Jurusan Kimia FMIPA ITS Materi MPP “ Penukar Ion ” Oleh: Ita Ulfin, M.Si Jurusan Kimia FMIPA ITS

Pertukaran Ion Contoh : Proses dimana satu bentuk ion dalam senyawa dipertukarkan untuk beberapa bentuk, yaitu kation ditukar dengan kation dan anion ditukar dengan anion. Proses reversibel dan dapat diregenerasi atau diisi dengan ion-ion yang diinginkan melalui pencucian dengan ion-ion yang berlebih. Contoh : Proses pengambilan ion kalsium (Ca2+), ion besi (Fe2+) dan ion magnesium (Mg2+) dari air yang ditukar dengan ion sodium (Na+) dari resinproses pelunakan air di rumah. Pemurnian air pemisahan logam Pemekatan larutan.

Contoh penukar ion Resin penukar ion (pori-porinya yang berfungsi dan polimer gel) Zeolit Monmorilonit Clay Tanah humus. Bentuk penukar ion: Penukar kation yaitu pertukaran ion yang bermuatan positif (kation) Penukar anion yaitu pertukaran ion yang bermuatan negatif (anion). Pertukaran amfoter yaitu dapat melakukan pertukaran baik kation maupun anion secara simultan.

Resin Penukar Ion Senyawa hidrokarbon terpolimerisasi, yang mengandung ikat-silang (crosslinked) serta gugus fungsi yang mempunyai ion-ion yang dapat dipertukarkan. Resin penukar ion yang terbuat dari styrene diviniylbenzena (SDVB) yang diaktifkan dengan beberapa bahan kimia: Gugus sulfonat dan ditempeli ion H+ atau ion Na+, Gugus amonium kuartener dan ditempeli ion Cl- atau OH-.

Ion- ion H+, K+, Cl- atau OH- inilah yang bergerak melalui transfer pertukaran ion terhadap ion-ion yang akan ditukar dalam larutan. Proses pertukaran ion

Peralatan yang digunakan sama seperti yang digunakan dalam kromatografi kolom dan dapat diidentikkan untuk beberapa pemisahan. Gambar disamping ini adalah diagram peralatan dengan dilengkapi jaket air dan artinya sama untuk mencegah kolom dari kekeringan ini adalah peralatan laboratorium, dan paling sering peralatan ini dibuat dari buret yang dipotong.

Karakteristiknya: kemampuan menggelembung (swelling), kapasitas penukaran selektivitas penukaran. Selektifitas penukar ion tergantung pada struktur kimia : ukuran ion, muatan atau strukturnya.

Contoh tipe ion yang dapat diikat ke penukar ion adalah: H+ (proton) dan OH- (hidroksida) Ion monoatomik bermuatan tunggal seperti Na+, K+ atau Cl-. Ion monoatomik bermuatan dua seperti Ca2+ atau Mg2+. Ion anorganik poliatomik seperti SO42- atau PO43-. Basa organik, biasanya molekul yang mengandung gugus fungsi amino –NR2H+ Asam organik, sering molekulnya mengandung gugus fungsi -COO- (asam karboksilat) Biomolekul yang dapat diionisasi seperti asam amino, protein dan sebagainya.

Proses Pembuatan Resin Tahun 1903 telah berhasil mensintesa senyawa penukar ion yaitu aluminum silikat yang dikenal sebagai zeolit dan mulai dikomersilkan. Zeolit alam dapat dipakai untuk pelunakan air. Reaksi yang terjadi sebagai berikut: Na2Al2Si3O10 +CaCO3  CaAl2SiO10+Na2CO3 Penukar ion bentuk anorganik mempunyai kapasitas yang rendah dan cukup sensitif terhadap suhu dan pH.

Pada tahun 1935, seorang kimiawan Inggris, Basil Pada tahun 1935, seorang kimiawan Inggris, Basil . Adams mempercayai pada Eric Leighton Holmes (kimiawan organikmembuat penukar ion dalam bentuk polimer organik. Mengkondensasi fenol polihidrit atau asam fenol sulfonat dengan formaldehid dapat menaikkan kapasitas dan stabilitas pertukaran ion.

Beberapa tahun kemudian dibuatlah penukar ion dari polimerisasi styrene +divinyl benzenestyrena divinil bernzena (SDVB) reaksi kopolimerisasi. Dibuat variasi porositas sebagai sifat fisik (sbg matriks) derajat ikat silang : perbandingan DVB dan styrena. Derajat ikat silang >, makin kuat & makin tak larut, kurang berpori & kurang mengembang (swelling). Derjat ikat silang <, makin berpori, makin mudah larut / mengembang Memasukkan gugus fungsi (anion / kation) ke dalam polimer yang terbentuk

Polimer yang diperoleh dalam bentuk bongkahan besar digrinding atau dihaluskan hingga mencapai ukuran partikel yang kecil dan luas permukaannya besar. Ditambah agen pendispersi seperti polyvinyl alkohol selama proses polimerisasi Hasilnya berupa manik-manik putih seperti mutiara yang kecil dan prosesnya dikenal sebagai polimerisasi . Resin ada juga yang dibuat dalam bentuk membran dibuat dengan ikat silang resin yang tinggi yang akan dilewati ion-ion, tetapi tidak untuk air, hal ini yang sering digunakan pada elektrodialisa.

Pertukaran terjadi secara kontinyu sampai resin telah jenuh dengan ion yang ditukarkan Breakthrough capacity ( atau time) maka perlu diregenerasi dengan asam atau basa. Resin bekerja secara fisik dan kimiawi. Kapasitas pertukaran resin : Jumlah total ekivalen dari proton atau hidroksil (gugus yang ada pada resin) yang digantikan per volum perberat resin. Ditentukan oleh jumlah dan kekuatan gugus ionik pada resin.

Contoh Resin Penukar Ion

Kompleks dan Kelat Resin Dalam usaha untuk mengimprovisasi dari selektifitas resin penukar ion, beberapa agen pengompleks dan pengkelat dibangun ke dalam struktur resin. Beberapa elektroda ion selektif menggunakan resin tipe ini. jika ikat-silang < 1,0%, bentuk resin biasanya cair. Di bawah ini diberikan beberapa contoh struktur resin. (b) (c) (a)

Gambar (a, kiri) menunjukkan resin yang selektif untuk ion kalium, Gambar (b, tengah) yaitu hidroquinolin yang digunakan untuk beberapa ion dengan selektivitasnya didasarkan pada pH dari fase elusi. Gambar (c, kanan) digunakan untuk pemurnian air. Resin ini dapat digunakan untuk membunuh bakteri gram positif dan bakteri gram negatif dan beberapa virus.

Jenis Resin Penukar Ion Tipe resin Gugus fungsi Nama dagang Selektivitas Kation: Asam kuat Asam sulfonat: R-SO3-H+ Permutit Q Purolit C-100 Duolite C-20 Dowex 50 AmberliteIR -120 Ag+>Rb+>Cs+>K+>NH4+>Na+>H+> Li+ Zn2+ > Cu2+ > Ni2+ > Co2+ Kation : Asam lemah Asam karboksilat: R-COO-H+ Permutit H-70 Amberlit IRC-50 H+ >>Ag+> K+ >Na+>Li+. H+>>Fe2+>Ba2+>Sr2+> Ca2+ > Mg2+ Anion: Basa kuat Ion amonium kuartener: [R-CH2N(CH3)3]+Cl- Dowex-1/SBR-P Permutit S-1 Amberlite IRA-400 Purolite A-400 I->fenolat>HSO4->ClO3->NO3->Br-> CN->HSO3->NO2->Cl->HCO3->IO3->HCOO->CH3COO->OH->I- Basa lemah Gugus amine: [R-NH(R)2]+Cl- Dowex-3 Permutit W Amberlite IR-45 R-SO3H>sitrat>CrO3->H2SO4>tatrat>oksalat>H3PO4>H3AsO4>HNO3>HI>HBr>HCl>HF>HCOOH>CH3COOH>H2CO3

Resin Penukar Kation Resin penukar kation mengandung gugus –SO3H  jenis asam kuat, atau gugus –COOH jenis asam lemah. Proton dari gugus tersebut dapat ditukar dengan kation lain: nRzSO3-H+ + Mn+  (RzSO3)nM + nH+ nRzCOO-H+ + Mn+  (RzCOO)nM + nH+ dimana Rz adalah gugus organik dari resin. Resin kation dalam bentuk H+, tetapi bentuk ini dapat di ubah menjadi bentuk Na dengan menambahkan garam- Na  ion Na+ akan mengalami pertukaran dengan kation H+

Resin penukar kation asam lemah bekerja pada pH sekitar pH 5 – 14. Bila pH dibawah 5, maka resin akan ‘menahan’ proton terlalu kuat untuk pertukaran kation, hal ini berlaku juga untuk pengambilan kation dari basa yang sangat lemah kurang sempurna. (analog dengan reaksi asam lemah / basa lemah yang tidak sempurna.) Resin asam lemah untuk pemisahan basa kuat atau zat ionik multifungsi seperti protein, sedangkan resin asam kuat untuk pemisahan yang lebih kompleks

Resin Penukar Anion Resin penukar anion mengandung gugus anion hidroksil (OH-), gugus basa kuat yaitu gugus amonium kuartener, atau gugus basa lemah yaitu gugus amine. Gugus-gugus tersebut akan ditukar oleh anion lain. nRzNR3+OH- + An-  (RzNR3)nA + nOH- nRzNH3+OH- + An-  (RzNH3)nA + nOH- Pertukaran basa kuat biasanya pada kisaran pH 0 – 12, sedangkan untuk pertukaran basa lemah pada kisaran pH 0 - 9 . Resin basa lemah untuk pemisahan asam kuat, dan resin basa kuat untuk pemisahan yang lebih luas .

Reaksi Pertukaran Ion Karena perbedaan afinitas ion  ditentukan oleh muatan ion dan jari-jari ion. Misal : R-H + Na+ ↔ R-Na+ + H+ afinitas Na > H dan Na dapat digantikan oleh Ca R-Na+ + Ca2+ ↔ R-Ca+ + Na+ Aturan umum untuk afinitas pertukaran ion : Pada konsentrasi rendah dan temperatur kamar, tingkat pertukaran bertambah dengan bertambahnya valensi / muatan dari penukar ion. Na+ < Ca2+ < La3+ < Th4+ Pada konsentrasi rendah, temperatur kamar, dan valensi konstan, tingkat pertukaran bertambah dengan bertambahnya nomor atom / jari-jari pada penukar ion. Li+ < Na+ < K+ = NH4+ < Rb+ < Cs+ < Ag+ < Be2+ < Mn2+ < Mg2+ = Zn2+ < Cu2+ = Ni2+ < Co2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+

Pada konsentrasi tinggi, perbedaan potensial pertukaran ion pada valensi yang berbeda (Na+, Ca2+ ) berkurang, dan dalam beberapa bagian berlawanan/ sebaliknya. Hal ini mengapa resin dapat diregenerasi. Pada temperatur tinggi, dalam media nonakuose (tidak berair) atau pada konsentrasi tinggi, potensial pertukaran ion pada muatan yang serupa hampir sama dan reversibel. Potensial pertukaran dari beberapa ion relatif dapat didekati dari koefisien aktivitasnya yaitu koefisien aktivitas lebih tinggi pertukarannya lebih besar.

“Reaction Scheme Using Sol Gel Method” Potensial pertukaran dari ion H+ dan OH- berubah sekali dengan sifat gugus fungsi dan tergantung pada kekuatan asam atau basa yang terbentuk diantara gugus fungsi dan ion H+ atau OH- lainnya. Asam atau basa lebih kuat potensial pertukarannya lebih rendah. Untuk pertukaran basa lemah, tingkat pertukarannya adalah; OH- > SO42- > CrO42- > sitrat > tatrat > NO3- > AsO4- > PO42- > MoO42- > asetat = I- =Br- > Cl- >F- Untuk basa kuat, tingkat pertukaran umumnya sama kecuali untuk OH-. “Reaction Scheme Using Sol Gel Method”

- Pu4+>>La3+ > Ce3+ > Pr3+ > Eu3+ > Y3+ > Sc3+ > Al3+ >> Ba2+ > Pb2+ > Sr2+ > Ca2+ > Ni2+ > Cd2+ > Cu2+ > Co2+ > Zn2+ > Mg2+ > Uo22+ > Tl+ > Ag+ > Rb+ .> K+ > NH4+ > Na+ > H+ > Li+. - Penukar ion yang diisi dengan satu jenis ion akan mengikat sejumlah kecil ion sekitar yang berbeda secara kuantitatif. - Resin Na+ akan mengikat sejumlah kecil Li+ karena selektifitas Na+ > Li+, tetapi resin Na dapat mengikat dalam jumlah besar ion Ni2+ atau Al3+ , selanjutnya ion tersebut dapat diambil / dikeluarkan dari resin dengan cara dielusi dengan asam berlebih.

Kesetimbangan Pertukaran Ion Dipengaruhi oleh selektivitas ion, misalnya: kompetisi antara ion Na+ dan Li+ pada resin digambarkan sebagai berikut: R-Na+ + Li+  R-Li+ + Na+ Konstanta kesetimbangan disini sama dengan koefisien selektivitas K  menggambarkan selektivitas relatif resin untuk ion Li+ dan Na+ KNaLi KNaLi = [Na+][Li+]R / [Li+][Na+]R Harga koefisien selektifitas dihitung dari percobaan. Selektivitas relatif untuk ion tertentu bertambah dengan bertambahnya ikat silang. Secara umum pertukaran ion lebih suka mengikat ion yang bermuatan besar, jari-jari hidrat besar dan bertambahnya polarisabilitas.

Regenerasi Resin Jika resin telah jenuh dengan ion yang ditukarkan, maka dapat diregenerasi. Misal: resin jenuh dengan Na+  (R-Na+), maka Na+ dapat dilepas dengan menambah asam dgn konsentrasi yang lebih besar. R-Na+ + H+ (4N) R-H+ + Na+ Resin anion ( R-Cl) diregenerasi dengan basa NaOH R-Cl- + OH- (4N) --> R-OH- + Cl- Resin dapat dipakai kembali.

Kapasitas Pertukaran Ion Kemampuan resin untuk menukarkan ionnya= jumlah ion yg dapat ditukarkan persatuan volum atau berat. Dengan mengukur kapasitas : Memilih resin yg baik & harga murah. Mendesain alat & mengukur kerusakan resin Untuk kation : 2 – 3 meq/mL & untuk anion : 1 – 2 meq/mL Ditentukan dengan cara titrasi

Informasi pada Label Label pada botol resin penukar ion yang di jual dipasaran umumnya mengandung informasi seperti dibawah ini: strongly acidic, sulfonic acid, Na+, 20-50 mesh, medium porosity or 8X, 4.4 meq/g min dry. Apa arti keterangan tersebut?. Penukar kationnya dalam bentuk asam sulfonat. Kation yang ada pada resin adalah natrium. Manik-manik tersebut semuanya lolos melewati ayakan 20 mesh, tetapi tidak untuk ayakan 50 mesh. Derajat ikat –silangnya menunjukkan 8X, ini artinya bahwa 8% divinil benzen ditambahkan ke campuran awal, bukan berarti 8% diikat silang. Medium resin berpori. Satu gram resin kering mempunyai kapasitas pertukaran sampai 4,4 meq.

Kandungan DVB bervariasi ( 1%-16%), yang berguna untuk menambah kandungan ikat silang dari polimer hidrokarbon yang tak larut. Kandungan ikat silang ditunjukkan oleh notasi ’XN’ setelah nama resin. Contohnya Dowex 1-X4, artinya DVB nya 4 %. Makin banyak ikat silang, maka resin menjadi lebih rigid dan kurang berpori. Resin dengan ikat silang sedikit, akan makin mudah mengembang (Swelling) dalam air, sehingga kapasitas pertukaran ion dan selektivitasnya berkurang.

Faktor yang mempengaruhi pertukaran ion: pH Kecepatan alir Konsentrasi ion terlarut Tinggi / jumlah media penukar ion Suhu Faktor yang mempengaruhi kerusakan resin: Oksidasi (khususnya oleh Cl2 dan ozon) memutuskan ikat silang  gugus penukar jadi inaktif. Perlu dipasang kolom adsorben (karbon) sebelum kolom resin. Foulingpori2 tertutup oleh zat organik, koloid dari hidroksida logam & silika. Hancur aliran air/larutan yang tinggi & tekanan terus menerus.

Model kolom yang berisi resin dalam proses pertukaran ion: Sistem 1 Kolom (single bed) Sistem satu kolom (mixed bed)

Sistem dua kolom (double bed) Sistem kombinasi

HAL YANG PERLU DIPERHATIKAN. Jangan membuang resin yang telah digunakan. Karena resin dapat diregenerasi beberapa kali. Kumpulkan resin dalam wadah tertutup untuk menjaga kelembabannya; dan jika sediaannya bagus dapat dikumpulkan, diregenerasi ke bentuk ionik yang diinginkan oleh cara penukar batch. Pre-swell (sebelum mengembang) butir-butir resin sebelum dimasukkan kolom. Butir-butir resin mengembang jika diletakkan dalam air, khususnya akan mengembang 2X sampai 4X. Jika ikat silang besar, maka resin kurang mengembang. Rendam resin dalam air beberapa menit atau sampai volume butiran mengembang lalu hentikan. Pada saat ini udara juga akan terjebak dan hal ini akan mempengaruhi kualitas packing kolom.

Untuk pemisahan kromatografi ion yang paling baik digunakan butiran resin dengan diameter yang sama. Semakin kecil butiran resin, maka pertukaran akan lebih cepat dan hasilnya akan mengurangi waktu difusi ion serta menghasilkan puncak pita yang tidak lebar. Butiran dengan beberapa ukuran dapat digunakan untuk model pertukaran batch pada gugus ion , sebab cara ini tidak memerlukan waktu pemisahan sebagai salah satu faktor.

thanks for the attention