Resin Penukar Ion

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

1.        

2.        

2.1.       Pengertian Resin Penukar Ion

Resin adalah senyawa hidrokarbon terpolimerisasi sampai tingkat yang tinggi yang mengandung ikatan-ikatan hubung silang (cross-linking) serta gugusan yang mengandung ion-ion yang dapat dipertukarkan.

         Penukar ion adalah elektrolit yang larut dalam air yang dapat menukar ion dengan elektrolit terlarut

Pertukaran ion didefinisikan sebagai pertukaran ion yang reversibel antara fase padatan dan fase cair yang dalam struktur padatan tidak ada perubahan tetap. Padatan adalah bahan penukar ion, sedangkan ion dapat merupakan zat aktif. Apabila digunakan sebagai suatu pembawa zat aktif, bahan penukar ion memberikan suatu cara untuk mengikat zat aktif  pada matriks polimer tak larut dan dapat secara efektif menutup rasa dan arome zat aktif yang akan diformulasikan menjadi tablet kunyah.

Resin penukar ion adalah suatu jaringan polimer yang mempunyai gugus fungsi ionik. Ion adalah partikel bermuatan listrik. Berdasarkan muatan listriknya, ada dua jenis ion yaitu ion bermuatan positif dan ion bermuatan negatif. Ion bermuatan positif disebut kation sedangkan ion bermuatan negatif disebut anion.

2.2.       Sifat – Sifat Resin

Sifat – sifat penting resin :

·      Kebesaran partikel à kecepatan pertukaran

·      Derajat cross-linking à kekakuan, pengembangan

·      Sifat dari gugus fungsional à macam ion yang ditukar

·      Kekuatan gugus fungsional à koefisien distribusi

·      Banyaknya gugus fungsional à kapasitas resin

Syarat-syarat dasar suatu resin :

·      Resin itu harus cukup terangkai silang, sehingga kelarutannya dapat diabaikan

·      Resin itu harus hidrofilik untuk memungkinkan difusi ion-ion melalui strukturnya dengan laju yang terukur

·      Harus menggunakan cukup banyak gugus penukar ion yang dapat dicapai dan harus stabil

·       Resin yang sedang mengembung ,harus lebih besar rapatannya daripada air
nR-H+ + Mn+ = (R-)nMn+ + nH+

R = matriks resin

2.3.       Macam-macam Resin Penukar Ion

Berdasarkan pada keberadaan gugusan labilnya, resin penukar ion dapat diklasifikasikan dalam berbagai macam, yaitu :

a.       resin penukar kation bersifat asam kuat (mengandung gugusan HSO3)

Contoh paling baik dari resin penukar kation asam kuat adalah “principal sulfonated styrene-divinylbenzene copolymer produc” seperti amberlite IRP-69 (Rhom dan Haas) dan DOWEX MSC-1 (Dow Chimical).

Resin ini dapat digunakan untuk menutup rasa dan aroma zat aktif kationik (mengandung amin) sebelum diformulasi dalam tablet kunyah. Resin ini merupakan produk sferik yang dibuat dengan mensulfonasi butir-butir kopolimer divinilbenzen srien dengan zat pensulfonasi pilihan berupa asam sulfat, asam klorosulfonoat, atau sulfur trioksida. Penggunaan zat pengembang yag non reaktif umumnya diperlukan untuk pengembangan yang cepat dan seragam dengan kerusakan minimum. Resin penukar kation asam kuat berfungsi diseluruh kisaran pH.

b.      resin penukar kation bersiat asam lemah (mengandung gugusan COOH),

Resin penukar kation asam lemah yang paling umum adalah yang dibuat dengan tautan silang atau asam karboksilat tak jenuh seperti asam metakrilat dengan suatu zat tautan silang seperti divinilbenzen. Contohnya mencakup DOWEX CCR-2 (DOW chemical) dan Amberlit IRP-65 (Rhom dan Haas). Resin pertukaran kation asam lemahberfungsi pada  pH diatas 6.

c.       resin penukar anion bersifat basa kuat (mengandung gugusan amina tersier atau kuartener)

Resin penukar anion basa kuat adalah resin amin kuartener sebagai hasil dari reaksi trietilamin yang kopolimer dari stiren dan dvinil benzen yang diklorometilasi, misalnya amberlite  IRP-276 (Rhom and Hass), dan DOWEX MSA-A (DOWnChemical). Resin penukar anion basa kuat ini befungsi diseluruh kisaran pH.

d.      resin penukar anionbersifat basa lemah (mengandung OH sebagai gugusan labil).

Resin penukar ion basa lemah dibentuk dengan mereaksikan amin primer dan amin sekunder atau amonia dengan kopolimer stiren dan divinil benzene  yang diklorometilasi, biasanya digunakan dimetilamin. Resin penukar anion basa lemah ini berfungsi dengan baik dibawah pH.

Sifat-sifat yang perlu dipertimbangkan apabila menggunakan suatu resin penukar ion mencakup ukuran partikel, bentuk, bobot jenis, porositas, stabilitas kimia fisika dan kapasitas ionik.

Kecepatan dan tingkat desorpsi zat aktif in vivo dari resin ini dikendalikan oleh kecepatan difusi zat aktif melalui fase polimer resin, demikian juga selektivitas koefisien antara zat aktif dan resin.

Resin penukar ion, terutama resin penukar kation asam lemah,  mempunyai mechanisme absortif tertentu yang telah digunakan dalam stabilisasi non ionic vitamin B12 selama bertahun-tahun.

Formulator harus menyelidiki sepenuhnya berbagai tipe resin kualitas  farmasetik yang tersedia untuk penggunaan khusus dan mengecek status perizinan untuk penggunaan oral dalam jumlah yang dibutuhkan. Jumlah resin yang diperlukan per unit zat aktif untuk mencapai pentupan rasa yang efektif dan atau perbaikan stabilitas merupakan factor pembatas apabila dosis zat aktif per tablet meningkat.

Penukar kation mengandung gugus dengan berbagai derajat disosiasi seperti gugus asam sulfonat, gugus karbosilat atau hidroksi fenol. Penukar anion seperti gugus yang bermuatan adalah gugus amina primer, sekunder atau tersier.

Penukar ion dapat digunakan baik dalam bentuk granulat atau bola – bola kecil. Bahan ini tidak larut dalam air, tetapi akan menggembung jika dimasukkan ke dalam air (pengambilan air sampai 50%). Agar bahan tersebut selalu dalam keadaan siap pakai, penyimpanannya harus dalam keadaan lembab (dalam kondisi menggembung). Sifat - sifat penting yang diharapkan dari penukar ion adalah daya pengambilan (kapasitas) yang benar, selektivitas yang benar, kecepatan pertukaran yang besar, ketahanan terhadap suhu, ketahanan terhadap pengaruh kimia maupun ketahanan terhadap pengikisan.

2.4.       Syarat – Syarat Resin Penukar Ion

Sebagai media penukar ion, maka resin penukar ion harus memenuhi syarat-syarat sebagai berikut :

1.    Kapasitas total yang tinggi. Maksudnya resin memiliki kapasitas pertukaran ion yang tinggi.

2.    Kelarutan yang rendah dalam berbagai larutan sehingga dapat berulang-ulang. Resin akan beroperasi dalam cairan yang mempunyai sifat melarutkan, karena itu resin  harus tahan terhadap air

3.    Kestabilan kimia yang tinggi. Resin diharapkan dapat bekerja pada range pH yang luas serta tahan terhadap asam dan basa. Demikian pula terhadap oksidasi dan radiasi.

4.    Kestabilan fisik yang tinggi. Resin diharapkan tahan terhadap tekanan mekanis, tekanan hidrostatis cairan serta tekanan osmosis.

2.5.       Faktor Yang Dipenuhi Dalam Resin Penukar Ion

Beberapa faktor yang harus dipenuhi dalam resin penukar ion yaitu :

a.       partikel yang sama dengan tahanan terobosan relatif kecil,

b.      stabilitas mekanik yang tinggi,

c.       tidak larut dalam air dan pelarut yang digunakan,

d.      tahan terhadap asam dan basa yanng mengoksidasi,

e.       tahan terhadap suhu,

f.       dapat digunakan dalam suatu daerah pH yang luas,

g.      tidak mempunyai daya adsorpsi terhadap ion lawan yang bergerak bebas,

h.      dapat diregenerasi, dan

i.        kapasitas penukaran dan aktifitas penukaran sudah tertentu.

Reaksi pertukaran dengan sedikit pengecualian umumnya adalah reversibel (dapat diputar). Pertukar ion adalah reaksi stoikiometris. Koefisien distribusi dihitung dari data eksperimen. Pada pertukaran ion - ion dengan valensi sama, koefisien selektivitas tidak tergantung pada unit yang digunakan untuk konsentrasi logam dalam fase resin atau fase larutan, tetapi untuk pertukaran ion dengan tingkat valensi berbeda.

Koefisien distribusi ditentukan oleh perbandingan antara koefisien aktivitas spesies - spesies pada fase resin dan dalam larutan, serta pengenceran pada larutan luar mempunyai sedikit pengaruh terhadap koefisien selektivitas asalkan tidak ada hidrolisis atau pergeseran kesetimbangan kompleks. Koefisien tersebut tergantung pada konsentrasi total ion - ion dalam fase resin, struktur kimia dari matriks resin, kapasitas pertukaran, koefisien aktivitas padakedua fase dan konsentrasi total logam pada fase resin. Koefisien distribusi dapat ditentukan secara eksperimen. Dalam percobaan diketahui sejumlah tertentu resin dan larutan dikocok bersama-sama sampai kesetimbangan tercapai. Analisis larutan sebelum dan sesudah eksperimen memberikan koefisien distribusi. Untuk menyatakan koefisien distribusi berat (Dw), kandungan lengas (moisture) resin harus diketahui. Temperatur mempunyai pengaruh pasti baik Dw atau Dv. Bila dilihat pertukaran pada larutan encer, koefisien selektivitas untuk sebagian besar tidak tergantung pada konsentrasi larutan luar tetapi pengenceran mengakibatkan sesuatu pengurangan selektivitas.

2.6.       Teknik Pertukaran Ion

Larutan yang melalui kolom disebut influent, sedangkan larutan yang keluar kolom disebut effluent. Proses pertukarannya adalah serapan dan proses pengeluaran ion adalah desorpsi atau elusi. Mengembalikan resin yang sudah terpakai ke bentuk semula disebut regenerasi, sedangkan proses pengeluaran ion dari kolom dengan reagent yang sesuai disebut elusi dan pereaksinya disebut dengan eluent . Yang disebut dengan kapsitas pertukaran total adalah gugusan-gugusan yang dapat dipertukarkan di dalam kolom, dinyatakan dalam mili ekivalen. Kapasitas penerobosan (break through capacity) didefinisikan sebagai banyaknya ion yang dapat diambil oleh kolom pada kondisi pemisahan; dapat  juga dikatakan sebagai banyaknya mili ekivalen ion yang dapat ditahan dalam kolom tanpa ada kebocoran yang dapat teramati. Kapasitas penerobosan lebih kecil dari kapasitas total pertukaran kolom dan tidak tergantung terhadap sejumlah variable, seperti tipe resin, afinitas penukar ion, komposisi larutan,ukuran partikel, dan laju aliran.

Pemisahan Penukar ion :

fasa gerak : ion dengan afinitas resin rendah

elusi          : gradien, bertahap, dan complexing

Afinitas Ion-ion :

Li⁺ < H⁺ < Na⁺ < NH4⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺ < Ag⁺ < Tl⁺

Be²⁺ < Mn²⁺ < Mg²⁺ < Zn²⁺ < Co²⁺ < Cu²⁺ < Cd²⁺ < Ni²⁺ < Ca²⁺ < Sr²⁺ < Pb²⁺ < Ba²⁺

Na⁺ < Ca²⁺ < La³⁺ < Th⁴⁺

OH^-,F^- < CH3CO₂^- < HCO₂^- < H₂PO₄^- < HCO₃^- < Cl^- < NO₂^- < HSO₃^- < CN^- < Br^- < NO₃^- < HSO₄^- < I^-

Larutan yang melalui kolom disebut influent, sedangkan larutan yang keluar kolom disebut effluent. Proses pertukarannya adalah serapan dan proses pengeluaran ion adalah desorpsi atau elusi. Mengembalikan resin yang sudah terpakai kebentuk semula disebut regenerasi sedangkan proses pengeluaran ion dari kolom dengan reagent yang sesuai disebut elusi dan pereaksinya disebut eluent. Yang disebut dengan kapasitas pertukaran total adalah jumlah gugusan-gugusan yang dapat dipertukarkan di dalam kolom, dinyatakan dalam miliekivalen. Kapasitas penerobosan (break through capacity) didefinisikan sebagai banyaknya ion yang dapat diambil oleh kolom pada kondisi pemisahan; dapat juga dikatakan sebagai banyaknya miliekivalen ion yang dapat ditahan dalam kolom tanpa ada kebocoran yang dapat teramati. Kapasitan penerobosan lebih kecil dari kapasitas total pertukaran kolom dan tidak tergantung terhadap sejumlah variabel, seperti tipe resin, afinitas penukaran ion, komposisi larutan, ukuran partikel, dan laju aliran.

Proses penghilangan ion-ion yang terlarut dalam air dapat melibatkan penukar kation (cation exchanger) yang berupa resin Na (R-Na). Proses-pertukaran-ion natrium merupakan proses yang paling banyak digunakan untuk melunakkan air. Dalam proses pelunakan ini, ion-ion kalsium dan magnesium disingkirkan dari air berkesadahan tinggi dengan jalan pertukaran kation dengan natrium. Bila resin penukar itu sudah selesai menyingkirkan 346 sebagian besar ion kalsium dan magnesium sampai batas kapasitasnya, resin itu di kemudian diregenerasi kembali ke dalam bentuk natriumnya dengan menggunakan larutan garam dengan pH antara 6 sampai 8. Kapasitas pertukaran resin polistirena besarnya 650 kg/m3 bila diregenerasikan dengan 250 g garam per kilogram kesadahan yang dibuang.

                   Berikut ini adalah rumus untuk perhitungan kapasitas operasi resin:

Keterangan:
X = kapasitas operasi resin (meq/ml)
Co = konsentrasi ion awal (mg/l)
Yi = nilai Ce/ Co
Vi = volume sampel yang dititrasi (liter)
Ce = konsentrasi ion sampel (mg/l)
Vop = volume operasi (liter)
Vr = volume resin (ml)

2.7.       Perhatian Dalam Preparasi Resin

a.         Pemilihan dan preparasi resin

Sifat-sifat yang perlu diperhatikan dalam membeli resin dalam perdagangan ialah ukuran partikel (mesh), tingkat ikatan silang, dan kualitasnya (analitycal grade; AG).

b.        Pembengkakan (swelling)

Bila penukar ion, misalnya resin yang tersulfonasi diberi air, gugus SO₃^- dan H⁺ seolah-olah terlarut dalam konsentrasi yang tinggi dalam matriks. Karenanya air bertendensi untuk mendifusi kedalam matriks.

c.         Kapasitas kolom

Kapasitas penukar ion akan mempengaruhi banyaknya sampel maksimum yang dapat dianalisis dan dipakai untuk mengetahui stabilitas resin.

d.        Cara deteksi

Untuk hal-hal khusus digunakan : adsorbsi sinar, indeks refraksi, pH, radioaktivitas dan pengukuran polarografik.

2.8.       Penggunaan Resin Penukar Ion

a.       Untuk menghilangkan ion

Untuk menghilangkan ion-ion keseluruhannya, air tersebut dapat dialirkan melalui penukar kation, kemudian dialirkan melalui penukar anion, yang akan menghilangkan semua anion dan diganti dengan ion hidroksida. Bila kedua resin tersebut (kation dan anion) dijadikan satu, penghilangan kedua jenis ion tersebut sekaligus dapat dikerjakan.

b.      Mengkonsentrasikan komponen berkadar kecil

Ion-ion yang jumlahnya kecil (trace element) dapat dikonsentrasikan dengan penukar ion. Setelah ion solut terikat dalam kolom, kemudian dielusi dengan jumlah eluen yang kecil.

c.       Pemisahan asam-asam amino

Pada suatu pH, Asam-asam amino dapat dipisahkan menjadi tiga golongan berdasarkan titik isoelektrisnya. Dengan demikian campuran asam-asam amino dapat dipisahkan dalam suatu aliran fase mobil dengan secara gradual dengan merubah pH untuk elusi (gradient elution). Perubahan pH sering dikombinasikan dengan perubahan suhu.

1.    

2.    

2.1.    

2.2.    

2.3.    

2.4.    

2.5.    

2.6.    

2.7.    

2.8.    

2.9.   Cara Mengoperasikan Resin Penukar Ion

Pada proses kolom ganda, air mentah mula-mula masuk ke dalam kolom penulcar kation. Di sini sernua kation yang terkandung dalam air (terutama ion kalsium, magnesium dan natrium) ditukar dengan ion hidrogen. Dalarn kolom berikutnya yang berisi penukar anion, maka anion (terutama ion khlorida, sulfat dan bikarbonat) ditukar dengan ion hidroksil. Ion hidrogen yang berasal dari penukar kation dan ion hidroksil dari penukar anion akan membentuk ikatan dan menghasilkan air.

Setelah air terbentuk maka resin penukar ion harus diregenerasi. Pelaksanaan regenerasi pada proses kolorn ganda sangat sederhana. Ke dalam kolom penukar kation dialirkan asarn khlorida encer dan ke dalam kolom penukar anion dialirkan larutan natrium hidroksida encer. Regeneran yang berlebihan selanjutnya dibilas dengan air.

Pada proses unggun campuran – kolom tunggal, resin penukar kation dan penukar anion dicampur menjadi satu dalam sebuah kolom tunggal. Dengan proses unggun campuran dapat dicapai tingkat kemurnian air yang jauh lebih tinggi daripada dengan proses kolom ganda. Sebaliknya, pada proses unggun campuran regenerasi resin penukar lebih kompleks.

Langkah-langkah kerja pada regenerasi unggun campuran:Pernisahan resin penukar kation dan penukar anion dengan cara klasifikasi menggunakan air (pencucian kembali dari bawah ke atas). Dalam hal ini resin penukar anion yang lebih ringan (kebanyakan berwarna lebih terang) akan berada di atas resin 349 penukar kation yang lebih berat (kebanyakan berwarna lebih gelap). Pencucian kembali harus dilangsungkan terus sampai di antara kedua resin terlihat suatu lapisan pemisah yang tajam.

1.    Untuk regenerasi, regeneran bersama dengan air dialirkan melewati kedua lapisan resin Asam khlorida encer dialirkan dari bawah ke atas melewati resin penukar kation, dan dikeluarkan dari kolom pada ketinggian lapisan pernisah. Larutan natrium hidroksida encer dialirkan dari atas ke bawah melewati resin penukar anion, juga dikeluarkan pada keting gian lapisan pemisah.

2.    Kelebihan kedua regeneran kemudian dicuci dengan air

3.    Ketinggian permukaan air dalam kolom diturunkan dan kedua resin penukar dicampur dengan cara memasukkan udara tekan dari ujung bawah kolom.

4.    Pencucian ulang unggun campuran dengan air dari atas ke bawah, sampai alat ukur konduktivitas menunjukkan kondisi kemurnian air yang diinginkan.

Sekarang instalasi siap untuk dioperasikan lagi. Baik pada instalasi pclunakan maupun pada instalasi demineralisasi air, maka pengalihan dari kondisi operasi ke proses regenerasi, pelaksanaan regenerasinya sendiri, dan pengalilian kembah ke kondisi 350 operasi dapat dilakukan baik secara manual maupun secara otomatik.

Untuk mencapai kualitas air atau performansi yang optimal dan untuk mencegah terjadinya kerusakan pada resin penukar, maka petunjuk kerja yang diberikan oleh pabrik pembuat instalasi (misalnya mengenai urutan pelaksanaan operasi, kuantitas dan konsentrasi regeneran, waktu regenerasi dan waktu pencucian) harus diikuti dengan seksama.

Perhatian: Pada saat bekerja dengan asam dain basa yang diperlukan untuk regenerasi, perlengkapan keselamatan perorangan yang sesuai harus digunakan. Air buangan yang keluar pada regenerasi dapat bersifat asam, basa atau mengandung garam. dan karena itu dalam hubungannya dengan pelestarian lingkungan harus ditangani seperti air limbah kimia.