Demineralisasi

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.

Kolom Resin Ion Exchange

Demineralisasi adalah proses pertukaran ion dengan tiga tahap yaitu kation exchanger, anion exchanger dan mixed bed. Penukar ion lebih digunakan karena biayanya lebih rendah dan kualitasnya sebanding dengan hasil proses distilasi. Secara garis besar, proses tergantung pada dua tahap reaksi :

• Semua kation dihapuskan dan digantikan dengan H⁺, menggunakan penukar kation muatan hidrogen.

Pertukaran kation

• Kontaminan utama air murni adalah silika. Silika dihilangkan dalam proses demineralisasi dengan penukar anion basa kuat dalam mode hidroksida.

Ada dua tipe kolom resin yang umum digunakan pada proses demineralisasi air. Diantaranya 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.

Dua type sistem demineralisasi yang berbeda diantaranya sebagai berikut :

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 dan CO₂ Removal

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

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

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.

Prinsip Ion Exchanger

Pertukaran ion adalah sebuah proses fisika-kimia. Pada proses tersebut senyawa yang tidak larut, dalam hal ini resin, menerima ion positif atau negatif tertentu dari larutan dan melepaskan ion lain ke dalam larutan tersebut dalam jumlah ekivalen yang sama. Jika ion yang dipertukarkan berupa kation, maka resin tersebut dinamakan resin penukar kation, dan jika ion yang dipertukarkan berupa anion, maka resin tersebut dinamakan resin penukar anion. Contoh reaksi pertukaran kation dan reaksi pertukaran anion disajikan pada reaksi :

Reaksi pertukaran kation :

2NaR (s) + CaCl2 (aq)             CaR(s) + 2 NaCl(aq) ..............(1)

Reaksi pertukaran anion :

2RCl (s) + Na2SO4                   R2SO4(s) + 2 NaCl ................(2)

Reaksi (1) menyatakan bahwa larutan yang mengandung CaCl₂ diolah dengan resin penukar kation NaR, dengan R menyatakan resin. Proses penukaran kation yang diikuti dengan penukaran anion untuk mendapatkan air demin (demineralized water) diberikan pada Gambar A. Tahap terjadinya reaksi pertukaran ion disebut tahap layanan (service). Jika resin tersebut telah mempertukarkan semua ion Na⁺ yang dimilikinya, maka reaksi pertukaran ion akan terhenti. Pada saat itu resin dikatakan telah mencapai titik habis (exhausted), sehingga harus diregenerasi dengan larutan yang mengandung ion Na⁺ seperti NaCl. Tahap regenerasi merupakan kebalikan dari tahap layanan. Reaksi yang terjadi pada tahap regenerasi merupakan kebalikan reaksi (2).

Resin penukar kation yang mempertukarkan ion Na⁺ tahap tersebut di atas dinamakan resin penukar kation dengan siklus Na. Resin penukar kation dengan siklus H akan mempertukarkan ion H⁺ pada tahap layanan dan regenerasi.

Proses pertukaran ion

Konstanta disosiasi air sangat kecil dan reaksi dari H⁺ dengan OH^- sangat cepat. Ketika semua posisi pertukaran yang awalnya dipegang H⁺ atau ion OH^- yang menempati Na⁺ atau Cl- (kation atau anion lain) yang masing-masing resin dikatakan habis. Resin kemudian dapat diregenerasi dengan ekuilibrasi menggunakan asam atau basa yang sesuai.

Reaksi dalam persamaan (3) dan (4) merupakan proses kesetimbangan yang dapat bergerak ke arah hasil. Sebagai hasilnya, ion kotoran di dalam air dipertukarkan dan dipertahankan dalam resin. Jadi ketika air biasa dilewatkan melalui penukar kation, semua kotoran kationik seperti Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ dipertukarkan untuk ion hidrogen dari resin. Jelas, limbah akan bersifat asam. Saat berikutnya dilewatkan melalui pertukaran anion, semua kotoran anionik seperti CI^-, N0₃^- dan sulfat yang mengalami pertukaran, selanjutnya akan melepaskan OH^-. Hidrogen dan hidroksil bergabung membentuk molekul air dan limbah menjadi air netral.

Jumlah pengotor kationik yang seimbang akan setara dengan jumlah kotoran anionik di perairan alami. Dengan demikian, kapasitas pertukaran ion akan habis dalam kedua kolom resin pada tingkat yang sama. Tapi, dalam prakteknya, hal ini agak berbeda, karena adanya ion bikarbonat dan karbonat di perairan alam.Ion-ion hidrogen berinteraksi dengan anion dan dihasilkan asam karbonat sehingga terbentuk menjadi air dan karbon dioksida.

Bagian dari beban anioik dihilangkan dalam bentuk gas untuk mengurangi beban anion resin. Hal ini menyebabkan banyak pembentukan gelembung, hampir seperti buih. Hal ini diperlukan untuk menghilangkan gas buangan.

Fe³⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > Na⁺ dan Sulphate > Chloride > Bicarbonate

Operasi Sistem Pertukaran Ion

Operasi sistem pertukaran  ion dilaksanakan dalam empat tahap, yaitu :

1. tahap layanan (service)

2. tahap pencucian balik (backwash)

3. tahap regenerasi, dan

4. tahap pembilasan

Tahap Layanan

Tahap layanan adalah tahap dimana terjadi reaksi pertukaran ion.Tahap layanan ditentukan oleh konsentrasi ion yang dihilangkan terhadap waktu, atau volume air produk yang dihasilkan.Hal yang penting pada tahap layanan dalah kapasitas (teoritik dan operasi) dan beban pertukaran ion (ion exchange load). Kapasitas pertukaran teoritik didefinisikan sebagai jumlah ion secara teoritik yang dapat dipertukarkan oleh resin per satuan massa atau volume resin. Kapasitas pertukaran ion teoritik ditentukan oleh jumlah gugus fungsi yang dapat diikat oleh matriks resin. Kapasitas operasi adalah kapasitas resin aktual yang digunakan untuk reaksi pertukaran pada kondisi tertentu. Beban pertukaran ion adalah berat ion yang dihilangkan selama tahap layanan dan diperoleh dari hasil kali antara volume air yang diolah selama tahap layanan dengan konsentrasi ion yang dihilangkan. Tahap layanan ini dilakukan dengan cara mengalirkan air umpan dari atas (down flow).

Tahap Pencucian Balik

Tahap pencucian balik dilakukan jika kemampuan resin telah mencapai titik habis. Sebagai pencuci, digunakan air produk. Pencucian balik mempunyai sasaran sebagai berikut :

• pemecahan resin yang tergumpal
• penghilangan partikel halus yang terperangkap dalam ruang antar resin
• penghilangan kantong-kantong gas dalam  reaktor, dan
• pembentukann ulang lapisan resin 

Pencucian balik dilakukan dengan pengaliran air dari bawah ke atas (up flow).

Tahap Regenerasi

Tahap regenerasi adalah operasi penggantian  ion yang terserap dengan  ion awal yang semula berada dalam  matriks resin dan pengembalian kapasitas ke tingkat awal atau ke tingkat yang diinginkan. Larutan regenerasi harus dapat menghasilkan titik puncak (mengembalikan waktu regenerasi dan jumlah larutan yang digunakan).

Jika sistem dapat dikembalikan ke kemampuan pertukaran awal, maka ekivalen ion yang digantikan harus sama dengan ion yang dihilangkan selama tahap layanan. Jadi secara teoritik, jumlah  larutan regenerasi (dalam ekivalen) harus sama dengan jumlah ion (dalam ekivalen) yang dihilangkan (kebutuhan larutan regenerasi teoritik).

Operasi regenerasi agar resin mempunyai kapasitas seperti semula sangat mahal, oleh sebab itu maka regenerasi hanya dilakukan untuk menghasilkan sebagian dari kemampuan pertukaran awal.

Tahap Pembilasan tahap pembilasan dilakukan untuk menghilangkan sisa larutan regenerasi yang terperangkap oleh resin. Pembilasan dilakukan  menggunakan air produk dengan aliran down flow dan dilaksanakan dalam dua tingkat, yaitu:

• tingkat laju alir rendah untuk menghilangkan larutan  regenerasi, dan
• tingkat laju alir tinggi untuk menghilangkan sisa ion.

Limbah pembilasan tingkat laju alir rendah digabungkan dengan larutan garam dan dibuang, sedangkan limbah pembilasan tingkat laju alir tinggi disimpan dan digunakan sebagai pelarut senyawa untuk regenerasi.

Penghilangan Gas (Deaerator)

Penghilangan gas dilakukan sebelum air keluaran kolom kation diolah di kolom resin penukar anion dimaksudkan untuk mengurangi beban pertukaran pada kolom penukar anion, yang berarti juga mengurangi penggunaan larutan regenerasi. Air yang diolah di kolom degasifier mengandung karbon dioksida yang ekivalen dengan alkalinitas bikarbonat ditambah dengan jumlah  karbon dioksida yang larut dalam air tersebut. Kandungan CO₂ dalam air menggunakan udara yang dihembuskan oleh blower atau secara vakum . Pemakaian kolom degasified dapat mengurangi kandungan karbon dioksida menjadi 5 mg/l.