REDUKSI PASIR BESI MENGGUNAKAN ENERGI GELOMBANG MIKRO

Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011

REDUKSI PASIR BESI MENGGUNAKAN ENERGI GELOMBANG MIKRO Muhammad Ansar Nasir (2707100060) Jurusan Teknik Material dan Metalurgi, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

ABSTRAK Pasir besi merupakan sumber bijih besi yang dapat dimanfaatkan untuk memenuhi konsumsi baja di Indonesia. Dengan adanya proses reduksi pada pasir besi yang cepat serta ramah lingkungan maka sumber daya alam dapat dimamfaatkan sebaik-baiknya, Dalam penelitian ini digunakan pasir besi dan batubara. Variable reduksi menggunakan microwave pada masing-masing input daya 400 Watt, 600 Watt dan 800 Watt serta waktu tinggal reduksi 10 menit, 20 menit dan 30 menit. Bedasarkan data dari hasil penelitian didapatkan kandungan Fe tertinggi yaitu 75,37% menggunakan daya Microwave 800 Watt dan waktu tinggal reduksi 30 menit. Dan telah terbentuk paduan besi kasar pada penggunaan daya 800 Watt. Kata Kunci: Pasir Besi, Microwave, Reduktor

PENDAHULUAN

Pasir besi merupakan sumber bijih besi yang banyak di temukan didaerah pantai selatan Sumatera dan pantai selatan jawa dan mengandung vanadium dan titan oksida yang cukup tinggi. Pemanfaatan pasir besi di dalam negeri sampai saat ini sebagai bahan baku pembuatan semen, sedangkan pemanfaatannya diluar negeri untuk bahan baku pembuatan besi telah dilakukan sejak lama yaitu oleh pabrik besi baja di Selandia Baru dan RRC. Mineralnya berupa titaomagnetite yang bersifat ferromagnet. Karena kandungan Fe yang rendah, maka harus dilakukan suatu cara untuk meningkatkan kandungan Fe dari konsentrat pasir besi. Microwave atau gelombang mikro telah lama digunakan sebagai metode pemanasan. Pemanasan dengan gelombang mikro mempunyai karakteristik yang berbeda dengan pemanasan konvensional, karena panas dibangkitkan secara internal akibat getaran molekul-molekul target oleh gelombang mikro. Karena karakter gelombang mikro yang dapat menembus molekul target, maka pemanasan dengan gelombang mikro berlangsung secara simultan. Hal ini berbeda dengan pemanasan konvensional, dimana panas mengalir secara konveksi atau konduksi. Berbagai penelitian penggunaan gelombang mikro pada proses ekstraksi metalurgi secara langsung menunjukkan bahwa gelombang mikro sangat efektif untuk menunjang proses ekstraksi material.

1

Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi energi gelombang mikro dan waktu reduksi pada pasir besi terhadap peningkatan komposisi Fe serta mengetahui mekanisme proses reduksi pasir besi besi menggunakan energi gelombang mikro.

METODOLOGI

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu pasir besi yang telah diseparasi magnet dan batubara yang telah digerus dan dilakukan pengayakan hingga -70 mesh. Tabel 1. Komposisi Kimia Pasir Besi Compound Conc Unit Al 2.20 % Si 7,03 % P 0,17 % K 0,38 % Ca 2,38 % Ti 6,35 % V 0,60 % Cr 0,01 % Mn 0,58 % Fe 69,86 % Bi 10 %

Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 Tabel 2. Komposisi Kimia Batubara Fix C (%)

Vm (%)

Ash (%)

H2O (%)

S (%)

26,76

38,24

27,96

6,88

0,19

Start

Preparasi Sample

Alat yang digunakan dalam proses reduksi yaitu Microwave oven 2450 MHz, cawan dengan volume 30 ml dan batu tahan api. Pada penelitian ini digunakan variabel inputan daya yang digunakan pada microwave oven dan waktu reduksi terhadap konsentrat pasir besi dengan masing-masing massa pasir besi besi dan batubara berturut-turut yaitu 10 gram dan 5 gram. No 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Tabel 3. Hasil reduksi Fe waktu komposisi pasir besi/batubara 400 10 menit Watt 20 menit 30 menit 600 10 menit 10 gram /5 gram Watt 20 menit 30 menit 800 10 menit Watt 20 menit 30 menit

Daya

Separasi magnet pada pasir besi (dilakukan 2 kali)

Penggerusan + Ayak batubara (Ayakan 70 Mesh)

Uji XRF

Ditimbang (5 gr) gram)

Ditimbang (10 gr) gram)

Campur dan aduk

Memasukkan sampel ke microwave (sesuai Variabel)

Setelah dilakukan proses reduksi sesuai dengan variabel-variabel yang sudah ditentukan selanjutnya dilakukan proses pengujian pada kandungan konsentrat Fe yang terkandung dalam konsentrat pasir besi. Pengujian dilakukan dengan menggunakan alat XRF.

Uji XRF

Analisa data

Kesimpulan

End Gambar 2 Diagram Alir Penelitian Gambar 1 X-Ray Fluorescence Dalam pengujian menggunakan didapatkan berupa kandungan unsur-unsur konsentrat maupun kandungan oksida terkandung dalam konsentrat pasir besi. Diagram alir penelitian seperti gambar berikut ini:

2

HASIL DAN PEMBAHASAN XRF dalam yang pada

Hasil Penelitian Pengaruh Pemanasan Pasir Besi Menggunakan Gelombang Mikro Pemanasan pada konsentrat pasi dengan perbandingan 2:1 yaitu masing-masing pasir besi batubara 10 gram dan 5 gram. Efek gelombang mikro menggunakan daya 400 Watt, 600 Watt, dan

Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

400 watt 600 Watt 800 Watt 0

10

20

30

Waktu [menit]

Gambar 3. Perbandingan temperatur konsentrat hasil reduksi dan waktu reduksi di berbagai inputan daya. Pada grafik perbandingan antara temperatur konsentrat hasil reduksi dan waktu tinggal dalam proses reduksi pada berbagai inputan daya, dapat dilihat pengaruh yang ditimbulkan oleh inputan daya yang diberikan. Inputan daya yang diberikan analog dengan kenaikan temperatur pada konsentrat hasil reduksi. Pada inputan daya 400 Watt dan waktu reduksi 10 menit mengalami kenaikan temperatur yang cukup signifikan yaitu dari temperatur kamar 27oC naik menjadi 525oC. Selanjutnya perubahan temperatur pada waktu tinggal reduksi pada 20 dan 30 menit tidak begitu mengalami kenaikan, ini mungkin saja diakibatkan pada saat penggunaan termocouple ada kekeliruan. Inputan daya 600 Watt tidak jauh berbeda dengan inputan daya 400 watt dengan waktu reduksi yang sama yaitu 10 menit begitu juga pada saat waktu reduksi 20 menit berturut-turut yaitu 530oC dan 550oC. Peningkatan Temperatur yang cukup signifikan baru terjadi pada waktu reduksi selama 30 menit yang mencapai hingga 925oC. Peningkatan temperatur yang cukup besar terjadi pada penggunaan inputan daya 800 Watt. Perubahan dari temperatur kamar yaitu 27oC berubah hingga 1100oC dengan waktu reduksi selama 10 menit. Kenaikan temperatur terus meningkat seiring bertambahnya waktu reduksi yang diberikan. Waktu reduksi 20 dan 30 menit dengan inputan daya 800 Watt tidak begitu mengalami perubahan temperatur yang besar,

3

berturut-turut yaitu pada temperatur 1400oC dan 1550oC. Seperti apa yang terlihat pada grafik, temperatur cenderung meningkat seiring dengan naiknya daya pada microwave. Pada penelitian ini digunakan batubara sebagai reduktor dengan ukuran 70 mesh. Diharapkan dengan kehalusan pada reduktor dapat mempercepat proses pemanasan pada konsentrat pasir besi. Dengan melihat temperatur yang dicapai maka sangat memungkinkan konsentrat pasir besi mengalami perubahan fasa menjadi paduan besi. Panas ini timbul akibat pergerakan molekuler pada kandungan pasir besi. Dapat diperkirakan kebanyakan molekul pada pasir besi adalah dipol listrik yang berarti satu sisi memiliki muatan postif dan satu sisi memilki muatan negatif, dari itulah molekul akan berputar berusaha mensejajarkan diri sehingga dapat menimbulkan panas pada pasir besi. Perubahan Kandungan Fe Pada Konsentrat Pasir Besi Berikut ini hasil penelitian berupa datadata hasil reduksi pasir besi menggunakan reduktor berupa batubara dapat dilihat perubahan kandungan Fe pada masing-masing daya Microwave dan waktu tinggal reduksi. 76%

persentase Fe [%]

temperatur [oC]

800 Watt. Temperatur yang dihasilkan pada masing-masing daya dapat dilihat pada gambar 4.2. berikut.

73%

400 Watt

70%

600 Watt 800 Watt 67% 0

10 20 30 Waktu [menit]

Gambar 4 Perbandingan persen berat hasil reduksi dengan waktu reduksi di berbagai inputan daya Pada grafik perbandingan antara persentase kandungan Fe hasil reduksi dan waktu reduksi pada berbagai inputan daya dapat dilihat perubahan kandungan Fe cenderung mengalami kenaikan. Waktu reduksi selama 10 menit pada inputan daya 400 dan 600 Watt tidak begitu berbeda peningkatan kandungan Fe dari 69,86 % meningkat berturut-turut menjadi 72,39 % dan

Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 71,94 %. Kesalahan analisa mungkin saja terjadi pada penggunaan waktu reduksi selama 20 menit padan inputan daya 400 dan 600 Watt yang justru mengalami penurunan masing- masing menjadi 71,70 dan 71,42 %. Kesalahan bisa saja terjadi pada saat preparasi sampel pada pengujian XRF. Kesalahan itu dapat dilihat dari grafik yang menunjukkan penggunaan waktu reduksi selama 30 menit pada inputan daya 400 dan 600 watt yang mengalami kenaikan yaitu berturut-turut menjadi 72,45 dan 73,51 %. Kenaikan kandungan Fe cukup baik pada penggunaan daya 800 Watt yang terus mengalami kenaikan yaitu berturut-turut menjadi 73,07; 74,64; dan 75,37 %. Ini mungkin terjadi karena dengan penggunaan daya yang cukup besar dapat mempercepat kinetika reaksi yang terjadi dalam konsentrat pasir besi. Pada gambar 4.3. merupakan percobaan reduksi selama 30 menit menggunakan energi gelombang mikro, dengan komposisi perbandingan pasir besi / batubara masing 2 : 1 (10 gram Pasir besi dan 5 gram batubara). Dengan peningkatan waktu reduksi telah terjadi perubahan fase yaitu menjadi paduan besi karbon.

3. 4.

5.

Difusi ke dalam pori mikro atau pori-pori yang ada di dalam pasir besi. Reaksi kimia yang terjadi pada antar muka antara oksida dengan gas reduktor CO, sehingga oksigen yang terikat berupa oksida logam terputus dan menghasilkan produk gas baru yaitu CO2 serta terjadi pembentukan dan pertumbuhan lapisan produk reaksi yaitu Fe. Pada fasa ini juga terjadi akumulasi gas CO dan produk Fe pada antar muka (pori mikro partikel). Difusi produk gas reaksi (CO2) melalui jalur yang sama dengan jalur gas reduktor (CO).

Pembahasan lebih rinci mengenai mekanisme reduksi yang berlangsung selama proses reduksi pasir besi di dalam crucible di uraikan sebagai berikut : Pertama gas reduktor terbentuk dari beberapa reaksi yang dapat dituliskan di bawah ini : C + ½O2  CO

(16)

C + CO2  2CO

(17)

Kedua gas reduktor yang dihasilkan, yaitu CO akan berdifusi melalui pori-pori makro sehingga kontak dengan permukaan partikel pasir besi. Pada permukaan partikel ini akan terjadi reaksi reduksi bertahap dan menghasilkan gas baru yaitu CO2 yang akan berdifusi melalui jalur yang sama dengan jalur gas reduktor. Reaksi-reaksinya dapat dituliskan dibawah ini : Gambar 5. Pig Iron Dari proses ini dapat diperkirakan bahwa penggunaan microwave dapat mencapai temperatur diatas titik lebur besi. Sehingga dapat dihasilkan pig iron dengan kualitas tinggi mencapai diatas 75% Fe. Mekanisme Reduksi Yang Terjadi Proses reduksi yang terjadi diperkirakan berlangsung melalui beberapa tahap secara garis besar diantaranya sebagai berikut : 1.

2.

Difusi gas CO melalui lapisan gas diam pada permukaan tumpukan partikel besi dan batubara. Difusi gas CO ke dalam pori makro.

4

3Fe2O3 + CO  2Fe3O4 + CO2

(18)

Fe3O4 + CO  3FeO+ CO2

(19)

FeO + CO  Fe + CO2

(20)

Berdasarkan reaksi-reaksi tersebut terdapat kemungkinan bahwa hasil reduksi akan berupa lapisan-lapisan dari produk. Produk-produk tersebut secara berurutan dari yang terluar sampai yang terdalam adalah Fe, FeO, dan Fe3O4. Kinetika Reduksi Pengaruh Temperatur Laju reaksi kimia pada permukaan partikel dipengaruhi oleh temperatur reduksi. Berdasarkan energi bebas gibbs yang ditunjukkan pada persamaan berikut. Maka dapat disimpulkan bahwa

Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 agar reaksi C dan CO2 berlangsung dibutuhkan temperatur paling rendah 982 K atau 709o C. C + CO2  2CO ∆GT = 169.008 – 172,192 T (21) Pada percobaan ini tidak menggunakan parameter temperatur, tetapi dapat disimpulkan bahwa produk reduksi makin bertambah dengan seiring naiknya temperatur. Sesuai dengan persamaan Arhenius yang menghubungkan laju reaksi dengan kenaikan temperatur : k = ko exp(-Q/RT) ( 22) dimana q adalah energi aktivasi dan ditentukan dari kemiringan kurva hasil plot antara log k terhadap 1/T dan Ko adalah faktor frekuensi. Pengaruh Waktu Reduksi Dari data hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa waktu yang lebih lama akan memberikan kesempatan CO untuk mereduksi besi oksida lebih banyak, karena gas CO bisa bereaksi dengan besi oksida yang terdapat dibagian dalam pasir besi. Dengan demikian persentase Fe akan bertambah tinggi dengan bertambahnya waktu reduksi hal ini dapat dilihat pada gambar 4.3. diatas. Kendala Dalam Proses Reduksi Diperkirakan gas reduktor banyak terbentuk diatas permukaan. Dengan demikian dapat dsimpulkan bahwa pada awal reaksi reduksi banyak terjadi pada dampel bagian atas. Awal reaksi proses reduksi ini akan menghasilkan logam Fe dan abu batubara. Reduksi berikutnya terjadi pada bagian sampel yang terletak lebih bawah. Reduksi ini berlangsung dengan banyknya gas reduktor yang terbentuk dan gas reduktor yang mampu menembus dari permukaan. Proses reduksi ini juga menghasilkan logam Fe dan abu dari batubara. Pada proses reduksi ini, sebagian besar gas reduktor terbentuk dari reaksi Bouduard yang ditunjukkan pada reaksi (6). Gas reduktor mungkin juga dihasilkan dari pembakaran karbon seperti ditunjukkan pada reaksi (9). Gas CO2 untuk reaksi Boudouard berasal dari produk reduksi sebelumnya dan CO2 yang menembus dari permukaan. Selain itu, gas CO2 kemungkinan berasal dari pembakaran karbon yang ditunjukkan pada reaksi (10) dan gas CO yang bereaksi dengan oksigen seperti ditunjukkan pada reaksi (11).

5

Setiap proses reduksi menghasilkan logam Fe dan abu batubara. Semakin dalam proses reduksi dari permukaan sampel berlangsung, semakin banyak logam Fe dan abu batubara yang dihasilkan. Hal ini mengakibatkan semakin sulitnya difusi gas reduktor secara makro maupun mikro. Difusi gas reduktor secara makro adalah difusi gas reduktor dari permukaan sampel menuju sampel yang terletak lebih bawah. Difusi makro terhambat karena banyaknya abu yang terbentuk membuat pori-pori yang terdapat pada sampel menjadi lebih kecil. Sedangkan difusi mikro adalah difusi gas reduktor dari permukaan partikel pasir besi menuju bagian dalam dari partikel pasir besi. Difusi mikro terhambat karena logam Fe yang terbentuk pada permukaan partikel pasir besi membuat lapisan produk sehingga menghalangi difusi gas reduktor. Dari penjelasan-penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa proses reduksi pasir besi tidak berjalan merata. Pasir besi yang terdapat pada permukaan tereduksi dalam jumlah banyak. Sedangkan pasir besi yang terdapat pada bagian yang lebih dalam dari permukaan tereduksi dalam jumlah yang lebih sedikit.

KESIMPULAN dan SARAN Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengujian dan analisis data yang telah dilakukan maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. 2.

3.

Reduksi pasir besi dapat dipercepat dengan menggunakan energi gelombang mikro. Kandungan Fe dalam konsentrat pasir besi cenderung meningkat seiring dengan naiknya penggunaan daya pada mikrowave. Pig Iron dapat diperoleh dari pasir besi dengan menggunakan microwave.

Saran

Untuk penelitian selanjutnya ada beberapa saran yang dapat diperhatikan: 1. 2.

3.

Proses reduksi selanjutnya sebaiknya menggunakan daya yang lebih besar. Modifikasi pada microwave yaitu penambahan termocouple sehingga memudahkan pengukuran temperatur. Penggunaan variabel pada komposisi pasir besi dan reduktor yang digunakan.

Jurnal Teknik Material dan Metalurgi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, 2011 4.

5.

Hendaknya lebih memperhatikan preparasi pada saat pengujian XRF, karena sangat berpengaruh pada hasil komposisi yang diperoleh. Penggunaan XRD pada proses pengujian kandungan.

DAFTAR PUSTAKA 1.

2.

3. 4.

5.

6.

7.

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

Hendarto, Arie. “Pemamfaatan Biji Besi Untuk Industri Baja”, Iptek Voice, The Sound of Science, 2010. http://politik.kompasiana.com/2010/03/26/%E 2%80%9Cbesi%E2%80%9C-%E2%80%93harta-karun-yang-terkubur/ http://ip.com/patent/US6277168# Pickles, C. A. “Microwaves In Extractive Metallurgy Part 1 – Review of Fundamentals”, Departement of Mining Engineering, Queen’s University, Goodwin Hall, Kingston, Ontario, Canada K7L 3N6. Minerals Engineering 22 (2009) 1102-1111. Haque, Kazi E. “Microwave Energy For Mineral Treatment Processes – A Brief Review”, CANMET, 555 Booth Street, Ottawa, Ontario, Canada K1A 0G1, International Journal Of Mineral Processing, 57_1999, 1-24. Herdianti, Hedi. Studi Pendahuluan Reduksi Pasir Besi dengan rduktor batubara, Tugas Akhir ITB,2007. Takayama,S.,Matubara,A. And Sano,Saburo,microwave frequency effect for reduction of magnetite.2008. K. Nagata, R. Kojima, T Murakami, M. Susa and H. Fukuyama: ISIJ nt., 41 (2001)1316. J. Jimbo, H. Tanaka, T. Sakaguchi and Y. Kuwata: Kobelco Tech.Rev,.22 (1990),60. T. Coetsee,P.C. Pistorius and E.E. de Villiers: Miner. Eng., 15(2002),919. T. Harada, H. Tanaka and H. Sugitatsu: Kobe Steel Eng.,Rep., 51(2001),23. Y. Sawa,T. Yamamoto,K.Takeda and H. Itaya: Itaya: ISIJ int.,41(2001),S17. K.Takeda: Kinzoku, 75 (2005),547. Kelly, R. A., and Rowson, N.A. “Microwave Reduction of Oxidised Ilmenite Concentrates”, School of Chemical Engineering, The University of Birmingham, Birmingham BT15 2TT, UK. Mineral Engineering, Vol. 8, No. 11, pp 1427-1438, 1995.

6

15. M. A. M. Kharaisheh, T.J.R. Cooper and T. R. A Magee: J. Food Eng.,33 (1997),207 16. A. Idris,K. Khalid and W. Omar: Appl. Therm.Eng.,24(2004),905 17. W. H. Sutton: Ceram. Bull., 68 (1989),376. 18. R. Roy, R. Peelamedu, l. Hurtt, J. Cheng and D. Agrawal: Matel.Res. Innovate.,6(2002),128. 19. N. Standish and W. Huang: ISIJ Int., 31 (1991),241 20. S. Zhong, H. E. Geotsman and R. L. Bleifuss: Miner. Metall. Process., 300 (1996),174. 21. K. Nagata, K> Ishizaki and T. Hayashi: Proc. Of the 5th japan-BrazilZymp. On Dust Processing Energy Enviroment in Metallurgical industries,1, (2004),617. 22. J. Chen, L. Liu, J. Zeng, R. Ren and J. Liu: Iron steel, 39 (2004),1. 23. K. Morita, M. Guo, N. Oka and N. Sano: J. Mater. Cycles wastemanag., 9 (2002), 93. 24. T. Uslu, T. Atalay and A. I. Arol. Effect of microwave heating on magnetic separation of pyrite. Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 225 (2003) 161_/167