Demineralisasi Air Berbasis Resin Penukar Ion Terpadukan Dengan Membran Permeabel

1. Setyo Purwoto*), 2. Maria Monica S.B.W.**)

*) Teknik Lingkungan Univ. PGRI Adi Buana Surabaya, setyopurwoto.enviro@gmail.com **) Kimia FMIPA Universitas Negeri Surabaya

Abstrak Demineralisasi dalam penelitian ini merupakan removal kation dan anion serta mineral yang terkandung dalam air alami yang berbasis pada resin penukar ion yang dipadukan dengan membran permeable, dimana penggunaan membrannya dipasang secara bersilang. Tujuan penelitian ini adalah : Pengukuran kapasitas demineralisasi air berbasis resin penukar ion terpadukan dengan membran dalam reaktor sistem bath pada kolom silindris. Resin terbungkus dengan membran, dimana setengah lingkaran terbungkus membrane kation, dan setengahnya lagi membrane anion. Sisi luar membrane kation dipasang membrane anion, begitu sebaliknya, sisi luar membrane anion dipasang membrane kation. Penerapan perlakuannya adalah : kedalaman resin 60 cm, sistem aliran up-flow, debit 1,25 L/mnt, dengan tekanan pompa 1,4 bar. Dari hasil analisis kandungan kationanion air hasil treatment, dapat disimpulkan bahwa Treatment membran yang dilakukan sebagai pembungkus resin dan pemasangan membrane secara bersilang diantara membran kation dan anion dalam kolom silindris dengan system bath tidak menghasilkan removal kation anion yang optimal. Kata Kunci : demineralisasi, resin penukar ion, membran permeabel PENDAHULUAN

Demineralisasi air merupakan proses penghilangan kation anion yang terkandung di

dalamnya. Menurut Lee, C.C. (2005), kandungan mineral sebagai bentuk kation anion dalam

air secara makro diantaranya : Na+, Ca+2, Mg+2, K+, Fe+3, Cl-, SO4-2, dan CO3-2.

Demineralisasi dapat dilakukan secara : resin penukar ion, elektrodialisis, destilasi transfer

membran, flash evaporation, maupun reverse osmosis (Montgomery, 2005). Namun cara

yang dilakukan secara terpisah, masing masing memiliki kelemahan. Sebagai contoh adalah,

desalinasi secara treatment tunggal menggunakan resin penukar ion menurut hasil penelitian

penulis terdahulu (2007), air dengan salinitas antara 2500 6500 ppm, ketercapaian

removal salinitas masih rendah, yaitu sekitar 500 ppm.. Pemisahan kation-anion dengan

resin penukar ion secara tunggal tersedia pula pada paten P-981038. Untuk penggunaan

membran permeabel, ditemukan pada paten P-962159. Penggunaan secara mixed antara resin

asam dan resin basa yang dicampur dalam sebuah kolom, terdapat pada invensi dalam US-

3716481. Penggunaan membran dalam ion exchange dengan sistem kontinyu, dikenali pada

US-4685909. Solusi yang dimaksud tertuang sebagai rumusan masalah dalam penelitian

ini, yaitu : Apakah reaktor demineralisasi air secara bath pada kolom silindris yang berbasis

resin penukar ion dipadukan dengan membran permeabel yang dipasang bersilang antara

membrane kation dan membrane anion dapat meningkatkan kapasitas penukar ion ?

Alasan logis sebagai hipotesis, bahwa : Kapasitas penukar ion akan meningkat jika

dilakukan treatment secara berganda antara resin penukar ion dipadukan dengan membran

permeabel kation dan membran permeabel anion secara bersilang penempatannya.

Tujuan Penelitian : Pengukuran kapasitas demineralisasi air berbasis resin penukar ion

terpadukan dengan membran dalam reaktor sistem bath pada kolom silindris.

Resin Penukar Ion

Prinsip dari pengolahan air secara pertukaran ion dengan treatment resin sintetis, yaitu

terjadinya pertukaran ion antara kation-anion yang ada dalam air dengan kation anion yang

terdapat pada ion exchange media dari resin ( Lee, 2005). Menurut Montgomery (2005),

kekuatan pengusiran kation preferensinya tersusun sebagai berikut ; Ba2+ Pb2+ Sr2+

Ca2+ Ni2+ Cd2+ Cu2+ Co2+ Zn2+ Mg2+ Ag+ Cs+ K+ NH4+ Na+ H+ ,

sedangkan untuk urutan preferensi anion sebagai berikut : SO42- NO3- CrO42- Br- Cl-

OH- . Kapasitas operasi total ion exchange dinyatakan sebagai persamaan berikut :

(Montgomery, 2005).

Proses reduksi ion ion dalam air sebagai bentuk demineralisasi maupun desalinasi dapat

dilakukan dengan cara : 1). Reverse Osmosis (RO), 2). Elektrodialisis, 3). Destilasi transfer

membran, 4). Ion Exchange, dan 5). Penguapan.

Membran

Teknologi pemisahan dengan menggunakan membran, disamping untuk demineralisasi

air, dapat juga digunakan untuk meningkatkan efisiensi pengurangan limbah dan

memisahkan impurities dalam mineral.

Musfil A.S. (2008), dalam penelitiannya menggunakan membran kerosin, surfaktan SPAN

80 (Sorbitan Monoleat) dan carrier-TBP (Tributhyl Phospat), larutan induk yang digunakan

adalah larutan buatan Copper Concentrate, HauCl4, dan KAu(CN)2. diperoleh % recovery

ion Au terbesar pada larutan emas murni dengan rasio 1:1 yaitu 89,97%. Sedangkan untuk

larutan Copper Concentrate diperoleh % recovery ion Au sebesar 85,78% dab ion Cu sebesar

95,47%. Penggunaan membran Filmtec - USA yang digunakan untuk mengurangi /

menghilangkan kandungan ion chromium yang ada pada air limbah industri electroplating

n

iii

r

o

r

opo VYVC

VVC

X1

)(

dengan metoda membran ultrafiltrasi modul spiral-wound, dilaporkan bahwa rejeksi Cr

sebesar 98,6 % pada konsentrasi 20 ppm. (Hapsari, 2002).

Struktur Membran

Berdasarkan jenis pemisahan dan strukturnya, membran dapat dibagi menjadi 3 kategori:

Gambar 1. Membran. Sweep (berupa cairan atau gas) digunakan untuk membawa permeate hasil pemisahan.

1) Porous membrane. Pemisahan berdasarkan atas ukuran partikel dari zat-zat yang akan

dipisahkan. Hanya partikel dengan ukuran tertentu yang dapat melewati membran

sedangkan sisanya akan tertahan. Berdasarkan klasifikasi dari IUPAC, pori dapat

dikelompokkan menjadi macropores (>50nm), mesopores (2-50nm), dan micropores

(

METODE PENELITIAN

Penelitian ini menggunakan empat parameter, yaitu :

1) jenis resin,

2) volume resin dalam kolom,

3) waktu tinggal (td), dan

4) konsentrasi influen.

Dengan pengertian bahwa :

Jenis resin. Penukaran ion yang terjadi dalam resin anion dipredisikan akan menjadi efektip

jika sebelumnya dilakukan treatment melalui resin kation terlebih dahulu guna menurunan

kation untuk mendekati ke H+ form.

Volume resin dalam kolom. Volume resin yang lebih banyak berarti luas permukaan sentuh

menjadi besar pula. Kondisi ini akan memperbesar kemungkinan berlangsungnya reaksi

pertukaran ion dalam kapasitas resin sebagai ion exchanger.

Waktu tinggal. Dengan adanya waktu tinggal dalam operasi, maka resin akan lebih berhasil

penukaran ionnya karena waktu kontak lebih lama.

Konsentrasi influen. Dengan pengertian bahwa konsentrasi berbagai parameter kation anion

dalam air akan mengalami penurunan konsentrasi yang beragam setelah mendapatkan

perlakuan penukar ion, baik resin kation maupun resin anion, dimana efluen yang tidak sama

akan menghasilkan konsentrasi efluen yang berbeda pula.

Kerangka Kegiatan Penelitian

Alur kegiatan penelitian digambarkan pada Gambar 2 :

Gambar 2. Kerangka Kegiatan Penelitian

Judul Penelitian: DEMINERALISASI AIR BERBASIS RESIN PENUKAR ION

TERPADUKAN DENGAN MEMBRAN PERMEABEL

Tujuan Penelitian: Pengukuran kapasitas demineralisasi air berbasis resin penukar ion terpadukan

dengan membran dalam reaktor sistem bath pada kolom silindris

Studi Literatur

Pengukuran kapasitas demineralisasi dalam reaktor sistem Bath

Penelitian Terdahulu

Pra kondisi : >Analisis kation anion sample >Penyediaan alat dan bahan

Metode pengukuran kation anion: Argentometri

UV-Spectrophotometer IR- Spectrophotometer

pH-meter AAS

Gravimeteri Turbidimetri

Conductivity meter Titrimetri Iodimetri

karakter air alami dan air limbah

TREATMENT Resin terbungkus dengan membran,

dimana setengah lingkaran terbungkus membrane kation, dan setengahnya lagi membrane anion. Sisi luar membrane kation dipasang membrane anion, begitu sebaliknya, sisi luar membrane anion dipasang

membrane kation.

Skema reaktor

Skema reaktor sistem bath pada kolom silindris sebagaimana disajikan pada Gambar 3 dan

Gambar 4. Gambar 3 merupakan gambar tampak atas, sedangkan Gambar 4 adalah gambar

tampak samping.

Gambar 3. Penampang Atas Kolom Reaktor Silindris

Air sampel dialirkan melalui Resin kation (1) yang berada di tengah tengah tabung yang

dibungkus dengan membran permeabel kation (2) dan membran permeabel anion (5). Secara

bersilang, di sebelah membran permeabel kation dipasang membran permeabel anion (3),

sebaliknya di sebelah membran permeabel anion dipasang membran permeabel kation (6).

Sedangkan (4) adalah dinding kolom silindris, dan (7) adalah ruang antara dua membran.

Gambar 4. Kolom Reaktor Silindris (tampak samping)

1

6

5 2

3

4

7

11

10

4 3

2

8

5

6

1

9

2 11 11

12 13

14

Alat dan Bahan yang diperlukan

Metode Analisis Data

Analisis data yang digunakan adalah persen removal mineral yang terkandung dalam

air sampel.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Uji Pengaruh Treatment Resin

Uji ini dilakukan guna mengetahui seberapa besar penurunan ( % removal) parameter

parameter terkandung dalam air baku. Hal ini akan berkontribusi dalam pembahasan tentang

kemampuan resin dalam meremoval kandungan kation- anion serta parameter lainnya.

Treatment resin dilakukan secara berseri antara resin kation dan anion, dimana resin kation

sebagai treatment awal, baru kemudian resin anion.

Tabel 1. Hasil Analisis Treatment Resin Kation Anion Secara Berseri

A. Alat ; 1. Unit titrasi Argentometri

2. UV-Spectrophotometer

3. IR- Spectrophotometer

4. pH-meter

5. AAS

6. Unit Gravimeteri

7. Unit Turbidimetri

8. Conductivity meter

9. Unit Titrimetri

10. Unit Iodimetri

11. pemotong logam

12. pemotong PVC

B. Bahan ; 1. Resin anion

2. Resin kation

3. reagen AgNO3

4. reagen Kalium diKromat

5. HCl

6. membran permeabel kation

7. membrane permeable anion

8. isolator

9. aquadest

10. kassa filter

11. kran

12. Plat PVC ketebalan 10 mm

13. pipa PVC 4 , pipa

14. Tandon air, jrigen

15. lem besi dan lem PVC

16. tabung PVC 8 Inc

(kondisi : kedalaman resin 40 cm ; waktu tinggal 30 menit)

No Parameter Satuan Sebelum treatment

Setelah treatment

% removal

1. Suhu oC 25 25,5 -2.00 2. Warna TCU 3,7 3,4 8.11 3. TDS mg/L 408 281 31.13 4. DHL s/cm 605 494 18.35 5. Kekeruhan NTU 0,52 0,42 19.23 6. pH --- 7,2 7,46 -3.61 7. Besi mg/L 0,09 0 100 8. Mangan mg/L 0,05 0 100 9. Seng mg/L 0 0 - 10. Natrium mg/L 20,3 13,68 32.61 11. Kalium mg/L 6,11 3,83 37.32 12. Silica mg/L 20,49 0 100 13. Kesadahan Total mg/L

CaCO3

209,2 88,6

57.65 14. Kalsium Hardness mg/L

CaCO3 165 60,4

63.39 15. Magnesium

Hardness

mg/L CaCO3

44,2 28,2

36.20 16. Klorida mg/L 39 30 23.08 17. Nitrat & nitrit

sebagai N

mg/L 1,37 0,13

90.51 18. Alkalinity P mg/L

CaCO3 0 0

- 19. Alkalinity M mg/L

CaCO3 150 13

91.33 20. Sulfat mg/L 45,1 2,96 93.44 21. Total fosfat sbg P mg/L 0,158 0,137 13.29 (Lab. Uji Kualitas Lingkungan - (BLH) Surabaya)

Beberapa kation dan anion mengalami penurunan konsentrasi yang cukup besar, seperti :

besi, mangan, silica, sulfat, kalsium, natrium , juga kalium.

Treatment berlapis resin kation anion yang dibungkus dengan membrane

permeable secara bersilang diantara kedunya yang dilakukan menurut Gambar 4 diperoleh

data disajikan pada Tabel 2.

Tabel 2. Persentase Removal Kation Anion Akibat Treatment Resin Membrane

Air baku Treatment resin dan membrane % removal

1 Mg hardness 288.2 344.3 -19.47 2 Ca hardness 259.2 162.5 37.31 3 Na 43.825 76.25 -73.99 4 Cu 0 0 0.00 5 Cr 0 0 0.00 6 K 5.7175 5.1425 10.06 7 Fe 0.1097 0.0943 14.04 8 Pb 0 0 0.00 9 Zn 0 0 0.00

10 Mn 2.0059 1.7969 10.42 11 Cl 36.6 46.9 -28.14 12 Sulfat 46.4 43.9 5.39 13 P alkalinity 0 0 0.00 14 M alkalinity 257.4 277.2 -7.69 15 PO4 (orto) 0.11 0.07 36.36 16 Nitrat 0.539 0.441 18.18 17 Sulfide 0.01 0 100.00 18 kekeruhan 11.4 11.4 0.00 19 DHL 705 705 0.00 20 pH 7.88 7.93 -0.63

[kedalaman resin 60 cm, sistem aliran up-flow, debit 1,25 L/mnt, dengan tekanan pompa 1,4 bar] Tabel 2 memberikan ilustrasi bahwa persentase removal kation anion sangat kecil, bahkan

ada yang mengalami kenaikan. Data ini kontradiksi dengan proses penukaran ion yang

tercapai sebagaimana removal menurut data dalam table 1, yang mana perlakuannya hanya

dengan menggunakan resin saja.

Tabel 3. Perbandingan % removal antara Treatment Resin Kation Anion dengan Perpaduan Treatment Resin Kation Anion dan Membrane

No Parameter % removal

Treatment Resin

Kation Anion

% removal Perpaduan Treatment Resin Kation Anion dan Membrane

1. DHL 18.35

0.00

2. Kekeruhan 19.23 0.00

3. pH -3.61 -0.63

4. Besi 100 14.04

5. Mangan 100 10.42

6. Seng - 0.00

7. Natrium 32.61 -73.99

8. Kalium 37.32 10.06

9. Kalsium Hardness 63.39 37.31

10. Magnesium

Hardness 36.20

-19.47

11. Klorida 23.08 -28.14

12. Nitrat & nitrit

sebagai N 90.51

18.18

13. Alkalinity P - 0.00

14. Alkalinity M 91.33 -7.69

15. Sulfat 93.44 5.39

Persentase removal kation dan anion untuk treatment resin kation anion yang dipasang

membran secara bersilang lebih kecil dibanding dengan treatment kation-anion saja, sehingga

tampak bahwa persentase removal kation anion antara treatment resin dibandingkan

dengan perpaduan treatment resin dan membran tidak linier.

KESIMPULAN

Dari hasil analisis kandungan kationanion air hasil treatment, dapat disimpulkan bahwa

Treatment membran yang dilakukan sebagai pembungkus resin dan pemasangan membrane

secara bersilang diantara membran kation dan anion dalam kolom silindris dengan system

bath tidak menghasilkan removal kation anion yang optimal.

DAFTAR RUJUKAN Baruth, E.E., (2005). Water Treatment Plant Design. McGraw-Hill Publishing, Toronto.

Battaerd, H. A. J. et al., (1973). An ion-exchange process with thermal regeneration VIII.

Preliminary pilot plant results for the partial demineralisation of brackish

waters. Desalination Volume 12, Issue 2, Pages 217-237, online 3 August 2001.

Benefield, D.R., et.al., (1982). Process Chemistry For Water And Waste Water Treatment.

Prentice Hall, New Jersey, USA

Dasare, B. D. , et al., (2001). Demineralisation with ion-exchange materials.

Desalination. Volume 3, Issue 2, 1967, Pages 183-194, online 22 August. 2001.

DOWEX, 2006. Recommended Product

Hapsari, Nur 2002 Perpindahan Massa Pada Proses Pemisahan Ion Chromium (Cr)

Dengan Membran Ultrafiltrasi

Hartuti, Iva 2007 Pengaruh Variabel Proses Terhadap Penyumbatan Membran Selulosa

Asetat

Heitmann, H.G., (1990). Saline Water Processing. VCH Publisher, New York.

Lee, C.C.,Lin, S.D., (2005). Handbook Of Environmental Engineering. McGraw-Hill

Publishing, Tokyo.

Mangum, W., (2003). Applications and Issues for Water Treatment Professionals. Volume

26, Issue 7 July 2003

McGarvey, F.X., Fisher, S.A. (1986, August). Chapter 2.8 Measurements and kontrol in

ion exchange installations. Desalination Volume 59, Pages 403-424 online 17

September 2002. Dipungut 27 Juli 2008.

Montgomery, J.M., (2005). Water Treatment Principles and Design. Johan Weley Inc. USA

Musfil A.S. 2008 Pemisahan Ion Cu Dan Au Dari Larutannya Dengan Menggunakan

Membrane Cair Emulsi

NASRUL 2007 Uji Kemampuan Membran Selulosa Asetat Sebagai Media Filter

(Mikrofiltrasi) Terhadap Penyisihan Kekeruhan Dan Bakteri Escherichia Coli Pada

Proses Pemurnian Air

Paten ; P-981038

Paten ; P- 962159. Metode Pengolahan Air dan Peralatan Pengolah Air Limbah

Menggunakan Resin Penukar ion

Purwoto, S., (2007). Desalinasi Air Payau Secara Ion Exchange Dengan Treatment Resin

Sintetis

Purwoto, S. (2008). Removal Salinitas Air Payau Secara Ion exchange Dengan Treatment

Resin Sintetis Pada Reaktor Up-Flow Down-Flow

US-Patent ; US-3716481.

US-Patent ; US-4685909

US-Patent ; US-5066375

Valentinus Tan 2007 Upaya Pemanfaatan Air Payau Untuk Air Minum Suatu Study Kualitas

Air Pada Perumahan Oma Indah Menganti - Gresik

Wahyu Hidayat 2007 Teknologi Membran