Ilmu pemisahan: Pembeda teknik kimia dengan kimia dan teknik mesin

Oleh: Heru Setyawan

Featured Image: Magnetite (Fe3O4) yang bersifat magnet dapat dipisahkan dengan medan magnet.

Dalam uraian Sejarah Singkat Teknik Kimia disebutkan bahwa salah satu yang membedakan teknik kimia dengan kimia, selain yang dibahas di sini, dan teknik mesin adalah ilmu pemisahan. Bidang kimia dan teknik mesin tidak memiliki latar belakang khusus tentang ilmu ini, yang nyata-nyata sangat berperan penting dalam industri proses kimia. Seperti disebutkan sebelumnya, ilmu pemisahan adalah studi tentang pemisahan komponen dari suatu campuran. Secara umum, memisahkan komponen dalam campuran jauh lebih susah daripada mencampurnya. Sebagai contoh, kalau kita mau minum kopi panas manis, ke dalam air panas dalam cangkir kita tambahkan bubuk kopi dan gula kemudian diaduk dengan sendok. Jadilah kopi panas manis yang didalamnya berisi air, kopi dan gula. Mudah membuatnya, untuk sebuah campuran.

Sekarang kita balik, kopi dan gula yang ada dalam minuman kopi panas ingin dipisahkan kembali. Bubuk kopi (ampas) mungkin masih bisa kita pisahkan dengan menyaring menggunakan, katakan, kain. Tetapi gula dan kopi yang sudah terlarut dalam air, bagaimana? Disaring berkali-kalipun tetap tidak bisa dipisahkan dan warna air masih agak hitam. Direbus lagi saja, nanti air akan mendidih menjadi uap, dan kalau diteruskan sampai air habis, mungkin gula dan kopi padat bisa diperoleh kembali. Memang bisa, tetapi bentuknya tidak bisa seperti gula pasir sebelumnya. Dan lagi, jika api untuk merebus terlalu besar bisa jadi gula berubah menjadi kehitam-hitaman karena membentuk “karamel.” Masalah lain, gula dan kopi masih bercampur dan tidak terpisah ketika air habis.

Itu baru campuran air, gula dan kopi yang jumlahnya sedikit. Bagaimana pabrik gula bisa memisahkan gula dari tebu dan akhirnya menjadi gula kristal putih yang siap dikonsumsi? Disitulah letak keunikan dari ilmu pemisahan, yang menjadi penciri teknik kimia, yang dengan memahaminya dengan baik sebuah pabrik dengan kapasitas produksi berton-ton per jam bisa terwujud. Dari contoh sederhana ini dapat dilihat bahwa pembuatan campuran spesies kimia dari spesies kimia sendiri-sendiri adalah proses spontan dan tidak memerlukan energi. Sebaliknya, pemisahan kimia menjadi komponen murni, bukan proses spontan dan jadi membutuhkan energi.

Proses pemisahan dikembangkan sejak awal peradaban yang meliputi: (1) ekstraksi logam dari biji mineral, parfum dari bunga, pewarna dari tumbuhan, dan potas dari abu sisa pembakaran tumbuhan; (2) penguapan air laut untuk mendapatkan garam; (3) pemurnian aspal batu; dan (4) menyuling minuman keras. Selain itu, tubuh manusia tidak berfungsi jika tidak ada ginjal, organ yang mengandung membran yang memisahkan air dan produk limbah metabolisme dari darah.

Ilmuwan kimia menggunakan khromatografi, metode pemisahan analitik, untuk menentukan komposisi campuran kompleks, dan teknik pemisahan preparasi untuk mengambil kembali bahan kimia. Insinyur kimia merancang fasilitas industri yang memakai metode pemisahan yang mungkin sangat berbeda dengan teknik di laboratorium. Di laboratorium, ilmuwan kimia memisahkan campuran hidrokarbon ringan dengan khromatografi, sedangkan pabrik manufaktur akan memakai distilasi untuk memisahkan campuran yang sama.

Industri kimia dan biokimia membuat produk yang komposisinya berbeda dengan umpan, yang bisa berupa: (1) bahan hidup atau nonhidup yang terjadi secara alami, (2) bahan kimia antara, (3) bahan kimia yang diperdagangkan, atau (4) produk limbah. Barangkali kita tidak menyadari bensin atau solar yang setiap hari kita pakai untuk menjalankan mobil atau sepeda motor berasal dari mana. Bensin dan solar berasal dari pengilangan minyak bumi yang awalnya terdiri dari banyak sekali spesies kimia, yang setelah dilakukan pengilangan akan menghasilkan berbagai produk (Gambar 2). Produk dari, katakan 150.000 barel/hari, minyak mentah tergantung pada sumber dan proses pengilangan, termasuk distilasi untuk memisahkan minyak mentah menjadi fraksi-fraksi titik didihnya, alkilasi untuk menggabungkan molekul kecil menjadi molekul yang lebih besar, reformasi katalitik untuk mengubah struktur molekul hidrokarbon, perengkahan untuk memecah molekul yang bahkan lebih besar, dan proses untuk mengubah residu minyak mentah menjadi kokas dan fraksi yang lebih ringan.

Pemisahan suatu spesies kimia dari campuran selalu didasarkan pada paling tidak ada satu sifat yang berbeda. Dalam kilang minyak, pemisahan minyak menjadi fraksi-fraksi tertentu didasarkan pada perbedaan titidk didih spesies kimia. Operasi untuk ini biasanya dilakukan dengan distiliasi yang melibatkan perpindahan spesies antara fase uap dan cair. Jika yang berbeda adalah titik leburnya, spesies dalam campuran dapat dipisahkan dengan kristalisasi. gula pasir, dapat dipisahkan dari larutan induknya juga dengan kristalisasi, tetapi dalam hal ini yang berbeda bukan titik leburnya, tetapi kelarutannya. Jadi, tampak jelas bahwa derajat keberhasilan pemisahan tergantung pada eksploitasi perbedaan sifat, yang secara garis besar bisa dikelompokkan menjadi sifat molekul, sifat termodinamika dan sifat perpindahan.