Pencernaan anaerobic

6-1. Pendahuluan

Istilah anaerobik diterapkan untuk sebuah proses di mana bahan organik diuraikan secara biologis di

lingkungan tanpa oksigen. Dekomposisi hasil dari kegiatan dua kelompok besar bakteri. Satu kelompok, yang

disebut asam-pembentuk, terdiri dari fakultatif bakteri,1 yang terdapat juga dalam banyak lingkungan aerobik

dan di sebuah lingkungan anaerobik, mengkonversi karbohidrat, lemak dan protein untuk asam organik dan

alkohol diproduksi oleh pembentuk asam metana dan karbon dioksida. Beberapa bahan organik seperti lignin

cukup tahan terhadap aktivitas kedua kelompok dan melewati proses yang relatif tidak berubah. Peran populasi

predator di anaerobik dianggap kecil dibandingkan dengan proses aerobik. Diskusi rinci biokimia Biogas dapat

ditemukan di tempat lain.2

6-2 Proses Ideal

Pencernaan Anaerobik seperti yang diterapkan di masa lalu telah jauh dari proses di mana semua faktor

mempengaruhi pencernaan yang optimal.

Namun, untuk campuran pemahaman yang inovasi terbaru dan perkembangan masa depan dalam

pencernaan, hal ini membantu untuk mempertimbangkan proses yang ideal. Dengan persamaan stoikiometri

untuk proses yang ideal dapat ditulis sebagai berikut

CaHbOcNd nCwHzOYNZ + mCH4 + SCO2 + rH2O + ( d – nz) NH3

Where s = a – nw – m

r = c – ny- 2s

1Bakteri yang memiliki kemampuan untuk hidup dan tumbuh baik dikehadiran dan dalam ketiadaan oksigen bebas

2Mccabe dan w.w. Eckenfelder, jr. Pengobatan limbah biologis dan limbah industri, vol. II. Dan anaerobik digestion solids-liquid pemisahan, rein-hold, new york. 1958

Ketentuan CaHbOcNd and CwHxOyNz mewakili, pada dasar mol empiris, komposisi dari bahan organik

dimula dan di akhir dari proses pencernaan. Gas metana, karbon dioksida, dan ammonia adalah produk gas dari

proses tersebut. Dalam proses sebenarnya, gas-gas ini kira-kira 95 sampai 98 % merupakan gas yang

berevolusi. Volume sisanya adalah hidrogen sulfida dan hidrogen. Sisa zat organik, CwHxOyNz sering sama

dengan komposisi dan karakteristik dari material kompos.

Panas yang dilepaskan dalam proses ini adalah sama dengan perbedaan antara panas dari pembakaran

bahan inisial dan jumlah panas pembakaran pada produk. Panas pembakaran dapat diperkirakan dengan

menggunakan persamaan 4-5 dan 4-6.

Suhu diberikan efek mendalam pada anaerobik. Perhatian diarahkan pada gambar 6-1 dimana waktu

dibutuhkan untuk pencernaan diplot sebagai sebuah fungsi suhu. Nilai ordinat dihilangkan sejak periode

pencernaan dipengaruhi oleh faktor lainnya.

Gambar 6-1. Waktu yang diperlukan untuk pencernaan

Kurva tersebut menggambarkan kisaran dua temperature. Kisaran mesophilik meluas hingga 110o F dan

menunjukkan nilai minimum sekitar 95o sampai 100 oF. Kisaran thermophilik melampaui 110 oF dam nilai

minimum 130 oF. Perlu di catat bahwa percernaan lebih cepat pada thermophilik optimal dari pada nilai

optimum di kisaran mesophilik.

Proses yang ideal akan terjadi dalam system aliran kontinyu sesuai dengan model yang tercampur

sepenuhnya. System akan terkandung oksigen dalam vessel yang tertutup tanpa terkecuali dan produk gas akan

hilang saat saat mereka terbentu. suhu dan kondisi lingkungan akan dioptimalkan untuk proses.

Konsumsi terus menerus dengan organik yang digunakan oleh mikroorganisme di peruntukkan untuk

energi dan pertumbuhan. tingkat pengenceran (timbal-balik waktu retensi) akan disimpan sedikit untuk

mencegah bakteri metana lebih lambat tumbuh akan dibersihkan dari sistem. Efluen pindahan dari sistem akan

memiliki komposisi yang sama seperti isi sistem yang akan terdiri dari organics yang belum terasimilasi,

produk organik dan anorganik dan mikroorganisme. Proses yang ideal akan menyediakan (1) cepat dan

penyebaran penuh dari influent organics di seluruh vessel, (2) kemungkinan kontak yang optimal antara

organics dan mikroorganisme, dan (3) mempunyai waktu yang cukup untuk menetapkan keseimbangan antara

aktivitas metabolisme dari dua kelompok bakteri yang terlibat dalam proses. Yang paling kinetika ideal dari

proses anaerobik digestion harus mengikuti hubungan yang sama yang dikembangkan di bagian 2-5 untuk

benar-benar dicampur proses aerob.

Tingkat standar pengendapan telah memiliki penerapan yang luas di pengolahan air buangan dimana hal

itu digunakan untuk mengendapkan lumpur yang berupa padatan yang terpisah dari air buangan, lumpur

trickling filter, dan limbah lumpur aktif. Umumnya, proses dilakukan dalam tangki tertutup pada temperatur

mulai dari 85 hingga 95 F. Standar-tingkat pengendapan tergantung dari proses ideal bahwa sedikit ketentuan

dibuat untuk pencampuran. Sebagai hasilnya, organik influent terkonsentrasi secara lokal pada titik dalam

tangki dan kontak dengan populasi mikroorganisme yang dibatasi. Selain itu, debit tidak kontinyu dan bagian-

bagian dari volume tangki diduduki oleh bahan yang bukan dalam tahap aktif pengendapan.

Berdasarkan yang ditunjukkan Gambar 6-2, dimana stratifikasi yang ada dalam unit standar-tingkat

pencernaan konvensional digambarkan. Lumpur berada pada dua atau tiga poin di pengendap segera naik ke

lapisan sampah dan menjadi bagian dari itu. Di sini organik mengalami dekomposisi-awal.

Posisi dan banyak gas yang dihasilkan dalam proses pelepasan. Sebagai hasil dekomposisi, padatan

sebagian membusuk jatuh ke dasar tangki dan membangun lapisan pencerna dan padatan dicerna. Volume

antara lapisan sampah dan lapisan lumpur ditempati oleh cairan supernatan dengan konsentrasi tinggi bahan

terlarut dan tersuspensi. Yang terakhir akan dihapus secara periodik untuk unit lain untuk perawatan lebih

lanjut.

Waktu retensi yang diperlukan untuk mempengaruhi tingkat diberikan pengurangan padatan volatil

telah ditemukan menjadi fungsi dari rasio padatan volatil ke padatan tetap. Hubungan disajikan secara grafis

pada Gambar 6-3. Kurva ini didirikan atas dasar data operasional dikumpulkan di hampir 50 pabrik pengolahan

limbah menggunakan standar-tingkat pencernaan. Untuk waktu retensi kurang dari 15 hari, pencernaan tidak

seimbang menjadi mapan dalam proses angka standar dan penurunan kecil dalam padatan volatil terjadi.

Selama periode pencernaan, lumpur menjadi lebih terkonsentrasi sebagai supernatan yang memisahkan

dari padatan. Untuk ekonomi yang lebih besar dari kapasitas pencernaan, supernatan ditarik sering selama

proses.

PENCERNAAN ANAEROBIK

Penurunan volume lumpur dengan waktu muncul untuk mengikuti hubungan parabolik dalam kondisi

melaui proses, aliran volume di katakan instant akan terdiri volume tambahan pada penambahan-penambahan

harian memiliki periode retensi mulai dari satu hari ke hari selanjutnya merupakan periode retensi nominal.

tV = ∑ ν (6-2) T - l

Dimana V = volume gester, ft3

t = Periode pencernaan, hari

Ѵ = Volume terisi oleh pertambahan harian ke lumpur, ft3

Komposisi volume di ilustrasikan pada gambar 6-4, dari gambar tersebut jelas bahwa kebutuhan

kapasitas untuk digester angka standar dapat dinyatakan

V = { ѵ + 1/3(ѵ0 – ѵt)} t (6-3)

Dimana ѵ0 dan ѵt = volume yang di tempati oleh pertambahan harian kelumpur, pada awalnya dan pada

akhir periode retensi.

Gambar (6-3). Reduksi dalam padatan lumpur baku untuk retensi 15 – 70 hari T = 85 hingga 95 0F. setelah

gambar 4, R.S. Rankin. “pensyaratan kapasitas aliran.” karya jurnal Limbah, 20 (1948), 478.

GAMBAR 6-4. Volume komposisi untuk rata-rata standar pencerna

Volume akresi harian untuk lumpur dapat dihitung dengan

v = vs + vw = + (6-4)

dimana vs dan vw = volume yang ditempati oleh padat dan air, masing-masing, ft3

= berat akresi harian untuk lumpur, lb/hari

s = gravitasi spesifik padatan

= berat iraction padatan dalam lumpur

= kepadatan air, lb/ft2

Spesifik gravitasi padatan dapat diperkirakan dari :

(6-5)

Dimana sv dan sf = gravitasi spesifik dari volatile dan tetap padatan masing-masing

p = persen padatan yang mudah menguap, dinyatakan sebagai decimal

Ketika suhu 85 hingga 95˚F dipertahankan dalam digester, waktu penyimpanan 30 hingga 50 hari

biasanya diperbolehkan untuk pencernaan lumpur dari limbah. domestik Lembaga regulator sering

membutuhkan kapasitas pencernaan tingkat standar unit berdasarkan pada tunjangan per kapita.

Contoh 6-1

Lumpur yang terdiri dari empat persen padat dan 96 persen air untuk dicerna selama 30 hari dalam proses

standar-tingkat. Padatan ini awalnya menguap 70 persen (gravitasi spesifik = 1.0) dan 30 persen tetap (gravitasi

spesifik = 2,5). Jika lumpur ditarik dari digester diharapkan mengandung 8 persen padatan, perkirakan kapasitas

tangki yang diperlukan berdasarkan 1000 lb padatan kering yang diperkenalkan untuk proses sehari-hari.

Penyelesaian

1. Dari gambar 6-3, pengurangan padatan stabil untuk waktu retensi 30 hari ditemukan 30 persen.

2. Dari persamaan 6-3, spesifik grafitasinya adalah

Padatan belum tercerna, s = = 1.2

Padatan tercerna, s = = 1.4

3. Dari persamaan 6-4, volume lumpur awalnya dan akhir pencernaan yaitu

v₀

vt

4. Menghitung kapasitas digester dengan persamaan 6-3 V6-4. Tinggi Tingkat Pencernaan

Tinggi tingkat pencernaan menggabungkan fitur-fitur utama dari proses yang ideal. Lumpur baku

diumpankan ke proses terus menerus atau pada interval yang sering, dan isi dari digester diselenggarakan dalam

keadaan campuran dengan cara agitasi kuat. Limbah dari proses terdiri dari campuran cairan keras yang

dipindahkan dari digester oleh lumpur influen. Suhu optimal umumnya dipelihara pada mesofilik, yaitu, pada

90 sampai 95 ° F.

Tinggi tingkat waktu retensi proses adalah antara 10 sampai 15 hari. Pengurangan padatan volatile yang

diharapkan untuk periode ini ditunjukkan dalam gambar 6-5. Kebutuhan kapasitas dikurangi dengan penebalan

pra lumpur influen. Namun, ketika lumpur influen terkonsentrasi di luar konsentrasi padatan β persen, fluiditas

isi digester menurun sampai batas di mana sulit untuk mempertahankan pencampuran yang tepat. Pencampuran

dicapai dalam beberapa cara yang berbeda: dengan agitator mekanik, oleh difusi gas diresirkulasi, dan oleh gas-

angkat pompa. Efluen dari proses yang tinggi-tingkat seringkali dibuang ke tangki kedua di mana supernatan

diperbolehkan untuk memisahkan dari padatan dicerna sebelum pembuangan yang kedua.

GAMBAR 6-5. Expented kehancuran solide volatil selama tinggi tingkat pencernaan. Setelah Gambar. .8, C.N.

Sawyer dan J.S. Grumbling, "Fundamental Consinderations in High-Rate Disgestion," Proceedings, ASCE, 86,

No SA2 (Maret 1960)

Aktivitas larutan ini terkait dengan konsentrasi oleh

dimana c = konsentrasi, gram mol/liter

γ = koefisien aktivitas

Nilai koefisien aktivitas untuk sebagia besar larutan non elektrolit mendekati persatuan. Unuk larutan elektrolit, koefisien aktivitas dapat didekati dengan menggunaan persamaan1

dimana z = besarnya muatan ion

= Kekuatan ionik

Persamaan 7-4 memegang peranan untuk larutan dengan kekuatan ionik sampai 0,1 dan suhu yang berkisar dari 0 hingga 40 o C. Sehingga persamaan untuk muatan 8 ion yang berbeda disajikan dalam gambar 7-1.

Kekuatan ionik,

GAMBAR 7-1. Koefisien aktivitas sebagai fungsi dari kekuatan ionik (persamaan 7-4). Dari gambar 18-1 GM Fair dan JC Geyer, suplai air dan pembuangan air limbah, john wiley, New York, 1954, p.468.

Perubahan gaya kesetimbangan digunakan untuk menggambarkan hubungan kelarutan garam terlarut. Sebagai contoh, perhatikan kesetimbangan yang ada di solusi jenuh antara garam larut, Bm, Am, dan ion lainnya.

BmAm(solid) mB+ + nA-

(7-12)Aktivitas garam terlarut dianggap konstan dan gaya kesetimbangan ditulis

[B+]m[A-]m = K[BmAm]solid = Ka

(7-13)Di mana Ka = kegiatan kelarutan produk.

Ketika konsentrasi digunakan dalam gaya kesetimbangan, konsentrasi kesetimbangan konstan diganti untuk konstanta kesetimbangan aktivitas.

(7-14)Dimana K’ = konsentrasi kesetimbangan konstan.

7.2 Karbonat Equilibria

Karbonat equilibria biasanya ditemukan pada perairan alami yang disajikan dalam gambar 7-2, bersama dengan gaya keseimbangan pada suhu 25oC. Hal ini berarti bahwa equilibria saling berhubungan dengan aktivitas ion hydrogen yang terlibat langsung dalam tiga equilibria dan tidak langsung dalam dua equilibria. Efek pada pH (logaritma timbal-balik dari aktivitas ion hidrogen, pada mol per liter) didasarkan aktivitas ion-ion hidroksil, OH-, ion karbonat normal, CO3-, ion hicarbonate, HCO3-, dan karbon dioksida, H2CO3, atau CO2, yang digambarkan dalam gambar 7-3 pada hlm 94.

Efek bahwa pH memiliki kelarutan CaCO3 (kesetimbangan 4 dalam gambar 7-2) dapat dirumuskan sebagai berikut: pada nilai pH di atas 6.5, titratable karbonat alkalinitas terdiri dari jumlah konsentrasi bikarbonat, karbonat normal, dan ion-ion hidroksil.

A = [HCO3-] + [CO3

-] + [OH-](7-15)

Dimana konsentrasi diekspresikan dalam gram miliequivalen per liter ( g m/liter ).Untuk pH yang kurang dari 9.5, konsentrasi ion hidroksil dapat diabaikan. Dan diganti dengan

menggantikan konsentrasi ion bikarbonat dengan gaya kesetimbangan untuk disosiasi (lihat gambar 7-2).

(7-16)

Persamaan pada 25 o C

1. [H+] [OH-] = Kw = 1.00 x 10-14

2. = K1 = 4.45 x 10-7

3. = K2 = 4.69 x 10 -11

4. [ Ca ++] [ CO3=] = Ko= 4.82 x 10-9

5. [ Mg ++] [ CO3] = Ke = 1x 10-4

Gambar 7-2. Persamaan karbonat pada kondisi jenuh air dengan CaCO3,MgCO3,CO2.

Dimana (2x103K’z) adalah konsentrasi ion konstan, ketika konsentrasi ionic diekspresikan dalam miliequivalen per liter.

Dengan mensubstitusikan persamaan untuk larutan CaCO3 konsentrasi normal karbonat dalam bentuk persamaan 7-16.

(7-17)

Dimana (4x106 K’a ) adalah hasil konsentrasi larutan ketika konsentrasi ionik dalam miliequivalent per liter.

pH0 = 6,301 + log (K0 / K1) – log [A] – log [Ca++] + S (7-20)

dimana (7-21)

Jika komposisi ionik air dikenal istilah S, yang umumnya disebut istilah kadar garam, maka dapat

dievaluasi dengan menggunakan persamaan 7-3. Ketika komposisi tersebut tidak diketahui dan padatan terlarut

konten adalah kurang dari 500 mg/liter, kekuatan ionik, dapat diperkirakan dengan hubungan empiris.

µ = 2,5 X 10-2c0 (7-22)

dimana c0 = Konsentrasi Padatan terlarut , mg/liter

Persamaan 7-21 dan 7-22 telah digabungkan untuk membangun hubungan yang disajikan di kurva 7-4.

Kurva ini dapat digunakan untuk memfasilitasi estimasi dari s.

Kurva 7-4 Salinitas Sebagai Fungsi dari Konsentrasi Larutan Padat

Dari persamaan 7-14, konsentrasi kelarutan produknya adalah K01 = K0 / ( yC0

++) (yCO4-). Mengambil

logaritma dari kedua sisi persamaan, log K01 – log K0 – log (y C0

++) - log (TCO4-) .

Menurut persamaan 7-4, untuk kedua ion kalsium dan karbonat normal ion . Melalui substitusi ,

log K01 = log K0 + . Begitu juga, , log K1

1 – log K1 + . Sehingga, log (K01 / K1

1) - ( Log K0 + )

– (Log K1 + ) – log (K0 / K1) + .

3 G. M. Fair and J. C. Geyer, op. cil.

Pengaruh suhu pada keseimbangan konstan untuk air, asam karbonat dan kalsium karbonat ditampilkan

dalam gambar 7-5.

Nilai pH adalah ph dimana air akan berada dalam kesetimbangan sehubungan dengan keadaan karbonat

normal, bikarbonat, dan karbon dioksida yang terjadi dalam larutan. Air pada pH ini tidak akan berkurang atau

lebih menghilangkan CaCo3. Konsentrasi ion kalsium dan alkalinitas dapat ditentukan menggunakan prosedur

standar titrasi. Gravimetrik dan prosedur konduktivitas dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi larutan

padat.

Perbedaan ukuran antara pH pada air dengan suatu pH, disebut sebagai suatu penunjuk yang sesuai.4

Kurva 7-5 Variasi dari Keseimbangan Konstan Dengan Suhu4. W. F. Langelier. “The Analytical Control of Anticorrossion Water Treatment”, Journal American Water

Works Association, 28 (1936), 1500 – 1521.

Sebuah Indeks kejenuhan positif merupakan indikasi bahwa air jenuh dengan CaCO2, sedangkan nilai

negatif menunjukkan bahwa air tidak jenuh dan akan cenderung untuk lebih membubarkan CaCO2. Sebuah

Indeks kejenuhan sama dengan nol menunjukkan bahwa air berada dalam kesetimbangan dengan CaCO2 padat.

Indeks Kejenuhan hanyalah bersifat kualitatif dan bukan merupakan ukuran kapasitas.

Contoh 7-1

Sebuah analisis laboratorium air menghasilkan informasi sebagai berikut :

Total padatan terlarut 140 mg / liter

konsentrasi ion Kalsium 1,4 g me / liter

Jumlah Alkalinitas karbonat 0,4 g me / liter

Suhu 20 ° C

pH 6,8

Menentukan apakah air tidak jenuh atau jenuh sehubungan dengan kalsium karbonat dalam penyelesaian.

Penyelesaian

1. Dari Angka 7-2 dan 7-5, K0 dan K3 pada 20 ° C

K0 = 4.82 x 10-9 (1.10) = 5,30 x 10-9

K3 = 4.69 x 10-11 (0,90) = 4.21 x 10-11

2. Dari Angka 7-4 untuk c0 = 140 mg / liter, S = 0,11

3. penyelesaian Persamaan 7-20

pH0 = 6,301 log (5,30 x 10-9/4.21 x 10-11) - log (0,4) - log (1.4) 0,11 = 8,9

4. Pemecahan untuk Indeks kejenuhan (Persamaan 7-23),

I = pH - pH0 = 6,8-8,9 = -2.1

Karena I memiliki nilai negatif, air tidak jenuh sehubungan dengan kalsium karbonat.

7-3. Karbonasi dan Dekarbonasi

Stabilisasi air dicapai baik dengan menambahkan atau menghilangkan karbon dioksida. Jumlah yang akan

ditambahkan atau dihapus, bisa diperkirakan dari hubungan yang dikembangkan sebagai berikut.

Melalui substitusi, Persamaan 7-15

2 x 103 K3`[HCO3-]

[A] = [HCO3-] + + [OH-] (7-24)

[H+]

103K1`[H3CO3] 2 x 104K1`K3`[H3CO3]

= + + [OH-] (7-25)

[H+] [H+]3

Dimanakonsentrasidinyatakan dalammillequivalentsgramper liter.

PadanilaipHkurang dari9,5, konsentrasiionhyfroxyldapatdiabaikan. Denganmenata ulangpersamaan7-25,

H2CO3 = [A][

10³ KY + 2 X K1 K2/[ ] (7-30)

DalamrentangpHyang sama,2istilah2 X K1 K2 / [ ]dapatdiabaikanjuga,dan

[H1CO3] = [A] [ ]

K1 (7-31)

kelebihan karbon dioksidadalam airadalah sama denganperbedaan antarakonsentrasiaktualkarbon

dioksidadankonsentrasi yang dibutuhkanuntuk stabilitasair, atau

[H2CO3] = [H2CO3] – [H2CO3]saturation (7-32)

= [A] [ ]– [A] [ ]

K K1 (7-30)

DariPersamaan7-18,

[ ] = 2 X K1 [A][ ]

4 X K1

Dimana [ dinyatakan dalammillequivalentsgramper liter.PergantianPersamaan7-347-33dalamhasil

[H2CO3] = [A] [ ] – K1 [A][ ]

2 x K1

Istilahsemua konsentrasidalam Persamaan7-35dalam satuanmillequialentsgramper liter. Sebuahtanda

negatifuntuk jangka[H2CO3] menunjukkan bahwaairjenuhsehubungan dengankalsium karbonat. Bilademikian

halnya, nilai[H2CO3] mendirikanpeningkatan konsentrasikarbon dioksidayang dibutuhkanuntuk membawaair

keequilibrum.

SolusidariPersamaan7-35tergantung padapengetahuan tentangalkalinitaskarbonattotal,konsentrasi ionkalsium,

pH, total konsentrasi padatan, dansuhu air. KonversiDarinilaiPhkonsentrasiion hidrogendibuatlebih

nyamandengan menggunakanGambar7-6. Harusditekankanbahwa penggunaanPersamaan7-20dan7-35hanya

berlakudalam rentangPhdari6,5-9,5

7-2CONTOH

Tentukan berapa banyakkarbon dioksidaharus dihilangkan dariair

GAMBAR 7-6. Konsentrasi ion hidrogen sebagai fungsi dari pH.

Dibahas dalam Contoh 7-1 untuk menstabilkan dengan kalsium karbonat dalam larutan.

Solusi

1. Dari Persamaan 7-22, perkiraan kekuatan ionikadalah

2. Dari Gambar 7-2 dan 7-5, koreksi untuk suhu dibuat.

3. Dari Catatan kaki 2, penyesuaian untuk kekuatan ion sebagai berikut:

Demikian pula

4. Penyelesaian persamaan 7-35

7-4 Mekanisme Korosi

Faktor-faktor yang mempengaruhi korosi sangat banyakdan kompleks. Untuk alasan ini, pengendalian korosi yang efektif oleh engineer tergantung, dalam seberapa besar, pada pengetahuannya tentang mekanisme proseskorosi.

Logam korosit merupakan akibat dari aktivitas sel-sel elektrolitik. Meskipun ada banyak jenis sel elektrolitik, yang dapat menyebabkan korosi, tiga jenis yang utama pentingnya dalam korosi permukaan logam struktur dan perangkat yang digunakan oleh engineer sanitasi1. Ini diilustrasikan pada Gambar7-7.

Sebuah sel terkesan-saat didirikan bila tegangan dikenakan di dua elektroda dari logam yang sama direndam dalam larutan elektrolit.

1 R.Eliassen dan J.C. Lamb, 111, “Mechanism of The Internal Corrosion of Water Pipe,” Journal American Water Works Association, 45 (1953),

1281-1204.

Impressed-current cell

Galvanic cell Differential-aeration cell

Gambar 7-7. Tiga tipe sel elektrolitik dari pentingnya korosi, setiap sel mengandung cairan elektrolite B.A dan oksigen terlarut.

Sebagai arus yang sedang mengalir antara elektroda, reaksi anoda berlangsung di mana logam masuk ke

dalam larutan pada keadaan yang terionisasi.

M x y M z a+ + ne (7-36)

di mana ne mewakili suatu jumlah n elektron yang dilepaskan.

Tingkat di mana logam terlarut dalam air merupakan hal yang proporsional untuk arus yang sedang

mengalir.

Di katoda, ion hidrogen dalam larutan dikurangi oleh elektron menjadi atom hidrogen.

2 H + + 2e 2 H b (7-37)

Jika dibiarkan tetap tidak terganggu, atom hidrogen akan segera membentuk sebuah film pada

permukaan katoda yang akan mempolarisasi elektroda dan menahan pengurangan lebih lanjut dari ion hidrogen.

Namun, pada nilai pH yang kurang dari 4, atom hidrogen akan diubah ke bentuk molekul. Hal tersebut

dilepaskan sebagai gas hidrogen, sehingga mengizinkan reaksi elektroda untuk dilanjutkan.

Polarisasi juga dicegah oleh setiap oksigen terlarut yang ada pada larutan di sekitar katoda. Atom

hidrogen bereaksi dengan oksigen untuk membentuk air.

2 H c + ½ O 2 H 2 O (7-38)

Reaksi di atas merupakan hal yang cukup penting dalam pengontrolan dari banyak masalah korosi yang terjadi.

Karena ion hidrogen direduksi menjadi atom hidrogen, ion-ion hidroksil diproduksi melalui disosiasi

lebih lanjut dari air (sesuai dengan penggambaran ionisasi dalam gambar 7-2). Ion-ion hidroksil kemudian

bergabung dengan ion logam yang dilepaskan pada anoda untuk membentuk larutan hidroksida.

M d e + + n OH - M f (OH)g (7-39)

Jika dua elektroda logam yang berbeda direndam dalam larutan elektrolit dan terhubung bersama-sama

oleh konduktor padat, salah satu logam akan mengionisasi dan berpindah ke dalam larutan. Elektron dirilis oleh

ionisasi akan mengalir melalui konduktor padat ke elektroda lain di mana mereka akan mengurangi ion

hidrogen dari suatu larutan. Sistem seperti ini disebut sel galvanik.

Yang mana elektroda akan larut (korosi) dan, karenanya, bertindak sebagai anoda, dan yang akan

berperilaku sebagai katoda, tergantung pada posisi relatif dari logam elektroda dalam seri galvanik yang

bersangkutan. Sebuah satu seri galvanik yang disajikan dalam tabel 7-1, merupakan serangkaian logam dan

paduan tercantum dalam urutan penurunan kecenderungan untuk berpindah ke dalam larutan. Sebuah elektroda

logam yang terdaftar tinggi dalam seri akan bertindak sebagai anoda ketika dipasangkan dengan elektroda

logam yang muncul lebih rendah dalam seri. Seri Galvanic mungkin agak berbeda tergantung pada lingkungan

tertentu yang bersangkutan. Reaksi elektroda dalam sel galvanik adalah sama dengan yang terjadi dalam sel

saat dilakukan yang kedua kalinya.

Table 7-1 Seri logam galvanic dan campurannya

Anoda (terkorosi) magnesium

campuran magnesium

seng

Aluminium

baja

besi cor

Pelindung - C

lead

timah

nikel

Inconel

perak

Katoda (dilindungi) Graphite

Ketika dua elektroda dari logam yang sama dicelupkan pada suatu larutan elektrolisis dan terhubung

oleh konduktor padat, elektroda pada lingkungan tersebut mengandung banyak oksigen terlarut yang akan

menjadi bersifat katode pada elektroda lain. Bentuk sel pada cara ini adalah perbedaan penamaan-aerasi sel.

Pada sel seperti itu, membuat aliran dari arus menjadi seperti suatu hasil dari pemindahan aliran deras secara

lebih banyak dari polarisasi selaput atom hidrogen dari elektroda yang memiliki akses ke oksigen yang lebih

banyak. Kelambatan elektroda lainnya pada persaingan untuk oksigen dan kekuatan berperan menjadi suatu

anoda. Reaksi elektroda, lagi, sama seperti kejadian pada pengaruh-sel arus.

Sel korosi dari pengaruh-tipe arus selalu membuat permukaan bahan dari logam terbuka untuk arus

elektrik. Sebagai contoh dari tipe sel korosi ini adalah penyediaan dari proyeksi besi air utama, dimana dengan

kurang hati-hatian membantu kembalinya konduktor untuk sejumlah persediaan energi untuk transportasi

elektrik. Bagian dari pipa penerima arus bertindak sebagai katode, dimana hal itu sebagai arus yang pergi dari

pipa membantu sebagai anoda dan corrode. Korosi bagian luar dibeberapa kasus dan tidak mengambil tempat

pada bagian dalam pipa.

Korosi sel dari tipe listrik membuat dua logam tidak cocok berada pada hubungan dengan yang lainnya.

Penyesuaian pipa dari suatu logam berbeda dari tong pipa yang akan menghasilkan sel listrik. Sel dari tipe ini

membantu ketika bahan dari logam hidroksida dihasilkan pada proses peleraian korosi ke bentuk tubercles pada

permukaan dalam suatu pipa besi.

Korosi internal pipa air juga disebabkan oleh pembentukan sel-sel aerasi diferensial. Referensi dibuat

untuk gambar 7-8. Daerah-daerah tertentu dari permukaan internal mungkin memiliki lebih terbatas paparan

oksigen terlarut daripada daerah lainnya dan kemudian menjadi anodik. Daerah-daerah tersebut didirikan pada

tempat-tempat yang dilindungi oleh lubang-lubang, skala pabrik, produk korosi, pertumbuhan biologis, dan

sebagainya. Daerah yang lebih terbuka berfungsi sebagai katoda.

GAMBAR 7-8. Sel korosi pada permukaan interior pipa besi. Setelah gambar 4, R. Eliassen dan J. C. Lamb, III,

"Mekanisme Korosi Internal Pipa Air," J. AWWA, 45 (1953), 1281-1294.

Dari pembahasan sebelumnya, jelas bahwa oksigen terlarut dan pH memberikan pengaruh yang besar

pada korosi. Pada nilai pH kurang dari 4, konsentrasi ion hidrogen merupakan faktor utama dalam pengendalian

korosi-pH rendah, yang grenter laju korosi. Pada nilai pH lebih dari 6, oksigen terlarut (bila ada) menjadi faktor

pengendali. Secara umum, laju korosi meningkat dengan peningkatan kandungan padatan terlarut dari air. Laju

korosi juga meningkat oleh peningkatan suhu Dalam kasus air yang mengalir melalui pipa, telah ditemukan

bahwa korosi dipercepat dengan meningkatkan kecepatan aliran. Efek yang terakhir ini mungkin disebabkan

oleh peningkatan pasokan oksigen yang dihasilkan dari kontak logam dengan volume lebih besar dari air.

7-5. korosi kontrol

Metode kontrol korosi bervariasi dan metode yang dipilih untuk masalah tertentu korosi akan tergantung pada

kenyamanan atau pertimbangan ekonomi. Beberapa masalah korosi dapat dihindari melalui pilihan bahan-bahan yang

bijaksana. Untuk sistem yang sudah ada, beberapa metode pengendalian yang saat ini digunakan.

Kalsium karbonat deposito pelindung

Dalam situasi dimana suhu sistem air tetap relatif konstan, korosi secara efektif dikendalikan oleh

memperlakukan air sehingga lapisan pelindung kalsium carbonats diendapkan atas permukaan logam seluruh sistem.

Sebuah lapisan membentuk penghalang fisik yang membatasi solusi logam dan akses oksigen ke katodik permukaan.

Pengendapan kalsium karbonat dikelola dengan menyesuaikan saturasi dari sebuah indeks air untuk sedikit nilai

positif. Penyesuaian dibuat dengan menambahkan beberapa alkali, umumnya kapur (kalsium hidroksida), atau soda abu

(natrium karbonat). Karena penambahan bahan tersebut melibatkan perubahan pH dengan pH, jumlah yang akan

ditambahkan harus analisis laboratorium ditentukan bentuk. Gambar 7-9 menggambarkan bagaimana data analitis

digunakan.

GAMBAR 7-9. Ilustrasi tentang bagaimana laboratorium data yang digunakan untuk menentukan alkali dosis yang

diperlukan untuk mencapai indeks saturasi sama dengan nol.

Larutan standar alkali ditambahkan dalam beberapa sampel air. PH diukur dan pH dihitung, (persamaan 7-20)

diplot melawan kenaikan larutan alkali ditambahkan. Kurva berpotongan pada titik di mana indeks saturasi sama dengan

nol. Kuantitas alkali pada titik persimpangan mewakili dosis yang diperlukan untuk stabilitas. Jumlah kecil lebih dari

jumlah ini mengamankan diinginkan pengendapan kalsium karbonat.

Deoksigenasi

Seperti telah dibahas dalam bagian 7 - 4, oksigen terlarut memainkan peran penting dalam logam korosi.

Oksigen dalam air bereaksi dengan atom hidrogen film, sehingga depolarizing katodik daerah dan mempercepat proses

korosi. (Lihat persamaan 7 – 38). Setiap proses atau operasi yang akan menghapus oksigen terlarut secara efektif akan

mengubah sifat korosif air.

Oksigen dapat dihilangkan dari air dengan menggunakan bahan kimia atau oleh mekanis. Natrium sulfit memiliki

beberapa aplikasi deoksigenasi air umpan boiler. Reaksi yang berlangsung adalah

2Na₂SO₃ + O₂ → 2Na₂SO₄

Tingkat di mana reaksi berlangsung adalah fungsi dari suhu, pH dan konsentrasi garam. Beberapa perairan alami

muncul untuk mengerahkan efek penghambatan pada tingkat. Memberi makan perangkat yang digunakan yang

menambahkan natrium sulfit dalam proporsi langsung ke laju aliran air.

Vakum deaeration telah menjadi salah satu metode yang paling sukses digunakan untuk deoxygenating

sejumlah besar air dingin. Metode ini terdiri dari mengekspos air di film tipis atau tetesan untuk suasana udara yang

tekanan parsial oksigen cukup rendah. Sering operasi dilakukan di unit yang tertutup, yang disebut deaerator vakum, di

bawah vakum 28 di. Hg. air, diperkenalkan di atas deaerator, jatuh vertikal melalui serangkaian kumpulan serpihan kayu

ke bawah mana dilepas dari unit.

Deoksigenasi kedua dengan cara kimia dan mekanik dibahas secara rinci di tempat lain.1

Penghambat

Senyawa kimia tertentu ketika ditambahkan ke korosif air dalam jumlah kecil akan melayani untuk mengurangi

tingkat korosi. Senyawa tersebut termasuk polyphosphates natrium silikat.

Polyphosphates, seperti natrium tripolyphosphate, natrium hexametaphosphate, dan natrium decaphosphate,

yang secara luas digunakan dalam pengolahan air kotamadya. Bahan ini dari kompleks larut baik dengan besi awalnya

dalam air dan dengan besi yang membubarkan di daerah anodic. Kompleks besi-fosfat mencegah pembentukan

hydroxides larut besi yang bertanggung jawab untuk tuberculation dan “air merah” (lihat persamaan 7-39). Selain

membangun sel-sel galvanik dan diferensial-aerasi, tuberkel besi hidroksida efektif dalam mengurangi kapasitas aliran

pipa. Efek polifosfat dalam konsentrasi yang kecil seperti 2 mg/liter (dosis umum dalam pengolahan air kotamadya) yang

digambarkan dalam gambar 7 – 10.

GAMBAR 7-10. Kehilangan efek polifosfat pengobatan air pada pelajaran gesekan dalam pipa besi. After fig. 141, p. 158,

Betz Handbook of Industrial Water Conditioning, 5t h edition, Betz Laboratories, Inc., Philadelphia, Pa.

Natrium silikat rupanya fungsi dalam cara yang mirip dengan polyphosphates. Namun, senyawa ini jarang

digunakan dalam pengolahan air kotamadya.

Perlindungan katodik

Korosi dapat diperlambat dengan elektrolit metode kontrol. Dua metode yang umum digunakan dalam

perlindungan tangki penyimpanan dan permukaan luar pipa.

Salah satu bentuk proteksi katodik dilengkapi oleh sel galvanik terbentuk ketika logam harus dilindungi

terhubung ke logam korban larut (corrodes) dan aliran elektron menuju permukaan katodik dilindungi. Tank baja dan

pipa, anoda seng, magnesium dan aluminium telah dimanfaatkan. Anoda harus diganti secara berkala dan perawatan

harus diambil untuk memastikan perlindungan seragam.

Proteksi katodik permukaan logam dapat diperoleh dengan memaksakan kekuatan elektromotif eksternal dari

tegangan rendah (6 sampai 10 volt) melawan potensi yang didirikan oleh sel-sel korosi alami. Daerah yang biasanya

akan menjadi anodic yang dibuat katodik oleh pembentukan muatan negatif. Catu daya yang digunakan untuk eathodic

protaction bisa dilengkapi oleh sumber arus langsung. Dua metode proteksi katodik pipa disajikan dalam gambar 7 – 11.

Tingkat tinggi pengalaman dan pengetahuan khusus diperlukan untuk aplikasi sukses proteksi katodik. Untuk

diskusi yang lebih lengkap tentang proteksi katodik, pembaca disebut di tempat lain.2

GAMBAR 7- 11. Proteksi katodik pipa oleh tindakan (a) galvanik dan (b) eksternal gaya elektromotif.

Penghilangan Ion dengan Curah Hujan Secara Kimia

8-1. Hubungan Kelarutan

Seperti yang dibahas di bagian 7-1, hubungan kelarutan yang ada dalam larutan jenuh antara garam tidak

terlarut, BmAn dan sebuah ion dapat direpresentasikan sebagai berikut

BmAn(solid) ⇆ mB+ + nA- (7-12)

dan kesetimbangannya dapat diungkapkan seperti berikut

[B+]m[A-]n = K0 (7-13)

Jika aktivitas ionik dalam larutan lebih besar produk ion dalam persamaan 7-13 (istilah di sisi kiri

persamaan) adalah kurang dari produk kelarutan aktivitas K0, kemudian dari garam BmAn terlarut baik hingga

jumlah garam terlarut dalam keadaan padat, atau kegiatan ionik mencapai keadaan lebih besar dari produk ion

mencapai K0, yang mana terjadi pertama. Di sisi lain, jika aktivitas ionic seperti produksi ion lebih besae

daripada Ko, maka pengendapan garam BmAn dari larutan sampai produk ion dan K0 menjadi setara.

Mempertimbangkan situasi dimana solusi awalnya adalah undersaturated sehubungan dengan garam

BmAn, dimana semua garam dilarutkan dan dalam keadaan pase ionik. Jika solusi ini adalah menambah larutan

CmAn yang mengandung ion umum A- atau, ion produk dalam persamaan 7-13 [B+]m[A-]n,Akan meningkat

secara proporsional. Jika CpAq adalah Jumlah yang ditambahkan sehingga aktivitas ion A-umum atau

meningkatkan produk ion sampai sama dengan produk kelarutan K, kejenuhan terjadi sehubungan denganBmAn.

Penambahan lebih lanjut dari CpAqmeningkatkan aktivitasA- dan menyebabkan BmAn dengan Sebuah penurunan

yang sesuai dalam aktifitasB+. Penurunan kelarutan garam terionisasi sebagai hasil dari menambahkan salah

satu constituentsof ion garam untuk solusi disebut efek ion umum. Efek ion umum paling dibuktikan pada

garam larut.Efek ini memainkan peran kunci dalam penghapusan ion dari solusi dengan penambahan bahan

kimia.

Konsentrasi daya larut dari garam larut yaitu meningkat oleh kejadian yang biasanya menunjuk sebagai

efek tambahan garam.

Aktivitas dari solusi yaitu berhubungan ke konsentrasi oleh Persamaan 7-3.

α = γ c (7-3)

dimana: γ = koefisien aktivitas

solusi dipusatkan pada asam aki, kekuatan ion tinggi, karena itu, koefisien aktivitas rendah. (Lihat Gambar 7-1).

Sebagai konsekuensi, jika banyak solusi aktivitas aquilibrium untuk garam BmAn ditahan (Persamaan 7-13),

kemudian konsentrasi daya larut meningkat.

Curah hujan kimia banyak digunakan dalam persediaan air kota. Kekerasan dalam air disebabkan oleh ion

kalsium, magnesium, besi, mangan, stronsium, dan aluminium. Ion ini menggabungkan dengan asam lemak

radikal yang dipakai oleh sabun untuk menghasilkan precipitates. yang tidak diinginkan Hampir semua dari

kekerasan memproduksi elemen dapat ditemukan di perairan alami dalam beberapa konsentrasi. Namun, dalam

kebanyakan air hanya ion kalsium dan magnesium hadir dalam concetration dan, yang cukup besar maka,

adalah perhatian utama, mayoritas proses pelunakan.

Anion yang umumnya hadir dengan kalsium dan magnesium adalah bikarbonat dan sulfat. Kadang-

kadang, jumlah yang signifikan dari nitrat dan klorida ada juga. Kalsium ion dihapus dengan penggunaan,

langsung maupun tidak langsung karbonat ion normal. keseimbangan konstan dari kalsium karbonat adalah

[Ca++][CO3-] = Ko = 4,82 x 10-9

Kelarutan ini cukup rendah dan kalsium karbonat ini dipicu dari solusi.

Ion removal by chemical precipitation

Ion karbonat normal dihasilkan dengan menambahkan ion-ion hidroksil untuk solusi. Yang bereaksi

dengan ion bikarbonat

HCO3- + OH- = CO2

- + H20

Jika konsentrasi bikarbonat dalam larutan tidak mencukupi untuk menghasilkan jumlah ion karbonat

normal yang diperlukan untuk mengendap dengan ion kalsium yang ada, ion karbonat normal dipakai langsung

ke solusi melalui penambahan karbonat larut.

Karena kelarutan kelarutan dari Mg (OH) 2 sangat rendah.

[Mg++][OH-]2 = 5.3 x 10-u

magnesium ion juga dapat dihilangkan dengan menambahkan ion-ion hidroksil solusi.

(8-4)

Penghapusan ion kalsium dan magnesium dari solusi harus dikompensasi dengan penambahan kation lainnya

untuk menjaga keseimbangan ionik dalam system. Ini umumnya dilakukan dengan menambahkan dengan non-kekerasan

menghasilkan kation, seperti natrium. Perubahan dalam komposisi Ionik Air tertentu yang dibawa oleh pelunakan

mungkin diwakili sebagai berikut :

Sebelum pelunakan Sesudah softening

Kation Anion Kation Anion

Pelunakan reaksi tidak lengkap, jadi masih ada beberapa bikarbonat, kalsium, magnesium ion dan tetap

dalam larutan setelah pelunakan.

Karbon dioksida dalam larutan berdisosiasi untuk membentuk ion hidrogen dan

hidrocarbonate. (Lihat gambar 7-2). Kedua spesies ion bereaksi dengan ion hydroksil. keseluruhan reaksi dapat

dinyatakan sebagai

+ 2OH + 2

Ketika ia ion hidroksil ditambahkan untuk melunakkan air, permintaan yang diberikan oleh karbon

dioksida terlarut harus diperhitungkan ketika menghitung jumlah yang akan ditambahkan. ion hidroksil mudah

dan paling ekonomis disediakan oleh menambahkan terhidrasi Ca( kapur air. ion karbonat normal

adalah umumnya diperkenalkan dengan menambahkan soda abu di suhu normal reaksi pelunakan

lambat dan tidak lengkap. Namun, reaksi dianggap selesai ketika menghitung jumlah kapur dan abu soda yang

diperlukan dari proses.

Pengendapan kalsium karbonat dan hidroksida mangnesium dapat dimudahkan dengan menyatukan

larutan air dengan lumpur dari kalsium karbonat dan magnesium hidroksida yang sebelumnya diendapkan.

Dalam beberapa proses pelunakan, tawas atau beberapa koagulan lainnya digunakan untuk mempercepat

sedimentasi dari endapan yang dihasilkan dari proses pengendapan.

Pengendapan magnesium hidroksida dibantu dengan menambahkan kapur yang melebihi jumlah yang

dihitung untuk proses tersebut. Kelebihan radikal hidroksil memberikan efek ion yang umum pada kelarutan

magnesium hidroksida. Konsentrasi kesetimbangan dari kedua magnesium dan kalsium ion sebagai fungsi ph

diilustrasikan pada Gambar 8-1. Menjadi catatan, bahwa ketidaklarutan maksimum magnesium hidroksida

tercapai pada nilai ph sekitar 10,4. Sebagai aturan, sekitar 1 g me/ liter kapur diperlukan untuk meningkatkan

pH ke nilai ini.

Reaksi pelunakan dipercepat dan didorong lebih lanjut untuk penyelesaian dengan meningkatkan suhu air untuk

sekitar 212 F. Praktek yang terakhir, yang disebut proses pemanasan, digunakan pelunakan pasokan air industri.

Tanaman yang digunakan untuk pelunakan abu soda kapur-pasokan air kota adalah dua jenis. Salah satu jenis

terdiri dari unit kontak lumpur yang selimut lumpur digunakan untuk memfasilitasi reaksi presipitasi. Air mengalir ke

unit dicampur dengan bubur padatan sebelumnya diendapkan, kapur, soda ash, dan koagulan. Air lunak memisahkan

dari selimut lumpur, naik, dan dikumpulkan di permukaan. Unit yang dirancang atas dasar beban permukaan yang

umumnya berkisar dari 1 sampai 3 gal per meter persegi per menit. Peralatan untuk unit tersebut hampir semua

tersedia.

Jenis lain dari tanaman terdiri dari campuran unit flash, baskom flokulasi, sedimentasi dan baskom. Pelunakan

bahan kimia dan dosis koagulan yang ditambahkan ke air dalam unit campuran flash. Setelah periode singkat (1 sampai

3 menit) agitasi kekerasan, air dikenakan dari 30 sampai 60 menit untuk menjinakkannya pengadukan untuk

mempromosikan pertumbuhan flok-flok endapan dan koagulan. Dari cekungan flokulasi, air mengalir ke baskom

sedimentasi memiliki waktu retensi dari 2 sampai 6 jam.

Jenis lain dari tanaman terdiri dari campuran unit flash, baskom flokulasi, sedimentasi dan baskom. Pelunakan

bahan kimia dan dosis koagulan yang ditambahkan ke air dalam unit campuran flash. Setelah periode singkat (1 sampai

3 menit) agitasi kekerasan, air dikenakan dari 30 sampai 60 menit untuk menjinakkannya pengadukan untuk

mempromosikan pertumbuhan flok-flok endapan dan koagulan. Dari cekungan flokulasi, air mengalir ke baskom

sedimentasi memiliki waktu retensi dari 2 sampai 6 jam. Air tadi kemudian disaring melalui saringan pasir cepat.

CONTOH 8-1

Sebuah analisis air menghasilkan informasi berikut:

Karbondioksida 0,4 g mg / liter

Jumlah alkalinitas 2,0 g me / liter

Jumlah kekerasan 4,0 g me / liter

Magnesium kekerasan 1,0 g me / liter

Hitung kualitas yang diperlukan kapur terhidrasi dan abu soda yang diperlukan untuk melunakkan air.

Penyelesaian

1. Dengan asumsi bahwa alkalinitas bikarbonat adalah sama dengan total alkalinitas (asumsi yang kira-kira benar

untuk air paling alami yang sulit), jumlah kapur yang dibutuhkan adalah

CO2 0.4 g me/literHCO2- 2.0 g me/literMg++ 1.0 g me/literPenambahan elevasi pH 1.0 g me/liter

4.4 g me/liter

Untuk setiap juta galon air, 4,4 (74,1 / 2) 8,34 = £ 1.360

2. Soda abu yang dibutuhkan untuk melengkapi ion karbonat tambahan normal diperlukan untuk mengendapkan

semua ion kalsium asli dan diterapkan dalam larutan adalah

Inisial Ca++ di air 3.0 g me/literCa++ dimasukkan untuk menambahkan OH- untuk Mg++ 1.0 g me/literCa++ dimasukkan untuk menambahkan OH- untuk mempertinggi pH 1.0 g me/liter

5.0 g me/literNormal carbonate formed from HCO2- 2.0 g me/literNormal carbonate formed from CO2 0.4 g me/liter

2.4 g me/liter2.6 g me/liter

8-3 Penghilangan Besi dan Mangan

Besi dan mangan memberikan karakteristik yang sama terhadap air, memiliki sekitar sifat kimia yang

sama, dan dikeluarkan dari air dengan proses yang sama. Untuk itu, diskusi yang membahas besi, yang paling

sering terjadi dari dua elemen.

Pada nilai pH normal, zat besi di negara besi cukup larut. Ketika oksigen ditambahkan ke sistem yang

mengandung ion besi, yang terakhir dioksidasi menjadi besi.

2 Fe+++ 1 O2 + 3H2O 2Fe(OH)2 (8-6)

menjadi

[Fe+++][OH-]3 = Ke = 4 x 10-38 (8-7)

Namun, bahkan dengan berlimpah oksigen, pengendapan hidroksida besi terhambat ketika pH air

kurang dari 7,8. efek pH pada kelarutan besi dan mangan yang diilustrasikan pada Gambar 8-2.

Penurunan besi umumnya hasil dari pelunakan air dengan kapur atau abu soda. Penghapusan juga

dilakukan dengan aerasi menyediakan oksigen untuk oksidasi besi dengan ion ferri. Selanjutnya, ketika air

mengandung karbon dioksida yang melebihi dari jumlah yang diperlukan untuk keseimbangan karbonat, aerasi

menghilangkan beberapa kelebihan, sehingga menaikkan pH air. Jika aerasi gagal untuk meningkatkan pH di

atas 7,8, kapur atau soda abu harus ditambahkan untuk menginduksi curah hujan maksimum hidroksida besi.

Aerasi untuk tujuan penghapusan besi dilakukan dengan aerasi tersebar, semprotan, perangkat Cascading, dan nampan coke. Yang terakhir ini terdiri dari serangkaian nampan, satu atas yang lain, diisi dengan

coke. Air menetes diterapkan pada tray teratas selama coke dari baki atas ke bawah. Coke selain memberikan maksimum permukaan kontak antara udara dan air juga berfungsi untuk katalis proses oksidasi. Setelah aerasi, ketentuan harus dibuat untuk pemisahan endapan besi dari air.

9

Pertukaran Ion9-1. Mekanisme Pertukaran Ion

Pertukaran ion dapat digolongkan sebagai unit operasi. Namun, karena operasi ini melibatkan konsentrasi ion dan kesetimbangan kimia, yang terbaik adalah dipertimbangkan dalam terang pembahasan kimia proses disajikan dalam bab 7 dan 8.

Pertukaran ion melibatkan perpindahan ion dari spesies tertentu dari bahan pertukaran larut dengan ion spesies berbeda ketika solusi yang terakhir dibawa ke dalam kontak dengan bahan pertukaran. Pertukaran dapat dinyatakan oleh ekuilibrium umum,

Pertukaran berperilaku sebagai interaksi kimia reversibel antara situs, tukar tetap terionisasi pada bahan pertukaran dan ion dalam larutan. Ekspresi kesetimbangan untuk persamaan 9-1 adalah

B1+ + R- B2

+ = B2+ + R- B1

+ (9-1)

A1- + R+ A2

- = A2+ + R+ A1

+ (9-2)

Dimana B1+ , B2

+ = kation dari dua jenis berbeda

A1- , A2

- = anion dari dua jenis berbeda

R- , R+ = pertukaran kationik and anionik

Pertukaranbahan kimia tersebut berinterkasi dan terjadi pencempuran ion di dalam pertukaran material dan ion-ion. Konstanta keseimbangan untuk rumus 9-1 adalah

K = (9-3)

Dimana, K = suatu konstanta kesetimbangan kadang-kadang disebut sebagai koefisien selektivitas ekuilibriumUngkapan serupa dapat ditulis untuk persamaan 9-2.

Ketika koefisien selektivitas kesetimbangan lebih besar dari kesatuan, proses pertukaran dikatakan

melibatkan keseimbangan yang menguntungkan dan, dalam kasus Persamaan 21, bahan pertukaran istimewa

akan mengambil kation B1+ spesies, jika larutan yang mengandung konsentrasi yang sama dari spesies kation

B1+dan B3

+ dibawa ke dalam kontak dengan bahan pertukaran R-B2+, bahwa spesies kation memiliki koefisien

kesetimbangan selektivitas yang lebih besar sehubungan dengan materi pertukaran akan istimewa mengambil

lebih dari spesies lainnya. Urutan relatif di mana ion umumnya menggantikan ion lain yang dimiliki oleh bahan

pertukaran ditunjukkan pada tabel 21. Spesies ion muncul rendah dalam seri ini

TABEL 21. PEMINDAHAN SERIES UNTUK BAHAN ION EXCHANGE

Cations Anions

La+++ SO4=

Y+++ CrO4=

Ba++ NO3-

Sr++ AsO4=

Ca++ PO4=

Mg++ MoO4=

Ca+ I-

Rb+ CI-

K+ F-

Na+ OH-

Li+

H+

mengungsi dari bahan pertukaran dengan spesies yang terdaftar lebih tinggi dalam seri. Namun, harus

ditekankan bahwa sejak Kesetimbangan dalam terlibat, perpindahan juga merupakan fungsi dari konsentrasi

(atau kegiatan dalam kasus larutan pekat).

Awalnya, alumino yang alami dan sintetis silikat-silikat adalah satu-satunya bahan-bahan yang digunakan

dalam pertukaran ion. Bahan-bahan ini, biasanya disebut zeoliles, sekarang digantikan oleh resin-resin sintetis

dan sulfonat oleh senyawa-senyawa berkarbon seperti batubara. Mantan menjadi dalam lebih terkenal dan di

masa depan, mungkin akan digunakan dalam semua aplikasi-aplikasi baru. Sebagian besar resin-resin ini adalah

bahan-bahan polymeric berisi ion kelompok-kelompok aktif sepertiSO3 H-dan NH4+.Secara jasmani, resin-resin

sintetis bulat, runtuh ukuran dari 16 untuk 50 jaring dan memiliki satu diameter rata-rata 0,5 hingga 0,75 mm.

Kapasitas bahan-bahan pertukaran ion dapat dinyatakan dalam sejumlah jalan. Dalam perawatan air,

kapasitas tukar telah lama dinyatakan dalam hal kilograins sebagai CaCO3 per kaki kubik bahan pertukaran.

Namun demikian, sejak pertukaran ion sekarang ialah menggunakan dalam aplikasi-aplikasi selain dari

pelunakan dengan air, satu lebih ekspresi umum untuk kapasitas tukar diperlukan. Satu preferensi bertambah

terkenal karena penggunaan gram equivalent sataumill equivalents per beberapa satuan volume.

Kapasitas pertukaran ion akan berbeda-beda dengan sifat dan konsentrasi ion-ion dalam solusi

bersentuhan dengan bahan pertukaran dan dengan konsentrasi memperbaharui solusi. Istilah kapasitas terakhir

adalah digunakan untuk menggambarkan kapasitas pertukaran dalam hal metode yang digunakan pembaruan.

Permohonan bahan-bahan pertukaran ion dalam sebagian besar proses-proses ekonomis hanya jika bahan-bahan

dihasilkan kembali untuk bekas.

Meskipun pertukaran ion telah digunakan untuk berkonsentrasi berharga mengionkan bahan-bahan dari

solusi-solusi encer dan untuk fraksinasi sel ektif tertentu mengionkan dalam solusi solutes, penerapan paling

luasnya ditemukan di pengangkatan tidak dapat disetujui ion-ion dari air digunakan untuk tujuan-tujuan

industry dan domestik.

Ketika tujuan dalam pengolahan air adalah penghapusan kekerasan ion Ca++ dan Mg++ hanya, bahan-

bahan asing digunakan yang beroperasi pada natrium ion siklus, ialah yang bertukar Na+ untuk Ca++ dan Mg++.

Kesetimbangan pertukaran kalsium dengan bahan asing tersebut adalah

Ca++ + R-(Na+)2 ↔ 2Na+ + R-Ca++ (9-4)

Ketika bahan asing “melepaskan”, Ketika kesetimbangan tercapai, pertukaran materi dalam bentuk r-cu

+ + adalah diregenerasi untuk r-(na+) 2 sehingga dia dapat digunakan kembali. Regenerasi dicapai dengan

pertukaran dari bahan asing dengan larutan ion natrium. Sejak kesetimbangan selektivitas koefisien untuk

keseimbangan seperti. Persamaan 9-4 memiliki nilai-nilai yang besar, kesetimbangan hamper semua bahan

asing adalah dalam bentuk R-Ca++ dan solusi dengan konsentrasi tinggi Na+ diwajibkan untuk regenerasi.

Biasanya regenerasi dicapai dengan menggunakan solusi dari 5 sampai 10 persen NaCl. Kapasitas perkiraan

bahan asing untuk beberapa pertukaran ion bahan bersama dengan persyaratan regenerasi yang disajikan dalam

tabel 9-2. Kadang-kadang air laut dan air dari sumur air garam digunakan untuk tujuan ini. Namun, kurang

pengaruh solusi terkonsentrasi pada kapasitas tukar diilustrasikan pada gambar 9-1.

Gambar 9-1. Efek dari air laut dan air garam sumur regenerasi pada perubahan kapasitas. Dari F. K. Lindaay,

“High-capacity Cation Exchangers” J. AWWA. 42 (1950),75.

Tabel 9-2 Persyaratan Regenerasi Penukar dan Perkiraan Pertukaran Kapasitas Ion

Pertukaran dan kapasitas operasi, regenerator persyaratanSiklus setara gram regenerasi

gram setara

Penukaran kationNatural seolita, Na 4-8 NaCl 3-6Syntehetic seolita, Na 8-20 NaCl 2-3Carbonaceous dan resin, Na 7-50 NaCl 1.8-3.6Carbonaceous dan resin, H 7-50 H2SO4 2-1

Penukaran anionResin, OH 16-33 NaOH 5-8

• Setelah tabel 23-6, p. 642, G. M. Fair and J. C. Geyer, pasokan air dan pembuangan air limbah, john Wiley, New York, 1954.† Untuk mengkonversi ke kilogram sebagai CaCO2 per kubik, kalikan oleh 0,77§ Untuk mengkonversi ke pon NaCl per kilogram sebagai CaCO2,kalikan oleh 0.167

Demineralisasi (essentinlly penghapusan total dari semua ion) dilakukan dengan menghubungi air yang

diobati dengan bahan pertukaran baik kation dan anion. bahan pertukaran kation digunakan dalam

demineralisasi beroperasi pada siklus hidrogen dan diregenerasi dengan asam. misalnya, persamaan

kesetimbangan untuk menghilangkan ion natrium dapat ditulis sebagai

Na+ + R- H+ = H+ + R- H+ (9-5)

Pertukaran materi anionik digunakan dalam demineralisasi beroperasi pada siklus hidroksil, sebuah dasar

yang kuat digunakan sebagai regenarant menggunakan penghapusan ion sulfat untuk contoh

SO4- + R++(OH-) = 2OH- + R++SO4- (9-6)

Ion hidrogen dan hidroksil berpadu dalam kesesuaian dengan ekspresi kesetimbangan air (lihat gambar 7-

2), ada dengan memacu suatu deionisasi hampir selesai.

meskipun tempat tidur campuran kadang-kadang digunakan dalam demineraliztion, lebih sering air dikontakkan

dengan bahan pertukaran di unit terpisah.

Penggunaan bahan pertukaran ion dalam pengolahan air terbatas pada perairan yang mengandung

kekeruhan kecil. kekeruhan berfungsi untuk melapisi permukaan bahan pertukaran ion sehingga mengurangi

kapasitas pertukaran dan efisiensi regenerasi. hasil Kondisi serupa jika ion besi yang teroksidasi oleh oksigen

terlarut dan mengendap sebagai hidroksida besi.

9-3 Desain Dari Pertukaran Fixed-Bed

Walaupun pertukaran ion telah digunakan dalam operasi kontinyu, yaitu, dalam operasi dimana

menghubungi dan regenerasi yang dilakukan secara terus menerus dan secara bersamaan, sebagian besar

aplikasi melibatkan bagian air melalui tempat perbaikan bahan pertukaran ion dengan gangguan intermiten

operasi untuk regenerasi. Pembahasan berikut akan terbatas pada desain tempat perbaikan penukar yang terdiri

dari bahan pertukaran kuat terionisasi dengan keseimbangan yang menguntungkan.

Ketika solusi ion melewati tempat perbaikan bahan pertukaran ion, konsentrasi ion dikurangi menjadi nol

sebagai solusi kontak berturut-turut bagian alas. Perhatiankan Gambar 9-2, yang menunjukkan lokasi hipotetis

gradien konsentrasi di dalam tempat perbaikan pada interval yang berbeda waktu. Seperti gradien terletak

awalnya di bagian atas alas dan perjalanan ke bawah melalui alas sebagai lapisan atas dari bahan pertukaran

menjadi dihabiskan. Pada waktu L1 gradien terbukti berada sepenuhnya dalam alas dan tidak ada spesies ion

yang dihapus lolos dalam limbah. Pada saat L2, namun, gradien telah surut ke titik di mana ion mulai muncul

dalam limbah. Pada saat L3, gradien hampir melewati

Alas, dan konsentrasi ion dalam limbah dekat dengan yang di umpan. Meskipun gradien seperti yang

ditunjukkan pada gambar menggariskan zona bergerak dimana semua ion dikeluarkan dari solusi, untuk

kenyamanan, zona pertukaran dimana dianggap konsentrasi ion yang dikeluarkan berkurang 95-3 persen dari

konsentrasi umpan. Untuk kondisi tertentu, ketinggian dari zona pertukaran serta tingkat di mana bergerak

melalui tempat alas tetap konstan. Kedua tinggi dan tingkat akan bervariasi dengan tingkat pakan, konsentrasi

pakan, kapasitas tukar, dan dimensi dari alas.

Gambar 9-2. lokasi sebuah gradien konsentrasi larutan hipotetis dalam dasar tetap pada interval waktu yang berbeda.

Setelah gambar. 3.4, p. 64 Sepration Processes in Practice, R.F. Chapman, ed, Rainbold, New York, 1961.

Tinggi zona pertukaran dapat ditentukan dari analisis kurva terobosan yang sama dengan yang disajikan dalam gambar 9-3. Kurva tersebut, yang dapat dibangun dari data yang diperoleh di laboratorium, menghubungkan efluen konsentrasi ion yang dihapus dengan volume efluen. Efek dari laju aliran harus dicatat. Kesesuaian dengan definisi diberikan untuk pertukaran zona, poin terobosan dan pembuangan yang terletak di efluen konsentrasi ion sama dengan 5 dan 95 persen dari pengisian masing-masing konsentrasi ion C0.

GAMBAR 9-3. Jenis Kurva terobosan. Dari Fig 3.5, p. 65. Proses Pemisahan dalam Praktek, R. F. Chapman, ed, Reinhold, New York, 1961.

Sejak tinggi zona pertukaran sisa tetap konstan diberikan untuk seperangkat kondisi, pertukaran zona akan turun melalui bed jarak yang sama dengan tingginya selama waktu itu mengambil untuk volume efluen sama ke Vg harus melewati bed. Jumlah ion dihapus dari volume Vg telah solusi seperti itu melewati pertukaran zona harus sama dengan jumlah dipertahankan di zona.

Dimana Vg =Volume efluen dikumpulkan antara titik terobosan dan titik lelah, cm3

co = Solusi awal konsentrasi ion yang dihapus, g mn / cm3 dari penyelesaian

Z = Pertukaran tinggi zona,cm

S = area alas penampang ,cm3

Q = pertukaran kapasitas materi, g mn/cm3 bahan asing

e = porositas alas = Rasio volume void untuk total volume

Penyelesaian untuk ketinggian pertukaran zona

“Pengembangan persamaan 0-8 secara umum, berikut diasumsikan zona tinggi atau pertukaran R.L Moison, dan H.A

O’Herm jr.chemical rekayasa kemajuan Simposium seri no 24, 55 .l (1950).

Tinggi dari zona asing dapat dihitung dengan menggunakan metode unit transfer. Penerapan metode ini

untuk perhitungan dapat dibahas secara rinci di pembahasan lain.

Dari penemuan , tempat pertukaran ion ini dibagi menjadi dua daerah: zona asing di bawah alas dan sisa

dari alas di atas. Kapasitas zona asing yang ditemukan adalah hanya 50 persen dimanfaatkan (rata-rata 5 dan 95

persen) sedangkan sisanya telah habis. Dengan demikian, keseimbangan diberikan antara total kapasitas yang

diperlukan dan konten ion tempat dapat ditulis sebagai

Kapasitas yang diperlukan = Memberi ion konten pertukaran zona + memberi ion konten dari sisa dari

tempatnya

Atau

C= 0,5 SZQ +S (L-Z)Q

Memecahkan ekspresi terakhir untuk l

L =0,5 Z +(C/SQ)

Solusi persamaan 9-10 untuk kedalaman alas, L, memerlukan evaluasi terlebih dahulu tingginya zona

pertukaran. Yang terakhir adalah suatu fungsi kecepatan yang dangkal, Vs (kecepatan ditentukan oleh rasio laju

volumetrik aliran ke daerah penampang-lintang alas), untuk setiap laju aliran yang diberikan bervariasi dengan

luas penampang-lintang alas, S. Karena itu, penetapan penukaran dimensi paling nyaman dengan terlebih

dahulu mengasumsikan dimensi alas berdasarkan volume material yang diperlukan pertukaran. Atas dasar luas

penampang diasumsikan, dihitung kecepatan dangkal. Ketinggian dari zona pertukaran pada kecepatan dangkal

dihitung kemudian ditentukan baik secara eksperimental di laboratorium atau dengan menggunakan metode

unit transfer. Setelah ketinggian zona tukar ditentukan, persamaan 9-10 dapat digunakan untuk menetapkan

kedalaman yang dibutuhkan.

CONTOH 9-1

Ditetapkan penukaran ion alas yang akan digunakan untuk melunakkan 20.000 gal air antara

pembaharuan. Kekerasan dalam rata-rata air 400 mg/liter sebagai CaCO3. Jika kapasitas bahan pertukaran

adalah 25 Kgr (sebagai CaCO3)/ft3, dan interval waktu antara pembaharuan adalah 8 jam, menentukan dimensi

pertukaran.

3Konsep metode unit transfer dan aplikasi untuk operasi transfer gas dapat ditemukan di L. G. Rich. Op.cil.4R. L.Moison, “Pertukaran Ion,” Proses Pemisahan dalam Praktek, R. F. Chapman, ed, Reinhold, New York, 1961.

Solusi

1. Pertukaran kapasitas yang diperlukan adalah

2. Volume tentavie pertukaran bahan yang diperlukan adalah

3. Dengan asumsi kedalaman 3 kaki, luas permukaan akan

4. Untuk luas permukaan 6,23 ft2, dengan kecepatan superfisial mengalir melalui tempat beristirahat akan

5. Di laboratorium, ketinggian dari zona pertukaran untuk kecepatan superfisial 0,0149 ft / sec ditemukan

menjadi

Z = 1.0 ft

6. 6. Menggunakan Persamaan 9-10, kedalaman yang dibutuhkan dari tempat dihitung menjadi

L = 0.5(1) + [467/(6.23)(25)] = 3.5 ft

7. Volume pertukaran bahan yang diperlukan akan

V = LS = 3.5 x 6.23 = 21.8 ft3