METODE PENGOLAHAN KESADAHAN (HARDNESS) AIR DENGAN MENGGUNAKAN RESIN PENUKAR ION

Mineral yang merupakan sumber primer ion kalsium dalam air diantara mineral-mineral yang berperan adalah gips, CaSO

_4.2H₂O; anhidratnya, CaSO_4; dolomite, CaMg (CO₃)₂; kalsit dan argonite yang merupakan modifikasi yang berbeda dari CaCO₃. Air yang mengandung karbon dioksida mudah melarutkan kalsium dari mineral-mineral karbonat.

CaCO₃ + CO₂ + H₂O Ca₂⁺ + 2HCO₃^-

Reaksi sebaliknya berlangsung bila CO₂ hilang dari perairan. karbondioksida yang masuk keperairan melalui keseimbangan dengan atmosfer tidak cukup besar konsentrasinya untuk melarutkan kalsium dalam perairan alami, terutama air tanah. Pernafasan mikroorganisma, penghancur bahan organik dalam air, dan sediment berperan sangat besar terhadap kadar CO₂ ­dan HCO₃^- dalam air. Hal ini merupakan faktor penting dalam proses kimia perairan dan geokimia.

Ion kalsium, bersama-sama dengan magnesium dan kadang-kadang kesadahan air, baik yang bersifat kesadahan tetap. Kesadahan sementara disebabkan oleh bikarbonat dalam air dan dapat dihilangkan dengan jalan mendidihkan air tersebut karena terjadi reaksi:

Ca₂⁺ +2 HCO₃^- CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Sedangkan kesadahan tetap disebabkan oleh adanya kalsium atau sulfat yang proses pelunakannya melalui proses kapur – soda abu, proses zeolit, dan proses resin organik. Air sadah juga tidak menguntungkan/mengganggu proses pencucian menggunakan sabun. Bila sabun digunakan pada air sadah, mula-mula sabun harus bereaksi terlebih dahulu dengan setiap ion kalsium dan magnesium yang terdapat dalam air sebelum sabun dapat berfungsi menurunkan tegangan permukaan. Hal ini bukan saja akan banyak memboroskan pengunaan sabun, tetapi gumpalan-gumpalan yang terjadi akan mengendap sebagai lapisan tipis pada alat-alat yang dicuci sehingga mengganggu pembersihan dan pembilasan oleh air.

Air sadah mengakibatkan konsumsi sabun lebih tinggi, karena adanya hubungan kimiawi antara ion kesadahan dengan molekul sabun menyebabkan sifat detergen sabun hilang. Kelebihan ion Ca²⁺ serta ion CO₃^2-+ (salah satu ion alkaliniti) mengakibatkan terbentuknya kerak pada dinding pipa yang disebabkan oleh endapan kalsiumkarbonat CaCO₃. Kerak ini akan mengurangi penampang basah pipa dan menyulitkan pemanasan air dalam ketel, serta mengurangi daya koagulasi yang melalui dalam pipa dengan menurunnya turbulensi.

Ion kalsium, Ca²⁺ mempunyai kecenderungan relatif kecil untuk membentuk ion kompleks. Dalam kebanyakan sistem perairan air tawar, jenis kalsium yang pertama-tama larut yang ada adalah Ca²⁺, oleh karena itu konsentrasi HCO₃^- yang sangat tinggi, pasangan ion, Ca²⁺ – HCO₃^- dapat terbentuk dalam jumlah yang cukup banyak. Hal yang sama dalam air yang kandungan sulfatnya tinggi pasangan ion Ca²⁺ – SO₄^2- dapat terjadi.

Tidak seperti halnya dengan kalsium yang densitas muatan dari ion Ca²⁺ relatif lebih kecil dibandingkan dengan lainnya, maka densitas muatan ion Mg²⁺ jauh lebih besar dan ikatan yang lebih kuat dengan air untuk melakukan hidrasi. Magnesiun dalam air terutama terdapat sebagai ion Mg²⁺ HCO₃^- dan Mg²⁺ SO₄^2- terjadi bila konsentrasi bikarbonat dan sulfat yang tinggi.

Mineral-mineral seperti dolomit adalah paling umum dalam air.

CaMg (CO₃)₂ + 2 CO₂ +2 H₂O Ca²⁺ + Mg²⁺ + 4 HCO₃^-

Pelunakan adalah penghapusan ion-ion tertentu yang ada dalam air dan dapat, bereaksi dengan zat-zat lain hingga distribusi air dan penggunaannya terganggu.

Kesadahan dalam air terutama disebabkan oleh ion-ion Ca²⁺ dan Mg²⁺, juga oleh Mn²⁺, Fe²⁺ dan semua kation yang bermuatan dua. Air yang kesadahannya tinggi biasanya terdapat pada air tanah di daerah yang bersifat kapur.

Sebagai kation kesadahan, Ca²⁺ selalu berhubungan dengan anion yang terlarut khususnya anion alkaliniti : CO₃^2- , HCO₃^- dan OH^-. Ca²⁺ dapat bereaksi dengan HCO₃^- membentuk garam yang terlarut tanpa terjadi kejenuhan. Sebaliknya reaksi dengan CO₃^2- akan membentuk garam karbonat yang larut sampai batas kejenuhan di mana titik jenuh berubah dengan nilai pH. Bila ti­tik jenuh dilampaui, terjadi endapan garam kalsium karbonat CaCO₃ dan membuat kerak yang terlihat pada dinding pipa atau dasar ketel. Namun, pada proses pelunakan ini keadaan harus dibuat sehingga sedikit jenuh, karena dalam keadaan tidak jenuh terjadi reaksi yang mengakibatkan karat terhadap pipa. Kerak yang tipis akibat keadaan sedikit jenuh itu justru melindungi dinding dari kontak dengan air yang tidak jenuh (agresip). Ion Mg²⁺ akan bereaksi dengan OH^- membentuk garam yang terlarut sampai batas kejenuhan dan mengendap sebagai Mg(OH)₂ bila titik kejenuhan dilampaui.

Ion Ca²⁺ dan Mg²⁺ diendapkan sebagai CaCO₃ dan Mg(OH)₃ menurut reaksi keseimbangan kimiawi sebagai berikut :

Mg²⁺ + 2 OH^- Mg(OH)2

Ca²⁺ + C0₃^2- CaCO₃

CO₃^2- berasal dari karbondioksida CO₂ dan bikarbonat HCO₃^- yang sudah terlarut dalam air sesuai dengan reaksi berikut :

CO₂ + OH^- HCO₃^-
HCO₃⁺ + OH^- CO₃^2- + ₂O

Kesadahan yang terlalu tinggi akan menambah nilai pH larutan sehingga daya kerja aluminat tidak efektif karena ion aluminium yang bersifat amfoter akan mengikuti lingkungannya dimana akan terbentuk senyawa aluminium yang sukar mengendap. Apabila kesadahan terlalu rendah secara simultan alkalinitas juga cenderung rendah ini akan mengganggu penyusunan ikatan antara koloida dengan aluminat dimana gugus hidrofobik koloida akan tetap melayang dan sukar bereaksi dengan koagulan mengakibatkan massa atom relatif ringan sehingga sukar mengendap.

Kesadahan ini umumnya dihilangkan menggunakan resin penukar ion. Resin pelunak air komersial dapat digunakan dalam skala kecil, meskipun demikian tidak efektif digunakan untuk sekala besar. Resin adalah zat yang punya pori yang besar dan bersifat sebagai penukar ion yang berasal dari polysterol, atau polyakrilat yang berbentuk granular atau bola kecil dimana mempunyai struktur dasar yang bergabung dengan grup fungsional kationik, non ionik/anionik atau asam. Sering kali resin dipakai untuk menghilangkan molekul yang besar dari air misalnya asam humus, liqnin, asam sulfonat. Untuk regenerasi dipakai garam alkali atau larutan natrium hidroksida, bisa juga dengan asam klorida jika dipakai resin dengan sifat asam.

Dalam regenerasi itu dihasilkan eluen yang mengandung organik dengan konsentrasi tinggi. Untuk proses air minum sampai sekarang hunya dipakai resin dengan sifat anionik.

Resin penukar ion sintetis merupakan suatu polimer yang terdiri dari dua bagian yaitu struktur fungsional dan matrik resin yang sukar larut. Resin penukar ion ini dibuat melalui kondensasi phenol dengan formaldehid yang kemudian diikuti dengan reaksi sulfonasi untuk memperoleh resin penukar ion asam kuat.

Sedangkan untuk resin penukar ion basa kuat diperoleh dengan mengkondensasikan phenilendiamine dengan formaldehid dan telah ditunjukkan bahwa baik resin penukar kation dan resin penukar anion hasil sintesis ini dapat digunakan untuk memisahkan atau mengambil garam – garam.

Pada umumnya senyawa yang digunakan untuk kerangka dasar resin penukar ion asam kuat dan basa kuat adalah senyawa polimer stiren divinilbenzena. Ikatan kimia pada polimer ini amat kuat sehingga tidak mudah larut dalam keasaman dan sifat basa yang tinggi dan tetap stabil pada suhu diatas 150^oC.

Polimer ini dibuat dengan mereaksikan stiren dengan divinilbenzena, setelah terbentuk kerangka resin penukar ion maka akan digunakan untuk menempelnya gugus ion yang akan dipertukarkan.

Resin penukar kation dibuat dengan cara mereaksikan senyawa dasar tersebut dengan gugus ion yang dapat menghasilkan (melepaskan) ion positif. Gugus ion yang biasa dipakai pada resin penukar kation asam kuat adalah gugus sulfonat dan cara pembuatannya dengan sulfonasi polimer polistyren divinilbenzena (matrik resin).

Resin penukar on yang direaksikan dengan gugus ion yang dapat melepaskan ion negatif diperoleh resin penukar anion. Resin penukar anion dibuat dengan matrik yang sama dengan resin penukar kation tetapi gugus ion yang dimasukkan harus bisa melepas ion negatif, misalnya –N (CH₃)₃⁺ atau gugus lain atau dengan kata lain setelah terbentuk kopolimer styren divinilbenzena (DVB), maka diaminasi kemudian diklorometilasikan untuk memperoleh resin penukar anion.

Gugus ion dalam penukar ion merupakan gugus yang hidrofilik (larut dalam air). Ion yang terlarut dalam air adalah ion – ion yang dipertukarkan karena gugus ini melekat pada polimer, maka ia dapat menarik seluruh molekul polimer dalam air, maka polimer resin ini diikat dengan ikatan silang (cross linked) dengan molekul polimer lainnya, akibatnya akan mengembang dalam air.

Mekanisme pertukaran ion dalam resin meskipun non kristalisasi adalah sangat mirip dengan pertukaran ion- ion kisi kristal. Pertukaran ion dengan resin ini terjadi pada keseluruhan struktur gel dari resin dan tidak hanya terbatas pada efek permukaan.

Pada resin penukar anion, pertukaran terjadi akibat absorbsi kovalen yang asam. Jika penukar anion tersebut adalah poliamin, kandungan amina resin tersebut adalah ukuran kapasitas total pertukaran.

Dalam proses pertukaran ion apabila elektrolit terjadi kontak langsung dengan resin penukar ion akan terjadi pertukaran secara stokiometri yaitu sejumlah ion – ion yang dipertukarkan dengan ion – ion yang muatannya sama akan dipertukarkan dengan ion – ion yang muatannya sama pula dengan jumlah yang sebanding.

Material penukar ion yang utama berbentuk butiran atau granular dengan struktur dari molekul yang panjang (hasil co-polimerisasi), dengan memasukkan grup fungsional dari asam sulfonat, ion karboksil.

Senyawa ini akan bergabung dengan ion pasangan seperti Na⁺, OH⁻ atau H⁺. Senyawa ini merupakan struktur yang porous. Senyawa ini merupakan penukar ion positif (kationik) untuk menukar ion dengan muatan elektrolit yang sama (positif) demikian sebaliknya penukar ion negatif (anionik) untuk menukar anion yang terdapat di dalam air yang diproses di dalam unit “Ion Exchanger”.

Proses pergantian ion bisa “reversible” (dapat balik), artinya material penukar ion dapat diregenerasi. Sebagai contoh untuk proses regenerasi material penukar kationik bentuk Na⁺ dapat diregenerasi dengan larutan NaCl pekat, bentuk H⁺ diregenerasi dengan larutan HCl sedangkan material penukar anionik bentuk OH⁻ dapat diregenerasi dengan larutan NaOH (lihat buku panduan dari pabrik yang menjual material ini).

Regenerasi adalah suatu peremajaan, penginfeksian dengan kekuatan baru terhadap resin penukar ion yang telah habis saat kerjanya atau telah terbebani, telah jenuh. Regenerasi penukaran ion dapat dilakukan dengan mudah karena pertukaran ion merupakan suatu proses yang reversibel yang perlu diusahakan hanyalah agar pada regenerasi berlangsung reaksi dalam arah yang berkebalikan dari pertukaran ion.