Besi (Fe) dan Mangan (Mn) dalam Eustaria.

Unsur besi terdapat pada hampir semua air tanah, sedangkan unsur mangan tidak demikian, tetapi keberadaan unsur mangan biasanya bersama-sama dengan unsur besi. Air tanah umumnya mempunyai konsentrasi karbon dioksida yang tinggi hasil penguraian kembali zat-zat organik dalam tanah oleh aktivitas mikroorganisme, serta mempunyai konsentrasi oksigen terlarut yang relatif rendah, menyebabkan kondisi anaerobik. Kondisi ini menyebabkan konsentrasi besi dan mangan bentuk mineral tidak larut (Fe³⁺ dan Mn⁴⁺) tereduksi menjadi besi dan mangan yang larut dalam bentuk ion bervalensi dua (Fe²⁺ dan Mn²⁺).

Meskipun besi dan mangan pada umumnya terdapat dalam bentuk terlarut bersenyawa dengan bikarbonat dan sulfat, juga ditemukan kedua unsur tersebut bersenyawa dengan hidroden sulfida (H₂S).

Selain itu besi dan mangan ditemukan pula pada air tanah yang mengandung asam yang berasal dari humus yang mengalami penguraian dan dari tanaman atau tumbuhan yang bereaksi dengan unsur besi untuk membentuk ikatan kompleks organik. Konsentrasi besi pada air tanah bervariasi mulai dan 0,01 mg/l sampai dengan ± 25 mg/l, sedangkan konsentrasi mangan pada umumnya kurang dan 1,0 mg/l. Secara umum Fe (II) terdapat dalam air tanah berkisar antara 1.0 – 10 mg/L, namun demikian tingkat kandungan besi sampai sebesar 50 mg/L dapat juga ditemukan dalam air tanah ditempat – tempat tertentu.

Pada air permukaan yang belum diolah ditemukan konsentrasi mangan rata-rata lebih dari 1 mg/l, walaupun demikian dalam keadaan tertentu unsur mangan dapat timbul dalam konsentrasi besar pada suatu reservoir/tandon atau sungai pada kedalaman dan saat tertentu. Hal ini terjadi akibat adanya aktivitas mikroorganisme dalam menguraikan dan mereduksi bahan organik dan mangan (IV) menjadi mangan (II) pada kondisi hypolimnion (kondisi adanya cahaya matahari).

Penyediaan air bersih dari air baku air permukaan yang membutuhkan pengolahan penghilangan besi dan mangan, biasanya air tersehut berasal dari hypolimnion (lapisan bagian bawah) dari danau yang dalam atau dari danau yang eutrop (kaya nutrien), dimana kondisi reaksi reduksi berlangsung untuk selanjutnya deposit endapan besi dan mangan akan berubah kembali ke dalam bentuk larutan. Besi pada air permukaan terdapat dalam beberapa bentuk, antara lain dalam bentuk suspensi dari lumpur, tanah liat dan partikel (dispersi) halus dari besi (IIl) hidroksida, [Fe(OH)₃ ] dalam bentuk koloid dan organik kompleks.

Mangan terdapat dalam bentuk kompleks dengan bikarbonat, mineral dan organik. Unsur mangan pada air permukaan berupa ion bervalensi empat dalam bentuk organik kompleks.

Perairan yang mengandung besi sangat tidak diinginkan untuk keperluan rumah tangga, karena dapat menyebabkan bekas karat pada pakaian, porselin, dan alat – alat lainnya serta menimbulkan rasa yang tidak enak pada air minum pada konsentrasai diatas kurang lebih 0.31 mg/L. Sifat kimia perairan dari besi adalah sifat redoks. pembentukan kompleks, metabolisme oleh mikroorganisme, dan pertukaran dari besi antara fasa dan fase padat yang mengandung besi karbonat, hidroksida dan sulfite.

Air tanah yang mengandung Fe (II) mempunyai sifat yang unik. Dalam kondisi tidak ada oksigen air tanah yang mengandung Fe (II) jernih, begitu mengalami oksidasi oleh oksigen yang berasal dari atmosfer ion ferro akan berubah menjadi ion Ferri dengan reaksi sebagai berikut :

4Fe²⁺ + O₂ + 10 H₂O ——-> 4 Fe(OH)₃ 8 H⁺

Dan ini menyebabkan air menjadi keruh. Pada pembentukan besi (III) oksidasi terhidrat yang tidak larut menyebabkan air berubah menjadi abu – abu.

Besi (II) dapat terjadi sebagai jenis stabil yang larut dalam dasar danau dan sumber air yang kekurangan oksigen. Ion FeOH⁺ dapat terjadi dalam perairan yang bersifat basa, tetapi bisa ada CO₂ maka terbentuk FeCO₃ yang tidak larut. Besi (II) dapat membentuk kompleks yang stabil dengan zat organik pengompleks yang dapat larut dalam air. Dalam perairan dengan pH sangat rendah, kedua bentuk ion ferro dan ferri dapat ditemukan.

Dalam kondisi aerob mangan dalam perairan terdapat dalam bentuk MnO₂ dan pada dasar perairan tereduksi menjadi Mn²⁺ atau dalam air yang kekurangan oksigen (DO rendah). Oleh karena itu pemakaian air berasal dari dasar suatu sumber air, sering ditemukan mangan dalam konsentrasi tinggi.

Pada pH agak tinggi dan kondisi aerob terbentuk mangan yang tidak larut seperti, MnO_2, Mn₃O₄, atau MnCO₃ meskipun oksidasi dari Mn²⁺ itu berjalan relative lambat. Secara visual dalam air yang banyak mengandung mangan berwarna kehitam – hitaman. Sedangkan aktifitas mangan dalam air sama dengan besi.

Jika konsentrasi besi dan mangan di dalam air relatif besar, akan memberikan dampak sebagai berikut :

Menimbulkan penyumbatan pada pipa disebabkan secara langsung oleh deposit (tubercule) yang disebabkan oleh endapan besi :

1. Secara tidak langsung, disebabkan oleh kumpulan bakteri besi yang hidup di dalam pipa, karena air yang mengandung besi, disukai oleh bakteri besi.

2. Selain itu kumpulan bakteri ini dapat meninggikan gaya gesek (losses) yang juga berakibat meningkatnya kebutuhan energi. Selain itu pula apabila bakteri tersebut mengalami degradasi dapat menyebabkan bau dan rasa tidak enak pada air.

3. Besi dan mangan sendiri dalam konsentrasi yang lebih besar dan beberapa mg/L, akan memberikan suatu rasa pada air yang menggambarkan rasa logam, atau rasa obat.

Meninggalkan noda pada bak-bak kamar mandi dan peralatan lainnya (noda kecoklatan disebabkan oleh besi dan kehitaman oleh mangan). Pada ion exchanger endapan besi dan mangan yang terbentuk, seringkali mengakibatkan penyumbatan atau menyelubungi media pertukaran ion (resin), yang mengakibatkan hilangnya kapasitas pertukaran ion. Menyebabkan keluhan pada konsumen (seperti kasus “red water”) bila endapan besi dan mangan yang terakumulasi di dalam pipa, tersuspensi kembali disebabkan oleh adanya kenaikan debit atau kenaikan tekanan di dalam pipa/system distribusi, sehingga akan terbawa ke konsumen.

Ada beberapa prinsip proses penghilangan besi dan mangan yaitu : pertukaran ion (ion exchange), proses secara biologis, tetapi yang umum digunakan pada sistem penyediaan air adalah proses oksidasi secara kimiawi, yaitu menaikkan tingkat oksidasi oleh suatu oksidator dengan tujuan merubah bentuk besi dan mangan terlarut menjadi bentuk besi dan mangan tidak larut (endapan). Proses ini dilanjutkan dengan pemisahan endapan/suspensi/dispersi yang terbentuk menggunakan proses sedimentasi dan atau filtrasi. Untuk meningkatkan efisiensi pemisahan endapan ini, bila perlu menggunakan proses koagulasi-flokulasi dilanjutkan dengan sedimentasi dan filtrasi.

Besi dan mangan dapat diendapkan sebagai senyawa dengan karbonat pada air yang mengandung karbonat (alkalinitas), dengan penambahan kapur atau soda. Pengendapan ini berlangsung pada kondisi anaerobik. Kelarutan Fe (II) dan Mn(II) ditentukan oleh konsentrasi total karbonik. Pada kondisi tersebut, Fe (II) dan Mn (II) karbonat dapat diharapkan mengendap seluruhnya pada pH > 8 dan 8,5. Pengendapan Fe (II) hidroksida dan Mn (II) hidroksida pada pH ± 11. Campuran dua macam endapan tersebut, terbentuk dalam proses Kapur – Soda. Besi dan mangan akan lebih baik bila diendapkan dengan jalan oksidasi oleh oksidator seperti O₂ ; O₃ ; Klor/senyawa klor ; KMnO₄, karena kelarutan dari bentuk Fe (III) trihidroksida dan Mn (IV) dioksida adalah lebih rendah dibandingkan dengan senyawa Fe (II) dan Mn (II) karbonat. Kecepatan oksidasi Fe (II) oleh oksigen sangat rendah dalam kondisi nilai pH rendah. Dalam hal ini pH perlu dinaikkan dengan mengurangi konsentrasi CO₂ atau dengan penambahan alkali (kapur).

Sebaliknya kecepatan oksidasi dapat ditingkatkan dengan menggunakan katalisator. Agak sulit dalam mengukur kecepatan oksidasi besi (II) menjadi bentuk yang dapat disaring, karena kehadiran zat pereduksi lainnya. Walaupun demikian kecepatan pengendapan dan aglomerasi Fe (II) yang terkandung di dalam air alam, lebih lambat dari perkiraan teoritis. Hal ini memberi gambaran bahwa ada rintangan seperti reduksi besi (III) oleh zat organik dan zat pereduksi lainnya. Rintangan ini tetap ada sampai seluruh zat organik teroksidasi dan endapan yang terbentuk akan stabil.

Kecepatan oksidasi Mn (II) relatif lambat pada pH < 9, pengaruh katalisator dari endapan Mn (IV) sangat diperlukan. Morgan menunjukkan bahwa efek utama dari MnO₂ mengadsorpsi Mn (II), dengan cara demikian memberikan pengaruh dalam penghilangan mangan selama proses filtrasi. Kemudian Mn (IV) yang mengadsorpsi, melanjutkan oksidasinya secara perlahan-lahan.

Keberadaan asam humus akan memperlambat oksidasi besi. Penyerapan atas Fe (II) dan Mn (II) dilaporkan memegang peranan dalam penghilangan besi dan mangan dari air. Endapan Fe (III) hidroksida dan Mn (IV) dioksida, keduanya mempunyai kapasitas adsorpsi (penyerapan) yang tinggi. Penambahan MgO pada air yang mempunyai pH rendah dapat menaikan kecepatan oksidasi Fe (II) tanpa menaikan pH yang berarti bagi air yang dihasilkan (air hasil olahan).

Pembentukan besi (III) dan mangan (IV) dipengaruhi oleh pH, pada pH antara 6,9 – 7,2. Reaksi pembentukan Fe (III) dapat terjadi dengan cepat, sedangkan reaksi pembentukan Mn (IV) akan lambat bila pH dibawah 9,5. Penggunaan klor sebagai oksidator biasanya untuk mengolah air dengan kandungan besi (II) dan mangan (II) kurang dari 2 mg/l. Pembentukan Fe (III) dan Mn (IV) tergantung pada pH. Pada pH 7,5 klor berbentuk 50 % asam hipoklorit (HOCI) dan 50 % ion hipoklorit (OCI)^–. Reaksi oksidasi pada besi (II) lebih cepat dibanding dengan Mangan (II), batas pH untuk pembentukan mangan (IV) adalah 5 – 7 . Pada reaksi terhadap oksidator KMnO₄ maka akan terjadi reaksi sebagai berikut :

Mn²⁺ + 2ClO₂ + 2H₂O ———–> MnO₂ + 2O₂ + 2Cl⁻ + 4H⁺

KMnO₄ ini pertama kali diterapkan untuk menghilangkan bau dan rasa pada air bersih, kemudian dipergunakan untuk menghilangkan warna (organik) dan terakhir dipergunakan untuk mengurangi unsur besi dan mangan, dimana untuk pembentukan besi (Ill) dan mangan (IV) terjadi pada pH lebih dari 7. Jika bereaksi dengan ozon maka akan terjadi reaksi sebagai berikut :

2Fe + 3O₃ + 5H₂O ———–> 2Fe(OH)₃ + 4O₂ + 4H⁺

2Mn²⁺ + 2O₃ + 4H₂O ———–> 2MnO(OH)₂ + 2O₂ + 4H⁺

2Mn²⁺ + 5O₃ + 3H₂O ———–> 2MnO₄^– + 5O₂ + 6H⁺

Soul of Water by @_pararaja