BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Trinatrium Fosfat
Trinatrium fosfat adalah agen pembersih, makanan aditif, dan penghilang noda. Trinatrium fosfat berwarna putih berbentuk butiran atau kristal padat dan sangat larut dalam air menghasilkan larutan alkali. Secara umum trinatrium fosfat disintesis dari dinatrium fosfat sehingga sebagian terhidrasi menjadi trisodium fosfat anhidrat sampai terbentuk trinatrium fosfat (Na3PO4.12H2O). Trinatrium fosfat
paling sering ditemukan dalam bentuk bubuk putih, yang sering disebut trinatrium ortofosfat atau hanya natrium fosfat. Trinatrium fosfat banyak digunakan dalam pembuatan berbagai macam sabun dan deterjen.
Gambar 2.1 Struktur Trinatrium fosfat
Kegunaan utama dari trinatrium fosfat adalah sebagai agen pembersih, pH larutan trinatrium fosfat 1% adalah 12, dan sifat kelarutannya cukup basa untuk saponifikasi lemak dan minyak. Dalam kombinasi dengan surfaktan, trinatrium fosfat merupakan agen yang sangat baik untuk membersihkan segala sesuatu pengotor. Hal ini sangat efektif dengan harga produksi yang rendah sehingga membuat trinatrium fosfat lebih disukai untuk sejumlah besar produk pembersih yang dijual di pertengahan abad ke-20. Trinatrium fosfat masih dijual, dan digunakan, sebagai agen pembersih, tetapi selama akhir 1960-an di Amerika Serikat, berlebihan menyebabkan serangkaian masalah ekologi.
Pada akhir abad ke-20, banyak produk yang sebelumnya berisi trinatrium fosfat sekarang diproduksi dengan trinatrium fosfat pengganti, yang terutama terdiri dari natrium karbonat bersama dengan berbagai surfaktan nonionik dan natrium fosfat. Trinatrium fosfat umumnya digunakan setelah dibersihkan dengan mineral dalam rangka untuk menghilangkan residu hidrokarbon. Trinatrium fosfat dapat digunakan dengan pemutih klorin dalam larutan yang sama tanpa reaksi berbahaya campuran ini sangat baik untuk menghilangkan jamur (Wikipedia, 2011).
2.2 Sifat-sifat fisis dan kimia bahan baku dan produk 2.2.1 Bahan baku
2.2.1.1 Na2CO3 (MSDS, 2011)
Nama : natrium karbonat, soda abu, kalsium soda Rumus molekul : Na2CO3
Berat molekul : 106 g/mol Sifat fisis : - berwujud padat
- berwarna putih - higroskopis
- larut dalam air tetapi tidak larut dalam alkohol - tidak mudah terbakar
- densitas = 1,311 g/cm3 - titik leleh = 851 oC
Impuritis : 0,22% (maksimal) Sifat kimia :
1. Semua karbonat akan cepat bereaksi dengan asam kuat membentuk garam karbonat.
M2(HCO3) + (H3O+,A-) M-A- + CO2 + 3H2O
2. Reaksi antara natrium karbonat dan kalsium hidroksida akan menghasilkan kalsium karbonat dan natrium hidroksida.
Na2CO3 + Ca(OH)2 2NaOH + CaCO3
3. Proses pembentukan natrium karbonat dapat melalui tiga tahapan: a. Konversi natrium klorida menjadi natrium sulfat dengan pemanasan.
2NaCl + H2SO4 Na2SO4 + 2HCl
b. Reaksi antara natrium sulfat dan kalsium karbonat dilakukan pada temperatur tinggi menghasilkan natrium karbonat.
Na2SO4 + CaCO3 + 2C Na2CO3 + CaS + 2CO2
c. Reduksi natrium sulfat menjadi natrium sulfida. Na2SO4 + 4C Na2S + 4CO
Natrium sulfat dicampur dengan karbon dioksida dan steam. Na2S + CO2 + H2O Na2CO3 + H2S
4. Reaksi pembentukan dari amonia.
2NH3 + CO2 + H2O (NH4)2CO3
Ammonium karbonat yang dihasilkan pada reaksi 1 direaksikan dengan natrium klorida menghasilkan natrium karbonat
(NH4)2CO3 + 2NaCl Na2CO3 + 2NH4Cl
2.2.1.2 H3PO4 (MSDS, 2011)
Nama : Asam fosfat Rumus molekul : H3PO4
Berat molekul : 98 g/mol Sifat fisis : - wujud cair
- tidak berwarna, transparan - larut dalam alkohol dan air - densitas = 1,8334 g/cm3 - titik didih = 213 oC - titik leleh = 42,35 oC Impuritis : 0,02% (maksimal)
Sifat kimia :
a. Merupakan asam tribasa, pelepasan ion hidrogen yang pertama adalah ionisasi yang paling hemat. Ionisasi kedua adalah sedang dan yang ketiga sudah lemah. Hal ini bisa dilihat dari ketetapan penguraian ionisasi:
H3PO4 + H2O H2PO4- + H3O+ k1 = 7,1.10-3
H2PO4- + H2O HPO42- + H3O+ k2 = 6,3.10-8
HPO42- + H2O PO43- + H3O+ k3 = 4,4.10-13
Asam fosfat lebih kuat dari asam asetat, asam oksalat, dan asam boraks, tetapi lebih lemah dibandingkan asam nitrat, asam sulfat, dan asam klorida. Asam fosfat dapat dibuat garam dengan mudah melalui satu atau lebih atom hidrogen.
b. Pada saat pemanasan, disodium phosphat akan membentuk sodium pyrophosphat:
c. Pada saat pemanasan, sodium dihidrogen phosphat akan membentuk sodium metaphosphat.
NaH2PO4 NaPO3 + H2O
d. Pembentukan sodium phosphat dengan penambahan natrium hidroksida. Na2HPO4 + NaOH Na3PO4 + H2O
e. Phosphorus pentasulfida dihidrolisa akan menghasilkan asam fosfat. P2S5 + 8H2O 2H3PO4 + 5H2S
2.2.1.3 NaOH (MSDS, 2011)
Nama : natrium hidroksida Rumus molekul : NaOH
Berat molekul : 40 g/mol
Sifat fisis : - berwujud padat - berwarna putih - titik leleh = 318,4 oC - titik didih = 1390 oC - densitas = 1,8832 g/cm³ - larut dalam air
- larut dalam alkohol, eter, dan gliserin Impuritis : 0,05%
Sifat kimia :
a. Pemanasan pada temperatur 1000oC dengan pencampuran karbon akan membentuk metallic sodium:
6NaOH + 2C 2Na + 3H2 + 2Na2CO3
b. Natrium hidroksida jika mengalami ionisasi akan terjadi: NaOH Na+ + OH
-c. Pada pembentukannya, jika natrium ditambah air akan menghasilkan natrium hidroksida dan hidrogen.
Na + 2H2O 2NaOH + H2
d. Natrium hidroksida juga dapat dihasilkan dari reaksi antara sodium peroksida dengan air pada temperatur tinggi:
Pada temperatur rendah akan terbentuk hidrogen peroksida: Na2O2 + 2H2O 2NaOH + H2O2
e. Reaksi antara natrium karbonat dengan kalsium hidroksida akan menghasilkan natrium hidroksida dan kalsium karbonat:
Na2CO3 + Ca(OH)2 2NaOH + CaCO3
f. Natrium hidroksida mempunyai karakteristik alkali kuat, reaksi dengan alkali besi akan menghasilkan hidroksida besi dan natrium klorida:
FeCl3 + 3NaOH Fe(OH)3 + 3NaCl
Jika bereaksi dengan Zn akan terbentuk:
ZnSO4 + 2NaOH Zn(OH)2 + Na2SO4
g. Reaksi natrium hidroksida dengan beberapa elemen bebas, baik metal maupun non metal seperti:
2NaOH + Zn Na2ZnO2 + H2
2NaOH + 2Al + 2H2O 2NaAlO2 + 3H2
2NaOH + 2B + 2H2O 2NaBO2 + 3H2
2NaOH + Si + H2O Na2SiO3 + 2H2
2NaOH + Cl2 NaOCl + NaCl + H
h. Kalor reaksi pada elektrolisis garam bisa didapatkan dari kalor pembentukan komponen menyeluruh:
NaCl + H2O NaOH + 1/2H2 + 1/2Cl2
Reaksi dipecah menjadi reaksi pembentukan:
Na (s) + 1/2Cl2 (g) NaCl (g) ∆H = 407 kJ
H2 (g) + 1/2O2 (g) H2O (l) ∆H = 286 kJ
Na (s) + 1/2O2 (g) + 1/2H2 NaOH (g) ∆H = 469 kJ
2.2.2 Produk
2.2.2.1 Na3PO4.12H2O (MSDS, 2011)
Nama : trinatrium fosfat Rumus molekul : Na3PO4 12H2O
Berat molekul : 380,16 g/mol Sifat fisis : - tidak berwarna
- larut dalam air dan tidak larut dalam karbon disulfida - titik leleh = 256 oC (pada P = 1 atm)
- Suhu kristalisasi = 65 oC (pada P = 1 atm) - densitas = 2,507 g/cm3
- pH = 12 (larutan 1%) Sifat kimia :
a. Pemanasan dengan temperatur di atas 100oC, maka hidrat akan kehilangan 11 molekul air sehingga akan dihasilkan trinatrium fosfat monohidrat:
Na3PO4.12H2O Na3PO4.H2O + 11H2O
b. Trinatrium fosfat dihasilkan dari reaksi antara natrium hidroksida dengan disodium hidrogen phosphat:
Na2HPO4 + NaOH Na3PO4 + H2O
c. Disodium hidrogen phosphat pada saat pemanasan akan kehilangan air membentuk sodium pyrophosphat:
2Na2HPO4 Na4P2O7 + H2O
d. Sodium dihidrogen phosphat pada saat pemanasan akan membentuk sodium metaphosphat:
NaH2PO4 NaPO3 + H2O
2.3 Proses Pembuatan Trinatrium fosfat
Secara umum proses pembuatan trinatrium fosfat terdiri dari netralisasi, pengeringan dan kristalisasi. Untuk tahap awal dilakukan netralisasi asam fosfat dan natrium karbonat agar diperoleh konsentrasi yang sesuai. Setelah dinetralisasi asam fosfat dipanaskan sampai suhu 90oC dan tekanan 1,5 atm. Proses selanjutnya yaitu pembentukan disodium fosfat dari natrium karbonat dan asam fosfat pada kondisi operasi (T = 90oC). Untuk selanjutnya berlangsung proses kristalisasi dan pengeringan trinatrium fosfat yang dibentuk dari dinatrium fosfat dan natrium hidroksida.
Reaksi pembuatan trinatrium fosfat dijalankan dengan dua tingkatan: 1. Pembuatan disodium fosfat
Na2CO3(aq) + H3PO4(l) Na2HPO4(l) + H2O (l) + CO2(g) ∆Hf = -9.709,23
(John, 1928)
2. Pembentukan trinatrium fosfat 90oC
Na2HPO4(l) + NaOH (aq) Na3PO4 (l) + H2O (l) ∆Hf = -7.056,63
2.4 Pemilihan Proses
Sejauh ini pembuatan trinatrium fosfat hanya dapat dibuat dari bahan baku natrium karbonat, natrium hidroksida, dan asam fosfat. Dari pemilihan bahan baku untuk pembuatan trinatrium fosfat, untuk bahan baku natrium karbonat dapat dibuat dari natrium hidroksida dan asam karbonat. Namun dalam pembuatannya menggunakan proses yang lebih rumit lagi dan biaya yang lebih mahal untuk penyediaan bahan asam fosfat. Maka dengan mempertimbangkan hal tersebut kami memilih bahan baku natrium karbonat, natrium hidroksida, dan asam fosfat dalam pembuatan trinatrium fosfat dengan menggunakan proses kristalisasi. Proses kristalisasi trinatrium fosfat dilakukan dengan pendinginan sampai suhu 55oC sehingga terbentuk kristal putih trinatrium fosfat yang berbentuk kristal triagonal. Untuk selanjutnya dikeringkan menggunakan udara panas. Maka dapat disimpulkan proses pembuatan dari trinatrium fosfat yang lebih efisien adalah proses kristalisasi sebagai proses utama dan diikuti dengan proses netralisasi dan pengeringan yang sampai saat ini menjadi tahapan proses dari pembuatan trinatrium fosfat (Beltz, 1963).
2.5 Deskripsi Proses
Proses pembuatan trinatrium fosfat secara garis besar dibagi menjadi 6 tahap proses yaitu:
1. Persiapan bahan baku
2. Pembentukan larutan disodium fosfat 3. Pembentukan larutan trinatrium fosfat 4. Pengkristalan produk trinatrium fosfat 5. Pengeringan trinatrium fosfat
1. Persiapan bahan baku
Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan trinatrium fosfat adalah natrium karbonat, asam fosfat, dan natrium hidroksida. Untuk keperluan ini digunakan natrium karbonat 30%, asam fosfat 62%, dan natrium hidroksida 50%. Bahan baku asam fosfat disimpan dalam tangki penyimpanan asam fosfat (T-104) pada suhu 30 oC dan tekanan 1 atm, kemudian dialirkan menggunakan pompa (P-111) dan diencerkan dalam tangki berpengaduk (M-101) sampai kadarnya menjadi 62% dari kadar mula-mula 74% serta menaikan suhu dari larutan sampai suhu menjadi 90 oC dengan menggunakan jaket pemanas. Asam fosfat dipompa (P-112) menggunakan pompa jenis sentrifugal sampai tekanan menjadi 1,5 atm menuju reaktor 1 (R-201).
Bahan baku natrium karbonat diangkut dari gudang (G-106) pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm menggunakan screw conveyor (SC-107), selanjutnya secara vertikal diangkut menggunakan bucket elevator (BE-109) menuju feed bin (FB-115) sebagai tempat penyimpanan sementara. Feed bin berupa silinder tegak terbuka dengan dasar berbentuk conis dilengkapi dengan weight feeder untuk mengatur laju umpan ke tangki pelarutan (M-102). Natrium karbonat dari feed bin (FB) dilarutkan pada tangki berpengaduk (M-102) untuk dilakukan pengenceran sampai konsentrasi natrium karbonatmenjadi 30% serta menaikkan suhu larutan menjadi 90 oC dengan mengunakan jaket pemanas. Selanjutnya dialirkan ke reaktor 1 (R-201) menggunakan pompa bertekanan (P-113) sampai tekanan menjadi 1,5 atm.
Bahan baku natrium hidroksida diangkut dari gudang penyimpanan (G-105) pada suhu 30oC dan tekanan 1 atm menggunakan screw conveyor (SC-108), selanjutnya secara vertikal diangkut menggunakan bucket elevator (BE-110) menuju
feed bin (FB-116) sebagai tempat penyimpanan sementara. Feed bin berupa silinder
tegak terbuka dengan dasar berbentuk conis dilengkapi dengan weight feeder untuk mengatur laju umpan ke tangki pelarutan (M-103). Natrium hidroksida dari feed bin (FB) dilarutkan pada tangki berpengaduk (M-03) untuk diencerkan sampai konsentrasinya menjadi 50% serta menaikkan suhu larutan menjadi 90 oC dengan menggunakan jaket pemanas. Natrium hidroksida dipompa (P-114) menggunakan pompa jenis sentrifugal sampai tekanan menjadi 1,5 atm menuju reaktor 2 (R-202).
2. Pembentukan dinatrium fosfat
Larutan asam fosfat dialirkan ke dalam reaktor (R-201) direaksikan dengan natrium karbonat. Reaktor yang digunakan adalah mixed flow reactor yang dilengkapi dengan pengaduk dan jaket pendingin. Sebagai media pendingin digunakan air dengan suhu masuk 30oC. Kondisi operasi reaktor pada suhu 90oC dan tekanan 1,5 atm. Reaksi yang terjadi dalam reaktor 1 adalah:
Na2CO3(aq) + H3PO4(l) 95,6% Na2HPO4(l) + H2O (l) + CO2(g) (John,
1928)
Hasil reaksi berupa gas CO2 akan keluar melalui pipa pembuangan. Hasil dari
reakror 1 (R-201) dialirkan menggunakan pompa (P-211) menuju clarifying filter (F-207). Hasil utama pada reaktor 1 yaitu dinatrium fosfat selanjutnya dipisahkan dari impuritasnya dalam clarifying filter (F-207). Pengotor berupa endapandari impuritis bahan baku natrium karbonat dan asam fosfat dialirkan ke unit pengolahan limbah (UPL) untuk dilakukan pengolahan lebih lanjut. Pengotor ini biasanya terdiri dalam jumlah yang sangat sedikit.
3. Pembentukan trinatrium fosfat
Larutan dinatrium fosfat keluar dari clarifying filter (F-207) selanjutnya dialirkan menggunakan pompa (P-212) ke reaktor 2 (R-202) untuk direaksikan dengan natrium hidroksida 50%. Reaktor 2 juga dilengkapi dengan jaket pendingin dan pengaduk. Kondisi operasi reaktor pada suhu 90oC dan tekanan 1,5 atm. Dalam reaktor 2 terjadi reaksi:
Na2HPO4(l) + NaOH (aq) 99,06% Na3PO4(l) + H2O (l) (John,
1928)
Trinatrium fosfat hasil reaksi yang masih bercampur dengan impuritas dipompa (P-213) menuju clarifying filter (F-208) untuk memisahkan kotoran yang ada. Pengotor berupa endapandari impuritis bahan natrium karbonat dan asam fosfat dialirkan ke unit pengolahan limbah (UPL) untuk dilakukan pengolahan lebih lanjut. Filtrat dialirkan menggunakan pompa (P-214) menuju evaporator (EV-203).
4. Pengkristalan trinatrium fosfat
Filtrat dialirkan menuju evaporator (EV-203) untuk dipekatkan. Larutan jenuh keluar evaporator dengan suhu 104,7154 oC selanjutnya dipompa (P-215) menuju cooler untuk menurunkan suhu larutan sampai mendekati suhu kristalisasi bahan sehingga suhu nya menjadi 75 oC. Selanjutnaya larutan dialirkan menuju
cristalliser (CR-301), sedangkan uapnya dikondensasi pada barometrik kondensor
(BK). Proses kristalisasi dilakukan pada suhu 55oC menggunakan agitated cooling
crystallizer. Mother liquor dan kristal yang terbentuk dipisahkan melalui centrifuge
(CF-302). Mother liquor yang terbentuk dialirkan menggunakan pompa (P-309) menuju heater (HE-206) untuk menaikkan suhu nya menjadi 90 oC sehingga mother
liquor nya dapat direcycle menuju reaktor 1 (R-201).
5. Pengeringan produk Trinatrium fosfat
Kristal yang telah dipisahkan dari centrifuge selanjutnya dialirkan menggunakan screw conveyor (SC-304) untuk dikeringkan dalam rotary dryer (RD-303). Proses pengeringan dilakukan dengan menguapkan airnya menggunakan steam yang tidak kontak langsung pada bahan. Sebagai media panas dalam rotary dryer digunakan saturated steam.
6. Pengambilan hasil
Kristal trinatrium fosfat yang telah kering diangkut secara vertikal menggunakan bucket elevator (BE-305) menuju feed bin (FB-306), kemudian disalurkan ke gudang (G-308) menggunakan belt conveyor (BC-307). Selanjutnya dilakukan proses packing produk kedalam bentuk sak-sak menggunakan alat pempackingan.
P-111 M -101 G-106 FC TI SC-107 BE-109 R-01 RD-303 SC-304 M - 102 P-112 P-209 P-210 P-213 WC-216 CF-302 BE-305 FB-306 G-308 TI P-113 G-105 TI F-207 P-211 P-212 TI F-208 LC EV-203 LC PC R-201 R-202 TC BC-307 FC co2 PC PC UPL UPL T-104 SC-108 BE-110 M - 103 TI P-114 FB-116 FB-115 HE-204 P-214 CR-301 C-205 FC T-215 Kondensat Bekas
Air Pendingin Bekas SATURATED STEAM, 112oC 1,5 atm
Air Pendingin, 30oC Air Proses, 30oC NaOH H3PO4 Na2CO3 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 12 14 15 16 17 17 18 19 21 20 22 23 No Kode Keterangan
1 T-104 Tangki Asama Fosfat
2 G-105 Gudang Natrium Hidroksida
3 G-106 Gudang Natrium Karbonat
4 G-308 Gudang Trinatrium Fosfat
5 M-101 Tangki Pengenceran Asam Fosfat
6 M-102 Tangki Pengenceran Natrium Karbonat
7 M-103 Tangki Pengenceran Natrium Hidroksida
8 SC-107 Screw Conveyor
9 SC-108 Screw Conveyor
10 SC-304 Screw Conveyor
11 BE-109 Bucket Elevator
12 BE-110 Bucket Elevator
13 BE-305 Bucket Elevator
14 BC-307 Belt Conveyor 15 FB-115 Feed Bin 16 FB-116 Feed Bin 17 FB-306 Feed Bin 18 P-111 Pompa Sentrifugal 19 P-112 Pompa Sentrifugal 20 P-113 Pompa Sentrifugal 21 P-114 Pompa Sentrifugal 22 P-209 Pompa Sentrifugal 23 P-210 Pompa Sentrifugal 24 P-211 Pompa Sentrifugal 25 P-212 Pompa Sentrifugal 26 P-213 Pompa Sentrifugal 27 P-214 Pompa Sentrifugal
28 T-215 Tangki Penyimpanan Air Hasil Kondensasi
29 R-201 Reaktor I 30 R-202 Reaktor II 31 F-207 Clarifying Filter I 32 F-208 Clarifying Filter II 33 EV-203 Evaporator 34 WC-216 Water Condensor 35 C-205 Cooler 36 HE-204 Heater 37 CR-301 Cristaliser 38 CF-302 Centrifuge 39 RD-303 Rotary Dryer
alur 1 alur 2 alur 3 alur 4 alur 5 alur 6 alur 7 alur 8 alur 9 alur 10 alur 11 alur 12 alur 13 alur 14 alur 15 alur 16 alur 17 alur 18 alur 19 alur 20 alur 21 alur 22 alur 23
1604,7935 - 1604,7935 - - - - - - - 73,8607 73,8607 - 73,8607 - 73,8607 - 73,8607 73,8607 - 73,8607 - -- - - 1735,7970 - 1735,7970 - - - - 68,4947 68,4947 - 68,4947 - 68,4947 - 68,4947 68,4947 - 68,4947 - -- - - - - - 650,9067 - 650,9067 - 34,2582 34,2582 - 34,2582 - 34,2582 - 34,2582 34,2582 - 34,2582 - -- - - - - - - - - - 2332,6099 2332,6099 - 21,8090 - 21,8090 - 21,8090 21,8090 14,5939 7,2969 - 14,5939 - - - - - - - - - - - - - 2668,7177 - 2668,7177 - 2668,7177 - - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - 6186,8687 6186,8687 - - 6186,8687 563,4126 419,7367 983,1493 87,3379 3958,8353 4046,1733 - 650,2558 650,2558 - 5632,7755 5576,4477 56,3277 6519,6116 65,1961 6454,4155 2153,5818 4300,8336 782,6826 473,9877 308,6948 362,3191 111,6686 - - - - - - - - - 720,5195 - - - - - - - - - - - - -0,4337 - 0,4337 4,0197 - 4,0197 - - 0,6509 - 4,4534 - 4,4534 0,6509 0,6509 - - - - - - - -2168,6398 419,7367 2588,3765 1827,1546 3958,8353 5785,9900 520,7254 520,7254 1301,8135 720,5195 8146,4527 8085,6713 48,6249 9387,4850 65,8470 9321,638 2153,5818 7168,0562 7168,0561 6675,4503 492,0561 362,3191 6313,1313 30 30 90 30 30 90 30 30 90 90 90 90 90 90 90 90 104,7154 104,7154 55 55 55 100 100 1 1 1,5 1 1 1,5 1 1 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 1 1 1 1 1 1 1
