## PENGARUH pH PADA PROSES KOAGULASI DENGAN KOAGULAN ALUMINUM SULFAT DAN FERRI KLORIDA
Rachmawati S.W. 1) , Bambang Iswanto 2) , Winarni 2)
1) Indomas Mulia, Konsultan Air Bersih dan Sanitasi,  Jakarta 12430, Indonesia
2) Jurusan Teknik Lingkungan, FALTL, Universitas Trisakti, Jl Kyai Tapa No.1, Jakarta 11440, Indonesia
biswanto@trisakti.ac.id

## Abstrak
Koagulasi terjadi karena adanya interaksi antara koagulan dengan kontaminan seperti partikel koloid. Proses koagulasi dipengaruhi  oleh  berbagai  faktor,  antara  lain  pH,  dosis  koagulan,  serta  kekeruhan  larutan.  Dalam  penelitian  ini dilakukan  studi  untuk  mengetahui  pengaruh  parameter  pH  dan  dosis  pada  proses  koagulasi  dan  flokulasi  dengan menggunakan  koagulan  aluminum  sulfat  (Al 2 (SO 4 ) 3.. 14,3H 2 O )  dan  ferri  klorida  (FeCl 3. 6H 2 O).    Air  baku  yang digunakan adalah suspensi air baku sintetis menggunakan kaolin, dengan variasi suspensi kekeruhan tinggi (124 NTU) dan  suspensi  kekeruhan  sedang  (51  NTU).  Hasil  penelitian  mengindikasikan  bahwa  pengaruh  pH  dan  dosis  pada koagulan aluminum sulfat sangat signifikan, sedangkan ferri klorida memberikan rentang pH operasi yang lebih besar dibandingkan dengan aluminum sulfat.

## Abstract
Influence  of  pH  on  Coagulation  Process  using  Aluminium  Sulfate  and  Ferri  Chloride  Coagulant .  Coagulation occurs by interaction of coagulant with the contaminant such as colloidal particles. Coagulation process influences by several  factors  i.e.  pH,  dosages,  and  turbidity.  This  research  studies  the  influence  of  pH  and  dosages  of    aluminum sulphate (Al 2 (SO 4 ) 3.. 14,3H 2 O ) and ferric chloride (FeCl 3. 6H 2 O) in the coagulation and flocculation process. Artificial suspensions using kaolin represents high turbidity suspension (124 NTU) and medium turbidity suspensions (51 NTU) are prepared in this research. Result suggests pH and dosages has significant impact for aluminum sulphate, whereas ferric chloride provides a wider range of pH than aluminum sulphate.
Keywords :  colloid, destabilization, pH, dosages, sweep flocculation.

## 1. Pendahuluan
Keberhasilan  dalam  proses  pengolahan  air  minum berkaitan  erat  dengan  penurunan  kekeruhan  dan kontaminan  lainnya  yang  terkandung  dalam  air  baku. Koagulan,  terutama  alum  dan  garam  besi,  umumnya digunakan  untuk  menghasilkan  penurunan  kekeruhan. Selain  itu  diinginkan  pula  koagulan  yang  dapat memberikan  penurunan  kekeruhan  secara  ekstensif dengan biaya rendah.
Partikel koloid merupakan partikel diskrit yang terdapat dalam  suspensi  air  baku,  dan  partikel  inilah  yang merupakan penyebab utama kekeruhan. Stabilitas koloid tergantung  pada  ukuran  koloid  serta  muatan  elektrik yang  dipengaruhi  oleh  kandungan  kimia  pada  koloid dan  pada  media  dispersi  (seperti  kekuatan  ion,  pH  dan kandungan organik dalam air).
Koagulasi adalah proses penambahan koagulan pada  air baku  yang  menyebabkan  terjadinya  destabilisasi  dari partikel  koloid  agar  terjadi  agregasi  dari  partikel  yang telah  terdestabilisasi  tersebut.  Dengan  penambahan koagulan, kestabilan koloid dapat dihancurkan sehingga partikel  koloid  dapat  menggumpal  [1]  dan  membentuk partikel dengan ukuran yang lebih besar, sehingga dapat dihilangkan  pada  unit  sedimentasi.  Terdapat  4 mekanisme destabilisasi partikel, yaitu (i)  pemampatan lapisan  ganda,  (ii)  adsorpsi  untuk  netralisasi  muatan, (iii)  penjebakan  partikel  dengan  koagulan,  serta  (iv) adsorpsi  dan  pembentukan  jembatan  antar  partikel melalui penambahan polimer.
Derajat  keasaman  (pH)  adalah  salah  satu  faktor terpenting  yang  mempengaruhi  proses  koagulasi.  Bila proses  koagulasi  dilakukan  tidak  pada  rentang  pH
optimum,  maka  akan  mengakibatkan  gagalnya  proses pembentukan  flok  dan  rendahnya  kualitas  air  yang dihasilkan.  Kisaran  pH  yang  efektif  untuk  koagulasi dengan alum pada pH 5,5 – 8,0 [2,3,4].
Gambar  1  menunjukkan  bahwa  presipitat  alumunium hidroksida (Al(OH) 3 ) terbentuk pada dosis alum 10–100 mg/L.  Gambar  ini  juga  memperlihatkan  mekanisme koagulasi  yang  terjadi  pada  kombinasi  antara  pH  dan dosis alum. [4].
Flok  yang  terbentuk  dari  koagulan  senyawa  besi  lebih kuat  dibandingkan  dengan  flok  yang  dihasilkan  dari koagulan  alum.[3].  Keuntungan  penggunaan  ferri klorida  dibandingkan  dengan  alum  adalah  karena  ferri klorida  bekerja  pada  rentang  pH  yang  lebih  luas  yaitu pada  pH  4  –  12.[5].  Gambar  2  menunjukkan  area
terbentuknya presipitat feri hidroksida (Fe(OH) 3 ) dalam pengolahan air.[6].
Agar  proses  koagulasi  dapat  memberikan  hasil  yang optimum di instalasi pengolahan air (IPA),
maka  dampak  penggunaan  koagulan  untuk  suatu kualitas air baku  tertentu  harus  dapat  diprediksi.  Penelitian  ini dilakukan  untuk  melihat  pengaruh  pH  dan  dosis terhadap    proses  koagulasi  menggunakan  koagulan a luminum  sulfat (alum) dan ferri  klorida pada penurunan kekeruhan pada skala laboratorium.
Gambar 1. Diagram Kelarutan Aluminium Hidroksida [4]
Gambar 2. Diagram Kelarutan Ferri Hidroksida [6]

## 2. Metode Penelitian
Air  baku  yang  digunakan  adalah  air  sintetis,  untuk mencegah diperolehnya nilai kekeruhan air baku alami yang  bervariasi,  sehingga  dapat  dilakukan  kontrol terhadap  air  baku  yang  digunakan.  Kaolin  digunakan untuk  membentuk  kekeruhan  ( suspended  solid ) suspensi yang diinginkan sesuai dengan  kondisi umum badan sungai.
Dua  model  suspensi  air  baku  sintetis  yang  digunakan yaitu  (i)  air  baku  dengan  kekeruhan  51,5  ±  3,2  NTU mewakili  kekeruhan  sedang  dengan  dosis  kaolin  yang digunakan  adalah  400  mg/L,  dan  (ii)  air  baku  dengan kekeruhan 124 ± 22,45 NTU (kekeruhan tinggi) dengan dosis kaolin 800 mg/L.
Model  suspensi  disiapkan  sehari  sebelum  percobaan, menggunakan  air  perpipaan  (PAM  Jaya).  Dilakukan pengadukan  selama  8  jam  agar  ukuran  kaolin  menjadi lebih  kecil  sehingga  dapat  melayang  lebih  lama  di larutan.  Kemudian  dilakukan  pengendapan  selama  17 jam yang bertujuan untuk mengendapkan partikel yang berukuran  besar  agar  kondisi  air  baku  menjadi  stabil dan mencapai kekeruhan yang diinginkan.
Penelitian  dilakukan  secara batch dalam  skala laboratorium  dengan  menggunakan jar-test ,  yang merupakan  simulasi  operasional  proses  pengolahan konvensional  (koagulasi,  flokulasi,  dan  pengendapan). Jar-test dilakukan  pada  suhu  kamar  dalam  2  replikat untuk  tiap  seri jar-test ,  dimana  dalam  1  seri  adalah pada  kondisi  pH  konstan  dengan  variasi  dosis koagulan, yaitu dosis alum 2 – 90 mg/L dan dosis ferri klorida 2 – 90 mg/L.  Variasi pH koagulasi (4, 5, 6, 7 dan  8)  dilakukan  pada  seri jar-test yang  berbeda,  dan pengaturan pH dilakukan melalui penambahan HCl 1N atau NaOH 1N.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Dalam  penelitian  ini  dilakukan  20  seri jar-test yang dilakukan  duplo  untuk  tiap  seri,  dengan  240 pemeriksaan sample hasil proses jar-test . Pada Gambar 3  diberikan  presentasi  tipikal  hasil jar-test pada berbagai kondisi pH untuk suspensi kekeruhan tinggi.
Berdasarkan  hasil  tipikal  percobaan jar-test di  atas, dapat digambarkan grafik sisa kekeruhan vs pH dengan variasi  dosis  koagulan,  seperti  ditunjukkan  pada Gambar  4  untuk  air  baku  dengan  suspensi  kekeruhan tinggi dan Gambar 5 untuk suspensi kekeruhan rendah. Terlihat  dengan  jelas  bahwa  penurunan  kekeruhan menggunakan alum mulai terjadi pada pH 5, dan hasil terbaik  terjadi  pada  pH  sekitar  6.  Sedangkan  ferri klorida  memberikan  penurunan  sisa  kekeruhan  pada seluruh  variasi  pH  (4–8)  dengan  hasil  terbaik  pada rentang pH 6 - 8.
Pengaruh pH. Monomer dan polimer aluminum hadir pada  kondisi  pH  yang  rendah,  dan  keberadaan  spesies ini  akan  menurun  drastis  pada  pH  4,5.  Pembentukan presipitat  Al(OH) 3 mulai  terjadi  pada  pH  sekitar  4,5 yang  akan  meningkat  pesat  sejalan  kenaikan  pH, dimana presipitat Al(OH) 3 ini merupakan spesies yang paling  dominan.[7,8].  Pada  pH  <  4,5  dan  pH  >  8,0 sebagian besar aluminum hadir sebagai spesies terlarut, sebagaimana  ditunjukkan  pada  Gambar  1. Sehingga dapat  dijelaskan  bahwa  penurunan  kekeruhan menggunakan  alum  berkaitan  dengan  kehadiran  yang dominan  dari  presipitat  Al(OH) 3 pada  rentang  pH  ini 4,5  –  8,0.  Serta  kelarutan  aluminum  terendah  terjadi pada pH 6 menjelaskan mengapa kondisi terbaik  untuk koagulasi terjadi pada pH 6.
(a) alum 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 20 40 60 80 100 Dosis alum, mg/L Si sa k ek er uh an , % pH 4 pH 5 pH 6 pH 7 pH 8 (b) ferri klorida 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 20 40 60 80 100 Dosis ferri klorida, mg/L Si sa k ek er uh an , % pH 4 pH 5 pH 6 pH 7
pH 8
Gambar 3. Tipikal Hasil Jar Test pada Suspensi Kekeruhan Tinggi Menggunakan Koagulan Alum dan Ferri Klorida
(a) alum 0% 20% 40% 60% 80% 100% 4 5 6 7 8 pH Si sa k ek er uh an , % 2 mg/L
15 mg/L 45 mg/L
60 mg/L 70 mg/L
90 mg/L
(b) ferri klorida 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0 20 40 60 80 100 Dosis ferri klorida, mg/L Si sa k ek er uh an , % pH 4 pH 5 pH 6 pH 7
pH 8

## Gambar 4. Sisa Kekeruhan pada Suspensi Kekeruhan Tinggi dengan Variasi pH dan Dosis Koagulan
Dari  Gambar  2,  terkait  dengan  kelarutan  ferri,  terlihat bahwa  pada  pH  4  mulai  terdapat  kehadiran  presipitat Fe(OH) 3 serta  spesies  Fe(OH) 4 - terlarut.  Pembentukan presipitat  Fe(OH) 3 ini  akan  meningkat  pesat  sejalan dengan  peingkatan  pH.  Pada  pH  <  4,  ion  Fe  hadir dalam  bentuk  Fe(OH) 2+ terlarut.  Pada  pH  >  12 keberadaan  presipitat  Fe(OH) 3 mulai  berkurang  serta terlihat  mulai  terbentuknya  spesies  Fe(OH) 4 - terlarut. Kehadiran yang dominan dari presipitat Fe(OH) 3 pada rentang  pH  4  -  12  inilah  yang  mendorong  terjadinya koagulasi.[6].  Adapun  rentang  pH  6  -  8  memberikan hasil  terbaik  dapat  dijelaskan  juga  pada  Gambar  2, terlihat dari kelarutan terendah terdapat pada pH 7.
Lebih lanjut dapat dilakukan pengkajian dalam bentuk diagram isoremoval ( isopleth )  persentase  penurunan kekeruhan.  Gambar  6  menunjukkan  garis isoremoval penurunan  kekeruhan  sebesar  90%  pada  tiap  suspensi menggunakan  koagulan  alum  dan  ferri  klorida.  Garis ini  menghubungkan  titik-titik  dengan  penurunan
kekeruhan  90%  yang  merupakan  hasil  kombinasi  dari pH dan dosis koagulan dimana pH dan dosis koagulan merupakan  variabel  yang  indipenden.  Metoda presentasi  data  ini  memberikan  gambaran  umum  yang lebih  mudah  dalam  pengambilan  keputusan  mengenai kondisi  yang  dibutuhkan  oleh  IPA  guna  pencapaian efisiensi penurunan kekeruhan yang ditargetkan. Dari Gambar 6 dapat dengan jelas terbaca bahwa untuk proses  koagulasi  dengan  alum,  pada  pH  6  dicapai kondisi  operasional  optimum  yang  memberikan  dosis koagulan  minimum.  Untuk  koagulan  ferri  kloridam rentang pH 5 – 8 merupakan kondisi operasional yang optimum.  Implikasi  dari  hal  ini  adalah  pada  proses koagulasi  menggunakan  alum  dengan  pH  operasional lebih besar dari 6 dan juga di bawah 6, untuk mencapai efisiensi  penurunan  kekeruhan  yang  sama  (90%), dibutuhkan dosis alum yang lebih tinggi dibandingkan dosis yang dibutuhkan pada pH operasi = 6. Dan juga terlihat bahwa dosis ferri klorida yang diperlukan pada kedua  suspensi  akan  lebih  besar  pada  pH  <  5  guna pencapaian efisiensi penurunan kekeruhan yang sama.
(a) alum 0% 20% 40% 60% 80% 100% 4 5 6 7 8 pH Si sa k ek er uh an , % 2 mg/L 15 mg/L 45 mg/L
60 mg/L 70 mg/L 90 mg/L (b) ferri klorida 0% 20% 40% 60% 80% 100% 4 5 6 7 8 pH Si sa k ek er uh an , N T U 2 mg/L 5 mg/L 15 mg/L
45 mg/L 60 mg/L 90 mg/L
Gambar 5. Sisa Kekeruhan pada Suspensi Kekeruhan Rendah dengan Variasi pH dan Dosis Koagulan
Dosis  Koagulan. Secara  umum  juga  dapat  dilihat bahwa  penurunan  kekeruhan  berbanding  lurus  dengan dosis  koagulan.  Semakin  tinggi  dosis  koagulan diperoleh  tingkat  penurunan  kekeruhan  yang  semakin baik. Selain itu juga dapat dilihat pada Gambar 4 dan 5 bahwa  kenaikan  dosis  koagulan  dapat  memperlebar rentang pH operasi dalam penurunan kekeruhan.
Sebagai  contoh  dapat  dilihat  Gambar  4(a),  koagulasi dengan  alum  pada  suspensi  kekeruhan  tinggi,  dimana pH  optimum  6  terjadi  pada  pembubuhan  dosis koagulan  2  mg/L  alum.  Sedangkan  dengan  dosis  15 mg/L  diperoleh  pH  optimum  yang  lebih  lebar,  yaitu antara  6  –  7.  Demikian  juga  halnya  untuk  koagulan ferri  klorida,  peningkatan  dosis  koagulan  tampak memperlebar  rentang  pH  operasi,  namun  hal  ini  tidak tampak  terlalu  signifikan  mengingat  koagulan  ini bekerja dengan baik pada rentang pH yang lebar..
Penambahan  dosis  koagulan  dapat  menyebabkan adanya  (i)  peningkatan  pembentukan  presipitat,  yang akan  diikuti  dengan  (ii)  peningkatan  frekuensi tumbukan  antar  partikel  sehingga  dapat  membentuk flok yang lebih besar. Sehingga dosis yang lebih tinggi akan memperlebar rentang pH operasi.
Kekeruhan  Air  Baku. Gambar  6  menunjukkan bahwa  dosis  koagulan  (alum  dan  ferri  klorida)  yang dibutuhkan  untuk  memberikan  penurunan  kekeruhan 90%  pada  suspensi  air  baku  100  NTU  ternyata  lebih rendah  daripada  dosis  yang  dibutuhkan  dalam  proses koagulasi suspensi kekeruhan sedang (50 NTU).
Konsentrasi  koloid  yang  tinggi  berkorelasi  dengan jumlah  partikel  yang  tinggi  di  larutan,  sehingga  dapat meningkatkan  frekuensi  tumbukan  dari  partikel  yang telah  terdestabilisasi.  Hal  ini  dapat  memperbaiki kinetika flokulasi pada pH operasi rendah. Dengan kata lain,  jika  konsentrasi  partikel  koloid  terdispersi  di larutan  rendah  maka  kesempatan  untuk  terjadi tumbukan  antar  partikel  yang  telah  terdestabilisasi yang  akan  memacu  pembentukan  flok  sangat  kecil. Karena  itu  dibutuhkan  dosis  yang  tinggi  guna pembentukan  inti  flok  dan  mengisi  larutan  dengan partikel  terdispersi  agar  kontak  antar  partikel  dapat terjadi.
Sedangkan pada pH operasi tinggi, partikel koloid akan bertindak  sebagai  inti  dan  memicu  pembentukan agregasi ( sweep floc ).
Mekanisme  Koagulasi. Penurunan  kekeruhan  yang terjadi pada rentang pH optimum terutama disebabkan oleh kehadiran presipitat dominan, yaitu Al(OH) 3 atau Fe(OH) 3 yang  mendorong  bekerjanya  mekanisme sweep  coagulation atau  penjebakan  dalam  presipitat. Mekanisme  ini  menghasilkan  flok  berukuran  besar, mudah  mengendap,  sehingga  memberikan  penurunan
kekeruhan  dengan  efisiensi  yang  lebih  tinggi  jika dibandingkan dengan mekanisme netralisasi muatan. Pada  pH  operasi  yang  lebih  rendah,  jumlah  presipitat metal  yang  terbentuk  bersaing  dengan  kehadiran spesies terlarut, dan dalam jumlah yang tidak sebanyak pada  pH  optimum  (kelarutan  terendah).  Mekanisme yang  bekerja  pada  keadaan  ini  adalah  netralisasi muatan,  dimana  presipitat  bermuatan  positif  akan teradsopsi  ke  permukaan  partikel  koloid  yang bermuatan  negatif,  dan  hal  ini  akan  menyebabkan perubahan  karakteristik  permukaan  partikel,  yang dilanjutkan  dengan  terjadinya  mereduksi  gaya  tolak yang  mampu  memicu  terjadinya  koagulasi.    Hal  ini diperkuat  oleh  Dentell  dan  Dossett  [6]  yang menunjukkan  bahwa  netralisasi  muatan  pada  partikel bermuatan  negatif  hanya  terjadi  setelah  kelarutan Al(OH) 3 dilampaui.  Flok  yang  terbentuk  dari mekanisme  ini  berukuran  lebih  kecil  dan  lebih  halus dibandingkan dengan sweep flocs .
(a) alum 0 20 40 60 80 100 3 4 5 6 7 8 pH Do si s al um ( m g/ L) 100 NTU 50 NTU (b) ferri klorida 0 20 40 60 80 100 3 4 5 6 7 8 pH Do si s fe rr i k lo rid a (m g/ L)
100 NTU 50 NTU
Gambar 6. Garis Penurunan Penurunan Kekeruhan 90%
Pada  pH  operasi  yang  rendah,  kenaikan  dosis  alum akan    menyebabkan  perubahan  mekanisme  koagulasi yang bekerja, yaitu dari mekanisme netralisasi muatan menjadi mekanisme sweep coagulation atau penjebakan  dalam  presipitat  Al(OH) 3 ,  sehingga efisiensi penurunan kekeruhan menjadi lebih baik.

## 4. Kesimpulan
Kondisi  pH  optimum  pada  proses  koagulasi menggunakan  alum  adalah  sekitar  6.  Dan  koagulan ferri klorida memberikan rentang kondisi pH optimum yang  lebih  lebar  dibanding  alum  (pH  4  –  8).  Hal  ini berhubungan erat dengan kelarutan aluminum dan ferri. Rentang  pH  operasi  yang  lebih  lebar  dengan menggunakan koagulan ferri klorida sangat menguntungkan  dalam  proses  operasi  IPA  mengingat kondisi pH air baku yang bervariasi. Sehingga dengan menggunakan  koagulan  ferri  klorida,  variasi  pH tersebut  dapat  diredam  dan  tidak  menyebabkan kegagalan dalam unit koagulasi-flokulasi-sedimentasi.
Kenaikan  dosis  koagulan  meningkatkan  penurunan kekeruhan  serta  memperlebar  rentang  pH  operasi, karena  kenaikan  dosis  ini  mengaselerasi  pembentukan presipitat  (Al(OH) 3 atau  Fe(OH) 3 )  dan  meningkatkan frekuensi tumbukan.
Konsentrasi  koloid  yang  tinggi  akan  mereduksi  dosis koagulan  karena  partikel  koloid  bertindak  sebagai  inti yang akan memicu pembentukan sweep floc .

## Daftar Acuan
[1]   L.D. Benefield, Process Chemistry For Water and Waswater  Treatment,  Prentice  Hall  Inc.,  New Jersey, 1982.
[2]   W.W.Jr.  Eckenfelder,  Industrial  Water  Pollution Control, McGraw – Hill Co., New York, 1989.
[3]   C.R. Schulz, D.A. Okun, Surface Water Treatment For  Communities  In  Developing  Countries,  John Wiley & Son Inc., Canada,  1984.
[4]   A.  Amirtharajah,  K.M.  Mills,    Jour.  Amer.  Water Works Assoc. 74 (1982) 210
[5]   D.T.  Reynolds,  Unit  Operations  and  Process  In Environmental  Engineering,  PWS  Publishing, Boston, 1982
[6]   S.K.  Dentel,  J.M.  Gosset,    Jour.  Amer.  Water Works Assoc. 80 (1988) 187.
[7]   T.R.  Hundt,  C.R.  O’Melia,  Jour.  Amer.  Water Works Assoc. 80 (1988) 176.
[8]   J.E  Van  Benschoten,  J.K  Edzwald,  Water Research 24 (1990) 1519.