MAKALAH ION EXCHANGER.docx

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)

Reaksi pertukaran anion :

2RCl (s) + Na2SO4 R2SO4(s) + 2 NaCl (4)

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 tahap, 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 penukar tida-

kmenjadi 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.