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. Matriks resin adalah bagian inti dari resin, sedangkan gugus fungsional berfungsi dalam mempertukarkan ion. Pada umumnya struktur matriks resin 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:
Pergerakan ion dari larutan menuju lapisan(film) atau lapisan perbatasan disekitar padatan/resin
Ion melalui perpindahan massa melewati lapisan menuju ke permukaan padatan/resin
Terjadi perpindahan massa menuju pori-pori padatan karena adanya perbedaan konsentrasi diluar dan didalam resin. Dimana konsentrasi diluar lebih tinggi dibandingkan didalam
Terjadi reaksi pertukaran ion hingga mencapai konsentrasi seimbang
Perpindahan massa melewati lapisan cairan atau lapisan perbatasan disekitar padatan/resin
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 sebanding dengan 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 dengan jari-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 Hukum Coulomb. 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=K xq x q r2
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 penukar kation 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 4 tetes 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 akhir titrasi 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 akhir titrasi. 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 berwarna merah 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 dalam penentuan 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 kecepatan pertukaran ion yang lebih rendah dibandingkan pada laju alir yang rendah. 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 dilakukan titrasi 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
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.
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.
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:
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 lebih tinggi (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 konsentrasi ion 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
COP
114850,6723 ppm
166579,2534 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 :
Menghilangkan kotoran dan gas
Kotoran-kotoran ini disebabkan oleh air sadah yang akan dilewatkan pada resin tidak disaring terlebih dahulu.
Memisahkan resin yang menggumpal
Resin yang telah mengalami proses service ketinggiannya akan semakin berkurang, karena resin akan semakin menggumpal karena tekanan air dari atas. Hal ini akan semakin mengurangi efisiensi pertukaran ion karena luas permukaan pertukaran ion pada resin semakin berkurang karena penggumpalan tersebut.
3. Mengatur ulang kembali resin
Resin yang telah melewati proses backwash akan tersusun kembali dengan baik. Kemudian, resin tersebut siap digunakan pada 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 mempertukarkan ion 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-SO3Na- + Mg2+
Gambar kurva regenerasi secara teori disajikan dalam gambar sebagai berikut :
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+).
Pada tahap kedua, ion logam yang dilepaskan oleh resin semakin lama semakin menurun. Hal ini ditunjukkan dengan menurunnya nilai Ce/Co.
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
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 regenerasi resin
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 dengan laju 30mL/menit.
5.Rinsing
Rinsing merupakan tahap akhir setelah dilakukannya regenerasi. Rinsing dibagi menjadi 2 bagian, yaitu pembilasan cepat dan pembilasan lambat. Pembilasan cepat berfungsi untuk mencuci sisa-sisa ion sedangkan pembilasan lambat berfungsi untuk mendesak regeneran keluar dari unggun resin dan juga membuang sisa-sisa pembilasan yang bergabung dengan garam dari regenerasi.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 mengalurkan nilai pH terhadap volume air keluaran kolom yang diambil setiap 25 mL. Dari hasil percobaan, diperoleh kurva rinsing sebagai berikut :
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 air demin
20mL/menit
6,8
6,6
30mL/menit
6,8
6,7
Volume MgSO4.7H2O (mL)
Ce/Co
Volume air demin (mL)
pH air demin
Volume MgSO4.7H2O (mL)
Ce/Co
