_Indra Wibawa Dwi Sukma_0715041046_
EKSTRAKSI CAIR-CAIR
1. Pengertian Ekstraksi Ekstraksi adalah pemisahan satu atau beberapa bahan dari suatu padatan atau cairan dengan bantuan pelarut. Ekstraksi juga merupakan proses pemisahan satu atau lebih komponen dari suatu campuran homogen menggunakan pelarut cair (solven) sebagai separating agen. Pemisahan terjadi atas dasar kemampuan larut yang berbeda dari komponen-komponen dalam campuran. Contoh ekstraksi : pelarutan komponenkomponen kopi dengan menggunakan air panas dari biji kopi yang telah dibakar atau digiling. Pemisahan zat-zat terlarut antara dua cairan yang tidak saling mencampur antara lain menggunakan alat corong pisah. Ada suatu jenis pemisahan lainnya dimana pada satu fase dapat berulang-ulang dikontakkan dengan fase yang lain, misalnya ekstraksi berulang-ulang suatu larutan dalam pelarut air dan pelarut organik, dalam hal ini digunakan suatu alat yaitu ekstraktor sokshlet. Metode sokshlet merupakan metode ekstraksi dari padatan dengan solvent (pelarut) cair secara kontinu. Alatnya dinamakan sokshlet (ekstraktor sokshlet) yang digunakan untuk ekstraksi kontinu dari sejumlah kecil bahan Istilah-istilah berikut ini umumnya digunakan dalam teknik ekstraksi: 1. Bahan ekstraksi: Campuran bahan yang akan diekstraksi 2. Pelarut (media ekstraksi): Cairan yang digunakan untuk melangsungkan ekstraksi 3. Ekstrak: Bahan yang dipisahkan dari bahan ekstraksi 4. Larutan ekstrak: Pelarut setelah proses pengambilan ekstrak 5. Rafinat (residu ekstraksi): Bahan ekstraksi setelah diambil ekstraknya 6. Ekstraktor: Alat ekstraksi 7. Ekstraksi padat-cair: Ekstraksi dari bahan yang padat
8. Ekstraksi cair-cair (ekstraksi dengan pelarut = solvent extraction): Ekstraksi dari bahan ekstraksi yang cair Pada ekstraksi tidak terjadi pemisahan segera dari bahan-bahan yang akan diperoleh (ekstrak), melainkan mula-mula hanya terjadi pengumpulan ekstrak dalam pelarut. Ekstraksi akan lebih menguntungkan jika dilaksanakan dalam jumlah tahap yang banyak. Setiap tahap menggunakan pelarut yang sedikit. Kerugiannya adalah konsentrasi larutan ekstrak makin lama makin rendah, dan jumlah total pelarut yang dibutuhkan menjadi besar, sehingga untuk mendapatkan pelarut kembali biayanya menjadi mahal. Semakin kecil partikel dari bahan ekstraksi, semakin pendek jalan yang harus ditempuh pada perpindahan massa dengan cara difusi, sehingga semakin rendah tahanannya. Pada ekstraksi bahan padat, tahanan semakin besar jika kapiler-kapiler bahan padat semakin halus dan jika ekstrak semakin terbungkus di dalam sel (misalnya pada bahan-bahan alami). Ekstraksi dibagi menjadi dua, yaitu: 1)
Ekstraksi padat-cair Pada ekstraksi padat-cair, satu atau beberapa komponen yang dapat larut dipisahkan dari bahan padat dengan bantuan pelarut. Pada ekstraksi, yaitu ketika bahan ekstraksi dicampur dengan pelarut, maka pelarut menembus kapiler-kapiler dalam bahan padat dan melarutkan ekstrak. Larutan ekstrak dengan konsentrasi yang tinggi terbentuk di bagian dalam bahan ekstraksi. Dengan cara difusi akan terjadi kesetimbangan konsentrasi antara larutan tersebut dengan larutan di luar bahan padat. Syarat-syarat yang harus dipenuhi untuk mencapai unjuk kerja ekstraksi atau kecepatan ekstraksi yang tinggi pada ekstraksi padat-cair, yaitu: a. Karena perpindahan massa berlangsung pada bidang kontak antara fase padat dan fase cair, maka bahan itu perlu sekali memiliki permukaan yang seluas mungkin. b. Kecepatan alir pelarut sedapat mungkin besar dibandingkan dengan laju alir bahan ekstraksi.
c. Suhu yang lebih tinggi (viskositas pelarut lebih rendah, kelarutan ekstrak lebih besar) pada umumnya menguntungkan unjuk kerja ekstraksi. 2)
Ekstraksi cair-cair Pada ekstraksi cair-cair, satu komponen bahan atau lebih dari suatu campuran dipisahkan dengan bantuan pelarut. Ekstraksi cair-cair terutama digunakan, bila pemisahan campuran dengan cara destilasi tidak mungkin dilakukan (misalnya karena pembentukan azeotrop atau karena kepekaannya terhadap panas) atau tidak ekonomis. Seperti ekstraksi padat-cair, ekstraksi cair-cair selalu terdiri dari sedikitnya dua tahap, yaitu pencampuran secara intensif bahan ekstraksi dengan pelarut dan pemisahan kedua fase cair itu sesempurna mungkin. Pada makalah ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai ekstraksi cair-cair.
2. Ektraksi Cair – Cair Ekstraksi cair-cair (liquid extraction, solvent extraction): solute dipisahkan dari cairan pembawa (diluen) menggunakan solven cair. Campuran diluen dan solven ini adalah heterogen ( immiscible, tidak saling campur), jika dipisahkan terdapat 2 fase, yaitu fase diluen (rafinat)
dan fase solven (ekstrak). Perbedaan konsentrasi solute di dalam
suatu fasadengan konsentrasi pada keadaan setimbang merupakan pendorong terjadinya pelarutan (pelepasan) solute dari larutanyang ada. Gaya dorong (driving force) yang menyebabkan terjadinya proses ekstraksi dapatditentukan dengan mengukur jarak system dari kondisi setimbang. Fase rafinat = fase residu, berisi diluen dan sisa solut. Fase ekstrak = fase yang berisi solut dan solven.
(a)
(b) Gambar 1. (a)Proses ekstraksi cair-cair dan (b) aplikasi ekstraksi cair-cair. Dalam hal yang paling sederhana, bahan ekstraksi. Yang cair dicampur berulangkali dengan pelarut segar dalam sebuah tangki pengaduk (sebaiknya dengan saluran keluar di bagian bawah). Larutan ekstrak yang dihasilkan setiap kali dipisahkan dengan cara penjernihan (pengaruh gaya berat). Yang konstruksinya lebih menguntungkan bagi proses pencampuran dan pernisahan adalah tangki yang bagian bawalmya runcing (yang dilengkapi dengan perkakas pengaduk, penyalur bawah, maupun kaca Intip yang tersebar pada seluruh ketinggiannya). Alat tak kontinu yang sederhana seperti itu digunakan misalnya untuk mengolah bahan dalam jurnlah kecil,atau bila hanya sekali-sekali dilakukan ekstraksi. Untuk Pemisahan
Yang dapat dipercaya antara fasa berat dan fasa ringan, sedikit-sedikitnya diperlukan sebuah kaca intip pada saluran keluar di bagian bawah tangki ekstraksi. Selain itu penurunan lapisan antar fasa seringkali dikontrol secara elektronik (dengan perantara alat ukur konduktivitas),secara optik (dengan bantuan detektor cahaya 289 hatas) atau secara mckanik (dengan pelampung atau benda apung). Peralatan ini mudah digabungkan dengan komponen pemblokir dan perlengkapan alarm, yang akan menghentikan aliran keluar dan/atau memberikan alarm, segera setelah lapisan tersebut melampaui kedudukan tertentu.Agar fasa ringan (yang kebanyakan terdiri atas pelarut organik) tidak masuk ke dalam saluran pembuangan air,pencegahan yang lebih baik dapat dilakukan dengan memasang bak penampung (bak penyangga) dibelakang ekstraktor. Pada ekstraksi cair-cair, satu komponen bahan atau lebih dari suatu campuran dipisahkan dengan bantuan pelarut. Proses ini digunakan secara teknis dalam skala besar misalnya untuk memperoleh vitamin, antibiotika, bahan-bahan penyedap, produk-produk minyak bumi dan garam-garam. logam. Proses ini pun digunakan untuk membersihkan air limbah dan larutan ekstrak hasil ekstraksi padat cair. Ekstraksi cair-cair terutama digunakan, bila pemisahan campuran dengan cara destilasi tidak mungkin dilakukan (misalnya karena pembentukan aseotrop atau karena kepekaannya terhadap panas) atau tidak
ekonomis.
Seperti
halnya
pada
proses
ekstraksi padat-cair, ekstraksi cair-
cair selalu terdiri atas sedikitnya dua tahap, yaitu pencampuran
secara
intensif
bahan
ekstraksi dengan pelarut, dan pemisahan kedua fasa cair itu sesempurna mungkin. Pada saat pencampuran terjadi perpindahan massa, yaitu ekstrak meninggalkan pelarut yang pertarna (media pembawa) dan masuk ke dalam pelarut kedua (media ekstraksi). Sebagai syarat ekstraksi ini, bahan ekstraksi dan pelarut tidak. saling melarut (atau hanyadalam daerah yang sempit). Agar terjadi perpindahan masa yang baik yang berarti p erformansi ekstraksi yang besar haruslah diusahakan agar terjadi bidang kontak yang seluasmungkin di antara kedua cairan tersebut. Untuk itu salah satu cairan distribusikan menjaditetes-tetes kecil (misalnya dengan bantuan perkakas pengaduk). Tentu saja pendistribusian initidak boleh terlalu jauh, karena akan menyebabkan terbentuknya emulsi yang tidak dapat lagiatau sukar sekali dipisah. Turbulensi pada saat mencampur tidak perlu terlalu besar. Yang penting perbedaan konsentrasi sebagai gaya penggerak pada bidang batas tetap ada. Hal ini berarti bahwa bahan yang telah terlarutkan sedapat
mungkin segera disingkirkan dari bidang batas. Pada saat pemisahan, cairan yang telah terdistribusi menjadi tetes-tetes hanis menyatu kembali menjadi sebuah fasa homogen dan berdasarkan perbedaan kerapatan yang cukup besar dapat dipisahkan dari cairan yang lain.
Kecepatan pembentukan fasa
homogen
yang
diikuti dengan
menentukan
output sebuah ekstraktor cair-cair. Kuantitas pemisahan persatuan waktu dalam hal ini semakin besar jika permukaan lapisan antar fasa di dalam alat semakin luas. Sama haInya seperti pada ekstraksi padat-cair,alat ekstraksi tak kontinu dan kontinu yang akan dibahas berikut ini seringkali merupakan bagian dari suatu instalasi lengkap. Instalasi tersebut biasanya terdiri atas ekstraktor yang sebenarnya (dengan zone-zone pencampuran dan pemisahan) dan sebuah peralatan yangdihubungkan di belakangnya (misalnya alat penguap, kolom rektifikasi) untuk mengisolasi ekstrak atau memekatkan larutan ekstrak dan mengambil kembali pelarut. Pertimbangan pemakaian proses ekstraksi sebagai proses pemisahan antara lain: (1) Komponen larutan sensitif terhadap pemanasan jika digunakan distilasi meskipun padakondisi vakum (2) Titik didih komponen-komponen dalam campuran berdekatan (3) Kemudahan menguap (volatility) komponen-komponen hampir sama. Untuk mencapai proses ekstraksi cair-cair yang baik, pelarut yang digunakan harus memenuhi kriteria sebagai berikut (Martunus & Helwani, 2004;2005): 1. kemampuan tinggi melarutkan komponen zat terlarut di dalam campuran. 2. kemampuan tinggi untuk diambil kembali. 3. perbedaan berat jenis antara ekstrk dan rafinat lebih besar. 4. pelarut dan larutan yang akan diekstraksi harus tidak mudah campur. 5. tidak mudah bereaksi dengan zat yang akan diekstraksi. 6. tidak merusak alat secara korosi. 7. tidak mudah terbakar, tidak beracun dan harganya relatif murah. Berdasarkan sifat diluen dan solven, sistem ekstraksi dibagi menjadi 2 sistem : a. immiscible extraction, solven (S) dan diluen (D) tidak saling larut. b. partially miscible, solven (S) sedikit larut dalam
diluen (D) dan sebaliknya ,
meskipun demikian, campuran ini heterogen, jika dipisahkan akan terdapat fase diluen dan fase solven.
Skema sistem itu :
Gambar 2. Skema sistem ekstraksi. Suatu unit ekstraksi, selalu diikuti unit pemungutan solven agar dapat digunakan kembali ( solvent recovery unit), seperti gambar di bawah ini:
Gambar 3. Skema unit ekstraksi yang diikuti unit pemungutan solven. Ditinjau dari cara kontak kedua fase, maka ekstraktor dibagi menjadi 2 yaitu: 1. Kontak kontinyu ( continuous contactor) seperti Rotary Disc Contactor, Packed bed extractor, spray tower. 2. Kontak bertingkat ( stage wise contactor) seperti menara plat/tray, mixer-settler.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) Gambar 4. (a)(b) Spray tower, (c)(d) Baffle-plate coloumn, dan (e) Sieve tray extractor. Menara kontak kontinyu sering disebut menara transfer massa, sedangkan menara platsering disebut menara stage keseimbangan. Oleh karena itu, pada menara kontak kontinyuharus diperhatikan kecepatan perpindahan massa solut dari fase pembawa ke fase pelarut. Tujuan perancangan alat ekstraksi dengan kontak bertingkat adalah menentukan jumlah stage seimbang/ideal/teoritis yang dibutuhkan.Jumlah stage sesungguhnya merupakan rasio stage ideal dengan efisiensi alatnya.
Di dalam menganalisis alat ekstraksi, seseorang harus mengetahui dan menentukan : 1. kondisi bahan yang akan dipisahkan (umpan), yaitu kecepatan arus fluida umpan, komposisi. 2. banyak solut yang harus dipisahkan, 3. jenis solven yang akan digunakan, 4. suhu dan tekanan alat, 5. kecepatan arus solven minimum dan kecepatan arus solven operasi, 6. Diameter menara, 7. Jenis alat kontak, 8. Jumlah stage ideal, aktual, dan tinggi menara, 9. Pengaruh panas. Pertimbangan-pertimbangan dalam pemilihan pelarut yang digunakan adalah: (1) Selektifitas (factor pemisahan = β) β=
fraksi massa solut dalam ekstrak/fraksimassa diluant dalam ekstrak
fraksi massa solut dalam rafinat/fraksimassa diluent dalam rafinat Agar proses ekstraksi dapat berlangsung, harga β harus lebih besar dari satu. Jika nilai β =1 artinya kedua komponen tidak dapat dipisahkan. (2) Koefisien distribusi K=
konsentrasi solut dalam fasa ekstrak, Y konsentrasi solut dalam fasa rafinat, X
Sebaiknya dipilih harga koefisien distribusi yang besar, sehingga jumlah solvent yangdibutuhkan lebih sedikit. (3) Recoverability (kemampuan untuk dimurnikan) Pemisahan solute dari solvent biasanya dilakukan dengan cara distilasi, sehingga diharapkan harga “relative volatility” dari campuran tersebut cukup tinggi.
(4) Densitas Perbedaan densitas fasa solvent dan fasa diluent harus cukup besar agar mudah terpisah. Perbedaan densitas ini akan berubah selama proses ekstraksi dan mempengaruhi laju perpindahan massa. (5) Tegangan antar muka (interfasia tension) Tegangan antar
muka besar
menyebabkan penggabungan (coalescence) lebih
mudahnamun mempersulit proses pendispersian. Kemudahan penggabungan lebih dipentingkansehingga dipilih pelarut yang memiliki tegangan antar muka yang besar. (6) Chemical reactivity Pelarut merupakan senyawa yang stabil dan inert terhadap komponen-komponen dalamsystem dan material (bahan konstruksi). (7) Viskositas tekanan uap dan titik beku dianjurkan rendah untuk memudahkan penanganan dan penyimpanan. (8) Pelarut tidak beracun dan tidak mudah terbakar. Koefisien distribusi Pada percobaan ini menentukan koefisien distribusi untuk system tri kloro etilenasamasetat-air, dan menunjukkan ketergantungannya terhadap konsentrasi. Pada campuran ketigazat ini dianggap bahwa fasa berada pada kesetimbangan. Pada konsentrasi rendah, koefisiendistribusi tergantung pada konsentrasi, sehingga Y = K.X Y = konsentrasi solute dalam fasa ekstrak X = konsentrasi solute dalam fasa rafinat K = koefisien distribusi Neraca massa dan koefisian perpindahan massa Pada percobaan ini mendemonstrasikan bagaimana kelakuan neraca massa padakolom ekstraksi dan mengukur koefisien perpindahan massa dan variasinya terhadap laju
alir dengan fasa air sebagai media kontinu. Symbol dan rumus-rumus yang digunakan dalam perhitungan ditunjukkan sebagai berikut. Untuk system tri kloro etilen-air-asam asetat, Vw = Laju alir air (L/s) Vo = Laju alir TCE (L/s) X = konsentrasi asam asetat dalam fasa organic (kg/L) Y = konsentrasi asam asetat dalam fasa air (kg/L) Indeks 1: pada puncak kolom Indeks 2: pada dasar kolom 1.Neraca Massa Asam asetat yang terekstraksi dari fasa organic (rafinat) = Vo(X1-X2) Asam asetat yang terekstraksi dari fasa air (ekstrak) = Vw(Y1-0) Maka: Vo(X1-X2) = Vw(Y1-0) 2.Efisiensi Ekstraksi Koef mass transfer = laju perpindahan massa/(volume packing X gaya dorong rata-rata) Log rata-rata gaya dorong = (ΔX1 – ΔX2)/ ln (ΔX1/ΔX2) ΔX1: gaya dorong pada puncak kolom = X2 – 0 ΔX2: gaya dorong pada dasar kolom = X1 – X1* X1*: konsentrasi asam di dalam fasa organic yang berkesetimbangan dengan konsentrasi Y1 di dalam fasa air. Harga kesetimbangan ini didapatkan dari kurva koefisien distribusi
Ada tiga faktor penting yang berpengaruh dalam peningkatan karakteristik hasil dalam ekstraksi cair-cair yaitu (Martunus dkk., 2006; Martunus & Helwani, 2004; 2005; 2006): 1. Perbandingan pelarut-umpan (S/F). Kenaikan jumlah pelarut (S/F) yang digunakan akan meningkatan hasil ekstraksi tetapi harus ditentukan titik (S/F) yang minimum agar proses ekstraksi menjadi lebih ekonomis. 2. Waktu ekstraksi. Ekstraksi yang efisien adalah maksimumnya pengambilan solut dengan waktu ekstraksi yang lebih cepat. 3. Kecepatan pengadukan. Untuk ekstraksi yang efisien maka pengadukan yang baik adalah yang memberikan hasil ekstraksi maksimum dengan kecepatan pengadukan minimum, sehingga konsumsi energy menjadi minimum. Ekstraktor cair-cair kontinu Operasi kontinu pada ekstraksi cair-cair dapat dilaksanakan dengan sederhana, karena tidak saja pelarut, melainkan juga bahan ekstraksi cair secara mudah dapat dialirkan dengan bantuan pompa. Dalam hal ini bahan ekstraksi berulang kali dicampur dengan pelarut atau larutan ekstrak dalam arah berlawanan yang konsentrasinya senantiasa meningkat. Setiap kali kedua fasa dipisalikan dengan cara penjernihan. Bahan ekstraksi dan pelarut terus menerus diumpankan ke dalam alat, sedangkan rafinat dan larutan ekstrak dikeluarkan secara kontinu.Ekstraktor yang paling sering digunakan adalah kolom-kolom ekstraksi,di samping itu juga digunakan perangkat pencampur-pemisah (mixer settler). Alat-alat ini terutama digunakan bila bahan ekstraksi yang harus dipisahkan berada dalam kuantitas yang besar, atau bila bahan tersebut diperoleh dari proses-proses sebelumnya secara terus menerus. Senyawa organik lebih larut dalam pelarut air dibandingkan dalam pelarut organik (koefisien distribusi antara pelarut organik dan air kecil). Ekstraksi senyawa dengan koefisien campuran rendah antara pelarut organik dan air biasanya memerlukan pelarut organik dalam jumlah yang banyak. Penggunaan pelarut yang besar ini bisa diatasi dengan ekstraksi kontinyu dimana hanya relative kecil volume pelarut yang dibutuhkan
(vogel, 1989 : 156). Teknik ekstraksi cair-cair kontinyu, pelarutnya dapat didaur ulang menjadi campuran yang mengandung air sehingga penyusunnya dapat diekstraksi dengan pelarut lain. (Ralph J. Fessenden, 1993 : 84).
Gambar 5. Alat ekstraksi cair-cair kontinyu Gambar 5. menunjukkan alat ekstraksi kontinyu menggunakan pelarut yang lebih encer dari air (ekstraktor yang lain dapat dirancang untuk pelarut yang lebih kental dari air). Larutan yang diekstraksi ditem-patkan pada tabung panjang. Pelarut ditempatkan di labu destilasi, seperti ditunjukkan pada gambar. Ketika pelarut didestilasi, uap hasil kondensasi masuk pada pipa sempit yang ada dalam dasar tabung besar.Ketika pipa sempit itu diisi pelarut, gelembung-gelembung kecil pelarut naik melalui pipa dan keluar sebagai uap air. Ekstraksi senyawa organik di atas dengan air akan keluar kembali pada botol penyulingan, dimana lebih banyak lagi pelarut yang didestilasi. Ekstraksi cair-cair kontinyu ini membutuhkan waktu beberapa jam atau beberapa hari tetapi operator bebas beraktivitas dimana ekstraksi bekerja sendiri. Ketika ekstraksi sudah lengkap, ekstraks organik kering dan komponen organik bebas dari pelarut
