Pelunak dan penukar ion: resin, kapasitas tukar, ukuran pelunak, regenerasi dan garam, kebocoran kesadahan, demineralisasi, dan limbah regenerasi

Laundry sebuah rumah sakit memakai air sumur yang sadah, sehingga air dilewatkan ke pelunak sentral dua tabung sebelum masuk ke mesin cuci dan boiler kecil. Setahun setelah dua mesin cuci besar ditambahkan, keluhan mulai berdatangan: handuk terasa kaku, linen putih keabu-abuan, dan pemakaian deterjen naik hampir sepertiga. Operator laundry yakin pelunaknya bekerja, karena lampu panelnya menyala hijau dan regenerasi berjalan setiap tiga hari.

Teknisi menguji kesadahan air keluaran pelunak pada pagi, siang, dan sore. Pagi hari setelah regenerasi, kesadahannya hampir nol; sore hari kedua, kesadahannya sama dengan air baku. Pemakaian air sudah naik dari sekitar 40 menjadi 70 m³ per hari, tetapi regenerasi masih diatur setiap tiga hari menurut jam, sehingga resin habis jauh sebelum regenerasi berikutnya. Tangki garam hampir kosong, dan garam yang tersisa menggumpal menjadi kerak keras yang menggantung di atas air, sehingga larutan garam yang terisap encer. Bab ini menjelaskan cara kerja pelunak dan penukar ion, dan cara menghitung kapasitas, garam, dan jadwal regenerasinya.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pelunak dan penukar ion dari sisi teknisi: kesadahan, resin, kapasitas tukar, ukuran pelunak, regenerasi, garam, kebocoran kesadahan, demineralisasi, dan limbah regenerasi. Nilai untuk resin dan unit tertentu diambil dari pembuatnya. Air bahan baku laundry dan akibat kesadahan pada pencucian ada di Bab 4 · Laundry; pelunak bawaan mesin pencuci piring di Bab 9 · Dishwashing; kelarutan dan kecenderungan kerak di Bab 16 · Kimia; air boiler di Bab 6 · Utilitas tentang pengolahan air boiler dan blowdown; air pendingin di Bab 10 · Utilitas tentang air pendingin dan menara pendingin; osmosis balik di Bab 5; filtrasi media di Bab 20 tentang filtrasi media dan karbon aktif; bahan kimia di pekerjaan teknisi di Bab 6 · Keselamatan.

Kesadahan dan mengapa air dilunakkan

Kesadahan (hardness) adalah senyawa kalsium dan magnesium yang biasanya ada di air sadah, dan pelunakan (softening) adalah proses menghilangkan kesadahan. Air tanah tinggi zat terlarut, kesadahan, alkalinitas, dan silika.

Kesadahan biasanya dinyatakan sebagai mg/L kalsium karbonat, supaya kalsium dan magnesium dapat dijumlahkan. Satuan lain yang masih dipakai di manual mesin adalah derajat Jerman, dengan 1 derajat sekitar 17,8 mg/L kalsium karbonat. Konversi dan akibatnya bagi pencucian dijelaskan di Bab 4 · Laundry.

Pelunakan air diperlukan untuk hampir semua pemakaian air gedung komersial dan industri. Di laundry, kesadahan mengikat sebagian deterjen, mengendap di serat sebagai kerak abu-abu, dan menumpuk sebagai kerak di pemanas dan boiler, seperti dibahas di Bab 16 · Kimia dan Bab 6 · Utilitas.

Resin penukar ion

Proses penukar ion memakai resin penukar ion, dan resin dapat berstruktur gel atau makropori. Resin penukar ion (ion exchange resin) adalah butir polimer kecil, biasanya berukuran sekitar setengah milimeter, yang membawa gugus bermuatan tetap. Pada resin kation untuk pelunak, gugus itu bermuatan negatif dan mula-mula dipasangkan dengan ion natrium.

Saat air sadah melewati resin, ion kalsium dan magnesium, yang bermuatan dua dan lebih disukai resin, menggantikan ion natrium. Air keluar membawa natrium sebagai gantinya, dalam jumlah yang setara. Pertukaran ini berlangsung dari atas ke bawah: lapisan atas jenuh lebih dulu, dan batas antara resin jenuh dan resin segar turun pelan sepanjang siklus. Ketika batas itu mencapai dasar, kesadahan mulai lolos, dan resin harus diregenerasi.

Resin dapat rusak atau kehilangan kapasitas karena klorin bebas yang tinggi, besi dan mangan yang mengendap di butirnya, minyak, dan suhu tinggi di luar batas pembuatnya. Karena itu, pelunak sering didahului filter media atau karbon, seperti di Bab 20.

Kapasitas tukar, volume air per siklus, dan ukuran pelunak

Kapasitas operasi (operating capacity) resin adalah banyaknya kesadahan yang dapat ditukar oleh satu liter resin dalam satu siklus, dinyatakan dalam gram kalsium karbonat per liter resin. Untuk resin kation pelunak, angkanya sekitar 45 sampai 70 g per liter, tergantung dosis garam regenerasi: dosis lebih banyak memberi kapasitas lebih besar, tetapi efisiensi garamnya menurun.

Beban kesadahan harian dan volume air yang dapat dilunakkan dalam satu siklus dihitung:

dengan $M$ beban kesadahan dalam g CaCO₃ per hari, $Q$ pemakaian air dalam m³/hari, $H$ kesadahan air baku dalam mg/L, yang sama dengan g/m³, $C$ kapasitas operasi dalam g per liter resin, $V_r$ volume resin dalam liter, dan $V_{\text{air}}$ volume air per siklus dalam m³. Rumus ini menunjukkan mengapa pelunak yang cukup untuk pemakaian lama dapat habis terlalu cepat setelah pemakaian air atau kesadahan naik.

Memilih atau menilai pelunak dimulai dari pemakaian air harian, debit puncak, dan kesadahan air baku. Pertimbangan yang umum:

1. Volume resin: cukup supaya satu siklus bertahan sekitar satu sampai beberapa hari, tidak terlalu sering diregenerasi dan tidak terlalu lama sehingga resin jarang dibersihkan.
2. Debit puncak: laju alir spesifik, yaitu debit dibagi volume resin, biasanya dijaga dalam rentang yang diberikan pembuat, sering sekitar 8 sampai 40 kali volume resin per jam. Debit yang terlalu tinggi memperbesar kebocoran kesadahan dan kehilangan tekanan.
3. Simpleks atau dupleks: pelunak satu tabung tidak memberi air lunak selama regenerasi. Pelunak dua tabung bergantian memberi air lunak terus-menerus, penting untuk laundry dan boiler.
4. Kendali regenerasi: menurut waktu, menurut volume air yang sudah melewati meter, atau menurut sensor mutu. Kendali menurut volume menyesuaikan diri dengan pemakaian.
5. Ruang dan akses: sistem pelunak sering dipilih tanpa banyak memikirkan kebutuhan ruang. Ruang diperlukan untuk tangki garam, pengisian garam, dan saluran buangan.

Regenerasi dan garam

Regenerasi (regeneration) adalah pengembalian resin ke bentuk natrium dengan larutan garam pekat. Tahap yang umum:

1. Cuci balik: air dialirkan dari bawah untuk mengembangkan resin, melepas kotoran, dan meratakan lapisan.
2. Pengisapan larutan garam: larutan garam sekitar 8 sampai 12 persen diisap perlahan melewati resin, sehingga natrium menggantikan kalsium dan magnesium.
3. Bilas lambat: air mendorong sisa larutan garam melewati resin dengan laju lambat, supaya garam terpakai.
4. Bilas cepat: air mengalir dengan laju kerja sampai keluaran tidak lagi asin dan kesadahannya rendah. Tahap bilas dapat berupa bilas lambat yang diikuti bilas akhir.
5. Pengisian tangki garam: air dimasukkan ke tangki garam untuk melarutkan garam bagi regenerasi berikutnya.

Banyaknya garam per regenerasi adalah dosis garam kali volume resin. Simpanan garam di tangki garam harus dipastikan cukup untuk sedikitnya empat kali regenerasi per tabung. Masalah garam yang sering ditemui:

1. Garam menggumpal di atas air membentuk kubah keras, sehingga air di bawahnya tidak jenuh dan larutan yang terisap encer.
2. Garam tidak bersih meninggalkan lumpur di dasar tangki yang menyumbat saringan isap.
3. Katup isap atau injektor tersumbat, sehingga larutan garam tidak terisap sama sekali walaupun regenerasi berjalan.
4. Tangki garam kosong karena tidak ada jadwal pengisian atau pencatatan.

Secara teori, menukar 1 g kalsium karbonat memerlukan sekitar 1,17 g garam dapur, tetapi pelunak sebenarnya memakai sekitar dua sampai tiga kali angka itu. Efisiensi garam (salt efficiency) adalah perbandingan garam terpakai terhadap kesadahan yang ditukar, ukuran yang berguna untuk membandingkan setelan.

Kebocoran kesadahan dan pemeriksaan

Kebocoran kesadahan (hardness leakage) adalah sedikit kesadahan yang tetap lolos dari pelunak yang bekerja baik, biasanya beberapa mg/L. Kebocoran membesar bila larutan garam encer, debit melewati batas, zat terlarut di air baku sangat tinggi, atau resin sudah tua. Kesadahan yang tiba-tiba sama dengan air baku menunjuk resin habis, regenerasi gagal, atau katup pintas terbuka.

Pemeriksaan yang umum:

1. Uji tetes kesadahan air keluaran pelunak, sebaiknya menjelang akhir siklus, tidak hanya setelah regenerasi.
2. Meter air dibaca dan dibandingkan dengan volume per siklus hasil hitungan.
3. Tangki garam: tinggi garam, kubah garam, dan tinggi air.
4. Uji regenerasi: mengamati bahwa larutan garam benar-benar terisap dan bilas keluar asin lalu tawar.
5. Katup campur dan pintas: posisinya sesuai dan tidak bocor.
6. Konduktivitas air baku: kadar zat terlarut dapat ditentukan dari konduktivitas sampel air. Kenaikan zat terlarut mengubah kebocoran dan kapasitas.

Demineralisasi

Pelunak hanya menukar kesadahan dengan natrium; zat terlarut total hampir tidak berubah. Demineralisasi (demineralization) adalah penukaran semua kation dan anion terlarut sehingga air hampir bebas garam. Untuk air yang hampir bebas garam, seperti untuk boiler bertekanan tinggi, laboratorium, atau bilas akhir tertentu, dipakai demineralisasi: resin kation bentuk hidrogen menukar semua kation dengan ion hidrogen, lalu resin anion bentuk hidroksida menukar semua anion dengan ion hidroksida, sehingga keduanya membentuk air.

Unit kation asam lemah diregenerasi dengan asam dan pelunak dengan garam; cara lain adalah memakai gabungan resin lemah dan resin kuat; unit anion kemudian dibilas dengan air; dan air olahan dari sepasang unit dipoles lagi di unit hamparan campur. Unit anion basa kuat menghasilkan konduktivitas 5 µS/cm, dan air bebas ion ditetapkan dalam rentang konduktivitas.

Regenerasi demineralisasi memakai asam kuat dan soda kaustik pekat, sehingga penanganan bahan kimianya mengikuti Bab 6 · Keselamatan. Untuk banyak keperluan gedung, osmosis balik di Bab 5 menjadi pilihan lain yang tidak memerlukan bahan kimia regenerasi, dengan konsentrat sebagai gantinya.

Limbah regenerasi

Setiap regenerasi menghasilkan air buangan yang asin dan sadah: sisa larutan garam, kalsium dan magnesium yang dilepas, dan air bilas. Jumlah garamnya kira-kira sama dengan garam yang dipakai. Hal yang perlu diperhatikan:

1. Datang sebagai semburan: seluruh limbah regenerasi keluar dalam beberapa puluh menit, sehingga kadar garam sesaat di saluran buangan sangat tinggi.
2. Pengaruh pada IPAL: kadar garam yang tinggi mendadak mengganggu mikroba pengolahan biologis seperti di Bab 18 dan menaikkan zat terlarut efluen.
3. Limbah demineralisasi bersifat asam atau basa kuat, sehingga dinetralkan lebih dulu, seperti netralisasi di Bab 17.
4. Ketentuan setempat: pembuangan air garam ke saluran, tanah, atau badan air mengikuti izin yang berlaku.

Mengatur regenerasi pada jam ketika IPAL menerima debit lain yang besar, atau menampung limbah regenerasi di bak ekualisasi, membantu mengencerkan semburan itu.

Perawatan pelunak

Pelunak jarang rusak mendadak; kinerjanya turun pelan sampai seseorang mengeluh. Jadwal perawatan yang umum:

1. Setiap hari: uji kesadahan air keluaran, sebaiknya pada jam yang sama dan menjelang akhir siklus, dan pembacaan meter air.
2. Setiap minggu: tinggi garam di tangki, tanda garam menggumpal, dan pengisian garam bila perlu; catatan berapa karung garam yang dipakai dibandingkan dengan jumlah regenerasi.
3. Setelah listrik padam: jam pengendali regenerasi menurut waktu diperiksa, karena jam yang tergeser membuat regenerasi berlangsung pada jam sibuk dan memotong pasokan air lunak.
4. Setiap beberapa bulan: injektor, saringan isap, dan katup pengisi tangki garam dibersihkan; lumpur di dasar tangki garam dikeluarkan.
5. Setiap tahun: kapasitas sebenarnya diperiksa dengan membandingkan volume air sampai kesadahan lolos terhadap angka hitungan; resin yang kotor oleh besi dibersihkan dengan bahan pembersih resin menurut petunjuk pembuat.
6. Menurut kinerja: resin diganti bila kapasitasnya terus turun walaupun regenerasi benar, sering setelah beberapa tahun sampai sepuluh tahun tergantung mutu air dan klorinnya.

Untuk air yang juga dipakai sebagai air minum atau untuk dapur, resin dan tangki garam dapat ditumbuhi bakteri bila pelunak lama tidak dipakai; sanitasi berkala menurut petunjuk pembuat diperlukan.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: beban kesadahan harian. Air baku 120 mg/L kalsium karbonat dan pemakaian 70 m³/hari memberi $M = 70 \times 120 = 8.400$ g, yaitu 8,4 kg kalsium karbonat per hari. Pada pemakaian lama 40 m³/hari, bebannya 4,8 kg/hari.

Contoh 2: volume air per siklus. Setiap tabung berisi 300 L resin dengan kapasitas operasi 50 g per liter pada dosis garam yang dipakai, nilai yang diambil dari rentang di atas. Kapasitas per tabung $50 \times 300 = 15.000$ g, jadi $V_{\text{air}} = 15.000/120 = 125$ m³ per siklus.

Contoh 3: mengapa resin habis sebelum regenerasi. Dengan regenerasi setiap tiga hari, pemakaian lama 40 m³/hari memakai 120 m³ per siklus, masih di bawah 125 m³. Pemakaian baru 70 m³/hari memakai 210 m³ dalam tiga hari, sehingga resin habis setelah $125/70 = 1{,}8$ hari, seperti pada kasus pembuka. Kendali menurut volume dengan batas sekitar 110 m³ menyelesaikan masalah ini.

Contoh 4: garam per regenerasi dan per minggu. Dosis garam 120 g per liter resin memberi $120 \times 300 = 36$ kg garam per regenerasi. Pada 70 m³/hari, satu minggu memakai 490 m³, yaitu sekitar $490/110 = 4{,}5$ regenerasi dengan batas volume 110 m³, atau sekitar 160 kg garam per minggu. Untuk empat kali regenerasi per tabung, setiap tangki garam perlu menyimpan sedikitnya $4 \times 36 = 144$ kg.

Contoh 5: laju alir spesifik. Debit puncak saat beberapa mesin mengisi bersamaan 10 m³/jam melewati satu tabung 300 L, yaitu $10.000/300 = 33$ kali volume resin per jam, masih di bawah batas atas yang sering dipakai, sekitar 40. Bila debit puncak naik ke 15 m³/jam, angkanya 50 dan kebocoran kesadahan dapat naik.

Contoh 6: limbah regenerasi. Satu regenerasi memakai cuci balik sekitar 200 L, larutan garam 10 persen sekitar 360 L, bilas lambat dua kali volume resin 600 L, dan bilas cepat tiga kali volume resin 900 L, total sekitar 2,1 m³ yang membawa sekitar 36 kg garam. Kadar garam rata-rata dalam limbah itu sekitar $36.000/2{,}1 = 17.000$ mg/L, dan bila dirata-ratakan ke 70 m³ air limbah harian, menambah sekitar 500 mg/L zat terlarut.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan minta keputusan penyelia, pemilik, atau pembuat bila:

1. Tabung pelunak atau demineralisasi akan dibuka tanpa tekanan dibuang dan katup diisolasi.
2. Regenerasi demineralisasi memakai asam atau soda kaustik pekat tanpa alat pelindung, pompa dosis tertutup, dan tempat cuci mata.
3. Resin akan diganti jenis lain atau ditambah tanpa petunjuk pembuat.
4. Air keluaran dipakai untuk air minum, dan kadar natrium atau mutu air menjadi pertanyaan kesehatan.
5. Limbah regenerasi akan dibuang ke tempat yang tidak diizinkan.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 4 · Laundry tentang air sebagai bahan baku laundry memberi kesadahan dan akibatnya di laundry, dan Bab 9 · Dishwashing tentang mutu air, pelunak, kerak, dan descaling mesin pencuci piring membahas pelunak bawaan mesin pencuci piring. Kelarutan dan kerak ada di Bab 16 · Kimia tentang kelarutan dan pengendapan, air boiler di Bab 6 · Utilitas tentang pengolahan air boiler dan blowdown, dan air pendingin di Bab 10 · Utilitas tentang air pendingin dan menara pendingin; air lunak dipakai sebagai air tambahan sistem air pendingin. Osmosis balik dibahas di Bab 5 tentang osmosis balik, filtrasi media di Bab 20 tentang filtrasi media dan karbon aktif, dan penanganan bahan kimia di Bab 6 · Keselamatan tentang bahan kimia di pekerjaan teknisi. Pengaruh limbah regenerasi pada IPAL berhubungan dengan Bab 18 tentang lumpur aktif dan netralisasi di Bab 17 tentang pengolahan pendahuluan dan sedimentasi. Bab 22 tentang pengolahan dan pembuangan lumpur adalah bab berikutnya di rak ini.

Latihan dan pembahasan