ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri /II Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
PENGARUH TEMPERATUR DAN PENAMBAHAN Na2CO3 TERHADAP PROSES PELEPASAN lKATAN KIMIA SiOrAI203 DALAM PASIR KUARSA
-S 3-6
Eko Sulistiyono daD Djusman Sajuti Puslitbang Metalurgi -LIPI
ABSTRAK PENGARUH KIMlA
SiO2.A~O3
TEMPERATUR
DALAM
PASIR
DAN PENAMBAHAN KUARSA.
Telah dilakukan
Na2CO3 TERHADAP
PROSES
PELEPASAN
lKATAN
percobaan pelepasan ikatan kimia antara AI2O) dan SiO2 pada
pasir kuarsa dari daerah Pantai Bedagai (Sumatera Utara), sebagai suatu langkah awal dari penelitian pembuatan mineral silika sintetis dari sumber daya mineral domestik. Tujuan penelitian adalah membuat silika murni dari pasir kuarsa dengan proses basah, untuk bahan baku industri kimia berbasis white carbon sebagai substitusi impor. Hasil penelitian terbaik dicapai pada kondisi penambahan 60 % berat natrium karbon at, temperatur roasting 11 OOoC, dalam dua tahap pencucian yang dilakukan dengan HCI 2 N selama 5jam. Produk yang diperoleh berupa silika murni berkadar SiO2 89,20 % dengan kandungan komponen pengotor TiO2 0,01 %. Fe2O) 0,06 %, LO! 10,73 %, dan praktis telah bersih dari komponen A12O), CaO, Na20, dan ~O. Produk dengan komposisi demikian kosmetik.
sesuai untuk bahan baku industri kimia pertanian, cat, tinta cetak, plastik, kertas, pasta gigi, obat-obatan, dan
ABSTRACT EFFECT OF TEMPERATURE AND Na2CO3ADDITION ON THE BREAKING OFTHE SiO2-A~O3CHEMICAL BOND IN THE STRUCTURE OF QUARTZ SAND. The experimentsfor breaking the chemical bond between AI o and SiO 2 3 2 in the structure of quartz sand from Pantai Bedagai areas have been carried out, as a preliminary stage of synthetic silicas productIon from domestic minerals. The aimed of the investigation was making pure silicas from quartz sand by wet process fo' chemical industries raw material as an import substitution. The best result has been obtained is pure silicas with 89.20 % SiO , 0.01 % TiO2' 0.06 % FeP3' 10.73 % LOI, and practice free of AI2O3' CaO, Na20, and K20 components. This produ~t composition has in the market specification for the some products which can be used for agricultural chemical, paints, printing inks, plastics, paper, toothpaste, medicines, and cosmetics. The process conditions to achieve it are 60 % additional weight of Na2CO" roasting temperature of 1,100 °C and through two steps of washing by 2 N HCI for 5 hours.
PENDAHULUAN
Tabel1 : Data impor produk pasir kuarsaTabun 1994
Data daTi Departemen PertambangandaD Energi [ 1-3J menunjukkan jumlah produksi pasir kuarsa yang dipasa!kan di dalam negeri cenderung meningkat dari tabunketabun(1989: 167.200too, 1991: 190.500too,dan 1993:300.000ton). Sampai saatini pemanfaatannyauntuk pabrik semenportland (77,80 %), botol pecahbelah ( 10,90 %), kaca lembaran (9,10 %), daD bahan refraktori (2,20 %). Produsenutama pasir kuarsa tersebutadalah daerah Belitung/Bangka. Penggunaan pasir kuarsa tidak hanya terbatas untuk kepentingan tersebut namun dapat dimanfaatkan pada berbagai keperluan lain misalnya sebagaibahan baku proses peleburan reduksi yang menghasilkan silikon metalurgi, pasir cetak, daDwhite carbon. Sampai saat ini bahan baku industri tersebut umumnya belum dapat dihasilkan dari sumber daya mineral kuarsa yang ada di Indonesia, daDkebanyakanmasih tergantung daTi impor. Menurut data statistik tabun 1994[ 4 J , total impor produk pasir kuarsa telah mencapai35 juta US$. Sumberdaya pasirkuarsaalam di Indonesiacukup melimpah. Di daerah Kalimantan saja,jumlah cadangan
Eko Sulistiyono don Djusman Sajuti
tidak kurnng dari satumiliar ton yang masih membutuhkan peningkatanmutu. Untuk diversifikasi pemanfaatanpasir kuarsa ill agar dapat memberikan nilai tarnbah maka diperlukan upaya untuk mengubah pasir kuarsa menjadi beberapa produk barn yang memenuhi persyaratan tertentu, daDumurnnya memerlukan kemurnian SiO2di atas 98 %. Kadar silika dari pasir kuarsa yang ada di Indonesia sangat bervariasi, berkisar antara 60 -98 %
213
Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi III Serpong, 20 -21 Oktoher1998 SiO2dengan beberapapengotor antara lain Al2O3'Fe2O3' CaD, TiO2' Na2O,atau K20. Pengotor-pengotor tersebut pada umumnya bernpa oksida logam yang membentuk ikatankimia kompleks. Padapenelitian terdahulu telah dilakukan proses pencucian asam terhadap pasir kuarsa dari Pantai Bedagai (Sumatera Utara) [5] , dan basil yang diperoleh hanya dapat melarntkan pengotor besi saja. Hal ini menunjukkan indikasi bahwa pengotor selain besi membentuk ikatan senyawakompleks yang stabil. Untuk memecah ikatan yang stabil dalam senyawa kompleks tersebut diperlukan bahan aditif tertentu yang mampu menarik ikatan kompleks menjadi suatu senyawa barn yang mudah dilepas ikatannya. Hasil analisis XRD memperlihatkanikatan kompleks tersebutdidominasi oleh senyawaantaraSiO2dan Al2O3bempa mineral plagioklas jenis albit [6]. Ikatan antara SiO2yang bernpa unsur asam dan Al2o 3bersifat amfoter,maka di perlukanbahan aditif yang mempunyai sifat basatinggi [7]. Oksida dengan sitarbasa tinggi yang diperkirakan sesuaiadalah Na2O,karena di samping pertimbangan faktor harga yang lebih murah dibanding ~ o juga temperatur prosesakan lebih rendah dibandingjika menggunakanCaO. Ikatan yang telbentuk akan lebih mudah diuraikan [8] dibanding dengan pemakaian CaD yang membentuk CaSiO3yang stabil. Dalam tulisan ini akan dipaparkan basilpenelitian diversifikasi produk untuk substitusi impor, yaitu pembuatanwhite carbon (senyawakimia silikat dan silika hidrat) sebagaibahan bakUdalam industri kimia [9].
ISSN1410-2897 sehingga reaksi dapat berlangsung dengan lebih sempurnanantinya. Penggerusandilakukan secarakering dalam suatu jar-mill selama 4 jam daD hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3. Jmnlah komponenyang terdeteksiberkisar sekitar 93 % saja, sehingga masih perlu ditentukan kandungan komponen-komponenlainnya seperti unsur natrium atau kalium. Melihat komposisi kimia tersebut, ada kecendemngan bahwa Al2O3bukan mempakan suatu komponen bebas,tetapi terikat dengan SiO 2membentuk suatusenyawaalumina silikat. Untuk menentukan mineral pengotor yang terkandungdi dalam pasir kuarsa tersebuttelah dilakukan pengamatandengan difraksi sinar-X yang dilakukan di Puslitbang Metaiurgi.LIPI. Dari analisis pola difraksi sinar-X yang ditunjukkan pada gambar 1, diketahui bahwa mineral pengotor yang dominan di dalam pasir kuarsa yang digunakan pada penelitian ini adalah bempa plagioklas jenis albit denganmmus kimia(Na, Ca)AlS~O8
METODOLOGI Bahan Baku Pasir kuarsa yang dipakai dalam percobaan ini berasal dati daerah Pantai Bedagai (Sumatera Utara) dengan komposisi kimia seperti ditunjukkan pacta Tabel 2. Analisis kimia dilakukan dengan menggunakan XRF
Citra EPMA yang dilakukan di Puslitbang Metalurgi-LIPI, sertadistribusi dari unsur-unsur Na, Ca, AI, dan Si dari contoh pasirkuarsa yang digunakan daIam penelitian ini ditunjukkan pada gambar 2 dan 3. Dari
di Puslitbang Metalurgi-LIPI. Di samping itu, dari anaJisis ayak diketahui lebih dati 92 % berat SiO2 berada pacta fraksi yang cukup kasar (-12+40 mesh). Tetapi pada fraksi tersebut diikuti juga denganjumlah
kandungan pengotor
yang cukup besar. Tabel 2.
Komposisi klmia bahan baku pasir kuarsa per frak.~i ukuran
',. Pasir kuarsa perIn dihaluskan terlebih dahulu sebelumdigunakan sebagaiumpan proses roasting, 214
Gambar 2. Citra EPMA daTi contoh pasir kuan;a
Eko Sulistiyono dan Djusman Sajuti
ProsidingPertemuanIlmiah SainsMateri III Serpong, 20 -21 Oktober
Tabel 3.
I
ISSN 1410-2897
1998 Komposisikimia pasir kuarsa setelahdigerusselama4 jam
Fraksl
%
(mesh)
Berat
Si
+40 -40+70 -70+140 -140 Urn an
5,49 50,44 24,82 1925 100
82,12 81,81 79,57 7702 8035
F 8,74 9,25 10,80 1228 10 19
1,90 2,14 2,54 276 235
pemetaan unsur-unsur tersebut dapat disimpulkan bahwa contoh adalah berupa plagioklas (gambar 2) dan kuarsa (gambar 3).
0
Si
0,20 0,23 0,28 032 026
5,61 51,36 24,58 1845 100
4,71 45,78 26,31 2320 100
4,45 46,08 26,85 2262 100
4,16 45,25 27,07 2352 100
gas COJ yang dapat menumpahkan lelehan. -Setelah proses roasting selesai, krusibel segera dikeluarkan dan didinginkan secaramendadak dengan air dingin atau diletakkan di atas batu es. -Produk roasting dikeluarkan dari krusibel dan digerus, untuk selanjutnya dilakukan pencucian dengan 200 rnl HCI 2 N selama lima jam pada temperatur sekitar 95°C (mendidih). -Setelah proses pencucian selesai, kemudian residu disaring. -Residu yang diperoleh ditimbang dan dilakukaIi karakterisasi. Adapun diagram aim ditunjukkan pada gambar 4 p..lrKo.r..
Gambar 3. Distribusi dari unsur-unsur Na, Ca, AI, dan Si di dalam contoh pasir kuarsa
Mineral pengotor yang dominan adalab plagioklas jenis albit (Na,Ca)AlSi)Os' Untuk dapat memisahkan/melepaskanikatan kimia SiO2-AI2O)yang ada di dalam mineral plagioklas ini, maka terbadappasir kuarsa tersebut perlu dilakukan suatu proses perlakuan awal terlebih dabulu,
ProsedurPercobaan Urutanpengerjaanpercobaanini adalahsebagai berikut. -Pasir kuarsa yang telah dihaluskan ditambah NazCO) denganperbandingantertentu (15, 30, 45, dan 60 %bemt), kemudian dicampur sampaihomogen. -Campuran homogen tersebut dimasukkan ke dalam krusibel platina, selanjutnya diletakkan di dalam muffle .furnace daD dipanaskan pada temperatur 900-1 100°C selamadua jam. Kenaikan temperatur dijaga sedemikian sehingga tidak menimbulkan gejolak (yang berasal dari
Eko Sulistiyono danDjusman Sajuti
Gambar 4. Diagram alur percobaan pembuatan silika mumi dati pa.o:irku~ dengan proses basah
BASIL DAN PEMBABASAN Proses Roasting pada Temperatur 900°C Hasil percobaanpada kondisi temperatur 900°C menunjukkan reaksi peruraian berlangsung bam sampai Tabel 4. Hasil Roastingdan Pelarutan No
2 3 4
BeratBahanBaku (eram) Pasir Na1CO3 Kuarsa 6 12 18 24
34
28 22 16
Berat Produk (gram)
Setetah
~
Setelah Pelarutan
33,14
34,97 28,76 24,25
29,12
18,97
~8.45
~
215
ProsidingPerlemuanIlmiah SainsMateri III Serpong,20 -21 Oktober 1998
ISSN1410-2897
tahap dissosiasi natrium karbonat, dengan terbentuknya gelembung gas CO2, daD ini ditandai oleh menggelembungnya sampel. Produk yang dihasilkan berupa suatu serbuk putih yang ringan. Hasil analisis terhadap produk setelah pelarutan menunjukkan bahwa kandungan komponen SiO2 dan Al2O) tidak mengalarni perubahan yang berarti. Hal ini memberi indikasi bahwa reaksi peruraian silikat dan alumina belum berlangsung. Penambahan natrium karbonat belum berpengaruh terhadapprosesperuraian. Tabel 5. Hasil Analisis
Kimia
Tabel 8. Hasil Roasting dan Pelarutan
Berat Bahan Baku
Berat Produk (gram}
(gram)
No
N..co,
Pair Kuarsa
6
2 3
12 18
4
24
34 28 22 16
Sot"'"
Set"'"
Ssebh Roal1ing
Pelanltanl
~~
Pdandan W
~
~ ~ ~
~ ~
~
27.49
14.78
23,67
.Umpan pada pelarutan tahap II adaIah 20 gram sampel produk pelarutan tahap I.
untuk Produk Setelah
Pelarutan Tabel 9. Hasil Analisis Kimia PelarutanTahap I Na !
SIO 74'3
AI.O. III'
Kampa,l,lOk,ldo/ % be.o!} No 0 CoO K.O TIO. '.31 2" 2.04 ND
"84 7. 15 "82
'74 ".3. 2.
1141 8.35 7.32
No
(~m) Na,CO)
Pasir Kuarsa 34 28 22 16
6
2 3 4
12 1& 24
110 I 7'.2' -71.1 74' I 4 1'.1'
BeratProduk(gram)
BeratBahanBaku
Setelah Roasting
2'2 257 .52
1-'5 .81 022
Setelah Pelarutan
28,78
AJ.O. ",55 '.13 ".2' NO
K_oslslOk,l'o/~'.o!} N..O CoO K 0 TIO. 7.1' 2" 2." 1.03 172 2." 1.35 115 2,53 2" 1,55 1,17 NO NO NO 001
Pada kondisi temperntur lOOOoCreaksiperuraian CO2 telah berlangsung dengan cukup sempurna, hat ini ditandai oleh adanya penyusutan volume daTi sampel. Produk yang dihasilkan dari proses roasting adalah padatan berwarna putih. Setelah dilakukan proses pelarutan, diperoleh serbuk putih dengan kandungan Na2O yang lebih tinggi dibandingkan terhadap produk pada temperntur900°C. Kadar Al2O3yang diperoleh masih cukup tinggi. Hal ini menunjukkanbahwapada temJx:rnturlOOOOC telah terjadi proses pengikatan Na2O dalam SiO2 daD SiO2.AI2O3.Reaksi peruraian daTi senyawa SiO2oAl2O3 belum berlangsung sempurna, atau dengan perkataan lain, penambahannatrium karbonat belum membeTikan pengaruh secaraberarti terhadap proses peruraian. Karena pada kondisi temperatur 900°C maupun Tabel 7. Hasil Analisis Kimia uotuk Produk Setelah Pelarutao
I
I 2 3 4
216
n,S3 68,78 7005 57,89
10,29 9,96 9,13 9,62
Komnosi..iOksida( %beta! ) Na.O CaD K,o TiO. S,97 14,38 II,S3 19,68
277 0,51 2,47 1,90 1,971,490,24 2,36 I,SO
.15 2. ND
4" 7.3 2271
0,17 0,12 O,IS
Fo.O. 0,51 042 lIS 1,42
P..O. 124 1.2' I' I."
LOI .." 5.'3 1,'4 II 73 I
llOOOC. Proses Roasting pada Temperatur
AI.O.
ND
LOI '13
pada lOOOOC belum terjadi proses peruraian maka percobaanselanjutnya dilakukan pada temperatur
35,88 29,26 24,15 23,97
37,98
~ ~
Proses Roasting pad a Temperatur lOOOoC
SiD.
ND
FeO. 01'
TabelO. Hasil Analisis Kimia untuk Produk Setelah Pelarutan Tahap II
Tabe\ 6. Hasil Roasting dan Pelarutan
No
untuk Produk Setelah
WI 3,95 1,97 4,07 6,SI
ll00oC
Hasil percobaan pada kondisi temperatur 11 ()()oC menunjukkan bahwa jumlah penambahan natrium karbonat sangat berpengaruh terhadap proses pelepasan ikatan SiO2-Al2O3. Selama proses pelarutan, ada kecendernngan bahwa konsentrasi Na2O berperan dalam proses pelepasan ikatan, dimana N~O pada konsentrasi yang rendah berikatan dengan unsur yang ada membentuk ikatan yang stabil dan pada konsentrasi yang tinggi N~O dapat melepas ikatan SiO2-AI2O3 membentuk suatu senyawa barn yang mudah dilepas ikatannya. Hal ini ditunjukkan dari masih banyaknya unsur natrium pada produk setelah pencucian tahap kedua terhadap penambahan natrium karbonat sebesar 15 %, 30 0/0,clan 45 %. Sementara itu dengan penambahan natrium karbonat 60 % maka praktis tidak terdapat unsur natrium dalam produk setelah pencucian tahap krona. Pada penambahan natrium karbonat 150/0, 30 %, dan 45 % menunjukkan bahwa reaksi pelepasan ikatan antara SiO2dan Al2O3 tidak tercapai. Hal ini dapat diamati dari kandungan Al2O) dalam produk pencucian yang masih tinggi, betbeda jika dilakukan dengan penambahan natrium karbonat 60 % dimana produk pencucian praktis telah bebas dari kandungan Al2O3. Pola difraksi sinar-X dari produk yang di-hasilkan
---""
-"
.~,
...'-
Eko Sulistiyonodan Djusman Sajuti
ProsidingPertemuanllmiah SainsMateri III .\'erpong,20- 21 Oktober 1998
ISSN 1410-2897
daTi penelitian irn, setelah dilakukan kalsinasi pada temperatur 800°C selama 2 jam, ditunjukkan pada gambar5.
2 e ( deg. Gambar 5. PoJa difraksi sinar-X dari produk Keterangan: IX adaJah SiO, 13 adalah NaCaAl,Si,O" y adalah Na.Al.Si,O,.. 12 H10
Dari pola difraksi sinar -x terlihat bahwa masih terdapat sejumlah kecil unsur tidak terdeteksi analisa kimia dengan XRF yaitu AI, Na dan Ca yang berikatan membentuk senyawa yang kompleks. Rendahnya puncak-puncak SiO2 ' menunjukkan bahwa belum sempurnanya pembentukan kristal SiO2 .Hal ini disebabkanoleh kemungkinan prosesplarutan asam daD kalsinasi belum optimal. Oleh karena itu dilakukan penelitian yang lebih Ianjut tentang pengaruh senyawa kompleks terhadap sifat bahan.
DAFTARPUSTAKA [1]. Bunga Rampai Bahan Galian dan Air BawahTanah, Kanwil DPE Prop. SwnaternUfam. Edisi ll, Medan,
(1992) [2]. Pert ambang an dan Energi Indonesia, Buku Tahunan,(1993) [3]. Pertambangan dan Energi, No.4, tIm. 18, 1993. [4]. Anonim , "Statistik Perdagangan Luar Negeri Indonesia",Impor,Jilid I, Biro Pusat Statistik,Jakarta, (1994) [5]. DJUSMANSAJundanRUSTlADIPURAWIARDI, "PercobaanPemumian dan PeningkatanMotu Pasir KESIMPULAN Kuarsa", Proseding, Seminar Material '97, Telah dipelajari pengaruh temperatur dan Puslitbang Metalurgi -LIPI, Serpong, Agustus, penambahanN~CO3 terhadap proses pelepasan ikatan (1997) kimia SiOrAl2O3 dalam pasir kuarsa. Dari serangkaian [6]. Anonim,"JCPDS",International Centre for percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan sebagai Diffraction Data, 1601 Parklone , Swarthmore, PA berikut. 1~81, USA, (1986) -Temperatur daD jumlah penambahan natrium [7] KIRK OTHMER, "Encyclopedia of Chemical karbonat merupakan dua faktoryang perin diperhatikan Technology", 4th editions, John Wiley and Sons, untuk berlangsungnya proses pelepasan ikatan kimia Inc., Canada. SiOrAl2O3dalam pasirkuarsa. [8] QUENEAU, P.B. and BERTHOLD, C.E., "Silica in -Pada kondisi temperatur 900°C prosesyang terjadi Hydrometallurgy: an overview", Can. Met. Quart., barn berupa reaksi pelepasan gas CO2, pada lOOOoC 25 (3), (1986)201 berlangsung reaksi penggabunganNa2Odalam senyawa [9] HASEGAWA, H. (Editor)," Filler Book", Shiraishi SiO2 daD SiOrAI2O3' Hal ini ditandai dengan adanya KogyoKaisha,Ltd., (1972) 19
Eko Sulistiyonodan Djusman Sajuti
217
