Pada sel elektrolisa aluminium dengan proses Hall-Heroult anoda karbon terkonsumsi selama reduksi alumina berlangsung menurut persamaan sebagai berikut :
2 Al2O3(l) + 3C(s) 4Al(s) + 3CO2(g)
Membentuk gas karbon dioksida dan sejumlah kecil gas karbon monoksida dari reaksi samping berikut:
xxix
Al2O3(sol) + 3C(s) → 2Al(s) + 3CO(g)
Konsumsi berlebih anoda karbon dapat terjadi karena reaksi-reaksi samping berikut:
• Reaksi balik (reduksi) karbon dioksida yang dihasilkan dengan anoda karbon (disebut reaksi Bourdouard atau reaksi serangan karboksi)
C(s) + CO2(g) → 2CO(g)
• Reaksi anoda dengan oksigen yang terekspos diatas permukaan anoda (airburn)
C(s) + O2(g) → CO2(g)
Secara stokiometrik pembentukan Kg aluminium akan mengkonsumsi karbon sebesar 0,334 Kg berdasarkan reaksi dari proses elektrolisa Hall-Heroult
2.7.1 Konsumsi Elektrokimia
Di pabrik-pabrik peleburan aluminium, besarnya anoda karbon yang terkonsumsi dihubungkan sebagai fungsi dari logam yang dihasil. Perhitungan ini melibatkan efisiensi arus yang dapat menambah konsumsi karbon. Secara teoritis, konsumsi karbon dari proses elektrokimia dapat dihitung berdasarkan hukun faraday, adalah sebesar 0,112 gram untuk setiap amper-jam kuat arus yang mengalir.
Ketidakefisienan arus yang digunakan dapat terjadi terutama pada rapat arus yang rendah (0,1-0,3 A/cm2) secara termodinamika pada temperatur operasi sel
960-xxx
970oC elektrolisa akan menghasilkan gas karbon monoksida. Pembentukan aluminium dari reaksi ini akan mengkonsumsi karbon lebih banyak daripada teoritisnya.
Efisiensi arus yang mengalir akan berkurang secara drastis, apabila terjadi reaksi balik. Aluminium yang terlarut dari hasil elektrolisa dapat teroksidasi kembali oleh karbon dioksida pada anoda.
2Al(aq) + 3CO2(g) → 2 Al2O3(aq) +3CO(g)
2.7.2 Konsumsi Kimia
Selain reaksi elektrokimia, anoda karbon dapat terkonsumsi nelalui serangan-serangan kimia oleh kedua gas utama yang dihasilkan dari reaksi elektrolisa. Reaksi karbon dengan udara (airburn) akan meningkat 120% bila terjadi kenaikan temperatur dari 470 ke 500oC pada permukaan kontak antara anoda dengan udara.
Konsumsi anoda karena airburn ini dapat dikurangi dengan cara melapisi anoda dengan alumina agar mencegah udara masuk kedalam pori-pori anoda dan mengurangi permukaan atas anoda.
Konsumsi karbon karena reaksi dengan karbondioksida dapat terjadi didalam bath. Reaksi ini akan berjalan lebih cepat bila terdapat pengotor-pengotor yang dapat menjadi katalis pada material anoda. Pengotor-pengotor tersebut antara lain: vanadium, natrium, nikel, sulfur, kalsium.
xxxi
2.7.3 Konsumsi Fisika
Perbedaan reakstivitas antara materi pengikat (binder) dengan butiran materi pengisi (filter) pada materi penyusun anoda dapat mengakibatkan selective burning, dan melemahkan struktur ikatan. Struktur ikatan yang lemah ini menyebabkan pelepasa partikel-partikel pengisi oleh gaya-gaya mekanik, magnetik dan temperatur.
Kandungan zat pengotor pada bidang muka binder dan butiran filter akan mengakibatkan selective burning dari anodsa. Mekanisme ini terjadi dengan cara penglepasan karbon menjadi debu (dusting) dan terapung di bagian atas bath. Kehilangan partikel karbon yang tidak terkonsumsi secara elektrokimia ini tidak hanya menambah kebutuhan karbon, tetapi dapat menurunkan kualitas produksi pabrik malalui:
• Peningkatan biaya operasi akibat penambahan karbon yang terkonsumsi
• Penurunan efisiensi arus karena pengaruh insulasi yang meningkatkan temperatur
• Peningkatan biaya operasional pabrik karena proses skimming pot.
2.7.4 Konsumsi Keseluruhan
Keseluruhannya anoda yang terkonsumsi adalah hasil kombinasi dari berbagai pengaruh dan mekanisme yang telah dijelaskan.
xxxii
Korelasi antara masing-masing faktor dengan jumlah anoda yang terkonsumsi dikemukakan oleh Fischer (1991) melalui persamaan:
NC= C + (334/CE) + 1,2(BT-960)-1,7CRR + 9,3AP + 8TC – 1,5 ARR
NC = konsumsi anoda bersih (kgC/t Al)
C = faktor sel
CE = efisiensi arus (%)
BT = temperatur bath (oC)
CRR=residu reaktivitas karboksi (%)
AP = permeabilitas udara (nPm)
TC= konduktivitas panas (W/m K)
ARR= residu reaktivitas udar (Hume.M.Sheralyn,1999).
Berbagai macam reaksi yang dilakukan akan mempengaruhi pemakaian karbon anoda. Hal tersebut tidak sampai menghasilkan reduksi logam, hanya saja pemakaiannya tidak ekonomis dan ramah lingkungan. Secara teori keterbatasan pemakaiaan minimum elektrolit bisa menghasilkan produksi aluminium 334 KgC/ton Al. perhitungan koefisien ±49% meningkatkan pemakaian hingga 355 KgC/ton Al. ada tiga reaksi utama pemakaian anoda:
1. Air burn
Air Burn adalah reaksi oksigen dengan karbon anoda dimana permukaan karbon tersembur keudara. Karbon teroksidasi oleh udara CO2 pada suhu
300-xxxiii
400oC. secara kasat mata bentuk reaksi ini adalah semburan anoda keudara berkelok-kelok hingga keatas.
Berikut ini adalah reaksi axothermic
O2 + C ↔ CO2
Kepekatan anoda bereaksi sebagai katalisator yang mengakselerasikan reaksi air burn (nikel, vanadium dan sodium) atau sebagai penghambat ( sulfur mengurangi aktivitas sodium sebagai katalisator).
Faktor utama yang mempengaruhi air burn adalah bahan dasar anoda, suhu pembakaran, parameter cell, kedalaman anoda pada cell dan penutup anoda atau leburan aluminium yang menutupi anoda. Anoda-anoda biasanya ditutupi dengan bahan alumina sehingga air burn tadi lebih rendah.
2. CO2 Oksidasi
Oksidasi karbon dioksida merupakan reaksi karbon dioksida yang dihasilkan dari reduksi dominan dengan karbon hingga membentuk karbon monoksida. Terjadi didalam pori-pori anoda daqn dikarbon anoda yang diatas elektrolit yang tersusun gas CO2. reaksi endotermic dikenal dengan reaksi Boundouard atau karboksidasi. Berikut ini reaksi yang dihasilkan dan ini merupakan minor temperatur dibawah 800o
CO2 + C ↔ 2CO
Kepekatan yang peling penting adalah untuk mempengaruhi karbonisasi adalah kalsium, sodium dan sulfuur. Fluidasi arang mempunyai reaksi CO2 yang terendah dibandingkan dengan reaksi arang. Karbonsidasi terpengaruhi oleh bahan
xxxiv
dasar anoda, formulasi anoda berwarna hijau, suhu akhior prmbakaran anoda, penyerapan udara dan suhu tempat didalam reduksi.
3. Oksidasi (dusting=debu)
Oksidasi atau debu terjadi ketika ada reakstivitas ketidakseimbangan antara fase proses arang yang berbeda. Dusting terjadi dari proses oksidasi dan memakai kerja elektroda dengan selektif saat membakar element disekitar anoda. Junlah kepekatan yang begitu banyak juga menjadi penyebab utama oksidasi.
4. Efisiensi arus
Pemakaian gas anoda dan pemakaian keseluruhan kerja terpengaruhi oleh reaksi 2 Al + 3 CO2 → Al2O3+ 3CO
aluminium bereaksi dengan karbon sioksida yang menyebabkan kehilangan arus (Hulse.L.K 2000).
2.8 Kualitas Anoda
Kualitas anoda harus mempunyai fungsi dalam praktikum dan ekonomis saat dikerjakan dalam praktikum. Ketika kualitas elektroda paling tinggi maka pemakaian sangat dianjurkan, karena dijamin dalam hal kualitas maupun harga. Oleh karena itu kualitas anoda yang tinggi bisa mempengaruhi secara keseluruhan dari harga hingga produktivitas aluminium material dasar. Instruktur dan kemamuan proses dan pengoperasian hasila khir anoda.
xxxv
Persyaratan anoda adalah :
1. Resistansi tinggi terhadap oksidasi yang berfungsi meminimalkan pemakaian karnon yang banyak.
2. Kepadatan tinggi dan penyerapan rendah, ini dibuat untuk p0emakaian anoda, dusting dan perubahan perputaran anoda.
3. Kekuatan mekanis yang cukup u8ntuk integritas cara kerja dan pengaturannya 4. Resistansi listrik rendah untuk pemakaian yang besar
5. Kemurnian elemen yang tinggi untuk menghindari pemakaian logam aluminium dan anoda yang berlebihan
6. Resisten thermal (arus) tinggi untuk menghindari gangguan/kerusakan sel
Persyartan diatas telah membentuk konsep kualitas anoda. Karakteristik material dasar yang diperoleh dari residu minyak mentah, aspal dari proses batu bara dan petrolium mempengaruhi kualitas dan sifat anoda.
Untuk mencapai tujuan kualitas anoda tergantung pada penjelasan berikut ini:
1. Green Apparent Density (GAD)
GAD dimanfaatkan untuk dimensi geometrikal dan daya berat anoda setelah kompaksi. Jenis parameter ini merupakan indikasi adanya proses gangguan dan suhu dan aneka kondisi yang mempengaruhinya.
2. Baked Apparent Density (BAD)
BAD dimanfaatkan untuk pembakaran anoda dibagi dengan kalkulasi volum anoda yang terbakar. Kepadatan pembakaran mengurangi penyerapan udara dan bisa menyebarkan proses anoda di sell. Kepadatan level yang begitu besar bisa mengakibatjkan atus panas memuncak. BAD dikontrol oleh:
xxxvi
a) Materi dasar yang selektif b) Jumlah granulometry c) Keoptimalan pitch kontent
d) Proses optimal tujuannya untuk menghindari kekurangan kompaksi selama proses pembakaran
3. Baking Loss
Baking loss merupakan indikasi hilangnya uapan saat proses pembakaran batang anoda. Berubahnya nilai ini dapat menghasilkan variasi uapan.
4. Shrinkage/Penyusutan
Terurainya anoda bisa mengakibatkan kadar penyusutan tinggi. Kadar negatif merupakan indikasi ekspansi anoda.
5. Resistansi Listrik Khusus
Resistansi listrik khusus pada karbon anoda idealnya harus serendah mungkin. Tujuannya untuk mengurangi energi yang etrbuang sia-sia yang diakibatkan pemanasan anoda. Resistivitas normalnya dipengaruhi oleh struktur dasar arang, kepadatan anoda dan distribusi pori anoda. Kerusakan atau gangguan lain bisa saja terjadi seperti kelembapan yang berlebihan, arus listrik memuncak selama pembakaran atau pendinginan. Gangguan-gangguan ini diobservasi melalui standart nilai devisiasi tinggi. Kadar yang sangat rendah pada resistivitas listrik dan konduktivitas arus tinggi bisa terjadi kalau pembakrannya berlebihan. Situasi ini menyebabkan air burn.
xxxvii
Flexural Strength mengindikasikan kemunculan gangguan mikro dalam struktur anoda. Kadar flexural strength yang rendah menampakkan masalah dalam kestabilitas proses arang, kondisinya dalah rata-rata panas tinggi saat pembakaran.
7. Reaktivitas CO2 dan Reaktivitas O2
Kadar reaktivitas ini penting untuk menentukan kelemahan anoda, mengakses pemakaian karbon dan dusting disell elektrolisis. Ini depengaruhi oleh kepekatang pada material dasar dan parameter pembakaran saperti suhu dan panas yang dihasilkan.
8. Thermal Shock
Ketika anoda itu dingin, maka harus diset wadahnya menjadi elektrolit yang panas, suhu tinggi menciptakan tekanan arus panas didalam anoda dan bisa pecah anoda. Pada umunya anoda yang patah itu ada 3 cara yang berbeda secara horizontal, vertikal dan letak sudut. Kepatahan anoda bisa mengganggu cara kerja pot room dan hal ini dipengaruhi oleh
a. Material dasar anoda khususnya petrolium coke b. Formulasi anoda mentah
c. Bahan bakar anoda
d. Design cell dan pengoperasian parameter (Hulse,2000).
xxxviii
BAB 3
METODOLOGI PERCOBAAN
3.1Alat dan Bahan