ION EXCHANGE I. TUJUAN PERCOBAAN II. DASAR TEORI

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
+
Ca2+
Ca-R2 +
2Na+
2+
2H-R +
Ca
Ca-R2
+
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-R2 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
+
Na2CO3
NaCl +
NaHCO3 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-NH2
: amina primer
R-R1NH : amina sekunder
R-R21N : amina tersier
R-R3NOH : amina kuartener
Dalam notasi diatas R menunjukkan polimer hidrokarbon dan R1
menunjukkan gugus tertentu misalnya CH2.
2. Kation exchange resin (resin penukar kation), yaitu resin yang
mempunyai
kemampuan
menyerap/menukar
kation-kation
seperti Ca2+, Mg2+, Na+ dan sebagainya yang ada di dalam air,
contoh:
 Hidrogen Zeolith (H2Z)
 Resin organik yang mempunyai gugus aktif SO 3H
(R.SO3H)
 Sulfonated coal
Pada resin penukar kation, misalnya R.SO3H, gugus aktif SO3
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
Mg
Ca
+
+
2 R.SO3H
Na
2HCl
Mg
(RSO3)2
Na
H2SO4
Apabila H+ pada R.SO3H 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
Mg(RSO3)2
Na
+
H2SO4
2 RSO3H
+
Aktif lagi
Ca
MgSO4
Na
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+ < NH4+ < K+ < Rb+ < Cs+
Untuk ion yang bermuatan dua,
Penyerapan
resin
ditentukan
oleh
ukuran
ion
dan
ketidaksempurnaan dissoasiasi garam ion-ion tersebut.
Misal : Ba2+ < Mn2+ < Mg2+ = Zn2+ < Cu2+ = Ni2+ <Co2+ <Ca2+ <Si2+
2+
<Pb < Ba2+
Penyerapan resin
bersangkutan.
juga
ditentukan
oleh
afinitas
kation
yang
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 1025%) 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 :
Na2Z +
+
Ca2+
2Na+
CaZ
Na2Z +
+
Mg2+
2Na+
MgZ
Sedangkan reaksi yang terjadi pada
berlangsung adalah sebagai berikut:
CaZ
+
2NaCl
+
CaCl
MgZ +
2NaCl
+
MgCl
saat
proses
regenerasi
Na2Z
Na2Z
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: Na6/(AIO2)6(SiO2)30/24H2O
 Sifat Asam/Basa: Asam kuat
 Kapasitas pertuaran ion (meq/g): 2,26-3,10
 Kepadatan (g/cm3): 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 (6000C)
Cara Biologi (aerasi)
(Marsidi,Ruliasih.2013.Zeolit untuk mengurangi kesadahan air. Jakarta. Hal
4-5)
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 AlO2 dan SiO2 yang saling berhubungan melalui atom
O, sehingga zeolit mempunyai rumus empiris sebagai berikut x/n
Mn+[(AlO2)x (SiO2)y].zH2O. 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)