BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Pengaruh Pemasukan Alumina Terhadap Operasi Tungku Reduksi di PT. Inalum Kuala Tanjung
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Aluminium
Aluminium adalah logam ringan yang cukup penting peranannya dalam kehidupan manusia. Aluminium merupakan unsur kimia golongan IIIA dalam sistem periodik unsur. Aluminium memiliki nomor atom 13 dan berat atom 26,9815 sma. Dalam udara bebas aluminium mudah teroksidasi membentuk lapisan tipis oksida
Al O
yaitu yang tahan karat. Aluminium bersifat amfoter yang terkorosi dalam
2
3 larutan asam maupun basa, tetapi pada pH 4-8 bersifat stabil (Anton J Hartono,1992).
Di dalam dunia usaha logam, ada dua logam ringan yang digunakan secara tersendiri : aluminium dan magnesium. Aluminium adalah logam yang paling banyak digunakan setelah baja. Logam ini ditemukan pada tahun 1827 oleh seorang kimiawan Jerman Friedrich Wohler. Aluminium umumnya ditemukan di atas bumi dalam bentuk senyawa kimia, dan tidak pernah ditemukan dalam keadaan murni.
Bahan dasar terpenting untuk pembuatan aluminium ialah bauksit, Bauksit ditemukan dalam bermacam-macam warna, antara lain putih, merah, kuning dan lain- lain. Di Eropa, bauksit banyak ditemukan di Prancis Italia, Rusia dan Hongaria. Bauksit juga banyak ditemukan di Afrika, Amerika, Asia, dan Australia. Melalui proses elektrolisa diperoleh derajat kemurnian sebesar 99,8%. Dari aluminium murni ini dihasilkan aluminium 99,998% melalui suatu elektrolisa khusus (elektrolisa tiga lapis).
Beberapa sifat dari aluminium murni yaitu berat jenisnya rendah sekitar 2,7 kg/dm3, berwarna putih seperti perak, mengkilap, memiliki daya hantar panas listrik yang baik, ketahanan karatnya tinggi. Aluminium menyelaputi diri di udara dengan sebuah lapisan oksida (pelindung) yang tidak mudah dirusak. Aluminium tidak tahan terhadap alkali dan asam. Karena kekerasannya rendah, aluminium kurang baik untuk diubah bentuk dengan penyerpihan dan cederung untuk melumas. Untuk ini diperlukan sudut serpih yang besar, kecepatan sayat yang tinggi dan bahan pelumas yang cocok.
Aluminium sangat lunak dan mudah diregangkan sehingga mudah diubah bentuk dalam keadaan dingin dan panas. Dengan penggilingan dapat dihasilkan selaput setebal 0,004mm. Melalui pemartilan bahkan dapat dicapai ketebalan 0,0005mm. aluminium dapat disolder dan dilas begitu saja. Untuk ini diperlukan bahan pelumer dan bahan las.
Aluminium tidak beracun dan tidak magnetis, merupakan reflektor (pemantul balik) yang baik untuk panas, cahaya dan gelombang-gelombang elektromagnetis. Di dalam elektroteknik, disamping berbagai macam paduan aluminium dalam bentuk lembaran, pipa, batang, benda tuangan, dan profil untuk bahan konstruksi dan sambungan, aluminium dipakai pula dalam jumlah besar sebagai bahan penghantar aluminium. Dalam bentuk tali baja-aluminium digunakan untuk transmisi tegangan tinggi dengan pembebanan mekanis tertinggi. Kawat baja yang dilapis seng dan dipersatukan secara kokoh dengan aluminium dapat menghasilkan penghantar arus yang memiliki ketahanan yang tinggi.
2.1.1. Sejarah Aluminium
Aluminium adalah logam yang terbanyak di dunia. Logam 8 % dari bagian pada kerak bumi. 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
NH klorida Cl dengan amalgam kalium-raksa (K-Hg). 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 ( Na AlF ) 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, G.T., 1990).
2.1.2. 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 sifat-sifat 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.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 mesin- mesin/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 atau elektronik, pemancar radio atau 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 -150ºC. 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. 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, A., 2008).
2.1.3. Kegunaan Aluminium
Aluminium banyak digunakan sebagai peralatan dapur, bahan konstruksi bangunan dan ribuan aplikasi lainnya dimanan logam yang mudah dibuat, kuat dan ringan diperlukan. Walaupun 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.
1. Senyawa Senyawa yang memiliki kegunaan besar adalah aluminium oksida,sulfat, dan larutan sulfat dalam kalium. Oksida aluminium, alumina muncul secara alami sebagai
ruby, safir, corundum
dan emery dan digunakan dalam pembuatan kaca dan tungku pemanas.
Aluminium oksida adalah sebuah senyawa kimia dari aluminium dan oksigen, dengan rumus kimia A l O Nama mineralnya adalah alumina, dan dalam bidang pertambangan, keramik dan teknik material senyawa ini lebih banyak disebut dengan nama alumina.
Aluminium oksida adalah insulator (penghambat) panas dan listrik yang baik.
l O
Umumnya A terdapat dalam bentuk kristalin yang disebut corundum atau α- aluminum oksida. A l O dipakai sebagai bahan abrasive dan sebagai komponen dalam alat pemotong, karena sifat kekerasannya.
Aluminium oksida berperan penting dalam ketahanan logam aluminium terhadap perkaratan dengan udara. Logam aluminium sebenarnya amat mudah bereaksi dengan oksigen di udara. Aluminium bereaksi dengan oksigen membentuk aluminium oksida, yang terbentuk sebagai lapisan tipis yang dengan cepat menutupi permukaan aluminium. Lapisan ini melindungi logam aluminium dari oksidasi lebih lanjut Ketebalan lapisan ini dapat ditingkatkan melalui proses anodisasi. Beberapa alloy (paduan logam), seperti perunggu aluminium, memanfaatkan sifat ini dengan menambahkan aluminium pada alloy untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi.
l O
A yang dihasilkan melalui anodisasi bersifat amorf, namun beberapa proses oksidasi seperti plasma electrolytic oxidation menghasilkan sebagian besar
l O
A dalam bentuk kristalin, yang meningkatkan kekerasannya. Secara alami, aluminium oksida terdapat dalam bentuk kristal corundum. Batu mulia rubi dan sapphire tersusun atas corundum dengan warna-warna khas yang disebabkan kadar ketidakmurnian dalam struktur corundum.
Aluminium oksida, atau alumina, merupakan komponen utama dalam bauksit bijih aluminium yang utama. Pabrik alumina terbesar di dunia adalah Alcoa, Alcan, dan Rusal. Perusahaan yang memiliki spesialisasi dalam produksi dari aluminium oksida dan aluminium hidroksida misalnya adalah Alcan dan Almatis. Bijih bauksit l O Fe O O
terdiri dari A , , and Si yang tidak murni. Campuran ini dimurnikan terlebih dahulu melalui Proses Bayer:
l O H ( OH)
A + 3 O + 2 NaOH + panas → 2 NaAl
Fe O tidak larut dalam basa yang dihasilkan, sehingga bisa dipisahkan O ( )
melalui penyaringan. Si larut dalam bentuk silikat Si . Ketika cairan yang dihasilkan didinginkan, terjadi endapan Al ( OH) , sedangkan silikat masih larut dalam
( OH)
cairan tersebut. Al yang dihasilkan kemudian dipanaskan, dan yang terbentuk adalah alumina.
2Al ( OH) + panas l O + 3 H O → A
Setiap tahunnya, 65 juta ton alumina digunakan, lebih dari 90%-nya digunakan dalam produksi logam aluminium. Aluminium hidroksida digunakan dalam pembuatan bahan kimia pengelolaan air seperti aluminium sulfat, polialuminium klorida, dan natrium aluminat. Bertonton alumina juga digunakan dalam pembuatan zeolit, pelapisan pigmen titania dan pemadam api. Aluminium oksida memiliki kekerasan 9 dalam skala Mohr. Hal ini menyebabkannya banyak digunakan sebagai abrasif untuk menggantikan intan yang jauh lebih mahal. Beberapa jenis ampelas, dan pembersih CD/DVD juga menggunakan aluminium oksida.
2. Senyawa organo-aluminum Senyawa-senyawa organo-aluminum digunakan dalam jumlah besar untuk polimerisasi olefin, dan di industri dihasilkan dari logam aluminum, hidrogen, dan olefin seperti reaksi berikut:
H CH Al ( CH = CHR)
2Al + 3 + 6 =CHR → Senyawa ini berupa dimer kecuali yang mengandung gugushidrokarbon yang meruah.
Misalnya, trimetilaluminum, Al ( CH ) , adalah dimer dengan gugus metil menjembatani
2
6
atom aluminum dengan ikatan tuna elektron (Gambar 2.1). Senyawa organoaluminum sangat reaktif dan terbakar secara spontan di udara. Senyawa-senyawa ini bereaksi dengan hebat dengan air dan membentuk hidrokarbon jenuh, dengan aluminium berubah menjadi aluminium hidroksida sesuai reaksi berikut:
Al ( CH CH ) H ( OH) C H
- 3 O + 3
→ Al Oleh karena itu, senyawa-senyawa ini harus ditangani di laboratorium dalam atmosfer yang inert sempurna.
Gambar 2.1
Struktur trimetil aluminum Katalis Ziegler-Natta, yang terdiri atas senyawa organoaluminium dan senyawa logam transisi membuat fenomena dalam katalisis polimerisasi, katalis ini dikembangkan tahun 1950-an, dan dianugerahi Nobel tahun 1963. Senyawa alkil logam transisi terbentuk bila senyawa organoaluminum bereaksi dengan senyawa logam transisi. Senyawa alkil logam transisi yang terbentuk dapat diisolasi bila ligan penstabil terkordinasi dengan atom logam pusat.
2.2. Alumina
Alumina merupakan persenyawaan kimia antara logam aluminium dengan
l O
oksigen (A ). Alumina ditemukan dialam dalam bentuk bauksit. Alumina merupakan bahan baku utama dalam proses elektrolisa aluminium. Alumina mempunyai morfologi sebagai bubuk berwarna putih dengan berat molekul 102, titik leleh pada 2050
˚C dan spesifikasi grafity 3,4 - 4,0. Dalam industri peleburan aluminium, alumina memegang 3 fungsi penting yaitu :
1. sebagai bahan baku utama dalam memproduksi aluminium
2. sebagai insulasi termal untuk mengurangi kehilangan panas dari atas tungku reduksi, dan untuk mempertahankan temperatur operasi 3. melindungi anoda dari oksidasi udara
Dalam pembuatannya, alumina dapat di buat dengan beberapa proses salah
Al O
satunya dengan proses bayer. Proses pembuatan alumina ( ) dari bijih bauksit dengan proses bayer. Proses bayer terdiri dari tiga tahap reaksi yaitu : a. Proses Ekstraksi
Al O . xH O + 2NaOH O + (x+1) H O
→ 2NaAl
b. Proses Dekomposisi
O H Al O H
2NaAl + 4 O
2NaOH + .3 O →
c. Proses Kalsinasi
- Al O .3 H O + Kalor Al O H O Pada proses kalsinasi akan dihasilkan 2 jenis alumina, yaitu :
1. Alumina Sandy, yaitu alumina yang diperoleh dengan kalsinasi jika operasi berlangsung pada temperatur rendah.
2. Alumina Fluory, yaitu alumina yang diperoleh dengan proses kalsinasi jika operasi berlangsung pada temperatur tinggi.
Tabel 2.1
Perbedaan Sifat Alumina Sandy dan Floury
Tipe Oksida Satuan Sandy Floury Keterangan
Alumina %
5
90 By X - Ray Hilang Pijar %
1.9 0.2 1100ºC Berat Jenis cm
3.50
3.90 g. Bulk Density Loose g.cm
1.3
1.0 Bulk Density Packeed g.cm
1.3
2 BET Permukaan Spesifik m g
42 . Sudut Jatuh Derajat
30 Spesifikasi Alumina
Tabel 2.2 Item Satuan SpesifikasiLoss on Ignition (300-1000 % 1,00 maks ˚C)
SiO2 % 0,03 maks Fe2O3 % 0,03 maks
TiO2 % 0,005 maks Na2O % 0,600 maks
CaO % 0,060 maks Al2O3 % 98,40 min
Spesific Surface Area m2/g 40-80 Particle Size
- 100 mesh % 12,0 maks
- 150 mesh % 25 min
- 325 mesh % 12,0 maks Angle of Refuse Deg 30-34
2.3. Proses Elektrolisis
Elektrolisis adalah peristiwa kimia yang melibatkan dua atau lebih spesies kimia yang berbeda, yang terjadi pada kedua elektroda (Anoda dan katoda) dan berlangsung bila aliran listrik searah, DC (Direct Current) dialirkan kedalam suatu pelarut elektrolit. Produksi aluminium dibuat didalam elektrolit cell atau disebut “pot”. Alumina tidak bisa dilarutkan di dalam larutan kriolit ( Na Al F ) pada suhu ± 960ºC. ampere tinggi, volt rendah dan listrik aktif di aliri melelui wadah berisi anoda karbon yang terendam dalam larutan alaktrolit.
Elektrolisis Al O yang terjadi dalam larutan (antara lapisan anoda dan larutan
Al O
logam). Ion-ion aluminium didalam dikurangi tujuannya untuk membentuk larutan aluminium yang berkumpul dibawah cell katoda. Ion-ion oxide bereaksi dengan anoda karbon hingga memproduksi karbon dioksida. Proses ini dikenal dengan proses Hall-Heroult, dipresentasikan dengan reaksi
Al O CO
2 (solution) + 3C (s) → 4 Al (l) + 3 (g) Mekanisme yang terjadi dalam proses tersebut adalah alumina diumpankan kedalam elektrolit dan terpisah menjadi ion aluminium yang bermuatan positif ( Al )
O
dan ion oksigen yang bermuatan negatif ( ). Arus searah dialirkan ke dalam tiap- tiap sel, sehingga menggerakkan ion-ion menuju arah yang berlawanan. Ion oksigen bergerak ke arah anoda, lalu bereaksi dengan karbon membentuk karbondioksida, sedangkan ion aluminium bergerak kearah katoda, lalu akan kehilangan muatannya membentuk aluminium.
Kondisi operasi sel elektrolisis di industri pada umumnya dapat dilihat pada
tabel 2.3. Kondisi operasi ini meliputi temperature bath, komposisi bath, jarak antara anoda dan katoda, tegangan sel, rapat arus, dan kedalaman logam cair.Tabel 2.3 Kondisi Operasi Sel Reduksi Variabel Rentang KondisiTemperatur 940-960 C Jarak antar kutub 4-6 cm
Excess Al F dalam Na AlF 3-10 % Rasio molar bath 2,2-2,9
Konsentrasi Al O 2-8 %
F
Jumlah Ca 2-8 % Potensial sel 4-5 V
Rapat arus m 0,7-1,2 A/c
Kedalaman metal 14-40 cm Bahan baku dalam proses Hall-Heroult terdiri dari alumina, elektrolit, katoda dan anoda. Proses hall-Heroult memproduksi aluminium dengan cara mereduksi aluminium dari bahan baku alumina dalam proses elektrolisis yang digerakkan oleh arus searah yang mengalir dari anoda ke katoda dengan kriolit sebagai elektrolit. Kedua elektroda yang digunakan terbuat dari bahan karbon (Grjotheim, K., 1988).
2.3.1. Mekanisme Elektrolisa Hall-Heroult
Produksi aluminium dilakukan dalam sel elektrolisis atau pot. Alumina
Al O
( ) dipisahkan dalam elektrolit cair (bath) pada temperatur 960 C di dalam sel baja segiempat yang besar yang saling berjajar dengan katoda blok karbon dan dilapisi
bricks. Aliran listrik searah (direct current, DC) dengan arus yang tinggi dan tegangan
yang rendah dilewatkan melalui blok karbon (anoda) yang dicelupkan dalam elektrolit cair (bath), kemudian melewati lapisan aluminium cair (molten) yang mengumpul diatas katoda karbon pada bagian bawah sel, lalu selanjutnya menuju ke katoda. Batang baja dalam blok katoda membawa aliran listrik ke sel selanjutnya melalui sistem busbar aluminium.
Al O
Elektrolisis terjadi dalam lapisan elektrolit cair (bath) yaitu lapisan diantara anoda dan metal cair. Ion aluminium dalam Al O direduksi untuk membentuk aluminium cair, yang kemudian mengumpul diatas katoda pada bagian bawah sel. Ion oksida bereaksi dengan anoda karbon dan menghasilkan karbondioksida. Ini dikenal sebagai proses Hall-Heroult yang ditunjukkan oleh reaksi:
2 Al O + 3C CO → 4Al + 3
Aluminium cair dihisap (tapping) dari sel kedalam “ceret” raksasa dan di bawa ke pabrik pencetakan (casthouse) dimana, aluminium cair itu akan dibentuk menjadi ingot untuk diproses lebih lanjut
Dalam industri peleburan aluminium, ada terdapat dua jenis tungku reduksi yang dipergunakan yaitu Prebaked Anode Furnace (PAF) dan Soderberg Anode
Furnace (SAF). Perbedaan kedua tipe tungku tersebut terletak pada cara
pemanggangan anodanya, dalam sistem PAF anoda dipanggang terlebih dahulu (prebaked) sebelum dipergunakan. Sedangkan pada sistem SAF tidak dilakukan pemanggangan pendahuluan, melainkan dimasukkan langsung ke dalam tungku reduksi. Pabrik peleburan aluminium di Kuala Tanjung menggunakan sistem PAF yang telah dikembangkan oleh Sumitomo Aluminium Smelting Co.Ltd (Siahaan,B., 1985).
Tipe pot (tungku reduksi)yang menggunakan tekhnologi Sumitomo (SM-17- SE = Sumitomo, 170 kA design, Side by side End riser) dengan sistem Centre Work
Pre Baked (CWPB)
. Arus listrik searah (DC) yang digunakan sebesar 188-200 kA (sekarang ini kapasitas terpasang di INALUM adalah 190,3 kA), dengan tegangan tiap pot (tungku reduksi) sekitar 4,2-4,4 volt. Pot satu dengan pot lainnya dihubungkan secara listrik seri dan diletakkan bersisian (Side by Side). Daya yang digunakan untuk satu pot kira-kira setara dengan 1600 rumah berdaya listrik 500 watt.
Reaksi keseluruhan pada industri elektrolisis alumina menggunakan anoda karbon adalah sebagai berikut:
2 Al O + 3 C Al + 3 CO
( ) ( ) → 4 ( ) ( )
Mekanisme reaksi yang paling sering terjadi adalah reduksi Al O secara langsung dengan reaksi:
Al O AlO + Al O
→
Al O Al + 2O
→
Al O
Dari reaksi diatas terbukti bahwa akan bergerak ke katoda, sedangkan akan bergerak menuju anoda.
Al + 3e Al( l)
Reaksi pada katoda : →
2O O + 4e
Reaksi pada anoda : →
Lalu selanjutnya O akan bereaksi dengan karbon anoda:
C( s) + O ( g) CO ( g)
→
C( s) + CO ( g)
2CO( g)
→
CO
Dari proses peleburan aluminium ini, selain menghasilkan gas dan CO, dihasilkan pula gas HF yang diketahui sangat berbahaya bagi kesehatan, melalui reaksi:
2AlF + 3H O Al O + 6HF, dan
→
2Na AlF + 3H O
2Al O + 6NaF + HF ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
→ Gas-gas yang dihasilkan selanjutnya akan dihisap oleh main exhaust fan dan masuk ke dalam DSS (Dry Scrubbing System), dimana sistem ini berfungsi menyaring debu dan mengadsorbsi gas flourida yang berasal dari pot reduksi (gas HF akan bereaksi dengan
fresh alumina yang berasal dari silo dan menghasilkan reacted alumina). Selanjutnya
gas-gas yang sudah bersih tersebut dibuang ke atmosfer melalui exhaust stack (PT.INALUM, 2011).
2.3.2. Jenis Sel yang digunakan dalam proses Hall-Heroult
Ada dua jenis sel yang digunakan dalam proses Hall-Heroult, yaitu sel yang menggunakan seperangkat anoda yang telah dipanggang terlebih dahulu (prapanggang) dan anoda yag memanggang sendiri (swapanggang) atau sering disebut anoda Soderberg. Pada kedua jenis anoda ini, anodanya disuspensi dari superstruktur yang menjulur keluar melalui lubang sel dan dihubungkan dengan batangan penghantar anoda yang dapat bergerak sehingga sisi vertikalnya dapat diukur. Blok- blok anoda yang prapanggangg dibuat dari campuran kokas migas kalsinasi berkadar abu rendah dengan pitch atau ter dan dicetak dalam press hidraulik,kemudian dipanggang sampai suhu 1100ºC.
Sel anoda soderberg mempunyai anoda tunggal yang besar yangmengisi sebagian besar lubang sel. Anoda itu ditempatkan di dalam rumahan baja yang terbuka, yang mempunyai dinding vertical.Anoda itu dipasangkan melalui rumahan tersebut ke dalam kriolit. Pada waktu sel itu dioperasikan untuk pertama kali, suhunya dinaikkan dengan menggunakan pemanasan tahanan listrik sampai mencapai suhu operasi., anoda itu kemudian dihubungkan dengan lapisan partikel kokas pada dasar lubang sel. Arus listrik kemudian dilewatkan melalui sel yang mengalami hubungan singkat itu sampai mencapai suhu yang dikehendaki.
Bahan elektrolit ditambahkan melalui lubang sel disekitar anoda. Pada waktu bahan ini berangsur-angsur melebur, anoda itu dinaikkan sehingga selnya beroperasi.
Biasanya jarak anoda dan katoda kira-kira 5cm. Elektrolit lebur itu terdiri terutama
F F Al O
dari kriolit (3NaF.Al ) dan sisanya Al serta CaF 6% sampai 10% berat dan 2% sampai 6%. Sebagian kriolit diimpor ke Amerika serikat dari Greenland, tetapi sebagian besar dibuat secara sintetis Al F juga dibuat secara sintetis dari hidrogen fluorida dan aluminium hidroksida .
2.4. Kebutuhan Alumina
Selama beroperasinya sel, terjadi pembentukan kerak di atas permukaan penangas lebur. Alumina ditambahkan ke atas kerak ini dan alumina akan mengalami pemanasan selanjutnya melepaskan kandungan airnya. Kerak itu dipecahkan secara berkala dan alumina itu diaduk ke dalam penangas agar konsentrasinya tetap berada di sekitar 2% sampai 6%. Kebutuhan teoritis alumina adalah 1,89 per kilogram aluminium. Tetapi dalam prakteknya, angkanya kira-kira 1,91. bila kadar alumina di dalam penangas itu sudah berkurang dan efek anoda berlangsung pada anoda itu terbentuk suatu lapisan tipis karbon tetrafluorida di penangas itu tidak dapat lagi membatasi permukaan anoda. Dalam hal ini voltase sel akan naik dan ini terlihat dari lampu peringatan atau lonceng yang dihubungkan dengan sel dan hanya bekerja jika sel beroperasi tidak normal. Bila ini terjadi, alumina kemudian diadukkan ke dalam sel, walaupun waktunya bukanlah waktu penambahan berkala yang direncanakan.
Mengenai mekanisme yang sebenarnya dari pelarutan alumina di dalam penangas dan bagaimana mekanisme dekomposisi elektrolitnya masih belum jelas. Tetapi pada akhirnya ialah pembebasan oksigen pada anoda dan pengendapan logam aluminium
CO
pada katoda. Oksigen itu bergabung dengan anoda karbon menghasilkan CO dan tetapi kebanyakan adalah CO (Austin G T.,1990).
2.5. Pengelolaan Material Alumina
Bahan-bahan untuk keperluan produksi aluminium pertama sekali didatangkan menggunakan kapal melalui pelabuhan. Bahan-bahan tersebut adalah fresh alumina, kokas (coke) dan hard pitch. Fresh alumina akan dimasukkan ke dalam silo alumina, kokas ke dalam silo kokas dan pitch ke dalam pitch storage house.
Bahan baku untuk keperluan di gedung reduksi berupa fresh alumina dibawa menggunakan belt conveyor ke dalam silo alumina yang berjumlah 3 unit dan masing- masing silo berkapasitas 20.000 ton, kemudian dibawa ke Dry ScrubbingSystem (DSS) yang berjumlah 27 unit (namun yang beroperasi sekarang 24 unit) yang masing-masing berkapasitas 13 ton dengan menggunakan air slide untuk direaksikan dengan gas HF yang berasal dari pot. Hasil dari reaksi ini adalah reacted alumina yang disimpan dalam alumina bin yang berjumlah 3 unit yang masing-masing berkapasitas 12.000 ton. Alumina dimasukkan ke daybin yang berjumlah 6 unit dan masing-masing berkapasitas 600 ton dengan menggunakan belt conveyor kemudian dari daybin dimasukkan kedalam distribusi bin yang berjumlah 12 unit yang masing- masing berkapasitas 60 ton dengan menggunakan air slide selanjutnya akan dimasukkan ke dalam hopper pot yang berjumlah 510 unit (namun yang beroperasi sekarang 470 unit) yang masing-masing berkapasitas 5 ton dengan menggunakan ACC. Dari hopperpot, Alumina akan dimasukkan ke dalam pot operasi.
Flowsheet aliran material alumina dapat dilihat pada Gambar 2.2 sebagai berikut : FRESH ALUM I NA DRY
SCRUBBER DAY BIN ALUM I NA REACTED DISTRIBU TION BI N ALUM INA SILO BIN ACC HOPPER POT
Gambar 2.2 FlowsheetAliran Material Alumina
2.5.1. Pemasukan Alumina
Alumina feeding sebagian besar biasanya terdapat dalam prosedur sel Hall- Heroult. Jadi, ini dilakukan dengan pengisian dan bentuk yang sangat berbeda dari operasi yang strategis.
Grjotheim telah menjelaskan beberapa karakteristik dan konsekuensi termal untuk tipe aluminium yang berbeda, gambarannya sangat berbeda untuk karakteristik break and feed, kebutuhan panas dan kecenderungan endapannya (sludge), awalnya menunjukkan keuntungan dari teknik feeding tersebut. Keuntungan-keuntungan ini mungkin secara ringkas yang terdapat dibawah ini :
a. Dalam pembentukan lumpur atau endapan (sludge) dapat diperkecil
Al O )
b. Konsentrasi alumina ( di dalam bath dapat dijaga konstan
c. Bilangan dari anode effect (AE) dapat menurun secara drastis Aplikasi dari proses pengontrolan alumina ( Al O ) adalah bentuk dari asumsi
Al O
bahwa kehabisan dari alumina ( ) dengan waktu tertentu. Strategi pengontrolan digunakan untuk menjaga konsentrasi alumina ( Al O ) di dalam bath dibagian sempit
Al O
dengan konsentrasi (± 0,5 % massa) dalam alumina ( ) yang rendah pada sisi sel yang minimum.
Aliran atau kecepatan feeding cocok dengan pertambahan berat unit per waktu, tetapi karena pembuangan yang lain mempunyai berat yang sama, dan itu tentu mempunyai waktu interval yang berlainan. Pada waktu periode tertentu alumina
Al O
( ) yang masuk ke dalam interval waktu yang singkat kepada aliran normal dari pemakaian alumina ( Al O ) dalam sel dan pada periode alumina ( Al O ) yang lain
Al O
pemasukan alumina ( ) pada interval yang lama (underfeeding) (Grjotheim, K., 1988).
2.5.2. Metode Pemasukan Alumina
Pemasukan Alumina ( Al O ) pada PT. Inalum memiliki dua metode, yaitu
Regular Feeding dan Demand Feeding. Regular Feeding adalah metode pemasukan Al O
alumina secara berkala dengan jumlah alumina ( ) per waktu yang telah ditentukan. Regular Feeding secara otomatis teah diatur pemasukannya oleh sistem komputer yaitu rata – rata 20kg per 15 menit sekali, di mana pada saat alumina
Al O Al O
( ) akan masuk kerak tengah akan dipecah oleh teeth blade dan alumina ( ) akan masuk ke dalam tungku reduksi. Demand Feeding adalah metode pemasukan alumina ( Al O ) berdasarkan kebutuhan dari tungku reduksi, di mana pada saat
Al O
tungku reduksi dalam keaadaan lapar atau membutuhkan alumina ( ) yang dideteksi oleh sistem komputer maka alumina ( Al O ) akan dimasukkan ke dalam tungku reduksi.
Metode Demand Feeding memeiliki pembagian pada waktu dan takaran pada
Al O
pemasukkan alumina ( ) untuk mengetahui kapan kondisi pot lapar dan kelebihan alumina ( Al O ) . Siklus pembagian metode Demand Feeding dapat dilihat pada tabel
2.4. Tabel 2.4. Pembagian Demand Feeding Over Feeding Under Feeding
Over Feeding A Over Feeding B (OB) Under Feeding A (UA) Under Feeding B (UB)
(OA) Feeding 100% Feeding Feeding 40% sampai
≥ 100% Feeding 70%
(normal) sampai ΔV- ΔV+ (OB + UA) = 120 selama 15 menit UA = (OB - 120 menit) selama 2 hari menit
Al O
Alumina ( ) sebelum masuk ke dalam pot kerak tengah akan dipecah oleh teeth blade agar alumina ( Al O ) dapat masuk dan tidak menumpuk dibagian anoda.
Kerak tengah saat dipecah oleh teeth blade kemudian alumina ( Al O ) masuk dalam tungku reduksi pada Gambar 2.3 sebagai berikut :
Gambar 2.3
Teeth Blade Memecah Kerak Tengah
2.6. Anode Effect (AE)
Anode effect adalah peristiwa naiknya tegangan listrik pot secara tiba-tiba karena kandungan alumina di dalam elektrolit sangat rendah. Anode effect dapat dihentikan dengan menambahkan alumina ke dalam elektrolit sambil menaik turunkan anoda sehingga gas-gas di bawah anoda dapat keluar. Pekerjaan seperti ini dapat dilakukan dengan kompoter maupun secara manual bila program kompoter tidak berhasil menghentikannya. Selain itu, menurunya kadar alumina di dalam kriolit akan menyebabkan kriolit berhenti membasahi anoda dan gelembung gas akan berkumpul di permukaan anoda., dan bila lapisan ini pecah, maka akan menimbulkan percikan bungan api atau funkenentladung (bahasa German), sehingga anode effect disebut para operatur juga sebagai funken.
Anode effect dapat menyebabkan terhambatnya aliran arus dari anoda ke katoda. Anosda effect dapat menyebabkan peningkatkan tegangan permukaan pada anoda atau lapisan elektrolit yang berada pada kerapatan arus kritis. Selain itu kekntalan juga mempengaruhi terjadinya Anode effect karena gelembung gas pada anoda sulit bergerak ke luar. Kekentalan yang tinggi terjadi karena rendahnya temperatur operasi.
Jika selama proses elektrolisa kandungan alumina dalam kriolit rendah, maka akan menyebabkan sudut pembasahan anoda oleh kriolit besar. Akibatnya gelembung- gelembung gas mudah berkumpul pada permukaan anoda yang berada dalam kriolit. Jika hal tersebut sering terjadi dalam pot, maka operasi tidak akan stabil dan akan mempengaruhi produksi dan CE (Current Efficiency) akan rendah.
Anode effect dihasilkan jika kandungan alumina yang terlarut dalam kriolit
rendah atau sekitar 1-1,5% dari kriolit.. selama berlangsungnya anode effect tegangan sel meningkat karena intensitas arus listrik dijaga konstan dalam sel-sel yang terhubung dalam satu rangkaian. Tegangan dapat bervariasi dari 10-50 volt, tergantung pada kondisi operasi dari sel terutama di bagian anoda. Walaupun memberikan banyak dampak negatif terhadap proses elektrolisa maupun kondisi pot, namun anode effect juga sangat penting untuk operasi tungku reduksi. Semua alumina yang ditambahkan terkonsumsi dan pot tersebut tidak mengalami overfeeding atau pemasukan alumina yang berlebihan (Alcan Alesa Engineering Ltd, 2007).