KinetikaReaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat - Sarto & Alamsyah 39 Kinetika Reaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat dari Asam Phosphat dan Kalium Karbonat Sarto.) dan Ari Nur Alamsyah%) J)JurusanTeknikKimiaFakultasTeknikUGM.JlGrafikano2 Yogyakarta 2)DepartemenEngineering, PT Tripolyta Abstract The production of K2HP04from H3P04 and K2C03 has been studied. The reaction was done in a batch reactor for 30 minutes; and the samples were withdrawn from the reactor every 5 minutes. The effect of temperature on the conversion of H~04 was examined. The experimental results showed that the kinetics of the reaction followed second order reaction. The reaction rate constant (Ie)as afunction of temperature (IJ could be formulated as follow k = 1332.0841 exp (-2467.13fr) Keywords: Kinetics, production, potasium phosphate. 1. Pendahuluan Senyawa dipotasium phospat (K2HP04) adalah salah satu senyawa orthophospat (P04 3") yang banyak dikembangkan selain monopotassium phospat (KHzP04) dan tripotassium phospat (K3P04).Dipotassium phospat dijual dalam bentuk padat dan larutao aktif 50%. Lebih dari setengah penjualan komersial senyawa ini adalah dalam bentuk gabungan dengan senyawa borat, nitrit, nitrat dan silikat sebagai sistem inhibitor korosi dalam formulasi anti beku etHen glikol. Kegunaan terbesar kedua adalah sebagai creamer pada kopi, yaitu sebagai penyangga casein dari asam protein untuk mencegah koagulasi. Penggunaan lain dari senyawa ini adalah sebagai pupuk, bahan pembantu pada pembuatao kertas dan obat pencahar. Campuran KHZP04 dan KzHP04 dikembangkan sebagai pH kontrol (Kirk and Othmer, 1982) Senyawa orthophospat (P043"), dari mono- potassium phospat ke tripo-tassium phospat dibuat dari netralisasi H3P04 dengan KOH (Kirk and Othmer, 1982). Reaksi ini dapat berlangsung secara cepat (spontan) dan diperoleh hasil dengan kemumian tinggi, tetapi kurang ekonomis karena harga bahan bakunya mahal. Altematif lain pembuatan senyawa KzHP04 adalah dengan mereaksikan asam phospat dengan potassium karbonat (KZC03). Pemilihan KZC03 didasarkan tidak hanya pada harganya yang lebih murah tetapi juga senyawa ini dapat diperoleh dari sumber kalium organik yang berupa limbah pertanian. Limbah ini sangat banyak jumlahnya dan belum dimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu, reaksi antara H3P04 dengan KZC03 menarik untuk diteliti lebih lanjut. . Reaksi netralisasi asam phospat oleh potassium karbonat menghasilkan 3 senyawa phospat berdasarkan substitusi atom H pada asam phospat oleh logam. Substitusi satu atom H menghasilkan senyawa monopotassium phospat (KHZP04); substitusi dua atom H menghasilkan dipotassium phospat (KzHP04); dan substitusi tiga atom H menghasilkan tripotasium phospat (K3P04). Kemampuan substitusi atom H pada asam phospat oleh logam potassium tergantung pada nisbah mol KzO dengan PzOs. Bila perbandingan KzO dan PzOs antara I dan 1,3; logam potassium hanya dapat mensubstitusi satu atom H mem- bentuk KHZP04. Akan tetapi bila nisbah KzO/ PzOs lebih besar atau sama dengan 3, semua atom H dapat disubstitusi oleh logam potassium membentuk K3P04. Adapun bila nisbah KzO/ PzOs sebesar 2, logam potasium dapat mensubstitusi dua ISSN : 0216 - 7565
6
Embed
Kinetika Reaksi Pembuatan Di-Kalium Phosphat dari Asam ...
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Senyawa dipotasium phospat (K2HP04)adalah salah satu senyawa orthophospat (P04 3")yang banyak dikembangkan selain monopotassiumphospat (KHzP04) dan tripotassium phospat(K3P04).Dipotassium phospat dijual dalam bentukpadat dan larutao aktif 50%. Lebih dari setengahpenjualan komersial senyawa ini adalah dalambentuk gabungan dengan senyawa borat, nitrit,nitrat dan silikat sebagai sistem inhibitor korosidalam formulasi anti beku etHen glikol. Kegunaanterbesar kedua adalah sebagai creamer pada kopi,yaitu sebagai penyangga casein dari asam proteinuntuk mencegah koagulasi. Penggunaan lain darisenyawa ini adalah sebagai pupuk, bahanpembantu pada pembuatao kertas dan obatpencahar. Campuran KHZP04 dan KzHP04dikembangkan sebagai pH kontrol (Kirk andOthmer, 1982)
Senyawa orthophospat (P043"), dari mono-potassium phospat ke tripo-tassium phospat dibuatdari netralisasi H3P04 dengan KOH (Kirk andOthmer, 1982). Reaksi ini dapat berlangsungsecara cepat (spontan) dan diperoleh hasil dengankemumian tinggi, tetapi kurang ekonomis karenaharga bahan bakunya mahal. Altematif lainpembuatan senyawa KzHP04 adalah denganmereaksikan asam phospat dengan potassium
karbonat (KZC03). Pemilihan KZC03 didasarkantidak hanya pada harganya yang lebih murah tetapijuga senyawa ini dapat diperoleh dari sumberkalium organik yang berupa limbah pertanian.Limbah ini sangat banyak jumlahnya dan belumdimanfaatkan secara optimal. Oleh karena itu,reaksi antara H3P04 dengan KZC03 menarik untukditeliti lebih lanjut. .
Reaksi netralisasi asam phospat olehpotassium karbonat menghasilkan 3 senyawaphospat berdasarkan substitusi atom H pada asamphospat oleh logam. Substitusi satu atom Hmenghasilkan senyawa monopotassium phospat(KHZP04); substitusi dua atom H menghasilkandipotassium phospat (KzHP04); dan substitusi tigaatom H menghasilkan tripotasium phospat(K3P04).
Kemampuan substitusi atom H pada asamphospat oleh logam potassium tergantung padanisbah mol KzO dengan PzOs. Bila perbandinganKzO dan PzOsantara I dan 1,3; logam potassiumhanya dapat mensubstitusi satu atom H mem-bentuk KHZP04. Akan tetapi bila nisbah KzO/PzOs lebih besar atau sama dengan 3, semua atomH dapat disubstitusi oleh logam potassiummembentuk K3P04.Adapun bila nisbah KzO/ PzOssebesar 2, logam potasium dapat mensubstitusi dua
ISSN : 0216 - 7565
40 Forum Teknik Vol. 31, No.1, Januari 2007
atom H membentuk K2HP04 (Kirk and Othmer,1982)
Secara komersial, monosodium phospat(MSP) dan disodium phospat (DSP) dibuat dengancara mereaksikan asam phospat dengan perban-dingan Na20/P20S seperti pada logam potassium.Adapun trisodium phospat dibuat dengan caramereaksikan DSP dengan larutan NaOH (Kobe,1957)
Sifat garam potassium phospat memper-lihatkan banyak persamaan dengan garam sodiumphospat. Garam potassium dapat dibuat dengancara yang sarna seperti pada pembuatan garamsodium, bahkan dengan peralatan yang sarna (Kirkand Othmer, 1982). Oleh karena itu dipotassiumphospat dapat dibuat dengan cara yang sarnaseperti pada garam sodium menurut reaksi sepertipada persamaan (1).
Agar dihasilkan K2HP04 murni, masing-masing pereaksi harus ekuimolar. Reaksinetralisasi antara H3P04 dengan K2C03tidak dapatberlangsung spontan, seperti netralisasi asammonoprotik ataupun asam diprotik. Asam phospatmerupakan asam triprotik yang dalam airterdissosiasi dalam beberapa tingkat danmenghasilkan tiga ion hidrogen per molekulmenurut reaksi (Vogel,1985).
Beberapa prosedur untuk menganalisis datakinetika yaitu cara integral, diferensial, waktu Yzumur, dan grafik standar (Walas, 1959 ). Metodeyang dilakukan dalam penelitian ini adalah caraintegral. Pada umumnya cara integral dicoba lebihdulu sebelum memakai cara diferensial
(Levenspiel, 1972 ).
2. Fundamental
Reaksi pembuatan K2HP04 dari H3P04 danK2C03 mengikuti persamaan (I). Reaksi inidijalankan pada perbandingan pereaksi ekuimolardan dapat dianggap beroder dua. Persamaankecepatan reaksinya adalah sebagai berikut.
ISSN: 0216 - 7565
(2)
Dalam reaksi ini, CA selalu sarna dengan CB;sehingga persamaan (2) dapat diintegralkanmenjadi persarnaan (3).
dengan CAdan CBberturut-turut adalah konsentrasiH3P04 dan K2C03.
Pada keadaan awal CAO= CBOdan konversi zat A
= XAO.Kecepatan reaksi pembentukan K2HP04dihitung berdasarkan pengukuran gas C02 hasilreaksi. Cara analisis gas C02 yang ter-bentukadalah dengan menggelembung- kan gas itu dalamlarutan KOH pekat. Dengan konsentrasi KOHyang berlebihan, diharapkan semua gas C02 dapatterkonversi menjadi K2C03melalui reaksi berikut.
(1)
Kadar akhir KOH dalam larutan ditentukan
dengan cara volumetri. Jumlah C02 yang terserapdapat dihitung dari besarnya pengurangan KOHselama proses penyerapan dengan persarnaan (4).
Mol CO2=MolKOHawal-MolKOHakhir (4)
Jika jumlah gas C02 yang ter-bentuk dapatdiketahui, maka jumlah H3P04 dan K2C03 yangbereaksi dapat dihitung. Dengan demikian,konversi H3P04 maupun konversi K2C03 dapatjuga dihitung. Harga konstanta reaksi pada suhuitu dicari dengan merata-ratakan konstantakecepatan reaksi pada berbagai waktu pada suhuitu.
3. Metodologi
Reaksi antara H3P04 dan K2C03 dilakukandalam reaktor batch (labu leher tiga) yangdilengkapi dengan pemanas mantel, pendingin,termometer dan compressor, yang dirangkaisebagaimana ditunjukkan pada gambar I. Dalarnhal ini gas bertekanan yang dialirkan kompressorberfungsi sebagai pengaduk pereaksi dan
penggelembungan gas hasil reaksi ke dalamlarutan KOH. Analisis hasil (gas C02) dilakukansecara kontinyu setiap 5 menit sampai dengan 30menit agar konversi pereaksi setiap waktu tertentudapat diketahui. Reaksi dilakukan pada suhu 30°c, 50°C, 70 °c dan 90°C.
4. Hasil daD PembahasaD
Percobaan ini dilakukan untuk mempelajarikinetika reaksi pembuatan K2HP04 dari H3P04dan K2C03 secara batch. Peubah yang dipelajariadalah suhu dan waktu. Berdasarkan pada datakonversi pada berbagai waktu, koefisien kecepatanreaksi dihitung untuk masing-masing suhu.
4
3 s
(--0
2.
I. Kompressor
2. TobuDg uelara
3. Larutan NaOH
4. FloWJDeter
S. Distributor
A. PeDgaruh Waktu Reaksi daD Suhu Reaksiterhadap KODversi
Nilai konversi pada berbagai suhu dan waktudapat dilihat pada tabel 1 sebagai berikut :
Tabel 1. Hubungan antara Konversi dan Waktupada berbagai Suhu
6
10 11 11
9
6. Pendingin7. Thermometer
8. Labu reaksi
9. Pemanas
10. Lobu penangkap I
11. Oelos ukur
12. Labu pcnangkap n
13. Pengambil sampel
14.Pengaduk
Gambar 1. Rangkaian Alat Percobaan Pembuatan Di-Kalium Phosphat
Grafik hubungan antara konversi dengan suhudapat dilihat pada Gambar 2. Dari gambar terlihatbahwa semakin lama waktu reaksi, konversi yangdiperoleh semakin tinggi. Pada Gambar 4 terlihat,mula-mula konversi naik dengan cepat, setelah itunaik pelan - pelan dan menuju ke suatu titiktertentu (asimtotis). Hal ini dapat dijelaskansebagai berikut.
Persamaan (3) di atas dapat dituliskankembali menjadi menjadi bentuk sebagai berikut.
Nilai CAOdan k sudah tertentu, sehingga jika CAOk dimisalkan sebagai K, persamaan berubahmenjadi :
X _ ktA-I + [kt]
0.90.80.7
1
0.60.50.40.30.20.1°°
-+-30oC-SOoC__70 oC_90oC
5 1° 15 20 25 30 35
t,menit
Gambar 2. Grafik Hubungan Antara Konversi danWaktu pada berbagai Suhu
Persamaan hubungan antara XA dengan t diatas mempunyai kecenderungan yang sarna denganhubungan antara XAdengan t pada Gambar 2 danasimtotis menuju konversi (X)=1. Hal inimenunjukkan bahwa model persamaan reaksitingkat dua cocok bila digunakan untuk reaksi ini.
Untuk waktu yang sarna, bila suhu dinaikkanmaka konversi akan semakin bertambah. Dengannaiknya suhu, molekul-molekul pereaksi akanbergerak lebih cepat, sehingga frekuensi tumbukanantara molekul pereaksi menjadi lebih sering.Frekuensi tumbukan antara molekul-molekul yanglebih sering secara otomatis mengakibatkan zat-zat
ISSN : 0216 - 7565
pereaksi menjadi lebih aktif sehingga konversiakan meningkat.
Pada Gambar 3 terlihat, pada waktu (t) tetapkonversi naik secara linear bila suhu dinaikkan.
Pada percobaan ini, konversi maksimum dicapaisebesar 0,8564 pada suhu (T) = 90°C dan waktu(t) = 30 menit. Sebenamya apabila suhu dinaikkanataupun waktu reaksi ditambah, konversi masihdapat bertambah mendekati 100 %. Hanya sajasuhu reaksi harus berada di bawah titik didih
H3P04(135°C).
(5)
(6)
90 100
-+- t=5merit ___ t =10merit
t =15merit t =20merit
-iE- t =25merit -+- t =30merit
50 60
~oC
70 80
Gambar 3 Grafik Hubungan antara Konversi dan Suhupada berbagai Waktu
B. Harga Konstanta Kecepatan Reaksi PadaBerbagai Suhu
Hasil perhitungan tetapanberdasarkan model kinetika
tercantum pada Tabel II.
kecepatan reaksiyang diusulkan
Tabel II. Harga Konstanta Kecepatan Re-aksi (k)pada Berbagai Waktu dan Suhu
Pada Tabel II terlihat, bahwa untuk suhu yangsarna, harga konstanta kecepatan reaksinya hampirsarna. Hal ini menunjukkan bahwa perumpamaan
persamaan kecepatan reaksi mengikuti order duaadalah benar. Adapun harga konstanta kecepatanreaksi (k) pada t = 5 menit menyimpangpalingbesardan mempunyai harga kesalahan relatif yangpaling besar bila dibandingkan dengan harga kpadawaktu (t) yang lain. Hal ini disebabkan untukreaksi sampai dengan 5 menit konversinyameningkatterlalu tajam, barulah naik pelan-pelan.
Tabel III dan Gambar 4 menu-njukkan lebihtegas bahwa reaksi berlangsung mengikuti order 2.
TabelIII. Nilai XA/(I-XA) terhadap waktu padaBerbagai Suhu.
Gambar 4. Grafik Nilai XA/ (I-XA) terhadap waktupada Berbagai Suhu
Pada Tabel III dan Gambar 4 terlihat, untuksuhu (T) yang semakin tinggi harga XA/ (1-XA)semakin besar. Hal ini disebabkan dengan naiknyasuhu, harga konstanta kecepatan reaksinyasemakin besar sehingga slope (CAOk) semakintinggi.
c. Pengaruh Suhu terhadap Harga KonstantaKecepatan Reaksi.
Harga konstanta kecepatan reaksi padaberbagai suhu dapat dilihat pada Tabel N. Padatabel tersebut nampak bahwa untuk suhu yangsemakin tinggi harga konstanta kecepatanreaksinyapun semakin tinggi. Hal ini sesuaidengan persamaan Arhenius
Tabel IV. Harga Konstanta Kecepatan ReaksiRata-rata pada Berbagai Suhu.
Dengan melakukan linearisasi terhadap persamaanArhenius, maka akan diperoleh bentuk persamaan:
In k = InA +(-E/R)(I/T) (7)
Setelah dilakukan perhitungan diperoleh persa-maan berikut.
In k = 7.1945-2467.13(1/T) (8)
atau
k = 1332.0841 exp (-2467.13/T) (9)
Jika nilai k hasil percobaan dibandingkan dengannilai k hasil perhitungan, maka di-dapat kesalahanrelatif rerata sebesar 2,8 %.
Adapun grafik hubungan antara k dengan Tditunjukkan pada gambar 5.
1.81.6
~ 1.4CDE 1.2'0 1E~a8.!ia6~a4
a2o:m 310 320 :m 340 :m :m 370
&h4K
Gambar 5 Grafik Hubungan Konstanta KecepatanReaksi Versus Suhu
ISSN : 0216 - 7565
Waktu XA/(l-XA' pada suhumenit 30°C 50°C 70°C 90°C