BAB II TINJAUAN PUSTAKA. dari alumina dengan cara elektrolisa dari garam yang terfusi. Penggunaan

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Aluminium Aluminium pertama kali ditemukan oleh Sir Humphrey Davy pada tahun 1809 sebagai suatu unsur dan pertama kali direduksi sebagai logam oleh H. C. Oersted pada tahun 1825. Secara Industri tahun 1886, Paul Heroul di Prancis dan C. M. Hall di Amerika Serikat secara terpisah telah memperoleh logam aluminium dari alumina dengan cara elektrolisa dari garam yang terfusi. Penggunaan aluminium sebagai logam setiap tahunnya adalah pada urutan yang kedua setelah baja dan besi, yang tertinggi diantara logam non ferro. Aluminium merupakan logam ringan mempunyai ketahanan korosi yang baik dan hantaran listrik yang baik dan sifat-sifat baik lainnya sebagai sifat logam. Sebagai tambahan terhadap kekuatan mekaniknya yang sangat meningkat dengan penambahan Cu, Mg, Si, Mn, Zn, Ni dan sebagainya, secara satu persatu atau bersama-sama, memberikan juga sifat-sifat yang baik lainnya seperti ketahanan korosi, ketahanan aus, koefisien pemuaian rendah dan sebagainya. Material ini sangat banyak penggunaannya bukan saja untuk peralatan rumah tangga tapi juga dipakai untuk keperluan material pesawat terbang, mobil, kapal laut, konstruksi dan sebagainya. 2.1.1 Sejarah aluminium Aluminium adalah logam yang terbanyak di dunia. Logam 8 % dari bagian pada kerak bumi. Boleh dikatakan setiap negara mempunyai persediaan bahan yang mengandung aluminium, tetapi proses untuk mendapatkan aluminium logam dari kebanyakan bahan itu masih belum ekonomis. Logam aluminium pertama kali dibuat dalam bentuk murni oleh Oersted, pada tahun 1825, yang memanaskan ammonium klorida NH4Cl dengan amalgam kalium-raksa (K-Hg).

Universitas Sumatera Utara

Pada tahun 1854, Henri Sainte-Claire Deville membuat aluminium dari natrium-aluminium klorida dengan jalan memanaskan dengan logam natrium. Proses ini beroperasi selama 35 tahun dan logamnya dijual dengan harga $ 220 per kilogram. Pada tahun 1886 Charles Hall mulai memproduksi aluminium dengan skala besar seperti sekarang, yaitu melalui elektrolisis alumina didalam kriolit (Na3AlF6) lebur. Pada tahun itu pula, Paul Heroult mendapat hak paten dar Prancis untuk proses serupa dengan proses Hall. Hingga pada tahun 1893, produksi aluminium menurut cara Hall ini sudah sedemikian meningkat, sehingga harganya sudah jatuh menjadi $ 4,40 per kilogram. Industri ini berkembang dengan baik, berdasarkan suatu pasaran yang sehat dan berkembang atas dasar penelitian mengenai sifat-sifat aluminium dan cara-cara pemakaian yang ekonomis bagi bahan itu. (Austin, G.T., 1990) 2.1.2 Sifat-sifat Aluminium Dalam tiga dasawarsa terakhir ini aluminium telah menjadi salah satu logam industri yang paling luas penggunaannya di dunia. Aluminium banyak digunakan didalam semua sektor utama industri seperti angkutan, konstruksi, listrik, peti kemas dan kemasan, alat rumah tangga serta peralatan mekanis. Penggunaan aluminium yang luas disebabkan aluminium memiliki sifatsifat yang lebih baik dari logam lainnya seperti : a. Ringan : memiliki bobot sekitar 1/3 dari bobot besi dan baja, atau tembaga dan karenanya banyak digunakan dalam industri transportasi seperti angkutan udara.


b. Kuat : terutama bila dipadu dengan logam lain. Digunakan untuk pembuatan produk yang memerlukan kekuatan tinggi seperti : pesawat terbang, kapal laut, bejana tekan, kendaraan dan lain-lain. c. Mudah dibentuk dengan semua proses pengerjaan logam. Mudah dirakit karena dapat disambung dengan logam/material lainnya melalui pengelasan, brazing, solder, adhesive bonding, sambungan mekanis, atau dengan teknik penyambungan lainnya. d. Tahan korosi : sifatnya durabel sehingga baik dipakai untuk lingkungan yang dipengaruhi oleh unsur-unsur seperti air, udara, suhu dan unsurunsur kimia lainnya, baik di ruang angkasa atau bahkan sampai ke dasar laut. e. Konduktor

listrik

:

setiap

satu

kilogram

aluminium

dapat

menghantarkan arus listrik dua kali lebih besar jika dibandingkan dengan tembaga. Karena aluminium relatif tidak mahal dan ringan, maka aluminium sangat baik untuk kabel-kabel listrik overhead maupun bawah tanah. f. Konduktor panas : sifat ini sangat baik untuk penggunaan pada mesinmesin/alat-alat pemindah panas sehingga dapat memberikan penghematan energi. g. Memantulkan sinar dan panas : Dapat dibuat sedemikian rupa sehingga memiliki kemampuan pantul yang tinggi yaitu sekitar 95% dibandingkan dengan kekuatan pantul sebuah cermin. Sifat pantul ini menjadikan aluminium sangat baik untuk peralatan penahan radiasi panas.


h. Non magnetik : dan karenanya sangat baik untuk penggunaan pada peralatan listrik/elektronik, pemancar radio/TV. dan lain-lain, dimana diperlukan faktor magnetisasi negatif. i. Tak beracun : dan karenanya sangat baik untuk penggunaan pada industri makanan, minuman, dan obat-obatan, yaitu untuik peti kemas dan pembungkus. j. Memiliki ketangguhan yang baik : dalam keadaan dingin dan tidak seperti logam lainnya yang menjadi getas bila didinginkan. Sifat ini sangat baik untuk penggunaan pada pemrosesan maupun transportasi LNG dimana suhu gas cair LNG ini dapat mencapai dibawah -150 oC. k. Menarik : dan karena itu aluminium sering digunakan tanpa diberi proses pengerjaan akhir. Tampak permukaan aluminium sangat menarik dan karena itu cocok untuk perabot rumah (hiasan), bahan bangunan dan mobil. Disamping itu aluminium dapat diberi surface treatment, dapat dikilapkan, disikat atau dicat dengan berbagai warna, dan juga diberi proses anodisasi. Proses ini menghasilkan lapisan yang juga dapat melindungi logam dari goresan dan jenis abrasi lainnya. l. Mampu diproses ulang-guna yaitu dengan mengolahnya kembali melalui proses peleburan dan selanjutnya dibentuk menjadi produk seperti yang diinginkan Proses ulang-guna ini dapat menghemat energi, modal dan bahan baku yang berharga. (Daryus, A., 2008) 2.2 Alumina (Al2O3)


Bahan baku utama untuk pengolahan aluminium adalah alumina. Alumina (Al2O3) diperoleh dari pengolahan biji bauksit dengan proses bayer. Proses bayer terdiri dari tiga tahap reaksi yaitu : a. Proses Ekstraksi Al2O3.xH2O + 2 NaOH  2NaAlO2 + (x+1) H2O b. Proses Dekomposisi 2NaAlO2 + 4 H2O  2NaOH + Al2O3.3H2O c. Proses Kalsinasi Al2O3.3H2O + Kalor  Al2O3 + H2O Pada proses kalsinasi akan dihasilkan 2 jenis alumina, yaitu : Alumina Sandy, yaitu alumina yang diperoleh dengan kalsinasi jika operasi berlangsung pada temperature rendah. Alumina Fluory, yaitu alumina yang diperoleh dengan proses kalsinasi jika operasi berlangsung pada temperatur tinggi. Alumina sandy diproduksi pada temperature pembakaran yang lebih rendah dari pada alumina floury. Alumina sandy biasanya digunakan untuk tungku tipe PAF (Prebaked Anode Furnace) karena sifat dari alumina tersebut yang bebas mengalir tanpa dipengaruhi oleh gaya luar. Sedangkan alumina floury sebagian besar digunakan untuk tungku tipe SAF (Soederberg Anode Furnace). Tabel 2.1 Perbedaan sifat Alumina Sandy dan Floury Tipe Oksida Satuan Sandy Floury Keterangan Alumina

%

5

90

By X-Ray

Hilang Pijar

%

1.9

0,2

1100 oC

Berat jenis

g.cm-3

3.50

3.90

Bulk Density Loose

g.cm

1.3

1.0

Bulk Density Packeed

g.cm

1.3

2

Permukaan Spesifik

m2.g-1

42

Sudut jatuh

Derajat

30

BET


2.2.1 Daya larut alumina (Al2O3) Pada cairan Kriolit Didalam lelehan kriolit murni pada 975 oC, kira-kira 11% alumina (Al2O3) yang dapat larut. Daya larut alumina (Al2O3) pada kriolit dipengaruhi oleh temperature tambahan. Jika temperature diturunkan + 25o C, maka daya larut alumina (Al2O3) akan turun + 7,5 % akibat adanya bahan tambahan. 2.2.2 Kecepatan Melarut Alumina (Al2O3) Pada Cairan Kriolit Kecepatan alumina (Al2O3) didalam cairan kriolit dipengaruhi oleh temperatur pemanasan alumina (Al2 O3) dan beberapa bahan tambahan yang ditambahkan kedalam lelehan kriolit. Alumina (Al2O3) yang dikalsinasi antara 800 oC - 900 oC mempunyai kecepatan melarut yang besar di dalam cairan kriolit. Hal ini sudah ditetapkan, bahwa partikel alumina (Al2O3) cepat melarut pada cairan kriolit pada 4 sampai 8 detik dan butiran-butiran kasar melarut lebih perlahan dibandingkan yang halus. Di lain pihak, alumina floury melarut lebih perlahan dari pada alumina sandy. Perbedaan ini adalah akibat alumina sandy mempunyai permukaan lebih besar bila dibandingkan alumina floury. Pada pot peleburan (tungku reduksi), alumina (Al2O3) dimasukkan kedalam pot dengan memecahkan kerak diatas bath/kriolit terlebih dahulu. Jelaslah alumina (Al2O3) tidak larut seluruhnya di dalam bath/kriolit secara tibatiba setelah penambahan, dan beberapa material langsung tenggelam ke dasar pot/tungku membentuk sludge (lumpur) dibawah lapisan mtal. Terjadinya sludge (lumpur) dalam jumlah yang banyak didalam pot/tungku akan merugikan setiap operasi, dimana sludge (lumpur) didasar pot mengandung 40 % alumina (Al2O3).


Tabel 2.2 Spesifikasi Alumina Item Loss on Ignition (300-10000C) SiO2 Fe2O3 TiO2 Na2O CaO Al2O3 Spesific Surface Area Particle Size + 100 mesh + 150 mesh - 325 mesh Angle of Refuse

Satuan % % % % % % % M2/g

Spesifikasi 1,00 maks 0,03 maks 0,03 maks 0,005 maks 0,600 maks 0,060 maks 98,40 min 40-80

% % % Deg

12,0 maks 25 min 12,0 maks 30-34

Alumina (Al2O3) yang digunakan, diimport atau didatangkan dari perusahaanperusahaan penghasil alumina (Al2O3) yaitu dari Australia (Newco, Glencore, Alcoa, Pechiney, dan Worsley), dan juga dari India (Nalco).(Anonymous, 1998) 2.2.3 Proses Pengolahan Alumina Bauksit merupakan sumber utama aluminium dengan kadar alumina sekitar 40 – 60 % dan sisanya berupa silicon, titania, oksida, besi dan pengotor lainnya. Alumina (Al2O3) adalah bahan baku utama untuk memproduksi aluminium, alumina mempunyai morfologi sebagai bentuk bubuk putih. Alumina diperoleh dari bauksit, melalui proses bayer, alumina yang dihasilkan dari proses bayer ini mempunyai kemurnian yang tinggi dengan konsumsi energi yang relative rendah. Proses perolehan alumina dari bauksit dapat dilakukan dengan proses bayer. Proses bayer ini saat ini merupakan proses yang paling banyak digunakan. Proses bayer dilakukan dengan reaksi kimia yang berdasarkan pada kelarutan aluminium. Proses ini diawali dengan pelarutan terhadap bauksit dengan menggunakan Natrium Oksida.


Al2O3.xH2O + 2 NaOH 2NaAlO2 + (x+1) H2O Selanjutnya dilakukan pengendapan alumina terhidrat menurut reaksi : 2NaAlO2 + 4 H2O + Kalor Al2O3 + 3 H2O Dengan temperatur kalsinasi sekitar 1250 oC (Burkin,A.R., 1987) Pada proses bayer, dimana bauksit dipekatkan untuk menghasilkan aluminium hidroksida [Al(OH)3]. Saat larutan pekat ini dikalsinasi pada suhu lebih dari 1000 oC, maka Al2O3 akan terbentuk. Al2O3 meleleh pada suhu diatas 2000 oC. Temperatur ini terlalu tinggi untuk digunakan sebagai medium pelelehan untuk pembentukan elektrolisis dari aluminium bebas. Proses elektrolisis secara komersial digunakan untuk menghasilkan aluminium yang dikenal dengan proses Hall, dinamakan dengan nama penemunya Charles M. Hall, Al2O3 yang telah dipurifikasi/dibersihkan dilarutkan dalam lelehan kriolit (Na3 AlF6) yang memiliki titik leleh 1012 oC dan berguna sebagai konduktor aliran listrik yang konduktif. Batang karbon digunakan sebagai anoda dan digunakan dalam proses elektrolisis. Reaksi dari anoda dapat ditunjukkan dengan persamaan : Anoda

: C(s) + 2 O2-



CO2 + 4e

Katoda

: Al3+ + 3e



Al

Jumlah bahan baku dan energy yang dibutuhkan untuk menghasilkan 1000 kg logam aluminium dan bauksit melalui proses ini ditunjukkan pada gambar : 4000 kg bauksit (-50% Al2O3)

1900 kg Al2O3

70 kg Kriolit 450 kg C

Sel Elektrolisa

56 x 109 J energy (4,5 V, 105 A )

1000 kg Al Sumatera Utara Gambar 2.1 Jumlah Bahan Baku dan Energi PadaUniversitas Proses Elektrolisa

(Brown,Theodore L., 2000) 2.4 Elektrolit [Kriolit/bath(Na3AlF6)] Dalam proses peleburan aluminium secara elektrolisa, media penghantar arus listrik yang digunakan yaitu elektrolit. Bahan baku utama dari elektrolit yang digunakan untuk peleburan aluminium adalah kriolit (Na3AlF6) disamping bahanbahan tambahan lainnya. Bath adalah leburan dari kriolit (Na3 AlF6) yang terionisasi menjadi ion sodium (ion positif) dan ion heksafluoroaluminat (ion (-)) : (Na3AlF6)  3 Na+ + AlF63Ion-ion heksafluoroaluminat akan terurai lagi menjadi : AlF63-  AlF52- + F2 e + AlF63-  AlF54- + FLeburan kriolit sangat baik sebagai pelarut alumina (Al2O3) karena ion-ion AlF63reaktif terhadap alumina (Al2O3). Pada konsentrasi alumina (Al2O3) yang rendah, reaksi yang terjadi yaitu : Al2O3 + 4 AlF63-  3 Al2 OF62- + 6 FPada konsentrasi alumina (Al2O3) yang tinggi, reaksi yang terjadi yaitu : 2 Al2O3 + 2 AlF63-  3 Al2O2F42Ion-ion yang ada di dalam bath yaitu : Na+, F- ,AlF4-, AlF52-, AlF63-, Al2OF62-, Al2O2F42Ion dengan muatan positif (+) akan tertarik ke katoda dan yang bermuatan negatif (-) akan tertarik ke anoda. Ion Na+ membawa 95 % - 99 % arus listrik, sisanya ion F-. Sifat-sifat yang diperlukan untuk kriolit (Na3AlF6) adalah :


Tabel 2.3 Sifat-sifat kriolit dan kegunaannya Sifat-sifat kriolit (Na3AlF6) Memiliki

Berguna untuk

temperatur

a. Menghindari terjadinya reoksidasi

kristalisasi primer rendah

b. Menjamin terbentuknya kerak samping

Memiliki konduktivitas listrik

a. Menurunkan temperatur bath

baik

b. Memperbaiki produktivitas c. Dapat melarutkan alumina (Al2O3) dalam jumlah besar d. Memiliki berat jenis yang rendah, yang berguna agar metal dan bath terpisah e. Stabil dalam keadaan cair f. Memiliki tegangan permukaan yang baik dimana dapat mengurangi reoksidasi

Memiliki

viskositas

yang

a. Mengurangi kecepatan sedimentasi b. Mengurangi emisi gas

sesuai

c. Mengurangi gerakan partikel aluminium dan karbon

Tabel 2.3 Komponen Bath Pada Dapur Peleburan di PT INALUM Komponen

Kandungan (%)

Aluminium Fluorida (AlF3)

5–8

Kalsium Fluorida (CaF2)

3–4

Alumina (Al2O3)

1–8

Kriolit (Na3 AlF6)

79 – 90

Sumber : Operasi Tungku Reduksi PT INALUM (2003) (Anonymous, 2003) Bahan elektrolit ditambahkan melalui sel disekitar anode, pada waktu bahan-bahan ini berangsur-angsur melebur, anode itu dinaikkan sehingga selnya beroperasi. Biasanya jarak anoda-katoda kira-kira 5 cm. Elektrolit lebur itu terdiri


dari kriolit (Na3 AlF6) dan sisanya AlF3, serta CaF2 6% sampai 10 % dan Al2O3 2 % sampai 6 %. Sebagian kriolit diimpor ke Amerika Serikat dari Greenland, tetapi sebagian besar dibuat secara sintetis. AlF3 juga dibuat secara sintetis dari hidrogen fluoride (HF) dan aluminium hidroksida (Al(OH)3. Pengendalian komposisi elektrolit merupakan hal yang sangat penting dalam proses produksi aluminium. Oleh karena titik leleh kriolit murni adalah 1009 oC, elektrolit itu mengandung kalsium flourida (CaF2) dan sisa AlF3, yang bersama alumina yang terlarut dapat menurunkan titik leleh cukup rendah sehingga sel itu dapat beroperasi pada suhu sekitar 940oC – 980oC. Kelebihan AlF3 juga dapat menigkatkan efisiensi. Perbandingan berat NaF/AlF3 didalam kriolit adalah 1,50 ; kelebihan AlF3 didalam kriolit (Na3AlF6) diatur sedemikian rupa, sehingga menghasilkan rasio NaF/AlF3 sekitar 1,10 sampai 1,40. Dalam beberapa minggu pertama setelah sel yang baru diberi pelapis itu beroperasi, elektrolit itu diserap dengan cepat kedalam pelapis dan isolasi. Komponen utama penyusun elektrolit adalah kriolit (Na3AlF6) yang berfungsi sebagai pelarut dan alumina yang berfungsi sebagai zat terlarut, serta beberapa zat aditif lainnya. Kriolit (Na3AlF6) digunakan dalam proses elektrolisa aluminium, karena sifat-sifatnya yang unik dan mampu melarutkan berbagai jenis oksida dengan baik, sifat-sifat kriolit diantaranya : a. Kemampuan melarutkan alumina dengan baik b. Tegangan komposisi lebih tinggi c. Konduktivitas elektrolitnya cukup tinggi. d. Titik leburnya relatif rendah e. Tidak dapat bereaksi dengan aluminium dan karbon f. Cukup encer sebagai pelarut


g. Masa jenisnya cukup rendah, bila dalam keadaan sama-sama cair h. Tekanan uapnya relatif rendah. Pada tekanan atmosfer aluminium fluoride (AlF3) tidak dapat dijumpai dalam bentuk cair. Cairan kriolit-alumina juga mengandung kalsium fluorida (CaF2) atau natrium flourida (NaF) membentuk komposisi kriolit 3NaF-AlF3. Kriolit sebagai elektrolit dalam reduksi aluminium juga harus memenuhi syaratsyarat elektrolit yang dibutuhkan sebagai berikut : a. Temperatur kristalisasi primer rendah b. Konduktivitas listrik yang baik c. Dapat melarutkan alumina dalam jumlah besar d. Mempunyai berat jenis kecil e. Stabil dalam keadaan cair Oleh karena itu untuk memperbaiki sifat-sifat dari elektrolit yang ada maka biasanya dilakukan penambahan atau pencampuran dengan beberapa zat aditif, seperti : Flourida atau klorida dari logam alkali, AlF3 dan CaF2 dan juga biasa digunakan MgF2, LiF, dan NaCl. (Grjotheim, 1986) 2.5 Elektrolisa Hampir semua logam aluminium primer dihasilkan dengan proses elektrolisa Hall-Heroult. Bahan baku yang digunakan terdiri dari alumina, karbon, kriolit, CaF2, HF, AlF3 dan tenaga listrik. Terdapat dua jenis tungku reduksi yang dipergunakan dalam industry peleburan aluminium yaitu Prebaked Anode Furnace (PAF) dan Soderberg Anode furnace (SAF). Perbedaan kedua tipe tungku tersebut terletak pada cara pemanggangan anodanya, dalam sistem PAF anoda dipanggang terlebih dahulu (prebaked) sebelum dipergunakan. Sedangkan pada sistem SAF tidak dilakukan pemanggangan pendahuluan, melainkan


dimasukkan langsung ke dalam tungku reduksi. Pabrik peleburan aluminium di Kuala Tanjung menggunakan sistem PAF yang telah dikembangkan oleh Sumitomo Aluminium Smelting Co., Ltd. Reaksi kimia yang terpenting yang terjadi di tungku reduksi, adalah reaksi elektrolisa untuk menghasilkan logam aluminium. Dengan mengalirkan listrik arus searah, terjadi elektrolisa alumina menjadi ion-ion positif dan ion-ion negatif Al2O3  2 Al3+ + 3 O2-. Ion aluminium tertarik ke katoda dan dinetralisisr sehingga terbentuk aluminium. Demikian juga ion zat asam mendekati anoda kemudian dinetralisir. Selain daripada itu terjadi juga reaksi reduksi, dimana karbon yang berasal dari anoda berfungsi sebagai reduktor mengikat asam : 2 Al2O3 + 3 C  4 Al + 3 CO2 Aluminium cair yang terkumpul di bagian bawah tungku selanjutnya dihisap dan dibawa ke pabrik penuangan Pada proses Hall-Heroult, logam aluminium diperoleh melalui dari alumina dengan menggunakan cairan kriolit (Na3 AlF6), (titik lebur 1000 oC) yang digunakan sebagai pelarut. Sejumlah besar aluminiun oksida/alumina (Al2O3) dilarutkan dalam kriolit, dimana larutan kriolit dapat menurunkan titik lebur alumina. Campuran kriolit dan aluminium oksida di elektrolisa dalam sel dan sel lapisan karbon yang berfungsi sebagai katoda

tersimpan di dalam cairan

aluminium. Pada operasi sel, cairan aluminium berada pada bagian bawah sel. Dari waktu ke waktu aluminium cair akan disedot dan selanjutnya akan dibawa ke bagian casting untuk dicetak. Pada operasi sel ini diperlukan tegangan sebesar 4,0 sampai 5,5 Volt, dan arus yang digunakan dari 50,000 sampai 150,000 kA. (Kelvin, G.V., 1994)


2.5.1 Proses Hall-Heroult Alumina yang dihasilkan dari proses pemurnian masih mengandung oksigen sehingga harus dilakukan proses selanjutnya yaitu peleburan. Peleburan alumina dilakukan dengan proses reduksi elektrolitik. Proses peleburan ini memakai metode Hall-Heroult. Alumina dilarutkan dalam larutan kimia yang disebut kriolit pada sebuah tungku yang disebut pot. Pot ini mempunyai dinding yang dibuat dari karbon. Bagian luar pot terbuat dari baja. Aliran listrik diberikan melalui anoda dan katoda. Proses reduksi memerlukan karbon yang diambil dari anoda. Pada proses ini dibutuhkan arus listrik searah sebesar 50 - 150 kiloampere. Arus listrik akan mengelektrolisa alumina menjadi aluminium dan oksigen bereaksi membentuk senyawa CO2. Aluminium cair dari hasil elektrolisa akan turun ke dasar pot dan selanjutnya dialirkan dengan prinsip siphon ke krusibel yang kemudian diangkut menuju tungku-tungku pengatur (holding furnace). Kebutuhan listrik yang dihabiskan untuk menghasilkan 1 kg aluminium berkisar sekitar 12 - 15 kWh. Satu kg aluminium dihasilkan dari 2 kg alumina dan ½ kg karbon. Reaksi permunian alumina menjadi aluminium adalah sebagai berikut : 970 oC 2 Al2O3 + 3 C

4 Al + 3 CO2 Na3AlF6 (Daryus, A., 2008)


Gambar 2.2 Proses peleburan Al2O3 menjadi aluminium dengan cara elektrrolisa. 2.5.2 Produksi Aluminium Aluminium adalah logam yang sangat reaktif yang membentuk ikatan kimia berenergi tinggi dengan oksigen. Dibandingkan dengan logam lain, proses ekstraksi aluminium dari batuannya memerlukan energi yang tinggi untuk mereduksi Al2O3. Proses reduksi ini tidak semudah mereduksi besi dengan menggunakan batubara, karena aluminium merupakan reduktor yang lebih kuat dari karbon. Proses produksi aluminium dimulai dari pengambilan bahan tambang yang mengandung aluminium (bauksit, corrondum, gibbsite, boehmite, diasphore, dan sebagainya). Selanjutnya, bahan tambang dibawa menuju proses Bayer.


Gambar 2.3 : Proses Bayer Proses Bayer menghasilkan alumina (Al2O3) dengan membasuh bahan tambang yang mengandung aluminium dengan larutan natrium hidroksida pada temperatur 175oC sehingga menghasilkan aluminium hidroksida, Al(OH)3. Aluminium hidroksida lalu dipanaskan pada suhu sedikit diatas 1000oC sehingga terbentuk alumina dan H2O yang menjad uap air. Setelah alumina dihasilkan, alumina dibawa ke proses Hall-Heroult. Proses Hall-Heroult dimulai dengan melarutkan alumina dengan lelehan Na3AlF6 atau yang biasa disebut kriolit. Larutan lalu dielektrolisis dan akan mengakibatkan aluminium cair menempel pada anoda, sementara oksigen dari alumina akan teroksidasi bersama anoda yang terbuat dari karbon, membentuk karbon dioksida. Aluminium cair memiliki massa jenis yang lebih ringan dari pada larutan alumina, sehingga pemisahan dapat dilakukan dengan mudah. Elektrolisis aluminium dalam proses Hall-Heroult menghabiskan energi yang cukup banyak. Rata-rata konsumsi energi listrik dunia dalam mengelektrolisis alumina adalah 15 kWh per kilogram aluminium yang dihasilkan. Energi listrik menghabiskan sekitar 20-40 % biaya produksi aluminium di seluruh dunia. (www.scribd.com) 2.6 Anode effect Anode effect sering terjadi pada proses elektrolisa dari garam logam. Anode effect terjadi saat kekurangan alumina (Al2O3) di dalam larutan elektrolit (Na3AlF6).


Tanda fisiknya adalah timbulnya gelembung gas CO2 pada bagian bawah anoda, yang

menandakan

menurunnya

kemampuan

elektrolit

(Na3AlF6)

untuk

membasahi anoda. Akhirnya gelembung-gelembung gas CO2 tersebut akan bergabung untuk membentuk suatu lapisan tunggal yang akan menutupi sebagian besar permukaan anoda. Dengan sumber arus listrik yang tetap, beda potensial listrik akan naik lebih dari 30 volt. Hal ini disebabkan oleh gelembung gas CO2 yang besar dan akan menaikkan rapat arus lokal pada anoda. Satu-satunya cara agar arus dapat melalui lapisan gas CO2 pada permukaan anoda adalah dengan cara lompatan listrik (electric arching). Beda tegangan listrik akan naik perlahan seiring dengan kurangnya alumina (Al2O3) sampai suatu harga konsentrasi kritis tertentu yang berkisar antara 1 % - 2 % berat, tergantung dari rapat arus, suhu, konveksi larutan elektrolit (Na3AlF6), komposisi larutan elektrolit (Na3AlF6) , dan bentuk dari anoda. Anoda effect dapat juga terjadi saat konsentrasi alumina (Al2O3) yang lebih tinggi dengan menaikkan rapat arus. Akibat dari anoda effect pada proses elektrolisis aluminium pada sel HallHeroult yaitu adalah perubahan dari komposisi gas-gas anoda terutama CO2 menjadi CO yang disertai dengan terbentuknya gas carbontetrafluoro (CF4) sebanyak 3 – 25 % dan sedikit gas hexafluoroetana (C2F6). Gas-gas ini akan menutupi permukaan aktif anoda sebagai lapisan film di permukaan. Lapisan ini juga mempengaruhi sifat pembasahan dari lapisan antar muka dan juga bertindak sebagai penghambat listrik. Beberapa percobaan mengindikasikan hilangnya efisiensi arus saat anode effect berlangsung sedangkan percobaan lainnya menunjukkan bahwa awalnya


efiensi arus akan meningkat saat terjadinya anode effect, namun seiring dengan naiknya suhu sebagai akibat dari naiknya beda tegangan listrik pada sel, maka efiensi arus akan menurun.

2.6.1 Gejala-gejala dan penyebab terjadinya anode effect a. Tingginya beda potensial / voltase pada anoda b. Terjadinya pergerakan / gejolak molten dan bath yang kuat c. Buruknya kemampuan bath (Na3AlF6) yang membasahi anoda. Anode effect (AE) disebabkan karena kekosongan alumina (Al2O3) yang ada di dalam bath (Na3AlF6). Hal ini diawali dengan ditandai dengan adanya kenaikan tegangan / voltase yang lambat ataupun secara drastis/cepat hingga 20-50 volt. Namun penyebab terjadinya anode effect secara mekanisme merupakan suatu persoalan yang akan tetap dibahas, diantaranya adalah : a. Kekosongan alumina (Al2 O3) dalam bath (Na3AlF6) yang akan mengarah kepada pembebasan ion fluoride. b. Pembasahan pada permukaan anoda oleh bath (Na3AlF6) akan menjadi semakin memburuk, yang kemungkinan dikarenakan oleh adanya pembentukan ikatan C-F. c. Beberapa jenis film gas yang terbentuk akan memiliki tahanan elektrik yang tinggi. d. Arus listrik sebagian akan dibawa secara terbatas pada satu tempat saja (permukaan anoda akan terkikis). Gas tetrafluorometana (CF4) dan gas hexafluoroetana (C2F6) akan terbentuk : Na3AlF6 + ¾ C  Al + ¾ CF4 + 3 NaF


Na3AlF6 + C



Al + ½ C2F6 + 3 NaF

Adapun komposisi gas selama terjadinya Anode effect (AE), yaitu : CF4 = 5 – 20 % (+ < 1 % C2F6) CO2 = 10 – 20 % CO = 60 – 70 % AE terjadi saat arus kritis < arus tungku % Al2O3 pada saat AE : 0,5 – 2,5 wt % Kandungan Al2O3 yang rendah (< 1 %) : anoda bersih dari gelembunggelembung gas dan operasi berjalan sebagaimana yang diharapkan. Kandungan Al2O3 yang tinggi terbentuknya debu karbon, gejolak metal dan tungku menjadi dingin sehingga tidak dapat beroperasi sebagaimana yang direncanakan. 2.6.2 Keuntungan dan kerugian anode effect Keuntungan dari adanya peristiwa anode effect yaitu : a. Proses elektrolisa di dalam tungku berjalan b. Operasi tungku terkontrol (yakni dalam hal pemasukan alumina (Al2O3) c. Permukaan blok anoda bersih dari gelembung gas dan debu karbon. Kerugian dari adanya peristiwa Anode effect yaitu : a. Pemanasan lanjut (Overheating), pemborosan energy b. Meleburnya kerak dinding samping c. Kehilangan efisiensi arus d.

Terjadi emisi gas CF4 dan C2 F6

2.6.3 Penanggulangan Anode effect Adapun metode kerja yang dapat dilakukan dalam penanggulangan Anode effect, yaitu : a. Dengan penambahan alumina (Al2O3) / alumina feeding b. Gerakan bath dibawah anoda, atau menambah luas permukaan anoda dengan menaik-turunkan anoda sehingga gas-gas dapat keluar.


c. Putus setrum anoda-katoda Prosedur Manual : a. Pipa baja diarahkan kebawah permukaan anoda (tempat terselubungnya gas dan debu karbon) b. Mengalirkan udara tekan pada klem yang menjepit batang anoda. Prosedur Otomatis a. Udara tiup di dalam pipa mengalir menuju anoda b. Menaik-turunkan anoda c. Pemutusan arus dengan pemasangan PHS (Pasak Hubung Singkat) Untuk saat ini pengatasan Anode effect yang dilakukan oleh banyak pekerja yang ada pada peleburan peleburan aluminium masih terbatas. 2.6.4 Mekanisme Anode effect (AE) Sebagai hasil elektrolisa, kandungan alumina (Al2O3) pada bath akan turun 0,5 % - 1 % dan pada saat alumina 0,5 % maka pada permukaan anoda akan terbentuk flourin yang memungkinkan terbentuknya lapisan karbon carbontetrafluorida (CF4) sehingga akan mengakibatkan terhambatnya penyaluran arus listrik. Secara terus menerus maka akan terbentuk lapisan gas pada anoda. Bila kandungan alumina (Al2O3) pada bath menurun, maka elektrolit dakn berhenti membasahi anoda dan gas bebas akan berkumpul dipermukaan anoda, yang mengakibatkan tahanan arus listrik juga akan bertambah. Anode effect (AE) akan menyebabkan tegangan permukaan pada anoda atau pada lapisan elektrolit pada kerapatan arus listrik kritis dimana tergantung pada kapasitas pembasahan dari pada cairan garamnya. Kenaikan anode effect yang tinggi dapat terjadi, sebab gelembung-gelembung gas pada permukaan anoda


sulit untuk bergerak keluar. Kejadian ini sering muncul dalam hal temperatur bath rendah, sebab adanya penghentian atau pengurangan tenaga listrik. Kemampuan yang diberikan oleh campuran garam untuk menimbulkan anode effect (AE) dapat disebut sebagai kerapatan arus kritis. Kerapatan arus yang maksimum dicapai sebelum reaksi anoda menjadi normal yang digantikan oleh anode effect (AE). Kerapatan arus kritis dipengaruhi oleh komposisi bath (Na3AlF6), temperatur bath dan bahan baku anoda, namun sebahagian besar faktor yang mempengaruhi anode effect (AE) adalah kandungan alumina (Al2O3) didalam bath itu sendiri sedikit, oleh sebab itu sangat perlu dipertimbangan dalam pengoperasian pot yang optimum. Kedalaman anoda adalah panjang anoda yang terendam didalam bath, hal ini juga berhubungan dengan terjadinya anode effect (AE). Bila panjang tersebut besar maka terjadinya anode effct (AE) akan kecil, dimana hal ini dapat diilustrasikan sebagai variasi karapatan arus listrik. (Anonymous, 1998). 2.7 Alumina feeding (pemasukan alumina) 2.7.1 Alumina Feeding Alumina feeding sebagian besar biasanya terdapat dalam prosedur sel HallHeroult. Jadi, ini dilakukan dengan pengisian dan bentuk yang sangat berbeda dari operasi yang strategis. Grjotheim telah menjelaskan beberapa karakteristik dan konsekuensi termal untuk tipe aluminium yang berbeda, gambarannya sangat berbeda untuk karakteristik break and feed, kebutuhan panas dan kecenderungan endapannya (sludge), awalnya menunjukkan keuntungan dari teknik feeding tersebut. Keuntungan-keuntungan ini mungkin secara ringkas yang terdapat dibawah ini :


a. Dalam pembentukan lumpur/endapan (sludge) dapat diperkecil. b. Konsentrasi alumina (Al2O3) didalam bath dapat dijaga tetap konstan. c. Bilangan dari anode effect (AE) dapat menurun secara drastis. Aplikasi dari proses pengontrolan alumina (Al2 O3) adalah bentuk dari asumsi bahwa kehabisan dari alumina (Al2O3) dengan waktu tertentu. Strategi pengontrolan digunakan untuk menjaga konsentrasi alumina (Al2 O3) di dalam bath dibagian sempit dengan konsentrasi (+ 0,5 % massa) dalam alumina (Al2O3) yang rendah pada sisi sel yang minimum. Aliran / kecepatan feeding cocok dengan pertambahan berat unit per waktu, tetapi karena pembuangan yang lain mempunyai berat yang sama, dan itu tentu mempunyai waktu interval yang berlainan. Pada waktu periode tertentu alumina (Al2O3) yang masuk ke dalam interval waktu yang singkat kepada aliran normal dari pemakaian alumina (Al2O3) dalam sel dan pada periode alumina (Al2O3) yang lain pemasukan alumina (Al2 O3) pada interval yang lama (underfeeding). 2.7.2 Pemasukan Alumina (Al2O3) ke larutan kriolit Secara pokok, pemasukan alumina (Al2O3) ke sel terdiri dari memecahkan pada pembuka pada lapisan kulit/kerak atas yang beku dan kemudian untuk dilarutkan kedalam bath dan untuk memperbaiki thermally-insulating lapisan kulit. Dengan tempat modern pemasukan ke dalam lobang mungkin tetap terbuka di antara setiap tambahan alumina (Al2 O3). Dulunya, pemecahan kerak dilakukan secara manual, yang merupakan sebuah pekerjaan yang kasar pada waktu itu, khususnya saat kerak itu keras dan kuat. Pada saat pemasukan alumina (Al2 O3) dilakukan pada sisi yang panjang dari sel tersebut. (Grjotheim, K., 1998)


BAB II TINJAUAN PUSTAKA. dari alumina dengan cara elektrolisa dari garam yang terfusi. Penggunaan

Recommend Documents