Ion Exchange

Kromatografi merupakan sebuah metode untuk memisahkan campuran menjadi komponen-komponen penyusunnya. Salah satu bentuk campuran yang biasa dikromatografi yaitu senyawa-senyawa yang memiliki molekul saling berikatan ion. Pemisahan salah satu ion penyusun molekul tersebut, membutuhkan metode khusus yakni kromatografi pertukaran ion.

Ion exchange jika diartikan ke dalam Bahasa Indonesia berarti pertukaran ion. Namun jika diartikan lebih dalam lagi, kromatografi ion exchange adalah sebuah proses kromatografi untuk memisahkan molekul ion suatu senyawa berdasarkan perbedaan nilai muatan permukaan antar senyawa.

Pertukaran ion melibatkan butiran-butiran resin dengan permukaan yang bermuatan positif (kation) atau negatif (anion). Biasanya resin-resin tersebut memiliki pori-pori kecil untuk menambah luas permukaan kontak. Sebagai contoh gambaran, salah satu jenis resin ion exchange adalah berupa molekul ikatan hidrokarbon kompleks yang sangat panjang dengan ujung rantai mengikat ion H⁺ untuk resin kation, dan OH^- untuk resin anion.

Contoh Molekul Resin Ion Exchange

Pada proses ekstraksi protein, resin ion exchange dikemas ke dalam sebuah wadah kolom, dan diisi dengan larutan penyetimbang (equilibration buffer). Larutan penyetimbang ini mengisi sela-sela kosong antara butiran resin serta menyelimuti permukaan pori tiap-tiap butirannya. Kekuatan ion dan pH larutan penyetimbang dijaga pada angka khusus, sehingga pada saat sampel campuran dimasukan ke dalam kolom resin, hanya ion-ion molekul protein sasaran yang terikat oleh molekul resin. Pengontrolan nilai pH ini sangat penting karena molekul-molekul protein tersusun atas ion-ion asam amino yang kekuatan muatannya sangat bergantung terhadap pH lingkungannya (perhatikan kurva berikut).

Kurva Pengaruh pH Lingkungan Terhadap Muatan Permukaan Protein

Contoh penggunaan ion exchange lain yaitu pada proses softening (pelunakan) air dan juga demineralisasi air. Proses softening air adalah proses menghilangkan zat-zat kimia pengeras air yakni ion kalsium dan magnesium. Sedangkan proses demineralisasi adalah proses menghilangkan seluruh kandungan ion-ion mineral yang terlarut di dalam air.

Pertukaran Kation Pada Proses Softening Air

Jika R adalah senyawa resin, maka reaksi pertukaran ion kalsium yang terjadi pada proses softening air adalah sebagai berikut:
      2 RNa + Ca⁺⁺ → R₂Ca + 2 Na⁺
Pada proses softening air, pertukaran ion terjadi pada saat air dengan kandungan ion kalsium (Ca²⁺) dan magnesium (Mg²⁺) melewati gugusan resin kation. Pada awalnya molekul resin mengikat lemah ion sodium (Na⁺), dan karena ion molekul resin memiliki gaya tarik-menarik yang lebih kuat dengan ion kalsium dan magnesium, maka terjadilah proses pertukaran ion. Molekul resin melepas ion sodium ke dalam air, diikuti dengan pengikatan ion kalsium dan magnesium ke molekul resin.

Pertukaran Ion Pada Proses Demineralisasi Air

Sedikit berbeda dengan proses demineralisasi air, pada ujung rangkaian, molekul resin berikatan dengan ion H⁺ dan OH^-. Pada saat air melewati gugusan resin, akan terjadi pengikatan ion-ion mineral yang terlarut di dalam air karena molekul resin memiliki gaya tarik-menarik lebih besar dengan ion molekul daripada ion H⁺ dan OH^-. Jika R, K²⁺, dan A^2- adalah berturut-turut molekul ion resin, ion mineral positif, dan ion mineral negatif, maka reaksi ion exchange yang terjadi pada proses demineralisasi air yakni sebagai berikut:
      2 R-H + K²⁺ → R₂K + 2 H⁺
      2 R-OH + A^2- → R₂A + 2 OH^-
Nampak pada reaksi di atas bahwa pada proses demineralisasi air, resin akan mengikat ion-ion mineral dan melepas ion-ion H⁺ dan OH^-. Selanjutnya ion-ion tersebut akan salin berikatan untuk membentuk molekul H₂O baru.
      H⁺ + OH^- → H₂O
Pada tiap proses pertukaran ion, dilakukan regenerasi resin jika resin sudah jenuh. Jenuh berarti keseluruhan molekul resin telah berikatan dengan ion-ion sasaran. Pada proses softening air, resin dikatakan jenih jika keseluruhan molekul resin telah berikatan dengan ion kalsium atau magnesium. Jenuhnya resin ditandai dengan air output dari kolom resin masih mengandung ion-ion kalsium dan magnesium.
Untuk melakukan regenerasi, pada proses softening air dibutuhkan larutan garam NaCl pekat yang dialirkan melewati resin. Larutan NaCl ini biasanya 1000 kali lebih pekat dari larutan NaCl biasa.
      R₂Ca + 2 NaCl → 2 RNa + CaCl₂
Sedangkan pada proses demineralisasi digunakan larutan asam kuat seperti H₂SO₄ dan juga larutan basa kuat seperti NaOH untuk meregenerasi resin demineralisasi air. Untuk lebih dalam membahas proses demineralisasi, silahkan baca artikel berikut.