Cooling Water Treatment (Part II - Scale Inhibition)

2. Scale Inhibition (Menghambat Kerak)
Kerak disebabkan oleh pengendapan partikel mineral di air membentuk padatan keras di permukaan transfer panas. Tipe kerak yang banyak ditemui adalah yang terbentuk dari karbonat dan bikarbonat kalsium dan magnesium, dan juga garam besi di air. Kalsium banyak terdapat di air tawar, sedangkan magnesium banyak terdapat di air laut. Oleh karena itu, pertimbangan komposisi air make-up diperlukan untuk memilih metode scale inhibitor (penghambat kerak) yang sesuai.

Kerak mengakibatkan penurunan efisiensi transfer panas karena pembentukan endapan pada permukaan transfer panas dan penurunan laju aliran air disebabkan oleh penyumbatan valve, strainer, pipa dan heat exchanger, dll.

Faktor hardness (kekerasan) merupakan penyebab terbesar pembentukan kerak, dengan efek berantai berhbungan dengan faktor lainnya, seperti evaporasi, alkalinitas, nilai pH, total padatan terlarut (TDS) dan temperatur ambient yang mempengaruhi laju pembentukan kerak.


Evaporasi mengakibatkan garam yang tertinggal di circulating water menjadi lebih pekat dan menghasilkan kenaikan TDS. Kelarutan negatif dari garam kalsium dan magnesium, dekomposisi bikarbonat juga merupakan faktor lain yang menyebabkan pembentukan kerak.

Kontrol kerak yang optimum untuk sistem cooling water tergantung pada komposisi make-up water (konsentrasi mineral), parameter operasi dari sistem cooling tower, penerapan siklus konsentrasi dan pembatasan effluent.

Metode Pencegahan Kerak
Metode yang biasa digunakan untuk mencegah terjadinya kerak di sistem cooling water antara lain:
a) menghilangkan pembentukan kerak mineral di air make-up dengan proses pelunakan air;
b) membatasi konsentrasi pembentukan kerak mineral di air sirkulasi dengan proses bleed-off (pembuangan air secara berkala);
c) menerapkan scale inhibitor pada air sirkulasi;
d) menambahkan asam untuk menaikkan elarutan dari garam pembentuk kerak; dan
e) menghilangkan pembentukan kerak mineral dan mencegah penumpukan endapan menggunakan metode fisika.

Metode Chemical Water Treatment
Bahan kimia banyak digunakan untuk mencegah pembentukan kerak pada sistem cooling water. Scale inhibitor, softener dan asam dapat digunakan untuk meningkatkan performa dari pencegahan kerak.

a. Scale Inhibitor (Penghambat kerak)
Ada dua jenis scale inhibitor, yaitu penekan kerak (scale suppressant) dan pengkondisi kerak (scale conditioner). Scale suppressant (bahan kimia menghambat ambang bats) mencegah pembentukan kerak dengan menjaga pembentukan kerak mineral dalam larutan dengan menyebarkan zat pengendap, sehingga kerak tidak dapat terbentuk. Scale conditioner mengubah struktur kristal dari kerak, menciptakan lumpur berukuran besar dan dapat dipindahkan.

Karakteristik dari beberapa scale inhibitor dapat dilihat pada tabel berikut:

b. Softener (Pelunak)
Kapur (lime) panas dan dingin dapat ditambahkan untuk mengurangi hardness dari cooling water, dan air dengan alkalinitas bikarbonat yang tinggi, karena treatment dengan lime dapat mengurangi hardness, alkalinitas dan kandungan padatan dalam air secara efektif.

c. Kontrol pH
Penurunan nilai pH / alkalinitas pada air cooling tower dengan asam mineral adalah cara sederhana dan dengan biaya yang efektif untuk mengurangi potensi pengerakan untuk banyak unsur kerak, seperti kalsium karbonat dan kalsium fosfat. Kelarutan dari potensi pembentukan kerak mineral bertambah dengan berkurangnya pH atau alkalinitas. Bagaimanapun, kerak kalsium sulfat  tidak bisa dikontrol secara efektif dengan penambahan asam karena kelarutan garam ini hampir tidak tergantung pH.

Potensi pembentukan kerak lebih minim pada lingkungan asam; tetapi menurunkan nilai pH dapat meningkatkan akibat korosi oleh air, begitu pula dengan kelarutan kalsium / garam dari corrosion inhibitor. Sementara itu, kontrol pH yang tepat diharuskan untuk memberikan lingkungan yang cocok untuk corrosion dan scale inhibitor dapat bekerja secara efektif keduanya.

d. Resin Pertukaran Ion
Resin pertukaran ion adalah proses pelunakan (softening) dan cocok untuk air make-up yang mengandung garam terlarut. Caranya adalah dengan menggunakan proses pertukaran ion. Proses pertukaran ion untuk menghilangkan ion kalsium dan magnesium dengan cara menggantinya dengan jumlah yang ekuivalen dengan ion sodium di dalam vesel berisi butiran resin yang mengandung ion sodium. Ion sodium membentuk garam dengan kelarutan tinggi, yang tidak akan mengendap dan membentuk kerak.

Metode Physical Water Treatment
Metode physical treatment dapat juga digunakan untuk mencegah pembentukan kerak di sistem air pendingin dan seslalu dipertimbangkan sebagai metode yang efektif dalam proses water treatment. Banya metode fisika yang dapat meningkatkan kualitas air dengan mengurangi korosi, pembentukan kerak dan penyumbatan secara terus menerus.

a. Sistem Filtrasi (Penyaringan)
Filtrasi merupakan proses mekanis untuk menghilangkan padatan tersuspensi dari air dengan mengumpulkan padatan di media berpori. Proses filtrasi dengan aliran sejalan (in-line) maupun dengan aliran sisi (side-stream) membantu mengurangi padatan sampai ke level yang dapat diterima.

• In-line Filtration : Filtrasi ini mengijinkan circulating water melewati strainer atau filter dengan tujuan mengurangi imputiras dan padatan tersuspensi.
• Side-stream Filtration : Sistem ini dengan menempatkan filter di aliran bypass sehingga sebagian sirkulasi cooling water (min. 5%) terfiltrasi. Kapasitas bypass yang besar akan memberikan kualitas air yang lebih baik, tetapi juga memperbesar ukuran filter. Keunggulan side-stream filtration adalah lebih kecil biaya dan tempat yang diperlukan daripada in-line filtration dengan metode filtrasi yang sama. Sebagai tambahan, side-stream filtration mempunyai keunggulan dapat memproses resirkulasi cooling system dan menghilangkan kotoran (debris), yang tertarik kedalam oleh cooling tower seperti endapan kotoran dalam bulk water.

Alat-alat Filtrasi yang biasa digunakan dalam sistem cooling tower antara lain:

1) Strainer

Strainer adalah vessel tertutup dengan screen yang bisa dibersihkan untuk menghilangkan dan menahan partikel asing dengan diamer kurang dari 25 mikrometer didalam cooling tower. Strainer hanya dapat digunakan sebagai pre-filtrasi untuk menghilangkan partikel besar dalam sistem. Inspeksi rutin dan pembersihan dibutuhkan untuk menjaga strainer dalam kondisi baik dan berfungsi normal.

2) Cartridge Filter

Cartridge filter dapat digunakan sebagai filter terakhir untuk menghilangkan hampir semua partikel tersuspensi dari sekitar 100 mikrometer kebawah atai kurang dari 1 mikrometer. Cartridge filter adalah tipe sekali pakai, sehingga harus diganti jika perlu. Frekuensi penggantian tergantung pada konsentrasi dari padatan tersuspensi di dalam air, ukuran dari partikel terkecil yang akan dihilangkan dan efisiensi cartridge filter yang dipilih.

3) Sand Filter (Media Filter Permanen)

Tingkat penghilangan padatan terlarut tergantung pada kombinasi dan tingkat media yang digunakan didalam vessel. Tipe sand filter dapat menghilangkan kontaminan tersuspensi dibawah 10 mikrometer. Media pasir halus khusus didesain untuk menghilangkan partikel tersuspensi dibawah 1 mikrometer. Multimedia vessel dengan setiap lapisan mengandung ukuran sedang yang berbeda juga mungkin digunakan untuk aplikasi padatan tersuspensi yang rendah. Ketika vessel sudah menahan padatan tersuspensi yang cukup untuk mengakibatkan pressure drop yang cukup besar, peralatan harus dicuci secara manual atau otomatis dengan mengalirkan air secara berlawanan (reverse flow).

4) Centrifugal-Gravity Separators

Cooling water ditarik melalui tangential slot dan dipercepat menuju ke separation chamber. Dengan gaya sentrifugal partikel yang lebih berat daripada air jatuh ke sekeliling chamber. Effisiensi dari centrifugal gravity separator tergantung pada berat gravitasi dari padatan tersuspensi; data performa menunjukkan bahwa efisiensi separator sekitar 40% untuk partikel dengan ukuran 20 - 40 mikrometer.

5) Bag type Filter

Bag filter merupakan kantong saringan yang didukung oleh keranjang logam yang berlubang yang bisa dilepas, ditempatkan di tempat tertutup dengan inlet dan outlet. Filter bag bisa dibuat dengan banyak material (katun, nilon, polipropilen dan poliester) dengan range ukuran 0.01 mm - 0.85 mm. Kantong saringan basanya kasar tetapi bisa digunakan kembali. Bagaimanapun, penggantian secara periodik dari filter tetap dibutuhkan untuk menjamin efisiensi dari filter.

b. Bleed-off (Pembuangan / blowdown)

Evaporative loss (kehilangan air akibat penguapan) dari sistem cooling tower mengakibatkan meningkatnya padatan terlarut ataupun tersuspensi di dalam sistem air sirkulasi dibandingkan dengan air make up. Konsentrasi yang berlebih dari pengotor ini memungkinkan terjadinya pembentukan korosi dan kerak, dan juga penyumbatan di dalam sistem. Oleh karena itu, konsentrasi pengotor harus dikontrol dengan menghilangkan air dalam sistem (bleed off) dan mengganti dengan air make-up. Untuk mengontrol TDS, volume bleed-off dapat ditentukan dengan rumus berikut:

Dimana:

B = Laju Bleed-off (L/s)

E = Desain Laju Evaporasi (L/s)

C = Siklus Konsentrasi

D = Desain Laju Drift Loss (L/s)

Penambahan laju bleed-off dari sistem cooling tower adalah cara sederhana untuk mengurangi kandungan kalsium dan alkalinitas di dalam air, juga mengurangi kalsium karbonat sebagai penyebab kerak. Bagaimanapun, proses ini tidak efektif dari segi biaya dan penggunaan air. Menaikkan blowdown berarti operasi sistem cooling tower pada siklus konsentrasi yang rendah, membutuhkan lebih banyak air make up dan menghasilkan banyak air yang dibuang. Peningkatan make up membuat peningkatan dosis bahan kimia. Minimum siklus konsentrasi harus dijaga pada angka 6 untuk cooling tower tipe air tawar (fresh water) dan pada angka 2 untuk cooling tower tipe air laut.

c. Magnetic Devices (Peralatan Magnetis)

Metode ini melibatkan pemaparan dari air make up yang masuk dibawah medan magnet yang kuat. Medan magnet mempengaruhi partikel tersuspensi atau ion dalam larutan dan mencegah pembentukan endapan yang keras. Partikel akan membentuk suspensi bergerak atau tidak akan mengendap lagi. Dan juga endapan kerak yang sudah ada dapat diubah menjadi larutan. Beberapa peralatan magnetis menggunakan magnet permanen dan juga tidak memerlukan input daya listrik ke peralatan tersebut.

d. Electronic de-scaling technology
Electronic de-scaling technology memanfaatkan induksi osilasi medan listrik menggunakan variasi waktu medan listrik dibangkitkan didalam selenoid terbungkus disekitar pipa air. Ion terlarut kemudian dibebankan dan bertabrakan satu sama lain. Tabrakan antara ion positif dan negatif menghasilkan endapan ion di pipa. Electronic de-scaling technology dapat digunakan untuk meningkatkan program chemical water treatment. Pemilihan bahan kimia yang digunakan untuk menghambat korosi dan mengontrol mikrobiologi harus sesuai dengan teknologi. Scale inhibitor tidak direkomendasikan digunakan bersamaan dengan metode ini. Sistem filtrasi juga penting untuk menghilangkan endapan yang terbentuk selama proses de-scaling.

Part I - Corrosion Inhibitor
Part II - Scale Inhibitor
Part III - Bacterian and Microbiological Control

Sumber:
Code of Practice for Water-cooled Air Conditioning Systems Part 3 : Water Treatment Methods for Cooling Towers, 2006 Edition