Kation Anion Exchanger, Secuil Pengetahuan

Kation/Anion Exchanger yang dibahas kali ini adalah alat yang digunakan pada unit utilitas di pada demin plant di Unit Utilitas Power Station II (PS-II) PT.Pertamina RU III.

Proses Demineralisasi

Sistem demineralisasi sangat umum digunakan, tidak hanya untuk mengolah air untuk boiler tekanan tinggi tapi juga untuk proses lain dan pengolahan air cucian. Air yang diolah berasal dari intake sungai komering yang mengandung suspended solid (impurities tidak larut) dan dissolved solid (impurities terlarut).

Suspended solid dapat dihilangkan melalui proses klarifikasi (penjernihan) dengan menggunakan clarifier. Klarifikasi adalah pretreatment air permukaan untuk menghilangkan suspended solid dengan tahap – tahap sebagai berikut :

a.    Koagulasi adalah proses penetralan muatan listrik negatif yang berada pada partikel – partikel halus yang terpisah. Bahan kimia yang digunakan adalah alumunium sulfat.

b.   Flokulasi adalah penggabungan partikel – partikel yang sudah distabilisasi menjadi partikel yang lebih besar yang dipercepat dengan penambahan polymer organic rantai panjang (bobot molekul tinggi) yang larut dalam air.

c.    Sedimentasi adalah suatu mekanisme dimana partikel yang sudah cukup besar tadi akan mengendap dan turun kebawah permukaan air dibawah pengaruh gaya gravitasi.

Dissolved solid dapat dihilangkan melalui proses demineralisasi (penghilangan mineral – mineral dalam air). Demineralisasi adalah proses pertukaran ion dengan tiga tahap yaitu kation exchanger, anion exchanger dan mixed bed.

Ion Exchanger

Resin ion exchange atau resin penukar ion dapat didefinisi sebagai senyawa hidrokarbon terpolimerisasi, yang mengandung ikatan hubung silang (crosslinking) serta gugusan-gugusan fungsional yang mempunyai ion-ion yang dapat dipertukarkan. Sebagai zat penukar ion, resin mempunyai karakteristik yang berguna dalam analisis kimia, antara lain kemampuan menggelembung (swelling), kapasitas penukaran dan selektivitas penukaran. Penggunaannya dalam analisis kimia misalnya untuk menghilangkan ion-ion pengganggu, memperbesar konsentrasi jumlah ion-ion renik, proses deionisasi air atau demineralisasi air, memisahkan ion-ion logam dalam campuran dengan kromatografi penukar ion. Pada saat operasi dikontakkan dengan resin penukar ion, maka ion terlarut dalam air akan teresap ke resin penukar ion dan resin akan melepaskan ion lain dalam kesetaraan ekivalen, dengan melihat kondisi tersebut maka kita dapat mengatur jenis ion yang diikat dan dilepas. Sebagai media penukar ion, maka resin penukar ion harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut :

1. Kapasitas total yang tinggi. Maksudnya resin memiliki kapasitas pertukaran ion yang tinggi.
2. Kelarutan yang rendah dalam berbagai larutan sehingga dapat berulang-ulang. Resin akan beroperasi dalam cairan yang mempunyai sifat melarutkan, karena itu resin  harus tahan terhadap air
3. Kestabilan kimia yang tinggi. Resin diharapkan dapat bekerja pada range pH yang luas serta tahan terhadap asam dan basa. Demikian pula terhadap oksidasi dan radiasi.
4. Kestabilan fisik yang tinggi. Resin diharapkan tahan terhadap tekanan mekanis, tekanan hidrostatis cairan serta tekanan osmosis.

Resin penukar ion adalah suatu strukur polimer yang mengandung suatu gugus aktif yang terikat pada kerangka organik. Proses pembentukan resin terdiri dari dua tahap yaitu pembentukan gugus aktif. Umumnya untuk pembentukan kerangka biasa dipakai cross linked polystirene yang dibentuk dari tetesan cairan monomer yang disuspensikan dalam air. Dari proses tersebut diperoleh butiran yang keras, transparan, tidak berwarna dan kedap air. Butiran-butiran ini belum memiliki sifat penukar ion. Tahap selanjutnya pembentukan gugus aktif pada butiran-butiran tsb. (Idaman Said, 2008)

           
Ada 2 macam resin penukar ion, yaitu :

1.      Kation exchanger

Resin penukar ion positif atau yang lebih dikenal dengan kation exchanger pada umumnya dalam bentuk asam kuat atau asam lemah. Resin kation dalam bentuk asam kuat dapat menghilangkan seluruh ion positif yang terkandung dalam air sedangkan resin kation dalam bentuk asam lemah hanya dapat menghilangkan sebagian kesadahan dalam air yang umumnya kesadahan dalam bentuk alkinitas.

Resin penukar ion mempunyai afinitas yang berbeda terhadap tiap jenis ion yang ada dalam air. Akibatnya resin penukar ion menunjukan urutan selektivitas untuk tiap jenis ion yang terlarut dalam air. Untuk resin penukar ion positif dalam bentuk asam kuat urutan jenis ion positif yang mempunyai afinitas terhadap resin penukar ion positif di mulai dari yang terbesar hingga yang terkecil adalah sebagai berikut : Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Ammonium (NH₄), Potassium (K), Natrium (Na), dan terakhir Hidrogen (H).

Secara sederhana rekasi pertukaran ion positif dapat dilihat seperti dibawah ini :

 

              

2.      Anion exchanger

Anion exchanger bertujuan untuk menghilangkan ion-ion yang bermuatan negatif seperti SO4, Cl, SiO3, dan ion negatif lainnya dengan cara pertukaran dengan ion OH^-. Contoh reaksi yang terjadi pada anion exchanger :

                            

Maka penukar kation memisahkan logam – logam (kation) yang menghasilkan asam, dan anion memisahkan asam (yang tersisa dari garam) yang menghasilkan air murni.

Mixed Bed Exchanger 

Mixed bed merupakan proses lebih lanjut dari kation anion exchanger sehingga didapat demin yang lunak. Proses yang terjadi pada mixed bed exchanger sama seperti pada kation anion exchanger. Dalam mixed bed exchanger terdapat resin kation dan anion yang berfungsi untuk menyempurnakan penghilangan ion-ion yang tersisa. Selama proses resin kation dan anion bercampur menjadi satu. Setelah mengalami kejenuhan, maka perlu dilakukan regenerasi dengan back wash untuk menghilangkan kotoran-kotoran yang terdapat didalamnya. Kemudian pada saat idle (didiamkan) secara alami, resin kation akan tersusun di bagian bawah karena densitasnya lebih besar daripada resin anion. Baru kemudian di injeksikan sulfat dibagian atas dan kaustik dibagian bawah.

Proses regenerasi

          Suatu reaksi pertukaran ion hanya dapat berlangsung jika bahan penukar dapat menyediakan hidrogen atau hidroksida untuk menggantikan kation dan anion dari air mentah. Jika suatu kation dan anion tidak mampu lagi menukar, kation dan anion  tersebut harus dikembalikan kepada keadaan awal melalui regenerasi. Regenerasi kation dilakukan dengan cara mengganti kembali ion H⁺  yang telah jenuh dengan merekasikannya dengan H₂SO_4.           

      

                   

            Ada beberapa tahapan yang dilakukan pada proses regenerasi kation pada demin plant di Unit Utilitas Power Station II (PS-II) PT. Pertamina RU III yaitu :

1.      Backwash

Backwash adalah suatu proses yang bertujuan untuk membuang/menghilangkan deposit kotoran yang menempel di resin.

2.      Pemberian acid step 1 yaitu dengan menginjeksikan H₂SO₄  1,75%

3.      Pemberian acid step 2 yaitu dengan menginjeksikan H₂SO₄  3,5%

4.      Pemberian acid step 3 yaitu dengan menginjeksikan H₂SO₄  5,25%

5.      Slow rinse dimaksudkan untuk pembilasan dan pengangkatan kotoran yang telah di proses.

6.      Fast rince sama dengan slow rinse hanya saja melakukannya dengan debit air yang besar.

a.       Regenerasi anion

            Regenerasi resin penukar anion sama dengan regenerasi kation, jika sudah jenuh maka dapat dikembalikan ke keadaan dengan menggunakan alkali. Soda kaustik dipakai sebagai penukar anion dari basa kuat.

                  R -       Cl^-     +   NaOH                       R – OH  + NaCl

                              SO₄^-     Na₂SO₄

            Sama dengan regenerasi pada kation, pada anion juga terdapat beberapa tahapan. Tahap-tahap yang dilakukan pada proses regenerasi anion pada demin plant di Unit Utilitas Power Station II (PS-II) PT.Pertamina RU IIIyaitu :

1.      Backwash

Backwash adalah suatu proses yang bertujuan untuk membuang/menghilangkan deposit kotoran yang menempel di resin.

2.      Preheat bed

3.      Caustic injection yaitu penambahan kaustik dengan cara menginjeksian NaOH 4%.

4.      Slow rinse dimaksudkan untuk pembilasan dan pengangkatan kotoran yang telah di proses.

5.      Fast rince sama dengan slow rinse hanya saja melakukannya dengan debit air yang besar.

            Selama proses regenerasi, limbah air yang dihasilkan ditampung pada bak penampung regenerasi (neutral basin) untuk dinetralkan sebelum akhirnya dibuang ke sungai.