Diagram Segitiga
dan
Kesetimbangan Cair-Cair
•
Membuat Diagram Segitiga dan Cara Membacanya
•
Kesetimbangan Cair-Cair dalam Diagram Segitiga
•
Contoh dalam Ekstraksi Cair-Cair
Setijo Bismo – DTK FTUI
Pendahuluan tentang Cara Membuat dan Membaca:
Diagram Segitiga
Diagram terner direpresentasikan dalam sebuah segitiga, dengan ketiga sudutnya mewakili komposisi, dari ketiga KOMPONEN yang terlibat di dalamnya, seperti Asam Asetat, Air, dan
Kloroform. Ketiga SUDUT yang merepresentasikan ketiga komponen tersebut diberi label A, B, dan C.
Kelebihan penggunaan Diagram Segitiga dalam presentasi komposisi:
• ketiga variabel dapat diplot dalam grafik
dua dimensi.
• dapat digunakan untuk membuat
[#1] - Reprentasi Konsentrasi dalam
[#2] - Reprentasi Konsentrasi dalam
Diagram Segitiga
Hasil penjumlahan konsentrasi (fraksi berat) adalah diagram terner ke kanan dengan semua skala ini. Perhatikan bahwa garis merah berat tidak termasuk dalam segitiga akhir ini. Juga mengamati bahwa diagram terner dibaca berlawanan arah jarum jam.
Perhatikan ke-4 titik dalam Diagram
Segitiga di kiri bawah ini:
1. 60 %-A 20 %-B 20%-C 100%
2. 5 %-A 40 %-B 35%-C 100%
3. 10 %-A 70 %-B 20%-C 100%
[#3] - Reprentasi Konsentrasi dalam
Diagram Segitiga
Namun, yang umum digunakan, diagram terner biasanya tidak memiliki "Skala A", "Skala B", dan "Skala C”. Juga, bahkan nomor pun persen tidak ada. Jadi, kita harus belajar untuk membaca diagram ini tanpa semua alat bantu tersebut.
Maka, tentukanlah persentase untuk
masing-masing titik-titik berikut!
5. 70 %-A 20 %-B 10 %-C 100 % 6. 60 %-A 40 %-B 0 %-C 100 % 7. 30 %-A 50 %-B 20%-C 100 % 8. 10 %-A 15 % B 75%-C 100 %
Prinsip Diagram Kesetimbangan dalam Ekstraksi (#1):
Kesetimbangan Cair-Cair dalam Diagram Segitiga
Kehadiran PELARUT BARU (komponen cair yang ketiga)
kadang-kadang dapat sangat berguna dalam mengubah kelarutan timbal
balik dari dua komponen lainnya.
Sebagai contoh
:
Noda berminyak pada sepotong pakaian. Kita dapat coba
mencuci pakaian dengan air, tetapi minyak dan air relatif tidak
larut sehingga minyak akan tetap berada pada pakaian dan tidak
larut dalam air. Jadi bagaimana caranya kita dapat mengusir
minyak keluar?
Cobalah tambahkan
deterjen
, sebagi
surfaktan
(molekul yang
memiliki ujung-ujung ionik dan organik), yang akan membantu
ketiga komponen larut satu sama lain.
Prinsip Diagram Kesetimbangan dalam Ekstraksi (#2):
Kesetimbangan Cair-Cair dalam Diagram Segitiga
Sebaliknya, kita dapat menambahkan suatu PELARUT
(komponen KETIGA) untuk mengurangi kelarutan suatu
KOMPONEN sehingga dapat memisahkan (ekstraksi) dari
“larutan asal”-nya. Dalam hal ini, dapat ditambahkan
komponen ketiga yang akan membuat dua komponen
lainnya menjadi kurang larut satu dengan lainnya.
Sebagai contoh:
Jika kita TAMBAHKAN “
garam
” (senyawa ionik) ke dalam
campuran
HEKSANOL
AIR
(yaitu: larutan heksanol dalam air),
maka kelarutan
ALKOHOL
akan turun secara signifikan karena ion
dapat larut dengan baik dalam air sebaliknya senyawa organik
tidak menyukai LARUTAN “ionik”.
Prinsip Diagram Kesetimbangan dalam Ekstraksi (#2):
Kesetimbangan Cair-Cair dalam Diagram Segitiga
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (1)
Kelarutan dari tiga komponen cairan merupakan informasi penting
untuk merancang proses ekstraksi cair-cair, yaitu untuk pemisahan
bahan kimia yang berguna. Kelarutan dari campuran tiga komponen cair
tersebut ditampilkan pada sebuah segitiga sama-sisi berikut ini:
Garis BIRU: Untuk <B> Garis MERAH: Untuk <C> Garis HIJAU: Untuk <A>
Titik campuran terner dengan komposisi: 60 %-B, 20 %-A
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (2)
CAIRAN
“
satu fasa
”:
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (3)
Fasa CAIRAN “
tunggal
”:
10
A%
b
x
80
B%
b
x
10
C%
b
x
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (4)
Fasa
CAIRAN
“
tunggal
”, campuran
BINER:
40
A% b
x
60
B% b
x
; dan
0
C%
x
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (5)
CAIRAN
“
dua fasa
”:
fasa #1
mengandung
6
A% b
x
24
B% b
x
70
C% b
x
fasa #2
mengandung
83
A% b
x
11
B% b
x
6
C% b
x
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (6)
Fasa CAIRAN
“
jenuh
” (tunggal): dengan komposisi:
8
A% b
x
33
B% b
x
59
C% b
x
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (7)
CAIRAN
“
dua fasa
”, dengan
-
fasa #1
terdiri atas
x
A
16
%
x
B
52
%
x
C
32
%
dan
- fasa #2
terdiri atas
x
A
55
% b
x
B
35
%
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (8)
CAIRAN
“
dua fasa
”, masing-masing
membentuk campuran
BINER
A
-
C
:
-
fasa #1
mengandung
x
A
0 5
, %
x
B
0
%
x
C
99 5
, %
dan
-
fasa #2
mengandung
x
A
93
% b
x
B
0
%
b
x
C
7
%
b
Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (9)
Fasa CAIRAN
“
jenuh
” (tunggal):
dengan komposisi:
56
A% b
x
34
B% b
x
; dan
10
C% b
x
ATURAN TUAS dalam Diagram Segitiga
Aturan Tuas (lever rule) dapat berlaku dalam diagram fasa: jika dimisalkan, suatu aliran campuran terner dengan komposisi yang diwakili oleh titik A pada diagram kesetimbangan di bawah ini, memasuki settler (gambar bawah tengah) yang kemudian akan menghasilkan “dua lapisan cairan” (organik dan anorganik) yang berada dalam kesetimbangan ke dalam aliran B (di bawah) dan C (di atas). Karena kedua aliran tersebut berada dalam kesetimbangan, maka komposisinya dapat diwakili oleh ujung-ujung “tie line” seperti yang ditunjukkan pada diagram segitiga di sebelah kiri. Maka, perbandiangan atau rasio dari ketiga laju alir (massa ataupun molar) dapat dinyatakan sebagai “rasio lengan tuas” (ingat: lengan harus berlawanan titik tumpu dari titik yang dimaksud). Persamaan di sebelah kanan adalah rasio laju alir C/B dan C/A dalam fraksi
Contoh #1: Ekstraksi Cair-Cair
Suatu aliran umpan (F) dengan laju 100 kg/jam mengandung campuran A dan B, kemudian dicampur dengan 100 kg/jam air (= W, sebagai komponen C) untuk mengekstrak B ke dalam fasa air (pelarut = komponen C). Aliran yang keluar di bagian ATAS dari mixer/settler adalah
fasa organik yang kaya akan A dan di bagian BAWAH adalah fase air (anorganik) yang mengandung 25%-b B. Hitunglah laju aliran produk dan komposisi umpan dengan menggunakan “aturan tuas” pada diagram terner di halaman berikut ini.
Mixer/Settler: F (100 kg/jam) W (100 kg/jam) Organik (Q1) Anorganik (Q2)
Langkah-langkah Penyelesaian (1):
Ketiga relasi persamaan diperlukan untuk pemecaan masalah yang berasal dari diagram fasa, dengan pertimbangan (asumsi) bahwa
dua aliran yang keluar dari mixer/settler berada dalam
kesetimbangan. Untuk penyelesaian masalah ini, maka langkah-langkahnya adalah sebagai berikut:
Langkah 1:
Cari aliran air pada diagram fase. Karena aliran keluar kaya akan C,
berarti posisinya berada di sisi diagram fasa yang paling dekat dengan titik C. Selain itu juga, karena berada dalam kesetimbangan dengan aliran lain, maka posisi tersebut harus di “kubah fasa” (puncak) dengan komposisi B dari 25% mol. Didapatkan suatu titik
dengan komposisi biru 25% pada kubah fasa. Komposisi titik ini adalah
Langkah-langkah Penyelesaian (2):
Langkah 2:
Selanjutnya, diketahui juga bahwa aliran kaya A berada dalam
kesetimbangan dengan aliran ini, sehingga pada ”tie line” yang sama
tetapi di sisi berlawanan dari kubah fasa. Kita ikuti ”tie line” ke sisi lain
dari kubah fasa dan menemukan komposisi aliran ini menjadi 82% A, 11% B dan C 7%. Perhatikan, bahwa tujuan ekstraksi telah tercapai, yaitu dengan menghilangkan banyak komponen B dari A ke C.
Langkah 3:
Temukan komposisi umpan. Campuran terner akan tetap berada di ”tie line” yang sama, namun berada di suatu tempat di wilayah dua fase. Karena dicampurkan 100 kg C dengan 100 kg dari aliran A + B, maka komposisi nominal campuran di separator adalah 50% mol C. Kita sekarang hanya dapat memilih dari titik di mana ”tie line” melintasi garis merah 50%. Kita temukan komposisi menjadi 20 B% dan 30% A (dan tentu saja 50% C). Rasio B ke A adalah 2/3, sehingga secara C-bebas, komposisi akan 40 B% dan 60% A. Ini adalah komposisi umpan awal.
Langkah-langkah Penyelesaian (3):
Langkah 4:
Selesaikan neraca massa terkait ektraksi satu tahap tersebut, untuk menhitung laju alir produk. Hal ini dapat dilakukan langsung pada diagram segitiga dengan menggunakan aturan tuas (komposisi segaris). Rasio fasa air untuk umpan diberikan oleh panjang lengan berlawanan untuk tahap C selama total panjang ”tie line”, atau Q2 / 200 kg/hr = (50-7)/(70-7) = 0,68 (di mana dapat kita gunakan C atau
komposisi merah untuk mengevaluasi panjang dua ”tie line”). Dapat
juga kita gunakan penggaris untuk mengukur panjang atau menggunakan komposisi biru atau hijau. Perhatikan, bahwa metode-metode tersebut sebenarnya akan memberikan hasil yang sama. Dengan demikian, Q2 = (200 kg/hr)(0.68) = 136 kg/jam dan Q1 = 64 kg/jam.
