Category: Chemistry

Demineralisasi air adalah sebuah proses penyerapan kandungan ion-ion mineral di dalam air dengan menggunakan resin ion exchange. Air hasil proses demineralisasi digunakan untuk berbagai macam kebutuhan, terutama untuk industri. Industri yang menggunakan air demin diantaranya yakni pembangkit listrik tenaga uap, industri semikonduktor, dan juga industri farmasi.

Skema Kolom Resin Ion Exchange Pada Proses Demineralisasi
(Sumber)

Ada dua tipe kolom resin yang umum digunakan pada proses demineralisasi air. Keduanya adalah Single Bed dan Mixed Bed Ion Exchange Resin. Single Bed berarti di dalam satu kolom hanya terdapat satu jenis resin saja yakni kation resin saja atau anion resin saja. Sedangkan kolom Mixed Bed berisi campuran resin kation dan anion.

Kedua tipe kolom resin di atas bekerja pada dua tipe sistem demineralisasi yang berbeda:

1. Multi-Stage Demineralisasi
   Pada awal proses demineralisasi multi-stage, air akan melewati resin kation untuk mengikat ion-ion mineral positif. Proses ini diikuti dengan pelepasan ion H⁺ ke dalam air. Jika R dan K²⁺ berturut-turut adalah molekul ion resin dan ion mineral positif, maka reaksi ion exchange yang terjadi pada kolom resin yakni sebagai berikut:
         2 R-H + K²⁺ → R₂K + 2 H⁺

   Ion kalsium yang terlarut di dalam air biasanya berbentuk kalsium bikarbonat. Pada saat ion kalsium diikat molekul resin, kalsium bikarbonat akan terpecah membentuk molekul air dan karbondioksida.
         2 R-H + Ca(HCO₃)₂ → R₂Ca + 2 H₂ + 2 CO₂
   Molekul karbondioksida hasil reaksi di atas dikeluarkan melalui sistem CO₂ removal.

   

   Kombinasi Kolom Resin Kation, Anion, serta Sistem Pembuang CO₂
   (Sumber)

   Ion H⁺ yang lepas ke dalam air akan berikatan dengan anion terlarut di dalam air. Sehingga reaksi ion hidrogen tersebut akan menghasilkan asam kuat seperti asam sulfurik, hidroklorik, dan asam nitrit. Untuk menghilangkan keasaman ini, air dialirkan lebih lanjut ke resin anion. Saat melewati resin anion, ion-ion negatif yang larut di dalam air akan terikat oleh molekul resin diikuti dengab terlepasnya ion OH^-. Jika A adalah ion negatif yang terlarut di dalam air, maka reaksi yang terjadi pada resin anion adalah sebagai berikut:
         2 R-OH + A^2- → R₂A + 2 OH^-

   Pada akhirnya ion H⁺ dan OH^- akan bereaksi membentuk molekul air baru:
         H⁺ + OH^- → H₂O

   

   Proses Demineralisasi Air Multi-stage
   (Sumber)

   Bentuk variasi sistem demineralisasi lain yakni dengan menggunakan kolom resin anion kuat dan lemah. Sistem ini menghasilkan kualitas output yang sama dengan hanya menggunakan satu resin anion. Keuntungan sistem ini yaitu lebih ekonomis saat harus mengikat anion-anion kuat seperti sulfat dan klorit, karena pada saat proses regenerasi resin, larutan NaOH pekat yang keluar dari kolom resin kuat sudah cukup untuk meregenerasi anion resin lemah. Untuk menghadapi anion kuat terlarut dalam air dengan jumlah yang sama, jumlah larutan NaOH yang dibutuhkan untuk meregenerasi dua anion resin tersebut, lebih sedikit dibandingkan NaOH yang meregenerasi sistem dengan satu anion resin.

   

   Proses Demineralisasi Air Menggunakan Resin Anion Kuat dan Lemah
   (Sumber)

2. Mixed Bed Demineralisasi
   Pada beberapa kebutuhan industri, terkadang dibutuhkan tidak satu tahap proses pertukaran kation dan anion. Pada beberapa proses, bahan baku air dilewatkan sampai dua atau tiga kation dan anion kolom resin. Untuk meringkas proses, maka setiap stage pertukaran ion dapat digunakan satu kolom resin yang berisi resin kation dan anion sekaligus. Pada akhir proses demineralisasi, akan didapatkan air dengan kualitas sangat murni. Sistem ini sangat cocok digunakan pada pabrik-pabrik pengguna boiler bertekanan tinggi, serta industri elektronik untuk kebutuhan mencuci transistor dan komponen-komponen elektronika lainnya.

   

   Kolom Resin Mixed Bed
   (Sumber)

Proses Regenerasi
Jika keseluruhan molekul resin telah mengikat ion sasaran mereka, maka resin dikatakan telah mencapai titik jenuhnya. Untuk dapat menggunakan kembali resin tersebut perlu dilakukan proses regenerasi. Berikut adalah tahapan umum proses regenerasi resin single-bed kation atau anion:

1. Lakukan pencucian resin backwash dengan mengalirkan air berlawanan arah dengan aliran normal treatment. Tahap ini bertujuan untuk menghilangkan kotoran yang mungkin mengendap di dalam kolom.
2. Injeksi regenerant (H₂SO₄ atau NaOH) yang telah dilarutkan dengan air berkualitas, ke dalam kolom resin. Regenerant harus mengalir pada kecepatan yang cukup sehingga waktu kontak dengan resin adalah 20 hinga 40 menit.
3. Alirkan air murni ke dalam kolom dengan kecepatan yang sama dengan tahap sebelumnya.
4. Terakhir, bilas resin dengan mengalirkan air demin dengan kecepatan sama dengan proses treatment, sampai air output dari resin ini sesuai dengan kualitas yang diinginkan.

Untuk proses regenerasi resin mixed-bed, membutuhkan tahapan yang lebih banyak. Berikut adalah tahapan-tahapan tersebut:

1. Lakukan backwash untuk memisahkan resin kation dengan resin anion.
2. Hentikan backwash dan tunggu hingga butiran-butiran resin mengendap.
3. Jika diperlukan, buang air di dalam kolom hingga level mencapai setara dengan ketinggian resin.
4. Injeksikan NaOH pekat yang telah dilarutkan ke dalam air demin.
5. Keluarkan NaOH dari dalam kolom dengan mengalirkan air pelarut ke dalam kolom.
6. Injeksikan larutan asam pekat (seperti hidroklorik atau asam sulfat) ke dalam kolom resin.
7. Keluarkan larutan asam dari dalam kolom dengan mengalirkan air pelarut ke dalam kolom.
8. Buang air hingga mencapai level setara dengan butiran resin.
9. Aduk resin dengab menghembuskan udara terkompresi bersih atau nitrogen bertekanan.
10. Isi kembali kolom dengan air demineralisasi.
11. Lakukan pembilasan terakhir hingga didapatkan kualitas output yang sesuai dengan spesifikasi.

Sistem Demineralisasi Air
(Sumber)

Referensi:

• Deionised / Demineralised Water
• Regeneration Methods for Ion Exchange Unit
• Principle of Water Treatment

Referensi dan eBook Gratis:

• Resin Bed Regeneration in Water Treatment Processes
• Demineralization of Deionizer System
• Ion Exchange Primer
• Ion Exchange and Demineralization

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.

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.

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).

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.

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.

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 A^2- 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 + A^2- → 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:

• Wikipedia: Ion Exchange
• Wikipedia: Ion Chromatography
• How Ion Exchange Resin Work

Referensi dan eBook Gratis:

• Ion Exchange for Dummies
• Ion Exchange Chromatography: Principle and Methods
• Ion Exchange Chromatography & Chromatofocusing: Principles and Methods