PENGARUH KONDISI KALSINASI ZrOCl 2.8H 2 O SECARA CATU TERHADAP STRUKTUR ZrO 2

Transkripsi

1 Tundjung Indrati Y., dkk. ISSN PENGARUH KONDISI KALSINASI ZrOCl 2.8H 2 O SECARA CATU TERHADAP STRUKTUR ZrO 2 Tundjung Indrati Y, Budi Sulistyo dan Endang Nawangsih P3TM BATAN ABSTRAK PENGARUH KONDISI KALSINASI ZrOCl 2.8H 2 O SECARA CATU TERHADAP STRUKTUR ZrO 2. Penelitian pengaruh kalsinasi ZrOCl 2.8H 2 O secara catu terhadap struktur mikro ZrO 2 telah dilakukan. Tujuan penelitian ini adalah kecuali untuk menentukan kondisi operasi juga mempelajari struktur mikro ZrO 2 untuk mengetahui karakter ZrO 2 yang diperoleh sehingga dapat aplikatif dalam penggunaannya dalam beberapa industri. Pada kalsinasi suhu 650 o C, waktu kalsinasi 2 jam didapat serbuk ZrO 2 mempunyai struktur kristal campuran tetrahedral dan monoklinik, morfologi serbuk berbentuk jarum, luas muka 19,62 m 2 /g, jari jari rata rata pori pori 19,42 Å dan volume total pori pori 19,06 x 10-3 cm 3 /g. Serbuk ZrO 2 hasil kalsinasi tersebut dapat digunakan di industri yang tetap menggunakan bentuk serbuk dan bentuk pellet tanpa mengakibatkan efek swelling (penggelembungan). ABSTRACT EFFECT ZrOCl 2.8H 2 O BATCH CALCINATION CONDITION TO ZrO 2 STRUCTURE. The research of ZrOCl 2.8H 2 O batch calcination to ZrO 2 structure have been done. The research propose was indentified of operation conditions and studied ZrO 2 micro structure for knowing ZrO 2 charactersation so the oxide can be applicated for some industries. By 650 o C and 2 hours calcination, the ZrO 2 have tetrahedral and monoclinic crystal structure, niddle shape for powder morphology, specific surface area 19,62 m 2 /g, average pore radius 19,42 Å total pore volume 19,06 x 10-3 cm 3 /g. Zirconia, calcined ZrOCl 2.8H 2 O, can be used in some industries as powder or pellet without swelling effect. PENDAHULUAN Zirkonium di Indonesia semula diperkirakan hanya didapat pada hasil buangan penambangan PT Timah ternyata akhir akhir ini diduga terkandung dalam sisa hasil pendulangan emas di Kasongan Kalimantan Tengah. Oleh sebab itu penelitian dan pengembangan mengenai Zr terus menerus dilakukan terutama di P3TM BATAN. Metoda proses yang digunakan adalah KROLL yang terdiri dari metoda kering atau basah. Metoda basah mudah dilakukan tetapi penanganan limbahnya cukup banyak walaupun tidak rumit. Tahapan proses pada metoda basah adalah peleburan, pelindihan dengan H 2 O, pelindihan dengan HCl, penguapan dan kristalisasi serta kalsinasi. Pada proses yang menginginkan hasilnya mempunyai kemurnian lebih tinggi maka setelah proses kristalasisasi ditambah dengan proses ekstraksi dan pengendapan baru dilakukan kalsinasi (1,2,3). Oksida ZrO 2 adalah bahan yang strategis untuk industri baik untuk industri nuklir maupun non nuklir. Untuk industri tertentu maka memerlukan kemurnian tertentu demikian dengan struktur kristal, struktur mikro, luas muka dan distribusi ukuran serbuknya. Kemurnian dibawah 90 % banyak digunakan untuk bahan baku industri keramik termasuk refraktori, plat zircalloy atau pipa zircalloy dan digunakan sebagai bahan penstabil warna di industri cat atau tinta. Kemurnian sekitar 95 % banyak digunakan sebagai pelapis alat perangkat keras seperti turbin. Kemurnian 99 % banyak digunakan sebagai komponen solid oxide fuell cell (SOFC) atau bahan komposit lainnya. Kemurnian tinggi diatas 99 % (nuclear grade) digunakan sebagai cladding atau kelongsong bahan bakar reaktor nuklir. Oksida ZrO 2 mempunyai beberapa jenis struktur kristal diantaranya monoklinik, tetragonal atau campuran keduanya, pseodo hexagonalrhombohedral atau trigonal dan kubik. Kajian mengenai struktur mikro baik morfologi serbuk, luas muka dan distribusi ukuran serbuk diperlukan karena berpengaruh pada proses selanjutnya untuk memperoleh suatu produk tertentu (4,5,6,7).

2 30 ISSN Tunjung Indrati, dkk. Oleh karena perubahan molekul dan perubahan struktur kristal dari ZrOCl 2.8H 2 O telah dipelajari pada penelitian terdahulu secara detil maka dalam kertas kerja ini hal tersebut disajikan sebagai pelengkap data. Jadi tujuan penelitian ini adalah untuk memastikan spesifikasi strukturmikro ZrO 2 yang dipengaruhi oleh kondisi kalsinasi sekaligus memastikan kondisi optimal kalsinasi ZrOCl 2 8H 2 O yang telah ditentukan terlebih dahulu sama atau tidak dengan kajian struktur mikro kali ini. TEORI Perubahan molekul yang terjadi saat kalsinasi ZrOCl 2.8H 2 O menjadi ZrO 2 dapat difahami dari persamaan reaksi sebagai berikut (7). ZrOCl 2.8H 2O ZrOCl 2 + 8H 2O (1) ZrOCl 2 + 8H 2O ZrO 2 + 2HCl + 7H 2O (2) + ZrOCl 2.8H 2O ZrO 2 + 2HCl + 7H 2O (3) Mengacu adanya perubahan molekul ZrOCl 2.8H 2 O menjadi oksida tentunya diikuti terjadinya perubahan struktur kristal. Perubahan struktur kristal ini dapat dikarenakan terjadinya perubahan molekul tetapi juga dapat karena bahan tersebut anisotropik. Perubahan struktur mikro yang terdiri dari morfologi serbuk dan pori porinya adalah adanya efek gas dalam pori-pori serbuk tersebut dan sekaligus adanya pertumbuhan butir akibat pemanasan. Perubahan pori-pori juga disebabkan karena adanya perubahan struktur kristal atau anisotropik. Ini semua karena mengacu pada fenomena perpindahan atom. Perubahan pori-pori baik TATA KERJA dalam diameter dan volumenya ini juga mempengaruhi perubahan luas muka sehingga metoda identifikasinya menggunakan Surface Areameter. Secara visual serbuk suatu hasil proses akan terpantau dengan gambar morfologi serbuk yang diperoleh dari hasil Scanning Electron Microscope. Akibat dari perpindahan atom karena panas maka hal ini memungkinkan untuk butir tersebut juga akan mengalami perubahan ukuran dan ini disebut pertumbuhan butir ( grain growth ). Disisi lain perubahan juga terjadi pada morfologi serbuknya. Perubahan struktur suatu hasil proses akan mempengaruhi dalam persyaratan penggunaan suatu hasil produksi termasuk proses selanjutnya. Apabila serbuk akan dikompakan baik dalam bentuk serbuk tunggal atau dipadu dengan serbuk lain hal ini harus diingat adanya efek efek negatif yang menyebabkan kegagalan proses. Kegagalan dalam teknologi serbuk adalah adanya keretakan, swelling yang akan menurunkan spesifikasi produksi akhir yan diinginkan. (7, 8,9). TATA KERJA Bahan ZrOCl 2.8H 2 O buatan P3TM Alat Tungku Muffle; Scanning Electron Microscope; Surface Areameter; X- Ray Diffractometer Cara Kerja Cara kerja penelitian secara skematis tertera pada Gambar 1.

3 Tundjung Indrati Y., dkk. ISSN Gambar 1. Skema cara kerja penelitian Kristal ZrOCl 2.8H 2 O dikeringkan terlebih dahulu sampai suhu 100 o C. Kristal kering jam tersaji pada Gambar 2b. Dari 2 Gambar tersebut terlihat tidak ada perubahan morfologi kemudian dikalsinasi pada suhu yang bervariasi ( serbuk. Kristal ZrOCl 2.8H 2 O berupa jarum, 600 o C 750 o C), waktu yang divariasi ( 1 3 jam) dan ketebalan tertentu. Hasil dari kalsinasi demikian juga ZrO 2 juga mempunyai morfologi berupa jarum juga. ini kemudian dikarakterisasi dengan Diffraktometer Sinar X, SEM (Scanning Electron Microscope) untuk morfologi serbuknya, Surface Area meter untuk luas muka dan pori-porinya. Data yang diperoleh diolah sehingga dapat untuk mengambil kesimpulan. HASIL DAN PEMBAHASAN Morfologi Serbuk Serbuk ZrO 2 hasil kalsinasi ZrOCl 2.8H 2 O (Gambar 2a) pada suhu 650 o C dengan waktu 2 Gambar 2. Morfologi serbuk (a) ZrOCl 2.8H 2O dan (b) ZrO 2 hasil perbesaran 4000 X dengan SEM (a) Diffraktogram ZrOCl 2.8H 2O (b) Diffraktogram ZrO 2 (hasil kalsinasi ZrOCl 2.8H 2O) Gambar 3. ( c) Diffraktogram ZrO 2 (sudah distabilkan dan digunakan sebagai standart) Diffraktogram (a) ZrOCl 2.8H 2O, (b) ZrO 2.hasil penelitian (c) ZrO 2 ( hasil stabilisasi dan sebagai standar)

4 32 ISSN Tunjung Indrati, dkk. Apabila dikaji, adanya morfologi serbuk yang tidak berubah ini disebabkan dua hal. Pertama, ditinjau dari perubahan struktur molekulnya yang berdasarkan reaksi kimia sesuai persamaan 3 maka ZrO 2 yang terjadi tidak akan sama beratnya dengan ZrOCl 2.8H 2 O. Untuk basis 1 grl ZrOCl 2.8H 2 O yang sama dengan 321,2 g akan menjadi ZrO 2 seberat 123,2 g sehingga bila dihitung berat yang hilang mencapai 56,87 %. Kehilangan berat tersebut disebabkan karena terlepasnya HCl sebanyak 12,8 % dan H 2 O sebanyak 44,07 % menjadi bentuk uap. Keberadaan air, air kristal dan HCl dalam kristal ZrOCl 2.8H 2 O ketika terlepas tidak akan merubah morfologi serbuk secara mayor karena menempati pada sela dan pori atau terikat dalam kristal tersebut. Adanya perubahan pori dan kemungkinan ukuran serbuk perlu dibuktikan pada hasil identifikasi luas muka dan pori-pori. Kedua, untuk mengkaji struktur kristalnya dalam hal ini dipelajari dari bentuk diffraktogram ZrOCl 2.8H 2 O. Pola diffraktogramnya (Gambar 3a) mempunyai intensitas yang lebih tinggi dari background pada harga 2 tertentu ( 30 o, 32 o, 50 o, 60 o ). Intensitas pada 2 tersebut akan semakin jelas ketika diffraktogram ZrO 2 diperoleh (Gambar 3b). Apabila Gambar 3b dibandingkan dengan Gambar 3c ( diffraktogram ZrO 2 yang telah distabilkan dengan Y 2 O 3 8 % dan terlihat jelas mempunyai puncak puncak tetra dan monoklinik ) maka dapat dikatakan bahwa ZrO 2 hasil penelitian berstruktur kristal campuran tetrahedral dan monoklinik sedangkan ZrOCl 2.8H 2 O mempunyai embrio membentuk struktur kristal tetrahedral dan monoklinik Dari kajian inilah maka dapat difahami bahwa dari perubahan struktur kristal tidak akan mempengaruhi morfologi serbuk. Luas Muka Dan Pori-pori Tabel 1 dan Tabel 2 adalah data pengaruh suhu kalsinasi dan waktu kalsinasi terhadap perubahan luas muka, jari-jari pori pori rata rata dan volume total pori pori ZrO 2. Ditinjau dari segi ilmiah dengan data data Tabel 1 terlihat bahwa yang dominan adalah terjadinya pertumbuhan pori-pori Ini didasari dengan fenomena diffusi pada suhu tinggi ( 600 o C 750 o C). Jari jari rata rata pori pori serbuk ZrO 2 hasil kalsinasi suhu 600 o C 26,36 Å lebih kecil dibandingkan denga jari jari rata rata pori pori ZrO 2 hasil kalsinasi 650 o C yang berukuran 26,707 Å. Tabel 1. Pengaruh suhu kalsinasi terhadap luas muka dan pori-pori ZrO 2, waktu kalsinasi 1 jam, tebal ZrOCl 2.8H 2O : 2,5 mm No Suhu Kalsinasi Luas muka spesifik Jari-jari pori-pori Volume total pori-pori ( o C) (m 2 /g) rata-rata (Å) ( x 10-3 cm 3 /g ) ,04 26,36 43, ,21 26,47 25, ,408 27,44 31, ,35 28,63 33,42 Hal ini berlanjut pada ukuran serbuk ZrO 2 hasil kalsinasi 750 o C dengan ukuran jari jari pori pori rata rata sebesar 28,63 Å. Pertumbuhan jari jari pori pori rata rata tidak sesuai dengan perubahan luas muka spesifik dan perubahan volume total pori pori. Tetapi perubahan luas muka spesifik berkesesuaian dengan perubahan volume total pori pori. jadi secara logika dapat dimengerti. Hal ini karena ukuran pori pori tidak mempengaruhi volume pori pori karena dalam kajian data ini tidak melibatkan jumlah pori pori yang ada. Untuk mempertimbangkan aplikasinya maka perlu ditinjau dari bentuk ZrO 2 yang akan digunakan selanjutnya. Dasar pertimbangan pertama adalah apabila serbuk tersebut dibuat pellet dengan zat penstabil lainnya maka tidak akan terjadi swelling dengan adanya spesifikasi struktur mikro dengan pori pori tertentu bila mengalami proses sinter. Tekanan gas yang keluar melalui sela butir dari pori pori yang berukuran besar tidak akan sebesar tekanan gas yang keluar butiran yang mempunyai pori pori berukuran kecil. Adanya tekanan gas yang besar pada pori pori kecil kadang kadang menimbulkan penggelembungan pellet ketika dipanaskan atau disinter. Penggelembunagn inilah yang disebut swelling. Dasar pertimbangan kedua adalah apabila serbuk digunakan tetap berupa serbuk diindustri perangkat keras sebagai coating atau zat penstabil warna pada industri cat maka yang dipilih adalah yang mempunyai luas muka dan volume pori pori yang besar karena kontak dengan reagen lain akan lebih efektif.

5 Tundjung Indrati Y., dkk. ISSN Dari dua pertimbangan tersebut maka dapat dipilih serbuk ZrO 2 hasil kalsinasi 650 o C. Ditinjau dari luas mukanya sebesar 23,21 cm 2 /g dan volume total pori pori 25,91x cm 3 /g cukup besar untuk digunakan bahan penstabil sedangkan ditinjau dari jari jari pori pori rata rata relatif kecil ( 26,47 Å) untuk produksi pellet. Tabel 2. Pengaruh waktu kalsinasi terhadap luas muka dan pori-pori ZrO 2., suhu 650 o C, tebal ZrOCl 2.8H 2O : 2,5 mm No Waktu Kalsinasi (jam) Luas muka spesifik (m 2 /g) Jari-jari pori-pori rata-rata (Å) Volume total pori-pori ( x 10-3 cm 3 /g ) ,21 26,707 25, ,62 19,42 19, ,98 21,05 19,97 Tabel 2 adalah data pengaruh waktu kalsinasi terhadap perubahan luas muka, jari jari pori-pori rata-rata ZrO 2, dan volume total pori pori. Semakin lama waktu kalsinasi maka luas muka serbuk semakin kecil tetapi relatif tetap pada waktu kalsinasi 2 jam. Sedangkan perubahan jari jari pori pori rata rata dan volume total pori pori mengalami nilai minimum yaitu pada waktu kalsinasi 2 jam. Hal ini diduga adanya pembentukan ZrO 2 dan pelepasan impuritas lain yang belum sempurna pada waktu kalsinasi 1 jam. Kesempurnaan itu dicapai pada waktu 2 jam. Sedangkan pada waktu kalsinasi 3 jam terjadi pertumbuhan pori pori akibat diffusi karena pengaruh waktu dan suhu sekaligus. Mengikuti pembahasan terdahulu yang mempertimbangkan kajian ilmiah dan aplikasinya maka dipilih serbuk ZrO 2 hasil kalsinasi suhu 650 o C dengan waktu kalsinasi 2 jam. Ini mempunyai alasan karena dari data luas muka, ukuran pori pori dan volume total pori pori yang relatif baik untuk diaplikasikan dalam penggunaan pellet atau tetap berbentuk serbuk. KESIMPULAN Berdasarkan hasil penelitian pengaruh kondisi kalsinasi catu terhadap struktur ZrO 2 adalah sebagai berikut : Kondisi optimal kalsinasi secara catu adalah suhu kalsinasi 650 o C dan waktu kalsinasi 2 jam. Hasil kalsinasi ZrO 2 bertruktur kristal campuran monoklinik dan tetrahedral, morfologi serbuk berupa jarum sama dengan morfologi ZrOCl 2.8H 2 O, luas muka 19,62 m 2 /g, jari jari rata rata pori pori 19,42 Å dan volume total pori pori 19,06x 10 3 cm 3 /g. Koreksi untuk penelitian terdahulu adalah yang suhu kalsinasi semula 600 o C sekarang diubah menjadi suhu optimal kalsinasi 650 o C dan waktu 2 jam. Serbuk ZrO 2 yang dihasilkan pada kondisi tersebut diatas dapat digunakan untuk diberbagai industri baik yang berbentuk pellet maupun dalam bentuk serbuk. DAFTAR PUSTAKA 1. BENJAMIN LUSTMAN, the Metallurgy of Zirconium, Mc Graw Hill, Book Co, New York, TUNDJUNG INDRATI Y, Laporan Penelitian Optimalisasi Pasir Zr menjadi ZrO 2 dengan metoda basah, kerjasama P3TM BATAN dan BPPT, 2002/ SUKARSONO, Informasi lisan dari Ka BTP hasil pertemuannya dengan fihak PT Borneo Bina Nusantara, , Applications and Preparations of Zirconia and Stabilized Zirconia Process, American Zirconia. 5. PETER J MOLES, The Use of Zirconium in Surface Coating s, chem.com/ , Worl Zircon Supply/Demand Summary, TZMI s data Net Q2,1999, 7. TUNDJUNG INDRATI Y, BUDI SULISTYO, PRISTI H, Study Kurva Differential Thermal Analysis (DTA) dan Perubahan Pola Diffraksi Pada Kalsinasi ZrOCl 2.8H 2 O, Proseding PPI PDIPTN 2004, Jogyakarta, 13 Yuli MORGAN CS, Mc CORKLE, Pore Growth in Sintered Thoria, Journal of American Ceramic Societym vol 59, no 3-4, KINGERY WD, Introduction to Ceramics, John Wiley and Sons, New York, 1970.

6 34 ISSN Tunjung Indrati, dkk. TANYA JAWAB Murdani S. Pada kalsinasi ZrOCl 2.8H 2 O terjadi perubahan struktur pada ZrO 2. Perubahan apa saja yang terjadi dan apa efeknya terhadap industri yang menggunakan? Tundjung Indrati Y. Setelah diteliti, ternyata yang terjadi adalah perubahan struktur molekul (ZrOCl 2.8H 2 O menjadi ZrO 2 ), struktur kristal (dari amorf menjadi monoklinik dan tetra hedral) dan struktur mikro (ukuran pori-pori bertambah) sedangkan morfologi serbuk tidak berubah. Efeknya positif, terutama pada pertumbuhan pori-pori dan struktur kristal harus pada batas tertentu terutama pada industri, tetapi yang menggunakan serbuk. Untuk industri yang penggunaannya dalam bentuk pelet, maka yang sangat dominan adalah perubahan struktur kristal karena menyangkut kestabilan. Jaswadi Bagaimana perbedaan hasil kalsinasi ZrOCl 2 secara catu dan secara fluidisasi (fluidize bed), bila sudah dilakukan? Dalam industri ZrO 2 untuk apa saja? Mohon penjelasan! Tundjung Indrati Y. Fluidisasi untuk kalsinasi ZrOCl2.8H2O secara teoritis cukup menarik, tetapi karena ukuran serbuknya lembut (fine particle) maka tidak terlalu efektif. Dalam industri non nuklir: a. ZrO2 bila diproses lebih lanjut akan menjadi paduan dan bila kemurniannya tinggi dapat digunakan sebagai clading. b. Bila aloy tersebut kemurniannya tidak tinggi, maka dapat menjadi bahan untuk sistem pemipaan. c. Dalam industri non nuklir : 1. sebagai penstabil warna cat, 2. coating perangkat keras, 3. pembuat komponen SOFC, 4. resin dan lain-lain.