Bab III Pembahasan Resin penukar Ion

Bab III

Pembahasan

Proses penukaran ion merupakan proses yang sering banyak dimanfaatkan dalam bidang pemurnian air sadah. Air sadah adalah air yang mengandung ion logam seperti Ca2+ atau Mg2+. Kesadahan air tidak diharapkan dalam kehidupan sehari-hari. Hal ini dikarenakana sifat air sadah yang akan menyebabkan pemakaian air sabun yang banyak. Proses penukaran ion slah satunya adalah dengan menggunakan resin penukar ion

3.1. Struktur Resin yang digunakan(1)Struktur resin penukar ion dapat dibagi menjadi dua

bagian, yaitu bagian matriks dan bagian gugus fungsional. Matriksresin adalah bagian inti dari resin, sedangkan gugus fungsional berfungsi dalam mempertukarkan ion. Pada umumnya struktur matriksresin yang digunakan adalah cross-linking. Resin penukar ion dapat dibedakan menjadi empat berdasarkan gugus fungsional-nya, yaitu resin penukar kation asam kuat, resin penukar kation asam lemah, resin penukar anion basa kuat, dan resin penukar anion basa lemah. Pada percobaan ini digunakan jenis resin penukar kation asam kuat, dengan nama senyawa polystyrene divinylbenzene sulfonat, dan merk dagam Amberjet 1200Na.

Resin penukar kation asam kuat dapat dibentuk dengan mereakskan styrene dengan divinylbenzene, sehingga membentuk polimer. Kemudian dilakukan reaksi sulfonasi dengan menambahkan asam sulfat pekat. Berikut struktur polystyrene divinylbenzene sulfonat

(1) http://nzic.org.nz/ChemProcesses/water/13D.pdf

Resin penukar kation asam kuat memiliki kelebihan dalam proses pertukaran ion. Asam Kuat memiliki sifat mudah terdissosiasi sehingga mampu mempertukarkan ion dalam berbagai rentang pH.

3.2 Reaksi dan mekanisme pertukaran ion(2)Reaksi pemukaran ion merupakan reaksi reversible. Reaksi

yang berlangsung adalah

2 R-Na+ + Mg2+ R-Mg2+ + 2 Na+

(3)Pada reaksi reversible, reaksi akan mendorong kesetimbangan konsentrasi.Mekanisme pertukaran ion melibatkan transfer massa dari larutan ke padatan. Mekanisme pertukaran ion adalah sebagai berikut:a. Pergerakan ion dari larutan menuju lapisan(film) atau

lapisan perbatasan disekitar padatan/resinb. Ion melalui perpindahan massa melewati lapisan menuju ke

permukaan padatan/resinc. Terjadi perpindahan massa menuju pori-pori padatan karena

adanya perbedaan konsentrasi diluar dan didalam resin. Dimana konsentrasi diluar lebih tinggi dibandingkan didalam

d. Terjadi reaksi pertukaran ion hingga mencapai konsentrasiseimbang

e. Perpindahan massa melewati lapisan cairan atau lapisan perbatasan disekitar padatan/resin

f. Ion yang telah dipertukarkan terbawa aliran larutan dan meninggalkan kolom.

(2) http://www.remco.com/ix.htm(3)http://cnqzu.com/library/Anarchy%20Folder/Chemistry/Crystalization,%20Purification,%20Separation/Encyclopedia%20of%20Separation%20Science/Level%20I%20-%20Overviews/ION%20EXCHANGE.pdf

3.3. Selektifitas Resin(4)Resin memiliki sifat selktif dalam mengikat ion. Sifat

selektif yang dimaksud adalah ketika reaksi pertukaran ion telah mencapai kesetimbangannya, gugus fungsional resin akan memiliki kecenderungan mengikat ion tertentu. Selektifitas resin sebandingdengan nilai valensi dan berbanding terbalik dengan jari-jari atom.

Resin lebih kuat mengikat ion dengan nilai valensi tinggi. Contoh: valensi Al3+ lebih besar dibanding Mg2+ sehingga resin penukar kation akan lebih mengikat Al3+. Sehingga dapat disimpulkan:

Al3+ > Mg2+ > Na+

Pada ion dengan nilai valensi yang sama, tingkat selektifitas resin ditentukan oleh jari-jari ion. Pada ion denganjari-jari besar akan menyebabkan gaya ikatan semakin kecil. Sehingga, nilai selektifitas akan menignkat seiring kenaikan jari-jari atom.

Mg2+ > Ca2+ > Ba2+

Selektifitas resin dapat dijelaskan dengan menggunakan HukumCoulomb. Hukum Coulomb menyatakan adanya gaya tarik-menarik antara dua muatan yang berbeda ( positif dengan negatif) dan gaya tolak menolak antara dua muatan sejenis ( positif dengan positif atau negatif dengan negatif). Hukum Coulomb dapat dinyatakan dengan rumus

F12=Kxq₁xq₂r2

q1 dan q2 : muatan ion

r : jarak antara inti atom 1 sampai inti atom 2

K : konstanta

Nilai q dapat dihitung dengan mengalikan jumlah valensi dengan 1,6 x 10-16. Pada pertukaran ion menggunakan resin penukarkation asam kuat terjadi gaya tarik menarik anatara SO3- dengan Mg2+ dan gaya tarik menarik antara SO3- dengan Na+. Dari rumus Hk. Coulomb dapat dilihat bahwa pada nilai valensi yang tinggi akan memberikan nilai q yang besar, sehingga gaya tarik menarik antar dua muatan lebih besar. Pada jari-jari atom yang besar akan

menghasilkan jarak antar dua inti semakin besar (dengan asumsi jarak antar lapisan luar atom sama), sehingga menghasilkan gaya tarik menarik yang lebih kecil.

(4)http://books.google.co.id/books?id=F9OQMEA88CAC&pg=PA154&lpg=PA154&dq=ionic+valences+and+selectivity&source=bl&ots=822BXP3LZx&sig=IUjM5_23oNNmvbuY0F9yKdMJGss&hl=en&sa=X&ei=sBdWVPuAJ4PVuQTJiYLYAQ&redir_esc=y#v=onepage&q=ionic%20valences%20and%20selectivity&f=false

3.4. Standarisasi EDTA(5)Standarisasi EDTA dilakukan dengan cara mentitrasi larutan

yang telah diketahui konsentrasinya. Pertama 20mL MgSO4.7H20 0,02M dimasukkan kedalam labu erlenmeyer. Kemudian ditambahklan 4tetes larutan buffer. Selanjutnya kedalam labu erlenmeyer ditambahkan EBT. Setelah penambahan EBT, warna larutan berubah menjadi merah. Tahap terakhir adalah larutan dalam labu erlenmeyer dititrasi dengan menggunakan larutan EDTA. Titik akhirtitrasi ditandai dengan perubahan warna larutan menjadi biru.

EDTA atau Etilen Diamin Tetra Asetat adalah salah satu zat pembentuk kompleks yang banyak diguanakan dalam titrasi kompleksometri. Larutan EDTA dimanfatkan dalam menentukan kadar ion logam yang ada dalam larutan. Pada proses titrasi, larutan air sadah / larutan yang hendak dititrasi ditambahkan larutan buffer (NH4Cl) pH 10 dan EBT.

Penambahan larutan buffer dimaksudkan untuk mengatur pH larutan agar berada pada pH optimum. Sedangkan EBT berfungsi

sebgai indikator. Penggunaan EBT sebagai indicator dikarenakan tidak mendukungnya sifat larutan EDTA dalam penentuan titik akhirtitrasi. Ikatan antara EBT dengan ion logam memilki ikatan yang kurang stabil dibandingkan ikatan antara EDTA dengan ion logam, sehingga ketika EDTA ditambahkan akan menyebabkan ion logam berikatan dengan EDTA. Titik akhir titrasi ditandai dengan perubahan warna laruta, dimana pada awal titrasi larutan berwarnamerah dan pada akhir titrasi larutan berwarna biru. Warna merah dihasilkan dari ikatan antara EBT dengan ion logam, sedangkan ketika EBT dalam keadaan bebas akan menghasilkan warna biru.

EBT-Mg2+ + EDTA → EDTA-Mg2+ + EBT(Merah) (tidak berwarna) (tidak berwarna) (biru)

(5) http://chemistry.tutorvista.com/analytical-chemistry/complexometric-titration.html

3.5. Tahapan Proses

a. Start-up(6)Proses staru-up merupakan proses yang berfungsi untuk

mengatur ketinggian resin serta laju alir yang akan digunakan. Proses start-up diawali dengan memasukkan kapas kedalam kolom penukar ion. Kapas ini bertujuan agar resin penukar ion tidak keluar dari kolom. Selanjutnya, resin dimasukkan ke dalam kolom penukar ion. Tinggi resin dapat diatur sesuai kebutuhan. Tahap terakhir adalah dengan mengatur laju alir keluaran kolom. Pada proses ini digunakan air demin. Hal ini dikarenakan air demin

tidak mengandung ion logam, sehingga tidak akan terjadi pertukaran ion oleh resin

Laju alir dan tinggi resin merupakan salah satu faktor dalampenentuan kecepatan pertukaran ion. Semakin tinggi resin yang digunakan akan memberikan kecepatan pertukaran ion yang lebih baik. Jika tinggi resin yang digunakan tinggi akan memberikan waktu kontak dan luas kontak yang lebih besar, sehingga pertukaran ion yang terjadi dapat lebih baik. Selain tinggi resin, laju alir turut mempengaruhi keefektifan pertukaran ion yang terjadi. Pada laju alir yang besar akan memberikan kecepatanpertukaran ion yang lebih rendah dibandingkan pada laju alir yangrendah. Hal ini disebabkan pada laju alir yang rendah, waktu kontak antara air sadah dan resin lebih lama dibandingkan pada laju alir tinggi. Sehingga lebih banyak pertukaran ion yang terjadi.

b. Service

Proses service adalah proses dimana pertukaran ion terjadi. Pada proses ini, ion Mg2+ akan diikat oleh resin. Proses ini dimulai dengan mengalirkan larutan MgSO4.7H2O yang telah dibuat sebelumnya. Larutan hasil melewati kolom penukar ion kemudian ditampung. 100 mL larutan pertama yang melewati kolom dibuang, kemudian dari 100 mL setiap larutan berikutnya diambil 10 mL. 10mL larutan ini dimasukkan kedalam labu erlenmeyer, kemudian ditambahkan 4 tetes larutan buffer dan EBT. Selanjutnya dilakukantitrasi hngga warna larutan berubah dari merah menjadi biru. Titrasi dilakukan duplo. Proses ini dilakukan hingga volume EDTA yang digunakan untuk titrasi kopnstan sebanyak tiga kali.

Dari proses service didapatkan data volume EDTA yang dibutuhkan untuk mentitrasi larutan, yang kemudian dialurkan untuk mendapatkan nilai Ce. Dari nilai ini akan diperoleh kurva

breaktrought (Ce/Co) vs (Volume MgSO4.7H20). Kurva breaktrought yang ideal untuk proses service digambarkan sebagai berikut

(6)http://www.scribd.com/doc/49009964/Kolom-Penukar-Ion

(1) Pada kondisi 1 nilai Ce/Co bernilai 0. Hal ini menunjukkan tidak ada ion logam yang lolos dari kolom penukar ion, atau dengan kata lain semua ion logam dari air sadah diikat oleh gugus fungsional dari resin. Pada percobaan, kondisi ini berada pada saat awal.

(2) Pada kondisi (2) nilai Ce/Co mengalami peningkatan seiring banyaknya volume air sadah yang dilewatkan dalam resin. Nilai Ce/co yang menigkat menunjukkan jumlah ion logam yang lolos dari kolom penukar ion semakin bertambah. Pada percobaan hal ini dapat dilihat dengan bertambahnya volume EDTA yang dibutuhkan untuk mentitrasi larutan hasil keluaran kolom penukar ion. Banyaknya volume EDTA sebanding dengan konsentrasi ion logam, hal ini dikarenakan EDTA dengan ion logam membentuk kompleks dengan perbandingan konsentrasi 1:1.

(3) Pada kondisi (3) nilai Ce/Co mencapai nilai yang konstan. Hal ini menandakan tidak ada lagi perubahan konsentrasi ion logam yang melewati kolom penukar ion, atau dengan kata lain resin telah mencapai kapasitas maksimum

pertukaran ion-nya. Resin yang telah jenuh/mencapai kapasitas maksimum dapat diartikan gugus fungsional resin sepenuhnya telah berikatan dengan ion logam. Pada percobaan hal ini ditunjukkan dengan volume EDTA yang digunakan konstan.

Rangakaian proses service disajikan dalam bentuk gambar sebagai berikut

Pada percobaan ini didapatkan kurva breaktrought service sebagai berikut:

0 400 800 1200 1600 20000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

20mL/menit30mL/menit

Volume MgSO4.7H2O (mL)

Ce/C

o

run 1 memilki laju alir sebesar 20mL/menit dan run 2 memiliki laju alir 30mL menit.

Dari percobaan yang telah dilakukan didapatkan kurva breaktrought yang sesuai dengan teori,dimana ketika awal proses penukaran ion Ce/Co mendekati nilai 0. Kemudian Nilai Ce/Co naik hingga akhirnya mencapai nilai konstan. Pada laju alir yang lebihtinggi (30mL/menit), nilai Ce/Co konstan dicapai dengan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan laju alir yang lebih rendah (20mL/menit). Hal ini dikarenakan pada laju alir yang lebih tinggi menyebabkan lebih sedikit ion yang dapat dipertukarkan. Nilai akhir Ce/Co menunjukkan nilai yang sama karena konsentrasiion yang digunakan pada kedua run percobaan (20mL/menit dan 30mL/menit) sama.

Dari proses perhitungan didapatkan data sebgai berikut:

  Percobaan 1 Percobaan 2

Laju alir 20mL/menit 30mL/menit

[MgSO4] 10000ppm 10000ppm

Vop 1300 mL 1600 mL

COP114850,6723

ppm166579,2534

ppm

% efisiensi resin 68,97 % 74,29%

Pada efisiensi yang diperoleh pada percobaan 1 lebih rendah dibandingkan dengan percobaan 2 . Hal ini disebabkan karena service pada laju alir 20mL/menit lebih cepat, yang ditunjukkan dengan nilai Vop yang lebih kecil dibandingkan dengan laju 30mL/menit.

3. Backwash

Proses backwash dilakukan setelah tahap service karena pada

tahap service unggun resin akan memadat dan menggumpal. Pemadatan

ini menyebabkan permukaan luas kontak air dengan resin menjadi

berkurang sehingga pertukaran ion menjadi kurang efektif. Oleh

karena itu proses regenerasi resin harus diawali dengan proses

backwash.Tujuan diadakannya proses backwash antara lain untuk :

1. Menghilangkan kotoran dan gas

Kotoran-kotoran ini disebabkan oleh air sadah yang akandilewatkan pada resin tidak disaring terlebih dahulu.

2. Memisahkan resin yang menggumpal

Resin yang telah mengalami proses service ketinggiannya akansemakin berkurang, karena resin akan semakin menggumpal karenatekanan air dari atas. Hal ini akan semakin mengurangiefisiensi pertukaran ion karena luas permukaan pertukaran ionpada resin semakin berkurang karena penggumpalan tersebut.

3. Mengatur ulang kembali resin

Resin yang telah melewati proses backwash akan tersusunkembali dengan baik. Kemudian, resin tersebut siap digunakanpada proses regenerasi.1

Rangkaian alat backwash sebagai berikut :

Dari percobaan untuk ion Mg2+ pada laju alir 20mL/menit dan

30mL/menit diperoleh % fluidisasi dan % ekspansi sebagai berikut:

Laju alir

(mL/menit)

% fluidisasi Ekspansi

20 73,19% 2,5%%30 62,5% 2,5%

4.Regenerasi

Setelah proses service dan backwash dilakukan, proses selanjutnya adalah proses regenerasi. Proses regenerasi perlu dilakukan untuk menggantikan ion logam kation yang telah dipertukarkan selama proses service yang membuat resin tersebut

jenuh, dengan kata lain untuk mengembalikan kapasitas resin seperti semula. Cara kerja proses regenerasi ini mirip dengan cara kerja dalam proses service, hanya air di dalam tangki yang sebelumnya berisi air sadah dengan perbandingan ppm tertentu diganti dengan larutan NaCl. Dalam percobaan ini NaCl yang digunakan sebesar 15000 ppm.

Pada proses regenerasi, Larutan NaCl yang ada pada tangki akan dimasukkan ke dalam kolom kemudian resin akan mempertukarkanion logam kation(Mg2+) yang ada pada resin dengan ion logam Na+. Pertukaran ion itu berlangsung karena reaksi pertukarannya bersifat reversible, reaksi reversible ini lah yang menyebabkan resin dapat mempertukarkan ion Mg2+ dengan ion Na+ karena larutan NaCl terus dialirkan ke resin sehingga konsentrasi akan bergeser ke arah kanan sesuai dengan reaksi berikut :

R-SO3Mg + Na+ R-SO⇆ 3Na- + Mg2+

Gambar kurva regenerasi secara teori disajikan dalam gambar sebagai berikut :

1. Pada tahap awal (kondisi awal ketika proses

regenerasi) ,resin berada pada titik jenuhnya. Titik atau

kondisi jenuh ini diakibatkan oleh gugus fungsional pada

resin seluruhnya telah mengikat ion logam kation (Mg2+).

2. Pada tahap kedua, ion logam yang dilepaskan oleh resin

semakin lama semakin menurun. Hal ini ditunjukkan dengan

menurunnya nilai Ce/Co.

3. Pada tahap ketiga nilai Ce/Co mendekati nilai 0 atau titik

minimumnya. Pada tahap ini kemampuan mempertukarkan resin

telah dikembalikan. Kembalinya kemampuan mempertukarkan ion

ditunjukan dengan konstannya nilai Ce/Co.2

Rangkaian alat regenerasi ditunjukkan sebagai berikut :

Untuk membuat kurva regenerasi perlu diketahui data Co, Ce,

dan volume NaCl. Ce merupakan konsentrasi ion Na+ yang tidak

terikat resin. Co adalah konsentrasi NaCl awal, yaitu 15000 ppm,

sedangkan volume NaCl adalah volume keluaran kolom yang diambil

setiap 100 mL. Sebagai sumbu y adalah perbandingan nilai Ce/Co

dan dialurkan terhadap volume NaCl. Kurva regenerasi berdasarkan

percobaan adalah

0 400 800 1200 1600 20000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

20mL/menit30mL/menit

Volume MgSO4.7H2O (mL)

Ce/C

o

Kurva regenerasi yang menurun menandakan resin telah

teregenerasi. Pada laju alir 20mL/menit menunjukkan penurunan

kejenuhan yang cukup cepat yang ditunjukkan dengan menurunnya

nilai Ce/Co yang cukup jauh pada volume NaCl 500ml dan pada laju

alir 30mL/menit menunjukkan penurunan kejenuhan yang cukup lama

dibandingkan dengan laju 20mL/menit karena pada laju tersebut

pertukaran ion akan lebih maksimal dibandingkan dengan laju

30mL/menit.

Habisnya ion logam ini ditunjukkan dengan konstannya volume

EDTA yang dipakai untuk mentitrasi NaCl yang keluar dari kolom.

Namun, masih ada ion logam yang masih terikat dengan resin dan

hal ini ditunjukkan dengan efisiensi resin. Efisiensi resin

adalah perbandingan jumlah ion logam yang tidak terikat dengan

jumlah total NaCl yang melewati kolom penukar ion. Berikut persen

efisiensi resin yang didapatkan dari hasil percobaan:

  Percobaan 1 Percobaan 2

Laju alir 20 mL/menit 30 mL/menit

[NaCl] 15000 ppm 15000 ppm

Vop 1500 mL 1800 mL

% efisiensi regenerasiresin 21,008% 21,88%

Pada efisiensi yang diperoleh pada percobaan 1 lebih rendah dibandingkan dengan percobaan 2 . Hal ini disebabkan karena regenerasi pada laju alir 20mL/menit lebih cepat, yang ditunjukkan dengan nilai Vop yang lebih kecil dibandingkan denganlaju 30mL/menit.

5.Rinsing

Rinsing merupakan tahap akhir setelah dilakukannyaregenerasi. Rinsing dibagi menjadi 2 bagian, yaitu pembilasancepat dan pembilasan lambat. Pembilasan cepat berfungsi untukmencuci sisa-sisa ion sedangkan pembilasan lambat berfungsi untukmendesak regeneran keluar dari unggun resin dan juga membuangsisa-sisa pembilasan yang bergabung dengan garam dariregenerasi.3

Rinsing dilakukan dengan mengganti tanki yang berisi NaCl

dengan air demin. Kemudian dialirkan ke dalam kolom penukar ion.

pH air demin sebelum dimasukkan ke dalam kolom diukur dengan pH

meter. Setelah dialirkan ke dalam kemudian setiap 25 ml air yang

keluar ditampung dan diukur pH nya. Pengukuran dihentikan hingga

diperoleh pH yang konstan selama 4 kali, yang berarti bahwa pada

resin sudah tidak ada lagi sisa regeneran dan resin siap untuk

melakukan service kembali.

Kurva rinsing yang didapatkan dibuat dengan mengalurkannilai pH terhadap volume air keluaran kolom yang diambil setiap25 mL. Dari hasil percobaan, diperoleh kurva rinsing sebagaiberikut :

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500012345678

20mL/menit30mL/menit

Volume air demin (mL)

pH a

ir d

emin

Untuk laju 20mL/menit, pH konstan pada nilai 6,6 sedangkan

untuk laju 30mL/menit, pH konstan pada nilai 6,7. Perubahan pH

pada kedua ion logam hampir sama dan ini menunjukan variasi laju

alir tidak mempengaruhi proses rinsing. pH akhir rinsing tidak

sama dengan pH air demin awal karena ion-ion dalam kolom belum

hilang sepenuhnya sehingga air demin yang keluar dari kolom masih

mengandung ion logam Mg2+. Berikut data pH awal dan pH akhir :

Laju alir Ph awal air demin PH akhir airdemin

20mL/menit 6,8 6,630mL/menit 6,8 6,7