STUDI KONVERSI MINERAL GOETHITE MENJADI HEMATIT MELALUI PROSES DEHIDRASI

STUDI KONVERSI MINERAL GOETHITE MENJADI HEMATIT MELALUI PROSES DEHIDRASI

SURATMAN Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Mineral dan Batubara Jalan Jenderal Sudirman 623 Bandung 40211, Telp. (022) 6030483, Fax. (022) 6003373 e-mail:[email protected] Naskah masuk : 31 Maret 2008, revisi pertama : 22 Agustus 2008, revisi kedua : 08 September 2008, revisi terakhir : September 2008

SARI Indonesia memiliki cadangan bijih laterit (limonit) yang sangat besar dengan kandungan besinya yang cukup tinggi (40-50% Fe), ini memberi potensi untuk dimanfaatkan sebagai bahan baku industri besi dan baja. Dalam penelitian ini dilakukan pengolahan bijih limonit lapisan atas (ferricrete laterite) dengan mengkonversi mineral goethite yang dominan menjadi hematite melalui proses dehidrasi. Percobaan dilakukan dengan memvariasikan suhu operasi 250-500°C, waktu proses 30-240 menit, ukuran butiran -325 sampai + 140 mesh, debit nitrogen 0,45-4 liter/menit. Hasil percobaan menunjukkan bahwa suhu 300°C dan waktu 60 menit merupakan suhu dan waktu optimal dengan pencapaian %Berat percontoh yang hilang 11,3% dan total %Fe 56,4%. Semakin kecil ukuran butiran, semakin mudah reaksi berlangsung, sedangkan variasi debit nitrogen pada suhu dan waktu optimal tidak mempengaruhi kenaikan %Berat percontoh yang hilang dan perhitungan %Fe total. Kata Kunci : bijih laterit, limonit, goethite, hematit, konversi, dehidrasi

ABSTRACT Indonesia has a large lateritic (limonitic) ore deposits and due to its high iron content (40-50% Fe), it has a potencial to be used as a raw material for iron and steel industry. In this research, limonit ekstraction was performed by converting goethite mineral which is predominant in limonitic ore, into hematite using dehydration process. The expreriments were carried out at various temperatures between 250-500°C, processing time 30-240 minutes, particle size -325 to +140 mesh, and nitrogen flow rate 0,45-4 litres/minute.The results show that 300°C and 60 minutes were the optimum temperature and time for dehydration process, with %Sample loss 11,3% and calculated %Fe 56,4%. Smaller particle size gave a better time consuming for dehydration process. Variation in nitrogen flow rate did not change the %Sample loss and calculated %Fe. Keywords: lateritic ore, limonite, goethite, hematite, conversion, dehydration

1.

PENDAHULUAN

Potensi endapan bijih laterit di Indonesia cukup besar dengan cebakan 1.391.246.630 ton bijih dan 589.359.013 ton logam (Anonim, 2005), yaitu terdapat di Pulau Sebuku, Gunung Kukusan, Geronggang (Kalimantan Selatan), Pomala (Sulawesi

20

Tenggara), Halmahera (Maluku Utara), Sampit (Kalimantan Tengah) dan Soroako (Sulawesi Selatan). Bijih laterit umumnya hanya dimanfaatkan sebagai sumber utama nikel, namun dengan adanya kandungan besi yang juga cukup tinggi, maka bijih laterit memungkinkan untuk dimanfaatkan sebagai salah satu alternatif sumber besi untuk industri besi dan baja.

Jurnal Teknologi Mineral dan Batubara Volume 4, Nomor12, September 2008 : 20 - 32

Lapisan bijih laterit terdiri dari beberapa zona seperti terlihat pada Gambar 1 (Habashi, 1993). Pada zona limonit, kandungan besi dapat mencapai 35-45%, bahkan ada yang melebihi 50% (Anonim, 2005). Menurut Golightly (1979) zona limonit terstratifikasi seperti halnya lapisan bijih laterit. Bagian atas zona limonit dominan ditempati oleh mineral goethite, dan terkadang limonit yang telah lama terendapkan juga mengandung mineral hematit. Goethite merupakan satu-satunya mineral hidrat yang terdapat pada zona limonit. Mineral goethite merupakan bentuk hidrat dari mineral hematit dengan rumus kimia Fe2O3.H2O atau FeOOH. Kandungan besi di dalam mineral ini mencapai 62,9% Fe dalam keadaan murni.

Gambar 1.

ilmiah Ephikin dan Krylov (2003) disebutkan bahwa mineral goethite dapat dikonversi secara kontinu menjadi bentuk oksida besi lainnya pada kondisi operasi tertentu dan salah satunya adalah oksida besi hematit yang terbentuk melalui pemanasan dengan bantuan hembusan gas inert nitrogen. goethite

2, Δ ⎯N⎯ ⎯→

hematit

2, Δ ⎯H⎯ ⎯→

2, Δ magnetit ⎯O⎯ ⎯→ maghemite

Pemanfaatan mineral goethite (limonit) untuk kepentingan industri besi dan baja Indonesia dapat dimungkinkan, mengingat ketersediaannya yang

Komposisi unsur/senyawa pada masing-masing zona di dalam endapan bijih laterit (Habashi, 1993)

PT. Krakatau Steel, sebagai salah satu produsen besi dan baja di Indonesia, diperkirakan membutuhkan bahan baku berupa pelet sekitar 24 juta ton pada tahun 2020 (Anonim, 2005). Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, perlu dicari alternatif bahan baku lokal pembuatan pelet selain bijih besi yang selama ini telah digunakan. Salah satu alternatif yang mungkin dilakukan adalah pemanfaatan mineral goethite (limonit) dengan mengkonversinya menjadi mineral hematit artifisial dan dilanjutkan dengan proses konsentrasi, sehingga memiliki kandungan Fe yang lebih tinggi. Proses konversi yang dapat dilakukan yaitu melalui proses kalsinasi (dehidrasi) mineral goethite sehingga dihasilkan produk dehidrasi oksida besi (hematit). Dalam laporan

cukup melimpah di beberapa daerah di Indonesia. Pada penelitian ini dikaji pengaruh suhu, waktu, ukuran butiran, dan debit nitrogen terhadap perolehan hematit hasil dehidrasi serta perubahan kandungan Fe. Hematit yang dihasilkan diharapkan memiliki karakteristik konsentrat besi yang dapat memenuhi syarat sebagai bahan baku untuk industri besi dan baja.

2. 2.1.

METODOLOGI Bahan Percobaan

Bahan baku yang digunakan pada percobaan ini adalah bijih limonit (goethite) dan gas nitrogen teknis

Studi Konversi Mineral Goethite Menjadi Hematit Melalui Proses Dehidrasi, Suratman

21

(99,9% N2). Bijih limonit diperoleh dari lapisan bijih laterit di daerah Soroako-Sulawesi Selatan. 2.2.

ditimbang, lalu diayak secara basah pada ayakan berukuran 140-200-270-325 mesh (mengacu pada standar ASTM (American Standard for Testing Material) dan BS (British Standard) agar lebih memudahkan memisahkan mineral dengan ukuran yang halus. Jumlah bijih limonit yang diperoleh pada masing-masing fraksi ukuran ditimbang dan dihitung dalam persen (%) berat

Prosedur Percobaan

Tahapan percobaan konversi mineral goethite menjadi hematit artifisial dilakukan menurut diagram alir pada Gambar 2.

Gambar 2.

Diagram alir percobaan konversi mineral goethite menjadi hematit

2.2.1. Preparasi 1.

22

tertampung, kemudian dimasukkan ke dalam desikator.

Percontoh bijih limonit yang diperoleh dari lapangan dikeringkan di dalam oven pada suhu + 105oC untuk menghilangkan moisture,

2.

Fraksi ukuran dengan persen (%) berat tertampung yang terbesar sebanyak 91,15% (-325


3.

mesh/kurang dari 45μm) digunakan sebagai umpan untuk proses selanjutnya. Percontoh tersebut dianalisis kimia (AAS dan Volumetri) dan mineralogi (XRD dan Optik-mineragrafi) untuk mengetahui kadar Fe total, SiO2, Al2O3, dan Ni serta untuk melihat komposisi senyawanya. Fraksi ukuran lain yang telah diperoleh digunakan untuk percobaan variasi ukuran butiran dan debit nitrogen dengan menggunakan kondisi optimal hasil percobaan variasi suhu dan waktu.

Debit nitrogen

Percontoh yang akan digunakan sebagai umpan dihomogenisasi, kemudian ditimbang beratnya dalam keadaan kering. Berat percontoh yang digunakan sebanyak 15 gram untuk setiap percobaan.

Nilai optimal masing-masing variabel percobaan yang digunakan ditentukan melalui parameter % Berat percontoh yang hilang dari produk dehidrasi serta perubahan %Fe total yang diperhitungkan secara proporsional berdasarkan pengurangan berat produk dehidrasi (%Fe total perhitungan). Khusus untuk produk dehidrasi yang diperoleh pada suhu dan waktu optimal dilakukan analisis kimia %Fe total, sebagai faktor koreksi terhadap %Fe total yang diperoleh melalui perhitungan. Dibuat aluran grafik antara variabel-variabel yang diperhatikan dengan parameter-parameter yang digunakan.

2.2.2. Percobaan Konversi Goethite ke Hematit (Dehidrasi) Percontoh 15 gram ditempatkan ke dalam cawan baja stainless steel, kemudian dimasukkan tepat di tengah tanur tabung. Gas nitrogen dilewatkan ke dalam tanur tabung dan sebelum percobaan dimulai, dilakukan pengkondisian dengan menggunakan gas nitrogen selama 5 menit. Gas nitrogen yang akan dilewatkan ke dalam tanur tabung sebelumnya melewati gelas berisi silika gel, untuk menyerap kandungan air yang terdapat di dalam gas nitrogen. Produk dehidrasi yang dihasilkan kemudian ditimbang. Selanjutnya diatur suhu operasi, waktu proses, ukuran butiran, dan debit nitrogen dengan kondisi percobaan sebagai berikut :

Variabel Fraksi ukuran optimal dari percobaan ‘ukuran butiran’Suhu dan waktu tetap optimal yang diperoleh dari percobaan ‘suhu dan waktu proses’ Variabel Debit nitrogen : 1, 2, 3, berubah 4, 5 Liter/menit Diperoleh debit nitrogen optimal

Variasi suhu operasi vs Variasi waktu proses vs % Berat percontoh yang hilang Variasi ukuran butiran vs % Fe total perhitungan Variasi debit nitrogen vs

Suhu dan waktu proses

Persen (%) Berat percontoh yang hilang ditentukan dengan menggunakan rumus berikut :

Variabel tetap

% Berat percontoh = yang hilang

Ukuran butiran

Perhitungan % Berat percontoh yang hilang dimaksudkan untuk menentukan besarnya air molekul yang lepas selama proses dehidrasi berlangsung. Goethite merupakan satu-satunya mineral hidrat di dalam bijih limonit, maka dapat dikatakan selama proses dehidrasi berlangsung, hanya terjadi pelepasan air molekul dari mineral goethite.

- Debit nitrogen : 1 Liter/menit - Fraksi ukuran : -325 mesh Variabel berubah - Suhu : 250, 300, 350, 450, 500°C - Waktu : 30, 45, 60, 120, 180, 240 menit Diperoleh suhu dan waktu optimal

Variabel Debit nitrogen : 1 Liter/menitSuhu tetap dan waktu optimal yang diperoleh dari percobaan ‘suhu dan waktu proses’

Persen (%) Fe total perhitungan ditentukan dengan menggunakan rumus berikut:

Variabel Fraksi ukuran : +140, -140+200, berubah -200+270, -270+325, -325 mesh

% Fe total perhitungan=

Diperoleh fraksi ukuran optimal


23

Keterangan : Wg, awal = berat umpan yang digunakan untuk proses dehidrasi Wg, akhir = berat produk setelah proses dehidrasi

dehidrasi dibandingkan dengan kadar awal percontoh. Analisis kimia hanya dilakukan pada produk yang diperoleh dari suhu dan waktu optimal serta hasil konsentrasi magnetik. Analisis ini bertujuan untuk memeriksa ketepatan besarnya jumlah % Berat percontoh yang hilang yang dianalisis dengan menggunakan metode penimbangan berat percontoh awal dan berat produk dehidrasi serta sebagai faktor koreksi terhadap %Fe total yang diperoleh melalui perhitungan.

2.2.1. Konsentrasi Magnetik Konsentrasi magnetik bertujuan untuk membuktikan bahwa produk yang terbentuk dari proses dehidrasi mineral geothite adalah hematit, oleh karenanya pemisahan dilakukan pada kisaran kuat medan magnet untuk pemisahan mineral hematit yaitu 13.00018.000 Gauss (Catling dan Moore, 2003). Pemisahan dilakukan dengan magnetik separator basah pada kuat medan magnet 13.000 Gauss. Pemisahan pada kuat medan magnet tersebut juga dilakukan terhadap percontoh sebelum didehidrasi. Tujuannya untuk melihat pengaruh proses dehidrasi terhadap sifat kemagnetan. 2.2.2. Analisis Produk Untuk mengidentifikasi produk dehidrasi, dilakukan pengamatan melalui beberapa metode berikut : -

Melihat perubahan warna mineral. Mineral goethite (limonit) umumnya berwarna kuning,coklat,atau coklat kehitam-hitaman (Amethys Galleries, 1996) sedangkan hematit berwarna merah, merah gelap, perak keabuabuan atau hitam baja (Wikipedia, 2005).

-

Penentuan pengurangan berat produk dehidrasi yang diperoleh akibat pengaruh air molekul yang terlepas dari mineral goethite membentuk hematit (% Berat percontoh yang hilang). Dari data pengurangan berat dapat ditentukan perbandingan mol molekul air (H 2O) dan hematit (Fe2O3). Secara teoritis perbandingan jumlah mol H2O dengan Fe 2O3 pada mineral goethite adalah 1:1, terlihat dari reaksi berikut: Fe2O3.H2O ’! Fe2O3 + H2O Dari perbandingan mol teoritis tersebut dapat diketahui bahwa proses dehidrasi mineral goethite akan berlangsung sempurna setelah percontoh kehilangan berat sebesar 10 %.

-

Analisis komposisi mineralogi dilakukan dengan XRD dan Optik-mineragrafi untuk melihat senyawa yang terbentuk setelah proses dehidrasi dan konsentrasi magnetik.

-

Analisis komposisi kimia %Fe total produk dehidrasi. Perubahan kadar Fe di dalam produk

24

3. 3.1.

HASIL PERCOBAAN DAN PEMBAHASAN Mineralogi

Menurut Habashi (1993), jumlah persen Fe total di dalam bijih limonit pada lapisan bijih laterit berkisar 40 hingga 50%. Hal tersebut sesuai dengan hasil analisis Fe total terhadap percontoh dengan fraksi ukuran -325 mesh yang dilakukan di Puslitbang Tekmira, yaitu sebesar 50%. Menurut Golightly (1979), mineral dominan dalam bijih limonit adalah goethite dan sedikit hematit serta pengotor kuarsa (SiO2) dan alumina (Al2O3). Analisis XRD (X-Ray Diffraction) terhadap percontoh mendeteksi adanya kehadiran mineral goethite dan kuarsa, seperti diperlihatkan pada Gambar 3 dan hasil analisis komposisi kimia menunjukkan komposisi SiO2 dan Al2O3 pada bijih limonit masing-masing sebesar 1,72% dan 9,02%. Dari hasil percobaan yang diperoleh, disusun analisis yang dapat menjelaskan fenomena yang mungkin terjadi sehubungan dengan proses dehidrasi mineral goethite, di dalam bijih limonit, menjadi hematit melalui proses dehidrasi (kalsinasi). Proses dehidrasi dilakukan pada rentang suhu 250oC sampai dengan 500oC dengan waktu proses 30 sampai 240 menit dan debit nitrogen 0,45 sampai 4 Liter/menit. Parameter yang digunakan untuk melihat hasil optimal dari masing-masing variabel adalah jumlah % Berat percontoh yang hilang selama proses serta perubahan persen Fe total melalui perhitungan. Secara teoritis produk yang dihasilkan dari proses dehidrasi mineral goethite adalah hematit. Untuk itu dilakukan pembuktian melalui beberapa metode, diantaranya dengan melihat perubahan fisik percontoh yang terjadi, melalui analisis komposisi mineralogi (XRD), serta menentukan perbandingan jumlah mol Fe2O3 dan H 2 O. Mineral goethite (limonit) umumnya memiliki warna kuning, coklat, hingga coklat kehitam-hitaman, sedangkan mineral


hematit berwarna merah, merah gelap, perak keabuabuan atau hitam baja. Gambar 4 memperlihatkan perbedaan warna tersebut.

Terlihat bahwa percontoh awal sebelum didehidrasi memiliki bentuk yang tidak beraturan dengan warna yang cenderung terang, sedangkan setelah dehidrasi, percontoh memiliki bentuk bulat yang lebih

Analisis optik-mineragrafi juga menunjukkan adanya perubahan fisik secara mikroskopis dari mineral goethite setelah didehidrasi, seperti diperlihatkan pada Gambar 5.

Gambar 3.

Hasil analisis XRD percontoh (tanda („) dan (O) masing-masing menunjukkan mineral goethite dan kuarsa

Gambar 4.

Gambar 5.

Analisis Optik-mineragrafi (a)percontoh sebelum didehidrasi (b)percontoh setelah didehidrasi pada T=350oC, t=60 menit, dan debit nitrogen 1 liter/menit

(a) percontoh awal mineral goethite (limonit) dan (b) mineral hematit pada T=350oC, t=60 menit, dan debit nitrogen 1 liter/menit


25

beraturan dengan warna yang lebih gelap. Perbandingan jumlah mol Fe2O3 dan H2O dapat ditentukan dari persamaan reaksi dehidrasi mineral goethite sebagai berikut : Fe2O3.H2O(p) J Fe2O3(p) + H2O(g)

.........................

(3-1)

Terlihat dari persamaan reaksi di atas, secara stoikiometri perbandingan jumlah mol Fe2O3 dan H2O adalah 1:1, yang berarti untuk proses dehidrasi yang sempurna, percontoh akan kehilangan berat sebesar 10%. 3.2.

Pengaruh Waktu Proses terhadap Konversi Mineral Goethite

11,41%, dan 11,50% dan % Fe perhitungan 54,98%, 55,98%, 56,36%, 56,44%, dan 56,50%. Terlihat bahwa peningkatan % Fe perhitungan tidak signifikan bila dibandingkan dengan kadar awal sebesar 50% Fe. Secara teoritis apabila reaksi dehidrasi berlangsung sempurna, penambahan % Fe total hanya mencapai 6%. Peningkatan % Berat percontoh yang hilang untuk waktu di atas t=60 menit maksimal hanya berkisar 0,2% (0,03 gram). Terhentinya peningkatan signifikan % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan di atas t=60 menit akibat reaksi dehidrasi mineral goethite telah mendekati sempurna. Waktu 60 menit dapat diasumsikan sebagai waktu optimal yang ditempuh masingmasing suhu untuk mencapai kesempurnaan reaksi. 3.3.

Percobaan pengaruh waktu memberikan informasi seberapa jauh waktu proses dapat dipersingkat tanpa mengganggu kesempurnaan reaksi. Keterkaitan waktu proses dengan kesempurnaan reaksi dapat dilihat dari aspek kinetikanya. Untuk melihat kinetika reaksi dehidrasi mineral goethite dilakukan percobaan waktu proses 30-240 menit dengan suhu yang berbeda-beda, 250-500oC, pada debit nitrogen tetap 1 liter/menit. Hasil percobaan diperlihatkan pada Gambar 6 dan 7.

Gambar 6.

Pengaruh waktu proses terhadap % Berat percontoh yang hilang untuk berbagai suhu dan debit nitrogen tetap

Besarnya % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan terus meningkat seiring dengan peningkatan waktu dan mencapai asimtutiknya pada t=60 menit, berlaku untuk semua suhu. Pada t=60 menit dan suhu 250, 300, 350, 450, dan 500oC masing-masing memiliki nilai % Berat percontoh yang hilang sebesar 9,06%, 10,68%, 11,28%,

26

Pengaruh Suhu Operasi terhadap Konversi Mineral Goethite

Peningkatan suhu memberi pengaruh terhadap spontanitas reaksi dehidrasi mineral goethite. Dari data perhitungan perubahan energi bebas standar reaksi

, diperoleh bahwa spontanitas

reaksi dehidrasi mineral goethite akan semakin tinggi dengan dinaikkannya suhu reaksi, ditandai oleh nilai yang semakin negatif. Artinya reaksi

Gambar 7.

Pengaruh waktu proses terhadap % Fe perhitungan untuk berbagai suhu dan debit nitrogen tetap

akan semakin mudah terjadi pada suhu yang lebih tinggi. Hasil percobaan dengan memvariasikan suhu pada waktu tertentu diperlihatkan pada Gambar 10 dan 11. Percobaan dilakukan pada suhu 250, 300, 350, 450, dan 500 oC dengan waktu selama 30, 45, 60, 120, 180, dan 240 menit pada debit nitrogen 1 liter/menit. Peningkatan suhu pada masing-masing


waktu yang digunakan meningkatkan % Berat percontoh yang hilang serta % Fe perhitungan. Pengecualian pada suhu 250 oC untuk setiap waktu dan suhu 300oC untuk waktu 30 menit, nilai % Berat percontoh yang hilang melebihi nilai stoikiometri perbandingan mol 1:1 Fe2O3 dan H2O yaitu sebesar 10%. Nilai % Berat percontoh yang hilang yang melebihi nilai stoikiometrinya mungkin disebabkan adanya kelebihan air molekul di dalam mineral goethite. Menurut Gualtieri dan Ventuelli (1999), di alam mineral goethite hadir tidak dalam bentuk stoikiometrinya (adanya kelebihan air molekul di dalam mineral goethite). Ruan dan Gilkes (1996) menyatakan bahwa mineral goethite yang terbentuk dari ion ferrous (Fe2+) memiliki kelebihan air molekul (non-stoikiometri OH) yang lebih besar dan suhu dehidrasi yang lebih rendah dibandingkan dari ion ferric (Fe3+). Di alam, mineral goethite terbentuk akibat proses pelarutan atau pelapukan peridotit. Pelarutan peridotit pada pH air tanah tertentu dapat menghasilkan ion Fe 2+ , Fe 3+, FeOH 2+ , dan Fe(OH) 2 + , namun ion Fe 2+ memiliki daerah kestabilan ion yang lebih besar dibandingkan Fe3+, FeOH2+, dan Fe(OH)2+ seperti terlihat pada Gambar 8, sehingga pada pH yang sama ion Fe 2+ akan cenderung lebih stabil dibandingkan Fe3+, FeOH2+, dan Fe(OH)2+ dan menjadi ion besi yang dominan.

Gambar 8.

Mineral goethite yang terbentuk dari ion ferrous (Fe2+) terjadi melalui terbentuknya terlebih dahulu fasa intermediet ferrihydrate (Fe(OH) 3) akibat teroksidasinya ion Fe2+ di dalam larutan, menurut reaksi berikut: 4Fe2+ + O2 + 10H2O J 4Fe(OH)3 + 8H+ .... (3-2) Ferrihydrite merupakan senyawa yang tidak stabil, sehingga mudah terkonversi secara irreversible menjadi goethite. Fe(OH)3 J FeOOH + H2O ........................ (3-3) Peningkatan % Berat percontoh yang hilang yang signifikan terjadi hingga suhu 350oC. Di atas suhu tersebut tidak menunjukkan adanya peningkatan % Berat percontoh yang hilang yang berarti. Hal ini mungkin disebabkan reaksi pelepasan air molekul yang telah selesai. Saat konsentrasi/jumlah air molekul di dalam mineral goethite habis, difusi air molekul dari bidang antar muka mineral goethite menuju ruah tidak terjadi lagi, akibat tidak terbentuknya gradien konsentrasi air molekul, sehingga tidak terjadi lagi peningkatan jumlah % Berat percontoh yang hilang. Hukum Fick’s I menjelaskan bahwa difusi flux terjadi ketika ada gradien konsentrasi dalam jarak tertentu.

Diagram Eh-pH sistem Fe-H2O pada suhu 25oC


27

............................................... (3-4) Pada suhu operasi 250oC, % Berat percontoh yang hilang pada waktu maksimal yang digunakan, selama 240 menit, hanya mencapai 9,14% dan 9,11% untuk suhu 300oC pada waktu proses 30 menit. Nilai ini belum memenuhi nilai stoikimetri perbandingan mol 1:1 Fe2O3 dan H2O, jika menganggap tidak ada kelebihan air molekul di dalam mineral goethite. Hal ini mungkin disebabkan suhu yang digunakan belum cukup mampu memberikan energi untuk menghasilkan reaksi yang sempurna. Analisis mineralogi XRD dilakukan terhadap produk pada t=60 menit dan T=250oC, 300oC, serta 350oC, dan untuk T=450oC dan 500oC produk dianggap memiliki karakteristik analisis XRD yang sama dengan T=350oC karena pada suhu T=350oC, % Berat percontoh yang hilang telah mencapai asimtutik. Hasil analisis XRD tersebut ditabulasikan pada Tabel 1.

Tabel 1.

Hasil analisis mineralogi XRD produk dehidrasi

Waktu (menit)

Suhu ( oC)

Senyawa yang terdeteksi

60 60 60

250 300 350

Goethite, Hematit Hematit Hematit

Pada suhu 250oC dan waktu optimal (60 menit) masih terdapat peak-peak mineral goethite yang cukup dominan. Hal tersebut memberikan bukti bahwa suhu 250 oC belum cukup memberikan pengaruh terhadap konversi mineral goethite untuk waktu 60 menit, namun pada suhu 300oC dan 350oC seluruh goethite telah terkonversi menjadi hematit. Identifikasi mineralogi XRD bijih laterit dengan 70%wt ukuran butiran -44 μ m dan 100%wt 150 memperlihatkan adanya dominasi mineral goethite (Gambar 9(a)). Dehidrasi pada suhu 400oC dan waktu 60 menit terhadap bijih laterit tersebut menyebabkan terkonversinya seluruh goethite menjadi hematit (Gambar 9(b)). Dengan menganggap bahwa percontoh mineral goethite mengandung kelebihan air molekul, maka hasil % Berat percontoh yang hilang yang diperoleh pada suhu 300oC, masing-masing 10,18%, 10,68%, dan 10,88% untuk waktu 45, 60, dan 120 menit, belum

28

Gambar 9.

(a) Percontoh awal bijih laterit (b) Hasil dehidrasi bijih laterit pada suhu 400oC dan waktu 60 menit (Levenspiel, 1999)

dapat dikatakan telah sempurna. Hal tersebut dikarenakan masih terjadi kenaikan % Berat percontoh yang hilang yang cukup signifikan hingga suhu 350oC (Gambar 10), namun hasil analisis XRD terhadap produk pada suhu 300 oC dan waktu 60 menit memperlihatkan bahwa seluruh mineral goethite telah terkonversi menjadi hematit (Tabel 1). Hal ini bertentangan dengan hasil perhitungan % Berat percontoh yang hilang. Gualtieri dan Venturelli (1999) dalam penelitiannya menyebutkan bahwa selama proses dehidrasi mineral goethite berlangsung, terbentuk fasa intermediet protohematit/hidrohematit yang kemudian bertransformasi menjadi hematit. Fasa intermediet ini dianggap sebagai sebagai fasa non-stoikiometri hematit. Fasa ini terbentuk saat ionion hidroksil belum terlepas secara sempurna serta terjadi defisiensi ion Fe3+ pada struktur kristal min-


eral goethite (reaksi belum sempurna). Rumus kimia fasa intermediet protohematit dituliskan sebagai . Observasi terhadap fasa intermediet tersebut dilakukan dengan metode in situ synchrotron X-ray powder diffraction dengan capillary Debye-Scherrer geometry dan translating image plate system (TIPS). Penelitian lain (Walter dkk, 2001) menyatakan selama proses dehidrasi mineral goethite, saat reaksi belum berlangsung sempurna, tidak terbentuk fasa intermediet dan hanya terbentuk hematit. Pembuktian dilakukan dengan menggunakan analisis XRD. Produk hasil dehidrasi pada suhu 300 o C dan waktu 60 menit belum sempurna walaupun analisis XRD memperlihatkan seluruh mineral goethite telah terkonversi menjadi hematit, sebab nilai % Berat percontoh yang hilang pada suhu ini belum mencapai asimtutik. Analisis XRD tidak mampu mendeteksi adanya fasa intermediet protohematit/hidrohematit.

3.4.

Pengaruh Ukuran Butiran terhadap Konversi Mineral Goethite

Kesempurnaan reaksi dehidrasi mineral goethite sangat dipengaruhi oleh penetrasi panas ke dalam partikel goethite serta difusi air molekul keluar dari partikel goethite . Dari hukum Fourier (

) dijelaskan bahwa perpindahan

panas di dalam padatan dipengaruhi oleh luas permukaan partikel dan jarak tempuh panas dan hukum Ficks I (

) menyatakan bahwa

difusi flux terjadi karena adanya gradien konsentrasi pada jarak tertentu. Semakin besar jarak tempuh panas atau difusi maka semakin kecil nilai q dan J. Oleh karena itu secara kinetika, semakin besar ukuran partikel maka semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai kesempurnaan reaksi. Hal tersebut sesuai dengan hasil percobaan variasi ukuran butiran (+140, -140+200, -200+270, -270+325 mesh) pada suhu (350oC) dan waktu (60 menit) optimal yang telah diperoleh pada percobaan variasi suhu dan waktu sebelumnya. Percobaan ini bertujuan untuk melihat pengaruh besarnya ukuran butiran terhadap kesempurnaan reaksi. Hasil percobaan diperlihatkan pada Gambar 12.

Gambar 10. Pengaruh suhu operasi terhadap % Berat percontoh yang hilang untuk berbagai waktu dan debit nitrogen tetap

Gambar 12. Variasi ukuran butiran pada suhu dan waktu optimal

Gambar 11. Pengaruh suhu operasi terhadap % Fe perhitungan untuk berbagai waktu dan debit nitrogen tetap

Dari hasil percobaan diperoleh % Berat percontoh yang hilang semakin tinggi dengan berkurangnya ukuran butiran. Masing-masing ukuran butiran, +140, -140+200, -200+270, -270+325, -325 mesh memiliki nilai % Berat percontoh yang hilang sebesar 2,29%, 6,39%, 8,65%, 10,61%, dan 11,28%. Hal ini mungkin menandakan bahwa


29

dibutuhkan suhu yang lebih tinggi untuk menghasilkan % Berat percontoh yang hilang yang optimal pada waktu yang sama atau waktu yang lebih lama pada suhu yang sama. Walter dkk (2001) dalam penelitiannya dengan menggunakan metode differential thermal analysis (DTA) menyatakan bahwa semakin besar jari-jari partikel goethite (ukuran butiran) maka semakin tinggi suhu yang dibutuhkan agar reaksi dehidrasi berlangsung sempurna dengan waktu yang relatif singkat. Hasil ini didukung pula dari hasil differential scanning calorimetry (DSC) yang menunjukkan peningkatan ukuran butiran akan meningkatkan nilai entalpi. Hal itu berarti dibutuhkan energi yang lebih besar untuk partikel dengan ukuran butiran yang lebih besar agar proses dehidrasi berlangsung sempurna. Proses dehidrasi mineral goethite yang dilakukan pada suhu tetap dan suhu tersebut berada di bawah suhu di mana reaksi dehidrasi telah berlangsung sempurna (suhu hasil percobaan DTA), maka reaksi akan mencapai kesempurnaan pada waktu yang relatif lama. Untuk ukuran butiran tertentu, agar reaksi dehidrasi mineral goethite dapat berlangsung sempurna dan relatif singkat, perlu diperkirakan besarnya suhu yang tepat. 3.5.

Pengaruh Debit Nitrogen terhadap Konversi Mineral Goethite

Secara termodinamika, reaksi akan berlangsung spontan apabila tekanan uap air disosiasi reaksi dehidrasi mineral goethite lebih besar dari tekanan uap air di lingkungan, namun reaksi akan berlangsung semakin cepat apabila tekanan uap air disosiasinya lebih besar dari tekanan atmosfer (1 atm). Pada penelitian ini digunakan hembusan gas inert nitrogen untuk mengurangi tekanan uap air (jumlah uap air) di lingkungan hasil reaksi pemanasan mineral goethite, sehingga reaksi dapat berlangsung cepat. Secara teoritis kecepatan hembusan gas nitrogen akan memengaruhi kecepatan penurunan tekanan uap air di lingkungan, semakin cepat hembusan maka semakin cepat terjadi penurunan tekanan uap air di lingkungan. Dengan bertambahnya nilai debit nitrogen ( kecepatan

/ ρ ) berarti akan memperbesar gradien . Pada nilai viskositas gas nitro-

gen yang tetap, peningkatan gradien kecepatan akan memperbesar gaya yang bekerja per unit area ( τ ), seperti yang terlihat pada persamaan berikut: ................................................ (3-5)

30

Semakin besar nilai debit nitrogen maka semakin besar gaya dorong nitrogen terhadap uap air hasil proses dehidrasi. Untuk melihat pengaruh debit nitrogen tersebut dilakukan variasi debit nitrogen (0,45, 1, 2, 3, 4 liter/menit). Hembusan gas nitrogen tidak akan berpengaruh banyak jika reaksi pelepasan air molekul tidak berlangsung cepat akibat suhu yang tidak memadai. Oleh karena itu, percobaan variasi debit nitrogen dilakukan pada suhu (350oC) dan waktu (60 menit) optimal yang telah diperoleh, dengan asumsi reaksi pelepasan air molekul telah berlangsung cepat. Debit nitrogen memberikan pengaruh desakan terhadap uap air yang telah terlepas dari mineral goethite. Dari hasil percobaan variasi suhu dan waktu, d atas suhu dan waktu optimal , tidak terjadi kenaikan %Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan yang signifikan. Hal ini bisa diakibatkan oleh reaksi yang telah berlangsung sempurna (telah selesai) atau reaksi terkendali oleh proses difusi, sehingga menghambat keluarnya molekul air dari mineral goethite. Penggunaan debit nitrogen yang lebih besar dari 1 liter/menit diharapkan dapat memberikan informasi tentang penyebab tidak terjadinya kenaikan % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan pada dan di atas suhu dan waktu optimal. Hasil percobaan memperlihatkan bahwa debit nitrogen tidak terlalu berpengaruh besar terhadap peningkatan % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan (Gambar 13 dan 14). Debit nitrogen 0,45, 1, 2, 3, dan 4 liter/menit masing-masing menghasilkan 11,26%, 11,28%, 11,31%, 11,38%, dan 11,40% untuk %Berat percontoh yang hilang dan 56,34%, 56,36%, 56,38%, 56,42%, dan 56,43% untuk % Fe perhitungan. Debit nitrogen 0,45 liter/menit, debit yang lebih rendah dari debit yang digunakan untuk variasi suhu dan waktu yaitu 1 liter/menit, memiliki nilai % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan yang hampir sama dengan dengan debit nitrogen 1 liter/menit, artinya debit nitrogen yang lebih rendah dari 1 liter/menit telah cukup mampu untuk mencapai kesempurnaan reaksi. Tidak adanya peningkatan % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan saat debit nitrogen dinaikkan merupakan bukti bahwa di atas suhu dan waktu optimal, reaksi tidak terkendali oleh proses difusi atau reaksi dianggap telah selesai. Pengaruh desakan gas nitrogen terhadap kesempurnaan reaksi terlihat ketika percobaan dilakukan pada suhu dan waktu optimal yang diperoleh tanpa menggunakan hembusan gas nitrogen. Hasil percobaan tersebut diperlihatkan pada Gambar 13 dan 14. Perolehan % Berat percontoh yang hilang hanya mencapai


8,02% dengan % Fe perhitungan sebesar 54,36%. Ini membuktikan bahwa gas nitrogen membantu mendesak uap air yang berada di permukaan partikel goethite untuk menghindari lambatnya proses difusi uap air keluar dari mineral goethite, sehingga tercapai kesempurnaan reaksi. Hasil ini juga dapat mengindikasikan bahwa reaksi dehidrasi mineral goethite tanpa menggunakan bantuan hembusan gas nitrogen akan berlangsung dalam waktu yang lebih lama untuk mencapai kesempurnaan reaksi.

Namun seberapa besar pengaruh kenaikan viskositas terhadap kesempurnaan reaksi, harus dilihat dari seberapa besar pengaruh viskositas terhadap gaya dorong gas (π). Dari hasil percobaan variasi suhu dengan debit nitrogen tetap (1 liter/menit), terjadi peningkatan % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan seiring dengan meningkatnya suhu. Hal ini menandakan bahwa kenaikan suhu tidak mempengaruhi besarnya gaya dorong gas, karena nilai %Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan yang terus meningkat. Dapat dikatakan bahwa pengaruh gaya dorong gas (π) lebih besar dari viskositas gas (μ) pada debit gas yang besar (ω /ρ).

4.

KESIMPULAN

–

Jumlah % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan meningkat seiring dengan peningkatan suhu dan waktu proses.

–

Peningkatan jumlah % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan terjadi hingga waktu 60 menit untuk masing-masing suhu. Di atas waktu tersebut tidak terjadi peningkatan yang berarti.

–

Jumlah % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan meningkat secara signifikan hingga suhu 350oC, di atas suhu tersebut jumlah % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan tidak menunjukkan peningkatan.

–

Suhu 350oC dan waktu 60 menit merupakan variabel optimal pada percobaan konversi mineral goethite menjadi hematit.

–

Peningkatan jumlah % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan hingga mencapai asimtutik karena reaksi yang belum berlangsung sempurna. Hasil analisis mineralogi (XRD) terhadap produk untuk suhu 250oC, 300oC, dan 350oC pada waktu 60 menit menunjukkan komposisi senyawa yang berbeda.

–

Mineral goethite mengandung kelebihan air molekul karena besarnya air molekul yang lepas tidak sesuai teoritis (lebih dari 10% berat).

–

Semakin kecil ukuran butiran mineral goethite, maka semakin mudah untuk mencapai kesempurnaan reaksi pada suhu dan waktu yang sama.

–

Peningkatan nilai debit nitrogen tidak menunjukkan peningkatan jumlah % Berat

Gambar 13. Variasi debit nitrogen terhadap % Berat percontoh yang hilang pada suhu dan waktu optimal

Gambar 14. Variasi debit nitrogen terhadap % Fe perhitungan pada suhu dan waktu optimal

Dari persamaan (3-6), nilai viskositas gas (μ) akan naik dengan naiknya suhu, yang berarti tahanan terhadap laju aliran gas akan semakin besar.

..................................... (3-6)


31

percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan yang berarti. Pada debit nitrogen 0,45 liter/menit yaitu debit nitrogen yang lebih rendah dari debit nitrogen yang digunakan untuk variasi suhu dan waktu proses (1 liter/menit) menghasilkan jumlah % Berat percontoh yang hilang dan % Fe perhitungan yang hampir sama dengan penggunaan debit nitrogen 1 liter/menit, artinya percobaan konversi mineral goethite menjadi hematit dapat dilakukan pada debit nitrogen yang lebih rendah dari 1 liter/menit. –

Reaksi konversi mineral goethite menjadi hematit terkendali oleh proses difusi pada suhu 250oC dan 300oC.

DAFTAR PUSTAKA Anonim, 2005. Tambang- Jembatan Solusi. Stop Ekspor Bahan Baku Baja. Majalah Berita Bulanan Sumber Daya Mineral dan Energi, Edisi April. Amethyst Galleries Inc., 1996. The Mineral Goet- hite. http: //www.mineral.galleries.com. Catling, D.C. and Moore, J.M., 2003. The Nature of Coarse-Grained Crystalline Hematite and Its Implications for The Early Environment of Mars. Icarus, Elsevier, Vol 165, pp. 277-300. Ephikin, A.N. and Krylov, A.V., 2003. Preparation of Iron Pigments for Mineral Paints from Solid IronContaining Waste. Mendeleev Russian University of Chemical Engineering, Moscow, Rusia. Russian Journal Of Applied Chemistry, 76, 1, 20-22.

Analisis Kepekaan (Sensitivity Analysis) Faktor-faktor yang Memengaruhi ... Gandhi Kurnia Hudaya

37

Golightly, J.P., 1979. Nickeliferous Laterites : A General Description. New Orleans, Louisiana. International Laterite Symposium, pp. 1-23. Golightly, J.P., 1979. Geology of Soroako Nickelifer- ous Laterite Deposits. New Orleans, Louisiana. International Laterite Symposium, pp. 38-56. Gualtieri, A.F. and Venturelli, P., 1999. In Situ Study of the Goethite-Hematite Phase Transformation by Real Time Synchrotron Powder Diffraction. American Mineralogist, vol. 84, pp. 895-904. Habashi, F., 1993. A principles of Extractive Metal- lurgy. New York, Gordon and Breach Science Pub. Inc. Volume II. pp. 716-788. Levenspiel, O., 1999. Chemical Reaction Engineer- ing. 3th edition. John Wiley & Sons. New York. Ruan, H.D. and Gilkes, R.J., 1996. Kinetics of Ther- mal Dehydroxylation of Aluminous Goethite. Soil Science and Plant Nutrition, Faculty of Ag- riculture, University of Western Australia, Nedlands, WA 6907, Australia. Journal of Ther- mal Analysis, Vol 46, pp. 1223-1238. Walter, D., Buxbaum, G., Laqua, W., 2001. The Mechanism of the Thermal Transformation from Goethite to Hematite. Journal of Thermal Analy- sis and Calorimetry, Akademiai Kiado, Vol.63, pp.133-148. Wikipedia-free encyclopedia. 2005. Hematite . http:/ /www.mediawiki.com.

Analisis Kepekaan (Sensitivity Analysis) Faktor-faktor yang Memengaruhi ... Gandhi Kurnia Hudaya

37

STUDI KONVERSI MINERAL GOETHITE MENJADI HEMATIT MELALUI PROSES DEHIDRASI

Recommend Documents