KIMIA LINGKUNGAN

KIMIA AIR

please, after reading an article or would leave this page, leave a comment .>.>. . . (^_^)

 

Kimia air (aquatic chemistry):

• Sungai, danau, laut, air tanah, air permukaan
• Distribusi dan sirkulasi bahan kimia dlm perairan
• Reaksi kimia dlm air

Air : - cair : laut dan samudra

- gas : uap air di atmosfer

- padat : es (kutub)

Air: 1. Air permukaan : danau, sungai, laut, mengandung banyak nutrisi

2. Air tanah (ground water) : terjadi proses penyaringan oleh tanah

Air yg digunakan adallah air permukaan tawar & air murni atau dr lautan.

Kebutuhan air meningkat : pertambahan populasi penduduk

Kenaikan taraf hidup : RT, industri, pertanian

SIFAT-SIFAT AIR

Air : penyusun > 70% bobot hampir semua kehidupan

Kehidupan pertama berasal dr air, shg air adl induk dr kehidupan.

Perbandingan sifat fisik air dgn zat lain

	Titik lebur (oC)	Titik didih (oC)	Panas penguapan (kal/g)
Air	0	100	540
Metanol	- 98	65	263
Etanol	- 117	78	204
Propanol	- 127	97	164
Aseton	- 95	56	125
Heksana	- 98	69	101
Benzena	6	80	94
Kloroform	-63	61	59

Sifat khas air disebabkan oleh ikatan hidrogen yg terbentuk antar molekul shg air mempunyai gaya kohesi internal yg tinggi. Sbg contoh panas penguapan mrpk ukuran jml energi yg diperlukan utk mengalahkan gaya tarik menarik antar molekul yg berdekatan dan masuk ke fs gas.

Gaya tarik antar molekul air disebkan oleh struktur molekul air. Atim O mengalami hibridisasi orbital s dan p membentuk orbital sp³ yg berbentuk tetrahedral, dengan sudut HOH 104,5^o. 2 lone pair electron menyebabkan atom O bermuatan negatif (-). Di samping itu elektronegativitas atom O jg relatif besar (3) sehingga cenderung menarik elektron dr H. akibatnya atom H bermuatan positif (+) sehingga molekul air membentuk dipol listrik dan bersifat polar. Akibat selanjutnya atom H yg bermuatan positif akan berikatan dgn atom O yg bermuatan positif dr molekul lain membentuk ikatan hidrogen.

Tiap molekul air maksimum dpt berikatan dgn 4 molekul air sekitarnya (masing2 1 utk tiap H dan 2 pada atom O). Energi ik H relatif kecil, 4,5 kkal/mol (ik kovalen)110 kal/mol). Waktu paruh ik H adl 10^-9 dt shg air tidak bersifat kental.

Dlm air rata2 1 molekul air mengikat 3,4 molekul lain, & oleh krn air cenderung utk bergerak mk ikatan hodrogen terbentuk dan terputus secara terus menerus. Sedangkan dlm es 1 molekul air berikatan dgn 4 molekul lain. Kristal garam spt NaCl segera terlarut dlm air, tp tdk larut dlm pelarut organik spt kloroform. Kristal garam dipertahankan oleh interaksi elektrostatik antara ion Na⁺ dgn Cl^-. Jika NaCl dimasukkan ke dlm air mk, kutub dipolar air akan tertarik kepd ion2 tersebut dan menariknya ke luar dr kisi kristal membentuk ion hidrat Na⁺ dan Cl^-.

Sifat-Sifat Penting Air:

No	Sifat	Efek dan kegunaan
1	Pelarut yg sangat baik	Transport zat makanan dan sisa metabilisme yg dihasilkan proses biologis
2	Konstante dielektrik tinggi	Kelarutan dan ionisasi senyawa ionik tinggi
3	Tegangan permukaan tinggi	Faktor pengendali dlm sistem biologis, menetes (beda dgn minyak)
4	Transparan thd cahaya tampak & sinar dgn  > UV	Tdk berwarna, cahaya dpt mencapai kedalaman tertentu dlm badan air
5	Density tertinggi pd 4 oC	Es mengapung, tjd sirkulasi vertikal shg menghambat stratifikasi badan air
6	Panas penguapan tinggi	Perpindahan poanas dan molekul air antara atmosfer dan badan air
7	Kapasitas panas tinggi	Stabilisasi suhu biota dan suatu wilayah geografis
8	Panas fusi tinggi	Temperatur stabil pada titik beku

Sumber : manahan dan Rukaesih Achmad

SIFAT-SIFAT UNIK BADAN AIR

1. KOMPOSISI KIMIAWI

Konsentrasi materi anorganik dalam air laut dan air alami umumnya sangat kecil, hanya beberapa anion dan kation yg konsentrasinya lebih dari 10^-5 M.

Konsentrasi total bahan bahan organik dalam air alam antara 1 – 10 mg/L, sedang dlm air laut hanya 0,5 – 2,0 mg/L. perbandingan senyawa organik utama (protein, polisakarida dan humat) sama antara air alam dan air laut.

Untuk membedakan antara partikel terlarut dan tersuspensi biasanya dilakukan dgn cara menyaring mengunbakan kertas saring berdiameter 0,45 m. partikel yg dpt melewati kertas saring biasanya dsb terlarut, ttpi sulit untuk untuk mengelompokkan partikel berdasarkan ukurannya :

1. ukuran partikel bervariasi dari skala nm (ion terhidrasi = beberapa A^o) sampai 100 m, partikel antara 1 nm sampai 1 m biasa dsb koloid.
2. pd sat penyaringan, beberapa partikel yg lebih kecil dr pori dpt di tahan, tidak lolos krn tjd koagulasi pd permukaan kertas saring

dari keseluruhan unsur kimia yg ada, hanya 12 unsur merupakan komponen utama baik berupa partikel terlarut, koloid, tersuspensi, organik maupun anorganik yaitu H, Na, Mg, K, Ca, B, Al, C, Si, N, O, S, Cl. Meskipun unsur lain berada dlm jml kecil tetapi juga mempunyai fs penting misalnya essensial bagi kehidupan (Cu, Zn, Fe) atau toksik (Hg, Cd)

1. REGULASI MAJOR ELEMENT DLM SISTEM AKUATIK

1. STRATIFIKASI DANAU

Danau, laut, estuari tdk homogen secara vertikal, tetapi membentuk strata horizontal. Secara umum stratifikasi danau adalah sbb :

Bahan organik dan anorganik dari sungai dpt mengalami 3 kemungkinan :

1. membentuk biomassa melalui fotosintesis
2. keluar bersama aliran air
3. tersedimentasi.

Bahan organik akan terdegradasi (oksidasi) dlm lapisan dalam yg memerlukan oksigen. Adanya gradien suhu dan density menyebabkan hanya tjd sedikit percampuran antara lapisan permukaan dengan lapisan dalam.

Produktivitas biologi

Dlm kebanyakan badan air, plankton dan bakteri merupakan penyusun utama biomassa. Krn pertumbuhan phytoplankton tergantung pd cahaya matahari mk biasanya terakumulasi pd bagian atas badan air. Zooplankton yg mengkonsumsi phytoplankton juga lebih terkonsentrasi di permukan atas.

Stratifikasi fisik

Pd bagian dalam danau (> 10 m), radiasi cahaya matahari sudah berkurang shg suhu badan air relatif stabil, sedangkan suhu di permukaan bervariasi tergantung musim. Densitas air tertinggi tjd pd suhu 4 ^oC shg air permukaan tidak bercampur dgn bagian dalam, shg seolah-olah danau terdiri dr 2 perairan yg berbeda.

Pertukaran materi antar lapisan/strata

Pertukaran materi antar strata tjd melalui difusi dan sedimentasi. Difusi mempengaruhi perpindahan materi terlarut atau koloid, untuk membentuk kesetimbangan. Difusi menyebabkan terjadinya pergerakan partikel terlarut dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Sedimentasi hanya terjadi satu arah dari atas ke bawah dan akan mengakumulasi bahan organik di dasar perairan.

2. DISTRIBUSI MAJOR ELEMENT DLM SISTEM AKUATIK

• Di permukaan, tjd pembentukan senyawa-senyawa teroksidasi melalui fotosintesis 9terutama O₂) dan senyawa yg bersifat basa (OH^-), yg akan menyebabkan berkurangnya Ca²⁺ dan HCO₃^- terlarut yg disebabkan oleh pengendapan CaCO₃ pd pH tinggi.
• Di dasar perairan terjadi proses oksidasi bahan organik melepaskan CO₂ shg lingkungannya menjadi asam dan kondisinya kurang teroksidasi. Terjadi pengurangan oksidator spt O₂ dan SO₄ dan peningkatan molekul dalam bentuk tereduksi spt H₂O, H₂S, Mn(II) dan Fe(II). Juga tjd peningkatan Ca²⁺ dan HCO₃^- karena pelarutan endapan CaCO₃ pd kjondisi asam.

Gradien redoks dan gradien asam-basa sangat berpengaruh di lingkungan, oksidator biasanya berada di lapisan atas badan air dekat dengan atmosfer (bagian lingkungan yg lebih teroksidasi). Dalam tanah dan sedimen, sisa2 organisme yang telah mati dan difusi oksidator O₂ dan SO₄ membentuk gradien redoks vertikal di mana bagian yg lebih tereduksi berada di bagian bawah, sedangkan bagian yg lebih teroksidasi berada di bagian atas. Shg di dlm tanah dan sedimen profil gradien redoks dan konsentrasi menjadi sangat tajam karena tidak adanya proses pencampuran. Dalam badan air sebaliknya gradien redoks sangat dipengaruhi musim, dan dipengaruhi oleh adanya proses biologis.

2. REGULASI MINOR ELEMENT DALAM SISTEM AKUATIK

Proses utama yg mempengaruhi regulasi minor element dalam di perairan (air laut dan air tawar) adalah konsentrasinya dan reaktivitasnya dengan senyawa yang memiliki sisi oksigen. Kebanyakan unsur akan tereliminasi dari laut dan umumnya diakibatkan karena bereaksi dengan sisi oksigen dari suatu senyawa. Karena umumnya unsur minor tidak membentuk senyawa volatil, maka proses eliminasi terjadi melalui proses sedimentasi, melalui fiksasi unsur minor pada partikel atau koloid yang terbentuk dalam badan air maupun dari pelapukan tanah. Koloid dan partikel ini umumnya memiliki gugus fungsional yang mengandung oksigen seperti –COO^- dan –OH^-.

Pengikatan unsur minor pada koloid dan partikel lain yg diikuti dengan proses sedimentasi merupakan mekanisme utama dalam mekanisme regulasinya. Ikatan ini biasanya terjadi melalui adsorpsi pada permukaan partikel (kompleksasi permukaan). Cara lainya adalah dengan pembentukan kompleks dengan makromolekul organik, teradsorpsi pada partikel anorganik, masuk dalam tubuh mikroorganism (di permukaan) dan setelah mati ikut tersedimentasi bersama biomassa.

3. KLASIFIKASI SPESIES KIMIA DALAM SISTEM AKUATIK BERDASARKAN SIFAT DAN FUNGSINYA

Berdasarkan sifat dan fungsinya spesies kimia di perairan dibagi mjd 3 :

1. senyawa yg dibentuk dr unsur mayor mempengaruhi kondisi kimiawi perairan melalui 4 type reaksi dasar yaitu asam-basa, redoks, kompleksasi/adsorpsi, dan presipitasi
2. sifat unsur minor tergantung pada keempat kondisi di atas
3. beberapa unsur minor seperti Zn, Cu, Fe merupakan unsur penting dan keberadaannya merupakan faktor pembatas produktivitas dan mempertahankan kehidupan

Proses biologis tidak dapat mengubah proses termodinamika suatu spesies kimia, tetapi hanya mempercepat reaksi. Misalnya dalam pembentukan gas dari bahan terlarut.

SIFAT-SIFAT KIMIA BADAN AIR DAN ANALISIS AIR

Secara alamiah air tidak pernah dalam keadaan benar-benar murni. Ketika uap air di atmosfer mengembun/hujan akan menyerap debu dan gas. Ketika mengalir di tanah melarutkan batuan dan senyawa organik lain. Hasil degradasi dr bahan organik spt nitrit, nitrat dan amonia juga akan larut ke dalamnya (Achmad, R p 21)

97% air terdapat di lautan, hanya 2,5% terdapat sebagai air tawar. Tetapi 75% air tawar terdapat sebagai es. Hanya 1% air tawar yg terdapat di danau, tanah dan sungai, dan 24% berada sebagai air tanah. Pemanfaatan air oleh manusia pd th 1975-an adalah 4000 km³/th dan mencapai 6000 km³/th 2000-an. Shg penyediaan air tawar yg terus meningkat dan kualitas air menjadi masalah. Meskipun ketersediaan air dlm skala global sesungguhnya tidak ada masalah tetapi ketersediaan air bersih sat ini menjadi problem terutama di kota-kota besar. Jml penduduk yg besar dan penggundulan hutan adalah 2 hal yg berperan dalam keseimpangan supply dan demand air bersih.

Polusi air

Pemanfaatan air bersih oleh manusia telah m,enurunkan kualitas air yitu dgn masuknya zat-zat pencemar. Pd mulanya polusi air buykanlah suatu masalah yang berarti karena akan dinetralkan ketika mencapai laut, tetapi ketika populasi manusia semakin bertambah, sungai dan laut tidak mampu lagi untuk menawarkan polusi yg dihasilkan. Polusi air merupakan masuknya materi kimia, biologi atau fisika ke dalam badan air secara berlebihan shg membahayakan bagi kehidupan biota termasuk manusia. Cemaran biologis meliputi bakteri patogen, virus, parasit, sedangkan cemaran kimia diantaranya adalah logam berat, unsur radioaktif, pestisida dan ion2 hasil degradasi senyawa organik. Cemaran fisika yg paling umum adalah suhu air. di lingkungan industri air digunakan sebagai pendingin akibatnya suhu air menjadi meningkat ketika air pendingin tersebut di alirkan kembali ke alam. Beberapa pabrik/pembangkit dilakukan proses pendinginan sebelum dialirkan ke sungai/laut.

Polutan kimia utama di hidrosfer

Jenis polutan	Sumber	Keterangan
Radioaktivitas	Industri/pembangkit nuklir, transport bahan nuklir dan uji coba nuklir	Efek thd kesehatan masih di perdebatkan
Bahan organik	Pestisida limbah pertanian, limbah industri dan domestikpolusi minyak di laut krn kecelakaan tanker	Membahayakan kesehatan dan merusak ekosistem perairan
Logam berat	Limbah industri, pertanian, rumah tangga, bahan bakar	Hg, Cd dan Pb sangat toksik
Asam	Pertambangan, limbah industri, deposisi dari atmosfer	Membehayakan ekosisitem akuatik, melarutkan logam-logam toksik
Nutrien	Pupuk dan limbah rumah tangga	Senyawa pospor dan nitrogen menyebabkan eutrofikasi

Biochemical Oxygen Demand

Air limbah yang dibuang ke sungai atau laut merupakan sumber pencemaran. Karena efek pengenceran, Konsentrasi polutan akan semakin berkurang dengan semakin jauhnya dr sumber buangan. Bakteri dalam air akan mendegradasi polutan organik dgn menggunakan oksigen terlarut (DO). Jml oksigen yang diperlukan utk mendekomposisi bahan organik per satuan volume air dsbt Biochemical Oxygen Demand (BOD). BOD dapat dijadikan sebagai ukuran tingkat pencemaran bahan organik. Jika bahan organik terlalu banyak dapat menyebabkan DO terlalu rendah shg tidak dpt mendukung kehidupan. (Radojevic p 140).

(CH₂O)n + nO₂ nCO₂ + nH₂O

Secara lengkap, degradasi bahan organik terjadi melalui aktivitas respirasi bakteri, fungi, protozoa dan binatang adalah (Libes p 132):

(CH₂O)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃PO₄­ + 138O₂ 106CO₂ + 122H₂ + 16HNO₃ + H₃PO₄

Dekomposisi polutan organik terjadi segera setelah polutan tersebut masuk ke badan air/sungai. Lokasi disekitar sumber masukan limbah organik dsbt zona polusi yg ditandai dengan rendahnya DO dan tingginya BOD, lokasi yg agak jauh dr sumber pencemaran dsbt zona dekomposisi yg ditandai rendahnya/minimum DO, dan daerah yg paling jauh disbt zona recovery di mana DO relatif meningkat dan BOD menurun.

ANALISIS AIR

Analisis air : danau, sungai, laut, estuari, air minum, industri atau air limbah, air hujan.

Berikut ini adalah konsentrasi ion-ion utama dalam air laut (mg/kg), dan sungai (mg/L)

Ion air laut air sungai

HCO₃^- 140 17,9 – 183

SO₄⁼ 2649 0,44 – 289

Cl^- 18980 2,60 – 133

NO₃^- 2 0,30 – 1,9

Ca²⁺ 400 5,40 – 94

Mg²⁺ 1272 0,50 – 30

Na⁺ 10556 1,60 – 124

K⁺ 380 0,00 – 11,8

Ada banyak metoda yg telah dikembangkan untuk analisis air. beberapa test kit yg dpt digunakan di lapangan telah tersedia misalnya untuk analisis nutrien (fosfat, nitrat, silikat) yg umumnya berdasarkan pada metode kolorimetri dan elektrokimia maupun alat pengukur pH, suhu, daya hantar listrik maupun DO. Metoda analisis yang sudah menjadi prosedur standar analisis air misalnya APHA (American Public Health Association).

Tujuan analisis, (Radojevic p 9)

Maksud analisis lingkungan air dbedakan mjd 2 :

1. utk menentukan background/latar, alami, konsentrasi bahan kimia di lingkungan air (background monitoring)
2. utk menentukan konsentrasi polutan (pollution monitoring)

Background monitoring digunakan dalm studi tentang proses2 yg terjadi dlm lingkungan perairan, namun dengan semakin bertambahnya pencemaran, menjadi sulit untuk menentukan kadar suatu bahan kimia di lingkungan alaminya. Tujuan pollution monitoring :

1. mengidentifikasi adanya ancaman terhadap kesehatan manusia dan lingkungan
2. membandingkan dengan standr nasional atau internasional
3. menginformasikan kualitas lingkungan dan meningkatkan kepedulian terhadap isu2 lingkungan
4. memberikan masukan kepada pembuat kebijakan
5. untuk meneliti kecenderungan terjadinya polusi dan mengidentifikasi masalah yg mungkin muncul di masa depan
6. dll

Tipe analisis

Bahan kimia yg akan ditentukan dari suatu sampel dsbt analit (ion, unsur, senyawa, dll). sampel dianalisis, dan analit ditentukan. Ada 2 kategori analisis kimia :

1. kualitatif : identifikasi analit : apa
2. kuantitatif : jumlah analit : berapa

hasil analisis kuantitatif biasanya dinyatakan dalam konsentrasi yaitu banyaknya analit (gram atao mol) per satuan banyaknya sampel (gram atau liter). Analisis kualitatif bertujuan utk mengetahui misalnya apakah Hg ada dalam sampel sedangkan analisis kuantitatif bertujuan mengetahui berapa banyak Hg dalam sampel tsb. Analisis kualitatif biasa digunakan untuk analisis rutin atau jika kadarnya cukup besar. Jika sampel tidak terdeteksi dalam analisis kualitatif bukan berarti tidak ada, tetapi mungkin kemampuan alat tidak mampu untuk mendeteksinya (ttd). Misalnya dalam analisis logam berat di laut seringkali tidak terdeteksi dengan alat AAS.

Pengambilan sampel dan penyimpanan

Jumlah sampel yg dikumpulkan tergantung pada jenis dan banyaknya analisis yg akan dilakukan. Analisis menyeluruh paling tidak memerlukan 2L air, sedang jika hanya akan menganalisis satu atau beberapa unsur saja, dpt diambil lebih sedikit sampel. Wadah yg akan digunakan tergantung jenis analisis dapat berupa plastik atau gelas. Untuk analisi DO diperlukan beberapa botol dengan volume tertentu pada saat pengambilan sampel.

Sampel yg diambil hanya berlaku untuk saat dan tempat di mana sampel diambil. Survay lebih menyeluruh memerlukan analisis secara temporal dan spatial (ulangan dan variasi lokasi). Komposisi sampel mungkin juga berubah selama transportasi dan penyimpanan yang disebabkan oleh aktivitas bikimia.

Air permukaan lebih mudal dalam pengambilan sampel dan tidak memerlukan alat yg spesifik tetapi utk mengambil sampel air pada kedalaman tertentu memerlukan alat selang dengan pompa atau dengan alat seperti gbr berikut :

Analisis paling baik jika dilakukan sesegera mungkin setelah pengambilan sampel, tetapi hal; ini kadang tidak memungkinkan sehingga diperlukan langkah pengawetan sampel. Misalnya untuk analisis DO memerlukan pengawet yg harus langsung ditambahkan di lapangan. Utk analisis nutrient (N & P) harus segera dilakuakan analisis karena adanya aktivitas metabolisme oleh mikroorganisme. Jika tidak langsung dianalisi harus dilakukan dengan cara (Radijevic p 153) :

1. refrigerasi, menurunkan kecepatan reaksi biokimiawi tetapi tidak menghilangkan reaksi kimia maupun aktivitas bakteri. Kec reaksi pd 4 ^oC ¼ kali pada 25 ^OC.
2. dibekukan, menghilangkan aktivitas bakteri dan reaksi kimia
3. pengasaman, menurunkan aktivitas bakteri
4. penambahan bakterisida, menghilangkan aktivitas mikroorganisme, misal kloroform dan Hg(II)klorida

Filtrasi

Filtrasi digunakan utk memisahkan partikel terlarut dgn partikel tersuspensi. Beberapa masalah dlm filtrasi :

1. lolosnya partikel tak larut melalui kertas saring. Prosedur standar filtrasi mengunakan kertas saring dgn diameter pori 0,45 m. partikel koloid dan polimer tertentu dpt lolos
2. kontaminasi, partikel/bahan dlm kertas saring terlarut dalam sampel dan ikut tersaring. Masalah muncul pd saat analisis tracew metal dalam sampel yg relatif bersih. Kertas saring dicuci asam terlebih dulu
3. adsorbsi pd kertas saring

dalam analisis logam pengasaman dilakukan setelah filtrasi. Jika dilakukan sebelum filtrasi partikel logam yg tdk larut dapat larut dlm sampel. Utk sampel yg akan disimpan lebih baik difiltrasi terlebih dulu utk menghilangkan bahan biologis yg dpt bereaksi dgn analit.