Azeotrop beserta pemisahan
Azeotrop
Azeotrop merupakan campuran dari dua atau lebih larutan (kimia)
dengan perbandingan tertentu , dimana komposisi ini tetap / tidak bisa
diubah lagi dengan cara destilasi sederhana. Kondisi ini terjadi karena
ketika azeotrop di didihkan, uap yang dihasilkan juga memiliki
perbandingan konsentrasi yang sama dengan larutannya semula
akibat ikatan antar molekul pada kedua larutannya (Supriyono,
2011).
Azeotrop positif
Jika titik didih campuran azeotrop kurang dari titik didih salah satu
larutan konstituennya, contoh campuran 95,63 etanol dan 4,37 % air,
etanol mendidih pada suhu 78,4 OC sedangkan air mendidih pada
suhu 100 OC, tetapi campurannya/azeotropnya mendidih pada suhu
78,2 OC (Supriyono, 2011).
Azeotrop Negatif
Jika titik didih campuran azeotrop lebih dari titik didih konstituennya
atau salah satu konstituennya. Contoh campuran asam klorida pada
konsentrasi 20,2 % dan 79,8 % air. Asam klorida (murni) mendidih
pada suhu -84OC, tetapi campuran azeotropnya memiliki titik didih
110OC (Supriyono, 2011).
1.
Pemisahan Senyawa Azeotrop dengan Teknik Pervaporasi
Pervaporasi adalah proses pemisahan menggunakan membran dimana
suatu campuran cairan (umpan) yang kontak dengan membran yang
berada dalam tekanan atmosfer dan dimana permeatnya diubah
menjadi uap karena tekanan rendah yang diberikan pada permeat
(Mulder, 1996).
•
perubahan fase permeat dari cair menjadi uap selama
perpindahan bahan. Umpan dalam proses pervaporasi berfase cair
(Rautenbach & Albercht, 1989).
•
Penerapan pervaporasi adalah sebagai berikut (Seader & Henley,
2006):
(a) dehidrasi etanol,
(b) dehidrasi alkohol organik, keton, dan ester,
(c) pemisahan dari campuran organik dari a
Parameter – parameter yang mempengaruhi kinerja pervaporasi yaitu:
1.
Tekanan atas (upstream pressure)
Tekanan atas berhubungan dengan mekanisme transpor massa melalui
membrane antarmuka. Hal ini akan mempengaruhi kondisi laju
permeasi suatu tekanan uap jenuh (Huang & Feng, 1997).
2.
Tekanan bawah (downstream pressure)
Pengaruh tekanan bawah pada sisi permeat terhadap selektivitas tidak
berubah secara signifikan oleh kenaikan tekanan bawah.
3.
Suhu
Selektivitas bergantung pada suhu umpan, selektivitas menurun
dengan meningkatnya suhu (Smitha et al., 2004).
4.
Ketebalan lapisan
Menurut pernyataan sebelumnya, jika terjadi difusi umpan melalui
membran merupakan tahap penentuan laju transfer.
Keunggulan
a.
Hemat energi dan dapat memisahkan campuran azeotrop
dengan mudah
b.
Memungkinkan untuk dapat diaplikasikan untuk berbagai tujuan
pemisahan
c.
Menghasilkan produk yang bebas kontaminan
d.
Tidak mencemari lingkungan
e.
Proses pengoperasian mudah
f.
Menghemat tempat
g.
Mudah untuk diinstalasi dalam pabrik
Contoh Teknologi Pervaporasi Untuk Dehidrasi Etanol Menggunakan
Membran Zeolit NaA
Pervaporasi merupakan suatu proses pemisahan berbasiskan membran
dimana pemisahan berdasarkan perbedaan afinitas komponenkomponen campuran terhadap membran. Pervaporasi efektif
digunakan untuk memisahkan campuran azeotrop karena pemisahan
tidak berdasarkan kesetimbangan uap-cair. Pada pervaporasi etanolair, membran yang digunakan harus bersifat hidrofilik dan selektif. Saat
ini membran zeolit banyak digunakan untuk pervaporasi etanol-air
karena sifat hidrofilisitas dan daya tahannya yang baik (Permata, 2012)
Penelitian ini memiliki tujuan untuk memperoleh membran Zeolit NaA
yang dapat digunakan untuk pervaporasi etanol-air. Selain itu, dari
penelitian ini diharapkan dapat diketahui kinerja dari membran Zeolit
NaA yang diperoleh dalam pemisahan campuran etanol-air. Membran
zeolit dibuat dengan proses sintesis hidrotermal dimana bahan baku
zeolit yang berupa jel dikontakan dengan permukaan support dan
dipanaskan. Parameter yang divariasikan antara lain adalah
konsentrasi jel, metode sintesis, dan kondisi pervaporasi yaitu laju alir
pada 300, 1000, dan 1500 cm3/menit serta temperatur pada 25, 40,
dan 60 derajat C (Permata, 2012)
Pada percobaan ini dihasilkan membran zeolit NaA yang dapat
digunakan untuk pervaporasi. Namun kinerja dan stabilitas membran
belum memuaskan. Fluks dan selektivitas pervaporasi etanol
dipengaruhi oleh laju alir dan temperatur operasi.
Pervaporasi adalah salah satu proses pemisahan dengan membran
yang dapat dijadikan alternatif untuk meningkatkan kemurnian alkohol
dari komposisi azeotropnya dengan kebutuhan energi yang rendah.
Prinsip pemisahan pada pervaporasi adalah dengan memanfaatkan
perbedaan solubilitas dan difusivitas komponen. Unjuk kerja
pervaporasi diukur dengan fluks permeat dan selektivitas
pemisahan.Membran yang digunakan pada proses pervaporasi alkoholair adalah membran yang bersifat hidrofilik. Penelitian sebelumnya
menunjukkan bahwa membran CA/zeolit dapat digunakan sebagai
membran pada proses pervaporasi campuran etanol-air dengan unjuk
kerja yang baik. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui
kinerja membran CA/zeolit dalam pemisahan campuran akohol-air dan
mempelajari pengaruh temperatur operasi terhadap kinerja membran
(Permata, 2012).
Percobaan yang dilakukan meliputi pembuatan membran, karakterisasi
membran, dan proses pervaporasi. Larutan yang akan dipisahkan
adalah campuran etanol-air, isopropanol-air, dan 2-butanol-air pada
komposisi azeotrop. Komposisi etanol-air divariasikan pada 85%-v,
azeotrop, dan 98%-v. Temperatur umpan pervaporasi berada pada
rentang 40-60°C dengan tekanan pada sisi permeat sebesar 200
mbar. Polimer yang digunakan adalah selulosa asetat (CA). Modifikasi
membran dilakukan dengan penambahan zeolit alam Malang sebesar
20%-b CA. Hasil percobaan menunjukkan bahwa penambahan zeolit
alam Malang ke dalam membran CA dapat meningkatkan fluks sebesar
1,35-1,4 kali dan selektivitas sebesar 3,5-8,2 kali dibandingkan dengan
membran CA homogen. Senyawa 2-butanol memiliki nilai selektivitas
terbesar diikuti dengan isopropanol dan etanol (Permata, 2012).
2.
Pemisahan Senyawa Azeotrop dengan Metode Lain
Metode Pemisahan Komponen Azeotrop dapat dipisahkan dengan
beberapa metode, antara lain adalah:
1 . Pressure Swing Distillation
2.Extractive Distillation
3. Penambahan zat ketiga
1.
Pressure Swing Distillation
Dalam pemisahan campuran propanol-ethyl acetate, digunakan
metode pressure swing distillation. Prinsip yang digunakan pada
metode ini yaitu pada tekanan yang berbeda, komposisi azeotrop
suatu campuran akan berbeda pula. Berdasarkan prinsip tersebut,
distilasi dilakukan bertahapmenggunakan 2 kolom distilasi yang
beroperasi pada tekanan yang berbeda. Kolom distilasi pertama
memiliki tekanan operasi yang lebih tinggi dari kolom distilasi
kedua. Produk bawah kolom pertama menghasilkan ethyl acetate
murni sedangkan produk atasnya ialah campuran propanol-ethyl
acetate yang komposisinya mendekati komposisi azeotropnya.
Produk atas kolom pertama tersebut kemudian didistilasi kembali pada
kolom yang bertekanan lebih rendah (kolom kedua).Produk bawah
kolom kedua menghasilkan propanol murni sedangkan produk atasnya
merupakancampuranpropanol-ethyl acetate yang komposisinya
mendekati komposisi azeotropnya.
Berikut ini gambar kurva kesetimbangan uap cair campuran propanolethyl acetate pada tekanan tinggi dan rendah. Bawah kolom kedua
menghasilkan propanol murni sedangkan produk atasnya merupakan
campuran propanol-ethyl acetate yang komposisinya mendekati
komposisi azeotropnya. Berikut ini gambar kurva kesetimbangan uap
cair campuran propanol-ethyl acetate pada tekanan tinggi dan
rendah.Dari gambar pertama dapat dilihat bahwa feed masuk kolom
pada temperatur 108,2 0C dengan komposisi propanol 0,33. Pada
kolom pertama (P=2,8 atm), komposisi azeotrop yaitu
sebesar 0,5 sehingga distilat yang diperoleh berkisar pada nilai
tersebut sedangkan bottom yang diperolehberupa ethyl acetate murni.
Untuk memperoleh propanol murni, distilat kemudian didistilasi lagi
pada kolom kedua (P=1,25atm). Distilat ini memasuki kolom kedua
pada temperatur 82,60C. Komposisi azeotrop pada kolom kedua yaitu
0,38 sehingga kandungan propanol pada distilat berkisar pada nilai
tersebut. Bottom yang diperoleh pada kolom kedua ini berupa propanol
murni. Bila diperhatikan, titik azeotrop campuran bergeser dari 0,5%mol propanol menjadi 0,38%-mol propanol. Jadi, dengan
metode pressure swing distillation ini, dapat diperoleh propanol dan
ethyl acetate dengan kemurnian yang tinggi. Dan untuk lebih
mengoptimasi proses, distilat keluaran kolom 2 dapat direcycle dan
dicampur dengan aliran umpan untuk didistilasi kembali.
2.
Extractive Distillation
Distilasi ekstraktif didefinisikan sebagai distilasi dalam kehadiran
miscible, mendidih tinggi,komponen yang relatif non-volatile, pelarut,
bahwa tidak ada bentuk azeotrop dengan komponenlain dalam
campuran. Metode yang digunakan untuk campuran memiliki nilai
volatilitas relatif rendah, mendekati kesatuan. Campuran tersebut tidak
dapat dipisahkan dengan penyulingansederhana, karena volatilitas dari
dua komponen dalam campuran adalah hampir sama, membuat
mereka menguap pada suhu yang sama hampir pada tingkat yang
sama, membuat penyulingannormal tidak praktis.Metode penyulingan
ekstraktif menggunakan pemisahan pelarut, yang umumnya
nonvolatil, memiliki titik didih tinggi dan miscible dengan campuran,
namun tidak merupakan campuranazeotrop. Berinteraksi pelarut
berbeda dengan komponen campuran sehingga menyebabkan
volatilitas relatif mereka untuk berubah. Hal ini memungkinkan
campuran tiga bagian baru yang dipisahkan oleh distilasi normal.
Komponen asli dengan volatilitas terbesar memisahkan keluarsebagai
produk atas.
Produk bawah terdiri dari campuran pelarut dan komponen lainnya,
yang sekali lagi dapat dipisahkan dengan mudah karena pelarut tidak
membentuk sebuah azeotrop dengan itu. Produk bawah dapat
dipisahkan oleh salah satu metode yang tersedia. Sangat penting
untuk memilih pemisahan pelarut yang cocok untuk jenis distilasi.
Pelarut harus mengubah volatilitas relatif dengan selisih yang cukup
lebar untuk hasil yang sukses. Kuantitas, biaya dan ketersediaan
pelarut harus dipertimbangkan. Pelarut harus mudah dapat dipisahkan
dari produk dasar, dan tidak harus bereaksi secara kimia dengan
komponen atau campuran, atau menyebab korosi di dalam peralatan.
Sebuah contoh klasik yang akan dikutip di sini adalah
pemisahancampuran azeotrop benzena dan cyclohexane, di mana
anilina adalah salah satu pelarut yang cocok
Azeotrop merupakan campuran dari dua atau lebih larutan (kimia)
dengan perbandingan tertentu , dimana komposisi ini tetap / tidak bisa
diubah lagi dengan cara destilasi sederhana. Kondisi ini terjadi karena
ketika azeotrop di didihkan, uap yang dihasilkan juga memiliki
perbandingan konsentrasi yang sama dengan larutannya semula
akibat ikatan antar molekul pada kedua larutannya (Supriyono,
2011).
Azeotrop positif
Jika titik didih campuran azeotrop kurang dari titik didih salah satu
larutan konstituennya, contoh campuran 95,63 etanol dan 4,37 % air,
etanol mendidih pada suhu 78,4 OC sedangkan air mendidih pada
suhu 100 OC, tetapi campurannya/azeotropnya mendidih pada suhu
78,2 OC (Supriyono, 2011).
Azeotrop Negatif
Jika titik didih campuran azeotrop lebih dari titik didih konstituennya
atau salah satu konstituennya. Contoh campuran asam klorida pada
konsentrasi 20,2 % dan 79,8 % air. Asam klorida (murni) mendidih
pada suhu -84OC, tetapi campuran azeotropnya memiliki titik didih
110OC (Supriyono, 2011).
1.
Pemisahan Senyawa Azeotrop dengan Teknik Pervaporasi
Pervaporasi adalah proses pemisahan menggunakan membran dimana
suatu campuran cairan (umpan) yang kontak dengan membran yang
berada dalam tekanan atmosfer dan dimana permeatnya diubah
menjadi uap karena tekanan rendah yang diberikan pada permeat
(Mulder, 1996).
•
perubahan fase permeat dari cair menjadi uap selama
perpindahan bahan. Umpan dalam proses pervaporasi berfase cair
(Rautenbach & Albercht, 1989).
•
Penerapan pervaporasi adalah sebagai berikut (Seader & Henley,
2006):
(a) dehidrasi etanol,
(b) dehidrasi alkohol organik, keton, dan ester,
(c) pemisahan dari campuran organik dari a
Parameter – parameter yang mempengaruhi kinerja pervaporasi yaitu:
1.
Tekanan atas (upstream pressure)
Tekanan atas berhubungan dengan mekanisme transpor massa melalui
membrane antarmuka. Hal ini akan mempengaruhi kondisi laju
permeasi suatu tekanan uap jenuh (Huang & Feng, 1997).
2.
Tekanan bawah (downstream pressure)
Pengaruh tekanan bawah pada sisi permeat terhadap selektivitas tidak
berubah secara signifikan oleh kenaikan tekanan bawah.
3.
Suhu
Selektivitas bergantung pada suhu umpan, selektivitas menurun
dengan meningkatnya suhu (Smitha et al., 2004).
4.
Ketebalan lapisan
Menurut pernyataan sebelumnya, jika terjadi difusi umpan melalui
membran merupakan tahap penentuan laju transfer.
Keunggulan
a.
Hemat energi dan dapat memisahkan campuran azeotrop
dengan mudah
b.
Memungkinkan untuk dapat diaplikasikan untuk berbagai tujuan
pemisahan
c.
Menghasilkan produk yang bebas kontaminan
d.
Tidak mencemari lingkungan
e.
Proses pengoperasian mudah
f.
Menghemat tempat
g.
Mudah untuk diinstalasi dalam pabrik
Contoh Teknologi Pervaporasi Untuk Dehidrasi Etanol Menggunakan
Membran Zeolit NaA
Pervaporasi merupakan suatu proses pemisahan berbasiskan membran
dimana pemisahan berdasarkan perbedaan afinitas komponenkomponen campuran terhadap membran. Pervaporasi efektif
digunakan untuk memisahkan campuran azeotrop karena pemisahan
tidak berdasarkan kesetimbangan uap-cair. Pada pervaporasi etanolair, membran yang digunakan harus bersifat hidrofilik dan selektif. Saat
ini membran zeolit banyak digunakan untuk pervaporasi etanol-air
karena sifat hidrofilisitas dan daya tahannya yang baik (Permata, 2012)
Penelitian ini memiliki tujuan untuk memperoleh membran Zeolit NaA
yang dapat digunakan untuk pervaporasi etanol-air. Selain itu, dari
penelitian ini diharapkan dapat diketahui kinerja dari membran Zeolit
NaA yang diperoleh dalam pemisahan campuran etanol-air. Membran
zeolit dibuat dengan proses sintesis hidrotermal dimana bahan baku
zeolit yang berupa jel dikontakan dengan permukaan support dan
dipanaskan. Parameter yang divariasikan antara lain adalah
konsentrasi jel, metode sintesis, dan kondisi pervaporasi yaitu laju alir
pada 300, 1000, dan 1500 cm3/menit serta temperatur pada 25, 40,
dan 60 derajat C (Permata, 2012)
Pada percobaan ini dihasilkan membran zeolit NaA yang dapat
digunakan untuk pervaporasi. Namun kinerja dan stabilitas membran
belum memuaskan. Fluks dan selektivitas pervaporasi etanol
dipengaruhi oleh laju alir dan temperatur operasi.
Pervaporasi adalah salah satu proses pemisahan dengan membran
yang dapat dijadikan alternatif untuk meningkatkan kemurnian alkohol
dari komposisi azeotropnya dengan kebutuhan energi yang rendah.
Prinsip pemisahan pada pervaporasi adalah dengan memanfaatkan
perbedaan solubilitas dan difusivitas komponen. Unjuk kerja
pervaporasi diukur dengan fluks permeat dan selektivitas
pemisahan.Membran yang digunakan pada proses pervaporasi alkoholair adalah membran yang bersifat hidrofilik. Penelitian sebelumnya
menunjukkan bahwa membran CA/zeolit dapat digunakan sebagai
membran pada proses pervaporasi campuran etanol-air dengan unjuk
kerja yang baik. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui
kinerja membran CA/zeolit dalam pemisahan campuran akohol-air dan
mempelajari pengaruh temperatur operasi terhadap kinerja membran
(Permata, 2012).
Percobaan yang dilakukan meliputi pembuatan membran, karakterisasi
membran, dan proses pervaporasi. Larutan yang akan dipisahkan
adalah campuran etanol-air, isopropanol-air, dan 2-butanol-air pada
komposisi azeotrop. Komposisi etanol-air divariasikan pada 85%-v,
azeotrop, dan 98%-v. Temperatur umpan pervaporasi berada pada
rentang 40-60°C dengan tekanan pada sisi permeat sebesar 200
mbar. Polimer yang digunakan adalah selulosa asetat (CA). Modifikasi
membran dilakukan dengan penambahan zeolit alam Malang sebesar
20%-b CA. Hasil percobaan menunjukkan bahwa penambahan zeolit
alam Malang ke dalam membran CA dapat meningkatkan fluks sebesar
1,35-1,4 kali dan selektivitas sebesar 3,5-8,2 kali dibandingkan dengan
membran CA homogen. Senyawa 2-butanol memiliki nilai selektivitas
terbesar diikuti dengan isopropanol dan etanol (Permata, 2012).
2.
Pemisahan Senyawa Azeotrop dengan Metode Lain
Metode Pemisahan Komponen Azeotrop dapat dipisahkan dengan
beberapa metode, antara lain adalah:
1 . Pressure Swing Distillation
2.Extractive Distillation
3. Penambahan zat ketiga
1.
Pressure Swing Distillation
Dalam pemisahan campuran propanol-ethyl acetate, digunakan
metode pressure swing distillation. Prinsip yang digunakan pada
metode ini yaitu pada tekanan yang berbeda, komposisi azeotrop
suatu campuran akan berbeda pula. Berdasarkan prinsip tersebut,
distilasi dilakukan bertahapmenggunakan 2 kolom distilasi yang
beroperasi pada tekanan yang berbeda. Kolom distilasi pertama
memiliki tekanan operasi yang lebih tinggi dari kolom distilasi
kedua. Produk bawah kolom pertama menghasilkan ethyl acetate
murni sedangkan produk atasnya ialah campuran propanol-ethyl
acetate yang komposisinya mendekati komposisi azeotropnya.
Produk atas kolom pertama tersebut kemudian didistilasi kembali pada
kolom yang bertekanan lebih rendah (kolom kedua).Produk bawah
kolom kedua menghasilkan propanol murni sedangkan produk atasnya
merupakancampuranpropanol-ethyl acetate yang komposisinya
mendekati komposisi azeotropnya.
Berikut ini gambar kurva kesetimbangan uap cair campuran propanolethyl acetate pada tekanan tinggi dan rendah. Bawah kolom kedua
menghasilkan propanol murni sedangkan produk atasnya merupakan
campuran propanol-ethyl acetate yang komposisinya mendekati
komposisi azeotropnya. Berikut ini gambar kurva kesetimbangan uap
cair campuran propanol-ethyl acetate pada tekanan tinggi dan
rendah.Dari gambar pertama dapat dilihat bahwa feed masuk kolom
pada temperatur 108,2 0C dengan komposisi propanol 0,33. Pada
kolom pertama (P=2,8 atm), komposisi azeotrop yaitu
sebesar 0,5 sehingga distilat yang diperoleh berkisar pada nilai
tersebut sedangkan bottom yang diperolehberupa ethyl acetate murni.
Untuk memperoleh propanol murni, distilat kemudian didistilasi lagi
pada kolom kedua (P=1,25atm). Distilat ini memasuki kolom kedua
pada temperatur 82,60C. Komposisi azeotrop pada kolom kedua yaitu
0,38 sehingga kandungan propanol pada distilat berkisar pada nilai
tersebut. Bottom yang diperoleh pada kolom kedua ini berupa propanol
murni. Bila diperhatikan, titik azeotrop campuran bergeser dari 0,5%mol propanol menjadi 0,38%-mol propanol. Jadi, dengan
metode pressure swing distillation ini, dapat diperoleh propanol dan
ethyl acetate dengan kemurnian yang tinggi. Dan untuk lebih
mengoptimasi proses, distilat keluaran kolom 2 dapat direcycle dan
dicampur dengan aliran umpan untuk didistilasi kembali.
2.
Extractive Distillation
Distilasi ekstraktif didefinisikan sebagai distilasi dalam kehadiran
miscible, mendidih tinggi,komponen yang relatif non-volatile, pelarut,
bahwa tidak ada bentuk azeotrop dengan komponenlain dalam
campuran. Metode yang digunakan untuk campuran memiliki nilai
volatilitas relatif rendah, mendekati kesatuan. Campuran tersebut tidak
dapat dipisahkan dengan penyulingansederhana, karena volatilitas dari
dua komponen dalam campuran adalah hampir sama, membuat
mereka menguap pada suhu yang sama hampir pada tingkat yang
sama, membuat penyulingannormal tidak praktis.Metode penyulingan
ekstraktif menggunakan pemisahan pelarut, yang umumnya
nonvolatil, memiliki titik didih tinggi dan miscible dengan campuran,
namun tidak merupakan campuranazeotrop. Berinteraksi pelarut
berbeda dengan komponen campuran sehingga menyebabkan
volatilitas relatif mereka untuk berubah. Hal ini memungkinkan
campuran tiga bagian baru yang dipisahkan oleh distilasi normal.
Komponen asli dengan volatilitas terbesar memisahkan keluarsebagai
produk atas.
Produk bawah terdiri dari campuran pelarut dan komponen lainnya,
yang sekali lagi dapat dipisahkan dengan mudah karena pelarut tidak
membentuk sebuah azeotrop dengan itu. Produk bawah dapat
dipisahkan oleh salah satu metode yang tersedia. Sangat penting
untuk memilih pemisahan pelarut yang cocok untuk jenis distilasi.
Pelarut harus mengubah volatilitas relatif dengan selisih yang cukup
lebar untuk hasil yang sukses. Kuantitas, biaya dan ketersediaan
pelarut harus dipertimbangkan. Pelarut harus mudah dapat dipisahkan
dari produk dasar, dan tidak harus bereaksi secara kimia dengan
komponen atau campuran, atau menyebab korosi di dalam peralatan.
Sebuah contoh klasik yang akan dikutip di sini adalah
pemisahancampuran azeotrop benzena dan cyclohexane, di mana
anilina adalah salah satu pelarut yang cocok