## PENGARUH RASIO JUMLAH RESIN TERHADAP AIR PADA ADSORPSI GAS KARBONDIOKSIDA MENGGUNAKAN RESIN KOMERSIAL

## THE EFFECT OF RESION TO WATER RATIO ON THE ADSORPTION OF CARBONDIOXIDE USING COMMERCIAL RESIN
Anies Mutiari 1 , Aswati Mindaryani 2
1 Balai Besar Bahan dan Barang Teknik, Jl. Sangkuriang No. 14, Bandung
2 Jurusan Teknik Kimia Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta Email: anies.mutiari@gmail.com
Diterima: 21 April 2014                      Diperbaiki: 21 Mei 2014                Disetujui: 26 Juni 2014

## ABSTRAK
Biogas merupakan  salah  satu  sumber  energi  alternatif yang sangat  menjanjikan, namun permasalahan  yang sering  muncul  ialah  berkurangnya  panas  pembakaran  akibat  kadar impurities berupa  karbondioksida (CO 2 ) yang masih cukup besar, yaitu sekitar 25-45%. Salah satu cara yang cukup baik dan ekonomis untuk mengurangi kadar karbondioksida  yaitu  dengan  cara  adsorpsi. Metode  adsorpsi  dalam  penelitian  ini  menggunakan  adsorben  berupa Strong Base Anion Exchange Resin dengan jenis Resin komersial Purolite dan Dowex Marathon A. Metode adsorpsi ini menggunakan mekanisme pelarutan gas CO 2 kedalam air, sehingga akan terjadi reaksi pembentukan ion HCO 3 - . Ion HCO 3 - ini  akan  diserap  pada  permukaan  resin melalui  mekanisme  pertukaran ion dengan  metode  pendekatan kesetimbangan  padat  cair Langmuir. Untuk  meningkatkan  kelarutan CO 2 didalam air maka  pada  penelitian  ini dilakukan  variasi resin yang digunakan, yaitu 1:3, 1:4 dan 1:6 dengan  tujuan  untuk  mencari  komposisi  dengan jumlah resin yang optimum dan  ekonomis. Dari hasil percobaan dapat dilihat bahwa pola H 2 CO 3 dan HCO 3 - yang terbentuk  selalu  meningkat  setiap  waktu, namun  pola  konsentrasi CO 2 yang teramati  menunjukkan  penurunan sampai waktu tertentu dan meningkat lagi sampai konsentrasi awalnya akibat kesetimbangan sistem. Selain itu, laju reaksi dan adsorpsi di permukaan resin juga terhitung sebagai fungsi rasio resin terhadap air.
Kata kunci: adsorpsi, kesetimbangan, Langmuir, resin, biogas

## ABSTRACT
Biogas is one of the most promising source of alternative energy, but there is still a problem regarding the reduction of combustion heat due to the level of impurities, i.e. carbondioxide (CO 2 ), which is around 25-45%. One of the most feasible way to reduce the concentration of carbondioxide is adsorption. In this research, adsorption was done using strong base anion exchanger resin, by using Purolite Resin and Dowex Marathon A Resin. Adsorption using this method was done by diluting CO 2 in water, where the reaction of forming HCO 3 - will occur. These HCO 3 - ions will be adsorbed on the resin surface by means of ion exchange, and the solid-liquid equilibrium was approached by Langmuir method. To increase the solubility of CO 2 in water,  the amount of resin were also varied in order to understand the optimum composition, the variations of resin to water ratio were 1:3, 1:4 and 1:6. The result shows that the concentration of H 2 CO 3 and HCO 3 - formed gradually increases over time, yet the concentration of CO 2 did not show the same pattern; it decreases until a particular time, and then increases until it approaches its initial concentration due to the effects of system equilibrium. The reaction and adsorption time is also counted as the function of resin-water ratio.
Keywords: adsorption, equilibrium, Langmuir, resin, biogas

## PENDAHULUAN
Biogas merupakan salah satu sumber energi alternatif. Komponen utama dari biogas ini adalah metana (CH 4 ) 55-75%, karbondioksida
(CO 2 ) 25-45%, nitrogen (N 2 ) 0,3%, dan oksigen (O 2 ) 0,1-0,5%. Selain itu komponen-komponen gas lain seperti air, H 2 S, CO, NOx,  dll dapat menyebabkan kemurnian metana dalam biogas
sebagai komponen gas yang dikehendaki menjadi relatif rendah [1].
Dalam aplikasi didunia industri, kemurnian metana dalam biogas minimal sekitar 80%, sehingga  diperlukan pemurnian metana. Salah satu cara pemurnian metana adalah dengan meminimalkan  kandungan CO 2 karena  karbon- dioksida  merupakan impurities terbanyak dalam biogas.
Proses pemurnian biogas yang diinginkan adalah proses yang dapat  dioperasikan  dengan mudah, menggunakan  bahan  baku yang murah, dan memberikan kapasitas penurunan konsentrasi CO 2 yang signifikan. Berdasarkan  hal  tersebut maka  dipilih resin penukar ion sebagai  adsorben dalam proses pemurnian biogas. Resin penukar anion akan  menukar  gugus anion yang di- milikinya  dengan CO 2 yang telah  bereaksi membentuk  ion  HCO 3 - Pertukaran  ion  tersebut menyebabkan  berkurangnya  konsentrasi CO 2 dalam biogas.
Metode  pemisahan CO 2 yang banyak digunakan di Industri  antara lain:  absorpsi  fisis, absorpsi  kimia, adsorpsi  pada  permukaan padatan, pemisahan dengan membran, pemisahan dengan  metode cryogenic , dan lain-lain. Pada penelitian  ini, proses absorpsi CO 2 oleh resin komersial yang  dilakukan  dengan absorbsi fisis gas CO 2 ke  dalam air, kemudian  dilanjutkan dengan  adsorpsi  secara  kimia  melalui proses ion exchange. Ion exchange /  pertukaran  ion  adalah proses pertukaran ion  yang bolak-balik  antara padatan (ion exchanger) dengan  cairan  dimana tidak ada perubahan struktur yang permanen dari padatannya. Ion exchanger dapat  mengandung kation yang disebut sebagai cation exchanger dan dapat pula mengandung anion sehingga  disebut sebagai anion exchanger .
Dari penelitian  terdahulu Enhancing CO 2 Adsorption Using Strong Base Anion Exchange Resin [2] telah  dilakukan  pengujian  dengan menggunakan  FTIR, ternyata yang mengalami reaksi pertukaran  ion  adalah  ion  Cl - .  Di permukaan resin, ion  HCO 3 - akan mengalami pertukaran  ion  dengan monomer resin dalam bentuk:
HCO 3 - (aq) + RR’ 3 NOH - (s)  RR’ 3 NHCO 3 - (s) +
OH -
(1)
Reaksi CO 2 dengan air dilakukan pada pH netral sehingga menghasilkan  ion  HCO 3 - .  Ion HCO 3 - ini akan dipertukarkan dengan anion dari strong base anion resin yang digunakan dalam
proses adsorpsi. Dowex Strong base anion resin dipilih berdasarkan sifatnya yang mempunyai afinitas terhadap asam lemah seperti bikarbonat.
Sifat-sifat  penting resin penukar ion  harus mempertimbangkan kapasitas penukar ion, selektivitas,  derajat  ikat  silang,  ukuran resin, porositas  dan  kestabilan resin  [3]. Berdasarkan pertimbangan  ini, resin yang digunakan  untuk menjerap ion HCO 3 - sudah memiliki kriteria yang baik berdasarkan sifat-sifat tersebut.
Mekanisme transfer massa yang terjadi adalah mekanisme transfer massa dari fase gas ke fase cair, kemudian dari fase cair terjadi transfer massa ke fase padat dengan mekanisme ion exchange [4]. Mekanisme detail dari gambar tersebut ialah:
1. Transfer massa  CO 2 dari  badan gas menuju interface gas-cair melalui gas film.
2. Transfer massa  CO 2 dari interface gas-cair menuju badan cairan.
3. Reaksi  CO 2 dengan H 2 O menghasilkan H 2 CO 3 di badan cairan.
4. Reaksi  ionisasi H 2 CO 3 menjadi H + dan HCO 3 . 5. Transfer massa ion  HCO 3 - dari badan cairan menuju padatan.
6. Reaksi  pertukaran  ion  HCO 3 - dengan monomer gugus fungsi penyusun resin di dalam padatan.
Pada proses penggelembungan gas CO 2 kedalam air, maka akan ada CO 2 yang larut kedalam air [5]. CO 2 yang larut kedalam air akan bereaksi dengan H 2 O menjadi H 2 CO 3 , setelah itu secara reversibel  H 2 CO 3 yang terbentuk akan menjadi H + dan  HCO 3 - . Dengan asumsi bahwa reaksi difase cair yang terjadi secara seri, maka persamaan laju reaksi yang terjadi adalah:
− 𝑟 𝐴 = 𝑘 1 . 𝐶 𝐴𝐿 − 𝑘 −1 . 𝐶 𝐵𝐿 (2) − 𝑟 𝐵 = 𝑘 2 . 𝐶 𝐵𝐿 + 𝑘 −1 . 𝐶 𝐵𝐿 − 𝑘 −2 . 𝐶 𝐶𝐿 − 𝑘 1 . 𝐶 𝐴𝐿 (3)
Keterangan: C AL = konsentrasi  CO 2 pada larutan setiap saat, mol/L C BL = Konsentrasi ion H 2 CO 3 pada larutan setiap saat, mol/L C CL = Konsentrasi ion HCO 3 - pada larutan setiap saat, mol/L -  r A = laju pengurangan CO 2 didalam larutan setiap saat, mol/L/menit - r B = laju pengurangan H 2 CO 3 didalam larutan setiap saat, mol/L/menit 𝑘 1, k −1 , 𝑘 2 , 𝑘 −2 =  sebagai  konstanta  laju rekasi sebagai fungsi suhu dan rasio resin, 1/menit.
Reaksi  CO 2 dengan  air dilakukan  pada pH netral  sehingga  hanya  menghasilkan  ion HCO 3 - [6].  Ion  HCO 3 - ini  akan  dipertukarkan dengan anion dari Dowex strong base anion resin yang digunakan  dalam proses adsorpsi. Dowex strong base anion resin dipilih  berdasarkan sifatnya yang mempunyai afinitas terhadap asam lemah seperti bikarbonat.
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk meningkatkan  kemurnian gas metana  dalam biogas dengan  mengurangi  kandungan CO 2 yang merupakan pengotor.

## BAHAN DAN METODE
Bahan  baku yang digunakan  dalam penelitian  ini  adalah  CO 2 murni 99%, Resin Purolite, Resin Dowex Marathon A dan NaOH. Peralatan  untuk  percobaan  ini  disusun sebagai  rangkaian  alat  percobaan yang dapat dilihat pada Gambar 1.

## Metode

## Pencucian Resin
Sebelum digunakan Resin Purolite dan Resin Dowex Marathon A dicuci dengan NaOH 1 M selama 1 minggu  kemudian  dicuci  dengan aquadest.

## Persiapan Bahan
Percobaan dilakukan dengan variasi jumlah resin berturut-turut  adalah :1:3, 1:4 dan 1:6 (m/v) dengan  variasi  suhu 10 o C, 20 o C dan suhu ruangan (26 o C). Volume air yang digunakan selalu tetap, yaitu sebanyak 660 ml.

## Pelaksanaan Penelitian
Resin dan air dengan perbandingan tertentu dimasukkan kedalam labu leher 3, kemudian semua lubang ditutup untuk me- mastikan lubang pengeluaran hanya berasal dari selang pengeluaran gas. Untuk  mengatur  suhu operasi, baskom diisi dengan air untuk mengondisikan pada suhu ruangan sedangkan untuk suhu yang lebih dingin maka digunakan leburan es batu dengan jumlah tertentu.  Setelah itu, CO 2 dengan konsentrasi 30% dimasukkan kedalam labu leher 3. CO 2 30% dibuat dengan cara memasukkan gas CO 2 murni 99% dengan kecepatan 1 lpm dan dicampur dengan udara dari kompresor dengan kecepatan 2,3 lpm.
Sampel cairan dan gas diambil setiap menit ke 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60. Setiap waktu
pengambilan sampel, sampel cair diambil sebanyak 5 ml (2 kali) kemudian ditetesi dengan indikator phenolphthalein sebanyak 3 tetes dan dititrasi dengan NaOH 0,00001 N sampai terjadi perubahan warna dari bening menjadi merah muda. Untuk sampel gas CO 2 diambil dengan Syringe Gas lalu dimasukkan kedalam Vacuum Tube untuk dianalisis dengan alat Gas Chromatography .
Gambar 1. Rangkaian Alat Percobaan
Keterangan:
1.  Resin dan air
2.  Labu leher tiga
3. Stirrer 4.  Selang input CO 2
5.  Selang input Udara
6.  Selang pengeluaran gas
7.  Pemecah gelembung
8.  Baskom berisi air
9.  Rotameter
10. Kompresor
11. Tabung CO 2 99%

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian  ini  mengamati  pengaruh  suhu terhadap proses adsorpsi gas karbondioksida dengan resin Dowex  dan  Purolite. Variasi  suhu yang digunakan  yaitu 10 o C  dan 20 o C dan  suhu ruangan 26 o C. Secara teori, semakin rendah suhu maka kelarutan karbon dioksida didalam air semakin tinggi, sehingga diharapkan H 2 CO 3 dan HCO 3 - yang terbentuk semakin banyak pula  [7]. Dengan  meningkatnya  jumlah  zat tersebut maka kemungkinan besar pengurangan CO 2 didalam biogas yang dilewatkan kedalam  suspensi resin tersebut  akan  semakin  banyak. Selain itu, untuk mengetahui seberapa besar efektivitas adsorpsi resin maka dilakukan variasi rasio resin terhadap
air,  yaitu 1:6, 1:4 dan 1:3. Dengan kombinasi antara rasio dan suhu yang optimal maka diharapkan  terjadi  pengurangan CO 2 yang signifikan dan tetap ekonomis, sehingga panas pembakaran biogas dapat maksimal karena panas pembakaran CH 4 tidak diserap oleh gas pengotor lain, yang mayoritas berupa gas CO 2 [8].
Dalam  penelitian  ditemukan  fenomena bahwa  hasil  adsorpsi gas setiap waktu cukup fluktuatif. Pada saat percobaan dimulai pada suhu ruangan (26 o C) ternyata perubahan konsentrasi CO 2 setiap waktu sangat tidak sesuai dengan teori. Hal ini  diperkirakan  karena  sifat resin sebagai  adsorben  masih  kurang  baik, sehingga diputuskan  untuk  melaksanakan  percobaan  pada satu  suhu  saja. Proses analisis gas CO 2 harus menggunakan analisis GC ( Gas Chromato- graphy ), sehingga untuk meminimal-kan kerugian  akibat  hasil  analisis yang kurang  baik maka digunakan satu variasi suhu.
Dari hasil analisis proses adsorpsi menggunakan resin Dowex  dan  Purolite  untuk berbagai  rasio  pada  suhu 26 o C,  terlihat  pola penurunan  konsentrasi gas CO 2 dalam  kurun waktu  tertentu, kemudian  konsentrasi CO 2 akan meningkat  lagi  sampai  mendekati  konsentrasi awalnya.  Hasil  percobaan  dan  analisis  untuk proses adsorpsi gas CO 2 ditunjukkan pada Gambar 2 - 7.
Gambar 2. Profil Konsentrasi Gas CO 2 Setiap Waktu untuk Data Percobaan dan Persamaan untuk Rasio Resin Dowex : Air sebesar 1:6
Gambar 3. Profil Konsentrasi Gas CO 2 Setiap Waktu untuk Data Percobaan dan Persamaan untuk Rasio Resin Purolite : Air sebesar 1:6
Gambar 4. Profil Konsentrasi Gas CO 2 Setiap Waktu untuk Data Percobaan dan Persamaan untuk Rasio Resin Dowex : Air sebesar 1:4
Gambar 5. Profil Konsentrasi Gas CO 2 Setiap Waktu untuk Data Percobaan dan Persamaan untuk Rasio Resin Purolite : Air sebesar 1:4
Gambar 6. Profil Konsentrasi Gas CO 2 Setiap Waktu untuk Data Percobaan dan Persamaan untuk Rasio Resin Dowex : Air sebesar 1:3
Gambar 7.  Profil Konsentrasi Gas CO 2 Setiap Waktu  untuk Data Percobaan  dan  Persamaan untuk Rasio Resin Purolite : Air sebesar 1:3
Proses penurunan  konsentrasi CO 2 terjadi akibat proses adsorpsi yang terjadi  dipermukaan resin, di  mana CO 2 yang terlarut  akan membentuk  ion  HCO 3 - yang akan  mengalami proses pertukaran ion  dengan  ion  OH - pada permukaan resin Dowex. Seiring  bertambahnya waktu  adsorpsi, permukaan resin akan  menjadi jenuh  sehingga  kecepatan  gugus yang terjerap akan sama dengan kecepatan gugus yang dilepas pula, sehingga lama-kelamaan  konsentrasi gas CO 2 akan  meningkat  kembali  hingga  mendekati konsentrasi  awalnya  [9]. Secara  teori, gas CO 2 yang terlarut akan bereaksi dengan air membentuk H 2 CO 3 yang bersifat  sangat  tidak stabil,  sehingga  dengan  kondisi  operasi  pada kondisi  netral (pH sekiat 6,5-7) akan  terbentuk ion  HCO 3 - [10]. Profil  konsentrasi H 2 CO 3 dan HCO 3 - makin lama makin  meningkat,  mem- perlihatkan  kecenderungan yang terbentuk  men- dekati  garis linear.  Profil  konsentrasi H 2 CO 3 dan HCO 3 - yang terbentuk  didalam air setiap  waktu dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6.

## KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini disimpulkan bahwa: 1. Penggunaan resin sebagai  adsorben  masih belum  dapat  berfungsi  dengan  baik  karena resin cukup  cepat  jenuh  sehingga harus segera diregenerasi lagi.
2. Semakin besar rasio resin terhadap air, maka konsentrasi ion HCO 3 - yang terbentuk dalam larutan  juga  semakin  besar  akibat  jumlah resin  yang semakin sedikit sehingga lebih cepat jenuh. Begitu juga sebaliknya.
3. Laju  pembentukan  produk  pada reaksi pembentukan H 2 CO 3 dan ion HCO 3 - lebih kecil dibandingkan laju pembentukan reaktan kembali, hal ini dikarenakan sifat ketidak stabilan yang tinggi dari H 2 CO 3 .
4. Proses pengadukan  juga  mempengaruhi cepatnya laju transfer massa dari gas ke permukaan adsorben, sehingga tidak seutuhnya dikontrol oleh proses difusi.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Kami mengucapkan  terima  kasih  kepada B4T yang telah  memberi  dukungan  dana  dalam pelaksanaan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Deublein, and Steinhouser,2008, Biogas from Wate and Renewable  Resources , Wiley-VCH, GmbH&Co, Weinheim.
[2] Mutiari, A., Wiratni and Mindaryani, A., 2012.  “Enhancing CO 2 Adsorption Using Strong Base Anion Exchange Resin” in : Proceeding Regional Symphosium on Chemical Engineering (RSCE) 19 th ,  pp.1-
6.
[3] Roe, et.all., 2012, “Apparatus and Method for Biogas Purification”, US Patent No. 8.182.576 B2.
[4] Wheaton, R.M., Lefevre, L.J., 2009, Dow Liquid Separations: PUROLITE Ion Exchange Resins. Fundamentals of Ion Exchange , The Dow Chemical USA.
[5] Raymond, A., Tomcey, and Fred, D., 1989, “Absorption of CO 2 and N 2 O into Aqueous Solution of Methyldiethanol-amine”, A.I.Ch.E. Journal, 35, 1267-1271.
[6] Sturtevant, J.M., 1963,  The Hydration of Carbon Dioxide at 25,. The Journal of Biological Chemistry , 238  (10), pp.  3499– 3501.
[7] Levenspiel, O., 1999, Chemical Reaction
Engineering 3rd ed., New York: John Wiley & Sons.
[8] Crittenden, B. & W, J.T., 1998, Adsorption Technology and Design ,  New York: Elsevier Science and Technology Books.
[9]  Do, D., 1998, Adsorbtion Analysis Equilibria and Kinetics Vol. 2., Singapore:
Word Scientific Publishing Co., Pte., Ltd.
[10]  Geankoplis, C.J., 1998, Mass Transport Phenomena 3 rd ed., New Jersey: Prentice Hall.