Seminar Teknik Kimia – Teknologi Oleo dan Petrokimia Indonesia (STK-TOPI) 2005
ISSN 1907-0500
Kristalisasi TiO(OH)2 dari Titanyl Sulfat Pada Pembuatan Titanium Dioksida (TiO2) dari Ilmenit Fuad Nugroho, Hamda, Ahmad Fadli, Syaiful Bahri Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Riau Telp/Fax. (0761)566937 Email :
[email protected]
Abstrak Kegunaan Titanium Dioksida (TiO2) sangat banyak antara lain sebagai bahan pewarna, katalisator, fotokatalitik dan lain-lain. Salah satu proses untuk membuat Titanium Dioksida (TiO2) adalah dengan Proses Sulfat. Bahan baku yang digunakan adalah mineral ilmenit bahan buangan PT Tambang Timah Bangka. Penelitian bertujuan mempelajari pengaruh pH,dan suhu pada proses hidrolisis titanyl sulfat (TiOSO4) menjadi titanium oxyhidrat (TiO(OH)2). Proses hidrolisis dimulai dengan memasukkan cairan titanyl sulfat sebanyak 25 mL ke dalam erlenmeyer lalu diatur pH cairannya. Tambahkan bibit TiO2 ke dalam erlenmeyer sebanyak 0,01 gram, lalu erlenmeyer tersebut ditutup. Letakkan erlenmeyer ke dalam waterbatch yang telah diatur suhunya 95oC. Setelah 6 jam maka proses dihentikan, lalu dinginkan cairan sehingga endapan yang diperoleh terpisah dari cairan induk lalu disaring dengan kertas saring whitman. Endapan dikeringkan di dalam oven selama 5 jam, didinginkan dalam Dessicator, kemudian beratnya ditimbang menggunakan timbangan analitis. Variabel proses yang diteliti meliputi pH: 0.66 - 4.5, suhu reaksi: 60oC - 100oC. Dari hasil penelitian diperoleh kesimpulan bahwa kondisi yang relatif baik untuk proses hidrolisis adalah pH 1.5, suhu reaksi 95oC. Kata Kunci : Mineral ilmenit, Titanium Dioksida, Hidrolisis
Pendahuluan Titanium dioksida (TiO2), baik dalam bentuk tetragonal rutile ataupun tetragonal anatase sangat banyak dipakai dalam industri. Penggunaan tersebut antara lain sebagai pigment pemutih, pigment warna superior (warna putih), bahan utama keramik untuk elektronik (BaTiO3), bahan baku untuk pembuatan TiO2 polimeric precursor yang sangat penting untuk pembuatan bahan-bahan keramik maju, antara lain pelapisan optik (film-optic), bahan electrooptic dan bahan komposit polimer keramik (Ceramer). Bahan baku untuk membuat TiO2 sintetis banyak terdapat di alam, baik sebagai deposit utama/deposit batuan keras ataupun sebagai secondary / placer deposite (yang pada umumnya dalam bentuk pasir pantai). Mineral-mineral yang ada dalam deposit tersebut ada yang berbentuk mineral ilmenite (FeO.TiO2), rutile (tetragonal TiO2), anatase (tetragonal TiO2), brookite (rhombic TiO2) dan perovskite (CaO.TiO2). Di alam, kandungan mineral ini relatif kecil, sehingga diperlukan proses pengolahan awal yaitu pengkayaan kandungan sehingga diperoleh konsentrat dari mineral di atas. Di Indonesia, mineral yang mengandung TiO2 dijumpai pada hasil samping penambangan timah di pulau Bangka dan juga dalam deposit (placer deposite) pasir besi di pantai selatan Pulau Jawa (Jawa Tengah). Sampai saat ini belum dilakukan pengolahan/pemanfaatan yang memberikan nilai tambah yang besar, seiring dengan perkembangan kebutuhan TiO2 sintetis dan perkembangan teknologi bahan keramik maju. Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari pH, dan suhu, pada proses hidrolisis titanyl sulfat menjadi titanium oxyhidrat pada pembuatan pigment TiO2 dari mineral ilmenit hasil samping pengolahan timah di PT Tambang Timah. Ilmenit adalah pasir atau batu hitam yang mempunyai rumus kimia FeTiO3. Umumnya di dalam pasir ilmenit terdapat impurities berupa besi oksida bervalensi tiga dan silika. Kandungan TiO2 di dalam ilmenit bervariasi antara 45% - 60% tergantung asal ilmenit tersebut. Salah satu sumber mineral ilmenit yang ada di Indonesia adalah berasal dari hasil samping pengolahan biji timah di PT Tambang Timah. Mineral ilmenit yang dihasilkan
Pekanbaru – 21 Desember 2005
B10-1
Seminar Teknik Kimia – Teknologi Oleo dan Petrokimia Indonesia (STK-TOPI) 2005
ISSN 1907-0500
mengandung TiO2 hingga 40% dengan jumlah rata-rata 120 ton/bulan. Selama ini mineral ilmenit yang dihasilkan digunakan pihak PT Tambang Timah untuk menutupi lubang-lubang yang muncul akibat adanya penggalian tanah dan batuan. Titanium merupakan logam yang mempunyai kekuatan sama dengan baja tetapi 45% lebih ringan daripada baja. Logam titanium 60% lebih berat daripada aluminium tetapi dua kali lebih kuat (Binns, 2001). Hampir 90% titanium yang dikomsumsi dunia adalah berbentuk titanium dioksida (TiO2) (Gambogi,, 1997). Dalam abad 21 ini logam titanium banyak digunakan dalam industri misalnya industri pesawat terbang dan elektronik. Titanium diperoleh dengan mereaksikan (TiO2) dan gas klorid dan carbon (Inoue, et al., 1998; Rosenberg, et. al, 2001; Ishigami, et. al, 2002). Pigment TiO2 sintetis merupakan pigmen hasil pengolahan, yang pada umumnya secara kimia diperoleh dari deposit alam yang mengandung oksida titanium sehingga diperoleh mineral TiO2 dengan kemurnian melebihi 90 % berat (Sumardi, 1999). Proses pembuatan TiO2 sintetis dari ilmenit dengan proses sulfat dapat ditulis sebagai berikut : (Reed, 1988 ; Kirk & Othmer, 1983) , FeO.TiO2 + 2H2SO4 + 5H2O
150 oC − 180 oC
→ FeSO4. 7H2O + TiOSO4
( 1)
Ferri sulfat yang terbentuk direduksi dengan menambahkan iron scrap. Hasil reaksi akan membentuk kristal FeSO4. 7H2O (Cooperas). Larutan sisa dipekatkan (Shreeve & Brink, 1977) kemudian dihidrolisis (Kirk dan Othmer, 1983), TiO.SO4
+
2H2O
90 oC
→
TiO(OH)2
+ H2SO4
(2)
Menurut Reed (1977), untuk mendapatkan bentuk rutile dari tetrahedral TiO2, selama hidrolisis ditambahkan bibit kristal TiO2 (rutile form). Kemudian Titanium oksida terhidrat dikalsinasi pada suhu 900 oC -1000 oC. TiO(OH)2
900 oC − 1000 oC
→
TiO2
+ H2O
(3)
TiO2 yang didapat dari proses sulfat memiliki kemurnian lebih besar 90%, dan dapat dipakai sebagai white pigment. Hasil samping dari proses sulfat, dapat diolah untuk menjadi pigment merah hematit, Fe2O3, yaitu dari pengolahan hasil FeSO4.7H2O, dengan cara kalsinasi (Hoecker, 1997). Kristalisasi atau penghabluran (crystallization) ialah peristiwa pembentukan partikelpartikel zat padat di dalam suatu fase homogen. Kristalisasi dapat terjadi karena adanya pembentukan partikel padat di dalam uap, sebagai pembekuan (solidification) di dalam lelehan cair atau sebagai kristalisasi dari larutan cair. Kristal yang terbentuk spontan biasanya cukup murni, larutan induk (mother liquor) yang berasal dari magma saat dipanen mengandung kristal sisa yang terikut. Larutan induk perlu dipisahkan dari kristal dengan filtrasi atau sentrifuge, selanjutnya dicuci dengan solven segar. Pemurnian diperlukan untuk mendapatkan ukuran dan keseragaman kristal. Pada industri yang menggunakan proses kristalisasi, kristal dan larutan induk berkontak cukup lama hingga mencapai kesetimbangan, cairan induk akan jenuh pada akhir temperatur proses. Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses kristalisasi antara lain : perbandingan reaktan, waktu kristalisasi, suhu kristalisasi, derajat kejenuhan, pengaruh ion-ion yang menyertai pembentukan kristal, nukleasi dan kecepatan pengadukan. Inti kristal terbentuk dari berbagai macam partikel : molekul, atom atau ion. Inti berada pada keadaan kesetimbangan tak stabil: inti dapat berkurang, mungkin terlarut, bertambah, tumbuh dan menjadi kristal (Sugiarto, 2002). Pekanbaru – 21 Desember 2005
B10-2
Seminar Teknik Kimia – Teknologi Oleo dan Petrokimia Indonesia (STK-TOPI) 2005
ISSN 1907-0500
Untuk mengubah larutan titanyl sulfat yang diperoleh dari detsruksi mineral ilmenit dengan asam sulfat menjadi titanium oxyhidrat amorpous adalah dengan cara pemanasan dan pengendapan. Apabila diinginkan titanium oxyhidrat berbentuk kristal rutil maka selama proses hidrolisis harus ditambahkan bibit rutil (nukleasi). Selanjutnya titanium oxyhidrat yang terbentuk dikalsinasi di dalam rotary kiln sehingga diperoleh TiO2 yang berukuran 0,25 micron (Amin, et al, 1996). Metode Penelitian Ilmenit, dari bahan buangan PT Tambang Timah Bangka. Berbentuk serbuk pasir dan berwarna kehitam-hitaman. Hasil analisa dengan AAS: TiO2 = 42,57%, Fe2O3 = 30,99%, Na2O = 11,53%, MnO = 2,91%, SiO2 = 1,48%, Al2O3 = 0,52%, MgO = 0,15%, CaO = 0,14%, K2O = 0,04%. Hasil Analisa dengan XRF : Ti = 27,89 ± 0,093%, TiO2 = 46,52 ± 0,155% selain itu terdeteksi dalam sampel adalah Mn, Fe, Y, Zr, Nb, Sn, Nd, Hf, Ta, W, Pb, Th dan U. Hasil analisa dengan XRD: FeO.TiO2= 25,517%, TiO2 (amorphus) = 29, 14%. Asam sulfat p.a (Merck), Kosentrasi = 96-98%. Titanium Dioksida (TiO2) Merck. Amonium Hidroksida (NH4OH) 5 N. Asam Asetat (CH3COOH) 5 N. Aquadest. Peralatan utama pada penelitian ini tangki yang digunakan untuk melakukan proses hidrolisis seperti tampak pada gambar 4
Keterangan : 2
1
3
1. Tangki 2. Water batch 3. Heater 4.Thermometer .
Gambar 1. Rangkaian alat proses hidrolisis Proses hidrolisis dilakukan menggunakan erlenmeyer 250 mL yang dipanaskan di dalam waterbatch (POLYSCIENCE). Mula-mula cairan titanyl sulfat sebanyak 25 mL dimasukkan ke dalam erlenmeyer lalu diatur pH cairannya. Pengaturan pH cairan dilakukan dengan menambahkan amonium hidroksida (NH4OH) 5 N untuk menaikkan pH dan asam asetat (CH3COOH) 5 N untuk menurunkan pH. Untuk mengukur pH cairan digunakan pHmeter (ORION 420A). Tambahkan bibit TiO2 ke dalam erlenmeyer sebanyak 0,01 gram, lalu erlenmeyer tersebut ditutup. Letakkan erlenmeyer ke dalam waterbatch yang telah diatur suhunya 95oC. Setelah 6 jam maka proses dihentikan, lalu dinginkan cairan sehingga endapan yang diperoleh terpisah dari cairan induk. Pisahkan endapan yang terbentuk tersebut dengan cara penyaringan menggunakan kertas saring whitman. Endapan dikeringkan di dalam oven (GALLENKAMP) selama 5 jam. Endapan yang sudah keringkan dimasukkan ke dalam Dessicator untuk didinginkan, kemudian ditimbang untuk mengetahui beratnya menggunakan timbangan analitis (METTLER TOLEDO). Gambar rangkaian alat utama pada proses hidrolisis dapat dilihat pada gambar 1. Variabel proses yang diteliti meliputi pH = 0.66- 4.5, dan suhu 60oC - 100oC. Hasil dan Pembahasan Pengaruh pH Hasil pengukuran berat dan warna TiO(OH)2 yang dihasilkan pada pH 0.66- 4.5 dapat dilihat pada tabel 1 dan gambar 2. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa pada pH yang berbeda diperoleh TiO(OH)2 dengan berat dan warna yang berbeda pula.Ini berarti, pH cairan titanyl sulfat mempengaruhi pembentukkan kristal TiO(OH)2. Dari pH 0.66- 1, berat TiO(OH)2 yang diperoleh bertambah walaupun tidak signifikan, bahkan pH 1- 2 berat TiO(OH)2 yang diperoleh berkurang dan warna endapan berubah dari putih menjadi kuning. Sedangkan dari pH 2.5- 4.5 berat endapan TiO(OH)2 yang diperoleh bertambah dengan cepat, tetapi warnanya juga berubah dari kuning menjadi coklat.Perubahan warna TiO(OH)2 disebabkan pada pH 2, Pekanbaru – 21 Desember 2005
B10-3
Seminar Teknik Kimia – Teknologi Oleo dan Petrokimia Indonesia (STK-TOPI) 2005
ISSN 1907-0500
endapan besi hidroksida (Fe(OH)2) sudah terbentuk. Fe(OH)2 yang terbentuk ikut mengendap bersama TiO(OH)2 sehingga berat endapan yang diperoleh merupakan total dari berat Fe(OH)2 dan TiO(OH)2.Dari kondisi tersebut, maka dapat diambil kesimpulan pH relatif baik adalah pH 1.5. Hasil ini mirip dengan hasil penelitian yang dilakukan oleh Maryam, 2004. Dalam penelitian tersebut, akan diperoleh pH optimum pada proses hidrolisis titanium sulfat yaitu mendekati pH 2, tetapi titanium yang mereka gunakan untuk membuat cairan titanium sulfat adalah TiO2 murni (Merck). Tabel 1.Hasil pengukuran berat TiO(OH)2 pada berbagai pH (suhu = 95 0C, volume titanium sulfat = 25 ml, berat bibit TiO2 = 0.01 gram, waktu proses = 6 jam) Warna No pH Berat TiO(OH)2 Putih 1,957 0,66 1. Putih 2,28 1 2. Putih 2,061 1,5 3. Kuning 1,02 2 4. Coklat 1,411 2,5 5. Coklat 2,763 3 6. Coklat 3,771 3,5 7. Coklat 3,995 4 8. Coklat 4,252 4,5 9.
Berat TiO(OH)2 (gram)
5 4 3 2 1 0 0
1
2
3
4
5
pH
Gambar 2. Hubungan pH terhadap Berat TiO(OH)2
Pengaruh Suhu Pada suhu 600 C sampai 950 C berat TiO(OH)2 rata-rata mengalami kenaikkan hingga 0,932 gram. Hal ini disebabkan dengan adanya kenaikkan suhu menyebabkan inti-inti kristal bertambah banyak dan inti kristal tersebut tumbuh sehingga berat TiO(OH)2 akan semakin bertambah. Selain itu kenaikkan suhu akan meningkatkan jumlah kenaikkan tumbukkan antar inti-inti kristal sesuai dengan hukum Arrhenius. Sedangkan pada suhu 1000 C, berat TiO(OH)2 berkurang sangat cepat, disebabkan molekul-molekul air yang ada pada cairan titanyl sulfat menguap, sehingga perbandingan air dan titanyl sulfat mengecil. Warna TiO(OH)2 tidak mengalami perubahan walaupun suhu divariasikan dari 600 C- 950C, artinya Fe(OH)2 tidak terbentuk selama proses dengan suhu yang berbeda-beda.
Pekanbaru – 21 Desember 2005
B10-4
Seminar Teknik Kimia – Teknologi Oleo dan Petrokimia Indonesia (STK-TOPI) 2005
ISSN 1907-0500
Tabel 2.Berat TiO(OH)2 untuk tiap suhu (pH = 1.5, volume titanium sulfat = 25 ml, berat bibit TiO2 = 0.01 gram, waktu proses = 6 jam) Suhu (0C) 60 65 70 80 85 90 95 100
Berat TiO(OH)2 (Gram)
No 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Berat TiO(OH)2 0.553 0.615 0.662 0.578 0606 0.702 0.932 0.406
Warna Putih Putih Putih Putih Putih Putih Putih Putih
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
20
40
60
80
100
120
Tem peratur (C)
Gambar 3. Hubungan Temperatur Terhadap massa TiO(OH)2 Dari kedua variabel yang mempengaruhi proses hidrolisis titanyl sulfat pada proses pembuatan titanium dioksida (TiO2) maka kita dapat menentukan kondisi yang relatif baik untuk proses hidrolisis adalah pH 1.5 dan suhu reaksi 950 C. Kesimpulan 1.Proses hidrolisis titanyl sulfat pada pembuatan titanium dioksida (TiO2) dari mineral ilmenit dengan asam sulfat sangat dipengaruhi oleh pH, dan suhu reaksi. 2. Kondisi yang relatif baik untuk proses hidrolisis titanyl sulfat pada pembuatan titanium dioksida (TiO2) dari mineral ilmenit dengan asam sulfat adalah pH 1.5 dan suhu reaksi 950 C. Ucapan terima kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada DIKTI yang telah membiayai penelitian nomor kontrak 017/SPPP/PP/DP3M/IV/2005 tanggal 11 April 2005. Daftar Pustaka. Amin H. and Culkin B., 1996, High Solid Inorganic Chemicals Processing and Product Recovery, New Logic International. Inc. Binns R., 2001, The Titanium Revolution, University of Bristol. Gambogi, J, 1997, Titanium, U.S. Geological Survey-Minerals Information. Hoecker and Walter, 1997, Process for Production of Synthetic Rutil, US Patent 5.601.630.
Pekanbaru – 21 Desember 2005
B10-5
Seminar Teknik Kimia – Teknologi Oleo dan Petrokimia Indonesia (STK-TOPI) 2005
ISSN 1907-0500
Imoue, Hideaki, Odagari, and Masahiro,1998, High Purified Titanium Material,Method for preparation of it and Sputtering Target Using it, US Patent 6.400.025 Maryam, 2004, Pengambilan TiO2 dari ilmenit (FeTiO3), Skripsi, Jurusan Kimia, FMIPA, UGM, Yogyakarta, Othmer-Kirk, 1983, Encyclopedia of Chemical Technology, third edition, volume 23, A WileyInterscience Publication, Jhon Wiley & Sons. Inc., New York. Reed J.S., 1998, Introduction to the Principles of ceramic Processing, A Wiley-Interscience Publication, Jhon Wiley & Sons. Inc., New York. Rosenberg, Harry, Winters, Nigel, Xu and Yu, 2001, Titanium Crystal and Titanium, U.S Patent 6.309.595. Shreeve N., B. and Brink J., A., Jr., 1977, Chemical Process Industries, Forth edition, Mc Geaw-Hill Book Company, New York. Sugiarto B., 2002, Kristalisasi Garam MgSO4 dari Air Laut, Prosiding Seminar Nasional Fundamental dan Aplikasi Teknik Kimia 2002, ITS, Surabaya. Sumardi P. C., 1999, Pembuatan Rutil (TiO2) Sintesis dari Ilmenit Hasil Samping Penambangan Timah Bangka, Prosiding lokakarya Eksploitasi, Eksplorasi dan Pengolahan Sumber Daya Mineral, Fakultas Teknik, Jurusan Teknik Geologi, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta.
Pekanbaru – 21 Desember 2005
B10-6
