BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Sejarah aluminium Aluminium adalah logam yang terbanyak di dunia. Logam 8 % dari bagian pada kerak bumi. Boleh dikatakan setiap negara mempunyai persediaan bahan yang mengandung aluminium, tetapi proses untuk mendapatkan aluminium logam dari kebanyakan bahan itu masih belum ekonomis. Logam aluminium pertama kali dibuat dalam bentuk murni oleh Oersted, pada tahun 1825, yang memanaskan ammonium klorida NH 4 Cl dengan amalgam kalium-raksa (K-Hg). Pada tahun 1854, Henri Sainte-Claire Deville membuat aluminium dari natriumaluminium klorida dengan jalan memanaskan dengan logam natrium. Proses ini beroperasi selama 35 tahun dan logamnya dijual dengan harga $ 220 per kilogram. Pada tahun 1886 Charles Hall mulai memproduksi aluminium dengan skala besar seperti sekarang, yaitu melalui elektrolisis alumina didalam kriolit (Na 3 AlF 6 ) lebur. Pada tahun itu pula, Paul Heroult mendapat hak paten dar Prancis untuk proses serupa dengan proses Hall. Hingga pada tahun 1893, produksi aluminium menurut cara Hall ini sudah sedemikian meningkat, sehingga harganya sudah jatuh menjadi $ 4,40 per kilogram.
Industri ini berkembang dengan baik, berdasarkan suatu pasaran yang sehat dan berkembang atas dasar penelitian mengenai sifat-sifat aluminium dan cara-cara pemakaian yang ekonomis bagi bahan itu. (Austin, G.T., 1990) 2.2. Sifat-sifat Aluminium Dalam tiga dasawarsa terakhir ini aluminium telah menjadi salah satu logam industri yang paling luas penggunaannya di dunia. Aluminium banyak digunakan didalam semua sektor utama industri seperti angkutan, konstruksi, listrik, peti kemas dan kemasan, alat rumah tangga serta peralatan mekanis. Penggunaan aluminium yang luas disebabkan aluminium memiliki sifat-sifat yang lebih baik dari logam lainnya seperti : a. Ringan : memiliki bobot sekitar 1/3 dari bobot besi dan baja, atau tembaga dan karenanya banyak digunakan dalam industri transportasi seperti angkutan udara. b. Kuat : terutama bila dipadu dengan logam lain. Digunakan untuk pembuatan produk yang memerlukan kekuatan tinggi seperti : pesawat terbang, kapal laut, bejana tekan, kendaraan dan lain-lain. c. Mudah dibentuk dengan semua proses pengerjaan logam. Mudah dirakit karena dapat disambung dengan logam/material lainnya melalui pengelasan, brazing, solder, adhesive bonding, sambungan mekanis, atau dengan teknik penyambungan lainnya.
d. Tahan korosi : sifatnya durabel sehingga baik dipakai untuk lingkungan yang dipengaruhi oleh unsur-unsur seperti air, udara, suhu dan unsur-unsur kimia lainnya, baik di ruang angkasa atau bahkan sampai ke dasar laut. e. Konduktor listrik : setiap satu kilogram aluminium dapat menghantarkan arus listrik dua kali lebih besar jika dibandingkan dengan tembaga. Karena aluminium relatif tidak mahal dan ringan, maka aluminium sangat baik untuk kabel-kabel listrik overhead maupun bawah tanah. f. Konduktor panas : sifat ini sangat baik untuk penggunaan pada mesinmesin/alat-alat pemindah panas sehingga dapat memberikan penghematan energi. g. Memantulkan sinar dan panas : Dapat dibuat sedemikian rupa sehingga memiliki kemampuan pantul yang tinggi yaitu sekitar 95% dibandingkan dengan kekuatan pantul sebuah cermin. Sifat pantul ini menjadikan aluminium sangat baik untuk peralatan penahan radiasi panas. h. Non magnetik : dan karenanya sangat baik untuk penggunaan pada peralatan listrik/elektronik, pemancar radio/tv. dan lain-lain, dimana diperlukan faktor magnetisasi negatif. i. Tak beracun : dan karenanya sangat baik untuk penggunaan pada industri makanan, minuman, dan obat-obatan, yaitu untuik peti kemas dan pembungkus.
j. Memiliki ketangguhan yang baik : dalam keadaan dingin dan tidak seperti logam lainnya yang menjadi getas bila didinginkan. Sifat ini sangat baik untuk penggunaan pada pemrosesan maupun transportasi LNG dimana suhu gas cair LNG ini dapat mencapai dibawah -150 o C. k. Menarik : dan karena itu aluminium sering digunakan tanpa diberi proses pengerjaan akhir. Tampak permukaan aluminium sangat menarik dan karena itu cocok untuk perabot rumah (hiasan), bahan bangunan dan mobil. Disamping itu aluminium dapat diberi surface treatment, dapat dikilapkan, disikat atau dicat dengan berbagai warna, dan juga diberi proses anodisasi. Proses ini menghasilkan lapisan yang juga dapat melindungi logam dari goresan dan jenis abrasi lainnya. l. Mampu diproses ulang-guna yaitu dengan mengolahnya kembali melalui proses peleburan dan selanjutnya dibentuk menjadi produk seperti yang diinginkan Proses ulang-guna ini dapat menghemat energi, modal dan bahan baku yang berharga. (Daryus, A., 2008) 2.3. Diagram Alir Bahan Baku Bahan-bahan untuk keperluan produksi Aluminium pertama sekali didatangkan melalui pelabuhan. Bahan-bahan tersebut adalah alumina, kokas, hard pitch. Alumina akan dimasukkan ke silo alumina (alumina silo), kokas kedalam silo kokas (coke silo),
pitch kedalam pitch storage house. Pemasukan bahan-bahan tersebut menggunakan belt conveyer. Alumina yang berada didalam silo alumina kemudian dibawa ke dry scrubber system untuk direaksikan dengan gas HF yang berasal dari pot. Hasil dari reaksi ini adalah reacted alumina yang akan dimasukkan kedalam hopper pot dengan menggunakan Anode Changing Crane (ACC). Dari hopper pot, reacted alumina akan dimasukkan kedalam tungku reduksi. Kokas yang ada dalam silo kokas akan bercampur dengan butt (puntung anoda) dan mengalami pemanasan. Kemudian dicampur dengan hard pitch yang berfungsi sebagai perekat (binder). Campuran ketiga bahan ini akan dicetak menggunakan Shaking Machine di Anode Green Plant dan selanjutnya mengalami pemanggangan pada baking furnace. Hasilnya adalah blok anoda (anode block) di Anode Baking Plant. Blok-blok anoda kemudian akan dipasangi tangkai (anode assembly) di Anode Baking Plant. Anoda tersebut kemudian akan dikirimkan ke Reduction Plant untuk keperluan proses elektrolisis alumina menjadi aluminium. Setelah + 28 hari anoda diganti dan sisa-sisa anoda (butt) dibersihkan. Butt ini kemudian akan dihancurkan dan dimasukkan ke silo butt. Butt kemudian dipakai kembali (recycle) sebagai bahan pembuatan anoda bersama kokas dan pitch. Pada tungku reduksi akan terjadi proses elektrolisis alumina. Proses ini akan menghasilkan gas HF yang akan dialirkan ke dry scrubber system untuk bereaksi dengan
alumina dan dibersihkan lalu dibuang melalui cerobong gas cleaning system. Aluminium cair (molten) yang dihasilkan dibawa ke Casting Shop menggunakan Metal Transport Car (MTC). Di casting shop aluminium cair dimasukkan kedalam holding furnace, lalu dituang ke casting machine untuk dicetak menjadi ingot aluminium dengan berat masingmasing ingot seberat 50 lbs (22,7 kg). Gambar 2.1. Aliran Material 2.4. Alumina (Al 2 O 3 ) Bahan baku utama untuk pengolahan aluminium adalah alumina. Alumina(Al 2 O 3 ) diperoleh dari pengolahan biji bauksit dengan proses bayer. Proses bayer terdiri dari tiga tahap reaksi yaitu :
a. Proses Ekstraksi Al 2 O 3. xh 2 O + 2 NaOH 2NaAlO 2 + (x+1) H 2 O b. Proses Dekomposisi 2NaAlO 2 + 4 H 2 O 2NaOH + Al 2 O 3. 3H 2 O c. Proses Kalsinasi Al 2 O 3. 3H 2 O + Kalor Al 2 O 3 + H 2 O Pada proses kalsinasi akan dihasilkan 2 jenis alumina, yaitu : 1. Alumina Sandy, yaitu alumina yang diperoleh dengan kalsinasi jika operasi berlangsung pada temperature rendah. 2. Alumina Fluory, yaitu alumina yang diperoleh dengan proses kalsinasi jika operasi berlangsung pada temperatur tinggi.
Tabel 2.1 Perbedaan sifat Alumina Sandy dan Floury Tipe Oksida Satuan Sandy Floury Keterangan Alumina % 5 90 By X-Ray Hilang Pijar % 1.9 0,2 1100 o C Berat jenis g.cm -3 3.50 3.90 Bulk Density Loose g.cm 1.3 1.0 Bulk Density Packeed g.cm 1.3 2 BET Permukaan Spesifik m 2.g -1 42 Sudut jatuh Derajat 30 2.4.1. Kebutuhan Alumina (Anonymous, 1998) Selama beroperasinya sel, terjadi pembentukan kerak di atas permukaan penangas lebur. Alumina ditambahkan ke atas kerak ini dan alumina akan mengalami pemanasan selanjutnya melepaskan kandungan airnya. Kerak itu dipecahkan secara berkala dan alumina itu diaduk ke dalam penangas agar konsentrasinya tetap berada di sekitar 2% sampai 6%. Kebutuhan teoritis alumina adalah 1,89 per kilogram aluminium. Tetapi dalam prakteknya, angkanya kira-kira 1,91. bila kadar alumina di dalam penangas itu sudah berkurang dan efek anoda berlangsung pada anoda itu terbentuk suatu lapisan tipis karbon tetrafluorida di penangas itu tidak dapat lagi membatasi permukaan anoda. Dalam
hal ini voltase sel akan naik dan ini terlihat dari lampu peringatan atau lonceng yang dihubungkan dengan sel dan hanya bekerja jika sel beroperasi tidak normal. Bila ini terjadi, alumina kemudian diadukkan ke dalam sel, walaupun waktunya bukanlah waktu penambahan berkala yang direncanakan. Mengenai mekanisme yang sebenarnya dari pelarutan alumina di dalam penangas dan bagaimana mekanisme dekomposisi elektrolitnya masih belum jelas. Tetapi pada akhirnya ialah pembebasan oksigen pada anoda dan pengendapan logam aluminium pada katoda. Oksigen itu bergabung dengan anoda karbon menghasilkan CO dan CO 2 tetapi kebanyakan adalah CO 2. (Austin G T.,1990) 2.4.2. Feeding Alumina Alumina feeding sebagian besar biasanya terdapat dalam prosedur sel Hall- Heroult. Jadi, ini dilakukan dengan pengisian dan bentuk yang sangat berbeda dari operasi yang strategis. Grjotheim telah menjelaskan beberapa karakteristik dan konsekuensi termal untuk tipe aluminium yang berbeda, gambarannya sangat berbeda untuk karakteristik break and feed, kebutuhan panas dan kecenderungan endapannya (sludge), awalnya menunjukkan keuntungan dari teknik feeding tersebut. Keuntungan-keuntungan ini mungkin secara ringkas yang terdapat dibawah ini : a. Dalam pembentukan lumpur/endapan (sludge) dapat diperkecil.
b. Konsentrasi alumina (Al 2 O 3 ) didalam bath dapat dijaga tetap konstan. c. Bilangan dari anode effect (AE) dapat menurun secara drastis. Aplikasi dari proses pengontrolan alumina (Al 2 O 3 ) adalah bentuk dari asumsi bahwa kehabisan dari alumina (Al 2 O 3 ) dengan waktu tertentu. Strategi pengontrolan digunakan untuk menjaga konsentrasi alumina (Al 2 O 3 ) di dalam bath dibagian sempit dengan konsentrasi (+ 0,5 % massa) dalam alumina (Al 2 O 3 ) yang rendah pada sisi sel yang minimum. Aliran / kecepatan feeding cocok dengan pertambahan berat unit per waktu, tetapi karena pembuangan yang lain mempunyai berat yang sama, dan itu tentu mempunyai waktu interval yang berlainan. Pada waktu periode tertentu alumina (Al 2 O 3 ) yang masuk ke dalam interval waktu yang singkat kepada aliran normal dari pemakaian alumina (Al 2 O 3 ) dalam sel dan pada periode alumina (Al 2 O 3 ) yang lain pemasukan alumina (Al 2 O 3 ) pada interval yang lama (underfeeding). (Grjotheim, K., 1998) 2.5. Aluminium Fluorida (AlF 3 ) Aluminium fluorida berfungsi menjaga keasaman bath dan merupakan bahan yang dituangkan secara manual jika kelebihan AlF 3 kurang didalam bath. Spesifikasi AlF 3 yang digunakan oleh PT INALUM adalah:
Tabel 2.2. Spesifikasi AlF3 Item Unit Spesifikasi AlF 3 % 93 min SiO 2 % 0,25 max P 2 O 5 % 0,02 max Fe 2 O 3 % 0,07 max Moisture (Water Content) % 0,35 max Loss on Ignitation 300-1000 o C % 0,85 max Bulk density gram/cc 0,7 min Particle Size (Tyler Mesh) Typical + 150 mesh % 25-60 + 200 mesh % 50-75 + 320 mesh % 75 min 2.6. Kriolit/bath (Na 3 AlF 6 ) Dalam proses peleburan aluminium secara elektrolisa, media penghantar arus listrik yang digunakan yaitu elektrolit. Bahan baku utama dari elektrolit yang digunakan untuk peleburan aluminium adalah kriolit (Na 3 AlF 6 ) disamping bahan-bahan tambahan lainnya.
Bath adalah leburan dari kriolit (Na 3 AlF 6 ) yang terionisasi menjadi ion sodium (ion positif) dan ion heksafluoroaluminat (ion (-)) : (Na 3 AlF 6 ) 3 Na + 3- + AlF 6 Ion-ion heksafluoroaluminat akan terurai lagi menjadi : AlF 3-6 AlF 2-5 + F - 2 e + AlF 3-6 AlF 4-5 + F - Leburan kriolit sangat baik sebagai pelarut alumina (Al 2 O 3 ) karena ion-ion AlF 3-6 reaktif terhadap alumina (Al 2 O 3 ). Pada konsentrasi alumina (Al 2 O 3 ) yang rendah, reaksi yang terjadi yaitu : Al 2 O 3 + 4 AlF 3-6 3 Al 2 OF 2-6 + 6 F - Pada konsentrasi alumina (Al 2 O 3 ) yang tinggi, reaksi yang terjadi yaitu : 2 Al 2 O 3 + 2 AlF 6 3-3 Al 2 O 2 F 4 2- Ion-ion yang ada di dalam bath yaitu : Na +, F -,AlF 4-, AlF 2-5, AlF 3-6, Al 2 OF 2-2- 6, Al 2 O 2 F 4 Ion dengan muatan positif (+) akan tertarik ke katoda dan yang bermuatan negatif (-) akan tertarik ke anoda. Ion Na + membawa 95 % - 99 % arus listrik, sisanya ion F -. Sifat-sifat yang diperlukan untuk kriolit (Na 3 AlF 6 ) adalah : Memiliki temperatur kristalisasi primer rendah, yang berguna untuk : a. Menghindari terjadinya reoksidasi b. Menjamin terbentuknya kerak samping
Memiliki konduktivitas listrik baik, yang berguna untuk : a. Ikut menurunkan temperatur bath b. Memperbaiki produktivitas c. Dapat melarutkan alumina (Al 2 O 3 ) dalam jumlah yang besar. d. Memiliki berat jenis yang rendah, yang berguna untuk agar metal dan bath terpisah e. Stabil dalam keadaan cair f. Memiliki tegangan permukaan yang baik dimana dapat mengurangi reoksidasi Memiliki viskositas yang sesuai (6,7 cp pada T = 1000 o C), yang berguna untuk : a. Mengurangi kecepatan sedimentasi b. Mengurangi emisi gas c. Mengurangi gerakan partikel aluminium dan karbon.
Tabel 2.3 Komponen Bath Pada Dapur Peleburan di PT INALUM Komponen Kandungan (%) Aluminium Fluorida (AlF 3 ) 5 8 Kalsium Fluorida (CaF 2 ) 3 4 Alumina (Al 2 O 3 ) 1 8 Kriolit (Na 3 AlF 6 ) 79 90 Sumber : Operasi Tungku Reduksi PT INALUM (2003) (Anonymous, 2003) 2.7. Elektrolisa Hampir semua logam aluminium primer dihasilkan dengan proses elektrolisa Hall-Heroult. Bahan baku yang digunakan terdiri dari alumina, karbon, kriolit, CaF 2, HF, AlF 3 dan tenaga listrik. Terdapat dua jenis tungku reduksi yang dipergunakan dalam industry peleburan aluminium yaitu Prebaked Anode Furnace (PAF) dan Soderberg Anode furnace (SAF). Perbedaan kedua tipe tungku tersebut terletak pada cara pemanggangan anodanya, dalam sistem PAF anoda dipanggang terlebih dahulu (prebaked) sebelum dipergunakan. Sedangkan pada sistem SAF tidak dilakukan pemanggangan pendahuluan, melainkan dimasukkan langsung ke dalam tungku reduksi. Pabrik peleburan aluminium di Kuala Tanjung menggunakan sistem PAF yang telah dikembangkan oleh Sumitomo Aluminium Smelting Co., Ltd.
Reaksi kimia yang terpenting yang terjadi di tungku reduksi, adalah reaksi elektrolisa untuk menghasilkan logam aluminium. Dengan mengalirkan listrik arus searah, terjadi elektrolisa alumina menjadi ion-ion positif dan ion-ion negatif Al 2 O 3 2 Al 3+ + 3 O 2-. Ion aluminium tertarik ke katoda dan dinetralisisr sehingga terbentuk aluminium. Demikian juga ion zat asam mendekati anoda kemudian dinetralisir. Selain daripada itu terjadi juga reaksi reduksi, dimana karbon yang berasal dari anoda berfungsi sebagai reduktor mengikat asam : 2 Al 2 O 3 + 3 C 4 Al + 3 CO 2 Aluminium cair yang terkumpul di bagian bawah tungku selanjutnya dihisap dan dibawa ke pabrik penuangan. Pada proses Hall-Heroult, logam aluminium diperoleh melalui dari alumina dengan menggunakan cairan kriolit (Na 3 AlF 6 ), (titik lebur 1000 o C) yang digunakan sebagai pelarut. Sejumlah besar aluminiun oksida/alumina (Al 2 O 3 ) dilarutkan dalam kriolit, dimana larutan kriolit dapat menurunkan titik lebur alumina. Campuran kriolit dan aluminium oksida di elektrolisa dalam sel dan sel lapisan karbon yang berfungsi sebagai katoda tersimpan di dalam cairan aluminium. Pada operasi sel, cairan aluminium berada pada bagian bawah sel. Dari waktu ke waktu aluminium cair akan disedot dan selanjutnya akan dibawa ke bagian casting untuk dicetak. Pada operasi sel ini diperlukan tegangan sebesar 4,0 sampai 5,5 Volt, dan arus yang digunakan dari 50,000 sampai 150,000 ka. (Kelvin, G.V., 1994)
2.8. Proses Hall-Heroult Alumina yang dihasilkan dari proses pemurnian masih mengandung oksigen sehingga harus dilakukan proses selanjutnya yaitu peleburan. Peleburan alumina dilakukan dengan proses reduksi elektrolitik. Proses peleburan ini memakai metode Hall- Heroult. Alumina dilarutkan dalam larutan kimia yang disebut kriolit pada sebuah tungku yang disebut pot. Pot ini mempunyai dinding yang dibuat dari karbon. Bagian luar pot terbuat dari baja. Aliran listrik diberikan melalui anoda dan katoda. Proses reduksi memerlukan karbon yang diambil dari anoda. Pada proses ini dibutuhkan arus listrik searah sebesar 190 kiloampere. Arus listrik akan mengelektrolisa alumina menjadi aluminium dan oksigen bereaksi membentuk senyawa CO 2. Aluminium cair dari hasil elektrolisa akan turun ke dasar pot dan selanjutnya dialirkan dengan prinsip siphon ke krusibel yang kemudian diangkut menuju tungku-tungku pengatur (holding furnace). Kebutuhan listrik yang dihabiskan untuk menghasilkan 1 kg aluminium berkisar sekitar 12-15 kwh. Satu kg aluminium dihasilkan dari 2 kg alumina dan ½ kg karbon. Reaksi permunian alumina menjadi aluminium adalah sebagai berikut : 970 o C 2 Al 2 O 3 + 3 C 4 Al + 3 CO 2 Na 3 AlF 6 (Daryus, A., 2008)
Gambar 2.2 Proses peleburan Al 2 O 3 menjadi aluminium dengan cara elektrrolisa. 2.9. Anode effect Anode effect sering terjadi pada proses elektrolisa dari garam logam. Anode effect terjadi saat kekurangan alumina (Al 2 O 3 ) di dalam larutan elektrolit (Na 3 AlF 6 ). Tanda fisiknya adalah timbulnya gelembung gas CO 2 pada bagian bawah anoda, yang menandakan menurunnya kemampuan elektrolit (Na 3 AlF 6 ) untuk membasahi anoda. Akhirnya gelembung-gelembung gas CO 2 tersebut akan bergabung untuk membentuk suatu lapisan tunggal yang akan menutupi sebagian besar permukaan anoda. Dengan sumber arus listrik yang tetap, beda potensial listrik akan naik lebih dari 30 volt. Hal ini disebabkan oleh gelembung gas CO 2 yang besar dan akan menaikkan rapat arus lokal
pada anoda. Satu-satunya cara agar arus dapat melalui lapisan gas CO 2 pada permukaan anoda adalah dengan cara lompatan listrik (electric arching). Beda tegangan listrik akan naik perlahan seiring dengan kurangnya alumina (Al 2 O 3 ) sampai suatu harga konsentrasi kritis tertentu yang berkisar antara 1 % - 2 % berat, tergantung dari rapat arus, suhu, konveksi larutan elektrolit (Na 3 AlF 6 ), komposisi larutan elektrolit (Na 3 AlF 6 ), dan bentuk dari anoda. Anoda effect dapat juga terjadi saat konsentrasi alumina (Al 2 O 3 ) yang lebih tinggi dengan menaikkan rapat arus. Akibat dari anoda effect pada proses elektrolisis aluminium pada sel Hall-Heroult yaitu adalah perubahan dari komposisi gas-gas anoda terutama CO 2 menjadi CO yang disertai dengan terbentuknya gas carbontetrafluoro (CF 4 ) sebanyak 3 25 % dan sedikit gas hexafluoroetana (C 2 F 6 ). Gas-gas ini akan menutupi permukaan aktif anoda sebagai lapisan film di permukaan. Lapisan ini juga mempengaruhi sifat pembasahan dari lapisan antar muka dan juga bertindak sebagai penghambat listrik. Beberapa percobaan mengindikasikan hilangnya efisiensi arus saat anode effect berlangsung sedangkan percobaan lainnya menunjukkan bahwa awalnya efiensi arus akan meningkat saat terjadinya anode effect, namun seiring dengan naiknya suhu sebagai akibat dari naiknya beda tegangan listrik pada sel, maka efiensi arus akan menurun. (Anonymous, 1998).