Kimia pembersih: alkali, surfaktan, emulsifier, dan pengkelat

Dokumen praktik yang menjadi sumber bab ini mencatat kasus taplak restoran dengan noda minyak makanan yang tidak hilang sempurna walaupun sudah dicuci dengan deterjen dan alkali. Masalahnya selesai setelah emulsifier didosiskan dengan tepat pada awal siklus cuci, sehingga minyak terdispersi dan terbuang bersama air. Kasus ini memperlihatkan hal yang sering terlewat: bahan pembersih bukan satu kekuatan yang bisa dinaikkan atau diturunkan. Setiap bahan mengerjakan fungsi tertentu, dan fungsi yang kurang tidak dapat ditutup dengan menambah fungsi lain.

Pembahasan berikut memisahkan kimia pembersih kimia-fisika menjadi empat fungsi dan menanyakan tiga hal untuk setiap fungsi: apa yang dikerjakannya pada tingkat molekul, dalam kondisi apa ia bekerja, dan apa akibatnya bila kondisi itu tidak terpenuhi. Bab 1 menempatkan kimia sebagai salah satu variabel sistem laundry, dan Bab 8 · Kimia memberi dasar larutan dan pH.,

Batas pembahasan dan kondisi berhenti

Buku ini ditulis menurut fungsi, bukan menurut nama produk. Satu produk komersial dapat memuat beberapa fungsi sekaligus, misalnya deterjen yang berisi surfaktan, pengkelat, dan enzim, sehingga label fungsi pada jeriken harus dicocokkan dengan komposisi pada lembar data keselamatan (safety data sheet, SDS). Angka pada contoh kerja adalah nilai hipotetis untuk pembelajaran; dosis nyata mengikuti rekomendasi pemasok, kondisi air, dan verifikasi di lokasi. Pemutih, penetral, dan pelembut dibahas pada bab oksidator dan penyelesai, sedangkan target pH per tahap dan pengambilan sampel pada bab pH sepanjang siklus. Rak ini memakai pH 11–12 sebagai target cuci utama untuk linen putih bertingkat kotor berat, dengan batas penerapan yang dibahas pada bab pH itu.

Alkali pekat, khususnya natrium hidroksida, bersifat korosif; kerusakan mata dapat dimulai dalam hitungan detik dan berujung permanen. Pada kulit, alkali menyabunkan lemak kulit sehingga terasa licin, dan rasa licin itu adalah tanda luka kimia yang sedang berlangsung, bukan tanda bahan sudah hilang. Pengenceran alkali pekat melepaskan panas. Karena itu, bahan pekat dituangkan perlahan ke dalam air, tidak sebaliknya. Bahan pekat tidak dicampur di dalam wadah: alkali pekat dengan asam pekat bereaksi keras disertai panas, dan alkali pekat dengan hidrogen peroksida pekat dapat terurai cepat disertai panas dan gas. Natrium hidroksida juga bereaksi dengan aluminium dan seng pada logam galvanis sambil melepaskan gas hidrogen.,

Deterjen yang mengandung enzim membawa bahaya tambahan berupa pemicu alergi saluran napas bila terpercik atau menjadi kabut; bahaya dan kondisi berhenti untuk enzim dibahas di bab enzim.

Bila bahan pekat terpercik ke mata, bilas segera di pencuci mata darurat dengan air mengalir sekurang-kurangnya 15 menit atau selama yang diminta SDS, sambil pertolongan medis dipanggil. Pada kulit, lepaskan pakaian yang terkena lalu bilas dengan air mengalir. Setelah korban tertangani, hentikan pekerjaan dan amankan area. Hentikan pekerjaan juga bila jeriken bocor atau tidak berlabel, bila ada wadah berisi campuran bahan pekat yang tidak diketahui isinya, bila tercium uap tajam di area penyimpanan, atau bila pekerja mengalami batuk, sesak, atau mata berair berulang setelah menangani deterjen berenzim. Gunakan alat pelindung diri (APD) sesuai SDS, sekurang-kurangnya sarung tangan tahan kimia, kacamata pelindung kimia (goggle) ditambah pelindung wajah saat menuang bahan pekat, dan celemek tahan kimia, serta pastikan pencuci mata darurat tersedia sebelum bekerja.,

Kotoran lepas melalui beberapa mekanisme

Kotoran menempel pada serat melalui gaya yang berbeda-beda. Minyak dan lemak menempel karena gaya antarmolekul nonpolar dan karena sulit dibasahi air. Partikel padat seperti debu dan jelaga terperangkap secara mekanis di antara serat dan ditahan gaya permukaan. Protein dan pati melekat sebagai lapisan yang mengering, dan protein yang terkena panas dapat menggumpal sehingga makin sulit larut. Ion kalsium dan magnesium dari air dapat menjembatani kotoran bermuatan negatif dengan serat yang juga bermuatan negatif.

Karena gaya penahannya berbeda, mekanisme pelepasnya juga berbeda. Tabel berikut merangkum keempat fungsi itu. Enzim, yang juga sering ada di dalam produk deterjen, bekerja sebagai katalis biologis dengan jendela suhu dan pH sendiri, sehingga dibahas di bab enzim.

Kolom terakhir sama penting dengan kolom kedua: banyak masalah kimia di laundry berawal dari fungsi yang dipakai di luar batasnya, bukan dari bahan yang sama sekali tidak cocok.

Alkali: pH, cadangan alkalinitas, dan saponifikasi

Alkali adalah zat yang menaikkan pH larutan dengan melepaskan ion hidroksida ($\text{OH}^-$) atau menerima ion hidrogen. Di laundry, alkali yang umum adalah natrium hidroksida (soda api atau soda kaustik) dan natrium karbonat (soda abu). Natrium hidroksida adalah basa kuat yang terurai sempurna di dalam air, sehingga menaikkan pH secara tajam. Natrium karbonat adalah basa yang lebih lemah dan lebih lunak untuk kotoran sedang. Natrium silikat juga sering ditemukan dalam formula; selain menambah alkalinitas, silikat membentuk lapisan tipis pada permukaan logam dan berfungsi sebagai penghambat korosi.

Alkali mengerjakan beberapa hal sekaligus. Pertama, alkali menetralkan kotoran yang bersifat asam, seperti asam lemak bebas dari keringat dan minyak tubuh. Kedua, alkali bereaksi dengan sebagian lemak (trigliserida) melalui saponifikasi, yaitu pemecahan ester lemak menjadi gliserol dan sabun yang larut dalam air:

$$\text{trigliserida} + 3\,\text{NaOH} \rightarrow \text{gliserol} + 3\,\text{sabun natrium}$$

Sabun yang terbentuk ikut bekerja sebagai surfaktan. Ketiga, pada pH tinggi permukaan serat selulosa dan sebagian besar partikel kotoran menjadi bermuatan negatif, sehingga keduanya saling tolak. Gaya tolak ini membantu kotoran lepas dan menahannya agar tidak menempel kembali. Keempat, serat katun menggembung dalam larutan basa, sehingga air dan surfaktan lebih mudah mencapai kotoran di sela serat. Efek ini sering disebut "membuka pori serat", padahal yang terjadi adalah penggembungan serat.

Pembacaan pH saja belum cukup untuk menilai alkali. pH menyatakan aktivitas ion hidrogen saat diukur, dan dari situ konsentrasi ion hidroksida dapat diturunkan, sedangkan kemampuan larutan menetralkan kotoran asam yang terus masuk ditentukan oleh cadangan alkalinitas, yaitu jumlah total asam yang dapat dinetralkan sebelum pH turun ke batas tertentu. Cadangan ini diukur dengan titrasi, bukan dengan pH meter. Larutan yang hanya berisi sedikit natrium hidroksida dapat menunjukkan pH tinggi di awal, lalu pH-nya jatuh ketika beban dengan kotoran asam masuk. Larutan dengan penyangga seperti karbonat atau silikat mempertahankan pH lebih lama. Karena itu, formula alkali laundry sering memadukan basa kuat untuk mencapai pH target dengan penyangga untuk menahannya.

Alkali juga punya batas. Serat protein seperti wol dan sutra rusak dalam larutan basa kuat. Katun lebih tahan, tetapi kombinasi pH tinggi, suhu tinggi, dan oksidator mempercepat penurunan kekuatan serat. Alkali yang tertinggal karena bilasan atau netralisasi kurang membuat linen terasa kaku, dapat mengiritasi kulit, dan cenderung menguning dari waktu ke waktu. Pada air sadah, karbonat bereaksi dengan kalsium membentuk kalsium karbonat, dan pada pH tinggi magnesium mengendap sebagai magnesium hidroksida; keduanya dapat tertinggal di dalam serat. Endapan anorganik ini membuat linen tampak kusam keabu-abuan dan terasa kasar, dan ia tidak hilang hanya dengan menambah alkali.

Contoh kerja: pH yang sama, cadangan yang berbeda

Sebuah mesin mengisi 200 L air lunak untuk tahap cuci utama. Berapa natrium hidroksida murni yang diperlukan untuk mencapai pH 12 pada 25 °C bila air dianggap tidak mengandung penyangga? Pada 25 °C, $\text{pH} + \text{pOH} = 14$, sehingga pOH sama dengan 2 dan konsentrasi ion hidroksida:

$$[\text{OH}^-] = 10^{-2}\ \text{mol/L} = 0{,}010\ \text{mol/L}$$

Natrium hidroksida memiliki massa molar 40,0 g/mol dan terurai sempurna, sehingga kebutuhannya $0{,}010 \times 40{,}0 = 0{,}40$ g/L. Untuk 200 L, diperlukan $0{,}40 \times 200 = 80$ g. Untuk pH 11, konsentrasi ion hidroksida sepuluh kali lebih kecil, sehingga cukup 8 g. Menaikkan pH dari 11 ke 12 memerlukan tambahan 72 g. Angka ini ideal; aktivitas ion, karbon dioksida dari udara, dan alkalinitas bawaan air membuat kebutuhan nyata sedikit berbeda.

Sekarang bandingkan dua larutan dengan pH sekitar 11,1. Larutan A berisi natrium hidroksida saja. Pada pH 11,1, konsentrasi ion hidroksida sekitar $1{,}3 \times 10^{-3}$ mol/L, sehingga 200 L larutan A mengandung $1{,}3 \times 10^{-3} \times 200 \approx 0{,}26$ mol basa. Larutan B berisi natrium karbonat 1 g/L. Perhitungan kesetimbangan dengan $\text{p}K_{a2}$ asam karbonat 10,33 pada 25 °C memberi pH sekitar 11,1 untuk larutan ini. Jumlah karbonatnya:

$$n = \frac{m}{M} = \frac{1{,}0 \times 200}{106} \approx 1{,}89\ \text{mol}$$

Setiap ion karbonat dapat menerima satu ion hidrogen sebelum berubah menjadi bikarbonat, yaitu ketika pH turun ke sekitar 8,3. Jadi larutan B dapat menetralkan sekitar 1,89 mol asam, lebih dari tujuh kali kapasitas larutan A, walaupun pH awal keduanya sama. Perbandingan ini dihitung sampai pH 8,3. Dalam rentang yang berguna bagi cuci utama, misalnya dari pH 11,1 turun ke 10,4, keunggulan karbonat sekitar empat kali, dan arah kesimpulannya tetap sama.

Contoh ini tidak menyatakan karbonat lebih baik: larutan karbonat saja tidak mencapai pH 12 dan mengendap bersama kalsium pada air sadah. Yang ditunjukkan adalah bahwa pH dan cadangan alkalinitas merupakan dua besaran berbeda. Bila pH cuci utama turun jauh di tengah tahap pada beban yang sangat kotor, penyebabnya dapat berupa cadangan yang habis, bukan dosis awal yang salah ukur. Perhitungan pada suhu kerja cuci utama memberi angka yang berbeda karena tetapan kesetimbangan air berubah terhadap suhu; cara membaca pH pada suhu proses dibahas pada bab pH sepanjang siklus.

Surfaktan: membasahi, menggulung minyak, dan membentuk misel

Surfaktan (surface active agent) adalah molekul yang memiliki bagian suka air (hidrofilik) dan bagian suka minyak (hidrofobik) dalam satu molekul. Karena strukturnya, surfaktan berkumpul di batas antara air dan udara, air dan minyak, atau air dan serat. Di batas itu surfaktan menurunkan tegangan permukaan dan tegangan antarmuka.,

Penurunan tegangan permukaan membuat air membasahi serat dan kotoran lebih cepat. Air murni cenderung membentuk butiran di atas kain berminyak; larutan surfaktan menyebar dan meresap. Pada kotoran minyak cair, surfaktan menurunkan tegangan antara minyak dan air serta antara serat dan air. Akibatnya lapisan minyak menarik diri membentuk tetesan yang makin bulat, lalu terlepas dari serat oleh aksi mekanik. Mekanisme ini disebut penggulungan (roll-up).

Setelah konsentrasinya melewati batas tertentu, yaitu konsentrasi misel kritis (critical micelle concentration, CMC), surfaktan berkumpul membentuk misel. Misel adalah gugus molekul surfaktan dengan bagian hidrofobik di dalam dan bagian hidrofilik di luar. Bagian dalam misel dapat menampung minyak, sehingga minyak terbawa di dalam air dan tidak kembali menempel pada serat. Di bawah CMC, surfaktan masih membasahi, tetapi daya tampungnya terhadap minyak kecil. Karena itu, dosis surfaktan yang terlalu rendah dapat menurunkan hasil cukup nyata, apalagi sebagian surfaktan terserap kain dan kotoran atau terikat ion kesadahan.

Surfaktan dikelompokkan menurut muatan bagian hidrofiliknya.

• Anionik bermuatan negatif, misalnya sabun dan sulfonat. Daya bersihnya baik untuk partikel dan kotoran umum, dan umumnya berbusa banyak. Kelemahannya, sebagian surfaktan anionik, terutama sabun dan sulfonat alkilbenzena linear, bereaksi dengan ion kesadahan membentuk endapan yang tidak larut.
• Nonionik tidak bermuatan. Surfaktan ini efektif untuk minyak dan lemak, umumnya berbusa lebih rendah daripada anionik, dan tidak diendapkan oleh ion kesadahan. Banyak surfaktan nonionik memiliki titik keruh (cloud point), yaitu suhu ketika larutannya mulai memisah dan keruh. Kinerja dan kelarutannya berubah di sekitar suhu itu, sehingga suhu cuci dan pilihan surfaktan nonionik perlu diselaraskan menurut data pemasok.
• Kationik bermuatan positif. Surfaktan ini dipakai terutama sebagai pelembut, karena tertarik ke permukaan serat yang bermuatan negatif. Surfaktan kationik dan anionik saling menetralkan dan membentuk kompleks yang tidak aktif. Inilah alasan kimia di balik aturan pelembut hanya dimasukkan pada bilas akhir, setelah deterjen terbilas.
• Amfoterik bermuatan positif atau negatif tergantung pH dan dipakai dalam formula tertentu.

Pada mesin cuci drum, busa berlebih merugikan. Busa meredam jatuhnya linen dari lifter sehingga aksi mekanik berkurang, dapat meluap dari saluran, dan dapat mengganggu pembacaan level air. Formula laundry komersial untuk mesin drum karena itu cenderung memakai surfaktan berbusa rendah. Busa yang tetap banyak pada bilasan pertama lebih sering menunjukkan dosis berlebih atau bilasan kurang daripada daya bersih yang tinggi.

Emulsifier untuk beban berminyak

Di lapangan, emulsifier adalah produk yang kaya surfaktan pengemulsi, sering berbasis nonionik, untuk beban dengan minyak dan lemak dalam jumlah besar seperti taplak restoran, seragam dapur, dan lap bengkel. Emulsi adalah campuran dua cairan yang tidak saling larut, dalam hal ini tetesan minyak yang tersebar di dalam air. Emulsifier menutupi permukaan tetesan minyak dan menjaga agar tetesan tidak bergabung kembali.

Kecocokan surfaktan sebagai pengemulsi dinyatakan dengan nilai HLB (hydrophilic-lipophilic balance); surfaktan dengan bagian hidrofilik dominan ber-HLB lebih tinggi dan lebih cocok untuk emulsi minyak di dalam air.

Suhu berpengaruh besar pada beban berlemak. Lemak hewani dan sebagian minyak berbentuk padat pada suhu ruang. Lemak padat sulit digulung dan diemulsikan, sehingga beban berlemak dicuci pada suhu hangat sampai panas agar lemak mencair. Konsekuensinya terlihat pada saat air dibuang. Bila suhu larutan turun tajam sebelum air cuci dibuang, misalnya karena air dingin masuk ke drum yang masih berisi larutan berlemak, lemak dapat memadat kembali dan emulsinya melemah. Tetesan lemak lalu menempel lagi pada linen, drum, dan saluran. Karena itu, air cuci berlemak dibuang pada suhu kerja, dan bilasan pertama tidak langsung memakai air dingin. Di sisi lain, suhu jauh di atas titik keruh surfaktan nonionik juga dapat melemahkan emulsi.

Emulsifier tidak menggantikan alkali. Alkali menyabunkan dan menetralkan sebagian lemak, sedangkan emulsifier menahan sisa minyak yang tidak tersabunkan agar tetap tersebar. Pada kasus taplak, deterjen dan alkali sudah ada, tetapi kapasitas pengemulsiannya belum cukup untuk minyak sebanyak itu.

Penyangga: karbonat dan silikat

Contoh kerja sebelumnya menunjukkan bahwa larutan karbonat menyimpan cadangan penetralan jauh lebih besar daripada larutan natrium hidroksida dengan pH yang sama. Sifat inilah yang membuat karbonat disebut penyangga. Kajian mekanisme pencucian menggambarkan natrium karbonat sebagai bahan yang aman dan relatif murah untuk menaikkan dan menyangga pH secara sedang di daerah basa.

Cara kerjanya dapat dibaca dari kesetimbangan karbonat dan bikarbonat. Selama keduanya ada bersama, asam dari kotoran hanya menggeser perbandingan karbonat terhadap bikarbonat, dan pH turun perlahan. Hubungan pendekatannya:

$$\text{pH} \approx \text{p}K_{a2} + \log \frac{[\text{CO}_3^{2-}]}{[\text{HCO}_3^{-}]}$$

dengan $\text{p}K_{a2} = 10{,}33$ pada 25 °C. Bila sepersepuluh karbonat berubah menjadi bikarbonat, perbandingannya menjadi 9 : 1 dan pH pendekatan sekitar $10{,}33 + \log 9 \approx 11{,}3$; bila separuhnya berubah, pH sekitar 10,3. Rumus ini adalah pendekatan yang cukup untuk membaca arah perubahan, bukan untuk menghitung pH dengan teliti pada suhu cuci.

Natrium silikat juga menambah alkalinitas dan menyangga pH di daerah basa. Selain itu, silikat membentuk lapisan tipis silikat koloid pada permukaan logam dan berfungsi sebagai penghambat korosi. Fungsi kedua ini relevan bagi drum, elemen pemanas, dan pipa mesin yang terus-menerus terkena larutan basa panas.

Penyangga juga punya batas. Karbonat mengendap bersama kalsium pada air sadah, sehingga cadangan penyangga tanpa kendali kesadahan dapat berubah menjadi endapan di serat dan elemen pemanas. Silikat yang berlebih pada air sadah juga dapat membentuk endapan yang terasa kasar di kain; pernyataan ini berasal dari pengetahuan umum formulasi dan dicatat di peta sumber. Karena itu, pemilihan penyangga selalu dipasangkan dengan kendali kesadahan yang dibahas di bagian berikut dan di bab air.

Pengkelat dan builder: mengendalikan kesadahan

Kesadahan air adalah kandungan ion kalsium ($\text{Ca}^{2+}$) dan magnesium ($\text{Mg}^{2+}$) terlarut, yang lazim dinyatakan dalam mg/L setara kalsium karbonat., Ion-ion ini mengganggu pencucian dengan beberapa cara. Ion kesadahan bereaksi dengan surfaktan anionik membentuk endapan tidak larut, sehingga sebagian surfaktan hilang sebelum sempat bekerja dan endapannya tertinggal di kain. Ion kesadahan juga mengendap bersama karbonat pada suhu tinggi, membentuk kerak pada elemen pemanas dan endapan di dalam serat. Selain itu, ion kalsium menjembatani kotoran bermuatan negatif dengan serat, sehingga kotoran lebih sulit lepas.

Builder adalah bahan yang meningkatkan kerja deterjen dengan menaikkan pH dan mengikat ion kalsium serta magnesium agar tidak mengganggu surfaktan. Cara kerjanya ada tiga macam. Builder pengendap, seperti natrium karbonat, mengubah kalsium menjadi endapan kalsium karbonat; cara ini murah tetapi endapannya dapat tertinggal di kain. Penukar ion, seperti zeolit pada deterjen bubuk, menukar ion kalsium dengan natrium. Pengkelat mengikat ion logam menjadi kompleks yang larut dan stabil, sehingga ion itu tidak lagi bereaksi dengan surfaktan atau karbonat.

Contoh pengkelat adalah EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) dan NTA (nitrilotriacetic acid). EDTA mengikat ion logam divalen seperti kalsium dan magnesium dengan perbandingan mol 1 : 1, dan sifat ini dipakai dalam titrasi kompleksometri untuk mengukur kesadahan. Perbandingan tetap itu berarti kebutuhan pengkelat dapat dihitung dari kesadahan air. Pengkelat juga mengikat besi dan mangan. Ion logam ini dapat menimbulkan noda kuning dan mengatalisis penguraian pemutih peroksida sehingga serat katun kehilangan kekuatan dan dapat berlubang, seperti dibahas di bab tekstil. Dengan mengikat logam itu di dalam larutan, pengkelat melindungi serat sekaligus menjaga pemutih tetap bekerja pada noda, bukan terurai sia-sia. Karena itu, dosis pengkelat pada air berbesi tidak cukup dihitung dari kesadahan saja; bab air membahas cara mengukur besi, dan bab oksidator membahas pengendaliannya pada tahap pemutihan.

Pengkelat aminokarboksilat seperti EDTA dan NTA bekerja secara stoikiometris: setiap molekulnya habis terpakai begitu mengikat satu ion. Pengkelat tidak mengolah air seperti softener yang dapat diregenerasi. Pada air yang sangat sadah, mengandalkan pengkelat saja berarti membayar bahan kimia untuk setiap liter air yang masuk ke tahap cuci. Karena itu, pilihan antara melunakkan air sebelum masuk mesin dan menambah pengkelat di dalam mesin adalah keputusan teknis dan biaya yang dibahas pada bab air di rak Laundry. Beberapa pengkelat, seperti EDTA, sulit terurai di lingkungan, dan fosfat yang dahulu banyak dipakai sebagai builder mendorong penyuburan badan air. Aspek ini menjadi bagian pembahasan limbah cair.

Deterjen juga sering memuat bahan antiredeposisi, misalnya karboksimetil selulosa dan polimer polikarboksilat, yang menahan partikel tetap tersebar dan menghambat pertumbuhan kristal endapan. Pencerah optik (optical brightener) juga lazim ada di deterjen. Bahan ini menyerap sinar ultraungu dan memancarkan cahaya biru sehingga kain tampak lebih putih. Pencerah optik bukan pemutih dan tidak mengoksidasi noda, walaupun di lapangan keduanya kadang disamakan.

Contoh kerja: kebutuhan pengkelat dari kesadahan air

Air untuk tahap cuci utama memiliki kesadahan total 150 mg/L setara $\text{CaCO}_3$, dan mesin mengisi 200 L. Berapa tetranatrium EDTA yang diperlukan untuk mengikat seluruh ion kesadahan? Kesadahan setara kalsium karbonat sudah mencakup kalsium dan magnesium, dan EDTA mengikat keduanya dengan perbandingan 1 : 1, sehingga jumlah mol ion kesadahan dapat dihitung langsung dengan massa molar $\text{CaCO}_3$ sebesar 100,1 g/mol:

$$c = \frac{150\ \text{mg/L}}{100{,}1\ \text{mg/mmol}} \approx 1{,}50\ \text{mmol/L}$$

Untuk 200 L, jumlah ion kesadahan adalah $1{,}50 \times 200 = 300$ mmol, atau 0,300 mol. Tetranatrium EDTA anhidrat memiliki massa molar sekitar 380,2 g/mol, sehingga massa bahan aktif yang diperlukan:

$$m = 0{,}300 \times 380{,}2 \approx 114\ \text{g}$$

Bila produk pengkelat berupa larutan dengan kadar tetranatrium EDTA anhidrat 40 persen massa, massa produk yang diperlukan adalah $114/0{,}40 \approx 285$ g untuk satu kali pengisian air. Angka ini adalah batas atas dengan anggapan seluruh ion diikat, dan belum memperhitungkan ion logam dari kotoran. Di lapangan, kapasitas produk lebih andal dibaca dari nilai kelat (mg $\text{CaCO}_3$ per gram produk) pada lembar data teknis.

Bila air dilunakkan menjadi 20 mg/L setara $\text{CaCO}_3$ sebelum masuk mesin, kebutuhan bahan aktif turun sebanding menjadi $114 \times 20/150 \approx 15$ g. Selisih itu terjadi pada setiap pengisian, sehingga keputusan melunakkan air adalah pertanyaan neraca bahan. Perhitungan biayanya ada pada bab biaya.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka keadaan yang bukan dari sumber ditandai angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Seperti contoh lama, angka ini bukan dosis produk; dosis nyata mengikuti pemasok, uji air, dan verifikasi di lokasi.

Contoh 1: pengkelat harian untuk air sumur hotel. Laundry sebuah hotel memakai air sumur berkesadahan 180 mg/L setara $\text{CaCO}_3$, dan mesin mengisi 250 L untuk cuci utama sebanyak 6 kali sehari (angka latihan). Dengan cara contoh kerja kedua:

$$n = \frac{180\ \text{mg/L}}{100{,}1\ \text{mg/mmol}} \times 250\ \text{L} \approx 450\ \text{mmol}, \qquad m = 0{,}450 \times 380{,}2 \approx 171\ \text{g}$$

Untuk produk berkadar bahan aktif 40 persen, satu pengisian memerlukan sekitar 427 g produk, atau sekitar 2,56 kg sehari. Bila air dilunakkan menjadi 20 mg/L, kebutuhannya sekitar 19 g bahan aktif atau 47 g produk per pengisian, sekitar 0,28 kg sehari. Selisih sekitar 2,3 kg produk per hari itu menjadi masukan neraca bahan, dan pilihan antara pelunak air dan pengkelat dibahas pada Bab 4 tentang air laundry. Angka ini batas atas dan belum mencakup ion logam dari kotoran.

Contoh 2: cadangan karbonat pada linen rumah sakit yang sangat kotor. Cuci utama 180 L untuk linen rumah sakit bertingkat kotor berat berisi natrium karbonat 1,5 g/L, dan kotoran asam dari beban diperkirakan setara 1,2 mol asam (angka latihan). Karbonat awal $1{,}5 \times 180/106 \approx 2{,}55$ mol. Setelah 1,2 mol asam dinetralkan, tersisa sekitar 1,35 mol karbonat dan terbentuk 1,2 mol bikarbonat:

$$\text{pH} \approx 10{,}33 + \log \frac{1{,}35}{1{,}20} \approx 10{,}4$$

Larutan natrium hidroksida saja pada pH 11,1 dalam volume yang sama hanya membawa sekitar 0,23 mol basa, sehingga habis jauh sebelum asam itu tertampung. Karbonat saja memang tidak mencapai target pH 11 sampai 12; contoh ini hanya membaca cadangannya. Bila sampel akhir tahap yang didinginkan ke 25 °C terbaca sekitar 10,4, hampir separuh cadangan karbonat sudah terpakai. Dugaan itu diperiksa dengan titrasi alkalinitas di awal dan akhir tahap, seperti dijelaskan Bab 9 tentang pH dan pengukuran, bukan dengan menambah natrium hidroksida tanpa data.

Contoh 3: surfaktan yang hilang di pracuci tanpa pengkelat. Pracuci linen rumah sakit memakai 150 L air sumur berkesadahan 220 mg/L setara $\text{CaCO}_3$ dengan deterjen bersurfaktan anionik, tanpa pengkelat (angka latihan). Ion kesadahan berjumlah $220/100{,}1 \times 150 \approx 330$ mmol. Dengan perbandingan 2 : 1 seperti pada latihan bab ini:

$$n_\text{surfaktan} = 2 \times 0{,}330 \approx 0{,}66\ \text{mol}$$

Angka ini batas atas, karena sebagian kesadahan juga bereaksi dengan karbonat bila ada. Sebanyak itu surfaktan dapat mengendap sebelum membasahi kotoran, dan endapannya tertinggal di kain. Menurut tabel interaksi bab ini, jalan keluarnya adalah pengkelat atau air lunak pada tahap itu, atau formula dengan surfaktan nonionik yang tidak diendapkan ion kesadahan. Menambah deterjen anionik dapat menutup kekurangan surfaktan, tetapi endapan kalsiumnya tetap terbentuk dan tertinggal di kain.

Menempatkan fungsi pada tahap siklus

Fungsi-fungsi di atas saling mendukung bila diletakkan pada tahap yang tepat, dan saling meniadakan bila bertemu pada waktu yang salah. Susunan umum berikut dipakai sebagai kerangka; urutan rinci dan pemecahan tahap dibahas pada bab arsitektur program.

Tahap pembilasan awal (flush) dengan air saja membuang kotoran lepas dan mengurangi beban kotoran yang harus ditanggung bahan kimia berikutnya. Pracuci hangat dengan surfaktan melepas kotoran berprotein sebelum suhu naik dan sebelum protein menggumpal; bila enzim dipakai, penempatannya mengikuti bab enzim. Cuci utama membawa alkali, surfaktan atau emulsifier, dan pengkelat pada suhu kerja yang lebih tinggi, dengan target pH yang ditetapkan untuk kategori linen. Pemutih masuk setelah atau pada bagian akhir cuci utama menurut kondisi kerjanya sendiri. Bilasan membuang kotoran dan sisa bahan kimia, lalu penetral dan pelembut masuk pada bilas akhir.

Interaksi yang perlu dijaga dapat diringkas sebagai berikut:

Semua interaksi ini terjadi di dalam air proses yang sudah encer. Pertemuan bahan pekat di wadah, selang, atau manifold adalah bahaya lain dengan reaksi yang jauh lebih keras. Bab 1 · Dispensing Kimia membahas cara menjaga setiap bahan tetap pada jalurnya sendiri sampai titik injeksi.

Salah tafsir yang sering muncul

Salah tafsir pertama adalah menganggap pH tinggi berarti alkali cukup. Contoh kerja pertama menunjukkan dua larutan dengan pH sama dan cadangan alkalinitas yang jauh berbeda.

Salah tafsir kedua adalah menambah alkali untuk setiap noda yang tidak hilang. Noda minyak dalam jumlah besar membutuhkan kapasitas pengemulsian, noda protein membutuhkan suhu yang belum menggumpalkan protein dan, bila perlu, enzim (bab enzim), dan kusam karena endapan mineral membutuhkan pengendalian kesadahan. Alkali tambahan pada kasus-kasus itu menambah residu dan beban bilasan tanpa menyentuh penyebabnya.

Hubungan dengan bab lain

Bab 8 · Kimia memberi dasar pH dan konsentrasi, Bab 10 · Kimia cara membaca SDS, Bab 1 · Air & Pengolahan Air pengukuran kesadahan, dan Bab 1 · Keselamatan kondisi berhenti.,,, Bab 18 dan Bab 3 · Sistem, Diagram & Diagnosis menunjukkan cara menguji dugaan penyebab kimia terhadap mutu cucian., Di rak Laundry, bab ini menjadi prasyarat bab oksidator dan penyelesai, pH, arsitektur program, penskalaan dosis, dan katalog gejala.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, satuan, dan asumsi yang dipakai. Angka dalam soal adalah data latihan, bukan dosis produk nyata. Anggap suhu 25 °C bila soal tidak menyebut lain.

1. Sebuah tahap cuci memakai 150 L air lunak tanpa penyangga. Hitung massa natrium hidroksida murni untuk mencapai pH 11,5.
2. Air cuci memiliki kesadahan 90 mg/L setara $\text{CaCO}_3$, dan mesin mengisi 250 L. Hitung massa tetranatrium EDTA (380,2 g/mol) yang diperlukan, lalu massa produk bila kadar bahan aktifnya 38 persen.
3. Surfaktan anionik bermuatan satu bereaksi dengan ion kalsium dengan perbandingan mol 2 : 1. Bila air pada soal 2 tidak diberi pengkelat, berapa mol surfaktan anionik yang dapat terikat oleh ion kesadahan di dalamnya?
4. Dua larutan cuci masing-masing bervolume 200 L. Larutan A berisi natrium hidroksida saja pada pH 11,5. Larutan B berisi natrium karbonat 2 g/L. Beban dengan kotoran asam setara 0,50 mol asam masuk ke masing-masing larutan. Perkirakan pH akhir kedua larutan dan jelaskan perbedaannya.
5. Beban lap dapur yang sangat berlemak dicuci pada suhu panas, lalu mesin langsung mengisi air dingin untuk bilasan pertama sebelum air cuci dibuang tuntas. Linen keluar dengan bercak berminyak. Jelaskan mekanismenya dan tindakan perbaikannya.
6. pH cuci utama terukur 11,8 di awal tahap dan 10,4 pada akhir tahap untuk beban seragam dapur yang sangat kotor, sedangkan beban handuk ringan dengan formula yang sama bertahan di 11,6. Susun dua hipotesis dan satu bukti pembeda untuk masing-masing.

Kunci jawaban beralasan

1. Pada pH 11,5, pOH sama dengan 2,5 dan $[\text{OH}^-] = 10^{-2{,}5} \approx 3{,}16 \times 10^{-3}$ mol/L. Kebutuhan per liter adalah $3{,}16 \times 10^{-3} \times 40{,}0 \approx 0{,}126$ g/L, sehingga untuk 150 L diperlukan sekitar $0{,}126 \times 150 \approx 19$ g. Pemeriksaan kewajaran: hasilnya berada di antara kebutuhan pH 11 dan pH 12 untuk volume yang sama, yaitu 6 g dan 60 g.
2. Konsentrasi ion kesadahan adalah $90/100{,}1 \approx 0{,}899$ mmol/L. Untuk 250 L, jumlahnya $0{,}899 \times 250 \approx 225$ mmol atau 0,225 mol. Massa bahan aktif adalah $0{,}225 \times 380{,}2 \approx 85{,}5$ g, dan massa produk $85{,}5/0{,}38 \approx 225$ g. Angka ini belum mencakup ion logam dari kotoran.
3. Ion kesadahan berjumlah 0,225 mol. Dengan perbandingan 2 : 1, surfaktan yang dapat terikat adalah $2 \times 0{,}225 = 0{,}450$ mol. Surfaktan sebanyak itu dapat hilang sebagai endapan, terutama bersama kalsium, sebelum membersihkan, dan endapannya dapat tertinggal di kain. Perhitungan ini menganggap seluruh ion kesadahan bereaksi dengan surfaktan, padahal sebagian juga bereaksi dengan karbonat bila ada, sehingga angka ini adalah batas atas.
4. Larutan A: $[\text{OH}^-] = 10^{-2{,}5} \approx 3{,}16 \times 10^{-3}$ mol/L, sehingga basa totalnya $3{,}16 \times 10^{-3} \times 200 \approx 0{,}632$ mol. Setelah 0,50 mol asam dinetralkan, sisa $0{,}132$ mol atau $6{,}6 \times 10^{-4}$ mol/L, pOH sekitar 3,18, dan pH turun ke sekitar 10,8. Larutan B: karbonatnya $2{,}0 \times 200/106 \approx 3{,}77$ mol. Asam 0,50 mol mengubah 0,50 mol karbonat menjadi bikarbonat, sehingga tersisa 3,27 mol karbonat, dan pH pendekatan $10{,}33 + \log(3{,}27/0{,}50) \approx 11{,}1$, turun sedikit dari sekitar 11,3. Larutan A kehilangan sekitar 0,7 satuan pH, sedangkan larutan B kurang dari 0,2 satuan, karena karbonat menyimpan cadangan yang jauh lebih besar walaupun pH awalnya lebih rendah.
5. Lemak mencair dan teremulsi pada suhu panas. Air dingin yang masuk sebelum air cuci terbuang menurunkan suhu larutan, sehingga lemak memadat kembali, emulsi melemah, dan tetesan lemak menempel lagi pada linen. Perbaikannya adalah membuang air cuci tuntas pada suhu kerja, memakai bilasan pertama yang masih hangat, dan memeriksa apakah kapasitas emulsifier sesuai dengan beban lemak.
6. Hipotesis pertama, cadangan alkalinitas habis dinetralkan oleh kotoran asam yang banyak pada beban dapur; bukti pembedanya adalah titrasi alkalinitas larutan di awal dan akhir tahap, atau uji ulang dengan beban dapur yang dosis alkalinya ditambah penyangga, sambil membandingkan penurunan pH. Hipotesis kedua, penurunan itu sebagian adalah artefak pengukuran karena sampel akhir dibaca pada suhu lebih tinggi daripada sampel awal; bukti pembedanya adalah mendinginkan kedua sampel ke 25 °C sebelum dibaca. Dugaan dosis alkali kurang lemah di sini, karena pH awal beban dapur justru lebih tinggi daripada beban handuk.

Referensi