Pengertian Ion Exchange

Kromatografi merupakan sebuah metode untuk memisahkan campuran menjadi komponen-komponen penyusunnya. Salah satu bentuk campuran yang biasa dikromatografi yaitu senyawa-senyawa yang memiliki molekul saling berikatan ion. Pemisahan salah satu ion penyusun molekul tersebut, membutuhkan metode khusus yakni kromatografi pertukaran ion.

Ion exchange jika diartikan ke dalam Bahasa Indonesia berarti pertukaran ion. Namun jika diartikan lebih dalam lagi, kromatografi ion exchange adalah sebuah proses kromatografi untuk memisahkan molekul ion suatu senyawa berdasarkan perbedaan nilai muatan permukaan antar senyawa.

20140303-062534 AM.jpg

Butir Resin Pada Ion Exchange
(Sumber)

Pertukaran ion melibatkan butiran-butiran resin dengan permukaan yang bermuatan positif (kation) atau negatif (anion). Biasanya resin-resin tersebut memiliki pori-pori kecil untuk menambah luas permukaan kontak. Sebagai contoh gambaran, salah satu jenis resin ion exchange adalah berupa molekul ikatan hidrokarbon kompleks yang sangat panjang dengan ujung rantai mengikat ion H+ untuk resin kation, dan OH- untuk resin anion.

20140303-063636 AM.jpg

Contoh Molekul Resin Ion Exchange
(Sumber)

Pada proses ekstraksi protein, resin ion exchange dikemas ke dalam sebuah wadah kolom, dan diisi dengan larutan penyetimbang (equilibration buffer). Larutan penyetimbang ini mengisi sela-sela kosong antara butiran resin serta menyelimuti permukaan pori tiap-tiap butirannya. Kekuatan ion dan pH larutan penyetimbang dijaga pada angka khusus, sehingga pada saat sampel campuran dimasukan ke dalam kolom resin, hanya ion-ion molekul protein sasaran yang terikat oleh molekul resin. Pengontrolan nilai pH ini sangat penting karena molekul-molekul protein tersusun atas ion-ion asam amino yang kekuatan muatannya sangat bergantung terhadap pH lingkungannya (perhatikan kurva berikut).

20140303-063956 AM.jpg

Kurva Pengaruh pH Lingkungan Terhadap Muatan Permukaan Protein
(Sumber)

Contoh penggunaan ion exchange lain yaitu pada proses softening (pelunakan) air dan juga demineralisasi air. Proses softening air adalah proses menghilangkan zat-zat kimia pengeras air yakni ion kalsium dan magnesium. Sedangkan proses demineralisasi adalah proses menghilangkan seluruh kandungan ion-ion mineral yang terlarut di dalam air.

20140303-064353 AM.jpg

Pertukaran Kation Pada Proses Softening Air
(Sumber)

Jika R adalah senyawa resin, maka reaksi pertukaran ion kalsium yang terjadi pada proses softening air adalah sebagai berikut:
      2 RNa + Ca++ → R2Ca + 2 Na+
Pada proses softening air, pertukaran ion terjadi pada saat air dengan kandungan ion kalsium (Ca2+) dan magnesium (Mg2+) melewati gugusan resin kation. Pada awalnya molekul resin mengikat lemah ion sodium (Na+), dan karena ion molekul resin memiliki gaya tarik-menarik yang lebih kuat dengan ion kalsium dan magnesium, maka terjadilah proses pertukaran ion. Molekul resin melepas ion sodium ke dalam air, diikuti dengan pengikatan ion kalsium dan magnesium ke molekul resin.

20140303-123645 PM.jpg

Pertukaran Ion Pada Proses Demineralisasi Air
(Sumber)

Sedikit berbeda dengan proses demineralisasi air, pada ujung rangkaian, molekul resin berikatan dengan ion H+ dan OH-. Pada saat air melewati gugusan resin, akan terjadi pengikatan ion-ion mineral yang terlarut di dalam air karena molekul resin memiliki gaya tarik-menarik lebih besar dengan ion molekul daripada ion H+ dan OH-. Jika R, K2+, dan A2- adalah berturut-turut molekul ion resin, ion mineral positif, dan ion mineral negatif, maka reaksi ion exchange yang terjadi pada proses demineralisasi air yakni sebagai berikut:
      2 R-H + K2+ → R2K + 2 H+
      2 R-OH + A2- → R2A + 2 OH-
Nampak pada reaksi di atas bahwa pada proses demineralisasi air, resin akan mengikat ion-ion mineral dan melepas ion-ion H+ dan OH-. Selanjutnya ion-ion tersebut akan salin berikatan untuk membentuk molekul H2O baru.
      H+ + OH- → H2O

Pada tiap proses pertukaran ion, dilakukan regenerasi resin jika resin sudah jenuh. Jenuh berarti keseluruhan molekul resin telah berikatan dengan ion-ion sasaran. Pada proses softening air, resin dikatakan jenih jika keseluruhan molekul resin telah berikatan dengan ion kalsium atau magnesium. Jenuhnya resin ditandai dengan air output dari kolom resin masih mengandung ion-ion kalsium dan magnesium.

Untuk melakukan regenerasi, pada proses softening air dibutuhkan larutan garam NaCl pekat yang dialirkan melewati resin. Larutan NaCl ini biasanya 1000 kali lebih pekat dari larutan NaCl biasa.
      R2Ca + 2 NaCl → 2 RNa + CaCl2
Sedangkan pada proses demineralisasi digunakan larutan asam kuat seperti H2SO4 dan juga larutan basa kuat seperti NaOH untuk meregenerasi resin demineralisasi air. Untuk lebih dalam membahas proses demineralisasi, silahkan baca artikel berikut.

Referensi:

Referensi dan eBook Gratis:

Macam-Macam Kromatografi

Sejak diperkenalkan oleh Mikhail Tsvet pada tahun 1901, teknologi kromatografi berkembang semakin luas dan melahirkan berbagai metode baru untuk memecah suatu campuran menjadi komponen-komponen penyusunnya. Sejak saat itu teknologi ini digunakan untuk mengkromatografi berbagai jenis campuran berfase cair, gas, dan juga fluida superkritis (supercritical). Mereka dikromatografi untuk kebutuhan analisis komponen penyusunnya, atau juga untuk kebutuhan produksi.

20140218-074234 PM.jpg

Macam-macam Kromatografi
(Sumber)

Berikut adalah macam-macam kromatografi yang diklasifikasikan berdasarkan prinsip kerjanya:

  1. Column Chromatography
    Kromatografi kolom menjadi tipe yang paling umum digunakan. Ciri khas dari tipe ini adalah penggunaan sebuah tabung kaca kolom dengan diameter 5 hingga 50 mm dan tinggi 5 cm hingga 1 meter sebagai wadah bahan fase stasioner ("bagian yang diam"; baca artikel sebelumnya). Bahan campuran (larutan) masuk melalui sisi atas tabung dan mengalir perlahan melewati bahan stasioner. Zat-zat penyusun campuran akan terpisah berdasarkan kecepatannya mengalir di dalam bahan stasioner. Zat yang paling cepat mengalir akan mencapai bagian outlet tabung terlebih dahulu, dan diikuti dengan zat-zat yang lainnya.

    20140219-114308 AM.jpg

    Kromatografi Kolom
    (Sumber)

    Prinsip kerja column chromatography terletak pada bahan stasioner yang digunakan, yaitu berupa silica gel atau juga alumina. Serupa dengan alumina, silica gel memiliki struktur kimia inti silikon dioksida, dimana atom silikon berikatan dengan oksigen dan membentuk struktur kovalen besar. Selanjutnya pada sisi permukaan struktur silica, setiap atom silikon terikat dengan molekul OH-.

    20140219-040837 PM.jpg

    Struktur Silica Gel Pada Column Chromatography
    (Sumber)

    Katakan sebuah campuran terdiri atas dua komponen zat yang memiliki perbedaan sifat, yang pertama (A) bersifat mudah untuk membentuk ikatan hidrogen, sedangkan yang kedua (B) tidak mudah untuk bereaksi dengan zat lain (dalam kata lain memiliki gaya interaksi van der waals lemah). Jika campuran ini dilewatkan ke dalam kolom kromatografi berisi silica gel, maka zat A akan lebih lambat sampai ke bawah sisi kolom karena zat ini akan bereaksi dengan silica gel membentuk ikatan hidrogen. Sedangkan zat B akan lebih cepat menuju ke sisi bawah kolom karena ia tidak mudah bereaksi dengan silica gel. Perbedaan kecepatan melewati silica gel inilah yang menyebabkan kedua komponen zat tersebut terkromatografi.

  2. Planar Chromatography
    Kromatografi tipe ini tidak jauh beda prinsip dasarnya dengan kromatografi kolom. Yang membedakan adalah bentuk kemasan bahan stasionernya. Jika kromatografi kolom menggunakan bahan stasioner yang berada di dalam tabung kaca memanjang, bahan stasioner kromatografi planar berbentuk lembaran tipis. Lembaran tersebut dapat berupa kertas berbahan dasar selulosa, atau juga lembaran tipis silica dan alumina.

    20140219-095927 PM.jpg

    Prinsip Dasar Planar Chromatografi
    (Sumber)

    Perbedaan lain yaitu kromatografi planar tidak menggunakan gaya grafitasi untuk membuat sampel campuran turun melewati bahan stasioner. Namun tipe planar ini menggunakan gaya kapiler zat penyusun campuran. Semakin kuat komponen campuran untuk berikatan dengan bahan stasioner, bahan tersebut akan semakin mencapai titik tertinggi lembaran stasioner. Dan karena prinsip kerjanya yang sederhana, kromatografi tipe ini lebih banyak digunakan pada laboratorium untuk meneliti zat penyusun dari sebuah campuran.

  3. Size Exclusion Chromatography (SEC)
    SEC adalah kromatografi yang memisahkan suatu campuran berdasarkan ukuran molekul campuran, kemampuan tiap-tiap molekul untuk melewati pori-pori material stasioner menjadi prinsip kerjanya. Molekul campuran yang berukuran besar tidak dapat mempenetrasi pori-pori molekul stasioner, sehingga akan lebih cepat menuju ujung kolom. Sedangkan untuk molekul-molekul berukuran lebih kecil, akan lebih mudah mempenetrasi pori-pori molekul stasioner. Molekul-molekul kecil ini harus melewati permukaan molekul-molekul zat stasioner untuk mengalir, sehingga akan lebih lama untuk sampai ujung kolom.

    20140220-083151 PM.jpg

    Size Exclusion Chromatography
    (Sumber)

Pengertian Kromatografi

Kromatografi adalah teknologi untuk memisahkan sebuah campuran menjadi komponen-komponen penyusunnya. Teknologi ini melibatkan dua bagian penting yaitu bagian yang bergerak dan bagian yang diam. Bagian yang bergerak dimaksudkan kepada sampel campuran yang akan dipisahkan menjadi komponen penyusunnya, sedangkan bagian yang diam ditujukan kepada suatu bahan yang digunakan untuk memisahkan campuran. Bagian yang bergerak dalam bahasa Inggris biasa disebut dengan mobile phase, sedangkan bagian yang diam biasa disebut dengan stationery phase.

Munculnya istilah "bagian yang bergerak" dan "bagian yang diam" adalah berdasarkan atas proses kerja kromatografi. Dimana sampel sebuah campuran yang biasanya telah larut di dalam zat pelarut, dilewatkan ke dalam sebuah material khusus yang diam sehingga proses pemisahan campuran dapat terjadi. Sampel campuran akan terpisah menjadi komponen-komponennya berdasarkan perbedaan relatif kemampuan komponen-penyusun-campuran untuk terikat dengan zat lain. Sebagai satu contoh agar kita lebih memahami prinsip dasar kromatografi, mari kita perhatikan gambar di bawah ini.

20140217-031430 PM.jpg

Prinsip Dasar Kromatografi
(Sumber)

Gambar di atas adalah sebuah proses pemisahan petroleum eter, atau lebih kita kenal sebagai bensin, menjadi beberapa komponen zat yang memiliki perbedaan warna. Proses ini diperkenalkan oleh seorang ahli botani bernama Mikhail Tsvet pada tahun 1901 sebagai pencetus teknologi kromatografi. Pada percobaan ini ia menggunakan petroleum eter sebagai "bagian yang bergerak", dan mengalirkannya ke dalam sebuah kolom kaca bening berisi bubuk kalsium karbonat yang berfungsi sebagai "bagian yang diam".

Hasil percobaan di atas adalah terpisahnya petroleum eter ke dalam beberapa warna pigmen tumbuhan yakni hijau (klorofil), kuning (xanthophyll), dan oranye (karoten). Seperti yang nampak pada ilustrasi di atas, ketiga zat penyusun tersebut terpisah dan berada pada tingkat elevasi yang berbeda pada kolom kalsium karbonat. Hal ini terjadi karena ketiga pigmen tersebut memiliki nilai afinitas yang berbeda antar ketiganya.

Afinitas adalah derajat kemampuan sebuah atom atau molekul untuk terikat secara kimia dengan atom atau molekul lainnya. Semakin besar nilai afinitas suatu zat, maka semakin mudah ia untuk terikat dengan zat lain. Pada percobaan kromatografi di atas nilai afinitas dari ketiga pigmen tersebut dari yang tertinggi hingga yang terendah berturut-turut adalah klorofil, xanthophyll, dan karoten. Sehingga nampak bahwa sesaat setelah petroleum eter dimasukkan ke dalam kolom kalsium karbonat, yang bereaksi lebih dulu dan menghasilkan warna hijau adalah pigmen klorofil (paling atas). Disusul dengan xanthophyll yang bereaksi dengan kalsium karbonat membutuhkan waktu yang lebih lama, dan pigmen karoten yang membutuhkan waktu paling lama untuk bereaksi dengan kalsium karbonat sehingga menimbulkan warna oranye pada sisi bawah kolom.

20140217-035451 PM.jpg

Percobaan Kromatografi Pada Laboratorium
(Sumber)

Penggunaan kromatografi dikelompokan menjadi dua tipe yakni untuk kebutuhan laboratorium dan untuk kebutuhan produksi. Pada laboratorium, kromatografi digunakan pada sebuah campuran atau larutan kimia untuk mengetahui zat-zat penyusun campuran tersebut. Sedangkan untuk kebutuhan produksi, prinsip kromatografi digunakan untuk produksi masal suatu zat. Salah satu contoh adalah proses demineralisasi air yang menggunakan prinsip kromatografi pertukaran ion untuk mengikat mineral-mineral di dalam air. Air hasil proses demineralisasi biasa digunakan untuk bahan baku pembangkit listrik tenaga uap sebagai media kerja siklus air-uap air.


Referensi:

eBook Gratis Kromatografi: