BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Leaching (ekstraksi padat-cair) adalah suatu pemisahan partikel atau unsur

baik satu atau lebih dengan menggunakan larutan yang sesuai dengan mengontakkan

dengan suatu padatan. Dalam pemisahan zat padat dengan menggunakan larutan,

terjadi perpindahan massa (difusi) dari padatan ke cairan.

2.1 Mekanisme perpindahan massa

2.1.1 Hukum Fick untuk difusi

Difusifitas massa dari atau sistem binert didefinisikan ke dalam bentuk

persamaan berikut:

JA* = - c DAB XA

Persamaan ini disebut sebagai hukum Fick I untuk suatu peristiwa difusi,

ditulis dalam bentuk fluks difusi molar JA*. Persamaan ini menunjukan bahwa

komponen A berdifusi (bergerak relatif dalam campuran) pada arah pembesaran dari

fraksi mol komponen A, sebagaimana aliran panas pada konduksi pada arah

pembesaran temperatur.

Bentuk lain dari hukum Fick I ini menggambarkan tinjauan terhadap fluks

molar relatif, NA terhadap koordinat stationer, dituliskan sebagai berikut :

NA = x (NA + NB) - cDABXA

Persamaan ini menunjukan fluks difusi, NA yang relatif terhadap koordinat

stationer merupakan dua vektor kuantitas, yaitu vektor XA (NA + NB) yang

merupakan fluks molar komponen A hasil dari gerakan bulk didalam fluida , dan

vektor JA*= - cDABXA merupakan fluks molar A hasil dari difusi pada lapisan atas

aliran bulk. Dengan demikian aliran bulk dan arah difusi adalah sama untuk A

(karena A mendifusi searah aliran) dan berlawanan arah untuk B (karena B bergerak

berlawanan terhadap aliran). Hukum Fick I menunjukan bahwa perpindahan massa

terjadi karena adanya gradien konsentrasi massa.

2

2.1.2 Teori kelakuan difusi di dalam liquid

Untuk menerangkan perihal kelakuan difusi di dalam fluida tidak ada teori

yang benar-benar tepat, tetapi biasanya digunakan teori termodinamika untuk

melakukan perhitungan yang dianggap keadaan difusivitas terjadi pada suatu partikel

tunggal atau larutan molekul A melalui medium stationer B, persamaan yang

digunakan sebagai berikut:

DAB = kT

Dimana UA/FA adalah gerakan partikel A (dalam hal ini pada kecepatan tetap

dicapai oleh partikel dibawah aksi satu unit gaya). Suatu hubungan diantara di dalam

aliran lambat dapat diperoleh dari hidrodinamik.

2.2 Persiapan Bahan Baku untuk Ekstraksi Padat-cair

Dalam mempersiapkan bahan untuk diesktrak sangat tergantung pada :

1. Banyaknya zat yang akan diekstrak

Banyaknya zat yang akan diekstrak untuk menentukan jumlah bahan yang

akan digunakan sehingga menghasilkan ekstrak yang diinginkan.

2. Distribusi konstituen di dalam solute.

Konstituen yang dilarutkan tersebar merata pada solid, maka partikel-partikel

solid menyebar di dalam solute. Sehingga ekstrak yang dihasilkan lebih baik.

3. Sifat-sifat bahan yang akan diekstrak, yaitu bagaimana zat tersimpan di dalam

bahan.

Sifat-sifat dari suatu bahan yang diekstrak diketahui terlebih dahulu untuk

mengetahui jenis pelarut yang akan digunakan. Hal ini dikarenakan tidak setiap

pelarut dapat bereaksi dengan baik pada bahan tertentu.

4. Ukuran partikelnya.

Ukuran partikel yang kecil akan memperbesar luas permukaan kontak

antara partikel dan liquid, maka akan memperbesar laju perpindahan bahan,

serta akan memperkecil jarak difusi. Namun demikian partikel yang sangat

halus akan tidak efektif bila sirkulasi proses tidak dijalankan. Disamping itu

3

juga akan mempersulit drainase sisa liquid (residu). Jadi harus ada range

tertentu untuk ukuran partikel dimana partikel harus cukup kecil, tetapi juga

tidak terlalu kecil sehingga tidak menggumpal dan menyulitkan drainase.

2.3 Persiapan Padatan atau Bahan yang akan Diekstraksi

Keberhasilan leaching serta teknik-teknik yang akan digunakan akan sangat

bergantung pada pengolahan sebelumnya. Hal ini dikarenakan beberapa padatan

tidak dapat diekstraksi secara langsung karena adanya lapisan pelindung yang

menghambat operasi leaching. Selain itu ukuran partikel akan selalu sangat efektif

untuk rate leaching.

Selain itu untuk partikel yang ukurannya agak besar perlu diolah pada saat

awal yaitu dengan memperkecil ukuran mesh bahan, sehingga akan mempercepat

aksi leaching. Sebagai contoh, biji tembaga dapat dengan efektif diekstraksi oleh

asam sulfurit selama 4-8 jam jika ukuran bahan melewati saringan 60 mesh. Jika

ukuran butiran 6 mm maka akan dibutuhkan waktu ekstraksi selama 5 hari dan 4-6

tahun untuk ukuran 150 mm. Sejak pemakai dari penghalusan kita mempunyai

banyak pilihan untuk ukuran partikel. Tetapi jika bahan mempunyai pori-pori yang

banyak sehingga mudah ditembus pelarut murni maka operasi penghalusan tak perlu

dilakukan. Selain itu kehilangan sisa zat yang dapat larut juga menjadi masalah.

Untuk tumbuhan dan hewan yang strukturnya seluler, produk yang akan

dileaching terdapat dalam bahan (sel), sehingga dalam keadaan utuh menghambat

peresapan solvent ke sel oleh dinding sel. Maka aksi leaching berlangsung lambat

dan tidak dapat diterapkan. Pemecahannya dilakukan dengan memotong tipis-tipis

yang disebut cossete, sehingga dapat meningkatkan waktu yang diperlukan pelarut

untuk mencapai sel sehingga larutan akan lewat melalui dinding semi permiabel.

Untuk produk obat-obatan yang diambil dari akar pohon, bahan sebelum

leaching sering dikeringkan terlebih dahulu dan ini dilakukan pemecahan awal

dinding sel dan penambahan larutan untuk aksi langsung. Dalam mempersiapkan

bahan yang akan diekstraksi perlu diperhatikan dua hal berikut :

4

1. Banyaknya zat yang akan disaring dan didistribusinya.

2. Sifat-sifat bahan yang akan diekstrak yaitu bagaimana zat tersimpan didalam

bahan.

2.4 Mekanisme Proses Ektraksi

Proses ekstraksi merupakan bagian dari peristiwa perpindahan massa dalam

suatu sistem. Mekanisme ekstraksi didasarkan pada gerakan partikel komponen yang

berkaitan dengan perpindahan massa dari suatu komponen menuju komponen

lainnya. Umumnya tahap proses ekstraksi dibagi tiga bagian yaitu :

1. Perubahan fasa konstituen (solute) untuk larutan ke dalam perlarut, misalnya

dari bentuk padat ke dalam bentuk cair.

2. Difusi melalui pelarut ke dalam pori-pori hingga keluar dari partikel.

3. Dan tahap terakhir perpindahan konstituen dari sekitar partikel keseluruhan

bulk.

Setiap bagian dari ketiga mekanisme ini akan mempengaruhi kecepatan

ekstraksi, namun bagian pertama berlangsung sangat cepat, maka terhadap kecepatan

reaksi keseluruhan besarnya dapat diabaikan. Pada beberapa solid atau sistem yang

akan diekstraksi, konstituen yang akan dipisahkan terisolasi oleh suatu lapisan yang

sangat sulit ditembus pelarut, misalnya biji emas didalam batu karang harus

dipisahkan terlebih dahulu. Begitu juga dengan solut yang berstruktur seluler akan

sulit diekstraksi karena struktur demikian adanya tahanan tambahan terhadap

perembesan pelarut, misalnya pada ekstrak.

Untuk mengatasi hal semacam ini, maka solid harus dipotong tipis-tipis

dahulu hingga bagian dari sel-sel solid akan pecah. Pada ekstraksi minyak dari biji-

bijian, apabila bentuk selnya seluler, ekstraksi tidak terlalu sulit dilaksanakan karena

konstituen (solute) yang sudah berbentuk liquid (minyak).

2.5 Perpindahan Massa dalam Leaching

5

Berdasarkan tahanan terhadap perpindahan massa melalui lapisan tipis (film)

maka konsentrasi larutan ekstraksi padat cair pada waktu t adalah:

C = Cs ( l – e-(KA/bV)t

dimana:

C = Konsentrasi solute dalam larutan menyeluruh

Cs= Konsentrasi larutan jenuh

A = Luas permukaan kontak padat cair

b = Tebal efektif lapisan dan tipis sekitar partikel

V = Volume larutan keseluruhan

K = Koefisien difusi (biasanya dianggap konstan)

Bila leaching diikuti pengadukkan cukuip tinggi maka rate transfer tidak akan

dipengaruhi lagi oleh kecepatan putaran pengaduk.

2.6 Laju Eksraksi

Phenomena yang beragam yang sering diterapkan pada praktek leaching

membuat kita tidak mungkin menggunakan hanya satu teori untuk menjelaskan aksi

pada leaching. Leaching dapat berupa pencucian yang sederhana terhadap larutan

dari permukaan suatu padatan, atau melarutkan suatu zat terlarut dari suatu matrik

benda yang tidak larut, osmosis dan mekanisme yang lain memungkinkan.

Pengetahuan kita tentang hal-hal seperti di atas masih sangat terbatas. Pencucian

suatu larutan dari permukaan luar partikel dari suatu padatan merupakan peristiwa

yang sangat cepat dibutuhkan, hanya larutan yang digiling dan solvent, dan effisiensi

tahap yang kesemuanya itu dapat dimungkinkan dengan adanya pemisahan cairan

dari padatan secara mekanis yang lengkap.

Sebaliknya proses leaching suatu zat tersebut dari bagian dalam padatan

relatif lebih lambat. Padatan terbuat dari struktur rangkaian unsur yang tidak dapat

larut, dimana rongga-rongga yang dapat dimasuki oleh zat terlarut dinyatakan dengan

faktor bentuk rongga. Faktor ini merupakan fungsi padatan tergantung pada sifat zat

terlarut dan pelarut yang merupakan suatu pengukuran terhadap kekomplekskan

tahapan yang dilalui oleh zat terlarut untuk berdifusi. Pada produk alam seperti

bahan-bahan lingkungan, kekomplekskan strukturnya membuat penerapan metode

6

ini menjadi sulit sebagai contoh awal difusi, apakah pada arah paralel atau pada arah

memotong serat kayu. Bila zat terlarut harus melewati dinding sel secara diaksis,

maka konsep leaching sama sekali tidak dapat digunakan. Laju difusi minyak kedelai

dari biji kedelai tidak dianggap mudah karena adanya beberapa jenis struktur dalam

matriknya dan juga adanya unsur yang sukar larut dalam minyak. Bijinya tidak dapat

dileaching seluruhnya. Penggilingan dan penghancuran dapat memecahkan dinding

sel dan membuka jalan masuk bagi penetrasi solvent dengan gaya lapisan.

Pada kenyataannya bahwa laju leaching naik dengan naiknya luas permukaan

kontak padatan solvent dan larutan minyak bahkan untuk biji yang hancur diperoleh

residu minyak yang tidak terekstraksi yang naiknya ketebalan serpuhan.

2.7 Faktor-faktor yang Mempengaruhi Kecepatan Reaksi

Pemilihan alat untuk proses ekstraksi dipengaruhi oleh faktor yang membatasi

kecepatan reaksi. Bila kecepatan reaksi dikontrol oleh mekanisme difusi solute

melalui pori-pori solute maka ukuran partikel yang akan diolah harus kecil, agar

jarak perembesan tidak terlalu jauh. Sebaliknya bila mekanisme difusi solute dari

permukaan partikel ke dalam larutan secara keseluruh (bulk) merupakan faktor yang

mengendalikan, maka harus dilakukan pengadukan di dalam prosesnya. Faktor-

faktor yang harus diperhatikan dalam proses ekstraksi ada empat hal :

a. Ukuran partikel

Ukuran partikel yang kecil, luas permukaan kontak antara partikel dengan

liquid menjadi besar, akibatnya rate leaching akan besar, juga ukuran partikel yang

kecil akan mengurangi sisa solid. Oleh karena itu ukuran partikel harus cukup kecil

agar mempunyai waktu ekstraksi yang sama, tetapi tidak selalu kecil sehingga

menggumpal, maka harus ada range tertentu untuk ukuran partikel.

b. Pelarut

7

Perlu seleksi larutan yang cukup baik dimana tidak merusak konstituen yang

diharapkan atau residunya, disamping itu pelarut juga tidak boleh mempunyai

viskositas yang tinggi agar sirkulasi dapat bebas terjadi.

Umumnya pada awal ekstraksi, pelarut dalam keadaan murni, tetapi setelah

beberapa lama konsentrasi solute di dalamnya akan bertambah besar akibatnya rate

leaching akan menurun, pertama karena gradien konsentrasi berkurang dan kedua

karena larutan bertambah pekat.

c. Suhu operasi

Umumnya kelarutan suatu solute yang akan diekstraksi akan semakin tinggi

dengan meningkatnya suhu, demikian juga laju difusi, jadi secara keseluruhan akan

menambah kecepatan reaksi. Selain itu juga akan menurunkan viskositas dari cairan

dan juga perlu diperhatikan dengan meningkatnya suhu yang lebih tinggi akan

merusak bahan yang diproses.

d. Pengadukan

Dengan pengadukan, maka difusi akan bertambah dan perpindahan bahan

dari permukaan bahan ke dalam larutan bertambah cepat, disamping itu juga

mencegah pengendapan.

2.8 Metode pengontakan padat-cair

Dalam operasi ekstraksi padat cair dikenal dua metode pengoperasiannya

yaitu: operasi secara Batch (unsteady state) dan operasi secara kontinyu (steady

state)

Operasi secara Batch

Operasi ini sering dilakukan dipertambangan (leaching of area). Pelarutan

dituangkan pada setumpuk bahan atau dialirkan unggun bahan. Larutan yang

diperoleh dikeluarkan sekaligus. Tembaga diambil dari bijinya dengan menggunakan

asam sulfat sebagai pelarut. Cara ini disebut sistem operasi batch bertahap tunggal

seperti terlihat pada gambar 2.2.

8

Padatan pelarut

Ke unit pemisah

Gambar 2.2 sistem operasi bertahap tunggal.

Operasi secara batch dapat juga dilakukan dengan sistem bertahap banyak

dan aliran berlawanan. Sistem ini terdiri dari beberapa unit pengontak batch yang

disusun berderet atau di dalam lingkungan yang dikenal sebagai rangkaian ekstraksi

(ekstraktor battery).

Dalam sistem ini padatan dibiarkan dengan beberapa larutan yang

konsentrasinya masih menurun, sehingga padatan hampir tidak mengandung solute

meninggalkan rangkaian setelah dikontakkan dengan pelarut baru, sedang larutan

pekat sebelum keluar dari rangkaian terlebih dahulu dikontakkan dengan padatan

baru didalam tangki yang lain. Langkah dari sistem ini ditunjukan pada gambar 2.2.

langkah pertama langkah kedua

Gambar 2.3 Operasi batch bertahap banyak dengan aliran berlawanan.

Operasi secara Kontinyu (steady state)

Sistem ini banyak digunakan dalam industri karena sistem ini memungkinkan

diperoleh jumlah solute yang tinggi. Operasi ini dapat dilakukan dengan cara :

9

a. Sistem bertahap banyak dengan aliran sejajar (aliran selang)

Pada operasi ini dimulai dengan pencampuran umpan padatan dan

pelarut dalam tahap pertama, kemudian aliran bawah dari tahap ini dikontakkan

dengan pelarut baru pada tahap berikutnya, larutan yang didapat pada aliran atas

dikumpulkan menjadi satu, disebut aliran sejajar dan bola aliran atas ditampung

secara terpisah disebut aliran silang sistem ini dapat dilihat pada gambar berikut

larutan

Padatan P P1 P2 ... Pn

pelarut

Gambar 2.4 Sistem bertahap banyak dengan aliran sejajar

L1 L2 Ln-1 Ln

Padatan P

P1 P2 Pn – 1 Pn

Pelarut

Gambar 2.5 Sistem bertahap banyak dengan aliran silang.

b. Sistem bertahap banyak dengan aliran berlawanan.

Pada sistem ini aliran atas dan bawah dialirkan secara berlawanan.

Operasi dimulai pada tahap pertama dengan mengontakkan padatan baru dengan

larutan pekat yang merupakan aliran atas tahap n + 1, dan padatan baru. Operasi

berakhir pada tahap n (tahap akhir) dimana terjadi percampuran antara pelarut

baru dan padatan yang berasal dari tahap ke (n-1). Blok dari sistem dapat terlihat

pada gambar 2.5.

10

Inert padatan baru

pelarut baru pelarut pekat

Gambar 2.6 Sistem bertahap banyak dengan aliran berlawanan .

Ekstraksi akan lebih menguntungkan jika dilaksanakan dalam jumlah tahap

yang banyak. Setiap tahap menggunakan pelarut yang sedikit. Kerugiannya adalah

konsentrasi larutan ekstrak makin lama makin rendah, dan jumlah total pelarut

kembali biayanya menjadi besar.

Lebih ekonomis adalah menggunakan proses dengan aliran yang berlawanan,

dengan metode ini pelarut dapat dihemat dan konsentrasi larutan ekstrak yang lebih

tinggi dapat diperoleh, meskipun demikian perbedaan konsentrasi yang cukup besar

yang merupakan gaya pendorong unjuk kerja ekstraksi yang tinggi masih dapat

dipertahankan.

2.9 Tipe Peralatan untuk Leaching

Tipe peralatan yang akan tergantung pada sifat dari bahan padat sering

diproses, apakah berbentuk granular atau selular, kasar ataupun halus. Disamping itu

juga berdasarkan gerakannya maka alat-alat untuk operasi leaching dapat dibagi

dalam beberapa tipe :

Tipe unggun tetap (fixed Bed)

Padatan yang akan diproses dimasukan ke dalam sebuah tangki kolom

dijadikan fixed bed selama beberapa waktu tertentu. Pelarut dialirkan dari atas dan

larutan pekat akan dialirkan dari dasar tangki. Selang beberapa waktu akan

dikeluarkan padatan residunya. Alat leaching ini digunakan pada industri gula bit

dimana 95 % dari gula yang dikandung pada serpihan akan larut ke dalam pelarut

(umumnya digunakan air panas dan akan terbentuk larutan dengan kadar gula 12 %).

Gambar 2.1. memperlihatkan sebuah tipe batch unggun tetap. Alat ini berupa sebuah

bejana silinder tegak yang dibagi dua oleh sebuah plat miring, bagian atas diisi

dengan bahan yang akan disaring, yang disemprotkan dengan pelarutan melalui

distributor. Pelarutan meredam bahan dan dikeluarkan melalui pipa turun atau down

11

comer. Larutan yang dikumpulkan ruang bawah dididihkan dengan pipa steam. Uap

pelarut dan uap air dikondensasikan dan selanjutnya dipergunakan kembali.

Tipe unggun bergerak

Padatan yang akan diolah dimasukan ke dalam basket-basket (container yang

berlubang pada dasarnya) kemudian basket ini digerakkan sedemikian rupa sambil

disiram dengan pelarut sehingga yang masuk basket dibagian atas akan menjadi

larutan penyiram solid yang berada di dalam basket yang saat itu tetap berada

dibawahnya. Contoh pemakaian alat ini digunakan pada leaching minyak dari biji-

bijian. Larutan hasil leaching dengan kadar minyak 25 % biasanya disebut miscella

dan partikel yang dileaching disebut marc.

Agitated Solid Ekstraktor.

Bila padatan yang akan diekstraksi cukup baik (halus) yang dapat dengan

mudah tersuspensi ke dalam liquid oleh pengadukan, maka dapat digunakan alat

ekstraktor tipe tangki berpengaduk. Disini harus diatur untuk aliran kontinyu padatan

dan cairan yang keluar masuk tangki dan harus dengan teliti agar tak terjadi

akumulasi dari padatan ketika berlangsung. Alat ini disusun seri dan umpan serta

pelarut masuk saling berlawanan. Contoh peralatan ini adalah thickner untuk partikel

yang lebih halus dan classifier untuk partikel yang lebih besar.

2.10 Metode perhitungan operasi leaching.

Untuk memudahkan dalam hal membuat neraca kesetimbangan pada leaching

dibuat beberapa istilah dan notasi yang akan digunakan dalam menjelaskan metode

perhitungan yaitu :

1. Aliran liquid yang terdiri dari pelarut C dan solute A selanjutnya disebut

sebagai aliran overflow dan diberi notasi V dengan komposisi Y. Kadang-

kadang aliran overflow ini membawa sedikit inert B dan solid bawaan ini

mengalir pada bagian atas pada alta leaching.

2. Aliran solid inert yang membawa sedikit liquid dan aliran ini disebut underflow

dengan notasi L dan komposisinya X. Larutan yang terbawa oleh aliran under

12

flow entraiment atau reiteined solution. Aliran underflow ini biasanya berada

pada bawah alat leaching.

Tahap ideal didefinisikan sebagai suatu tahap dimana terjadi kesetimbangan

antara liquid overflow entraiment. Guna mempermudah suatu perhitungan operasi

leaching dalam penentuan jumlah tahap ideal, maka dibuat asumsi-asumsi sebagai

berikut :

1. Materi yang diolah terdiri dari :

- Inert solid.

- Solute tunggal (solid dan liquid)

- Solvent hanya melarutkan solute.

2. Solute tidak diabsorbsi oleh inert, kecuali dalam hal tertentu dan diketahui

hubungan kesetimbangannya.

3. Perpindahan solute ke dalam solvent hanya karena peristiwa fisis (melarut)

bukan karena peristiwa kimia (reaksi).

2.10.1 Cara analisis

Dalam menghitung komposisi keluar atau masuk suatu sistem leaching

dengan menggunakan ekstraktor multi stage dengan aliran berlawanan. Beberapa

ketentuan yang digunakan disini yaitu :

1. Pelarut yang digunakan murni, YN+1 = 0

2. Pelarut-pelarut yang digunakan diketahui (VN+1)

3. Konsentrasi produk over flow diketahui (Y1)

4. Komposisi solid masuk sistem diketahui (X0)

5. Jumlah feed (L0) dan jumlah inert (B) diketahui.

6. Jumlah entraiment pada under flow untuk setiap tahap diketahui.

7. Bila jumlah diketahui, maka komposisi lainnya dapat diketahui, misalnya XN,

sebaliknya apabila komposisi diketahui maka jumlah dari tahap ideal

diketahui.

2.10.2 Cara Diagram Segi Tiga

13

Cara metode penyelesaian dengan metode analisis seperti yang telah

dijelaskan cukup sulit, terutama pada operasi dengan menggunakan jumlah stage

yang cukup banyak. Cara lain yang dianggap lebih mudah yaitu dengan diagram

segitiga (cara grafis).

Dengan menggunakan segi tiga siku-siku ketiga komponen dalam sistem,

neraca massa dan data kesetimbangannya dapat ditentukan.

VN+17 Lo

Gambar 2.7 Diagram segitiga siku-siku

Dimana siku-siku mendatar, menyatakan fraksi dari solute A baik yang ada

dalam aliran over flow maupun dalam aliran dalam aliran underflow. Siku-siku tegak

akan menyatakan fraksi massa dari solvent C baik yang ada pada aliran overflow.

Sedangkan hipotesa dari garis sejajar menyatakan kandungan inert B yang konstan.

Jadi dengan demikian dapat disimpulkan:

- Campuran yang hanya terdiri dari solute A dan solvent C akan dinyatakan

pada hipotenusa.

- Campuran yang hanya terdiri dari solute Adan solid B akan dinyatakan pada

garis-garis.

- Campuran yang hanya terdiri dari solid B dan solvent C dinyatakan dengan

garis ordinat.

14