Ion Exchange
A. Tujuan percobaan - Praktikan diharapkan dapat memahami prinsip kerja alat ion exchange pada proses pelunakan air dan demineralisasi air - Praktikan dapat mengetahui aplikasi alat ion exchange pada dunia industri B. Teori Ion exchange adalah suatu proses untuk pemurnian air dimana ion-ion dalam suatu larutan ditukar dengan suatu penukar ion (berupa resin), padatan, gel. Tipe-tipe penukar ion adalah resin penukar ion, zeolite, montmorillonite, tanah liat dan humus. Penukar ion adalah suatu penukar kation untuk anion bermuatan positf dan penukar anion untuk ion bermuatan negatif. Pertukaran ion adalah suatu proses reversible dimana penukar ionnya dapat diregenerasi mealui suatu pencucian dengan suatu kelebihan ion yang dapat ditukar. Resin penukar ion adalah suatu strukur polimer yang mengandung suatu gugus aktif yang terikat pada kerangka organik. Proses pembentukan resin terdiri dari dua tahap yaitu pembentukan gugus aktif. Umumnya untuk pembentukan kerangka biasa dipakai cross linked polystirene yang dibentuk dari tetesan cairan monomer yang disuspensikan dalam air. Dari proses tersebut diperoleh butiran yang keras, transparan, tidak berwarna dan kedap air. Butiran-butiran ini belum memiliki sifat penukar ion. Tahap selanjutnya pembentukan gugus aktif pada butiran-butiran tersebut. Ada dua macam resin penukar ion, yaitu: a. Anion exchange resin (resin penukar anion), yaitu resin yang mempunyai kemampuan
menyerap/menukar anion-anion yang ada dalam air. Resin ini biasanya berupa gugus amin aktif. Misalnya : R – NH2 (primary amine), R – R1NH (secondery amine), R – R21N (tertiary amine), R – R31 NOH (quartenary amine). Dalam notasi diatas R menunjukan polimer hidrokarbon dan R1 menunjukkan gugus tertentu misalnya CH2. b. Cation exchange resin (resin penukar kation), yaitu resin yang mempunyai
kemampuan menyerap/ menukar kation-kation seperti Ca, Mg, Na dsb. Yang ada dalam air. Contoh: Hidrogen zeolith (H2Z). Pertukaran ion melibatkan butiran-butiran resin dengan permukaan yang bermuatan positif (kation) atau negatif (anion). Biasanya resin-resin tersebut memiliki pori-pori kecil untuk menambah luas permukaan kontak. Sebagai contoh gambaran, salah satu jenis resin
ion exchange adalah berupa molekul ikatan hidrokarbon kompleks yang sangat panjang dengan ujung rantai mengikat ion H+ untuk resin kation, dan OH- untuk resin anion. Sifat-sifat resin yang baik adalah sebagai berikut:
Mempunyai kapasitas ikatan silang yang kuat yang dapat menghilangkan
sejumlah ion tertentu Resin dengan ukuran partikel kecil akan semakin baik, sebab dibutuhkan luas
kontak yang besar Resin mempunyai stabilitas yang dapat digunakan dalam waktu yang lama, tidak
mudah aus/rusak dalam regenerasi Kapasitas total yang tinggi. Maksudnya resin memiliki kapasitas pertukaran ion
yang tinggi. Kelarutan yang rendah dalam berbagai larutan sehingga dapat berulang- ulang. Resin akan beroperasi dalam cairan yang mempunyai sifat melarutkan, karena
yaitu resin harus tahan terhadap air Kestabilan kimia yang tinggi. Resin diharapkan dapat bekerja pada range pH yang luas serta tahan terhadap asam dan basa. Demikian pula terhadap oksidasi dan
radiasi. Kestabilan fisik yang tinggi. Resin diharapkan tahan terhadap tekanan mekanis, tekanan hidrostatis cairan serta tekanan osmosis.
Contoh resin penukar ion
Proses Pertukaran Ion Proses pertukaran ion dalam resin dibagi menjadi 2 macam proses, yaitu:
1. Proses Softening (Pelunakan) Proses pelunakan termasuk dalam proses pertukaran ion untuk menghilangkan ion-ion terlarut yang tidak dapat dihilangkan melalui proses klarifikasi dan flokulasi. Proses softening air dapat digunakan untuk menghilangkan zat-zat kimia pengeras air, yakni ion kalsium dan magnesium.
Pertukaran Kation Pada Proses Softening Air Jika R adalah senyawa resin, maka reaksi pertukaran ion kalsium yang terjadi pada proses softening air adalah sebagai berikut: 2 RNa + Ca2+ → R2Ca + 2 Na+ Pada proses softening air, pertukaran ion terjadi pada saat air dengan kandungan ion kalsium (Ca2+) dan magnesium (Mg2+) melewati gugusan resin kation. Pada awalnya molekul resin mengikat lemah ion sodium (Na +) dan karena ion molekul resin memiliki gaya tarik-menarik yang lebih kuat dengan ion kalsium dan magnesium, maka terjadilah proses pertukaran ion. Molekul resin melepas ion sodium ke dalam air, diikuti dengan pengikatan ion kalsium dan magnesium ke molekul resin. Tujuan pelunakan air adalah untuk menurunkan dan menghilangkan kesadahan air. Dengan kandungan air saadah yang rendah dapat meminimalisasikan terbentuknya kerak jika digunakan air umpan boiler dan air pendingin. Tahapan Deionizer Tahap kation exchange Pada tahap ini kandungan garam mineral dikurangi. Kation dan garam-garam mineral adalah Ca, Mg, Na, K. Mineral tersebut memiliki afinitas yang lebih tinggi dari H2 sehinga pada proses kation exchange, kation-kation tersebut dapat menggeser ion dalam persenyawaan resin. Reaksi yang terjadi adalah: 2R-SO3 + CaSO4 → (R-SO3)2 C Tahap Anion Exchange Merupakan tahap lanjutan dari kation exchange. Prinsip kerjanya sama dengan kation exchange hanya saja resin yang digunakan berbeda, yaitu: Weakly basic anion exchange, hanya dapat menghilangkan klor dan nitrat, Reaksinya RNH3 + HCl → RNH3Cl + H2O
Strong basic anion exchange, dapat menghilangkan anion-anion kuat, asam silica, sulfat dan karbonat. Reaksi yang terjadi R4NaOH + HIO3 → R4NHSIO3 + H2O Air yang dihasilkan dari proses diatas, ditampung dalam tangki air murni (pure water tank) Reaksi yang digunakan selama proses pelunakan air adalah: R- Na +
Ca++
R-Ca
Mg++
R-Mg
+ Na+
Dimana: -
R-Ca akan terikat pada resin Kation Na+ akan terbawa oleh air
Setelah gugus Na+ pada resin terpakai habis (tertukar seluruhnya) maka resin harus diaktifkan kembali dengan cara regenerasi dengan menggunakan larutan NaCl. Reaksi yang terjadi selama regenerasi R-Ca + R-Mg
-
Na+
+ R- Na+
Ca++ Mg++
R-Na merupakan resin yang siap dipakai kembali Kation Ca 2+ dan kation Mg 2+ akan dibuang
Air yang dihasilkan dari proses pelunakan disebut soft water yang umumnya dipakai sebagai air make-up dan air umpan boiler yang beroperasi pada tekanan rendah
Secara umum proses erjadi pada proses penukaran ion adalah: 1. Back wash Tahap pencucian balik dilakukan jika kemampuan resin telah mencapai titik habis. Sebagai pencuci, digunakan air produk. Pencucian balik mempunyai sasaran sebagai berikut: Pemecahan resin yang tergumpal Penghilangan partikel halus yang terperangkap dalam ruang antar resin Penghilangan kantong-kantong gas dalam reaktor, dan Pembentukann ulang lapisan resin Pencucian balik dilakukan dengan pengaliran air dari bawah ke atas (up flow). 2. Proses pertukaran ion (service)
Pada tahap ini terjadi reaksi pertukaran ion. Tahap service ditentukan oleh konsentrasi ion yang dihilangkan terhadap waktu, atau volume air produk yang dihasilkan. Hal yang penting pada tahap layanan dalah kapasitas (teoritik dan operasi) dan beban pertukaran ion (ion exchange load). Kapasitas pertukaran teoritik didefinisikan sebagai jumlah ion secara teoritik yang dapat dipertukarkan oleh resin per satuan massa atau volume resin. Kapasitas pertukaran ion teoritik ditentukan oleh jumlah gugus fungsi yang dapat diikat oleh matriks resin. Kapasitas operasi adalah kapasitas resin aktual yang digunakan untuk reaksi pertukaran pada kondisi tertentu. Beban pertukaran ion adalah berat ion yang dihilangkan selama tahap layanan dan diperoleh dari hasil kali antara volume air yang diolah selama tahap layanan dengan konsentrasi ion yang dihilangkan. Tahap service dilakukan dengan cara mengalirkan air umpan dari atas (down flow). 3. Regenerasi (pengaktifan kembali) Regenerasi merupakan proses dimana resin-resin sudah mengalami kejenuhan akan ion-ion yang diikatnya baik anion dan kation. Maka ion-ion tersebut akan dihilangkan atau dibuang dari resin-resin tersebut. Pada anion dengan cara menghilangkan dengan NaOH, kemudian pada kation dengan cara menambahkan dengan HCL. Aliran mengalir dari atas ke bawah 4. Rinse (pengambilan regenerant) Proses ini bertujuan untuk menghilangkan regenerant yang masih tersisa pada kolom. Proses Deionisasi (Demineralisasi)
Pertukaran Ion Pada Proses Demineralisasi Air Sedikit berbeda dengan proses demineralisasi air, pada ujung rangkaian, molekul resin berikatan dengan ion H+ dan OH-. Pada saat air melewati gugusan resin, akan terjadi pengikatan ion-ion mineral yang terlarut di dalam air karena
molekul resin memiliki gaya tarik-menarik lebih besar dengan ion molekul daripada ion H+ dan OH Pada tiap proses pertukaran ion, dilakukan regenerasi resin jika resin sudah jenuh. Jenuh berarti keseluruhan molekul resin telah berikatan dengan ion-ion sasaran. Pada proses softening air, resin dikatakan jenih jika keseluruhan molekul resin telah berikatan dengan ion kalsium atau magnesium. Jenuhnya resin ditandai dengan air output dari kolom resin masih mengandung ion-ion kalsium dan magnesium. Untuk melakukan regenerasi, pada proses softening air dibutuhkan larutan garam NaCl pekat yang dialirkan melewati resin. Larutan NaCl ini biasanya 1000 kali lebih pekat dari larutan NaCl biasa. R2Ca + 2 NaCl → 2 RNa + CaCl2 Sedangkan pada proses demineralisasi digunakan larutan asam kuat seperti H2SO4 dan juga larutan basa kuat seperti NaOH untuk meregenerasi resin demineralisasi air.
Reaksi yang terjadi selama proses regenerasi: 1. Pertukaran Kation R-Ca R-Mg + H+ R-H (dipakai lagi) + R-Na 2. Pertukaran Anion R-HCO3 +OHR-OH + HCO3
Ca++ Mg++ Na+
Air yang dihasilkan dari proses ini disebut demin water dan banyak digunakan sebagai air make-up atau air umpan boiler tekanan tinggiataupun tekanan rendah dan sedang. Kegunaan ion exchange: 1. Pada industri pemurnian air untuk menghasilkan air lunak. Hal ini terpenuhi dengan pertukaran ion antara Ca2+ dan Mg2+ terhadap Na+ dan H+ 2. Pada industri biokimia untuk memisahkan molekul, seperti protein. Proses ini diterapkan juga pada pelunak air
3. Pada industrii makanan, hydronetarullgi, finishing metal, bahan kimia dan petrkimia, farmasi, gyla, pemanis buatan, air, minum, air industri, nuklir, dan lain-lain 4. Untuk membuat air demin dan air lunak sebagai air umpan dan make up water pada boiler Keunggulan Ion Exchange: 1. 2. 3. 4.
Mengurangi / menghilangkan unsur inorganik dengan baik Bisa diregenarasikan kembali. Dapat digunakan untuk flowrate / debit yang berfluktuasi. Jenis resin yang bervariasi, setiap jenis resin dapat digunakan untuk menghilangkan
unsur/kontaminan tertentu. 5. Untuk kualitas air baku dengan TDS < 500 ppm merupakan pilihan dan operasi lebih murah. Kekurangan Ion Exchange: 1. 2. 3. 4. 5.
Semakin tinggi TDS semakin tinggi biaya operasional. menghilangkan partikel, bakteri dan pyrogen. Diperlukan pretreatment untuk hampir setiap bahan baku. Sensitif terhadap keberadaan unsur lain dengan polaritas yang hampir sama. Media resin berpotensi menjadi tempat berkembang biak bakteri
C. Alat dan Bahan - Alat 1. Alat ion exchange 2. Beaker glass 3. Buret 4. Pipet 5. Erlenmeyer 6. Timbangan digital
-
Bahan 1. CaCl2 0,05 N 2. NaCl 10% 3. Asam oksalat 0,05 N 4. NaOH 0,05 N 5. Indikator PP 6. Air 4 liter
D. Prosedur Kerja 1. SIstem dibilas dengan air sebanyak 4 liter ke dalam fest water. Nyalakan pompa 70% dengan flowrate dengan valve 2. Katup control diatur sehingga laju alir 35-40 cm3/menit 3. Buat larutan NaOH 0,05 N dalam 4000 ml, NaOH 0,05 N dalam 200 ml, CaCl 2 0,05 N dalam 6000 ml, dan asam oksalat 0,05 N dalam 50 ml 4. Standarisasi NaOH dengan asam oksalat 5 ml dengan ditambah PP sebanyak 3 tetes hingga didapat konsentrasi NaOH 5. Sebelum masuk ke resin, ambil sampel CaCl2 untuk ditirasi dengan NaOH. Masukan CaCl2 ke dalam deionizer water. Tunggu 10 menit lalu CaCl2 ditampung ke beaker glass. 6. CaCl2 yang telah melalui proses ion exchange, dititrasi kembali dengan NaOH
E. Data pengamatan
Buat larutan NaOH 0,05 N dalam 200 ml
Buat larutan CaCl2 0,05 N dalam 6000 ml
Buat larutan Asam Oksalat 0,05 N dalam 50 ml
Buat larutan NaCl 0,05 N dalam 4000 ml
Titrasi NaOH dengan asam oksalat sebelum percobaan Vasam oksalat . Nasam oksalat = VNaOH . NNaOH 5 ml . 0.05 N = 6,5 ml . NNaOH NNaOH = 0,04 N Titrasi NaOH dengan CaCl2 sebelum percobaan
V CaCl2 . N CaCl2 = VNaOH . NNaOH 10 ml . N CaCl2 = 3 ml . 0,04 N N CaCl2 = 0,012 N
Titrasi sample CaCl2 dengan NaOH setelah percobaan: V CaCl2 . N CaCl2 = VNaOH . NNaOH
(1)
10 ml. N CaCl2 = 2,6 ml . 0,04 N N CaCl2 = 0,0104 N
V CaCl2 . N CaCl2 = VNaOH . NNaOH
(2)
10 ml. N CaCl2 = 2,8 ml . 0,04 N N CaCl2 = 0,0112 N Nilai KPK
F. Pembahasan Sebelum dilakukan proses ion exchange dilakukan terlebih dahulu proses pembilasan resin kation dengan menggunakan air deionisasi. Pada proses kation exchange ion Ca2+ diikat oleh resin dan air melepaskan ion H+ nya. Sebelum dilakukan proses ion exchange, juga dilakukan standarisasi larutan NaOH, asam oksalat, CaCl 2. Kemudian dilakukan titrasi dengan NaOH. Lalu CaC2 dimasukan ke dalam alat ion exchange. Saat proses ion exchange, terjadi proses regenerasi resin kation. Di dalam resin terdapat ion Na+ yang kemudian dialirkan CaCl2 hingga terjadi regenari dan larutan yang keluar adalah NaCl. Kemudian dialirkan kembali dengan NaCl. Sehingga resin tersebut terisi kembali oleh ion Na+. G. Kesimpulan Ion exchange adalah suatu proses untuk pemurnian air dimana ion-ion dalam suatu larutan ditukar dengan suatu penukar ion (berupa resin), padatan, gel. Di dalam ion
exchange, terdapat resin. Resin penukar ion adalah suatu strukur polimer yang mengandung suatu gugus aktif yang terikat pada kerangka organik. Ada dua macam resin penukar ion, yaitu resin anion dan resin kation. Pada percobaan ion exchange ini terdapat 4 proses, yaitu back wash, service, regenerasi dan rinse.
Daftar Pustaka Anonimus, 2015. Modul Praktikum Operasi Teknik Kimia, Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta.
http://artikel-teknologi.com/pengertian-ion-exchange/ http://yoniarman.blogspot.com/2013/07/ion-exchanger-alat-penukar-i0n.html
