PROSES PERTUKARAN ION DALAM PENGOLAHAN AIR Oleh: Ir. Kardjono SA, MT *) INTISARI Proses pertukaran ion pada industri banyak diditerapkan untuk proses pelunakan dan demineralisasi air. Sebagai bahan yang digunakan untuk keperluan proses ini dapat dibedakan menurut ion penukarnya, yakni catiaon exchange (pertukaran ion positif) dan anion exchange (pertukaran ion negatif). Sebagai bahan penukar ion positif yang umumnya digunakan adalan ion Natriun (Na + ) dan ion hidrogen (H + ), sedangkan bahan penukar ion negatif umumnya yang digunakan adalah (OH - ). 1. PROSES PELUNAKAN Untuk keperluan proses pelunakan, umumnya menggunakan pertukaran kation yaitu ion Natrium (Na + ) yang bahan penukar ionnya dikenal orang dengan nama Sodium Zeolite atau Resin. Zeolite atau Resin adalah suatu senyawa radikal dari bahan penukar ion yang masing-masing disingkat dengan huruf Z dan R sehingga sebutan lengkap dari bahan penukar ion tersebut dapat ditulis Na 2 Z (sodium zeolite) dan Na 2 R (sodium Resin). Sodium Zeolite merupakan bahan penukar ion yang pertama kali digunakan ditemukan sebagai bahan mineral yang merupakan senyawa komplek dengan rumus kimia Na 2 (Al 2 Si 2 O 8 ). Karena bahan ini sulit diproduksi secara besar-besaran, maka sekarang ini banyak diproduksi dari bahan sintetis hidrokarbon untuk diproduksi secara besar-besaran yang sekarang dikenal orang dengan sebutan Resin. Sodium Resin setelah digunakan dalam periode tertentu akan digantikan oleh ion-ion Ca dan Mg dari garam-garam sadah. Oleh karena itu untuk mengaktifkan kembali dapat diregenerasi dengan cara mereaksikannya dengan larutan garam dapur (NaCl). Sebagai gambaran, bagaimana proses pelunakan dengan cara pertukaran ion berlangsung dapat dilihat pada gambar (1). Gambar (1) juga menunjukkan sebuah pelunak air dengan metoda pertukaran ion (Resin softener). Resin ditempatkan diatas tumpukan kerikil (gravel) didalam sebuah bejana tertutup seperti didalam pressure filter. Air yang akan dilunakkan dialirkan dari bagian atas bejana kemudian menembus tumpukan resin sambil melakukan pertukaran ion. Jika air yang telah dilunakkan cukup jumlahnya maka ion kalsium dan magnesium menggantikan ion sodium yang ada didalam Resin, dan bila keaktifannya sudah menurun maka harus segera diregenerasi dengan mereaksikannya dengan larutan garam dapur (NaCl), yang umumnya konsentrasinya dibuat 10 % dalam larutan. Setelah regenerasi perlu dilakukan pembilasan dengan air lunak agar supaya sisa larutan garam dan endapan yang tertinggal didalam tumpukan Resin dapat dibuang keluar. Untuk mempercepat dan menyempurnakan reaksi regenerasi biasanya dibantu dengan melakukan pengadukan. Besarnya laju alir dalam proses pelunakan sekitar 7,5-19,5 m /jam-m 2 luas permukaan tumpukan Resin didalam softener. Pada saat dilakukan regenerasi, pengadukan maupun pembilasan, volume tumpukan Resin akan mengembang, dan pengembangannya akan mencapai 50-75 %. Lapisan kerikil penyangga ketebalannya tidak boleh kurang dari 60 cm. Keuntungan dan kerugian pelunakan air dengan metoda pertukaran ion ini adalah: Keuntungannya: (1). Peralatannya kompak dan efisien, serta pemeliharaannya mudah. (2). Tidak ada endapan lumpur seperti halnya pada proses soda kapur, sehingga tidak ada persoalan pembuangan lumpur. (). Proses ini juga dapat menurunkan Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas 62
kandungan besi dan mangan. (4). Dapat melunakkan air dengan berbagai macam derajat kesadahan. Kerugiannya: (1). Natrium bikarbonat yang dihasilkan dari reaksi pelunakan dapat menimbulkan priming dan foaming didalam ketel. (2). Air yang mempunyai kekeruhan tinggi tidak dapat dilunakkan dengan cara ini. Gambar 1. Proses Pelunakan dengan Pertukaran Ion Didalam perhitungan-perhitungan pelunakan dengan metoda pertukaran ion dijumpai berbagai macam istilah yang digunakan, misalnya: Exchange capacity: Yaitu menunjukkan kapasitas atau kemampuan Resin untuk mengikat garam-garam sadah setiap satuan volume Resin, yang satuannya dinyatakan dalam: kgrain CaCO ft resin atau kg CaCO Konversi: 1 kgrain = 0,0648 kg 1 kgrain ft = 2,29 kg m Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas 6
No. Grou p Tabel (1): Karakteristik Sodium Resin Nama bahan / Perdagangan E.C. R.L. R.E kg CaCO kg NaC kg NaC kg CaCO 1 Natural zeolite - Zeo-Dur - Inversand 6,40 6,40 20,00 20,00,1,1 2 Synthetic gel zeolite - Decalso - Super Nalcolite - Adrizone 18,2 20,61 2,06 4,5 8,9 51,20 144,00,11,49 2, 2,50 2,,70 Sulfonated Coal - Zao-Karb - Coehranex CCA - Catex-55 (Na) 16,0 16,0 16,0 50,40 50,40 50,40,14,14,14 4 Styrene, high cap - Amberlite IR- 122 - Chempro C-25 - Nalcite MCR 1,60 41,68 49,24 48,00 2,0,07,25 5 Styrene, high cap - Amberlite IR- 120 - Chempro C-20 - Nalcite HCR - Permutite Q 41,22 50,8 54,96 61,8 68,70 54,96 105,60 14,60 216,00 240,00 1,94 2,10 2,45,49,49 Regeneration level: Yaitu menunjukkan kebutuhan regeneran persatuan volume Resin, yang satuannya dapat dinyatakan dalam: lb NaCl ft resin atau kg NaCl Regeneration efficiency: Yaitu menunjukkan kebutuhan regeneran persatuan berat garam-garam sadah yang dihilangkan, yang satuannya dapat dinyatakan dalam: lb NaCl kgrain CaCO Konversi: 1 atau kg NaCl kg CaCO lb kgrain = 7 kg kg Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas 64
Berbagai macam Resin yang banyak digunakan untuk keperluan proses pelunakan diuraikan dalam tabel (1). Didalam tabel tersebut digunakan istilah-istilah yang dijelaskan sebelumnya. 2. PROSES DEMINERALISASI Proses demineralisasi adalah suatu proses penghilangan garam-garam mineral yang ada didalam air, sehingga air yang dihasilkan mempunyai kemurnian yang tinggi. Pada dasarnya proses ini seperti apa yang dilakukan didalam pelunakan air secara pertukaran ion. Bahan penukar ion yang digunakan terdiri dari penukar kation dan penukar anion. Penukar kation dikenal orang dengan sebutan Resin asam karena penukar ion-nya adalah ion hidrogen (H + ), sedangkan penukar anion dikenal dengan sebutan Resin basa karena penukar ion-nya adalah ion hidroksida (OH - ). Resin asam secara umum ditulis dengan simbul H 2 R dan Resin basa dengan simbul R(OH) 2. Gambar 2. Proses Demineralisasi dengan Pertukaran Ion Kedua macam Resin ini dapat ditempatkan secara terpisah pada dua buah bejana ataupun dalam satu buah bejana. Susunannya harus berurutan (seri) dimana yang pertama adalah Resin asam dan yang berikutnya adalah Resin basa. Resin asam berfungsi untuk merubah garam-garam mineral menjadi asam, dan Resin basa berfungsi untuk merubah (menetralkan) asam yang dihasilkan dari reaksi pertama menjadi air murni. Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas 65
No. Group Tabel (2): Karakteristik Resin Asam E.C. R.L. R.E Nama bahan / Regeneran kg CaCO kg Asam kg Asam Perdagangan e e kg CaCO 1 Sulfonated coal - Zeo-Karb - Coehranex CCA - Catex-12 (H) 18,2 18,2 18,2 2,00 2,00 2,00 2 Phenolic resin - Doulite C- HCl 18,78 25,42 24,05 28,6,21 6,64 72,00 200,00 272,00,41 4,19 5,04 5,82 2,99 4,47 6,02 7,42 Styrene med. Cap. - Amberlite IR-112 - Chempro C-25 - Nalcite MCR 21,76 27,02 0,92 2,52 7,10 40,00 1,84 2,7 2,59 2,95,45 4 Styrene, high cap - Amberlite IR-120 - Chempro C-20 - Nalcite MCR - Permutite Q HCl 20,61 24,05 25,19 0,92 4,5 4,51 49,46 40,00 120,00 240,00 20,00 1,94 2,66,18,48,88,7,68 4,85 5,59 Resin yang telah digunakan pada periode tertentu akan menurun keaktifannya, oleh karena itu perlu segera di regenerasi jika sudah mencapai batas ke-tidak-aktifannya. Untuk keperluan regenerasi digunakan bahan regeneran yang berupa larutan asam pada Resin asam dan dengan larutan basa pada Resin basa. Bahan regeneran yang digunakan umumnya dapat berupa HCl atau untuk Resin asam dan atau NH 4 OH untuk Resin basa. Reaksi demineralisasi maupun reaksi regenerasi dapat dilihat pada gambar (2). Dalam gambar (2) menunjukkan sebuah unit peralatan proses demineralisasi (demineraliser). Air pertama kali memasuki bejana yang berisi Resin asam (I) dan kemudian memasuki bejana yang berisi Resin basa (II). Air keluar dari bejana (II) mempunyai kemurnian yang sangat tinggi. Pada masing-masing bejana dilengkapi dengan tangki regenerant untuk keperluan regenerasi. Bejana Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas 66
untuk keperluan ini harus dilapisi dengan bahan yang tahan terhadap asam maupun basa agar tidak terjadi korosi pada peralatan tersebut, oleh karena itu investasinya cukup mahal. No. Group Tabel (): Karakteristik Resin Basa E.C. R.L. R.E Nama bahan / Regeneran kg CaCO kg Basa kg Basa Perdagangan e e kg CaCO 1 Styr. Polyvinyl phe- Nolic(basa lemah) - Deacidite - Duolite A-2 - Doulite A-7 - Amberlite IR-25 Na 2 CO Na 2 CO NH 4 OH Na 2 CO NH 4 OH 4,51 8,9 50,8 61,8 67,20 51,20 67,20 56,00 56,00 48,00 1,54 0,89 1,7 0,98 0,98 1,55 0,84 2 Styr. Divinyl ben- Zene (basa kuat, Type 1) - Nalcite SBR - Permutite S-1 - Amberlit IRA 400 - Duolite A-42 25,19 26,91 25,19 24,96 20,61 56,00 72,00 98,00 2,22 2,97 2,86 4,19 5,1,11 4,19 Styr. Divinyl ben- Zene (basa kuat, Type 2) - Nalcite SBR - Permutite S-2 - Amberlit IRA 410 - Duolite A-40 28,6 0,92,21 2,06 7,10 8,70 4,5 6,64 8,9 120,00 72,00 2,24 2,59,61 2,25 2,59,1 1,88 2,62,29 Berbagai macam Resin asam dan Resin basa yang banyak digunakan untuk keperluan proses demineralisasi adalah diuraikan dalam tabel (2) dan tabel (). Untuk Resin asam, regeneration lavel berdasarkan pada konsentrasi asam, yaitu 66 o Be dan 0 % Hcl. Untuk Resin basa, regeneration level berdasarkan pada konsentrasi basa, yaitu 100 %, 100 % Na 2 CO, dan 100 % NH 4 OH. DAFTAR PUSTAKA - American Water Works Association (AWWA), Giardia Lamblia in Water Supplies - Detection, Occurrence, and Removal, 1985 - AWWA, Water Quality and Treatment - A Handbook of Community Water Supplies, 4th Edition, McGraw-Hill, 1990 Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas 67
- Dowex Ion Exchange, The Dow Chemical Company, Midland, MI (any edition). - Peterson, James C., et al.; "Water Treatment Compliance for Two Small Water Systems Using a High Quality Lake Source;" AWWA Proceedings (1994 Annual Conference - Water Research) - Weber, Walter J.; Physicochemical Processes for Water Quality Control; John Wiley & Sons, Inc.; 1972 - Droste, R.L., Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997. *) Ir. Kardjono SA, MT adalah pejabat fungsional Widyaiswara Pusdiklat Migas Keluarga Besar PUSDIKLAT MIGAS Bersama YKWM 1 Januari 2007 Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas 68