BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan
- Kadar rata – rata
AlF
3
dari hasil data pengamatan adalah 10,32 dan kadar rata – rata CaF
2
adalah 4,7 -
Tingkat keasaman bath yang mengandung AlF
3
dan CaF
2
rendah maka temperatur operasi naik sehingga terjadi reaksi balik aluminium menjadi alumina menyebabkan efisiensi arus
rendah dimana aluminium yang diperoleh lebih sedikit dari aluminium teoritis. -
Nilai Liqiudus Temperatur LT berbanding terbalik dengan kadar AlF
3
dan CaF
2
, di mana jika LT tinggi maka kadar AlF
3
dan CaF
2
rendah yang menyebabkan aluminium yang diperoleh sedikit dan menurunkan efisiensi arus.
Universitas Sumatera Utara
5.2. Saran
- Dalam prakteknya masih ada pot yang beroperasi dengan tingkat keasaman di bawah atau di
atas tingkat keasaman standar keasaman elektrolit yang ditentukan 8,5-11,5, agar tercapai efisiensi arus yang tinggi hendaknya keasaman elektrolit dijaga dalam batas standar
tertentu. -
Untuk mencapai kondisi operasi yang baik dalam hal peningkatan efisiensi arus, perlu diperhatikan komposisi dari elektrolit terutama keasaman elektrolit tersebut.
Universitas Sumatera Utara
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Sejarah Aluminium
Orang pertama yang telah berhasil memisahkan aluminium adalah H.Davy yaitu pada tahun 1808. Pada tahun 1825 Oersted dapat menghasilkan aluminium yang lebih murni dengan
jalan memanaskan natrium amalgama dan natrium aluminium klorida. Pada tahun 1854, Henari Saint Clavil Deauville memproduksi aluminium dari natrium aluminium klorida dengan
pemanasan menggunakan logam natrium sebagai katalisator. Proses ini telah berlangsung kurang
lebih 35 tahun.
Pada tahun 1886 Charles Hall dari USA menghasilkan aluminium dari proses elektrolisa alumina yang dipisahkan dari campuran kriolit Na
3
AlF
6
. Pada tahun yang sama Poult Heroult dari prancis mendapatkan hak paten dari negaranya untuk proses yang sama dengan Hall. Pada
tahun 1983 kapasitas produksi aluminium dengan metode Hall-Heroult ini meningkat dan
berkembang pesat Grjotheim , 1988.
Universitas Sumatera Utara
2.1.1. Aluminium
Aluminium ialah unsur melimpah ketiga terbanyak dalam kerak bumi sesudah oksigen dan silikon, mencapai 8,2 dari massa total. Bijih yang paling penting untuk produksi
aluminium ialah bauksit, yaitu aluminium oksida terhidrasi yang mengandung 50 sampai 60 Al
2
O
3
, 1 sampai 20 Fe
2
O
3
, 1 sampai 10 silikat sedikit sekali titanium, zirconium, vanadium, dan oksida logam transisi yang lain, dan sisanya 20 sampai 30 adalah air. Bauksit dimurnikan
melalui proses Bayer, yang mengambil manfaat dari fakta bahwa oksida alumina amfoter larut dalam basa kuat tetapi besi III oksida tidak. Bauksit mentah dilarutkan dalam natrium
hidroksida Al
2
O
3
s + 2 OH aq + 3 H
2
O l → 2 AlOH
4
aq Dan dipisahkan dari besi oksida terhidrasi serta zat asing tak larut lainnya dengan penyaringan
Oxtoby, 2003. Aluminium diperoleh dari jenis-jenis tanah liat tertentu bauksit. Bauksit mula- mula
dipisahkan lebih dahulu tanah-tawas murninya oksida aluminium. Setelah itu pada oksida aluminium cair itu dikalsinasikan suatu prosedur elektrik. Oleh karena suhu lumer
oksidaaluminium sangat tinggi yaitu 2050
o
C maka pengolahan aluminium sangat sukar. Logam aluminium mempunyai rumus kimia Al, mempunyai berat jenis 2,6 – 2,7 dengan titik cair
sebesar 659
o
C. Aluminium adalah logam lunak, dan lebih keras dari pada timah putih, tetapi lebih lunak dari pada seng. Warna dari aluminium adalah putih kebiru-biruan. Aluminium dapat
dihasilkan melalui proses elektrolisis. Proses elektrolisis yang dikembangkan untuk produksi
Universitas Sumatera Utara
industrial adalah proses elektrolisis Hall-Heroult. Proses tersebut merupakan elektrolisis larutan alumina Al
2
O
3
di dalam lelehan kriolit Na
3
AlF
6
pada temperature 960
o
C sehingga dihasilkan aluminium cair.
Tabel 2.1 Sifat-sifat Fisik dan Kimia dari aluminium
Item Kualifikasi
Nomor atom 13
Nomor massa 26,9815
Bentuk Kristal 25
o
C Kubus pusat muka
Densitas 2,699 gcm
3
Struktur atom terluar 3S
2
3P
1
Titik leleh 1 atm 660,1
o
C Titik didih 1 atm
2327
o
C Panas peleburan
94,6 kal Panas jenis
0,280 kal g
o
C PT INALUM, 2011.
2.2. Alumina Al
2
O
3
Alumina Al
2
O
3
merupakan material keramik nonsilikat yang paling penting. Material ini meleleh pada suhu 2051
o
C dan mempertahankan kekuatannya bahkan pada suhu 1500 sampai
Universitas Sumatera Utara
1700
o
C. Alumina mempunyai ketahanan listrik yang tinggi dan tahan terhadap kejutan termal dan korosi. Alumina Al
2
O
3
diperoleh dari pengolahan biji bauksit yang mengandung 50-60 Al
2
O
3
; 1-20 Fe
2
O
3
; 1-10 silika; sedikit sekali titanium, zirkonium dan oksida logam transisi
lain; dan sisanya 20-30 adalah air.
Aluminium sebagai salah satu unsur logam yang terdapat berlimpah di alam dan merupakan unsur terbanyak ketiga setelah oksigen. Unsur ini sangat reaktif sehingga di alam
tidak pernah ditemui aluminium dalam keadaan native. Di alam aluminium berupa oksida, diantaranya adalah bauksit Al
2
O
3
.H
2
O dan oksida ini sangat stabil sehingga tidak dapat direduksi seperti logam – logam lain. Reduksi aluminium hanya dapat dilakukan dengan
elektrolisis. Namun sebelum proses elektrolisis aluminium terlebih dahulu melewati proses bayer yaitu proses pelepasan senyawa hidrat dari bauksit hingga terbentuk alumina, yang kemudian
akan dielektrolisis dengan proses Hall-Heroult. Tahapan proses bayer:
a. Ekstraksi:
Al
2
O
3
.xH
2
O + 2 NaOH 2 NaAlO
2
+ x + 1 H
2
O b.
Dekomposisi 2 NaAlO
2
+ 4 H
2
O 2 NaOH + Al
2
O
3
.3H
2
O c.
Kalsinasi Al
2
O
3
.3H
2
O Al
2
O
3
+ H
2
O
Tabel 2.2. Spesifikasi alumina
Item Satuan
Spesifikasi Loss on ignition 300-1000
C 1,00 max
Universitas Sumatera Utara
SiO
2
0,03 max Fe
2
O
3
0,03 max TiO
2
0,005 max Na
2
O 0,600 max
CaO 0,060 max
Al
2
O
3
dalam keadaan kering
98,40 min Specific surface area
m
2
g 40-80
Particle size + 100
12,0 max + 150
25 min − 325
12,0 max Angle of refuse
Deg 30-34
2.2.1. Kecepatan Melarut Alumina Al
2
O
3
Pada Cairan Kriolit
Kecepatan alumina Al
2
O
3
didalam cairan kriolit dipengaruhi oleh temperatur pemanasan alumina Al
2
O
3
dan beberapa bahan tambahan yang ditambahkan kedalam lelehan kriolit. Alumina Al
2
O
3
yang dikalsinasi antara 800
o
C - 900
o
C mempunyai kecepatan melarut yang besar di dalam cairan kriolit.
Hal ini sudah ditetapkan, bahwa partikel alumina Al
2
O
3
cepat melarut pada cairan kriolit pada 4 sampai 8 detik dan butiran-butiran kasar melarut lebih perlahan dibandingkan yang
halus. Di lain pihak, alumina floury melarut lebih perlahan dari pada alumina sandy. Perbedaan
Universitas Sumatera Utara
ini adalah akibat alumina sandy mempunyai permukaan lebih besar bila dibandingkan alumina floury.
Pada pot peleburan tungku reduksi, alumina Al
2
O
3
dimasukkan kedalam pot dengan memecahkan kerak diatas bathkriolit terlebih dahulu. Jelaslah alumina Al
2
O
3
tidak larut seluruhnya di dalam bathkriolit secara tiba-tiba setelah penambahan, dan beberapa material
langsung tenggelam ke dasar pottungku membentuk sludge lumpur dibawah lapisan mtal. Terjadinya sludge lumpur dalam jumlah yang banyak didalam pottungku akan merugikan
setiap operasi, dimana sludge lumpur didasar pot mengandung 40 alumina Al
2
O
3
Anonymous, 1998.
2.3. Larutan Elektrolit Bath
Komposisi utama dari larutan elektrolit bath adalah kriolit Na
3
AlF
6
. Lelehan kriolit, yang berdisosiasi sempurna menjadi ion-ion Na
+
dan AlF
6 3-
, merupakan pelarut yang baik untuk aluminium oksida dalam elektrolit. Kriolit meleleh pada suhu 1000
o
C, tetapi titik lelehnya turun dengan adanya aluminium oksida terlarut, sehingga suhu operasi sel hanya sekitar 950
o
C. Dibandingkan dengan titik leleh Al
2
O
3
murni 2050
o
C, suhu tersebut merupakan suhu yang rendah Oxtoby, 2003. Sifat-sifat yang diperlukan untuk kriolit Na
3
AlF
6
adalah :
Tabel 2.3 Sifat-sifat kriolit dan kegunaannya
Sifat-sifat kriolit Na3AlF6 Berguna untuk
Memiliki temperatur kristalisasi primer rendah
a. Menghindari terjadinya reoksidasi b. Menjamin terbentuknya kerak samping
Universitas Sumatera Utara
Memiliki konduktivitas listrik baik a. Menurunkan temperatur bath
b. Memperbaiki produktivitas c. Dapat melarutkan alumina Al2O3
dalam jumlah besar d. Memiliki berat jenis yang rendah, yang
berguna agar metal dan bath terpisah e. Stabil dalam keadaan cair
f. Memiliki tegangan permukaan yang baik dimana dapat mengurangi reoksidasi
Memiliki viskositas yang sesuai a. Mengurangi kecepatan sedimentasi
b. Mengurangi emisi gas c. Mengurangi gerakan partikel aluminium
dan karbon
Pengendalian komposisi elektrolit merupakan hal yang sangat penting dalam proses produksi aluminium. Oleh karena titik leleh kriolit murni adalah 1009
o
C, elektrolit itu mengandung kalsium flourida CaF
2
dan sisa AlF
3
, yang bersama alumina yang terlarut dapat menurunkan titik leleh cukup rendah sehingga sel itu dapat beroperasi pada suhu sekitar 940
o
C – 980
o
C. Kelebihan AlF
3
juga dapat meningkatkan efisiensi. Perbandingan berat NaFAlF
3
didalam kriolit adalah 1,50 ; kelebihan AlF
3
didalam kriolit Na
3
AlF
6
diatur sedemikian rupa, sehingga menghasilkan rasio NaFAlF
3
sekitar 1,10 sampai 1,40. Dalam beberapa minggu pertama setelah sel yang baru diberi pelapis itu beroperasi, elektrolit itu diserap dengan cepat kedalam pelapis
dan isolasi. Komponen utama penyusun elektrolit adalah kriolit Na
3
AlF
6
yang berfungsi sebagai pelarut dan alumina yang berfungsi sebagai zat terlarut, serta beberapa zat aditif lainnya. Kriolit
Na
3
AlF
6
digunakan dalam proses elektrolisa aluminium, karena sifat-sifatnya yang unik dan mampu melarutkan berbagai jenis oksida dengan baik, sifat-sifat kriolit diantaranya :
Universitas Sumatera Utara
a. Kemampuan melarutkan alumina dengan baik
b. Tegangan komposisi lebih tinggi
c. Konduktivitas elektrolitnya cukup tinggi.
d. Titik leburnya relatif rendah
e. Tidak dapat bereaksi dengan aluminium dan karbon
f. Cukup encer sebagai pelarut
g. Masa jenisnya cukup rendah, bila dalam keadaan sama-sama cair
h. Tekanan uapnya relatif rendah.
Pada tekanan atmosfer aluminium fluoride AlF
3
tidak dapat dijumpai dalam bentuk cair. Cairan kriolit-alumina juga mengandung kalsium fluorida CaF
2
atau natrium flourida NaF membentuk komposisi kriolit 3NaF-AlF
3
. Kriolit sebagai elektrolit dalam reduksi aluminium juga harus memenuhi syarat-syarat elektrolit yang dibutuhkan sebagai berikut :
a. Temperatur kristalisasi primer rendah
b. Konduktivitas listrik yang baik
c. Dapat melarutkan alumina dalam jumlah besar
d. Mempunyai berat jenis kecil
e. Stabil dalam keadaan cair
Oleh karena itu untuk memperbaiki sifat-sifat dari elektrolit yang ada maka biasanya dilakukan penambahan atau pencampuran dengan beberapa zat aditif, seperti : Flourida atau
Universitas Sumatera Utara
klorida dari logam alkali, AlF
3
dan CaF
2
dan juga biasa digunakan MgF
2
, LiF, dan NaCl Grjotheim, 1982.
2.3.1. Keasaman Bath
Keasaman bath dinyatakan dalam banyaknya kadar AlF
3
yang terkandung di dalam bath. Biasanya keasaman bath sekitar 9 – 11. Keasaman bath sangat berpengaruh terhadap
terhadap temperatur bath, biasanya bila kadar keasaman rendah maka temperatur bath akan tinggi dan sebaliknya bila kadar keasaman tinggi maka temperatur bath akan rendah. Namun
tidak selamanya keasaman berbanding terbalik dengan temperatur bath ada kalanya pada saat keasaman rendah temperatur juga rendah, hal ini tergantung pada kondisi pot terutama jumlah
metal dan voltase pot. Pada saat start up, keasaman bath sangat rendah yaitu sekitar 1 - 2, hal ini terjadi
karena adanya penambahan soda abu. Setelah beberapa hari, pemasukan soda abu mulai dikurangi kemudian dimasukkan AlF
3
agar keasaman menjadi naik dan akan terbentuk lapisan- lapisan pada dinding pot.
2.3.2. Temperatur Liquidus
Temperatur liquidus merupakan temperatur dimana batas pertemuan yang tepat antara fasa cair, padat, ataupun campuran dari bath. Jika dilihat dari diagram fasa sistem NaF – AlF
3
, temperatur liquidus dipengaruhi oleh besarnya kadar keasaman. Ketika penambahan ataupun
Universitas Sumatera Utara
pengurangan AlF
3
maka temperatur liquidus akan bergerak turun ataupun naik. Berikut adalah gambar diagram fasa sistem NaF – AlF
3
dalam gambar 2.1.
Gambar 2.1. Diagram Fasa Sistem NaF – AlF
3
Dalam literatur, beberapa hubungan liquidus temperature kriolit untuk sistem multi komponen ditemukan pada persamaan Solheim.
Universitas Sumatera Utara
= 1011 + 0.50 ×
−
0.13 ×
.
−
3.45 × 1 + 0.0173 ×
+ 0.124 × ×
−
0.00542 × ×
.
−
7.93 × 1 + 0.0936 ×
−
0.0017 ×
−
0.0023 × ×
−
8.90 × 1 + 0.0047 ×
+ 0.0010 ×
−
3.95 ×
T
L
= liquidus temperature C
C
AlF3
= konsentrasi aluminium fluorida wt C
CaF2
= konsentrasi kalsium fluorida wt C
Al2O3
= konsentrasi alumina wt C
LiF
= konsentrasi lithium fluorida wt C
MgF2
= konsentrasi magnesium fluorida wt
2.3.3. Superheat
Superheat secara sederhana didefinisikan sebagai selisih antara BT dan LT. Lebih mudah mengoperasikan pada SH yang lebih tinggi, juga dikarenakan membantu dalam aspek
pelarutan alumina. Pada teorinya, SH selalu bernilai positif. Namun, SH bisa didapat bernilai negatif.
Superheat = BT - LT
Universitas Sumatera Utara
2.3.4. Komposisi Bath
Elektrolit yang banyak mengandung sodium fluorida NaF akan meningkatkan CE karena bath seperti ini biasanya mengandung AlF
3
, LiF, MgF
2
dan CaF
2
adalah aditif yang dapat menaikkan CE. Konsentrasi AlF
3
yang kecil pada bath akan menurunkan CE.
2.4. Soda abu Na
2
CO
3
Soda abu berfungsi memperkuat struktur katoda dan dinding samping agar sulit tererosi. Lapisan dinding samping dengan Na
2
CO
3
dilakukan pada tahap transisi untuk membantu proses pembentukan kerak samping. Selain mencegah erosi oleh bath, soda abu juga berfungsi sebagai
isolasi termal. Berikut adalah tabel spesifikasi soda abu Na
2
CO
3
yang digunakan oleh PT. INALUM.
Tabel 2.4. Spesifikasi Soda Abu Na
2
CO
3
Komposisi Loss on
Ignitation LOI
Fe
2
O
3
NaCl Insoluble
water Na2CO3
App. Density
grcm
3
Unit
Kemurnian 1,0 max
0,01 max 0,5 max
0,2 max 99,0 min
1,0 min
PT. INALUM,2011.
Universitas Sumatera Utara
2.5. Aluminium Fluorida AlF
3
Aluminium fluorida berfungsi menjaga temperatur bath dan merupakan bahan yang dituangkan secara manual jika AlF
3
kurang didalam bath. Spesifikasi AlF
3
yang digunakan oleh PT INALUM dapat dilihat pada tabel 2.3.
AlF
3
merupakan aditif yang dimasukkan setiap hari untuk mengimbangi penguapan gas fluorida dan menjaga kompisi bath tetap stabil. Selain itu, kriolit akan terbentuk akibat terjadinya
reaksi antara AlF
3
dengan Na
2
O.
4 AlF + 3Na O
→
2Na AlF + Al O
Fungsi utama AlF
3
adalah menurunkan temperatur liquidus bath, sehingga pot bisa dioperasikan pada temperatur yang lebih rendah. Bath cair terkadang perlu di keluarkan dari
dalam pot bila tidak sesuai dengan standar tinggi bath, 22 ± 2 cm, dan apabila terjadi kekurangan, AlF
3
akan ditambahkan ke dalam pot. Pemasukan ataupun pengeluaran dilakukan
secara manual.
Tabel 2.5. Spesifikasi AlF
3
Item Unit
Spesifikasi
AlF3 93 min
SiO2 0,25 max
P2O5 0,02 max
Fe2O3 0,07 max
Moisture Water Content 0,35 max
Loss on Ignitation 300-1000
o
C 0,85 max
Bulk density gramcc
0,7 min Particle Size Tyler Mesh
Typical
Universitas Sumatera Utara
+ 150 mesh 25-60
+ 200 mesh 50-75
+ 320 mesh 75 min
PT.INALUM, 2011.
2.6. Elektrolisis