PENDAHULUAN
Air bersih merupakan kebutuhan yang sangat vital bagi kehidupan manusia. Pengadaan air bersih di Indonesia khususnya untuk skala besar masih terpusat di daerah perkotaan dan dikelola oleh Perusahaan Air Minum (PAM) kota yang bersangkutan. Berdasarkan data Direktorat Perumahan dan Permukiman Bappenas, penyediaan air bersih untuk perkotaan dan pedesaan di Indonesia pada tahun 2010 masing-masing hanya sebesar 47,74% dan 44,19%. Untuk daerah yang belum mendapatkan pelayanan air bersih dari PAM, penduduknya menggunakan sistem individual, terutama sumur perigi, mata air, dan pompa yang menggunakan air tanah sebagai sumber air bersihnya.
Air tanah meresap melalui bebatuan dan tanah bawah permukaan (subsurface soil) sehingga dapat melarutkan senyawa-senyawa ketika bergerak. Besi dan mangan adalah unsur logam yang umum ditemukan di kerak bumi. Air tanah yang bergerak dapat melarutkan unsur besi dan mangan lalu menahan kedua unsur tersebut dalam wujud larutan (Spellman, 2001).
Keberadaan besi dan mangan dapat menyebabkan perubahan rasa, bau, warna, dan kekeruhan terhadap air yang tercemar. Apabila terjadi kontak dengan udara, air tanah yang mengandung besi terlarut dan mangan dapat teroksidasi menjadi senyawa tak terpisahkan dan menimbulkan warna coklat kemerahan. Oleh karena itu, permasalahan utama yang disebabkan oleh kedua unsur ini adalah permasalahan estetika, permasalahan kesehatan secara tidak langsung, dan permasalahan ekonomi (Spellman, 2001).
Wilayah Bandung yang terdiri atas kabupaten dan kota, memiliki topografi berbentuk cekungan yang dibatasi oleh gunung-gunung berapi di sebelah utara, timur, dan selatan. Kota Bandung terletak pada bagian utara dari cekungan ini. Jenis material di bagian utara cekungan umumnya merupakan jenis andosol yang mengandung bahan organik tinggi.
Air tanah yang meresap dalam tanah andosol menyebabkan terlarutnya besi dan mangan dalam jumlah besar. Hal ini menyebabkan kandungan kedua unsur tersebut berada di atas ambang batas sehingga tak layak dikonsumsi. Oleh karena itu, diperlukan suatu teknologi pengolahan air tanah sederhana yang mampu menyisihkan mineral tersebut. Salah satu teknologi yang dapat digunakan adalah filtrasi dengan media karbon aktif. Media ini memiliki kemampuan adsorpsi yang dapat menyerap senyawa-senyawa yang terkandung dalam fluida.
Kulit durian merupakan salah satu buangan utama pertanian di Indonesia. Produksi durian di Indonesia mencapai 562.710 ton per tahun pada tahun 1998, dan diperkirakan akan terus meningkat dalam beberapa tahun ke depan karena durian dapat dipanen beberapa kali dalam setahun. Selain itu, peningkatan konsumsi durian tentunya akan meningkatkan jumlah sampah. Telah menjadi pengamatan umum bahwa sampah durian dapat menyebabkan beragam permasalahan, terutama penyakit pernafasan dikarenakan baunya yang menyengat. Kulit durian ini selanjutnya dapat dijadikan prekusor karbon untuk meningkatkan nilai ekonomis, di samping mengatasi permasalahan yang ada (Ismadji et al., 2009).
Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui efisiensi penyisihan oleh karbon aktif dari kulit durian sebagai media filtrasi dalam menghilangkan besi dan senyawa organik yang terdapat dalam air tanah. Apabila penelitian ini menunjukkan hasil yang menguntungkan, maka pembuatan karbon aktif sebagai media filtrasi dapat menjadi salah satu alternatif pemanfaatan sampah kulit durian.
METODOLOGI
Lokasi tempat pengambilan air tanah adalah Jalan Caringin Kelurahan Babakan Kecamatan Babakan Ciparay Kota Bandung. Bahan baku berupa sampah kulit durian (jenis monthong) dan tempurung kelapa yang berasal dari Kecamatan Mande, Kabupaten Cianjur. Lokasi pembakaran bahan baku adalah tanah lapang milik seorang pembakar karbon di Desa Cagak Wetan Kecamatan Palasari Kabupaten Bandung. Lokasi penelitian adalah gudang milik Program Studi Teknik Lingkungan ITB.
Percobaan dilaksanakan pada bulan Mei hingga Agustus 2012. Analisis laboratorium dilaksanakan di Laboratorium Kualitas Air, Teknik Lingkungan ITB. Diagram alir penelitian ditampilkan dalam Gambar 1.
Gambar 1. Diagram alir penelitian
Pada penelitian ini dilakukan variasi berupa jenis media karbon aktif. Media pertama merupakan karbon, media kedua merupakan karbon yang diaktivasi secara kimia menggunakan larutan KOH 50%. Variasi media yang digunakan adalah karbon kulit durian (selanjutnya disebut media A) dan karbon aktif dari kulit durian (selanjutnya disebut media B). Sebagai pembanding digunakan media karbon dari tempurung kelapa (selanjutnya disebut media C) dan karbon aktif tempurung kelapa (selanjutnya disebut media D).
Pembuatan Karbon Aktif
Kulit durian dan tempurung kelapa yang digunakan sebagai bahan baku pembuatan karbon aktif berasal dari Kecamatan Mande, Kabupaten Cianjur. Kulit durian dan tempurung kelapa dibakar di drum dalam kondisi tertutup hingga menjadi arang (karbon). Arang digerus lalu diayak untuk mendapatkan ukuran arang yang diinginkan. Aktivasi kimia dilakukan dengan cara merendam karbon dalam larutan KOH 50% selama satu jam lalu dipanaskan pada suhu 105ºC. Karbon aktif dibilas dengan air bersih hingga air bilasan menunjukkan pH netral.
Pelaksanaan Percobaan
1. Percobaan pendahuluan
Percobaan pendahuluan bertujuan untuk menentukan waktu sampling. Waktu sampling adalah waktu detensi sejak pertama kali pompa dinyalakan hingga air tanah melewati seluruh media yang terdapat dalam reaktor.
2. Running
Running dilakukan dengan waktu sampling seperti yang telah ditetapkan dalam percobaan pendahuluan. Running dilakukan hingga waktu clogging tercapai. Waktu clogging dinyatakan tercapai apabila permukaan air dalam galon tidak bertambah karena terhambatnya aliran air dalam reaktor.
Desain Reaktor
Reaktor filtrasi yang digunakan terdiri atas 4 buah tabung berbahan dasar pipa PVC dengan kriteria desain seperti ditampilkan pada Tabel 1. Reaktor dioperasikan secara kontinyu dengan arah aliran upflow. Air terolah kemudian akan digunakan untuk pencucian.
Tabel 1 Kriteria desain reaktor filtrasi
| Kriteria Nilai | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| panjang | 2 meter | |||||
| diameter | 6 inci | |||||
| kecepatan | 3 2 15,8 m /m /jam | |||||
| Ketinggian Media | ||||||
| kerikil | 15 cm | |||||
| ijuk (lapisan bawah) | 2,5 cm | |||||
| karbon aktif | 50 cm | |||||
| ijuk (lapisan atas) | 2,5 cm | |||||
| pasir | 15 cm | |||||
| Ukuran Media | ||||||
| kerikil | diameter | ± 5 mm | ||||
| berat jenis | 1,838 kg/l | |||||
| karbon aktif kulit durian | diameter | 1 – 2 mm | ||||
| berat jenis | 0,386 kg/l | |||||
| karbon aktif tempurung kelapa | diameter | 1 – 2 mm | ||||
| berat jenis | 0,642 kg/l | |||||
| pasir | diameter | 0,5 – 1,5 mm | ||||
| berat jenis | 1,465 kg/l | |||||
Metoda sampling yang digunakan pada penelitian ini adalah grab sample yaitu pengambilan sampel langsung dari satu titik tertentu. Sampel diambil pada keran inlet di dasar reaktor dan keran outlet pada ketinggian satu meter setiap lima jam sekali. Parameter yang dianalisis pada penelitian ini yaitu besi dan zat organik.
Data yang diperoleh dari hasil analisa laboratorium akan diolah untuk mengetahui efisiensi penyisihan oleh reaktor filtrasi. Menurut Huang, et.al, persentase penyisihan konsentrasi besi dan zat organik dihitung dengan menggunakan Persamaan (1).
(1)
Keterangan :
η = efisiensi penyisihan (%) Ci = konsentrasi influen (mg/l) Ce = konsentrasi efluen (mg/l)
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakteristik Air Tanah
Pengambilan air tanah dan uji karakterisasi dilakukan pada tanggal 15 Juni 2012. Air tanah yang digunakan dalam penelitian berasal dari air pompa jet milik penduduk. Air yang keluar dari pompa jet awalnya tidak berwarna dan tidak berbau, akan tetapi memiliki rasa yang amis. Setelah beberapa menit didiamkan, air tanah akan berubah warna menjadi kuning dan terlihat keruh. Berdasarkan wawancara dengan penduduk sekitar, air tersebut dapat menimbulkan noda terhadap pakaian yang dicuci, karat pada peralatan makan yang dicuci, dan rasa yang tidak enak apabila diminum. Oleh karena itu, air yang keluar dari pompa jet umumnya hanya digunakan untuk mandi dan berwudlu. Diperkirakan permasalahan ini disebabkan oleh tingginya kandungan besi dalam air tanah tersebut. Karakteristik air tanah serta pengukuran besi dan zat organik di Jalan Caringin Kelurahan Babakan Kecamatan Babakan Ciparay Kota Bandung ditampilkan dalam Tabel 2 dan Tabel 3.
Tabel 2 Karakteristik air baku
| Parameter | Satuan | Baku Mutu* | Nilai | Keterangan |
|---|---|---|---|---|
| pH | - | 6,5-8,5 | 7,89 | memenuhi |
| Temperatur | °C | normal | 26,5 | memenuhi |
| Residu terlarut | mg/l | 1000 | 750 | memenuhi |
| Residu tersuspensi | mg/l | 50 | 37 | memenuhi |
| Klorida | mg/l | 600 | 113.6585 | memenuhi |
| Besi | mg/l | - | 4,6929 | tidak memenuhi |
| Mangan | mg/l | - | 0,6906 | tidak memenuhi |
*Baku Mutu Kelas 2 sesuai PP No.82 Tahun 2001
Tabel 3 Konsentrasi besi dan zat organik pada air baku
| Parameter | Satuan | Nilai |
|---|---|---|
| Fetotal | mg/l | 4,693 |
| Fe2+ | mg/l | 3,654 |
| Fe3+ | mg/l | 1,039 |
| Zat organik | mg/l KMnO4 | 19,354 |
Hasil pengukuran di atas menunjukkan bahwa kandungan besi yang terkandung dalam air tanah sebagian besar berada dalam bentuk besi(II) karena ion besi ini belum mengalami oksidasi menjadi besi(III). Konsentrasi zat organik pada air tanah memiliki nilai 19,354 mg/l KMnO4.
Karakteristik Karbon Aktif
Karbon aktif yang digunakan dalam penelitian terdiri atas empat jenis, yaitu karbon aktif kulit durian, karbon aktif kulit durian yang diaktivasi secara kimia, karbon aktif tempurung kelapa, dan karbon aktif tempurung kelapa yang diaktivasi secara kimia. Karakteristik karbon aktif dapat dilihat pada Tabel 4.
| Parameter | Baku mutu* | Kulit durian | Tempurung kelapa |
|---|---|---|---|
| Berat sebelum pembakaran | - | 18,20 kg | 20,40 kg |
| Berat setelah pembakaran | - | 5,70 kg | 11,90 kg |
| Rendemen | minimum 65% | 31,32% | 58,33% |
| Kadar air | maksimum 10% | 8,23% | 6,30% |
| Kadar abu | maksimum 2.5% | 3,40% | 2,97% |
| Kadar zat terbang | maksimum 25% | 23,00% | 19,00% |
Tabel 4 Karakteristik karbon aktif kulit durian dan tempurung kelapa
Penyisihan Besi dan Zat Organik Pada Reaktor Filtrasi
Pada umumnya air tanah mengandung besi, disebabkan adanya kontak langsung antara air tersebut dengan lapisan tanah yang mengandung besi. Adanya besi dalam jumlah yang berlebih dalam air tanah dapat menimbulkan berbagai masalah, di antaranya: tidak enaknya rasa air minum, menimbulkan endapan, dan menambah kekeruhan (Sawyer, 1994).
Keberadaan zat organik dalam air menimbulkan warna dan bau serta dapat membantu pertumbuhan bakteri. Senyawa humus di dalam air akan menimbulkan senyawa trihalometan setelah klorinasi. Telah diketahui bahwa senyawa trihalometan bersifat karsinogenik. Oleh karena itu, senyawa organik harus sedapat mungkin disisihkan pada pengolahan air terutama dengan proses kimia (Camel & Bermond, 1998).
Berdasarkan penelitian, konsentrasi besi dan zat organik pada air tanah sebelum dan selesai diolah menggunakan reaktor filtrasi cepat dengan empat jenis media dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3. Nilai rata-rata efisiensi penyisihan pada keempat media ditampilkan pada Gambar 4.
Pada air yang tidak mengandung oksigen seperti air tanah, besi berada sebagai Fe<sup>2+</sup> yang dapat terlarut. Namun, adanya rentang waktu antara pengambilan air baku hingga percobaan menyebabkan air baku sempat mengalami kontak dengan udara sehingga Fe<sup>2+</sup> teroksidasi menjadi Fe<sup>3+</sup>. Fe<sup>3+</sup> terlarut dapat pula berubah wujud menjadi ferihidroksida (Fe(OH)3), salah satu jenis oksida yang dapat mengendap. Demikian dalam percobaan ini, besi dalam air baku berada sebagai Fe<sup>2+</sup> terlarut, Fe<sup>3+</sup> terlarut, dan Fe<sup>3+</sup> berbentuk koloidal.
*Baku Mutu sesuai Standar Industri Indonesia (SII) No.0258-79
Notasi media karbon aktif untuk Gambar 2 dan Gambar 3. A = Kulit durian C = Tempurung kelapaB = Kulit durian dengan aktivasi kimia D = Tempurung kelapa dengan aktivasi kimia 10 Konsentrasi (mg/l) Konsentrasi (mg/l) 8 60% 8 60% (%) Efisinsi (% 6 40% 6 Efisiensi 4 20% 4 20% 2 0% 2 0 -20% 35 5 10 15 20 25 30 35 5 10 15 20 25 30 Inlet A Efisiensi A Inlet B Outlet B Efisiensi B Outlet A 80% 10 80% Konentrasi (mg/l) Konsentrasi (mg/l) 8 8 60% Efisiensi (%) Efisiensi (%) 6 6 40% 4 4 20% 20% 2 2 0% 0 -20% 25 15 20 25 5 10 15 20 30 35 10 30 35 Outlet C Efisiensi C Inlet D Outlet D Efisiensi D Gambar 2. Konsentrasi dan penyisihan besi 100% 100% Konsentrasi (mg/l) Konsentrasi (mg/l) 60 Efisiensi (%) Efisiensi (%) 60% 60% 40 40% 20 20 20% 20% 0 0 5 10 15 20 25 30 35 5 10 15 20 25 30 35
Gambar 3. Konsentrasi dan efisiensi penyisihan zat organik
Notasi media karbon aktif
A = Kulit durian C = Tempurung kelapa
B = Kulit durian dengan aktivasi kimia D = Tempurung kelapa dengan aktivasi kimia
Gambar 4. Nilai rata-rata efisiensi penyisihan (a) besi, (b) zat organik
Dalam proses penyisihan Fe, mekanisme yang banyak berperan adalah adsorpsi. Berdasarkan percobaan, reaktor yang memiliki kemampuan menyisihkan besi sesuai urutan terbaik hingga terburuk adalah media D, media B, media C, kemudian media A.
Salah satu jenis ikatan inter-molekular adalah ikatan Van der Waals, yang memiliki definisi gaya tarik antar molekul akibat tarikan dipol-dipol. Molekul dipolar cenderung untuk bergabung dengan molekul tetangganya, hingga kutub negatif suatu molekul mendekati kutub positif molekul lainnya (Martin et.al, 1990). Adsorpsi yang terjadi pada karbon aktif merupakan adsorpsi fisik yang disebabkan oleh adanya ikatan tersebut.
Karbon aktif terdiri atas karbon yang memiliki muatan netral. Muatan netral berarti mengandung muatan negatif dan muatan positif dalam jumlah yang seimbang. Konsentrasi Fe pada penelitian terdiri atas Fe 2+ dan Fe3+ terlarut yang memiliki muatan positif. Berdasarkan prinsip ikatan Van der Waals, muatan positif yang dimiliki oleh Fe akan berikatan dengan muatan negatif pada karbon aktif. Sedangkan Fe(OH)3 tersisihkan melalui penyaringan secara mekanis. Prinsip yang sama berlaku untuk dengan zat organik. Zat organik yang memiliki muatan negatif akan berikatan dengan muatan positif dari karbon aktif, sedangkan zat organic yang memiliki muatan positif akan berikatan dengan muatan negatif dari karbon aktif.
Karbon aktif merupakan arang yang telah diaktivasi, bertujuan untuk memperbesar rongga atau pori-pori sehingga turut memperbesar luas permukaan adsorben. Arang yang telah diaktivasi dari kedua bahan baku (tempurung kelapa dan kulit durian) memiliki persentase penyisihan Fe dan zat organik lebih baik daripada arang yang tidak diaktivasi untuk masing- masing bahan dasar. Sesuai dengan percobaan, semakin luas permukaan adsorben maka semakin banyak Fe dan zat organik yang dapat diadsorpsi. Hal ini menyebabkan persentase penyisihan Fe dan zat organik semakin besar. Sebaliknya, arang yang tidak diaktivasi memiliki luas permukaan terbatas sehingga konsentrasi Fe dan zat organik yang teradsorpsi lebih sedikit.
Pengaruh Pencucian Terhadap Besi Dan Zat Organik
Filtrasi cepat memungkinkan terjadinya clogging dalam waktu yang relatif cepat. Dalam bukunya, Fair & Gayer menyebutkan bahwa lama waktu pengoperasian saringan pasir cepat sebelum mencapai clogging berkisar antara 12 hingga 72 jam. Waktu yang diperlukan reaktor filtrasi cepat dalam percobaan untuk mencapai clogging dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4 menunjukkan bahwa reaktor A, B, dan C mengalami waktu clogging pada jam ke-25 setelah pengoperasian sedangkan reaktor D mengalami waktu clogging pada jam ke30 setelah pengoperasian. Waktu clogging dalam percobaan ditandai dengan tidak naiknya permukaan air sehingga batas ketinggian yang ditentukan tidak terlewati.
Gambar 5. Waktu backwash pada penyisihan: (a) besi, (b) zat organik
- Pengaruh pencucian terhadap besi
Sesaat sebelum pencucian dilaksanakan, reaktor A memiliki nilai efisiensi penyisihan besi sebesar 5,214%, reaktor B sebesar 17,739%, reaktor C sebesar 21,349%, dan reaktor D sebesar 13,734%. Setelah dilakukan pencucian, nilai efisiensi penyisihan besi pada reaktor B naik menjadi 48,716% dan reaktor D 62,262%. Sedangkan nilai efisiensi penyisihan pada reaktor A turun menjadi -2,286% dan reaktor C turun menjadi -2,488%.
Secara teoritis, usai dilaksanakan pencucian seharusnya nilai efisiensi penyisihan meningkat karena molekul-molekul yang tertahan dalam media terbuang bersama air pencucian. Air yang digunakan untuk pencucian merupakan air terolah yang tertampung dalam reaktor kemudian ditambahkan dengan air bersih apabila dirasa kurang.
Ketidaksesuaian penurunan nilai efisiensi dapat disebabkan oleh ion Fe 2+ dan Fe3+ terlarut yang terkandung dalam air terolah belum sepenuhnya tercuci. Keberadaan kedua jenis ini sulit dideteksi karena keduanya tidak berwarna, berbeda dengan Fe(OH)3 dapat dilihat secara kasat mata karena menimbulkan warna endapan kemerahan. Air pencucian yang keluar pada saat-saat terakhir memiliki warna bening sehingga tidak dapat dipastikan bahwa konsentrasi besi di dalamnya telah dibuang.
Diketahui bahwa kedua jenis media yang mengalami penurunan nilai efisiensi setelah pencucian merupakan arang yang tidak diaktivasi. Berdasarkan Gambar 5, penyisihan karbon yang tidak diaktivasi (reaktor A dan C) memiliki kecenderungan nilai efisiensi yang lebih kecil dibandingkan dengan karbon yang telah diaktivasi (reaktor B dan D). Maka, diperkirakan air terolah yang tertampung di atas media masih memiliki kandungan Fe yang banyak. Ketika pencucian dilakukan menggunakan air terolah, konsentrasi Fe yang belum teradsorpsi kemudian mengalami adsorpsi pada kondisi aliran downflow. Hal ini menyebabkan konsentrasi besi setelah mengalami pencucian justru meningkat
- Pengaruh pencucian terhadap zat organik
Sesaat sebelum pencucian dilaksanakan, reaktor A memiliki nilai efisiensi penyisihan zat organik sebesar 0%, reaktor B sebesar 9,091%, reaktor C sebesar 0,990%, dan reaktor D sebesar 0%. Setelah dilakukan pencucian, nilai efisiensi penyisihan besi reaktor A naik menjadi 22,992%, reaktor B 37,636%, reaktor C 34,653%, dan reaktor D 50,980%.
Efisiensi keempat jenis media setelah dilakukan pencucian pada masing-masing reaktor menunjukkan nilai yang lebih kecil dibandingkan dengan efisiensi penyisihan pada kondisi awal:
- 37,600% menjadi 22,992% untuk reaktor A,
- 73,166% menjadi 37,636% untuk reaktor B,
- 53,218% menjadi 34,653% untuk reaktor C,
- 87,578% menjadi 50,980% untuk reaktor D.
Penurunan nilai efisiensi penyisihan zat organik dengan mekanisme utama berupa adsorpsi menunjukkan bahwa kemampuan adsorpsi media semakin berkurang, dalam hal ini arang yang digunakan menjadi semakin jenuh sehingga sampai pada waktu tertentu karbon tersebut harus diregenerasi.
KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian, diperoleh efisiensi penyisihan besi dan zat organik yang berbeda pada keempat jenis media. Urutan media yang memiliki kecenderungan efisiensi penyisihan besi yang terbaik hingga terburuk adalah karbon aktif berbahan dasar:
- 1. Karbon aktif tempurung kelapa
- 2. Karbon aktif kulit durian
- 3. Karbon tempurung kelapa
- 4. Karbon kulit durian
Urutan media yang memiliki kecenderungan efisiensi penyisihan zat organik yang terbaik hingga terburuk adalah karbon aktif berbahan dasar:
- 1. Karbom aktif kulit durian
- 2. Karbon aktif tempurung kelapa
- 3. Karbon tempurung kelapa
- 4. Karbon kulit durian
Penelitian menunjukkan bahwa jenis media yang diaktivasi secara kimia memiliki kemampuan adsorpsi yang lebih baik karena luas permukaan adsorpsi yang dimiliki lebih luas dibandingkan dengan jenis media yang tidak diaktivasi secara kimia.
Karbon aktif berbahan dasar kulit durian dapat menjadi salah satu alternatif media filtrasi karena memiliki kemampuan menyisihkan besi dan zat organik yang terkandung dalam air tanah.
Penerimaan teknologi oleh masyarakat, efektivitas, dan efisiensi penggunaan karbon aktif kulit durian sebagai media filtrasi perlu diteliti lebih lanjut agar dapat diaplikasikan dalam kehidupan sehari-hari.