Adsorben

Supaya secara teknis efektif dalam proses komersial pemisahan, baik itu pemisahan zat atau pemurnian, material adsorben harus memiliki volume internal tinggi yang mana memungkinkan dimasuki oleh partikel yang ingin direduksi dari larutan. Contoh padatan berpori tinggi diantaranya adalah karbon atau zat anorganik di alam dan bahan sintetis atau yang memang secara alami terbentuk yang dalam kesempatan tertentu mungkin memiliki penyaring berukuran molekular. Adsorben juga harus memiliki kemampuan mekanikal yang baik seperti kekuatan serta ketahanan terhadap pengikisan dan wajib pula punya kemampuan kinetik yang bagus. Adsorben harus mampu mentransfer molekul adsorbat secara cepat menuju titik adsorpsi. Pada banyak penerapan, adsorben harus diregenerasi setelah digunakan dan oleh karenanya sangat diharapkan regenerasi adsorben bisa dilakukan secara efisien tanpa merusak kemampuan mekanikal dan adsorpsi. Bahan mentah dan metode produksi adsorben haruslah murah supaya suskes bersaing secara ekonomi dengan alternatif proses pemisahan lainnya (Critenden dkk, 1998).

            Permukaan internal adsorben yang luas akan meningkatkan kapasitas penyerapan yang mana mendukung kesuksesan proses pemisahan atau pemurnian. Adsorben bisa dibuat dengan luas permukaan internal yang berkisar antara sekitar 100 m²/g sampai dengan lebih dari 3000 m²/g. Demi aplikasi praktis, bagaimanapun, kisaran tersebut normalnya dibatasi menjadi sekitar 300-1200 m²/g. Untuk kebanyakan adsorben, luas permukaan internal terjadi karena banyaknya pori dalam beragam ukuran. Banyak material adsorben seperti karbon, jel silika, atau alumina, berbentuk tidak teratur dan mengandung jaringan mikropori, mesopori, dan makropori yang kompleks serta saling terhubung (Critenden dkk, 1998).

Gambar 1: Ilustrasi struktur partikel adsorben dalam kaitannya
dengan resistensi terhadap material fluida. (Sumber: Critenden dkk, 1998)

Kebalikannya, adsorben zeolit memiliki pori yang ukurannya teratur meskipun struktur makropori tersebut dibentuk ketika pelet zeolit diolah dari kristal zeolit dengan penambahan bahan pengikat. Molekul cair sebelum diadsorpsi oleh permukaan internal adsorben harus terlebih dulu melewati cairan film yang berada di luar partikel adsorben untuk selanjutnya menuju struktur makropori, lalu terus ke mikropori di mana molekul teradsorpsi (Critenden dkk, 1998).

            Ukuran pori umumnya digolongkan ke dalam tiga rentang: makropori dengan diameter pori lebih dari 50 nm, mesopori (dikenal juga sebagai pori transisional) memiliki diameter pori berkisar antara 2-50 nm, dan mikropori yang memiliki diameter lebih kecil dari 2 nm. Pori-pori paling besar di struktur internal adsorben umumnya punya rentang ukuran submikron dan mereka hanya dihitung sebagian saja dari total volume.

Gambar 2: Distribusi ukuran pori: (a) Zeolit 3A, (b) 4A, (c) 5A, (d) 10X, (e) 13X,
(f) saringan molekular karbon, dan (g) karbon aktif. (Sumber: Critenden dkk, 1998)

Luas permukaan material adsorben lazimnya diukur lewat adsorpsi nitrogen pada suhu cair nitrogen (-196,15⁰C). Hasil pengukuran tersebut kemudian diinterpretasi menggunakan isoterm BET. Volume pori adsorben dapat diukur lewat pengukuran jumlah adsorbat, seperti nitrogen, yang teradsorpsi pada tekanan yang ditentukan hingga tekanan uapnya tersebut jenuh. Selanjutnya diasumsikan bahwa kondensasi terjadi pada pori-pori kecil dan persamaan Kelvin bisa digunakan untuk menemukan pori terbesar di mana gas, misalnya nitrogen, bisa mengembun. Perbedaan tekanan gas bisa digunakan untuk melihat distribusi pori adsorben. Porosimetri merkuri adalah suatu teknik yang diterapkan untuk menentukan distribusi pori. Mula-mula, semua gas dihilangkan dari adsorben lalu kemudian tekanan digunakan untuk mendesak merkuri memasuki pori. Sebaran ukuran pori bisa diukur dari kurva volume-tekanan (Critenden dkk, 1998).

Gambar 3: Ilustrasi adsorpsi pada karbon aktif.

Pori adsorben dengan rentang ukuran yang luas digunakan pada pemurnian cairan dan aplikasi pemisahan zat. Sebagian besar adsorben tersebut dibuat di pabrik tapi beberapa lain diantaranya seperti beberapa jenis zeolit terbentuk secara alami. Tiap material adsorben memiliki karakteristiknya tersendiri seperti porositas, struktur pori, dan sifat adsorpsi permukaan. Tiap ciri ini bisa memainkan peran dalam proses pemisahan. Jangkauan kemampuan adsorben pada proses pemisahan molekul A dari molekul B diketahui sebagai bagian keselektifannya. Bilangan pemisahan zat a menunjukkan nilai numerikal keselektifan adsorben yang didefinisikan sebagai berikut (Critenden dkk, 1998):

a_a = (xi : yi)/(Xj : Yj)

Dapat dilihat Xi dan Yi secara jelas merupakan ekuilibrium fraksi/pecahan mol dari komponen i dalam zat teradsorpsi dan fase cair secara bertutut-turut. Dalam praktiknya, satuan X dan Y  bisa diubah untuk menyesuaikan dengan sistem dalam penelitian, camkan bahwa penting di penelitian komparatif untuk a supaya tetap nondimensional. Sebagai contoh, Xj dapat melambangkan muatan komponen j adsorben dalam satuan mg/g ketimbang pecahan mol. Keselektifan adsorpsi suatu adsorben mungkin pula menampakkan dirinya dalam satu atau beberapa cara dalam suatu proses pemisahan zat.

a)     Keselektifan mungkin terjadi karena perbedaan ekuilibrium termodinamika di tiap adsorbat-adsorben; Ini sering dikenal sebagai efek ekuilibrium.

b)    Keselektifan mungkin terjadi karena perbedaan nilai (kemampuan) perpindahan beragam adsorbat saat menuju struktur internal adsorben; ini sering dikenal efek kinetik.

c)     Bukaan pori adsorben mungkin terlalu kecil untuk dipenetrasi satu atau lebih jenis adsorbat; ini sering dikenal sebagai efek saringan molekular adsorben dan bisa dianggap sebagai kejadian ektrem dari efek kinetik.

d)    Keselektifan mungkin terjadi karena beberapa jenis adsorbat didesorpsi dari adsorben, sedangkan yang lain tidak; ini umumnya dikenal sebagai efek desorpsi.

           

            Faktor-faktor yang memengaruhi ekuilibrium pemisahan molekul tergantung pada sifat interaksi alami adsorbat-adsorben pada permukaan adsorben, apakah itu, adsorben yang polar, nonpolar hidrofilik (larut dalam air), hidrofobik (tidak larut dalam air), dsbg (Ecochemical, 2009); ini juga masih dipengaruhi kondisi proses adsorpsi seperti suhu, tekanan, dan konsentrasi. Pemisahan zat secara kinetik umumnya bisa dilakukan hanya oleh saringan molekular adsorben seperti pada zeolit dan saringan karbon. Keselektifan kinetik adsorben dalam kasus ini banyak ditentukan oleh rasio sebaran mikropori adsorbat. Demi proses pemisahan zat secara kinetik yang lebih baik, ukuran mikropori adsorben harus dapat dibandingkan dengan dimensi molekul adsorbat yang tersebar (Critenden dkk, 1998).

            Lebih dari satu mekanisme pemisahan bisa dieksploitasi pada beberapa penerapan namun, pada mekanisme khusus lainnya ini justru bisa kontraproduktif. Perhatikan contoh pemisahan antara oksigen dengan nitrogen. Ekuilibrium muatan nitrogen jauh lebih besar dari oksigen dan argon, oleh karenanya memungkinkan untuk menggunakan efek ekuilibrium zeolit 5A agar lebih mengadsorpsi nitrogen dari udara supaya tercapai kemurnian oksigen yang relatif tinggi. Dalam praktiknya, kemurnian oksigen lewat proses yang secara komersial sukses ini terbatas pada nilai maksimal 96% karena argon (terkandung di udara dalam konsentrasi sekitar 1%) tidak begitu teradsoprsi yang menyebabkan ia tetap ada dalam produk oksigen.

Gambar 4: Sketsa isoterm ekuilibrium oksigen, nitrogen, dan argon
pada zeolit 5A pada suhu 20⁰C. (Sumber: Critenden dkk, 1998)

Gambar 5: Sketsa isoterm ekuilibrium oksigen dan nitrogen pada
saringan molekular karbon pada suhu 20⁰C. (Sumber: Critenden dkk, 1998)

Untuk jenis adsorben karbon jelas bahwa perbedaan ekuilibrium isoterm adsorben ini (gambar 5) mungkin tidak cukup membuat proses pemisahan oksigen dan nitrogen menarik secara komersial. Gambar 6 betapapun menunjukkan bahwa nilai penyerapan oksigen oleh saringan molekular karbon 40-50 kali lipat dari nitrogen, khusunya pada menit-menit awal. Alasan untuk kejadian ini walau sementara belum sepenuhnya dipahami namun diasosiasikan dengan efektifitas penyebaran molekul oksigen yang lebih besar ketimbang efektifitas penyebaran molekul nitrogen pada saringan molekular karbon. Maka itu jelas, untuk memproduksi nitrogen dengan kemurnian tinggi dari udara menggunakan saringan molekular karbon membutuhkan waktu adsorpsi yang relatif cepat dikarenakan terjadinya eksploitasi efek kinetik adsorben-adsorbat dan tidak bekerjanya efek ekuilibrium secara signifikan.

Gambar 6: Sketsa tingkat penyerapan fraksional oksigen dan
nitrogen pada saringan molekular karbon. (Sumber: Critenden dkk, 1998)

Produksi nitrogen dengan kemurnian tinggi lewat tekanan yang berubah-ubah menggunakan saringan molekular karbon sejauh ini merupakan proses komersial yang sukses (Critenden dkk, 1998).

            Pemisahan etanol menggunakan zeolit 3A adalah contoh bagus dari efek saringan molekular. Zeolit 3A memiliki ukuran pori 0,29 nm yang mana lebih besar dari molekul air yang diameternya 0,26 nm. Ini artinya molekul air bisa masuk melewati pori-pori kristal. Etanol memiliki diameter molekul sekitar 0,45 nm dan karenanya tidak bisa masuk ke pori-pori kristal. Jenis zeolit lainnya juga bisa menggunakan efek saringan molekular. Dalam rangka menahan pengaruh lingkungan, adsorben biasanya diproduksi dalam bentuk granular, bulat, atau silinder berongga dengan rentang ukuran paling sering sekitar 0,5-8 mm. Bentuk khusus seperti ekstrudat tri-lobus juga tersedia untuk tujuan menjaga hilangnya tekanan supaya tetap kecil ketika adsorben dimuat ke dalam bejana. Bentuk lain yang juga diproduksi untuk keperluan khusus misalnya berupa bubuk atau monolit (pelet). Beberapa material adsorben, khususnya zeolit, membutuhkan zat pengikat dalam rangka tidak hanya menimbulkan kekuatan mekanikal namun pula menyediakan struktur makropori yang cocok supaya molekul adsorbat bisa masuk menuju struktur mikropori internal (Critenden dkk, 1998).

Daftar pustaka:

Crittenden, Barry dan W. J. Thomas (1998). Adsorption Technology & Design. United Kingdom: Elsevier Science & Technology Books.

Ecochemical(2009). Hidrofilik Vs Hidrofobik. 25Mei 2014