PENELITIAN LOGAM TANAH JARANG DI INDONESIA Isyatun Rodliyah Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Mineral dan Batubara tekmira isya@tekmira.esdm.go.id S A R I Logam tanah jarang (LTJ) memegang peranan yang sangat penting dalam kebutuhan material produksi modern seperti dalam dunia superkonduktor, laser, optik elektronik, aplikasi LED dan ipad, glass dan keramik. Di Indonesia terdapat 2 jenis mineral yang mengandung LTJ yaitu monasit dan senotim. Mineral-mineral tersebut belum diolah lebih lanjut untuk memperoleh logam-logam tanah jarang murni atau dalam bentuk oksidanya Penelitian ini dilakukan bekerjasama dengan Pusat Teknologi Akselerator dan Proses Bahan (PTAPB)-Batan khususnya dalam penyedian cerium oksida. Penelitian ini bertujuan mendapatkan hasil yang optimal pada proses reduksi CeO 2 menjadi logam Ce. Logam cerium dapat dihasilkan dengan metode metalotermik dengan kadar Ce 50% dan perolehan 91%. Kata kunci : industri, LTJ, reduksi 1. LOGAM TANAH JARANG Logam tanah jarang (LTJ) merupakan kelompok logam yang pada umumnya berasosiasi dengan unsur logam yang lain dalam jumlah kecil. Dalam sistem periodik unsur, kelompok logam tanah jarang merupakan kelompok lantanida yang memiliki anggota 14 unsur yaitu: Ce-Pr- Nd-Pm-Sm-Eu-Gd-Tb-Dy-Ho-Tr-Tm-Yb-Lu. Logam grup lain yang sering berasosiasi dalam mineral yang sama adalah Sc-Y-La (Castor, 2011). Keberadaan unsur logam tanah jarang dalam sistem periodik unsur seperti terlihat pada Gambar 1. Logam tanah jarang diklasifikasikan menjadi dua berdasarkan berat molekulnya, yaitu logam tanah jarang ringan atau grup cerium (Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu) dan logam tanah jarang berat (Gd, Tb, Dy, Ho, Tr, Tm, Yb, Lu). Logam tanah jarang ringan lebih banyak keberadaannya dibandingkan dengan logam tanah jarang berat. Pada kenyataannya LTJ keberadaan di lapisan bumi tidaklah jarang. Cerium, lantanum, neodymium, dan ytrium (Gambar 1) sebenarnya lebih umum kelimpahannya dibandingkan timbal dan perak (Atmawinata, 2011). Namun, logam tanah jarang ditemukan pada kondisi sangat tersebar dan sedikit ditemukan dalam jumlah yang banyak, sehingga nilai ekonominya kecil. 2. PEMANFAATAN LOGAM TANAH JARANG Logam tanah jarang dalam bentuk oksida, memegang peranan yang sangat penting dalam kebutuhan material maju seperti superkonduktor, laser, optik elektronik, aplikasi LED dan ipad, glass dan keramik. Contoh perkembangan yang terjadi pada magnet, LTJ mampu menghasilkan neomagnet, yaitu magnet yang memiliki medan magnet yang lebih baik dari magnet biasa. Dengan adanya LTJ ini juga memungkinkan munculnya mobil bertenaga listrik yang dapat Penelitian Logam Tanah Jarang di Indonesia ; Isyatun Rodliyah 71
Gambar 1. Keberadaan unsur LTJ (warna kuning) dalam sistem periodik unsur digunakan untuk perjalanan jauh. Oleh karenanya mobil hybrid mulai marak dikembangkan. Selanjutnya aplikasi LTJ ini, permintaan dan kebutuhan dapat dilihat pada Tabel 1 dan Gambar 2. Dalam aplikasi metalurgi, penambahan logam tanah jarang digunakan dalam pembuatan baja paduan rendah kekuatan tinggi (High Strength Low Alloy/HSLA), baja karbon tinggi, superalloy, stainless steel. Karena logam tanah jarang memiliki kemampuan ketahanan terhadap panas. Contohnya pada penambahan logam tanah jarang dalam bentuk aditif atau alloy pada paduan magnesium dan aluminium, maka kekuatan dan kekerasan paduan tersebut akan meningkat secara signifikan. Tabel 1. Pemanfaatan logam tanah jarang di industri No Aplikasi Unsur LTJ Permintaan Pertumbuhan pemakaian logam tanah LTJ 2005 jarang 1 Magnet Nd, Pr, Dy, Tb, Sm 17,17 ton motor listrik pada mobil hybrid, Power steering elektrik, Air conditioners, generator, hard disk drives 2 Baterai NiMH La, Ce, Pr, Nd 7,2 ton Baterai mobil Hybrid, baterai Rechargeable 3 Auto Catalysis Ce, La, Nd 5,83 ton Gasoline and hybrids diesel fuel additive, untuk peningkatan standar emisi otomotif global 4 Fluid Cracking Catalysis La, Ce, Pr, Nd 15,4 ton Produksi minyak, peningkatan kegunaan minyak mentah 5 Phosphors Eu, Y, Tb, La, Dy, Ce, Pr, Gd 4,007 tons LCD TV dan monitor, plasma TV, energy efficient compact fluorescent lights 6 Polishing Powders Ce, La, Pr, mixed 15,15 ton LCD TV dan monitor, plasma TV dan display, silicon wafers dan chips 7 Glass additives Ce, La, Nd, Er, Gd, Yb Sumber : Gupta.C.K., 2005 dan Shwe, A, 2008 13,59 ton Kaca optic untuk kamera digital, bahan fiber optic 72 M&E, Vol. 13, No. 1, Maret 2015
Gambar 2. Pemanfaatan Logam Tanah Jarang 3. MINERAL PEMBAWA LTJ DI INDONESIA Di Indonesia terdapat 2 jenis mineral yang mengandung LTJ ini. Mineral tersebut adalah monasit dan senotim. Berdasarkan hasil studi BATAN di daerah produksi timah, ada beberapa daerah potensi deposit monasit, yaitu; Bangka Belitung, Karimata/Ketapang, Rirang-Tanah Merah (Atmawinata, A., 2011). Monasit merupakan sumber utama logam tanah jarang ringan, diperoleh sebagai produk samping dari penambangan dan pengolahan mineral berat seperti ilmenit, rutil, dan zirkon (Australia, Brazilia, Cina dan India); serta kasiterit, ilmenit dan zirkon (Malaysia, Thailand, dan Indonesia)(Riedemann, T., 2011). Di Bangka, mineral monasit Bangka diperoleh sebagai hasil samping penambangan timah. Mineral monasit Bangka didapat sebanyak 7.290-8.505 ton per tahun (Sabtanto Djoko Suprapto). Monasit merupakan senyawa fosfat logam tanah jarang, berwarna coklat kemerahan. Mineral monasit merupakan empat mineral yang berbeda, tetapi karena perbedaannya tidak banyak, maka mereka dirujuk sebagai satu mineral monasit. Keempat monasit tersebut mempunyai persentase berbeda tergantung pada unsur/elemen penyusunnya (Tabel 2). Tabel 2. Nama dan rumus kimia monasit NAMA RUMUS KIMIA MONASIT-(Ce) (Ce, La, Nd, Th, Y)PO 4 MONASIT (La) (La, Ce, Nd)PO 4 MONASIT (Nd) (Nd, La, Ce)PO 4 MONASIT (Pr) (Pr, Nd, Ce, La) PO 4 Sumber : Ninik Bintari, 2003 Mineral monasit ini memiliki kandungan thorium yang cukup tinggi dan dalam jumlah tertentu dikategorikan sebagai TENORM (Technologically Enhanced Naturally Occuring Radioaktive Material) yaitu zat radioaktif alam yang dikarenakan kegiatan manusia atau proses teknologi terjadi peningkatan paparan potensial jika dibandingkan dengan keadaan awal. Penanganan TENORM mesti mematuhi batasan paparan radiasi sebagai berikut: paparan untuk pekerja yang diperbolehkan adalah 20 msv/th atau 10 usv/jam sedangkan paparan untuk publik 1 msv/th. Di Malaysia, monasit ditemukan tersebar luas dalam endapan aluvial sebagai hasil samping pengolahan timah, sedangkan di Indonesia Penelitian Logam Tanah Jarang di Indonesia ; Isyatun Rodliyah 73
Elemen Tabel 3. Pertumbuhan pemakaian LTJ di dunia Application Consumption (Tones p.a. Of REO) Growth Rate (% p.a.) 2006 2012 Ce, La, Nd, Pr Battery Alloy 17.000 43.000 17 Dy, Nd, Pr, Sm, Tb Magnets 20.500 42.000 13 Eu, Tb, Y Phosphors 8.500 14.000 9 Ceramics 5.500 9.000 9 Others 8.000 13.000 8 Ce, Nd, La Catalysts 21.500 32.000 7 Ce, La, Pr Polishing Powder 14.000 21.000 7 Ce, Er, Gd, La, Nd, Yb Glass Additives 13.000 14.000 1 Total 108.000 188.000 10 REO = rare earth oxide Sumber : Roskill HK Rare Earth Conference, November 2007 Tabel 4. Perbandingan harga oksida dan logam Price - US$/Kg Name Oxide Metal End-2007 End-Oct 2008 End-2007 End-Oct 2008 Cerium 3,60 3,80 7,10 10,50 Dysprosium 94,00 118,00 125,00 153,00 Erbium 35,00 35,00 N/A N/A Europium 368,00 525,00 560,00 700,00 Gadolinium N/A N/A 25,00 28,00 Lanthanum 4,60 8,00 6,00 13,00 Lutetium 550,00 550,00 N/A N/A Neodymium 30,00 20,00 40,00 29,00 Praseodymium 28,00 20,00 37,00 29,00 Samarium 4,40 4,40 14,00 26,00 Terbium 633,00 621,00 750,00 793,00 Ytterbium 55,00 55,00 N/A N/A Ytterium 12,00 12,00 29,00 42,00 Misch Metal (48% Ce) 6,00 8,00 Misch Metal (25% La) 12,00 14,00 Penelitian Logam Tanah Jarang di Indonesia ; Isyatun Rodliyah 75
Daerah Bangka Belitung bekerjasama dengan PSTA-BATAN akan dibuat pilot plant untuk pemisahan unsur-unsurnya yaitu serium oksida, lanthanum oksida dan neodinium oksida. Puslitbang tekmira bekerjasama dengan BATAN telah melakukan penelitian mengenai reduksi LTJ-oksida menjadi logam-logamnya dan sudah berhasil membuat logam serium. Disamping mengembangkan pembuatan logamnya, Puslitbang tekmira bekerjasama dengan Universitas Padjajaran (Unpad) juga mengembangkan pembuatan gadolinium oksida yang dimanfaatkan untuk bidang kesehatan yaitu sebagai contrast agent. Tahun 2013 penelitian di tekmira difokuskan pada reduksi LTJ-oksida menjadi logamlogamnya yaitu reduksi logam serium (Ce) dari serium oksida (Ce 2 O 3 ). Pasir monasit yang digunakan didapatkan dari PT. Mutiara Prima Sejahtera. Karakterisasi pasir monasit dari PT. MPS (Mutiara Prima Sejahtera) yang berlokasi di Bangka dilakukan dengan analisa XRF yang dilakukan di Laboratorium Pusat Survey Geologi. Hasil analisa XRF dapat dilihat pada Tabel 5 di bawah ini. Gambar penampakan pasir monasit dapat dilihat pada Gambar 6. Tabel 5. Komposisi unsur tanah jarangpasir monasit PT. MPS Gambar 5. Grafik kecenderungan harga LTJ mulai tahun 2008-2010 Batubara (tekmira), BATAN, Unpad, PT. Timah, BPPT, BBLM-Kemenperind, dan Universitas Indonesia. Perkembangan penelitian logam tanah jarang di Indonesia cukup menggembirakan.pt. Timah bekerjasama dengan PTBGN-BATAN sedang membangun pilot plant pengolahan pasir monasit hingga menghasilkan LTJ-oksida dengan kapasitas 50kg/umpan yang akan selesai di akhir tahun 2014. LTJ-oksida yang akan dihasilkan dari pilot plant PT. Timah selanjutnya oleh Pemerintah No. Elemen Kadar (%) 1. Serium (Ce) 25,84 2. Gadolinium (Gd) 1,11 3. Yttrium (Y) 1,07 4. Neodimium (Nd) 10,18 5. Terbium (Tb) 0,08 6. Lantanum (La) 11,02 7. Dysprosium (Dy) 0,34 8. Europium (Eu) 0,078 9. Samarium (Sm) 1,54 10. Prasedomium (Pr) 2,45 11. Thorium (Th) 5,83 12. Uranium (U) 0,13 76 M&E, Vol. 13, No. 1, Maret 2015
berasosiasi dengan magnesium seperti yang terlihat pada Gambar 10 dan Gambar 11. Hasil dari analisis untuk kedua proses tersebut menunjukkan bahwa baik logam ataupun terak masih didominasi oleh cerium oksida. Percobaan pendahuluan selanjutnya adalah dengan menaikkan suhu proses menjadi 1000 o C dengan komposisi bahan sama seperti Gambar 11. Hasil analisis SEM X-Ray Mapping untuk terak dengan tanpa fluks Gambar 8. Hasil analisis SEM X-Ray Mapping untuk lelehan dengan fluks pada percobaan awal. Dari hasil analisis XRD belum terlihat adanya logam cerium. Fasa logam yang dihasilkan masih berupa serium oksida dan fasa terak yang terbentuk juga masih serium oksida. Didalam fasa logam terbentuk juga magnesium silikat seperti ditunjukkan pada Gambar 13. dan Gambar 14. Gambar 9. Hasil analisis SEM X-Ray Mapping untuk terak dengan fluks Gambar 12. Hasil analisis XRD untuk fasa logam Gambar 10. Hasil analisis SEM X-Ray Mapping untuk lelehan dengan tanpa fluks Gambar 13. Hasil analisis XRD untuk fasa terak 78 M&E, Vol. 13, No. 1, Maret 2015
Percobaan pendahuluan selanjutnya adalah dengan menambahkan komposisi berat CeO 2 dengan Mg yaitu 1:1, suhu 1200 o C dan kondisi lainnya sama seperti pada percobaan awal sebelumnya. Dari hasil percobaan sudah terlihat terbentuknya fase logam cerium berupa perakabu (Gambar 14). Pada fase terak terdapat logam Ce yang lolos masuk ke dalam terak (di bagian kiri sampai tengah foto). Material Mg yang berada dalam terak berbentuk lempengan (kanan bawah foto). Hasil analisis SEM X-Ray Mapping pada fase terak dapat dilihat pada Gambar 16. Gambar 16. Hasil analisis SEM X-Ray Mapping pada fasa terak Gambar 14. Foto penampakan logam cerium Hasil analisis SEM X-Ray mapping yang diperlihatkan pada Gambar 15. Gambar tersebut menunjukkan bahwa pada fase logam, logam cerium (Ce) sudah terbentuk yang ditunjukkan oleh struktur menjarum (pada bagian kiri sampai kanan atas foto, warna putih). Mg, Cl dan Ca masih terdapat pada fasa logam. Monasit juga masih terlihat dalam bentuk chunk (kanan bawah foto). Kemungkinan tidak semua monasit terubah menjadi logam Ce pada saat proses reduksi. 6. KESIMPULAN Perkembangan penelitian logam tanah jarang di Indonesia cukup mengembirakan. Hal ini dapat dibuktikan dari banyaknya instansi yang menekuni penelitian pengolahan dan pemurnian logam tanah jarang baik dari lembaga penelitian, perguruan tinggi dan industri. Pilot plant pengolahan pasir monasit menjadi produk LTJoksida sudah akan dibangun oleh PT. Timah bekerjasama dengan BATAN. Reduksi LTJoksida menjadi logamnya terutama logam serium sudah berhasil dilakukan oleh Puslitbang tekmira dengan metode metalotermik. DAFTAR PUSTAKA Gambar 15. Hasil analisis SEM X-Ray Mapping pada fasa logam Atmawinata, A., Pengembangan Industri REE di Indonesia, Kementerian Perindustrian, Jakarta, 2011. Castor, S and Hedrick, 2011, J. 'Rare Earth Element. www.fieldexexploration.com, Diunduh pada tanggal 9 April 2011 pukul 14.00 WIB Gupta, C.K. and Krishnamurthy, N., 2005, Extractive Metallurgy of Rare Earth, CRC Press, Boca Raton London New York Washington, D.C. Penelitian Logam Tanah Jarang di Indonesia ; Isyatun Rodliyah 79
Ninik Bintari, R. Subagiono, MV Purwani, Bambang EHB, 2003, Proses Ekstraksi Untuk Memisahkan Unsur-unsur Logam Tanah jarang Dalam Konsentrat dari Pasir Monasit. Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Nuklir. Puslitbang Teknologi Maju BATAN. Yogyakarta. Riedemann, T., 2011, High Purity Rare Earth Metals in Separation, US Department of Energy Specialized Research Center. Shwe, A., Soe and Lwin, K., 2008, Study on Extraction of Ceric Oxide from Monazite Concnetrate, WorD Academy of Science, Engineering and Technology, 48, pp 331-333. Sabtanto Djoko Suprapto, Tinjauan Logam Tanah Jarang, Bidang Program Dan Kerjasama,Pusat Sumber Daya Geologi. 80 M&E, Vol. 13, No. 1, Maret 2015