Kromatografi Ion

BAB I

PENDAHULUAN

1.1    Latar Belakang

Kromatografi pertama kali ditemukan oleh oleh Michael Tswett ahli botani dari Rusia pada tahun 1906 Dalam eksperimennya, Tswett  memisahkan  pigmen  tumbuhan berwarna pada kolom berisi serbuk kalsium karbonat dan dari pekerjaannya muncul istilah kromatografi. Pigmen yang terpisah dibedakan sebagai pita warna. Chroma berarti warna, graphy berarti tulis sehingga sampai saat ini dikenal istilah kromatografi. Kromatografi merupakan metode pemisahan dua komponen atau lebih dalam suatu campuran homogen berdasarkan distribusi senyawa-senyawa tersebut dalam dua fasa, fasa diam dan fasa gerak.

Kromatografi Pertukaran Ion merupakan jenis kromatografi cair yang digunakan unutk pemisahan sampel-sampel bermuatan baik kation maupun anion. Beraneka ragam bahan organik dan anorganik, memperagakan proses pertukaran ion, tetapi pada penelitian di laboratorium di mana keseragaman sangat penting, pertukaran ion yang sangat disukai biasanya adalah bahan – bahan yang dikenal sebagai resin pertukaran ion yang bertindak sebagai fasa diam. Terdapat 2 pertukaran ion yaitu pertukaran anion dan pertukaran kation. Pemisahan pertukaran ion sederhana didasarkan pada kekuatan interaksi ion terlarut dengan resin. Larutan berair merupakan pelarut universal untuk kation dan anion. Dalam  memisahkan campuran beberapa kation terlarut dalam air dapat menggunakan kromatografi penukar kation dengan memperhatikan beberapa faktor misalnya muatan, afinitas, jari-jari ion dan sebagainya. Muatan ion sangat berpengaruh dan pH fasa gerak dapat divariasikan. Suatu anion akan tertahan pada kolom penukar anion tapi sangat terelusi pada kolom penukar kation. Dasar pemisahan berasal dari perbedaan afinitas senyawa bermuatan terhadap permukaan penukar ion. Hal tersebut merupakan dasar dari proses pemisahan suatu senyawa yang bermuatan dengan menggunakan kromatografi penukar ion.

 

1.2    Rumusan Masalah

a.     Apa yang dimaksud dengan kromatrografi penukar ion

b.     Bagaimana prinsip kerja dari kromatografi penukar ion

c.      Apa jenis-jenis dari kromatrografi penukar ion

 

1.3    Tujuan

a.     Memahami tentang kromatografi khususnya kromatogrfi penukar ion

b.     Memahami prinsip kerja dari kromatografi penukar ion

c.      Memahami jenis-jenis dari kromatografi penukar ion

 

BAB II

PEMBAHASAN

 

2.1 Pengertian Dari Kromatografi Penukar Ion

Kromatografi penukar ion merupakan jenis kromatografi cair dimana senyawa yang dipisahkan berupa zat cair. Jika senyawa yang akan dipisahkan dalam bentuk padatan maka perlu dilakukan preparasi terlebih dahulu untuk menjadikan senyawa tersebut dalam bentuk cair yaitu dengan melakukan penambahan larutan yang sesuai dengan senyawa dan tidak akan mempengaruhi terhdapa proses pemisahan waktu berada di dalam klom resin penukar ion. Kromatografi penukar ion adalah kromatografi yang digunakan untuk memisahkan sampel-sampel yang bermuatan, baik itu kation maupun anion. Misalnya saja garam ion seperti NaCl dan senyawa amfoter seperti asam amino dapat dipisahkan dengan menggunakan kromatografi penukar ion.

Pertukaran ion yang sangat disukai biasanya adalah bahan-bahan yang dikenal sebagai resin pertukaran ion yang bertindak sebagai fasa diam. Resin ini dibuat dengan memasukkan gugus yang dapat diionisasi ke dalam matriks polimer organik, yang paling umum adalah polistirena terhubung silang dimana resin ini bertindak sebagai adsorben. Resin diproduksi dalam bentuk manik manik bulat, biasanya berdiameter 0,1 sampai 0,5 mm, meskipun ukuran yang lain juga tersedia.

Gambar 1: Manik-manik Resin

Resin penukar ion dapat didefinisi sebagai senyawa hidrokarbon terpolimerisasi, yang mengandung ikatan hubung silang (crosslinking) serta gugusan-gugusan fungsional yang mempunyai ion-ion yang dapat dipertukarkan. Sebagai zat penukar ion, resin mempunyai karakteristik yang berguna dalam analisis kimia, antara lain kemampuan menggelembung (swelling), kapasitas penukaran dan selektivitas penukaran. Penggunaannya dalam analisis kimia misalnya untuk menghilangkan ion-ion pengganggu, memperbesar konsentrasi jumlah ion-ion renik, proses deionisasi air atau demineralisasi air, memisahkan ion-ion logam dalam campuran dengan kromatografi penukar ion. Resin biasanya masih dalam bentuk padatan kering dimana gugus-gugus ionnnya belum aktif. Untuk mengaktifkan gugus resin tersebut dilakukan penambahan air (H2O), untuk setiap 1 gram resin kering ditambahkan air sebanyak 20 ml-40 ml. setelah ditambahkan air maka permukaan serbuk resin mengadsorbsi air sehingga membuat resin menggelembung berbentuk bulatan seperti manik-manik kecil.

Gugus dari resin yang akan dipertukarkan dengan senyawa polimer akan mengalami gaya elektrostatik setelah ditambahkan air. Akibat adanya gaya elektrostatik tersebut menyebabkan ikatan antara gugus resin yang akan dipertukarkan dengan senyawa polimer menjadi lemah sehingga mudah digantikan dengan ion lain yang sesuai dengan muatan gugus resin yang putus.

Resin pertukaran ion merupakan bahan sintetik yang berasal dari aneka ragam bahan, alamiah maupun sintetik, organik maupun anorganik, memperagakan perilaku pertukaran ion dalam analisis laboratorium dimana keseragaman dipentingkan dengan jalan penukaran dari suatu ion. Pertukaran ion bersifat stokiometri, yakni satu H⁺ diganti oleh suatu Na⁺.  Pertukaran ion adalah suatu proses kesetimbangan dan jarang berlangsung lengkap, namun tak peduli sejauh mana proses itu terjadi, stokiometrinya bersifat eksak dalam arti satu muatan positif meninggalkan resin untuk tiap satu muatan yang masuk. Ion dapat ditukar yakni ion yang tidak terikat pada matriks polimer disebut ion lawan (Counterion) (Underwood, 2001).

Resin merupakan fasa diam, fasa diam ini dapat berupa penukar ion asam sulfonat untuk kation atau penukar ion untuk anion. Mekanisme yang terjadi dalam kolom penukar ion adalah sebagai berikut:

Resin penukar ion sangat banyak di gunakan juga dalam dunia industri, biasanya dalam pengolahan air (water treatment) dalam seksi Utilities jika di dunia industri,digunakan dengan tujuan menukar ion (+) seperti Na,Mg,Ca,Fe, dan lain-lain yang terdapat dalam air untuk kemudian logam-logam tersebut di tukar dengan ion (H⁺), yang telah ada dalam resin (yaitu ion (H⁺), didapatkan dengan cara regenerasi resin yaitu menambahkan asam sulfat (H₂SO₄), begitu juga sebaliknya untuk ion (-) seperti Cl^-,SO₄,SiO, dan lain-lain yang terkandung dalam air yang ingin di tukar dengan ion (OH^-) dengan menggunakan soda api atau NaOH, prosesnya sama yaitu dengan regenerasi resin dengan menambahkan NaOH untuk menukar ion (-) dan menambahkan H₂SO₄ untuk regenerasi resin (+), pertukaran ini terhadap air bertujuan untuk mendapatkan air dengan kualitas yang baik yaitu bebas dari logam (ion positif) dan ion negatif yang mengganggu dalam proses,terutama untuk air umpan boiler (Boiler feed Water/BFW) yang akan dibuat untuk penghasil steam untuk penggerak turbin baik untuk kompresor, turbin power/generator listrik, turbin gas, steam turbin, pompa dan lain-lain.

Karakteristik fasa gerak dalam kromatografi penukar ion yang digunakan sama dengan pada kromatografi lain. Fasa gerak harus melarutkan cuplikan, mempunyai kekuatan pelarut yang memberikan waktu retensi yang sesuai, berinteraksi dengan solute sehingga memberikan harga selektifitas yang tepat. Fasa gerak dalam kromatografi penukaran ion adalah larutan dalam air yang dapat mengandung sedikit methanol atau pelarut organic lain yang bercampur dengan air. Pelarut ini juga mengandung senyawa-senyawa ionis dalam bentuk buffer. Kekuatan pelarut dan selektivitas ditentukan oleh jenis dan konsentrasi bahan-bahan tambahan ini. Umumnya, ion-ion dari fasa gerak bersaing dengan ion analit untuk memperebutkan tempat paking penukar ion.

2.2 Macam-macam Resin Pertukaran Ion

A.    Resin Pertukaran Kation

Resin pertukaran kation (dikenal pula dengan resin asam  baik asam kuat atau asam lemah) merupakan resin yang mempunyai gugus kation yang dapat dipertukarkan, biasanya H⁺ . Misalnya asam arisulfonat merupakan asam kuat (Resin penukar kation asam kuat dapat digunakan pada pH 1 s/d 14. Pada harga pH rendah, penukaran kation asam lemah akan terikat kuat pada proton untuk terjadinya pertukaran. Demikian juga penukaran kation asam lemah tidak akan dapat sempurna melepaskan kation dari basa sangat lemah), sehingga gugus-gugus ini terionisasi pada saat air menembus manik-manik resin:

Anion terikat secara permanen pada matriks polimernya. Anion ini tidak bisa bermigrasi melalui fasa berair di dalam pori-pori resin, juga tidak bisa melepaskan diri dan bergerak menuju larutan terluar. Pengikatan anion ini kemudian membatasi pergerakan dari kation, H⁺ . Netralitas kelistrikan dijaga tetap di dalam resin, dan kation H⁺ tidak akan meninggalkan fasa resin kecuali jika ion ini digantikan dengan kation yang lain, di mana penggantian ini merupakan proses pertukaran ion. Pertukaran ini bersifat stoikiometri yakni satu H⁺ digantikan oleh satu Na⁺, dua H⁺ digantikan oleh satu Ca⁺, dan seterusnya.

Ada beberapa resin jenis lain yang bisa digunakan. Contohnya, gugus fungsionalnya dapat berupa asam lemah COOH. Resin ini tidak memperagakan sifai-sifat pertukaran ion kecuali jika pH nya cukup tinggi untuk mengubah asam bebas netral menjadi anion karboksilat, COO^-. Sesuai dengan reaksi :

 

Resin pertukaran Kation hanya mampu berkeseimbangan dengan kation terlarut dalam sampel. Kation-kation dengan muatan lebih besar lebih mudah diikat oleh resin kation daripada kation-kation dengan muatan lebih kecil. Beberapa kation bermuatan 2⁺ mempunyai  kekuatan yang sama sehingga diperlukan teknik khusus dalam proses pemisahannya.

Dalam sekelompok ion yang mempunyai tanda yang tepat untuk bertindak sebagai ion lawan yang sejati, besarnya muatan sangatlah penting. Biasanya, resin lebih menyukai ion dengan muatan yang besar. Jadi, seberapa jauhnya pertukaran dengan, katakanlah H⁺, akan menurun dengan urutan

      Th⁴⁺ > AI³⁺ > Ca²⁺ > Na⁺

Dengan sederetan ion dengan muatan yang sama, resin ini masih memperlihatkan selektivitas. Misalnya, dengan logam alkali, urutan berikut ini umumnya dijumpai pada resin pertukaran kation. Faktor terpenting di sini kemungkinan adalah jari-jari ion; semakin kecil jari-jari ion dengan muatan tertentu, semakin kuat ion tersebut akan diikat oleh resin.

 

B.     Resin Pertukran Anion

Resin Pertukaran anion adalah resin yang mempunyai gugus anion, berkemampuan menukar anion terlarut. Secara umum resin pertukaran anion dibedakan menjadi basa kuat dan basa lemah.

Gugus penukar anion dapat berupa hidroksil atau klorida atau anion lain. Resin pertukaran anion basa kuat mempunyai gugus ammonium kuartener bermuatan positif dan gugus hidroksil bermuatan negatif yang dapat dipertukarkan, sedangkan Resin pertukaran anion basa lemah  mempunyai gugus ammonium tersier atau sekunder. Reaksi pertukarannya dapat dituliskan seperti berikut:

dimana R adalah gugus organik (gugus alkil, biasanya metil).

Penukar basa kuat dapat digunakan diatas rentang pH 0 sampai dengan 12, sedangkan resin penukar basa lemah hanya diatas rentang pH 0 sampai dengan 9. Golongan penukar basa lemah tidak akan melepaskan asam yang sangat lemah, tetapi akan lebih disukai untuk asam kuat yang mungkin tertahan oleh resin basa kuat seperti sulfonat.

 

2.3 Regenerasi Resin

Proses regenerasi resin adalah proses pengembalian gugus resin pada kondisi semula, sehingga resin pertukaran ion merupakan jenis kromatografi yang dapat digunakan berulang-ulang.  Resin yang masih baru dipreparasi mempunyai gugus aktif asli, misalnya pada resin kation gugus aktif yang mampu ditukar adalah H⁺ sehingga apabila larutan kationik dilewatkan ke dalam resin kation akan terjadi proses pertukaran seperti reaksi berikut :

Proses regenerasi resin kation  dilakukan dengan cara mengganti kembali kation yang terikat dalam resin menjadi gugus H⁺ kembali. Regenerasi resin kation dapat dilakukan dengan melewatkan larutan HCl  ke dalam resin seperti reaksi berikut:

 

Seperti pada resin kation, regenerasi resin anion yang mempunyai gugus asli klorida dilakukan dengan larutan HCl atau NaCl. Untuk regenerasi resin pada umumnya digunakan asam kuat karena muatan kation lebih kuat terikat pada sulfonat sehingga perlu dimanipulasi dengan  memperbesar konsentrasi asam kuat agar muatan kation yang terikat tersebut dapat mudah lepas.

2.4 Kapasitas Pertukaran Resin

Kapasitas pertukaran resin merupakan indikator efektivitas dari resin. Kapasitas pertukaran resin ditentukan dengan cara menghitung jumlah gugus yang dapat dipertukarkan (mmol) setiap gram resin kering atau setiap milliliter resin basah. Besar nilai kapasitas pertukaran resin tergantung dari jumlah gugus aktif yang mampu dipertukarkan. Semakin banyak jumlah gugus aktif resin semakin besar pula nilai kapasitas pertukaran. Resin yang masih baru dipreparasi mempunyai nilai kapasitas pertukaran maksimal. Semakin sering resin digunakan dan diregenerasi, maka nilai kapasitas pertukaran semakin turun. Hal ini dikarenakan jumlah gugus aktif semakin berkurang.

2.5  Keunggulan Kromatogrfi Penukar Ion

A.       Kecepatan (speed)

Kecepatan dalam analisis suatu sampel menjadi aspek yang sangat penting dalam hal analisis ion. Salah satu yang menyebabkannya adalah masalah ｡ｦklasik｡ｦ yaitu untuk mengurangi biaya dan bisa menghasilkan data-data analisis yang akurat dan cepat. Namun lebih daripada itu, sebenarnya yang lebih penting adalah memberikan andil dengan maksimal dalam perhatian kepada kondisi lingkungan (environmental efforts) yang dari hari ke hari jumlah sampel yang mau dianalisis (untuk diketahui kandungan apa saja di dalamnya) semakin bertambah. Itulah sebabnya, teknik ini terus dikembangkan orang untuk mendapatkan teknik pemisahan/pendeteksian yang lebih praktis dengan biaya yang relatif murah. Sebagai tambahan pula bahwa limbah (waste) yang dihasilkan dari penggunaan eluen dapat dikurangi.

B.       Sensitivitas (sensitivity)

Dengan berkembangnnya teknologi mikroprosessor, mulailah orang mengkombinasikannya dengan efisiensi kolom pemisah, mulai skala konvensional (ukuran diameter dalam milimeter) sampai skala mikro yang biasa juga disebut microcolumn. Sehingga walaupun hanya dengan jumlah sampel yang sangat sedikit yang diinjekkan ke dalam sistem kromatografi, ion-ion yang ada dalam sampel tersebut dapat terdeteksi dengan baik.

C.       Selektivitas (selectivity)

Dengan sistem ini, bisa dilakukan pemisahan berdasarkan keinginan, misalnya kation/anion organik saja atau kation/anion anorganik yang ingin dipisahkan. Itu dapat dilakukan dengan memilih kolom pemisah yang tepat. Ataupun hanya ion tertentu yang ingin diukur walaupun banyak ion lain yang ada dalam sampel.

D.       Pendeteksian yang serempak (simultaneous detection)

Secara umum, anion dan kation dipisahkan/dideteksi terpisah dengan menggunakan sistem analisis yang terpisah (different systems) pula. Padahal sangat penting dilakukan pendeteksian secara serempak (simultaneous) antara anion dan kation dalam dalam sekali injek untuk sebuah sampel. Tentunya, pendekatan yang terakhir ini punya sejumlah kelebihan dibanding pemisahan terpisah. Sebagaimana telah diulas di atas, beberapa kelebihan di antaranya dapat menekan biaya operasional, memperkecil jumlah limbah saat analisis berlangsung, memperpendek waktu analisis (short time analysis) serta dapat memaksimalkan hasil yang diinginkan.

E.       Kestabilan pada kolom pemisah (stability of the separator column)

Walaupun sebenarnya, ketahanan kolom ini berdasarkan pada paking (packing) material yang diisikan ke dalam kolom pemisah. Namun kebanyakan, kolom pemisah bisa bertahan pada perubahan yang terjadi pada sampel, misalnya konsentrasi suatu ion terlalu tinggi, tidak akan mempengaruhi kestabilan material penyusun kolom. Namun, diakui bahwa ada juga kolom pemisah yang mempunyai waktu penggunaan yang tidak terlalu lama, dikarenakan paking kolom yang kurang baik atau karena faktor internal lainnya.

 

2.6  Contoh Aplikasi Kromatografi Penukar Ion

Pertama kali ditemukan, kromatografi penukar ion digunakan untuk analisis senyawa-senyawa anorganik pada tahun 1940-an dan 1950-an dengan keberhasilannya seperti pemisahan ion-ion alkali tanah dan isotop-isotop yang sebelumnya sukar atau tidak mungkin. Ketika kromatografi penukar ion dianggap sebagai alat pemisahan yang potensial, penggunaanya yang luas untuk menentukan senyawa-senyawa anorganik dihambat oleh kurangnya detektor yang baik dan umum untuk penentuan kuantitatif ion-ion atas dasar luas peak kromatografi. Detektor konduktifitas jelas merupakan suatu pilihan untuk pekerjaan ini. Detektor ini sangat sensitif, universal untuk molekul-molekul yang bermuatan dan secara umum detektor ini memberikan respon terhadap perubahan konsentrasi. Selain itu, detektor ini sederhana, murah untuk dibuat dan dirawat dan tahan lama. Sayangnya, kekurangan detektor ini dianggap serius menyebabkan detektor ini ditunda penggunaannya hingga tahun 1970-an. Kendalanya disebabkan oleh elektrolit berkonsentrasi tinggi dari fasa gerak untuk mengelusikan semua ion-ion analit dalam waktu yang cepat. Akibatnya, konduktivitas yang berasal dari komponen fasa gerak cenderung melampaui konduktivitas ion-ion analit, jadi menurunkan sensitivitas detektor.

Pada tahun 1975, masalah eluen dengan konduktivitas tinggi diselesaikan dengan menambahkan kolom tambahan yang disebut kolom supresor eluen setelah kolom penukar ion. Kolom supresor dipak dengan resin penukar ion yang berbeda untuk mengubah ion-ion pelarut menjadi molekul yang kurang terionisasi dengan tanpa mempengaruhi ion-ion analit. Contohnya, untuk pemisahan dan penentuan kation maka asam klorida dipilih sebagai eluen dan kolom supresornya untuk menangkap ion Cl^- digunakan resin penukar anion dalam bentuk hidroksida. Hasil reaksi dalam kolom supresor adalah air.

 

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Kromatografi penukar ion merupakan jenis kromatografi cair dimana senyawa yang dipisahkan berupa zat cair. Jika senyawa yang akan dipisahkan dalam bentuk padatan maka perlu dilakukan preparasi terlebih dahulu untuk menjadikan senyawa tersebut dalam bentuk cair yaitu dengan melakukan penambahan larutan yang sesuai dengan senyawa dan tidak akan mempengaruhi terhdapa proses pemisahan waktu berada di dalam klom resin penukar ion. Kromatografi penukar ion adalah kromatografi yang digunakan untuk memisahkan sampel-sampel yang bermuatan, baik itu kation maupun anion.

Pertukaran ion yang sangat disukai biasanya adalah bahan-bahan yang dikenal sebagai resin pertukaran ion yang bertindak sebagai fasa diam. Resin ini dibuat dengan memasukkan gugus yang dapat diionisasi ke dalam matriks polimer organik, yang paling umum adalah polistirena terhubung silang dimana resin ini bertindak sebagai adsorben.

Resin merupakan fasa diam, fasa diam ini dapat berupa penukar ion asam sulfonat untuk kation atau penukar ion untuk anion. Mekanisme yang terjadi dalam kolom penukar ion adalah sebagai berikut:

Resin pertukaran ion dibagi menjadi dua macam yaitu resin pertukaran anion dan resin pertukaran kation. Adapun keunggulan dari kromatografi pertukaran ion ini adalah kecepatan, sentisivitas, selektifitas, pendeteksian yang serempak dan kestabilan pada kolom pemisahan.

 

Daftar Pustaka

 

Bassett, J. dkk. 1994. Buku Ajar Vogel Kimia Analisis Kuantitatif Anorganik. Penerbit buku Kedokteran EGC. Jakarta.

Harjadi, W. 1993. Ilmu Kimia Analitik Dasar. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.

Khopkar. 1990. Konsep Dasar Kimia Analitik. UI Press. Jakarta.

Underwood, A.L., dan Day R. A. 2001. Analisis Kimia Kuantitatif Edisi Keenam. Erlangga. Jakarta.

Svehla. 1985. Analisis Kualitatif Anorganik Makro dan SemiMikro. Kalman Media Pustaka. Jakarta.