Masalah-Masalah Terkait Air pada Cooling Tower

Tetesan air lembut yang terus-menerus bisa membuat batu berlubang. Apalagi aliran air yang terus menerus, maka sedikit demi sedikit juga akan menggerus semua yang dilewatinya. Contoh lebih dramatis dan spektakuler adalah Grand Canyon di Arizona, Amerika Serikat. Apalagi kalau air yang dialirkan tersebut air panas maka akan lebih cepat air tersebut menggerus atau melarutkan padatan yang dilewatinya (leaching), dibandingkan air dingin. Pada saat air panas kembali ke cooling tower, air tersebut sudah penuh dengan padatan tersuspensi. Cooling tower sebagai alat untuk membuang panas, mengalirkan air panas dari bagian atas menara dan udara dingin dari lingkungan yang berkontak dengan air hangat tersebut mengambil panasnya. Sebagai akibat kontak tersebut maka air akan lebih dingin dan udara akan menjadi lebih hangat.  

Air panas tersebut juga cenderung bersifat korosif dan membentuk endapan. Hal itulah mengapa bahan-bahan yang digunakan untuk membangun cooling tower harus bahan yang tahan lama dan mampu menahan perbedaan suhu yang besar. Jenis kayu dan plastik tertentu bisa digunakan untuk bahan konstruksi cooling tower tersebut. Apabila kualitas bahan rendah, maka konstruksi cooling tower hanya akan berumur pendek, dan bahkan membahayakan. Ketika air panas memasuki cooling tower yang bercampur dengan padatan tersuspensi, sejumlah air tersebut mengalami penguapan dan meninggalkan padatan tersuspensi tersebut. Cairan yang kaya akan padatan tersuspensi tersebut terkonsentrasi di dalam bak, bagian bawah cooling tower. Seiring waktu, konsentrasi padatan tersuspensi ini meningkat hingga mencapai tingkat yang harus dikendalikan yakni dengan cara dikeluarkan dari sistem atau blowdown.  

Udara luar yang berkontak dengan air dari cooling tower tersebut mengandung debu atau partikel-partikel kecil dan juga mikroorganisme seperti berbagai bakteri, spora jamur dan ganggang / algae. Debu atau partikel-partikel kecil tersebut akan tersuspensi dan terakumulasi / terkonsentrasi membentuk endapan berupa lumpur atau kerak. Dengan adanya sinar matahari mikroorganisme seperti bakteri dan algae tersebut berfotosintesa sehingga berkembangbiak dan semakin banyak. Bahkan bakteri patogen seperti legionella bisa menyebabkan penyakit legionnaires. Lumpur dan algae tersebut akan mengotori dan menyumbat pipa-pipa penukar panas (heat exchanger tubes)  serta mempercepat korosi pipa tersebut. 

Pada alat penukar panas (heat exhanger) tersebut jika ketebalan kerak (scale) 0,3 mm diperkirakan terjadi kehilangan panas / energy (heat / energy loss) 10% dan jika ketebalan kerak (scale) 0,6 mm diperkirakan terjadi kehilangan panas / energy (heat / energy loss) 23%.  Dan secara umum, pengotoran (fouling) menyebabkan kehilangan energi/panas tahunan sekitar 15%, sehingga memerlukan perawatan dan penggantian pipa setiap 3–5 tahun. Jika tidak ditangani dengan baik, kehilangan panas/energi akibat pengotoran (fouling) dapat mencapai hingga 70% setelah lima tahun. Jamur dan bakteri akan menyebabkan pembusukan / pelapukan kayu sehingga rapuh dan hancur. Demikian juga reaksi oksidasi pada permukaan logam, karena logam-logam tersebut melepas elektron atau menangkap oksigen, sehingga menyebabkan korosi pada logam tersebut. Korosi pada logam membuat logam menjadi semakin habis terkikis, rapuh dan hancur. 

Untuk menjaga kualitas air dari berbagai pengotor cooling tower yang volumenya hingga ribuan ton/jam dan beroperasi 24 jam per hari, tentu bukan sederhana. Hanya dengan menjaga kualitas air tersebut maka kinerja dan masa pakai cooling tower bisa sesuai target rancangannya. Penggunaan teknologi yang efektif, efisien dan ramah lingkungan adalah opsi terbaik. Teknologi AOP (Advanced Oxidation Process) adalah inovasi untuk berbagai problem tersebut. Pendekatan teknologi ini mengatasi berbagai masalah air pada cooling tower tersebut secara efektif, efisien dan ramah lingkungan, sebagai contoh di dalam sel alga, ion dari  AOP (Advanced Oxidation Process) menyerang gugus sulfida yang terkandung dalam asam amino sisa protein yang terlibat dalam fotosintesis. Akibatnya, fotosintesis terhambat, dan sel-sel tersebut larut atau hancur. Jika sel algae dan mikroba tetap ada, pertumbuhan kembali sel tersebut terhambat oleh ion AOP yang ada di dalam air, sehingga mencegah perkembangbiakan alga. Selama proses ini, bakteri juga mati atau menjadi tidak aktif. 

Contoh kedua yakni pada mekanisme pencegahan karat pipa. Besi (Fe) kehilangan elektron sesuai dengan reaksi oksidasi dan membentuk karat.Namun, ketika material AOP berpartisipasi dalam reaksi ini dan melepaskan elektron terlebih dahulu, besi dicegah melepaskan elektron, sehingga menekan pembentukan karat. Besi berkarat diubah menjadi karat hitam melalui reaksi AOP, membentuk lapisan (film) oksida padat yang mencegah korosi lebih lanjut dan melindungi pipa dan struktur.

Dan contoh ketiga yakni mekanisme pencegahan kerak (scale). Saat air melewati sistem AOP, ion kalsium (Ca) dan magnesium (Mg)—komponen penyebab kesadahan—dihilangkan melalui kristalisasi dalam fase cair, sehingga air menjadi lunak. Partikel kalsium karbonat yang dihasilkan tidak dapat menempel pada pipa. Dalam air sadah yang mengandung ion kalsium (Ca) dan magnesium (Mg), struktur kerak seperti jarum biasanya terbentuk dan menempel pada dinding pipa. Melalui treatment AOP, ion pembentuk kerak mengalami pertumbuhan partikel dalam fase cair, membentuk partikel bulat dengan ukuran mulai dari beberapa mikrometer hingga puluhan mikrometer. 

Menurut rumus Gibbs–Kelvin, energi bebas volumetriknya berkurang dan daya rekat hilang, sehingga mencegah menempel pada dinding pipa. Kerak (scale) akan terakumulasi di dasar bak (basin) dan dikeluarkan dengan mekanisme blowdown. Selain itu teknologi AOP ini juga akan menghilangkan kerak (scale) yang sudah terlajur menempel pada pipa (scale removal existing pipes) dan juga efek sterilisasi yang juga sangat penting bagi kualitas air cooling tower tersebut seperti menghindari pembusukan / pelapukan kayu dan membunuh bakteri patogen, kedua aspek ini insyaallah akan dijelaskan pada kesempatan lain. 

Untuk mengukur kinerja cooling tower berdasarkan masalah yang dihadapi dan solusi yang dilakukan sejumlah parameter digunakan. Parameter tersebut antara lain:   
• pH air
• Total padatan terlarut (TDS)
• Daftar periksa peralatan menara
• Filter dan saringan
• Suhu bola basah (wet bulb temperature) dan kelembaban (humidity)

Sedangkan terkait keselamatan (safety) pada cooling tower juga merupakan hal penting dan perlu diperhatikan. Sejumlah hal tersebut adalah : 
• Bahan tambahan kimia (jika menggunakannya dan belum dengan teknologi AOP)
• Peralatan berputar (rotating equipment)
• Bahaya air panas
• Bekerja di ketinggian
• Bekerja dengan aman di atas cooling tower.
• Kegagalan peralatan (equipment failures) 
• Korosi logam dan pembusukan/pelapukan kayu

Pemakaian cooling tower bisa dikatakan sebagai peralatan penting dan mendasar untuk operasional industri pada umumnya. Mulai dari pembangkit listrik baik yang masih menggunakan energi fossil, cofiring maupun pembangkit listrik biomasa hingga pembangkit listrik panas bumi/ geothermal, data center, industri kimia, industri biorefinery, industri petrokimia, industri besi dan baja, industri makanan, industri farmasi, industri tekstil, industri pulp and paper dan sebagainya. Terkait era dekarbonisasi dan keberlanjutan / sustainibility penggunaan energi terbarukan seperti biomasa termasuk wood pellet dan palm kernel shell/PKS sebagai bagian dari carbon neutral fuel atau carbon negative seperti carbon capture and storage (CCS) hingga biochar,  tentu saja teknologi yang ramah lingkungan apalagi mudah dalam operasional, biaya investasi terjangkau hingga repair-maintenance, akan menjadi pilihan bagi industri-industri tersebut, seperti teknologi AOP untuk pengkondisian air pada cooling tower sehingga memberikan penghematan yang signifikan.  

Produksi Listrik Dari Pepohonan

Aktivitas mikroba tanah yang menguraikan berbagai bahan organik sehingga menjadi nutrisi bagi pepohonan dan photosintesisnya ternyata bisa dikonversi menjadi listrik. Proses yang terjadi adalah perubahan dari energi kimia menjadi energi listrik. Hal ini mirip seperti proses aki atau baterai yang merupakan sumber energi kimia menjadi energi listrik. Lalu bagaimana persisnya alat yang bisa mengubah aktivitas mikroba dan photo sintesis tersebut hingga menjadi listrik? Sebuah perusahaan Belanda, Plant-E telah membuktikan konsep tersebut dan mengaplikasikannya pada kehidupan nyata. Sejumlah gadget maupun penerangan jalan dilaporkan telah memanfaatkan listrik yang dikonversi dari aktivitas di pepohonan tersebut.

Adalah suatu alat konverter berupa elektrode positif (katode; menangkap elektron atau reduksi) dan negatif (anode; melepas elektron atau oksidasi) yang mengubah energi kimia tersebut menjadi listrik. Proses photosintesis yang terjadi di tumbuhan yang menghasilkan bahan organik menurut penelitian tersebut ternyata tidak sepenuhnya digunakan oleh tumbuhan tersebut bahkan yang dikeluarkan atau dibuang ke tanah jumlahnya cukup banyak lewat akar  Di sekitar akar tersebut terjadi perombakan bahan organik oleh mikroorganisme dalam rangka mendapatkan energy. Pada fase ini terjadi pelepasan elektron sebagai limbah. Dalam sel elektrokimia reaksi redoks spontan menghasilkan listrik, begitulah prinsipnya, sehingga bisa digunakan sebagai sumber listrik. 

Arus listrik adalah aliran elektron dan tiap elektron bermuatan 1,6E-19 coulomb. Semakin besar perbedaan potensial sel antara kedua elektrode tersebut maka semakin besar arus listrik yang dihasilkan. Logam-logam tertentu digunakan sebagai elektrode, semakin mulia golongan logam tersebut akan semakin sulit teroksidasi. Sehingga kelompok logam yang lebih mulia digunakan sebagai katode atau penangkap elektron. Mikroorganisme sebagai sebagai anode yang melepaskan elektron atau terjadi oksidasi sedangkan katode yang dibuat dari logam tertentu sebagai penangkap electron tersebut atau reaksi reduksi. Penelitian tersebut juga menunjukkan pertumbuhan tanaman tidak terganggu dengan pemasangan elektrode untuk produksi listrik tersebut.

Untuk mengoptimalkan proses produksi listrik tersebut, bisa dilakukan yakni dengan mengoptimalkan sumber energi kimia tersebut. Aktivitas mikroba dalam tanah bisa dioptimalkan dengan membuat kondisi yang optimum untuk pertumbuhan mikroba tersebut, diantaranya dengan pola pertanian organik dan penggunaan biochar. Pupuk kimia akan membunuh mikroba tanah, karena membuat tanah menjadi asam. Selain itu pupuk kimia juga merusak struktur atau kimia fisika tanah. Tanah menjadi keras dan berbagai nutrisi atau bahan organik menjadi mudah lepas. Tanah yang keras juga akan meminimalisir aktivitas mikroba tanah. Biochar dengan fungsinya antara lain sebagai rumah mikroba dan menahan nutrisi bagi tanaman akan mengoptimalkan proses konversi bahan organik, sehingga juga akan mengoptimalkan proses produksi listrik tersebut. Kebun energi dengan pepohonan jenis leguminoceae yang pada akarnya bisa mengikat nitrogen dari atmosfer karena simbiosis dengan mikroba acetobacter juga seharusnya semakin meningkatkan produksi listrik tersebut.

Faktor kedua untuk dioptimalisasi adalah  photosintesisnya. Faktor-faktor seperti ketersediaan nutrisi yang cukup, air dan sinar matahari membuat photosintesis berjalan optimal. Ketersediaan nutrisi yang cukup juga sangat terkait aktivitas mikroba dan ketersediaan bahan organik sebagai sumber pakannya. Indonesia dengan kondisi iklim tropis, matahari bersinar sepanjang tahun dengan rata-rata 12 jam/hari dan curah hujan yang tinggi menjadikannya sangat potensial untuk pertumbuhan pepohonan atau khususnya photosintesi itu sendiri. Kelebihan lain di Indonesia adalah bahwa unit tersebut tidak bisa beroperasi ketika tanah tertutup salju dan ini tidak kita temui di Indonesia. Pada musim dingin yang bersalju tumbuh-tumbuhan berhenti tumbuh atau fase dorman sehingga photosintesis tidak terjadi. Sejumlah pepohonan memiliki jenis photosintesis C4, yakni photosintesis yang tanaman lebih adaptif pada daerah kering dan panas.  Photosintesis C4 membuat produksi gula bertambah dan fotorespirasi minimum atau dikenal fotosintesis efektif. Sehingga faktor ketiga yang bisa dioptimalisasi adalah dengan pemilihan jenis pepohonan yang memiliki photosintesis jenis C4, misalnya pohon bambu.

Sedangkan untuk kapasitas listrik yang dihasilkan cukup kecil, untuk setiap m2 menghasilkan sekitar 28 kwh/tahun atau 0,1 kWh/hari. Apabila penggunaan rumah tangga menghabiskan 10 kwh/hari berarti dibutuhkan perkebunan seluas 100 hektar. Apabila suatu kelompok masyarakat berjumlah 100 rumah dengan masing-masing 10 kWh/hari berarti kebutuhan lahannya mencapai 10.000 hektar. Beberapa daerah pedalaman dengan kebutuhan listrik minimal dan memiliki perkebunan cukup luas bisa jadi cocok dengan teknologi ini. Perkebunan-perkebunan besar dengan populasi pohon yang padat seperti perkebunan teh, tebu, kebun energi dan sebagainya diprediksi lebih efektif implementasinya. Penerapan sensor-sensor dalam dunia pertanian dan IoT (Internet of thing) bisa menggunakan listrik dari sumber ini. Selain itu aktifitas mendaki gunung bisa lebih menyenangkan apabila jalan setapak yang dilalui diterangi lampu-lampu yang listriknya berasal dari pepohonan di hutan kanan kirinya. Plant e sejauh ini menggunakan listrik yang dihasilkan untuk charging handphone dan gadget lainnya serta penerangan jalan. Pada akhirnya sumber energi dari pepohonan semakin membuktikan firman Allah SWT yakni QS Yaasiin (36) : 80 & QS Waqi'ah: 71-72. Untuk lebih detail pengembangan energi berbasis Al Qur'an bisa dibaca disini.