Ion ExchangeA. 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 ionProses 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 CTahap 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 + H2OAir 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 + Na+
Mg++
R-Mg
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 + Na+ + R- Na+ Ca++R-Mg
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 bawah4. 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 + CaCl2Sedangkan 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 KationR-Ca
Ca++R-Mg + H+R-H (dipakai lagi) +
Mg++R-Na
Na+
2. Pertukaran AnionR-HCO3 +OH-
R-OH + HCO3Air 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 boilerKeunggulan Ion Exchange:
1. Mengurangi / menghilangkan unsur inorganik dengan baik2. Bisa
diregenarasikan kembali.3. Dapat digunakan untuk flowrate / debit
yang berfluktuasi.4. 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. Semakin tinggi TDS semakin tinggi biaya operasional.2.
menghilangkan partikel, bakteri dan pyrogen.3. Diperlukan
pretreatment untuk hampir setiap bahan baku.4. Sensitif terhadap
keberadaan unsur lain dengan polaritas yang hampir sama.5. Media
resin berpotensi menjadi tempat berkembang biak bakteriC. Alat dan
Bahan
Alat
-Bahan
1. Alat ion exchange
1. CaCl2 0,05 N2. Beaker glass
2. NaCl 10%3. Buret
3. Asam oksalat 0,05 N4. Pipet
4. NaOH 0,05 N5. Erlenmeyer
5. Indikator PP6. Timbangan digital
6. Air 4 literD. Prosedur Kerja1. SIstem dibilas dengan air
sebanyak 4 liter ke dalam fest water. Nyalakan pompa 70% dengan
flowrate dengan valve2. Katup control diatur sehingga laju alir
35-40 cm3/menit3. Buat larutan NaOH 0,05 N dalam 4000 ml, NaOH 0,05
N dalam 200 ml, CaCl2 0,05 N dalam 6000 ml, dan asam oksalat 0,05 N
dalam 50 ml4. 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 percobaanVasam oksalat
. Nasam oksalat = VNaOH . NNaOH 5 ml . 0.05 N = 6,5 ml . NNaOH
NNaOH = 0,04 NTitrasi NaOH dengan CaCl2 sebelum percobaan
V CaCl2 . N CaCl2 = VNaOH . NNaOH10 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. PembahasanSebelum 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,
CaCl2. 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.
KesimpulanIon 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 PustakaAnonimus,
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