6 SU I K 6 Ion Exchanger

SU I : K.6 Ion exchangers

1. Cation exchanger

2. Anion exchanger

1

d

Ion Exchangers

•Ion exchanger : senyawa solid yang tidak larut dalam air, yang dapat melepaskan ion-ionnya ke dalam air untuk dipertukarkan dengan ion-ion lain yang ada di dalam air. •Pada water treatment, ion exchanger banyak digunakan untuk menghilangkan kesadahan air (softening) dan membuat demineralized water. •Pada pengolahan air limbah, ion exchanger digunakan untuk menghilangkan senyawa beracun seperti logam berat, dan mengambil bahan berharga dari air limbah. •Ion exchanger yang mendekati full capacity diregenerasi dan digunakan kembali.

2

Jenis/macam ion exchanger

Berdasar jenis ion yang dipertukarkan, ion exchanger dibagi:

1. Cation exchanger : penukar kation

2. Anion exchanger : penukar anion

3

Cation exchanger

Cation exchanger adalah senyawa solid yang tidak larut dalam air, yang dalam air dapat melepaskan kationnya untuk dipertukarkan dengan kation lain yang ada di dalam air.

4

Jenis-jenis cation exchanger

Dari pembentukan/pembuatannya :

1.Cation exchanger alami : zeolit

2.Cation exchanger alami yang diproses : batu bara yang disulfonasi

3. Cation exchanger sintetis : resin-resin polimer.

5

Dari jenis kation yang dilepasnya :

1.Pelepas ion Na/K : sistem zeolit

2.Pelepas ion H : hydrogen cation exchanger.

6

Dari gugus aktifnya :

1. Gugus sulfonat : R-OSO3H ataupun R-OSO3Na

2. Gugus asam karboksilat : RCOOH ataupun RCOONa

3. Gugus campuran, sulfonat dan asam karboksilat : HOSO3-R-COOH ataupun NaOSO3-R-COONa.

7

Cation exchanger alami

Cation exchanger alami = zeolit

Zeolit = kristal alumino silikat

Rumus umum zeolit :

[M(I)2 atau M(II)]O·Al2O3·mSiO2·nH2O

di sini : • M(I) = logam alkali (Na atau K)• M(II) = logam alkali tanah (Mg atau Ca)• m, n = bilangan.

8

Misal :

•M(I) = Na atau M(II) = Ca

•m = 4, n = 2

Rumusnya : Na2O·Al2O3·4SiO2·2H2O

atau CaO·Al2O3·4SiO2·2H2O

ditulis : Na2Z atau CaZ

dengan Z = (O·Al2O3·4SiO2·2H2O)-2

= (Al2(SiO3)4·2H2O)-2

9

10

Cara perumusan lain :

•Sodium silikat : Na2SiO3

•Aluminium silikat : Al2(SiO3)3

•Sodium alumino silikat : Na2Al2(SiO3)4 ditulis = Na2Z di sini Z = Al2(SiO3)4

-2

Reaksi pertukaran ion oleh zeolit

• Reaksi jika zeolit terion di dalam air :

Na2Z(s) 2 Na+(aq) + Z-2

(s)

•Kation Na+ dapat dipertukarkan dengan kation lain yang ada di dalam air.

• Reaksi pertukaran dengan kation M+n :

2 M+n(aq) + n Na2Z(s) M2Zn(s) + 2n Na+

(aq)

11

Regenerasi zeolit

Secara teoritis regenerasi zeolit terbaik dilakukan dengan larutan garam jenuh berlebihan. Zeolit yang telah jenuh/non aktif diregenerasi dengan dipanaskan dalam air garam jenuh berlebihan selama 2 jam, kemudian dicuci bersih. Dalam praktek, orang menggunakan larutan NaCl 10% untuk regenerasi.

Reaksi regenerasi zeolit :

CaZ(s) + 2 NaCl(aq) >> CaCl2(aq) + Na2Z(s) + sisa NaCl(aq)

MgZ(s) + 2 NaCl(aq) >> MgCl2(aq) + Na2Z(s) + sisa NaCl(aq)

12

•Dewasa ini sudah banyak orang yang memproduksi zeolit sintetis, sehingga dikenal istilah sistem zeolit.

•Sistem zeolit ialah semua senyawa penukar kation, baik alami maupun sintetis, yang dapat melepaskan ion Na/K untuk dipertukarkan dengan kation lain dalam air.

13

Cation exchanger alami yang diproses dan cation exchanger sintetis

•Di antara cation exchanger alami yang diproses adalah batu bara yang disulfonasi.

•Di antara cation exchanger sintetis adalah resin-resin polimer yang memiliki gugus aktif sulfonat dan asam karboksilat. Ada juga cation exchanger yang memiliki 2 macam gugus aktif sekaligus, yakni gugus sulfonat dan gugus asam karboksilat.

•Mereka dapat melepaskan kation berupa ion Na/K ataupun ion H untuk dipertukarkan.

14

Selain cation exchanger pelepas ion Na+, ada cation exchanger pelepas ion H+ = hydrogen cation exchanger

Rumus umum & ionisasi : RH(s) R-(s) + H+

(aq)

Ada 3 jenis hydrogen cation exchanger :

1. Sulfonat:

ROSO3H(s) ROSO3-(s) + H+

(aq)

2. Asam karboksilat:

RCOOH(s) RCOO-(s) + H+

(aq) 3. Gugus fungsional dobel:

HOSO3-R-COOH(s) -OSO3-R-COO-(s) + 2 H+

(aq) 15

Reaksi pertukaran :

Reaksi umum : M+n(aq) + n RH(s) MRn(s) + n H+

(aq)

Pada penghilangan kesadahan :

1.Ca++/Mg++(aq) + 2 ROSO3H(s) Ca/Mg-(ROSO3)2(s) + 2 H+

(aq)

2. Ca++/Mg++(aq) + 2 RCOOH(s) Ca/Mg-(RCOO)2(s) + 2 H+

(aq)

3. Ca++/Mg++(aq) + HOSO3-R-COOH(s) Ca/Mg-(OSO3-R-COO)(s) + 2 H+

(aq)

16

Regenerasi hydrogen cation exchanger

Regenerasi terhadap hydrogen cation exchanger dilakukan dengan asam kuat, biasanya asam sulfat dan/atau asam klorida.

Reaksi regenerasi hydrogen cation exchanger :

Umum : MRx(s) + x H+(aq) M+x

(aq) + x RH(s)

1. Ca/Mg-(ROSO3)2(s) + 2 H+(aq) Ca+2/Mg+2

(aq) + 2 ROSO3H(s)

2. Ca/Mg-(RCOO)2(s) + 2 H+(aq) Ca+2/Mg+2

(aq) + 2 RCOOH(s)

3. Ca/Mg-(OSO3-R-COO)(s) + 2 H+(aq) Ca+2/Mg+2

(aq) + HOSO3-R-COOH(s)

Reagensia asam dapat juga digunakan untuk regenerasi zeolit, tetapi zeolit akan berubah menjadi hydrogen cation exchanger.

Reaksi regenerasinya :

CaZ(s) + 2 H+(aq) Ca++

(aq) + H2Z(s)

MgZ(s) + 2 H+(aq) Mg++

(aq) + H2Z(s) 17

Anion Exchangers

1. Pengertian anion exchangers2. Jenis/tipe & karakteristik anion exchangers3. Reaksi pertukaran pada anion exchangers4. Regenerasi anion exchangers.

18

Sekeluarnya dari cation exchanger (tipe hydrogen cation exchangers), air yang diproses bersifat asam.

Reaksi umum pertukaran di cation exchanger :

•M+n(aq) + n RH(s) M-Rn(s) + n H+

(aq)

Contoh reaksi pertukaran di cation exchanger :

•CaCl2(aq) + 2 ROSO3H(s) Ca-(ROSO3)2(s) + 2 HCl(aq)

•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. 19

Anion exchangers

Anion exchanger adalah senyawa solid yang tidak larut dalam air, yang dapat melepaskan anionnya ke dalam air untuk dipertukarkan dengan anion lain yang ada di dalam air.

Anion exchanger akan mengikat semua anion dalam air, sehingga ia berguna untuk menghilangkan semua anion dalam air, yang berarti menghilangkan keasaman dalam air.

20

•Semua anion exchanger adalah senyawa sintetis.

•Rumus umum anion exchanger : R4NOH •Di sini R adalah gugus alkil R1, R2, R3, R4, yang mungkin sama ataupun berbeda.

•Di antara R tersebut, mungkin ada yang berupa gugus hidrogen, -H.

•Di dalam air, anion exchanger akan terion menurut reaksi :

R4NOH(s) → R4N+(s) + OH-

(aq) 21

Jenis/tipe anion exchanger •Anion exchanger dibagi menjadi 2 tipe :

- tipe basa kuat

- tipe basa lemah.

•Tipe basa kuat dapat menukar anion-anion yang berasal dari asam kuat maupun asam lemah.

•Tipe basa lemah hanya dapat menukar anion-anion yang berasal dari asam kuat saja.

22

Reaksi pertukaran anion exchanger

Reaksi umum :

R4NOH(s) + X-(aq) → R4NX(s) + OH-

(aq) …..................(1)

Reaksi pertukaran pada pengolahan air :

•R4NOH(s) + HCO3-(aq) → R4NHCO3(s) + OH-

(aq) ……(2)•2 R4NOH(s) + SO4

=(aq) → (R4N)2SO4(s) + 2 OH-

(aq) ...(3)•R4NOH(s) + Cl-

(aq) → R4NCl(s) + OH-(aq) ...................(4)

•R4NOH(s) + HSiO3-(aq)

→ R4NHSiO3(s) + OH-(aq) .….(5)

23

Regenerasi anion exchanger

Reaksi umum :

R4NX(s) s(s)+ OH- (aq)→ R4NOH (s)+ X-(aq)..... (1)

Reaksi regenerasi pada pengolahan air :

•R4NHCO3 + OH- → R4NOH + HCO3-......... (2)

•(R4N)2SO4 + 2 OH- → 2 R4NOH + SO4=.... (3)

•R4NCl + OH- → R4NOH + Cl-.................... (4)

•R4NHSiO3 + OH- → R4NOH + HSiO3-....... (5)

24

•Regenerasi anion exchanger dilakukan dengan senyawa basa.

•Untuk anion exchanger tipe basa kuat, regenerasi dilakukan dengan larutan basa kuat seperti NaOH, KOH.

•Untuk tipe basa lemah, regenerasi dilakukan dengan larutan Na2CO3, bahkan dengan NH4OH.

•Regenerasi anion exchanger tipe basa lemah juga dapat dilakukan dengan larutan basa kuat. 25

Regenerasi dilakukan dengan sistem backwash.

•Aliran feed dihentikan.

•Larutan regenerator dialirkan masuk secara aliran balik, dari bawah bed, yakni melalui kran/saluran ke luar.

•Larutan regenerator dikeluarkan dari bed melalui kran masuk.

•Dengan cara itu, maka larutan regenerator berfungsi sebagai pencuci jika dalam bed sudah banyak endapan atau kotoran.

26

Keuntungan memakai ion exchanger utk membuat demin :

1.Hasil lebih murni

2.Sederhana

3.Mudah dalam operasional dan pengawasan hasil

4.Cepat

5.Aman

6.Murah.

Bahan konstruksi untuk penyimpanan & transportasi air demin (never SS) :

1.Timah putih, coran

2.Aluminium

3.Plastik PVC.

Untuk air ledeng : dulu dari alloy timah hitam, juga dari baja biasa dan sekarang dari plastik PVC. 27

Contoh perhitungan kebutuhan ion exchanger

Hitungkan kebutuhan ion exchangers untuk membuat demin water dari air sebanyak 300 ton/day yang mengandung 50 ppm Ca(HCO3)2, 75 ppm MgSO4, 100 ppm FeCl3 dan 10 ppm NaHSiO3, jika air tersebut lebih dulu diolah dengan proses lime soda dingin untuk menghilangkan kesadahannya. Diketahui kapasitas cation exchanger adalah 25.000 mgrek ekivalen H+/kg dan kapasitas anion exchanger adalah 30.000 mgrek ekivalen OH-/kg. Diinginkan ion exchanger diregenerasi setiap bulan sekali. 28

Perhitungan

1. Menghitung cation exchanger • Cation yang ada dalam air sebelum dilakukan

proses lime soda : Ca+2, Mg+2, Fe+3, dan Na+. • Cation penyebab kesadahan : Ca+2 dan Mg+2. • Setelah proses lime soda dingin, kesadahan sisa

= 35 ppm ekivalen CaCO3

• Cation yang ada setelah proses lime soda dingin tinggal : Ca+2 (ekivalen) dari 35 ppm ekivalen CaCO3, Fe+3 dari 100 ppm FeCl3 (asal) dan Na+ dari 30 ppm NaHSiO3 (asal).

29

• Reaksi dengan cation exchanger (misal tipe ROSO3H) :

CaCO3(aq) + 2 ROSO3H(s) Ca(ROSO3)2(s) + 2 H2CO3(aq)

FeCl3(aq) + 3 ROSO3H(s) Fe(ROSO3)3(s) + 3 HCl(aq)

NaHSiO3(aq) + ROSO3H(s) Na(ROSO3)(s) + H2SiO3(aq)

Ekivalen H+ :

1 mol CaCO3(aq) ~ 2 mol ROSO3H ~ 2 mol H+(aq)

1 mol FeCl3(aq) ~ 3 mol ROSO3H ~ 3 mol H+(aq)

1 mol NaHSiO3(aq) ~ 1 mol ROSO3H ~ 1 mol H+(aq)

Kebutuhan cation exchanger :

• Untuk 35 ppm ekivalen CaCO3 = 2(35/(40+12+3x16))(1) = 2(35/100)(1) = 0,700 mgrek ekivalen H+/l

• Untuk 100 ppm FeCl3 = 3(100/(56+3X35,5))(1) = 3(100/162,5)(1) = 1,845 mgrek ekivalen H+/l

• Untuk 10 ppm NaHSiO3 = 1(10/(24+1+28+3x16))(1) = 1(10/101)(1) = 0,099 mgrek ekivalen H+/l.

30

• Total = 0,700 + 1,845 + 0,099 mgrek ekivalen H+/l = 2,644 mgrek ekivalen H+/l.

• Jumlah air diolah = 300 ton/day selama 1 bulan = (300.000 l/day)(30 day/bulan) = 9.000.000 l/bulan

• Kebutuhan kg cation exchanger total 1 bulan = (2,644 mgrek ekivalen H+/l)(9.000.000 l/bulan)/(25.000 mgrek ekivalen H+/kg) = 951,840 kg/bulan.

2. Menghitung anion exchanger • Anion yang ada dalam air sebelum maupun sesudah

dilakukan proses lime soda dingin :

1). HCO3- dari 50 ppm Ca(HCO3)2,

2). SO4= dari 75 ppm MgSO4,

3). Cl- dari 100 ppm FeCl3,

4). HSiO3- dari 10 ppm NaHSiO3.

31

• Reaksi pertukaran dengan anion exchanger :

1). Ca(HCO3)2(aq) + 2 R4NOH(s) → 2 R4NHCO3(s) + Ca(OH)2(aq)

2). MgSO4(aq) + 2 R4NOH(s) → (R4N)2SO4(s) + Mg(OH)2(aq)

3). FeCl3(aq) + 3 R4NOH(s) → 3 R4NCl(s) + Fe(OH)3(aq)

4). NaHSiO3(aq) + R4NOH(s) → R4NHSiO3(s) + NaOH(aq)

• Ekivalen OH- :

1 mol Ca(HCO3)2 ~ 2 mol R4NOH ~ 2 mol OH-

1 mol MgSO4 ~ 2 mol R4NOH ~ 2 mol OH-

1 mol FeCl3 ~ 3 mol R4NOH ~ 3 mol OH-

1 mol NaHSiO3 ~ 1 mol R4NOH ~ 1 mol OH-.

32

Kebutuhan anion exchanger :

• Untuk 50 ppm Ca(HCO3)2 = 2(50/(40+2(1+12+3x16))(17) = 2(50/162)(17) = 10,494 mgrek ekivalen OH-/l

• Untuk 75 ppm MgSO4 = 2(75/(24+32+4x16))(17) = 2(75/120)(17) = 21,250 mgrek ekivalen OH-/l

• Untuk 100 ppm FeCl3 = 3(100/(56+3X35.5))(17) = 3(100/162,5)(17) = 31,385 mgrek ekivalen OH-/l

• Untuk 10 ppm NaHSiO3 = 1(10/(23+1+28+3x16))(17) = 1(10/100)(17) = 1,700 mgrek ekivalen OH-/l.

• Total kebutuhan anion exchanger = 10,494 + 21,250 + 31,385 + 1,700 = 64,828 mgrek ekivalen OH-/l

Total kebutuhan kg anion exchanger untuk 9.000.000 l/bulan dengan kapasitas exchanger 30.000 mgrek ekivalen OH-/kg = (64,828)(9.000.000)/30.000 kg/bulan = 19.448,530 kg/bulan.

33

Soal

CaCO3 Ca+2 + CO3-2

FeCl3 Fe+3 + 3 Cl-

Ca+2 + RCOOH → (RCOO)2Ca + 2 H+

CO3-2 + R4NOH → (R4N)2CO3 + 2 OH-

Fe+3 + RCOOH (RCOO)3Fe + 3 OH-

3 Cl- + 3 R4NOH 3 R4NCl + 3 OH- 34