Petunjuk Praktikum Operasi Teknik Kimia 2
2014
KESETIMBANGAN CAIR-CAIR /LIQIUD-LIQUID
EQUILIBRIUM (LLE)
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Tujuan Percobaan
Tujuan percobaan ini antara lain :
1. Mendapatkan data LLE sistem terner fenol (1) + metanol (2) + air (2)
isobarik pada tekanan atmosfir.
2. Menghitung koefisien aktifitas dari masing-masing komponen yang
terlibat dan membandingkan data yang diperoleh dengan model-model
aktifitas koefisien Van Laar dan Three-Suffix Margules
1.2 Dasar Teori
1.2.1
Kesetimbangan cair-cair
Dalam termodinamika, suatu sistem termodinamik disebut berada dalam
kesetimbangan termodinamik bila sistem tersebut berada dalam keadaan
setimbang mekanis, setimbang termal dan setimbang secara kimia. Dalam
kesetimbangan termodinamik, tidak ada kecenderungan untuk terjadi perubahan
keadaan, baik untuk sistem maupun untuk lingkungannya. Kesetimbangan
mekanis terjadi apabila tidak ada gaya yang tak berimbang di bagian dalam
sistem, dan juga antara sistem dan lingkungannya. Dalam kesetimbangan termal,
semua bagian sistem mempunyai suhu sama, dan sistem juga memiliki suhu yang
sama dengan lingkungannya. Dalam kesetimbangan kimia, suatu sistem tidak
mengalami perubahan spontan dalam struktur internalnya, seperti reaksi kimia.
Sistem dalam kesetimbangan kimia juga tidak mengalami perpindahan materi dari
satu bagian sistem ke bagian sistem lainnya, seperti difusi atau pelarutan. Bila
ketiga syarat kesetimbangan tersebut tidak dipenuhi, maka sistem termodinamik
disebut berada dalam keadaan tidak setimbang.
Dua fasa cair-cair berada dalam kesetimbangan termodinamik apabila
suhu dan tekanan kedua fasa sama serta potensial kimia masing-masing
45
Petunjuk Praktikum Operasi Teknik Kimia 2
2014
komponen di kedua fasa bernilai sama. Dengan demikian, pada tekanan dan suhu
tertentu, kriteria kesetimbangan cair-cair dapat dinyatakan sebagai (Prausnitz dkk,
1998):
μi I = μi II
(1)
di mana i adalah potensial kimia komponen i yang pada esensinya adalah partial
molar Gibbs Free Energi ĝ i dan superskrip I dan II masing-masing menyatakan
fasa cair I dan fasa cair II.
μi = 𝑔̅i
(2)
dg̅ i = RT d ln fi̅ (T = tetap)
(3)
dμi = dg̅ i = RT d ln fi̅ (T = tetap)
(4)
̅
μ
f
∫μ i0 d μi = RT ∫f i0 d ln fi̅
i
i
μi − μi 0 = RT ln
f̅i
fi 0
(5)
(6)
Potensial kimia adalah besaran yang tidak mudah dipahami dan juga sukar
dihubungkan dengan variabel-variabel yang mudah diukur seperti tekanan, suhu,
dan komposisi. Untuk mengatasi hal tersebut, Lewis mengemukakan sebuah
konsep yang dikenal sebagai konsep fugasitas. Berdasarkan konsep ini, kesamaan
potensial kimia dapat diartikan pula sebagai kesamaan fugasitas tanpa mengurangi
arti yang terkandung di dalamnya (Prausnitz dkk, 1998).
μi − μi 0 = RT ln
fi
fi 0
(7)
Pada fase I, Persamaan (7) menjadi:
μi I − μi 0I = RT ln
fi I
fi 0I
(8)
Pada fase II, Persamaan (7) menjadi:
μi II − μi 0II = RT ln
fi II
fi 0II
(9)
Substitusi Persamaan (8) dan (9) pada kriteria kesetimbangan Persamaan (1),
maka:
46
Petunjuk Praktikum Operasi Teknik Kimia 2
μi 0I + RT ln
fi I
fi
0I
= μi 0II + RT ln
2014
fi II
fi 0II
(10)
Karena kondisi standar pada kedua fase adalah sama (fasa cair), maka:
μi 0I = μi 0II
(11)
fi 0I = fi 0II
(12)
Dengan demikian dari Persamaan (10), (11), dan (12), kriteria kesetimbangan
dapat pula dinyatakan sebagai berikut (Prausnitz dkk, 1998):
I
II
fi̅ = fi̅
I
(13)
II
di mana fi̅ = fi̅ dan dalah fugasitas parsial komponen i di fasa I dan fasa II.
Dalam bentuk variabel-variabel terukur, fugasitas parsial suatu komponen dalam
campuran fasa cair dapat diungkapkan sebagai (Prausnitz dkk, 1998):
fi̅ = X i . γi . fi 0
(14)
dimana Xi adalah fraksi mol komponen i (komponen tunggal), γi adalah koefisien
aktifitas komponen i, dan fi 0 adalah fugasitas komponen i murni pada suhu dan
tekanan sistem. Dari Persamaan (7), (8), dan (9), kriteria kesetimbangan cair-cair
dapat dinyatakan sebagai (Prausnitz dkk, 1998):
Pada fase I:
γi I . X i I =
Pada fase II:
γi II . X i II =
I
f̅i
fi
I
(15)
0I
f̅i
II
(16)
fi 0II
II
Jika fi̅ = fi̅ maka:
γi I . X i I . fi oI = γi II . X i II . fi oII
(17)
X i I γi I = X i II γi II
(18)
Jika fi oI = fi oII maka:
Fugasitas di fasa cair umumnya dinyatakan dalam bentuk koefisien
aktifitas yang didefinisikan sebagai perbandingan antara fugasitas di fasa cair dan
hasil kali antara fraksi mol komponen di fasa cair dan fugasitas komponen pada
keadaan standar dalam perhitungan-perhitungan koefisien aktifitas adalah kondisi
cairan murni.
47
Petunjuk Praktikum Operasi Teknik Kimia 2
2014
Koefisien aktivitas dapat dihitung berdasarkan data energi bebas Gibbs
berlebih (excess Gibbs energy). Persamaan-persamaan untuk menghitung
koefisien aktivitas antara lain Persamaan Van Laar, persamaan Margules,
persamaan Wilson, persamaan NRTL, dan sebagainya. Koefisien aktivitas juga
dapat dihitung dengan menggunakan metoda kelompok (group method) seperti
dengan metoda UNIFAC dan metoda ASOG.
1.2.2 Model Termodinamika
1. Persamaan Wohl
Merupakan persamaan empiris dengan faktor fraksi mol. Semakin panjang
persamaan ini, semakin baik. Akan tetapi membutuhkan banyak parameter. Dalam
percobaan ini hanya menggunakan tiga parameter untuk menyederhanakan proses
perhitungan. Persamaan dinyatakan sebagai berikut :
ln γA I = A12 XB 2 + A13 X C 2 + (A12 + A13 − A23 )XB XC
ln γB I = A12 XA 2 + A23 XC 2 + (A12 + A23 − A13 )XA XC
ln γC I = A13 XA 2 + A23 XB 2 + (A13 + A23 − A12 )X A XB
(1)
(2)
(3)
2. Persamaan Three-Suffix Margules
Ada beberapa persamaan Margules di mana perbedaan persamaan yang
satu dengan yang lain tergantung pada jumlah suffix. Persamaan Three-suffix
Margules mengandung 3 buah parameter yang merupakan karakteristik dari
komponen 1, 2, dan 3, di mana parameter itu tidak tergantung pada suhu.
Persamaan ini menjanjikan gambaran yang baik untuk campuran cair yang
sederhana dengan kesamaan molar volum dari komponen penyusun. Persamaan
dinyatakan sebagai berikut :
ln γA I = A12 XB 2 (1 − 2X A ) + 2A21 XA XB (1 − X A ) + A13 XC 2 (1 − 2X A ) +
1
2
2A31 XA XC (1 − X A ) − 2A23 XB XC 2 − 2A32 XB 2 XC + [ (A12 + A21 + A13 +
A23 + A32 − Q′] (X B XC − 2XA XB XC )(4)
48
Petunjuk Praktikum Operasi Teknik Kimia 2
2014
ln γB I = A23 XC 2 (1 − 2X B ) + 2A23 XB XC (1 − X B ) + A21 XA 2 (1 − 2X B ) +
1
2A12 XB XA (1 − X B ) − 2A31 XC XA 2 − 2A13 XC 2 XA + [2 (A23 + A32 + A21 +
A31 + A13 − Q′] (X C XA − 2XB XC XA )
(5)
ln γC I = A31 XA 2 (1 − 2X C ) + 2A13 XC XA (1 − X C ) + A32 XB 2 (1 − 2X C ) +
1
2A23 XC XB (1 − X C ) − 2A12 X A XB 2 − 2A21 XA 2 XB + [2 (A31 + A13 + A32 +
A12 + A21 − Q′] (X A XB − 2X C XA XB )
(6)
BAB II
METODE PERCOBAAN
2.1 Bahan dan Alat
a. Alat dan Bahan Percobaan
Alat yang digunakan dalam percobaan ini antara lain :
1.
Shaker Bath
2.
Beaker glass
3.
Erlenmeyer
4.
Corong Pemisah
5.
Pipet ukur
6.
Termometer
7.
Gelas ukur
8.
Corong kaca
b. Bahan :
1. Fenol
2. Kerosen
3. Metanol (p.a)
4. Aquades
2.3 Metode Percobaan
a. Menyiapkan larutan fenol (92% kerosen dan 8% fenol v/v) sebanyak 50ml.
49
Petunjuk Praktikum Operasi Teknik Kimia 2
2014
b. Menyiapkan larutan metanol (80% metanol dan 20% air v/v) sebanyak
50ml.
c. Sebelum sampel dimasukkan ke dalam shaker, shaker juga dikondisikan
pada suhu yang diinginkan
d. Masing–masing larutan fenol dan larutan metanol (rasio 1:1) yang telah
dikondisikan pada kondisi percobaan, dimasukkan ke dalam alat shaker.
e. Proses berlangsung dengan kondisi operasi seperti pada Tabel 1.
f. Sampel hasil ekstraksi (terdiri dari fase minyak dan air) dipisahkan dalam
corong pemisah untuk memperoleh rafinat dan ekstrak, didiamkan selama
1 jam.
g. Selanjutnya fase ekstrak yang diperoleh ditimbang dan diukur volumenya,
dan fase ekstrak dianalisis konsentrasinya dengan menggunakan
spektronik UV-Vis. Sampel dianalisis tiap 15 menit sampai konsentrasi
yang diperoleh konstan yang menunjukkan bahwa proses ekstraksi sudah
tercapai kondisi kesetimbangan.
Tabel 1. Kondisi Percobaan dalam Ekstraksi
Keterangan
Umpan
Volum umpan
Solven
Volum solven
Frekuensi pengadukan
Suhu
Dimensi
[mL]
[mL]
[rpm]
[K]
Unit
Larutan fenol
2,5
Larutan metanol
2,5
35
298, 308, 318, 328
DAFTAR PUSTAKA
Kondepudi., 2008. Introduction to Modern Thermodynamics. John Wiley & Sons,
Ltd., England
Smith, J.M, Van Ness, H.C., and Abbot, M.M., 2001. Chemical Engineering
Thermodynamics 6thed. Singapore: McGraw-Hill International Edition.
Praustnitz, J. M., Lichtenthaler, R. N., and de Azevedo, E. G. 1999. Molecular
Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria, 3rd ed., Prentice Hall PTR.
USA
50