MODUL AJAR Unit Operasi II
TOPIK 5
EKSTRAKSI
5.1 PENDAHULUAN
Ekstraksi adalah proses pemisahan fasa solute dari suatu campuran atau larutan
menggunakan pelarut tertentu. Beradasarkan fasa yang terlibat di dalamnya, proses
ekstraksi dibagi 2 jenis, yaitu: (1) Ekstraksi solid (leaching atau pengurasan), serta; (2)
Ekstraksi liquid (ekstraksi cair-cair). Pada ekstraksi solid, fasa yang terlibat adalah fasa
solid, yang terdiri dari ‘pelarut’ dan solute, serta fasa liquid yang merupakan pelarut
(solvent). Sementara pada ekstraksi liquid, baik solvent maupun larutan yang akan
dipisahkan sama-sama berada dalam fasa cair. Perbedaan fasa ini ternyata menyebabkan
perbedaan signifikan dalam penggunaan peralatan untuk ekstraksi. Ekstraksi liquid
umumnya dapat dilakukan dalam kolom piring (tray tower) maupun menara isian
(package tower), sedangkan ekstraksi solid lebih sering dilakukan secara sokletasi atau
dalam tangki pengurasan (ekstraktor leaching).
5.1.1
Tujuan Khusus Topik
Setelah menyelesaikan bagian ini, mahasiswa diharapkan memiliki kemampuan:

Dapat menjelaskan prinsip dasar ekstraksi dan tipe-tipe peralatan ekstraksi;

Dapat menghitung jumlah tahap kesetimbangan dan jumlah plate teoritis untuk proses
ekstraksi dan leaching.
71
TOPIK 4 Ekstraksi
5.1.2
Prasyarat
Sebelum mempelajari topik ini mahasiswa harus sudah mempelajari konsep dasar
perpindahan massa, package tower, dan tray tower.
5.2 EKSTRAKSI PADAT-CAIR (LEACHING)
Ekstraksi padat-cair (pengurasan) adalah operasi pemisahan atau separasi zat terlarut
atau terikat pada suatu bahan padat (solid), yang sering disebut solute, menggunakan suatu
bahan cair yang berdaya larut tinggi (solvent). Operasi pengurasan dikenal dengan istilah
ekstraksi solid atau leaching. Secara makroskopis, proses ini barangkali sedikit identik
dengan proses pencucian zat padat hasil filtrasi (backwash), tetapi tentu saja dalam
kuantitas lebih banyak dan mekanis yang berbeda. Pada opaerasi backwash, pelarutan jauh
lebih kecil dibandingkan pada operasi leaching, yang seringkali mengalami mengalami
perubahan ukuran dan fasa.
5.2.1
Peralatan Leaching
Berdasarkan mode operasinya peralatan leaching dibagi dua, yaitu ekstraktor batch
dan ekstraktor kontinyu. Sedangkan berdasarkan sistem pengontakannya, peralatan
dibedakan dalam tiga kategori, yaitu:
(1) Ekstraktor dengan unggun solid stasioner ;
(2) Ekstraktor dengan unggun dinamis, serta;
(3) Ekstraktor zat padat terdispersi.
Leaching secara Perkolasi
Pengurasan (leaching) hamparan zat padat stasioner (tidak bergerak) dilaksanakan di
dalam tangki yang mempunyai dasar berlubang yang fungsinya mendukung zat padat,
namun masih dapat dilewati oleh pelarut. Zat padat diisi ke dalam tangki, dan disemprot
dengan pelarut sampai kandungan zat terlarutnya berkurang sampai tingkat yang dapat
diterima secara ekonomis, lalu dikeluarkan lagi dari tangki. Dalam kondisi tertentu, laju
pelarutan dapat sangat cepat, sehingga hanya diperlukan satu lewatan pelarut saja.. Tetapi,
biasanya kita perlu mengalirkan pelarut secara lawan arah (counter current) melalui satu
baterai (deretan) tangki. Dalam metode ini, pelarut segar diumpankan ke dalam tangki
yang berisi zat padat yang kandungannya sudah hampir habis diekstraksi. Pelarut itu lalu
dialirkan melalui sejumlah tangki dalam deretan seri hingga akhirnya keluar dari tangki
yang berisi muatan padat segar. Deretan tangki demikian dinamakan baterai ekstraksi
72
MODUL AJAR Unit Operasi II
(extraction battery). Zat padat di dalam tiap tangki berada dalam keadaan stasioner sampai
seluruh operasi itu selesai. Pipa-pipa yang menghubungkan tangki diatur sedemikian rupa
sehingga pelarut segar zapat dialirkan ke tangki yang mana pun juga dan larutan pekat
dapat dikeluarkan dari sembarang tangki pula, sehingga kita dapat memuat dan
membongkar tangki itu pada waktu yang sama. Tangki-tangki lainnya mengalami operasi
arus lawan-arah dengan memajukan pemasukan dan pengeluaran satu tangki ke depan
setiap kali pengisian dan pembongkaran zat padat. Proses seperti itu disebut proses Shanks.
Dalam beberapa kasus pengurasan unggun zat padat, pelarutnya mungkin bersifat
mudah menguap, sehingga operasinya memerlukan tangki tertutup di bawah tekanan.
Tekanan diperlukan pula untuk mendorong pelarut melalui zat padat yang kurang
permeabel. Deretan tangki bertekanan yang dioperasikan dengan aliran pelarut secara
berlawanan arah (counter current) dinamakan baterai difusi (diffusion battery).
Gambar 5.1 Baterai difusi
Leaching dengan Unggun Dinamis
Pada metode ini, zat padat bergerak melaiui pelarut tanpa pengadukan atau dengan
sedikit sekali pengadukan. Contoh ekstraktor leaching dengan unggun dinamis adalah
ekstraktor Bollman dan ekstraktor Hildebrand (Gambar 5.2). Ekstraktor Bollman (Gambar
5.2-a) mempunyai elevator ember yang ditempatkan dalam suatu rumahan. Ember itu
berlubang-lubang dasarnya. Pada sudut kanan atas ekstraktor, ember itu dimuat dengan
zat padat serpihan (berbentuk serpih) seperti kacang kedelai, dan disemprot dengan
setengah misela (half miscella) dalam jumlah yang cukup. Setengah misela ialah pelarutantara yang mengandung sebagian ekstrak dan beberapa partikel solid. Pada waktu zat
padat dan pelarut mengalir menurut arus searah ke arah bawah pada bagian kanan
ekstraktor minyak di dalam biji itu diekstraksi lagi oleh pelarut. Sementara itu, zat padat
halus disaring keluar dari pelarut, sehingga misela penuh (full miscella) yang bersih dapat
dipompakan dari penampung di sebelah kanan bawah rumahan itu. Pada waktu biji telah
terekstraksi, sebagian naik pada bagian kiri mesin, arus pelarut murni dialirkan secara
lawan-arah melaluinya. Pelarut kemudian mengumpul pada penampung sebelah kiri, dan
73
TOPIK 4 Ekstraksi
dipompakan ke dalam tangki persediaan setengah-misela. Biji yang telah diekstraksi
penuh lalu dibuang dari ember-ember itu dipuncak elevator, masuk ke dalam hoper dan
dibawa dari situ dengan konveyor dayung. Kapasitas unit ini biasanya antara 50-500 ton
kacang per hari 24 jam.
Gambar 5.2 Ekstraktor leaching tipe unggun dinamis: (a) ekstraktor Bollman, dan;
(b) ekstraktor Hildebrandt
Ekstraktor Hildebrandt pada Gambar 5.2-b terdiri dari konveyor sekrup berbentuk U
yang mempunyai heliks terpisah pada setiap bagiannya. Kecepatan putar ketiga heliks itu
tidak sama sehingga memberikan pemadatan lebih daripada zat padat itu di dalam bagian
yang horisontal. Zat padat diumpankan ke satu kaki U dan pelarut segar pada kaki yang
satu lagi, sehingga alirannya adalah lawan-arah.
Leaching dengan Zat Padat Terdispersi
Zat padat yang membentuk hamparan yang tak-permeabel, baik sebelum maupun
selama operasi pengurasan dikerjakan dengan menyebarkan zat padat itu di dalam pelarut
dengan cara pengadukan mekanik di dalam tangki atau pencampur-alir. Ampas hasil
pengurasan itu lalu dipisahkan dari larutan pekat dengan cara mengendapkan atau
menyaringnya.
Bila kuantitas bahan yang akan dikerjakan sedikit, pengurasan dapat dilakukan
dengan sistem tumpak di dalam bejana aduk yang diperlengkapi dengan fasilitas pem74
MODUL AJAR Unit Operasi II
buangan ampas hasil pengurasan dari lawan tangki. Pengurasan secara kontinyu lawanarah dilaksanakan dengan menggunakan beberapa pemekat gravitasi (gravity thickener)
yang dihubungkan dalam susunan seri (Gambar 5.3) atau bila kontak dalam satu pemekat
saja sudah memadai, dengan menempatkan tangki-aduk di dalam rentet peralatan di antara
setiap pasang pemekat. Pada sistem yang lebih disempurnakan lagi, yang digunakan bila
zat padat itu terlalu halus sehingga tidak mudah mengendap dengan gravitasi, ampas
dipisahkan dari misela di dalam pemisah sentrifugal konveyor-heliks cawan-padat yang
kpntinu. Berbagai peranti pengurasan lain telah banyak dikembangkan untuk tugas-tugas
khusus. Misalnya, untuk ekstraksi minyak kacang dengan pelarut rinci rancangannya yang
khusus itu ditentukan oleh sifat-sifat pelarut dan zat padat yang akan dikuras. Bahan yang
terlarut, atau zat terlarut, biasanya dipulihkan dengan cara kristalisasi atau evaporasi.
Gambar 5.3 Gravity thickener
5.2.2
Leaching Kontinyu sistem Counter Current
Metode pengurasan yang paling penting ialah metode kontinyu secara berlawanan
arah yang menggunakan tahap-tahap (stage). Bahkan di dalam baterai ekstraksi pun,
dimana zat padat tidak berpindah-pindah secara fisik dari tahap ke tahap, muatan di dalam
setiap sel diolah dengan sederetan zat cair yang konsentrasinya makin mengecil,
sebagaimana halnya jika zat padat itu berpindah dari tahap ke tahap dalam sistem lawanarah.
A. Tahap ideal
Gambar 5.1 menunjukkan diagram neraca bahan untuk kaskade lawan-arah kontinu.
Tahap-tahap diberi nomor menurut arah aliran zat padat. Fase F adalah zat cair yang
75
TOPIK 4 Ekstraksi
melimpah dari satu tahap ke tahap berikut-nya menurut arah berlawanan dengan arah
aliran zat padat, sambil melarutkan solute pada waktu berpindah dari tahap N ke tahap 1.
Fase Z ialah zat padat yang meng-alir dari tahap 1 ke tahap N. Zat padat ampas keluar dari
tahap N, dan larutan pekat keluar dari tahap 1.
Zat padat yang bebas zat-terlarut itu diandaikan tidak dapat larut di dalam pelarut,
dan laju aliran zat padat ini diandaikan konstan di keseluruhan kaskade. Zat padat itu
berpori dan mengandung larutan yang kuantitasnya mungkin konstan mungkin tidak.
Umpamakan L ialah aliran zat cair, dan V laju aliran limpah pelarut. Aliran V dan L dapat
dinyatakan dalam massa per satuan waktu atau didasarkan atas aliran tertentu zat padat
kering bebas zat terlarut. Demikian pula, sesuai dengan tata nama yang baku, konsentrasi
terminal adalah sebagai berikut:

Larutan di dalam zat padat masuk, xa

Larutan di dalam zat padat keluar, xb

Pelarut segar masuk sistem, yb

Larutan pekat keluar sistem, ya
Sebagaimana halnya pada absorpsi dan distilasi, unjuk-kerja kuantitatif sistem
berlawanan arah dapat dianalisis dengan menggunakan garis keseimbangan dan garis
operasi, dan metode yang akan digunakan bergantung pada profil garis-garis tersebut,
apakah lurus atau lengkung.
B. Kesetimbangan
Dalam pengurasan, jika terdapat cukup banyak pelarut untuk melarutkan semua zatterlarut yang terkandung di dalam zat padat yang masuk, dan tidak ada absorpsi
(penyerapan) zat-terlarut di dalam zat padat, keseimbangan akan tercapai bila seluruh zatterlarut sudah larut semuanya di dalam zat cair dan konsentrasi larutan yang terbentuk
menjadi seragam. Kondisi ini bisa tercapai dengan mudah atau dengan kesulitan,
bergantung pada struktur zat padatnya. Jika diandaikan bahwa persyaratan kesetimbangan
itu sudah dipenuhi, maka konsentrasi zat cair yang terkandung di dalam zat padat yang
keluar dari setiap tahap sama dengan konsentrasi zat cair yang mengalir limpah dari tahap
tersebut. Hubungan kesetimbangan adalah xe= ye.
C. Garis operasi
Persamaan untuk garis operasi didapatkan dengan menulis neraca bahan untuk
bagian kaskade yang terdiri dari n unit pertama sebagaimana ditunjukkan oleh bidang
76
MODUL AJAR Unit Operasi II
kendali yang ditandai dengan garis putus-putus pada Gambar 5.1. Secara matematis,
neraca massa bahan ditulis sebagai:
Neraca massa total:
La  Vn 1  Ln  Va
(5.1)
Neraca massa solute:
La x a  Vn 1 y n 1  Ln x n  Va y a
(5.2)
Penyelesaian untuk yn+1 menghasilkan persamaan garis operasi:
y n 1 
Ln
V y  La x a
xn  a a
Vn1
Vn 1
(5.3)
Garis operasi tersebut melalui titik (xa, ya) dan (xb, y,b), dengan kemiringan (L/V) jika laju
aliran konstan.
D. Constant & variable solution underflow (aliran-bawaan konstan dan variabel)
Jika densitas dan viskositas larutan berubah cukup banyak sesuai dengan konsentrasi
zat terlarut, zat padat dari tahap-tahap bernomor rendah akan mengandung lebih banyak
zat cair daripada yang berasal dari tahap-tahap bernomor lebih tinggi. Jadi, sebagaimana
ditunjukkan oleh persamaan (5.3), kemiringan garis operasi berubah dari unit ke unit.
Kondisi ini disebut aliran bawaan variabel (variable solution underflow.) Tetapi, jika
massa zat cair yang terkandung di dalam zat padat itu tidak bergantung pada konsentrasi,
Ln konstan, dan garis operasi itu lurus. Kondisi ini disebut aliran bawaan larutan konstan
(constant solution underflow). Jika aliran-bawaan konstan, maka aliran-limpah pun
konstan pula.
Bila garis operasi merupakan garis lurus, kita dapat menggunakan konstruksi
McCabe-Thiele untuk menentukan jumlah tahap ideal. Tetapi, karena pada pengurasan
garis kesetimbangan juga lurus, kita dapat langsung menggunakan persamaan (5.4) untuk
aliran-bawaan konstan. Penggunaan persamaan tersebut sangat sederhana, karena y* = xa
dan y* = xb.
log[( y b  y b* ) /( y a  y a* )
N
log[( y b  y a ) /( y b*  y a* )
(5.4)
Dengan:
77
TOPIK 4 Ekstraksi
N
= jumlah tahap ideal
ya,b
= fraksi mol liquid pada titik masuk (b) dan keluar (a)
∗
𝑦𝑎,𝑏
= fraksi mol liquid pada titik masuk (b) dan keluar (a)
Persamaan (5.4) tidak dapat digunakan untuk keseluruhan kaskade jika La, yaitu larutan
yang masuk bersama zat padat yang belum diekstraksi, berbeda dari L, yaitu aliranbawaan dalam sistem itu. Untuk situasi ini sudah ada persamaan-persamaan yang
diturunkan, tetapi lebih mudah menghitung secara terpisah unjuk-kerja tahap per-tama
dengan neraca bahan, dan kemudian menerapkan persamaan (5.4) untuk tahap-tahap
lainnya.
CONTOH 5.1
Kertas berlilin, sebanyak 2 ton/hari, akan diekstraksi dengan kerosin (minyak tanah) di
dalam sistem ekstraksi kontinu lawan-arah yang mempunyai beberapa tahap ideal. Kertas
lilin itu mengandung 25% berat lilin parafin dan 75% pulp (bahan kayu kertas). Pulp
setelah diekstraksi dikeringkan di dalam pengering untuk menguapkan minyak tanahnya.
Pulp setelah diekstraksi masih mengandung sisa lilin. Sisa lilin itu tidak boleh lebih dari
0,2 lb/100 lb pulp bebas lilin. Kerosin yang digunakan untuk mengekstraksi mengandung
0,05 lb lilin per 100 lb kerosin yang bebas lilin. Percobaan menunjukkan bahwa pulp itu
membawa 2,0 lb kerosin/pon pulp bebas-kerosin bebas-lilin pada waktu berpindah dari
sel ke sel. Ekstrak dari baterai itu mengadung 5 lb lilin/100 lb kerosin bebas lilin. Hitung
jumlah tahap yang diperlukan?
Gambar 5.4 Blok diagram sistem
78
MODUL AJAR Unit Operasi II
Penyelesaian:
Basis perhitungan: 100 lb pulp bebas-lilin, bebas-kerosin dan dimisalkan s lb kerosin
diumpankan di dalam pelarut segar. Neraca lilin adalah:
 Lilin dalam pulp umpan
= 100 × 25/75 = 33,33
 Lilin dalam umpan pelarut
= 0,0005s
 Total lilin masuk
= 33,33 + 0,0005s
 Lilin dalam pulp
= 100 × 0,002 = 0,200
 Lilin dalam ekstrak
= (s - 200)0,05 = 0,05s – 10
 Total lilin keluar
= 0,05s - 9,80
Sehingga diperoleh jumlah : .
 33,33  0,0005 s  0,05s  9,80
s  871lb

Kerosene dalam pulp keluar
= 200 lb

Kerosene dalam larutan pekat
= 871 - 200 = 671 lb

Lilin di dalam larutan pekat
= 671 × 0,05 = 33,55 lb
Konsentrasi di dalam aliran-bawaan ke unit kedua sama dengan konsentrasi di dalam
aliran limpah dari tahap pertama, atau: 0,05 lb lilin per pon kerosin. Lilin yang keluar
bersama aliran-bawaan ke unit 2, ialah: 200 x 0,05 = 10 lb.
Lilin di dalam aliran-limpah dari unit kedua ke unit pertama, menurut neraca lilin dalam
unit pertama, adalah:
 10 + 33,55 - 33,33 = 10,22 lb
Konsentrasi arus tersebut adalah
= 10,22/871 = 0,0117 lb.
Fraksi parafin di dalam fasa-fasa yang terlibat adalah:
x a  y a* = 0,05
0,2
 0,001
200
y a  0,0117
xb  y b* =
y b  0,0005
79
TOPIK 4 Ekstraksi
Karena tahap 1 sudah diperhitungkan, persamaan (5.4) memberikan hasil:
log[( 0,0005  0,001) /(0,0117  0,05)
3
log[( 0,0005  0,0117 ) /(0,001  0,05)
N 1 3  4
N 1
E. Jumlah tahap ideal untuk variable solution underflow
Bila aliran-limpah dan aliran-bawaan berubah dari tahap ke tahap, kita dapat
menggunakan modifikasi metode grafik McCabe-Thiele untuk perhitungannya. Titik-titik
terminal pada garis operasi ditentukan dengan menggunakan persamaan neraca massa.
Andaikan kuantitas aliran L diketahui sebagai fungsi komposisi aliran-bawaan, nilai antara
xn dipilih untuk menentukan Ln, dan Vn+1 dihitung dari persamaan (5.1). Komposisi aliranlimpah yn+1 lalu dihitung dari persamaan (5.2), dan titik (xn,yn+l) digambarkan bersama
komposisi terminal untuk menggambarkan garis operasi yang lengkung. Kecuali jika L
dan V berubah signifikan, atau garis operasi sangat berdekatan dengan garis keseimbangan,
biasanya perhitungan satu titik antara saja sudah mencukupi.
80