Alat Penukar Ion [PDF]

Citation preview

MAKALAH ALAT INDUSTRI KIMIA ALAT PENUKAR ION



DISUSUN OLEH : KELOMPOK 6 1.



Zustah Damul Ma’rifah



19031010103



2.



Pradita Hasana R



19031010111



3.



Merry Jhoe S M



19031010114



4.



Aurriel Sekar Triadira



19031010125



5.



Wahyu Arif Dharmawan



19031010127



DOSEN PENGAMPU : Ir. Dwi Hery Astuti, MT



PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS PEMBANGUNAN NASIONAL “VETERAN” JATIM 2020



KATA PENGANTAR



Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan yang Maha Esa, atas berkat dan rahmat-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan makalah Alat Industri Kimia ini dengan judul “Alat Penukar Ion”. Makalah ini merupakan salah satu tugas mata kuliah Alat Industri Kimia yang diberikan pada semester III. Makalah ini tidak dapat tersusun sedemikian rupa tanpa bantuan baik sarana, prasarana, pemikiran, kritik dan saran. Oleh karena itu, tidak lupa kami ucapkan terima kasih kepada: 1. Ibu Ir. Dwi Hery Astuti, MT selaku dosen pengampu mata kuliah Alat Industri Kimia 2. Rekan–rekan mahasiswa yang membantu dalam memberikan masukanmasukan dalam makalah ini 3. Dan kepada literatur, jurnal nasional, jurnal internasional dan buku sebagai bahan referensi kelompok kami Kami sangat menyadari dalam penyusunan makalah ini masih banyak kekurangan. Maka dengan rendah hati, kami selalu mengharapkan kritik dan saran, dosen yang turut membantu dalam pelaksaan kesempurnaan makalah ini, dan penyusun mengharapkan makalah yang telah disusun ini dapat bermanfaat bagi mahasiswa Fakultas Teknik khususnya jurusan Teknik Kimia.



Surabaya, 06 Desember 2020



Penulis



i



DAFTAR ISI



KATA PENGANTAR ............................................................................................. i DAFTAR ISI ........................................................................................................... ii BAB I .......................................................................................................................1 PENDAHULUAN ...................................................................................................1 I.1



Latar Belakang ..........................................................................................1



I.2



Rumusan Masalah .....................................................................................2



I.3



Tujuan........................................................................................................2



I.4



Manfaat ......................................................................................................3



BAB II ......................................................................................................................4 TINJAUAN PUSTAKA ..........................................................................................4 II.1



Pengertian Ion Exchange ...........................................................................4



II.2



Prinsip Resin Pemukar Ion ........................................................................4



II.3



Cara Kerja .................................................................................................5



II.3.1



Cara Kerja Kolom Ganda ...................................................................6



II.3.2



Cara Kerja Kolom Tunggal ................................................................6



II.4



Aplikasi dalam industri .............................................................................8



BAB III ..................................................................................................................11 KESIMPULAN DAN SARAN..............................................................................11 III.1 Kesimpulan..............................................................................................11 III.2 Saran ........................................................................................................11 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................12



ii



BAB I PENDAHULUAN



I.1 Latar Belakang Untuk meningkatkan taraf hidup bangsa Indonesia perlu pertumbuhan ekonomi yang pesat dengan cara memajukan pembangunan. Salah satu unsur penting dalam pembangunan tersebut adalah pembangunan di bidang industri. Namun dalam kegiatan industri akan diikutti dengan dampak negative limbah industri terhadap lingkungan hidup manusia. Limbah industri yang toksis akan memperburuk kondisi lingkungan dan akan meningkatkan penyakit pada manusia dan kerusakan pada komponen lingkungan lainnya. Limbah cair industri paling sering menimbulkan masalah lingkungan seperti kematian ikan, keracunan pada manusia dan ternak, kematian plankton, akumulasi dalam daging ikan dan molusca, terutama bila limbah cair tersebut mengandung zat racun seperti : As, CN, Cr, Cd, Cu, F, Hg, Pb atau Zn. Air konsumsi adalah air yang memenuhi persyaratan sebagaimana ditetapkan Kepmenkes RI No. 907/MENKES/SK/VII/2002 tanggal 29 Juli 2002 tentang Syarat-syarat dan Pengawasan Kualitas Air Minum yaitu kadar Fe sebesar 0,3 mg/l. Secara kualitas, ditemukan beberapa penyimpangan terhadap parameter kualitas air bersih, baik kualitas fisik, kimia, biologi, ataupun radioaktif. Penurunan kualitas air diantaranya diakibatkan oleh adanya kandungan besi yang sudah ada pada tanah karena lapisan-lapisan tanah yang dilewati air mengandung unsur-unsur kimia tertentu, salah satunya adalah persenyawaan besi. Proses pertukaran ion adalah proses di mana suatu material atau bahan tidak larut menangkap ion-ion bermuatan baik positif maupun negatif dari suatu larutan dan melepaskan ion-ion bermuatan sejenis ke dalam larutan dalam jumlah yang setara. Bila proses pertukaran telah mencapai titik jenuh, maka dilakukan proses regenerasi dengan tujuan agar kapasitas penukaran material penukar ion dapat kembali seperti semula. Untuk menjadi penukar ion yang efektif, suatu resin penukar ion harus mempunyai ion-ion yang mudah bertukar dalam struktur yang tidak mudah larut dalam air, dan ruangan yangcukup dalam strukturnya untuk menjamin kebebasan ion-ion bergerak keluar dan masuk dalam matriks bahan. Pada



1



proses penukar ion, proses berlangsung dengan adanya reaksi antar ion-ion fasa cair dan ion-ion dalam fasa padat. Ion-ion tertentu dalam larutan atau air dapat terserap oleh padatan penukar ion (resin), untuk mempertahankan elektronetralitasnya, maka resin melepaskan kembali ion-ion yang lain kedalam larutan atau air. Pada proses pelunakan (penghilangan kesadahan) dengan penukar ion, maka ion-ion Ca2+ dan Mg2+ disisihkan dari air, sementara resin penukar ion melepaskan ion Na+ untuk menggantikannya.



I.2 Rumusan Masalah Kesadahan air adalah kandungan mineral-mineral tertentu didalam air umumnya ion kalsium (Ca) dan magnesium (Mg) dalam bentuk garam karbonat. Kesadah disebabkan oleh adanya ion-ion dari polyvalent metal 3 (logam bervalensi banyak) seperti Al, Fe, Sr, dan Zn dalam bentuk garam klorida dan bikarbonat dalam jumlah kecil. Air sadah tidak begitu berbahaya untuk dikonsumsi, namun dapat menyebabkan beberapa masalah. Air sadah dapat menyebabkan pengendapan mineral yang menyumbat saluran pipa dan keran, pemborosan sabun dirumah tangga dan air sadah yang bercampur sabun dapat membentuk gumpalan slum yang sukar dihilangkan. Dalam mengatasi masalah pada air dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya dengan filtrasi. Alat Ion Exchanger ini filtrasi yang digunakan tidak menggunakan perekat sehingga pada saat terkena air filtrasinya terbuka dan zeolit yang ada di atasnya masuk kedalam tangki. Dalam mengatasi masalah tersebut maka dilakukan perancangan alat Ion Exchanger untuk menghilangkan kesadahan yang terdapat pada air sumur rumah tangga.



I.3 Tujuan 1. Untuk mengetahui prinsip penukaran ion atau Ion Exchange 2. Untuk mengetahui cara kerja alat penukar ion 3. Untuk mengetahui reaksi-reaksi yang terjadi pada penukaran ion



2



I.4 Manfaat 1. Agar pembaca dapat mengaplikasikan prinsip penukaran ion dalam bidang industri 2. Agar pembaca dapat mengatahui faktor-faktor yang mempengaruhi penukaran ion



3



BAB II TINJAUAN PUSTAKA



II.1 Pengertian Ion Exchange Ion exchanger atau resin penukar ion dapat didefinisikan sebagai senyawa hidrokarbon terpolimerisasi yang mengandung ikatan silang (crosslinking) serta gugus-gugus fungsional yang mempunyai ion-ion yang dapat dipertukarkan. Sebagai zat penukar ion resin mempunyai karakteristik yang berguna dalam analisis kimia, antara lain kemampuan menggelembung (selling), kapasitas penukuran dan selektivitas penukaran. Penggunaannya dalam analisis kimia misalnya untuk menghilangkan ion-ion pengganggu, memperbesar konsentrasi jumlah ionion renik, proses deionisasi air atau demineralisasi air, memisahkan ionion logam dalam campuran dengan kromatografi penukar ion. Pada saat dikontakkan dengan resin penukar ion, maka ion terlarut dalam air akan terserap ke resin penukar ion dan resin akan melepaskan ion lain dalam kesetaraan ekivalen, dengan melihat kondisi tersebut maka dapat mengatur jenis ion yang diikat dan dilepas. Sebagai media penukar ion, maka resin penukar ion harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut : 1. Kelarutan yang rendah dalam berbagai larutan sehingga dapat digunakan berulang-ulang. Resin akan bekerja dalam cairan yang mempunyai sifat melarutkan, karena itu harus tahan terhadap air. 2. Kapasitas yang tinggi, yaitu resin memiliki kapasitas pertukaran ion yang tinggi. 3. Kestabilan fisik yang tinggi, yaitu resin diharapkan tahan terhadap tekanan mekanis tekanan hidrostatis cairan serta tekanan osmosis (Basset, 1994).



II.2 Prinsip Resin Penukar Ion Penukar ion kebanyakan berupa bahan bahan organik, yang umumnya dibuat secara sintetik. Bahan tersebut sering juga disebut resin penukar ion. Penukar ion mengandung bagian-bagian aktif dengan ion yang dapat ditukar Bagian aktif semacam itu misalnya adalah:



4



➢ Pada penukar kation: Kelompok-kelompok asam sulfo – SO3 – H+ (dengan sebuah ion H+ yang dapat ditukar) ➢ Pada penukar anion: Kelompok-kelompok amonium kuartener – N- (CH3)3 + OH- (dengan sebuah ion OH yang dapat ditukar) Prinsip dari resin penukar ion adalah adanya penukaran ion positif atau ion negative tertentu secara spesifik dari larutan dan melepaskan ion lain ke dalam larutan tersebut dalam jumlah ekivalen yang sama, dan jumlah muatan yang diserap = muatan yang dilepas agar resin tetap stabil. Jika ion yang dipertukarkan berupa kation, maka resin tersebut dinamakan resin penukar kation, dan jika ion yang dipertukarkan berupa anion, makan resin tersebut dinamakan resin penukar anion. Contoh reaksi pertukaran kation dan reaksi pertukaran anion disajikan pada reaksi : Reaksi pertukaran kation: 2NaR (s) + CaCl2 (aq) → CaR(s) + 2 NaCl (aq) Reaksi pertukaran anion : 2RCl (s) + Na2SO4 → R2SO4(s) + 2 NaCl Reaksi pertukaran kation menyatakan bahwa larutan yang mengandung CaCl2 diolah dengan resin penukar kation NaR, dengan R menyatakan resin. Proses penukaran kation yang diikuti dengan penukaran anion untuk mendapatkan air yang bebas dari ion-ion penyebab kesadahan. Konstanta disosiasi air sangat kecil dan reaksi dari H+ dengan OH- sangat cepat. Ketika semua posisi pertukaran yang awalnya dipegang H+ atau ion OH- yang menempati Na+ atau Cl- (kation atau anion lain) yang masing-masing resin dikatakan habis. Resin kemudian dapat diregenerasi dengan ekuilibrasi menggunakan asam atau basa yang sesuai (Sulistyowati, 2015).



II.3 Cara Kerja Alat penukar ion ada 2 macam : a) Alat penukar ion dengan kolom ganda



5



b) Alat penukar ion kolom tunggal (unggun campuran) Penukar Ion Kolom Ganda II.3.1 Cara Kerja Kolom Ganda 1) Pada proses kolom ganda, air mentah mula-mula masuk kedalam penukar kation. Disini semua kation yang terkandung dalam air (terutama ion kalsium, magnesium, dan natrium) ditukar dengan ion hidrogen. 2) Dalam kolom berikutnya yang berisi penukar anion, maka anion (terutama ion khlorida, sulfat dan bikarbonat) ditukar dengan ion hidroksil. Ion hidrogenyang berasal dari penukarkation dan ion hidroksil dari penukar anion akan membentuk ikatan dan menghasilkan air. 3) Setelah air terbentuk maka resin penukar ion harus diregenerasi. Pelaksanaan regenerasi pada proses kolom ganda sangat sederhana 10 Kedalam kolom penukar kation dialirkan asam khlorida encer dan kedalam kolom penukar anion dialirkan larutan natrium hidroksida encer. Regeneran yang berlebihan selanjutnya dibilas dengan air



Gambar II.1 Alat Penukar Ion Kolom Ganda



II.3.2 Cara Kerja Kolom Tunggal Pada proses kolom tunggal, resin penukar kation dan penukar anion dicampur menjadi satu dalam sebuah kolom tunggal. Dengan proses ini dapat dicapai tingkat kemurnian air yang jauh lebih tinggi daripada dengan proses kolom



6



ganda. Sebaliknya, pada proses kolom tunggal regenerasi resin penukar lebih kompleks. Langkah-langkah kerja pada regenerasi kolom tunggal : Pemisahan resin penukar kation dan penukar anion dengan klasifikasi menggunakan air (pencucian kembali dari bawah ke atas). Dalam hal ini resin penukar anion yang lebih ringan (berwarna lebih terang) akan berada diatas resin penukar kation yang lebih berat (berwarna lebih gelap). Proses regenerasi dalam kolom tunggal : 1) Untuk regenerasi, regeneran bersama dengan air dialirkan melewati kedua lapisan resin, asam khlorid encer (HCl) dialirkan dari bawah ke atas melewati resin penukar kation dan dikeluarkan dari kolom pada ketinggian lapisan pemisah. 2) Larutan natrium hidroksida encer (NaOH) dialirkan dari atas ke bawah melewati resin penukar anion, juga dikeluarkan pada ketinggian lapisan pemisah. Kelebihan kedua regeneran kemudian dicuci dengan air. 3) Ketinggian permukaan air dalam kolom diturunkan dan kedua resin penukar dicampur dengan cara memasukkan udara tekan dari ujung bawah kolom. 4) Pencucian ulang kolom tunggal dengan air dari atas ke bawah sampai alat ukur konduktivitas menunjukkan kondisi kemurnian air yang diinginkan. Sekarang instalasi siap untuk dioperasi lagi, baik pada instalasi pelunakan maupun pada instalasi demineralisasi air, maka pengalihan dari kondisi operasi ke proses regenerasi, pelaksanaan regenerasinya sendiri, dan pengalihan kembali ke kondisi (Wahono, 2007).



7



Gambar II.2 Alat Penukar Ion Tunggal



II.4 Aplikasi dalam industri A. Proses Pemurnian Air Dalam proses pemurnian air, tujuannya ialah untuk melunakkan air atau untuk membuang kandungan mineral yang terdapat di dalamnya. Air akan dilunakkan dengan menggunakan sejenis resin yang mengandung muatan kation Na+ yang akan mengikat ion Ca2+ dan Mg2+ dengan lebih kuat bila dibandingkan dengan ikatan Na+ pada resin tersebut. Saat air melewati resin, ion Ca2+ dan Mg2+ akan diikat oleh resin dan ion Na+ akan dilepaskan, membuat air menjadi lebih 'lunak'. Jika seluruh kandungan mineral yang ada dalam air hendak dibuang, air akan dilewatkan melalui resin yang mengandung muatan H+ (yang akan menukar seluruh kationnya) dan melalui resin kedua yang mengandung muatan OH- (yang akan menukar seluruh anionnya). Ion H+ dan OH- akan bereaksi dan akan menghasilkan lebih banyak air. Hasil akhir proses ini adalah air bebas mineral (demineralised water) (Anonim, 2015). 8



Gambar II.3 Proses pemurnian air



B. Desalinasi Desalinasi,



desalination,



atau



desanazitation



merupakan



proses



menghilangkan kadar garam berlebih dalam air untuk mendapatkan air yang dapat dikonsumsi oleh makhluk hidup. Proses desalinasi ini juga dilakukan menggunakan penukar-anion. Secara aplikatif dari proses ini biasanya dilakukan oleh industri yang berlokasi di sekitar laut atau di peisir pantai, sehingga untuk pemenuhan kebutuhan air industri baik untuk air proses, maupun air untuk semua keperluan di industri dapat dipenuhi dengan melakukan pemurnian air laut secara desalinasi. Salah satu jenis alat ion exchange yang bernama resin penukar-anion Relite MG 1/P mampu memisahkan sulfat dalam air laut guna mencegah pembentukan kerak kalsium sulfat pada heat exchanger. Resin tersebut menunjukkan selektivitas sulfat yang tinggi dalam air laut sintetis. Resin yang telah dipakai dapat diregenerasi menggunakan air asin yang dipekatkan dengan asam hingga mencapai pH 4. Untuk waktu pemakaian dan regenerasi yang sama, faktor konsentrasi desalinasi (misalnya 2 hingga 4) menaikkan konsentrasi klorida dalam air asin yang diblowdown. Dengan faktor konsentrasi yang tetap, kenaikan laju alir (pengurangan waktu pemakaian dan regenerasi) memperendah efisiensi regenerasi dan menaikkan pemisahan sulfat. Akibat kelarutan kalsium sulfat yang bersifat



9



terbalik tersebut, temperatur air asin yang tinggi memerlukan pemisahan sulfat yang lebih banyak, yang dapat dicapai dengan mengurangi laju alir air laut. Pengurangan laju alir tersebut membutuhkan peralatan yang lebih besar dan resin yang lebih banyak, sehingga biaya modal bertambah. Untuk pabrik desalinasi dengan kapasitas produksi 1 juta gallon per hari dan faktor konsentrasi sebesar 2, biaya pemisahan sulfat meliputi biaya resin dan biaya peralatan. Biaya tersebut bervariasi dari $0.246 hingga $0.356/kgalon (per-ribu galon air yang diproduksi) karena temperatur maksimum air asin berubah dari 140°C menjadi 180°C.



C. Dekolorisasi Dekolorisasi atau deodoriasi adalah suatu proses untuk menghilangkan warna pada suatu senyawa. Contoh aplikatifnya adalah dekolorisasi gula cair dengan resin penukar ion basa kuat dan karbon aktif. Untuk dekolorisasi ini biasanya digunakan pula karbon aktif, sehingga produktivitasnya lebih besar karena karbon aktif juga memiliki sifat yang mampu menghilangkan warna dari suatu senyawa. Dan gabungan penukar ion dan karbon aktif ini digunakan pada proses dokolorisiasi gula cair. Penukar ion basa kuat dan karbon aktif dilakukan proses dekolorisasi terhadap gula cair hasil fraksinasi dengan perlakuan 2 jenis resin masing-masing dengan kapasitas 1,4 meq per mL (IRA 400) dan 1,0 meq per mL (IRA 900). Kedua jenis resin tersebut memiliki ion aktif dalam bentuk Cl-. Proses dekolorisasi dilakukan dengan memasukkan resin kedalam kolom gelas stinggi 60 cm dengan diameter 1,128 cm. Volume resin sebanyak 50 ml. Laju alir yang digunakan sebesar 6 BV (Bed Volume) per jam dan jumlah umpan sebesar 6 BV. Proses dekolorisasi dilakukkan pada suhu 65o C. Larutan gula cair hasil dekolorisasi resin ini selanjutnya akan digunakan sebagai bahan perlakuan karbon aktif. (Santoso, 2013).



10



BAB III KESIMPULAN DAN SARAN



III.1 Kesimpulan Ion exchanger adalah alat yang digunakan untuk menukar ion menggunakan resin. Resin penukar ion adalah polimer yang dapat mengganti atau menukar ion tertentu yang ada dalam polimer tersebut dengan ion yang ada dalam suatu larutan yang dialirkan melalui polimer tersebut. Penggunaannya dalam analisis kimia misalnya untuk menghilangkan ion-ion pengganggu, memperbesar konsentrasi jumlah ionion renik, proses deionisasi air atau demineralisasi air, memisahkan ionion logam dalam campuran dengan prinsip yang mirip dengan kromatografi kolom penukar ion. Prinsip dari resin penukar ion adalah adanya penukaran ion positif atau ion negative tertentu secara spesifik dari larutan dan melepaskan ion lain ke dalam larutan tersebut dalam jumlah ekivalen yang sama, dan jumlah muatan yang diserap sama dengan muatan yang dilepas agar resin tetap stabil. Alat penukar ion ada 2 macam yaitu, kolom ganda (mixed bed), kolom tunggal (softener/single bed), dan kombinasi lainnya.



III.2 Saran Semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi penyusun pada khususnya dan bagi pembaca pada umumnya. Saran yang bersifat membangun sangat penyusun harapkan agar dalam penyelesaian makalah selanjutnya bisa lebih baik.



11



DAFTAR PUSTAKA Anonim, 2015 “Penukar Ion”, diakses pada 6 Desember 2020, pukul 10:19, http://www.lautan-luas.com/ Basset, 1994, Buku Ajar Vogel Kimia : Analisa Kualitatif Anorganik, Jakarta, Buku Kedokteran EGC Santoso, Hendro & Triantarti 2013, Kombinasi Resin Penukar Ion Basa Kuat dan Karbon Aktif Untuk Memperbaiki Warna Gula Cair, Staf Peneliti Pusat Penelitian Perkebunan Gula Indonesia, Pasuruan Sulistyowati, 2015, ‘Analisa Penurunan Kesadahan Dengan Menggunakan Ion Exchanger Pada Air Sungai Banjir Kanal’, Jurnal Teknik Kimia, Vol.1, No.2 Wahono, 2007, Resin Penukar Ion, Jakarta, Balai Pustaka



12