BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Trinatrium Fosfat Trinatrium fosfat adalah agen pembersih, makanan aditif, dan penghilang noda. Trinatrium fosfat berwarna putih berbentuk butiran atau kristal padat dan sangat larut dalam air menghasilkan larutan alkali. Secara umum trinatrium fosfat disintesis dari dinatrium fosfat sehingga sebagian terhidrasi menjadi trisodium fosfat anhidrat sampai terbentuk trinatrium fosfat (Na3PO4.12H2O). Trinatrium fosfat paling sering ditemukan dalam bentuk bubuk putih, yang sering disebut trinatrium ortofosfat atau hanya natrium fosfat. Trinatrium fosfat banyak digunakan dalam pembuatan berbagai macam sabun dan deterjen.
Gambar 2.1 Struktur Trinatrium fosfat Kegunaan utama dari trinatrium fosfat adalah sebagai agen pembersih, pH larutan trinatrium fosfat 1% adalah 12, dan sifat kelarutannya cukup basa untuk saponifikasi lemak dan minyak. Dalam kombinasi dengan surfaktan, trinatrium fosfat merupakan agen yang sangat baik untuk membersihkan segala sesuatu pengotor. Hal ini sangat efektif dengan harga produksi yang rendah sehingga membuat trinatrium fosfat lebih disukai untuk sejumlah besar produk pembersih yang dijual di pertengahan abad ke-20. Trinatrium fosfat masih dijual, dan digunakan, sebagai agen pembersih, tetapi selama akhir 1960-an di Amerika Serikat, berlebihan menyebabkan serangkaian masalah ekologi. Pada akhir abad ke-20, banyak produk yang sebelumnya berisi trinatrium fosfat sekarang diproduksi dengan trinatrium fosfat pengganti, yang terutama terdiri dari natrium karbonat bersama dengan berbagai surfaktan nonionik dan natrium fosfat. Trinatrium fosfat umumnya digunakan setelah dibersihkan dengan mineral dalam rangka untuk menghilangkan residu hidrokarbon. Trinatrium fosfat dapat digunakan dengan pemutih klorin dalam larutan yang sama tanpa reaksi berbahaya campuran ini sangat baik untuk menghilangkan jamur (Wikipedia, 2011).
Universitas Sumatera Utara
2.2 Sifat-sifat fisis dan kimia bahan baku dan produk 2.2.1 Bahan baku 2.2.1.1 Na2CO3 (MSDS, 2011) Nama
: natrium karbonat, soda abu, kalsium soda
Rumus molekul : Na2CO3 Berat molekul : 106 g/mol Sifat fisis
: - berwujud padat - berwarna putih - higroskopis - larut dalam air tetapi tidak larut dalam alkohol - tidak mudah terbakar - densitas = 1,311 g/cm3 - titik leleh = 851 oC
Impuritis
: 0,22% (maksimal)
Sifat kimia
:
1. Semua karbonat akan cepat bereaksi dengan asam kuat membentuk garam karbonat. M2(HCO3) + (H3O+,A-)
M-A- + CO2 + 3H2O
2. Reaksi antara natrium karbonat dan kalsium hidroksida akan menghasilkan kalsium karbonat dan natrium hidroksida. Na2CO3 + Ca(OH)2
2NaOH + CaCO3
3. Proses pembentukan natrium karbonat dapat melalui tiga tahapan: a. Konversi natrium klorida menjadi natrium sulfat dengan pemanasan. 2NaCl + H2SO4
Na2SO4 + 2HCl
b. Reaksi antara natrium sulfat dan kalsium karbonat dilakukan pada temperatur tinggi menghasilkan natrium karbonat. Na2SO4 + CaCO3 + 2C
Na2CO3 + CaS + 2CO2
c. Reduksi natrium sulfat menjadi natrium sulfida. Na2SO4 + 4C
Na2S + 4CO
Natrium sulfat dicampur dengan karbon dioksida dan steam. Na2S + CO2 + H2O
Na2CO3 + H2S
Universitas Sumatera Utara
4. Reaksi pembentukan dari amonia. 2NH3 + CO2 + H2O
(NH4)2CO3
Ammonium karbonat yang dihasilkan pada reaksi 1 direaksikan dengan natrium klorida menghasilkan natrium karbonat (NH4)2CO3 + 2NaCl
Na2CO3 + 2NH4Cl
2.2.1.2 H3PO4 (MSDS, 2011) Nama
: Asam fosfat
Rumus molekul : H3PO4 Berat molekul : 98 g/mol Sifat fisis
: - wujud cair - tidak berwarna, transparan - larut dalam alkohol dan air - densitas = 1,8334 g/cm3 - titik didih = 213 oC - titik leleh = 42,35 oC
Impuritis
: 0,02% (maksimal)
Sifat kimia
:
a. Merupakan asam tribasa, pelepasan ion hidrogen yang pertama adalah ionisasi yang paling hemat. Ionisasi kedua adalah sedang dan yang ketiga sudah lemah. Hal ini bisa dilihat dari ketetapan penguraian ionisasi: H3PO4 + H2O
H2PO4- + H3O+
k1 = 7,1.10-3
H2PO4- + H2O
HPO42- + H3O+
k2 = 6,3.10-8
HPO42- + H2O
PO43- + H3O+
k3 = 4,4.10-13
Asam fosfat lebih kuat dari asam asetat, asam oksalat, dan asam boraks, tetapi lebih lemah dibandingkan asam nitrat, asam sulfat, dan asam klorida. Asam fosfat dapat dibuat garam dengan mudah melalui satu atau lebih atom hidrogen. b. Pada saat pemanasan, disodium phosphat akan membentuk sodium pyrophosphat: 2Na2HPO4
Na4P2O7 + H2O
Universitas Sumatera Utara
c. Pada saat pemanasan, sodium dihidrogen phosphat akan membentuk sodium metaphosphat. NaH2PO4
NaPO3 + H2O
d. Pembentukan sodium phosphat dengan penambahan natrium hidroksida. Na2HPO4 + NaOH
Na3PO4 + H2O
e. Phosphorus pentasulfida dihidrolisa akan menghasilkan asam fosfat. P2S5 + 8H2O
2H3PO4 + 5H2S
2.2.1.3 NaOH (MSDS, 2011) Nama
: natrium hidroksida
Rumus molekul : NaOH Berat molekul : 40 g/mol Sifat fisis
: - berwujud padat - berwarna putih - titik leleh = 318,4 oC - titik didih = 1390 oC - densitas = 1,8832 g/cm³ - larut dalam air - larut dalam alkohol, eter, dan gliserin
Impuritis
: 0,05%
Sifat kimia
:
a. Pemanasan pada temperatur 1000oC dengan pencampuran karbon akan membentuk metallic sodium: 6NaOH + 2C
2Na + 3H2 + 2Na2CO3
b. Natrium hidroksida jika mengalami ionisasi akan terjadi: NaOH
Na+ + OH-
c. Pada pembentukannya, jika natrium ditambah air akan menghasilkan natrium hidroksida dan hidrogen. Na + 2H2O
2NaOH + H2
d. Natrium hidroksida juga dapat dihasilkan dari reaksi antara sodium peroksida dengan air pada temperatur tinggi: 2Na2O2 + 2H2O
4NaOH + O2
Universitas Sumatera Utara
Pada temperatur rendah akan terbentuk hidrogen peroksida: Na2O2 + 2H2O
2NaOH + H2O2
e. Reaksi antara natrium karbonat dengan kalsium hidroksida akan menghasilkan natrium hidroksida dan kalsium karbonat: Na2CO3 + Ca(OH)2
2NaOH + CaCO3
f. Natrium hidroksida mempunyai karakteristik alkali kuat, reaksi dengan alkali besi akan menghasilkan hidroksida besi dan natrium klorida: FeCl3 + 3NaOH
Fe(OH)3 + 3NaCl
Jika bereaksi dengan Zn akan terbentuk: ZnSO4 + 2NaOH
Zn(OH)2 + Na2SO4
g. Reaksi natrium hidroksida dengan beberapa elemen bebas, baik metal maupun non metal seperti: 2NaOH + Zn
Na2ZnO2 + H2
2NaOH + 2Al + 2H2O
2NaAlO2 + 3H2
2NaOH + 2B + 2H2O
2NaBO2 + 3H2
2NaOH + Si +
Na2SiO3 + 2H2
H2O
2NaOH + Cl2
NaOCl + NaCl + H
h. Kalor reaksi pada elektrolisis garam bisa didapatkan dari kalor pembentukan komponen menyeluruh: NaCl + H2O
NaOH + 1/2H2 + 1/2Cl2
Reaksi dipecah menjadi reaksi pembentukan: Na (s) + 1/2Cl2 (g)
NaCl (g)
∆H = 407 kJ
H2 (g) + 1/2O2 (g)
H2O (l)
∆H = 286 kJ
Na (s) + 1/2O2 (g) + 1/2H2
2.2.2
NaOH (g)
∆H = 469 kJ
Produk
2.2.2.1 Na3PO4.12H2O (MSDS, 2011) Nama
: trinatrium fosfat
Rumus molekul
: Na3PO4 12H2O
Berat molekul
: 380,16 g/mol
Sifat fisis
: - tidak berwarna - bentuk kristal trigonal
Universitas Sumatera Utara
- larut dalam air dan tidak larut dalam karbon disulfida - titik leleh = 256 oC (pada P = 1 atm) - Suhu kristalisasi = 65 oC (pada P = 1 atm) - densitas = 2,507 g/cm3 - pH = 12 (larutan 1%) Sifat kimia
:
a. Pemanasan dengan temperatur di atas 100oC, maka hidrat akan kehilangan 11 molekul air sehingga akan dihasilkan trinatrium fosfat monohidrat: Na3PO4.12H2O
Na3PO4.H2O + 11H2O
b. Trinatrium fosfat dihasilkan dari reaksi antara natrium hidroksida dengan disodium hidrogen phosphat: Na2HPO4 + NaOH
Na3PO4 + H2O
c. Disodium hidrogen phosphat pada saat pemanasan akan kehilangan air membentuk sodium pyrophosphat: 2Na2HPO4
Na4P2O7 + H2O
d. Sodium dihidrogen phosphat pada saat pemanasan akan membentuk sodium metaphosphat: NaH2PO4
NaPO3 + H2O
2.3 Proses Pembuatan Trinatrium fosfat Secara umum proses pembuatan trinatrium fosfat terdiri dari netralisasi, pengeringan dan kristalisasi. Untuk tahap awal dilakukan netralisasi asam fosfat dan natrium karbonat agar diperoleh konsentrasi yang sesuai. Setelah dinetralisasi asam fosfat dipanaskan sampai suhu 90oC dan tekanan 1,5 atm. Proses selanjutnya yaitu pembentukan disodium fosfat dari natrium karbonat dan asam fosfat pada kondisi operasi (T = 90oC). Untuk selanjutnya berlangsung proses kristalisasi dan pengeringan trinatrium fosfat yang dibentuk dari dinatrium fosfat dan natrium hidroksida.
Reaksi pembuatan trinatrium fosfat dijalankan dengan dua tingkatan: 1. Pembuatan disodium fosfat 90oC
Universitas Sumatera Utara
Na2HPO4 (l) + H2O (l) + CO2 (g) ∆Hf = -9.709,23
Na2CO3 (aq) + H3PO4 (l) (John, 1928) 2. Pembentukan trinatrium fosfat 90oC Na2HPO4 (l) + NaOH (aq)
Na3PO4 (l) + H2O (l)
∆Hf = -7.056,63
2.4 Pemilihan Proses Sejauh ini pembuatan trinatrium fosfat hanya dapat dibuat dari bahan baku natrium karbonat, natrium hidroksida, dan asam fosfat. Dari pemilihan bahan baku untuk pembuatan trinatrium fosfat, untuk bahan baku natrium karbonat dapat dibuat dari natrium hidroksida dan asam karbonat. Namun dalam pembuatannya menggunakan proses yang lebih rumit lagi dan biaya yang lebih mahal untuk penyediaan bahan asam fosfat. Maka dengan mempertimbangkan hal tersebut kami memilih bahan baku natrium karbonat, natrium hidroksida, dan asam fosfat dalam pembuatan trinatrium fosfat dengan menggunakan proses kristalisasi. Proses kristalisasi trinatrium fosfat dilakukan dengan pendinginan sampai suhu 55oC sehingga terbentuk kristal putih trinatrium fosfat yang berbentuk kristal triagonal. Untuk selanjutnya dikeringkan menggunakan udara panas. Maka dapat disimpulkan proses pembuatan dari trinatrium fosfat yang lebih efisien adalah proses kristalisasi sebagai proses utama dan diikuti dengan proses netralisasi dan pengeringan yang sampai saat ini menjadi tahapan proses dari pembuatan trinatrium fosfat (Beltz, 1963). 2.5 Deskripsi Proses Proses pembuatan trinatrium fosfat secara garis besar dibagi menjadi 6 tahap proses yaitu: 1. Persiapan bahan baku 2. Pembentukan larutan disodium fosfat 3. Pembentukan larutan trinatrium fosfat 4. Pengkristalan produk trinatrium fosfat 5. Pengeringan trinatrium fosfat 6. Pengambilan produk (packing)
Universitas Sumatera Utara
1. Persiapan bahan baku Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan trinatrium fosfat adalah natrium karbonat, asam fosfat, dan natrium hidroksida. Untuk keperluan ini digunakan natrium karbonat 30%, asam fosfat 62%, dan natrium hidroksida 50%. Bahan baku asam fosfat disimpan dalam tangki penyimpanan asam fosfat (T-104) pada suhu 30 oC dan tekanan 1 atm, kemudian dialirkan menggunakan pompa (P111) dan diencerkan dalam tangki berpengaduk (M-101) sampai kadarnya menjadi 62% dari kadar mula-mula 74% serta menaikan suhu dari larutan sampai suhu menjadi 90 oC dengan menggunakan jaket pemanas. Asam fosfat dipompa (P-112) menggunakan pompa jenis sentrifugal sampai tekanan menjadi 1,5 atm menuju reaktor 1 (R-201). Bahan baku natrium karbonat diangkut dari gudang (G-106) pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm menggunakan screw conveyor (SC-107), selanjutnya secara vertikal diangkut menggunakan bucket elevator (BE-109) menuju feed bin (FB-115) sebagai tempat penyimpanan sementara. Feed bin berupa silinder tegak terbuka dengan dasar berbentuk conis dilengkapi dengan weight feeder untuk mengatur laju umpan ke tangki pelarutan (M-102). Natrium karbonat dari feed bin (FB) dilarutkan pada tangki berpengaduk (M-102) untuk dilakukan pengenceran sampai konsentrasi natrium karbonat menjadi 30% serta menaikkan suhu larutan menjadi 90 oC dengan mengunakan jaket pemanas. Selanjutnya dialirkan ke reaktor 1 (R-201) menggunakan pompa bertekanan (P-113) sampai tekanan menjadi 1,5 atm. Bahan baku natrium hidroksida diangkut dari gudang penyimpanan (G-105) pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm menggunakan screw conveyor (SC-108), selanjutnya secara vertikal diangkut menggunakan bucket elevator (BE-110) menuju feed bin (FB-116) sebagai tempat penyimpanan sementara. Feed bin berupa silinder tegak terbuka dengan dasar berbentuk conis dilengkapi dengan weight feeder untuk mengatur laju umpan ke tangki pelarutan (M-103). Natrium hidroksida dari feed bin (FB) dilarutkan pada tangki berpengaduk (M-03) untuk diencerkan sampai konsentrasinya menjadi 50% serta menaikkan suhu larutan menjadi 90 oC dengan menggunakan jaket pemanas. Natrium hidroksida dipompa (P-114) menggunakan pompa jenis sentrifugal sampai tekanan menjadi 1,5 atm menuju reaktor 2 (R-202).
Universitas Sumatera Utara
2. Pembentukan dinatrium fosfat Larutan asam fosfat dialirkan ke dalam reaktor (R-201) direaksikan dengan natrium karbonat. Reaktor yang digunakan adalah mixed flow reactor yang dilengkapi dengan pengaduk dan jaket pendingin. Sebagai media pendingin digunakan air dengan suhu masuk 30oC. Kondisi operasi reaktor pada suhu 90oC dan tekanan 1,5 atm. Reaksi yang terjadi dalam reaktor 1 adalah: Na2CO3 (aq) +
H3PO4 (l)
95, 6%
Na2HPO4 (l) + H2O (l) + CO2 (g)
(John,
1928) Hasil reaksi berupa gas CO2 akan keluar melalui pipa pembuangan. Hasil dari reakror 1 (R-201) dialirkan menggunakan pompa (P-211) menuju clarifying filter (F207). Hasil utama pada reaktor 1 yaitu dinatrium fosfat selanjutnya dipisahkan dari impuritasnya dalam clarifying filter (F-207). Pengotor berupa endapan dari impuritis bahan baku natrium karbonat dan asam fosfat dialirkan ke unit pengolahan limbah (UPL) untuk dilakukan pengolahan lebih lanjut. Pengotor ini biasanya terdiri dalam jumlah yang sangat sedikit.
3. Pembentukan trinatrium fosfat Larutan dinatrium fosfat keluar dari clarifying filter (F-207) selanjutnya dialirkan menggunakan pompa (P-212) ke reaktor 2 (R-202) untuk direaksikan dengan natrium hidroksida 50%. Reaktor 2 juga dilengkapi dengan jaket pendingin dan pengaduk. Kondisi operasi reaktor pada suhu 90oC dan tekanan 1,5 atm. Dalam reaktor 2 terjadi reaksi: Na2HPO4 (l) + NaOH (aq)
99 , 06%
Na3PO4 (l) + H2O (l)
(John,
1928) Trinatrium fosfat hasil reaksi yang masih bercampur dengan impuritas dipompa (P-213) menuju clarifying filter (F-208) untuk memisahkan kotoran yang ada. Pengotor berupa endapan dari impuritis bahan natrium karbonat dan asam fosfat dialirkan ke unit pengolahan limbah (UPL) untuk dilakukan pengolahan lebih lanjut. Filtrat dialirkan menggunakan pompa (P-214) menuju evaporator (EV-203).
Universitas Sumatera Utara
4. Pengkristalan trinatrium fosfat Filtrat dialirkan menuju evaporator (EV-203) untuk dipekatkan. Larutan jenuh keluar evaporator dengan suhu 104,7154 oC selanjutnya dipompa (P-215) menuju cooler untuk menurunkan suhu larutan sampai mendekati suhu kristalisasi bahan sehingga suhu nya menjadi 75 oC. Selanjutnaya larutan dialirkan menuju cristalliser (CR-301), sedangkan uapnya dikondensasi pada barometrik kondensor (BK). Proses kristalisasi dilakukan pada suhu 55oC menggunakan agitated cooling crystallizer. Mother liquor dan kristal yang terbentuk dipisahkan melalui centrifuge (CF-302). Mother liquor yang terbentuk dialirkan menggunakan pompa (P-309) menuju heater (HE-206) untuk menaikkan suhu nya menjadi 90 oC sehingga mother liquor nya dapat direcycle menuju reaktor 1 (R-201).
5. Pengeringan produk Trinatrium fosfat Kristal yang telah dipisahkan dari centrifuge selanjutnya dialirkan menggunakan screw conveyor (SC-304) untuk dikeringkan dalam rotary dryer (RD303). Proses pengeringan dilakukan dengan menguapkan airnya menggunakan steam yang tidak kontak langsung pada bahan. Sebagai media panas dalam rotary dryer digunakan saturated steam.
6. Pengambilan hasil Kristal trinatrium fosfat yang telah kering diangkut secara vertikal menggunakan bucket elevator (BE-305) menuju feed bin (FB-306), kemudian disalurkan ke gudang (G-308) menggunakan belt conveyor (BC-307). Selanjutnya dilakukan proses packing produk kedalam bentuk sak-sak menggunakan alat pempackingan.
Universitas Sumatera Utara
SATURATED STEAM, 112oC 1,5 atm
Air Pendingin, 30oC
Air Proses, 30oC
co2 CR-301
10 17
TC PC
Na2CO3 3 2
FB-115
5
WC-216
6 16
BE-109
12
H3PO4
17 PC
FC
PC
TI
19
TI
TI
TI
LC 4
R-201 T-104
CF-302
T-215
R-202 F-207
R-01
M - 102
M -101
BE-305
G-106
FC
F-208
EV-203
22
20
LC
FB306
G-308
23
RD-303
1 SC-107 11
14
18
C-205 BC-307
P-111
P-112
21
13
P-113
SC-304
15 P-209
P-210
P-211
P-213
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
Kode T-104 G-105 G-106 G-308 M-101 M-102 M-103 SC-107 SC-108 SC-304 BE-109 BE-110 BE-305 BC-307 FB-115 FB-116 FB-306 P-111 P-112 P-113 P-114 P-209 P-210 P-211 P-212 P-213 P-214 T-215 R-201 R-202 F-207 F-208 EV-203 WC-216 C-205 HE-204 CR-301 CF-302 RD-303
Keterangan Tangki Asama Fosfat Gudang Natrium Hidroksida Gudang Natrium Karbonat Gudang Trinatrium Fosfat Tangki Pengenceran Asam Fosfat Tangki Pengenceran Natrium Karbonat Tangki Pengenceran Natrium Hidroksida Screw Conveyor Screw Conveyor Screw Conveyor Bucket Elevator Bucket Elevator Bucket Elevator Belt Conveyor Feed Bin Feed Bin Feed Bin Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Pompa Sentrifugal Tangki Penyimpanan Air Hasil Kondensasi Reaktor I Reaktor II Clarifying Filter I Clarifying Filter II Evaporator Water Condensor Cooler Heater Cristaliser Centrifuge Rotary Dryer
P-212 UPL
UPL
FB-116
HE-204
8 9
BE-110
NaOH
P-214
TI
G-105
7
FC
M - 103
SC-108
P-114
Kondensat Bekas
Air Pendingin Bekas
alur 1 alur 2 alur 3 alur 4 alur 5 alur 6 alur 7 alur 8 alur 9 alur 10 alur 11 alur 12 alur 13 1604,7935 1604,7935 73,8607 73,8607 1735,7970 1735,7970 68,4947 68,4947 650,9067 650,9067 34,2582 34,2582 - 2332,6099 2332,6099 563,4126 419,7367 983,1493 87,3379 3958,8353 4046,1733 650,2558 650,2558 - 5632,7755 5576,4477 56,3277 720,5195 0,4337 0,4337 4,0197 4,0197 0,6509 4,4534 4,4534
alur 14 alur 15 alur 16 alur 17 alur 18 alur 19 73,8607 73,8607 73,8607 73,8607 68,4947 68,4947 68,4947 68,4947 34,2582 34,2582 34,2582 34,2582 21,8090 21,8090 21,8090 21,8090 2668,7177 2668,7177 2668,7177 6186,8687 6519,6116 65,1961 6454,4155 2153,5818 4300,8336 782,6826 0,6509 0,6509 -
alur 20 14,5939 6186,8687 473,9877 -
alur 21 alur 22 alur 23 73,8607 68,4947 34,2582 7,2969 14,5939 6186,8687 308,6948 362,3191 111,6686 -
2168,6398 419,7367 2588,3765 1827,1546 3958,8353 5785,9900 520,7254 520,7254 1301,8135 720,5195 8146,4527 8085,6713 48,6249 9387,4850 65,8470 9321,638 2153,5818 7168,0562 7168,0561 6675,4503 492,0561 362,3191 6313,1313 30 30 90 30 30 90 30 30 90 90 90 90 90 90 90 90 104,7154 104,7154 55 55 55 100 100 1 1 1,5 1 1 1,5 1 1 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1 1 1 1 1 1 1
Universitas Sumatera Utara
