Kuliah#01 - Ekstraksi Cair-Cair (LLE) Dan Padat-Cair (Leaching)

Ekstraksi cair-cair (LLE – Liquid-Liquid-Extraction)

Setijo Bismo DTK - FTUI

1

Pendahuluan dan Definisi : • Disebut Ekstraksi Cair-Cair (LLE) adalah karena peristiwa pemisahan komponen dari suatu campuran cair dengan cara pengontakan pada cairan lain (baru) • Disebut juga sebagai Ekstraksi Cair atau Ekstraksi Pelarut (solvent extraction) • Merupakan peristiwa pemisahan komponen sebagai zat terlarut (solute) berdasarkan perbedaan kelarutan ( sifat fisika) 2

Pemilihan Pelarut (Solvent ): • Selektivitas, yaitu kemampuan pelarut untuk melarutkan komponen yang dikehendaki. Selektivitas umumnya ditentukan berdasarkan parameterparameter di bawah ini: • Koefisien distribusi, terjadi pembagian kelarutan komponen • Ketidaklarutan pelarut (lama), pada pelarut baru • Kemudahan digunakan kembali (recoverability) • Densitas, dengan perbedaan tidak terlalu besar • Tegangan permukaan, tidak terjadi emulsi • Reaktivitas kimia, tidak ada reaksi kimia (terutama yang dominan) • Viskositas, berpengaruh pada tekanan uap dan titik beku • Toksisitas, tidak beracun dan tidak terbakar (non-flammable) • Ekonomis

3

Operasi Ekstraksi: (Digunakan untuk berbagai macam operasi pemisahan/pemurnian)

• U, Zr, Hf, Th, Lantanida, Ta, Nb, Co, Ni • Umumnya separasi tahap jamak • Pada dasarnya, “ion logam non-kompleks” tidak larut di dalam fasa organik • Pembentukan “ion logam kompleks” oleh gugusfungsi organik, sehingga dapat diekstraksi dalam fasa organik • Sering disebut juga “liquid ion exchangers” 4

Reaksi Ekstraksi (Pembentukan Kompleks)

• Ligand pada fasa organik membentuk kompleksi ion logam pada fasa cairnya Pemilihan kondisi berikut akan menentukan ion logam spesifik: Kondisi oksidasi Jari-jari ionik Stabilitas terhadap extracting ligands

• Fasa-fasa kemudian dipisahkan • Logam metal dipisahkan dari fasa organik dengan – Evaporasi – Ekstraksi ulang

5

Efek distribusi nitrat antara (CH3CH2)2O-Diethyl ether dan air, larutan jenuh dan suhu 25oC 6 (Furman et al)

Efek konsentrasi HNO3 pada ekstraksi “Uranil Nitrat” dengan TBP (tri-n-butyl phosphate )

7

Reaksi Pembentukan Kompleks • Tri n-butyl Phosphate (TBP) – (C4H9O)3P=O – Resonansi ikatan tak-jenuh antara P dan O – UO22+(aq) + 2NO3-(aq) + 2TBP(org)  UO2(NO3)2.2TBP(org) – Demikian juga untuk ekstraksi Pu4+ • Thenoyltrifluoroacetone (TTA) O

O

O CF3

S

CF3

S

Keto

Enol

O

OH

HO

OH CF3

S

Hydrate

8

TTA (Thenoyltrifluoroacetone) • Reaksi Umum: – Mz+(aq) + zHTTA(org)  M(TTA)z(org) + H+(aq) – Bagaimana dengan “tetapan kesetimbangan” ?

 Problem dengan LLE ?? • • • •

Limbah Degradasi Ligand Pembentukan “Fasa Terner” Problem Kelarutan (Solubility)

9

Alat-alat utama dan Tahapan 1. 2. 3.

Pencampuran atau mengkontakkan antara campuran dengan solven Pemisahan 2 fasa yang terbentuk Pengambilan kembali (removal and recovery) solven dari tiap fasa yang terbentuk Solven

Ekstrak E Pencampuran (Mixer)

Pemisahan (Separator)

Rafinat R

Campuran 10

Sistem kontak ganda Solven

Pencampuran (Mixer) 1

Campuran

Ekstrak 1

Pemisahan (Separator) 1

Solven

Pencampuran (Mixer) 2

Rafinat 1

Ekstrak 2

Pemisahan (Separator) 2

Rafinat 2 11

Jenis Interaksi Komponen-Pelarut 1. Fisika 2. Kimiawi: A. Melibatkan pertukaran kation, contoh: ekstraksi logam dengan asam karboksilat (RCOOH) B. Melibatkan pertukaran anion, contoh: ekstraksi metal dengan amina (RNH2) C. Yang melibatkan pembentukan senyawa aditif, contoh: ekstraksi dengan senyawa organo-phosphor (pemurnian uranium dari nitrat dengan TBP) 12

Aplikasi Ekstraksi dalam Industri Ekstraksi banyak digunakan sebagai operasi komplementer (pelengkap), selain distilasi. Ekstraksi diperlukan terutama: Bila proses distilasi akan membutuhkan panas dalam jumlah terlalu besar, contoh: bila volatilitas relatif mendekati satu Bila pembentukan azeotrop menghambat pemisahan yang menggunakan distilasi Bila ingin menghindari pemanasan terhadap suatu zat Bila komponen yang hendak dipisahkan sangat berbeda sifat-sifatnya (kelarutan) 13

Beberapa Contoh Ekstraksi Dalam produksi bahan bakar pada industri nuklir, proses cairan-cairan coal tar, dan terutama pada pemisahan hidrokarbon pada industri petrokimia Pemisahan aromatik dari minyak bakar berbasis kerosene untuk meningkatkan kualitas pembakaran Pemisahan aromatik dari senyawaan parafin atau nafta untuk meningkatkan karakter viskositas-suhu suatu minayk pelumas Pengambilan senyawa relatif murni seperti benzena, toluen dan xylene dari reformat yang dihasilkan secara katalitis pada industri Produksi asam asetat anhidrat Ekstraksi phenol dari larutan coal tar Pemurnian penicilin (dari senyawaan lain sebagai hasil fermentasi yang sangat kompleks) Pada industri bioteknologi (biokimia) diperlukan ekstraktan (solven) yang sangat “lembut” dan khusus (misal: campuran air - polyethylene glycol – phosphat) mengingat banyak solven organik dapat mendegradasi bahan-bahan yang sensitif (seperti protein) 14

Ekstraksi dengan Fluida Superkritis • Penggunaan fluida superkritis (atau mendekati superkritis), yaitu gas atau cairan di atas titik kritis • Untuk pemisahan campuran komponen jamak dengan memanfaatkan perbedaan: – volatilitas komponen (seperti pada distilasi) – Interaksi spesifik antar komponen (kelarutan)

• Menarik karena: – Banyak gas-gas menunjukkan daya larut yang sangat baik bila ditekan (tekanan dinaikkan) melebihi titik kritisnya – Energi yang digunakan pada distilasi relatif lebih mahal – Peraturan yang mendorong penggunaan bahan ramah lingkungan serta tidak beracun (mereduksi penggunaan hidrokarbon terklorinasi). Contoh: CO2 sbg solvent (pelarut) 15

Pembuatan Diagram Fasa Solven 1

Solven 1

(Cth: Isopropyl - Eter)

(Cth: Methyl isobutil ketone MIK)

Solven 2 Solven 2

Asam

(Cth: Air)

Cuka

(Cth: Air)

Aseton

16

Tie Line • Tie line adalah garis yang menghubungkan satu titik pada rafinat dan pada extraktan • Campuran yang komposisinya terletak dalam tie line akan memiliki kesetimbangan sama yaitu pada kedua titik diujung tie line • Tie line dibuat dengan cara membiarkan suatu campuran yang diketahui komposisinya mencapai kesetimbangan 2 fasa.

17

Latihan mandiri 1 Suatu campuran dengan komposisi air 60 kg, ether 30 kg dan asam cuka 10 kg hendak dipisahkan dengan metode. Buatlah: - Diagram fasa berdasar tabel A3-24, - Kesetimbangan pada dua fasanya

18

Jawaban LM 1 • Buatlah terlebih dahulu kesetimbngan 2 fasanya, • Buatlah tie linenya • Tentukan komposisi campuran yang diketahui (M) • Tariklah tie line utk titik M yang paling sesuai (pendekatan grafis) 19

Efek Suhu t4 t3

t2

Suhu

t1 t2

t3 t4

t1

20

Ekstraksi Kesetimbangan Satu tahap • Counter current satu tahap seperti dilukiskan pada gambar sebelah kiri bawah ini tidaklah ada dalam aplikasinya (bisa anda jelaskan mengapa?). Namun berguna dalam memahami neraca masa perhitungan selanjutnya L0 + V2 = L1 + V1 = M L.xA + V.yA = M.xAM L.xA + V.yA = M.xAM L.xA + V.yA = M.xAM L.xC + V.yC = M.xCM

L+V=M L.xA + V.yA = M.xAM L.xC + V.yC = M.xCM Ekstrak E

V1

V2

L0

L1

Campuran Rafinat R

21

Ekstraksi jamak 1.

Buatlah garis yang menghubungkan VN+1, M dan L0



VN+1

2.

Buat garis yg menghubungkan LN dan VN+1

3.

Buat pertemuan kedua garis tsb (1 & 2) > 

4.

Buat tie line yg mengenai M,

5.

Pada sisi amplop fasa > L1 & V1

6.

Hubungkan L1 dengan , perpotongan pada satu sisi amplop menjadi V2

7.

Buat tie line kedua dari V2,

8.

Dst sampai melewati LN,

9.

Jumlah tahap = jumlah garis yg menemui 

V2

V1 M

L0 L LN 1

22

Ekstraksi Diferensial • Proses kontinyu • Umpand dan pelarut mengaliri satu sama lain • Satu fasa terdispersi dalam fasa lainnya • Kontak dan pemisahan terjadi dalam satu unit • Fasa-fasa tsb tdk pernah Solvent berada dalam kesetimbangan kecuali secara lokal saja, yaitu pada antarmuka

Ekstrak Umpan

Rafinat 23

Differential extractors Extract

Extract Feed

Extract

Extract

Feed

Feed

Feed

Extracting solvent

Extracting solvent

Extracting solvent

Raffinate Raffinate

Extracting solvent

Raffinate

Raffinate

24

Transport zat terlarut pada ekstraksi Raffinate side film

yi

Concentration profile

y Raffinate

Raffinate Feed

Extract

x xi

Extract side film

Raffinate side film

Extracting solvent

Extract side film Interface

25

Transport zat terlarut pada ekstraksi

y i  Kx

i

NS  kH (x  xi )  kL ( yi  y) Q H dx  k H ( x  x i ) a dz x0

 x

 kH a  dx  z   x  xi  Q H 

z  NTUH hH 26

Transport zat terlarut pada ekstraksi

z  NTUL hL h OH  h H

h OL

 QH    KQ L

  h L 

 KQ L   h H  h L    QH  27

28

29

30

31

32

System Ekstraksi Otomatis • Separasi berdasarkan densitas – Organic usually lower density than water • Chlorinated hydrocarbons tend to be denser than water

– Need to achieve phase separation before solution extraction

33

Single Solvent Extraction Stage

34

35

36