2.1 Sejarah
Silikon pertama kali diperkenalkan oleh Antoine Lavoisier pada tahun 1787 sebagai suatu komponen dari silex atau silicis yang biasa dikenal sebagai batu api atau batu keras selama permulaan era modern dimana pada jaman sekarang kita menyebutnya silika atau silikat. Pada tahun 1811 Gay lussac dan Thenard menyiapkan silikon amorphous tidak murni dengan bantuan pemanasan kalium dengan silikon tetrafluorida. Silikon pertama kalinya ditemukan sebagai unsur oleh Berzelius pada tahun 1823. Pada tahun 1824, Berzelius menyiapkan silikon amorphous mengunakan metode yang hampir sama dengan metode Lussac. Berzelius juga telah memurnikan produk yang dihasilkan dengan cara mencucinya berulang – ulang. (Wikipedia, 2008)
2.2 Silikon
Silikon (Latin: Silicium) merupakan unsur kimia yang mempunyai simbol Si dan nomor atom 14. Sebagai metaloid tetravalen, silikon kurang reaktif jika dibandingkan dengan karbon yang mempunyai sifat kimia yang hampir sama. Silikon kadang – kadang muncul sebagai unsur bebas murni di alam, tetapi lebih luas terdistribusi dalam tanah liat, feldspar, granit, kuarsa, dan pasir. Kebanyakannya dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenali sebagai silika) dan dalam bentuk silikat (beraneka jenis senyawa yang mengandung silikon, oksigen, dan satu atau berbagai jenis logam lain). (Othmer, 1949)
Berdasarkan massa, silikon meliputi 25,7% dari kerak bumi dan merupakan unsur paling melimpah kedua di bumi, setelah oksigen. Kristal silikon murni kadang – kadang hanya ditemukan di alam. Kristal silikon murni ini dapat ditemukan karena penyertaannya dengan emas dan di dalam pengeluaran gunung berapi. Silikon sering kali ditemukan dalam bentuk silikon dioksida (juga dikenal sebagai silika), dan silikat.
batu kristal, batu api, dan batu baiduri adalah merupakan beberapa bentuk dimana silikon dioksida muncul.
Silikon juga muncul sebagai silikat (berbagai macam mineral yang meliputi silikon, oksigen, dan satu atau logam lainnya), sebagai contoh feldspar. Mineral ini muncul dalam tanah liat, pasir dan berbagai macam tipe batu seperti granit dan batu pasir. Asbestos, feldspar, tanah liat, hornblende, dan mika dalah beberapa contoh dari mineral silikat.
Silikon merupakan komponen dasar aerolites, yang merupakan golongan meteoroid, dan juga merupakan komponen tektites, yang merupakan bentuk alami kaca.
(Wikipedia, 2008)
2.3 Sifat – Sifat Penting
Orbital elektron sebelah luar mempunyai struktur yang sama seperti karbon dan kedua elemen ini sangat mirip secara kimia. Walaupun merupakan unsur inert, silikon masih bereaksi dengan halogen dan mengencerkan alkali, tetapi kebanyakan asam (kecuali untuk beberapa kombinasi reaktif dari asam nitrat dan asam fluorida) tidak berpengaruh terhadapnya. Mempunyai empat ikatan elektron seperti karbon, memberikan banyak peluang kepada silikon untuk berkombinasi dengan berbagai unsur atau senyawa.
Silikon dan karbon merupakan semikonduktor, mudah untuk memberikan ataupun membagi keempat elektron luarnya membentuk berbagai macam ikatan kimia. Silikon murni mempunyai koefisien ketahanan temperatur yang bernilai negatif, karena jumlah free charge carriers meningkat dengan temperatur.
Dalam bentuk crystalline, silikon murni berwarna abu – abu dan berkilau seperti logam metalik. Ini mempunyai kesamaan dengan kaca tapi lebih kuat, sangat rapuh, dan mudah untuk dipotong – potong.
(Wikipedia, 2008)
2.4 Isotop
(4,67%), dan 30Si (3,1%) merupakan isotop yang stabil. 32Si adalah isotop radioaktif yang diproduksi oleh argon yang membusuk. (Wikipedia, 2008)
2.5 Senyawa Silikon
Beberapa contoh senyawa silikon seperti silicon dioxide (SiO2), silicic acid
(H4SiO4), silicates, silicate minerals, silicides, silikon keramik seperti silicon carbide
(SiC) dan silicon nitride (Si3N4), silicon halides seperti silicon tetrachloride (SiCl4)
dan silicon tetrafluoride (SiF4), trichlorosilane (HsiCl3), silanes [H2(SiH2)n],
organosilicons dan silicons. (Wikipedia, 2008)
2.6 Aplikasi
Sebagai unsur paling melimpah kedua di permukaan kulit bumi, silikon penting digunakan untuk industri konstruksi sebagai komponen utama batu alam, kaca, beton, dan semen. Dampak terbesar silikon terhadap ekonomi dan gaya hidup dunia modern adalah disebabkan dari silicon wafers yang digunakan sebagai substrat dalam pabrik alat elektronik khusus seperti power transistors, dan di dalam perkembangan integrated circuits seperti chips komputer.
2.6.1 Alloy (Campuran)
Aplikasi terbesar dari silikon murni (Industrial grade silicon) adalah pada
campuran aluminium – silikon, yang sering juga disebut campuran ringan, untuk menghasilkan bagian – bagian cetakan, terutama untuk industri otomotif. (Ini mewakili sekitar sekitar 55% konsumsi dunia terhadap silikon murni)
Baja dan besi cetakan: Silikon merupakan bahan penting pada beberapa
2.6.2 Aplikasi dalam Elektronika
Silikon murni juga digunakan untuk menghasilkan silikon ultra murni dan
juga aplikasi photovoltaic:
Semikonduktor: Silikon ultramurni dapat berinteraksi dengan
unsur lain untuk mengatur respon elektriknya dengan cara mengatur jumlah dan beban (positif atau negatif) dari aliran arus. Pengaturan seperti ini penting untuk transistor, sel solar,
integrated circuits, mikro prosesor, detektor semikonduktor, dan alat semikonduktor lainnya yang digunakan dalam elektronika dan berbagai aplikasi teknologi tinggi.
Photonics: Silikon dapat digunakan sebagai gelombang kontiniu
Raman laser untuk menghasilkan cahaya yang koheren. (Walaupun tidak efektif sebagai sumber cahaya)
LCD dan sel solar: silikon amorphous terhidrogenasi (hydrogenated amorphous silicon) secara luas digunakan pada aplikasi produksi bahan – bahan elektronika dengan biaya yang rendah seperti LCD. Bahan ini juga mampu menghasilkan sel solar film tipis dengan biaya yang rendah.
2.6.3 Silicones
Aplikasi terbesar kedua dari silikon (sekitar 40% konsumsi dunia) adalah sebagai bahan baku dalam produksi silicones, senyawa yang mengandung ikatan
silicon-oxygen dan silicon-carbon yang memiliki kemampuan untuk bertindak sebagai bahan pengikat (intermediate) antara kaca dan senyawa organik untuk membentuk polimer dengan sifat – sifat yang berguna seperti tidak tembus air, fleksibel, dan tahan terhadap bahan kimia. Silicones digunakan pada perlakuan bahan tahan air, senyawa pencetak dan agen pelepas cetakan, mechanical seals, lemak dan lilin temperatur tinggi, caulking compound, dan bahkan pada aplikasinya yang bermacam – macam seperti bahan peledak, dan pembutan petasan.
Konstruksi: Silikon dioksida atau silika dalam bentuk pasir atau tanah liat
Pottery/Enamel merupakan bahan tahan panas yang digunakan pada
produksi bahan bertemperatur tinggi dan silikat digunakan untuk pembuatan enamel dan pottery ini.
Kaca: Silika dari pasir merupakan bahan dasar dari kaca. Kaca dapat
dibuat menjadi bentuk yang bermacam-macam dan dengan sifat fisika yang bermacam-macam. Silika juga digunakan sebagai bahan dasar untuk membuat kaca jendela, kontainer, isolator, dan bahan berguna lainnya. Bahan penggosok (abrasives): Silikon karbida merupakan salah satu
bahan penggosok yang terpenting.
Silly Putty: Dibuat dengan cara menambahkan asam boraks dan minyak
silikon.
2.7 Proses Pembuatan
Pembuatan silikon dapat dilakukan dengan berbagai cara. Beberapa diantaranya seperti:
1. Mereaksikan silika (SiO2) dengan karbon (C) di dalam suatu tungku elektrik
menggunakan elektroda karbon. Pada temperatur diatas 1900oC, karbon mereduksi silika menjadi silikon menurut reaksi sebagai berikut:
2SiO2 + 4C SiO + SiC + 3CO
SiO + SiC 2Si + CO
Silikon cair terkumpul pada bagian dasar tungku, dan kemudian dikeluarkan dan didinginkan. Silikon yang dibuat dengan cara ini dinamakan Industrial grade silicon (IGS) dan paling sedikit 98% murni. (WVU Projects, 2008)
2. Mereaksikan silikon karbida (SiC) dengan silika (SiO2) dalam jumlah yang
sangat berlebih. Silikon karbida akan disingkirkan dan terbentuk silikon, seperti dijelaskan dalam persamaan reaksi berikut:
2SiC + SiO2 3Si + 2CO
(wikipedia, 2008)
3. Mereaksikan silikon tetraklorida (SiCl4) dengan hidrogen (H2). Hidrogen akan
mereduksi silikon tetraklorida sehingga membentuk silikon dengan reaksi sebagai berikut: (Othmer, 1949)
4. Mereaksikan silikon tetraklorida (SiCl4) dengan uap zinc pada suhu 950 oC
sehingga menghasilkan silikon menurut persamaan reaksi: SiCl4 + 2Zn Si + 2ZnCl2
(Wikipedia, 2008)
5. Pembuatan silikon yang berdasar pada penggunaan fluidized bed menggunakan silana, seperti ditunjukkan pada reaksi berikut:
3SiCl4 + Si + 2 H2 4HSiCl3
4HSiCl3 3SiCl4 + SiH4
SiH4 Si + 2H2
(Wikipedia, 2008)
2.8 Seleksi Proses
Proses pembuatan silikon yang dipilih dalam perancangan pabrik ini adalah reduksi silika dengan menggunakan karbon. Adapun alasan dipilihnya proses ini adalah sebagai berikut:
1. Silikon yang dihasilkan memiliki kemurnian yang sangat tinggi (paling sedikit 98% murni)
2. Bahan baku silika dan karbon yang sangat murah dan mudah diperoleh sehingga memudahkan proses pengadaan bahan baku.
2.9 Pemurnian
Penggunaan silikon dalam perangkat semikonduktor memerlukan kemurnian silikon yang sangat tinggi. Menurut sejarah, berbagai macam metode telah digunakan untuk menghasilkan silikon dengan kemurnian yang tinggi.
2.9.1 Metode Fisika
dilarutkan dalam suatu asam. Ketika dihancurkan, silikon yang hancur menyebabkan bagian yang kemurniaanya rendah berada pada bagian luar dari butiran silikon yang dihasilkan. Sebagai hasilnya, silikon yang mempunyai kemurnian tinggi yang terlebih dahulu larut ketika dilarutkan dalam asam, dan akhirnya menghasilkan produk yang lebih murni.
Pada zona peleburan (melting), juga disebut sebagai zona penyulingan (refining), metode pemurnian silikon pertama yang digunakan secara luas dalam industri, batang silikon dipanaskan dan dileburkan pada suatu tempat. Kemudian, pemanasnya secara perlahan menurunkan panjang silikon, dan menimbulkan batang kecil karena silikon mengalami pendinginan dan pemadatan kembali. Karena sebagian besar impuritis cenderung terdapat pada bagian yang dileburkan daripada bagian yang dipadatkan kembali, ketika proses berakhir, sebagian besar impuritis dalam batang akan bergerak menuju suatu tempat. Bagian ini kemudian dibuang, dan prosesnya diulang kembali jika diinginkan kemurnian yang lebih tinggi.
2.9.2 Metode Kimia
Sekarang, silikon dimurnikan dengan cara mengubahnya menjadi senyawa silikon yang dapat dengan lebih mudah dimurnikan daripada keadaan alaminya. Kemudian senyawa tersebut diubah kembali menjadi silikon yang murni. Triklorosilana merupakan senyawa silikon yang paling umum digunakan sebagai
intermediate, walaupun silikon tetraklorida dan silana juga digunakan. Ketika gas ini mengalir diatas silikon pada temperatur tinggi akan menyebabkan terdekomposisi menjadi silikon dengan kemurnian yang tinggi.
Pada Proses Siemen, batang silikon dengan kemurnian yang tinggi menguraikan triklorosilana pada 1150oC. Gas triklorosilana akan terdekomposisi dan mengendapkan tambahan silikon dalam batang silikon.
2HSiCl3 Si + 2HCl + SiCl4
Silikon yang diproduksi dengan cara demikian disebut polycrystalline silicon.
2.10 Sifat – Sifat Bahan yang Terlibat Dalam Proses 2.10.1 Silikon Dioksida (SiO2)
1. Berat molekul : 60,086 gr/mol 2. Massa jenis : 2,2 gr/cm3 3. Titik lebur : 1650 (± 75) oC 4. Titik didih : 2230 oC
5. Kelarutan dalam air : 0,012 gr dalam 100 gr 6. Konduktivitas Termal : 0,01 W/cm K
7. Struktur molekul : tetrahedal 8. Berwarna putih
9. Berbentuk serbuk padat (dalam keadaan murni) 10.Tidak dapat terbakar
(Wikipedia, 2008)
2.10.2 Karbon (C)
1. Berat atom : 12,0107 gr/mol 2. Titik lebur : 3652 oC
3. Densitas : 1,9 – 2,3 gr/cm3 4. Kapasitas panas pada 25 oC : 8,517 J/mol K 5. Konduktivitas Termal (300K) : 80 – 230 W/m K 6. Struktur atom : heksagonal 7. Berwarna hitam
(Wikipedia, 2008)
2.10.3 Oksigen (O2)
8. Tekanan kritis : 5,043 Mpa 9. Kapasitas panas (250) : 29,378 J/mol K 10.Merupakan unsur diatomik
(Wikipedia, 2008)
2.10.4 Nitrogen (N2)
1. Berat molekul : 14,0067 gr/mol 2. Titik didih : –195,80C 3. Titik lebur : –209,860C 4. Temperatur kritis : 126,260C 5. Tekanan kritis : 33,54 atm 6. Densitas (250C, 1 atm) : 1,25046 gr/l 7. Panas peleburan : 172,3 kal/mol 8. Panas penguapan : 1332,9 kal/mol 9. Gas yang tidak berbau, berasa dan berwarna 10.Merupakan unsur diatomik
(Wikipedia, 2008)
2.10.5 Air (H2O)
1. Berat molekul : 18,016 gr/mol 2. Titik didih : 1000C
3. Titik beku : 00C
4. Densitas (250c) : 0,998 gr/ml 5. Viskositas (pada kondisi standar, 1 atm) : 8,949 mP
6. Tekanan uap (200c) : 0,0212 atm 7. Panas pembentukan : 6,013 kJ/mol 8. Panas spesifik (pada kondisi standar) : 4,180 J/kg K 9. Panas penguapan : 22,6.105 J/mol 10.Kapasitas panas : 4,22 kJ/kg K 11.Tidak berbau, berasa dan berwarna
2.10.6 Kalsium Oksida (CaO)
1. Berat molekul : 56,8 gr/mol 2. Massa jenis : 3350 kg/m3 3. Titik lebur : 2572 oC 4. Titik didih : 2850 oC 5. Tidak larut dalam air, tetapi bereaksi dengan air. 6. Berwarna putih.
(Wikipedia, 2008)
2.10.7 Silikon (Si)
1. Berat molekul : 28,086 gr/mol 2. Densitas : 2,53 gr/cm3
3. Titik lebur : 1420 oC 4. Titik didih : 2355 oC 5. Panas pembentukan : 50,21 kJ/mol 6. Panas penguapan : 359 kJ/mol 7. Kapasitas panas (25 oC) : 19,789 J/mol K 8. Bentuk padat
9. Silikon murni berwarna abu-abu (Wikipedia, 2008)
2.10.8 Karbondioksida (CO2)
1. Berat molekul : 44,01 gr/mol
2. Massa jenis : 1,6 g/L, padat; 1,98 g/L, gas 3. Titik lebur : -57 oC
4. Titik didih : -78 oC 5. Viskositas (pada -78 oC) : 0,07 cP 6. Gas yang tidak berwarna dan berbau
2.10.9 Sulphur (S)
1. Berat molekul : 32,064 gr/mol 2. Densitas : 2,07 gr/cm3
3. Titik lebur : 115,21 oC 4. Titik didih : 444,6 oC 5. Kapasitas panas (25 oC) : 22,75 J/mol K 6. Panas penguapan : 45 kJ/mol 7. Panas pembentukan : 1,727 kJ/mol 8. Bentuk kristal padatan
9. Berwarna kuning (Wikipedia, 2008)
2.10.10 Metana (CH4)
1. Berat molekul : 16,0425 gr/mol 2. Densitas : 0,717 kg/m3
3. Titik lebur : -182,5 °C 4. Titik didih : -161,6 °C 5. Kelarutan dalam air (17 oC) : 3,5 mg/100 mL 6. Mudah terbakar
7. Gas tidak berwarna (Wikipedia, 2008)
2.10.11 Etana (C2H6)
1. Berat molekul : 30,07 gr/mol 2. Titik lebur : – 182,76 °C 3. Titik didih : – 88,6 °C
4. Densitas (gas) : 1,212 kg/m³ 5. Kelarutan dalam air : 4,7 gr/100ml 6. Mudah terbakar
2.10.12 Propana (C3H8)
1. Berat molekul : 44,096 gr/mol 2. Densitas (gas) : 1,83 kg/m3 3. Densitas (cair) : 0,5077 kg/L 4. Titik lebur : −187,6 °C
5. Titik didih : −42.09 °C 6. Kelarutan dalam air (37,8 °C) : 0,1 g/cm3 7. Mudah terbakar
8. Gas tidak berwarna (Wikipedia, 2008)
2.10.13 Butana (C4H10)
1. Berat molekul : 58,124 gr/mol 2. Densitas (15 °C, 1 atm) : 2,48 g/l
3. Titik lebur : −138,4 °C 4. Titik didih : −0,5 °C
5. Kelarutan dalam air (20 °C) : 6.1 mg/100 ml 6. Mudah terbakar
7. Gas tidak berwarna (Wikipedia, 2008)
2.11 Deskripsi Proses
Secara keseluruhan proses perancangan pabrik pembuatan industrial grade silicone (IGS) ini terdiri dari dua bagian proses, yaitu proses reaksi menghasilkan silikon dari karbon dan pasir silika, dan proses pemanfaatan gas buang untuk menghasilkan steam tekanan tinggi yang dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik yang digunakan pada bagian proses reaksi.
2.11.1 Bagian Proses Reaksi
Partikel pasir silika (SiO2) pada alur 1 dan karbon (C) pada alur 2 dikirimkan
melalui bucket elevator I (BE-101) pada alur 3 menuju fluidized bed preheater
(H-101). Di dalam Fluidized bed preheater, kedua campuran tersebut kemudian dipanaskan hingga suhunya mencapai 1500oC. Panas yang digunakan dalam proses pemanasan ini berasal dari proses pembakaran antara gas alam pada alur 4 dengan udara bebas pada alur 5 di di dalam burner (B-101). Gas hasil pembakaran inilah yang dikirimkan melalui alur 6 ke fluidized bed preheater (H-101) sebagai pemanas. Pada temperatur ini (1500oC), tidak ada reaksi yang terjadi antara silika dan karbon. Karbon dan silika yang telah dipanaskan, serta sulfur yang yang berasal dari gas alam kemudian dikirim melalui bucket elevator II (BE-102) pada alur 8 menuju tungku reduksi elektrik (R-101). Pada tungku reduksi ini terjadi reaksi antara karbon dengan silika yang kemudian menghasilkan silikon. Selain itu, silika juga dapat bereaksi dengan sulfur yang berasal dari gas alam dan menghasilkan silikon serta gas sulfur dioksida (SO2).
Adapun reaksi yang terjadi pada tungku reduksi untuk menghasilkan silikon adalah sebagai berikut:
2SiO2 + 4C SiO + SiC + 3CO
SiO + SiC 2Si + CO
SiO2 + S SO2 + Si
Reaksi yang terjadi pada tungku reduksi ini berlangsung pada suhu 2045oC. Konversi sebesar 90% dicapai pada reaksi antara silika dengan karbon menghasilkan silikon.
Silikon yang terbentuk pada dasar tungku kemudian dialirkan keluar pada alur 12 dan didinginkan. Sedangkan silika dan karbon yang tidak bereaksi pada alur 11 dikirim ke unit pengolahan limbah. Gas karbon monoksida (CO) yang dihasilkan dari reaksi kemudian teroksidasi oleh oksigen dari udara bebas pada alur 10 menghasilkan gas karbon dioksida (CO2).
Gas buang dari fluidized bed preheater (H-101) yang terdiri dari oksigen (O2), nitrogen (N2), karbon dioksida (CO2), dan air (H2O) pada alur 7 yang
dihasilkan dari reaksi pembakaran antara gas alam dengan udara bebas di dalam
dari gas karbon dioksida (CO2) dan gas sulfur dioksida (SO2) pada alur 9 kemudian
dikirim ke bagian proses pemanfaatan gas buang pada alur 13 untuk menghasilkan
steam tekanan tinggi yang digunakan untuk membangkitkan energi listrik dan kemudian dikonsumsi pada bagian proses reaksi di tungku reduksi elektrik (R-101).
2.11.2 Bagian Proses Pemanfaatan Gas Buang
Gas buang pada alur 13 dialirkan ke steam boiler (E-201), dimana gas tersebut menyuplai energi untuk menghasilkan steam tekanan tinggi pada alur 16.
Boiler feed water pada alur 14 dipompakan pada tekanan 40,8 Mpa untuk menghasilkan steam tekanan tinggi. Steam ini pada alur 16 kemudian dialirkan ke turbin (T-201), dimana energi listrik dibangkitkan dan digunakan pada tungku reduksi elektrik (R-101).
Untuk menjaga agar udara bersih, senyawa SO2 di dalam gas buang pada alur
18 harus dihilangkan. Kadar SO2 di dalam gas buang sebelum dibuang ke udara
bebas tidak boleh melebihi 0,5 ppm. Dengan digunakannya kalsium oksida (CaO) di dalam fluidized bed scrubber (R-201) dapat mereduksi SO2 yang terdapat di dalam
gas buang. Dengan perbandingan antara kalsium oksida dan sulfur dioksida 2,5 : 1, diamati bahwa sulfur dioksida tidak ditemukan lagi dalam gas buang.
Kalsium oksida pada alur 19 diumpankan melalui bucket elevator III (BE-201) pada bagian atas fluidizing gas yang berasal dari gas buang pada alur 18.
Fluidizing gas dari alur 18 mengandung karbon dioksida, air, nitrogen, oksigen, dan sulfur dioksida. Disini terjadi reaksi antara kalsium oksida dengan sulfur dioksida membentuk kalsium sulfat. Reaksinya ditunjukkan pada persamaan reaksi dibawah ini:
SO2 + CaO CaSO3
CaSO3 + ½ O2 CaSO4
