TL5121 REKAYASA PROSES Aplikasi Proses Fisika-Kimia di Teknik Lingkungan
I on E xchange xchange dan C atalyt atalytii c C onver nver ter ter
“
”
Disusun oleh:
Yuniar Fazriani
25317003
Okti Dinasakti
25317030
PROGRAM STUDI MAGISTER TEKNIK LINGKUNGAN FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2017
1.
I on E xcha xchanger nger
Ion exchange ex change atau atau pertukaran ion merupakan unit proses yang mana ion dari sebuah spesies materi penukar tidak terlarut digantikan oleh ion dari spesies lainnya dalam larutan. Aplikasi yang paling luas dari proses tersebut adalah dalam penurunan kesadahan pada air limbah domestik, dimana ion natrium dari resin penukar kation menggantikan ion kalsium dan magnesium dalam air yang diolah, sehingga menurunkan kesadahan. Ion exchange juga telah digunakan dalam aplikasi di bidang air limbah untuk menyisihkan nitrogen, logam berat, dan padatan terlarut.
Proses ion exchange dapat exchange dapat dioperasikan secara batch maupun kontinu. Dalam proses batch, resin diaduk dengan air untuk diolah dalam reaktor hingga reaksi yang berlangsung tuntas. Resin yang telah bereaksi tersebut kemudian disisihkan dengan pengendapan dan kemudian diregenerasi dan digunakan kembali. Dalam proses kontinu, materi penukar diletakkan pada bed atau packed column, column, kemudian air yang diakan diolah akan dialirkan melewati bed tersebut. Ion tersebut. Ion exchanger kontinu umumnya memiliki aliran downflow, downflow, dengan jenis packed-bed jenis packed-bed column. column. Air limbah masuk melalui bagian atas kolom dengan tekanan, bergerak kebawah melewati resin bed, dan kemudian disisihkan pada bagian bawah. Ketika kapasits resin telah penuh, kolom akan dibackwash di backwash untuk menyisihkan padatan yang terperangkap kemudian diregenerasi.
1.1
Bahan Ion-exchange
Bahan ion exchange exchange yang terbentuk secara alami di alam dikenal dengan zeolit, umumnya digunakan untuk pelunakkan air dan penyisihan ion ammonium. Zeolit digunakan untuk penyisihan kesadahan air merupakan kompleks aluminosilikat dengan natrium sebagai ion bergerak. Pertukaran ammonium dicapai mengunakan zeolite clinoptilolit. Aluminosilikat sintetik diproduksi oleh pabrik namun kebanyakan bahan sintesis ion exchange adalah exchange adalah resin atau polimer fenol.
Terdapat 5 jenis resin sintetis ion exchange yang dgunakan yaitu kation asam kuat, kation asam lemah, anion basa kuat, anion basa lemah dan resin chelating selektif logam berat, sifat dari masing masing resin tersebut dirangkum dalam Tabel 1.
1
Tabel 1 Klasifikasi resin ion exchange (Tchobanoglous dkk., 2014)
Jenis Resin
Karakteristik
Resin kationasam kuat
Resin asam kuat berperilaku serupa pada asam kuat, dan sangat terionisai baik dalam bentuk asam (R-SO3H) dan dan garam (R-SO3 Na) pada seluruh rentang pH.
Resin kation asam lemah
Penukar kation asam lemah memiliki gugus fungsional asam lemah (-COOH), yang
khusunya
merupakan
gugus
karbiksilat. Resin berikut berperilaku seperti asam organik lemah yang mana terdisosiasi secara lemah. Resin anion basa kuat
Resun
basa
kuat
sangat
terionisasi,
memiliki gugus fungsional basa kuat seoeri (OH) dan dapat digunakan pada seluruh
rentang
pH.
Resin
berikut
digunakan dalam bentuk hidroksida (OH) untuk deionisasi air. Resin anion basa lemah
Resin basa lemah memiliki gugus fungsi basa lemah yang mana derajat ionisasinya bergantung terhadap pH
Resin chelating selektif logam berat
Resin Chelating berperilaku seperti resin kation asam lemah namun menunjukkan derajat tinggi dari seleksitivitas untuk kation logam berat. Gugus fungsi yang paling umum dari resin berikut adalah EDTA dan struktur resin dalam bentuk Natrium adalah R-EDTA-Na
Kebanyakan resin sintetis ion exchange diproduksi oleh proses yang mana styrene dan divinylbenzebe mengalami kopolimerisasi. Styrene berfungsi sebagai matriks dasar resin dan divinylbenzen digunakan untuk menghubungkan silang olimer-polimer agar menghasilkan 2
resin yang tidak larut dan kuat. Sifat yang penting dari resin io echange termasuk kapasitas petukarannya, ukuran partikel dan stabilitas. Kapasitas tukar dari resin didefinisikan sebagai kuantitas yang dapat diangkat dari ion yang dapat ditukar. Kapasitas tukar dari resin ditunjukkan sebagai eq/L atau eq/kg (meq/L atau meq/g). ukuran partikel dari resin penting dalam mempengaruhi hidrolika kolom ion exchange dan kinetika ion exchange. Secra umum, laju dari pertukaran berbanding lurus terhadap kuadrat terbalik dari diameter partikel. Stabilitas resin penting untuk kinerja jangka panjang resin. Pembengkakan dan penyusutan osmotic, degradasi kimia, dan perubahan structural dari resin yang diakibatkan oleh tekanan fisik merupakan faktor penting yang dpat membatasi umur pakai resin.
Reaksi Tipikal I on E xchange
1.2
Berikut adalah reaksi tipikal ion exchange untuk bahan ion exchange alami dan sintetis.
Untuk Zeolit Alami (Z):
+ + [++] ↔ [++]2 +
(1)
Untuk Resin Sintetis (R):
Pertukaran kation asam kuat:
3 ++ ↔ 3 + + 23 ↔ (3) 2
(4) (5)
Pertukaran anion basa kuat:
′3 − ↔ ′3
(3)
Pertukaran kation asam lemah:
++ ↔ + + 2 ↔ () 2
(2)
(6)
Pertukaran anion basa lemah:
3 − − ↔ 3 − 23 4 ↔ (3)4 2
(7) (8)
3
1.3
Aplikasi I on exchange
Seperti yang telah disebutkan ion exchange telah digunakan pada aplikasi air limbah untuk penyisihan nitrogen, logam berat, dan total padatan terlarut.
1.3.1
Pengendalian Nitrogen
Untuk pengendalian nitrogen, ion yang umumnya disisihkan dari aliran air limbah adalah ammonium, NH4+, dan nitrat, NO 3-. Ion yang menggantikan ammonium bervariasi dengan sifat dar larutan yang digunakan untuk meregenerasi bed. Walaupun kedua resin ion exchange baik alami maupun sintesis tersedia resin sistesis lebih digunakan secara luas disebabkan oleh durabilitasnya. Beberapa resin natural (zeolite) telah diunakan dalam penyisihan ammonia dari air limbah. Clinoptilolit, merupakan zeolt yang terbentuk alami dan telah terbukti sebagai salah satu resin ion exchange alami terbaik. Sebagai tambahan untuk memperoleh afinitas yang lebih besar untuk ion ammonium dibandingkan bahan ion exchange lainnya, relative lebih murah dibandingkan dengan media sintesis. Salah satu fitur dari zeolite tersebut adalah regenerasi menggunakan kapur Ca (OH) 2 dan ion ammonium yang disisihkan dari zeolite dikonversi menjadi ammonia disebabkan oleh pH yang tinggi. Sebuah diagram alir untuk proses tersebut ditunjukkan pada Gambar 1. Cairan yang distrip kemudian dikumpulkan dalam tangka penyimpanan untuk kemudian digunakan kembali. Masalah yang harus ditangani adalah pembentukan presipitat kalsium karbonat dalam zeolite exchange bed dan dalam Menara stripping dan peralatan perpipaan. Pada gambar 2, bed zeolite dilengkapi dengan fasilitas backwash untuk menyisihkan deposit karbonat yang terbentuk dalam filter.
Gambar 1 Tipikal diagram alir untuk penyisihan ammonia dengan resin zeolite (Tchobanoglous dkk., 2014). 4
Gambar 2 Kolom uji ion exchange untuk studi penyisihan nitrat (Tchobanoglous dkk., 2014)
1.3.2
Penyisihan Logam Berat
Penyisihan logam dibutuhkan sebagai pra pengolahan sebelum dibuang menu sistem saluran limbah domestic. Hal tersebut disebabkan oleh potensi akumulasi dan toksisitas dari logam tersebut, sehingga dibutuhkan untuk menyisihkan terlebih dahulu logam tersebut dari efluen air limbah sebelum dilepas ke lingkungan. Ion exchange merupakan salah satu bentuk pengolahan paling umum dalam penyisihan logam. Fasilitas dan aktivitas yang mungkin membuang air limbah mengandung konsentrasi logam yang tinggi seperti prmrosesan logam, industri elektronik, pelapisan logam, farmasi dan laboratorium, dan toko reparasi kendaraan. Konsentrasi logam tinggi juga dapat ditemukan dalam lindi dari landfill dan runoff dari air hujan di daerah landfill.
Bahan yang digunakan untuk menukar logam termasuk zeolite, resin anion dan kation lemah dan kuat, resian chelating, mikroorganisme dan biomassa tanaman. Bahan biomassa umumnya lebih mudah diperoleh dan lebih murah dibandingkan dengan resin yang tersedia secara komersial. Natural zeolites, chlinoptilolite (Cs) dan Chabazite (campuran logam Cr, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb) telah digunakan untuk mengolah air l imbah dengan campuran dasar logam.
5
Proses ion exchange sangat bergantung terhadap pH tinggi. Larutan pH memiliki dampak signifikan terhadap kehadiran spesies logam dan interaksi antara pertukaran ion danr resin. Kebanyakan logam berikatan lebih baik pada pH tinggi, disbabkan oleh kompetisi yang lebih rendah dengan proton. Operasi dan kondisi air limbah menentukan selektifitas resin, pH, temperature, spesies ionic lainnya, dan reaksi kimia dasar. Kehadiran dari oksidan, partikel, pelarut dan polimer akan mempengaruhi kinerja resin ion exchange. Kuantitas dan kualitas dari regenerat yang dihasilkan akan membutuhkan penanganan lebih lanjut juga harus dipertimbangkan.
1.3.3
Penyisihan Total Padatan Terlarut
Untuk Penyisihan total padatan terlarut, baik resin pertukaran anionic dan kationik harus digunakan. Air limbah pertama dialirkan melewati cation exchanger dimana ion yang memiliki muatan positif digantikan oleh ion hydrogen. Efluen cation exchanger kemudian dilewatkan melalui resin anionic exchanger dimana anion digantikan dengan ion hidroksida. Sehingga, padatan terlarut digantikan oleh hydrogen dan ion hidroksida bereaksi untuk membentuk molekul air.
Penyisihan total padatan terlarut dapat berlangsung pada kolom pertukaran berbeda yang disusun seri atau kedua resin dapat dicampurkan dalam reactor tunggal. Laju untuk aplikasi air limbah akan memilika rentang antara 0,2 hingga 0,2 m 3/m2 menit. Tipikal kedalaman bed nya adalah 0,75 m hingga 2 m. Dalam aplikasi reuse pengolahan air limbah oleh ion exchange diikuti oleh pencampuran dengan air limbah lainnya yang akan memungkinkan penurunan air kadar padatan terlarut hingga tingkatan yang diperbolehkan. Dalam beberapa situasi, ion exchange dapat lebih unggul dibandingkan dengan reverse osmosis.
1.4
Pertimbangan Operasi
Untuk membuat ion exchange ekonomis dalam pengolahan air limbah lanjutan, akan lebih baik untuk menggunakan regeneran dan penyimpanan ulang yang dapat menyisihkan baik anion anorganik dan materi organik dari resin yang telah terpakai. Penyimpanan ulang kimia dan fisika dianggap sukses dalam menyisishkan materi organik dari resin termasuk natrium hidroksida, asam hidroklorat, methanol dan bentonite. Untuk saat ini, ion echange memiliki aplikasi terbatas akibat dari kebutuhan pra pengolahan yang panjang, perhatian mengenai umur dari resin ion exchange, dan kebutuhan sistem regenerasi yang rumit.
6
Konsentrasi yang tinggi dari TSS dapat menyumbat ion exchange beds, menyebabkan headloss yang tinggi dan operasi yang tidak efisien. Pengikatan resin dapat disebabkan oleh residu organik yang ditemukan dari efluen pengolahan biologis. Sebagian bentuk dari pengolahan kimia dan klarifikasi diburuhkn sebelum demineralisasi ion exchange. Masalah ini telah diselesaikan sebagian melalui prefiltrasi dari air limbah atau dengan menggunakan resin penukar scavenger sebelum aplikasi terhadap kolom penukar.
1.5
Proses Regenerasi
Pada umumnya kebanyakan resin ion exchange digunakan dalam kolom. Operasi ion exchange pada dasarnya diskontiyu: fase loading, atau disebut servive run, kemudian akan diikuti oleh regenerasi dari resin yang telah gigunakan. Terdapat dua metode utaa proses regenerasi:
Co-Flow Regeneration, dimana cairan mengalir dari atas menuju ke dasar kolom baik saat service run maupun ketika regenerasi.
Reverse Flow Regeneration, dimana cairan mengalir ke atas dan kebawah ketika service dan regenerasi.
1.5.1
Co-F low Regeneration (CFR)
Teknik regenerasi berikut telah digunakan sedari awal perkembangan ion exchange dan menjadi solusi untuk mengolah aliran dari atas ke bawah kolom, dan regeneran menggunakan jalur yang sama. Namun, terdapat masalah yang ditimbulkan dari teknik ersebut yaitu adalah resin asam kuat dan basa kuat tidak dapat mengalami konversi keseluruhan menjadi bentuk H atau OH diakhir regerasi, karena hal ini akan membutuhkan reagen kimia dalam jumlah yang terlalu besar dan berlebihan. Hal tersebut mengakibatkan lapisan bawah dari lapisan bed resin lebih terkontaminasi dibandingkan dengan lapisan atas diakhir regenerasi, sehingga ketika engolahan selanjutnya berjalan kebocoran akan tinggi disebabkan oleh pemindahan ion terkontaminasi oleh ion H= atau OH-yang dihasilkan saat pertukaran.
7
Gambar 3 Kondisi resin saat proses pengolahan dan regenerasi kolom ion exchange dengan aliran co-flow (Dardel, 2017)
Gambar 4 Exchange zone pada kolom resin (Dardel, 2017) Daerah gelap pada gambar diatas mewakilkan proporsi dari resin yang telah terpakai sedangkan daerah kuning merupakan proporsi resin yang telah diregenerasi. Diatas zona pertukaran, resin sangat terpakai, dan dibawahya sangat mengalami regenerasi. Dengan re generasi co-flow satusatunya cara untuk mengurangi kebocoran permanen adalah degan meningkatkan kuantitas regeneran sehingga meninggalkan lebih sedikit ion pengontaminasi pada outlet kolom.
1.5.2
Reverse Flow Regeneration (RFR)
Dapat disebut juga dengan regenerasi counterflow. Di masa lalu, disebut juga dengan regenerasi arus balik, namun istilah tersebut tidak sepenuhnya tepat sebagaimana bed resin tidak bergerak. Dengan regenerasi berbalik arah, regeneran diinjeksikan pada arah berlawanan dari aliran service. Terdapat 2 sub kasus: 1) Pengolahan upflow dan regenerasi downflow 2) Pengolahan downflow dan regenerasi upflow. Dalam kasus ini, regenerant tidak harus mendorong ion kontaminan melewati seluruh bed resin. Lapisan yang lebih sedikit terrpakai akan diregenerasi terl ebih dahulu dan akan menjadi
8
lebih bersih pada saat pengolahan selanjutnya berlangsung. Terdapat dua keuntungan dengan menggunakan regenerasi berlwananan arah: 1) Ait yang terolah memiliki kemurnian lebih tinggi dibanding dengan co-flow karena rendahnya kebocoran. 2) Regeneran yang dibutuhkan lebih sedikit karena ion kontaminan tidak perlu didorong melewati seluruh bed dan kebocoran tidak terpengaruh terhadap dosis regeneran. Keseluruhan efek dari RFR tergantung pada lapisan resin yang tidak terganggu. Resin dengan derajat regenerasi tertinggi harus selalu berada pada kolom outlet sehingga, bed resin tidak bleh di backwash sebelum regenerasi, dan tidak diperbolehkan dialiri cairin pada waktu apapun. Sehingga yang terjadi adalah antara kolom tersebut diisi penuh oleh resin ( packed beds) atau bed ditahan selama proses regenerasi.
Gambar 5 Kondisi resin saat proses pengolahan dan regenerasi kolom ion exchange dengan aliran reverse-upflow (Dardel, 2017)
Gambar 6 Kondisi resin saat proses pengolahan dan regenerasi kolom ion exchange dengan aliran reverse-downflow (Dardel, 2017)
9
1.5.3
Kualitas Air Hasil Olahan
Gambar 7 Profil kebocoran pada regenerasi resin dengan aliran CFR dan RFR (Dardel, 2017) Pada akhir proses regenerasi, lapisan keluar dari kolom regenerasi dalam CFR memiliki konsentrasi ketidakmurnian tertinggi, sedangkan lapisan keluar dari RFR memiliki resin yang paling tergenerasi. Hal ini menyebabkan kontaminan pada CFR dapat masuk ke dalam air yang telah terolah saat awal proses pengolahan dibandingkan ketika di pertengahan, karena disebabkan oleh efek self-regeneration, sedangkan pada RFR kontaminan pada lapisan inlet segera disisihkan dari lapisan dibawahnya. Gambar 7 menunjukkan profil kebocoran tipikal saat fase pengolahan. Kebocoran ionic pada RFR umumnya terjadi lambat dan tidak bergantung terhadap jumlah regenerasi yang digunakan. Dengan CFR, nilai kebocoran yang rendah dapat diperoleh dengan dosis regeneran yang tinggi.
1.5.4
Tahapan Regenerasi
Pada umumnya prosedur regenerasi untuk kolom ion exchange adalah sebagai berikut: 1) Dilakukan backwash bed resin (hanya pada CFR) untuk menyisihkan padatan tersuspensi dan mengdekomposisi bed . 2) regeneran yang diencerkan diinjeksikan pada kualitas air yang sesuai. Injeksi dilakukan pada laju alir rendah sehingga waktu kontaknya sekitar 20-40 menit. 3) Regeneran diganti dengan air pengencer pada laju alir yang sama. 4) Bed dibilas pada laju alir pengolahan dengan air baku hingga memperoleh kualitas air yang diinginkan. Proses diatas umumnya digunakan pada kolom ion exchange untuk pengolahan pelunakan air, penyisihan nitrat, dealkalisasi. Untuk demineralisasi, kolom kation diregenerasi terlebih 10
dahulu oleh asam kemudian kolom anion dengan soda kaustik, alternatif lainnya keduanya dapat diregerasi pada saat yang bersamaan.
1.5.5
Regenerasi Mixed Bed
Gambar 8 Skema Reaktor Mixed Bed Ion Exchange (Dardel, 2017)
Regenerasi internal dari unit mixed bed berlangsung lebih rumit dibandingkan dengan regenerasi bed tunggal. Langkah-langkah regenerasi mixed bed adalah sebagai berikut: 1) Dilakukan backwash bed resin untuk memisahkan resin kation dari anion. 2) Resin dibiarkan untuk mengendap. 3) Opsional: air dialirkan pada permukaan bed resin. 4) Soda kaustik yang telah diencerkan dalam air demineralisasi diinjeksikan. 5) Dilakukan penggantian soda kaustik dengan air pengencer 6) Asam yang telah diencerkan dalam air demineralisasi diinjeksikan. 7) Dilakukan penggantian asam dengan air pengenceran. 8) Air dialirkan pada permukaan bed resin. 9) Resin dicampurkan dengan udara bersih yang terkompresi atau nitrogen. 10) Dilakukan pengisan kembali unit secara perlahan oleh air. 11) PPembilasan akhir dilakukan dengan menggunakan air baku pada laju alir pengolahan sampai diperoleh kualitas air olahan yang diingijnkan.
Hal yang menjadi catatan penting dalam proses regenerasi mixed bed apabila tidak terdapat distributor NaOH yang tersedia, akan terjadi ‘hujan’ kaustik dari bagian atas kolom hingga ketinggian air. Hal ini menjadikan adanya proses pengenceran dan distribusi tidak seimbang. 11
Resin kation dan anion dapat diregenerasi bersamaan untuk menghemat waktu. Jika tidak dilakukan secara serentak, proses regenerasi selalu dimulai dengan resin anion. Dalam proses condensate polishing , unit mixed bed biasanya diregenerasi secara eksternal.
1.5.6
Efisiensi Regenerasi
Gambar 9 Efisiensi regenerasi resin dengan asam hidroklorat (Dardel, 2017)
Gambar 10. Efisiensi regerasi resin dengan asam sulfat (Dardel, 2017)
12
Gambar 11 Efisiensi regenerasi resin dengan soda kaustik (Dardel, 2017) Gambar 8-10 menunjukkan konversi dari resin yang telah terpakai seluruhnya (dalam bentuk ion Na+ atau Cl-), sebagai fungsi dari dosis regeneran. Sumbu Y yaitu % Regenerasi mewakilkan persentasi konersi dari resin menjadi bentuk H+ dan OH-. Berdasarkan hal terdapat beberapa hal yang dapat diobservasi diantaranya: 1) Asam Hidroklorat lebih efisien dibandingkan asam sullfat untuk meregenerasi resin kation asam kuat (SAC) dalam bentuk Na + pada awalnya. Dengan 50g HCl/L resin, konversi dapat berlangsung hingga mencapai 60% menjadi bentuk H + sedangkan dengan 50g H2SO4, konversi hanya mencapai 40%. 2) Regenerasi dari resin anion basa kuat (SBA) dalam bentuk Cl pada awalnya dengan
menggunakan soda kaustik akan lebih sulit. Dengan 50g NaOH/L, hanya 37% dari resin yang mengalami konversi; sedangkan dengan 40 g (1 eq) hanya 32%. Sebanyak 37,5 eq NaOH (1500 g) dibutuhkan untuk mengkonversi resin SBA suit diregenerasi sibanding resin SAC adalah koefisien selektifitas. Koefisie n selektifitas Cl/OH adalah 22 sedangkan Na/H adalah 1,7.
Dalam prakteknya, resin SAC dan SBA tidak diregenerasi hingga tingkat konversi tinggi, yang mana akan menjadi tidak ekonomis jika dilihat dari sudut pandang konsumsi regeneran yang tinggi. Disisi lain, resin fungsional lemah (WAC dan WBA) memiliki kurva regenerasi mendekati linear sehingga dapat diregenerasi dengan dosis mendekati nilai stoikiometri, sehingga seluruh resin lemah tersebut terkonversi seluruhnya pada setiap re generasi.
13
1.5.7
Regenerasi Dua Resin
Ketika resin kuat dan lemah digunakan pada susuran seri, terdapat dua aturan yang harus diterapkan: 1) Air baku harus terlebih dahulu melewati resin lemah kemudian melalui resin kuat. 2) Regeneran harus melalui resin kuat terlebih dahulu kemudian diikutin dengan melalui resin lemah.
Gambar 12 Arah aliran air baku pada kolom terpisah saat proses pengolahan (Dardel, 2017)
Gambar 13 Arah aliran regeneran pada kolom terpisah saat proses regenerasi (Dardel, 2017)
Hal tersebut dilakukan karena resin lemah memiliki kapasitas tinggi dan efisiensi regenerasi yang baik, namun tidak menyisihkan seluruh ion, sehingga harus iletakkan pertama, dan kemudian resin kuat akan digunakan untuk menyisihkan apapun yang tidak dapat disisihkan oleh resin lemah, dengan efisiensi yang lebih rendah. Resin kuat membutuhkan reeneran dalam julah berlebih, sedangkan resin lemah hampir tidak membutuhkan kelebihan regeneran. Sehingga, regeneran dialirkan melalui resin kuat terlebih dahulu, kemudian resin lemah diregenerasi dengan regeneran berlebih yang keluar melalui resin kuat. Gambar
dan
merupakan reactor jenis lama, dengan aliran CFR. Pada gambar terdapat kolom kompartemen ganda untuk dua jenis resin. Hal tersebut berlaku sama untuk pasangan resin asam kuat dan asam lemah pada pertukaran kation.
14
(a)
(b)
Gambar 14 Arah aliran (a) air baku pada kolom terpisah saat proses pengolahan; (b) regeneran pada kolom terpisah saat proses regenerasi (Dardel, 2017)
1.5.8
Jenis dan Konsentrasi Regeneran
Terdapat beberapa jenis dari regeneran diantaranya adalah:
Natrium Klorida (NaCl) yang umumnya diunakan untuk meregenerasi resin kation asam kuat (SAC) dalam proses pelunakan dan resin anion basa kuat (SBA) digunakan utuk penyisihan nitrat.
Untuk pelunakan, Kalium Klorida (KCl) dapat pula digunakan ketika kehadiran natrium dalam larutan terolah tidak diinginkan.
Dalam beberapa proses pelunakan kondensat panas, ammonium klorida (NH 4Cl) dapat digunakan.
Untuk penyisihan nitrat, resin SBA dapat diregenrasi dengan senyawa lainnya yang terdapat ion klorida, seperti asam hidroklorat (HCl).
Untuk dekationisasi-langkah pertama dari proses demineralisasi-resin SAC harus diregenerasi dengan asam kuat. Asam yang paling umum adalah asam hidroklorat dan asam sulfat. o
Asam hidrokloray (HCl) sangat efisien dan tidak menyebabkan presipitasi dan bed resin.
o
Asam sulfat (H2SO4) terkadang lebih murah dan lebih mudah untuk disimpn dan ditangani secara umum, namun kurang efisien dari asam hidroklorat: kapasitas operasi resin SAC lebih rendah. Sebagai tambahan, konsentrasi re generan tersebut harus disesuaikan secara hti-hati untuk mencegah presipitasi kalsium sulfat. Apabila terbentuk presipitat CaSO4 akan sangat sulit untuk disisihkan dari bed resin.
15
o
Asam Nitrat (HNO3) secara prinsip dapat digunakan seagai regeneran, namun tidak direkomendasikan karena dapat mengakibatkan reaksi eksotermik, dalam beberapa kasus dapat menyebabkan ledakan, sehingga penggunaan asam nitrat dikatakan berbahaya.
Untuk dealkalisasi, resin kation asam lemah (WAC) paling baik diregenerasi dengan asam hidroklorat (HCl). Ketika menggunakan asam sulfat, konsentrasi harus dijaga dibawah 0,8% untuk menghindari presipitasi kalsium sulfat. Hal lainnya adalah, asam emah uga dapat meregenerasi resin WAC seperti asam asetat (CH3COOH) atau asm sitrat.
Resin SBA selalu diregenerasi dengan soda kaustik (NaOH) dalam proses demineralisasi. Potasium kaustik secara prinsip dapat digunakan namun umumnya harganya lebih mahal.
Resin WBA umumnya juga digunakan menggunakan soda kaustik, namun regeneran lainnya – alkali yang lebih lemah- dapat digunakan pula, diantaranya: o
o
o
Ammonia (NH3) Natrium Karbonat (Na2CO3) Kapur (Ca(OH)2)
Secara umum resin WAC apat diregenerasi dengan asa m yang memiliki pK a lebih rendah dari resin itu sendiri. Nilai pK a dari kebanyakan resin WAC adalah 4,4 hingga 4,8. Sehingga asam asetat (pK 4,8) dapat meregenerasi resin WAC, dan asam sitr at (3,1) efisien untung penggunaan tersebut, sementara asam karbonat (6,4) umumnya tidak efisien. Namun dalam beberapa kasus, penggunaan HCl atau H2SO4, umumnya lebih murah.
Secara umum, resin WBA dapat diregenerasi dengan alkali yang memiliki pK a lebih tinggi dari resin itu sendiri. Nilai pK a resin WBA stirenik sekitar 8,5; sedangkan WBA akriklik antara 9,5. Sehingga ammonia dengan pK a 9,3 dapat meregenerasi resin WBA stirenik. Dalam kebanyakan kasus, NaOH digunakan karena lebih murah dan lebih mudah untuk ditangani. Resin SCA dan SBA hanya dapat diregenerasi olej asam kuat atau basa kuat.
Konsentrasi resin yang umum digunakan adalah sebagai berikut:
NaCl (pelunakan dan penyisihan nitrat): 10% HCl (dekationisasi, de-alkaliasi dan demineralisasi): 5% NaOH (demineralisasi): 4%
16
H2SO4: untuk resin SAC, konsentrasi asam harus dipilih secara hati-hati antara 0,7 dan 6% sebagai fungsi dari proporsi kalsium dalam air baku (yang sama dengan resin SAC). Untuk resin WAC, konsentrasinya umumnya 0,7%. Konsentrasi yang terlalu tinggi dapat menyebabkan presipitasi kalsoum sulfat. Untuk resin SAC, konsentrasi bertahap sering digunakan: setelah tahap pertama pada konsentrasi rendah, tahap kedua dilakukan pada konsentrasi tinggi setelah sebagian besar kalsium dalam resin telah dielusi. Dalam kasus kasus langka, digunakan tiga tahapan. Tahapan pada konsentrasi yang lebih tinggi mengurangi kuantitas air pengen ceran dan meningkatkan efisiensi asam sulfat.
1.5.9
Aplikasi Khusus
Sweetening-off dan sweetening-on Pada beberapa aplikasi selain dari pengolahan air, larutan yang diolah oleh resin harus diganti sebelum regenerasi untuk memulihkan sebanyak mungkin larutan dan menghindari kehilangan dalam regenerasi limbah. Langkah tambahan ini disebung dengan sweetening-off karena pertama kali dikenalkan dalam proses pengolahan gula. Hal yang sama dalam langkah sweetening on dilakukan setelah regenerasi dan dibilas sebelum masuknya larutan baku yang akan diolah, untuk mencegah pengenceran dari larutan yang diolah. Proses regenerasi lengkap terdari dari beberapa langkah berikut: 1) Dilakukan backwash dengan larutan baku (opsional) 2) Sweetening off : penggantian larutan dengan air. 3) Regeneran diinjeksikan 4) Regeneran digantikan dengan air. 5) DIlakukan pembilasan cepat dengan air. 6) Sweetening on dengan larutan yang akan diolah.
Fraksi sweetening-off terkadang mengalami daur ulang, terutama apabila larutan mengandng komponen berharga (logam berharga, senyawa kimia yang mahal). Ketika larutan memiliki densitas tinggi yang dapat lebih tinggi dari resin, proses pengolahan – yang sering berlangsung pada laju alir rendah- dapat dilakukan dengan aliran upflow pada bed resin sehingga menghindari terjadinya proses pengambangan dan fluidisasi. Prosedur berikut sering digunakan dalam pengolahan larutan gula.
17
Merry-Go-Round (Perputaran Reaktor) Untuk meingkatkan kapasitas operasi resin, sebuah sistem terdiri dari minimal tiga kolom dapat digunakan, dimana saat dua kolom digunakan untuk mengolah, dalam rangkaian seri, reactor ketiga mengalami regenerasi sebagaimana ditunjukkan pada gambar . Saat kolom ‘Lead’ telah digunakan dan melebihi titik kebocorannya, kolom ‘Lag’ berfungsi sebagai pemoles dan menjamin kebocoan yang rencah pada larutan yang diolah.
Gambar 15 Fase pengolahan ion exchange dengan menggunakan 3 reaktor (Dardel, 2017)
2.
Catalytic Converter
Catalytic converter adalah perangkat sederhana yang menggunakan reaksi redoks dasar untuk mengurangi polutan mobil. Teknologi ini mampu mengkonversi asap berbahaya yang dihasilkan oleh mesin mobil menjadi gas yang lebih aman.
2.1
Manfaat Catalytic Converter
Catalytic converter biasanya dipasang secara seri dengan pipa knalpot kendaraan berbahan bakar bensin, dapat mengkonversi lebih dari 90 persen hidrokarbon (HC), karbon monoksida (CO) dan nitrogen oksida (NO x) dari mesin menjadi produk yang lebih aman seperti karbondioksida (CO 2), nitrogen dan uap air. Sejak catalytic converter pertama kali dipasang pada mobil pada tahun 1974, lebih dari 12 miliar ton gas buang berbahaya telah dicegah 18
memasuki atmosfer bumi. Lebih dari 96 persen mobil yang diproduksi saat ini dilengkapi dengan katalis.
Tanpa proses redoks untuk menyaring dan mengkonversi nitrogen oksida, karbonmonoksida, dan hidrokarbon, maka kualitas udara (terutama di kota-kota besar) menjadi berbahaya bagi manusia. Bahaya polutan yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar pada mesin internal kendaraan dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Dampak bahaya polutan gas Polutan
Dampak Bahaya
Nitrogen
Senyawa ini adalah dari keluarga yang sama sepert i nitrogen dioksida, asam
oksida
nitrat, dinitrogen oksida, nitrat, dan nitrit oksida. Ketika NOx dilepaskan ke udara, itu bereaksi, dirangsang oleh sinar matahari, dengan senyawa organik di udara; hasilnya adalah asap. Asap adalah polutan dan memil iki efek buruk pada paru-paru anak-anak. NOx bereaksi dengan sulfur dioksida menghasilkan hujan asam, yang sangat merusak segala sesuatu yang mendarat di. hujan asam corrodes mobil, tanaman, bangunan, monumen nasional dan mencemari danau dan sungai untuk keasaman tidak cocok untuk ikan. NO x juga dapat mengikat dengan ozon untuk menciptakan mutasi biologis (seperti asap), dan mengurangi transmisi cahaya.
Karbon
Karbon monoksida tidak berbau dan tidak berwarna. Gas karbon monoksida
monoksida
(CO) yang masuk dalam sistem peredaran darah akan menggantikan posisi oksigen dalam berikatan dengan hemoglobin (Hb) dalam darah yang mengakibatkan beberapa hal: -
Oksigen akan kalah bersaing dengan karbon monoksida sehingga kadar oksigen dalam darah manusia akan menurun drastis lalu metabolisme tubuh terganggu,
-
Gas CO akan menghambat terjadinya proses respirasi sehingga pembentukan energi tidak maksimal.
-
Karbon monoksida akan berikatan langsung dengan sel otot jantung dan sel tulang sehingga terjadi keracunan CO pada sel tersebut dan merembet pada sistem saraf manusia.
19
Polutan
Dampak Bahaya
Hidrokarbon
Menghirup hidrokarbon dari bensin, pembersih rumah tangga, propelan, minyak tanah dan bahan bakar lainnya bisa berakibat fatal untuk anak-anak. komplikasi lebih lanjut termasuk pusat gangguan sistem saraf dan masalah kardiovaskular.
2.2
Komponen Catalytic Converter
Gambar 16. Komponen catalytic converter Konverter katalitik terdiri dari beberapa komponen-komponen, seperti steel housing , substrat, washcoat , dan katalis. -
Steel housing memberikan perlindungan dan dukungan struktur untuk substrat; bahan isolasi (mat atau wire mesh) menyediakan insulasi panas dan dukungan antara steel housing dan substrat; segel ada untuk melindungi bahan mat dari yang terbakar oleh gas buang.
-
Substrat sering disebut "pendukung katalis". Pada catalytic converter modern, biasanya berbentuk sarang lebah yang terbuat dari keramik atau baja tahan karat. Substrat keramik ditemukan oleh Rodney Bagley, Irwin Lachman dan Ronald Lewis di Corning, digunakan untuk meningkatkan jumlah luas permukaan yang tersedia untuk mendukung katalis.
-
Washcoat digunakan untuk membuat konverter lebih efisien, seringkali terbuat dari campuran silika dan alumina. Ketika washcoat ditambahkan ke substrat, permukaannya kasar dan tidak beraturan, yang memiliki luas permukaan yang jauh lebih besar daripada permukaan inti yang datar, yang kemudian memberi substrat area permukaan yang lebih
20
besar, menyediakan lebih banyak lahan untuk logam mulia aktif sebagai katalitik yang ditambahkan ke washcoat (dalam suspensi) sebelum diaplikasikan ke substrat. -
Katalis seringkali merupakan logam mulia. Platinum adalah katalisator yang paling banyak digunakan. Namun, karena reaksi dan / atau biaya tambahan yang tidak diinginkan, Palladium dan rhodium adalah dua logam mulia lainnya yang digunakan. Platinum dan rhodium digunakan sebagai katalis reduksi, sedangkan platinum dan paladium digunakan sebagai katalis pengoksidasi. Cerium, besi, mangan, dan nikel juga digunakan, meski masing-masing memiliki keterbatasan tersendiri.
2.3
Prinsip Kerja Catalytic Converter
Sebelum catalytic converter dikembangkan, limbah gas dari mesin mobil keluar dari knalpot lalu langsung dibuang atmosfer. Catalytic converter dipasang antara mesin dan knalpot, tapi idak bekerja seperti filter sederhana karena terdapat perubahan komposisi kimia dari gas buang dengan menata ulang atom. Prinsip kerja catalytic converter dapat dilihat pada Gambar 1 dan tahapan kerja catalytic converter dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 17. Prinsip kerja catalytic converter
Molekul gas polutan dipompa dari mesin melalui katalis sarang lebah yang terbuat dari platinum, paladium, atau rhodium
Katalis memecah molekul menjadi atom
Atom kemudian bergabung kembali menjadi molekul zat yang relatif lebih tidak berbahaya seperti karbon dioksida, nitrogen, dan air, yang aman dikeluarkan melalui knalpot
Gambar 18. Tahapan kerja catalytic converter
21
2.4
Mekanisme Proses Catalytic Converter
Dalam kimia, katalis adalah zat yang menyebabkan atau mempercepat reaksi kimia tanpa sendirinya menjadi terpengaruh. Katalis berpartisipasi dalam reaksi, tapi bukan reaktan atau produk dari reaksi yang dikatalisiskan. Dalam tubuh manusia, enzim adalah katalis alami yang bertanggung jawab atas banyak reaksi biokimia penting.
Dalam catalytic converter , ada dua jenis katalis yang berbeda, katalis reduksi dan katalis oksidasi. Kedua tipe tersebut terdiri dari struktur keramik yang dilapisi dengan katalis logam, biasanya platinum, rhodium dan/atau paladium. Idenya adalah untuk menciptakan struktur yang mengekspos luas permukaan maksimum katalis ke aliran knalpot, sementara juga meminimalkan jumlah katalis yang dibutuhkan, karena bahannya sangat mahal. Beberapa konverter terbaru bahkan mulai menggunakan emas dicampur dengan katalis yang lebih tradisional. Emas lebih murah dari bahan lainnya dan bisa meningkatkan oksidasi, reaksi kimia yang mengurangi polutan hingga 40 persen.
Catalytic converter memiliki tiga fungsi simultan, yaitu : -
Pengurangan oksida nitrogen ke dalam unsur nitrogen dan oksigen: NOx → Nx + Ox
-
Oksidasi karbon monoksida menjadi karbon dioksida: CO + O2 → CO2
-
(9)
(10)
Oksidasi hidrokarbon menjadi karbon dioksida dan air: CxH4x + 2xO2 → xCO2 + 2xH2O
(11)
Katalis reduksi adalah tahap pertama catalytic converter . Menggunakan platinum dan rhodium untuk membantu mengurangi emisi NOx. Ketika sebuah molekul NO atau NO 2 mengalami kontak dengan katalis, katalis tersebut memisahkan atom nitrogen dari molekul dan menahannya, membebaskan oksigen dalam bentuk O 2. Atom nitrogen terikat dengan atom nitrogen lain yang juga menempel pada katalis, membentuk N 2. Persamaan reaksi katalis reduksi dapat diihat pada Persamaan 9.
Katalis oksidasi adalah tahap kedua dari catalytic converter . Tahap ini mengurangi hidrokarbon yang tidak terbakar dan karbon monoksida dengan membakar (mengoksidasi)nya dengan katalis platinum dan paladium. Katalis ini membantu reaksi CO dan hidrokarbon 22
dengan sisa oksigen dalam gas buang. Persamaan reaksi katalis oksidasi dapat dilihat pada Persamaan 10 dan Persamaan 11.
Tahap ketiga konversi adalah sistem kontrol yang memantau aliran gas buang, dan menggunakan informasi ini untuk mengendalikan sistem injeksi bahan bakar. Ada sensor oksigen yang dipasang di hulu catalytic converter, yang berarti lebih dekat ke mesin daripada konverter. Sensor ini memberi tahu komputer mesin berapa banyak oksigen yang ada di knalpot. Komputer mesin dapat meningkatkan atau mengurangi jumlah oksigen di knalpot dengan menyesuaikan rasio udara-ke-bahan bakar. Skema kontrol ini memungkinkan komputer mesin untuk memastikan mesin berjalan mendekati titik stoikiometri, dan juga untuk memastikan bahwa ada cukup oksigen di dalam knalpot untuk memungkinkan katalis oksidasi membakar hidrokarbon yang tidak terbakar dan CO.
2.5
Efektivitas Catalytic Converter
Konverter katalitik sangat baik dalam mengurangi polusi, namun masih dapat ditingkatkan secara substansial. Salah satu kekurangan terbesarnya adalah ialah hanya bekerja pada suhu yang cukup tinggi (sekitar 300°C). Jika menyalakan mobil dengan dingin, catalytic converter hampir tidak mengurangi polusi pada knalpot. Salah satu solusi sederhana untuk masalah ini adalah dengan memindahkan catalytic converter lebih dekat ke mesin. Ini berarti bahwa gas buang yang lebih panas mencapai konverter dan memanas lebih cepat, tapi ini juga dapat mengurangi umur konverter dengan mengeksposnya ke suhu yang sangat tinggi. Sebagian besar pembuat mobil menempatkan konverter di bawah kursi penumpang depan, cukup jauh dari mesin untuk menjaga agar suhu tetap turun ke tingkat yang tidak akan membahayakannya.
Catalytic converter adalah perangkat yang menggunakan logam mulia pada lapisan dalam. Tanpa logam ini, reaksi redoks tidak dapat terjadi. Ada beberapa zat dan bahan kimia yang menghambat catalytic converter yaitu:
Lead atau timbal (Pb) : kebanyakan kendaraan berjalan pada bensin tanpa timbal karena timbal telah dilarang dari bahan bakar. Namun, jika timbal ditambahkan ke bahan bakar dan dibakar, ia meninggalkan residu yang melapisi logam katalitik (Pt, Rh, Pd, dan Au) dan mencegah kontak dengan asap knalpot, yang diperlukan dalam proses reaksi redoks.
Mangan dan silikon: mangan terutama ditemukan dalam senyawa organologam MMT (methylcyclopentadienyl manganese tricarbonyl ). MMT adalah suatu senyawa yang
23
digunakan dalam pada tahun 1990 untuk meningkatkan bahan bakar oktan (lebih tinggi nilai oktan menunjukkan bahwa gas yang cenderung membakar, menyebabkan mesin meledak. Hal ini penting karena mesin berkinerja tinggi memiliki rasio kompresi yang tinggi, yang akan membutuhkan gas oktan lebih tinggi untuk jumlah kompresi dalam mesin), dan sekarang telah dilarang dijual komersial karena peraturan EPA. Silikon dapat bocor dari ruang bakar ke dalam aliran gas buang dari pendingin di dalam mesin. Kontaminan ini mencegah catalytic converter berfungsi dengan baik. Namun, proses ini bisa dibalik dengan menjalankan mesin pada suhu tinggi untuk meningkatkan aliran gas buang panas melalui konverter atau mencairkan beberapa kontaminan dan menyisihkannya dari pipa knalpot. Proses ini tidak bekerja jika logam dilapisi dengan timbal, karena memiliki titik didih yang tinggi. Jika keracunan timbal cukup parah, seluruh converter tidak berguna dan harus diganti.
Daftar Pustaka
(2017, November). Retrieved from Reduction in Emissions with Catalytic Converters: ftp://ftp.energia.bme.hu/pub/Tananyagokarchivuma/egyeb/Vegyipari_es_kornyezetvedelmi_meresekMeasurement_for_Chemical_and_Environmental_Process/catalysator.pdf Bowmannz. (2017, November). Retrieved from Catalytic Converter – Part I of Automotive After-treatment
System
:
http://www.bowmannz.com/yahoo_site_admin/assets/docs/CatalyticConverter.92123 507.pdf Explain
That
Stuff! (2017,
November).
Retrieved
from
Catalytic
Converters:
http://www.explainthatstuff.com/catalyticconverters.html How Stuff Works. (2017, November). Retrieved from How Catalytic Converters Work: https://auto.howstuffworks.com/catalytic-converter2.htm Regeneration
methods
for
ion
exchange
units,
diperoleh
melalui
situs
internet:
http://dardel.info/IX/processes/regeneration.html#top. Diakses 13 November 2017. Tchobanoglous, G., Stensel, H., Tsuchihashi, R.,and Burton, F. (2014).
Wastewater
Engineering: Treatment and Resources Recovery. New York, USA: McGrawHill Education.
24
