RECOVERY ALUMINA (Al 2 O 3 ) DARI COAL FLY ASH (CFA) MENJADI POLYALUMINUM CHLORIDE (PAC)

Transkripsi

1 RECOVERY ALUMINA (Al 2 O 3 ) DARI COAL FLY ASH (CFA) MENJADI POLYALUMINUM CHLORIDE (PAC) Ninik Lintang Edi Wahyuni Teknik Kimia Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir Ds Ciwaruga, Bandung Telp/fax : (022) niniklintang@yahoo.com Abstrak Coal fly ash (CFA) adalah limbah sisa pembakaran batubara yang termasuk ke dalam bahan beracun dan berbahaya (B3). Penelitian ini dimaksudkan untuk memanfaatkan alumina (Al 2 O 3 ) yang terkandung dalam CFA menjadi produk polyaluminum chloride (PAC), yaitu bahan koagulan yang mempunyai nilai ekonomi cukup tinggi. Proses preparasi PAC dari CFA merupakan modifikasi dari metode Park (1997) untuk membuat PAC dari tanah liat, karena komposisi bahan baku yang hampir sama. Proses preparasi meliputii leaching, kristalisasi, dekomposisi parsial, pelarutan dalam air, serta sentrifugasi. Leaching dilakukan pada temperatur 105 o C, dan waktu optimum yang diperoleh adalah 60 menit, yang memberikan persen recovery sebesar 41,2%. Untuk proses dekomposisi parsial diperoleh temperatur optimum 200 o C dan waktu optimum 200 menit, yang memberikan yield total 18,76 %. Uji kinerja terhadap produk PAC yang diperoleh dilakukan dengan metode Jar Test, dan dosis optimumnya adalah 761,6 ppm yang mampu menurunkan kekeruhan air limbah artificial dari 123,3 NTU menjadi 4,68 NTU. Kata kunci: Alumina, coal fly ash (CFA), polyaluminum chloride (PAC) PENDAHULUAN Batubara banyak digunakan sebagai sumber energi alternatif pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) dan menghasilkan sisa pembakaran berupa gas dan abu. Abu batubara yang terdiri dari bottom ash (BA) dan coal fly ash (CFA) merupakan limbah padat yang mengandung senyawa-senyawa oksida yang dapat membahayakan lingkungan dan dikategorikan sebagai limbah bahan berbahaya dan beracun (B3), sehingga harus ditangani secara tepat atau ditampung di tempat pembuangan tersendiri. Saat ini umumnya CFA dimanfaatkan sebagai salah satu bahan campuran pembuat beton atau semen (Menteri Lingkungan Hidup, 2006). Sehubungan dengan meningkatnya jumlah PLTU berbahan bakar batubara di Indonesia, maka volume CFA juga meningkat. PLTU merupakan sektor yang paling banyak menggunakan batubara, yaitu 71,11% dari total konsumsi nasional sebesar 35,342 juta ton pada tahun 2005 (Pustekmira, 2006). Potensi limbah abu batubara yang dihasilkan sekitar 10% dari kebutuhan bahan bakar atau sebesar 2,51 juta ton per tahun. Dengan memperhatikan permasalahan di atas, maka perlu dilakukan pencarian teknologi tepat guna tentang pemanfaatan CFA untuk tujuan-tujuan produktif. Kandungan Al 2 O 3 yang cukup besar pada CFA (20-30 %) memungkinkan CFA untuk diolah menjadi Polyaluminum chloride (PAC). Pemilihan PAC (Al x (OH) x Cl 2x ) sebagai produk pada penelitian ini karena PAC merupakan koagulan pada pengolahan 28

2 Vol. VII, No. 1, Mei 2011 air, dan koagulan ini memiliki keunggulan dibandingkan dengan jenis koagulan lainnya, yaitu: PAC dapat bekerja pada tingkat ph yang lebih lebar, sehingga tidak diperlukan pengoreksian terhadap ph, kecuali pada air tertentu. ( 08/05/bahan-kimia-penjernih-air-koagulan). PAC mengandung suatu polimer khusus dengan struktur polielektrolit yang dapat mengurangi pemakaian bahan pembantu. Kandungan basa yang cukup akan menambah gugus hidroksil dalam air sehingga penurunan ph tidak terlalu ekstrim sehingga menghemat penggunaan bahan netralisasi. PAC lebih cepat membentuk flok daripada koagulan biasa, karena gugus aktif alumina yang bekerja efektif dalam mengikat koloid yang diperkuat dengan rantai polimer dari gugus polielektrolit. ( 08/05/bahan-kimia-penjernih-airkoagulan). Dari aspek ekonomi, PAC memiliki harga pasaran yang relatif tinggi, yaitu Rp 15000/kg, dibandingkan tawas dengan harga Rp 6000/kg. (Brataco Chemika Bandung, 20 Januari 2010). Park (1997) memproduksi (PAC) dengan bahan baku tanah liat dengan proses kalsinasi, leaching, filtrasi, ekstraksi pelarut, kristalisasi, dekomposisi parsial hingga pelarutan di dalam air. CFA memiliki kemiripan komposisi dengan tanah liat, yaitu kandungan silika oksida (SiO 2 ) dan aluminium oksida (Al 2 O 3 ) dalam proporsi yang besar, serta memiliki kandungan senyawa oksida lain seperti ferro oksida (Fe 2 O 3 ), kalsium oksida (CaO), magnesium oksida (MgO), natrium oksida (Na 2 O) dan kalium oksida (K 2 O) yang tidak jauh berbeda, seperti ditunjukkan di Tabel 1. Tabel 1 Komposisi Tanah Liat dan CFA Batubara (Sumber: Park,1997) % berat CFA Komponen Tanah liat sub bitumin bitumin ous lignit e ous SiO 2 44, Al 2 O 3 37, Fe 2 O 3 1, CaO 1, MgO 0, Na 2 O 0, K 2 O 1, TiO2 0, MnO 0, H 2 O 11, SO LOI Berdasarkan kemiripan komposisi antara CFA dan tanah liat, maka dilakukan percobaan pembuatan PAC dari bahan baku CFA dengan metoda Park yang dimodifikasi. Penelitian ini dimaksudkan untuk menemukan teknologi proses tepat guna untuk membuat PAC (yang berfungsi sebagai koagulan) dari Alumina yang terdapat pada CFA (sisa pembakaran batubara di PLTU), yaitu mencari waktu optimum pada tahap leaching serta waktu dan temperatur optimum tahap dekomposisi parsial. Analisis kualitas produk meliputi sifat fisik larutan PAC (densitas, viskositas, titik didih, warna, dan kekeruhan), sifat kimia ( ph dan konsentrasi), yield, serta kinerja PAC sebagai koagulan dalam mengendapkan partikel-patikel koloid yang terkandung di dalam air menggunakan metoda Jar Test dan membandingkannya dengan kinerja PAC komersial. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian dilakukan dalam tiga tahapan, yaitu: Jurnal Sains dan Teknologi 29

3 Rintis Manfaati Recovery Alumina (Al 2 O 3 ) a. Percobaan awal dilakukan untuk membuktikan bahwa proses dapat menghasilkan PAC. Percobaan ini terdiri dari tahap recovery alumina (Al 2 O 3 ), kristalisasi (AlCl 3.6H 2 O) (s), dekomposisi parsial (Alx(OH)x. Cl 2 x) (s), pelarutan dalam air (Alx(OH)x.Cl 2 x) (l), dan sentrifugasi, seperti ditunjukkan di Gambar 1. b. Percobaan penentuan kondisi proses optimum, dilakukan untuk mengetahui waktu optimum proses leaching, serta temperatur dan waktu proses dekomposisi parsial dengan mengalirkan gas nitrogen, dilanjutkan dengan proses pelarutan PAC dalam air untuk memperoleh larutan PAC. c. Uji kinerja produk PAC sebagai koagulan untuk mengendapkan kekeruhan air limbah artificial. Percobaan awal Sebelum proses leaching (pada tahap recovery alumina), dilakukan pencucian untuk menghilangkan oksida-oksida seperti Fe 2 O 3, Na 2 O, MgO, CaO, dan K 2 O yang dapat mengganggu reaksi antara HCl dengan alumina, dilanjutkan dengan filtrasi untuk mendapatkan cake. Cake yang diperoleh siap untuk proses leaching sesuai reaksi: Al 2 O 3 + HCl 2 AlCl H 2 O Hasil reaksi yang berupa cairan dipisahkan dari cakenya, kemudian dikristalisasi hingga diperoleh Aluminium Khlorida Heksahidrat sesuai reaksi: AlCl H 2 O(l) AlCl 3.6H 2 O Kristal dicuci dengan larutan HCl untuk menghilangkan kandungan FeCl 3 yang ada. Kemudian kristal aluminium klorida heksahidrat didekomposisi parsial yang dilakukan pada temperatur 180 o C selama 140 menit berdasarkan reaksi: 2(AlCl 3.6H 2 O) Al 2 (OH) 2 Cl 4 +2HCl+ 10H 2 O aquades HCl HCl 36% N 2 aquades CF A Pemisahan Fe 2 O 3 Pencucian CFA Filtrasi PAC cake Leaching filtrasi kristalisasi pencucian AlCl 3.6H 2 O Dekomposi si parsial pelarutan sentrifugasi Alx(OH)x Gambar 1 Tahapan Penelitian filtrat residu Produk yang diperoleh kemudian dilarutkan dalam air (15 g produk dekomposisi parsial dilarutkan di dalam 100 ml aquadest pada suhu 90 o C), dan dipisahkan dari padatan pengotor menggunakan sentrifus untuk mendapatkan larutan PAC yang jernih (Gambar 1). Jurnal Sains dan Teknologi 30

4 Vol. VII, No. 1, Mei 2011 Penentuan Kondisi Proses Optimum 1. Penentuan waktu optimum pada proses leaching, antara 40 menit, 50 menit, 60 menit, 70 menit, dan 80 menit pada temperatur 105 o C 2. Penentuan temperatur dan waktu optimum pada proses dekomposisi parsial: o Temperatur proses divariasikan antara 140 o C, 160 o C, 180 o C, dan 200 o C selama 180 menit. o Waktu proses divariasikan antara 140 menit, 160 menit, 180 menit, dan 200 menit dengan temperatur 200 o C. Analisis Produk Analisis sifat kimia dan sifat fisika, yaitu warna, viskositas, densitas, titik didih, kekeruhan, ph dan konsentrasi Uji Kinerja Produk dilakukan dengan metoda Jar Test untuk mengetahui dosis optimum PAC pada pengendapan partikel koloid hingga meninggalkan kekeruhan terkecil dan endapan paling banyak. Kinerja produk PAC dibandingkan dengan PAC komersial dengan menggunakan dosis optimum penggunaan PAC. Uji pengendapan dilakukan pada air limbah artificial dengan kadar bentonit 1200 ppm, dengan mengamati volume endapan yang dihasilkan, ph dan kekeruhan air limbah artificial setelah ditambahkan PAC. HASIL DAN PEMBAHASAN Percobaan Awal Untuk mendapatkan PAC dengan kualitas cukup baik dilakukan beberapa tahapan proses seperti ditunjukkan di Tabel 2. Kinerja produk dilihat dari kemampuan mengendapkan pengotor dalam sampel air limbah artificial dengan PAC 10-11% sesuai metode SNI Waktu Optimum Proses Leaching Leaching yang dilakukan dengan waktu bervariasi antara 40 s/d 80 menit, dan persen recovery alumina yang diperoleh ditunjukkan di Gambar 2 Tabel 2 Tahapan Proses Recovery Al 2 O 3 Perlakuan Hasil Leaching (tanpa Kristal pencucian), kristalisasi AlCl 3.6H 2 O 60 o C, 1 jam, berwarna dekomposisi tanpa N 2 kecoklatan, kurang kering Larutan PAC 0,01% Leaching (tanpa pencucian), kristalisasi 60 o C, 3 jam, dekomposisi tanpa N 2 Leaching (dengan pencucian), kristalisasi 60 o C, 3 jam, dekomposisi dengan N 2 (40 cc/min), pencucian AlCl 3.6H 2 O dengan HCl 36% teknis Kristal AlCl 3.6H 2 O kering, berwarna kecoklatan Larutan PAC 0,08% Produk kristal berwarna putih, larutan PAC jernih Gambar 2 Hubungan Waktu Proses terhadap %recovery (Leaching Alumina) Berdasarkan Gambar 2 terlihat bahwa pada waktu 40 dan 50 menit nilai % recovery masih mengalami kenaikan, Jurnal Sains dan Teknologi 31

5 Rintis Manfaati Recovery Alumina (Al 2 O 3 ) dan pada 60, 70, dan 80 menit nilai % recovery konstan (maksimum, 41,2 %). Persen recovery yang relatif kecil kemungkinan disebabkan oleh bentuk kristal oksida dalam CFA yang menyulitkan reaksi dengan HCl, maka ditetapkan waktu optimum proses leaching sebesar 60 menit. Temperatur Optimum Proses Dekomposisi Parsial Proses dekomposisi parsial dilakukan dengan variasi temperatur (140, 160, 180, dan 200 o C) dengan waktu proses 180 menit memberikan % yield alumina yang bervariasi seperti yang ditunjukkan di Gambar 3. temperatur 200 o C ditetapkan sebagai suhu optimum dekomposisi parsial. Waktu Optimum pada Proses Dekomposisi Parsial Penelitian dengan variasi waktu proses (140, 160, 180, dan 200 menit) dan temperatur optimum yang didapat dari percobaan sebelumnya yaitu 200 o C, memberikan % yield alumina yang bervariasi seperti ditunjukkan di Gambar 4. Gambar 4 Hubungan Waktu terhadap %Yield Alumina pada Proses Dekomposisi Parsial Gambar 3 Hubungan Temperatur terhadap %Yield Alumina Proses Dekomposisi Parsial Semakin tinggi temperatur proses maka % yield alumina (produk dekomposisi parsial) semakin besar, karena semakin banyak kristal aluminium chloride hexahydrate yang terdekomposisi. Proses dekomposisi hanya dilakukan sampai suhu 200 o C karena pada suhu yang lebih tinggi kristal aluminium chloride hexahydrate terdekomposisi lanjut menjadi alumina. Berdasarkan Gambar 3, pada temperatur proses 200 o C kandungan alumina dalam produk dekomposisi parsial yang dinyatakan dalam % yield alumina adalah sebesar 41,75% sehingga Semakin panjang waktu proses, semakin besar % yield alumina di dalam produk dekomposisi parsial, dan nilai tertinggi dicapai pada waktu 200 menit (yield sebesar 45,53 %). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa 200 o C adalah temperatur optimum dan 200 menit adalah waktu optimum untuk proses dekomposisi yang memberikan yield alumina total sebesar 18,76%. Analisis Produk a. Analisis Sifat Kimia dan Fisika Analisis sifat kimia dan fisika dilakukan dengan membandingkan PAC dari CFA dengan PAC komersial. Berdasarkan hasil analisis yang ditunjukkan di Tabel 3, beberapa sifat kimia ataupun fisika (ph, titik didih, densitas) PAC hasil penelitian mendekati sifat PAC komersial, sehingga dapat disimpulkan Jurnal Sains dan Teknologi 32

6 Vol. VII, No. 1, Mei 2011 bahwa produk PAC yang dihasilkan mendekati kualitas PAC komersial. Tabel 3 Sifat Kimia dan Fisika PAC dari CFA dan PAC Komersial Parameter PAC Komersial PAC dari CFA Kimia - ph - Konsentrasi Fisika 3,2 10% 3,4 8,3% - Warna bening bening - Kekeruhan 103,7 85,27 (NTU) - Titik didih 105 o C 102 o C - Densitas (g/cm 3 ) 1,042 1,066 - Viskositas (cp) Specific Gravity 1,19 1,23 b. Uji Kinerja Produk Uji kinerja produk PAC dibandingkan dengan PAC komersial, dengan membandingkan dosis optimum penggunaan PAC. ditunjukkan Gambar 5,6 dan 7. Gambar 5 Hubungan Konsentrasi PAC Terhadap ph Air Limbah Artificial PAC dari CFA PAC komersial Gambar 6 Hubungan Konsentrasi PAC Terhadap Volume Endapan PAC dari CFA PAC komersial Gambar 7 Hubungan Konsentrasi PAC yang Ditambahkan Terhadap Kekeruhan PAC dari CFA PAC komersial Berdasarkan Gambar 5, dapat dilihat bahwa semakin besar konsentrasi PAC (baik PAC dari CFA ataupun PAC komersial) yang ditambahkan maka ph air limbah artificial semakin turun /asam. Hal ini dikarenakan sifat PAC yang asam sehingga jika semakin besar konsentrasi PAC yang ditambahkan, ph air limbah artificial akan semakin asam. Pada konsentrasi PAC 311,53 ppm terlihat bahwa ph air limbah artificial paling tinggi yaitu 4,9 untuk PAC komersial dan pada konsentrasi PAC 255,45 ppm ph air limbah artificial 5,2 untuk PAC dari CFA. Akan tetapi nilai ph ini belum masuk ke dalam ph air yang aman untuk dikonsumsi yaitu 6,5-8,5. Berdasarkan Gambar 6, dapat dilihat bahwa besarnya konsentrasi PAC yang ditambahkan tidak berpengaruh terhadap volume endapan yang dihasilkan. Pengamatan terhadap endapan dilakukan setelah air limbah artificial yang ditambahkan PAC didiamkan selama 30 menit. Dari Gambar 6, pada konsentrasi PAC 928,79 ppm dihasilkan volume endapan paling banyak yaitu sebesar 4 ml untuk PAC komersial dan pada konsentrasi PAC 761,61 ppm dihasilkan volume endapan 3 ml untuk PAC dari CFA. Jurnal Sains dan Teknologi 33

7 Rintis Manfaati Recovery Alumina (Al 2 O 3 ) Berdasarkan Gambar 7, dapat dilihat bahwa nilai konsentrasi PAC yang ditambahkan tidak berpengaruh terhadap kekeruhan akhir sampel. Pada konsentrasi PAC 928,79 ppm dihasilkan sampel dengan kekeruhan paling kecil yaitu 3,54 NTU (turun dari kekeruhan awal 123,3 NTU) untuk PAC komersial dan pada konsentrasi PAC 761,61 ppm dihasilkan sampel dengan kekeruhan paling kecil yaitu 4,68 NTU untuk PAC dari CFA dari kekeruhan awal yang sama. Berdasarkan Gambar 5,6 dan 7 dapat disimpulkan besarnya konsentrasi PAC untuk mengendapkan padatan yang terdapat pada sampel air limbah artificial dengan konsentrasi 1,25 ppm adalah 928,79 ppm untuk PAC komersial dan 761,61 ppm untuk PAC dari CFA. Pada penambahan PAC dengan konsentrasi tersebut dihasilkan air limbah artificial dengan volume endapan paling banyak dan menghasilkan kekeruhan paling kecil. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Recovery Alumina (Al 2 O 3 ) dari Coal Fly Ash (CFA) dapat menghasilkan Polyaluminum Chloride (PAC) dengan tahapan proses leaching, kristalisasi, dekomposisi parsial, pelarutan dalam air, dan sentrifugasi Waktu optimum untuk proses leaching adalah 60 menit pada temperatur 105 o C Temperatur dan waktu dekomposisi parsial optimum adalah 200 o C dan 200 menit Persen recovery alumina pada proses leaching adalah 41,2 % Yield total recovery alumina dari CFA menjadi PAC adalah 18,76 % PAC yang dihasilkan mempunyai sifat fisik yang mendekati PAC komersial Dosis optimum PAC dari CFA untuk menjernihkan air limbah artificial 1,25 ppm dengan kekeruhan 123,3 NTU menjadi 4,68 NTU adalah 761,61 ppm. Saran Perlu metode pemisahan Fe 2 O 3 dari CFA yang lebih efektif selain menggunakan magnet. Perlu dilakukan analisis kandungan cake pada hasil filtrasi produk leaching untuk mengetahui kandungan Al 2 O 3 yang tersisa. Perlu dicari metode alternatif proses kristalisasi AlCl 3 x 6H 2 O yang lebih efisien dan efektif dari rotavapor. Perlu dilakukan variasi volume HCl 36 % untuk proses pencucian kristal AlCl 3 x 6H 2 0. Perlu dilakukan analisis kandungan FeCl 3 dalam filtrat hasil pencucian kristal AlCl 3 x 6H 2 0. Perlu adanya teknik pemanasan yang lebih efektif pada proses dekomposisi parsial agar terjadi pemanasan yang lebih merata. Pada uji kinerja produk PAC sebaiknya diatur agar ph netral, sehingga limbah hasil olahan dapat langsung digunakan. UCAPAN TERIMAKASIH Terimakasih kepada Tubagus Aryandi dan Endra, mahasiswa jurusan Teknik Kimia Polban, atas kontribusinya di dalam koleksi data penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Brataco Chemika Bandung, Chemical Price List, Januari 2010 Jurnal Sains dan Teknologi 34

8 Vol. VII, No. 1, Mei 2011 Kajian Batubara Nasional. 2006, Kelompok Kajian Kebijakan Mineral dan Batubara, Pusat Teknologi Mineral dan Batubara (Pustekmira). Menteri Lingkungan Hidup Fly Ash sebagai Substitusi Semen. Diakses pada tanggal 18 Oktober Park, K. Y Production of Poly(aluminum chloride) and sodium silicate from clay. Konju National University, Korea. Park, K.Y, dkk Bench-Scale Decomposition of Aluminum Chloride Hexahydrate to Produce Poly(aluminum chloride). Konju National University, Korea. Jurnal Sains dan Teknologi 35