PEMBUATAN NATRIUM SULFAT ANHIDRAT (NA 2 SO 4 )

Transkripsi

1 PEMBUATAN NATRIUM SULFAT ANHIDRAT (NA 2 SO 4 ) Senadi Budiman ABSTRAK Natrium sulfat anhidrat (Na 2 SO 4 ) merupakan senyawa anorganik yang banyak dibutuhkan dalam berbagai industri, diantaranya digunakan dalam industri kertas, detergen, dan industri gelas. Di alam natrium sulfat anhidrat dikenal sebagai mineral thenardite. Dalam penelitian ini, natrium sulfat anhidrat diperoleh dari hasil rekristalisasi garam asal Pantai utara Jawa Tengah melalui proses Mannheim, yaitu reaksi garam dengan asam sulfat pekat dengan cara menguapkannya sampai kering. Residu berupa natrium sulfat teknis atau salt cake. Diperlukan garam 5 g dan diperoleh produk Na 2 SO 4 (5,1522 ± 0,0024) g, dengan rendement (85,88 ± 0,04) %. Nilai ph untuk larutan Na 2 SO 4 5 % adalah 7,45. Kata Kunci : Natrium sulfat anhidrat, Mannheim PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Natrium sulfat anhidrat (Na 2 SO 4 ) banyak dibutuhkan dalam kertas, detergen, gelas dan industri tekstil. Kebutuhan bahan ini terus meningkat terutama industri kertas dimana hampir 70 % dari produksi Na 2 SO 4 digunakan untuk keperluan pembuatan kertas. Natrium sulfat dihasilkan dari berbagai proses pembuatan dalam suatu industri, diantaranya hasil samping dari pembuatan natrium dikromat (Na 2 Cr 2 O 7 ). Bahan ini juga diperoleh di alam sebagai thenardite. Pembuatan natrium sulfat anhidrat dalam jumlah yang besar dapat diperoleh melalui proses Mannheim, yaitu proses pembuatan kerak garam (salt cake) dengan cara pemanasan NaCl dengan H 2 SO 4. Proses ini merupakan proses untuk memproduksi HCl dan Na 2 SO 4 hanya sebagai hasil sampingnya. Tetapi sekarang ini proses dibalik, NaCl sebagai bahan baku utamanya, diubah menjadi Na 2 SO 4 sebagai produksi utama dan HCl merupakan hasil sampingnya. Di Indonesia persediaan garam melimpah dan mudah didapatkan. disamping harganya yang sangat murah. Alangkah baiknya jika sumber kekayaan alam ini cara memanfaatkan dengan sebaik-baiknya adalah dengan mengubahnya menjadi bentuk garam lain seperti Na 2 SO Maksud dan Tujuan Maksud penelitian ini adalah mengubah NaCl dengan H 2 SO 4 menjadi natrium sulfat anhidrat (Na 2 SO 4 ). Tujuannya adalah memanfaatkan garam natrium klorida untuk pembuatan natrium sulfat anhidrat dengan kualitas produk yang sesuai dengan standar produk Na 2 SO 4 anhidrat Identifikasi Masalah Dalam pembuatan Na 2 SO 4 anhidrat dari hasil rekristalisasi NaCl, dititik beratkan pada jumlah H 2 SO 4 yang Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat (Senadi Budiman) 33

2 ditambahkan pada saat pembuatan Na 2 SO 4 teknis atau salt cake (stoikiometri ekses 40 %) Metodologi Penelitian Pada penelitian ini, metode yang digunakan adalah proses Mannheim yaitu proses pemanasan langsung antara NaCl dengan H 2 SO 4 sampai terbentuk kerak garam yaitu Na 2 SO 4 teknis (salt cake). Penelitian ini dilakukan melalui beberapa tahapan, yaitu: a. Pembuatan natrium sulfat anhidrat : pemanasan, pemurnian, filtrasi, kristalisasi dan pengeringan. b. Analisis produk Na 2 SO 4. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Natrium Sulfat Natrium sulfat di alam sebagai garam rangkap atau berupa hidratnya. Untuk garam tunggalnya, yaitu Na 2 SO 4 anhidrat dikenal sebagai thenardite. Garam rangkap dan bentuk hidratnya adalah glauberite merupakan garam sulfat rangkap, gabungan antara natrium sulfat dengan kalsium sulfat (Na 2 SO 4.CaSO 4 ) dan bentuk hidratnya adalah natrium sulfat dekahidrat, mirabilite (Na 2 SO 4.10H 2 O). Berikut ini tabel sifat-sifat fisik dan kimia natrium sulfat anhidrat dan dekahidrat : Tabel 2.1 Sifat-sifat Fisik Natrium Sulfat Anhidrat dan Dekahidrat. Sifat Na 2SO 4 Na 2SO 4.10H 2O Bentuk kristal Ukuran kristal Warna Berat molekul (g/mol) Berat jenis (g/ml) Titik leleh ( o C) Rombik Kristal / serbuk halus Tak berwarna 142,05 2, Monoklinik Kristal butir/jarum kecil Tak berwarna /transparan 322,21 1,464 32,4 Sumber : The Condensed Chemical Dictionary, Bentuk Na 2 SO 4 hidrat yang umum adalah natrium sulfat dekahidrat, (Na 2 SO 4. 10H 2 O) dan heptahidrat metastabil (Na 2 SO 4. 7H 2 O). Bentuk metastabil dapat diproduksi melalui kristalisasi dari larutan pekat dibawah 12 o C. Di atas 32,4 o C fasa padat dalam larutan air adalah bentuk anhidrat. Sedangkan dibawah 32,4 o C merupakan pembentukan dekahidrat Natrium Sulfat Anhidrat Natrium sulfat anhidrat dapat berupa natrium sulfat anhidrat murni dan teknis. Natrium sulfat teknis merupakan produk kasar pada pembuatan natrium sulfat anhidrat disebut juga salt cake, merupakan reaksi pemanasan antara NaCl dengan, tanpa dilakukan pemurnian. Sebelumnya hasil utama dari reaksi tersebut adalah HCl dan Na 2 SO 4 teknis yang merupakan hasil samping yang jumlahnya berlimpah. Di alam, Na 2 SO 4 anhidrat dapat kita temukan sebagai mineral thenardite. Mineral ini bersifat meastabil, mudah larut dalam air dan higroskopis. Kita dapat menjumpai mineral ini terdapat di daerah kering sebagai endapan asin dan terdapat juga pada gua yang kering. Karena sifatnya yang metastabil, apabila temperatur dalam gua lebih rendah maka thenardite secara berangsur-angsur akan menyerap air dan berubah menjadi mirabilite yaitu mineral alam Na 2 SO 4. 10H 2 O. Natrium sulfat anhidrat dibagi dalam beberapa kelas sesuai dengan kadar kandungan natrium sulfatnya (Na 2 SO 4 ). Diantaranya adalah kelas teknik yaitu salt cake relatif tidak murni; pembuat kaca (99 99,5 %); teknik (94 98 %); anhidrat (minimal 97 %) dan reagen minimal 99,0 %. Tabel 2.4 berikut ini, merupakan spesifikasi atau standar yang ditetapkan terhadap natrium sulfat anhidrat untuk reagen dan natrium sulfat anhidrat yang ARISTOTELES VOL. 4 NO. 1, OKTOBER 2006 :

3 ada dipasaran: 2.3. Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat Natrium sulfat anhidrat diperoleh sebagai hasil samping dari berbagai proses pembuatan dalam suatu industri, diantaranya merupakan hasil samping dari pembuatan natrium dikromat (Na 2 Cr 2 O 7 ) melalui reaksi antara Na 2 CrO 4 dengan H 2 SO 4. Untuk produksi dalam jumlah yang lebih besar, natrium sulfat anhidrat dapat diperoleh melalui dehidrasi natrium sulfat dekahidrat yang terjadi secara alami, di alam garam ini dikenal sebagai mineral mirabilite. Endapan mineral ini telah ditemukan di Saskatchewan, Canada. Kristal garam kasar ini dicuci, dan kemudian dilarutkan dalam air kristalnya melalui pemanasan sampai 27 % air pada drum pengering dan terakhir dikeringkan, hingga didapatkan natrium sulfat anhidrat yang bebas air. Alternatif lain dalam pembuatan natrium sulfat anhidrat adalah melalui metoda atau proses Mannheim, yaitu proses reaksi pemanasan antara garam natrium klorida dengan asam sulfat pekat, temperatur pemanasan dalam furnace Mannheim ini dibawah titik peleburan (843 o C). Reaksi yang terjadi adalah : 2 NaCl (s) + H 2 SO 4 aq Na 2 SO 4 (s) + 2 HCl (g) Produk utama yang dihasilkan dari proses ini yaitu salt cake atau natrium sulfat teknis. Dilanjutkan pemurnian terhadap produk kasar ini untuk mendapatkan natrium sulfat anhidrat yang lebih murni. Mula-mula produk salt cake ini dilarutkan dengan sejumlah air. Kemudian ditambahkan soda ash atau lime untuk menetralisasi kelebihan asam dan untuk mengendapkan pengotor, seperti besi, magnesium dan kalsium. Larutan jernih dimasukan ke dalam kristalisator. Lumpur yang mengendap dicuci dengan air. Dilanjutkan dengan pengkristalan terhadap filtrat tersebut pada suhu yang cukup tinggi, sampai terbentuk natrium sulfat ahidrat, kristal ini kemudian dikeringkan dalam oven pengering. Selain metoda diatas, ada metoda lain untuk membuat natrium sulfat anhidrat yang bermutu tinggi, yaitu dengan proses Hargraves. Cara ini berasal dari Eropa, persamaan reaksinya adalah: 4 NaCl + 2 SO H 2 O + O 2 2 Na 2 SO HCl ada tiga pabrik yang mengunakan proses Mannheim dan proses Hargreaves Penggunaan Natrium Sulfat Anhidrat Natrium sulfat anhidrat banyak digunakan dalam industri kimia. Diantaranya adalah industri kertas. Dalam industri ini, lignin yang tak diinginkan dipisahkan dari kayu melalui pelumatan kayu dalam larutan alkalin Na 2 S. Na 2 S diproduksi melalui reduksi Na 2 SO 4 dengan karbon. Hampir 70 % dari total produk natrium sulfat anhidrat diperlukan dalam pembuatan kertas. Selain itu digunakan juga sebagai bahan pengisi dalam pembuatan detergen, merupakan pengkonsumsi natrium sulfat anhidrat kedua terbesar. Detergen biasanya mengandung sekitar % natrium sulfat, dan peningkatan produksi detergen pada tahun-tahun terakhir ini memperbesar permintaan untuk natrium sulfat. Natrium sulfat juga digunakan dalam pembuatan gelas, dimana ini merupakan sumber utama Na 2 O, dan sebagai bahan baku untuk produksi beberapa senyawa natrium, seperti natrium silikat, natrium karbonat dan natrium sulfat dekahidrat. Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat (Senadi Budiman) 35

4 METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Diagram Alir Penelitian Gambar 3.1 Diagram Alir Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat (Na 2 SO 4 ). ARISTOTELES VOL. 4 NO. 1, OKTOBER 2006 :

5 3.2. Metode Penelitian Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat Natrium sulfat anhidrat dibuat melalui proses Mannheim, yaitu dengan mereaksikan garam hasil rekristalisasi dengan asam sulfat pekat teknis melalui pemanasan. Adapun variasi percobaan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah: 1. Variasi penambahan asam sulfat pekat (ml) : stoikiometri (2,26); ekses 10 % (2,49); ekses 20 % (2,71); ekses 30 % (2,94); ekses 40 % (3,17). 2. Variasi penambahan kalsium hidroksida (Ca(OH) 2 ) : 1,0; 1,3; 1,4; 1,5; 1,8 g. Berikut ini adalah tahap-tahap dalam pembuatan natrium sulfat anhidrat : a. Pemanasan Proses ini pada dasarnya merupakan proses reaksi pemanasan antara garam (natrium klorida) dengan asam sulfat pekat teknis. Pemanasan ini bertujuan untuk mendapatkan natrium sulfat teknis atau salt cake/kerak garam b. Pemurnian Pemurnian disini merupakan proses untuk memurnikan natrium sulfat teknis menjadi natrium sulfat yang lebih murni. Dengan penambahan sejumlah air dan Ca(OH) 2 serta dilakukan pengadukan pada saat proses pemurnian tersebut. c. Filtrasi Filtrasi atau penyaringan dilakukan untuk memisahkan endapan zat pengotor yang tak larut dalam larutan induk (larutan natrium sulfat teknis) atau untuk memisahkan antara filtrat yang diinginkan terhadap endapan pengotornya. d. Kristalisasi Kristalisasi merupakan proses untuk menghasilkan produk yang berupa kristal dari suatu larutan atau lelehan. Dalam penelitian ini produk padat yang dihasilkan adalah natrium sulfat anhidrat. Maka dari itu pengkristalan yang dilakukan yaitu pada temperatur yang cenderung tinggi. e. Pengeringan Tahap ini merupakan tahap kelanjutan dari kristalisasi, yaitu bertujuan untuk mengeringkan produk kristal yang masih mengandung sejumlah air sehingga produk akhir yang diperoleh merupakan kristal natrium sulfat anhidrat yang bebas air Analisis Produk Natrium Sulfat Anhidrat Analisis yang dilakukan meliputi analisis kualitatif dan kuantitatif yaitu untuk mengetahui kemurnian dan unsur impuritis serta seberapa besar keberadaanya didalam produk Na 2 SO 4,. sehingga dapat diketahui apakah produk yang dihasilkan memenuhi standar produk natrium sulfat anhidrat yang ada dipasaran. Selain itu analisis kuantitatif dimaksudkan juga untuk mengetahui nilai rendement produk yaitu perbandingan antara berat produk natrium sulfat anhidrat hasil penelitian terhadap berat produk natrium sulfat anhidrat secara teoritis dikalikan 100 % Prosedur Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat Pada pembuatan natrium sulfat anhidrat ini, seperti disebutkan sebelumnya terdiri dari lima proses penting, yaitu: pemanasan, pemurnian, filtrasi, kristalisasi dan pengeringan. Sebelum kelima proses ini, pertama-tama Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat (Senadi Budiman) 37

6 adalah preparasi sampel yaitu garam terlebih dahulu dimurnikan atau dibersihkan dari pengotornya, yaitu melalui proses rekristalisasi, sehingga diperoleh garam (NaCl) yang bersih dan siap untuk proses pembuatan natrium sulfat anhidrat Pengukuran ph Produk Natrium Sulfat Anhidrat Membuat larutan natrium sulfat 5 %, yaitu melarutkan serbuk natrium sulfat anhidrat sebanyak 1,25 g kedalam labu ukur 25 ml, tambahkan akuades sampai tanda batas dan homogenkan. Lanjutkan dengan pengukuran ph untuk larutan natrium sulfat 5 % dengan menggunakan ph meter. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Pembuatan Produk Natrium Sulfat Anhidrat (Na 2 SO 4 ) dan Analisis Terhadap Produknya 4.1. Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat Reaksi pada pembuatan natrium sulfat anhidrat (Na 2 SO 4 ) merupakan dasar dari pembentukan produk yang diharapkan. Oleh karena itu, dasar reaksi yang digunakan harus tepat. Ada dua bentuk garam yang terbentuk dari reaksi dengan asam sulfat yaitu netral dan asam. Garam netral dari asam sulfat disebut garam sulfat, dimana mengandung ion SO = 4 sebagai contoh adalah natrium sulfat (Na 2 SO 4 ). Sedangkan garam asam disebut juga sebagai sulfat asam, hidrosulfat atau bisulfat. Sebagai contoh adalah natrium hidrosulfat atau natrium bisulfat (NaHSO 4 ). Perbedaan dari kedua bentuk garam diatas adalah dari banyaknya atom hidrogen yang dilepaskan oleh asam sulfat saat bereaksi dengan NaCl. Pada garam sulfat atau garam netral, kedua dari dua atom asam hidrogen digantikan oleh dua atom lain. Sedangkan bentuk garam asam hanya satu dari dua atom asam hidrogen yang digantikan. Berikut ini adalah bentuk dari kedua senyawa tersebut diatas : Dengan demikian dapat dikatakan bahwa produk Na 2 SO 4 yang dihasilkan dalam penelitian ini adalah bentuk garam netral atau garam sulfat. Maka reaksi yang terjadi pada proses pembuatan Na 2 SO 4 dapat dilihat dari sifat garam sulfat tersebut diatas. Dimana membutuhkan dua atom natrium untuk menggantikan dua atom hidrogen yang dilepaskan oleh asam sulfat. Oleh karena itu, reaksi dasar pembuatan Na 2 SO 4 adalah mengunakan 2 mol NaCl, bukan 1 mol NaCl, karena jika dengan 1 mol NaCl maka garam yang terbentuk adalah garam asam atau natrium hidrosulfat (NaHSO 4 ). Berikut ini reaksi antara 2 mol NaCl dengan 1 mol asam sulfat pekat : 2 NaCl + H 2 SO 4 Na 2 SO HCl Dari reaksi tersebut, pemanasan mengakibatkan asam sulfat pekat bersifat semakin kuat, dan terurai menjadi ionionnya yaitu 2 H + dan SO 2-4. Dengan demikian asam sulfat pekat panas tersebut akan melepaskan 2 ion hidrogen (2H + ), dimana lepasnya dua ion hidrogen ini akan ARISTOTELES VOL. 4 NO. 1, OKTOBER 2006 :

7 digantikan oleh 2 ion natrium (2Na + ) yang berasal dari NaCl. Atom-atom yang dilepaskan oleh asam sulfat dan natrium klorida yaitu dua atom hidrogen dan dua atom klorida, masing-masing akan saling bereaksi membentuk gas hidrogen klorida (gas HCl) yang menguap, meninggalkan residu berupa Na 2 SO 4 teknis atau salt cake. Produk ini merupakan bentuk garam netral dari asam sulfat disebut garam sulfat. Pembuatan Na 2 SO 4 pada penelitian ini, dilakukan dalam skala yang kecil (laboratorium) yaitu mempergunakan bahan baku garam sebanyak 5 g. Dari analisis bahan baku garam, kadar natrium kloridanya (NaCl) adalah 98,75 ± 0,04 %, maka dalam 5 g garam dapur terdapat natrium klorida sebanyak 4,9375 g, sehingga secara reaksi stoikiometri, asam sulfat pekat yang diperlukan adalah 2,26 ml Analisis Produk Natrium Sulfat Anhidrat (Na 2 SO 4 ) Analisis produk bertujuan untuk mengetahui apakah produk yang dihasilkan yaitu produk natrium sulfat anhidrat (Na 2 SO 4 ) sudah memenuhi standar produk Na 2 SO 4 yang ada dipasaran. Analisis produk yang dilakukan dalam penelitian ini hanya pada kandungan dalam produk Na 2 SO 4 yang mendukung saja, seperti kadar NaCl, kadar sulfat (SO 4 ), kadar Na 2 SO 4, juga terhadap nilai phnya pada larutan Na 2 SO 4 5 %. Analisis terakhir yang dilakukan terhadap produk Na 2 SO 4 anhidrat yang dihasilkan adalah analisis rumus molekulnya, yaitu melalui pengukuran dengan menggunakan difraksi sinar X atau XRD. Tujuan dari analisis ini adalah untuk memastikan apakah produk yang dihasilkan sesuai dengan tujuan utama penelitian ini, yaitu membuat natrium sulfat anhidrat. Gambar 4.2. berikut ini merupakan hasil anlisis XRD terhadap produk natrium sulfat anhidrat (Na 2 SO 4 ) : Gambar 4.2. Kurva hasil analisis XRD natrium sulfat anhidrat KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan a. Pada pembuatan Na 2 SO 4, untuk berat sampel (garam) 5 g, diperoleh kondisi optimal dengan penambahan asam sulfat pekat ekses 40 % (3,17 ml), kalsium Pembuatan Natrium Sulfat Anhidrat (Senadi Budiman) 39

8 hidroksida (Ca(OH) 2 ) 1,4 g. Pada kondisi yang optimal tersebut diperoleh berat produk Na 2 SO 4 sebanyak (5,1522 ± 0,0024) g. b. Nilai ph produk untuk larutan natrium sulfat 5 % adalah 7,45. c. Dari analisis XRD menunjukkan bahwa produk yang dihasilkan merupakan natrium sulfat anhidrat dengan rumus molekul Na 2 SO 4 dan nama mineralnya adalah thenardite Saran Penelitian ini belum sempurna, produk yang dihasilkan belum benar-benar murni meskipun sebagian besar hasil analisisnya sudah memenuhi standar produk Na 2 SO 4 yang ada. Perlu penelitian lebih lanjut terhadap teknik pemanasan yang tepat antara garam (NaCl) dan asam sulfat pekat (H 2 SO 4 ), sehingga dapat menekan ekses penambahan asam sulfat pekat yang digunakan. DAFTAR PUSTAKA [1.] Annual Book of ASTM standards, Designation : D , Water and Environmental Technologi, Vol XI.01 Water (1). [2.] Hawley, G.G., The Condensed Chemical Dictionary, 9 th ed., Van Nonstrand Reinhold Company, New York, p [3.] Honig, J.M. and S.Z. Lewin, The Van Nostrand Chemist s Dictionary, D. Van Nostrand Company, Inc., New York, p. 575, 672. [4.] Lowenheim, F.A. and M.W. Moran, Industrial Chemicals, 4 th ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, p [5.] Partington, J.R., General and Inorganik Chemistry, 2 nd ed., Macmillan and Co., London, p [6.] Petrucci, R.H. and R.K. Wismer, General Chemistry With Qualitative Analysis, Macmillan Publishing Co., Inc., New York, p BIODATA PENULIS : Senadi Budiman, Drs., M.Si. Adalah Dosen Biasa di Program Studi Kimia Fakultas MIPA Universitas Jenderal Achmad Yani (UNJANI) oo0oo ARISTOTELES VOL. 4 NO. 1, OKTOBER 2006 :