Analisa Efisiensi Penyerapan Gas Hydrogen Fluoride (HF) yang Dihasilkan Tungku Reduksi Aluminium oleh Alumina (Al2O3)

5

BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Alumina
Bauksit banyak ditemukan di alam dalam bentuk material yang heterogen dengan
kandungan utama aluminium hidroksida (Al(OH)3) dan campuran mineral seperti
silica (SiO2), besi oksida (Fe2O3), Titanium (TiO2) serta mineral lainnya. Bauksit
telah diaplikasikan untuk kepentingan komersil dalam industri semen, kimia,
logam serta refraktori. Sebanyak 85% bauksit dirubah menjadi alumina (Al2O3)
yang digunakan untuk memproduksi aluminium metal (Plunkert, 2000).
Marggraf pertama sekali mengisolasi ‘alumina’ dengan mengekstraski dari
lapisan alam menggunakan asam sulfur pada tahun 1754 dan kata ‘alumina’
pertama sekali dikenalkan oleh Guyton de Morveau di tahun 1961 sedangkan
manufaktur alumina dimulai pada 1860 di bagian selatan Prancis menggunakan
proses Sainte-Claire Deville (Davis, 2010).

Gambar 2.1. Tahap transformasi kristal alumina (Yang, 2003)
Pada tahun 2000 dilaporkan 22 negara mampu memproduksi bauksit
sendiri, dengan total 70% produksi dikuasai oleh Australia, Brazil dan

Jamaika(Russel, 1999). Alcoa merupakan salah satu perusahaan pemurnian

Universitas Sumatera Utara

6

alumina pada tahun 2000 telah menjual 1,6 juta meter ton per tahun (Alcoa,
2000).
Aluminium oksida (alumina) adalah senyawa kimia dari aluminium dan
oksigen, dengan rumus kimia Al2O3. Secara alami, alumina terdiri dari mineral
korondum, dan memiliki bentuk kristal seperti ditunjukkan pada Gambar 2.2,

Gambar 2.2. Kristal korondum alumina (Hudson, 2002)

Senyawa ini termasuk dalam kelompok material aplikasi karena memiliki
sifat-sifat

yang

sangat

mendukung

pemanfaatannya

dalam

beragam

peruntukan.Senyawa ini diketahui merupakan insulator listrik yang baik, sehingga
digunakan secara luas sebagai bahan isolator suhu tinggi, karena memiliki
kapasitas panas yang besar.Alumina juga dikenal sebagai senyawa berpori
sehingga dimanfaatkan sebagai adsorben.
Berikut disampaikan peta penyebaran (Gambar 2.3.) alumina di dunia
dengan cadangan dikuasai oleh 3 negara.

Universitas Sumatera Utara

7

Gambar 2.3. Peta penyebaran produksi bauksit dunia(Anonimus,2011)

Dari peta penyebaran diketahui bahwa Guinea, Australia dan Brazil
menjadi

produsen

alumina

terbesar.Dalam

perkembangannya,

potensi

pemanfaatan alumina sangat besar khususnya untuk memenuhi industri peleburan
di negara Tiongkok. Kebutuhan akan alumina terus meningkat, dan diperkirakan
pada tahun 2013 kebutuhan alumina di dunia mencapai 280 juta ton (U.S.
Geological Survey, 2013).
Sebagai mineral alam, selain aluminium, bauksit juga mengandung

berbagai pengotor, misalnya oksida besi, silika, dan mineral lempung. Karena
komposisi tersebut, untuk mendapatkan alumina murni, bauksit harus diolah, dan
salah satu metode pengolahannya adalah proses Bayer yang terdiri dari beberapa
tahap seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.4,

Universitas Sumatera Utara

8

Gambar 2.4. Proses Bayer

Alumina dapat dibagi berdasarkan ukuran partikelnya menjadi 2 jenis, yaitu:
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

Universitas Sumatera Utara

9

aluminium cair pada katoda (Grojtheimand Welch, 1988). Di dalam industri
refraktori produk utama yang digunakan adalah alumina yang dikalsinasi,
alumina tabular yang diperoleh dari proses Bayer (Siobhan, 2014).
Parameter

Satuan

Spesifikasi

Alumina memiliki 2 tipe struktur, heksagonal dan oktahedral. Posisi
heksagonal berada di sudut sel, sementara oktahedral berada di antara 2 lapisan
vertikal, kation Al 2/3 dan anion oksigen pada 1/3 bagian. Masing - masing
oksigen dibagi diantara 4 oktahedra. Struktur alumina pada kondisi cair
menunjukkan ada 4 oksigen yang terikat dan masing masing oksigen hanya 3
aluminium. Struktur alumina dalam bentuk kristal berbeda dengan alumina yang
sudah melebur (cair) (Davis, 2010).
Dari penelitian yang dilakukan oleh Maciel, dkk (2007) diketahui hasil
analisa SEM terhadap alumina (bahan baku) serta alumina yang dipanaskan
sampai 700oC.

Gambar 2.5. Analisa SEM (a) alumina, (b) alumina pemanasan 700oC

Dari gambar di atas dapat dilihat perbedaan struktur alumina standar
dengan alumina yang dipanaskan sampai 700oC.Alumina yang telah dipanaskan
terlihat semakin besar luas permukaan dan struktur kristalnya lebih tak beraturan.

Universitas Sumatera Utara

10

Loss on Ignition (300-1000oC)

%

Maks. 1,00

SiO2

%

Maks. 0,03

Fe2O3

%

Maks. 0,03

TiO2

%

Maks. 0,005

Na2O

%

Maks. 0,600

CaO

%

Maks. 0,060

Al2O3

%

Min. 98,40

m2/g

40-80

+ 100 mesh

%

Maks.12,0

+ 150 mesh

%

Min. 25

- 325 mesh

%

Maks. 12,0

Spesific Surface Area
Ukuran Partikel

Berikut ditampilkan data standar spesifikasi yang ada di salah satu pabrik
peleburan aluminium.
Tabel 2.1. Spesifikasi Alumina (PT Inalum, 2010)

2.2. Aluminium
Aluminium diambil dari mineral bauksit, nama bauksit diambil dari nama daerah
Baux (atau Beaux) di Perancis. Aluminium adalah unsur logam yang paling
berlimpah di kerak bumi( 8 % ) dan elemen terkaya ketiga setelah oksigen (47 %)
dan silikon (28 %) (Wu dkk, 2001). Boleh dikatakan setiap negara mempunyai
persediaan bahan yang mengandung aluminium, tetapi proses untuk mendapatkan
aluminium logam dari kebanyakan bahan itu masih belum ekonomis. Logam
aluminium pertama kali dibuat dalam bentuk murni oleh Oersted, pada tahun

1825, yang memanaskan ammonium klorida NH4Cl dengan amalgam kaliumraksa (K-Hg).

Universitas Sumatera Utara

11

Pada tahun 1854, Henri Sainte-Claire Deville membuat aluminium dari
natrium-aluminium klorida dengan jalan memanaskan dengan logam natrium.
Proses ini beroperasi selama 35 tahun dan logamnya dijual dengan harga $ 220
per kilogram. Pada tahun 1886 Charles Hall mulai memproduksi aluminium
dengan skala besar seperti sekarang, yaitu melalui elektrolisis alumina didalam
kriolit (Na3AlF6) lebur. Pada tahun itu pula, Paul Heroult mendapat hak paten dar
Prancis 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 per kilogram. Industri ini berkembang
dengan baik, berdasarkan suatu pasaran yang sehat dan berkembang atas dasar
penelitian mengenai sifat-sifat aluminium dan cara-cara pemakaian yang
ekonomis bagi bahan itu (Austin, 1990).

2.2.1. Sifat-sifat Aluminium
Dalam tiga dasawarsa terakhir ini aluminium telah menjadi salah satu logam
industri yang paling luas penggunaannya di dunia.Aluminium banyak digunakan
didalam semua sektor utama industri seperti angkutan, konstruksi, listrik, peti
kemas dan kemasan, alat rumah tangga serta peralatan mekanis.
Penggunaan aluminium yang luas disebabkan aluminium memiliki sifatsifat yang lebih baik dari logam lainnya seperti:
a. Ringan : memiliki bobot sekitar 1/3 dari bobot besi dan baja, atau tembaga dan
karenanya banyak digunakan dalam industri transportasi seperti angkutan
udara.
b. Kuat : terutama bila dipadu dengan logam lain. Digunakan untuk pembuatan
produk yang memerlukan kekuatan tinggi seperti : pesawat terbang, kapal laut,
bejana tekan, kendaraan dan lain-lain.
c. Mudah dibentuk dengan semua proses pengerjaan logam. Mudah dirakit
karena dapat disambung dengan logam/material lainnya melalui pengelasan,
brazing, solder, adhesive bonding, sambungan mekanis, atau dengan teknik
penyambungan lainnya.

Universitas Sumatera Utara

12

d. Tahan korosi : sifatnya durabel sehingga baik dipakai untuk lingkungan yang
dipengaruhi oleh unsur-unsur seperti air, udara, suhu dan unsur-unsur kimia
lainnya, baik di ruang angkasa atau bahkan sampai ke dasar laut.
e. Konduktor listrik : setiap satu kilogram aluminium dapat menghantarkan arus
listrik dua kali lebih besar jika dibandingkan dengan tembaga. Karena
aluminium relatif tidak mahal dan ringan, maka aluminium sangat baik untuk
kabel-kabel listrik overhead maupun bawah tanah.
f. Konduktor panas : sifat ini sangat baik untuk penggunaan pada mesinmesin/alat-alat pemindah panas sehingga dapat memberikan penghematan
energi.
g. Memantulkan sinar dan panas : Dapat dibuat sedemikian rupa sehingga
memiliki kemampuan pantul yang tinggi yaitu sekitar 95% dibandingkan
dengan kekuatan pantul sebuah cermin. Sifat pantul ini menjadikan aluminium
sangat baik untuk peralatan penahan radiasi panas.
h. Non magnetik : dan karenanya sangat baik untuk penggunaan pada peralatan
listrik/elektronik, pemancar radio/TV. dan lain-lain, dimana diperlukan faktor
magnetisasi negatif.
i. Tak beracun : dan karenanya sangat baik untuk penggunaan pada industri
makanan, minuman, dan obat-obatan, yaitu untuik peti kemas dan
pembungkus.
j. Memiliki ketangguhan yang baik : dalam keadaan dingin dan tidak seperti
logam lainnya yang menjadi getas bila didinginkan. Sifat ini sangat baik untuk
penggunaan pada pemrosesan maupun transportasi LNG dimana suhu gas cair
LNG ini dapat mencapai dibawah -150 oC.
k. Menarik : dan karena itu aluminium sering digunakan tanpa diberi proses
pengerjaan akhir. Tampak permukaan aluminium sangat menarik dan karena
itu cocok untuk perabot rumah (hiasan), bahan bangunan dan mobil.
Disamping itu aluminium dapat diberi surface treatment, dapat dikilapkan,
disikat atau dicat dengan berbagai warna, dan juga diberi proses anodisasi.
Proses ini menghasilkan lapisan yang juga dapat melindungi logam dari
goresan dan jenis abrasi lainnya.

Universitas Sumatera Utara

13

l. Mampu diproses ulang-guna yaitu dengan mengolahnya kembali melalui
proses peleburan dan selanjutnya dibentuk menjadi produk seperti yang
diinginkan. Proses ulang-guna ini dapat menghemat energi, modal dan bahan
baku yang berharga (Daryus, 2008).

2.3. Adsorpsi
Menurut Reynolds dan Paul (1995),adsorpsi adalah pengumpulan substansi pada
permukaan adsorban berbentuk padatan, sedangkan absorpsi adalah perembesan
dari pengumpulan substansi ke dalam padatan.Adsorpsi diklasifikasikan menjadi
dua yaitu adsorpsi fisik dan kimia. Adsorpsi fisik terutama dikarenakan oleh gaya
van der waals dan terjadi bolak balik (reversibel). Ketika gaya antar molekul dari
interaksi antara solute (zat yang dilarutkan) dan adsorban lebih besar daripada
gaya atraksi antara solute dan solvent.Solute akan diserap pada permukaan
adsorban. Contoh dari adsorpsi fisik adalah adsorpsi oleh karbon aktif.Kinetika
adsorpsi dapat dijelaskan sebagai tingkat perpindahan molekul dari larutan ke
dalam pori-pori partikel, adsorban. Terdapat tiga mekanisme yang terjadi pada
proses adsorpsi (Yuniarto, 1999) yaitu:
1. Molekul-molekul zat yang diserap dipindahkan dari bagian terbesar larutan ke
permukaan luar dari adsorban. Fase ini disebut sebagai difusi film atau difusi
eksternal.
2. Molekul-molekul zat yang diserap dipindahkan pada kedudukan adsorpsi pada
permukaan adsorban ke bagian yang lebih dalam yaitu pada bagian pori. Fase
ini disebut dengan difusi pori.
3. Molekul-molekul zat yang diadsorpsi menempel pada permukaan partikel.

Pemurnian gas melalui proses adsoprsi memainkan peranan utama dalam
mengontrol polusi udara serta menjadi solusi atas pemurniaan air (Weber, 1995).

Faktor yang Mempengaruhi Adsorpsi Fisik
Menurut Cooney (1998), ada banyak faktor yang mempengaruhi adsorpsi secara
fisik, yaitu:

Universitas Sumatera Utara

14

1. Suhu
Pada umumnya, naiknya suhu menyebabkan berkurangnya kemampuan
adsorpsi karena molekul dari adsorban mempunyai energi getaran lebih besar
dan oleh karena itu, akan keluar dari permukaan. Semua aplikasi dari adsorpsi
ini berada dibawah kondisi isoterm yaitu biasanya pada suhu ambien. Perlu
diwaspadai bahwa kemampuan adsorpsi akan berkurang pada suhu yang tinggi.
2. Sifat pelarut
Pelarut mempunyai pengaruh penting karena akan berkompetisi dengan karbon
aktif dalam atraksinya terhadap solute. Jada adsorpsi dari solute organik akan
lebih rendah dari pada adsorpsi pada zat cair lain. Bagaimanapun akan banyak
pelarut dalam air, oleh karena itu tidak perlu dikhawatirkan terlalu jauh pelarut
dalam air.
3. Area permukaan karbon
Jumlah substansi yang karbon dapat serap, secara langsung terjadi pada area
permukaan internal.Hal ini tidak sepenuhnya benar.Pada penyerapan molekul
besar, banyak dari area permukaan internal yang kemungkinannya tidak dapat
terjadi.
4. Struktur pori dari karbon
Struktur pori merupakan bagian penting dikarenakan diameter pori yang
mempunyai range 10 sampai 100.000 A, kontrol ukuran molekul yang sesuai.
5. Sifat dari solute
Senyawa anorganik menunjukkan range luas dari adsorpsi. Di satu sisi,
pemisahan kuat garam seperti sodium chloride dan potasium nitrat tidak semua
diadsorpsi oleh karbon aktif. Di sisi yang lainsolute yang tidak dipisahkan
dengan kuat seperti iodin dan merkuri klorida sangat bagus diadsorpsi. Faktor
kunci terlihat apakah solute ada pada bentuk netral atau terion.

Universitas Sumatera Utara

15

6. Pengenceran pH
Pengaruh pada pengenceran pH sangat penting ketika adsorpsi merupakan
untuk zat yang dapat terion. Diketahui bahwa adsorpsi akan rendah pada
bentuk terion. Pada umumnya tingkat adsorpsi akan meningkat apabila pH
diturunkan.

Gambar 2.6. Peralatan adsorpsi HF penelitian William D. Lamb, et.al

Peralatan adsoprsi HF yang dirancang oleh William D. Lamb secara
umum masih diterapkan sampai saat ini, dimana proses pengambilan sampel
masih menggunakan larutan buffer.

2.3.1. Adsorben
1. Karbon aktif
Merupakan arang yang diperoleh dari carbinisation kayu, coconul shells, peat,
fruit pits. Sebagai activating agent digunakan zinc chlorida, magnesium
chlorida, kalsium chlorida dan phosphoric acid. Digunakan untuk control
polusi, solvent recovery, mengurangi bau dan gas purification. Berikut
disampaikan tipical properties dari karbon aktif pada Tabel 2.2.,

Universitas Sumatera Utara

16

Tabel 2. 2. Spesifikasi karbon aktif
3

22 - 34 lb/ft
o
0.27- 0.36 Btu-lb F

Massa jenis
Kapasitas panas

3
0.56 - 1.20 cm /g
2
600 - 1600 m /g

Pori - pori
Luas permukaan

15 - 25 Ȃ
o
100 - 140 C

Rata - rata diameter pori
Suhu (uap)

o
150 C

Suhu maksimum

2. Activated alumina
Activated alumina (hydrated aluminium oxide) berasal dari native aluminas
atau bauxite, berbentuk granular atau pellet dengan tipical properties
sebagaimana Tabel 2.3. Umumnya digunakan untuk drying gas, adapun
spesifikasi alumina aktif yang digunakan sebagai berikut:
Tabel 2. 3. Spesifikasi alumina aktif
Massa jenis
3
38 - 42 lb/ft
3
54 - 58 lb/ft

Butiran
Butir kasar

o

0.21- 0.25 Btu-lb F
3
0.29 - 0.37 cm /g

Kapasitas panas
Pori - pori
Luas permukaan

2
210 - 360 m /g

Rata - rata diameter pori

18 - 48 Ȃ
o
200 - 250 C

Suhu (uap)

o
500 C

Suhu maksimum

3. Silica gel
Berasal

dari

netralisasi

sodium

silikat

kemudian gel

dicuci

untuk

menghilangkan garam garam yang terbentuk selama proses reaksi netralisasi
dilanjutkan dengan proses pengeringan, pemanasan dan grading. Umumnya
berbentuk granular tetapi ada juga yang berbentuk bead.
2.4. Elektrolisa
Proses utama dalam menghasilkan aluminium dikenal dengan istilah proses HallHeroult yang merupakan penemu proses elektrolisa pada tahun 1886 dengan

Universitas Sumatera Utara

17

melarutkan alumina (Al2O3) ke dalam larutan elektrolit yang terdiri atas cairan
kliorit (Na3AlF6) dan aluminium florida (AlF3). Menghasilkan aluminium dengan
mendekomposisi elektrik diantara karbon dan elektroda aluminium pada
temperatur 950oC menjadi aluminium dan oksigen. Karbon yang digunakan akan
terus terkonsumsi dan bereaksi dengan oksigen membentuk karbon dioksida
(CO2) (Entner, 2007).
Dalam 2 abad terakhir proses peleburan aluminium merupakan proses
yang mahal dibandingkan peleburan emas dan menjadi logam yang diproduksi
terbanyak kedua setelah besi. Menurut data Australian Bureau of Agricultural and
Resource Economics, produksi aluminium dunia pada tahun 2007 mencapai 37.85
juta ton dan permintaaan dunia meningkat (Jessen, 2008).
Tungku reduksi merupakan peralatan utama dalam memproduksi
aluminium, dengan adanya beberapa anoda dan katoda.Di dalam tungku, alumina
melebur dengan bantuan kliorit di antara anoda dan katoda. Saat massa jenis
anoda dalam keadaan normal, reaksi berikut cukup mewakili secara umum seperti
apa terjadinya elektrolisa (Kuenen, dkk, 2009).
2 Al2O3 + 3 C(s) --> 4 Al(l) + 3 CO2(g)

(2.1)

dalam reaksi ini, CO2 dihasilkan, karena produksi gelembung cukup banyak di
dalam kliorit, anoda belum bisa diganti sebelum gelembung (bubbles) dapat
dihilangkan dari permukaan bawah anoda (Wang et al. 2014).
Dengan menggunakan arus listrik 180,000 Ampere pada proses elektrolisa
dapat menghasilkan 1,350 Kg aluminium per hari dan membutuhkan 2,550 Kg
alumina. Serbuk alumina ditambahkan dan terlarut di dalam larutan kliorit
(Tayloret al. 1996).

Universitas Sumatera Utara

18

Penggunaan material berupa anoda, alumina, AlF3, dan berbagai material
lainnya dapat menghasilkan produk utama berupa aluminium dan produk samping
serta gas buangan, hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.7.

Gambar 2.7. Aliran material pada pot reduksi(Gusberti, dkk.,2012)

Temperatur bath (kliorit) selama pot beroperasi normal berada di antara
940oC sampai 970oC, bath tidak terkonsumsi tetapi beberapa hilang karena
penguapan (Kola, 2009).Dari Gambar 2.7.dapat dilihat bagaimana emisi yang
terbentuk dan terbuang ke udara, dalam hal ini gas CO2 dan HF menjadi gas
emisi utama dalam proses peleburan aluminium. Gas HF khususnya dihasilkan
akibat adanya AlF3 pada bath dan H2O dalam bentuk gas yang berada di dalam
tungku reduksi (Haupin dan Kvande, 1993). Hal ini dapat dilihat dari reaksi yang
terjadi:
2 AlF3(in bath) + 3 H2O(g) --> Al2O3 + 6 HF(g)

(2.2)

3 NaAlF4 + 3 H2O(g) --> NaAlF6 + Al2O3 + 6 HF(g)

(2.3)

Universitas Sumatera Utara

19

2.4.1. Properti Larutan Elektrolit
Dalam proses elektrolisa larutan elektrolit memegang peranan yang sangat
penting,

berfungsi

sebagai

pelarut

alumina

yang dimasukkan.

Berikut

disampaikan beberapa parameter penting dalam larutan elektrolit.

2.4.1.1. Keasaman Bath
Keasaman bath dinyatakan dalam banyaknya kadar AlF3 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.

2.4.1.2. 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 – AlF3, temperatur liquidus dipengaruhi oleh besarnya kadar
keasaman. Ketika penambahan ataupun pengurangan AlF3 maka temperatur
liquidus akan bergerak turun ataupun naik. Dalam Gambar 2.8.ditunjukkan
diagram fasa NaF - AlF3.

Universitas Sumatera Utara

20

Gambar 2. 8. Diagram fasa NaF-AlF3
Diagram di atas menjelaskan bagaimana hubungan antara konsentrasi
NaF-AlF3 dengan temperatur. AlF3 sebagai adiktif akan mempengaruhi liquidus
temperature atau yang lebih dikenal dengan suhu dimana benda akan larut. Dalam
hal ini hendaknya selisih liquidus temperature dengan bath temperature harus
dijaga di rentang 10oC.
2.4.1.3. Voltase Pot
Voltase pot diberikan oleh komponen-komponen dalam maupun luar dari sel
elektrolisis, dimana secara keseluruhan besarnya voltase pot adalah 4,256 volt.
Voltase bath merupakan bagian paling besar kontribusinya terhadap voltase pot,
hal ini karena tahanan dan elektrokimia yang terjadi di dalam bath. Adapun
komponen-komponen voltase pot adalah:
a.

Voltase anoda
Besarnya voltase anoda diukur dari hubungan listrik diantara bagian-bagian
yang berbeda dari anoda seperti karbon anoda, yoke besi, rod aluminium dan
clamp anoda. Besarnya voltase anoda sekitar 0,25 volt.

Universitas Sumatera Utara

21

b.

Voltase bath
Voltase bath terbagi atas dua, yaitu voltase dekomposisi dan voltase operasi.
Voltase dekomposisi merupakan voltase minimum yang diperlukan untuk
membentuk aluminium dalam sel elektrolisa ideal yang besarnya adalah 1,6
volt. Sedangkan voltase operasi adalah voltase yang dipakai untuk
mendukung proses elektrolisa yang besarnya 1,8 volt.

c.

Voltase katoda
Voltase katoda ditetapkan dari jumlah lumpur (sludge) yang berada di atas
permukaan katoda, kualitas dan umur blokkatoda. Besarnya voltase katoda
sekitar 0,35 volt.

d.

Voltase busbar
Merupakan voltase eksternal dimana terjadi voltase drop dalam sistem
busbar. Besarnya voltase busbar sekitar 0,256 volt.

2.4.2. Siklus Operasi Tungku Reduksi
Secara umum siklus operasi pot reduksi dimulai dari rekonstruksi pot, baking atau
pemanasan awal, start-up, operasi normal hingga cut-out.

2.4.2.1. Perakitan Katoda dan Rekonstruksi Pot
Katoda merupakan komponen penghantar arus negatif pada pot yang terdiri dari
blok katoda yang merupakan karbon dan batang katoda berupa batang besi yang
akan disambungkan dengan jalur arus (busbar). Rekonstruksi pot dilaksanakan
pada pot yang telah mati dengan membongkar dan mengganti sebagian atau
seluruh material dari pot.Rekonstruksi pot dapat dilakukan secara sebagian
(partial reconstruction) maupun secara penuh (full reconstruction) tergantung
dari keadaan pot operasi. Adapun tahap-tahap yang dilakukan adalah:
1) Proses pemeriksaan bahan yang akan dipergunakan
Setelah diterima, bahan diperiksa kualitas dan spesifikasinya. Adapun
bahan-bahan yang diperiksa meliputi cathode block, cathode bar, pig iron,
ferro silica,

ferro phosphor dan bahan aditif seperti flux dan serbuk

karbon.
2) Pembersihan bar katoda

Universitas Sumatera Utara

22

Pembersihan katoda dilakukan untuk menghilangkan korosi yang ada pada
bar katoda. Pembersihan dilakukan dengan menggunakan shoot blast
machine.
3) Settingcathode block dan cathode bar
Setting yang dilakukan pada heating frame bertujuan agar posisi cathode
bar berada tepat ditengah cathode block.
4) Pemanasan
Pemanasan bertujuan untuk menghilangkan kadar air yang ada pada
cathode block dan cathode bar, selain itu pemanasan juga dilakukan untuk
menghindari thermal shock pada saat penuangan besi tuang. Pemanasan
dilakukan dengan menggunakan gas LPG hingga mencapai temperatur 600
– 700 oC selama 5 jam.
5) Peleburan pig iron di dalam induction furnace
Sebelum dilakukan peleburan, pig iron terlebih dahulu dilakukan
pemanasan yang bertujuan untuk menghilangkan kadar air. Untuk
membentuk besi tuang, pig iron dilebur di dalam induction furnace
bersama–sama dengan ferro silica, ferro sulfur, flux dan serbuk karbon.
6) Pouring atau penuangan besi tuang
Besi tuang dengan temperatur 1260-1340 0C yang diperoleh dari induction
furnace digunakan untuk menyambung/menyatukan blok katoda dengan
bar katoda.
7) Pendinginan
Setelah penuangan besi tuang, cathode assembly disimpan di tempat
penyimpanan.Cathode assembly ditutup dengan heat cover yang dibuat
secara khusus dari bahan Kao wool dan dilapisi dengan wire mesh yang
disebut fine flex.Hal ini dilakukan untuk mencegah penurunan suhu yang
terlalu cepat atau tiba-tiba. Proses ini berlangsung selama 8 jam.
8) Penyimpanan
Setelah selesai didinginkan cathode assembly disimpan untuk proses
rekonstruksi pot.
Proses Cathode Fastening dapat digambarkan sebagai berikut :

Universitas Sumatera Utara

23

Shot Blast

Material
Checking

Gambar 2. 9 Proses cathode fastening (PT Inalum, 2010)
Setelah melakukan perakitan katoda, maka rekontruksi pot berlanjut dengan
memasang katoda ke dalam shield, dan tungku siap untuk dipanaskan.

2.4.2.2. Baking (Preheating)
Baking atau biasanya disebut preheating adalah suatu proses pemanasan/
pemanggangan lining pot (katoda, ramming paste dan anoda) secara bertahap agar
pot yang baru direkonstruksi tidak mengalami thermal shock yang dapat
menimbulkan retak (crack) pada lining pot ketika pot dioperasikan secara
mendadak pada temperatur operasi yang sangat tinggi (± 960 oC). Secara umum
ada dua metodaproses baking yang digunakan saat ini, yaitu:
1. Reduction Cell Electrical Bake-out atau Resistance Preheating atau Coke Bed

Preheating.
Dalam prosesnya, metoda ini diterapkan terhadap pot yang telah
direkonstruksi sebagian atau penuh (partial or full reconstruction) tanpa ada
sisa bath dan metal beku di dalam pot tersebut. Pemanggangan dilakukan
dengan menggunakan arus listrik dan shunt resistor. Proses ini berlangsung

Universitas Sumatera Utara

24

sampai distribusi temperatur pada permukaan katoda mencapai ± 800-900 oC
(selama ±72 jam, tergantung dimensi pot dan kuat arus yang dipakai). Selain
itu metoda ini juga menggunakan kokas sebagai media penghantar arus/panas
dari anoda ke katoda dan sebagai isolasi terhadap oksidasi.

2. ReductionCell Fuel Bake-out atau Fuel Fired Baking atau Thermal
Preheating.
Metoda kedua ini adalah metoda baking yang menggunakan minyak
atau gas LPG sebagai bahan bakar dan dilengkapi dengan burner (semacam
nozzle untuk menginjeksikan nyala api/panas ke dalam pot). Gas Baking
System termasuk ke dalam kelompok metoda ini dan menggunakan gas LPG
sebagai bahan bakar di dalam prosesnya.

Pada umumnya, aluminium smelter (pabrik peleburan aluminium) di
negara maju yang krisis energi listrik banyak menggunakan metode gas baking
pada setiap proses baking sehingga mereka tidak lagi menggunakan arus listrik
pada saat baking tetapi memanfaatkan arus tersebut untuk meningkatkan
produktivitas (produksi aluminium cair). Apalagi kalau smelter tersebut tidak
memiliki fasilitas pembangkit listrik sendiri (dengan kata lain membeli listrik dari
perusahaan lain), mereka akan cenderung menggunakan metoda gas baking untuk
proses pemanggangan pot. Hal ini disebabkan karena harganya (total cost) jauh
lebih murah dan hasilnya cukup memuaskan apabila ditinjau dari segi distribusi
temperatur pada permukaan lining pot.
2.4.2.3. Start Up
Start up merupakan operasi awal dari suatu pot dimana pot yang baru dikenalkan
pada kondisi-kondisi operasi pot normal. Pada saat start up biasanya pot akan
diberikan bath cair sebanyak 12 ton yang diperoleh dari pot yang ada disekitarnya
dan juga diberikan “modal” berupa metal cair sebanyak 12 ton. Sebelum
dilakukan start up, terlebih dahulu dilakukan proses pemanasan (baking). Setelah
pot di start up, pot akan mengalami masa transisi yaitu masa peralihan dari start
up menuju operasi normal.

Universitas Sumatera Utara

25

Setelah proses baking dilakukan selama 3 hari maka dilakukan start up.
Proses start up dibedakan berdasarkan proses baking yang dilakukan, umumnya
start up untuk gas baking lebih cepat dan waktunya biasanya pada pagi hari
sedangkan start up untuk electric baking waktu yang dibutuhkan lebih lama dari
pada start upgas baking dan biasanya start up dilakukan pada siang hari.

2.4.2.4. Masa Transisi
Masa transisi adalah suatu fase dimana pot mengalami peralihan dari start up
menuju operasi normal. Lamanya masa transisi tergantung dari jenis rekonstruksi
yang telah dilakukan. Untuk pot rekonstruksi penuh masa transisi adalah 45 hari
sedangkan untuk rekonstruksi parsial masa transisi adalah 35 hari. Selama
transisi, komposisi bath, tinggi bath, dan tinggi metal harus dijaga sesuai dengan
standar yang digunakan oleh PT. Inalum.
Pada saat masa transisi ini dimasukkan soda abu yang akan membantu
pembentukan kerak samping yang berguna sebagai pelindung dinding samping
dari serangan bath yang korosif. Banyaknya soda abu yang dimasukkan
tergantung jenis rekonstruksi pot, biasanya pot yang rekonstruksi penuh lebih
banyak pemberian soda abu. Pada masa transisi juga dilakukan penggantian anoda
dan juga penghisapan metal (metal tapping). Pada akhir masa transisi diharapkan
heat balance di dalam pot sudah stabil.

2.4.2.5. Operasi Normal
Prosedur operasi dari pot reduksi dilakukan setiap hari agar tidak mengganggu
dari kondisi pot reduksi itu sendiri sehingga hasil produksi yang diperoleh sesuai
dengan yang diharapkan.Ada beberapa pekerjaan yang dilakukan pada operasi
normal ini seperti Anode Changing (AC) dan Metal Tapping (MT).

2.4.2.6. Cut-Out
Dalam pengoperasiannya, ada kalanya suatu pot harus dimatikan (cutout). Ada
beberapa alasan yang menyebabkan kondisi suatu pot memburuk dan harus
dimatikan, antara lain:

Universitas Sumatera Utara

26

1. Kadar Fe dan Si di dalam pot naik dan tidak dapat diturunkan kembali
Kadar Fe dan Si menjadi perhatian utama dalam hasil produksi reduksi
alumina menjadi aluminium. Kadar Fe didalam metal cair dapat meningkat
bila katoda retak atau berlubang, hal ini dapat menyebabkan kolektor bar
yang terbuat dari besi dapat tererosi sehingga kadar Fe meningkat. Selain
itu peningkatan kadar Fe yang tidak diinginkan dapat berasal dari nipple
pada stub (telah dijelaskan pada bagian sebelumnya). Peningkatan kadar Si
yang tidak diinginkan berasal dari tererosinya dinding (side wall) pot. Jika
kenaikan-kenaikan tersebut tidak dapat diatasi (diturunkan), maka pot
tersebut harus di cut out.
2. Operasi Pot yang sulit
Bila AE yang timbul sulit dihentikan, noise tegangan sulit dikendalikan,
temperatur dan tegangan sulit diturunkan, serta operasi manual banyak
dilakukan sehingga memberatkan kinerja operator, maka pot tersebut bisa
dikatakan sulit dioperasikan. Kondisi sepeti ini biasanya terjadi pada pot
tua yang lumpurnya tinggi dan penanganannya adalah dengan cara mengcut out pot tersebut.

Universitas Sumatera Utara

27

2. 5. Produksi Aluminium
Exhaust
gas

DC Electric Power
Aluminium Fluoride

Clean
Gas

Alumina

Ship

Unloader

Recovered Cryolite (For Start up only)

Reduction Cell 510
Units

Dry
Scrubber

Molten
Aluminium

Alumina
Silo

Holding
Furnace

Casting
Machine

CASTING SHOP
REDUCTION PLANT
Coke

Pitch

Coke Silo

Pitch
Storage
House

Main Fan
GAS CLEANING SYSTEM

Aluminium
Ingot 22,7
kg/Pc

Clean
Gas

Cast
Iron
Anode
Assembly

Fan
Pre Heater

Ko-Kneader

Butt
Cleaner

Rod

Butt Press

GAS CLEANING SYSTEM

Exhaust
gas

Pitch

Shaking
Machine

Heavy oil

Baking Furnace

ANODE GREEN PLANT

Return
Crust

ANODE BAKING PLANT

Baked
Block

Butt Silo

Butt Crush
Crusher
ANODE RODDING PLANT

Gambar 2.10. Diagram proses produksi aluminium
Dari segi teori, produksi aluminium per hari per tungku direpresentasikan
dengan persamaan berikut:
PAl = 0.3354 * I * t

(2.4)

Keterangan:
PAl

= Produksi Aluminium secara teoritis (Kg)

I

= Arus listrik (kA)

t

= Waktu (jam)

2.5.1 Efisiensi Arus
Efisensi arus atau (Current Efficiency, CE) merupakan persentase
perbandingan antara jumlah metal yang dihasilkan dari pot dengan jumlah metal
yang dihasilkan secara teoritis.
Current Efficiency (CE) =

Berat metal yang di tapping
x 100 %
Berat metal secara teoritis

(2.5)

Dalam sel elektrolisis modern, rata-rata CE adalah 92 – 95%, hal ini
tergantung kepada prosedur teknis yang dilakukan. Besarnya CE dapat
dipengaruhi oleh beberapa hal antara lain:

Universitas Sumatera Utara

28

a. Temperatur operasi
Temperatur operasi harus dijaga karena akan sangat mempengaruhi CE.
Bila temperatur operasi terlalu tinggi maka akan mempercepat laju reaksi
kabut metal atau reaksi balik, namun bila temperatur operasi terlalu rendah
maka bath tidak dapat melarutkan Al2O3 sehingga Al2O3 menjadi lumpur.
b. Kadar alumina
Banyaknya metal yang dihasilkan tergantung pada banyaknya kadar Al2O3
di dalam bath, kadar Al2O3 dalam bath harus tetap berada pada 1 – 3%.

Gambar 2.11. Hubungan konsentrasi alumina dengan resistansi di dalam bath

2.6. Gas HF
Hidrogen fluorida adalah senyawa hidrogen dan fluorin dengan rumus kimia HF.
Fluor adalah anggota dari kelompok unsur yang dikenal sebagai halogen, yang
semuanya bergabung dengan hidrogen dengan cara yang sama untuk membentuk
hidrogen halida. Pada suhu kamar dan tekanan normal, hidrogen fluorida adalah
gas tidak berwarna dengan titik didih 67,1 ° F (19,5 ° C), yang jauh lebih tinggi
daripada halida hidrogen yang lain, dan memungkinkan untuk eksis sebagai
cairan pada suhu sehari-hari . Dalam air, larut untuk membentuk asam fluorida.
HF cair juga dikenal sebagai anhidrat – yang berarti bebas air – asam fluorida,
dan “HF” dapat digunakan untuk menunjukkan gas, cairan, atau asam encer.
Dalam larutan berair, asam fluorida adalah asam lemah, karena ikatan
hidrogen antara HF dan molekul air, yang membatasi tingkat disosiasi menjadi
ion.Ikatan hidrogen antara molekul HF menyumbang titik didih yang relatif tinggi

Universitas Sumatera Utara

29

hidrogen fluorida jika dibandingkan dengan hidrogen halida lainnya. Asam
bereaksi dengan banyak logam, biasanya membentuk gas hidrogen dan fluoride
logam, misalnya: Mg + 2HF -> MgF2 + H2. Tidak seperti banyak asam, namun
juga mudah bereaksi dengan sebagian besar oksida logam dan dengan silikat,
termasuk kaca, membentuk senyawa larut.Untuk alasan ini, tidak dapat disimpan
dalam botol kaca.
Hidrogen fluorida dapat diproduksi oleh reaksi fluorida logam, misalnya
kalsium fluorida, dengan asam sulfat: CaF2 + H2SO4 -> CaSO4 + 2HF. Hal ini
dihasilkan dengan cara ini dalam industri kimia, menggunakan fluorit, bentuk
mineral umum dari kalsium fluorida. Penggunaan industri utama dalam produksi
politetrafluoroetilena

(PTFE),

dalam

industri

semikonduktor

untuk

menghilangkan oksida dari silikon, dalam ekstraksi uranium dari bijih oksida,
dalam kaca etsa dan sebagai katalis dalam industri petrokimia.Hal ini juga
digunakan untuk menghilangkan noda karat, karena bereaksi dengan oksida logam
untuk membentuk fluor larut.Fluor diproduksi industri dengan elektrolisis HF
cair.
Di laboratorium, HF dalam bentuk asam fluorida berair digunakan dalam
analisis mineral karena kemampuannya untuk melarutkan silikat.Hal ini juga
digunakan dalam analisis serbuk sari dalam sampel tanah.Tanah sebagian besar
terdiri dari bahan organik dan mineral, dengan mineral terutama terdiri dari
karbonat dan silikat. Untuk mengidentifikasi serbuk sari ini, bahan ini perlu
dihapus, dan, setelah pengobatan dengan reagen lain untuk menghapus karbonat
dan bahan organik, asam fluorida digunakan untuk menghilangkan mineral silikat.
Hydrogen fluorida dan asam fluorida sangat beracun dan sangat
korosif.Menghirup gas merusak sistem pernapasan dan dapat menyebabkan
edema paru dan kematian.Kontak kulit dengan asam fluorida, bahkan dalam
larutan yang sangat encer, bisa mengakibatkan luka bakar parah dan
memungkinkan ion fluorida ke dalam aliran darah.Asam diserap sangat cepat
melalui kulit luar dan membunuh jaringan hidup di bawahnya, terutama
disebabkan oleh ion fluorida menggabungkan dengan ion kalsium dan
mempercepat larut kalsium fluorida. Kalsium sangat penting untuk metabolisme
sel dan fungsi organ vital, penghapusan dari sistem dapat menyebabkan kondisi

Universitas Sumatera Utara

30

yang dikenal sebagai hipokalsemia, yang dapat menyebabkan kematian akibat
serangan jantung atau kegagalan beberapa organ.
Karena bahaya ini, hidrogen fluorida dan asam fluorida harus ditangani
dengan sangat hati-hati dan tindakan pencegahan keselamatan yang ketat biasanya
diamati di mana mereka digunakan.Tertelan, terhirup atau kontak kulit dengan HF
memerlukan perhatian medis yang mendesak, bahkan jika tidak ada gejala
langsung, seperti dengan larutan encer efek mungkin tertunda.Tumpahan meliputi
2% atau lebih dari permukaan tubuh dianggap mengancam kehidupan, karena
risiko jumlah yang signifikan dari ion fluorida memasuki aliran darah.Penerapan
kalsium glukonat gel ke daerah yang terkena menyediakan ion kalsium yang
mengikat ion fluorida, membantu untuk meminimalkan kerusakan dan mencegah
hipokalsemia.

2.6.1. Faktor – Faktor yang mempengaruhi terbentuknya gas HF
a. Pengaruh Tempratur Bath
Selama Operasi normal tempratur bath dipertahankan sekitar 965oC dengan
bertambahnya

tempratur dari molten bath maka tekanan uap NaAlF4

bertambah sehingga pembentukan fluoride juga bertambah.
b. Konsentrasi alumina
Dengan berkurangnya konsentrasi alumina pada molten bath , maka tekanan
uap dari NaAlF4 bertambah dan akan terjadi anoda effect , akibat dari
terbentuknya anoda effect maka pembentukan fluoride akan bertambah ,
oleh sebab itu selama proses reduksi harus dijaga konsentrasi alumina pada
bath.

2.6.2. Pengaruh Operasi tungku reduksi terhadap pembentukan Fluorida
Selama operasi normal, permukaan dari molten bath harus ditutup sempurna
dengan crust atau alumina. Apabila permukaan bath terbuka langsung ke atmosfer
, maka akan dihasilkan fluoride dengan cara termal draft. Olehkarena itu setelah
operasi bagian yang terbuka ditutup dengan sempurna memakai alumina agar
pembentukan fluoride dapat dikurangi (PT Inalum, 2003).

Universitas Sumatera Utara

31

2.6.3. Gas – Gas yang dikeluarkan dari tungku reduksi
Selama operasi normal dari tungku reduksi unsure utama dari gas yang dihasilkan
adalah karbon dioksida (CO2) dan karbon monoksida (CO). Unsur yang lain yaitu
Hidrogen Fluorida, dan sedikit Sulfur Oksida. Selain itu juga mengandung
partikel – partikel yang terdiri dari bahan dasar bath yang dimasukkan seperti
alumina atau krolit dan karbon derbis (sisa atau runtuhan karbon) dari anoda yang
ikut terbawa keluar dengan aliran gas buang selama operasi reduksi.

2.6.4. Adsorbsi gas HF
Tempratur normal dari gas yang dihasilkan dari tungku reduksi adalah sekitar
90oC – 250oC dengan demikian reaksi antara fluoride dan alumina hanya reaksi
adsorbsi dari HF pada permukaan alumina.Pada umumnya ada 2 jenis absorbsi
yaitu absorbsi physis dan absorbsi kimia.
a. Adsorbsi physis
Adsorbsi ini disebut juga adsorbsi Van Der Waals karena ikatan antar
adsorben (Al2O3) dan adsorbat (HF) disebabkan oleh gaya Van Der Waals
sehingga gaya ikatannya sangat lemah. Apabila tempratur naik atau
tekanan parsial dari adsorbat (HF) turun, maka gaya ikatan turun dan
physisorbed adsorbat (HF) akan terjadi.
b. Adsorbsi kimia
Adsorbsi ini ditandai dengan penukaran atau pembacaan bersama elektron
antara adsorben dan adsorbat (HF) dan bentuk senyawa baru AlF3.Gaya
ikat antara adsorben dan adsorbat pada adsorbsi kimia jauh lebih kuat dari
pada adsorbsi physis.Reaksi antara HF dan alumina adalah reaksi antara
gas- padat, sehingga kondisi kontak yang efektif sangat penting. Dalam
proses kering gas HF hanya teradsorbsi secara kimia sebagai mono
molekuler pada permukaan alumina, sehingga perlu diketahui kualitas
penyerapan fluoride pada alumina dan kondisi fresh alumina.

Universitas Sumatera Utara

32

2.7. Gas Ideal
Termodinamika merupakan bagian yang lebih spesifik di dalam mempelajari
kimia fisika, ilmu yang berhubungan dengan sifat makroskopik yang pada
dasarnya dapat diukur.Sifat - sifat keadaan suatu materi yang dapat dilihat berupa
suhu, tekanan, volume dan sifat keadaan ini dapat dijabarkan dalam persamaan
keadaan, salah satu yang sederhana adalah persamaan keadaan gas ideal.
Persamaan jenis gas dikatakan ideal apabila gaya tarik menarik antar
molekul gas diabaikan. Gas yang akan berbentuk sesuai dengan ruang yang
ditempati, semakin besar massa gas maka semakin besar pula volume dari gas
tersebut. Volume (V) yang ditempati suatu zat yang massanya (m) tertentu
bergantung pada tekanan (p) yang diderita zat yang bersangkutan dan pada
suhunya (T). Kondisi ini dapat dihubungkan oleh persamaan:
pv = RT atau pV = nRT

(2.6)

Keterangan:
v = volume molar (m3/mol)
V = volume yang diberikan oleh n mol (m3)
R = konstanta gas (8,314 JK-1.mol-1 = 1,99 kal.mol-1.K-1)
T = suhu (K)
n = jumlah mol (mol)

Di dunia, tidak pernah ditemukan kondisi ideal, hal ini menuntut untuk
dilakukan asumsi agar gas mendekati ideal, antara lain:
a. Volume molekul gas diabaikan terhadap volume ruang
b. Molekul gas tidak saling berinteraksi
c. Gerakan partikel gas random, energi kinetik
d. Tumbukan lenting sempurna(Kovacs, 2012).

Universitas Sumatera Utara