shintarosalia.lecture.ub.ac.idshintarosalia.lecture.ub.ac.id/.../03/srd_ion-exchange.pdf · 2012....
TRANSCRIPT
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