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