BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Silikon Karbida Sebelum tahun 1891, semua kebutuhan bahan abrasif
yang digunakan
adalah bahan-bahan alam, seperti intan, korundum, dan kuarsa. Adapun bahan-bahan abrasif terus berkembang karena dibutuhkan dalam pembuatan berbagai suku alat presisi untuk kendaraan bermotor, pesawat terbang, mesin, cetakan dan berbagai barang-barang buatan industri lainnya. Karena jumlahnya yang sedikit di alam, maka mulai dipikirkan untuk memproduksi bahan-bahan tersebut secara sintetis. Produksi SiC sintetis pertama kali dipatenkan oleh Edward Acheson pada 1893 serta memperkenalkan electric batch furnace sebagai alat produksi SiC yang sampai saat ini masih dipakai dan mendirikan The Carborundum Company, untuk membuat SiC yang secara luas digunakan sebagai bahan abrasive (Anonim, 2011a). Silkon karbida atau juga dikenal dengan carborundum adalah suatu turunan senyawa silikon dengan rumus molekul SiC, terbentuk melalui ikatan kovalen antara unsur Si dan C (Anonim, 2011a). Silikon karbida merupakan salah satu material keramik non-oksida paling penting, dihasilkan pada skala besar dalam bentuk bubuk (powder), bentuk cetakan, dan lapisan tipis. Teknik untuk membentuk bubuk SiC menjadi bentuk keramik dengan menggunakan agen pengikat, kemudian memberi pengaruh yang besar terhadap nilai komersial SiC. Sekarang ini, SiC merupakan salah satu material yang memiliki kegunaan yang besar dan memiliki peranan penting dalam berbagai industri seperti industri penerbangan dan angkasa, elektonik, industri tanur, dan
industri-industri komponen mekanik berkekuatan tinggi.
Umumnya, industri metalurgi, abrasif dan refraktori juga merupakan pengguna SiC dalam jumlah paling besar (Kirk dan Othmer, 1981). Aplikasi silikon karbida (SiC) dalam industri karena sifat mekaniknya yang sangat baik, konduktivitas listrik dan termal tinggi, ketahanan terhadap oksidasi kimia sangat baik, dan SiC berpotensi untuk fungsi keramik atau semikonduktor temperatur tinggi. SiC juga memiliki sifat-sifat penting sebagai berikut: unggul tahan oksidasi, unggul tahan rayapan, kekerasan tinggi, kekuatan mekanik baik, Modulus Young sangat tinggi, korosi baik dan tahan erosi, dan berat relatif rendah. Material-
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
material mentah SiC relatif murah, dan dapat dibuat dalam bentuk-bentuk kompleks, dimana memungkinkan disiasati melalui proses fabrikasi konvensional. Hasil akhir mempunyai harga kompetitif disamping menawarkan keuntungan-keuntungan teknis yang unggul dan berdaya guna lebih dari material-material penyusunnya (Suparman, 2010).
2.2 Sifat-Sifat Bahan yang Terlibat dalam Proses 2.2.1 Sifat-Sifat Bahan-Bahan Baku 2.2.1.1 Pasir Silika 1.
Nama
: Silica Dioxide
2.
Rumus molekul
: SiO2
3.
Berat molekul
: 60,08 g/mol
4.
Bentuk
: Padatan
5.
Warna
: Putih
6.
Densitas
: 2.648 kg/m3
7.
Titik leleh
: 1.515°C
8.
Titik didih
: 2.230 °C
9.
Kelarutan dalam air
: 0,012 g/100 mL
10.
Kapasitas panas
: - c, quartz, α : 10,87 + 0,008712T – 241200/T
2
(273 K-873 K) 11.
Panas pembentukan (ΔH) pada 25 ºC : - 203,35 kcal/mol
12.
Energi bebas pembentukan pada 25 ºC : - 190,4 kcal/mol
13.
Dekomposisi tetraetil ortosilikat pada suhu 680 – 730°C menghasilkan silika dioksida: Si(OC2H5)4 → SiO2 + H2O + 2C2H4
14.
Oksidasi SiH4 pada suhu 400-4500C menghasilkan silika dioksida SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O
(Sumber : Anonim, 2011b ; Perry’s, 2007; Barin dan Gregor, 1995 )
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.2.1.2. Karbon 1.
Nama
: Carbon
2.
Rumus molekul
:C
3.
Bentuk
: Padatan
4.
Warna
: Hitam
5.
Struktur atom
: heksagonal
6.
Berat atom
: 12,0107 g/mol
7.
Titik lebur
: 3652 oC
8.
Densitas
: 1,9 – 2,3 g/cm3
9.
Kapasitas panas pada 25 oC : 8,517 J/mol K Kapasitas panas
:2,673 + 0,002617T-116900/T2 (273 K-1373 K)
(Sumber : Anonim 2011c ; Perry’s, 2007; Barin dan Gregor, 1995)
2.2.1.3 Besi Posfat 1.
Nama
: Iron phosphate
2.
Rumus molekul
: FePO4
3.
Bentuk
: Padatan
4.
Warna
: krem
5.
Berat molekul
: 150,8164 g/mol
6.
Titik lebur
: 1240 oC
7.
Densitas
: 2870 kg/m3
8.
Kapasitas panas pada 25 oC : 93,5 J/mol K
9.
Panas pembentukan (ΔH) pada 25 ºC : - 1287,5 kJ/mol
10.
Energi bebas pembentukan pada 25 ºC : 12.284,607 kJ/mol
(Sumber : Anonim. 2011d; Perry’s, 2007; Barin dan Gregor, 1995)
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.2.1.4 Natrium Silikat 1.
Nama
: Sodium silicate
2.
Rumus molekul
: 10NaO.30SiO2.60H2O
3.
Wujud
: Larutan
4.
Warna
: Putih
5.
Berat molekul
: 140,0806 gr/mol
6.
Densitas
: 1428,889 kg/m3
7.
Entalpi pembentukan standar : 1561,43 kJ/mol (Sumber : Anonim, 2011e)
2.2.2 Sifat-Sifat Produk 2.2.2.1 Silikon Karbida (SiC) 1. Nama
: Silicon carbide
2. Rumus molekul
: SiC
3. Berat molekul
: 40,0962 gr/mol
4. Young’s modulus of elasticity
: 3896 Kbar
5. Densitas
: 2.923,8574 kg/m3
6. Titik leleh
: 2830 oC
7. Indeks refraksi (nD)
: 2,55
8. Mobilitas elektron
: 900 cm2/(V-s)
(Sumber : Anonim, 2011f dan Anonim, 2011g)
2.3 Aplikasi Silikon Karbida SiC yang termasuk dalam bahan keramik memiliki beberapa kelebihan yang dapat digunakan pada bidang industri dan otomotif. Pada kondisi tertentu dapat lebih memenuhi criteria yang diperlukan bila dibandingkan dengan logam, karena keunggulannya yang tahan korosi, gesekan, dan temperatur tinggi. Selanjutnya akan dijelaskan berbagai aplikasi silicon karbida sebagai bahan keramik. 1. Furnace Proses-proses industri kebanyakan selalu membutuhkan temperatur tinggi dan bahan yang tetap stabil pada temperatur dan kondisi lingkungan tertentu. Pada kasus pembentukan logam diperlukan suatu bahan yang
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
mampu bertahan pada sifat kimia yang korosif, temperatur, dan tekanan tinggi. Satu-satunya bahan yang mampu memenuhi syarat diatas adalah bahan keramik seperti SiC. Dengan penggunaan SiC sebagai bahan dinding furnace
maka temperatur, tekanan, dan sifat kimia yang korosif bukan
masalah lagi. 2. Elemen Panas Beberapa bahan keramik memiliki suatau derajat tingkat hantaran elektrik terbatas dengan hambatan listrik tertentu. Pada saat listrik berusaha untuk melewatinya, panas akan dihasilkan. Contoh keramik yamg dapat digunakan elemen pemanas adalah SiC. 3. Alat Penukar Panas Alat penukar panas atau heat exchanger memiliki tujuan untuk menggunakan kembali panas yang merupakan buangan untuk memanaskan udara yang akan digunakan untuk proses pembakaran. Dengan menggunakan bahan keramik dapat dihasilkan pengurangan bahan bakar yang digunakan sampai 50%. 4. Motor Bakar Salah satu contoh penggunaan SiC dalam motor bakar adalah turbine inlet guide vanes. Komponen turbine inlet guide vanes digunakan untuk menghasikan aliran udara pendingin gas turbine engine. Pada penggunaan keramik SiC yang lebih tahan terhadap temperatur tinggi dapat membuat sistem pendingin bekerja dengan baik bila dibandingkan dengan material lainnya. Apabila sistem pendingin pada turbine engine dapat bekerja dengan baik akan berdampak pada emisi gas buang NOx dan CO yang dihasilkan sebagai hasil dari pembakaran. 5. Seal Seal adalah suatu alat untuk mencegah kebocoran pada dua permukaan material yang bersinggungan. Pemakaian seal biasanya banyak digunakan pada mesin-mesin yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Oleh karena itu, karateristik material seal haruslah bertahan baik pada temperatur dan tekanan tinggi untuk jangka waktu yang lama, seperti bahan keramik.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
6. Ceramic Ball Ceramic ball biasanya digunakan pada bearing, valve, dan sebagai grinding ball. 7. Bahan Abrasif SiC merupakan bahan keramik yang juga bersifat abrasive sehingga dapat digunakan untuk berbagai keperluan industri seperti mengikis, menghaluskan, membuat kasar mauoun memotong permukaan benda kerja. (Kirk dan Othmer, 1981)
2.4 Proses Pembuatan Silikon Karbida Proses Pembuatan Silikon Karbida merupakan reaksi karbotermal yakni proses yang melibatkan reaksi antara kuarsa dengan tingkat kemurnian tinggi atau pecahan-pecahan kuarsit dengan karbon (grafit, karbon black atau batu bara pada temperatur antara 1600°C - 2500°C). Disebut reaksi Acheson karena pertama kali ditemukan Edward Acheson dengan menggunakan tanur listrik yang pada saat itu juga baru diperkenalkan (Austin, 1996). Karbon didapat dari kokas migas dan pasirnya mengandung 98 sampai 99,5 % silika. Persamaan reaksinya dapat digambarkan menurut reaksi berikut: 1. SiO2 + 2C → Si + 2CO
∆H = + 606 kJ
2. Si + C→ SiC
∆H = - 127,7 kJ
Sehingga reaksi totalnya dapat dituliskan sebgai berikut: SiO2 + 3C → SiC + 2CO
∆H = + 478,3 kJ
Lowe, 1958, menemukan proses pembuatan bubuk silikon karbida dengan menambahkan
komposisi
dan
campuran
bahan
baku
yang
berbeda
untukmendapatkan konversi yang lebih tinggi seperti di berikut ini. Komposisi
% berat
Pasir silika, SiO2 160 mesh
56,5
Karbon, C 160 mesh
36
Larutan natrium silikat, 10Na2O30SiO260H2O
6,5
Besi posfat, FePO4
1
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
Campuran dipanaskan dalam tanur bersuhu 16000C selama dua jam, diperoleh hasil berupa 87% berat silikon karbida, sisanya impurities berupa SiO2 (4,93%), C (3,21%), Na2O (2,60%) dan FePO4 (2,26%) (Lowe, 1958). Proses pembuatan silikon karbida meliputi tahap-tahap sebagai berikut: 2.4.1 Tahap Persiapan Bahan Baku Pada tahap ini dilakukan pemisahan bahan baku dari pengotorpengotornya, penggilingan, penimbangan serbuk bahan baku sesuai komposisi masing-masing.
2.4.2 Tahap Pencampuran Bahan Baku Pada tahap ini seluruh bahan baku yang sudah sesuai komposisi dicampur dalam mixer. Dilakukan pengadukan seluruh campuran bahan baku agar campuran menjadi homogen dan mempermudah saat peleburan.
2.4.3 Tahap Peleburan (Melting) Pada tahap ini bahan baku yang sudah homogen dibuat dalam bentuk pellet dahulu sebelum dimasukkan ke dalam tungku (furnace) bersuhu 16000C. Selama proses peleburan, masing-masing bahan baku akan saling berinteraksi membentuk reaksi kimia. Pada tahap inilah terbentuk silika karbida (SiC). Tungku yang digunakan sebagai tempat meleburkan (meleburkan) campuran bahan baku adalah tanur listrik.
2.4.4 Tahap Pendinginan Pada tahap pendinginan, bongkahan SiC yang terbentuk diturunkan temperaturnya pada cooling yard.
2.4.4 Tahap Pengemasan Produk Pada tahap akhir, produk di haluskan dengan grinder untuk mendapatkan serbuk SiC yang diinginkan, lalu dikeringkan sebelum disimpan ke dalam silo SiC, dan di-packing. Kemasan prosuk dikirim ke gudang penyimpanan produk, dan siap dipasarkan.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.5
Deskripsi Proses 2.5.1 Unit Proses Produksi Bahan baku pasir silika di tampung dalam gudang penyimpanan (TT-102),
lalu disalurkan dengan conveyor (C-102) menuju screening (S-101) kemudian dihaluskan dengan grinder (SR-101) menjadi serbuk berukuran 160 mesh. Karbon di alur yang berbeda dari tangki penyimpanan (TT-103) dihaluskan dengan grinder (SR-102) sampai berukuran 160 mesh. Seluruh bahan baku yang telah halus kemudian diangkut melalui belt conveyor untuk dibawa ke belt conveyor feeder (C107). Dengan menggunakan bucket conveyor (C-108) bahan baku diangkut ke dalam storage bins (TT-105), lalu diangkut melalui screw conveyor (C-109) untuk kemudian ditimbang sesuai komposisi masing-masing bahan baku yang diperlukan dengan menggunakan weigh scale (L-101). Bahan baku yang sudah sesuai dengan komposisi dimasukkan ke dalam mixer (M-101) untuk diaduk secara merata. Pengadukan campuran bahan baku dalam suatu mixer dilakukan agar campuran menjadi homogen dan mempermudah proses peleburan (melting). Bahan baku yang sudah homogen dilewatkan pada pelletizing machine (L-102), selanjutnya dialirkan melalui bucket elevator (C-110) menuju rotary kiln pre-heater (B-102). Di dalam rotary kiln pre-heater, bahan dipanaskan hingga suhu mencapai 617 0C. Panas yang digunakan dalam proses pemanasan ini berasal dari proses pembakaran gas alam dengan suhu pembakaran 863 0C di dalam burner (B-101). Dari rotary kiln preheater (B-102) bahan menuju electric furnace (B-103). Pada electric furnace terjadi reaksi antara karbon dengan silika pada suhu 16000C yang menghasilkan silikon karbida (SiC). Selama proses, masing-masing bahan baku akan saling berinteraksi membentuk reaksi kimia berikut: SiO2 + 3C → SiC + 2CO Dengan konversi 96 %, diperoleh SiC dengan kemurnian 87%, sisa karbon 3,21 %, selebihnya silika dan abu. Setelah tahap reduksi, produk akan diteruskan ke cooling yard (A-101) untuk diturunkan suhunya. Bongkahan silikon karbida berukuran besar diperkecil dengan crusher (SR-103), sehingga diperoleh produk berupa butiran granula silikon karbida yang disimpan ke dalam silo penyimpanan SiC (TT-106). Dari silo penyimpanan produk SiC dikemas di packaging machinery (L-103), selanjutnya disimpan dalam gudang produk (TT-107) dan siap dipasarkan.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
2.5.3 Unit Pemanfaatan Gas Buang Selama proses dihasilkan gas panas dalam jumlah yang besar, yakni gas buang dari rotary kiln pre-heater (B-102) yang terdiri dari oksigen (O2), nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O), dengan suhu 6250C, tekanan 1 atm, serta gas buang dari electric furnace (B-103), yang terdiri dari gas karbodioksida (CO2) dan nitrogen (N2), dengan suhu 1400 0C, tekanan 1 atm. Dimana gas karbon monoksida (CO) yang dihasilkan dari reaksi peleburan dioksidasi oleh oksigen dari udara menghasilkan CO2. Gas buang dari rotary kiln pre-heater (B-102) dan gas buang dari electric furnace (B-103) dinaikkan tekanannya menjadi 5 atm, masingmasing dengan menggunakan compressor (JC-102) dan compressor (JC-103), untuk dialirkan menuju mixing point (M-201). Pada mixing point (M-201), gas-gas dari rotary kiln pre-heater (B-102) dan electric furnace (B-103) dicampurkan, dan keluar sebagai gas panas dengan suhu 1.0310C, tekanan 5 atm. Campuran gas dimanfaatkan dalam gas turbine (JJ-201) untuk menghasilkan energi kinetik yang akan menggerakkan generator menghasilkan energi listrik. Gas keluar dari turbin pada suhu 600 0C, 1 atm, masih dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan uap. Uap dihasilkan dengan menggunakan steam boiler (E-201). Air umpan boiler dipompakan dari boiler feed water pump dengan tekanan 15 MPa, pada suhu 900C ke steam boiler (E-201) untuk menghasilkan steam tekanan tinggi. Uap yang dihasilkan kemudian digunakan untuk menggerakkan turbin uap (JJ-202) yang akan menggerakkan generator dan menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang dihasilkan dapat digunakan pada unit proses.
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
