Ion Exchange
A. Tujuan juan perco percobaa baan n Praktikan diharapk diharapkan an dapat dapat memahami memahami prinsip prinsip kerja alat ion exchange pada exchange pada proses - Praktikan
pelunakan air dan demineralisasi air exchange pada dunia industri - Praktikan dapat mengetahui aplikasi alat ion exchange pada B. Teori Ion exchange adalah exchange adalah suatu proses untuk pemurnian air dimana ion-ion dalam suatu larutan ditukar ditukar dengan dengan suatu penukar ion (berupa (berupa resin), resin), padatan, padatan, gel. Tipe-tipe 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 Per tukaran ion adalah suatu proses reversible dimana 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. mumnya untuk pembentukan kerangka biasa dipakai cross linked polystirene yang polystirene yang dibentuk dari tetesan cairan monomer yang disuspensikan dalam air. !ari proses tersebut diperoleh butiran yang keras, transparan, tidak ber"arna dan kedap kedap air. air. #utiran #utiran-bu -butira tiran n ini belum belum memilik memilikii sifat sifat penuka penukarr ion. ion. Tahap ahap selanju selanjutny tnyaa pembentukan gugus aktif pada butiran-butiran tersebut. $da dua macam resin penukar ion, yaitu% a. Anion exchange resin 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. 'isalnya % R *+ ( primary ( primary amine), amine ), R R* (secondery amine), R R+ (tertiary (tertiary amine), amine), R R * (quartenary ( quartenary amine). amine). !alam notasi diatas R menunjukan polimer hidrokarbon dan R menunjukkan gugus tertentu misalnya /*+. b. Cation Cation exchang exchangee resin resin (resi (resin n penu penuka karr kati kation on), ), yaitu aitu resin resin yang yang memp mempun unya yaii kemampuan menyerap& menukar kation-kation seperti /a, 'g, a dsb. 0ang ada dalam air. /ontoh% *idrogen zeolith (* +1). Pertukaran ion melibatkan butiran-butiran resin dengan permukaan yang bermuatan positif (kation) atau negatif (anion). #iasanya resin-resin tersebut memiliki pori-pori kecil untuk menambah luas permukaan kontak. 2ebagai contoh gambaran, salah satu jenis resin
ion exchange adalah berupa molekul ikatan hidrokarbon kompleks yang sangat panjang dengan ujung rantai mengikat ion * 3 untuk resin kation, dan * - untuk resin anion. 2ifat-sifat resin yang baik adalah sebagai berikut% •
'empunyai 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 "aktu yang lama, tidak
•
mudah aus&rusak dalam regenerasi 4apasitas total yang tinggi. 'aksudnya resin memiliki kapasitas pertukaran ion
•
yang tinggi. 4elarutan 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 4estabilan kimia yang tinggi. Resin diharapkan dapat bekerja pada range p* yang luas serta tahan terhadap asam dan basa. !emikian pula terhadap oksidasi dan
•
radiasi. 4estabilan fisik yang tinggi. Resin diharapkan tahan terhadap tekanan mekanis, tekanan hidrostatis cairan serta tekanan osmosis.
/ontoh resin penukar ion
Proses Pertukaran Ion
Proses pertukaran ion dalam resin dibagi menjadi + macam proses, yaitu%
. 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 4ation Pada Proses 2oftening $ir 5ika R adalah senya"a resin, maka reaksi pertukaran ion kalsium yang terjadi pada proses softening air adalah sebagai berikut% + Ra 3 /a +3 6 R+/a 3 + a 3 Pada proses softening air, pertukaran ion terjadi pada saat air dengan kandungan ion kalsium (/a +3) dan magnesium ('g +3) mele"ati gugusan resin kation. Pada a"alnya molekul resin mengikat lemah ion sodium (a 3) dan karena ion molekul resin memiliki gaya tarik-menarik yang lebih kuat dengan ion kalsium dan magnesium, maka terjadilah proses pertukaran ion. 'olekul 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. !engan kandungan air saadah yang rendah dapat meminimalisasikan terbentuknya kerak jika digunakan air umpan boiler dan air pendingin. Tahapan Deionizer Tahap kation e7change Pada tahap ini kandungan garam mineral dikurangi. 4ation dan garam-garam
mineral adalah /a, 'g, a, 4. 'ineral tersebut memiliki afinitas yang lebih tinggi dari *+ sehinga pada proses kation e7change, kation-kation tersebut dapat menggeser ion dalam persenya"aan resin. Reaksi yang terjadi adalah% +R-2 3 /a28 6 (R-2)+ / Tahap $nion 97change 'erupakan tahap lanjutan dari kation e7change. Prinsip kerjanya sama dengan kation e7change hanya saja resin yang digunakan berbeda, yaitu% Weakly basic anion exchange, hanya dapat menghilangkan klor dan nitrat, • Reaksinya R* 3 */l 6 R* /l 3 *+
•
Strong basic anion exchange , dapat menghilangkan anion-anion kuat, asam silica, sulfat dan karbonat. Reaksi yang terjadi R 8 a* 3 *: 6 R 8 *2: 3 *+ $ir yang dihasilkan dari proses diatas, ditampung dalam tangki air murni (pure "ater tank)
Reaksi yang digunakan selama proses pelunakan air adalah% R- Na +
Ca++
R-Ca
+ Na+
Mg++
R-Mg
!imana%
-
R-/a akan terikat pada resin 4ation a3 akan terba"a oleh air
2etelah gugus a3 pada resin terpakai habis (tertukar seluruhnya) maka resin harus diaktifkan kembali dengan cara regenerasi dengan menggunakan larutan a/l. Reaksi yang terjadi selama regenerasi R-Ca + R-Mg
-
Na+
+ R- Na+
Ca++ Mg++
R-a merupakan resin yang siap dipakai kembali 4ation /a +3 dan kation 'g +3 akan dibuang
$ir yang dihasilkan dari proses pelunakan disebut soft "ater yang umumnya dipakai sebagai air make-up dan air umpan boiler yang beroperasi pada tekanan rendah
2ecara umum proses erjadi pada proses penukaran ion adalah% 1. ack !ash Tahap pencucian balik dilakukan jika kemampuan resin telah mencapai titik habis. 2ebagai 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 ba"ah ke atas ( up flo!). +. Proses pertukaran ion ( service)
Pada tahap ini terjadi reaksi pertukaran ion. Tahap ser;ice ditentukan oleh konsentrasi ion yang dihilangkan terhadap "aktu, atau ;olume air produk yang dihasilkan. *al yang penting pada tahap layanan dalah kapasitas (teoritik dan operasi) dan beban pertukaran ion (ion exchange load ). 4apasitas pertukaran teoritik didefinisikan sebagai jumlah ion secara teoritik yang dapat dipertukarkan oleh resin per satuan massa atau ;olume resin. 4apasitas pertukaran ion teoritik ditentukan oleh jumlah gugus fungsi yang dapat diikat oleh matriks resin. 4apasitas operasi adalah kapasitas resin aktual yang digunakan untuk reaksi pertukaran pada kondisi tertentu. #eban pertukaran ion adalah berat ion yang dihilangkan selama tahap layanan dan diperoleh dari hasil kali antara ;olume air yang diolah selama tahap layanan dengan konsentrasi ion yang dihilangkan. Tahap service dilakukan dengan cara mengalirkan air umpan dari atas (do!n flo!). . Regenerasi (pengaktifan kembali) Regenerasi merupakan proses dimana resin-resin sudah mengalami kejenuhan akan ion-ion yang diikatnya baik anion dan kation. 'aka ion-ion tersebut akan dihilangkan atau dibuang dari resin-resin tersebut. Pada anion dengan cara menghilangkan dengan a*, kemudian pada kation dengan cara menambahkan dengan */<. $liran mengalir dari atas ke ba"ah 8. Rinse (pengambilan regenerant) Proses ini bertujuan untuk menghilangkan regenerant yang masih tersisa pada kolom.
Proses Deionisasi (Demineralisasi)
Pertukaran :on Pada Proses !emineralisasi $ir 2edikit berbeda dengan proses demineralisasi air, pada ujung rangkaian, molekul resin berikatan dengan ion *3 dan *-. Pada saat air mele"ati 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 *3 dan * Pada tiap proses pertukaran ion, dilakukan regenerasi resin jika resin sudah jenuh. 5enuh 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. 5enuhnya resin ditandai dengan air output dari kolom resin masih mengandung ion-ion kalsium dan magnesium. ntuk melakukan regenerasi, pada proses softening air dibutuhkan larutan garam a/l pekat yang dialirkan mele"ati resin.
Reaksi yang terjadi selama proses regenerasi% . Pertukaran 4ation R-/a R-'g 3 *3 R-* (dipakai lagi) 3 R-a +. Pertukaran $nion R-*/ 3*R-* 3 */
/a33 'g33 a3
$ir yang dihasilkan dari proses ini disebut demin "ater dan banyak digunakan sebagai air make-up atau air umpan boiler tekanan tinggiataupun tekanan rendah dan sedang. 4egunaan ion e7change% . Pada industri pemurnian air untuk menghasilkan air lunak. *al ini terpenuhi dengan pertukaran ion antara /a+3 dan 'g+3 terhadap a3 dan *3 +. Pada industri biokimia untuk memisahkan molekul, seperti protein. Proses ini diterapkan juga pada pelunak air
. Pada industrii makanan, hydronetarullgi, finishing metal, bahan kimia dan petrkimia, farmasi, gyla, pemanis buatan, air, minum, air industri, nuklir, dan lain-lain 8. ntuk membuat air demin dan air lunak sebagai air umpan dan make up "ater pada boiler 4eunggulan :on 97change% . +. . 8.
'engurangi & menghilangkan unsur inorganik dengan baik #isa diregenarasikan kembali. !apat digunakan untuk flo"rate & debit yang berfluktuasi. 5enis resin yang ber;ariasi, setiap jenis resin dapat digunakan untuk menghilangkan
unsur&kontaminan tertentu. >. ntuk kualitas air baku dengan T!2 ? >== ppm merupakan pilihan dan operasi lebih murah. 4ekurangan :on 97change% . +. . 8. >.
2emakin tinggi T!2 semakin tinggi biaya operasional. menghilangkan partikel, bakteri dan pyrogen. !iperlukan pretreatment untuk hampir setiap bahan baku. 2ensitif terhadap keberadaan unsur lain dengan polaritas yang hampir sama. 'edia resin berpotensi menjadi tempat berkembang biak bakteri
. Alat !an Bahan - $lat . $lat ion e7change +. #eaker glass . #uret 8. Pipet >. 9rlenmeyer A. Timbangan digital
-
#ahan . /a/l+ =,=> +. a/l =@ . $sam oksalat =,=> 8. a* =,=> >. :ndikator PP A. $ir 8 liter
D. Prose!ur "erja . 2:stem dibilas dengan air sebanyak 8 liter ke dalam fest "ater. yalakan pompa B=@
dengan flo!rate dengan valve +. 4atup control diatur sehingga laju alir >-8= cm&menit . #uat larutan a* =,=> dalam 8=== ml, a* =,=> dalam +== ml, /a/l + =,=> dalam A=== ml, dan asam oksalat =,=> dalam >= ml 8. 2tandarisasi a* dengan asam oksalat > ml dengan ditambah PP sebanyak tetes hingga didapat konsentrasi a* >. 2ebelum masuk ke resin, ambil sampel /a/l + untuk ditirasi dengan a*. 'asukan /a/l+ ke dalam deioni"er !ater . Tunggu = menit lalu /a/l + ditampung ke beaker glass. A. /a/l+ yang telah melalui proses ion e7change, dititrasi kembali dengan a*
E. Data pengamatan •
#uat larutan a* =,=> dalam +== ml
•
#uat larutan /a/l+ =,=> dalam A=== ml
•
#uat larutan $sam ksalat =,=> dalam >= ml
•
#uat larutan a/l =,=> dalam 8=== ml
Titrasi a* dengan asam oksalat sebelum percobaan Casam oksalat . asam oksalat D C a* . a* > ml . =.=> D A,> ml . a* a* D =,=8 Titrasi a* dengan /a/l+ sebelum percobaan
C /a/l+ . /a/l+ D C a* . a* = ml .
/a/l+
D ml . =,=8
/a/l+ D =,=+ •
Titrasi sample /a/l+ dengan a* setelah percobaan% C /a/l+ . /a/l+ D C a* . a*
()
= ml. /a/l+ D +,A ml . =,=8 /a/l+ D =,==8
C /a/l+ . /a/l + D C a* . a*
(+)
= ml. /a/l+ D +,E ml . =,=8 /a/l+ D =,=+ ilai 4P4
#. Pembahasan 2ebelum dilakukan proses ion e7change dilakukan terlebih dahulu proses pembilasan
resin kation dengan menggunakan air deionisasi. Pada proses kation e7change ion /a +3 diikat oleh resin dan air melepaskan ion * 3 nya. 2ebelum dilakukan proses ion exchange, juga dilakukan standarisasi larutan a*, asam oksalat, /a/l+. 4emudian dilakukan titrasi dengan a*.
larutan ditukar dengan suatu penukar ion (berupa resin), padatan, gel. !i dalam ion
e7change, terdapat resin. Resin penukar ion adalah suatu strukur polimer yang mengandung suatu gugus aktif yang terikat pada kerangka organik. $da dua macam resin penukar ion, yaitu resin anion dan resin kation. Pada percobaan ion exchange ini terdapat 8 proses, yaitu back !ash# service, regenerasi dan rinse.
Da%tar Pustaka Anonimus, 2015. Modul Praktikum Operasi Teknik Kimia , Fakultas Teknik Universitas Muamma!i"a #akarta.
http%&&artikel-teknologi.com&pengertian-ion-e7change& http://yoniarman.blogspot.com/2013/07/ion-exchanger-alat-penukar-i0n.html