Kuliah 4 Ion Exchange

Transkripsi

1 Kuliah 4 Ion Exchange

2 Pertukaran ion Pertukaran ion merupakan fenomena adsorpsi yang melibatkan mekanisme elektrostatik. Gaya elektrostatik t tik menahan ion pada gugus2 fungsional bermuatan yang ada pada permukaan resin penukar ion. Ion-ion yang teradsorpsi memindahkan ion yang terletak pada resin dengan perbandingan muatan 11 1:1.

3 CONTOH

4 plikasi teknologi penukaran ion pada pengolahan lh air limbah Pengolahan air sadah: menghilangkan Ca, Mg dengan menggantikannya dengan Na atau H. Menghilangkan Fe dan Mn dari air tanah. Recovery g, u, U Demineralisasi: menghilangkan kation2 logam dengan H Menghilangkan semua anion OH - Menghilangkan nutrien NO 3-, NH 4+, PO 4 3-.

5 Jenis2 Penukar Ion lami: protein, tanah, lignin, batubara, oksida logam, aluminosilikat (zeolit, NaOl 2 O 3. 4SiO 2 ). Gel zeolit sintetik Resin polimer dengan pori besar.

6 Resin polimer dibuat dalam 3-Dimensi dengan rantai cross-linking hidrokarbon. Hasilnya merupakan resin yang bersifat tidak larut, inert dan kaku. Gugus fungsional yang bersifat ionik terikat pada resin.

7

8 Resin penukar ion biasanya diproduksi melalui polimerisasi molekul2 organik, seperti: sytrene (membentuk polystrene) Kemudian di-cross-link dengan divinyl benzene (DVB). Gugus fungsional ditambahkan sesuai dengan sifat penukar ion yang diperlukan. Contoh: resin dapat disulfonasi i dengan penambahan H 2 SO 4.

9

10 Divinylbenzene:

11 CROSSLINKING TO MKE ION EXCHNGE RESINS

12 Resin penukar ion:

13 Selektivitas resin penukar ion Kekuatan adsorpsi menurun ke bawah Kation, asam kuat Barium Lead Calcium Nickel Cadmium Copper Zinc Magnesium Potassium mmonia Sodium Hydrogen nion, basa kuat Iodide Nitrate Bisulfite Chloride Cyanide Bicarbonate Hydroxide Fluoride Sulfate

14 Selektivitas resin penukar kation logam dengan zat peng-khelat Metal M/Ca a Hg ,800 Cu ,300 Pb ,200 Ni Zn Cd Co Fe Mn Ca Rasion Koefisien Selektivitas logam terhadap ion Ca pada ph = 4

15 Harga Resin Penukar Ion Resin Harga (USD/L) Strong acid cation Weak acid cation Strong base anion Weak base anion Chelating cation

16 Chelating Resin Gugus Chelating Contoh midoxime Duolite ES 346a, Diaion CR-50b minophosphonate Duolite ES 467, Lewatit OC 1060c Iminodiacetate Dowex -1d, Diaion CR-10, Duolite ES 466, Lewatit TP 208 Diphosphonate Diphonixe Bis(2-picolyl)amine Dow 3N (Dowex XFS 4195) 2-Picolyl-2 - hydroxypropylamine Dow 2N (Dowex XFS 43084) Oligoamine Diaion CR-20, Lewatit E 304, Sumichelate MC10

17 Resin iminodiasetat RN(CH +H 2 COOH) 2 Hg 2+ RN(CH 2 COO - ) 2 Hg H + Univalent cations: g>li>na>k>rb>cs Divalent cations : Hg>U(VI)>Cu>Pb>Ni > Cd Zn>Co>Fe>Mn >Ca>Mg>Ba>Sr Trivalent cations : Cr>In>Fe>Ce>l>La

18 SMLL SCLE ION EXCHNGE COLUMNS

19 LRGE-SCLE ION EXCHNGE COLUMNS

20 Klasifikasi Resin Resin diklasifikasikan berdasarkan jenis gugus fungsionalnya dan % cross-link Penukar kation: Gugus fungsionalnya dibuat dari: - sam kuat: gugus fungsional lr-so 3 H( (sulfonat) dibuat dari asam sulfat. - sam lemah: gugus fungsional R-COOH dibuat dari asam lemah karboksilat.

21 Penukar nion: -Basakuat gugus fungsional dibuat dari senyawa ammonia kuarternair, R-N-OH. - Basa lemah: gugus fungsional dibuat dari senyawa amina primer dan sekunder, R- NH 3 OH atau R-R -NH 2 OH.

22 Koefisien Selektivitas Resin memiliki selektifitas terhadap ion tertentu. Sifat selektif ditentukan oleh hubungan kesetimbangan yang memiliki koefisien selektivitas. Contoh: Pada ion + yang terdapat dalam larutan dan ion B + pada resin berlaku reaksi kesetimbangan: B B

23 Pada persamaan reaksi B B berlaku persamaan kesetimbangan reaksi: K B {}{B { } }{B}

24 Koefisien selektivitas untuk setiap resin bersifat spesifik untuk ion-ion tertentu. Koefisien selektivitas dapat dikombinasikan guna mendapatkan nilai untuk ion tertentu lainnya melalui hubungan berikut: KB C K C K B

25 Berlaku pula hubungan sebagai berikut : K B 1 K B

26 Hubungan antara kadar ion dalam larutan [] dan [B] adalah: K B [][B [ ] ][B] ] Dimana: [ + ], [B + ]= mole +, B + /L larutan [], [B] = mole dari +, B + pada resin / L resin

27 Kefisien i selektivitas it bukan merupakan hubungan termodinamika, melainkan merupakan konstanta kesetimbangan operasional saja.

28 Faktor2 yang menentukan nilai koefisien selektifitas: muatan ion radius ion terhidrasi interaksi antara ion dan gugus fungsional Semakin besar muatan ion, semakin besar affinitasnya / daya ikatnya pada resin.

29 Semakin kecil radius ion terhidrasi, semakin besar affinitasnya terhadap resin. Hal ini terkait dengan %cross-linkage pada resin. Radius ion terhidrasi berpengaruh pada selektifitas, karena berhubungan dengan volume pori yang ditentukan oleh % cross-link. Beberapa jenis ion dapat menyebabkan terjadinya pengembangan resin, yang tidak dapat pulih. Hal ini mengurangi daya ikat resin pada ion2 dengan radius terhidrasi yang besar.

30 Contoh: Ion Li and g, dimana g + memiliki radius terhidrasi yang lebih rendah dari Li +. Nilai2 pada Tabel menunjukkan besarnya affinitas pada resin. %C Crosslink 4% 8% 16% Li g

31 Dengan semakin besarnya nilai cross-link, g + lebih terseleksi untuk diikat/diadsorpsi karena radius terhidrasinya yang lebih rendah dari Li +. Jumlah absolut g dan Li yang dapat diadsorpsi d i lebih rendah dengan semakin rendahnya crosslink. Ini merupakan keunggulan dari ion2 dengan radius terhidrasi yang kecil.

32 Elektronegatifitas & Polaritas Ikatan

33 Elektronegatifitas & Ukuran tom

34 Hal lain yang berpengaruh terhadap kekuatan ikatan pada resin selain gaya elektrostatik, adalah jenis gugus fungsional. Contoh: Gugus fungsional asam lemah (misal karboksilat), akan mengikat ion H + dengan kuat melalui ikatan hidrogen ion. Gigus fungsional PO 4 akan mengikat Ca ++ dengan kuat.

35 Jika C = kadar total ion2 yang dapat dipertukarkan dalam larutan (eq/l). Ca 2+ dan Na + adalah ion2 yang ada dalam larutan. Maka : C = [Na + ] + 2 [Ca 2+ ] C = kadar total ion pada resin, yang dikenal juga sebagai kapasitas pertukaran ion (eq/l). Fraksi ekivalen untuk setiap ion pada setiap fasa adalah X.

36 + 2+ [ ] 2[ ] X or X = or + 2+ C C X or X or + 2+ C + 2+ [ ] 2[ ] C Hal sama dapat dibuat untuk ion B.

37 Untuk pertukaran ion monovalen: B B K B [ ][B ] + [ ][B ] [ ] CX

38 [ B ] C X C(1 X B ) [ ] C X [B ] C X C(1 X ) B

39 Substitusikan massanya untuk memperoleh koefisien selektifitas: K + B+ = CX +. C(1X (1-X + ) C X +. C (1-X + ) + [ ][B ] + K K B + + [ ][B ] K B X (1X ) X (1 X ) Hasil akhir menjadi: X X K (1 X ) B (1 X )

40 Untuk pertukaran ion monovalen divalen: 2 2 2B 2B X (1 X ) X K 2 C K 2 B (1 X ) 2 C 2

41 Contoh perhitungan Ion NO - 3 akan dipertukarkan pada resin anionik basa kuat Cl -. Diketahui data pada resin sbb: NO K = 4 C 1. 3 meq/l Cl NO3 Kadar pada influen: [Cl - ] = 3 meq/l [NO - 3] = 1.5 meq/l Tentukan berapa banyak ion nitrat yang dapat diadsorpsi pada setiap L resin.

42 Jawab: Tentukan terlebih dahulu: XNO3 X - NO (influent) X X NO 3 NO NO =K - =4 =1.97 Cl 1-X 1-X NO 3 NO 3 X NO 3 rtinya fraksi maksimum pada resin yang dapat diisi oleh NO - 3

43 Kadar total NO - 3 yang dapat diikat resin adalah: 1.3 eq/l(0.66) 0.86 eq NO - 3 per liter of resin. Diketahui i kadar NO 3- dl dalam air adalah dlh meq/l, atau eq/l. Mk Maka volume air yang dapat tdilhd diolah dengan 1L resin tersebut adalah: 0.86 eq/l resin / eq/l air = 570 L air / L air

44 Regenerasi Kolom resin yang sudah jenuh oleh polutan ion dapat diregenerasi dengan menggunakan larutan dengan komposisi ionik yang sesuai.