Dari sudut pandang biologi, air memiliki sifat-sifat yang penting untuk adanya kehidupan, air dapat memunculkan reaksi yang dapat membuat senyawa organic untuk melakukan replikasi. Semua makhluk hidup yang diketahui memiliki ketergantungan terhadap air, air merupakan zat pelarut yang penting untuk makhluk hidup dan adalah bagian penting dalam proses metabolisme. Air juga dibutuhkan dalam fotosintesis dan respirasi. Fotosintesis menggunakan cahaya matahari untuk memisahkan atom hydrogen dengan oksigen, hydrogen akan digunakan untuk membuat glukosa dan oksigen akan dilepaskan ke udara.

Dasar dari sistem RO. ini sederhana, menggunakan pompa dan semipermeable membrane. pompa menghasilkan alur tekanan dan semipermeable membrane menyaring zat terlarut yang terlarut didalam air.
mekanisme(cara kerja) RO berbeda dengan penyaring biasa, penyaring biasa memisahkan partikel dengan berdasarkan ukuran , partikel dapat dipisahkan karena perbedaan ukuran yang masuk kedalam lubang media penyaring sehingga tertahan dalam media, sedangkan mekanisme Ro mempunyai lubang sangat kecil sekali ( such holes have never been found, even with microscopes of highest magnification) seperti molekul air dan lebih kecil berat molekul organik dapat menyebar melalui polimer  membrane yang tertahan dengan ikatan antara segmen struktur kimia polimer. sehingga larutan garam dan berat molekul organik yang lebih besar tidak dapat melewati membrane tersebut.

Sizes of some common particles :
Substance                       microns
table salt                        100
human hair                       50-80
sand                             50- up
smallest visible to eye          30-50
talcum powder                     10
cocoa                            8-10
iron rust                         5
carbon in oils                   1-10
clay(silicon&aluminium)          0,1-1,0
pigments                         0,2-0,4
bacteria                         0,4-2,0
viruses                         0,015-0,3

Setiap molekul terdiri dari satu atau lebih atom. atom tertentu dan kuantitas yang membentuk molekul tertentu akan menentukan karakteristik unik dari molekul.misalnya molekul air terdiri dari 2 atom hidrogen terhubung ke satu atom oksigen ini berprilaku sangat berbeda dengan dari molekul yang hanya terdiri dari atom hidrogen atau semata-mata atom oksigen.

pusat atom disebut nucleus(inti)terdiri dari dua jenis partikel kecil yang hampir persis dengan berat yang sama, diorbit oleh partikel lebih kecil yang disebut electron diberi nilai(-1) dan proton diberi nilai(+1). pada kenyataannya elektron dan proton sangat kecil, perilaku mereka lebih sering seperti gelombang dari partikel fisik. mereka memiliki kekuatan tarik/tolak berlawanan saling menahan untuk tetap masing-masing berkelompok, mengorbit disekitar nucleus (inti).


partikel yang tersisa dalam nucleus(inti)disebut neutron, tidak memiliki nilai dan memiliki sedikit efek pada karakteristik substansi, hanya mempengaruhi berat,lebih tepat jika disebut massa(berat karna fungsi gravitasi). dua atom yang berbeda hanya dengan jumlah neutron mereka disebut isotop, karena massa elektron dapat diabaikan. Masa atom ditentukan dengan jumlah gabungan proton dan neutron.

Jumlah proton dalam inti atom akan memiliki dampak yang besar pada karakteristik substansi. Kuantitas ini disebut nomor atom terkait dengan substansi. Contoh yang unik sulfur(belerang) memiliki nomor atom 16 pada inti, jika ditambahkan 1 proton maka akan menghasilkan klorin yaitu nomor atom 17, yang tentu saja berkarakteristik sangat berbeda. 
stabilitas terbesar dari molekul air dicapai ketika dua atom hidrogen berbaris disatu sisi atom oksigen, karena elektron mereka cenderung untuk bermigrasi kearah oksigen sisi hidrogen dari molekul air cenderung memiliki karakteristik muatan positif dan sisi oksigen cenderung memiliki karakteristik muatan negatif. dikatakan molekul berlawanan (polar molecule).
Air memiliki simbol kimia H2O, huruf H melambangkan hidrogen dan huruf O melambangkan oksigen.subscript dari 2 berarti bahwa ada 2 atom hidrogen yg hadir dalam molekul, berat/masa molekul adalah jumlah dari bobot komponennya. Sehingga masa molekul air ditemukan dengan menambahkan massa masing-masing dari 2 atom hidrogen, satuan massa atom (AMU) oksigen sebesar 16 Amu , total menjadi 18 AMU. 

mari kita bahas tentang garam, karna garam(NaCL) ini salah satu unsur kita pakai dalam regenerasi resin cation (untuk softenerisasi dan tidak untuk demineralisasi, akan kita bahas nantinya :))

Garam adalah bahan yang terdiri dari atom/kelompok atom bermuatan positif dengan atom/kelompok atom yang bermuatan negatif. contoh adalah garam meja umum yg merupakan natrium/sodium klorida, memiliki simbol kimia NaCL, yang berarti bahwa satu atom unsur natrium/sodium dikombinasikan dengan satu atom unsur klorin.Stabil sebagai garam karena natrium/sodium meminjamkan elektron terluar untuk klorin sehingga memungkinkan memiliki 8 elektron yg stabil di orbit luarnya. dengan demikian natrium/sodium kehilangan satu elektronnya sedemikian rupa sehingga cenderung memiliki muatan positif, klorin sekarang memiliki elektron ekstra menjadi cenderung negatif. oleh karena karakteristik ini klorin diambil nama ion (beban ion) sedang klorida diambil nama kimia garam...

Water chemistry :
Adalah penting untuk mengetahui dasar water chemistry ini sehingga dapat mengerti dan menjaga skala umur membrane/ pemulihan hasil output(permeate)atau disebut juga permeate recovery.


Ketika larutan larut dalam air, larutan tersebut terpecah menjadi cationic(unsur positif) dan anionic(unsur negatif), ion-ion yang paling umum ada di sumber air baku adalah :

     CATIONS (positif)                  ANIONS(negatif)
     hardness                           alkalinity
       - calcium                          - bicarbonate

                 - magnesium                        - carbonate                                                         - hydroxide
     sodium                             sulfate
     potassium                          chloride
                                        flouride
                                        nitrate
                                        silica
beberapa ion lain dapat secara signifikan antara lain :

     iron                               sulfide
     manganese                          phosphate
     aluminum
     barium
     strontium
     copper
     zinc

RO. system permeate Recovery:
sistem RO permeate recovery diartikan rasio antara permeate flow(arus aliran bersih) dengan feed flow (arus air baku),biasanya hasilnya dalam bentuk persen (%).

    permeate recovery = permeate flowrate / feed flowrate

permeate recovery digunakan sebagai penjelasan bagaimana efisiensi sistem RO yang telah dibuat apakah maksimal atau belum dan juga digunakan untuk menentukan tingkat konsentrasi zat terlarut.
Semakin tinggi sistem recovery, maka semakin berkurang aliran konsentrat dan tingkat aliran air baku. jadi tingginya permeate recovery akan mengurangi pemakaian listrik, pretreatment chemical, dan air

tipe-tipe Membrane reverse osmosis :
untuk standar aplikasi penyaringan air ada 2 yang paling umum yaitu menggunakan cellulose acetate (CA) atau polyamide (PA), tipe ketiga yang paling terbaru menggunakan polysulfone (PS).
sedang tipe jenis air baku : tap water(TW),brackish water (BW),   ,seawater(SW).

Untuk diameter pipa pada sistem ro :
flow(gpm)           pipa diameter(inch)      max.velocity (ft/sec)
 0-4                       1/2                     6.5
 4-10                      3/4                     7.25
10-20                       1                      8.2
20-50                      1.5                     9.1
50-100                      2                     10.2
100-175                    2.5                    11.4
175-300                     3                     13.6

           velocity = (flow X 0.41) / ID 2     

velocity = kecepatan air masuk per detik
flow      = aliran dalam gallon permenit
ID         = diameter pipa dalam inch

Softenerisasi:
saya akan mencoba menjelaskan secara awam terlebih dahulu nanti kita akan bahas secara kimia..komponen dari softenerisasi umumnya yaitu : carbon aktif, silica sand(pasir silica), manganese greensand, resin (resin terbagi menjadi dua sifat : cation dan anion), dll.

hardness/kesadahan : salah satu contoh yg dapat kita lihat jika kita memakai sabun dengan air hardness , air sabun akan hanya sulit berbusa.

saya akan membahas mengenai resin dengan ilustrasi :
Jika kita pergi ke toko kimia ingin membeli resin, pemilik toko akan bertanya kepada anda " bpk mau beli resin utk apa..softener atau demin..? lalu saya bertanya kembali " kalau softener itu untuk apa..dan pakai resin yang mana aja, cation atau anion ? ", pemilik toko akan menjawab " begini pak..jika bpk ingin softenerisasi bpk cukup memakai carbon aktif dan resin cation saja..resin cation bekerja pada NA form(natrium) dilambangkan R-Na, dimana R artinya resin yang pore nya sedang mengadsorpsi ion Na , dimana karakteristik R-Na ini secara selectivity sangat mudah bertukar ion dengan ion CA2+ dan ion Mg2+ (dimana kedua ion ini adalah pembentuk senyawa hardness). sehingga ketika jenuh resin cation menjadi R-CA dan R-Mg, dan ketika resin tidak bisa mengikat ion CA dan Mg maka harus di regenerasi dengan NaCl (konsentrasi tinggi) yang bisa mengalahkan selectivity resin cation terhadap ion CA dan Mg, sehingga setelah regenerasi ikatan resin menjadi R-Na kembali. "

"jika bapak ingin memakai untuk demin, bpk harus memakai cation (Strong Acid cation/SAC)dan anion(Strong base anion/SAB)..fungsi kerja dari kedua resin ini menarik ion + dan ion - sehingga menghasilkan H2O (air murni), tetapi untuk meregenerasi kedua resin ini berbeda dengan cara softenerisasi. Yaitu resin cation (cation exchanger) harus di regenerasi dengan HCl, dimana karakteristik R-H form secara selectifity mampu mengikat semua ion cation mis : lihat tabel diatas ". Sedangkan untuk resin anion (anion exchanger) dengan kaustic soda NaOH.

penjelasan yang lain :
Gugus aktif menentukan penukaran ion, jika kita menghendaki ion yang ditukar hanya ion penyebab kesadahan (Ca dan Mg), cation exchange resin harus diregenerasi dengan larutan garam (NaCl). Dari pertukaran ini, akan dihasilkan garam seperti Na2CO3 dll (contoh R-Na + CaCO3 <=> R-Ca + Na2CO3). Cation exchanger yang diregenerasi dengan NaCl dikenal dengan nama Water Softener karena yang ditukar adalah semua ion positif kecuali Na+ dan H+ khususnya Ca dan Mg...

Sedangkan jika meregenerasi cation exchanger (tanpa diikuti dgn Anion Exchanger) dengan H+ maka air produk akan memerlukan adjust pH karena produk menjadi asam seperti reaksi: R-H + CaCO3 <=> R-Ca + H2CO3 (asam). Jika tidak diikuti dengan Anion Exchanger maka air produk harus di adjust dengan caustic(bersifat basa). Hal ini tidak efektif... Ion yang ditukar adalah semua cation kecuali H+

Jika Cation exchanger diregenerasi dengan NaCl diikuti dengan Anion Exchanger maka hasilnya adalah basa (oleh sebab itu yang demikian bukanlah water demineralizer) seperti contoh reaksi berikut:

R-Na + CaCO3 <==> R-Ca + Na2CO3
R-OH + Na2CO3 <==> R-CO3 + NaOH

Jika Cation exchanger diregenerasi dengan HCl diikuti dengan Anion Exchanger maka hasilnya adalah H2O (oleh sebab itu yang demikian adalah water demineralizer) seperti contoh reaksi berikut:

R-H + CaCO3 <==> R-Ca + H2CO3 (dikenal dengan reaksi Salt Splitting  menghasilkan asam)
R-OH + H2CO3 <==> R-CO3 + H2O (dikenal dengan reaksi netralisasi menghasilkan air murni H2O)

reaksi salt splitting menghasilkan asam biasanya diproses melalui proses degasifier. 
Selepas dari cation exchange yg mengadsorpsi ion2 positif, maka yg tertinggal di aliran air adalah ion2 negatif. CO2 dlm hal ini dianggap sbg ion negatif krn bisa membentuk ion2 karbonat dan bikarbonat. Nah, si CO2 dan ion2 negatif lainnya akan diadsorpsi di anion exchange di downstream cation exchange. 

Semakin tinggi konsentrasi ion2 ini di dlm air, maka anion exchange akan lbh cepat jenuh, dan frekuensi cleaning yg berarti jg konsumsi reagent semakin besar (juga berlaku utk cation exchange). Jika CO2 dihilangkan lewat degassifier di upstream/sebelum dr anion exchange, maka tugas si anion exchange hanyalah mengadsorp ion2 lainnya. Yg berarti anion exchangenya relatif lbh lama jenuh/kotornya, dan relatif lbh sedikit frekuensi cleaningnya, yg berarti jg lbh sedikit konsumsi reagentnya/chemical utk regenerasi. 

jadi mainsetnya : cation -> degasifier -> anion

Degasifier
Sistem degasifier ini sangat jarang dibicarakan, Ada 2 jenis umum yang digunakan yaitu Forced draft decarbonator dan vacuum degasifier. saya hanya membahas forced draft decarbonator karena saya anggap lebih praktis. sistem Forced ini dapat anda lihat jika anda pergi kerumah sakit Husada, saya pernah melihat sistem tersebut dari gedung baru lantai atas..
tujuan dari sistem ini adalah untuk menghilangkan CO2 dengan udara yang digerakkan dengan blower yang berada dibawahnya. 

tangki sump ini akan menampung air yang sudah selesai melalui proses degasifikasi dan di alirkan dengan pompa menuju anion exchanger.

Melihat dari proses softenerisasi dan demineralisasi yang telah kita bahas tersebut saya mempunyai beberapa pendapat/opini :
1. air mempunyai dua faktor yaitu faktor kimia/fisika dan faktor
   biological , itu yang harus menjadi dasar utama mengapa kita
   mencari penyaring yang mampu menghilangkan/mengurangi ke dua 
   faktor tersebut.
2. perkembangan reverse osmosis ini sudah sangat jauh, semua orang
   banyak mengetahui dan banyak dibicarakan. 
   pengertian softernerisasi dan demineralisasi semakin banyak di-
   mengerti juga, sehingga terjadi pengertian yang salah terhadap
   reverse osmosis dengan demineralisasi dalam hal tujuan untuk 
   mencapai tingkat kemurnian air antara 0-10 ppm(TDS).

   melihat sistem demineralisasi yang begitu mudah, cepat tanpa ada
   sisa pembuangan. hal ini sangat menarik sekali untuk di pertim-
   bangkan beralih kesistem demin tersebut. Untuk masalah kimia/
   fisika hal itu adalah benar tetapi dalam hal faktor biological
   masalah tersebut belum bisa.
   Setelah melalui proses softernerisasi atau demineralisasi, posisi
   air tersebut adalah masih sebagai bahan baku didalam sistem re-
   verse osmosis.
3. sistem demin jika dipakai untuk minum adalah tidak baik karena
   hasil air dari sistem demin tidak akan menjamin air tersebut be-
   bas bakteri, sekalipun keruh, tds dari air demin sangat rendah
   bahkan lebih rendah dari hasil RO. air demin tersebut akan di
   dialirkan kedalam tabung carbon aktif untuk menghasilkan warna
   air yang bening dan rasa yang baik. kemudian dialirkan ketabung
   UV( ultra violet)setelah proses ini akan sangat sulit membedakan
   mana yang hasil RO dengan hasil Demin. Sehinggga dalam sistem
   demin, Ultra Violet menjadi satu-satunya alat yang diharapkan
   dapat mencegah/menghilangkan bakteri.

Activated carbon :





     



hasil dari membrane Ro. dalam satuan gpd (galon per day 1 Galon = 3,78 Ltr) tergantung dari tekanan, temperatur air dan tingkat Tds (total dissolved solids) air baku/umpan

     Expected Gpd = tingkat Gpd X PFC X TCF

PFC = pressure correction factor
TFC = temperatur correction factor

cat: tekanan membrane selain 60 psi dikalikan dengan PCF.

PCF = tekanan (psi) / 60

contoh : residential ro (tipe perumahan)
  berapakah hasil keluaran (output) jika sebuah membrane residential ro sistem 75 gpd dijalankan dengan tekanan 40 psi dan dengan temperatur air baku 60"F ?

      PCF   = 40/60 = 0,666
      TFC   = 0,754 ( dari tabel TFC)
      expected GPD = 75 X 0,666 X 0,754 = 37,7 GPD 

temperatur correction factor table

'F/'C       TFC        'F/'C       TFC     'F/'C        TFC  
41.0/5                 0.521                   59.0/15                0.730           77.0/25                 1.000
42.8/6                 0.540                   60.8/16                0.754           78.8/26                 1.031
44.6/7                 0.560                   62.6/17                0.779           80.6/27                 1.063
46.4/8                 0.578                   64.4/18                0.804           82.4/28                 1.094
48.2/9                 0.598                   66.2/19                0.830           84.2/29                 1.127
50.0/10               0.620                   68.0/20                0.857           86.0/30                 1.161
51.8/11               0.640                   69.8/21                0.884           87.8/31                 1.196
53.6/12               0.661                   71.6/22                0.912           89.6/32                 1.232
55.4/13               0.684                   73.4/23                0.941           91.4/33                 1.267
57.2/14               0.707                   75.2/24                0.970           93.2/34                 1.304

secara sederhana kita dapat juga menghitung tingkat persentase reject dari membrane (setiap membrane mempunyai factory rejection berbeda-beda, tergantung merk dagang mis. filmtech,osmonic,luso,dll)
contoh :
kadar air baku  Ro.    = 150 ppm (partiker per million) adalah X
hasil Ro bersih        = 7 ppm adalah Y
X - Y                  = 143 ppm
(X-Y)/ X               = 143/150 = 0.953
rejection              = {(X-Y)/X} X 100 
                       = 0.953 X 100 = 95.3 %