Hardness vs Softening

Dimuat di MAM edisi 148, Januari 2008.

Kekerasan, tindakan anarkhistis, main hakim sendiri, pasti tak disukai oleh masyarakat. Di PDAM pun tak diharapkan terjadi kekerasan. Begitu juga “kekerasan” di dalam air yang disebut hardness. Kalau tinggi kadar hardness di air baku PDAM maka tinggi pula biaya operasi-rawat instalasinya sehingga mengurangi laba bersihnya. “Kekerasan” air ini seolah-olah musuh bagi PDAM sehingga harus “dimusnahkan” atau dikurangi sampai batas yang diizinkan oleh baku mutu air minum demi kesehatan pelanggan.

Tak hanya dampak kesehatan, kerugian ekonomi pun terjadi lantaran hardness. Banyak ibu rumah tangga mengeluh karena panci dan ketelnya cepat berkerak dan kotor. Kalau dicuci dan digosok terlalu keras malah bocor. Inilah salah satu dampak buruk “air keras” terhadap peralatan dapur yang sering digunakan untuk memanaskan air. Dampak berikutnya adalah boros penggunaan sabun mandi. Sebab, sabun natrium (sodium soap) lebih dulu bereaksi dengan kation penyebab hardness (kesadahan) dan membentuk endapan sehingga tidak bisa berbusa sampai semua ion kesadahannya habis bereaksi. Reaksinya sbb:

2NaCO₁₂C₁₇H₃₃ + Kation Kesadahan à Kat(CO₁₂C₁₇H₃₃)₂¯ + 2Na⁺.

sabun endapan

Parahnya lagi, endapan itu dapat melekat dan mengotori serat kain, porselen, keramik, dan alat plambing seperti wastafel, kloset, bathtub, urinal, dll. Selain disinyalir bisa menyumbat pori-pori kulit sehingga terasa kasar dan tidak nyaman, air sadah pun dikaitkan dengan penyempitan pembuluh darah dan penyakit jantung (kardiovaskuler).

Tak hanya PDAM yang direpotkan oleh kesadahan, di pabrik yang menggunakan boiler atau pemanas air pun terjadi hal serupa. Malah dampaknya lebih berbahaya, yaitu bisa meledak. Ledakan terjadi kalau endapan di dalam dinding boiler itu tidak merata sehingga tekanannya terus membesar dan tidak setimbang (merata). Di bagian yang banyak endapan (kerak) akan bertekanan lebih besar daripada bagian dinding lainnya sehingga potensial meletus. Di dalam pipa air panas (hot water supply) yang ada di hotel-hotel atau di villa pun terjadi demikian. Penggantian pipa lantas terpaksa sering dilakukan sebelum usia desainnya tercapai.

Separah itukah dampak air sadah? Betul, semuanya bisa terjadi. Itu sebabnya air pengisi boiler haruslah air yang bebas-sadah. Kalaupun sadah, harus serendah-rendahnya untuk menghindari pengerakan. Dengan kata lain, syarat kesadahan air ketel lebih ketat ketimbang air minum, yaitu maksimum satu derajat Jerman. Biasanya ditulis 1^oG (G = Germany) atau D (Deutsch). Satu derajat Jerman setara dengan 10 mg/l CaO atau 17,9 mg/l CaCO₃. Sebaliknya pada air minum, dipersilakan kesadahannya antara 5 – 10^o G. Hanya saja, dalam keputusan Menteri Kesehatan yang berlaku sekarang, besarnya kesadahan sampai 500 mg/l tetapi tidak dijelaskan satuannya apakah CaCO₃ ataukah CaO atau yang lainnya.

Apabila dirujuk ke beberapa buku teks, ada pembagian taraf kesadahan. Biasanya dikelompokkan menjadi empat kategori. Yang kesatu: air lunak (soft) dengan kesadahan kurang dari 50 mgl/ CaCO₃. Kedua, sedang, dengan nilai kesadahan antara 50 – 150 mg/l CaCO₃. Ketiga, keras, antara 150 – 300 mg/l CaCO₃, dan keempat sangat keras, yakni lebih dari 300 mg/l CaCO₃. Artinya, batas maksimum keputusan Menteri Kesehatan yang berlaku sekarang (nomor 907/Menkes/SK/2002) jauh di atas “sangat keras” (very hard). Tidakkah ini keliru? Adakah penjelasan lain?

Penyadahan

Air sadah berasal dari air hujan yang melewati formasi geologi atau lapisan batu kapur. Konsentrasinya berbeda-beda, ada yang besar, ada yang kecil. Yang besarlah yang menjadi masalah karena harus diolah dengan cara pelunakan atau softening. Menurut definisinya, kesadahan ialah kehadiran kation multivalen (valensi 2 atau 3) berkonsentrasi tinggi di dalam air. Dari sekian banyak jenis kation itu, penyebab utamanya hanya kalsium dan magnesium. Yang lainnya adalah besi, mangan, timbal, barium, dan aluminum. Anion yang terlibat biasanya bikarbonat, sulfat, klorida, nitrat, dan silikat.

Bagaimana proses terjadinya air sadah? Proses ini tak lepas dari siklus hidrologi. Air hujan yang sampai ke Bumi, ada yang melimpas (run off) ada juga yang meresap (infiltrasi) ke dalam tanah lalu mengalami perkolasi (menyusup) di lapisan tanah dalam. Ketika mengalir di lapisan tanah atas (top soil), di dalam air terjadi aktivitas mikroba yang menghasilkan karbondioksida (CO₂). Air dan CO₂ ini lantas membentuk asam karbonat (H₂CO₃). Asam inilah yang bereaksi dengan batu kapur, gamping (CaCO₃, MgCO₃) menjadi kalsium bikarbonat, Ca(HCO₃)₂ dan magnesium bikarbonat, Mg(HCO₃)₂.

Berdasarkan komposisi ion-ionnya, kesadahan biasanya dibedakan menjadi dua, yaitu

kesadahan sementara (karbonat atau temporer) dan kesadahan tetap (non-karbonat atau permanen). Kesadahan sementara disebabkan oleh kation yang bereaksi dengan anion HCO₃^- (bikarbonat) dan sensitif terhadap pemanasan, langsung menimbulkan endapan pada temperatur tinggi. Endapannya ialah CaCO₃ dan Mg(OH)₂. Berikutnya, kesadahan tetap, disebabkan oleh anion sulfat, klorida, nitrat, silikat. Kesadahan ini tidak dapat dihilangkan dengan pemanasan tetapi harus direaksikan dengan kapur dan soda.

Berkaitan dengan konsentrasi kation dan anion pembentuk kesadahan, ada dua hal yang bisa terjadi. Yang pertama, konsentrasi bikarbonat lebih kecil daripada jumlah konsentrasi kation kalsium dan magnesium. Ini bisa ditulis [HCO₃^-] < ([Ca₂⁺] + [Mg₂⁺]). Akibatnya, di dalam air ada dua jenis kesadahan, yaitu kesadahan temporer dan kesadahan tetap. Nilai konsentrasi kesadahan temporer sama dengan konsentrasi HCO₃^- sedangkan kesadahan tetapnya sama dengan sisa konsentrasi kalsium dan magnesium yang tidak bereaksi dengan HCO₃^-. Kesadahan tetap ditambah kesadahan sementara menghasilkan kesadahan jumlah atau kesadahan total.

Kemungkinan kedua, konsentrasi bikarbonatnya lebih besar daripada jumlah konsentrasi kalsium dan magnesium. Ditulis: [HCO₃^-] > ([Ca₂⁺] + [Mg₂⁺]). Apabila kondisi ini yang terjadi maka di dalam air hanya ada kesadahan temporer. Semua kation Ca₂⁺ dan Mg₂⁺ habis bereaksi dengan HCO₃^- sehingga kesadahan temporer sama dengan kesadahan total.

Softening

Karena air sadah menimbulkan masalah, serentaklah perusahaan air minum, terutama di negara-negara bagian (state) di Amerika Serikat, ramai-ramai “memerangi” “kekerasan” air ini. Proses “perang” ini dinamai water softening atau pelunakan air. Biasa didefinisikan sebagai pemisahan mineral terlarut di dalam air yang menyebabkan kerak (scaling) di panci, boiler (ketel), menimbulkan endapan di dalam pipa PDAM dan memboroskan sabun mandi. Mineral penyebab fenomena ini disebut ion penyebab sadah. Lantas, bagaimana dengan PDAM kita, sudahkah “menjinakkan” atau melunakkan air “kerasnya”?

Konsentrasi kesadahan juga mempengaruhi kecenderungan air untuk mengkorosi pipa distribusi berbahan besi milik PDAM. Adapun kalangan industri lebih fokus pada pembentukan scaling (kerak) pada ketel uapnya, juga warna air dan rasa air yang dapat mempengaruhi produknya kalau berbahan baku air sadah. Industri, apalagi industri elektronika, biasanya mengolah air dengan kualitas yang lebih baik daripada air PDAM. Artinya, kalau airnya ada yang dipasok dari PDAM maka air PDAM itu pun diolah lagi khusus untuk menurunkan kekeruhan dan kesadahan, termasuk pembasmian bakteri.

Untuk menerapkan siasat dalam memerangi atau memisahkan ion penyebab sadah itu perlu diketahui hasil-kali kelarutannya (biasa ditulis Ksp). Pada Tabel 1 disajikan hasil-kali kelarutan dan kelarutan garam-garam kalsium dan magnesium. Angka ini berguna untuk memperkirakan kecenderungan air yang mengandung ion kesadahan apakah akan menimbulkan kerak pada dinding pipa, panci, dan ketel ataukah tidak.

Tabel 1. Kelarutan dan Ksp garam-garam penyebab air sadah.

Senyawa	Kelarutan (mg/l)		Ksp
	Dingin	Panas (25o C)
CaCO3	14	18	5 x 10-9
Ca(OH)2	1850	770	8 x 10-6
CaSO4	2090	1620	2 x 10-5
MgCO3	542500	727000	-
Mg(OH)2	9	40	9 x 10-12
MgSO4	260000	738000	-
Sr(OH)2	4100	218300	-
SrCO3	11	650	-

Dari penelitian diketahui bahwa CaCO₃ dan Mg(OH)₂ relatif tidak larut (insoluble) dan pemisahan kesadahan dilakukan dengan pembentukan senyawa tersebut. Secara alamiah, anion bikarbonat cukup banyak di dalam air. Penyebab kesadahan yang dominan ialah kalsium yang dapat dipisahkan dengan pembentukan senyawa CaCO₃ dengan berat molekul 100 dan berat ekivalennya 50. Maka, kesadahan biasanya dinyatakan dalam mg/l CaCO₃.

Proses Kapur-Soda

Konsep kapur soda didasarkan pada ide sederhana. Ion penyebab kesadahan dapat dihilangkan (dikurangi) kalau diendapkan. Caranya dengan menaikkan pH air lewat penambahan alkalinitas. Ini akan mengubah bikarbonat menjadi karbonat sehingga terjadi endapan CaCO₃ dan Mg(OH)₂. Slaked lime merupakan CaO yang dihidratasi (ditambah air) dan menjadi sumber alkalinitas. CaO ini juga dikenal dengan nama quicklime. Sodium hidroksida (NaOH, caustic soda) dapat juga dijadikan sumber alkalinitas.

Sebagai tambahan, di bawah ini dituliskan urutan reaksi proses kapur-soda.

Ca(OH)₂ + CO₂ à CaCO₃(s) + H₂O…………………………. 1

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ à 2CaCO₃ (s) + 2H₂O………………. 2

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ à CaCO₃ (s) + MgCO₃ + 2H₂O….. 3

MgCO₃ + Ca(OH)₂ à Mg(OH)₂(s) + CaCO₃ (s)………….….. 4

Kehadiran CO₂ di dalam air ikut mengonsumsi kapur sesuai dengan reaksi di atas. Penambahan kapur menyebabkan peningkatan pH dan HCO₃^- diubah menjadi CO₃^2- (reaksi 2 dan 3). Kalau penambahan kapur terus dilakukan maka jumlah ion OH^- makin banyak lalu terjadilah reaksi 4 dan 6. Reaksi nomor 7 hanya akan terjadi apabila dibubuhkan soda abu karena ion kalsium dan magnesium berikatan dengan kesadahan non-karbonat. Memang, soda abu lebih mahal daripada harga kapur.

Terakhir, reaksi 3 dan 4 lalu dijumlahkan sehingga diperoleh kebutuhan kapur untuk kesadahan magnesium karbonat.

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ à 2CaCO₃ (s) + Mg(OH)₂(s) + 2H₂O ……. 5

MgX + Ca(OH)₂ à Mg(OH)₂(s) + CaX …………………………….. 6

CaX + Na₂CO₃ à CaCO₃ (s) + Na₂X ……………………………. 7

X adalah anion non-karbonat seperti SO₄^2-, NO₃^- dan Cl^-.

Alkalinitas karbon anorganik bereaksi pertama dengan ion kalsium. Bikarbonat berubah menjadi ion karbonat dengan penambahan alkalinitas lantas terbentuklah CaCO₃ yang langsung mengendap. MgCO₃ tidak mengendap pada kondisi normal ini tetapi setelah semua bikarbonat berubah menjadi karbonat. Penambahan ion OH^- menyebabkan presipitasi Mg(OH)₂. Jika diinginkan pemisahan magnesium maka sejumlah kapur harus dibubuhkan untuk mengubah alkalinitasnya menjadi karbonat dan kebutuhan kapur untuk pemisahan magnesium.

Batas terendah untuk pemisahan magnesium ialah 10 mg/l CaCO₃ atau 0,2 mek/l (milliekivalen per liter). Perlu penambahan kapur berlebih sekitar 35 mg/l CaCO₃ di atas persyaratan stoikiometrik untuk meningkatkan pH sampai 10,5 agar terjadi presipitasi Mg(OH)₂. CO₂ dapat digunakan untuk menurunkan kelebihan kapur dan menurunkan pH air sampai taraf yang diinginkan seperti reaksi di bawah ini.

2OH^- + CO₂ à CO₃^2- + H₂O ……………………….. 8

CO₃^2- + H₂O + CO₂ à 2HCO₃^-………………………. 9

Alternatif lain untuk memisahkan kelebihan ion Ca₂⁺ dari pembubuhan kapur berlebih ini ialah dengan penambahan Na₂CO₃. Penambahan soda abu ini dilaksanakan bersamaan dengan kapur sebelum masuk ke unit pengendap tempat penampungan endapan CaCO₃ dan Mg(OH)₂. Kelebihan ion OH^- di efluen bak sedimentasi dapat dinetralkan dengan asam klorida sampai nilai pH yang diinginkan, yaitu airnya stabil (stable water). Cara ini hanya memerlukan satu bak sedimentasi. Itu sebabnya, di dalam instalasi PDAM, unit softening di tempatkan sebelum sedimentasi atau sebelum unit koagulasi-flokulasi agar presipitat yang terbentuk dapat diendapkan bersama dengan kimflok (flok kimia) di unit sedimentasi.

Tinggal sekarang, sudahkan instalasi PDAM dilengkapi sarana “perang” melawan “kekerasan” akibat ion-ion kalsium dan magnesium ini?*