Ion Exchange Shinta Rosalia Dewi
RESIN PARTICLE AND BEADS
Pertukaran ion
Adsorpsi, dan pertukaran ion adalah proses sorpsi, dimana komponen tertentu dari fase cairan, yang disebut zat terlarut, ditransfer selektif ke bahan insoluble dalam suatu wadah atau dikemas dalam kolom. Pertukaran ion melibatkan transfer massa dari larutan ke fasa padatan. Pada adsorpsi dan pertukaran ion, ion dari fasa larutan tertransfer ke fasa padatan (sorbent) sampai sorbent menjadi jenuh atau hampir jenuh. Untuk meregenerasinya dilakukan desorb (pelepasan kembali) Pertukaran ion ion yang dipindahkan dari larutan dipindahkan ke penukar ion (exchanger) sehingga terjadi elektronetralitas (jumlah muatan yang diserap = yang dilepaskan)
Mekanisme
Resin mengandung kation B+ akan dipertukarkan dengan kation A+ dalam larutan. Kation A+ dan B+ akan terdifusi karena perbedaan konsentrasi antara resin dan larutan.
Reaksi pertukaran ion :
A RB B R A
Pertukaran ion akan berlangsung sampai kesetimbangan dicapai
Aplikasi
100 tahun lalu air sadah zeolit Th 1935 diperkenalkan resin penukar ion untuk Water softening (Ca2+ and Mg2+) dan deionisasi Demineralisasi air Dealkalinasi air Penghilangan warna pada larutan gula Recovery uranium dari larutan
Aplikasi : Water softening
Water softening dengan pertukaran ion melibatkan penukar kation, di mana reaksi berikut terjadi untuk menggantikan ion kalsium dengan ion natrium.
Aplikasi : Demineralisasi
Pada langkah pertama, resin penukar kation (H+) untuk ion kation seperti K+, Ca2+, Na+. Pada langkah kedua, resin penukar anion (OH-) seperti ion Cl-, PO42-. Ionion hidrogen dan hidroksil yang masuk ke air bergabung membentuk air.
Komponen penukar ion
Fasa padat bermuatan atau matriks .
Fasa cair yang mengandung molekul yang berbeda muatan dari matriks
Larutan (eluan) dengan muatan berbeda untuk mencegah interaksi antara fasa cair dan padat.
Penukar ion
Penukar ion diseimbangkan oleh counterion Counterion inilah yang akan dipertukarkan dengan ion lain dari larutan .
Resin
Resin Polimer organik atau anorganik yang digunakan sebagai penukar kation atau anion dari fasa larutan. Resin penukar ion umumnya berbentuk butiran gel yang terdiri dari (1) jaringan polimer, (2) gugus fungsional ionik melekat jaringan, (3) counterions, dan (4) pelarut. Struktur umum Polymer backbone tidak terlibat dalam ikatan Gugus fungsional / sisi aktif membentuk kompleks anion atau kation
Resin
Penukar kation (asam kuat) dan penukar anion (basa kuat) disintesis dari kopolimerisasi stirena dan, divinilbenzena (DVB)
Penukar kation (asam lemah) kadang disintesis dari kopolimerisasi asam akrilat dan asam metakrilat.
Selectivity of Ion Exchange Resins In Order of Decreasing Preference
Strong acid cation Strong base anion Barium Iodide Lead Nitrate Calcium Bisulfite Nickel Chloride Cadmium Cyanide Copper Bicarbonate Zinc Hydroxide Magnesium Fluoride Potassium Sulfate Ammonia Sodium Hydrogen
Resin organik
Gugus fungsional Benzena Disulfonasi
sebagai penukar kation Diklorinasi sebagai penukar anion
SO3 H
Cation exchange
CH2 N(CH3 )3 Cl
Anion exchange
Resin anorganik
Silikat (SiO4) Aluminosilikat zeolite, montmorillonites Penukar kation Zirconium, Tin- phosphate OPO(OH)2 OH
OH Zr
O
Zr
O
Zr
OPO(OH)2 O
Zr
OPO(OH)2 OPO(OH)2 OPO(OH)2 OPO(OH)2
Resin Faktor penting dalam pemilihan resin penukar ion : 1. Kapasitas penukar 2. Selektivitas 3. Ukuran partikel dan distribusi ukuran (flow throughput considerations). 4. Stabilitas kimia dan fisika 5. Regenerasi
Resin
Sifat Kapasitas
Jumlah ion yang dapat dipertukarkan per unit material Kapasitas
penukar kation (Proton exchange capacity, PEC) Selektivitas Penukar kation atau anion Kation adalah ion positif Anion adalah ion negatif Selektif terhadap beberapa gugus fungsi Distirbusi ion logam bervariasi
Contoh
Sebuah resin pertukaran ion terbuat dari 88% berat stirena dan 12% berat divinilbenzena yang dimodifikasi dengan sulfonasi sebagai resin penukar kation. Perkirakan maksimum kapasitas pertukaran ion dalam resin! Jawab : Dianggap berat resin 100 g sebelum sulfonasi M
g
mol
104,14
88
0,845
Divinilbenzena 130,18
12
0,092
100
0,937
Stirena
Jawab
Sulfonasi pada setiap cincin benzena 0,937 mol H2SO4 (M=81,07 g/mol)), sehingga terjadi penambahan berat (0,937mol)(81,07g/mol) = 76 g Total berat resin setelah sulfonasi = 100 + 76 = 176 g Kapasitas maksimum penukar ion : 0,937 5,3mol / kg resin (176 /1000)
Latihan 1
Perkirakan kapasitas maksimum 200 g penukar ion yang dibuat dari kopolimerisasi 75% berat DVB dan 25% stirena dan dimodifikasi dengan sulfonasi (M H2SO4 = 81,07 g/mol) !
Latihan 2
Perkirakan kapasitas maksimum 100 g penukar ion yang dibuat dari kopolimerisasi 80% berat DVB dan 20% stirena dan dimodifikasi dengan klorinasi!
Kesetimbangan
Untuk pertukaran ion, kita menerapkan hukum aksi massa untuk memperoleh kesetimbangan
Pada saat kesetimbangan
di mana K : koefisien selektivitas molar; c : konsentrasi molar liquid; q : konsentrasi molar penukar ion
Kesetimbangan (con’t)
Jika muatan counterion = muatan ion yang akan dipertukarkan maka :
K tidak tergantung pada C/Q (total konsentrasi ekuivalen) Di mana x dan y adalah fraksi mol liquid dan penukar ion; z = valensi counterion I
Kesetimbangan (con’t)
Apabila muatan counterion ≠ muatan ion yang dipertukarkan, maka :
K dipengaruhi oleh rasio C/Q dan rasio muatan n C : total konsentrasi ekuivalen (eq/L) larutan; Q : total konsentrasi ekuivalen (eq/L) penukar ion
Contoh
Sebuah resin Amberlite IR-120 dengan kapasitas pertukaran ion maksimum 4,90 meq/g resin kering, digunakan untuk menghilangkan ion tembaga dari aliran limbah yang mengandung 0,00975M CuS04 (19,5 meq Cu2+ / L larutan). Diameter pertikel resin berkisar antara 0,2 sampai lebih dari 1,2 mm. Reaksi kesetimbangan pertukaran ion reaksi dari divalen-monovalen :
miliekuivalen kation di larutan dan dalam resin tetap konstan. Dan diketahui bahwa data kesetimbangan untuk ion tembaga dengan 19,5 meq/liter larutan :
Contoh
Hitunglah koefisien selektivitas molar, K, di setiap nilai c untuk Cu2+
Jawab
C 0,0195 0,0040 Q 4,9
xCu2
cCu2 19,5
y Cu2
qCu2 4,9
c, meq/L larutan
q, meq/g resin
xCu2+
yCu2+
0,022
0,66
0,00113
0,287
KCu2+,H+ 0,635
0,786
3,26
0,0403
1,417
0,543
4,49
4,55
0,230
1,978
1,877
10,3
4,65
0,528
2,022
0,615
Latihan 3
Sebuah resin penukar kation dengan kapasitas pertukaran ion maksimum 5,90 meq/g resin kering, digunakan untuk menghilangkan ion tembaga dari aliran limbah yang mengandung 0,00975M CuS04 (19,5 meq Cu2+ / L larutan). Diameter pertikel resin berkisar antara 0,2 sampai lebih dari 1,2 mm. Reaksi kesetimbangan pertukaran ion: 2
Cu MgR CuR Mg
2
miliekuivalen kation di larutan dan dalam resin tetap konstan. Dan diketahui bahwa data kesetimbangan untuk ion tembaga dengan 19,5 meq/liter larutan :
Hitunglah koefisien selektivitas molar, K, di setiap nilai c untuk Cu2+
LARGE-SCALE ION EXCHANGE COLUMNS
