Kuliah 4Kuliah 4

Ion Exchange

Pertukaran ion

• Pertukaran ion merupakan fenomena adsorpsiPertukaran ion merupakan fenomena adsorpsiyang melibatkan mekanisme elektrostatik.G l kt t tik h i d 2• Gaya elektrostatik menahan ion pada gugus2 fungsional bermuatan yang ada padapermukaan resin penukar ion.

• Ion-ion yang teradsorpsi memindahkan ionIon ion yang teradsorpsi memindahkan ion yang terletak pada resin dengan perbandingan

t 1 1muatan 1:1.

CONTOHCONTOH

Aplikasi teknologi penukaran ion padal h i li b hpengolahan air limbah

• Pengolahan air sadah: menghilangkan Ca, Mg denganmenggantikannya dengan Na atau H.

• Menghilangkan Fe dan Mn dari air tanah.• Recovery Ag, Au, Uy g, ,• Demineralisasi: menghilangkan kation2 logam dengan H • Menghilangkan semua anion OH -• Menghilangkan semua anion OH • Menghilangkan nutrien NO3

-, NH4+ , PO4

3-.

Jenis2 Penukar IonJenis2 Penukar Ion

• Alami: protein tanah lignin batubara oksida• Alami: protein, tanah, lignin, batubara, oksidalogam, aluminosilikat (zeolit, NaOAl2O3

.4SiO2).• Gel zeolit sintetik• Resin polimer dengan pori besarResin polimer dengan pori besar.

• Resin polimer dibuat dalam 3-Dimensi dengan rantai cross-linking hidrokarbon.rantai cross linking hidrokarbon.

• Hasilnya merupakan resin yang bersifat tidak l i d k klarut, inert dan kaku.

• Gugus fungsional yang bersifat ionik terikat pada resin.

• Resin penukar ion biasanya diproduksi melaluiResin penukar ion biasanya diproduksi melalui polimerisasi molekul2 organik, seperti:

t ( b t k l t )• sytrene (membentuk polystrene) • Kemudian di-cross-link dengan divinyl

benzene (DVB). • Gugus fungsional ditambahkan sesuai denganGugus fungsional ditambahkan sesuai dengan

sifat penukar ion yang diperlukan.C t h i d t di lf i d• Contoh: resin dapat disulfonasi dengan penambahan H2SO4.

Divinylbenzene:Divinylbenzene:

CROSSLINKING TO MAKE ION EXCHANGE RESINS

Resin penukar ion:

Selektivitas resin penukar ionKekuatan adsorpsi menurun ke bawah

Kation, asam kuat Anion, basa kuatBarium IodideBarium Iodide Lead Nitrate Calcium Bisulfite Nickel Chloride Cadmium Cyanide Copper BicarbonateCopper Bicarbonate Zinc Hydroxide Magnesium Fluoride Potassium Sulfate Ammonia SodiumSodium Hydrogen

Selektivitas resin penukar kation logam dengan zat peng-khelat

Metal M/CaMetal M/CaaHg+2........................... 2,800 Cu+2........................... 2,300

b+2 1 200Pb+2........................... 1,200 Ni+2 .......................... 57 Zn+2 17Zn 2........................... 17 Cd+2........................... 15 Co+2....... .................... 6.7 Fe+2............................ 4.7 Mn+2............................ 1.2 Ca+2 1Ca ............................ 1

• Rasion Koefisien Selektivitas logam terhadap ion Ca pada pH = 4

Harga Resin Penukar Ion

• Resin Harga (USD/L) Strong acid cation.......... 45-130 gWeak acid cation............ 120-160 Strong base anion........... 210-270 gWeak base anion............. 210-260 Chelating cation............ 350-650 g

Chelating Resin

Gugus Chelating Contoh Amidoxime Duolite ES 346a Diaion CR 50bAmidoxime Duolite ES 346a , Diaion CR-50b Aminophosphonate Duolite ES 467, Lewatit OC 1060c Iminodiacetate Dowex A-1d , Diaion CR-10,Iminodiacetate Dowex A 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 D 2N (D XFS 43084)Dow 2N (Dowex XFS 43084)

Oligoamine Diaion CR-20, Lewatit E 304, Sumichelate MC10Sumichelate MC10

Resin iminodiasetatRN(CH COOH) + H 2+ RN(CH COO ) H 2+RN(CH2COOH)2 + Hg2+ RN(CH2COO-)2Hg2+

+ 2H+

Univalent cations: Ag>Li>Na>K>Rb>Cs Divalent cations : Hg>U(VI)>Cu>Pb>Ni > Cd≈Zn>Co>Fe>Mn

C S>Ca>Mg>Ba>Sr Trivalent cations : Cr>In>Fe>Ce>Al>La

SMALL SCALESMALL SCALEION EXCHANGECOLUMNSCOLUMNS

LARGE-SCALE ION EXCHANGE COLUMNS

Klasifikasi Resin

Resin diklasifikasikan berdasarkan jenis gugusfungsionalnya dan % cross-linkPenukar kation:Penukar kation:Gugus fungsionalnya dibuat dari:

A k t f i l R SO H ( lf t)- Asam kuat: gugus fungsional R-SO3H (sulfonat) dibuat dari asam sulfat.

- Asam lemah: gugus fungsional R-COOH dibuatdari asam lemah karboksilat.dari asam lemah karboksilat.

Penukar Anion:Penukar Anion:

k f i l dib d i- Basa kuat– gugus fungsional dibuat darisenyawa ammonia kuarternair, R-N-OH.

- Basa lemah: gugus fungsional dibuat dariBasa lemah: gugus fungsional dibuat darisenyawa amina primer dan sekunder, R-NH OH R R’ NH OHNH3OH atau R-R’-NH2OH.

Koefisien Selektivitas

Resin memiliki selektifitas terhadap ion tertentu. Sifat selektif ditentukan oleh hubunganSifat selektif ditentukan oleh hubungan kesetimbangan yang memiliki koefisien selektivitas.

C t hContoh:

Pada ion A+ yang terdapat dalam larutan dan ion B+Pada ion A yang terdapat dalam larutan dan ion Bpada resin berlaku reaksi kesetimbangan:

ABBA

Pada persamaan reaksiPada persamaan reaksi

ABBA

berlaku persamaan kesetimbangan reaksi:ABBA

}}{{}B}{A{K A

B

}B}{A{B

Koefisien selektivitas untuk setiap resin bersifat spesifik untuk ion-ion tertentu. Koefisien selektivitas dapat dikombinasikan gunaKoefisien selektivitas dapat dikombinasikan guna mendapatkan nilai untuk ion tertentu lainnya melalui hubungan berikut:

AAK ABCC

B

K KK

B

Berlaku pula hubungan sebagai berikut :

AB B

1K B BAK

Hubungan antara kadar ion dalam larutan [A] dan [B] adalah:

]B][A[

]B][A[]B][A[K A

B

]][[

Dimana:[A+], [B+]= mole A+, B+ /L larutan

= mole dari A+, B+ pada resin / L resin[A], [B]

K fi i l kti it b k k h bKefisien selektivitas bukan merupakan hubungan termodinamika, melainkan merupakan konstanta kesetimbangan operasional saja.

Faktor2 yang menentukan nilai koefisienselektifitas:

• muatan ion

• radius ion terhidrasi• radius ion terhidrasi

• interaksi antara ion dan gugus fungsionalinteraksi antara ion dan gugus fungsional

Semakin besar muatan ion, semakin besaraffinitasnya / daya ikatnya pada resin.

• Semakin kecil radius ion terhidrasi, semakin besar affinitasnya terhadap resin. Hal ini terkait dengan % cross-linkage pada resin.% 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 b i tid k d t lih H lpengembangan resin, yang tidak dapat pulih. Hal

ini mengurangi daya ikat resin pada ion2 dengan radius terhidrasi yang besar.

Contoh: Ion Li and Ag dimana Ag+ memiliki radiusIon Li and Ag, dimana Ag+ memiliki radius terhidrasi yang lebih rendah dari Li+. Nilai2 pada Tabel menunjukkan besarnya affinitas pada resin.

% C li k

4% 8% 16%

% Crosslink

4% 8% 16%

Li+ 1 1 1Li+ 1 1 1

Ag+ 4 73 8 51 22 9Ag 4.73 8.51 22.9

• Dengan semakin besarnya nilai cross-link, Ag+

lebih terseleksi untuk diikat/diadsorpsi karenalebih terseleksi untuk diikat/diadsorpsi karena radius terhidrasinya yang lebih rendah dari Li+. J l h b l A d Li d di d i• Jumlah absolut Ag dan Li yang dapat diadsorpsi lebih rendah dengan semakin rendahnya cross-link. Ini merupakan keunggulan dari ion2 dengan radius terhidrasi yang kecildengan radius terhidrasi yang kecil.

Elektronegatifitas & Polaritas Ikatan

Elektronegatifitas & Ukuran Atom

• Hal lain yang berpengaruh terhadap kekuatan y g p g pikatan pada resin selain gaya elektrostatik, adalah jenis gugus fungsionaljenis gugus fungsional.

• Contoh: • Gugus fungsional asam lemah (misal

karboksilat), akan mengikat ion H+ dengan kuat ), g gmelalui ikatan hidrogen ion.

• Gigus fungsional PO akan mengikat Ca++• Gigus fungsional PO4 akan mengikat Ca++

dengan kuat.

Jik C k d l i 2 d di k kJika C = kadar total ion2 yang dapat dipertukarkan dalam larutan (eq/L).

Ca2+ dan Na+ adalah ion2 yang ada dalam larutan.

Maka : C = [Na+] + 2 [Ca2+]

= kadar total ion pada resin yang dikenalC = kadar total ion pada resin, yang dikenal juga sebagai kapasitas pertukaran ion (eq/L).

C

Fraksi ekivalen untuk setiap ion pada setiap fasa adalah Xadalah X.

+ 2+[A ] 2[A ]+ 2+

+ 2+

A A

[A ] 2[A ]X or X = or C CC C

+ 2+

+ 2+A A

+ 2+[A ] 2[A ]X or X or

C C

A A C C

Hal sama dapat dibuat untuk ion B.

Untuk pertukaran ion monovalen:

A B B A A B B A

+[A ][B ]+

+A

+B

[A ][B ]K[A ][B ]

[A ][B ]

A[A ] C X

)X1(CXC]B[ )X1(CXC]B[ AB

[A ] C X

A[A ] C X

[B ] C X C(1 X )

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

Substitusikan massanya untuk memperoleh

++

A [A ][B ]K

untuk memperoleh koefisien selektifitas:

C X C (1 X )

+ +BK

[A ][B ]

C XA+ . C (1-XA+)

C XA+ . C (1-XA+) KA+

B+ =

AA AB

X (1 X )K

A

BA

X (1 X )

H il khi j diHasil akhir menjadi:

A A AXX

K

A

BA

K(1 X )(1 X )

Untuk pertukaran ion monovalen – divalen: p

2 22A 2B 2B A

2 22A A A2

XX CK

22A

22 BA

K(1 X ) C(1 X )

Contoh perhitungan

Ion NO-3 akan dipertukarkan pada resin

Contoh perhitungan

Ion NO 3 akan dipertukarkan pada resin anionik basa kuat Cl- . Diketahui data padaresin sbb:es sbb:

-3

-NOCl

K = 4 meq/L 3.1C NO3

Kadar pada influen: [Cl-] = 3 meq/L[NO-

3] = 1.5 meq/L3Tentukan berapa banyak ion nitrat yang dapat diadsorpsi pada setiap L y g p p p presin.

Jawab:Jawab:Tentukan terlebih dahulu: 3NOX

-3NO

1.5X 0.33 (influent)3 1 5

3 1.5

XX ---NO3 33-

--O

NONOCl

NO

XX 0.33=K =4 =1.971-X 1 - 0.331-X

-NO3 3NO

X 0 66 Artinya fraksi maksimum pada NO3

X 0.66 y p

resin yang dapat diisi oleh NO3 -

Kadar total NO-3 yang dapat diikat resin adalah: 3 y g p

resin. ofliter per NO eq 0.86 eq/L(0.66) 3.1 -3

Dik h i k d NO d l i d l h 1 5 /LDiketahui kadar NO3- dalam air adalah 1.5 meq/L,

atau 0.0015 eq/L.M k l i d t di l h d 1 L iMaka volume air yang dapat diolah dengan 1 L resin tersebut adalah:

0 86 /L i / 0 0015 /L i0.86 eq/L resin / 0.0015 eq/L air= 570 L air / L air

RegenerasiKolom resin yang sudah jenuh oleh polutan ion dapat diregenerasi dengan menggunakan larutandapat diregenerasi dengan menggunakan larutan dengan komposisi ionik yang sesuai.