BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
Alumina
Alumina (Al2O3) merupakan material keramik nonsilikat yang paling penting. Material ini meleleh pada suhu 2051oC dan mempertahankan kekuatannya bahkan pada suhu 1500 sampai 1700oC. Alumina mempunyai ketahanan listrik yang tinggi dan tahan terhadap kejutan termal dan korosi. Alumina (Al2O3) diperoleh dari pengolahan biji bauksit yang mengandung 50-60% Al2O3; 1-20% Fe2O3; 1-10% silika; sedikit sekali titanium, zirkonium dan oksida logam transisi lain; dan sisanya (20-30%) adalah air. Pengolahan ini dilakukan dengan menggunakan proses Bayer yang mengambil manfaat dari fakta bahwa oksida alumina amfoter larut dalam basa kuat tetapi besi (III) oksida tidak. Proses Bayer terdiri dari tiga tahap reaksi yaitu:
1. Proses Ekstraksi
Bauksit mentah dilarutkan dalam natrium hidroksida
( )s OH ( )aq H O( )l Al OH ( )aq O
Al2 3 +2 − +3 2 →2 ( )−4
dan dipisahkan dari besi oksida terhidrasi serta zat asing tak larut lainnya dengan penyaringan.
2. Proses Dekomposisi
Aluminium oksida terhidrasi murni mengendap bila larutan didinginkan sampai lewat jenuh dan dipancing menjadi kristal dari produk:
( ) 2 3 2 ( ) ( ) 4 3 2 ) ( 2Al OH −aq →Al O ⋅ H Os + OH−aq 3. Proses Kalsinasi
Air hidrasi dibuang melalui kalsinasi pada suhu tinggi (1200oC).
O H O Al kalor O H O Al2 3.3 2 + → 2 3 +3 2
Alumina yang dihasilkan melalui proses Bayer ini, mempunyai kemurnian yang tinggi dengan konsumsi energi yang relatif rendah (Oxtoby, 2003).
Aluminium oksida (Al2O3) atau yang lebih dikenal dengan alumina adalah insulator (penghambat) panas dan listrik yang baik. Aluminium oksida (Al2O3) 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.
(http://id.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oksida)
PT. INALUM tidak menghasilkan alumina sendiri tetapi diperoleh dari negara lain terutama dari negara Australia. Spesifikasi alumina yang diperlukan untuk peleburan aluminium ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Pemasukan alumina itu sendiri ke dalam pot reduksi telah di atur secara kontinyu oleh komputer. Dimana, dilakukan pemecahan kerak tengah terlebih dahulu
oleh blade kemudian dilakukan pemasukan alumina dari hopper melalui gate alumina sebanyak kira-kira 20 kg di bagian tengah pot.
Tabel 2.1 Spesifikasi Alumina
Item Satuan Spesifikasi
Loss on Ignition (300-10000C) % 1,00 maks
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
Anoda Karbon
Anoda karbon berfungsi sebagai reduktor dalam proses elektrolisis alumina. Anoda karbon diproduksi pada pabrik karbon (Carbon Plant). Komposisi karbon terdiri dari 60% kokas minyak, 15% hardpitch, dan 20% butt (puntung anoda).
Anoda karbon yang digunakan harus mempunyai sifat sebagai berikut:
1. Tahan terhadap perubahan panas (heat shock) sehingga sulit retak pada saat beroperasi pada temperatur tinggi.
2. Angka muai panas yang rendah agar anoda sulit terlepas dari tangkai anoda pada temperatur tinggi.
3. Konduktivitas panas tinggi agar segera mencapai temperatur tinggi pada proses pemanasan (baking).
4. Konduktivitas listrik tinggi (0,0036 – 0,0091 ohm.cm) agar aliran listrik efektif.
5. Kemurnian kimia yang tinggi.
6. Reaktivitas rendah sehingga sulit untuk membentuk karbondioksida (CO2) dan udara.
7. Homogenitas dan kekuatan mekanikal yang tinggi.
Anoda di dalam pot berjumlah 18 buah, dengan masa pakai tiap anoda rata-rata 27-28 hari. Agar tegangan pot tetap stabil, penggantian anoda harus diatur, tiap harinya satu anoda yang boleh diganti. Bila yang diganti anoda pojok, satu hari berikutnya tidak ada penggantian anoda (dalam kondisi pot normal). Pada saat ini, penggantian anoda dilakukan dengan bantuan ACC (Anode Changing Crane) (PT. INALUM, 2009).
Larutan elektrolit (bath)
Komposisi utama dari larutan elektrolit (bath) adalah kriolit (Na3AlF6). Lelehan kriolit, yang berdisosiasi sempurna menjadi ion-ion Na+ dan AlF63-, merupakan
pelarut yang baik untuk aluminium oksida dalam elektrolit. Kriolit meleleh pada suhu 1000oC, tetapi titik lelehnya turun dengan adanya aluminium oksida terlarut, sehingga suhu operasi sel hanya sekitar 950oC. Dibandingkan dengan titik leleh Al2O3 murni (2050oC), suhu tersebut merupakan suhu yang rendah (Oxtoby, 2003).
Kriolit yang digunakan di PT INALUM harus mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:
1. Konduktivitas listrik baik.
2. Memiliki berat jenis yang rendah. 3. Temperatur kristalisasi primer rendah. 4. Stabil dalam keadaan cair.
5. Dapat melarutkan alumina dalam jumlah besar.
Untuk memperbaiki sifat- sifat kriolit tersebut, bath biasanya ditambah dengan beberapa bahan tambahan seperti fluorida, alkil metal, AlF3 dan CaF2.
Tinggi bath diukur setiap hari setelah pengisapan metal (metal tapping = MT). Sedangkan temperatur bath diukur 5 kali seminggu, bertujuan untuk mengetahui rata-rata temperatur pot. Kelebihan kandungan AlF3 di dalam bath dinyatakan dalam %Sa. Pengukuran parameter ini dilakukan setiap dua kali per minggu.
Aluminium fluorida (AlF3)
Aluminium fluorida berfungsi menjaga temperatur bath dan merupakan bahan yang dituangkan secara manual jika AlF3 kurang didalam bath. Spesifikasi AlF3 yang digunakan oleh PT INALUM dapat dilihat pada tabel 2.2.
AlF3 merupakan aditif yang dimasukkan setiap hari untuk mengimbangi penguapan gas fluorida dan menjaga kompisi bath tetap stabil. Selain itu, kriolit akan terbentuk akibat terjadinya reaksi antara AlF3 dengan Na2O.
3 2 6 3 2 3 3 2 4AlF + Na O→ Na AlF +Al O
Fungsi utama AlF3 adalah menurunkan temperatur liquidus bath, sehingga pot bisa dioperasikan pada temperatur yang lebih rendah. Bath cair terkadang perlu di keluarkan dari dalam pot bila tidak sesuai dengan standar tinggi bath, 22 ± 2 cm, dan apabila terjadi kekurangan, AlF3 akan ditambahkan ke dalam pot. Pemasukan ataupun pengeluaran dilakukan secara manual.
Tabel 2.2 Spesifikasi AlF3
Item Unit Spesifikasi
AlF3 % 93 min
SiO2 % 0,25 max
P2O5 % 0,02 max
Fe2O3 % 0,07 max
Moisture (Water Content) % 0,35 max
Loss on Ignitation 300-1000oC % 0,85 max
Bulk density gram/cc 0,7 min
Particle Size (Tyler Mesh) Typical
+ 150 mesh % 25-60
+ 200 mesh % 50-75
Soda abu (Na2CO3)
Soda abu berfungsi memperkuat struktur katoda dan dinding samping agar sulit tererosi. Lapisan dinding samping dengan Na2CO3 dilakukan pada tahap transisi untuk membantu proses pembentukan kerak samping. Selain mencegah erosi oleh bath, soda abu juga berfungsi sebagai isolasi termal. Berikut adalah tabel spesifikasi soda abu (Na2CO3) yang digunakan oleh PT. INALUM.
Tabel 2.3 Spesifikasi Soda Abu (Na2CO3)
Komposisi Loss on Ignitation (LOI) Fe2O3 NaCl Insoluble water Na2CO3 App. Density (gr/cm3) Unit
Kemurnian 1,0 max 0,01 max 0,5 max 0,2 max 99,0 min 1,0 min %
Diagram Alir Bahan Baku
Bahan-bahan untuk keperluan produksi aluminium pertama sekali didatangkan melalui pelabuhan. Bahan-bahan tersebut adalah alumina, kokas, hard pitch. Alumina akan dimasukkan ke silo alumina (alumina silo), kokas kedalam silo kokas (coke silo),
pitch kedalam pitch storage house. Pemasukan bahan-bahan tersebut menggunakan belt conveyer.
Alumina yang berada didalam silo alumina kemudian kemudian dibawa ke dry
scrubber system untuk direaksikan dengan gas HF yang berasal dari pot. Hasil dari
menggunakan Anode Changing Crane (ACC). Dari hopper pot, reacted alumina akan dimasukkan kedalam tungku reduksi.
Kokas yang ada dalam silo kokas akan bercampur dengan butt (puntung anoda) dan mengalami pemanasan. Kemudian dicampur dengan hard pitch yang berfungsi sebagai perekat (binder). Campuran ketiga bahan ini akan dicetak menggunakan Shaking Machine di Anode Green Plant dan selanjutnya mengalami pemanggangan pada baking furnace. Hasilnya adalah blok anoda (anode block) di
Anode Baking Plant.
Blok-blok anoda kemudian akan dipasangi tangkai (anode assembly) di Anode
Baking Plant. Anoda tersebut kemudian akan dikirimkan ke Reduction Plant untuk
keperluan proses elektrolisis alumina menjadi aluminium. Setelah + 28 hari anoda diganti dan sisa-sisa anoda (butt) dibersihkan. Butt ini kemudian akan dihancurkan dan dimasukkan ke silo butt. Butt kemudian dipakai kembali (recycle) sebagai bahan pembuatan anoda bersama kokas dan pitch.
Pada tungku reduksi akan terjadi proses elektrolisis alumina. Proses ini akan menghasilkan gas HF yang akan dialirkan ke dry scrubber system untuk bereaksi dengan alumina dan dibersihkan lalu dibuang melalui cerobong gas cleaning system. Aluminium cair (molten) yang dihasilkan dibawa ke Casting Shop menggunakan
Metal Transport Car (MTC). Di casting shop aluminium cair dimasukkan kedalam holding furnace, lalu dituang ke casting machine untuk dicetak menjadi ingot
Mekanisme Elektrolisa Hall-Heroult
Produksi aluminium dilakukan dalam sel elektrolisis atau pot. Alumina (Al2O3) dipisahkan dalam elektrolit cair (bath) pada temperatur 960oC 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 bus-bar aluminium.
Elektrolisis Al2O3 terjadi dalam lapisan elektrolit cair (bath) yaitu lapisan diantara anoda dan metal cair. Ion aluminium dalam Al2O3 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:
2Al2O3 + 3C → 4Al + 3CO2
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 (Hulse, K.L., 2000).
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
(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 dengan menggunakan anoda karbon adalah sebagai berikut:
) ( 3 ) ( 4 ) ( 3 ) ( 2Al2O3 s + C s → Al l + CO2 g
Mekanisme reaksi yang paling sering terjadi adalah reduksi Al2O3 secara langsung dengan reaksi: − + − + − + → + → 2 3 2 2 3 2 2O Al AlO AlO AlO O Al
Dari reaksi diatas terbukti bahwa Al3+ akan bergerak ke katoda, sedangkan O2- akan bergerak menuju anoda.
Reaksi pada katoda: Al3+ +3e→ Al(l) Reaksi pada anoda: 2O2− →O2 +4e
Lalu selanjutnya O2 akan bereaksi dengan karbon anoda: ) ( ) ( ) (s O2 g CO2 g C + → ) ( 2 ) ( ) (s CO2 g CO g C + →
Dari proses peleburan aluminium ini, selain menghasilkan gas CO2 dan CO, dihasilkan pula gas HF yang diketahui sangat berbahaya bagi kesehatan, melalui reaksi: HF O Al O H AlF 3 6 2 3 + 2 → 2 3 + , dan ) ( ) ( 6 ) ( ) ( 3 ) ( 2Na3AlF6 l + H2O g → Al2O3 s + NaF s +HF g
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, 2009).
Aluminium
Aluminium merupakan logam putih keperak-perakan yang memiliki karakteristik yang diinginkan pada logam. Dibandingkan dengan tembaga, besi, emas dan timbal, yang telah dikenal sejak zaman kuno, aluminium relatif merupakan pendatang baru. Aluminium merupakan logam yang paling banyak ditemukan di kerak bumi (8.1%), tetapi tidak pernah ditemukan secara bebas di alam. Sir Humphry Davy menemukannya sebagai aloi besi dan membuktikan sifat-sifat logamnya pada tahun
1809. Materi ini pertama kali dibuat dalam bentuk relatif murni oleh H.C.Oersted pada tahun 1825, melalui reaksi aluminium klorida dengan amalgam kalium yang dilarutkan dalam merkurium sesudah itu merkurium dipisahkan dengan penyulingan.
Aluminium masih sekadar menjadi bahan penelitian di laboratium sampai tahun 1886, ketika Charles Hall di Amerika Serikat (lulusan Oberlin College yang berusia 21 tahun) dan Paul Héroult (berkebangsaan Perancis, berusia sama) secara sendiri-sendiri menemukan proses yang efisien untuk memproduksinya. Pada tahun 1990-an produksi aluminium di seluruh dunia yang menggunakan proses Hall- Héroult mencapai sekitar 1,5 x 107 ton metrik.
Aluminium telah digunakan dalam berbagai hal. Banyak yang memanfaatkan kerapatan aluminium yang rendah (ringan), suatu keunggulan dibandingkan besi atau baja seperti untuk industri transportasi, yang menggunakan aluminium untuk kendaraan (mobil) dan satelit. Konduktivitas listrik aluminium yang tinggi dan kerapatannya yang rendah sangat berguna untuk digunakan dalam kabel transmisi listrik. Untuk penggunaannya dalam bangunan dan gedung, ketahanannya terhadap korosi merupakan sifat yang penting, seperti halnya kenyataan bahwa materi ini menjadi lebih kuat pada suhu dibawah nol. (Baja dan besi adakalanya menjadi rapuh pada kondisi tersebut.). Produk rumah tangga yang mengandung aluminium antara lain foil, kaleng minuman ringan dan perabot dapur (Oxtoby, 2003).
Penggunaan aluminium yang semakin berkembang didukung oleh sifat-sifat penting yang dimiliki oleh aluminium itu sendiri. Sifat-sifat tersebut adalah :
2. Tahan korosi
Sifat tahan korosi dari aluminium diperoleh karena terbentuknya lapisan aluminium oksida (Al2O3) pada permukaan aluminium. Lapisan ini membuat Al tahan korosi tetapi sekaligus sukar dilas, karena perbedaan melting point (titik lebur). Aluminium umumnya melebur pada temperatur ± 600oC dan aluminium oksida melebur pada temperatur 2000oC.
3. Penghantar listrik dan panas yang baik 4. Mudah di fabrikasi/di bentuk.
Sifat lain yang menguntungkan dari aluminium adalah sangat mudah difabrikasi, dapat dituang (dicor) dengan cara penuangan apapun. Dapat ditempa menjadi lembaran, ditarik menjadi kawat dan diekstrusi menjadi batangan dengan bermacam-macam penampang.
5. Kekuatan dan kekerasannya tidak begitu tinggi tetapi dengan pemaduan dan
heat treatment, kekuatan dan kekerasannya dapat ditingkatkan.
(http://gabunganteknik.wordpress.com/2008/04/13/aluminium/)
Karena hingga akhir abad kesembilan belas, aluminium masih merupakan logam yang tidak umum, sehingga metode biasa untuk memisahkan logam tidak bekerja pada aluminium. Produksi aluminium juga mengkonsumsi sejumlah besar energi listrik. Oleh karena itu, harga produksinya sangat mahal, tidak hanya dalam urusan biaya tapi juga dalam hal sumber energi. Karena alasan inilah, daur ulang aluminium menjadi prioritas utama jika kita ingin meminimalkan penggunaan energi kita (Brady, 1938).
