ion exchange - · pdf filepertukaran ion adsorpsi, dan pertukaran ion adalah proses sorpsi,...

Ion Exchange

Shinta Rosalia Dewi

RESIN PARTICLE AND BEADS

Pertukaran ion

Adsorpsi, dan pertukaran ion adalah proses sorpsi, dimanakomponen tertentu dari fase cairan, yang disebut zat terlarut,ditransfer selektif ke bahan insoluble dalam suatu wadah ataudikemas dalam kolom.

Pertukaran ion melibatkan transfer massa dari larutan ke fasapadatan.

Pada adsorpsi dan pertukaran ion, ion dari fasa larutantertransfer ke fasa padatan (sorbent) sampai sorbent menjadijenuh atau hampir jenuh. Untuk meregenerasinya dilakukandesorb (pelepasan kembali)

Pertukaran ion ion yang dipindahkan dari larutandipindahkan ke penukar ion (exchanger) sehingga terjadielektronetralitas (jumlah muatan yang diserap = yangdilepaskan)

Mekanisme

Resin mengandung kation B+ akan

dipertukarkan dengan kation A+ dalam

larutan. Kation A+ dan B+ akan terdifusi

karena perbedaan konsentrasi antara

resin dan larutan.

Reaksi pertukaran ion :

Pertukaran ion akan berlangsung sampai

kesetimbangan dicapai

A R B B R A

Aplikasi

100 tahun lalu air sadah zeolit

Th 1935 diperkenalkan resin penukar ion untuk Water

softening (Ca2+ and Mg2+) dan deionisasi

Demineralisasi air

Dealkalinasi air

Penghilangan warna pada larutan gula

Recovery uranium dari larutan

Aplikasi : Water softening

Water softening dengan pertukaran

ion melibatkan penukar kation, di

mana reaksi berikut terjadi untuk

menggantikan ion kalsium dengan

ion natrium.

Aplikasi : Demineralisasi

Pada langkah pertama,

resin penukar kation (H+)

untuk ion kation seperti

K+, Ca2+, Na+. Pada

langkah kedua, resin

penukar anion (OH-)

seperti ion Cl-, PO42-. Ion-

ion hidrogen dan hidroksil

yang masuk ke air

bergabung membentuk air.

Komponen penukar ion

Fasa padat bermuatan atau matriks .

Fasa cair yang mengandung molekul

yang berbeda muatan dari matriks

Larutan (eluan) dengan muatan

berbeda untuk mencegah interaksi

antara fasa cair dan padat.

Penukar ion

Penukar ion diseimbangkan oleh

counterion

Counterion inilah yang akan

dipertukarkan dengan ion lain dari

larutan .

Resin

Resin

Polimer organik atau anorganik yang digunakan sebagai

penukar kation atau anion dari fasa larutan.

Resin penukar ion umumnya berbentuk butiran gel yang

terdiri dari (1) jaringan polimer, (2) gugus fungsional ionik

melekat jaringan, (3) counterions, dan (4) pelarut.

Struktur umum

Polymer backbone tidak terlibat dalam ikatan

Gugus fungsional / sisi aktif membentuk kompleks anion

atau kation

Resin

Penukar kation (asam kuat) dan penukar anion (basa

kuat) disintesis dari kopolimerisasi stirena dan,

divinilbenzena (DVB)

Penukar kation (asam lemah) kadang disintesis dari

kopolimerisasi asam akrilat dan asam metakrilat.

Selectivity of Ion Exchange Resins

In Order of Decreasing Preference

Strong acid cation Strong base anion

Barium Iodide Lead Nitrate Calcium BisulfiteNickel Chloride Cadmium Cyanide Copper Bicarbonate Zinc Hydroxide Magnesium Fluoride Potassium Sulfate Ammonia Sodium Hydrogen

Resin organik

Gugus fungsional

Benzena

Disulfonasi sebagai penukar kation

Diklorinasi sebagai penukar anion

aa

SO3H

Cation exchange

aa

CH2N(CH3)3Cl

Anion exchange

Resin anorganik

Silikat (SiO4)

Aluminosilikat

zeolite, montmorillonites

Penukar kation

Zirconium, Tin- phosphate

aa

OH

OPO(OH)2

O

OPO(OH)2

OPO(OH)2

O

OH

OPO(OH)2

O

OPO(OH)2

OPO(OH)2

Zr ZrZrZr

Resin

Faktor penting dalam pemilihan resin penukar ion :

1. Kapasitas penukar

2. Selektivitas

3. Ukuran partikel dan distribusi ukuran (flow

throughput considerations).

4. Stabilitas kimia dan fisika

5. Regenerasi

Resin

Sifat

Kapasitas Jumlah ion yang dapat dipertukarkan per unit material

Kapasitas penukar kation (Proton exchange capacity, PEC)

Selektivitas

Penukar kation atau anion

Kation adalah ion positif

Anion adalah ion negatif

Selektif terhadap beberapa gugus fungsi

Distirbusi ion logam bervariasi

Contoh

Sebuah resin pertukaran ion terbuat dari 88% berat

stirena dan 12% berat divinilbenzena yang dimodifikasi

dengan sulfonasi sebagai resin penukar kation. Perkirakan

maksimum kapasitas pertukaran ion dalam resin!

Jawab :

Dianggap berat resin 100 g sebelum sulfonasi

M g mol

Stirena 104,14 88 0,845

Divinilbenzena 130,18 12 0,092

100 0,937

Jawab

Sulfonasi pada setiap cincin benzena 0,937 mol H2SO4

(M=81,07 g/mol)), sehingga terjadi penambahan berat

(0,937mol)(81,07g/mol) = 76 g

Total berat resin setelah sulfonasi = 100 + 76 = 176 g

Kapasitas maksimum penukar ion :

0,9375,3mol / kg resin

(176/1000)

Latihan 1

Perkirakan kapasitas maksimum 200 g penukar ion yang

dibuat dari kopolimerisasi 75% berat DVB dan 25%

stirena dan dimodifikasi dengan sulfonasi (M H2SO4 =

81,07 g/mol) !

Latihan 2

Perkirakan kapasitas maksimum 100 g penukar ion yang

dibuat dari kopolimerisasi 80% berat DVB dan 20%

stirena dan dimodifikasi dengan klorinasi!

Kesetimbangan

Untuk pertukaran ion, kita menerapkan hukum aksi massa

untuk memperoleh kesetimbangan

Pada saat kesetimbangan

di mana K : koefisien selektivitas molar; c : konsentrasi

molar liquid; q : konsentrasi molar penukar ion

Kesetimbangan (con’t)

Jika muatan counterion = muatan ion yang akan

dipertukarkan maka :

K tidak tergantung pada C/Q (total konsentrasi ekuivalen)

Di mana x dan y adalah fraksi mol liquid dan penukar ion;

z = valensi counterion I

Kesetimbangan (con’t)

Apabila muatan counterion ≠ muatan ion yang

dipertukarkan, maka :

K dipengaruhi oleh rasio C/Q dan rasio muatan n

C : total konsentrasi ekuivalen (eq/L) larutan; Q : total

konsentrasi ekuivalen (eq/L) penukar ion

Contoh

Sebuah resin Amberlite IR-120 dengan kapasitas

pertukaran ion maksimum 4,90 meq/g resin kering,

digunakan untuk menghilangkan ion tembaga dari aliran

limbah yang mengandung 0,00975M CuS04 (19,5 meq

Cu2+ / L larutan). Diameter pertikel resin berkisar antara

0,2 sampai lebih dari 1,2 mm. Reaksi kesetimbangan

pertukaran ion reaksi dari divalen-monovalen :

miliekuivalen kation di larutan dan dalam resin tetap

konstan. Dan diketahui bahwa data kesetimbangan untuk

ion tembaga dengan 19,5 meq/liter larutan :

Contoh

Hitunglah koefisien selektivitas molar, K, di setiap nilai c

untuk Cu2+

Jawab

c, meq/L larutan q, meq/g resin xCu2+ yCu2+ KCu2+,H+

0,022 0,66 0,00113 0,287 0,635

0,786 3,26 0,0403 1,417 0,543

4,49 4,55 0,230 1,978 1,877

10,3 4,65 0,528 2,022 0,615

2 2

2 2

Cu Cu

Cu Cu

c qx y

19,5 4,9

C 0,01950,0040

Q 4,9

Latihan 3

Sebuah resin penukar kation dengan kapasitas pertukaran ion

maksimum 5,90 meq/g resin kering, digunakan untuk menghilangkan

ion tembaga dari aliran limbah yang mengandung 0,00975M CuS04

(19,5 meq Cu2+ / L larutan). Diameter pertikel resin berkisar antara

0,2 sampai lebih dari 1,2 mm. Reaksi kesetimbangan pertukaran ion:

miliekuivalen kation di larutan dan dalam resin tetap konstan. Dan

diketahui bahwa data kesetimbangan untuk ion tembaga dengan 19,5

meq/liter larutan :

Hitunglah koefisien selektivitas molar, K, di setiap nilai c untuk Cu2+

2 2Cu MgR CuR Mg

LARGE-SCALE ION EXCHANGE

COLUMNS