BAB IPENDAHULUAN

1.1 Latar BelakangKesadahan didefinisikan sebagai kemampuan air dalam mengkonsumsi sejumlah sabun secara berlebihan serta mengakibatkan pengerakan pada pemanas air, boiler, atau pemanasan lainnya. Hal ini disebabkan adanya kehadiran ion-ion metal polivalen, terutama kalsium dan magnesium. Ca2+ dan Mg2+ dapat bereaksi dengan sabun sehingga membentuk garam-garam organik yang tidak melarut dan berbentuk sebagai busa pada permukaan air. Kalsium dan Magnesium sebagai penyebab kesadahan tersebut di atas dapat dihilangkan dengan proses-proses :a. Kapur-sodab. Penukar ion

Pada proses kapur-soda, dihasilkan presipitat/endapan CaCO3 (Kalsium Karbonat) dan Mg(OH)2 (Magnesium Hidroksida). Proses kapur-soda diterapkan dengan cara menambahkan Kapur dan Soda ke dalam air dengan jumlah tertentu, yang berfungsi sebagai koagulan. Kadang-kadang ditambahkan pula FeCl3 untuk membantu proses koagulasi di atas.

Pada proses penukar ion, proses berlangsung dengan adanya reaksi antar ion-ion dalam fasa cair dan ion-ion dalam fasa padat. Ion-ion tertentu dalam larutan/air dapat terserap oleh padatan penukar ion (resin), untuk mempertahankan elektronetralitasnya, maka resin melepaskan kembali ion-ion yang lain ke dalam larutan/air. Pada proses pelunakan (penghilangan kesadahan) dengan penukar ion, maka ion-ion Ca2+ dan Mg2+ disisihkan dari air, sementara resin penukar ion melepaskan ion Na+ untuk menggantikannya. Reaksi pada resin berlangsung secara stoikhiometric dan reversible. Dua jenis kesadahan secara umum ialah kesadahan karbonat dan kesadahan non karbonat.a. Kesadahan karbonat disebabkan oleh adanya ion-ion HCO3- dan CO32-b. kesadahan non karbonat oleh ion-ion Cl2 dan SO42-(terutama).

Keseimbangan antara kedua kesadahan tersebut adalah penting di dalam pelunakan air. Ion HCO3- akan berdisosiasi pada temperatur tinggi dan membentuk kerak berupa endapan CaCO3. Seperti dikemukakan di atas, bahwa endapan CaCO3 tersebut dapat membentuk kerak pada sistem perpipaan, sehingga dapat mengurangi koefisien perpindahan panas, serta mengakibatkan perubahan pada tahanan gesek pada pengaliran fluida. Kesadahan karbonat adalah sebagian dari kesadahan total yang dikompensasikan oleh ion-ion bikarbonat dan karbonat yang terdapat di dalam air. a. Kesadahan bikarbonat = (HCO3- + CO32-) Kelebihan dari kesadahan total setelah dikurangi dengan kesadahan bikarbonat adalah kesadahan non karbonat.Kesadahan non karbonat = (Ca2+) + (Mg2+) 1/2 (HCO3- + CO32-)Secara sederhana, kesadahan dapat digambarkan sebagai jumlah konsentrasi ion-ion Ca2+dan Mg2+.1.2 TujuanAdapun tujuan dari penyusunan makalah yang berjudul Pertukaran Ion ini adalah sebagai berikut:a. Mengetahui prinsip-prinsip pertukaran ionb. Mengetahui jenis-jenis penukar ion c. Mengetahui operasi sistem pertukaran iond. Mengetahui kondisi peralatan penukar ione. Mengetahui mengoprasikan alat penukar ion

BAB IIPEMBAHASAN

Pertukaran ion secara luas digunakan untuk pengolahan air dan limbah cair., terutama digunakan untuk proses penghilangan kesadahan dan dalam proses demineralisasi air. Pertukaran ion adalah suatu proses pertukaran antara ion-ion dalam air dengan ion lain yang terkandung dalam zat penukar ion (ion exchanger)Banyak zat-zat alamiah mempunyai sifat penukar ion, diantaranya yang penting adalah zeolit, suatu jenis bahan/zat mineral mengandung alumina silikat sebagai zat utamanya. Penukar ion yang dianggap modern saat ini ialah apa yang disebbut resin penukar ion yaitu resin sintetis mengandung gugusan aktif tertentu disamping mengandung ion-ion yang dapat ditukar dengan ion-ion lain yang terdapat dalam air.

2.1 Prinsip-prinsip Pertukaran IonPertukaran ion adalah sebuah proses fisika-kimia. Pada proses tersebut senyawa yang tidak larut, dalam hal ini resin, menerima ion positif atau negatif tertentu dari larutan dan melepaskan ion lain kedalam larutan tersebut dengan jumlah ekivalen yang sama. Jika ion yang dipertukarkan berupa kation maka resin tersebut dinamakan resin penukar kation, dan Jika ion yang dipertukarkan berupa anion maka resin tersebut dinamakan resin penukar anion.

Contoh reaksi pertukaran kation dan reaksi pertukaran anion adalah sebagai berikut : Reaksi pertukaran kation2NaR(s) + CaCl2 (aq) CaR2(s) + 2NaCl(aq)....................(1) Reaksi pertukaran anion2RCl(s) + Na2SO4 (aq) R2SO4(s) + 2NaCl(aq)....................(1)

Jika resin tersebut telah mempertukarkan semua ion yang dimilikinya, maka reaksi pertukaran ion akan terhenti. Pada saat itu resin dikatakan telah mencapai titik habis (exhausted) sehingga harus deregenarasi dengan larutan yang mengandung ion yang sama dengan resin.

2.2 Jenis-jenis Penukar Ion Berdasarkan jenis gugus fungsi yang digunakan, resin pertukar ion dapat dibedakan menjadi 4 jenis, yaitu resin penukar kation asam kuat, resin penukar kation asam lemah, resin penukar anion basa kuat dan resin penukar anion basa lemah.Resin penukar kation mengandung gugus fungsi seperti sulfonat (R-SO3H), phosponat (R-PO3H2), phenolat (R-OH), atau karboksilat (R-COOH), dengan R menyatakan resin. Gugus fungsi pada resin penukar ion asam kuat adalah sulfonat, phosponat, dan phenolat, sedangkan gugus fungsi pada resin penukar asam lemah adalah karboksilat

Gugus fungsi pada resin penukar anion adalah senyawa amina (primer/R-Nh3, sekunder/R-N2H, tersier/R-RN2) dan gugus amonium kuarterner, dengan R menyatakan radikal organik seperti CH3. Resin anion yang mempunyai gugus fungsi amonium kuarterner disebut resin penukar anion basa kuat dan resin penukar anion basa lemah mempunyai gugus fungsi selain ammonium kuarterner

a. Resin penukar kation bersifat asam kuatZat aktif yang terdapat dalam resin tipe ini adalah gugu sulfonat bereaksi asam dan mengandung ion hidrogrn bermuatan listrik positif. Ion hidrogen tersebut dapat ditukar/bertukar dengan ion-ion positif (kation) yang terdapat dalam air. Dengan menggunakan simbol R untuk asam sulfonat aktif, maka reaksi yang terjadi adalah sbb; 2H+R- + CaCl2 Ca2+ R2- + 2HCl 2H+R- + Ca(HCO3)2 Ca2+ R2- + 2H2CO3 H+R- + NaCl Na+R- + HCl

Dalam reaksi di atas dapat dilihat bahwa garam-garam CaCl2, Ca(HCO3)2 dan NaCl irubah menjadiasam klorida (HCl) dan asam karbonat (H2CO3) bebas. Jadi, di sini resin penukar kation bertindak sebagai penukar hidrogen. Keuntungan proses tersebut ialah, mengurangi alkalinitas (yaitu bikarbonat, karbonat dan hidroksida) dalam air sampai tingkat yang dikehendaki disamping mengurangi kesadahan dan zat-zat padatan yang larut dalam air (dissolved solid).Reaksi adalah bolak-balik dan resin yang telah jenuh dapat dikembalikan pada keadaan aslinya (bentuk hidrogen) melalui regenerasi dengan asam klorida (HCl) atau dengan asam sulfat (H2SO4) encer. Ca2+ R2- + 2HCl 2H+R- + CaCl2 Na+R- + H2SO4 2H+R- + Na2SO4

b. Resin penukar kation bersifat asam lemahZat aktif yang terdapat dalam resin tipe ini adalah gugus asam karboksilat mengandung ion hidrogen bermuatan listrik positif. Ion hidrogen tersebut dapat bertukar dengan kation lain yang terdapat dalam air, akan tetapi hanya apabila berasal garam-garam bersifat asam lemah (misalnya kalsium karbonat, magnesium bikarbonat, natrium bikarbonat). Dengan menggunakan simbol R untuk asam sulfonat aktif, maka reaksi yang terjadi adalah sbb; 2H+R- + Ca(HCO3)2 Ca2+ R- + 2H2CO3 2H+R- + Mg(HCO3)2 Ca2+ H- + 2H2CO3 H+R- + NaHCO3 Na2+ R- + H2CO3Resin penukar kation bersifat asam lemah tidak dapat menukar ion hidrogennya dengan kation lain apabila kation tersebut berasal dari garam-garam bersifat asam kuat.

c. Resin penukar anion bersifat basa kuatZat aktif yang terdapat dalam resin tipe ini ialah senyawa ammonium kwartener (R4NOH) mengandung hidroksil (OH) bermuatan listrik negative. Ion hidroksil tersebut dapat saling bertukar dengan ion-ion bermuatan listrik negative (an-ion) lain yang terdapat dalam air. Dengan memepergunakan symbol R untuk gugus ammonium kwartener aktif yang terkandung dalam resin tersebut, maka reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : R+OH- + HClR+Cl- + H2O R+OH- + H2SO4R+HSO4- + H2O R+OH- + HNO3R+NO3- + H2O R+OH- + H2CO3R+HCO3- + H2O R+OH- + H2SiO3R+HSiO3- + H2O

Dari reaksi diatas dapat dilihat bahwa, resin penukar an-ion bersifat basa kuat tidak saja dapat menyerap asam-asam kuat (reaksi a, b dan c), akan tetapi juga menyerap asam-asam lemah (reaksi d dan e).Resin penukar an-ion bersifat basa kuat dapat juga menukar ion hidroksilnya (OH) dengan an-ion lainnya terikat sebagai garam-garam netral. Misalnya, natrium klorida dirubah menjadi natrium hidroksida sebagaimana diperlihatkan pada reaksi sebagai berikut : R+OH- + NaClR+Cl- + NaOHProses demikian disebut pemisahan garam (Salt splitting).Resin yang telah jenuh dapat dikembalikan pada keadaan semula (bentuk hidroksil) melalui regenerasi dengan larutan natrium hidroksida encer.Proses pertukaran ion dengan menggunakan resin penukar an-ion bersifat basa kuat dapat dikombinasikan dengan proses ion sebagaimana terjadi pada Resin penukar kation bersifat asam kuat. Asam-asam kuat dan asam-asam lemah yang dihasilkan oleh resin penukar kation bersifat asam kuat akan diserap oleh resin penukar an-ion bersifat basa kuat seperti diperlihatkan pada reaksi a, b, c, d dan e tersebut diatas. Pengkombinasian antara kedua proses tersebut akan menghasilkan air umpan yang tidak (sedikit sekali) mengandung zat-zat padatan yang dapat larut dalam air. Proses demikian disebut demineralisasi yaitu proses yang mempergunakan cara pertukaran kat-ion dan an-ion untuk menghilangkan garam-garam mineral yang larut dalam air.

d. Resin penukar anion bersifat basa lemahZat aktif yang terdapat dalam resin tipe ini ialah gugusan amina tersier (R3N). resin tersebut dapat menyerap hanya asam-asam kuat saja (asam klorida, asam sulfat dsb) dan tidak menyerap asam-asam lemah (asam karbonat dan asam silikat) dan juga tidak menyerap ion klorida dari natrium klorida. Dengan mempergunakan symbol R untuk gugusan amina tersier aktif yang terkandung dalam resin tersebut, maka reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : R + HClRHClResin penukar an-ion bersifat asam lemah dapat diregenerasi dengan larutan natrium hidroksida atau natrium karbonat. RHCl + NaOHR + NaCl + 2 H2O RHCl + Na2CO3R + NaCl + NaHCO3

2.3 Operasi Sistem Pertukaran IonOperasi sitem pertukaran ion dilaksanakan dalam empat tahap, yaitu :a. Tahap Layanan (service)Tahap layanan adalah tahap dimana terjadi reaksi pertukaran ion. Watak tahap layanan ditentukan oleh konsentrasi ion yang dihilangkan terhadap waktu, atau volume air produk yang dihasilkan.Hal terpenting pada tahap layanan adalah kapasitas (teoritik dan operasi) dan bahan pertukaran ion (ion exchange load). Kapasitas pertukaran teoritik didefinisikan sebagai jumlah ion secara teoritik dan dapat dipertukarkan oleh resin per satuan massa atau volume resinkapasitas pertukaran teoritik ditentukan oleh jumlah gugus fungsi yang dapat diikat oleh matriks resin. Kapasitas operasi adalah kapasitas resin actual yang digunakan untuk reaksi pertukaran pada kondisi tertentu. Beban pertukaran ion adalah berat ion yang dihilangkan selama tahap layanan dan diperoleh dari hasil kali antara volume air yang di olah selama tahap layanan dengan konsentrasi ion yang dihilangkan. Tahap layanan ini dilakukan dengancara mengalirkan air umpan dari atas (down flow).b. Tahap Pencucian BalikTahap pencucian balik dilakukan jika kemampuan resin telah mencapai titik habis. Sebagai pencuci digunakan air produk. Pencucian balik mempunyai sasaran sebagai berikut : Pemecahan resin yang tergumpal Penghilangan partikel halus yang terperangkap dalam ruang antar resin. Penghilangan kantong-kantong gas dalam unggun Pembentukan ulang lapisan resin.

Pencucian balik dilakukan dengan pengaliran air dari bawah ke atas (up flow). Pada tahap ini terjadi pengambangan unggun antara 50% hingga 75%.

c. Tahap RegenerasiTahap regenerasi adalah operasi penggantian ion yang terjerat dengan ion awal yang semula berada dalam matriks resin dan pengembalian kapasitas ke tingkat awal atau ke tingkat yang diinginkan. Secara teoritik, jumlah larutan regenerasi (dalam ekivalen) harus sama dengan jumlah ion (dalam ekivalen) yang dihilangkan (kebutuhan larutan regenerasi teoritik).Perbandingan kapasitas operasi yang dihasilkan pada tingkat regenerasi tertentu dengan kapasitas pertukaran yang secara teoritik dapat dihasilkan pada tingkat regenerasi itu disebut dengan efesiensi regenerasi. Besaran untuk menyatakan tingkat efisiensi penggunaan larutan regenerasi adalah nisbah regenerasi (regeneration ratio) yang didefinisikan sebagai berat larutan regenerasi dinyatakan dalam ekivalen atau gr CaCO3 dibagi dengan beban pertukaran ion yang dinyatakan dalam satuan yang sama. Makin rendah nisbah regenerasi, makin efisien penggunaan larutan regenerasi. Harga nisbah regenerasi merupakan kebalikan harga efisiensi regenerasi.Operasi regenerasi dilakukan dengan cara mengalirka larutan regenerasi dari atas.

d. Tahap PembilasanTahap pembilasan dilakukan untuk menghilangkan sisa larutan regenerasi yang terperangkap oleh resin. Pembilasan dilakukan menggunakan air produk dengan aliran down flow dan dilaksanakan dalam dua tingkat, yaitu: Tingkat laju air rendah untuk menghilangkan larutan regenerasi. Tingkat laju alir tinggi untuk menghilangkan sisa ion.

Limbah pembilasan tingkat laju alir rendah digabungkan dengan larutan garam dan di buang, sedangkan limbah pembilasan tingkat laju alir tinggi disimpan dan digunakan sebagai pelarut senyawa untuk regenerasi

2.4 Kondisi Peralatan Penukar IonProses penghilangan ion-ion yang terlarut dalam air dapat melibatkan penukar kation (cation exchanger) yang berupa resin Na (R-Na). Proses-pertukaran-ion natrium merupakan proses yang paling banyak digunakan untuk melunakkan air. Dalam proses pelunakan ini, ion-ion kalsium dan magnesium disingkirkan dari air berkesadahan tinggi dengan jalan pertukaran kation dengan natrium. Bila resin penukar itu sudah selesai menyingkirkan 346 sebagian besar ion kalsium dan magnesium sampai batas kapasitasnya, resin itu di kemudian diregenerasi kembali ke dalam bentuk natriumnya dengan menggunakan larutan garam dengan pH antara 6 sampai 8. Kapasitas pertukaran resin polistirena besarnya 650 kg/m3 bila diregenerasikan dengan 250 g garam per kilogram kesadahan yang dibuang.

2.5 Mengoprasikan Alat Penukar IonPada proses kolom ganda, air mentah mula-mula masuk ke dalam kolom penulcar kation. Di sini sernua kation yang terkandung dalam air (terutama ion kalsium, magnesium dan natrium) ditukar dengan ion hidrogen. Dalarn kolom berikutnya yang berisi penukar anion, maka anion (terutama ion khlorida, sulfat dan bikarbonat) ditukar dengan ion hidroksil. Ion hidrogen yang berasal dari penukar kation dan ion hidroksil dari penukar anion akan membentuk ikatan dan menghasilkan air.Setelah air terbentuk maka resin penukar ion harus diregenerasi. Pelaksanaan regenerasi pada proses kolorn ganda sangat sederhana. Ke dalam kolom penukar kation dialirkan asarn khlorida encer dan ke dalam kolom penukar anion dialirkan larutan natrium hidroksida encer. Regeneran yang berlebihan selanjutnya dibilas dengan air.Pada proses unggun campuran kolom tunggal, resin penukar kation dan penukar anion dicampur menjadi satu dalam sebuah kolom tunggal. Dengan proses unggun campuran dapat dicapai tingkat kemurnian air yang jauh lebih tinggi daripada dengan proses kolom ganda. Sebaliknya, pada proses unggun campuran regenerasi resin penukar lebih kompleks.

Langkah-langkah kerja pada regenerasi unggun campuran:Pernisahan resin penukar kation dan penukar anion dengan cara klasifikasi menggunakan air (pencucian kembali dari bawah ke atas). Dalam hal ini resin penukar anion yang lebih ringan (kebanyakan berwarna lebih terang) akan berada di atas resin 349 penukar kation yang lebih berat (kebanyakan berwarna lebih gelap). Pencucian kembali harus dilangsungkan terus sampai di antara kedua resin terlihat suatu lapisan pemisah yang tajam.1. Untuk regenerasi, regeneran bersama dengan air dialirkan melewati kedua lapisan resin Asam khlorida encer dialirkan dari bawah ke atas melewati resin penukar kation, dan dikeluarkan dari kolom pada ketinggian lapisan pernisah. Larutan natrium hidroksida encer dialirkan dari atas ke bawah melewati resin penukar anion, juga dikeluarkan pada ketinggian lapisan pemisah.2. Kelebihan kedua regeneran kemudian dicuci dengan air3. Ketinggian permukaan air dalam kolom diturunkan dan kedua resin penukar dicampur dengan cara memasukkan udara tekan dari ujung bawah kolom.4. Pencucian ulang unggun campuran dengan air dari atas ke bawah, sampai alat ukur konduktivitas menunjukkan kondisi kemurnian air yang diinginkan.

Sekarang instalasi siap untuk dioperasikan lagi. Baik pada instalasi pclunakan maupun pada instalasi demineralisasi air, maka pengalihan dari kondisi operasi ke proses regenerasi,pelaksanaan regenerasinya sendiri, dan pengalilian kembah ke kondisi 350 operasi dapat dilakukan baik secara manual maupun secara otomatik. Untuk mencapai kualitas air atau performansi yang optimal dan untuk mencegah terjadinya kerusakan pada resin penukar, maka petunjuk kerja yang diberikan oleh pabrik pembuat instalasi (misalnya mengenai urutan pelaksanaan operasi, kuantitas dan konsentrasi regeneran, waktu regenerasi dan waktu pencucian) harus diikuti dengan seksama.Perhatian: Pada saat bekerja dengan asam dain basa yang diperlukan untuk regenerasi, perlengkapan keselamatan perorangan yang sesuai harus digunakan. Air buangan yang keluar pada regenerasi dapat bersifat asam, basa atau mengandung garam. dan karena itu dalam hubungannya dengan pelestarian lingkungan harus ditangani seperti air limbah kimia.Ukuran performansi sebuah instalasi penukar ion adalah kuantitas cairan yang diproduksi per jam (atau selang waktu di antara dua regenerasi). Performansi tergantung pada besarnya alat atau kuantitas penukar, pada kuantitas ion yang akan dipisahkan (dengan syarat kemurnian air yang diinginkan telah tertentu) dan pada tingkat kemurnian yang diminta. Untuk operasi yang semi kontinu (bila pengolahan air tidak bolch berhenti di tengah-tengah) diperlukan dua buah unit yang dihubungkan secara paralel. Karena proses pertukaran dan proses regenerasi tidak dapat berlangsung pada saat yang bersamaan, kedua unit tersebut bekerja secara bergantian, yang satu sebagai penukar ketika yang lain sedang regenerasi.

Beberapa jenis proses pertukaran sering juga digabungkan bersama. Misalnya untuk meringankan beban kolorn utama dari instalasi unggun campuran (untuk meningkatkan perforinansinya) dapat dipasang sebuah kolom pelunak air di depannya.

BAB IIIPENUTUP

3.1 KesimpulanDari penyusunan makalah yang telah kami lakukan dengan pokok bahasan Pertukaran Ion dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:a. Pertukaran ion digunakan untuk proses penghilangan kesadahan dan dalam proses demineralisasi air.b. Berdasarkan jenis gugus fungsi yang digunakan, resin pertukar ion dapat dibedakan menjadi 4 jenis, yaitu resin penukar kation asam kuat, resin penukar kation asam lemah, resin penukar anion basa kuat dan resin penukar anion basa lemah.c. Operasi sitem pertukaran ion dilaksanakan dalam empat tahap, yaitu tahap layanan (service), tahap pencucian balik, tahap regenerasi, dan tahap pembilasand. Beberapa jenis proses pertukaran sering juga digabungkan bersama. Misalnya untuk meringankan beban kolorn utama dari instalasi unggun campuran (untuk meningkatkan perforinansinya) dapat dipasang sebuah kolom pelunak air di depannya.

DAFTAR PUSTAKA

Khopkar, S.M. 1996. Konsep Dasar Kimia Analitik. Penerjemah A. saptorahardjo. UI-Press: JakartaSetiadi, Tjandra. 1993. Teknologi Air Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri. Bandung: Institut Teknologi Bandung.http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-industri/utilitas-pabrik/mengoperasikan-alat-penukar-ion/ diakses tanggal 05 oktober 2014 jam 17.05 WIBhttp://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-industri/utilitas-pabrik/penukar-ion/ diakses tanggal 05 oktober 2014 jam 17.15 WIBhttp://www.google.co.id/search?q=penukar+ion&ie=utf-8&oe=utf 8&aq=t&rls=org.mozilla:id:official&client=firefox-a#q=penukar+ion&hl=id&client=firefox-a&hs=6AS&rls=org.mozilla:id:official&prmd=imvns&ei=YdqrTuTrLqKUiQfd_OXjDw&start=10&sa=N&bav=on.2,or.r_gc.r_pw.,cf.osb&fp=125b4cfac0a9d20&biw=1024&bih=605 diakses tanggal 05 oktober 2011 jam 17.47 WIB