TUGAS AKHIR – MM091381
PENGARUH VARIASI pH DAN ASAM ASETAT TERHADAP KARAKTERISTIK KOROSI CO2 BAJA BS 970 Dosen Pembimbing : Budi Agung Kurniawan, ST., M.Sc
Oleh : Inti Sari Puspita Dewi
(2707 100 052)
Latar Belakang Baja BS 970
Pipa Minyak Bumi CH3COOH
Korosi CO2
Perumusan Masalah • Bagaimana pengaruh pH dan asam asetat terhadap karakteristik korosi CO2 pada baja BS 970 Batasan Masalah 1. Parameter dibatasi pengaruh asam asetat, dan pH yang divariasikan 2. Temperatur pengujian dan tekanan parsial CO2 diasumsikan konstan. 3. Kekasaran permukaan spesimen dianggap tidak berpengaruh. 4. Beker glass dianggap kedap udara.
Tujuan 1. Mengetahui perilaku korosi CO2 sebagai akibat dari pengaruh pH, dan keberadaan asam asetat. 2. Mengetahui karakteristik lapisan film FeCO3 sebagai akibat dari pengaruh pH, dan keberadaan asam asetat. Manfaat Penelitian Mengetahui perilaku korosi CO2 pada berbagai kondisi pH dan keberadaan asam lemah sebagai salah satu cara prediksi dan pengendalian korosi CO2
Tinjauan Pustaka • Korosi adalah kerusakan atau berkurangnya suatu material yang disebabkan oleh reaksi kimia dengan lingkungannya (Tretheway, 1991). • Sebagian besar proses korosi melibatkan proses elektrokimia. Sebuah sistem elektrokimia tersusun atas katoda dan anoda yang mempunyai hubungan potensial dan arus.
Gambar Sel Elektrokimia
• Secara sederhana, dengan menggunakan persamaan Faraday, laju korosi sebuah logam dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan : CR = 3.27 x 10-3 icorrEW ρ
Anoda dan Katoda • Elektroda Pembanding (refference electrode) Elektroda Kalomel merupakan elektrode yang terdiri dari lapisan Hg yang ditutupi dengan pasta Merkuri (Hg), Merkuri Klorida /Kalomel (Hg2Cl2) dan kalium klorida (KCl).
• Elektrode Bantu (Auxiliary Elektrode) Auxiliary Elektrode semata-mata untuk membangkitkan kecenderungan system tersebut dalam mengambil atau melepaskan electron; logam itu sendiri tidak ikut serta secara nyata dalam reaksi redoks, potensialnya merupakan fungsi Nersnt dari rasio aktivasi aFe2+/aFe3+.
Efek Garam Terlarut • Uhlig (1984) mengemukakan, kelarutan oksigen berkurang seiring dengan konsentrasi NaCl, menjelaskan penurunan laju korosi pada konsentrasi NaCl yang tinggi. • Kenaikan awalnya berhubungan dengan suatu perubahan dalam perlindungan alami dari difusi film karat pelindung.
Korosi CO2 Pada Baja • Dalam korosi CO2, sejumlah proses kimia, elektrokimia, dan transport terjadi secara simultan. Pada saat larut dalam air, CO2 terhidrasi membentuk asam karbonat. CO2(g) → CO2 (aq) CO2(aq) + H2O ↔ H2CO3(aq) • Selanjutnya asam karbonat akan terdisosiasi menjadi ion karbonat dan bikarbonat H2CO3 ↔ H+ + HCO3- (pada pH tinggi) HCO3- ↔ H+ + CO32- (pada pH rendah)
• Ada dua kemungkinan reaksi katodik yang mungkin terjadi pada proses korosi CO2 : yaitu reduksi langsung dari H2CO3 serta reduksi dari ion hidrogen.
• Elektron yang dibutuhkan selama proses berlangsung, tersedia dari sebuah reaksi anodik tunggal, yaitu pelarutan besi : Fe → Fe2+ + 2e-
• Sehingga reaksi keseluruhannya adalah sebagai berikut Fe2+ + CO2(aq) + H2O ↔ FeCO3(aq) + H2(g) Fe2+ + HCO3- ↔ FeCO3(s) + H+ • Skema korosi CO2 pada baja digambarkan pada gambar dibawah ini
Faktor-faktor Yang Mempengaruhi Korosi CO2 1. Temperatur • Temperatur sangat mempengaruhi korosi CO2 karena pengaruhnya terhadap kecepatan pembentukan lapisan film. • Setiap kenaikan 10oC, akan meningkatkan laju korosi sampai dua kali lipatnya. • Kenaikan laju korosi akan meningkatkan produk film FeCO3 dan akan mengendap dipermukaan sehingga membentuk suatu sistem proteksi
• Pembentukan film diamati oleh DeWaard dan Milliams, ditunjukkan dalam gambar berikut ini
2. Derajat Keasaman (pH) • Salah satu reaksi katodik penting dalam proses korosi CO2 adalah pengurangan ion H+, sehingga pH demikian berperan penting dalam reaksi katodik. • Adanya perubahan pH dengan cepat yang berdekatan dengan permukaan elektroda pada elektrolit akan memiliki pengaruh besar pada sifat fisik presipitat seperti sulfida karbonat dan besi karbonat. • Laju korosi baja karbon pada suhu kamar dapat berubah, cukup dengan perubahan pH larutan.
• Dalam sistem korosi karbondioksida, ketika pH larutan kurang dari 4, ion H+ yang ada membuat reduksi H+ mendominasi pada reaksi katodik. Laju korosi sensitif pada pH rendah.
3. Tekanan Parsial CO2 • Peningkatan tekanan parsial CO2 akan meningkatkan laju korosi baja karbon dengan meningkatkan konsentrasi H2CO3 dalam larutan, • Pada tekanan atmosfer, peningkatan temperatur menimbulkan efek kontras meningkatkan kinetika presipitasi dan mengurangi kejenuhan (supersaturation).
4. KOROSI CO2 DENGAN ASAM ASETAT • Asam asetat akan terdisosiasi menurut reaksi sebagai berikut : CH3COOH ↔ H+ + CH3COO• Asam asetat dapat bereaksi dengan baja karbon membentuk besi(II) asetat. Reaksinya adalah seperti berikut ini Fe2+ +2(CH3COOH) ↔ Fe(CH3COO)2 + H2
Baja BS 970 • Komposisi kimia baja BS 970 ditunjukkan oleh tabel dibawah ini Nama Unsur
% Berat
Karbon (C)
0.24
Silikon (Si)
0.175
Mangan (Mn)
1.5
Phosporus (P)
0.010
Sulfur (S)
0.032
Kromium (Cr)
0.069
Molybdenium (Mo)
0.014
Nikel (Ni)
0.065
Besi (Fe)
balance
METODOLOGI PENELITIAN •Bahan :
• Alat : • • • • • • • • • • •
Glass cell pH meter Termometer Auxiliary electrode (Pt) Reference electrode (Hg2Cl2) Tabung CO2 Selang Teflon Hot plate Gamry Potensiostat Alat uji SEM Alat uji XRD
• • • • • • • •
Air Aquades Baja BS 970 Resin epoxy Asam asetat Garam NaCl Garam NaHCO3 Garam CH3COONa Gas CO2
MULAI
• Diagram Alir
PENGISIAN LARUTAN 3%NaCl KEDALAM GLASS CELL PENAMBAHAN CH3COOH PEMASANGAN SEMUA ALAT dan ELEKTRODA UJI
PEMANASAN GLASS CELL
PENGALIRAN GAS CO2 (PURGING 1 JAM)
PENGECEKAN TEMPERATUR
TEMPERATUR TERCAPAI
TIDAK
YA
PENAMBAHAN NaHCO3
PENGECEKAN pH
pH TURUN
pH SESUAI
PENGALIRAN GAS CO2
pH NAIK
YA
PENGOPERASIAN POTENTIOSTAT LINIER POLARIATION RESISTANCE
POTENTIODYNAMIC POLARIZATION SWEEP PENGAMBILAN DATA SELESAI
Prosedur • Preparasi Benda Uji Dimensi benda uji: ø 15 mm x 5 mm. Sampel di sambungkan dengan kawat tembaga lalu di moulding menggunakan resin epoksi Permukaan benda uji yang terekspos dengan lingkungan dihaluskan dengan kertas gosok mulai grade 200, 600 sampai grade 800
• Preparasi Larutan Larutan yang dipakai untuk pengujian korosi adalah larutan 3% NaCl. Larutan 3% NaCl dibuat dengan cara menuang 500 mL air aquades ke dalam gelas ukur 1L . Tambahkan 30 gram NaCl. Kemudian gelas ukur diisi lagi dengan air aquades sampai mencapai 1L.
Pembuatan Jembatan Garam • Jembatan garam berbentuk agar-agar dari larutan KCl Jenuh. Cara pembuatannya yaitu: • 250 mL air aquades diisikan kedalam gelas ukur 500 mL. • Tambahkan KCl sedikit demi sedikit sambil terus diaduk hingga KCl tidak dapat larut lagi lalu diamkan selama kurang lebih 15 menit agar terbentuk endapan KCl didasar gelas • Larutan KCl tanpa endapannya kemudian dipindahkan ke gelas lain lalu ditambahkan serbuk agar-agar netral secukupnya lalu diaduk sambil dipanaskan sampai mendidih. • Setelah mendidih larutan agar-agar dituang kedalam pipa kaca berbentuk U lalu ditunggu sampai dingin dan mengeras.
Pengujian • Pengujian Korosi Secara Elektrokimia • Pengujian korosi secara elektrokimia dilakukan dengan bantuan mesin potentiostat. Pertama-tama, larutan 3% NaCl yang telah sesuai parameter diisikan kedalam glass cell. Lalu semua alat dan elektroda uji dipasangkan pada potensiostat, setelah terpasang glass cell mulai dipanaskan disertai dengan pengaliran gas CO2 (purging). Pengaliran gas CO2 ini dilakukan selama 45 menit dengan aliran yang cukup besar. • Setelah temperatur mencapai parameter dilakukan pengecekan pH. Jika pH turun maka ditambahkan CH3COONa, jika pH naik maka gas CO2 dialirkan beberapa saat kemudian di cek kembali pH larutan. Jika telah memenuhi parameter maka mesin potensiostat dinyalakan dan mulai mengambil data laju korosi dengan selang waktu 30 menit sebanyak 2 kali.
5
3 4
2
1 6
7
Skema penyusunan peralatan pengujian korosi 1. Elektroda kerja (benda uji); 2. Glass cell; 3. Termometer; 4 Elektroda bantu; 5. Jembatan garam; 6.Bubbler CO2; 7. Hot Plate
• Pengujian Linier Polarization Resistance PARAMETER Larutan
KETERANGAN 3% NaCl
Gas
CO2
Tekanan Parsial
1 bar
pH Konsentrasi CH3COOH Total (ppm)
4; 4,5; 5; 5,5; 6 0; 2000
Lama Pengujian
1 jam
Temperatur (oC)
40
Sweep Rate
Potential Range
20 mV/menit
+ 10 mV
• Pengujian Potentiodynamic Polarization Sweep PARAMETER Larutan
KETERANGAN 3% NaCl
Gas
CO2
Tekanan Parsial
1 bar
pH
4; 4,5; 5; 5,5; 6
Konsentrasi CH3COOH Total (ppm)
0; 2000
Lama Pengujian
30 menit
Temperatur (oC)
40
Sweep Rate Potential Range
Kecepatan Rotasi (rpm)
20 mV/menit + 500 mV
0
Karakterisasi Produk Korosi CO2 Pengujian Scanning Electron Microscope (SEM)
• SEM dilakukan setelah tes elektrokimia. Sampel yang dilakukan pengujian SEM dengan perbesaran 5000x adalah sampel dengan laju korosi yang paling ekstrim rendah dan paling ekstrim tinggi.
Analisa Difraksi Sinar X (XRD) • Analisis XRD dilakukan untuk mengidentifikasi senyawa produk film korosi yang terbentuk di permukaan baja. • Hanya 3 sampel yang diperiksa, untuk kondisi 2 parameter terekstrim yaitu sampel yang diuji pada pH 4 dengan konsentrasi asam asetat 0 dan 2000 ppm serta sampel asli baja BS 970 sebelum dikorosikan. Mesin XRD menggunakan mesin PAN Analytic
ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN • Dari pengujian LPR yang dilakukan didapatkan variasi nilai laju korosi (mm/yr) yang tersaji pada tabel dibawah ini CR (mm/yr) pH
0 ppm
2000 ppm
4
0.063
0.087
4.5
0.114
0.194
5
0.024
0.202
5.5
0.133
2.07
6
0.076
0.496
Potensiodynamic Polarization Sweep
Linear Polarization Resistance
Grafik Laju Korosi 0 ppm Asam Asetat
Grafik Laju Korosi 2000 ppm Asam Asetat
Hasil XRD
Hasil EDX Variasi 0 ppm pH 4
Hasil SEM a)
b)
FeCO3 FeCO3
Korosi sumuran
d)
c) FeCO3
FeCO3
Korosi sumuran
Kesimpulan dan Saran • Dari pengujian LPR, tren yang didapatkan pada parameter 0 ppm dan 2000 ppm asam asetat adalah sama yaitu terjadi kenaikan laju korosi dari pH rendah ke pH tinggi. Hal ini disebabkan terjadinya reduksi langsung dari H2CO3 dipermukaan logam yang bersifat korosif • Nilai laju korosi antara parameter 0 ppm dan 2000 ppm asam asetat mengalami perbedaan yang signifikan dimana laju korosi pada parameter 2000 ppm asam asetat lebih tinggi.
• Dari pengujian PPS didapatkan pada parameter yang sama, hasil yang didapatkan: • Pada parameter 0 ppm asam asetat, reaksi katodik pada grafik Tafel saling berhimpit antara parameter pH. Ini berarti reaksi katodik yang terjadi tidak terpengaruh oleh pH larutan serta mengindikasikan laju difusi hidrogen yang sama. • Pada parameter 2000 ppm asam asetat, reaksi katodik antara parameter pH tidak saling berhimpit, semakin tinggi pH maka semakin bergeser kekanan. Hal ini menunjukkan bahwa semakin tinggi pH maka laju korosi semakin naik, maka disini pH pun tidak mempengaruhi reaksi katodik yang terjadi.
• Dari karakterisasi material yang dilakukan, di dapatkan hasil: • Hasil XRD menunjukkan senyawa yang banyak teridentifikasi adalah senyawa Fe-Cr-Ni yang mendominasi komposisi kimia dari spesimen logam dibanding produk korosi yang terbentuk yang sangat sedikit. • Hasil SEM pada 0 ppm asam asetat pH 4 tampak bulatan putih keabu-abuan yang sangat kecil yang diyakini sebagai produk korosi. Dengan perbesaran yang sama pada asam asetat 2000 ppm pH 4 produk korosi tampak lebih besar.
• Terjadinya korosi sumuran disebabkan larutan yang mengandung unsur klorida yang agresif sekali terhadap baja karbon. • Hasil EDX metode spot pada spesimen 0 ppm asam asetat pH 4 tampak unsur Fe, C, O dan Co. namun unsur Co sangat sedikit sekali.
Saran • Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan, berikut ini adalah beberapa saran yang bisa dijadikan acuan untuk riset selanjutnya, antara lain : • Pengujian laju korosi dilakukan secara long-term sehingga didapatkan data laju korosi dan perilaku pembentukan produk korosi yang lebih baik. • Pengujian SEM dapat dilakukan dengan melihat penampang melintangnya juga untuk melihat ketebalan produk korosi yang terbentuk.
• Terima Kasih
