Nama NIM Shift Kelompok
: Anggia Larasati W : 03121003049 : Kamis Pagi :3
PROSES REGENERASI KATION EXCHANGER DAN ANION EXCHANGER Dalam dunia industri petrokimia, penggunaan air bebas mineral (Demineral Water) merupakan kebutuhan pokok, dimana air jenis ini di pergunakan sebagai umpan ke boiler dalam menghasilkan steam sebagai penggerak
pompa turbin . Air demin memiliki peranan vital, karena steam
dihasilkan melalui proses perubahan fase air menjadi vapour atau uap air. Air merupakan salah satu senyawa yang bersifat korosif terhadap unsur logam tertentu, karena air pada alam bebas banyak mengandung mineral-mineral dari yang sedang hingga mineral berat, antara lain seperti Ca, Mg. Kandungan kalsium dan magnesium yang tinggi dalam air berpengaruh pada nilai kesadahan air dimana kesadahan ini bisa menyebabkan kerak di ketel uap (boiler) dan akhirnya efisien energi akan rendah. Mineral-mineral tersebut adalah racun yang harus di buang jika air akan di gunakan sebagai umpan boiler untuk menghasilkan steam guna mencegah korosi pada peralatan, sudu-sudu kompresor, dan line-pipa logam. Air umpan ketel yang tidak memenuhi syarat dapat menimbulkan masalah seperti terjadinya kerak (scale), korosi, dan busa. Kerak dapat terjadi akibat presipitasi padatan dalam air lalu melekat di permukaan dinding ketel. Ini berakibat pada pemanasan lanjut lokal (local overheating) sehingga fungsi logam ketel sebagai konduktor berkurang atau bahkan gagal. Beberapa kerak yang sering terbentuk antara lain: kalsium karbonat (kalsit), kalsium sulfat, magnesium hidroksida, besi oksida, kalsium silikat, magnesium silikat. Berkenaan dengan korosi, fenomena ini disebabkan oleh pH airnya terlampau rendah, ada gas oksigen di dalam air, karbondioksida, klor, hidrogen sulfida, dll. Juga adanya garam-garam dan zat padat tersuspensi. Oksigen di dalam air, apalagi didukung oleh pH yang rendah justru dapat menambah proses korosi sehingga logam berubah menjadi bentuk bijih logam dalam proses elektrokimia yang kompleks. Sistem demineralisasi sangat umum digunakan, tidak hanya untuk mengolah air untuk boiler tekanan tinggi tapi juga untuk proses lain dan
pengolahan air cucian. Air yang diolah berasal dari intake sungai komering yang mengandung suspended solid (impurities tidak larut) dan dissolved solid (impurities terlarut). Suspended solid dapat dihilangkan melalui proses klarifikasi (penjernihan) dengan menggunakan clarifier. Klarifikasi adalah pretreatment air permukaan untuk menghilangkan suspended solid dengan tahap–tahap sebagai berikut : a. Koagulasi adalah proses penetralan muatan listrik negatif yang berada pada partikel–partikel halus yang terpisah. Bahan kimia yang digunakan adalah alumunium sulfat. b. Flokulasi adalah penggabungan partikel–partikel yang sudah distabilisasi menjadi partikel yang lebih besar yang dipercepat dengan penambahan polymer organik rantai panjang (bobot molekul tinggi) yang larut dalam air. c. Sedimentasi adalah suatu mekanisme dimana partikel yang sudah cukup besar tadi akan mengendap dan turun kebawah permukaan air dibawah pengaruh gaya gravitasi. Dissolved solid
dapat dihilangkan melalui proses demineralisasi
(penghilangan mineral–mineral dalam air). Demineralisasi adalah proses pertukaran ion dengan tiga tahap yaitu kation exchanger, anion exchanger dan mixed bed. Ion Exchanger Resin ion exchanger atau resin penukar ion dapat didefinisi sebagai senyawa hidrokarbon terpolimerisasi, yang mengandung ikatan hubung silang (crosslinking) serta gugusan-gugusan fungsional yang mempunyai ion-ion yang dapat dipertukarkan. Sebagai zat penukar ion, resin mempunyai karakteristik yang berguna dalam analisis kimia, antara lain kemampuan menggelembung (swelling), kapasitas penukaran dan selektivitas penukaran. Penggunaannya dalam analisis kimia misalnya untuk menghilangkan ion-ion pengganggu, memperbesar konsentrasi jumlah ion-ion renik, proses deionisasi air atau demineralisasi air, memisahkan ion-ion logam dalam campuran dengan kromatografi penukar ion. Pada saat operasi dikontakkan dengan resin penukar ion, maka ion terlarut dalam air akan teresap ke resin penukar ion dan resin akan melepaskan ion lain dalam
kesetaraan ekivalen, dengan melihat kondisi tersebut maka kita dapat mengatur jenis ion yang diikat dan dilepas. Sebagai media penukar ion, maka resin penukar ion harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut : 1. Kapasitas total yang tinggi yaitu resin memiliki kapasitas pertukaran ion yang tinggi. 2. Kelarutan yang rendah dalam berbagai larutan sehingga dapat berulang-ulang. Resin akan beroperasi dalam cairan yang mempunyai sifat melarutkan, karena itu resin harus tahan terhadap air 3. Kestabilan kimia yang tinggi. Resin diharapkan dapat bekerja pada range pH yang luas serta tahan terhadap asam dan basa. Demikian pula terhadap oksidasi dan radiasi. 4. Kestabilan fisik yang tinggi. Resin diharapkan tahan terhadap tekanan mekanis, tekanan hidrostatis cairan serta tekanan osmosis. Resin penukar ion adalah suatu strukur polimer yang mengandung suatu gugus aktif yang terikat pada kerangka organik. Proses pembentukan resin terdiri dari dua tahap yaitu pembentukan gugus aktif. Umumnya untuk pembentukan kerangka biasa dipakai cross linked polystirene yang dibentuk dari tetesan cairan monomer yang disuspensikan dalam air. Dari proses tersebut diperoleh butiran yang keras, transparan, tidak berwarna dan kedap air. Butiran-butiran ini belum memiliki sifat penukar ion. Tahap selanjutnya pembentukan gugus aktif pada butiran-butiran tersebut. (Idaman Said, 2008) Ada 2 macam resin penukar ion, yaitu : a) Kation Exchanger Resin penukar ion positif atau yang lebih dikenal dengan kation exchanger pada umumnya dalam bentuk asam kuat atau asam lemah. Resin kation dalam bentuk asam kuat dapat menghilangkan seluruh ion positif yang terkandung dalam air sedangkan resin kation dalam bentuk asam lemah hanya dapat menghilangkan sebagian kesadahan dalam air yang umumnya kesadahan dalam bentuk alkinitas. Resin penukar ion mempunyai afinitas yang berbeda terhadap tiap jenis ion yang ada dalam air. Akibatnya resin penukar ion menunjukan urutan selektivitas untuk tiap jenis ion yang terlarut dalam air. Untuk resin penukar ion
positif dalam bentuk asam kuat urutan jenis ion positif yang mempunyai afinitas terhadap resin penukar ion positif di mulai dari yang terbesar hingga yang terkecil adalah sebagai berikut: Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Ammonium (NH4), Potassium (K), Natrium (Na), dan terakhir Hidrogen (H). Reaksi umum pertukaran di cation exchanger : M+n(aq) + n RH(s) M-Rn(s) + n H+(aq)
(1)
Contoh reaksi pertukaran di cation exchanger : CaCl2(aq) + 2 ROSO3H(s) Ca-(ROSO3)2(s) + 2 HCl(aq)
(2)
Terlihat bahwa air yang ke luar dari cation exchanger bersifat asam. Jika tidak dikehendaki produk air yang bersifat asam, atau mengandung asam ataupun anion, maka dilakukan treatment menggunakan anion exchanger. b) Anion exchanger Anion exchanger bertujuan untuk menghilangkan ion-ion yang bermuatan negatif seperti SO4, Cl, SiO3, dan ion negatif lainnya dengan pertukaran ion OH-. Reaksi umum pertukaran di anion exchanger : R4NOH(s) → R4N+(s) + OH-(aq)
(3)
Reaksi pertukaran pada pengolahan air : R4NOH(s) + HCO3-(aq) → R4NHCO3(s) + OH-(aq) 2 R4NOH(s) + SO4
=
(aq) →
(R4N)2SO4(s) + 2
(4)
OH-(aq)
(5)
R4NOH(s) + Cl-(aq) → R4NCl(s) + OH-(aq)
(6)
R4NOH(s) + HSiO3-(aq) → R4NHSiO3(s) + OH-(aq)
(7)
Maka
penukar
kation
memisahkan
logam–logam
(kation)
yang
menghasilkan asam, dan anion memisahkan asam (yang tersisa dari garam) yang menghasilkan air murni. c) Mixed Bed Exchanger Mixed bed merupakan proses lebih lanjut dari kation anion exchanger sehingga didapat demin yang lunak. Proses yang terjadi pada mixed bed exchanger sama seperti pada kation dan anion exchanger. Dalam mixed bed exchanger terdapat resin kation dan anion yang berfungsi untuk menyempurnakan penghilangan ion-ion yang tersisa. Selama proses resin kation dan anion bercampur menjadi satu. Setelah mengalami kejenuhan, maka perlu dilakukan
regenerasi dengan backwash untuk menghilangkan kotoran-kotoran yang terdapat didalamnya. Kemudian pada saat idle (didiamkan) secara alami, resin kation akan tersusun di bagian bawah karena densitasnya lebih besar daripada resin anion. Baru kemudian diinjeksikan sulfat dibagian atas dan kaustik dibagian bawah. 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 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. 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. Proses regenerasi unit dilakukan dengan menginjeksi regeneran pada masing-masing unit. Regeneran untuk kation adalah HCl dan untuk anion adalah NaOH. Proses regenerasi terdiri dari beberpa cara, antara lain: 1. Backwash, yaitu mengalirkan air bersih ke arah berlawanan melalui tangki kation atau anion sampai air keluarannya bersih 2. Melakukan
slow
rinse,
yaitu
mengalirkan
air
pelan-pelan
untuk
menghilangkan regeneran dalam resin 3. Fast rinse, yaitu membilas unit dengan laju yang lebih cepat untuk menghilangkan sisa regeneran sebelum operasi. a) Regenerasi kation Regenerasi kation dilakukan dengan cara mengganti kembali ion H+ yang telah jenuh dengan merekasikannya dengan H2SO4. Regenerasi terhadap hydrogen cation exchanger dilakukan dengan asam kuat, biasanya asam sulfat dan/atau asam klorida. Reaksi umum regenerasi hydrogen cation exchanger : MRx(s) + x H+(aq) M+x(aq) + x RH(s)
(8)
Ada beberapa tahapan yang dilakukan pada proses regenerasi kation: 1. Backwash adalah suatu proses dalam regenerasi yang bertujuan untuk membuang/menghilangkan deposit kotoran yang menempel di resin. 2. Pemberian asam tahap 1 yaitu dengan menginjeksikan H2SO4 1,75% 3. Pemberian asam tahap 2 yaitu dengan menginjeksikan H2SO4 3,5% 4. Pemberian asam tahap 3 yaitu dengan menginjeksikan H2SO4 5,25% 5. Slow rinse dimaksudkan untuk pembilasan dan pengangkatan
kotoran
yang telah di proses. 6. Fast rince sama dengan slow rinse hanya saja melakukannya dengan debit air yang besar. b) Regenerasi anion Regenerasi resin penukar anion sama dengan regenerasi kation, jika sudah jenuh maka dapat dikembalikan ke keadaan dengan menggunakan alkali. Soda
kaustik dipakai sebagai penukar anion dari basa kuat. Reaksi umum regenerasi anion exchanger: R4NX(s) s(s)+ OH- (aq)→ R4NOH (s)+ X-(aq)
(9)
Sama dengan regenerasi pada kation, pada anion juga terdapat beberapa tahapan. Tahap-tahap yang dilakukan pada proses regenerasi anion: 1. Backwash adalah suatu
proses dalam regenerasi yang bertujuan untuk
membuang/menghilangkan deposit kotoran yang menempel di resin. 2. Preheat bed 3. Caustic injection yaitu penambahan kaustik dengan cara menginjeksian NaOH 4%. 4. Slow rinse dimaksudkan untuk pembilasan dan pengangkatan kotoran yang telah di proses. 5. Fast rince sama dengan slow rinse hanya saja diakukan dengan debit air yang besar. Selama proses regenerasi, limbah air yang dihasilkan ditampung pada bak penampung regenerasi (neutral basin) untuk dinetralkan sebelum akhirnya dibuang ke sungai. Biasanya regenerasi dilakukan dengan melewatkan regeneran melalui bed resin penukar ion pada arah yang sama dengan air baku yang diolah, proses ini disebut regenerasi co-current. Jika regenerasi co-current (aliran ke bawah) terjadi, lapisan bawah kolom diregenerasi dengan buruk, kecuali jika digunakan regeneran asam atau basa dalam jumlah yang sangat besar. Di sisi lain, jika regenerasi dilakukan counter-current (dengan arah yang berlawanan), lapisan bawah resin yang jenuh lebih efektif diregenerasi. Proses ini terjadi pada pengurangan kebocoran natrium (pada penukar kation) dan silika (pada penukar anion) hingga tingkat pengurangannya sangat rendah selama siklus pertukaran. Pada studi lebih lanjut, teknik fluidisasi telah digunakan untuk regenerasi demineralisasi. Pada proses ini, air mentah diolah dengan mengalirkan ke atas dan dilakukan oleh regeneran (zat peregenerasi) melalui aliran ke bawah. Dalam produksi air deionisasi dapat dicapai dengan menggunakan bed bertingkat yang
terdiri dari lapisan resin yang ditumpangkan dengan polaritas yang sama. Salah satu diantaranya asam atau basa lemah, sementara lainnya asam atau basa kuat. Selama regenerasi, resin asam lemah, yang lebih ringan dari resin asam kuat ditempatkan pada atas bed. Aliran counter-current regeneran kemudian menuju ke atas melalui bed dan bertemu pertama kali dengan resin asam kuat, diikuti resin asam lemah. Sehingga regenerasi terjadi secara menyeluruh.
Gambar 1. Diagram Skematis Resin Mixed Bed
DAFTAR PUSTAKA Anonim. 2013. Proses Air Bebas Mineral ( Demineral Water Process ).(online): http://ilmu-dewa.blogspot.com/2013/07/proses-air-bebas-mineral-demine ral .html. (diakses tanggal 1 Maret 2014). Aprianto, Nico. 2011. Water Treatment. (online) : http://nicoaprianto.blogspot.co m/2011/11/water-treatment.html. (diakses tanggal 1 Maret 2014). Lubis, Oktaferizal. 2012. Ion Exchanger. (online): http://oktaferizallubis.blogspot. com/2012/08/ion-exchange_8760.html. (diakses tanggal 1 Maret 2014). Oktapianti, Tanti. 2012. Resin Penukar Ion. (online):http://daniezza18.blogspot. com/2012/12/resin-penukar-ion.html. (diakses tanggal 1 Maret 2014). Suryanto. 2011. Demin water. (online) :http://suryanto-belajarteknik.blogspot.com /2011/12/demin-water.html. (diakses tanggal 1 Maret 2014).
