Ion Exchange

Penghilangan/penurunan kesadahan :

• Proses pelunakan (water softening) Kapur : CaO, Ca(OH)2

Soda : Na2CO3

• Pertukaran ion (ion exchange)

Ion Exchange

• Process used to remove unwanted ionic species from wastewater– exchanges undesirable cations or anions in

solution with less harmful ones from an ion exchange resin

– Reversible, irreversible– ions are not destroyed, but concentrated on

the resin where they cane be more easily handled

R e M M R e M M1 2 2 1

Ion Exchange

• Penukar ion adalah suatu unit proses yang terdiri dari reaksi kimia antara ion dalam fasa cair dengan ion dalam media padat tidak larut (resin).

• Penukar ion telah banyak digunakan dalam berbagai pengolahan air minum maupun air buangan.

Ion Exchange Resins

• Resins– Organic or inorganic polymer used to

exchange cations or anions from a solution phase

• General Structure– Polymer backbone not involved in bonding– Functional group for complexing anion or

cation

Resins

• Properties– Capacity

• Amount of exchangeable ions per unit quantity of material– Proton exchange capacity (PEC)

– Selectivity• Cation or anion exchange

– Cations are positive ions– Anions are negative ions

• Some selectivities within group– Distribution of metal ion can vary with solution

Resins

• Exchange proceeds on an equivalent basis– Charge of the exchange ion must be neutralized

• Z=3 must bind with 3 proton exchanging groups

• Organic Exchange Resins– Backbone

• Cross linked polymer chain– Divinylbenzene, polystyrene

– Cross linking limits swelling, restricts cavity size

Organic Resins

– Functional group• Functionalize benzene

– Sulfonated to produce cation exchanger– Chlorinated to produce anion exchanger

Organic Resin groups

aa

SO3H

Linkage group Cation exchange

Chloride

aa

CH2Cl

aa

CH2N(CH3)3Cl

Anion exchange

Inorganic Resins

• More formalized structures– Silicates (SiO4)– Alumina (AlO4)

• Both tetrahedral• Can be combined

– (Ca,Na)(Si4Al2O12).6H2O

• Aluminosilicates– zeolite, montmorillonites– Cation exchangers– Can be synthesized

– Zirconium, Tin- phosphate

Zeolite

Inorganic Ion Exchanger

• Easy to synthesis– Metal salt with phosphate

– Precipitate forms• Grind and sieve

• Zr can be replaced by other tetravalent metals– Sn, Th, U

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 penukar ion

sebuah polimer yang secara elektris memiliki muatan dimana satu ion dapat digantikan oleh ion lainnya

• cation exchange menggantikan ion-ion positif (memiliki grup fungsi asam seperti mengandung karboksilat)

• anion exchange menggantikan ion-ion negatif (memiliki grup fungsi basa seperti grup amin)

• Memiliki kapasitas penukar kation dan anion sekaligus (mis:tanah lempung)

Resin Alami

misalnya Zeolit, merupakan mineral yang terdiri dari kristal alumino silikat terhidrasi yang mengandung kation alkali atau alkali tanah dalam kerangka tiga dimensi.

• Ion-ion logam tersebut dapat diganti oleh kation lain tanpa merusak struktur zeolit dan dapat menyerap air secara reversibel

Resin Sintetis polimerisasi material organik styrene dan DVB

(divinylbenzene) menjadi struktur pori-pori 3 dimensi seperti yang terdapat pada :

• Resin penukar ion sintetis terbuat dari polimerisasi ini kemudian mengalami penambahan gugus fungsi ion pada jaringan polimernya agar dapat berfungsi sebagai resin penukar ion

• Pengolahan AB resin sintetis karena memiliki kapasitas penukar ion yang lebih besar dari resin alami baik sebagai penukar kation maupun anion.

• Resin penukar kation, kapasitas penukaran ion 200–500 meq/100 g.

• Resin cation exchange dengan gugus asam kuat memiliki kapasitas penukar ion dari 350 – 520 meq/100 gr resin kering dengan densitas kelembaban dari 43 lb/ft3 (689 gr/l) – 54 lb/ft3 (865 gr/l) dan kandungan air 40 – 60%.

Sifat media penukar ion

Media penukar ion pada proses pengolahan air harus memiliki sifat-sifat sebagai berikut :

• Memiliki ion dalam media penukar ion itu sendiri.• Tidak larut dalam air.• Memiliki luas permukaan yang cukup pada struktur pori-

porinya bagi ion untuk lewat baik di dalam maupun di luar media.

• Memiliki kapasitas penukar ion dan dapat diregenerasi dengan bahan kimia yang sesuai.

• Bersifat tahan lama dan stabil secara kimia.• Tidak beracun dan dalam penggunaannya tidak

mewarnai air.

Type resin1. Strong acid cation resins• disebut resin kation asam kuat karena memiliki sifat

kimia yang hampir sama dengan asam kuat. • Resin ini mudah terionisasi baik dalam asam

(R-SO3H) dan garam (R-SO3Na) melalui rentang pH tertentu. Pembentukan gugus fungsi ion R-SO3H.

• Resin ini dapat mengubah garam logam menjadi asam

• 2(R-SO3H) + NiCl2 (R-SO4),Ni + 2HCl

Type resin

2.Strong base anion resins• Resin anion basa kuat mudah terionisasi pada

rentang pH tertentu seperti resin asam kuat.

• Ion Cl dapat ditukar dengan ion-ion oenukar lain diantaranya OH- , HCO3- , SO42- and NO3

- .

Type resin

3.Weak acid cation resins

• Pada resin kation asam lemah, grup ionisasinya adalah asam karboksilat (-COOH) yang berkebalikan sifatnya dengan grup asam sulfonat (SO3H-) yang digunakan sebagai resin asam kuat.

Type resin

4.Weak base anion resins

• Resin ini digunakan dalam bentuk hidroksida dalam proses deionisasi yang akan bereaksi dengan larutan asam membentuk air murni dengan reaksi :

• R--NH3OH+ HCl R-NH3Cl + HOH

Type resin

5.Heavy metal selective chelating resins

• Resin ini memiliki sifat yang sama dangan resin kation asam lemah namun memiliki derajat selektivitas yang tinggi terhadap kation logam berat.

• Resin ini berada dalam bentuk stabil kompleks dengan logam berat. Struktur resin ini dalam bentuk natrium adalah R-EDTA-Na.

Aplikasi Penukar IonAplikasi Penukar Ion

1.1. Demineralisasi airDemineralisasi air untuk menyisihkan semua kation dan untuk menyisihkan semua kation dan

anion yang tidak diinginkan anion yang tidak diinginkan keberadaannya. keberadaannya.

Resin kation menggantikan ion hidrogen Resin kation menggantikan ion hidrogen dan resin anion menggantikan ion hidroksil. dan resin anion menggantikan ion hidroksil.

Industri-industri yang menggunakan boiler Industri-industri yang menggunakan boiler tekanan tinggi hendaknya menggunakan tekanan tinggi hendaknya menggunakan penukar ion untuk demineralisasi air.penukar ion untuk demineralisasi air.

Ion Exchange

R e M M R e M M1 2 2 1

H+-basedCation

exchangeresin

Feed water

M+ A-

H+ A-

OH--basedAnion

exchangeresin

Feed water

M+ A-

H+ OH-

Process waterH+, OH-

Air

CO2 stripper

Air + CO2

Aplikasi Penukar IonAplikasi Penukar Ion

2.2. Penyisihan amoniakPenyisihan amoniak Zeolit alam, Zeolit alam, clinoplititeclinoplitite dapat dapat

digunakan untuk penyisihan digunakan untuk penyisihan amoniak dalam pengolahan tingkat amoniak dalam pengolahan tingkat lanjut sebagai pengganti metoda lanjut sebagai pengganti metoda penyisihan amoniak yang telah ada penyisihan amoniak yang telah ada sebelumnya.sebelumnya.

Aplikasi Penukar IonAplikasi Penukar Ion

3.3. Penyisihan logam beratPenyisihan logam berat Penukar ion dapat digunakan untuk Penukar ion dapat digunakan untuk

menyisihkan logam berat dari berbagai menyisihkan logam berat dari berbagai tipe air buangan. tipe air buangan.

Pengolahan air buangan dari industri Pengolahan air buangan dari industri pelapisan logam yang mengandung seng pelapisan logam yang mengandung seng (Zn), cadmium (Cd), tembaga (Cu), nikel (Zn), cadmium (Cd), tembaga (Cu), nikel (Ni) dan kromium (Cr) merupakan salah (Ni) dan kromium (Cr) merupakan salah satu aplikasi penggunaan penukar ion satu aplikasi penggunaan penukar ion untuk menyisihkan logam berat.untuk menyisihkan logam berat.

Aplikasi Penukar IonAplikasi Penukar Ion

4.4. Pengolahan bahan radioaktif tingkat Pengolahan bahan radioaktif tingkat rendah sampai menengahrendah sampai menengah

Tanah lempung (Tanah lempung (clayclay) dan mineral-) dan mineral-mineral yang memiliki kapasitas penukar mineral yang memiliki kapasitas penukar ion besar telah digunakan untuk ion besar telah digunakan untuk menyisihkan bahan-bahan radioaktif menyisihkan bahan-bahan radioaktif untuk pengolahan tingkat rendah sampai untuk pengolahan tingkat rendah sampai menengah terutama untuk penyisihan menengah terutama untuk penyisihan logam-logam berat radionuklida seperti logam-logam berat radionuklida seperti Cs (Cesium).Cs (Cesium).

Basic ion exchange softening

Hardness as calcium carbonate

mg/L GPG

Soft 0-17 0-1.0Moderately hard 60-120 3.5-7.0Very hard 180 & over 10.5 & over

1 GPG = 17.1 mg/L

What’s hard water?Practically speaking, measurement of:

•Calcium (Ca) ions•Magnesium (Mg) ions

Water Softening

• cation exchange process

• remove calcium, magnesium

• add sodium (potassium)

• will remove some iron

Basic ion exchange softening

How does ion exchange work?

Hard water

Calcium ionsResinbed

Soft water

Sodium ions

Resin exchange site(receptor)

exchanges saltfor hardness

•Hardness washed awayduring backwash

•Sodium added duringregeneration from salt brine

Schematic of Softener

Water Softener

RESIN(Sodium)

Raw Water

(Sodium)

Calcium & Magnesium

Treated Water

Ion Exchange: Sodium for Calcium & Magnesium

Hard water is passed through a bed of ion Hard water is passed through a bed of ion exchange resin: plastic beads with covalently exchange resin: plastic beads with covalently bound anion groups such as –COObound anion groups such as –COO-- or –SO3 or –SO3--

These anion groups have NaThese anion groups have Na++ attached to attached to counter their charges. The Cacounter their charges. The Ca2+2+ and other and other cations in the hard water are exchanged with cations in the hard water are exchanged with the Nathe Na++..

2Na(R-COO)(s) + Ca2Na(R-COO)(s) + Ca2+2+((aqaq) )

Ca(R-COO)Ca(R-COO)22((ss) + 2Na) + 2Na++((aqaq))

Water Softeningby Ion Exchange

Hard water with ions

An ion-exchange resin with acidic

groups bound to Na+

As hard water passes through, hard-water

cations are exchanged for Na+

Ion exchange softeners replace CaIon exchange softeners replace Ca++++ and Mg and Mg++++ with Na with Na++ ions. ions.

Zeolite medium is recharged with NaZeolite medium is recharged with Na++ by NaCl brine when depleted. by NaCl brine when depleted.

ProsesProses

• Proses pelunakan air untuk menurunkan tingkat kesadahan dapat dilihat pada persamaan reaksi berikut

• Ca2++ 2 Na+ - Ex Ca2+- Ex + 2 Na+

• Mg2++ 2 Na+ - Ex Mg2+- Ex + 2 Na+ dimana Ex adalah resin penukar ion.

RegerenasiRegerenasi

• Resin diregenerasi menggunakan larutan garam kuat setelah resin mengalami kondisi jenuh oleh ion Ca2+ dan Mg2+. Proses regenerasi ini terjadi dengan reaksi sebagai berikut :

• Ca – Ex2 + 2Na+ 2 Na – Ex + Ca2+

• Mg – Ex2+ 2Na+ 2 Na – Ex + Mg2+

Ion Exchange Water Ion Exchange Water Softener with Sensor- Softener with Sensor- Controlled RechargeControlled Recharge

Pertimbangan Desain Pertimbangan Desain Kolom Penukar IonKolom Penukar Ion

Hal-hal yang harus dipertimbangkan dalam mendesain kolom penukar ion harus diantaranya :

• Memiliki resin penukar ion.• Dapat mendistribusikan aliran secara seragam pada

saat proses regenerasi ke dalam lapisan penukar ion.• Adanya ruang yang cukup pada saat backwash

berlangsung.• Memiliki sistem perpipaan, katup, dan pelengkap

lainnya dalam pengaturan aliran pada saat beroperasi dan berlangsungnya proses regenerasi.

• Penukar ion umumnya terdiri dari :– kolom penukar ion, – tangki larutan garam, – tangki larutan regenerasi – peralatan pelengkap lainnya

Desain kolom penukar ion:Desain kolom penukar ion:

• kedalaman resin 2,0–8,5 ft • laju alir larutan 1–8 gpm/ft2 • ukuran diameter butiran (0,1-1)mm. • Tinggi kolom harus memungkinkan terjadinya

ekspansi resin selama backwash, tinggi maksimum kolom ± 12 ft

• Selama backwash, zeolit berekspansi 25% dari kedalamannya sedangkan resin sintetis akan mengembang 75–100% dari kedalamannya semula.

• Bila tinggi kolom yang dikehendaki > dari 12 ft, digunakan 2 buah kolom. Salah satu jenis kolom ialah pra pabrikan kolom silinder baja dengan tinggi kolom 12 ft dan diameter 3 in

• Alat pelunak air (water softener) umumnya terdiri dari:

• satu unit tangki (simplex),

• dua unit tangki (duplex) dan

• banyak unit tangki (multiplex)

Water SoftenerWater Softener

Simplex Duplex Softener Triplex Softener

Proses Regenerasi pada unit Proses Regenerasi pada unit water softenerwater softener

• Proses regenerasi resin biasanya memakan waktu mendekati satu jam sehingga tangki 2 unit (duplex) sering dipakai supaya pada saat salah satu tangki diregenerasi maka proses pelunakan air dapat terus berjalan karena tangki yang lain dapat terus beroperasi.

• Triplex atau unit multiplex dipakai apabila adanya kebutuhan untuk peningkatan kapasitas sehingga dapat menjamin kuantitas tersedianya air yang tidak sadah secara kontinu

Kurva BreakthroughKurva Breakthrough

• Kurva breakthrough konsentrasi ion dalam effluen (sumbu y) terhadap volume effluen (sumbu x).

• Daerah di atas kurva breakthrough mewakili jumlah larutan atau ion yang disisihkan kolom yaitu (Co – C)dV dari V = 0 sampai V.

• Saat volume breakthrough, Vb, daerah di atas kurva breaktrough = jumlah ion yang disisihkan oleh kolom.

• Situasi sempurna jenuh terjadi pada saat C = Co dan daerah di atas kurva breakthrough sama dengan jumlah maksimum ion yang disisihkan oleh kolom dan konsentrasi influen sama dengan konsentrasi effluen.

VzVb Vr

Ca = 0.05 Co

C (mg/l)

Co = 0.95 Co

CoExhaustion

Breakthrough

Throughput Volume, V

Contoh soal:

Air sumur akan diturunkan kadar kesadahannya dengan menggunakan kolom penukar ion dengan sistem siklus Na. Debit yang akan diolah 30 gpm dengan kesadahan sebagai CaCO3 225 mg/l. Tingkat kesadahan yang diinginkan adalah 50 mg/l CaCO3. Kadar kelembaban resin yang akan dipakai adalah 45%. Kemampuan penukaran ion resin tersebut adalah 296 meq per 100 gram resin kering. Untuk pengolahan ini digunakan pembagian aliran (split treatment). Tentukan jumlah resin yang harus digunakan berdasarkan jumlah resin kering dan basah, jika waktu breakthrough yang diinginkan adalah 7 hari. Jika densitas resin basah 2,6 g/cm3, tentukan dimensi kolom penukar ion yang dibutuhkan. Asumsikan diameter adalah seperempat tinggi kolom.