proses pertukaran ion dalam pengolahan air

FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
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 Na2Z (sodium zeolite)
dan Na2R (sodium Resin). Sodium Zeolite
merupakan bahan penukar ion yang pertama kali
digunakan ditemukan sebagai bahan mineral
yang merupakan senyawa komplek dengan
rumus kimia Na2(Al2Si2O8).
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 m3/jam-m2 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.
(3). Proses ini juga dapat menurunkan
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
62
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
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:
kg CaCO
kgrain CaCO 3
3
atau
ft 3 resin
m 3 resin
Konversi: 1 kgrain = 0,0648 kg
1
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
kgrain
kg
= 2,29 3
3
ft
m
63
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
Tabel (1): Karakteristik Sodium Resin
E.C.
No.
Grou
p
1
2
Nama bahan /
Perdagangan
Natural zeolite
- Zeo-Dur
- Inversand
Synthetic
zeolite
- Decalso
- Adrizone
4
5
Sulfonated Coal
- Zao-Karb
Coehranex
CCA
- Catex-55 (Na)
Styrene, high cap
- Amberlite IR122
- Chempro C-25
- Nalcite MCR
Styrene, high cap
- Amberlite IR120
- Chempro C-20
- Nalcite HCR
- Permutite Q
kg CaCO kg NaCl kg NaCl
m 3 resinem3 resinekg CaCO
6,40
6,40
20,00
20,00
3,13
3,13
18,32
20,61
22,90
27,48
32,06
27,48
34,35
38,93
51,20
64,00
80,00
64,00
80,00
64,00
96,00
144,00
2,79
3,11
3,49
2,33
2,50
2,33
2,79
3,70
16,03
16,03
16,03
50,40
50,40
50,40
3,14
3,14
3,14
27,48
31,60
41,68
49,24
48,00
64,00
128,00
160,00
1,75
2,03
3,07
3,25
41,22
50,38
54,96
57,25
61,83
68,70
54,96
80,00
105,60
134,60
160,00
216,00
240,00
96,00
1,94
2,10
2,45
2,79
3,49
3,49
1,75
Regeneration level:
Yaitu
menunjukkan
kebutuhan
regeneran persatuan volume Resin, yang
satuannya dapat dinyatakan dalam:
regeneran persatuan berat garam-garam sadah
yang dihilangkan, yang satuannya dapat
dinyatakan dalam:
lb NaCl
kg NaCl
atau
kgrain CaCO 3
kg CaCO 3
lb NaCl
kg NaCl
atau 3
3
ft resin
m resin
Regeneration efficiency:
Yaitu
menunjukkan
R.E
gel
- Super Nalcolite
3
R.L.
Konversi: 1
kebutuhan
Lembaran Publikasi Ilmiah Pusdiklat Migas
lb
kg
= 7
kgrain
kg
64
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
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 H2R 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
FORUM IPTEK
No.
Group
1
2
Vol 13 No. 03
Tabel (2): Karakteristik Resin Asam
E.C.
R.L.
Nama bahan /
Regeneran
kg CaCO 3
kg Asam
Perdagangan
3
3
4
m resine
m resine
Sulfonated coal
- Zeo-Karb
- Coehranex CCA
- Catex-12 (H)
H2SO4
H2SO4
H2SO4
18,32
18,32
18,32
32,00
32,00
32,00
1,75
1,75
1,75
Phenolic resin
- Doulite C-3
H2SO4
18,78
22,90
25,42
27,48
24,05
28,63
33,21
36,64
64,00
96,00
128,00
160,00
72,00
128,00
200,00
272,00
3,41
4,19
5,04
5,82
2,99
4,47
6,02
7,42
H2SO4
21,76
27,02
30,92
32,52
37,10
40,00
64,00
80,00
96,00
128,00
1,84
2,37
2,59
2,95
3,45
H2SO4
20,61
24,05
25,19
27,48
30,92
34,35
57,25
43,51
49,46
57,25
40,00
64,00
80,00
96,00
120,00
128,00
160,00
160,00
240,00
320,00
1,94
2,66
3,18
3,48
3,88
3,73
2,79
3,68
4,85
5,59
HCl
3
R.E
kg Asam
kg CaCO 3
Styrene med. Cap.
- Amberlite IR-112
- Chempro C-25
- Nalcite MCR
Styrene, high cap
- Amberlite IR-120
- Chempro C-20
- Nalcite MCR
- Permutite Q
HCl
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 H2SO4 untuk Resin asam
dan NaOH atau NH4OH 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
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
untuk keperluan ini harus dilapisi dengan bahan
yang tahan terhadap asam maupun basa agar
No.
Group
1
Tabel (3): Karakteristik Resin Basa
E.C.
R.L.
Nama bahan /
Regeneran
kg CaCO 3
kg Basa
Perdagangan
3
3
3
R.E
m resine
m resine
kg Basa
kg CaCO 3
Na2CO3
NaOH
Na2CO3
NH4OH
NaOH
Na2CO3
NH4OH
43,51
57,25
38,93
50,38
57,25
61,83
57,25
67,20
51,20
67,20
56,00
56,00
96,00
48,00
1,54
0,89
1,73
0,98
0,98
1,55
0,84
Styr. Divinyl benZene (basa kuat,
Type 1)
- Nalcite SBR
NaOH
- Permutite S-1
- Amberlit IRA 400
NaOH
NaOH
- Duolite A-42
NaOH
25,19
26,91
25,19
22,90
24,96
20,61
22,90
56,00
80,00
72,00
96,00
128,00
64,00
98,00
2,22
2,97
2,86
4,19
5,13
3,11
4,19
Styr. Divinyl benZene (basa kuat,
Type 2)
- Nalcite SBR
NaOH
- Permutite S-2
- Amberlit IRA 410
NaOH
NaOH
- Duolite A-40
NaOH
28,63
30,92
33,21
32,06
37,10
38,70
34,35
36,64
38,93
64,00
80,00
120,00
72,00
96,00
128,00
64,00
96,00
128,00
2,24
2,59
3,61
2,25
2,59
3,31
1,88
2,62
3,29
Styr. Polyvinyl pheNolic(basa lemah)
- Deacidite
- Duolite A-2
- Doulite A-7
- Amberlite IR-25
2
tidak terjadi korosi pada peralatan tersebut, oleh
karena itu investasinya cukup mahal.
Berbagai macam Resin asam dan Resin
basa yang banyak digunakan untuk keperluan
proses demineralisasi adalah diuraikan dalam
tabel (2) dan tabel (3). Untuk Resin asam,
regeneration lavel berdasarkan pada konsentrasi
asam, yaitu 66 oBe H2SO4 dan 30 % Hcl. Untuk
Resin basa, regeneration level berdasarkan pada
konsentrasi basa, yaitu 100 % NaOH, 100 %
Na2CO3, dan 100 % NH4OH.
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
FORUM IPTEK
Vol 13 No. 03
- 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