Struktur Dasar dan Degradasi Resin Penukar Ion

ion exchange resin

Saatnya kembali berbagi manfaat setelah sekian lama berpisah dengan dunia blogging.
Kali ini ijinkan saya untuk berbagi secuil pengetahuan tentang resin penukar ion.

Resin penukar ion banyak digunakan dalam proses pengolahan air skala industri untuk menghasilkan air bebas mineral (demineralized water). Selanjutnya air bebas mineral tersebut akan dikonversi menjadi kukus (steam) yang berfungsi sebagai bahan baku proses, media pemanas ataupun penggerak turbin.

Kualitas dari air demin yang dihasilkan dijaga dengan ketat sehingga proses produksi tidak mengalami gangguan. Oleh karena itu, resin penukar ion harus senantiasa dalam kondisi prima. Berikut merupakan penjelasan umum dari struktur resin penukar ion, serta berbagai kerusakan yang sering dialami oleh resin.

A. Struktur Dasar Resin Penukar Ion

Resin adalah senyawa anorganik yang memiliki kemampuan untuk menyerap ion yang tidak diinginkan dari suatu larutan dan mengganti ion tersebut dengan ion hidrogen (H+) atau dengan ion hidroksil (OH). Kedua ion tersebut dapat bergabung dan membentuk air murni (H2O).

Resin penukar ion merupakan resin sintetik yang memiliki struktur kimia berupa matriks polimer yang memiliki ikatan silang (crosslink) tiga dimensi antar molekul polimernya. Pada matriks tersebut menempel gugus fungsional yang dapat menukarkan ion, biasanya berupa asam sulfonat atau ammonium kuartener. Jenis polimer yang umumnya digunakan sebagai bahan dasar matriks resin penukar ion adalah kopolimer (polimer dengan jenis monomernya lebih dari 1) antara styrene dengan divinilbenzen (DVB). Selanjutnya gugus penukar ion yang menempel pada matriks resin karena tidak dapat bergerak bebas disebut fixed ion. Sedangkan ion yang dapat bergerak bebas dan biasanya memiliki muatan yang berlawanan dengan gugus aktif (H+ pada R-SO3H) disebut counter ion.

Jumlah DVB dalam matriks resin penukar ion akan menjadi penentu ukuran molekul resin, sehingga dalam kasus ini DVB disebut sebagai crosslink agent. Derajat crosslink dinyatakan dengan perbandingan antara massa DVB terhadap massa total monomer dalam %. [(massa DVB/massa total  monomer) × 100%].

Sebelum penambahan gugus aktif pada matriksnya, kopolimer styrene dan DVB tidak menyerap air. Namun, keberadaan gugus penukar aktif menyebabkan matriks menjadi menyerap air secara kuat sehingga molekulnya mengembang. Proses hidrasi molekul air oleh fixed ion dan counter ion ini menimbulkan adanya tekanan osmotik dari dalam matriks resin. Kesetimbangan antara tekanan osmotik dari dalam matriks dengan gaya elastic dari polimer menyebabkan resin tetap berada fase gembungnya dengan kadar air yang konstan.

Pada resin dengan derajat crosslink yang tinggi, matriks polimernya tidak mudah memanjang sehingga jumlah air yang terserap terbatas dan tidak mudah mengembang. Resin dengan derajat crosslink yang rendah akan memiliki kadar kelembaban yang tinggi dan mudah menggembung.

Karena adanya adsorbsi air, resin penukar ion akan mengembang dan terbentuk pori pada butiran resin. Ion akan terdifusi melalui pori-pori tersebut sehingga keberadaan pori dapat meningkatkan pertukaran ion. Semakin tinggi derajat crosslink pori yang terbentuk semakin sedikit sehingga kapasitas pertukaran ionnya juga semakin rendah. Namun, resin dengan derajat crosslink yang terlalu rendah akan memiliki kandungan air yang berlebihan, resin akan menjadi lunak dan sulit untuk digunakan, kekuatan mekaniknya juga berkurang. Oleh karena itu, pada umumnya digunakan resin dengan derajat crosslink sebesar 8%.

B. Degradasi Resin Penukar Ion

Apabila resin penukar ion telah digunakan dalam waktu yang lama, maka volume servisnya akan berkurang. Kualitas resin tersebut juga akan menurun. Penyebab utama dari kasus ini adalah adanya degradasi kimiawi terhadap molukul resin penukar ion. Proses degradasi dapat terjadi dalam bentuk yang bermacam-macam, misalnya oksidasi matriks resin karena adanya agen pengoksidasi, dekomposisi gugus penukar ion karena pengaruh termal ataupun oksidasi, kontaminasi matriks resin karena adsorpsi material asing, atau karena pecahnya padatan resin.

Berikut merupakan penjelasan dari setiap proses degradasi yang mungkin terjadi pada resin penukar ion:

1. Pembengkakan takterbalikkan (irreversible swelling) pada resin penukar kation.

Resin penukar kation asam kuat bertipe styrene bersifat stabil secara kimiawi dan dapat bertahan pada temperatur operasi yang tinggi. Akan tetapi, resin ini memiliki kekurangan pada sifatnya yang sangat mudah teroksidasi.

Oksidasi pada resin penukar kation asam kuat akan menyerang pada bagian matriks resin pada rantai yang menyerupai jala. Hal ini dapat menyebabkan penurunan derajat ikatan crosslink sehingga berakibat resin akan mengembang secara permanen. Bagian rantai yang terpotong akan membentuk gugus karbonil dan mengarahkan pada pembentukan gugus fungsional asam lemah.

Resin dengan derajat crosslink yang lebih rendah akan lebih mudah teroksidasi, maka resin jenis inilah yang paling sering mengalami pembengkakan takterbalikkan. Kapasitas pertukaran per unit volume berkurang karena adanya pembengkakan, gugus aktif pada resin tidak mengalami perubahan ataupun rusak karena oksidasi. Selama resin tidak teroksidasi dan terlarut secara berlebihan, kapasitas pertukaran total tidak akan berkurang. Sebaliknya, penurunan derajat crosslink dapat meningkatkan efisiensi regenerasi dan meningkatkan kuantitas fluida yang dapat diolah.

Pada proses pengolahan air, air baku dapat memiliki kandungan free chlorine yang dapat bertindak sebagai agen pengoksidasi (oxidizing agent). Meskipun dalam konsentrasi yang rendah, pemakaian yang berkepanjangan menyebabkan adanya klorin dalam jumlah yang mencukupi untuk melakukan kontak dengan resin dan menyebabkan terjadinya pembengkakan. Selain itu, kation logam seperti Fe dan Cu dapat bertindak sebagai katalis dalam reaksi oksidasi ini. Jadi, meskipun keberadannya dalam jumlah kecil, kedua ion tersebut dapat memicu terjadinya oksidasi. Apabila oksidasi terus terjadi, jumlah resin yang dapat larut akan semakin banyak. Butiran resin dapat melunak dan berubah bentuk dan pada saat tertentu tidak mungkin mengalirkan air pada tumpukan resin itu.

Dengan demikian, pada penggunaan resin penukar kation asam kuat, sangat penting dilakukan tahap penghilangan oxidizing agent dari dalam larutan sebelum dialirkan pada resin penukar ion.

2. Gangguan karena adanya deposit padatan pada permukaan resin penukar kation.

Karena resin penukar ion yang merupakan polielektrolit yang memiliki muatan listrik, padatan tersuspensi dalam aliran fluida yang melaluinya akan cenderung melekat dan menumpuk pada permukaan resin. Dalam kasus ini, backwash secara menyeluruh harus dilakukan karena penumpukan material asing pada permukaan resin dapat menurunkan kemampuan pertukaran ion.

Pada proses softening air sadah dengan resin penukar ion, senyawa padatan seperti oksida besi dapat menumpuk pada resin. Sehingga sisa kesadahan pada air olahan akan meningkat dan resin harus sering dibersihkan dengan menggunakan asam mineral atau bahan kimia lainnya.

Selain partikel tersuspensi, pengendapan juga dapat terbentuk pada permukaan resin. Kasus ini terjadi apabila proses regenerasi, dengan larutan asam sulfat, dilakukan pada resin penukar kation yang telah banyak mengadsorbsi ion Ca2+ dan Ba2+ dalam jumlah besar. Pada kenyataanya CaSO4 dan BaSO4 bersifat tidak larut dan akan cenderung mengendap sehingga mengganggu kinerja resin. Untuk mencegah hal ini, konsentrasi bahan kimia regenerant harus dijaga serendah mungkin dan regenerant harus dialirkan pada laju yang tinggi saat melewati resin. Metode lain yang dapat digunakan adalah dengan mengalirkan NaCl pada awal regenerasi untuk menukar semua ion logam dengan Na+, kemudian barulah resin diregenerasi dengan menggunakan asam sulfat.

Apabila endapan garam logam telah terpisah, resin juga dapat diregenerasi dengan menggunakan asam klorida. Namun, akan lebih baik apabila resin dioperasikan pada kondisi dimana tidak terdapat endapan material asing pada permukaan resin.

3. Dekomposisi termal pada resin penukar kation asam kuat.

Resin penukar kation asam kuat memiliki struktur kopolimer crosslink antara styrene dengan divinilbenzen yang padanya melekat gugus asam sulfonat. Kedua struktur tersebut bersifat stabil terhadap pemanasan. Namun, pada pemanasan di atas temperatur tertentu, struktur dari resin akan terdekomposisi secara perlahan. Dimulai dari dekomposisi gugus aktifnya hingga diikuti dekomposisi dari matriks kopolimernya.

Resin dengan derajat crosslink yang rendah bersifat lebih stabil terhadap pemanasan dan resin dalam bentuk garam (Na form, loaded form) juga memiliki resistensi yang lebih tinggi dibandingkan dalam bentuk H. Secara umum, tidak terdapat perbendaan resistensi panas pada resin berpori dan resin gel dengan derajat crosslink yang sama.

4. Dekomposisi gugus aktif pada resin penukar anion.

Gugus aktif pada resin penukar anion pada umumnya berupa gugus ammonium atau amino kuarterner yang sangat mudah terdekomposisi. Gugus aktif tersebut dapat terdekomposisi karena pengaruh termal ataupun karena oxidizing agent.

a. dekomposisi termal;

Resin penukar anion yang bersifat basa kuat memiliki gugus aktif yang berupa gugus ammonium, yang struktur kimianya sangat mudah terdekomposisi karena adanya pengaruh panas.

Proses dekomposisi ini dinamakan heat-induced autolysis yang terjadi pada gugus ammonium kuarterner. Resin dalam bentuk OH (regenerated form), memiliki kecenderungan yang lebih besar untuk mengalami peristiwa ini. Sebab ion OH bersifat sangat nukleofilik dan dapat dengan mudah menyerang ikatan C – N sehingga dapat merusak gugus aktif. Dekomposisi gugus aktif dapat menyebabkan adanya penurunan kapasitas pertukaran dan kekuatan sifat basa menjadi bersifat basa lemah.

Dari 3 bentuk resin penukar anion yang ada; bentuk OH, bentuk Cl dan bentuk HCO3; resin dalam bentuk OH (regenerated form) bersifat paling rentan terhadap pengaruh temperatur. Bentuk OH memiliki penurunan kapasitas pertukaran yang paling cepat terhadap pengaruh temperatur, menunjukkan bahwa bentuk ini sangat mudah terdekomposisi. Apabila digunakan untuk mengolah air temperatur tinggi, kinerjanya akan menurun dalam waktu singkat.

Katalog resin penukar ion akan mencantumkan temperatur operasi maksimal dari setiap resin. Temperatur tersebut merupakan batasan yang harus dipenuhi dalam pengoperasian kolom penukar ion. Namun, hal ini tidak berarti bahwa resin tidak akan terdgradasi pada temperatur di bawah temperatur operasi maksimal tersebut. Resin penukar anion yang bersifat basa kuat dalam bentuk OH juga mudah terdegradasi pada temperatur normal, sehingga jika resin telah diregenerasi dan dibiarkan sebagai bentuk OH dalam waktu yang lama, kinerjanya juga akan menurun.

b. dekomposisi oksidatif

Gugus fungsional dari resin penukar anion basa adalah gugus ammonium atau amino kuarterner. Struktur kimia dari gugus ini sangat mudah teroksidasi oleh oksigen yang terlarut di dalam aliran fluida yang ditangani, hingga terkonversi menjadi gugus yang bersifat basa lemah atau bahkan dapat terlepas dari matriks resin. Selain itu, bukan hanya gugus fungsionalnya, struktur dari matriks resin penukar anion itu sendiri juga sangat mudah teroksidasi. Oksidasi pada matriks resin penukar anion dapat menyebabkan pemutusan ikatan crosslink, sehingga struktur resinnya akan semakin rentan terhadap tekanan ataupun oksidasi.

5. Kontaminasi resin penukar anion oleh zat organik.

Apabila air diolah dengan menggunakan resin penukar anion basa kuat, kemurniannya dapat berkurang secara signifikan setelah pemakaian dalam jangka waktu yang lama. Selain itu, sebagai contohnya, pada pengolahan larutan gula, terkadang ditemukan resin yang berubah warna menjadi hitam, dan laju reaksi pertukarannya merosot tajam.  Resin ini sangat sulit untuk diregenerasi hingga kembali seperti semula.

Hal ini disebabkan karena resin basa kuat menyerap zat organik secara irreversible, menyumbat mikroporinya dan mengganggu proses pertukaran ionnya. Peristiwa ini dikenal dengan istilah kontaminasi zat organik (organic contamination). Pada kondisi pH tertentu, kontaminan organik bahkan dapat terpolimerisasi dalam waktu yang lama, sehingga resin menjadi sangat sulit untuk diregenerasi.

Apabila air yang akan diolah terindikasi banyak mengandung senyawa organik, maka pemakaian resin dengan ikatan crosslink yang lebih kecil akan lebih memuaskan. Sebab resin dengan crosslink yang rendah lebih tahan terhadap kontaminasi senyawa organik dengan penurunan kinerja yang tidak signifikan.

Apabila resin telah terkontaminasi oleh zat organik diregenerasi dengan larutan hangat NaCl atau HCl, karakternya akan kembali membaik pada tingkatan tertentu, tetapi sangat jarang ditemukan kinerjanya dapat kembali seperti semula. Selain itu, kontaminan organik terkadang dapat dioksidasi dan dilarutkan dengan bantuan oxidizing agent, misalnya NaClO. Namun, harus diingat bahwa regenerasi dengan cara ini tidaklah sederhana, sebab pada waktu yang sama gugus aktif dari resin juga dapat teroksidasi.

6. Gangguan karena adanya deposit pada resin penukar anion.

Sama halnya dengan resin penukar kation, senyawa asing juga dapat membentuk endapan di permukaan resin penukar anion dan mengganggu proses penangkapan ion. Jadi, backwash harus dilakukan secara menyeluruh. Pada proses pengolahan air dengan resin penukar ion basa kuat, asam kerikil (silicic acid) dapat menumpuk pada permukaan resin dan menurunkan kemampuan resin dalam mempertukarkan ion. Dalam kasus ini, resin dapat diregenerasi secara hati-hati dengan menggunakan larutan NaOH panas dalam jumlah yang berlebih. Namun, jika air pembilas memiliki kesadahan yang tinggi, dapat terbentuk endapan Mg(OH)2 pada permukaan resin yang dapat menurunkan kemampuan resin. Oleh karena itu, diperlukan air yang lunak, atau air demin dalam proses pembilasan ataupun pencucian pipa.

Tabel Perbandingan Resin Crosslink Tinggi dan Rendah

Crosslink

Keunggulan

Kelemahan

Rendah
  • Lebih tahan terhadap organik fouling, dengan penurunan kinerja yang tidak signifikan.
  • Banyak pori terbentuk, meningkatkan kapasitas pertukaran ion.
  • Lebih stabil terhadap pemanasan.
  • Mudah larut dalam air, terbawa aliran.
  • Kelembaban tinggi, mudah menggembung, sulit dioperasikan.
  • Lemah terhadap oksidasi. 
Tinggi
  • Resin tidak mudah menggembung, lebih kuat terhadap mechanical.
  • Lebih tahan terhadap oksidasi.
  • Tidak mudah menggembung (swelling).
  • Sedikit pori, kapasitasnya lebih rendah dibanding crosslink rendah.
  • Lemah terhadap fouling dan pemanasan.

Sumber:

DIAION – Manual of Ion Exchange Resins and Synthetic Adsorbent Jilid I. Mitsubishi Chemical Corporation. June 1995

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s