mengenal kesadahan air

Jika kalian tinggal atau berlibur di daerah pegunungan khususnya daerah pegunungan kapur dan kalian menggunakan air yang berasal dari air tanah, kalian pasti mengalami kejadian diamana saat kalian mandi sabun kalian tidak berbusa serta saat kalian merebus air timbul kerak pada dasar panci kalian. Kalian pasti akan merasa benci jika hal tersebut terjadi karena kalian pasti akan butuh sabun yang lebih banyak untuk membuat air kalian berbusa serta butuh waktu lebih lama dari biasanya untuk merebus air jika pada bagian panci kalian terdapat kerak.

Hal di atas disebut sebagai fenomena kesadahan. Kesadahan menurut wikipedia didefinisikan sebagai kandungan mineral-mineral tertentu di dalam air, umumnya ion kalsium (Ca) dan magnesium (Mg) dalam bentuk garam karbonat. Air sadah atau Hard water adalah air yang mengandung banyak mineral umumnya yang membentuk ion divalen seperti kalsium, magnesium, besi, mangan, dll. Keberadaan ion-ion kesadahan dalam air mengikat molekul sabun sehingga menyebabkan konsumsi sabun bertambah sehingga merugikan secara ekonomi dan menyebabkan sulitnya menemukan kondisi yang optimum untuk proses pembersihan. Dalam bidang industri, air sadah dapat menyebabkan timbulnya kerak pada boiler yang dapat menyebabkan komsumsi energi meningkat yang disebabkan oleh kerak ang ditimbulkan akan menyerap sebagian energi panas. Air sadah dalam sistem perpipaan dapat menimbulkan kerak sehingga mengurangi Jari-jari hidrolis pada pipa yang mengakibatkan naiknya kehilangan tekanan pada sistem perpipaan.

Penyebab dan sumber kesadahan

Kesadahan disebabkan oleh keberadaan ion divalen yang ada dalam air yang dapat berikatan dengan molekul sabun dan saat bereaksi dengan beberapa jenis ion dapat mengendap dan menimbulkan kerak. Sebagian besar kesadahan dalam air disebabkan oleh ion kalsium dan magnesium meskipun ada kalanya juga disebabkan oleh ion divalen lainnya seperti ion besi(II),ion mangan(II), stronsium, dll. Dibawah ini disajikan tabel kation dan anion penyebab kesadahan dalam air.

Air sadah sebagian besar terjadi pada air tanah hal ini disebabkan air bersifat sebagi pelarut yang baik yang dapat melarutkan hampir semua zat yang dilaluinya. Sifat air tanah ditentukan oleh jenis batuan atau tanah yang dilalui oleh air saat teejadi proses infiltrasi. Proses terbentunya kesadahan dalam air tanah dapat dilihat pada gambar di bawah ini:

Dari gambar tersebut dapat dijelaskan bahwa proses terjadinya kesadahan dimulai pada proses iniltrasi air hujan dalam tanah. Air seperti yang sudah dijelaskan sebelumnya akan melarutkan sebagian besar mineral yang ada dalam tanah. Kemampuan melarutnya mineral tersebut meningkat akibat adanya karbon dioksida yang dilepaskan oleh hasil aktivitas bakteri. Air yang masuk kedalam tanah akan mengikat karbon dioksida dimana pengikatan ini sebagai bentuk adanya reaksi kesetimbangan dengan asam karbonat. Pada pH yang rendah material dasar seperti batu kapur akan terlarut dalam air. 

Metode Penentuan Kesadahan

Kesadahan biasanya dihitung sebagai Jumlah CaCO3 dalam air. Banyak metode yang telah dikembangkan dalam penentuan kesadahan selama bertahun-tahun. Dua metode yang umum digunakan yang diambil dari standard method adalah sebagai berikut:

A. Metode Perhitungan 

Salah satu metode penentuan kesadahan yang paling akurat adalah metode perhitungan yang didasarkan pada perhitungan keberadaan divalen ion dalam sampel air yang diperoleh melalui analisa kation yang lengkap. Konsentrasi masing-masing ion divalen dapat ditentukan secara terpisah melalui metode standard atomic absorption atau inductively coupled plasma atau dengan ion chromatography serta ion-spesific-electrodes.

Perhitungan kesadahan dilakukan dengan rumus dibawah ini :

Dimana M2+ merupakan jumlah ion logam divalent dalam mg/L.

B. Metode Titrasi dengan EDTA

Metode ini didasarkan pada reaksi antara ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) atau garam natriumnya sebagai titran dengan ion logam divalent dalam sampel air. Di bawah ini adalah struktur molekul EDTA :

EDTA sebagai chelating agent akan membentuk kompleks yang sangat stabil dengan ion logam divalent dalam sampel berdasarkan persamaan reaksi dibawah ini:

Keberhasilan percobaan ini bergantung pada indikator yang menunjukkan keberadaan EDTA dalam konsentrasi berlebih/titik akhir titrasi. Indikator yang biasa digunakan adalah Eriochrome Black T atau Calmagite. Dimana saat titik akhir titrasi tercapai atau seluruh ion kesadahan terikat akan berubah warna dari merah anggur menjadi biru yang ditunjukkan oleh reaksi dibawah ini:

Selama proses titrasi, seluruh ion kesadahan akan membentuk kompleks dengan dengan indikator terlebih dahulu sebelum terjadi penambahan EDTA. Kompleks ion kesadahan dan indikator akan menunjukan warna merah. Keberadaan EDTA akan mengganggu kestabilan kompeks indikator tersebut dan membentuk kompleks dengan ion logam divalen yang lebih stabil sehingga akan membuat warna merah menjadi warna biru. Yang menunjukkan seluruh ion kesadahan sudah terikat oleh EDTA.

Ada beberapa gangguan yang terjadi selama proses titrasi seperti adanya kation lain yang dapat mengikat EDTA. Namun hal tersebut dapat diantisipasi melalui penyiapan beberapa modifikasi pada sampel seperti menciptakan suasana basa pada kisaran pH 10 dimana pada pH tersebut seluruh kation selain kation kesadahan akan mengendap. Khusus untuk analisa kesadahan kalsium dilakukan dengan modifikasi pH pada kisaran 12 untuk mengendapkan sebagian besar kation logam selain ion kalsium.

Jenis-Jenis Kesadahan dalam air

Kesadahan dibedakan berdasarkan 2 hal yaitu : 1. Berdasarkan ion logam dalam air dan 2. Berdasarkan anion yang berikatan dengan logam.

A. Kesadahan Kalsium dan Magnesium 

Ion Kalsium dan Magnesium merupakan penyebab kesadahan terbesar dalam air. Berdasarkan pertimbangan tertentu mengetahui jumlah kalsium dan magnesium sebagai penyebab kesadahan penting sebagai contoh penentuan jumlah ion magnesium dalam air dapat membantu untuk menghitung jumlah kapur  dan soda kaustik yang dibutuhkan dalam proses pelunakan air. Kesadahan kalsium dan magnesium diperoleh dari analisa komplit dimana ada analisa yang digunakan untuk menentukan kalsium atau magnesium sendiri. Namun ada kalanya analisa yang komplit tidak dapat dilakukan yang disebabkan oleh berbagai macam faktor salah satunya adalah waktu. Sehingga biasanya dilakukan dua analisa yaitu penentuan kesadahan total dan penentuan kalsium dalam air. Penentuan magnesium dalam air dilakukan melalui perhitungan dengan rumus dibawah ini :

Kesadahan total – kesadahan kalsium = kesadahan magnesium

Prosedur perhitungan diatas bersifat reliable hal ini disebabkan karena sebagian besar kesadahan dalam air disebabkan oleh dua ion divalen yaitu kalsium dan magnesium.

B. Kesadahan Karbonat dan Nonkarbonat

Kesadahan Karbonat (KH) merupakan besaran yang menunjukkan kandungan ion bikarbonat (HCO3-) dan karbonat (CO32-) di dalam air. Dalam aquarium air tawar, pada kisaran pH netral, ion bikarbonat lebih dominan, sedangkan pada aquarium air laut ion karbonat lebih berperan. KH sering disebut sebagai alkalinitas yaitu suatu ekspresi dari kemampuan air untuk mengikat kemasaman (ion-ion yang mampu mengikat H+). Oleh karena itu, dalam sistem air tawar, istilah kesadahan karbonat, pengikat kemasaman, kapasitas pem-bufferan asam, dan alkalinitas sering digunakan untuk menunjukkan hal yang sama. Dalam hubungannya dengan kemampuan air mengikat kemasaman, KH berperan sebagai agen pem-bufferan yang berfungsi untuk menjaga kestabilan pH. KH pada umumnya sering dinyatakan sebagai derajat kekerasan dan diekspresikan dalam CaCO3 seperti halnya GH. Jika CaCO3 sebagai alkalinitas dan kesadahan, maka kesadahan karbonat ditentukan sebagai berikut :

a.  Alkalinitas >= kesadahan total

      Kesadahan karbonat (mg/l) = kesadahan total (mg/l)

b.  Alkalinitas < kesadahan total

                 Kesadahan karbonat (mg/l) = alkalinitas (mg/l)

Adapun kesadahan non karbonat ialah jumlah kesadahan akibat kelebihan kesadahan karbonat. Kesadahan non karbonat = kesadahan total – kesadahan karbonat kation. Kation kesadahan non karbonat berikatan dengan anion-anion sulfat nitrat.

Penentuan kesadahan karbonat atau kesadahan sementara dan kesadahan nonkarbonat penting karena dapat menentukan tipe pengolahan dalam unit pengolahan air minum. Secara umum kesadahan sementara lebih mudah dihilangkan dengan cara pemanasan maupun penambahan kapur, sedangkan untuk kesadahan tetap lebih sulit penghilangannya dengan pemanasan sehingga secara umum kesadahan tetap proses removalnya salah satunya dengan cara pembubuhan soda kaustik.

C. Pseudo-Hardness

Sumber air yang mengandung konsentrasi ion Natrium yang tinggi seperti di laut juga dapat mengganggu timbulnya busa pada sabun akibat adanya efek ion senama. Pada dasarnya ion Natrium bukanlah penyebab timbulnya kesadahan, dan hal tersebut hanya terjadi ketika Ion Natrium dalam air terdapat dalam konsentrasi yang tinggi sehingga disebut pseudo-hardness.

Dampak Kesadahan

Air sadah tidak begitu berbahaya untuk diminum, namun dapat menyebabkan beberapa masalah. Air sadah dapat menyebabkan pengendapan mineral, yang menyumbat saluran pipa dan keran. Air sadah juga menyebabkan pemborosan sabun di rumah tangga, dan air sadah yang bercampur sabun tidak dapat membentuk busa, tetapi malah membentuk gumpalan soap scum (sampah sabun) yang sukar dihilangkan. Efek ini timbul karena ion 2+ menghancurkan sifat surfaktan dari sabun dengan membentuk endapan padat (sampah sabun tersebut). Komponen utama dari sampah tersebut adalah kalsium stearat, yang muncul dari stearat natrium, komponen utama dari sabun: 

2 C17H35COO- + Ca2+ → (C17H35COO)2Ca

Dalam industri, kesadahan air yang digunakan diawasi dengan ketat untuk mencegah kerugian. Pada industri yang menggunakan ketel uap, air yang digunakan harus terbebas dari kesadahan. Hal ini dikarenakan kalsium dan magnesium karbonat cenderung mengendap pada permukaan pipa dan permukaan penukar panas. Presipitasi (pembentukan padatan tak larut) ini terutama disebabkan oleh dekomposisi termal ion bikarbonat, tetapi bisa juga terjadi sampai batas tertentu walaupun tanpa adanya ion tersebut. Penumpukan endapan ini dapat mengakibatkan terhambatnya aliran air di dalam pipa. Dalam ketel uap, endapan mengganggu aliran panas ke dalam air, mengurangi efisiensi pemanasan dan memungkinkan komponen logam ketel uap terlalu panas. Dalam sistem bertekanan, panas berlebih ini dapat menyebabkan kegagalan ketel uap. Kerusakan yang disebabkan oleh endapan kalsium karbonat bervariasi tergantung pada bentuk kristal, misalnya, kalsit atau aragonit.

Cara Mengatasi Kesadahan

1. Pemanasan

Kesadahan Sementara dapat dihilangkan dengan jalan pemanasan. Dengan jalan pemanasan

senyawa-senyawa yang mengandung ion bikarbonat (HCO3-)akan mengendap pada dasar

ketel. Reaksi yang terjadi adalah :

Ca(HCO3)2 (aq) –> CaCO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g)

Mg(HCO3)2 (aq) –> MgCO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g)

2. Dengan Cara Kimia

 Untuk membebaskan air dari kesadahan tetap, tidak dapat dengan jalan pemanasan

 melainkan harus dilakukan dengan cara kimia, yaitu dengan mereaksikan air tersebut dengan

 zat-zat kimia tertentu. Pereaksi yang digunakan adalah larutan karbonat, yaitu Na2CO3 (aq)

 atau K2CO3 (aq). Penambahan larutan karbonat dimaksudkan untuk mengendapkan ion

 Ca2+ dan atau Mg2+.

CaCl2 (aq) + Na2CO3 (aq) –> CaCO3 (s) + 2NaCl (aq)

Mg(NO3)2 (aq) + K2CO3 (aq) –> MgCO3 (s) + 2KNO3 (aq)

     Dengan terbentuknya endapan CaCO3 atau MgCO3 berarti air tersebut telah terbebas dari ion

     Ca2+ atau Mg2+ atau dengan kata lain air tersebut telah terbebas dari kesadahan.

3. Pengenceran

Pengenceran dengan menggunakan air destilasi (air suling/aquadest) dapat pula dilakukan

untuk menurunkan kesadahan. Air yang memiliki tingkat kesadahan yang tinggi, dapat

diencerkan dengan air yang bebas sadah.

4. Reverse osmosis (RO) atau deioniser (DI)

Cara yang paling baik untuk menurunkan kesadahan adalah dengan menggunakan reverse

osmosis (RO) atau deioniser (DI). Celakanya metode ini termasuk dalam metode yang mahal.

Hasil reverse osmosis akan memilikikesadahan = 0, oleh karena itu air ini perlu dicampur

dengan air keran sedemikian rupa sehingga mencapai nilai kesadahan yang diperlukan.

5. Penggunaan asam-asam organic

Penurunan secara alamiah dapat pula dilakukan dengan menggunakan jasa asam-asam organik (humik/fulvik) , asam ini berfungsi persis seperti halnya yang terjadi pada proses deionisasi yaitu dengan menangkap ion-ion dari air pada gugus-gusus karbonil yang terdapat pada asam organik (tanian). Beberapa media yang banyak mengandung asam-asam organik ini diantaranya adalah gambut yang berasal dari Spagnum (peat moss), daun ketapang, kulit pohon Oak, dll.

Proses dengan gambut dan bahan organik lain biasanya akan menghasilkan warna air kecoklatan seperti air teh. Sebelum gambut digunakan dianjurkan untuk direbus terlebih dahulu, agar organisme-organisme yang tidak dikehendaki hilang.

6. Penggunaan resin pelunak air (penukar ion)

Resin pelunak air komersial dapat digunakan dalam skala kecil, meskipun demikian tidak efektif digunakan untuk sekala besar. Resin adalah zat yang punya pori yang besar dan bersifat sebagai penukar ion yang berasal daripolysterol, atau polyakrilat yang berbentuk granular atau bola kecil dimana mempunyai struktur dasar yang bergabung dengan grup fungsional kationik, non ionik/anionik atau asam. Dalam prosoes ini natrium (Na) pada umumnya digunakan sebagai ion penukar, sehingga pada akhirnya natrium akan berakumulasi pada hasil air hasil olahan. Kelebihan natrium (Na) dalam air akuarium merupakan hal yang tidak dikehendaki.

7. Penggunaan Zeolit

Zeolit adalah aluminosilikat berhidrat, alami atau buata, dengan struktur Kristal berdimenci tiga terbuka, yang di dalam kisinya teerdapat molekul air. Air dapat diusih lewat pemanasan dan zeolit kemudian dapat menyerap molekul lain yang ukurannya cocok. Zeolit digunakan untuk memisahkan campuran lewat penyerapan terpilih (selektif).

Reference

Anonim. (2015, 1 7). Kesadahan Air. Retrieved from www.wikipedia.com: http://www.wikipedia.com/Kesadahan-Air/

Masduki, A. F. (2012). Operasi & Proses Pengolahan Air. Surabaya: ITSPress.

Sawyer, C. P. (2003). Chemistry for Environmental Engineering and Science, 4th edition. New York: McGraw-Hill Inc.