Kelarutan Gas dalam Air

Pada kesempatan kali ini kita akan membahas mengenai tranfer gas dalam air, dimana transfer gas ini penting sebagai indikator proses oksidasi reduksi dalam perairan. Sebagai contoh gas oksigen dalam perairan penting sebagai akseptor elektron pada proses metabolisme makhluk hidup dalam air. (baca juga :

Kelarutan CO2 dalam badan air)

Transfer gas didefinisikan sebagai perpindahan gas dari fase gas ke fase cair atau sebaiknya. Transfer gas melibatkan terjadinya kontak antara udara atau gas lain dengan air yang menyebabkan berpindahnya suatu senyawa dari fase gas ke fase cair atau menguapnya suatu senyawa dari fase cair (dalam bentuk terlarut) menjadi fase gas (lepas ke udara). Perpindahan massa zat dari fase gas ke fase cair atau sebaliknya (absorpsi – desorpsi), terjadi bila ada kontak antar permukaan cairan dengan gas atau udara. Mekanisme ini terjadi secara difusi. Gaya penggerak perpindahan massa dari udara ke dalam air atau sebaliknya dikendalikan oleh perbedaan konsentrasi zat dalam larutan dan kelarutan gas pada kondisi tertentu.

Kelarutan gas, tidak seperti kelarutan zat padat dalam air, menurun seiring dengan

kenaikan suhu. Pada tekanan parsial sampai 1 atm, konsentrasi keseimbangan gas dalam larutan pada suatu suhu tertentu sebanding dengan tekanan parsial gas dalam air, sesuai dengan hukum Henry:

C s = H . P

dimana:

C s = konsentrasi jenuh atau keseimbangan gas dalam larutan, mg/l

P = Tekanan parsial phase gas dalam air, atm

H = koefisien kelarutan Henry.

Jika kita perhatikan dengan seksama persamaan tersebut dapat kita ketahui bahwa persamaan tersebut merupakan bektuk khusus dari persamaan kesetimbangan gas. Dimana kesetimbangan gas dipengaruhi oleh tekanan parsial gas. Sedangkan tekanan parsial gas diperngaruhi oleh faktor konsentrasi zat serta suhu yang dapat diformulasikan melalui hukum boyle-charles yaitu:

PV = βT

Dimana :

Β = koefisien massa dari gas

P = tekanan gas

V = volume gas

T = tekanan absolute gas

Β dalam persamaan tersebut secara umum menyatakan fumgsi jumlah mol gas yang ada, sehingga persamaan gas ideal dapat ditulis kembali menjadi :

PV = nRT

Dimana n merupakan jumlah mol zat dan R merupakan konstanta untuk semua jenis gas.

Hukum Henry merupakan hukum yang penting berkaitan dengan kelarutan gas dalam air. Hukum Henry juga berkaitan dengan hukum tekanan gas parsial yang dikemukakan oleh Dalton yang berbunyi “ pada campuran gas, seperti udara, setian jenis gas yang ada memiliki tekana yang tidak bergantung terhadap yang lainnya. Tekanan parsial setiap jenis gas sebanding dengan jumlah (persen volume) gas dalam campuran...”. Sebagai contoh, konstanta Henry (Kh) untuk oksigen dalam air dengan temperatur 20⁰C adalah 0,73 atm-m³/mol. Sedangkan udara mengandung 21% oksigen, tekanan parsial gas berdasarkan hukum Dalton adalah 0,21 atm jika tekanan total udara adalah 1 atm. Sehingga, konsentrasi oksigen dalam air pada 20⁰C dan tekanan 1 atm adalah 0,21/0,73 = 0,288 mol/m³ atau 0,288(32000)/1000 = 9,2 mg/L.

Dalam teknik lingkungan, banyak permasalahan yang berhubungan dengan transfer gas dalam air melibatkan penambahan oksigen dalam proses aerasi untuk menjaga agar proses pengolahan berlangsung secara aerobic. Removal beberapa gas dari larutan atau air juga dilakukan dengan proses aerasi menggunakan aerator atau peralatan lainnya. Biasanya proses yang berkaitan dengan transfer gas pada kondisi yang mendekati tekanan atmosfer dari udara yang melewati larutan dan terlepas keudara, tetesan air hujan, adanya turbulensi pada permukaan yang kontak dengan udara. Meskipun hukum Henry merupakan hukum kesetimbangan gas, ia tidak menjelaskan secara langsung kinetika dari transfer gas, ia menjelaskan sejauh mana sistem kesetimbangan cair-gas, yang merupakan faktor dari laju transfer gas.

Dalam teknik lingkungan khususnya dalam pengolahan air, gas-gas yang sering ditemui adalah oksigen, metana, karbondioksida, dan hidrogen sulfida. Dua gas terakhir mengalami reaksi dalam air.

Kelarutan CO₂ :

CO₂ + H₂O-->H₂CO₃

H₂CO-->H⁺ + HC₃

HCO₃^--->H⁺ + CO₃^2-

Kelarutan CO₂ dalam air akan menyebabkan alkalinitas dalam air sehingga apabila air tesebut melarutkan ion-ion divalen akan menyebabkan timbulnya kesadahan sementara. Dalam kondisi normal konsentrasi H₂CO₃ dalam air tidak lebih dari 1% dari konsentrasi CO₂ .

Kelarutan H₂S :

H₂S-->H⁺+ HS^-

HS^---> H⁺ + S^2-

Berdasarkan reaksi kesetimbangan diatas, kelarutan dari H₂S tergantung pada derajat pH larutan, jika pH air rendah (kondisi asam ) maka kesetimbangan akan bergeser ke arah pembentukan H₂S sehingga kelarutannya akan menurun.

Ammonia (NH₃) dan klorin (Cl₂) memiliki kelarutan gas tinggi dan mudah bereaksi dengan air. Hubungan kelarutan – tekanan gas ini bias bila digunakan hukum Henry.

Bila permukaan air dipaparkan dengan udara atau gas dan belum terjadi kesetimbangan sebelumnya, maka secara serentak dan segera pada bidang kontak antar fase akan jenuh dengan gas dan gas ditransportasikan ke badan air dengan proses difusi molekuler sebagai berikut:

Model secara isik dari konsep persamaan di atas ditunukkan dalam gambar di bawah ini :

Diasumsikan bahwa tahanan pada perpindahan gas berada dalam lapisan tetap  (fixed film) gas dan cair  pada antar bidang (interface) gas - cair.  Perpindahan gas melintasi bidang permukaan lapisan gas menunjukkan adanya gradien tekanan dalam lapisan gas dan oleh sebab itu tekanan gas pada bidang permukaan (interface), Pi lebih rendah dari tekanan bulk gas, Pg. Perpindahan gas terjadi dalam dua langkah (1) perpindahan dari keseluruhan fase gas dengan tekanan gas (Pg) ke interface, dengan tekanan parsial gas (Pi), selanjutnya dikonversi ke fase liquid dengan konsentrasi Ci, (2) Transformasi dalam fase cair ke bulk liquid dengan konsentrasi (CL). Perpindahan ini dapat terjadi dalam dua arah tergantung pada perbedaan konsentrasi CL dan Ci. Jika CL > Ci dan Pi > Pg  maka terjadi pelepasan gas dari fase cair ke fase gas.

Laju perpindahan gas melintas bidang permukaan A dinyatakan dalam persamaan:

Untuk menyatakan massa gas dalam bentuk konsentrasi maka satuan massa gas dibagi dengan volume cairan yang ada dan disederhanakan maka diperoleh persamaan:

Persamaan di atas dapat ditulis dalam bentuk yang lebih sederhana, yaitu:

Gas-gas yang menjadi perhatian pada bidang pengolahan air adalah oksigen, karbondioksida, metana, hidrogen sulfida, ammonia, dan klor. Tujuan transfer gas dalam pengolahan air adalah: (1) untuk mengurangi konsentrasi bahan penyebab rasa dan bau, seperti hidrogen sulfida dan beberapa senyawa organik, dengan jalan penguapan atau oksidasi  (2) untuk mengoksidasi besi dan mangan  (3) untuk melarutkan gas ke dalam air (seperti penambahan oksigen ke dalam air tanah dan penambahan karbondioksida setelah pelunakan air) (4) untuk menyisihkan senyawa yang mungkin dapat meningkatkan biaya pengolahan (misal: adanya hidrogen sulfida akan meningkatkan kebutuhan klor pada proses diklorinasi; adanya karbondioksida akan meningkatkan kebutuhan kapur pada proses pelunakan, dan sebagainya).  

untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada video di bawah ini :