BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Trinatrium Fosfat Trinatrium fosfat adalah agen pembersih, makanan aditif, dan penghilang noda. Trinatrium fosfat berwarna putih berbentuk butiran atau kristal padat dan sangat larut dalam air menghasilkan larutan alkali. Secara umum trinatrium fosfat disintesis dari dinatrium fosfat sehingga sebagian terhidrasi menjadi trisodium fosfat anhidrat sampai terbentuk trinatrium fosfat (Na 3 PO 4.12H 2 O). Trinatrium fosfat paling sering ditemukan dalam bentuk bubuk putih, yang sering disebut trinatrium ortofosfat atau hanya natrium fosfat. Trinatrium fosfat banyak digunakan dalam pembuatan berbagai macam sabun dan deterjen. Gambar 2.1 Struktur Trinatrium fosfat Kegunaan utama dari trinatrium fosfat adalah sebagai agen pembersih, ph larutan trinatrium fosfat 1% adalah 12, dan sifat kelarutannya cukup basa untuk saponifikasi lemak dan minyak. Dalam kombinasi dengan surfaktan, trinatrium fosfat merupakan agen yang sangat baik untuk membersihkan segala sesuatu pengotor. Hal ini sangat efektif dengan harga produksi yang rendah sehingga membuat trinatrium fosfat lebih disukai untuk sejumlah besar produk pembersih yang dijual di pertengahan abad ke-20. Trinatrium fosfat masih dijual, dan digunakan, sebagai agen pembersih, tetapi selama akhir 1960-an di Amerika Serikat, berlebihan menyebabkan serangkaian masalah ekologi. Pada akhir abad ke-20, banyak produk yang sebelumnya berisi trinatrium fosfat sekarang diproduksi dengan trinatrium fosfat pengganti, yang terutama terdiri dari natrium karbonat bersama dengan berbagai surfaktan nonionik dan natrium fosfat. Trinatrium fosfat umumnya digunakan setelah dibersihkan dengan mineral dalam rangka untuk menghilangkan residu hidrokarbon. Trinatrium fosfat dapat digunakan dengan pemutih klorin dalam larutan yang sama tanpa reaksi berbahaya campuran ini sangat baik untuk menghilangkan jamur (Wikipedia, 2011).
2.2 Sifat-sifat fisis dan kimia bahan baku dan produk 2.2.1 Bahan baku 2.2.1.1 Na 2 CO 3 (MSDS, 2011) Nama : natrium karbonat, soda abu, kalsium soda Rumus molekul : Na 2 CO 3 Berat molekul : 106 g/mol Sifat fisis : - berwujud padat - berwarna putih - higroskopis - larut dalam air tetapi tidak larut dalam alkohol - tidak mudah terbakar - densitas = 1,311 g/cm 3 - titik leleh = 851 o C Impuritis : 0,22% (maksimal) Sifat kimia : 1. Semua karbonat akan cepat bereaksi dengan asam kuat membentuk garam karbonat. M 2 (HCO 3 ) + (H 3 O +,A - ) M - A - + CO 2 + 3H 2 O 2. Reaksi antara natrium karbonat dan kalsium hidroksida akan menghasilkan kalsium karbonat dan natrium hidroksida. Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 2NaOH + CaCO 3 3. Proses pembentukan natrium karbonat dapat melalui tiga tahapan: a. Konversi natrium klorida menjadi natrium sulfat dengan pemanasan. 2NaCl + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 + 2HCl b. Reaksi antara natrium sulfat dan kalsium karbonat dilakukan pada temperatur tinggi menghasilkan natrium karbonat. Na 2 SO 4 + CaCO 3 + 2C Na 2 CO 3 + CaS + 2CO 2 c. Reduksi natrium sulfat menjadi natrium sulfida. Na 2 SO 4 + 4C Na 2 S + 4CO Natrium sulfat dicampur dengan karbon dioksida dan steam.
Na 2 S + CO 2 + H 2 O 4. Reaksi pembentukan dari amonia. Na 2 CO 3 + H 2 S 2NH 3 + CO 2 + H 2 O (NH 4 ) 2 CO 3 Ammonium karbonat yang dihasilkan pada reaksi 1 direaksikan dengan natrium klorida menghasilkan natrium karbonat (NH 4 ) 2 CO 3 + 2NaCl Na 2 CO 3 + 2NH 4 Cl 2.2.1.2 H 3 PO 4 (MSDS, 2011) Nama : Asam fosfat Rumus molekul : H 3 PO 4 Berat molekul : 98 g/mol Sifat fisis : - wujud cair - tidak berwarna, transparan - larut dalam alkohol dan air - densitas = 1,8334 g/cm 3 - titik didih = 213 o C - titik leleh = 42,35 o C Impuritis : 0,02% (maksimal) Sifat kimia : a. Merupakan asam tribasa, pelepasan ion hidrogen yang pertama adalah ionisasi yang paling hemat. Ionisasi kedua adalah sedang dan yang ketiga sudah lemah. Hal ini bisa dilihat dari ketetapan penguraian ionisasi: H 3 PO 4 + H 2 O - H 2 PO 4 + H 3 O + k 1 = 7,1.10-3 - H 2 PO 4 + H 2 O 2- HPO 4 + H 3 O + k 2 = 6,3.10-8 HPO 4 2-3- + H2O PO 4 + H 3 O + k 3 = 4,4.10-13 Asam fosfat lebih kuat dari asam asetat, asam oksalat, dan asam boraks, tetapi lebih lemah dibandingkan asam nitrat, asam sulfat, dan asam klorida. Asam fosfat dapat dibuat garam dengan mudah melalui satu atau lebih atom hidrogen.
b. Pada saat pemanasan, disodium phosphat akan membentuk sodium pyrophosphat: 2Na 2 HPO 4 Na 4 P 2 O 7 + H 2 O c. Pada saat pemanasan, sodium dihidrogen phosphat akan membentuk sodium metaphosphat. NaH 2 PO 4 NaPO 3 + H 2 O d. Pembentukan sodium phosphat dengan penambahan natrium hidroksida. Na 2 HPO 4 + NaOH Na 3 PO 4 + H 2 O e. Phosphorus pentasulfida dihidrolisa akan menghasilkan asam fosfat. P 2 S 5 + 8H 2 O 2H 3 PO 4 + 5H 2 S 2.2.1.3 NaOH (MSDS, 2011) Nama : natrium hidroksida Rumus molekul : NaOH Berat molekul : 40 g/mol Sifat fisis : - berwujud padat - berwarna putih - titik leleh = 318,4 o C - titik didih = 1390 o C - densitas = 1,8832 g/cm³ - larut dalam air - larut dalam alkohol, eter, dan gliserin Impuritis : 0,05% Sifat kimia : a. Pemanasan pada temperatur 1000 o C dengan pencampuran karbon akan membentuk metallic sodium: 6NaOH + 2C 2Na + 3H 2 + 2Na 2 CO 3 b. Natrium hidroksida jika mengalami ionisasi akan terjadi: NaOH Na + + OH -
c. Pada pembentukannya, jika natrium ditambah air akan menghasilkan natrium hidroksida dan hidrogen. Na + 2H 2 O 2NaOH + H 2 d. Natrium hidroksida juga dapat dihasilkan dari reaksi antara sodium peroksida dengan air pada temperatur tinggi: 2Na 2 O 2 + 2H 2 O 4NaOH + O 2 Pada temperatur rendah akan terbentuk hidrogen peroksida: Na 2 O 2 + 2H 2 O 2NaOH + H 2 O 2 e. Reaksi antara natrium karbonat dengan kalsium hidroksida akan menghasilkan natrium hidroksida dan kalsium karbonat: Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2 2NaOH + CaCO 3 f. Natrium hidroksida mempunyai karakteristik alkali kuat, reaksi dengan alkali besi akan menghasilkan hidroksida besi dan natrium klorida: FeCl 3 + 3NaOH Fe(OH) 3 + 3NaCl Jika bereaksi dengan Zn akan terbentuk: ZnSO 4 + 2NaOH Zn(OH) 2 + Na 2 SO 4 g. Reaksi natrium hidroksida dengan beberapa elemen bebas, baik metal maupun non metal seperti: 2NaOH + Zn Na 2 ZnO 2 + H 2 2NaOH + 2Al + 2H 2 O 2NaAlO 2 + 3H 2 2NaOH + 2B + 2H 2 O 2NaBO 2 + 3H 2 2NaOH + Si + H 2 O Na 2 SiO 3 + 2H 2 2NaOH + Cl 2 NaOCl + NaCl + H h. Kalor reaksi pada elektrolisis garam bisa didapatkan dari kalor pembentukan komponen menyeluruh: NaCl + H 2 O NaOH + 1/2H 2 + 1/2Cl 2 Reaksi dipecah menjadi reaksi pembentukan: Na (s) + 1/2Cl 2 (g) NaCl (g) DH = 407 kj H 2 (g) + 1/2O 2 (g) H 2 O (l) DH = 286 kj Na (s) + 1/2O 2 (g) + 1/2H 2 NaOH (g) DH = 469 kj
2.2.2 Produk 2.2.2.1 Na 3 PO 4.12H 2 O (MSDS, 2011) Nama : trinatrium fosfat Rumus molekul : Na 3 PO 4 12H 2 O Berat molekul : 380,16 g/mol Sifat fisis : - tidak berwarna - bentuk kristal trigonal - larut dalam air dan tidak larut dalam karbon disulfida - titik leleh = 256 o C (pada P = 1 atm) - Suhu kristalisasi = 65 o C (pada P = 1 atm) - densitas = 2,507 g/cm 3 - ph = 12 (larutan 1%) Sifat kimia : a. Pemanasan dengan temperatur di atas 100 o C, maka hidrat akan kehilangan 11 molekul air sehingga akan dihasilkan trinatrium fosfat monohidrat: Na 3 PO 4.12H 2 O Na 3 PO 4.H 2 O + 11H 2 O b. Trinatrium fosfat dihasilkan dari reaksi antara natrium hidroksida dengan disodium hidrogen phosphat: Na 2 HPO 4 + NaOH Na 3 PO 4 + H 2 O c. Disodium hidrogen phosphat pada saat pemanasan akan kehilangan air membentuk sodium pyrophosphat: 2Na 2 HPO 4 Na 4 P 2 O 7 + H 2 O d. Sodium dihidrogen phosphat pada saat pemanasan akan membentuk sodium metaphosphat: NaH 2 PO 4 NaPO 3 + H 2 O
2.3 Proses Pembuatan Trinatrium fosfat Secara umum proses pembuatan trinatrium fosfat terdiri dari netralisasi, pengeringan dan kristalisasi. Untuk tahap awal dilakukan netralisasi asam fosfat dan natrium karbonat agar diperoleh konsentrasi yang sesuai. Setelah dinetralisasi asam fosfat dipanaskan sampai suhu 90 o C dan tekanan 1,5 atm. Proses selanjutnya yaitu pembentukan disodium fosfat dari natrium karbonat dan asam fosfat pada kondisi operasi (T = 90 o C). Untuk selanjutnya berlangsung proses kristalisasi dan pengeringan trinatrium fosfat yang dibentuk dari dinatrium fosfat dan natrium hidroksida. Reaksi pembuatan trinatrium fosfat dijalankan dengan dua tingkatan: 1. Pembuatan disodium fosfat 90 o C Na 2 CO 3 (aq) + H 3 PO 4 (l) Na 2 HPO 4 (l) + H 2 O (l) + CO 2 (g) DH f = -9.709,23 (John, 1928) 2. Pembentukan trinatrium fosfat 90 o C Na 2 HPO 4 (l) + NaOH (aq) Na 3 PO 4 (l) + H 2 O (l) DH f = -7.056,63 2.4 Pemilihan Proses Sejauh ini pembuatan trinatrium fosfat hanya dapat dibuat dari bahan baku natrium karbonat, natrium hidroksida, dan asam fosfat. Dari pemilihan bahan baku untuk pembuatan trinatrium fosfat, untuk bahan baku natrium karbonat dapat dibuat dari natrium hidroksida dan asam karbonat. Namun dalam pembuatannya menggunakan proses yang lebih rumit lagi dan biaya yang lebih mahal untuk penyediaan bahan asam fosfat. Maka dengan mempertimbangkan hal tersebut kami memilih bahan baku natrium karbonat, natrium hidroksida, dan asam fosfat dalam pembuatan trinatrium fosfat dengan menggunakan proses kristalisasi. Proses kristalisasi trinatrium fosfat dilakukan dengan pendinginan sampai suhu 55 o C sehingga terbentuk kristal putih trinatrium fosfat yang berbentuk kristal triagonal. Untuk selanjutnya dikeringkan menggunakan udara panas. Maka dapat disimpulkan proses pembuatan dari trinatrium fosfat yang lebih efisien adalah proses kristalisasi sebagai proses utama dan diikuti dengan proses netralisasi dan
pengeringan yang sampai saat ini menjadi tahapan proses dari pembuatan trinatrium fosfat (Beltz, 1963). 2.5 Deskripsi Proses Proses pembuatan trinatrium fosfat secara garis besar dibagi menjadi 6 tahap proses yaitu: 1. Persiapan bahan baku 2. Pembentukan larutan disodium fosfat 3. Pembentukan larutan trinatrium fosfat 4. Pengkristalan produk trinatrium fosfat 5. Pengeringan trinatrium fosfat 6. Pengambilan produk (packing) 1. Persiapan bahan baku Bahan baku yang digunakan dalam pembuatan trinatrium fosfat adalah natrium karbonat, asam fosfat, dan natrium hidroksida. Untuk keperluan ini digunakan natrium karbonat 30%, asam fosfat 62%, dan natrium hidroksida 50%. Bahan baku asam fosfat disimpan dalam tangki penyimpanan asam fosfat (T-104) pada suhu 30 o C dan tekanan 1 atm, kemudian dialirkan menggunakan pompa (P-111) dan diencerkan dalam tangki berpengaduk (M-101) sampai kadarnya menjadi 62% dari kadar mula-mula 74% serta menaikan suhu dari larutan sampai suhu menjadi 90 o C dengan menggunakan jaket pemanas. Asam fosfat dipompa (P-112) menggunakan pompa jenis sentrifugal sampai tekanan menjadi 1,5 atm menuju reaktor 1 (R-201). Bahan baku natrium karbonat diangkut dari gudang (G-106) pada suhu 30 o C dan tekanan 1 atm menggunakan screw conveyor (SC-107), selanjutnya secara vertikal diangkut menggunakan bucket elevator (BE-109) menuju feed bin (FB-115) sebagai tempat penyimpanan sementara. Feed bin berupa silinder tegak terbuka dengan dasar berbentuk conis dilengkapi dengan weight feeder untuk mengatur laju umpan ke tangki pelarutan (M-102). Natrium karbonat dari feed bin (FB) dilarutkan pada tangki berpengaduk (M-102) untuk dilakukan pengenceran sampai konsentrasi natrium
karbonat menjadi 30% serta menaikkan suhu larutan menjadi 90 o C dengan mengunakan jaket pemanas. Selanjutnya dialirkan ke reaktor 1 (R-201) menggunakan pompa bertekanan (P-113) sampai tekanan menjadi 1,5 atm. Bahan baku natrium hidroksida diangkut dari gudang penyimpanan (G-105) pada suhu 30 o C dan tekanan 1 atm menggunakan screw conveyor (SC-108), selanjutnya secara vertikal diangkut menggunakan bucket elevator (BE-110) menuju feed bin (FB- 116) sebagai tempat penyimpanan sementara. Feed bin berupa silinder tegak terbuka dengan dasar berbentuk conis dilengkapi dengan weight feeder untuk mengatur laju umpan ke tangki pelarutan (M-103). Natrium hidroksida dari feed bin (FB) dilarutkan pada tangki berpengaduk (M-03) untuk diencerkan sampai konsentrasinya menjadi 50% serta menaikkan suhu larutan menjadi 90 o C dengan menggunakan jaket pemanas. Natrium hidroksida dipompa (P-114) menggunakan pompa jenis sentrifugal sampai tekanan menjadi 1,5 atm menuju reaktor 2 (R-202). 2. Pembentukan dinatrium fosfat Larutan asam fosfat dialirkan ke dalam reaktor (R-201) direaksikan dengan natrium karbonat. Reaktor yang digunakan adalah mixed flow reactor yang dilengkapi dengan pengaduk dan jaket pendingin. Sebagai media pendingin digunakan air dengan suhu masuk 30 o C. Kondisi operasi reaktor pada suhu 90 o C dan tekanan 1,5 atm. Reaksi yang terjadi dalam reaktor 1 adalah: Na 2 CO 3 (aq) + H 3 PO 4 (l) 95,6% Na 2 HPO 4 (l) + H 2 O (l) + CO 2 (g) (John, 1928) Hasil reaksi berupa gas CO 2 akan keluar melalui pipa pembuangan. Hasil dari reakror 1 (R-201) dialirkan menggunakan pompa (P-211) menuju clarifying filter (F-207). Hasil utama pada reaktor 1 yaitu dinatrium fosfat selanjutnya dipisahkan dari impuritasnya dalam clarifying filter (F-207). Pengotor berupa endapan dari impuritis bahan baku natrium karbonat dan asam fosfat dialirkan ke unit pengolahan limbah (UPL) untuk dilakukan pengolahan lebih lanjut. Pengotor ini biasanya terdiri dalam jumlah yang sangat sedikit.
3. Pembentukan trinatrium fosfat Larutan dinatrium fosfat keluar dari clarifying filter (F-207) selanjutnya dialirkan menggunakan pompa (P-212) ke reaktor 2 (R-202) untuk direaksikan dengan natrium hidroksida 50%. Reaktor 2 juga dilengkapi dengan jaket pendingin dan pengaduk. Kondisi operasi reaktor pada suhu 90 o C dan tekanan 1,5 atm. Dalam reaktor 2 terjadi reaksi: Na 2 HPO 4 (l) + NaOH (aq) 99,06% Na 3 PO 4 (l) + H 2 O (l) (John, 1928) Trinatrium fosfat hasil reaksi yang masih bercampur dengan impuritas dipompa (P-213) menuju clarifying filter (F-208) untuk memisahkan kotoran yang ada. Pengotor berupa endapan dari impuritis bahan natrium karbonat dan asam fosfat dialirkan ke unit pengolahan limbah (UPL) untuk dilakukan pengolahan lebih lanjut. Filtrat dialirkan menggunakan pompa (P-214) menuju evaporator (EV-203). 4. Pengkristalan trinatrium fosfat Filtrat dialirkan menuju evaporator (EV-203) untuk dipekatkan. Larutan jenuh keluar evaporator dengan suhu 104,7154 o C selanjutnya dipompa (P-215) menuju cooler untuk menurunkan suhu larutan sampai mendekati suhu kristalisasi bahan sehingga suhu nya menjadi 75 o C. Selanjutnaya larutan dialirkan menuju cristalliser (CR-301), sedangkan uapnya dikondensasi pada barometrik kondensor (BK). Proses kristalisasi dilakukan pada suhu 55 o C menggunakan agitated cooling crystallizer. Mother liquor dan kristal yang terbentuk dipisahkan melalui centrifuge (CF-302). Mother liquor yang terbentuk dialirkan menggunakan pompa (P-309) menuju heater (HE-206) untuk menaikkan suhu nya menjadi 90 o C sehingga mother liquor nya dapat direcycle menuju reaktor 1 (R-201). 5. Pengeringan produk Trinatrium fosfat Kristal yang telah dipisahkan dari centrifuge selanjutnya dialirkan menggunakan screw conveyor (SC-304) untuk dikeringkan dalam rotary dryer (RD-303). Proses pengeringan dilakukan dengan menguapkan airnya menggunakan steam yang tidak
kontak langsung pada bahan. Sebagai media panas dalam rotary dryer digunakan saturated steam. 6. Pengambilan hasil Kristal trinatrium fosfat yang telah kering diangkut secara vertikal menggunakan bucket elevator (BE-305) menuju feed bin (FB-306), kemudian disalurkan ke gudang (G-308) menggunakan belt conveyor (BC-307). Selanjutnya dilakukan proses packing produk kedalam bentuk sak-sak menggunakan alat pempackingan. Proses pembuatan trinatrium fosfat dapat dilihat pada flowsheet Gambar 2.1.
Gambar 2.2 Flowsheet Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Trinatrium Fosfat Dari Natrium Karbonat, Natrium Hidroksida Dan Asan Fosfat CR-301 No Kode Keterangan 1 T-104 Tangki Asama Fosfat 2 G-105 Gudang Natrium Hidroksida 3 G-106 Gudang Natrium Karbonat 4 G-308 Gudang Trinatrium Fosfat 5 M-101 Tangki Pengenceran Asam Fosfat 6 M-102 Tangki Pengenceran Natrium Karbonat 7 M-103 Tangki Pengenceran Natrium Hidroksida 8 SC-107 Screw Conveyor 9 SC-108 Screw Conveyor 10 SC-304 Screw Conveyor 11 BE-109 Bucket Elevator 12 BE-110 Bucket Elevator 13 BE-305 Bucket Elevator 14 BC-307 Belt Conveyor 15 FB-115 Feed Bin 16 FB-116 Feed Bin 17 FB-306 Feed Bin 18 P-111 Pompa Sentrifugal 19 P-112 Pompa Sentrifugal 20 P-113 Pompa Sentrifugal 21 P-114 Pompa Sentrifugal 22 P-209 Pompa Sentrifugal 23 P-210 Pompa Sentrifugal 24 P-211 Pompa Sentrifugal 25 P-212 Pompa Sentrifugal 26 P-213 Pompa Sentrifugal 27 P-214 Pompa Sentrifugal 28 T-215 Tangki Penyimpanan Air Hasil Kondensasi 29 R-201 Reaktor I 30 R-202 Reaktor II 31 F-207 Clarifying Filter I 32 F-208 Clarifying Filter II 33 EV-203 Evaporator 34 WC-216 Water Condensor 35 C-205 Cooler 36 HE-204 Heater 37 CR-301 Cristaliser 38 CF-302 Centrifuge 39 RD-303 Rotary Dryer DEPARTEMENTEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK MEDAN DIAGRAM ALIRPABRIK TRINATRIUM FOSFATDARI NATRIUM KARBONAT, ASAM FOSFAT DAN NATRIUM HIDROKSIDADENGAN KAPASITAS PRODUKSI 40.000 TON / TAHUN Skala : Tanpa Skala Tanggal Tanda Tangan Digambar Nama : Cristopel L Tobing Diperiksa / 1.Nama : Dr. Ir. Iriany, MSi NIP : 19640613 199003 2 001 Disetujui 2.Nama : Ir. Renita Manurung, MT NIP : 19681214 199702 2 002