PENGARUH KONDISI KALSINASI ZrOCl2.8H2O SECARA CATU
TERHADAP STRUKTUR ZrO2
Tundjung Indrati Y, Budi Sulistyo dan Endang Nawangsih P3TM – BATAN
ABSTRAK
PENGARUH KONDISI KALSINASI ZrOCl2.8H2O SECARA CATU TERHADAP STRUKTUR
ZrO2. Penelitian pengaruh kalsinasi ZrOCl2.8H2O secara catu terhadap struktur mikro ZrO2 telah
dilakukan. Tujuan penelitian ini adalah kecuali untuk menentukan kondisi operasi juga
mempelajari struktur mikro ZrO2 untuk mengetahui karakter ZrO2 yang diperoleh sehingga dapat
aplikatif dalam penggunaannya dalam beberapa industri. Pada kalsinasi suhu 650 oC, waktu
kalsinasi 2 jam didapat serbuk ZrO2 mempunyai struktur kristal campuran tetrahedral dan
monoklinik, morfologi serbuk berbentuk jarum, luas muka 19,62 m2/g, jari jari rata rata pori
pori 19,42 Å dan volume total pori pori 19,06 x 10-3 cm3/g. Serbuk ZrO
2 hasil kalsinasi tersebut
dapat digunakan di industri yang tetap menggunakan bentuk serbuk dan bentuk pellet tanpa mengakibatkan efek swelling (penggelembungan).
ABSTRACT
EFFECT ZrOCl2.8H2O BATCH CALCINATION CONDITION TO ZrO2 STRUCTURE. The
research of ZrOCl2.8H2O batch calcination to ZrO2 structure have been done. The research
propose was indentified of operation conditions and studied ZrO2 micro structure for knowing
ZrO2 charactersation so the oxide can be applicated for some industries. By 650 oC and 2 hours
calcination, the ZrO2 have tetrahedral and monoclinic crystal structure, niddle shape for powder
morphology, specific surface area 19,62 m2/g, average pore radius 19,42 Å total pore volume
19,06 x 10-3 cm3/g. Zirconia, calcined ZrOCl
2.8H2O, can be used in some industries as powder or
pellet without swelling effect.
PENDAHULUAN
irkonium di Indonesia semula diperkirakan hanya didapat pada hasil buangan penambangan PT Timah ternyata akhir – akhir ini diduga terkandung dalam sisa hasil pendulangan emas di Kasongan – Kalimantan Tengah. Oleh sebab itu penelitian dan pengembangan mengenai Zr terus menerus dilakukan terutama di P3TM – BATAN. Metoda proses yang digunakan adalah KROLL yang terdiri dari metoda kering atau basah. Metoda basah mudah dilakukan tetapi penanganan limbahnya cukup banyak walaupun tidak rumit. Tahapan proses pada metoda basah adalah peleburan, pelindihan dengan H2O, pelindihan
dengan HCl, penguapan dan kristalisasi serta kalsinasi. Pada proses yang menginginkan hasilnya mempunyai kemurnian lebih tinggi maka setelah proses kristalasisasi ditambah dengan proses ekstraksi dan pengendapan baru dilakukan kalsinasi (1,2,3).
Z
Oksida ZrO2 adalah bahan yang strategis
untuk industri baik untuk industri nuklir maupun non nuklir. Untuk industri tertentu maka
memerlukan kemurnian tertentu demikian dengan struktur kristal, struktur mikro, luas muka dan distribusi ukuran serbuknya. Kemurnian dibawah 90 % banyak digunakan untuk bahan baku industri keramik termasuk refraktori, plat
zircalloy atau pipa zircalloy dan digunakan sebagai bahan penstabil warna di industri cat atau tinta. Kemurnian sekitar 95 % banyak digunakan sebagai pelapis alat perangkat keras seperti turbin. Kemurnian 99 % banyak digunakan sebagai komponen solid oxide fuell cell (SOFC) atau bahan komposit lainnya. Kemurnian tinggi diatas 99 % (nuclear grade) digunakan sebagai cladding atau kelongsong bahan bakar reaktor nuklir. Oksida ZrO2
mempunyai beberapa jenis struktur kristal diantaranya monoklinik, tetragonal atau campuran keduanya, pseodo hexagonal-rhombohedral atau trigonal dan kubik. Kajian mengenai struktur mikro baik morfologi serbuk, luas muka dan distribusi ukuran serbuk diperlukan karena berpengaruh pada proses selanjutnya untuk memperoleh suatu produk tertentu (4,5,6,7).
Oleh karena perubahan molekul dan perubahan struktur kristal dari ZrOCl2.8H2O
telah dipelajari pada penelitian terdahulu secara detil maka dalam kertas kerja ini hal tersebut disajikan sebagai pelengkap data. Jadi tujuan penelitian ini adalah
untuk memastikan spesifikasi strukturmikro ZrO2
yang dipengaruhi oleh kondisi kalsinasi sekaligus memastikan kondisi optimal kalsinasi ZrOCl2 8H2O yang telah ditentukan terlebih
dahulu sama atau tidak dengan kajian struktur mikro kali ini.
TEORI
Perubahan molekul yang terjadi saat kalsinasi ZrOCl2 .8H2O menjadi ZrO2 dapat
difahami dari persamaan reaksi sebagai berikut
(7).
ZrOCl2.8H2O ZrOCl2 + 8H2O (1)
ZrOCl2 + 8H2O ZrO2 + 2HCl + 7H2O (2) +
ZrOCl2.8H2O ZrO2 + 2HCl + 7H2O (3)
Mengacu adanya perubahan molekul ZrOCl2.8H2O menjadi oksida tentunya diikuti
terjadinya perubahan struktur kristal. Perubahan struktur kristal ini dapat dikarenakan terjadinya perubahan molekul tetapi juga dapat karena bahan tersebut anisotropik. Perubahan struktur mikro yang terdiri dari morfologi serbuk dan pori porinya adalah adanya efek gas dalam pori-pori serbuk tersebut dan sekaligus adanya pertumbuhan butir akibat pemanasan. Perubahan pori-pori juga disebabkan karena adanya perubahan struktur kristal atau anisotropik. Ini semua karena mengacu pada fenomena perpindahan atom. Perubahan pori-pori baik
dalam diameter dan volumenya ini juga mempengaruhi perubahan luas muka sehingga metoda identifikasinya menggunakan Surface Areameter. Secara visual serbuk suatu hasil proses akan terpantau dengan gambar morfologi serbuk yang diperoleh dari hasil Scanning
Electron Microscope. Akibat dari perpindahan
atom karena panas maka hal ini memungkinkan untuk butir tersebut juga akan mengalami perubahan ukuran dan ini disebut pertumbuhan butir ( grain growth ). Disisi lain perubahan juga terjadi pada morfologi serbuknya.
Perubahan struktur suatu hasil proses akan mempengaruhi dalam persyaratan penggunaan suatu hasil produksi termasuk proses selanjutnya. Apabila serbuk akan dikompakan baik dalam bentuk serbuk tunggal atau dipadu dengan serbuk lain hal ini harus diingat adanya efek efek negatif yang menyebabkan kegagalan proses. Kegagalan dalam teknologi serbuk adalah adanya keretakan, swelling yang akan menurunkan spesifikasi produksi akhir yan diinginkan. (7, 8,9).
TATA KERJA Bahan
ZrOCl2.8H2O buatan P3TM
Alat
Tungku Muffle; Scanning Electron Microscope; Surface Areameter; X- Ray Diffractometer
Cara Kerja
Cara kerja penelitian secara skematis tertera pada Gambar 1.
TATA KERJA 30
Gambar 1. Skema cara kerja penelitian
Kristal ZrOCl2.8H2O dikeringkan terlebih
dahulu sampai suhu 100 oC. Kristal kering
kemudian dikalsinasi pada suhu yang bervariasi ( 600 oC – 750 oC), waktu yang divariasi ( 1 – 3
jam) dan ketebalan tertentu. Hasil dari kalsinasi ini kemudian dikarakterisasi dengan Diffraktometer Sinar X, SEM (Scanning
Electron Microscope) untuk morfologi
serbuknya, Surface Area meter untuk luas muka dan pori-porinya. Data yang diperoleh diolah sehingga dapat untuk mengambil kesimpulan.
HASIL DAN PEMBAHASAN Morfologi Serbuk
Serbuk ZrO2 hasil kalsinasi ZrOCl2.8H2O
(Gambar 2a) pada suhu 650oC dengan waktu 2
jam tersaji pada Gambar 2b. Dari 2 Gambar tersebut terlihat tidak ada perubahan morfologi serbuk. Kristal ZrOCl2.8H2O berupa jarum,
demikian juga ZrO2 juga mempunyai morfologi
berupa jarum juga.
Gambar 2. Morfologi serbuk (a)
ZrOCl2.8H2O dan (b) ZrO2 hasil
perbesaran 4000 X dengan SEM
(a) Diffraktogram ZrOCl2.8H2O
(b) Diffraktogram ZrO2 (hasil kalsinasi ZrOCl2.8H2O)
( c) Diffraktogram ZrO2 (sudah distabilkan dan digunakan sebagai standart)
Gambar 3. Diffraktogram (a) ZrOCl2.8H2O, (b) ZrO2.hasil penelitian (c) ZrO2 ( hasil stabilisasi dan
Apabila dikaji, adanya morfologi serbuk yang tidak berubah ini disebabkan dua hal.
Pertama, ditinjau dari perubahan struktur
molekulnya yang berdasarkan reaksi kimia sesuai persamaan 3 maka ZrO2 yang terjadi
tidak akan sama beratnya dengan ZrOCl2.8H2O.
Untuk basis 1 grl ZrOCl2.8H2O yang sama
dengan 321,2 g akan menjadi ZrO2 seberat 123,2
g sehingga bila dihitung berat yang hilang mencapai 56,87 %. Kehilangan berat tersebut disebabkan karena terlepasnya HCl sebanyak 12,8 % dan H2O sebanyak 44,07 % menjadi
bentuk uap. Keberadaan air, air kristal dan HCl dalam kristal ZrOCl2.8H2O ketika terlepas tidak
akan merubah morfologi serbuk secara mayor karena menempati pada sela dan pori atau terikat dalam kristal tersebut. Adanya perubahan pori dan kemungkinan ukuran serbuk perlu dibuktikan pada hasil identifikasi luas muka dan pori-pori. Kedua, untuk mengkaji struktur kristalnya dalam hal ini dipelajari dari bentuk diffraktogram ZrOCl2.8H2O. Pola
diffraktogramnya (Gambar 3a) mempunyai intensitas yang lebih tinggi dari background pada harga 2 tertentu ( 30o, 32o, 50o, 60o ). Intensitas
pada 2 tersebut akan semakin jelas ketika diffraktogram ZrO2 diperoleh (Gambar 3b).
Apabila Gambar 3b dibandingkan dengan Gambar 3c ( diffraktogram ZrO2 yang telah
distabilkan dengan Y2O3 8 % dan terlihat jelas
mempunyai puncak – puncak tetra dan monoklinik ) maka dapat dikatakan bahwa ZrO2
hasil penelitian berstruktur kristal campuran tetrahedral dan monoklinik sedangkan ZrOCl2.8H2O mempunyai embrio membentuk
struktur kristal tetrahedral dan monoklinik Dari kajian inilah maka dapat difahami bahwa dari perubahan struktur kristal tidak akan mempengaruhi morfologi serbuk.
Luas Muka Dan Pori-pori
Tabel 1 dan Tabel 2 adalah data pengaruh suhu kalsinasi dan waktu kalsinasi terhadap perubahan luas muka, jari-jari pori pori rata rata dan volume total pori pori ZrO2.
Ditinjau dari segi ilmiah dengan data data Tabel 1 terlihat bahwa yang dominan adalah terjadinya pertumbuhan pori-pori Ini didasari dengan fenomena diffusi pada suhu tinggi ( 600
oC – 750 oC). Jari jari rata rata pori –pori serbuk
ZrO2 hasil kalsinasi suhu 600 oC 26,36 Å lebih
kecil dibandingkan denga jari jari rata rata pori pori ZrO2 hasil kalsinasi 650 oC yang berukuran
26,707 Å.
Tabel 1. Pengaruh suhu kalsinasi terhadap luas muka dan pori-pori ZrO2, waktu kalsinasi 1 jam,
tebal ZrOCl2.8H2O : 2,5 mm
No Suhu Kalsinasi(oC) Luas muka spesifik(m2/g) Jari-jari pori-porirata-rata (Å) Volume total pori-pori( x 10-3 cm3/g )
1 600 33,04 26,36 43,55
2 650 23,21 26,47 25,91
3 700 19,408 27,44 31,85
4 750 23,35 28,63 33,42
Hal ini berlanjut pada ukuran serbuk ZrO2
hasil kalsinasi 750 oC dengan ukuran jari jari pori
pori rata rata sebesar 28,63 Å. Pertumbuhan jari jari pori pori rata rata tidak sesuai dengan perubahan luas muka spesifik dan perubahan volume total pori pori. Tetapi perubahan luas muka spesifik berkesesuaian dengan perubahan volume total pori pori . jadi secara logika dapat dimengerti. Hal ini karena ukuran pori pori tidak mempengaruhi volume pori pori karena dalam kajian data ini tidak melibatkan jumlah pori pori yang ada.
Untuk mempertimbangkan aplikasinya maka perlu ditinjau dari bentuk ZrO2 yang akan
digunakan selanjutnya. Dasar pertimbangan
pertama adalah apabila serbuk tersebut dibuat pellet dengan zat penstabil lainnya maka tidak
akan terjadi swelling dengan adanya spesifikasi struktur mikro dengan pori pori tertentu bila mengalami proses sinter. Tekanan gas yang keluar melalui sela butir dari pori pori yang berukuran besar tidak akan sebesar tekanan gas yang keluar butiran yang mempunyai pori pori berukuran kecil. Adanya tekanan gas yang besar pada pori pori kecil kadang kadang menimbulkan penggelembungan pellet ketika dipanaskan atau disinter. Penggelembunagn inilah yang disebut
swelling. Dasar pertimbangan kedua adalah apabila serbuk digunakan tetap berupa serbuk diindustri perangkat keras sebagai coating atau zat penstabil warna pada industri cat maka yang dipilih adalah yang mempunyai luas muka dan volume pori pori yang besar karena kontak dengan reagen lain akan lebih efektif.
Dari dua pertimbangan tersebut maka dapat dipilih serbuk ZrO2 hasil kalsinasi
650 oC. Ditinjau dari luas
mukanya sebesar 23,21 cm2/g
dan volume total pori pori 25,91x
10 -3 cm3/g cukup besar untuk
digunakan bahan penstabil sedangkan ditinjau dari jari jari pori pori rata rata relatif kecil ( 26,47 Å) untuk produksi pellet.
Tabel 2. Pengaruh waktu kalsinasi terhadap luas muka dan pori-pori ZrO2., suhu 650 oC, tebal
ZrOCl2.8H2O : 2,5 mm
No Waktu Kalsinasi (jam)
Luas muka spesifik
(m2/g) Jari-jari pori-porirata-rata (Å) Volume total pori-pori( x 10-3 cm3/g )
1 1 23,21 26,707 25,91
2 2 19,62 19,42 19,06
3 3 18,98 21,05 19,97
Tabel 2 adalah data pengaruh waktu kalsinasi terhadap perubahan luas muka, jari jari pori-pori rata-rata ZrO2, dan volume total pori
pori. Semakin lama waktu kalsinasi maka luas muka serbuk semakin kecil tetapi relatif tetap pada waktu kalsinasi 2 jam. Sedangkan perubahan jari jari pori pori rata rata dan volume total pori pori mengalami nilai minimum yaitu pada waktu kalsinasi 2 jam. Hal ini diduga adanya pembentukan ZrO2 dan pelepasan
impuritas lain yang belum sempurna pada waktu kalsinasi 1 jam. Kesempurnaan itu dicapai pada waktu 2 jam. Sedangkan pada waktu kalsinasi 3 jam terjadi pertumbuhan pori pori akibat diffusi karena pengaruh waktu dan suhu sekaligus. Mengikuti pembahasan terdahulu yang mempertimbangkan kajian ilmiah dan aplikasinya maka dipilih serbuk ZrO2 hasil
kalsinasi suhu 650 oC dengan waktu kalsinasi 2
jam. Ini mempunyai alasan karena dari data luas muka, ukuran pori pori dan volume total pori pori yang relatif baik untuk diaplikasikan dalam penggunaan pellet atau tetap berbentuk serbuk.
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian pengaruh kondisi kalsinasi catu terhadap struktur ZrO2
adalah sebagai berikut :
Kondisi optimal kalsinasi secara catu adalah suhu kalsinasi 650 oC dan waktu kalsinasi 2
jam. Hasil kalsinasi ZrO2 bertruktur kristal
campuran monoklinik dan tetrahedral, morfologi serbuk berupa jarum sama dengan morfologi ZrOCl2.8H2O, luas muka 19,62
m2/g , jari jari rata rata pori pori 19,42 Å dan
volume total pori pori 19,06x 10 –3 cm3/g.
Koreksi untuk penelitian terdahulu adalah
yang suhu kalsinasi semula 600 oC sekarang
diubah menjadi suhu optimal kalsinasi 650
oC dan waktu 2 jam.
Serbuk ZrO2 yang dihasilkan pada kondisi
tersebut diatas dapat digunakan untuk diberbagai industri baik yang berbentuk pellet maupun dalam bentuk serbuk.
DAFTAR PUSTAKA
1. BENJAMIN LUSTMAN, the Metallurgy of Zirconium, Mc Graw Hill, Book Co, New York, 1955.
2. TUNDJUNG INDRATI Y, Laporan Penelitian Optimalisasi Pasir Zr menjadi ZrO2 dengan metoda basah, kerjasama
P3TM – BATAN dan BPPT, 2002/2003. 3. SUKARSONO, Informasi lisan dari Ka
BTP hasil pertemuannya dengan fihak PT Borneo Bina Nusantara, 2005.
4. ………, Applications and Preparations of Zirconia and Stabilized Zirconia Process, American Zirconia.
5. PETER J MOLES, The Use of Zirconium in Surface Coating s, http:// www.zr
chem.com/2000.
6. …………, Worl Zircon Supply/Demand Summary, TZMI’s data Net Q2,1999,
www.tzmi.com.
7. TUNDJUNG INDRATI Y, BUDI SULISTYO, PRISTI H, Study Kurva Differential Thermal Analysis (DTA) dan Perubahan Pola Diffraksi Pada Kalsinasi ZrOCl2.8H2O, Proseding PPI – PDIPTN
2004, Jogyakarta, 13 Yuli 2004.
8. MORGAN CS, Mc CORKLE, Pore Growth in Sintered Thoria, Journal of American Ceramic Societym vol 59, no 3-4, 1986. 9. KINGERY WD, Introduction to Ceramics,
TANYA JAWAB Murdani S.
Pada kalsinasi ZrOCl2.8H2O terjadiperubahan struktur pada ZrO2. Perubahan
apa saja yang terjadi dan apa efeknya terhadap industri yang menggunakan?
Tundjung Indrati Y.
Setelah diteliti, ternyata yang terjadi adalah perubahan struktur molekul (ZrOCl2.8H2Omenjadi ZrO2), struktur kristal (dari amorf
menjadi monoklinik dan tetra hedral) dan struktur mikro (ukuran pori-pori bertambah) sedangkan morfologi serbuk tidak berubah.
Efeknya positif, terutama pada pertumbuhan pori-pori dan struktur kristal harus pada batas tertentu terutama pada industri, tetapi yang menggunakan serbuk. Untuk industri yang penggunaannya dalam bentuk pelet, maka yang sangat dominan adalah perubahan struktur kristal karena menyangkut kestabilan.Jaswadi
Bagaimana perbedaan hasil kalsinasiZrOCl2 secara catu dan secara fluidisasi
(fluidize bed), bila sudah dilakukan?
Dalam industri ZrO2 untuk apa saja?Mohon penjelasan!
Tundjung Indrati Y.
Fluidisasi untuk kalsinasi ZrOCl2.8H2O secara teoritis cukup menarik, tetapi karena ukuran serbuknya lembut (fine particle) maka tidak terlalu efektif.
Dalam industri non nuklir:a. ZrO2 bila diproses lebih lanjut akan menjadi paduan dan bila kemurniannya tinggi dapat digunakan sebagai clading. b. Bila aloy tersebut kemurniannya tidak
tinggi, maka dapat menjadi bahan untuk sistem pemipaan.
c. Dalam industri non nuklir : 1. sebagai penstabil warna cat, 2. coating perangkat keras, 3. pembuat komponen SOFC, 4. resin dan lain-lain.
