EKSTRAKSI ZAT CAIRPendahuluanLiquid ekstraksi disebut ekstrasi solvent. Liquid ekstraksi merupakan pemisahan konstituen terlarut dalam cairan/liquid melalui kontak dengan liquid yang tidak larut. Sebagai contoh: larutan asam asetat dalam air diagitasi dengan ethyl acetate. Sebagai asam asetat dan sedikit air memasuki fasa ester. Pada kesetimbangan, densitas aqueous layer dan ester layer berbeda sehingga bisa dipisahkan jika agitasi dihentikan. Rasio asam asetat terhadap air dalam ester layer berbeda dengan rasio asam asetat terhadap air dalam larutan awal dan juga berbeda dengan rasio asam asetat dalam residual liquid, sehingga terjadi derajat pemisahan (stagewise contact).

Larutan yang diekstraksi disebut feed (umpan); liquid yang berkontak dengan feed disebut solvent. Produk yang kaya solvent disebut dengan extract, dan residual liquid disebut raffinate. Double-solvent atau fractional extraction digunakan untuk memisahkan dua solute. Misalnya : campuran p-dan o-nitrobenzoic acid dipisahkan dengan mendistribusikan kedua senyawa ini di antara campuran insoluble liquid chloroform dan air. Chloroform melarutkan para isomer dan air melarutkan ortho isomer.

Ekstraksi liquid menghasilkan larutan baru yang dapat dipisahkan melalui distilasi atau evaporasi. Pemisahan asam asetat dari larutan encer dengan air dapat dipisahkan dengan mudah melalui ekstraksi menggunakan solvent dan dilanjutkan dengan distilasi extract, sedangkan proses pemisahan dengan distalasi langsung sulit dilakukan. Penggunaan ekstraksi dilakukan sebagai pengganti metode kimia. Misalnya: tembaga dan senyawa anorganik seperti asam posfat dapat dimurnikan malalui ekstraksi. Ekstraksi digunakan jika metoda lain tidak dapat digunakan. Misalnya hidrokarbon aromatik dan parafinik dengan berat molekul yang hampir sama sulit dipisahkan dengan distilasi, tetapi dapat dipisahkan dengan solvent seperti sulfur dioksida cair, diethylene glycol atau sulfolane. Extractive Distillation digunakan untuk ekstraksi fasa uap dengan solvent, sedangkan Liqiud Extraction digunakan untuk ekstraksi fasa liquid. Sebagai contoh : pemisahan penicillin dalam campuran yang kompleks melalui liquid ekstraksi.

Liquid Ekstraksi / Solvent Extraction adalah pemisahan konstituen dari larutan melalui kontak dengan zat cair yang tidak larut (insoluble liquid).

Contoh : Larutan asam asetat didalam air dicampur dengan ethyl acetate kemudian diaduk, asam asetat akan larut didalam ethyl acetate sebagai extract, sedangkan asam asetat didalam air disebut dengan raffinate.Istilah :

Feed=Larutan yang akan diektraksi

Pelarut=Solvent

Extract=Solvent rich product

Raffinate =Residual Liquid

Ekstraksi dengan Solvent ganda (Double Solvent) :

Ekstraksi dengan solvent ganda digunakan untuk memisahkan dua komponen didalam campuran dengan dua pelarut.

Pemilihan Liquid Extraction :

1) Untuk pemisahan yang sulit dilakukan dengan distilasi, liquid extraction lebih menguntungkan.

Contoh : Pemisahan asam asetat dari larutan encer

2) Sebagai alternative pemisahan dengan distilasi pada kondisi vakum dengan temperature yang sangat rendah.Contoh : Long-Chain fatty acids dapat dipisahkan dari vegetable oils dengan pelarut propane cair.Kesetimbangan zat cair.

Kesetimbangan terjadi antara Raffinate dan ekstrak.

Notasi :

A=Insoluble liquids

B=Insoluble liquids (Solvent)

C=Distribute Solute

E=Massa/waktu larutan E (Extract)

R=Massa/waktu larutan R (Raffinate)

B=Massa/waktu pelarut B

Besaran bebas pelarut (B-free) dinyatakan oleh huruf prime.

E=Mass B-free Solution/time

E=E (1+NE)

x=Berat fraksi C dalam raffinate

y=Berat fraksi C dalam extractx=

y=

X=

Y=

N=Berat fraksi B pada basis bebas B

=

Konsentrasi sistem ternary (3 komponen) digambarkan pada equilateral triangular koordinat:

Jarak tegak lurus dari dasar AB ke titik K = Persentase C dalam campuran.

Jarak tegak lurus dari dasar AC ke titik K = Persentase B dalam campuran.

Jarak tegak lurus dari dasar BC ke titik K = Persentase A dalam campuran.Titik D merupan campuran biner yang terdiri dari 20 % B dan 80 % A.

(1)Mixture Rule .

Jika R kg campuran ditambahkan E kg campuran, campuran ditunjukkan pada garis lurus RE pada titik M:

(1)Garis RL = berat fraksi C dalam R = xR

Garis MO = berat fraksi C dalam M = xM

Garis ET = berat fraksi C dalam E = xENeraca massa total:

R + E = M

(2)Neraca C

R (garis RL) + E (garis ET) = M (garis MO)

(3)

(4)

(5)

Sistem cairan 3 komponen

Pada sistem cairan 3 komponen (A, B dan C), A dan B bercampur sebagian sedangkan C larut sempurna dalam A dan B.

Gambar 10.3Sistem cairan 3 komponenKurva LRPEK adalah kurva kelarutan binodal yang menunjukkan perubahan kelarutan dari phasa A dan B pada penambahan C.

Campuran diluar kurva adalah larutan homogen (satu fasa). Campuran M membentuk dua larutan jenuh yang tidak larut satu lain dengan komposisi kesetimbangan R (A-rich) dan E (B-rich).Garis RE disebut tie lineTitik P disebut plait point, yaitu tie line terakhir dimana kurva kelarutan A & B rich bertemu.

Persentase C dalam larutan E lebih besar dari C dalam R.Ratio . Gambar 10.3 menunjukkan distribusi C pada B-Rich phase

Jika slope tie pada arah berlawanan yang menunjukkan distribusi c pada A-Rich phase, kurva distribusi di bawah diagonal.Kelarutan A dan B meningkat dengan naiknya temperatur dan pada temperatur larutan kritis t4, A dan B larut sempurna. Kurva kelarutan mengalami perubahan dengan kenaikan temperatur dan terjadi perubahan slope tie line. Operasi ekstraksi liquid sebaiknya dilakukan dibawah temperatur t4 agar terjadi pemisahan antara raffinate dan ekstract.

Hubungan kesetimbangan dapat digambar secara grafik antara x, y versus fraksi berat B.

Koordinat lain dapat digambarkan dengan plot antara

Dan dapat diproyeksi ke grafik X versus Y.

Mixture Rule

(6)

Faktor Pemilihan Solvent

1. Selectivity

Menunjukkan efektifitas solvent B untuk memisahkan larutan A dan C menjadi komponen-komponennya.

(7)

2. Koefisien Distribusi

3. Ketidaklarutan SolventKemampuan untuk mengekstrak zat terlarut adalah besar 4. Kemampuan untuk memperoleh kembali solvent

5. Mempunyai perbedaan berat jenis dengan A

6. Tegangan muka harus besar agar pemisahan emulsi dapat terjadi

7. Stabil terhadap reaksi kimia8. ( rendah, P uap rendah dan titik beku rendah untuk kemudahan pengolahan dan penyimpanan

9. Tidak beracun/tidak terbakar dan biaya murahPeralatan Ekstraksi

Setiap tingkat peralatan ekstraksi terdiri dari mixer (untuk pencampur antara solvent dan campuran yang akan dipisahkan) dan settler (untuk memisahkan extract dan raffinate phase yang berada pada kesetimbangan)

Satu Tingkat

Penggunaan multi tingkat extraksi tergantung pada konsentrasi C yang diinginkan pada akhir stage. Ekstraksi Satu Tingkat

Umpan F yang terdiri dari A dan C pada Xf (fraksi berat C) dikontakkan dengan Solvent dengan massa S1 atau massa / waktu yang mengandung konsentrasi C, ys menghasilkan kesetimbangan ekstrak E1 dan Rafinat R1.

Umpan F yang terdiri dari A dan C pada Xf (fraksi berat C) dikontakkan dengan Solvent dengan massa S1 atau massa / waktu yang mengandung konsentrasi C, ys menghasilkan kesetimbangan ekstrak E1 dan Rafinat R1.

TitikD=minimum Solvent

G=Infinite amount of Solvent

K=maximum amount of Solvent

L=Infinitesmal amount of raffinateMaterial Balance (total)

(8)

C balance :

(9)

Mixture Rule :

(10)

C Balance

(11)

(12)

(13)Substitusi Persamaan (13) ke (11)

(14)Catatan :

Perhitungan dua pasang cairan tidak melarutkan atau dengan pelarut padat dapat menggunakan perhitungan yang sama.

.

Multistage Crosscurrent Extraction

Proses dapat dilakukan secara batch atau kontinyu. Rafinate yang keluar dari stage 1 dapat diekstraksi pada stage kedua dan raffinate keluar stage 2 diekstraksi pada stage ke 3. Pada setiap stage ditambahkan fresh solvent dengan jumlah yang sama atau berbeda. Temperatur pada masing-masing stage dapat berbeda dan perhitungan menggunakan diagram fase pada temperatur tertentu. Extract yang keluar dari setiap stage bergabung menjadi composited extract. Perhitungan dapat dilakukan menggunakan triangular atau solvent-free coordinates.

Material Balance untuk stage pertama:

(15)C balance :

(16)Material Balance untuk stage ke n:

Total balance:

(17)

C balance:

(18)

Untuk solvent-free coordinatesA + C balance:

(19)

C balance:

(20)

B balance:

(21)

Contoh :

100 kg larutan asam asetat (C) dan air (A) mengandung 30 % asam asetat yang akan diekstraksi 3 kali dengan crosscurrent extraction dengan isopropyl ether (B) pada 20 0C menggunakan 40 kg pelarut pada setiap stage. Tentukan jumlah dan komposisi dari masing-masing aliran. Berapa pelarut yang digunakan jika digunakan satu tingkat ekstrasi untuk memperoleh konsentrasi raffinate akhir yang sama ?Penyelesaian:

Data kesetimbangan pada 20 oC untuk sistem asam asetat, air dan isopropyl ether.

Water layerIsopropyl ether layer

Wt % acetic acid, 100 xWaterIsopropyl

etherAcetic acid,

100 y*WaterIsopropyl

ether

0.6998.11.20.180.599.3

1.4197.11.50.370.798.9

2.8995.51.60.790.898.4

6.4291.71.91.931.097.1

13.3094.42.34.821.993.3

25.5071.13.411.403.984.7

36.7058.94.421.606.971.5

44.3045.110.631.1010.858.1

46.4037.116.536.2015.148.7

Stage 1:

F = 100 kg, xF = 0.30, yS = 0, S1 = B1 = 40 kg

Titik M ditempatkan pada garis FB. Titik x1 dan y1 diperoleh dari tie-line yang melalui titik M1.x1 = 0.258dan y1 = 0.117

E1 = 140 (0.214 0.258) / (0.117 0.258) = 43.6 kg

Stage 2 S2 = B2 = 40 kg

Titik M2 ditempatkan pada garis R1B. Titik x2 dan y2 diperoleh dari tie-line melalui titik M2, diperoleh : x2 = 0.227 dan y2 = 0.095.

Stage 3 Dengan cara yang sama diperoleh

B3 = 40 kg, M3 = 130.1 kg, xM3=0.1572, x3 = 0.20, y3 = 0.078, E3= 45.7 kg, and R3 = 84.4 kg. Kandungan asam asetat pada raffinate akhir = 0.20 (84.4) = 16.88 kg.

Extract komposit = E1+ E2+ E3 = 43.6 + 46.3 + 45.7 = 135.6 kg

Kandungan asam asetat dalam extract = E1y1+ E2 y2+ E3 y3 = 13.1 kg.Jika ekstraksi dilakukan untuk memperoleh konsentrasi raffinate akhir x = 0.20 pada satu stage, Titik M diperoleh pada perpotongan tie line R3 E3 and garis BF, diperoleh xM = 0.12. Solven yag dibutuhkan

S1=100(0.30-0,12)/(0.12-0) = 150 kg (lebih besar dari 3 stage)

Insoluble liquid

Jika solvent dan larutan umpan tidak larut satu sama lain, jumlah solvent dan larutan umpan tidak mengalami perubahan pada operasi ekstraksi.

Konsentrasi kesetimbangan digambarkan pada gambar 10.16

Koordinat digambarkan sebagai :

Raffinate akan mengandung A kg, sedangkan Extract mengandung Solvent B kg.

Neraca Solute C pada setiap stage n:

Slope operating Line = yang melalui titik dan . Setiap garis operasi memotong kurva kesetimbangan pada komposisi raffinate dan extract.Konsentrasi solute kadang-kadang dinyatakan dengan massa/volume.

SoalData kesetimbangan tie-line sistem Water (A) Chlorobenzene (B) Pyridine (C) pada 25 oC dalam persen berat:PyridineChlorobenzeneWaterPyridineChlorobenzeneWater

(C)(B)(A)(C)(B)(A)

099.950.0500.0899.92

11.0588.280.675.020.1694.82

18.9579.901.1511.050.2488.71

24.1074.281.6218.900.3880.72

28.6069.152.2525.500.5873.92

31.5565.582.8736.101.8562.05

35.0561.003.9544.954.1850.87

40.6053.006.4053.208.9037.90

49.037.813.249.037.813.2

1. Gambarkan data kesetimbangan tie-line tersebut pada sistem koordinat triangular

2. Hitung selectivity chlorobenzene untuk pyridine pada setiap tie line dan plot selectivity versus konsentrasi pyridine dalam air.3.Larutan aquaeous 2000 kg mengandung konsentrasi pyridine 50 %. Diinginkanlah untuk menurunkan konsentrasi pyridine sampai dengan 2% dalam ekstraksi single batch dengan chlorobenzene.

Berapa jumlah solvent yang dibutuhkan ? Selesaikan menggunakan triangular coordinates.

4. 2000 kg larutan pyridine air mengandung 50 % pyridine akan diekstraksi dengan jumlah berat chlorobenzene yang sama. Raffinate dari ekstraksi pertama diekstraksi kembali dengan sejumlah berat solvent yang sama dengan jumlah berat raffinate .

Berapa tingkat ekstraksi dan solvent total yang dibutuhkan untuk menurunkan konsentrasi pyridine sampai 2 % pada raffinate akhir ? Selesaikan pada triangular coordinates.

Countercurrent Multistage ExtractionUmpan (Feed) dan Solvent dialirkan kedalam Multistage Extraction secara countercurrent dan kontinyu. Final Extract, E1 dan final Raffinate dihasilkan pada aliran exit extractor.

Countercurrent Multistage Extraction lebih menguntungkan dibandingkan dengan crosscurrent Multistage Extraction karena membutuhkan stage/tingkat ekstraksi yang lebih sedikit pada jumlah solvent yang sama, atau jumlah solvent yang lebih sedikit pada jumlah stage ekstraksi yang sama.

Penentuan jumlah stages dan komposisi dilakukan dengan menggunakan kurva kelarutan pada Rectangular Coordinate atau Equilateral Triangle Coordinate.

Total material Balance :

(1)

Neraca C :

(2)

(3)

Titik M digambarkan pada garis FS dan Titik M terletak pada

(4)

(R =Difference point yang merupakan net flow pada stage NpPerpanjangan Garis dan S RNP berpotongan pada (RNeraca massa untuk stage s sampai dengan Np :

(5)

(6)

Perpanjangan garis memotong (R

Prosedur penggambaran secara grafik :

1. Gambarkan garis dan yang berpotongan pada (R2. Gambarkan titik M yang pada perpotongan garis FS dan E13. Titik E1 dan R1 dihubungkan melalui Tie Line yang merupaka titik keseimbangan

4. Gambarkan garis dari (R melalui R1 ke titik E25. Titik E2 R2 dihubungkan melalui Tie Line

6. Ulangi prosedur 4 dan 5 untuk R2 dan seterusnya sampai titik

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

Solvent recovery by extraction

Illustration 10.3

yS+100.010.020.040.060.080.10 = y1

xS0.020.0550.0900.1500.2050.2500.30=xF

And

Insoluble Liquids

(10.35)

Or

(10.36)

(10.37)

(10.38)

Umpan

Raffinate

Extract

Pelarut

E

Chloroform +p-n.acid

Campuran

Water +o-n.acid

P-dan o-

Nitrobenzoic acid

Chloroform

water

Mixer

Extract

A & C

Feed

Raffinate

Solvent

B

Settler

_1391076199.unknown

_1391321708.unknown

_1391925881.unknown

_1391929075.unknown

_1391929174.unknown

_1391929271.unknown

_1471692732.unknown

_1391929230.unknown

_1391929107.unknown

_1391926914.unknown

_1391927289.unknown

_1391928638.unknown

_1391929028.unknown

_1391927603.unknown

_1391927738.unknown

_1391927021.unknown

_1391927206.unknown

_1391926939.unknown

_1391926632.unknown

_1391926751.unknown

_1391926320.unknown

_1391923753.unknown

_1391924883.unknown

_1391924963.unknown

_1391924633.unknown

_1391924176.unknown

_1391924522.unknown

_1391328701.unknown

_1391328733.unknown

_1391322117.unknown

_1391077916.unknown

_1391251583.unknown

_1391254655.unknown

_1391254792.unknown

_1391255322.unknown

_1391254596.unknown

_1391078058.unknown

_1391077652.unknown

_1391077737.unknown

_1391076449.unknown

_1391077570.unknown

_1390721226.unknown

_1390721541.unknown

_1391065420.unknown

_1391069861.unknown

_1391070091.unknown

_1391070126.unknown

_1391070057.unknown

_1391065459.unknown

_1390721606.unknown

_1390721632.unknown

_1390721589.unknown

_1390721423.unknown

_1390721489.unknown

_1390721524.unknown

_1390721435.unknown

_1390721287.unknown

_1390721416.unknown

_1385880129.unknown

_1385904520.unknown

_1390715825.unknown

_1390719230.unknown

_1390720639.unknown

_1385905524.unknown

_1385905662.unknown

_1385904548.unknown

_1385897973.unknown

_1385900483.unknown

_1385880222.unknown

_1385880004.unknown

_1385880043.unknown

_1385879939.unknown