MAKALAH ION EXCHANGER PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA 2
KELOMPOK A- 17 YUDHISTIRA P
3335100373
RISKA RISTIYANTI
3335100599
RENNIEDA SOLIANA PUTRI
3335100685
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA CILEGON-BANTEN 2013
A. Kesadahan
Kesukaran pembentukan busa oleh sabun dalam air merupakan indikasi kesadahan air. Kesadahan air terutama diakibatkan oleh adanya ion-ion kalsium dan magnesium. Sabun dalam air bereaksi lebih dulu dengan ion-ion ini sebelum dapat berfungsi untuk menurunkan tegangan permukaan air. Senyawa kalsium, magnesium dan senyawa lain yang bereaksi dengan sabun, mempunyai ukuran yang disebut kesadahan total (total hardness). Kesadahan total dari sudut kationnya merupakan jumlah kesadahan kalsium dan kesadahan magnesium, atau : TH
CaH + MgH
(1)
kesadahan total dari sudut anionnya dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu kesadahan karbonat atau kesadahan sementara dan kesadahan non-karbonat atau kesadahan tetap, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut : TH
KH + NH
(2)
dengan : TH : Kesadahan Total CaH : Kesadahan Kalsium = Kadar Ca2+ MgH : Kesadahan Magnesium = Kadar Mg2+ KH : Kesadahan Karbonat = Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 NH : Kesadahan non-Karbonat = CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2, dsb. Satuan yang dipakai untuk menyatakan kesadahan, adalah sebagai berikut : - milival (mval) = miligram equivalent perliter - mg/l = ppm sebagai CaCO3 - od = Derajat kesadahan Jerman = 5,6 mg CaO/liter Hubungan antara satuan-satuan tersebut adalah sebagai berikut : 1 mval = 50 mg/l sebagai CaCO3 = 2,8 °d Kerugian yang dapat timbul akibat adanya kesadahan dalam air industri diantaranya adalah pembentukan kerak dalam ketel dan sistem pendingin, selain itu pemakaian sabun akan meningkat bila kesadahan terdapat dalam air pencuci.
B. Pertukaran Ion
Pertukaran ion secara luas digunakan untuk pengolahan air dan limbah cair, terutama digunakan pada proses penghilangan kesadahan dan dalam proses demineralisasi air.
C. Prinsip-prinsip Pertukaran Ion
Pertukaran ion adalah sebuah proses fisika-kimia. Pada proses tersebut senyawa yang tidak larut, dalam hal ini resin, menerima ion positif atau negatif tertentu dari larutan dan melepaskan ion lain ke dalam larutan tersebut dalam jumlah ekivalen yang sama. Jika ion yang dipertukarkan berupa kation, maka resin tersebut dinamakan resin penukar kation, dan jika ion yang dipertukarkan berupa anion, maka resin tersebut dinamakan resin penukar anion. Contoh reaksi pertukaran kation dan reaksi pertukaran anion disajikan pada reaksi (3) dan (4) di bawah ini : Reaksi pertukaran kation : 2NaR (s) + CaCl2 (aq)
CaR(s) + 2 NaCl(aq)
(3)
R2SO4(s) + 2 NaCl
(4)
Reaksi pertukaran anion : 2RCl (s) + Na2SO4
Reaksi (3) menyatakan bahwa larutan yang mengandung CaCl2 diolah dengan resin penukar kation NaR, dengan R menyatakan resin. Resin mempertukarkan ion Na+ larutan dan melepaskan ion Na+ yang dimilikinya ke dalam larutan. Secara ilustratif hal ini diberikan pada Gambar 1. Proses penukaran kation yang diikuti dengan penukaran anion untuk mendapatkan air demin ( demineralized water ) diberikan pada Gambar 2. Tahap terjadinya reaksi pertukaran ion disebut tahap layanan ( service). Jika resin tersebut telah mempertukarkan semua ion Na+ yang dimilikinya, maka reaksi pertukaran ion akan terhenti. Pada saat itu resin dikatakan telah mencapai titik habis (exhausted ), sehingga harus diregenerasi dengan larutan yang mengandung ion Na+ seperti NaCl. Tahap regenerasi
merupakan kebalikan dari tahap layanan. Reaksi yang terjadi pada tahap regenerasi merupakan kebalikan reaksi (3). Resin penukar kation yang mempertukarkan ion Na+ tahap tersebut di atas dinamakan resin penukar kation dengan siklus Na. Resin penukar kation dengan siklus H akan mempertukarkan ion H+ pada tahap layanan dan regenerasi
Gambar 1. Proses penukaran
Gambar 2. Proses Demineralisasi
ion Ca dengan Na (Pelunakan)
D. Jenis-jenis Resin Penukar Ion
Berdasarkan jenis gugus fungsi yang digunakan, resin penukar ion dapat dibedakan menjadi empat jenis, yaitu : 1. resin penukar kation asam kuat 2. resin penukar kation asam lemah 3. resin penukar anion basa kuat, dan 4. resin penukar anion basa lemah
Resin penukar kation mengandung gugus fungsi seperti sulfonat (R-SO3H), phosphonat (R-PO3H2), phenolat (R-OH), atau karboksilat (R-COOH), dengan R menyatakan resin. Gugus fungsi pada resin penukar ion asam kuat adalah asam kuat seperti sulfonat, phosphonat, atau phenolat, dan gugus fungsi pada resin penukar asam lemah adalah karboksilat. Gugus fungsi pada resin penukar anion adalah senyawa amina (primer/R-NH2, sekunder/R-N2H, tersier/R-R'2N) dan gugus ammonium kuartener (R-NR'3/tipe I, R-R'3N+OH/tipe II), dengan R' menyatakan radikal organik seperti CH3. Resin anion yang mempunyai gugus fungsi ammonium kuartener disebut resin penukar anion basa kuat dan resin penukar anion basa lemah mempunyai gugus fungsi selain ammonium kuartener.
1. Resin Penukar Kation Asam Kuat Resin penukar kation asam kuat yang beroperasi dengan siklus H, regenerasi dilakukan menggunakan asam HCl atau H2SO4. Reaksi pada tahap layanan adalah sebagai berikut :
(5)
Konsentrasi asam keseluruhan yang dihasilkan oleh reaksi (5) disebut Free Mineral Acid (FMA). Jika nilai FMA turun, berarti kemampuan resin mendekati titik-habis dan regenerasi harus dilakukan. Reaksi pada tahap regenerasi adalah sebagai berikut :
(6)
2. Resin Penukar Kation Asam Lemah Gugus fungsi pada resin penukar kation asam lemah adalah karboksilat (RCOOH). Jenis resin ini tidak dapat memisahkan garam yang berasal dari asam kuat dan basa kuat, tetapi dapat menghilangkan kation yang berasal dari garam bikarbonat untuk membentuk asam karbonat, atau dengan kata lain resin ini hanya dapat menghasilkan asam yang lebih lemah dari gugus fungsinya. Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap layanan untuk resin penukar kation asam lemah dengan siklus H, dinyatakan oleh reaksi-reaksi berikut ini :
(7)
Larutan regenerasi dan reaksi yang terjadi pada tahap regenerasi identik dengan resin penukar kation asam kuat.
3.
Resin Penukar Anion Basa Kuat penukar kation asam kuat siklus hidrogen akan mengubah garam-garam
terlarut menjadi asam (reaksi 6), dan resin penukar anion basa kuat akan menghilangkan asam-asam tersebut, termasuk asam silikat dan asam karbonat. Reaksireaksi yang terjadi pada tahap layanan dan regenerasi adalah sebagai berikut : Operasi layanan : (8)
(9)
Regenerasi :
(10)
(11)
4. Resin Penukar Anion Basa Lemah Resin penukar anion basa lemah hanya dapat memisahkan asam kuat seperti HCl dan H2SO4 , tetapi tidak dapat menghilangkan asam lemah seperti asam silikat dan asam karbonat, oleh sebab itu resin penukar anion basa lemah acap kali disebut sebagai acid adsorbers. Reaksi-reaksi yang terjadi pada tahap layanan adalah sebagai berikut : (12)
Resin penukar anion basa lemah dapat diregenerasi dengan NaOH, NH4OH atau N2CO3 seperti ditunjukkan oleh reaksi di bawah ini : (13)
E. Operasi Sistem Pertukaran Ion
Operasi sistem pertukaran ion dilaksanakan dalam empat t ahap, yaitu : 1. tahap layanan ( service) 2. tahap pencucian balik (backwash) 3. tahap regenerasi, dan 4. tahap pembilasan Tahapan-tahapan tersebut dapat pula dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Tahapan-tahapan operasi dalam sistem pertukaran ion
1. Tahap Layanan Tahap layanan adalah tahap dimana terjadi reaksi pertukaran ion, seperti ditunjukkan oleh reaksi-reaksi (5), (6), (7), (8) dan (11) di atas. Watak tahap layanan ditentukan oleh konsentrasi ion yang dihilangkan terhadap waktu, atau volume air produk yang dihasilkan. Hal yang penting pada tahap layanan adalah 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 layanan ini dilakukan dengan cara mengalirkan air umpan dari atas (down flow).
2. Tahap Pencucian Balik Tahap pencucian balik dilakukan jika kemampuan resin telah mencapai titik habis. Sebagai pencuci digunakan air produk. Pencucian balik mempunyai sasaran sebagai berikut : 1. pemecahan resin yang tergumpal 2. penghilangan partikel halus yang terperangkap dalam ruang antar resin 3. penghilangan kantong-kantong gas dalam unggun, dan 4. pembentukan ulang lapisan resin Pencucian balik dilakukan dengan pengaliran air dari bawah ke atas (up flow). Pada tahap ini terjadi pengembangan unggun antara 50 hingga 70%.
3. Tahap Regenerasi
Tahap regenerasi adalah operasi penggantian ion yang terserap dengan ion awal yang semula berada dalam matriks resin dan pengembalian kapasitas ke tingkat awal atau ke tingkat yang diinginkan. Larutan regenerasi harus dapat
menghasilkan titik puncak (mengembalikan waktu regenerasi dan jumlah larutan yang digunakan). Jika sistem dapat dikembalikan ke kemampuan pertukaran awal, maka ekivalen ion yang digantikan harus sama dengan ion yang dihilangkan selama tahap layanan. Jadi secara teoritik, jumlah larutan regenerasi (dalam ekivalen) harus sama dengan jumlah ion (dalam ekivalen) yang dihilangkan ( kebutuhan larutan regenerasi teoritik ). Operasi regenerasi agar resin mempunyai kapasitas seperti semula sangat mahal, oleh sebab itu maka regenerasi hanya dilakukan untuk menghasilkan sebagian dari kemampuan pertukaran awal. Upaya tersebut berarti bahwa regenerasi ditentukan oleh tingkat regenerasi (regeneration level ) yang diinginkan. Tingkat regenerasi dinyatakan sebagai jumlah larutan regenerasi yang digunakan per volume resin. Perbandingan kapasitas operasi yang dihasilkan pada tingkat regenerasi tertentu dengan kapasitas pertukaran yang secara teoritik yang dapat dihasilkan pada tingkat regenerasi itu disebut efisiensi regenerasi . Efisiensi regenerasi resin penukar kation asam kuat yang
diregenerasi dengan H2 anion basa kuat yang diregenerasi dengan NaOH antara 20-50%, oleh sebab itu pemakaian larutan regenerasi 2-5 kali lebih besar dari kebutuhan teoritik. Pada resin penukar kation asam lemah dan resin penukar anion basa lemah efisiensi dapat mendekati harga 100%, atau dengan kata lain kebutuhan larutan regenerasi untuk resin penukar golongan lemah lebih sedikit. Hal tersebut dapat dijelaskan dengan dua alasan. Pertama, kekariban resin golongan lemah dengan ion H dan ion OH lebih besar dibandingkan dengan resin golongan kuat. Kedua, nilai koefisien selektivitas untuk regenerasi adalah kebalikan dari koefisien selektivitas untuk pertukaran awal. Besaran untuk menyatakan tingkat efisiensi penggunaan larutan regenerasi adalah nisbah regenerasi (regeneration ratio) yang didefinisikan sebagai berat larutan regenerasi dinyatakan dalam ekivalen atau gram CaCO3 dibagi dengan beban pertukaran ion yang dinyatakan dalam satuan yang sama. Semakin rendah nisbah regenerasi, semakin efisien penggunaan larutan regenerasi. Harga nisbah regenerasi merupakan kebalikan harga efisiensi
regenerasi. Operasi regenerasi dilakukan dengan mengalirkan larutan regenerasi dari atas.
4. Tahap Pembilasan Tahap pembilasan dilakukan untuk menghilangkan sisa larutan regenerasi yang terperangkap oleh resin. Pembilasan dilakukan menggunakan air produk dengan aliran down flow dan dilaksanakan dalam dua tingkat, yaitu : a.
tingkat laju alir rendah untuk menghilangkan larutan regenerasi, dan
b.
tingkat laju alir tinggi untuk menghilangkan sisa ion. Limbah pembilasan tingkat laju alir rendah digabungkan dengan larutan garam dan dibuang, sedangkan limbah pembilasan tingkat laju alir tinggi disimpan dan digunakan sebagai pelarut senyawa untuk regenerasi.
5. Penghilangan Gas (Deaerator) Penghilangan gas dilakukan sebelum air keluaran kolom kation diolah di kolom resin penukar anion dimaksudkan untuk mengurangi beban pertukaran pada kolom penukar anion, yang berarti juga mengurangi penggunaan larutan regenerasi. Setelah tahap pertukaran kation di resin penukar kation siklus hidrogen, alkalinitas bikarbonat yang dikandung dalam air umpan akan dikonversi menjadi asam karbonat dan karbon dioksida, seperti disajikan pada reaksi (14) di bawah ini : CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3
-
Hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut : karena air keluaran resin penukar kation bersifat asam, maka reaksi kesetimbangan di atas akan bergeser ke kiri. Air yang diolah di kolom degasifier mengandung karbon dioksida yang ekivalen dengan alkalinitas bikarbonat ditambah dengan jumlah karbon dioksida yang larut dalam air tersebut. Cara kerja kolom degasifier mengikuti teori-teori yang berlaku untuk proses stripping (pelucutan). Kandungan CO2 dalam air dilucuti menggunakan udara yang dihembuskan oleh blower (Gambar 4) atau secara vakum (Gambar 5). Pemakaian kolom degasified dapat mengurangi kandungan karbon dioksida menjadi 5 mg/l.
Gambar 4. Penghilangan gas dengan menggunakan blower ( Forced Draft Aerator )
Gambar 5. Deaerator secara vakum F. Mengoperasikan Alat Penukar Ion
Pada proses kolom ganda, air mentah mula-mula masuk ke dalam kolom penukar kation. Di sini sernua kation yang terkandung dalam air (terutama ion kalsium, magnesium dan natrium) ditukar dengan ion hidrogen. Dalarn kolom berikutnya yang berisi penukar anion, maka anion (terutama ion khlorida, sulfat dan bikarbonat) ditukar dengan ion hidroksil. Ion hydrogen yang berasal dari penukar kation dan ion hidroksil dari penukar anion akan membentuk ikatan dan menghasilkan air. Setelah air terbentuk maka resin penukar ion harus diregenerasi. Pelaksanaan regenerasi pada proses kolorn
ganda sangat sederhana. Ke dalam kolom penukar kation dialirkan asarn khlorida encer dan ke dalam kolom penukar anion dialirkan larutan natrium hidroksida encer. Regeneran yang berlebihan selanjutnya dibilas dengan air. Pada proses unggun campuran - kolom tunggal, resin penukar kation dan penukar anion dicampur menjadi satu dalam sebuah kolom tunggal. Dengan proses unggun campuran dapat dicapai tingkat kemurnian air yang jauh lebih tinggi daripada dengan proses kolom ganda. Sebaliknya, pada proses unggun campuran regenerasi resin penukar lebih kompleks.
Gambar 6. Pengopeasian alat penukar ion Langkah-langkah kerja pada regenerasi unggun campuran: Pernisahan resin penukar kation dan penukar anion dengan cara klasifikasi menggunakan air (pencucian kembali dari bawah ke atas). Dalam hal ini resin penukar anion yang lebih ringan (kebanyakan berwarna lebih terang) akan berada di atas resin penukar kation yang lebih berat (kebanyakan berwarna lebih gelap). Pencucian kembali harus dilangsungkan terus sampai di antara kedua resin terlihat suatu lapisan pemisah yang tajam.
Untuk regenerasi, regeneran bersama dengan air dialirkan melewati kedua lapisan resin Asam khlorida encer dialirkan dari bawah ke atas melewati resin penukar kation, dan dikeluarkan dari kolom pada ketinggian lapisan pernisah. Larutannatrium hidroksida encer dialirkan dari atas ke bawah melewati resin penukar anion, juga dikeluarkan pada keting gian lapisan pemisah.
Kelebihan kedua regeneran kemudian dicuci dengan air.
Ketinggian permukaan air dalam kolom diturunkan dan kedua resin penukar dicampur dengan cara memasukkan udara tekan dari ujung bawah kolom.
Peneucian ulang unggun campuran dengan air dari atas ke bawah, sampai alat ukur konduktivitas menunjukkan kondisi kemurnian air yang diinginkan.
Gambar 7. Alat penukar ion di industri Sekarang instalasi siap untuk dioperasikan lagi. Baik pada instalasi pclunakan maupun pada instalasi demineralisasi air, maka pengalihan dari kondisi operasi ke proses regenerasi, pelaksanaan regenerasinya sendiri, dan pengalilian kembah ke kondisi operasi dapat dilakukan baik secara manual maupun secara otomatik. Untuk mencapai kualitas air atau performansi yang optimal dan untuk mencegah terjadinya kerusakan pada resin penukar, maka petunjuk kerja yang diberikan oleh pabrik pembuat instalasi (misalnya mengenai urutan pelaksanaan operasi, kuantitas dan konsentrasi regeneran, waktu regenerasi dan waktu pencucian) harus diikuti dengan seksama. Perhatian: Pada saat bekerja dengan
asam dain basa yang diperlukan untuk regenerasi, perlengkapan keselamatan perorangan yang sesuai harus digunakan. Air buangan yang keluar pada regenerasi dapat bersifat asam, basa atau mengandung garam. dan karena itu dalam hubungannya dengan pelestarian lingkungan harus ditangani seperti air limbah kimia. Ukuran performansi sebuah instalasi penukar ion adalah kuantitas cairan yang diproduksi per jam (atau selang waktu di antara dua regenerasi). Performansi tergantung pada besarnya alat atau kuantitas penukar, pada kuantitas ion yang akan dipisahkan (dengan syarat kemurnian air yang diinginkan telah tertentu) dan pada tingkat kemurnian yang diminta. Untuk operasi yang semi kontinu (bila pengolahan air tidak bolch berhenti di tengah-tengah) diperlukan dua buah unit yang dihubungkan secara paralel. Karena proses pertukaran dan proses regenerasi tidak dapat berlangsung pada saat yang bersamaan, kedua unit tersebut bekerja secara bergantian, yang satu sebagai penukar ketika yang lain sedang regenerasi.
Gambar 8. Performansi Instalasi Penukar Ion Beberapa jenis proses pertukaran sering juga digabungkan bersama. Misalnya untuk meringankan beban kolorn utama dari instalasi unggun campuran (untuk meningkatkan perforinansinya) dapat dipasang sebuah kolom pelunak air di depannya. Untuk tujuan penggunaan tertentu dari air yang telah diolah (misalnya untuk mengurangi bahaya korosi pada pernbangkitan nap) scringkali diperlukan pengeluaran gas (penghilangan O2 dan CO2). Penghilangan gas dapat
dilakukan secara termis atau dengan penambahan bahan-bahan kimia. Di samping itu juga acapkali diinginkan agar sebelum pertukaran ion berlangsung. pencemar organik yang terlarut dalam kuantitas besar dihilangkan supaya resin p enukar tidakmenjadi rusak. Penghilangan pencemar dapat dilakukan dengan bantuan adsorben. Di samping instalasi-instalasi penukar ion yang tak kontinu dan yang semi kontinu, terdapat pula instalasi yang kontinu. Prinsip kerjanya misaInya adalah bahwa resin penukar juga digerakkan. Dengan irama kerja tertentu resin penukar dialirkan dalam suatu sirkulasi yang terdiri atas daerah pertukaran, daerah regenerasi dan daerah pencucian.
