FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
PROSES PERTUKARAN ION DALAM PENGOLAHAN AIR Oleh: Ir. Kardjono SA, MT *)
INTISARI Proses pertukaran ion pada industri banyak diditerapkan untuk proses pelunakan dan demineralisasi air. Sebagai bahan yang digunakan untuk keperluan proses ini dapat dibedakan menurut ion penukarnya, yakni catiaon exchange (pertukaran ion positif) dan anion exchange (pertukaran ion negatif). Sebagai bahan penukar ion positif yang umumnya digunakan adalan ion Natriun (Na+) dan ion hidrogen (H+), sedangkan bahan penukar ion negatif umumnya yang digunakan adalah (OH-).
1. PROSES PELUNAKAN Untuk keperluan proses pelunakan, umumnya menggunakan pertukaran kation yaitu ion Natrium (Na+) yang bahan penukar ionnya dikenal orang dengan nama Sodium Zeolite atau Resin. Zeolite atau Resin adalah suatu senyawa radikal dari bahan penukar ion yang masing-masing disingkat dengan huruf Z dan R sehingga sebutan lengkap dari bahan penukar ion tersebut dapat ditulis Na2Z (sodium zeolite) dan Na2R (sodium Resin). Sodium Zeolite merupakan bahan penukar ion yang pertama kali digunakan ditemukan sebagai bahan mineral yang merupakan senyawa komplek dengan rumus kimia Na2(Al2Si2O8). Karena bahan ini sulit diproduksi secara besar-besaran, maka sekarang ini banyak diproduksi dari bahan sintetis hidrokarbon untuk diproduksi secara besar-besaran yang sekarang dikenal orang dengan sebutan Resin. Sodium Resin setelah digunakan dalam periode tertentu akan digantikan oleh ion-ion Ca dan Mg dari garam-garam sadah. Oleh karena itu untuk mengaktifkan kembali dapat diregenerasi dengan cara mereaksikannya dengan larutan garam dapur (NaCl). Sebagai gambaran, bagaimana proses pelunakan dengan cara pertukaran ion berlangsung dapat dilihat pada gambar (1). Gambar (1) juga menunjukkan sebuah pelunak air dengan metoda pertukaran ion (Resin softener). Resin ditempatkan diatas tumpukan kerikil (gravel) didalam sebuah bejana tertutup seperti didalam pressure filter.
Air yang akan dilunakkan dialirkan dari bagian atas bejana kemudian menembus tumpukan resin sambil melakukan pertukaran ion. Jika air yang telah dilunakkan cukup jumlahnya maka ion kalsium dan magnesium menggantikan ion sodium yang ada didalam Resin, dan bila keaktifannya sudah menurun maka harus segera diregenerasi dengan mereaksikannya dengan larutan garam dapur (NaCl), yang umumnya konsentrasinya dibuat 10 % dalam larutan. Setelah regenerasi perlu dilakukan pembilasan dengan air lunak agar supaya sisa larutan garam dan endapan yang tertinggal didalam tumpukan Resin dapat dibuang keluar. Untuk mempercepat dan menyempurnakan reaksi regenerasi biasanya dibantu dengan melakukan pengadukan. Besarnya laju alir dalam proses pelunakan sekitar 7,5 - 19,5 m3/jam-m2 luas permukaan tumpukan Resin didalam softener. Pada saat dilakukan regenerasi, pengadukan maupun pembilasan, volume tumpukan Resin akan mengembang, dan pengembangannya akan mencapai 50 - 75 %. Lapisan kerikil penyangga ketebalannya tidak boleh kurang dari 60 cm. Keuntungan dan kerugian pelunakan air dengan metoda pertukaran ion ini adalah: Keuntungannya: (1). Peralatannya kompak dan efisien, serta pemeliharaannya mudah. (2). Tidak ada endapan lumpur seperti halnya pada proses soda kapur, sehingga tidak ada persoalan pembuangan lumpur. (3). Proses ini juga dapat menurunkan
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
62
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
kandungan besi dan mangan. (4). Dapat melunakkan air dengan berbagai macam derajat kesadahan. Kerugiannya: (1). Natrium bikarbonat yang dihasilkan dari
reaksi pelunakan dapat menimbulkan priming dan foaming didalam ketel. (2). Air yang mempunyai kekeruhan tinggi tidak dapat dilunakkan dengan cara ini.
Gambar 1. Proses Pelunakan dengan Pertukaran Ion
Didalam perhitungan-perhitungan pelunakan dengan metoda pertukaran ion dijumpai berbagai macam istilah yang digunakan, misalnya: Exchange capacity: Yaitu menunjukkan kapasitas atau kemampuan Resin untuk mengikat garam-garam sadah setiap satuan volume Resin, yang satuannya dinyatakan dalam:
kg CaCO kgrain CaCO 3 3 atau ft 3 resin m 3 resin Konversi: 1 kgrain = 0,0648 kg 1
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
kgrain kg = 2,29 3 3 ft m
63
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
Tabel (1): Karakteristik Sodium Resin E.C. No. Grou p 1
2
Nama bahan / Perdagangan
Natural zeolite - Zeo-Dur - Inversand Synthetic zeolite - Decalso
- Adrizone
4
5
Sulfonated Coal - Zao-Karb Coehranex CCA - Catex-55 (Na) Styrene, high cap - Amberlite IR122 - Chempro C-25 - Nalcite MCR Styrene, high cap - Amberlite IR120 - Chempro C-20 - Nalcite HCR - Permutite Q
kg CaCO kg NaCl kg NaCl m 3 resinem3 resinekg CaCO 6,40 6,40
20,00 20,00
3,13 3,13
18,32 20,61 22,90 27,48 32,06 27,48 34,35 38,93
51,20 64,00 80,00 64,00 80,00 64,00 96,00 144,00
2,79 3,11 3,49 2,33 2,50 2,33 2,79 3,70
16,03 16,03 16,03
50,40 50,40 50,40
3,14 3,14 3,14
27,48 31,60 41,68 49,24
48,00 64,00 128,00 160,00
1,75 2,03 3,07 3,25
41,22 50,38 54,96 57,25 61,83 68,70 54,96
80,00 105,60 134,60 160,00 216,00 240,00 96,00
1,94 2,10 2,45 2,79 3,49 3,49 1,75
Regeneration level: Yaitu menunjukkan kebutuhan regeneran persatuan volume Resin, yang satuannya dapat dinyatakan dalam:
regeneran persatuan berat garam-garam sadah yang dihilangkan, yang satuannya dapat dinyatakan dalam:
lb NaCl kg NaCl atau kgrain CaCO 3 kg CaCO 3
lb NaCl kg NaCl atau 3 3 ft resin m resin Regeneration efficiency: Yaitu menunjukkan
R.E
gel
- Super Nalcolite
3
R.L.
Konversi: 1 kebutuhan
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
lb kg = 7 kgrain kg 64
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
Berbagai macam Resin yang banyak digunakan untuk keperluan proses pelunakan diuraikan dalam tabel (1). Didalam tabel tersebut digunakan istilah-istilah yang dijelaskan sebelumnya.
2. PROSES DEMINERALISASI Proses demineralisasi adalah suatu proses penghilangan garam-garam mineral yang ada didalam air, sehingga air yang dihasilkan mempunyai kemurnian yang tinggi. Pada
dasarnya proses ini seperti apa yang dilakukan didalam pelunakan air secara pertukaran ion. Bahan penukar ion yang digunakan terdiri dari penukar kation dan penukar anion. Penukar kation dikenal orang dengan sebutan Resin asam karena penukar ion-nya adalah ion hidrogen (H+), sedangkan penukar anion dikenal dengan sebutan Resin basa karena penukar ion-nya adalah ion hidroksida (OH-). Resin asam secara umum ditulis dengan simbul H2R dan Resin basa dengan simbul R(OH)2.
Gambar 2. Proses Demineralisasi dengan Pertukaran Ion
Kedua macam Resin ini dapat ditempatkan secara terpisah pada dua buah bejana ataupun dalam satu buah bejana. Susunannya harus berurutan (seri) dimana yang pertama adalah Resin asam dan yang berikutnya
adalah Resin basa. Resin asam berfungsi untuk merubah garam-garam mineral menjadi asam, dan Resin basa berfungsi untuk merubah (menetralkan) asam yang dihasilkan dari reaksi pertama menjadi air murni.
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
65
FORUM IPTEK
No. Group 1
2
Vol 13 No. 03
Tabel (2): Karakteristik Resin Asam E.C. R.L. Nama bahan / Regeneran kg CaCO 3 kg Asam Perdagangan 3 3
4
m resine
m resine
Sulfonated coal - Zeo-Karb - Coehranex CCA - Catex-12 (H)
H2SO4 H2SO4 H2SO4
18,32 18,32 18,32
32,00 32,00 32,00
1,75 1,75 1,75
Phenolic resin - Doulite C-3
H2SO4
18,78 22,90 25,42 27,48 24,05 28,63 33,21 36,64
64,00 96,00 128,00 160,00 72,00 128,00 200,00 272,00
3,41 4,19 5,04 5,82 2,99 4,47 6,02 7,42
H2SO4
21,76 27,02 30,92 32,52 37,10
40,00 64,00 80,00 96,00 128,00
1,84 2,37 2,59 2,95 3,45
H2SO4
20,61 24,05 25,19 27,48 30,92 34,35 57,25 43,51 49,46 57,25
40,00 64,00 80,00 96,00 120,00 128,00 160,00 160,00 240,00 320,00
1,94 2,66 3,18 3,48 3,88 3,73 2,79 3,68 4,85 5,59
HCl
3
R.E
kg Asam kg CaCO 3
Styrene med. Cap. - Amberlite IR-112 - Chempro C-25 - Nalcite MCR
Styrene, high cap - Amberlite IR-120 - Chempro C-20 - Nalcite MCR - Permutite Q
HCl
Resin yang telah digunakan pada periode tertentu akan menurun keaktifannya, oleh karena itu perlu segera di regenerasi jika sudah mencapai batas ke-tidak-aktifannya. Untuk keperluan regenerasi digunakan bahan regeneran yang berupa larutan asam pada Resin asam dan dengan larutan basa pada Resin basa. Bahan regeneran yang digunakan umumnya dapat berupa HCl atau H2SO4 untuk Resin asam dan NaOH atau NH4OH untuk Resin basa.
Reaksi demineralisasi maupun reaksi regenerasi dapat dilihat pada gambar (2). Dalam gambar (2) menunjukkan sebuah unit peralatan proses demineralisasi (demineraliser). Air pertama kali memasuki bejana yang berisi Resin asam (I) dan kemudian memasuki bejana yang berisi Resin basa (II). Air keluar dari bejana (II) mempunyai kemurnian yang sangat tinggi. Pada masing-masing bejana dilengkapi dengan tangki regenerant untuk keperluan regenerasi. Bejana
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
66
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
untuk keperluan ini harus dilapisi dengan bahan yang tahan terhadap asam maupun basa agar
No. Group 1
Tabel (3): Karakteristik Resin Basa E.C. R.L. Nama bahan / Regeneran kg CaCO 3 kg Basa Perdagangan 3 3
3
R.E
m resine
m resine
kg Basa kg CaCO 3
Na2CO3 NaOH Na2CO3 NH4OH NaOH Na2CO3 NH4OH
43,51 57,25 38,93 50,38 57,25 61,83 57,25
67,20 51,20 67,20 56,00 56,00 96,00 48,00
1,54 0,89 1,73 0,98 0,98 1,55 0,84
Styr. Divinyl benZene (basa kuat, Type 1) - Nalcite SBR
NaOH
- Permutite S-1 - Amberlit IRA 400
NaOH NaOH
- Duolite A-42
NaOH
25,19 26,91 25,19 22,90 24,96 20,61 22,90
56,00 80,00 72,00 96,00 128,00 64,00 98,00
2,22 2,97 2,86 4,19 5,13 3,11 4,19
Styr. Divinyl benZene (basa kuat, Type 2) - Nalcite SBR
NaOH
- Permutite S-2 - Amberlit IRA 410
NaOH NaOH
- Duolite A-40
NaOH
28,63 30,92 33,21 32,06 37,10 38,70 34,35 36,64 38,93
64,00 80,00 120,00 72,00 96,00 128,00 64,00 96,00 128,00
2,24 2,59 3,61 2,25 2,59 3,31 1,88 2,62 3,29
Styr. Polyvinyl pheNolic(basa lemah) - Deacidite - Duolite A-2 - Doulite A-7 - Amberlite IR-25
2
tidak terjadi korosi pada peralatan tersebut, oleh karena itu investasinya cukup mahal.
Berbagai macam Resin asam dan Resin basa yang banyak digunakan untuk keperluan proses demineralisasi adalah diuraikan dalam tabel (2) dan tabel (3). Untuk Resin asam, regeneration lavel berdasarkan pada konsentrasi asam, yaitu 66 oBe H2SO4 dan 30 % Hcl. Untuk Resin basa, regeneration level berdasarkan pada konsentrasi basa, yaitu 100 % NaOH, 100 % Na2CO3, dan 100 % NH4OH.
DAFTAR PUSTAKA - American Water Works Association (AWWA), Giardia Lamblia in Water Supplies - Detection, Occurrence, and Removal, 1985 - AWWA, Water Quality and Treatment - A Handbook of Community Water Supplies, 4th Edition, McGraw-Hill, 1990
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
67
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
- Dowex Ion Exchange, The Dow Chemical Company, Midland, MI (any edition). - Peterson, James C., et al.; "Water Treatment Compliance for Two Small Water Systems Using a High Quality Lake Source;" AWWA Proceedings (1994 Annual Conference - Water Research) - Weber, Walter J.; Physicochemical Processes for Water Quality Control; John Wiley & Sons, Inc.; 1972
- Droste, R.L., Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997. *) Ir. Kardjono SA, MT adalah pejabat fungsional Widyaiswara Pusdiklat Migas
Keluarga Besar PUSDIKLAT MIGAS Bersama YKWM 1 Januari 2007
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
68
