ekstraksi padat cair

Panduan Pelaksanaan Laboratorium Instruksional I/II

Departemen Teknik Kimia ITB

MODUL 2.06 Ekstraksi Padat Cair

I. Pendahuluan

Ekstraksi padat cair, yang sering disebut leaching, adalah proses pemisahan zat yang dapat melarut (solut) dari suatu campurannya dengan padatan yang tidak dapat larut (innert ) dengan menggunakan pelarut cair. Operasi ini sering dijumpai di dalam industri metalurgi dan farmasi, misalnya pada pemisahan biji emas, tembaga dari biji-bijian logam, produk-produk farmasi dari akar atau daun tumbuhan tertentu. Hingga kini, teori tentang leaching masih leaching masih sangat kurang, misalnya mengenai laju operasinya sendiri belum banyak diketahui orang, sehingga untuk merancang peralatannya sering hanya didasarkan pada hasil percobaan saja.

II. Tujuan

Dengan melakukan praktikum ini praktikan mempelajari operasi ekstraksi padat cair untuk sistem 3 komponen, dengan tujuan: 1. mengamati pengaruh beberapa besaran terhadap efisiensi operasi seperti ukuran partikel, jumlah pelarut, waktu pengontakan, dan sebagainya 2. membuat data kesetimbangan untuk sistem tiga komponen tersebut di atas

III. Sasaran

Sebagai hasil praktikum ekstraksi padat cair, praktikan di harapkan dapat: 1. Membuat data kesetimbangan sistem 3 komponen. 2. Menentukan efisiensi tahap pemisahan untuk beberapa kemungkinan konfigurasi operasi, seperti cocurent, counter curent, cross curent, dan sebagainya.

IV. Tinjauan Pustaka

IV.1

Peralatan Ekstraksi

Operasi ekstraksi padat cair selalu terdiri atas 2 langkah, yaitu:

-1/14-



1. Kontak antara padatan dan pelarut untuk mendapatkan perpindahan solut ke dalam pelarut 2. Pemisahan larutan yang terbentuk dari padatan sisa

Dikenal 2 jenis alat pengontak padatan dengan pelarut: 1. Alat dengan unggun tetap ( fixed bed ), dimana pelarut dilewatkan melalui partikel padatan, yang tersusun dalam suatu unggun tetap 2. Alat dengan kontak terdispersi (dispersed contact ), dimana partikel padatan didispersikan dalam pelarut, sehingga di samping terjadi pergerakan relatif antara partikel padatan dan pelarut terdapat pula pergerakan relatif antara partikel padatan itu sendiri. Alat ekstraksi dengan unggun tetap yang paling sederhana terdiri dari tangki terbuka dengan dasar berlubang-lubang. Ke dalam tangki tersebut diisikan padatan, sebagai unggun tetap, sedang pelarut dialirkan secara gravitasi atau secara paksa dengan menggunakan pompa. Contoh alat ekstraksi jenis ini adalah leaching tank . Di dalam tangki ini padatan dan npelarut diaduk bersama dan kemudian dipisahkan. Pemisahan dapat dilaksanakan di dalam tangki yang sama maupun dalam satu unit yang terpisah, dengan cara dekantasi atau filtrasi.

IV.2

Metoda Operasi

Dikenal 4 jenis metoda operasi ekstraksi padat-cair. Berikut ini disajikan uraian singkat mengenai masing-masing metoda tersebut: 1. Operasi dengan Sistem Bertahap Tunggal Dengan metoda ini, pengontakan antara padatan dan pelarut dilakukan sekaligus, dan kemudian disusul dengan pemisahan larutan dari padatan sisa. Cara ini jarang ditemukan dalam operasi industri karena perolehan solut yang rendah.

Gambar 1 Sistem operasi ekstraksi bertahap tunggal

Modul 2.06 Ekstraksi Padat Cair

Halaman 2 dar 14



2. Operasi dengan sistem bertahap banyak dengan aliran sejajar atau aliran silang Operasi ini dimulai dengan pencampuran umpan padatan dan pelarut dalam tahap pertama; kemudian aliran bawah dari tahap ini dikontakkan dengan pelarut baru pad a tahap berikutnya, dan demikian seterusnya. Larutan yang diperoleh sebagai aliran atas dapat dikumpulkan menjadi satu seperti yang terjadi pada sistem dengan aliran sejajar, atau ditampung secara terpisah, seperti pada sistem dengan aliran silang.

Gambar 2 Sistem bertahap banyak dengan aliran sejajar

Gambar 3 Sistem bertahap banyak dengan aliran silang

3. Operasi secara kontinu dengan aliran berlawanan Dalam sistem ini, aliran bawah dan atas mengalir secara berlawanan. Operasi dimulai pada tahap pertama dengan mengontakkan larutan pekat yang merupakan aliran atas tahap kedua, dan padatan baru. Operasi berakhir pada tahap ke-n (tahap terakhir), dimana terjadi pencampuran antara pelarut baru dan padatan yang berasal dari tahap ke-n (n-1). Dapat dimengerti bahwa sistem ini memungkinkan didapatkannya perolehan solut yang tinggi, sehingga banyak digunakan di dalam industri.

Gambar 4 Sistem bertahap banyak dengan aliran berlawanan


Halaman 3 dar 14



4. Operasi secara batch dengan sistem bertahap banyak dengan aliran berlawanan Sistem ini terdiri dari beberapa unit pengontak batch yang disusun berderet atau dalam lingkaran yang dikenal sebagai rangkaian ekstraksi (extraction battery). Di dalam sistem ini, padatan dibiarkan stationer dalam setiap tangki dan dikontakkan dengan beberapa larutan yang konsentrasinya makin menurun. Padatan yang hampir tidak mengandung solut meninggalkan rangkaian setelah dikontakkan dengan pelarut baru, sedangkan larutan pekat sebelum keluar dari rangkaian terlebih dahulu dikontakkan dengan padatan baru di dalam tangki yang lain.

Langkah pertama

Langkah kedua

Gambar 5 Operasi batch bertahap empat dengan aliran berlawanan

IV.3

Perhitungan Ekstraksi Padat Cair

Untuk merancang peralatan ekstraksi padat-cair perlu dilakukan tahapan perancangan berikut: 1. menghitung jumlah tahap yang diperlukan untuk memperoleh solut dalam jumlah tertentu, dengan data yang ada: kadar solut di dalam campuran padatan umpan, dan konsentrasi solut dalam larutan pada akhir tahap operasi 2. menghitung jumlah solut yang dapat dipisahkan dari campuran umpan dengan menggunakan beberapa data yang diketahui seperti kadar zat terlarut dalam padatan umpan, jumlah tahap pencucian, dan metoda operasi yang dipilih. Untuk menghitungan besaran-besaran yang diperlukan dalam perancangan alat ekstraksi padat cair dikenal 3 metoda, yaitu: 1. cara aljabar (tahap demi tahap) 2. cara analitik, dan 3. cara grafik.


Halaman 4 dar 14



Seperti pada operasi perpindahan massa yang lain, perhitungan secara grafik adalah yang termudah. Untuk selanjutnya, pada bab ini hanya akan diuraikan dengan singkat mengenai metoda perhitungan tersebut.

IV.4

Tata Laksana Perhitungan

Dasar perhitungan yang digunakan adalah: -

neraca bahan

-

data kesetimbangan antara fasa padat dan fasa cair di dalam campuran Untuk maksud perhitungan ini, campuran dianggap terdiri dari tiga komponen,

yaitu: -

padatan yang tidak larut (B)

-

satu solut tunggal yang dapat berbentuk padatan atau cairan (C)

-

suatu pelarut (A) Sistem 3 komponen ini dapat digambarkan dalam koordinat segitiga atau segi

empat. Pemekaian koordinat segi empat akan lebih menguntungkan untuk keperluan perhitungan jumlah tahap operasi, karena alasan ketelitian pada penempatan titik-titik dalam koordinat tersebut. Sebagai ordinat pada sistem ini adalah konsentrasi innert (n), yang dinyatakan sebagai perbandingan berat padatan innert dan larutan (B/(A+C)); sedang absisnya adalah fraksi berat solut di dalam aliran atas (x) dan di dalam aliran bawah (y), yang keduanya dinyatakan sebagai perbandingan berat solut dan larutan saja (C/(A+C)), tanpa memperhitungkan padatan B.

IV.4.1

Neraca Bahan

IV.4.1.1 Sistem Bertahap Tunggal

Untuk sistem ini neraca massa adalah sebagai berikut: a. Neraca massa innert B = NF.F = E1.N1

(1)

b. Neraca massa zat terlarut F.yF + R 0.x0 = E1.y1 + R 1.x1

(2)

c. Neraca massa pelarut F.(1-yF ) + R 0.(1- x0 ) = E1.(1-y1) + R 1.(1-x1)

(3)

d. Neraca untuk larutan (A+C) F + R 0 = E1 + R 1 = M1


(4)

Halaman 5 dar 14



Disini M1 menyatakan jumlah campuran secara keseluruhan (innert+solut+pelarut). Untuk meletakkan titik M1 ini di dalam koordinat segi empat, terlebih dahulu harus dihitung:

N M1 =

y M1 =

B F + R 0

=

B M1

y F .F + R 0 .x 0 F + R 0

(5)

(6)

Gambar 6 Perhitungan secara grafik untuk sistem bertahap tunggal


Halaman 6 dar 14



Keterangan: A = jumlah pelarut murni B = jumlah innert C = jumlah zat terlarut E = jumlah larutan yang berada bersama padatan F = jumlah larutan yang berada bersama padatan umpan M = jumlah total larutan dalam campuran N = B/(A+C) R = jumlah larutan dalam aliran atas x = C/(A+C) dalam aliran atas y = C/(A+C) dalam aliran bawah

IV.4.1.2 Sistem Bertahap Banyak dengan Aliran Berlawanan

Pada dasarnya, penulisan neraca massa untuk sistem ini sama dengan pada sistem bertahap tunggal. Neraca massa total utnuk larutan: F + R n+1 = R 1 + En = M

(7)

Sedangkan untuk terlarut, neraca massa totalnya adalah: F.yF + R n+1 . xn+1 = R 1 x1 + En yn = M ym

(8)

Dari persamaan-persamaan di atas dapat diturunkan hubungan yang menyatakan koordinat-koordinat titik M:

N M1 =

yM

=

B F + R n

(9) 1

+

y F .F + R n 1 .x n +

F + R n

1

+

(10)

1

+

Dengan menyusun kembali persamaan akan didapt persamaan berikut F - R 1 = En – R n+1 = R

(11)

Persamaan ini berlaku pula untuk tahap-tahap yang lain: F – R 1 = E2 –R 2 –R 2 = E3 – R 3 = R

(12)

R merupakan perbedaan jumlah aliran bawah dan atas pada setiap tahap. Bila data kesetimbangan suatu sistem 3 komponen yang terlibat dalam operasi ini diketahui, maka dengan menggunakan persamaan-persamaan di atas, jumlah tahap yang diperlukan untuk memperoleh solut dalam jumlah t ertentu dapat dihitung secara grafik.


Halaman 7 dar 14



Gambar 7 Perhitungan secara grafik untuk sistem bertahap banyak dengan aliran berlawanan


Halaman 8 dar 14



IV.4.3 Data Kesetimbangan

Telah disinggung di atas, bahwa untuk melakukan perhitungan secara grafik diperlukan data kesetimbangan, yang dalam hal operasi ekstraksi padat cair merupakan kesetimbangan antara larutan dalam aliran atas dan larutan yang terdapat bersama padatan di dalam aliran bawah. Data kesetimbangan tersebut dapat diperoleh dari percobaan.

V. Rancangan Percobaan

Pada percobaan ini dilakukan pemisahan NaOH, hasil reaksi kostisasi antara soda abu (Na2CO3) dan lumpur Ca(OH)2, dari padatan innert (CaCO3) dengan menggunakan air sebagai pelarutnya.

V.1

Perangkat dan Alat Ukur

1. Gelas piala 2. Pengaduk beserta motornya 3. Perangkat titrasi seperti pada Gambar.... 4. Piknometer 5. Timbangan/ neraca

V.2

Bahan/ Zat Kimia

1. NaHCO3 2. Ca CO3 3. Air

V.3

Tata Kerja

V.3.1

Ekstraksi Padat Cair

Langkah-langkah operasi ekstraksi ini ditunjukkan pada Gambar 8 di bawah ini:


Halaman 9 dar 14



Gambar 8 Diagram Ekstraksi Padat Cair

Skema langkah-langkah operasi ekstraksi batch bertahap 4 dengan aliran berlawanan. Keterangan: -

langkah 1 sampai dengan langkah 4 merupakan langkah pendahuluan, sedang langkah-langkah 5 sampai dengan 8 adalah langkah operasi yang sesungguhnya. Diharapkan pada langkah yang disebut terakhir ini operasi telah berada pada keadaan tunak

-

jumlah tahap yang digunakan pada operasi ini adalah empat tahap

-

pada langkah pertama, campuran larutan jenuh Na2CO3 dan bubur Ca(OH)2 dengan perbandingan tertentu dimasukkan ke dalam gelas piala 4; kemudian pada campuran ditambahkan sejumlah tertentu H2O

-

setalah diaduk dan dibiarkan selama waktu tertentu, larutan dipisahkan dari padatan yang ada

-

pada langkah kedua, pelarut baru ditambahkan ke dalam gelas piala 4 yang masih berisi padatan sisa pada langkah p ertama

-

setelah diaduk dan dibiarkan selama jangka waktu tertentu, larutan dipisahkan dari padatannya, dan ditambahkan ke dalam gelas piala 3 yang telah diisi campuran larutan jenuh soda abu Na2CO3 dan bubur Ca(OH)2


Halaman 10 dar 14



-

demikian seterusnya, langkah-langkah percobaan ini dilakukan seperti yang digambarkan skema di atas.

Berikut adalah diagram alir pelaksanaan praktikum ekstraksi padat cair: Lar. Jenuh Na 2CO3

Bubur Ca(OH)2

Nomori Gelas Piala 1,2,3,4

Campurkan Masukkan H2O

Gelas Piala 4 Aduk, biarkan selama waktu tertentu sampai terbentuk endapan Terbentuk larutan dan padatan Pisahkan

H2O

Padatan

Larutan

Aduk, biarkan selama waktu tertentu sampai terbentuk endapan Terbentuk larutan dan padatan H2O

Lar. Jenuh Na 2CO3 Pisahkan

Campurkan

Padatan

Larutan

Aduk, biarkan selama waktu tertentu sampai terbentuk endapan

Masukkan Gelas Piala 3 Aduk, biarkan selama waktu tertentu sampai terbentuk endapan

Terbentuk larutan dan adatan

Pisahkan Padatan

H2O

Terbentuk larutan dan adatan Larutan


Pisahkan

Lar. Jenuh Na 2CO3

Pisahkan Padatan

Gelas Piala 2 Aduk, biarkan selama waktu tertentu sampai terbentuk endapan

Terbentuk larutan dan padatan

Larutan

Bubur Ca(OH)2 Campurkan

Larutan


Terbentuk larutan dan padatan

Padatan

Bubur Ca(OH)2

Terbentuk larutan dan adatan Pisahkan

Padatan

Larutan

Pisahkan Padatan

Larutan

Pekerjaan tersebut dengan cara yang sama diteruskan sampai 8 tahap ekstraksi dengan prosedur pencampuran sesuai Gambar 8.


Halaman 11 dar 14



Ketentuan penggunaan Gambar 8 sebagai berikut: 1

=

Ekstrasksi di Gelas Piala ke-1, campurtkan, aduk, biarkan sampai mengendap

2

= Ekstrasksi di Gelas Piala ke-2, campurtkan, aduk, biarkan sampai mengendap

3

=


4

=


= aliran H2O = aliran umpan segar larutan Na2CO3 dan bubur Ca(OH)2 = aliran larutan = aliran padatan

V.3.2

Pengamatan Data Kesetimbangan

Percobaan guna mendapakan data kesetimbangan dilakukan dengan peralatan yang sama dengan yang digunakan pada percobaan ekstraksi. Langkah-langkah percobaannya adalah sebagai berikut: 1. Ke dalam gelas piala yang berisi campuran larutan jenuh Na2CO3 dan bubur Ca(OH) 2 ditambahkan air dalam jumlah

tertentu. Volume campuran ini

kemudian harus diukur 2. Setelah campuran tersebut diaduk dan dibiarkan selama jangka waktu tertentu, larutan yang berada di atas padatan diipisahkan dengan cara dekantasi. Larutan yang berhasil dipisahkan diukur volumenya dan ditentukan konsentrasi solut yang terkandung di dalamnya. 3. Ke dalam padatan yang tertinggal di dalam gelas piala kemudian ditambahkan air yang sama jumlahnya dengan larutan yang berhasil dipisahkan pada langkah 2


Halaman 12 dar 14



4. Langkah 2 dan 3 ini diulang beberapa kali, dan dihentikan bila konsentrasi solut dalam larutan mencapai suatu harga yang sukar untuk ditentukan dengan cara titrasi biasa. 5. Langkah terakhir yang harus dilakukan adalah mengukur volume padatan sisa (atas dasar padatan kering). Dengan hasil pengamatan di atas, kurva kesetimbangan aliran atas dan bawah dapat digambarkan. Lar. Jenuh Na2CO3

Bubur Ca OH

2

Campurkan Ukur Vol. campuran H2O

Gelas Piala

Data Volume Campuran

Aduk, biarkan selama waktu tertentu sampai terbentuk endapan Terbentuk larutan dan padatan

Pisahkan dengan DEKANTASI Padatan H2O vol. = vol lar. (1)

Larutan

Ukur Vol.

Pada iterasi terakhir, keringkan padatan dan ukur volumenya

Data Volume padatan sisa atas dasar padatan kering Plot dalam grafik

Data Volume Larutan 1 Lakukan titrasi Hitung kosentrasi solut Data Konsentrasi Solut Titrasi sampai konsentrasi solut sangat kecil (tidak dapat ditentukan dengan titrasai biasa END

Kurva kesetimbangan aliran atas dan aliran bawah Lakukan iterasi (pengulangan prosedur) dengan mentitrasi hasil pemisahan solut sampai konsentrasi solut sangat kecil (tidak dapat d itentukan dengan titrasai biasa


Halaman 13 dar 14



Daftar Pustaka

1. Mc Cabe, W.L., Unit Operation of Chemical Engineering, 3rd Edition, McGraw-Hill Book Co., New York, 1978, Chapter 19 2. Treybal, R.E., Mass Transfer Operations, McGraw-Hill, 1981 Chapter 9 3. Perry, R., Green, D.W., and Maloney, J.O., Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, 6th Edition, McGraw-Hill, Japan, 1984 4. Buku-buku Unit Operations lainnya yang memuat bahasan Ekstraksi Padat-Cair


Halaman 14 dar 14

ekstraksi padat cair

Recommend Documents