KAJIAN PENURUNAN pH AIR PRODUKSI RESIN
IR-120Na dan IRA-402Cl
Sri Sukmajaya, mudjilan, Tri Nugroho
Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan –BATAN, Babarsari Yogyakarta 55281 E-mail
ABSTRAK
KAJIAN PENURUNAN pH AIR PRODUKSI RESIN IR-120Na dan IRA-402Cl.Tujuan kajian untuk mengetahui langkah pemilihan resin dan kualitas produksi air penambah(make up), terutama penurunan pH produksi air. Metode yang dipakai untuk penelitian awal adalah dengan mengukur kapasitas resin memakai larutan standar Perak Nitrat (prosedur IAEA),pengukuran kapasitas Ca2+,kapasitas Cl- dan tegangan muka. Penentuan Densitas dan volume resin kosong. Kapasitas Resin: Amberlite IR120(Na+): 1,905 eq/l, Amberlite IRA402(Cl-): 1,358 eq/l. Ukuran butir resin kation IR120Na dan resin anion IRA402Cl = 16-50mesh, sedang resin yang tertahan sekitar 5%. Kapasitas Kation untuk Ca2+: untuk resin IR120Na = 0,996 mol/l. Densitas basah IR120Na=2,232g/ml dan IRA402Cl=2,095g/ml. Volume resin kosong IR120Na=33,916% dan IRA402Cl=34,129%.
ABSTRACT
STUDY OF DECREASE pH WATER PRODUCTION OF IR-120Na AND IRA-402Cl. The purpose of this study to identify steps selection of resin and make up water quality product,especially water product pH drops. The method used for initial research is to measure the capacity of the resin using standard solution of Silver Nitrate (IAEA procedure), measurrement of Ca2+ capacity, Cl- capacity and the surface tension. Determination of resin volum voids and density. Resin capacity of Amberlite IR120 (Na+): 1.905 eq / l. IRA402Cl Amberlite (Cl-): 1.358 eq/l. Cation resin IR120Na and anion resin IRA402Cl grain size = 16-50 mesh, while resin retained approximately 5%. Cations for the Ca2+ capacity: for resin IR120Na = 0.996 mol/l. True density of IR120Na=2,232g/ml and IRA402Cl=2,095g/ml. Resin volum voids IR120Na=33,916% and IRA402Cl=34,129%.
PENDAHULUAN
enukar ion berfungsi menggantikan ion yang tidak diinginkan di dalam air dengan ion yang diinginkan. Hal ini dapat dilakukan oleh aliran air yang melewati tumpukan butiran resin Penukar Ion. Penukar Kation adalah kumpulan butiran resin paduan polimer styrene dan DiVinyl Benzene yang disulfonasi untuk menghilangkan kation yang tidak diinginkan. Penukar Anion didasarkan pada keduanya adalah kopolimer styrene DVB yang diaminasi, atau suatu aminasi acrylat, yang menjadi basis resin untuk menghilangkan anion yang secara potensial menggagalkan proses.
Proses penghilangan pengotor air disebut demineralisasi atau deionisasi. Di dalam demin
air penambah (sistem make up) pengotor kation ditukar oleh hidrogen (H+) dengan sistem penukar kation siklus H+, dan pengotor anion ditukar oleh ion hidroksil OH- dengan sistem penukar anion siklus hidroksil OH-. Proses pertukaran ion berjalan bolak balik, maka sesudah resin di-pakai berulang (jenuh) unit ini tidak efisien untuk pemakaian lebih lama karena kecepatan kebocoran pengotor. Untuk itu bidang penukar ion perlu dikembalikan lagi ke bentuk yang dapat dipakai semula. Proses pengubahan kembali resin sepenuhnya disebut sebagai regenerasi. Regeneran untuk resin kation biasanya (H2SO4)
atau (HCl), dan regeneran untuk resin anion dipakai (NaOH). Terdapat 4 tipe resin: resin kation asam kuat dan asam lemah, dan resin anion basa kuat dan basa lemah.
Resin kation kuat dan resin anion kuat menghilangkan semua spesies kation dan anion di dalam air umpan. Resin kation lemah dan resin anion lemah hanya menghilangkan kation dan anion tertentu dengan sifat spesifik. Penukar kation lemah mempunyai ciri penukaran hanya untuk kation tertentu yang berhubungan dengan kebasaan dan secara khusus dipakai untuk mereduksi kesadahan tetap (Ca dan Mg). Penukar anion basa lemah tidak mengganti asam yang berhubungan,seperti asam karbonik dan asam siliceous , tetapi ditekankan pada kapasitas tinggi terhadap anion asam kuat (Cl-) dan (SO4--). Faktor faktor yang meningkatkan koefisien selektivitas:
Selektivitas ion yang khas dari resin adalah fungsi muatan ion dan radius terhidrasi, serta interaksi grup fungsional dengan ion kimia. Kebanyakan kasus muatan ion lebih tinggi akan meningkatkan afinitas bidang penukaran resin. Radius terhidrasi ion lebih kecil meningkatkan afinitas. Hal ini tergantung pada % tampang lintang resin. Alasan bahwa radius terhidrasi mempunyai efek pada selektivitas dimana ruang pori makro recticular mempunyai volume yang terbatas yang ditentukan oleh %tampang lintang.
Sejumlah ion yang dipertukarkan, secara nyata mengakibatkan penggelembungan resin. Kejadian ini dapat merubah bentuk resin. Penggelembungan resin mengakibatkan tekanan balik yang mereduksi kecenderungan ion untuk peningkatan radius terhidrasi.
TATAKERJA Bahan
1. Resin kation IR120Na dan resin anion IRA402Cl 2. HCl pekat 25%, 3. KCl, 4. NaCl, 5. KOH, 6. NaOH, 7. K2CrO4, 8. HNO3, 9. NH3, 10. AgNO3, 11. H2SO4 95%, 12. CaCO3, 13. CaSO4. Peralatan 1. Buret 50 ml, 2. Magnetic Stirrer, 3. pH meter, Cara Kerja
A. Penentuan Ukuran butir.
Ditimbang 10g resin kation IR120Na dan 10g resin anion IRA402Cl, lalu dimasukkan ke screening ukuran 25 mesh, 50mesh dan -100mesh.
B. Prosedur Pengukuran Kapasitas Resin dengan standar Perak Nitrat.
Pembuatan air Uji Penukar Ion D (10meq/l), dilarutkan 0,585g NaCl kering t 105oC di dalam 1l air suling. Rata rata 25ml larutan diperlukan untuk uji tunggal.
Untuk standarisasi Cl- , dipipet 3x100ml air uji penukar ion dimasukkan ke dalam beker, ditambahkan 1 tetes indikator MO dan 1 tetes PP. Lalu dinetralkan dengan HNO3 (1+9) sampai
perubahan warna dari kuning ke oranye, diikuti oleh penambahan NH4OH (1+19) untuk
mengembalikan ke warna kuning. Ditambahkan 1ml larutan K2CrO4 (50g/l) , lalu dititrasi dengan
larutan standar 0,1N AgNO3 sampai warna
supernatant larutan berubah dari kuning-merah-oranye dan tetap tidak berubah selama 30 detik dengan pengadukan cepat. Formula perhitungan tegangan larutan dalam meq// Cl- : Cl, meq/l = V x N x 10, dengan:
V= ml Larutan AgNO3 yang diperlukan untuk
titrasi, N=normalitas larutan AgNO3.
Prosedur Pengukuran Densitas Basah
Ditimbang 5g resin lalu direndam air 24jam, disaring kemudian dipindahkan ke piknometer yang sudah dikalibrasi dengan air. Piknometer ditempatkan dalam vakum desikator untuk menghilangkan kelebihan udara. Piknometer yang sudah bersih diisi dengan air mendidih,dan ditimbang lagi. Densitas dihitung sebagai berikut:
Berat resin basah+berat piknometer yang hanya diisi dengan air=W1.
Berat piknometer yang diisi dengan resin basah=W2.
Berat resin=W3.
Berat air yang digantikan=W1-W3=W4. Densitas=W3/W4.
Prosedur Pengukuran Densitas Kering
Prosedur diatas dapat dilakukan untuk mengukur densitas kering dengan mengganti air memakai Toluene. Sebelumnya resin dikeringkan di dalam oven suhu 115oC sampai berat konstan. Prosedur Pengukuran Volume Kosong %Volume Kosong =
HASIL PENGAMATAN Standardisasi larutan AgNO3
N Ag = 0,25/0,05845 x 44,8 = 10,47424 meq/l., Perubahan warna dari kuning ke merah. Tegangan Larutan Cl- dalam 100ml (Larutan AgNO3 diperlukan 10,3; 10; 9,9ml). Maka rata rata Cl- = (10,3+10+9,9/3) x 10,47424 x 10 x 1/100 = 10,44407 meq/l.
Dipipet 100 ml larutan standar AgNO3,
diencerkan air suling sampai tepat 1000 ml. Kalibrasi larutan standar AgNO3 (II), dengan
menitrasi 20ml larutan Cl- dibutuhkan larutan AgNO3 21,75ml. Maka N larutan standar AgNO3
(II) : 20 x 10,44407 = 21,75 x N, sehingga diperoleh N = 100/1000 x 9,603742 = 0,960374 meq/l.
Perhitungan data: Kapasitas Resin:
1. Amberlite IR120(Na+): 1,905 eq/l, atau 0,238 meq/ml, atau 0,952 eq/g.
2. Amberlite IRA400(Cl-): 1,358 eq/l, atau 0,170 meq/ml, atau 0,679 eq/g.
Referensi Supelco:
1. Resin Amberlite IR120(Na+): 2,1 meq/ml, atau 4,400 meq/g.
2. Resin Amberlite IRA 400(Cl-): 1,4 meq/ml, atau 3,80 meq/g.
Ukuran Mesh:
Ukuran butir resin kation IR120Na dan resin anion IRA402Cl = 16-50mesh, sedang resin yang tertahan sekitar 5%.
Referensi Supelco:
1. Amberlite IR120(Na+): Tamp.lintang DVB=10%; bentuk gel; ukuran butir 16-50 mesh; bentuk ion Na+; kadar air 40%; suhu operasi 121oC; pH 0-14.
2. Amberlite IRA400(Cl-): Tamp.lintang DVB=8%; bentuk gel; ukuran butir 16-50 mesh; bentuk ion Na+; kadar air 45%; suhu operasi 60-77oC;pH 0-14.
Densitas kering (apparent): Resin IR120Na : 1,475g/ml Resin IRA400Cl: 1,380g/ml Densitas Basah(true): Resin IR120Na : 2,232g/ml Resin IRA400Cl: 2,095g/ml Kadar Air: Resin IR120Na : 45,905% Resin IRA400Cl: 45,130% KadarVolume Kosong(%voids) Resin IR120Na : 33,916% Resin IRA400Cl: 34,129%
Kapasitas Kation Ca++(Prosedur Hellferich): Resin IR120Na : 0,996mol/l.
Ref.: 0,900mol/l.
Kapasitas Anion Cl-(Prosedur IAEA): Resin IRA400Cl: 0,172mol/l.
Kapasitas Kerja Anion Cl-(Prosedur Kuhne): Resin IRA400Cl: 0,595mol/l.
Ref.: 0,900mol/l.
Tabel 1. Hasil Pengukuran Konduktivitas dan pH.
Data P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 Kon.awal 371 358 395 287 444 394 0,9 Kon.akhir 0,7 0,9 1,3 1 0,8 0,9 1,3 pHawal 7,1 6,7 7,2 7 6,5 6,8 5,3 pHakhir 4,7 5,5 4,7 4,8 4,8 5,3 5,1 Resin IRN15 0 IRN15 0 SM60 0 SM60 0 SM60 0 IRN150+10%An exIRN150 IRN150+20%An exIRN150
Pengamatan dilakukan pada Desember 2008. Keterangan kode cuplikan:
P1:air sumur dangkal P2:air sumur dalam P3:air sumur dangkal P4:air sumur dalam P5:air aqua P6:air sumur dalam P7:air bebas mineral PEMBAHASAN
Dengan membaca data diatas, terdapat 4 spesifikasi teknis yang tidak dipenuhi oleh resin operasional, yaitu:
a.
Kapasitas resin IR dan IRA jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan referensi Supelco.b.
Kadar Air cukup tinggi,umumnya dibawah 42%.c.
Volume kosong resin tinggi, seharusnya lebih kecil dari 25%.d.
Kapasitas Kerja Anion Cl rendah ibandingkan dengan referensi.Maka dengan melihat perbedaan spesifikasi ini dimungkinkan unjuk kerja resin dalam hal kapasitas penukaran ion,khususnya anion Cl rendah sehingga air lebih cenderung mempunyai pH rendah. Kadar air dan volume kosong yang tinggi menyebabkan penggelembungan resin (swelling). Penggelembungan resin mengakibatkan tekanan balik yang mereduksi kecenderungan ion untuk peningkatan radius terhidrasi.
Data pH dan konduktivitas air penambah (make up) menunjukkan gejala penurunan pH dari persyaratan yang ditetapkan (pH5,5-7),meskipun konduktivitasnya memenuhi syarat (lebih kecil dari 3microSiemens/cm).
Pengamatan insitu air make up KOTTERMAN: Untuk resin Amberlite IR120Na (kode 0091874171) yang diregenerasi dengan HCl 1:120, dan resin Amberlite IRA402Cl yang diregenerasi dengan NaOH 4g/liter. pH awal air sumur 6,3 dengan konduktivitas 270 uSiemens/cm, setelah air keluar dari unit kation pH 2,5 dengan konduktivitas 1,0 uSiemens/cm. Selanjutnya air langsung dilewatkan unit anion dengan pH akhir 5,5 dan konduktivitas lebih kecil dari 3,0 uSiemens/cm.
Pada Unit Perlakuan Air Penambah (make up) merk Kotterman, yang disusun seri dari kolom kation ke kolom anion dalam 1bulan operasional meng hasilkan air 1m3. Air sumber diambil dari air tanah dengan pH awal rata rata 6,8 dan konduktivitas diatas 250uSiemens/cm.
kondisi pH air pada tangki penampungan air penambah pH 5,6 dan konduktivitasnya dibawah 1uSiemens/cm. Air penambah ini akan dimasukkan ke fasilitas Demineralizer secara berkala sesuai kebutuhan rata rata 10%volum air demin dengan pH5,5 dan konduktivitas 1uSiemens/cm. Dengan memperhatikan pengujian ini dapat dipastikan bahwa persoalan penurunan pH air terletak di dalam fasilitas air demin yang mengganti resin mixbeds IRN150 Quarternary Ammonium buatan Perancis dengan lisensi Rohm and Haas, diganti dengan resin mixbeds (IRN150) Trimethyl Ammonium buatan China dengan lisensi sama. Penyebab yang lain adalah sumber air sumur dalam maupun dangkal teroksidasi oleh sinar UV dari matahari,dengan membentuk gelatin berwarna kuning kecoklatan. Disarankan untuk melakukan oksidasi memakai lampu UV dan adsorben karbon aktip sebelum air make up diumpankan ke unit penukar ion.
KESIMPULAN
Unjuk kerja resin IR120Na dan IRA400Cl dalam hal kapasitas penukaran ion, khususnya anion Cl rendah sehingga air lebih cenderung mempunyai pH rendah. Kadar air dan volume kosong yang tinggi menyebabkan penggelembungan resin (swelling). Penggelembungan resin mengakibatkan tekanan balik yang mereduksi kecenderungan ion untuk peningkatan radius terhidrasi.
pH dan konduktivitas air penambah (make up) yang dialirkan melalui resin mixbed IRN150 menunjukkan penurunan pH dari persyaratan yang ditetapkan (pH 5,5-7),meskipun konduktivitasnya memenuhi syarat (lebih kecil dari 3microSiemens/cm). Penurunan pH disebabkan oleh penggantian gugus fungsional resin anion (IRN150), dari quarternary ammonium dengan trimethyl ammonium. Penyebab lain adalah sumber air sumur dalam maupun dangkal teroksidasi oleh sinar UV dari matahari,dengan membentuk gelatin berwarna kuning kecoklatan. Disarankan untuk melakukan oksidasi memakai lampu UV dan adsorben karbon aktip untuk menghilangkan pengotor senyawa organik. Selanjutnya air penambah (make up) sebelum unit kolom resin kation IR120Na dan resin anion IRA402Cl (paralel) diaktipkan dengan HCl dan NaOH, maka terlebih dahulu dilakukan prosedur awal regenerasi memakai larutan garam NaCl. Tujuan pemberian larutan garam adalah agar ion Na mendorong keluar ion ion Ca dan Mg, yang merupakan kation kesadahan tetap, yang semula jenuh dan masih
pada unit resin anion, bahwa ion Cl- akan mendorong keluar anion SO4-- yang semula
terikat pada resin. Pemberian larutan garam, yang kemudian diikuti dengan regenerasi memakai HCl dan NaOH tidak berdampak negatip terhadap kualitas air yang diinginkan, karena garam lemah NaCl akan digantikan oleh ion kuat H+ dan OH-. DAFTAR PUSTAKA
1. Palo Alto,C.A.,”Electric Power Research Institute/Steam Generator Owners Group,Dec.2006,US Export Administration Regulations.
2. IAEA,.”Standard Test Method for Column Capacity of Particulate Mixed Bed Ion Exchange Materials 1,Designation D3375-95a,American Society for Testing and Materials,http://.docs.ksu.edu.sa/ksu_AFCS/H atem%20ibrahim/D3375.pdf
3. Kunin & Myers,R,.”Ion Exchange Resins”,John Wiley & Sons Inc.,IIIed printing,1952,USA.
4. Anonim,.”Chemistry of Ion Exc.” ,www.google.com.
5. Igarashi.H.,Ohsumi K.,Uchida S., Matsui T.,:”Effect of Organic Impurities on BWR Water Chemistry,(2)Effects on Shut Down Dose Rate,Nuc.Power Plant Eng.Depart.,Nuc.Syst.Div.,Power&Indust.Syst
em Lab.,Hitachi Eng. Co and
Nuc.Eng.Dept.,Nagoya Univ.,1998.
6. Alchin D,.”Ion Exchange Resins”,.XIII-water-D-Ion Exchange Resins-1,Service Chemist,Drew New Zealand,2000.
7. Joko Sardjono,Y,.”Data Diagnostik Anomali Air Pendingin Reaktor Kartini” Lab.PTAPB,BATAN,2008.
8. Ana Maria SO,.”Discrimation Among Several Kinetic Models for OH-/Cl- Ion Exchange in a Strong Base Anion Exchanger, Dept.of Inorganic Chemistry,Univ.of Polytechnica,Bucharest,Rumania,2003.
TANYA JAWAB A.Supriyanto
Bagaimana upaya untuk menjaga agar pH air tidak turun dari ring 5,5-7 dengan resin kation IR 120Na dan resin anion IRA 402 Cl?
Sri Sukmajaya
Mengukur kapasitas resin, kapasitas kerja, % VOIDS, tekanan 3 atm.
Mengolah air sumur untuk menghilangkan polutan organic, misal trichloro ethylene yang potensial menurunkan pH air pada reaksi radiolisis
Sriyono
Penggunaan resin IR-120Na dan IRA-402Cl untuk mempertahankan pH air tidak berfungsi sebagaimana yang diharapkan. Apa langkah selanjutnya apakah perlu penggantian resin? Sri Sukmajaya
Resin sudah diganti dengan jenis sama dari produk ROHMXHASS France
Perlu prosedur pemilihan, pengelolaan, pengukuran dan regenerasi resin
