Pembuatan Silikon Karbida (SiC) dari Pasir Silika (SiO2) dan Karbon (C) dengan Kapasitas 30.000 Ton Tahun

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Silikon Karbida
Sebelum tahun 1891, semua kebutuhan bahan abrasif

yang digunakan

adalah bahan-bahan alam, seperti intan, korundum, dan kuarsa. Adapun bahan-bahan
abrasif terus berkembang karena dibutuhkan dalam pembuatan berbagai suku alat
presisi untuk kendaraan bermotor, pesawat terbang, mesin, cetakan dan berbagai
barang-barang buatan industri lainnya. Karena jumlahnya yang sedikit di alam, maka
mulai dipikirkan untuk memproduksi bahan-bahan tersebut secara sintetis. Produksi
SiC sintetis pertama kali dipatenkan oleh Edward Acheson pada 1893 serta
memperkenalkan electric batch furnace sebagai alat produksi SiC yang sampai saat
ini masih dipakai dan mendirikan The Carborundum Company, untuk membuat SiC
yang secara luas digunakan sebagai bahan abrasive (Anonim, 2011a).
Silkon karbida atau juga dikenal dengan carborundum adalah suatu turunan
senyawa silikon dengan rumus molekul SiC, terbentuk melalui ikatan kovalen antara
unsur Si dan C (Anonim, 2011a). Silikon karbida merupakan salah satu material
keramik non-oksida paling penting, dihasilkan pada skala besar dalam bentuk bubuk
(powder), bentuk cetakan, dan lapisan tipis. Teknik untuk membentuk bubuk SiC

menjadi bentuk keramik dengan menggunakan agen pengikat, kemudian memberi
pengaruh yang besar terhadap nilai komersial SiC. Sekarang ini, SiC merupakan
salah satu material yang memiliki kegunaan yang besar dan memiliki peranan
penting dalam berbagai industri seperti industri penerbangan dan angkasa, elektonik,
industri tanur, dan

industri-industri komponen mekanik berkekuatan tinggi.

Umumnya, industri metalurgi, abrasif dan refraktori juga merupakan pengguna SiC
dalam jumlah paling besar (Kirk dan Othmer, 1981).
Aplikasi silikon karbida (SiC) dalam industri karena sifat mekaniknya yang
sangat baik, konduktivitas listrik dan termal tinggi, ketahanan terhadap oksidasi
kimia sangat baik, dan SiC berpotensi untuk fungsi keramik atau semikonduktor
temperatur tinggi. SiC juga memiliki sifat-sifat penting sebagai berikut: unggul tahan
oksidasi, unggul tahan rayapan, kekerasan tinggi, kekuatan mekanik baik, Modulus
Young sangat tinggi, korosi baik dan tahan erosi, dan berat relatif rendah. Material-

material mentah SiC relatif murah, dan dapat dibuat dalam bentuk-bentuk kompleks,
dimana memungkinkan disiasati melalui proses fabrikasi konvensional. Hasil akhir
mempunyai harga kompetitif disamping menawarkan keuntungan-keuntungan teknis

yang unggul dan berdaya guna lebih dari material-material penyusunnya (Suparman,
2010).

2.2 Sifat-Sifat Bahan yang Terlibat dalam Proses
2.2.1 Sifat-Sifat Bahan-Bahan Baku
2.2.1.1 Pasir Silika
1.

Nama

: Silica Dioxide

2.

Rumus molekul

: SiO2

3.

Berat molekul

: 60,08 g/mol

4.

Bentuk

: Padatan

5.

Warna

: Putih

6.

Densitas

: 2.648 kg/m3

7.

Titik leleh

: 1.515°C

8.

Titik didih

: 2.230 °C

9.

Kelarutan dalam air

: 0,012 g/100 mL

10.

Kapasitas panas

: - c, quartz, α : 10,87 + 0,008712T – 241200/T

2

(273 K-873 K)
11.

Panas pembentukan (ΔH) pada 25 ºC : - 203,35 kcal/mol

12.

Energi bebas pembentukan pada 25 ºC : - 190,4 kcal/mol

13.

Dekomposisi tetraetil ortosilikat pada suhu 680 – 730°C

menghasilkan silika dioksida:
Si(OC2H5)4 → SiO2 + H2O + 2C2H4

14.

Oksidasi SiH4 pada suhu 400-4500C menghasilkan silika dioksida
SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O

(Sumber : Anonim, 2011b ; Perry’s, 2007; Barin dan Gregor, 1995 )

2.2.1.2. Karbon
1.

Nama

: Carbon

2.

Rumus molekul

:C

3.

Bentuk

: Padatan

4.

Warna

: Hitam

5.

Struktur atom

: heksagonal

6.

Berat atom

: 12,0107 g/mol

7.

Titik lebur

: 3652 oC

8.

Densitas

: 1,9 – 2,3 g/cm3

9.

Kapasitas panas pada 25 oC : 8,517 J/mol K
Kapasitas panas

:2,673 + 0,002617T-116900/T2
(273 K-1373 K)

(Sumber : Anonim 2011c ; Perry’s, 2007; Barin dan Gregor, 1995)

2.2.1.3 Besi Posfat
1.

Nama

: Iron phosphate

2.

Rumus molekul

: FePO4

3.

Bentuk

: Padatan

4.

Warna

: krem

5.

Berat molekul

: 150,8164 g/mol

6.

Titik lebur

: 1240 oC

7.

Densitas

: 2870 kg/m3

8.

Kapasitas panas pada 25 oC : 93,5 J/mol K

9.

Panas pembentukan (ΔH) pada 25 ºC : - 1287,5 kJ/mol

10.

Energi bebas pembentukan pada 25 ºC : 12.284,607 kJ/mol

(Sumber : Anonim. 2011d; Perry’s, 2007; Barin dan Gregor, 1995)

2.2.1.4 Natrium Silikat
1.

Nama

: Sodium silicate

2.

Rumus molekul

: 10NaO.30SiO2.60H2O

3.

Wujud

: Larutan

4.

Warna

: Putih

5.

Berat molekul

: 140,0806 gr/mol

6.

Densitas

: 1428,889 kg/m3

7.

Entalpi pembentukan standar : 1561,43 kJ/mol
(Sumber : Anonim, 2011e)

2.2.2 Sifat-Sifat Produk
2.2.2.1 Silikon Karbida (SiC)
1. Nama

: Silicon carbide

2. Rumus molekul

: SiC

3. Berat molekul

: 40,0962 gr/mol

4. Young’s modulus of elasticity

: 3896 Kbar

5. Densitas

: 2.923,8574 kg/m3

6. Titik leleh

: 2830 oC

7. Indeks refraksi (nD)

: 2,55

8. Mobilitas elektron

: 900 cm2/(V-s)

(Sumber : Anonim, 2011f dan Anonim, 2011g)

2.3 Aplikasi Silikon Karbida
SiC yang termasuk dalam bahan keramik memiliki beberapa kelebihan yang
dapat digunakan pada bidang industri dan otomotif. Pada kondisi tertentu dapat lebih
memenuhi criteria yang diperlukan bila dibandingkan dengan logam, karena
keunggulannya yang tahan korosi, gesekan, dan temperatur tinggi. Selanjutnya akan
dijelaskan berbagai aplikasi silicon karbida sebagai bahan keramik.
1. Furnace
Proses-proses industri kebanyakan selalu membutuhkan temperatur
tinggi dan bahan yang tetap stabil pada temperatur dan kondisi lingkungan
tertentu. Pada kasus pembentukan logam diperlukan suatu bahan yang

mampu bertahan pada sifat kimia yang korosif, temperatur, dan tekanan
tinggi. Satu-satunya bahan yang mampu memenuhi syarat diatas adalah
bahan keramik seperti SiC. Dengan penggunaan SiC sebagai bahan dinding
furnace

maka temperatur, tekanan, dan sifat kimia yang korosif bukan

masalah lagi.
2. Elemen Panas
Beberapa bahan keramik memiliki suatau derajat tingkat hantaran
elektrik terbatas dengan hambatan listrik tertentu. Pada saat listrik berusaha
untuk melewatinya, panas akan dihasilkan. Contoh keramik yamg dapat
digunakan elemen pemanas adalah SiC.
3. Alat Penukar Panas
Alat penukar panas atau heat exchanger memiliki tujuan untuk
menggunakan kembali panas yang merupakan buangan untuk memanaskan
udara yang akan digunakan untuk proses pembakaran. Dengan menggunakan
bahan keramik dapat dihasilkan pengurangan bahan bakar yang digunakan
sampai 50%.
4. Motor Bakar
Salah satu contoh penggunaan SiC dalam motor bakar adalah turbine
inlet guide vanes. Komponen turbine inlet guide vanes digunakan untuk
menghasikan aliran udara pendingin gas turbine engine. Pada penggunaan
keramik SiC yang lebih tahan terhadap temperatur tinggi dapat membuat
sistem pendingin bekerja dengan baik bila dibandingkan dengan material
lainnya. Apabila sistem pendingin pada turbine engine dapat bekerja dengan
baik akan berdampak pada emisi gas buang NOx dan CO yang dihasilkan
sebagai hasil dari pembakaran.
5. Seal
Seal adalah suatu alat untuk mencegah kebocoran pada dua
permukaan material yang bersinggungan. Pemakaian seal biasanya banyak
digunakan pada mesin-mesin yang bertemperatur dan bertekanan tinggi. Oleh
karena itu, karateristik material seal haruslah bertahan baik pada temperatur
dan tekanan tinggi untuk jangka waktu yang lama, seperti bahan keramik.

6. Ceramic Ball
Ceramic ball biasanya digunakan pada bearing, valve, dan sebagai
grinding ball.
7. Bahan Abrasif
SiC merupakan bahan keramik yang juga bersifat abrasive sehingga
dapat digunakan untuk berbagai keperluan industri seperti mengikis,
menghaluskan, membuat kasar mauoun memotong permukaan benda kerja.
(Kirk dan Othmer, 1981)

2.4 Proses Pembuatan Silikon Karbida
Proses Pembuatan Silikon Karbida merupakan reaksi karbotermal yakni
proses yang melibatkan reaksi antara kuarsa dengan tingkat kemurnian tinggi atau
pecahan-pecahan kuarsit dengan karbon (grafit, karbon black atau batu bara pada
temperatur antara 1600°C - 2500°C). Disebut reaksi Acheson karena pertama kali
ditemukan Edward Acheson dengan menggunakan tanur listrik yang pada saat itu
juga baru diperkenalkan (Austin, 1996).
Karbon didapat dari kokas migas dan pasirnya mengandung 98 sampai 99,5
% silika. Persamaan reaksinya dapat digambarkan menurut reaksi berikut:
1. SiO2 + 2C → Si + 2CO

∆H = + 606 kJ

2. Si + C→ SiC

∆H = - 127,7 kJ

Sehingga reaksi totalnya dapat dituliskan sebgai berikut:
SiO2 + 3C → SiC + 2CO

∆H = + 478,3 kJ

Lowe, 1958, menemukan proses pembuatan bubuk silikon karbida dengan
menambahkan

komposisi

dan

campuran

bahan

baku

untukmendapatkan konversi yang lebih tinggi seperti di berikut ini.
Komposisi

% berat

Pasir silika, SiO2 160 mesh

56,5

Karbon, C 160 mesh

36

Larutan natrium silikat, 10Na2O30SiO260H2O

6,5

Besi posfat, FePO4

1

yang

berbeda

Campuran dipanaskan dalam tanur bersuhu 16000C selama dua jam,
diperoleh hasil berupa 87% berat silikon karbida, sisanya impurities berupa SiO2
(4,93%), C (3,21%), Na2O (2,60%) dan FePO4 (2,26%) (Lowe, 1958).
Proses pembuatan silikon karbida meliputi tahap-tahap sebagai
berikut:
2.4.1 Tahap Persiapan Bahan Baku
Pada tahap ini dilakukan pemisahan bahan baku dari pengotorpengotornya, penggilingan, penimbangan serbuk bahan baku sesuai
komposisi masing-masing.

2.4.2 Tahap Pencampuran Bahan Baku
Pada tahap ini seluruh bahan baku yang sudah sesuai komposisi
dicampur dalam mixer. Dilakukan pengadukan seluruh campuran bahan baku
agar campuran menjadi homogen dan mempermudah saat peleburan.

2.4.3 Tahap Peleburan (Melting)
Pada tahap ini bahan baku yang sudah homogen dibuat dalam bentuk
pellet dahulu sebelum dimasukkan ke dalam tungku (furnace) bersuhu
16000C. Selama proses peleburan, masing-masing bahan baku akan saling
berinteraksi membentuk reaksi kimia. Pada tahap inilah terbentuk silika
karbida (SiC). Tungku yang digunakan sebagai tempat meleburkan
(meleburkan) campuran bahan baku adalah tanur listrik.

2.4.4 Tahap Pendinginan
Pada tahap pendinginan, bongkahan SiC yang terbentuk diturunkan
temperaturnya pada cooling yard.

2.4.4 Tahap Pengemasan Produk
Pada tahap akhir, produk di haluskan dengan grinder untuk mendapatkan
serbuk SiC yang diinginkan, lalu dikeringkan sebelum disimpan ke dalam silo
SiC, dan di-packing. Kemasan prosuk dikirim ke gudang penyimpanan
produk, dan siap dipasarkan.

2.5

Deskripsi Proses
2.5.1 Unit Proses Produksi
Bahan baku pasir silika di tampung dalam gudang penyimpanan (TT-102),

lalu disalurkan dengan conveyor (C-102) menuju screening (S-101) kemudian
dihaluskan dengan grinder (SR-101) menjadi serbuk berukuran 160 mesh. Karbon di
alur yang berbeda dari tangki penyimpanan (TT-103) dihaluskan dengan grinder
(SR-102) sampai berukuran 160 mesh. Seluruh bahan baku yang telah halus
kemudian diangkut melalui belt conveyor untuk dibawa ke belt conveyor feeder (C107). Dengan menggunakan bucket conveyor (C-108) bahan baku diangkut ke dalam
storage bins (TT-105), lalu diangkut melalui screw conveyor (C-109) untuk
kemudian ditimbang sesuai komposisi masing-masing bahan baku yang diperlukan
dengan menggunakan weigh scale (L-101). Bahan baku yang sudah sesuai dengan
komposisi dimasukkan ke dalam mixer (M-101) untuk diaduk secara merata.
Pengadukan campuran bahan baku dalam suatu mixer dilakukan agar campuran
menjadi homogen dan mempermudah proses peleburan (melting). Bahan baku yang
sudah homogen dilewatkan pada pelletizing machine (L-102), selanjutnya dialirkan
melalui bucket elevator (C-110) menuju rotary kiln pre-heater (B-102). Di dalam
rotary kiln pre-heater, bahan dipanaskan hingga suhu mencapai 617 0C. Panas yang
digunakan dalam proses pemanasan ini berasal dari proses pembakaran gas alam
dengan suhu pembakaran 863 0C di dalam burner (B-101). Dari rotary kiln preheater (B-102) bahan menuju electric furnace (B-103). Pada electric furnace terjadi
reaksi antara karbon dengan silika pada suhu 16000C yang menghasilkan silikon
karbida (SiC). Selama proses, masing-masing bahan baku akan saling berinteraksi
membentuk reaksi kimia berikut:
SiO2 + 3C → SiC + 2CO
Dengan konversi 96 %, diperoleh SiC dengan kemurnian 87%, sisa karbon
3,21 %, selebihnya silika dan abu. Setelah tahap reduksi, produk akan diteruskan ke
cooling yard (A-101) untuk diturunkan suhunya. Bongkahan silikon karbida
berukuran besar diperkecil dengan crusher (SR-103), sehingga diperoleh produk
berupa butiran granula silikon karbida yang disimpan ke dalam silo penyimpanan
SiC (TT-106). Dari silo penyimpanan produk SiC dikemas di packaging machinery
(L-103), selanjutnya disimpan dalam gudang produk (TT-107) dan siap dipasarkan.

2.5.3 Unit Pemanfaatan Gas Buang
Selama proses dihasilkan gas panas dalam jumlah yang besar, yakni gas
buang dari rotary kiln pre-heater (B-102) yang terdiri dari oksigen (O2), nitrogen
(N2), karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O), dengan suhu 6250C, tekanan 1 atm,
serta gas buang dari electric furnace (B-103), yang terdiri dari gas karbodioksida
(CO2) dan nitrogen (N2), dengan suhu 1400 0C, tekanan 1 atm. Dimana gas karbon
monoksida (CO) yang dihasilkan dari reaksi peleburan dioksidasi oleh oksigen dari
udara menghasilkan CO2. Gas buang dari rotary kiln pre-heater (B-102) dan gas
buang dari electric furnace (B-103) dinaikkan tekanannya menjadi 5 atm, masingmasing dengan menggunakan compressor (JC-102) dan compressor (JC-103), untuk
dialirkan menuju mixing point (M-201). Pada mixing point (M-201), gas-gas dari
rotary kiln pre-heater (B-102) dan electric furnace (B-103) dicampurkan, dan keluar
sebagai gas panas dengan suhu 1.0310C, tekanan 5 atm. Campuran gas dimanfaatkan
dalam gas turbine (JJ-201) untuk menghasilkan energi kinetik yang akan
menggerakkan generator menghasilkan energi listrik. Gas keluar dari turbin pada
suhu 600 0C, 1 atm, masih dapat dimanfaatkan untuk membangkitkan uap. Uap
dihasilkan dengan menggunakan steam boiler (E-201). Air umpan boiler
dipompakan dari boiler feed water pump dengan tekanan 15 MPa, pada suhu 900C ke
steam boiler (E-201) untuk menghasilkan steam tekanan tinggi. Uap yang dihasilkan
kemudian digunakan untuk menggerakkan turbin uap (JJ-202) yang akan
menggerakkan generator dan menghasilkan energi listrik. Energi listrik yang
dihasilkan dapat digunakan pada unit proses.