Download - Ion Exchange
Ion Exchange Shinta Rosalia Dewi
RESIN PARTICLE AND BEADS
Pertukaran ion Adsorpsi, dan pertukaran ion adalah proses sorpsi,
dimana komponen tertentu dari fase cairan, yang disebut zat terlarut, ditransfer selektif ke bahan insoluble dalam suatu wadah atau dikemas dalam kolom.
Pertukaran ion melibatkan transfer massa dari larutan ke fasa padatan.
Pada adsorpsi dan pertukaran ion, ion dari fasa larutan tertransfer ke fasa padatan (sorbent) sampai sorbent menjadi jenuh atau hampir jenuh. Untuk meregenerasinya dilakukan desorb (pelepasan kembali)
Pertukaran ion ion yang dipindahkan dari larutan dipindahkan ke penukar ion (exchanger) sehingga terjadi elektronetralitas (jumlah muatan yang diserap = yang dilepaskan)
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-, PO4
2-. 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 Bisulfite Nickel Chloride Cadmium Cyanide Copper Bicarbonate Zinc Hydroxide Magnesium Fluoride Potassium Sulfate Ammonia Sodium Hydrogen
Resin organik Gugus fungsional
Benzena Disulfonasi sebagai penukar kationDiklorinasi sebagai penukar anion
aa
SO3H
Cation exchange
aa
CH2N(CH3)3Cl
Anion exchange
Resin anorganik Silikat (SiO4) Aluminosilikat
zeolite, montmorillonitesPenukar 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 penukar2. Selektivitas 3. Ukuran partikel dan distribusi ukuran (flow
throughput considerations).4. Stabilitas kimia dan fisika5. Regenerasi
Resin Sifat
Kapasitas Jumlah ion yang dapat dipertukarkan per unit
materialKapasitas penukar kation (Proton
exchange capacity, PEC) Selektivitas
Penukar kation atau anionKation adalah ion positifAnion adalah ion negatif
Selektif terhadap beberapa gugus fungsiDistirbusi 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 0,845Divinilbenzena
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 :0,937
5,3mol / kg resin(176 /1000)
Latihan 1 Perkirakan kapasitas maksimum 200 g
penukar ion yang dibuat dari kopolimerisasi 75% berat DVB dan 15% 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 0,6350,786 3,26 0,0403 1,417 0,5434,49 4,55 0,230 1,978 1,87710,3 4,65 0,528 2,022 0,615
2 2
2 2Cu 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