Artikel berikut mungkin sesuai dengan kebutuhan dan masalah di lndustri Anda:
– prinsip ion exchange atau kation anion
– mengetahui cara kerja kation
– mengetahui cara keeja anion
– Aplikasi ion exchange

Semoga artikel ini membantu Anda.

BAB 8 ION EXCHANGE

Semua air yang berasal dari alam mengandung berbagai garam terlarut dengan konsentrasi yang bervariasi dan membentuk ion bermuatan. Ion bermuatan positif disebut dengan kation dan ion bermuatan negatif disebut anion. Ion pengotor akan sangat memengaruhi reabilitas dan efisiensi boiler atau sistem proses. Overheating yang disebabkan penumpukan kerak atau deposit yang ditimbulkan dari ion pengotor tersebut akan menyebabkan tube failure yang parah, kerugian biaya produksi, dan berhentinya waktu operasi yang tidak diinginkan. Ion kesadahan seperti kalsium dan magnesium harus dihilangkan terlebih dulu sebelum air digunakan sebagai umpan boiler. Untuk air umpan boiler dengan tekanan tinggi dan banyak sistem proses memerlukan penghilangan semua ion ini secara hampir sepenuhnya, termasuk karbon dioksida dan silika. Sistem ion exchange digunakan untuk menghilangkan ion terlarut di dalam air secara efisien.membuat ion exchange atau kation anion

Dalam ion exchange, terjadi pertukaran suatu ion dengan ion lainnya, kemudian ion tersebut ditahan sementara dan dilepaskan kembali menuju larutan regenerasi. Ion yang tidak diinginkan akan digantikan dengan ion yang lebih bisa diterima seperti pada softener sodium zeolit, ion pembentuk kerak seperti magnesium dan kalsium ditukar dengan ion natrium.

SEJARAH
Pada tahun 1905, Gan, seorang chemist asal Jerman, menggunakan material aluminasilikat sintesis yang dikenal sebagai zeolit sebagai ion exchange untuk softener air pertama kali. Meski material aluminasilikat jarang digunakan saat ini, istilah ”zeolite softener” digunakan untuk sebagai istilah dari berbagai proses proses kation exchange.

Material aluminasilikat sintesis secara cepat diganti dengan material alami yang disebut Greensand untuk ion exchange. Material Greensand memiliki kapasitas exchange yang lebih kecil dibandingkan aluminasilikat sintesis, namun memiliki kestabilan fisik yang lebih baik sehingga material ini lebih cocok digunakan di industri. Kapasitas didefiniskan sebagai jumlah ion yang dapat ditukarkan per satuan jumlah resin atau yang sering dinyatakan sebagai kilograin/ft3 sebagai kalsium karbonat.

Perkembangan dari media kation exchange dari sulfonated coal, yang disebut sebagai cabonaceus zeolite memperluas aplikasi dari ion exchange untuk operasi siklus hidrogen, menurunkan alkalinitas air seperti penurunan kesadahan. Kemudian resin anion exchange (porduk kondensasi dari poliamina dan formaldehid) dikembangkan. Resin anion yang baru digunakan dengan resin kation siklus hidrogen untuk proses demineralisasi (penghilangan semua garam terlarut di dalam air). Akan tetapi, anion exchanger terbaru kurang stabil dan tidak dapat menghilangkan semua anion termasuk asam silikat dan asam karbonat.

Pada pertengahan 1940, resin ion exchange dikembangkan berdasarkan reaksi kopolimerisasi dari stirena yang mengalami cross-linked dengan divinilbenzena. Resin ini sangat stabil dan memiliki kapasitas yang jauh lebih besar dibandingkan resin sebelumnya.  Resin ini mampu menghilangkan semua anion termasuk asam silikat dan asam karbonat. Penemuan ini memungkinkan proses demineralisasi berlangsung secara sempurna.

Resin polistirena-divinilbenzen mayoritas masih digunakan untuk ion exchnage. Meski komponen basis resin sama, resin ini telah mengalami banyak modifikasi untuk memenuhi spesifikasi dalam aplikasi tertentu dan memperpanjang umur resin. Salah satu perubahan yang signifikan yaitu penngembangan macroreticular, macroporous, dan struktur resin.membuat ion exchange atau kation anion

Resin gelular standar, seperti pada Gambar 8.1, memiliki struktur membran permeable. Struktur ini memenuhi persyaratan kimia dan fisika dari hampir semua penggunaan. Beberapa penggunaan memerlukan kekuatan fisik dan kimia di luar dari kemampuan strukturk gel.  Resin macroreticular (Gambar 8.2) memiliki pori diskrit di dalam mariks cross-linked polistirena-divinilbenzena yang tinggi. Resin ini memiliki kekuatan fisik yang lebih tinggi dibandingkan dengan resin gel dan juga memiliki ketahanan terhadap degradasi termal dan agen pengoksidasi. Resin  macroreticular juga tahan terhaadap fouling karena struktur porinya yang banyak. Ada resin yang lebih baru dengan struktur akrilik (Gambar 8.3) yang meningkatkan ketahanan terhadap fouling organik.

Gambar 8.1. Tampilan mikroskopis dari butiran resin sulfonated styrene-divinylbenzene (20-50 mesh)
Gambar 8.2 Tampilan mikroskopis dari resin anion basa kuat
Gambar 8.3 Struktur kimia resin kation asam kuat sulfonat (amberlite IR-20). (XL): cross-link; (PC): rantai polimer; (ES): situs pertukaran; (EI): ion yang dapat ditukarkan

Pada matriks plastik, resin ion exchange mengandung gugus fungsi yang dapat terionisasi. Gugus funsi ini memiliki anion dan kation. Namun hanya satu jenis ion saja yang dapat berpindah. Gugus ion lainnya melekat pada struktur manik. Gambar 8.4 merupakan skema dari manik resin kation asam kuat yang memiliki sisi ion yang terdiri dari radikal anionik (SO3) yang tak bisa berpindah dan kation natrium yang bisa berpindah. Pertukaran ion terjadi ketika ion dari air baku terdifusi menuju struktur manik dan bertukar dengan sejumlah gugus fungsi yang bisa berpindah. Ion dipindahkan dari manik terdifusi kembali menuju larutan air.

Gambar 8.4 Skema dari kation asam kuat terhidrasi

KLASIFIKASI RESIN ION EXCHANGE
Gugus fungsi yang terdapat pada manik resin menentukan kemampuan resin. Resin pada industri water treatment dikelompokkan menjadi 4 kategori:

  • Strong acid cation (SAC)
  • Weak acid cation (WAC)
  • Strong base anion (SBA)
  • Weak base anion (WBA)

Resin SAC dapat menetralkan basa kuat dan mengubah garam netral menjadi senyawa asamnya. Resin SBA dapat menetralkan asam kuat dan mengubah garam netral menjadi senyawa basanya. Resin ini digunakan di kebanyakan softening dan aplikasi demineralisasi penuh. Resin WAC dan WBA mampu menetralkan basa kuat dan asam kuat masing masing. Resin ini digunakan untuk dealkalinasi, demineralisasi parsial, atau (dengan kombinasi resin kuat) untuk demineralisasi sempurna.

Gugus aktif dari resin SAC berasal dari gugus asalm sulfonat (HSO3). Resin SAC menghilangkan hampir semua kation dari air baku dengan cara mengganti kation tersebut dengan ion hidrogen seperti berikut.

Reaksi ini bersifat reversibel. Ketika kapasitasnya sudah jenuh maka resin dapat diregenerasi dengan larutan asam mineral berlebih.

Kation asam kuat dapat berfungsi dengan baik pada semua rentang pH. Resin ini memiliki range aplikasi yang luas. Contohnya yaitu resin ini digunakan dalam siklus natrium (natrium sebagai ion yang dapat berpindah) untuk softening dan siklus hidrogen untuk proses dekationisasi.

Gugus aktif dari resin asam lemah berasal dari gugus karboksilat (-COOH). Ketika digunakan pada bentuk hidrogen, resin ini menghilangkan kation yang berasosiasi dengan alkalinitas, menghasilkan asam karbonat seperti dibawah ini.

Reaksi ini juga bersifat bolak balik sehingga resin juga dapat diregenerasi. Resin WAC tidak dapat menghilangkan semua kation yang ada di dalam air. Kelebihan resin ini yaitu memiliki efisiensi regenerasi yang tinggi dibandingkan dengan SAC sehingga membutuhkan asam yang lebih sedikit untuk proses regenerasi dan mengurangi limbah asam dan mengurangi masalah pembuangan limbah.

WAC utamanya digunakan pada proses softening dan dealkanilinasi dengan kesadahan tinggi, alkalinitas tinggi, sering beriringan dengan sistem pemolesan SAC siklus natrium. Pada sistem demineralisasi sempurna, kombinasi SAC dengan WAC memberikan keekonomian karena efisiensi WAC dan kemampuan penukaran penuh resin SAC.

Gugus aktif resin SBA berasal dari gugus fungsi amonium kuartener. Ada dua tipe gugus amonium kuartener yang digunakan yaitu tipe I dan tipe II. Tipe I masih memiliki 3 gugus metil.

Pada tipe II, satu gugus metil digantikan dengan gugus etanol. Tipe I memiliki stabilitas yang lebih besar dibandingkan tipe II dan mampu menghilangkan ion asam yang lebih lemah. Tipe II memiliki efisisensi regenerasi dan kapasitas yang lebih besar untuk jumlah bahan kimia regeneran yang digunakan.

Ketika dalam bentuk hidroksida, resin SBA menghilangkan semua anion yang umumnya ditemukan sebagai berikut:

Sama dengan resin kation, reaksi ini bersifat bolak balik sehingga resin dapat diregenerasi dengan soda kaustik, soda abu, atau amonia. Resin WBA lebih resisten dibandingkan dengan SBA terhadap keberadaan zat organik di dalam air. Resin ini dapat digunakan pada bagian hulu dari SBA untuk meningkatkan efisiensi regenerasi dan melindungi resin SBA.

SOFTENING SODUIM ZEOLIT
Softening ini merupakan metode ion exchange yang paling banyak digunakan. Pada metode ini, air yang mengandung ion pembentuk kerak seperti kalsium dan magnesium dilewatkan pada bed resin yang mengandung SAC dalam bentuk natrium.  Di dalam resin, ion kesadahan ditukar dengan natrium, dan natrium berdifusi menuju air. air yang bebas dari kesadahan atau disebut juga soft water dapat digunakan sebagai umpan boiler bertekanan medium, makeup sistem reverse osmosis, beberapa proses kimia, dan penggunaan komersial seperti laudry.

Prinsip dari Softening Zeolit
Reaksi penghilangan kesadahan air dengan proses softening zeolit.

Air yang berasal softener zeolit yang beroperasi secara tepat bebas dari kesadahan yang dapat dideteksi. Akan tetapi, sedikit dari kesadahan, dikenal sebagai leakage hadir dalam air yang telah diolah. Tingkat leakage kesadahan tergantung dari kesadahan dan level natrium di dalam influnet air dan jumlah garam yang digunakan dalam regenerasi.

Gambar 8.5 merupakan profil dari kesadahan effluent dari softener zeolit selama siklus servis. Setelah pembilasan terakhir, softener menghasilkan tingkat kesadahan yang rendah dan konstan hingga resin mendekati kondisi jenuh. Ketika kondisi jenuh, kesadahan effluent meningkat secara tajam sehingga diperlukan regenerasi.

Gambar 8.5 Tipikal profil effluent dari softener zeolit natrium

Ketika resin diregenerasi, larutan dengan konsentrasi ion natrium yang tinggi digunakan pada resin untuk menggantikan ion kalsium dan ion magnesium. Resin ditangani dengan larutan 10% natrium klorida dan regenerasi berlangsung sesuai reaksi berikut.

Selama proses regenerasi, regeneran berlebih (sekitar 3 kali jumlah kalsium dan magnesium di dalam air) digunakan. Kesadahan yang terelusi dihilangkan dari unit softening di dalam limbah brine dan pembilasan.

Setelah regenerasi, sedikit sisa kesadahan tertinggal di dalam resin. Jika vessel berisi air yang diam di dalamnya maka beberapa kesadahan akan berdifusi menuju air. oleh karena itu, ketika aliran pertama kali lewat, effluent dapat mengandung kesadahan meski unit baru saja diregenerasi. Setelah beberap menit, kesadahan akan habis akibat pembilasan sehingga effluent bebas dari kesadahan.

Durasi siklus servis unit tergantung dari laju alir yang masuk, tingkat kesadahan di dalam air, dan jumlah garam yang digunakan untuk regenerasi. Kapasitas resin meningkat seiring dengan mengingkatnya dosis regeneran, tetapi peningkatannya tidak proporsional. Regeneran kurang efisien pada tinggat penggunaan regeneran yang tinggi sehingga biaya operasi softener meningkat seiring dengan tingkat penggunaan regeneran. Peningkatan penggunaan regeneran garam sebesar 157% hanya memberikan 67% peningkatan dari kapasitas operasi.

Equipment
Equipment yang digunakan softening natrium zeolit terdiri dari vessel softener, control valve dan perpipaan dan sistem brining, atau regeneran, dan resin. Biasanya tangki softener merupakan vessel baja vertikal bertekanan dengan dished head seperti Gambar 8.6. Fitur utama dari vessel softening terdiri dari sistem distribusi inlet, ruangan free board, sistem distribusi regeneran, resin ion exchange, dan sistem penampung underdrain penahan resin.

Gambar 8.6 Softener zeolit natrium

Distribusi inlet biasanya berada pada bagian atas tangki. Sistem distribusi inlet akan membuat influent tersebar rata. Hal ini mencegah terjadinnya terjadinya aliran yang akan meninbulkan hollow channel pada bed resin sehingga mengurangi kapasitas sistem dan kualitas effluent. Sistem inlet juga berfungsi sebagai kolektor air backwash.

Distributor inlet terdiri dari central header/hub dengan distribusi lateral/radial atau pelat baffle sederhana yang akan mengarahkan aliran air merata melalui bed resin. Jika air tidak dicegah dari mengalir langsung menuju bed atau dinding tangki  maka akan terjadi channeling.

Ruangan antara sistem distribusi dan bagian atas bed resin disebut sebagai ruangan free-broad. Ruangan ini memungkinkan terjadinya ekspansi dari bed resin selama proses backwash tanpa kehilangan resin. Ukuran ruangan ini harus 50% dari volume resin (80% dianjurkan).

Distributor regeneran biasanya merupakan sistem header-lateral yang mendistribusikan regeneran brine secara merata selama regenerasi. Lokasi distributor, 6 inci (15.2 cm) di atas bagian atas bed resin, mencegah terjadinya pengenceran regeneran oleh air di ruangan free-broad. Hal ini akan mengurangi jumlah air dan waktu yang dibutuhkan untuk pengeluaran dan pembilasan cepat. ditributor regeneran harus diamankan pada struktur tangki untuk mencegah kerusakan dan channeling regeneran selanjutnya.

Air dihilangkan kesadahannya oleh bed dari resin penukar kation asam kuat dalam bentuk natrium. Jumlah resin yang dibutuhkan tergantung pada jumlah air yang diolah, jumlah kesadahan, waktu yang dibutuhkan antara siklus regenerasi. Kedalaman bed minimum yang direkomendasikan yaitu 24 inci (61 cm) untuk semua sistem.

Sistem underdrain, terletak pada bagian bawah vessel, mempertahankan resin penukar ion dalam tangki, mengumpulkan secara merata aliran servis, dan mendistribusikan aliran backwash secara merata. Pengumpulan yang tidak merata dari air servis, atau distribusi tak merata air backwash dapat menimbulkan channeling, fouling resin, atau kehilangan resin.

Meski beberapa desain underdrain digunakan, ada dua tipe primer-subfill dan resin-retaining. Sistem subfill terdiri banyak lapisan dari media penyokong (seperti gravel atau antrasit) yang menyokong resin, dan sistem pengumpul menggabungkan pipa yang dibor atau saringan subfill. Selama lapisan masih utuh, resin akan tetap pada posisinya. Jika media pendukung terganggu, biasanya akibat dari backwash yang tidak tepat, resin dapat berpindah melewati lapisan yang terganggu dan keluar dari tangki. Pengumpul resin-retaining, seperti saringan lateral atau strainer profil kawat lebih mahal daripada sistem subfill, tetapi akan melindungi unit dari kehilangan resin.

Valve utama dan sistem piping mengarahkan aliran air dan regeneran menuju lokasi yang tepat. Sistem  valve terdiri dari  sebuah valve nest atau singel multiport valve. Sebuah valve nest  terdiri dari enam valve utama: inlet dan outlet servis, inlet dan outlet backwash, inlet regeneran, dan drain regeran atau pembilasan. Valve dapat dioperasikan secara manual atau otomatis yang dikontrol dengan udara, listrik, atau tekanan air. Pada beberapa sistem, sebuah singgle multiport valve digunakan untuk menggantikan valve nest. Multiport valve dapat mengeliminasi kesalahan operasi karena kesalahan dalam menbuka valve, namun harus dirawat secara baik untuk menghindari kebocoran pada port seal.

Sistem brining terdiri dari alat ukur jumlah garam yang larut/brine, dan alat pengontrol pegenceran larutan untuk menghasilkan konsentrasi yang diinginkan. Alat ini bertujuan agar diperoleh konsentrasi garam yang tepat (sekitar 26% NaCl) untuk setiap proses regenerasi tanpa membiarkan adanya garam yang tak larut masuk ke dalam resin. Kebanyakan sistem menggukan float-operared valve untuk mengatur pengisian dan penurunan tangki suplai yang akan mengatur jumlah garam yang digunakan saat regenerasi. Biasanya, brine pekat dipindahkan dari tangki dengan sebuah sistem eduktor yang akan mengencerkan larutan hingga konsentrasi optimum (8-10% NaCl). Brine  juga dapat dipompakan dari tangki garam pekat dan dicampur dengan air untuk memeroleh konsentrasi yang diinginkan.

Operasi Softener
Softener zeolit sodium beroperasi malalui dua siklus dasar: siklus servis yang menghasilkan air lunak untuk digunakan, dan siklus regenerasi yang mengembalikan kapasitas resin setelah jenuh.

Dalam siklus servis, air masuk dari sistem distribusi inlet dan mengalir melewati bed. Ion kesadahan akan terdifusi menuju resin dan bertukar dengan ion natrium yang masuk ke dalam air. Air lunak dikumpulkan di bagian sistem underdrain dan dikeluarkan. Air servis yang mengalir sebisa mungkin konstan agar tidak ada loncatan beban secara mendadak dan seringnya on-off alat.

Karena kebutuhan resin dan desain vessel, operasi softener paling efisien ketika laju alir air servis diantara 6-12  gpm/ft2 permukaan resin (4,1-8,2 L/s/m2). Kebanyakkan perlatan didesain pada range ini, tetapi beberapa desain khusus menggunakan tinggi resin yang lebih tinggi agar laju alir 15-20 gpm/ft2(10,2-13,6 L/s/m2). Operasi kontiniu di luar batasan yang dianjurkan dari fabrikasi akan menimbulkan pemadatan bed, channeling, breakthrough kesadahan prematur, dan kebocoran kesadahan. Pengoperasian di bawah batas yang dianjurkan fabrikasi juga akan berdampak negatif pada performa unit karena air tidak terdistribusi merata sehingga tidak terjadi kontak yang optimum antara air dengan resin.

Ketika resin sudah jenuh berdasarkan monitoring kesadahan effluent yang meningkat maka resin perlu diregenerasi. Monitor otomatis menapilkan indikasi yang lebih konstan terhadap kondisi resin dibandingkan sampling dan analisa oleh operator secara periodik, tetapi memerlukan perawatan rutin untuk menjaga akurasi. Kebanyakan sistem diregenerasi sebelum jenuh, yaitu berdasarkan patokan periode sebelumnya atau jumlah air yang sudah diolah.

Kebanyakan sistem softening terdiri lebih dari satu softener. Biasanya satu unit beroperasi dan satunya lagi sedang diregenerasi atau standby. Hal ini akan menjamin tidak terganggunya proses. Sebelum unit dalam kondisi standby akan digunakan, unit harus dibilas untuk menghilangkan kesadahan yang tersisa selama proses standby.

Regenerasi Softener
Siklus regenerasi terdiri dari empat tahap: backwash, regenerasi (brining), dislplacement (slow rinse), dan fast rinse. Selama proses servis, air yang mengalir ke bawah akan menyebabkan material tersuspensi akan terakumulasi pada bed resin. Resin merupakan filter yang sempurna, dapat menjebak partikulat yang lolos dari alat filtrasi sebelumnya. Proses backwash akan menghilangkan zat yang terakumulasi dan mereklasifikasi ulang bed resin. Pada proses backwash, air mengalir dari distributor underdrain menuju ke atas melewati bed resin dan keluar menuju limbah. Aliran ke atas akan mengangkat dan mengembangkan resin sehingga partikulat dan resin yang rusak akan lepas dari resin serta akan mengklarifikasi resin. Klarifikasi resin akan meningkatkan distribusi chemical dan air servis.

Bakcwash harus berlangsung kontiniu minimal selama 10 menit atau hingga outlet air backwash jernih. Aliran backwash harus cukup untuk membuat resin mengalami ekspansi hingga 50% atau lebih, tergantung pada ruangan free-board yang tersedia. Backwash yang tidak cukup akan menyebabkan fouling dan channeling laju backwash yang berlebih akan menyebabkan kehilangan resin. Laju alir air backwash biasanya berkisar pada rentang 2,7-5,4 L/s/m2 (temperatur ambient), 8,2-10,2 L/s/m2 (keadaan panas), tetapi tetap harus mengikuti rekomendasi dari fabrikasi. Kemampuan air untuk mengekspansi sangat dipengaruhi oleh temperatur. Laju alir yang dibutuhkan lebih sedikit ketika menggunakan air dingin untuk mengekspansi resin dibandingkan air panas. Ekspansi bed resin harus di cek secara rutin untuk menjaga ekspansi resin yang tepat.

Biasanya air backwash merupakan air yang telah disaring. Air sisa backwash memiliki sifat yang sama dengan kondisi awal, tetapi mengandung padatan tersuspensi. Air ini dapat dikembalikan menuju unit clarifier atau filter.

Regenerasi (Brining) dilakukan setelah backwash. Brine mengalir ke bawah dari distributor regeneran melewati bed resin dengan laju yang lambat (biasanya diantara 0,34-0,68 L/s/m2). Aliran brine dikumpulkan dengan underdrain dan dikirim menuju limbah. Aliran yang lambat akan meningkatkan kontak antara resin dengan brine. Konsentrasi brine yang optimum digunakan yaitu 10%.

Displacement (pembilasan lambat) dilakukan setelah proses brine dilakukan dengan sistem aliran yang sama dengan aliran brine. Air mengalir menggantikan regeneran melewati bed resin dengan laju alir yang diinginkan. Proses ini akan menyempurnakan proses regenerasi resin dengan menjamin kontak yang tepat antara regeneran dengan bagian bawah bed resin. Laju alir air pada proses pembilasan lambat biasanya sama dengan laju air untuk mengencerkan larutan brine. Durasi proses ini harus cukup untuk memungkinkan air dengan volume sekitar satu bed resin melewati unit. Ini memberikan aliran plug yang secara bertahap memindahkan air garam sepenuhnya melalui bed resin.

Pembilasan cepat merupakan lanjutan dari proses pembilasan lambat. Pada proses ini air masuk melewati distributor inlet dengan laju yang cepat. Air bilasan ini akan menghilangkan sisa brine dan ion kesadahan dari resin. Laju alir air biasanya diantara 1,02-1,36 L/s/m2, dan terkadang ditentukan oleh aliran servis yang masuk softener.

Awalnya effluent air bilas mengandung kesadahan dan natrium klorida. Pada kebanyakan operasi, softener dapat langsung digunakan sesegerakan mungkin ketika sudah mencapai tingkat kesadahan yang diinginkan, namun ada beberapa penggunaan yang mengharuskan pembilasan sampai kualitas output air bilas mendekati kualitas input. Pembilasan cepat yang efektif penting untuk menjamin kualiatas produk yang tinggi. Jika softener standby setelah regenerasi, pembilasan cepat kedua kali (service rinse) dapat dilakukan untuk menghilangkan kesadahan yang masuk selama unit standby.

SOFTENING ZEOLIT PANAS
Softener zeolit dapat digunakan untuk menghilangkan sisa kesadahan yang terdapat pada effluent dari proses hot lime softener atau lime soda softener. Aliran panas mengalir menuju filter kemudian melalui bed resin kation asam kuat dalam bentuk natrium (Gambar 8.7). Peralatan dan operasi dari hot zeolit softener identik dengan softener pada temperatur ambient, kecuali valve, perpipaan, kontrol, dan instrumen yang harus sesuai dengan temperatur hingga 101-121oC. Resin kation kuat standar dapat digunakan hingga temperatur 132oC, tetapi lebih disarankan menggunakan gel premium atau resin makroretikular untuk waktu operasi yang lebih lama. Ketika sistem zeolit digunakan setelah proses hot softener maka sistem harus didesain agar dapat menghilangkan lonjakan aliran pada unit hot lime. Pada umumnya desain menggunakan tangki penyimpanan air backwash pada unit hot lime dan pembilasan lambat yang diperlama sebagai pengganti pembilasan cepat standar.

Gambar 8.7 Kombinasi sistem hot lime/hot zeolit

Applikasi dan Kelebihan
Pembentukan kerak dan deposit pada boiler dan pembentukan emulsi sabun ketika proses pencucian menyebabkan besarnya kebutuhan akan softened water.  Karena softener zeolit natrium mampu menangani masalah ini secara ekonomis sehingga softener ini banyak digunakan untuk pengolahan air boiler tekanan rendah dan sedang, laundry, dan proses kimia. Kelebihan softener zeolit natrium dibandingkan softener lainnya:

  • Produk air olahannya memiki kecenderungan yang sangat rendah membentuk kerak karena dapat mengurangi kesadahan hingga kurang dari 2 ppm
  • Operasinya sederhana dan dapat diandalkan
  • Garam memiliki harga yang murah dan mudah ditangani
  • Tidak menghasilkan lumpur
  • Pada batasan tertentu, variasi laju alir air hanya sedikit berpengaruh pada kualitas air olahan.
  • Cocok untuk instalasi ukuran besar maupun kecil karena dapat berjalan efisien hampir di semua ukuran unit.

Batasan
Meski softener zeolit natrium mampu mengurangi kesadahan, tetapi kandungan padatan, alkalinitas, dan silika di dalam air tidak terpengaruh. Softener zeolit bukan pengganti langsung dari sebuah hot lime-soda softener. Pabrik yang menggantikan hot lime-soda softener hanya dengan softener zeolit mengalami permasalahan dengan kadar alkalinitas dan silika di dalam boilernya.

Karena resin adalah sebuah filter yang efektif, softener zeolit natrium tidak berfungsi efektif dengan turbiditas air. operasi kontiniu dengan turbiditas di atas 1,0 JTU akan meyebabkan fouling pada bed, waktu operasi yang pendek, dan kualitas effluent yang buruk. Air umpan dari perkotaan, dan air sumur mungkin cocok dengan sistem ini, tetapi kebanyakan air permukaan harus diolah dengan clarifier dan disaring sebelum digunakan.

Resin dapat mengalami fouling akibat pengotor logam berat seperti besi dan alumunium yang tidak dihilangkan selama proses regenerasi normal. Jika air umpan mengandung besi atau mangan berlebih maka resin harus dibersihkan secara periodik. Ketika koagulan alumunium digunakan pada sistem softener zeolit  maka diperlukan pengoperasian dan pengontrolan pH clarifier yang tepat agar didapat performa alat yang baik.

Agen pengoksidasi kuat yang ada di dalam air akan meyerang dan membuat resin terdegradasi. Klorin yang ada pada kebanyakan air dari limbah perkotaan merupakan oksidator kuat dan harus dihilangkan sebelum masuk unit softener zeolit dengan filter karbon aktif atau reaksi dengan natrium sulfit.

DEMINERALISASI
Softening saja tidak cukup untuk mengolah air umpan boiler bertekanan tinggi dan banyak aliran proses lainnya, terutama proses produksi peralatan elektronik. Diperlukan proses penghilangan semua padatan terlarut seperti natrium, silika, alkalinitas, dan anion (Cl-, SO4, NO3).

Demineralisasi air adalah proses penghilangan semua garam anorganik esensial. Pada proses ini, resin kation asam kuat dalam bentuk hidrogen mengubah garam terlarut menjadi asamnya, resin basa kuat dalam bentuk hidroksida menghilangkan asam tersebut. Demineralisasi menghasilkan air dengan kualitas yang sama dengan air distilasi dengan biaya yang lebih rendah untuk kenbanyakan air baku.

Prinsip dari Demineralisasi
Sistem demineralisasi terdiri dari satu atau lebih kolom resin ion exchange yang melingkupi unit kation asam kuat dan unit anion basa kuat. Resin kation menukar hidrogen pada air baku seperti reaksi berikut:

Total konsentrasi dari asam kuat di dalam effluent kation dinyatakan sebagai free mineral acidity (FMA). Tipikal operasi servis, FMA bernilai stabil hampir sepanjang waktu seperti pada Gambar 8.8. Jika efisiensi cation exchange adalah 100% maka nilai FMA dari exchanger akan sama dengan nilai theoretical mineral acidity (TMA). FMA biasanya lebih kecil sedikit dibanding TMA karena sedikit dari natrium bocor melewati cation exchange. Jumlah natrium yang bocor tergantung dari level regeneran, laju alir, dan perbandingan natrium terhadap kation yang ada di dalam air. Umumnya kebocoran natrium meningkat seiring peningkatan rasio natrium terhadap total kation yang ada di dalam air.

Gambar 8.8 Tipikal profil effluent kation asam kuat

Ketika unit cation exchange hampir jenuh maka FMA pada effluent akan turun secara tajam sehingga unit harus diregenerasi dengan larutan asam yang mengembalikan gugus resin menjadi bentuk hidrogen. Larutan asam sulfat sering digunakan karena ketesediannya yang banyak dan murah. Akan tetapi, penggunaan asam sulfat yang tidak tepat akan menyebabkan fouling kalsium sulfat yang irreversible.

Untuk mencegah hal ini, asam sulfat biasanya digunakan pada laju alir yang tinggi (1 gpm/m2 resin) dengan konsentrasi awal 2% atau kurang. Konsentrasi asam ditingkatkan secara bertahap menjadi 6-8% untuk menyempurnakan proses regenerasi.

Beberapa intalasi unit menggunakan asam klorida untuk regenerasi. Sistem ini membutuhkan material khusus untuk sistem regenerasi. Unit zeolit natrium membutuhkan kelebihan regeneran (asam sulfat atau asam klorida) hingga 3 kali dosis teoritis.

Untuk menyempurnakan proses demineralisasi, air dari unit kation dilewatkan menuju resin anion basa kuat dalam bentuk hiroksida. Resin akan menukar ion hidrogen dari ion mineral yang terionisasi kuat dan ion karbonat dan ion silikat seperti berikut:

Reaksi di atas mengindikasikan bahwa demineralisasi secara sempurna menghilangkan kation dan anion di dalam air. Kenyataanya, karena reaksi ion exchange adalah reaksi kesetimbangan, beberapa kebocoran terjadi. Hampir semua kebocoran dari unit kation adalah ion natrium. Kebocoran natrium ini akan mengubah ion natrium menjadi natrium hidroksida pada unit anion sehingga effluent dari kedua unit  sistem demineralisasi sedikit basa. Kaustik yang dihasilkan di anion akan menyebabkan sedikit kebocoran silika. Kebocoran lanjutan dari anion tergantung kandungan zat kimia yang ada di dalam air dan dosis regeneran yang digunakan.

Demineralisasi menggunakan resin anion kuat menghilangkan silika seperti menghilangkan padatan terlarut lainnya. Silika dan konduktivitas effluent merupakan parameter penting untuk memonitor proses demineralisasi. Kandungan silika dan konduktivitas pada akhir pembilasan akan rendah yang ditunjukkan pada Gambar 8.9.

Gambar 8.9 Profil konduktivitas atau silika pada anion basa kuat

Ketika breaktrhough silika terjadi pada akhir servis, kandungan silika pada air olahan akan meningkat tajam. Konduktivitas sering turun sebentar kemudian meningkat secara cepat. Selama servis normal,  kebanyakan konduktivitas effluent berhubungan dengan kadar natrium hidroksida  yang dihasilkan pada anion exchanger. Ketika breakthrough silika terjadi, natrium hidroksida sudah tidak ada lagi, dan natrium dari cation exchanger diubah menjadi natrium silikat, yang konduktif dibandingkan dengan natrium hidroksida. Seiring resin anion mengalami kejenuhan maka terjadi breakthrough ion mineral yang konduktif dan menyebabkan peningkatan konduktivitas.

Ketika akhir dari operasi demineralisasi terdeteksi, unit harus digantikan secepatnya. Jika unit masih digunakan melewati breakpoint, kadar silika di air olahan bisa lebih tinggi dari kadar air umpan karena peningkatan konsentrasi silika yang terjadi pada resin anion selama proses operasi.

Resin penukar anion basa kuat diregenarasi dengan menggunakan larutan natrium hidroksida 4%. Untuk meningkatkan penghilangan silika dari bed resin, regeneran kaustik dipanaskan hingga 40oC atau hingga spesifikasi temperatur dari pabrik pembuat resin. Penghilangan silika juga ditingkatkan dengan tahapan pemanasan awal bed resin sebelum masuknya kaustik hangat.

Operasi dan Peralatan
Peralatan yang digunakan pada sistem demineralisasi tidak jauh berbeda dengan softener zeolit. Perbedaan utama yaitu vessel, valve, dan perpipaan pada demineralisasi harus terbuat dari material yang tahan korosi. Karet dan PVC merupan material yang digunakan pada lining vessel ion exchange. Kontrol dan sistem regenerasi pada demineralisasi lebih rumit meningkatkan tahapan proses seperti regenerasi asam dan kaustik hangat.

Operasi dari demineralisasi mirip dengan operasi softener zeolit. Rentang laju alir servis pada demineralisasi adalah 4,1-6,8 L/s/m2. Laju alir yang lebih dari 6,8 L/s/m2 akan meningkatkan kebocoran natrium dan silika. Oleh karena itu, laju alir backwash resin anion jauh lebih rendah dari resin kation, dan ekspansi anion dipengaruhi oleh temperatur air dibandingkan ekspansi resin kation. Air yang digunakan untuk regenerasi anion harus bebas dari kesadahan untuk mencegah pengendapan garam kesadahan pada bed resin anion.

Instrumen analisa silika dan konduktivitas secara kontiniu biasanya digunakan untuk memonitor kualitas effluent anion dan mendeteksi kebutuhan regenerasi. Dalam beberapa kasus probe konduktivitas dipasang di dalam bed resin di atas kolektor underdrain untuk mendeteksi saat resin jenuh sebelum terjadi breakthrough silika pada air yang diolah.

Kelebihan dan Keterbatasan
Demineralisasi dapat menghasilkan air dengan kemurnian tinggi. Demineralisasi digunakan secara luas untuk boiler tekanan tinggi dan banyak air proses. Kualitas air yang dihasilkan sebanding dengan air distilasi dan lebih murah dari segi biaya. Demineralisasi dapat digunakan pada berbagai ukuran mulai dari skala laboratorium yang menghasilkan beberapa galon per jam hingga sistem  yang menghasilkan ribuan galon per menit.

Seperti sistem ion exchange lainnya, demineralisasi memerlukan filter agar berjalan secara efisien. Agen pengoksidasi dan penyebab fouling pada resin seperti besi dan klorin harus dihindari atau dihilangkan sebelum masuk menuju demineralisasi. Resin anion sangat rapuh terhadap fouling dari zat organik yang ada pada air permukaan. Beberapa bentuk silika,  yang dikenal sebagai koloid, atau tidak reaktif, tidak dapat dihilangkan dengan demineralisasi. Air boiler panas dan bersifat basa akan melarutkan zat koloid, membentuk silikat sederhana yang menyerupai zat silika yang masuk ke dalam boiler dalam bentuk terlarut. Zat ini dapat membentuk deposit pada permukaan tube dan menguap menuju steam.

DEALKALISASI
Seringnya, kondisi boiler dan proses membutuhkan penghilangan kesadahan dan pengurangan alkalinitas, tetapi tidak perlu menghilangkan padatan lainnya. Softening zeolit tidak mengurangi alkalinitas dan demineralisasi memiliki biaya yang mahal. Untuk kondisi seperti ini digunakan proses dealkalinasi. Proses yang paling sering digunakan adalah dealkalinasi zeolit natrium/zeolit hidrogen (split stream), dealkalinasi anion-klorida, dan dealkalinasi kation asam lemah.

Dealkalinasi Zeolit Natrium/Zeolit Hidrogen (Split Stream)
Pada sistem ini, sebagian air baku mengalir melewati softener zeolit natrium. Sisanya mengalir melewati unit kation asam dalam bentuk hidrogen (zeolit hidrogen). Effluent dari zeolit natrium digabung dengan effluent dari zeolit hidrogen. Effluent dari zeolit hidrogen mengandung asam karbonat yang dihasilkan alkalinitas air baku dan asam mineral bebas. Ketika dua aliran digabung, asiditas mineral bebas di dalam effluent zeolit hidrogen mengubah alkalinitas natrium karbonat dan bikarbonat di dalam zeolit natrium menjadi asam karbonat seperti reaksi di bawah ini:

Asam karbonat tidak stabil di dalam air dan terurai menjadi gas karbon dioksida dan air. Campuran effluent dikirim menuju unit dekarbonator atau degasser, dimana karbon dioksida dilucuti dari air dengan aliran countercurrent dengan udara. Gambar 8.10 menunjukkan sistem aliran dealkalinasi split stream tipikal.

Gambar 8.10 Softener zeolit natrium atau hidrogen split stream

Level alkalinitas yang dikehendaki dari campuran air dapat dijaga melewati kontrol dari persentase campuran air dari zeolit natrium dan zeolit hidrogen. Semakin tinggi persentase air dari zeolit natrium maka akan semakin tinggi alkalinitas dan peningkatan persentase air dari zeolit hidrogen akan mengurangi alkalinitas.

Dealkalinasi split stream mengurangi padatan terlarut di dalam air. Hal ini penting untuk air dengan alkalinitas tinggi karena konduktivitas air ini akan mempengaruhi proses dan membatasi siklus konsentrasi boiler.

Dealkalinasi Zeolit Natrium/Anion Klorida
Resin anion basa kuat dalam bentuk klorida dapat digunakan untuk mengurangi alkalinitas air. air mengalir melewati softener zeolit kemudian unit anion yang akan menggantikan ion karbonat, bikarbonat, sulfat, dan nitrat dengan ion klorida seperti reaksi di bawah ini:

Delkalizer anion klorida mengurangi alkalinitas hampir 90%, tetapi tidak mengurangi total padatan. Ketika resin akan jenuh, alkalinitas air olahan meningkat dengan cepat yang mengindikasikan perlukan dilakukan regenerasi.

Softener zeolit diregenerasi seperti prosedur yang dijelaskan sebelumnya. Resin anion juga diregenerasi dengan brine natrium klorida yang mengembalikan resin ke bentuk klorida. Seringnya, sedikit soda kaustik ditambahkan pada regeneran brine untuk meningkatkan penghilangan alkalinitas.

Dealkalinasi Kation Asam Lemah
Resin asam lemah mirip memiliki kemiripan dalam operasi dengan resin kation asam kuat, tetapi hanya menghilangkan kation yang berhubungan dengan alkalinitas seperti reaksi di bawah:

Dimana Z menggambarkan resin. Asam karbonat yang terbentuk dihilangkan dengan dekarbonator atau degasser seperti pada sistem split stream.

Influent ideal untuk sistem kation asam lemah memiliki tingkat kesadahan yang sama dengan alkalinitas (kedua satuan ini dinyatakan ppm sebagai CaCO3). Di air yang memiliki alkalinitas yang lebih besar dari kesadahan, alkalinitas tidak dihilangkan sampai level terendahnya. Pada air dengan kesadahan yang lebih besar dibandingkan alkalinitasnya, beberapa kesadahan akan tetap tertinggal setelah pengolahan. Biasanya air ini harus diolah dengan softener zeolit untuk menghilangkan kesadahan. Selama tahapan awal servis dari kation asam lemah (40-60%), beberapa kation berasosiasi dengan pertukaran mineral anion, menghasilkan beberapa asam mineral pada effluent. Seiring berlanjutnya siklus servis, alkalinitas akan muncul pada effluent. Ketika alkalinitas effluent lebih dari 10% dari alkalinitas influent maka unit harus diregenerasi dengan larutan asam sulfat 0.5%. Konsentrasi regeneran harus dijaga di bawah 0.5-0.7%, untuk mencegah pengendapan kalsium sulfat pada resin. Kation asam lemah sangat efisien sehingga jumlah asam yang dibutuhkan untuk regenerasi setara dengan jumlah kation yang dihilangkan selama unit beroperasi.

Jika material konstruksi pada bagian hilir peralatan atau proses secara keseluruhan tidak mentoleransi asiditas mineral yang ada selama tahap awal siklus servis, larutan brine dilewatkan saat regenerasi resin sebelum pembilasan akhir. Larutan ini menghilangkan asiditas mineral tanpa berdampak pada kualitas atau lama urutan jalan alat.

Peralatan yang digunakan pada sistem dealkalinasi kation asam lemah mirip dengan yang digunakan pada resin kation asam kuat, kecuali pada resinnya. Satu variasi pada desain standar menggunakan sebuah lapisan resin asam lemah pada bagian atas resin kation asam kuat. Karena sifatnya yang ringan maka resin asam lemah tetap berada di bagian atas. Sistem resin berlapis diregenerasi dengan asam sulfat dan kemudian dengan brine natrium klorida. Larutan brine mengubah resin asam kuat menjadi bentuk natrium dan resin ini bertindak sebagai polishing softener.

Injeksi Asam Secara Langsung
Pada proses injeksi asam secara langsung dan dekarbonasi, asam digunakan untuk mengubah alkalinitas menjadi asam karbonat. Asam karbonat terdisosiasi menjadi karbon dioksida dan air, kemudian karbon dioksida di lepaskan di dalam dekarbonator. Penggunaan sistem injeksi asam harus diperhatikan dengan baik karena pengumpanan asam berlebih atau penurunan sistem kontrol pH dapat menimbulkan asiditas air umpan yang akan mengkorosi permukaan besi dari sistem air umpan dan boiler. Monitoring pH yang tepat dan pengontrolan pengumpanan kaustik diperlukan setelah dekarbonasi.

Kelebihan dan Keterbatasan Sistem Dealkalinasi
Sistem dealkalinasi menghasilkan air yang bebas dari kesadahan, alkalinitas yang rendah pada biaya yang sesuai dan dengan derajat reabilitas yang tinggi. Sistem ini cocok untuk pengolahan air umpan boiler bertekanan sedang dan air proses di industri minuman. Sistem split stream  dan kation asam lemah juga mengurangi total padatan terlarut. Beberapa kekurangan yang perlu dipertimbangkan:

  • Dealkalinasi tidak menghilangkan semuan alkalinitas dan kandungan silika di dalam air
  • Dealkalinasi membutuhkan kemurnian influent yang sama dengan proses ion exchange lainnya, membutuhkan air yang telah disaring dengan potensi fouling yang rendah.
  • Air yang dihasilkan oleh sistem delkalinasi menggunakan forced draft dekarbonator menjadi jenuh dengan oksigen sehingga ada potensi korosi.

COUNTER FLOW DAN MIXED BED DEIONIZATION
Karena peningkatan tekanan operasi boiler dan produksi barang yang membutuhkan air bebas kontaminan, ada peningkatan akan kualitas air yang lebih murni dari air yang di hasilkan demineralizer. Dibutuhkan modifikasi dari proses demineralisasi standar untuk meningkatkan kemurnian air olahan. Peningkatan yang signifikan dari kualitas air olahan terjadi pada counterflow cation exchanger dan mixed bed exchanger.

Counterflow Cation Exchanger
Pada demineralisasi konvensional, regeneran mengalir dengan arah aliran yang sama dengan aliran servis, yaitu mengalir ke bawah melewati bed resin. Skema ini disebut sebagai operasi co-current dan merupakan basis untuk kebanyakan desain sistem ion exchange. Selama regenerasi unit co-current, kontaminan dibuang melalui bed resin selama proses regenerasi. Pada akhir regenerasi, beberapa ion pada umumnya ion natrium, tertinggal pada bagian bawah bed resin. Karena bagian atas dari bed resin telah terekspos dengan regeneran segar sehingga ian teregenerasi dengan baik. Seiring dengan mengalirnya air melewati resin saat servis, kation bertukar di bagian atas terlebih dahulu dan kemudian turun melewati resin seiring dengan bed mulai jenuh. Ion natrium yang tertinggal pada bed selama regenerasi berdifusi menuju air yang telah mengalami dekationasi sebelum meninggalkan vessel. Kebocoran natrium ini memasuki unit anion dimana anion exchange menghasilkan kaustik, menaikkan pH dan konduktivitas air olahan.

Pada regenerasi counterflow cation exchanger, regeneran mengalir berlawanan arah dengan aliran air saat servis. Jika saat servis, air mengalir dari atas ke bawah melewati bed, maka regeneran akan mengalir dari bawah ke atas melewati bed sehingga resin dengan regenerasi paling baik berada di lokasi tempat air meninggalkan vessel. Resin dengan regenerasi paling tinggi mampu menghilangkan kontaminan dengan kadar rendah yang lolos dari bagian atas bed. Hal ini menghasilkan air yang lebih murni dibandingkan sistem co-current. Untuk memaksimalkan kontak antara asam dan resin dan menjaga resin yang teregenerasi paling baik tercampur dengan sisa bed, bed resin harus tetap terkompresi selama masuknya regeneran. Kompresi ini dapat dicapai dengan dua cara yaitu:

  • Memblok aliran air atau udara yang digunakan
  • Membagi aliran asam, dan asam dimasukkan pada bagian atas dan bawah dari bed resin (Gambar 8.11)
Gambar 8.11 Profil counterflow kation menunjukkan metode penutupan dua aliran asam

Mixed Bed Exchanger
Mixed bed exchanger memiliki resin kation dan anion yang tercampur bersama-sama di dalam sebuah vessel. Seiring air mengalir melalui bed resin, proses pertukaran ion berlangsung secara berulang-ulang, membersihkan air hingga kemurnian yang sangat tinggi. Selama proses regenerasi, resin dipisahkan menjadi bagian kation dan anion seperti pada Gambar 8.12. Resin dipisahkan dengan proses backwash dengan resion kation yang lebih ringan dibandingkan kation akan berada pada bagian atas. Regeneran asam dimasukkan melalui bottom distributor, dan kaustik dimasukkan pada distributor di atas bed resin. Aliran regeneran bertemu pada batas antara resin kation dan anion dan dikeluarkan melalui kolektor yang berada pada permukaan resin. Setelah pemasukkan regeneran dan displacement rinse, udara dan air digunakan untuk mencampurkan resin kemudian resin dibilas dan siap digunakan.

Gambar 8.12 Tahapan penting pada urutan regenerasi untuk mix bed exchanger

Sistem counterflow dan mixed bed menghasilkan air yang lebih murni dibandingkan demineralizer kation-anion konvensional, tetapi membutuhkan peralatan yang canggih dan biaya awal yang lebih mahal. Semakin komplit tahapan regenerasi membutuhkan perhatian operator dibandingkan sistem standar.

PROSES DEMINERALISASI LAINNYA
Proses standar kation-anion telah bayak dimodifikasi sistemnya agar menghemat biaya regeneran dan limbah yang dihasilkan. Modifikasi meliputi penggunaan dekarbonator dan degasser, resin asam dan basa lemah, limbah resin basa kuat kaustik (untuk regenerasi anion basa lemah), dan reklamasi sebagian dari kaustik bekas untuk siklus regenerasi selanjutnya. Beberapa pendekatan demineralisasi menggunakan proses ini seperti pada Gambar 8.13.

Gambar 8.13 Sistem demineralisasi

Dekarbonator dan Degasser
Dekarbonator dan degasser bermanfaat secara ekonomi pada banyak sistem demineralisasi karena dapat mengurangi penggunaan kaustik untuk regenerasi. Air dari exchanger kation dipecah menjadi tetesan dengan sistem spray dan tray atau isian di dalam karbonator. Air kemudian megalir melewati aliran udara yang mengalir secara berlawanan arah. Asam karbonat yang ada pada effluent kation akan terdisosiasi menjadi karbon dioksida dan air. karbon dioksida dilucuti dari air dengan udara, dan mengurangi beban exchanger anion. Forced draft decarbonator tipikal mampu untuk menghilangkan karbon dioksida hingga 10-15 ppm, namun air keluaran dekarbonator jenuh dengan oksigen.

Dalam degasser vakum, tetesan air dialirkan menuju packed column yang dioperasikan pada kondisi vakum. Karbon dilepaskan karena penurunan tekanan parsial pada kondisi vakum. Degasser vakum biasanya mampu mengurangi karbon dioksida hingga kurang dari 2 ppm dan juga menghilangkan banyak oksigen dari air, namun degasser vakum lebih mahal dibandingkan forced draft decarbonator.

Resin Asam dan Basa Lemah
Resin lemah lebih efisien dalam regenerasi dibandingkan resin kuat. Resin asam lemah menukar kation yang berhubungan dengan alkalinitas. Resin basa lemah menukar anion asam mineral (SO4, Cl, NO3) dalam bentuk larutan asam kuat. Efisiensi regenerasi resin lemah secara virtual stoikiometri, pengurangan 1 kgr ion (sebagai CaCO3) hanya membutuhkan lebih dari 1 kgr ion regeneran (sebagai CaCO3). Resin kuat membutuhkan tiga hingga empat kali jumlah regeneran yang diperlukan oleh resin lemah.

Resin basa lemah sangat efisien dan umum digunakan sebagian soda bekas sebagai regenerannya. Bagian pertama kaustik bekas resin basa kuat dibuang menuju limbah untuk menghindari fouling silika pada resin basa lemah. Sisa kaustik digunakan untuk meregenerasi resin basa lemah. Resin basa lemah mampu menahan material organik alami yang menyebabkan fouling pada resin basa kuat dan membuangnya selama siklus regenerasi sehingga resin basa lemah sering digunakan untuk melindungi resin basa kuat dari fouling senyawa organik.

Penggunaan Kembali Regeneran
Karena biaya kaustik soda yang mahal dan meningkatnya masalah pembuangan limbah, banyak sistem demineralisasi menggunakan fitur penggunaan kaustik kembali. Sistem penggunaan ini menggunakan sebagian soda bekas dari proses regenerasi sebelumnya di awal siklus regenerasi selanjutnya. Penggunaan kaustik bekas diikuti dengan soda baru untuk menyempurnakan regenerasi. Soda baru tersebut akan digunakan kembali untuk regenerasi selanjutnya. Tipikalnya, asam sulfat tidak digunakan kembali karena biaya yang murah dan masalah pengendapan kalsium sulfat.

Pemolesan Kondesat
Penukar ion tidak hanya digunakan pada proses dan air makeup boiler, tetapi juga digunakan untuk memurnikan atau mengolah kondensat yang kembali, menghilangkan produk korosi yang dapat menimbulkan deposit pada boiler.

Kontaminan tipikal pada sistem kondensat merupakan partikulat besi dan tembaga. Kontaminan dengan kadar yang rendah lainnya dapat masuk sistem melewati kondensor atau kebocoran segel pompa atau carry-over air boiler menuju steam. Pemoles kondensat menyaring partikulat dan menghilangkan kontaminan terlarut dengan penukar ion.

Kebanyakan kondensat paper mill beroperasi pada temperatur sekitar 93oC, menghindarkan penggunaan resion anion. Resin kation stabil pada temperatur lebih dari 132oC digunakan untuk pemolesan kondensat unggun dalam aplikasi ini. Resin diregenerasi dengan brine natrium klorida. Pada kondisi saat kebocoran natrium dari pemoles mempengaruhi program kimia air boiler. Untuk mengatasi hal tesebut, resin dapat diregenerasi dengan larutan amina terionisasi.

Laju alir untuk pemoles unggun dalam (13,6-34 L/s/m2) sangat tinggi dibandingkan laju alir softener konvensional. Lajur alir yang tinggi diperbolehkan karena kadar ion yang terlarut di dalam kondensat biasanya bisa sangat rendah. Partikulat besi dan tembaga dipisahkan dengan penyaringan dan kontaminan yang terlarut dihilangkan dengan pertukaran dengan natrium atau amina di dalam resin.

Bed resin kation dalam dari pemoles kondensat diregenerasi dengan 240 kg natrium klorida pemeter kubik resin, dengan cara yang sama dengan regenerasi zeolit natrium konvensional. Reducing agent sering digunakan untuk membantu penghilangan besi. Header tambahan untuk backwash terkadang diletakan di bawah permukaan unggun resin. Distributor subsurface digunakan sebelum backwash, air masuk untuk menghancurkan karat yang terbentuk pada permukaan resin antara regenerasi.

Pemilihan resin merupakan pertimbangan penting karena penurunan tekanan yang besar dihasilkan oleh laju alir air servis yang besar dan beban partikulat. Banyak sistem beroperasi pada temperatur yang tinggi, tegangan yang besar dikenakan pada struktur resin. Resin gelular grade premium atau makroretikular harus digunakan pada sistem pemoles kondensat unggun dalam.

Pada sistem yang memerlukan penghilangan padatan terlarut dan partikulat, pemoles kondensat tipe mixed bed dapat digunakan. Temperatur maksimum kondensat harus di bawah 60oC, yang merupakan temperatur maksimum operasi kontiniu untuk resin anion dan laju alir yang melewati unit umumnya dikurangi sekitar 13,6 L/s/m2.

Resin penukar ion juga digunakan sebagai bagian dari sistem precoat filtration seperti pada Gambar 8.14, sebagai pemoles kondensat. Resin dihancurkan dan dicampur di dalam sebuah lumpur, yang digunkan untuk melapisi septum individu di dalam vessel filter. Bubuk resin merupakan media filter yang sangat halus dan menjebak zat partikulat serta menghilangkan beberapa kontaminan terlarut dengan pertukaran ion. Ketika media filter tersumbat, material precoat dibuang dan septum dilapisi kembali dengan lumpur bubuk resin baru.

PERMASALAHAN UMUM PADA SISTEM ION EXCHANGE
Seiring banyaknya dinamika operasi sistem berkaitan dengan kelistrikan, peralatan mekanik, dan operasi kimia, permasalahan timbul pada sistem ion exchange. Permasalahan sering mengakibatkan kualitas effluent yang buruk, berkurangya waktu operasi, atau meningkatnya konsumsi regeneran. Untuk menjaga sistem ion exchange beroperasi dengan efisien dan handal, perubahan pada kualitas air, lama waktu operasi, atau konsumsi regeneran harus dipertimbangkan kapanpun persalahan terdeteksi.

Diagram cause-effect untuk waktu operasi pendek (Gambar 8.15) dan kualitas effluent yang jelek (Gambar 8.16) menunjukkan bahwa ada banyak penyebab yang mungkin mengurangi performa sistem demineralisasi. Beberapa permasalahan yang umum akan dibahas di bawah ini.

Gambar 8.15 Diagram cause-effect untuk sistem demineralizer dua unggun dengan waktu operasi pendek
Gambar 8.16 Diagram cause-effect untuk effluent dengan kualitas jelek pada sistem demineralisasi dua unggun

Permasalahan Operasional
Perubahan pada kualitas air umpan sangat berpengaruh pada lama waktu operasi dan kualitas effluent yang dihasilkan unit ion exchange. Meski banyak air sumur memiliki kualitas yang stabil, banyak air permukaan memiliki komposisi yang berubah-ubah seiring waktu. 10% peningkatan kesadahan air akan megurangi 10% waktu operasi unit. Peningkatan perbandingan natrium terhadap total kation akan meningkatkan kebocoran natrium dari sistem demineralisasi. Analisa kimia secara regular terhadap air umpan diperlukan untuk mengamati adanya variasi.

Penyebab lain dari permasalahan operasi ion exchange meliputi:

  • Regenerasi yang tidak tepat, disebabkan aliran regeneran yang salah, waktu, atau konsentrasi. Rekomendasi dari pabrik harus dipatuhi ketika melakukan regenerasi.
  • Channeling, ditimbulkan akibat dari aliran yang kencang ataupun aliran lambat, peningkatan beban padatan tersuspensi atau backwash yang buruk. Hal ini menyebabkan kejenuhan prematur bahkan ketika masih banyak dari bed dalam keadaan teregenerasi.
  • Fouling pada resin atau degradasi resin disebabkan kualitas regeneran yang jelek.
  • Kegagalan untuk menghilangkan silika dari resin yang ditimbulkan akibat temperatur regeneran kaustik yang rendah. Hal ini akan menimbulkan meningkatnya kebocoran silika dan waktu operasi yang pendek.
  • Kontaminan berlebih pada resin, karena operasi sebelumnya melebihi beban jenuh. Karen resin mengandung kontaminan yang lebih banyak dibandingkan desain regenerasi normal, regenerasi ganda diperlukan untuk perpanjangan waktu operasi.

Permasalahan Mekanik
Permasalahan mekanik tipikal yang berhubungan dengan sistem ion exchange meliputi:

  • Kebocoran valve, menyebabkan kualitas effluent dan pembilasan lebih lama
  • Rusak atau tersumbatnya distributor yang akan menimbulkan channeling
  • Kehilangan resin karena kelebihan backwash atau kerusakan underdrain screening atau media penyokong.
  • Resin kation berada pada anion resin menyebabkan lamanya waktu pembilasan dan kebocoran natrium pada air demineralisasil.
  • Permasalahan instrumentasi, seperti kesadahan totalizer atau alat ukur konduktivitas yang akan mengindikasikan masalah ketika tidak ada masalah atau menghasilkan air yang jelek. Instrumen di sistem demineralisasi harus dicek secara rutin.

FOULING DAN DEGRADASI RESIN
Resin dapat mengalami fouling dengan kontaminan yang menghalangi proses pertukaran ion. Gambar 8.17 menunjukkan resin mengalami fouling dengan besi. Resin juga dapat diserang oleh bahan kimia yang menyebabkan kerusakan reversibel. Beberapa material organik (Gambar 8.18), menyebabkan fouling pada resin awalnya dan mendegradasi resin kemudian.

Gambar 8.17 Resin dengan fouling besi
Gambar 8.18 Fouling pada resin anion yang disebabkan material organik

Penyebab Fouling pada Resin
Besi dan mangan. Besi dapat hadir di dalam air sebagai garam anorganik ferro atau ferri atau senyawa kompleks. Ferro dapat betukar di dalam resin, tetapi ferri tidak larut di dalam air. Ferri menutup resin kation sehingga mencegah pertukaran ion. Asam atau agen pereduksi kuat harus digunakan untuk menghilangkan besi ini. Besi yang terikat organik melewati resin kation dan membuat fouling pada resin anion. Zat ini harus dihilangkan bersamaan dengan material organik. Mangan ada dalam beberapa air sumur, dan menimbulkan fouling dengan cara yang sama dengan besi.

Alumunium. Alumunium biasanya ada sebagai alumunium hidroksida, dihasilkan dari alum atau natrium aluminat yang digunakan pada klarifikasi atau precipitation softening. Flok alumunium jika terbawa melewati resin, menutupi resin di dalam softener zeolit natrium. Zat ini dihilangkan dengan asam atau basa. Biasanya aluminium tidak menyebabkan fouling pada sistem demineralisasi karena ia dihilangkan dari resin selama regenerasi normal.

Pengendapan Kesadahan
Endapan kesadahan dibawa melewati sebuah filter dari sebuah precipitation softener atau dari setelah filtrasi oleh post-precipitation. Endapan ini menimbulkan fouling pada resin yang digunakan untuk softening zeolit natrium. Endapan ini dihilangkan dengan asam.

Pengendapan Sulfat
Endapan kalsium sulfat dapat terjadi di sebuah resin kation asam kuat yang dioperasikan dalam siklus hidrogen. Pada akhir siklus servis, bagian atas resin kaya kalsium. Jika asam sulfat digunakan sebagai regeneran, dan digunakan pada konsentrasi yang tinggi atau laju alir yang sangat rendah, akan terjadi pengendapan kalsium sulfat, menyebkan fouling pada resin. Setelah kalsium sulfat terbentuk, akan sangat sulit untuk dilarutkan kembali sehingga biasanya resin yang mengalami fouling dengan zat ini akan diganti. Kasus fouling ringan kalsium sulfat dapat dipebaiki dengan perendaman lama dengan asam klorida.

Barium sulfat lebih sukar larut dibandingkan dengan kalsium sulfat. Jika air sumber mengandung barium dengan jumlah yang dapat diukur, penggunaan regeneran asam klorida harus dipertimbangakan.

Fouling oleh Minyak
Minyak menutupi resin, menghalangi pertukaran ion. Surfaktan dapat digunakan untuk menghilangkan minyak. Surfaktan yang dipilih harus dipertimbangkan agar tidak menimbulkan fouling pada resin. Fouling minyak pada resin anion harus dibersihkan dengan surfaktan nonionik saja.

Fouling oleh Mikroba 
Fouling ini dapat terjadi pada unggun resin, khususnya pada unggun resin yang diam tanpa adanya aliran servis. Fouling oleh mikroba dapat menimbulkan penyumbatan parah pada unggun resin, dan bahkan merusak karena kelebihan hilang tekan sepanjang resin yang mengalami fouling. Aliran konstan atau resirkulasi dapat digunakan untuk meminimalkan permasalahan ini. Kondisi yang parah membutuhkan penggunaan agen sterilisasi atau surfaktan yang sesuai.

Fouling oleh Silika
Fouling oleh silika dapat terjadi pada resin basa kuat jika temperatur regeneran terlalu rendah, atau pada basa lemah jika effluent kaustik dari unit anion basa kuat digunakan untuk meregenerasi resin basa lemah yang mengandung terlalu banyak silika. Pada pH rendah, polimerisasi silika dapat terjadi pada resin basa lemah. Hal ini juga masalah pada resin anion basa kuat yang sudah jenuh. Fouling ini dapat dihilangkan dengan perendaman lama dengan soda kaustik hangat (49oC).

Penyebab Degradasi Resin Ireversibel
Oksidasi
Agen pengoksidasi seperti klorin akan mendegradasi resin kation dan resin anion. Oksidan akan menyerang ikatan cross-link divinil benzena pada resin kation, mengurangi kekuatan keseluruhan unggun resin. Seiring penyerangan berlangsung, resin kation mulai kehilangan bentuk bulatnya dan kekakuan, menyebabkannya menjadi padat selama servis. Pemadatan akan meningkatkan hilang tekan sepanjang unggun resin dan menimbulkan channeling yang akan mengurangi kapasitas efektif unit.

Pada kasus klorin pada air baku tidak berefek langsung pada resin anion karena klorin dikonsumsi oleh resin kation. Namun hilir dari resin anion basa kuat akan mengalami fouling oleh beberapa produk degradasi dari oksidasi resin kation.

Jika klorin ada pada air baku maka harus dihilangkan sebelum masuk unit penukar ion dengan filter karbon aktif atau natrium sulfit. Sekitar 1,8 natrium sulfit dibutukan untuk mengonsumsi 1 ppm klorin.

Air yang jenuh dengan oksigen, seperti pada forced draft decarbonator, mempercepat pengrusakan situs resin basa kuat yang terjadi secara alami sepanjang waktu. Hal ini juga mempercepat degradasi karena organic fouling.

Degradasi Termal
Hal ini terjadi jika resin anion menjadi panas berlebihan selama servis atau siklus regenerasi. Hal ini benar-benar terjadi pada resin akrilik yang memiliki batas temperatur serendah 38oC dan resin anion basa kuat tipe II dengan batas temperatur 41oC ketika dalam bentuk hidroksida.

Fouling Organik
Fouling organik adalah bentuk fouling resin yang paling umum dan mahal. Biasanya hanya terdapat kadar organik yang rendah pada air sumur. Air permukaan dapat mengandung ribuan ppm bahan organik alami dan buatan manusia. Organik alami dihasilkan dari pelapukan vegetasi yang merupakan senyawa aromatik dan asam di alam dan senyawa logam kompleks seperti besi. Kontaminan ini terdiri dari tanin, asam tanin, asam humat, dan asam fulvat.

Awalnya, zat organik akan memblok situs resin basa kuat yang menyebabkan pembilasan akhir yang lama dan mengurangi kapasitas splitting garam. Seiring foulant tetap ada pada resin, resin akan mulai terdegradasi situs basa kuat dan mengurangi kapasitas splitting garam pada resin, fungsi situs berubah dari basa kuat mejadi basa lemah, dan akhirnya menjadi situr yang tak aktif. Resin pada tahap awal degradasi akan menunjukkan kapasitas total yang tinggi, tetapi berurangnya kapasitas splitting garam. Pada tahap ini, pembersihan masih dapat mengembalikan sebagian dari kapasitas yang hilang. Kapasitas splitting garam yang hilang mengurangi kemampuan resin untuk menghilangkan silika dan asam karbonat.

Fouling organik pada resin anion terlihat jelas dengan perubahan warna pada effluent dari unit anion selama regenerasi dengan rentang dari warna teh menjadi cokelat gelap. Selama operasi, air memiliki konduktivitas yang lebih tinggi dan pH yang rendah.

Pencegahan
Berikut adalah metode yang digunakan baik sendiri maupun kombinasi untuk mengurangi fouling organik.

  • Preklorinasi dan klarifikasi. Air dipreklorinasi di sumbernya dan kemudian diklarifikasi dengan organic removal aid.
  • Filtrasi dengan karbon aktif. Perlu diperhatikan bahwa filter karbon memiliki kapasitas terbatas untuk menghilangkan material organik dan performanya harus sering dimonitor.
  • Resin makropori dan basa lemah di depan resin basa kuat. Resin basa lemah atau makropori menyerap material organik dilepaskan selama regenerasi.
  • Resin khusus. Akrilik dan resin khusus lebih kurang rentan terhadap fouling organik telah dikembangkan.

Inspeksi dan Pembersihan
Program inspeksi dan pembersihan reguler pada sistem penukar ion akan membantu menjaga usia resin anion. Kebanyakan prosedur pembersihan menggunakan langkah berikut:

  • Brine dan kaustik hangat (49oC). Oksidan ringan agen pelarut dapat ditambahkan untuk meningkatkan proses pembersihan.
  • Asam klorida. Ketika resin fouling karena kandungan besi yang banyak maka digunakan asam klorida.
  • Larutan natrium hipoklorit 0,25-0,50%. Prosedur ini menghancurkan material organik, namun juga secara signifikan mendegradasi resin. Larutan ini dipertimbangkan sebagai pilihan terakhir.

Penting untuk membersihkan resin yang telah mengalami fouling organik sebelum degradasi permanen yang berlebihan pada resin basa kuat terjadi. Pembersihan dilakukan ketika telah terjadi degradasi permanen secara siginifikan menghilangkan material organik, tetapi tidak akan meningkatkan performa unit. Kondisi resin harus dimonitor secara dekat untuk mengidentifikasi jadwal perbersihan yang optimal.

 PENGECEKAN DAN ANALISA RESIN
Untuk memantau kondisi dari resin penukar ion dan menentukan waktu terbaik untuk pencucian diperlukan pengambilan sampel resin untuk analisa stabilitas fisik, tingkat penyebab fouling, dan kemampuan untuk menunjukkan performa yang diinginkan.

Sampel harus representasi dari keseluruhan unggun resin. Oleh karena itu sampel harus diambil dari berbagai level di dalam unggun, atau sebuah pengumpul resin atau pipa hollow untuk memperoleh sampel inti. Selama pengambilan sampel, inlet dan distributor harus diperiksa dan kondisi bagian atas unggun resin harus diperhatikan. Adanya tumpukkan atau jurang pada resin menunjukkan ada masalah pada distribusi aliran.membuat ion exchange atau kation anion

Sampel resin harus diperiksa secara mikroskopis untuk melihat fouling dan kerusakan atau keretakan butiran resin. Sampel juga harus dites sifat fisiknya seperti densitas dan kadar air (Gambar 8.19). Kadar senyawa organik dan anorganik penyebab fouling pada resin harus ditentukan dan dibandingkan dengan standar yang diketahui dan kondisi resin sebelumnya. Terakhir, kapasitas total dan splitting garam harus diukur pada sampel resin anion untuk mengevaluasi laju degradasi atau fouling organik.

Gambar 8.19 Pengambilan sampel dan evaluasi resin secara periodik dibutuhkan untuk menjaga performa dan efisiensi resin berada pada level optimum

Referensi:
Suez Water Technologies & Solutions. “Handbook of Industrial Water Treatment”membuat ion exchange atau kation anion 

Jl. Pelajar Pejuang 45 No. 43
Kota Bandung, Jawa Barat

WA  : 082237062772
Telp : 0227317077

Copyright 2021 solusitirtaoptima.com