Operasi system pertukaran ion

Pertukaran ion adalah sebuah proses fisika – kimia. Pada proses tersebut senyawa yang tidak larut. Dalam hal ini resin. Meneriama ion positif atau negatif tertentu dari larutan dan melepaskan ion lain ke dalam larutan tersebut dalam 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 penukar anion.

Pertukaran ion ini bertujuan untuk menghilangkan ion yang tidak diinginkan dari air baku dengan memindahkan ion-ion tersebut  ke  resin. Biasanya senyawa yang dihilangkan adalah senyawa organik yang memiliki bau, warna, dan rasa dan logam. Penukar ion memiliki kapasitas yang terbatas dalam kemampuan menukar ion yang disebut kapasitas tukar. Karena ini, penukar ion atau resin akhirnya menjadi jenuh. Untuk membuat agar resin yang akan digunakan tidak lagi jenuh maka resin tersebut dibackwash  dengan larutan regenerasi yang kuat dan berisi senyawa yang diinginkan ion, dan ini digunakan untuk menggantikan akumulasi ion yang tidak diinginkan.

Banyak sekali aplikasi/penerapan dari Ion Exchange, beberapa contoh dari penerapan resin penukar anion adalah untuk purifikasi/pemurnian air atau suatu cairan meliputi beberapa proses yaitu proses desalinasi, demineralisasi, dan dekolorisasi.

Berikut ini adalah beberapa contoh tersebut dan penjelasan aplikasi dari Ion Exchange anion atau resin penukar anion.

Desalinasi

Desalinasi, desalination atau desalinization adalah proses yang menghilangkan kadar garam berlebih dalam air untuk mendapatkan air yang dapat dikonsumsi binatang, tanaman dan manusia. Proses desalinasi ini juga dilakukan menggunakan penukar-anion. Secara aplikatif dari proses ini biasanya dilakukan oleh industri yang berlokasi di sekitar laut atau di pesisir pantai, sehingga untuk pemenuhan kebutuhan air industri baik untuk air proses, maupun air untuk semua keperluan di industri dapat dipenuhi dengan melakukan pemurnian air laut secara desalinasi.

Salah satu jenis alat ion exchange yang bernama resin penukar-anion Relite MG 1/P mampu memisahkan sulfat dalam air laut guna mencegah pembentukan kerak kalsium sulfat pada heat exchanger. Resin tersebut menunjukkan selektivitas sulfat yang tinggi dalam air laut sintetis. Resin yang telah dipakai dapat diregenerasi menggunakan air asin yang dipekatkan dengan asam hingga mencapai pH4. Untuk waktu pemakaian dan regenerasi yang sama, faktor konsentrasi desalinasi (misalnya 2 hingga 4) menaikkan konsentrasi klorida dalam air asin yang diblowdown. Dengan faktor konsentrasi yang tetap, kenaikan laju alir (pengurangan waktu pemakaian dan regenerasi) memperendah efisiensi regenerasi dan menaikkan pemisahan sulfat. Akibat kelarutan kalsium sulfat yang bersifat terbalik tersebut, temperatur air asin yang tinggi memerlukan pemisahan sulfat yang lebih banyak, yang dapat dicapai dengan mengurangi laju alir air laut. Pengurangan laju alir tersebut membutuhkan peralatan yang lebih besar dan resin yang lebih banyak, sehingga biaya modal bertambah. Untuk pabrik desalinasi dengan kapasitas produksi 1 juta gallon per hari dan faktor konsentrasi sebesar 2, biaya pemisahan sulfat meliputi biaya resin dan biaya peralatan. Biaya tersebut bervariasi dari $0.246 hingga $0.356/kgalon (per-ribu galon air yang diproduksi) karena temperatur maksimum air asin berubah dari 140C menjadi 180C.

(referensi : Mirna Rahmah Lubis, Li Zhu, Cesar B. Granda Jurusan Teknik Kimia, Universitas Texas A&M)

    

Demineralisasi

Demineralisasi atau deionisasi adalah suatu sistem pengolahan air dengan pertukaran ion (ion exchange) melalui media ion exhange resin. Sistem ini mampu menghasilkan air dengan tingkat kemurnian yang sangat tinggi (Ultra Pure Water) dengan jumlah kandungan zat-ionic dan an-ionic mendekati nol sehingga mencapai batas yang hampir tidak dapat dideteksi lagi. Demineralisasi ini hampir serupa dengan desalinasi, karena sama-sama menukar ion garam, namun pada proses demineralisasi ini ion yang ditukar bukan hanya ion garam saja, tapi juga berbagai macam ion logam yang hendak dihilangkan dari suatu senyawa yang dilewatkan ke dalam resin.   

Salah satu aplikatifnya adalah resin penukar ion pada sistem air bebas mineral (GCA 01) RSG-GAS. Resin penukar ion pada proses pembuatan air bebas mineral berfungsi untuk mengambil pengotor air dengan cara pertukaran ion yang bermuatan sama. Kation yang ada dalam air akan dipertukarkan/diambil dengan kation resin sedangkan anion dalam air akan dipertukarkan dengan anion resin. Di dalam kolom resin penukar kation, garam-garam yang terlarut di dalam air dikonversi menjadi asam-asam mineral masingmasing melalui pertukaran kation-kationnya dengan ion H+. Dari sini terbentuk asam karbonat dari kesadahan karbonat (carbonat hardness). Asam karbonat pecah menjadi air dan karbon dioksida bebas. Mekanisme reaksi yang terjadi dalam kolom resin penukar kation adalah sebagai berikut :

Lewatit-2H⁺ +Ca(HCO₃)₂          →        Lewatit-Ca + 2H₂CO₃

H₂CO₃                                     →        H₂O + CO₂↑

Lewatit-2H⁺ + MgSO₄            →        Lewatit-Mg + H₂SO₄

 Lewatit-2H⁺ + CaCl₂              →        Lewatit-Ca + 2HCl

Di dalam kolom resin penukar anion, anion pengotor air seperti SO4-2, Cl- yang ada dalam air dipertukan dengan OH- dari resin penukar anion. Mekanisme reaksi yang terjadi dalam kolom resin penukar anion adalah sebagai berikut:

Lewatit-2OH + H₂SO₄            →        Lewatit-SO₄ + 2H₂O

Lewatit-OH + HCl                 →         Lewatit-Cl + H₂O

Dekolorisasi

Dekolorisasi atau deodoriasi adalah suatu proses untuk menghilangkan warna pada suatu senyawa. Contoh aplikatifnya adalah dekolorisasi gula cair dengan resin penukar ion basa kuat dan karbon aktif. Untuk dekolorisasi ini biasanya digunakan pula karbon aktif, sehingga produktivitasnya lebih besar karena karbon aktif juga memiliki sifat yang mampu menghilangkan warna dari suatu senyawa. Dan gabungan penukar ion dan karbon aktif ini digunakan pada proses dokolorisiasi gula cair.  

Penukar ion basa kuat dan karbon aktif dilakukan proses dekolorisasi terhadap gula cair hasil fraksinasi dengan perlakuan 2 jenis resin masing-masing dengan kapasitas 1,4 meq per mL (IRA 400) dan 1,0 meq per mL (IRA 900). Kedua jenis resin tersebut memiliki ion aktif dalam bentuk Cl^-. Proses dekolorisasi dilakukan dengan memasukkan resin kedalam kolom gelas stinggi 60 cm dengan diameter 1,128 cm. Volume resin sebanyak 50 ml. Laju alir yang digunakan sebesar 6 BV (Bed Volume) per jam dan jumlah umpan sebesar 6 BV. Proses dekolorisasi dilakukkan pada suhu 65^o C. Larutan gula cair hasil dekolorisasi resin ini selanjutnya akan digunakan sebagai bahan perlakuan karbon aktif.

(referensi : Hendro Santoso dan Triantarti, Kombinasi Resin Penukar Ion Basa Kuat dan Karbon Aktif  Untuk Memperbaiki Warna Gula Cair (Combination of Strong Base Anion Exchange Resins and Active Carbon for Decolorization of Liquid Sugar, Staf Peneliti Pusat Penelitian Perkebunan Gula Indonesia Pasuruan)

Oprasi sistem pertukaran ion dilaksanakan dalam empat tahap, yaitu :

1.      Tahap layanan (service)

2.      Tahap pencucian balik (backwash)

3.      Tahap regenerasi, dan

4.      Tahap pembilasan