ION EXCHANGE I. TUJUAN PERCOBAAN Setelah melakukan praktikum ini diharapkan mahasiswa dapat : 1. Menentukan konsentrasi ion-ion H+, Na+, Mg2+, Zn2+ dengan menggunakan resin penukar kation. 2. Pengurangan kesadahan air dengan penukar kation. 3. Menghitung efisiensi resin penukar kation. II. DASAR TEORI Ion exchange atau penukaran ion merupakan salah satu metoda yang paling sering digunakan untuk mengurangi kandungan mineral dalam air. Media yang umum dipakai berupa resin alam atau sintesis. Pada saat operasi, air dikontakkan dengan resin penukar ion. Ion yang terkandung dalam air akan terserap ke resin penukar ion dan resin akan melepaskan ion lain dalam kesetaraan ekuivalen. Dengan melihat kondisi tersebut, makan kita dapat mengatur jenis ion yang diikat dan dilepas seperti dapat dilihat pada gambar dibawah. Sebagai media penukar ion, maka resin penukar ion harus memenuhi syarat-syarat tertentu. Syarat-syarat tersebut antara lain sebagai berikut: 1. Kapasitas total yang tinggi. Maksudnya resin memiliki kapasitas pertukaran ion yang tinggi. 2. Kelarutan yang rendah dalam berbagai larutan. Sehingga dapat digunakan berulang-ulang. Resin akan bekerja dengan cairan yang mempunyai sifat melarutkan, karena resin harus tahan terhadap air. 3. Kestabilan kimia yang tinggi. Resin diharapkan dapat bekerja pada rentang ph yang luas, serta tahan terhadap asam dan basa. Demikian pula terhadap oksidasi dan radiasi.
4. Kestabilan fisik yang tinggi. Resin diharapkan tahan terhadap tekanan mekanis, tekanan hidrostatik cairan, dan tekanan osmosis. Resin penukar ion adalah suatu struktur polimer yang mengandung suatu gugus aktif yang terikat pada kerangka organik Biasanya resin berupa butiran-butiran yang transparan dan menyerap air. PENUKAR KATION (Cation Exchanger) Untuk resin penukar ion (ion exchange) proses adsorpsi sebenarnya merupakan suatu reaksi kimia dimana suatu ion dibebaskan dari resin sedangkan ion lain diadsorpsi seperti pada persamaan reaksi dibawah. Sebagian besar resin kation terbuat dari bahan dasar DVB (divinibenzena) dengan gugus aktif sulfonat seperti ditunjukkan pada gambar-4 dibawah: 2Na-R + Ca 2+ Ca-R 2 + 2Na + 2H-R + Ca 2+ Ca-R 2 + 2H +
Dimana Na-R adalah bentuk garam natrium dari resin penukar kation dan H-R adalah bentuk asam dari resin itu. Perhatikanlah bahwa reaksi itu dapat dibalik (reversibel). Misalnya Na-R dapat diperoleh dari Ca-R 2 dengan jalan menambah ion Na + yang berlebihan. Resin buatan lainnya dapat dibuat dengan cara kondensasi sifat penukar anion (atau dapat mengadsorpsi asam) menurut reaksi berikut R-X + HCl R-X + HCl Dengan R-X adalah resin penukar anion. Kapasitas adsorpsi dari suatu resin bervariasi dari kira-kira 4 sampai 9 mili-exivalen asam per gram resin kering. Bila resin itu jenuh, dapat diperbaharui (diregenerasi) dengan cara sebagai berikut. R-X. HCl + Na 2 CO 3 NaCl + NaHCO 3 R-X
Kalau air mengalir melalui kolom-kolom dari resin penukaran kation (R-H) dan resin penukar anion maka akan diperoleh air bebas ion yang sama kualitasnya dengan air suling. Jenis Penukar ion (Ion Exchanger) Ada dua macam resin penukar ion, yaitu: 1. Anion exchange resin (resin penukar anion), yaitu resin yang mempunyai kemampuan menyerap/menukar anion-anion yang ada dalam air. Resin ini biasanya berupa gugus amin aktif. Misalnya R-NH 2 : amina primer R-R 1 NH : amina sekunder R-R 21 N : amina tersier R-R 3 NOH : amina kuartener Dalam notasi diatas R menunjukkan polimer hidrokarbon dan R1 menunjukkan gugus tertentu misalnya CH 2. 2. Kation exchange resin (resin penukar kation), yaitu resin yang mempunyai kemampuan menyerap/menukar kation-kation seperti Ca 2+, Mg 2+, Na + dan sebagainya yang ada di dalam air, contoh: Hidrogen Zeolith (H 2 Z) Resin organik yang mempunyai gugus aktif SO 3 H (R.SO 3 H) Sulfonated coal Pada resin penukar kation, misalnya R.SO 3 H, gugus aktif SO 3 mempunyai daya afinitas yang lebih besar terhadap kationkation lain bila dibandingkan dengan H +. Tetapi sebaliknya dapat pula terjadi pada regenerasi. Hal ini mungkin dapat terjadi kalau konsentrasi H + dalam larutan sangat tinggi Reaksi : Ca Ca 2HCl Mg + 2 R.SO 3 H Mg (RSO 3 ) 2 + Na Na H 2 SO 4 Apabila H + pada R.SO 3 H telah digantikan semua oleh kationkation atau dengan perkataan lain bahwa resin itu sudah jenuh, maka resin itu tidak aktif lagi. Sehingga harus diaktifkan lagi dengan cara regenerasi. Sebagai regenerasi dapat dipakai HCl (konsentrasi 1-10%) Reaksi regenerasi :
Ca Ca Mg(RSO 3 ) 2 + H 2 SO 4 2 RSO 3 H + MgSO 4 Na Na Aktif lagi dibuang Lamanya waktu regenerasi bermacam-macam, tetapi pada umumnya berlangsung minimal 30 menit atau sesuai spesifikasi pembuat. Setelah tahap regenerasi maka perlu dilakukan pembilasan terhadap resin. Pembilasan yang dilakukan terdiri dari dua tahap yaitu pembilasan awal dan pembilasan akhir. Pembilasan awal dilakukan untuk menghilangkan sisa-sisa regeneran yang masih menempel pada resin. Pembilasan akhir dilakukan untuk menghilangkan kemungkinan garam yang terbentuk. KESELEKTIFAN REAKSI PENUKAR ION Pada Kation: Untuk ion yang bermuatan satu, Penyerapan resin semakin kuat bila ukuran ion yangterhidratasi makin kecil. Misal : Li + < H + < Na + < NH 4 + < K + < Rb + < Cs + Untuk ion yang bermuatan dua, Penyerapan resin ditentukan oleh ukuran ion dan ketidaksempurnaan dissoasiasi garam ion-ion tersebut. Misal : Ba 2+ < Mn 2+ < Mg 2+ = Zn 2+ < Cu 2+ = Ni 2+ <Co 2+ <Ca 2+ <Si 2+ <Pb 2+ < Ba 2+ Penyerapan resin juga ditentukan oleh afinitas kation yang bersangkutan. PROSES PERCOBAAN PERTUKARAN ION DENGAN ZEOLIT Air sadah yang dialirkan melalui kolom zeolit akan mengalami pertukaran ion-ion, ion Ca dan ion Mg dalam air sadah ditukar dengan ion Na dalam zeolit. Hal tersebut berlangsung terus menerus sampai suatu saat ion Na dalam Zeolit sudah habis ditukar dengan ion Ca dan Mg dari dalam air, pada keadaan ini zeolit tersebut dinamakan telah jenuh yang berarti zeolit tidak mampulai melakukan pertukaran ion. Agar dapat kembali aktif, Zeolit yang telah jenuh harus di regenerasi dengan cara mengalirkan larutan garam dapur (NaCl 10-25%) ke dalam unggun zeolit yang telah jenuh tersebut. pada proses regenerasi ini akan terjadi pertukaran ion Na dari dalam larutan garam, masuk ke dalam zeolit untuk menggantikan ion Ca dan Mg dari dalam zeolit. Adapun reaksi yang terjadi pada saat proses pelunakan air sadah berlangsung adalah sebagai berikut : Na 2 Z + Ca 2+ CaZ + 2Na +
Na 2 Z + Mg 2+ MgZ + 2Na + Sedangkan reaksi yang terjadi pada saat proses regenerasi berlangsung adalah sebagai berikut: CaZ + 2NaCl Na 2 Z + CaCl MgZ + 2NaCl Na 2 Z + MgCl Keunggulan menggunakan zeolit sebagai bahan untuk pelunakan air sadah antara lain: Mempunyai sistem yang kompak sehingga mudah dioperasikan. Dapat dibuat kontinu Presentasi pengurangan kesadahan relatif besar Harganya relatif murah dan mudah didapat Namun demikian ada juga beberapa kekurangan dalam menggunakan zeolit pada pelunakan air, yaitu: Tidak dapat digunakan pada air yang mengandung kekeruhan air lebih dari 10 mg/l Efisiensi zeolit akan berkurang apabila air mengandung unsurunsur sebagai berikut: minyak H2S, mengandung ion Fe2+ atau Mn2+ lebih dari 2mg/l dan mengandung sodium yang tinggi. Tidak dapat dioperasikan pada air yang mempunyai kesadahan air lebih dari 800 mg/l Penelitian ini bersifat eksperimen, dengan menggunakan sistem penelitian pretest-posttest, yaitu penelitian dengan melakukan pengukuran kesadahan air sebelum dan sesudah melewati alat pelunak air yang berupa unggun zeolit. Pengukuran dilakukan untuk mengetahui pengaruh faktor-faktor fisik terhadap efisiensi zeolit alam dalam menurunkan tingkat kesadahan air baku. Zeolit alam yang digunakan sebagai bahan penukar ion adalah jenis klinoptilotit, yang diperoleh dari daerah Bogor, Jawa Barat. Adapun karakteristik zeolit ini adalah sebagai berikut: Rumus molekul: Na 6 /(AIO 2 ) 6 (SiO 2 ) 30 /24H 2 O Sifat Asam/Basa: Asam kuat Kapasitas pertuaran ion (meq/g): 2,26-3,10 Kepadatan (g/cm 3 ): 2,16 Perbandingan Si dan Al: 4,25-5,25 Diameter partikel (nm):0,44x0,72 Jumlah total volume pori-pori(%): 34% Regenerasi: Cara kimia (dengan larutan NaCl 10-25 %)
Pemanasan (600 0 C) Cara Biologi (aerasi) 4-5) (Marsidi,Ruliasih.2013.Zeolit untuk mengurangi kesadahan air. Jakarta. Hal ZEOLIT SEBAGAI PENUKAR ION Zeolit merupakan mineral yang banyak terdapat di dalam batuan yang merupakan lapisan tanah sedimen yang terbentuk dari timbunan abu vulkano karena adanya letusan gunung berapi. Terbentuknya di alam sangat bergantung pada lingkungan, umur batuan dan kedalaman dari permukaan tanah, sehingga dapat terjadi zeolit yang jenisnya berlainan terdapat dalam batuan yang sama. Zeolit mempunyai sifat yang sangat khas, apabila mengalami dehidrasi, kristal zeolit akan membentuk rongga yang dapat saling berhubungan dan membentuk 1-3 arah sehingga akan terlihat seperti sangkar. Struktur kristal yang unik ini membuat zeolit mempunyai kemampuan sebagai absorben. Karakteristik lainnya adalah dapat mempunyai kemampuan sebagai penukar ion secara sangat selektif untuk ion cesium dan unsur radioaktif lainnya Zeolit merupakan kristal aluminosilikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensi. Kerangka dasar sturuktur zeolit terdiri dari unit tetrahedral AlO 2 dan SiO 2 yang saling berhubungan melalui atom O, sehingga zeolit mempunyai rumus empiris sebagai berikut x/n M n+ [(AlO 2 ) x (SiO 2 ) y ].zh 2 O. Komponen pertama M n+ adalah sumber kation yang dapat bergerak bebas dan dapat dipertukarkan secara sebagian atau secara sempurna oleh kation lain, sehingga sangat baik bila digunakam sebagai bahan penukar ion. (http://studikimia.blogspot.co.id/2013/08/penukar-ion-ionexchanger.html Rabu, 25 November 2015 : 16.17 WIB) Pemisahan penukaran ion pada asasnya ialah pemisahan ionion berdasarkan pada perbedaan muatan. Kumpulan muatan negatif atau positif terikat secara kovalen pada resin untuk membentuk penukar kation atau penukar anion. Bila molekul sampel bermuatan dibiarkan bersentuhan dengan penukar ion yang mempunyai muatan berlawanan, ia akan terjerap oleh daya elektrostatik dan spesies dengan muatan yang sama akan terelusi. Prinsip dasar pemisahan dengan kromatografi kolom penukar ion adalah perbedaan kecepatan migrasi ion-ion di dalam kolom penukar ion. Proses pertukaran ion dikerjakan dengan cara pembebanan ion-ion pada kolom penukar ion. Kemudian ion-ion yang terikat dalam resin dialiri eluen yang mampu memberi kondisi keseimbangan yang berbeda. Keseimbangan yang berbeda ini
mengakibatkan kecepatan migrasi ion dalam kolom resin tidak sama. (http://qworo.blogspot.co.id/2014/12/laporan-kimia-analitikpemisahan-kation.html Rabu, 25 November 2015 : 16.17WIB)