xvii
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Alumina dan Aluminium
Aluiminium adalah unsur melimpah ketiga terbanyak dalam kerak bumi (sesudah oksigen dan silikon), mencapai 8,2 % dari massa total. Keberadaannya umumnya bersamaan dengan silikon dalam aluminosilikat dari feldspar dan mika dan di dalam lempung, yaitu aluminium oksida terhidrasi yang mengandung 50 % sampai 60 % Al2O3: 1 % sampai 20 % Fe2O3: 1 % sampai 10 % silika: sedikit sekali titanium, zirkonium, vanadium, dan oksida logam transisi yang lain: dan sisanya (20 % sampai 30 %) adalah air. Bauksit sebagai bahan baku peleburan aluminium dimurnikan melalui proses Bayer, yang mengambil manfaat dimana fakta menunjukkan bahwa oksida alumina amfoter larut dalam basa kuat tetapi besi (III) oksida tidak. Bauksit mentah dilarutkan dalam natrium hidroksida
Al2O3(s) + 2 OH-(aq) + 3 H2O(l)
2 Al(OH)4-(aq)
dan dipisahkan dari besi oksida dalam bentuk terhidrasi serta zat asing terlarut lainnya dengan penyaringan. Aluminium oksida dalam bentuk terhidrasi murni mengendap bila larutan didinginkan sampai lewat-jenuh dan dipancing menjadi kristal dari produk:
Universitas Sumatera Utara
xviii
2 Al(OH)4-(aq)
Al2O3.3H2O(s) + 2 OH-(aq)
Air hidrasi dibuang melalui kalsinasi pada suhu tinggi sekitar 12000C. (David W.Oxtoby, 2003)
2.2.
Sejarah Aluminium
Logam aluminium pertama kali dibuat dalam bentuk murni oleh H.C. Oersted, pada tahun 1825, yang memanaskan amonium klorida dengan amalgum kalium-raksa. Pada tahun 1854, Henri Saint-Cleire Deville membuat aluminium dari natrium-aluminium klorida dengan jalan memanaskannya dengan logam natrium. Proses ini beroperasi selama 35 tahun dan logamnya dijual dengan harga $ 220 per kilogram. Pada tahun 1886, harganya sudah turun menjadi $ 17 per kilogram. Pada tahun 1886, Charles Hall mulai memproduksi aluminium dengan proses skala besar seperti sekarang, yaitu melalui elektrolisis alumina di dalam kriolit lebur. Pada tahun itu pula, Paul Heroult mendapat paten (Perancis) untuk proses serupa dengan proses Hall. Hingga pada tahun 1893, produksi aluminium menurut cara Hall ini sudah sedemikian meningkat, sehingga harganya sudah jatuh menjadi $ 4,40 perkilogram. Industri ini berkembang dengan mantap, berdasarkan suatu pasaran yang sehat dan berkembang atas dasar penelitian mengenai sifat-sifat aluminium dan cara-cara pemakaian yang ekonomis bagi bahan itu. Dengan berkembangnya produksi itu, biaya pun berkurang dan ini diteruskan untuk dinikmati oleh para konsumen. Harganya bahkan mencapai 33 sen per kilogram pada tahun 1945. Harga ini meningkat kembali naik kembali hingga
Universitas Sumatera Utara
xix
menjadi $ 1,58 per kilogram pada tahun 1980, yang mencerminkan adanya inflasi dan kenaikan biaya listrik. (George T. Austin, 1996) 2.3.
Bahan Baku
2.3.1. Bahan Baku Utama Proses Elektrolisis 2.3.1.2.
Alumina
Adapun pembagian dari alumina berdasarkan ukuran partikelnya adalah :
1.
Alumina sandy ( γ – Al2O3) Alumina sandy banyak ditemukan di Amerika, yang berbentuk serbuk
yang diproduksi pada pembakaran yang lebih rendah dari alumina floury. Alumina sandy yang terbentuk digunakan pada tungku peleburan karena sifat dari alumina tersebut yang bergerak bebas dan tidak dipengaruhi oleh gaya dari luar. 2.
Alumina floury (α – Al2O3) Alumina floury banyak ditemukan di Eropa, dimana alumina jenis ini diperoleh
melalui proses Bayer, selanjutnya diproses lagi untuk memperoleh aluminium cair. Proses yang digunakan adalah Hall – Heroult, prinsip yang dipakai melalui reduksi alumina. Reduksi dilakukan secara elektrolisa terhadap alumina yang dilarutkan dalam larutan elektrolit cair dan dialirkan arus listrik. Dengan mengalirkan arus listrik tersebut pada kedua elektroda (anoda dan katoda) maka akan terjadi proses elektrolisa, sehingga terbentuk endapan aluminium cair pada katoda. (Grojtheim, 1998)
Universitas Sumatera Utara
xx
PT. INALUM tidak menghasilkan alumina sendiri tetapi diperoleh dari negara lain terutama dari negara Australia. Spesifikasi alumina yang diperlukan untuk peleburan aluminium adalah :
Tabel 2.1. Spesifikasi Alumina Item
Satuan
Spesifikasi
Loss on Ignition (300-10000C)
%
maksimal 1,00
SiO2
%
maksimal 0,03
Fe2O3
%
maksimal 0,03
TiO2
%
maksimal 0,005
Na2O
%
maksimal 0,600
CaO
%
maksimal 0,060
Al2O3
%
minimal 98,40
M2/g
40-80
+ 100 mesh
%
maksimal12,0
+ 150 mesh
%
minimal 25
- 325 mesh
%
maksimal 12,0
Deg
30-34
Spesific Surface Area Particle Size
Angle of Refuse
2.3.1.2.
Anoda Karbon
Universitas Sumatera Utara
xxi
Anoda karbon berfungsi sebagai reduktor dalam proses elektrolisis alumina. Anoda karbon diproduksi pada pabrik karbon (Carbon Plant). Komposisi karbon terdiri dari 60% kokas minyak, 15% hardpitch, dan 20% butt (puntung anoda). Sifatsifat anoda yang dipakai adalah : 1) Tahan terhadap perubahan panas (heat shock) sehingga sulit retak pada saat beroperasi pada temperatur tinggi. 2) Angka muai panas yang rendah agar anoda sulit terlepas dari tangkai anoda pada temperatur tinggi. 3) Konduktivitas panas tinggi agar segera mencapai temperatur tinggi pada proses pemanasan (baking). 4) Konduktivitas listrik tinggi (0,0036 – 0,0091 ohm.cm) agar aliran listrik efektif.
2.3.1.3.
Katoda
Katoda adalah elektroda bermuatan listrik negatif. Ditinjau dari bahan bakunya dan prose pembuatannya, katoda dibagi atas 4 jenis, yaitu : 1). Blok katoda Amorphous, bahan bakunya antrasit, dipanggang pada suhu ± o
1.200 C
2). Blok katoda semi graphitic, bahan bakunya grafit, dipanggang pada suhu ± 1.200oC 3). Blok katoda semi graphitic, bahan bakunya yang mengalami proses pemanasan sampai suhu ± 2.300oC 4). Blok katoda graphitic, bahan bakunya kokas mengalami proses grafitasi suhu ± 3.000o
(Jody, B. J., dkk, 1992)
2.3.2. Bahan Baku Penunjang Peleburan Aluminium
Universitas Sumatera Utara
xxii
2.3.2.1. Kriolit Kriolit dapat mengandung CaF2 dan AlF3 yang dapat membentuk kriolit Na3AlF6. Sifat-sifat kriolit adalah : 1) Konduktivitas listrik baik. 2) Memiliki berat jenis yang rendah. 3) Temperatur kristalisasi primer rendah. 4) Stabil dalam keadaan cair. 5) Dapat melarutkan alumina dalam jumlah besar. Untuk memperbaiki sifat- sifat kriolit tersebut, bath biasanya ditambah dengan beberapa bahan tambahan seperti fluorida, alkil metal, AlF3 dan CaF2.
2.3.2.2. Soda Abu (Na2CO3) Soda abu berfungsi memperkuat struktur katoda dan dinding samping agar sulit tererosi. Lapisan dinding samping dengan Na2CO3 dilakukan pada tahap transisi untuk membantu proses pembentukan kerak samping. Selain mencegah erosi oleh bath, soda abu berfungsi sebagai isolasi termal. Spesifikasi soda abu yang digunakan oleh PT INALUM adalah: Tabel 2.2. Spesifikasi Soda Abu (Na2CO3) Komposisi
Loss on
Fe2O3
NaCl
Ignitation
Insoluble
Na2CO3
water
max1,0
Unit
Density (gr/cm3)
(LOI) Kemurnian
App.
max 0,01
max 0,5
max 0,2
min 99,0
min 1,0
%
Universitas Sumatera Utara
xxiii
2.3.2.3. Aluminium Fluorida (AlF3) Aluminium fluorida berfungsi menjaga keasaman bath dan merupakan bahan yang dituangkan secara manual jika kelebihan AlF3 kurang didalam bath. Spesifikasi AlF3 yang digunakan oleh PT INALUM adalah:
Tabel 2.3. Spesifikasi AlF3 Item
Satuan
Spesifikasi
AlF3
%
min 93
SiO2
%
max 0,25
P2O5
%
max 0,02
Fe2O3
%
max 0,07
Moisture (Water Content)
%
max 0,35
Loss on Ignitation 300-1000oC
%
max 0,85
gram/cc
max 0,7
Bulk density Particle Size (Tyler Mesh)
Typical
+ 150 mesh
%
25-60
+ 200 mesh
%
50-75
+ 320 mesh
%
min 75
Universitas Sumatera Utara
xxiv
2.4.
Aliran Proses Peleburan Aluminium
2.4.1. Diagram Alir Bahan Baku Bahan-bahan untuk keperluan produksi Aluminium pertama sekali didatangkan melalui pelabuhan. Bahan-bahan tersebut adalah alumina, kokas, hard pitch. Alumina akan dimasukkan ke silo alumina (alumina silo), kokas kedalam silo kokas (coke silo), pitch kedalam pitch storage house. Pemasukan bahan-bahan tersebut menggunakan belt conveyer. Alumina yang berada didalam silo alumina kemudian kemudian dibawa ke dry scrubber system untuk direaksikan dengan gas hidrogen flourida (HF) yang berasal dari pot tungku reduksi. Hasil dari reaksi ini adalah reacted alumina yang akan dimasukkan kedalam hopper pot dengan menggunakan Anode Changing Crane (ACC). Dari hopper pot, reacted alumina akan dimasukkan kedalam tungku reduksi. Kokas yang ada dalam silo kokas akan bercampur dengan butt (puntung anoda) dan mengalami pemanasan. Kemudian dicampur dengan hard pitch yang berfungsi sebagai perekat (binder). Campuran ketiga bahan ini akan dicetak menggunakan Shaking Machine di Anode Green Plant dan selanjutnya mengalami pemanggangan pada baking furnace. Hasilnya adalah blok anoda (anode block) di Anode Baking Plant. Blok-blok anoda kemudian akan dipasangi tangkai (anode assembly) di Anode Baking Plant. Anoda tersebut kemudian akan dikirimkan ke Reduction Plant untuk keperluan proses elektrolisis alumina menjadi aluminium. Setelah + 28 hari anoda diganti dan sisa-sisa anoda (butt) dibersihkan. Butt ini kemudian akan dihancurkan dan dimasukkan ke silo butt. Butt kemudian dipakai kembali (recycle) sebagai bahan pembuatan anoda bersama kokas dan pitch.
Universitas Sumatera Utara
xxv
Pada tungku reduksi akan terjadi proses elektrolisis alumina. Proses ini akan menghasilkan gas HF yang akan dialirkan ke dry scrubber system untuk bereaksi dengan alumina dan dibersihkan lalu dibuang melalui cerobong gas cleaning system. Aluminium cair (molten) yang dihasilkan dibawa ke Casting Shop menggunakan Metal Transport Car (MTC). Di casting shop aluminium cair dimasukkan kedalam holding furnace, lalu dituang ke casting machine untuk dicetak menjadi ingot aluminium dengan berat masing-masing ingot seberat 50 lbs (22,7 kg).
Gambar 2.1. Aliran Material
2.4.2.
Fasilitas Utama di Gas Cleaning
a. Fresh Alumina Handling System Sistem ini menangani penyimpanan fresh alumina di dalam silo alumina dan pengirimannya ke dry scrubbing system. Banyaknya alumina yang dikirimkan diukur dengan flowmeter. b. Dry Scrubbing System
Universitas Sumatera Utara
xxvi
Sistem ini berfungsi menyaring debu dan mengadsorbsi gas fluoride yang berasal dari pot reduksi. Fresh alumina dari silo, dialirkan melalui air slide kedalam reactor dan direaksikan dengan gas buang dari pot reduksi. Gas dihisap dari pot reduksi dengan menggunakan main exhaust fan. Debu dan alumina yang bereaksi ini kemudian disaring di dalam bag filter. Udara yang sudah bersih dibuang ke atmosfer melalui exhaust stack. Untuk menjaga tekanan di dalam bag filter stabil, alumina dan debu yang menempel di kain bag filter perlu dihembus secara periodic dengan udara bertekanan rendah yang diatur melalui damper. Udara ini berasal dari reverse flow fan. Alumina yang jatuh kemudian ditampung didalam hopper bag filter, dialirkan dan disirkulasikan kembali kedalam reactor untuk bereaksi kembali dengan gas buang. Dengan cara demikian, kontak antara gas buang dengan alumina di dalam reactor lebih efektif. Setelah reaksi adsorpsi selesai melalui sistem overflow, alumina dari hopper bag filter dikeluarkan dan dialirkan memakai air slide menuju bin reacted alumina.
c. Reacted Alumina Handling System Sistem ini menangani penyimpanan sementara reacted alumina di bin reacted alumina. Reacted alumina kemudian dialirkan menuju Bath Material Mixing Centre (BMMC) untuk dicampur dengan material bath. Campuran alumina dan material bath kemudian disimpan sementara di day-bin melalui belt conveyer. Campuran ini selanjutnya digunakan di pot reduksi sebagai bahan baku. (PT INALUM, 2009)
2.5.
Proses Elektrolisis Aluminium
Universitas Sumatera Utara
xxvii
Aluminium terutama masih sekedar menjadi bahan penelitian di laboratorium sampai tahun 1886, ketika Charles Hall di Amerika Serikat (lulusan Oberlin College yang berusia 21 tahun) dan Paul Heroult (berkebangsaan Perancis, berusia sama) secara sendiri-sendiri menemukan proses yang efisien untuk memproduksikannya. Pada tahun 1990-an produksi aluminium di seluruh dunia yang menggunakan proses Hall-Heroult mencapai 1,5 × 107 ton metrik. Proses Hall-Heroult melibatkan pengendapan aluminium secara katodik, dari lelehan kriolit (Na3AlF6) yang mengandung Al2O3 terlarut, dalam sel elektrolisis. Setiap sel terdiri dari kotak baja persegi panjang yang panjangnya sekitar 6 m, lebar 2 m, dan tinggi 1 m, yang berfungsi sebagai katode, dan grafit pejal sebagai anode yang mencuat melewati atap sel hingga ke bak lelehan kriolit. Arus yangh sangat besar (50.000 sampai 100.000 A) dilewatkan dalam sel, dan sebanyak 100 sel seperti ini disusun secara seri. Lelehan kriolit, yang berdisosiasi sempurna menjadi ion-ion Na+ dan AlF63-, merupakan pelarut yang baik untuk aluminium oksida, menghasilkan distribusi kesetimbangan dari ion-ion seperti Al3+, AlF2+, . . . , AlF63-, dan O2dalam elektrolit. Kriolit meleleh pada suhu 1000°C, tetapi titik lelehnya turun dengan adanya aluminium oksida terlarut, sehingga suhu sel operasi hanya 950°C. Dibandingkan dengan titik leleh Al2O3 murni (2050°C), suhu tersebut merupakan suhu yang rendah, dan inilah sebabnya proses Hall-Heroult bias berhasil. Lelehan aluminium memiliki kerapatan yang sedikit lebih besar daripada lelehennya pada suhu 950°C sehingga materi ini mengumpul di dasar sel, untuk selanjutnya disadap secara berkala. Oksigen merupakan produk
Universitas Sumatera Utara
xxviii
anode yang utama, tetapi zat ini bereaksi dengan electrode grafit menghasilkan karbon dioksida. (David W. Oxtoby, 2003) Secara umum reaksi yang terjadi dalam pot tungku reduksi adalah sebagai berikut : 1.
Reaksi Penangkapan Gas Hidrogen Flourida (HF) Gas HF dapat terbentuk selama proses elektrolisis. Reaksi pembentukan gas
HF adalah sebagai berikut : Na3AlF6 + 3/2 H2 → Al(l) + 3 NaF(l) + 3 HF(g) Potensial listrik 1,53 volt pada suhu operasi. Gas HF juga dapat terbentuk melalui reaksi: 2 AlF3 + H2O → Al2O3 (l) + 6 HF Gas HF selanjutnya akan bereaksi dengan alumina (Al2O3). AlF3 + H2O →
HF Al2O3
Al2O3
Al2O3
HF Al2O3
AlF3
AlF3 Gambar 2.2. Reaksi Penangkapan Gas HF Reaksi (1) : adsorpsi HF pada permukaan alumina Reaksi (2) : reaksi kimia antara HF dan Al2O3 menghasilkan aluminium fluorida (AlF3) dan H2O
Universitas Sumatera Utara
xxix
Reaksi difusi : reaksi difusi ion AlF3 ke dalam alumina dan menghasilkan AlF 3 2.
Reaksi Pada Anoda
Dalam Proses elektrolisis reaksi yang dapat terjadi pada anoda adalah : C (s) + O2 (g) → CO2 (g) C (s) + CO2 (g) → 2 CO (g) Jika potensial sel elektrolisis lebih besar dari 1,02 volt maka reaksi yang dapat terjadi adalah : 2 Al2O3 (sat) + 3 C (s) → 4 Al (l) + 3 CO2 (g) 3.
Reaksi Pada Katoda
Reaksi yang dapat terjadi di sekitar katoda adalah dekomposisi ion AlF4- dari kriolit menjadi ion Al3+ dan ion F- : AlF4- → Al3+ + 4FReaksi Al3+ : Al3+ + 3e → Al (l) Dan reaksi antara natrium dari kriolit dengan Al : Al (l) + 3 Na+ → 3 Na + Al3+ 4.
Reaksi Utama Elektrolisis Alumina
Reaksi keseluruhan pada industri elektrolisis alumina dengan menggunakan anoda karbon adalah sebagai berikut : 2 Al2O3 (s) + 3 C (s) → 4 Al (l) + 3 CO2 (g)
Universitas Sumatera Utara
xxx
Reaksi ini berlangsung pada temperatur sekitar 945o – 965o, beda potensial 1,18 volt. Mekanisme reaksi yang paling sering terjadi adalah reduksi Al2O3 secara langsung dengan reaksi : Al2O3 → AlO2- + AlO+ AlO2 → Al3+ + 2 O2Reaksi katodik : 2 Al3+ + 6e- → 6 Al Reaksi anodik : 3 O2- → 3/2 O2 + 6eReaksi diatas adalah reaksi utama, reaksi ini tidak mengabaikan fakta bahwa Na mengendap pada katoda.
Gambar 2.3. Reduksi Alumina 5.
Gaya Magnetik
Adanya arus searah dan medan magnetik yang timbul oleh susunan pot akan menimbulkan gaya magnetik. Gaya magnetik tersebut akan menimbulkan pergerakan dan konversi aluminium cair didalam pot.
Gambar 2.4. Gaya magnetik pada tungku reduksi
Universitas Sumatera Utara
xxxi
Intensitas gaya magnetik ditentukan oleh distribusi metal pada katoda dan komponen arus horizontal pada katoda. Untuk menghilangkan komponen arus horizontal adalah dengan membuat kerak samping.
(a)
(b)
Gambar 2.5. Pengaruh Kerak Samping Pada Aliran Arus (a) tanpa kerak samping; (b) dengan kerak samping
(PT INALUM, 2009)
2.6.
Kegunaan Aluminium Konsumsi aluminium masih meningkat. Kombinasi sifat yang agak
jarang terdapat, yaitu ringan dan kuat, membuat aluminium cocok untuk berbagai penggunaan yang tidak dapat ditampung oleh logam-logam lain. Atas dasar berat yang sama, aluminium mempunyai konduktivitas dua kali lebih baik dari tembaga dan keuletannya (ductility) pun tinggi pada suhu tinggi.
Universitas Sumatera Utara
xxxii
Aluminium biasa dipadukan dengan logam seperti tembaga, magnesium, seng, silicon, krom dan mangan sehingga kemanfaatannya pun lebih banyak lagi. Logam aluminium atau paduannya, lebih-lebih paduannya dengan magnesium, banyak digunakan dalam struktur pesawat terbang, mobil, truk dan gerbong kereta api, konduktor listrik dan untuk struktur-struktur konstruksi yang dicor atau ditempa. Bila digunakan dengan baik, aluminium itu tahan korosi. Kekuatan dan keuletannya meningkat pada suhu di bawah nol; hal ini berlawanan sekali dengan besi dan baja.
(George T. Austin, 1996)
Aluminium dan aloinya telah digunakan dalam berbagai hal. Banyak diantaranya
memanfaatkan kerapatan aluminium
yang
rendah,
suatu
keunggulan disbanding besi atau baja jika diinginkan materi yang lebih ringan seperti untuk industri transportasi, yang menggunakan aluminium untuk kendaraan mulai dari mobil sampai satelit. Konduktivitas listrik aluminium yang tinggi dan kerapatannya yang rendah membuatnya sangat berguna untuk digunakan dalam kabel transmisi listrik. Untuk penggunaannya dalam bangunan dan gedung. Ketahanannya terhadap korosi merupakan sifat yang penting, seperti halnya kenyataan bahwa materi ini menjadi lebih kuat pada suhu di bawah nol. (Baja dan besi ada kalanya menjadi rapuh pada kondisi tersebut). Produk rumah tangga yang mengandung aluminium antara lain foil, kaleng minuman ringan dan perabot dapur.
(David W. Oxtoby, 2003)
Aluminium banyak digunakan sebagai peralatan dapur, bahan konstruksi bangunan dan ribuan aplikasi lainnya dimanan logam yang mudah dibuat, kuat dan ringan diperlukan.
Universitas Sumatera Utara
xxxiii
Walau konduktivitas listriknya hanya 60% dari tembaga, tetapi ia digunakan sebagai bahan transmisi karena ringan. Aluminium murni sangat lunak dan tidak kuat. Tetapi dapat dicampur dengan tembaga, magnesium, silikon, mangan, dan unsur-unsur lainnya untuk membentuk sifat-sifat yang menguntungkan. Campuran logam ini penting kegunaannya dalam konstruksi pesawat modern dan roket. Logam ini jika diuapkan di vakum membentuk lapisan yang memiliki reflektivitas tinggi untuk cahaya yang tampak dan radiasi panas. Lapisan ini menjaga logam dibawahnya dari proses oksidasi sehingga tidak menurunkan nilai logam yang dilapisi. Lapisan ini digunakan untuk memproteksi kaca teleskop dan kegunaan lainnya. (http://www.chem-is-try.org/tabel_periodik/alumunium/)
Universitas Sumatera Utara
