PENGOLAHAN
BAHAN BAKU ANORGANIK
(INDUSTRI KHLOR-ALKALI )
Industri klor-alkali seperti pembuatan
soda abu, soda kaustik dan klor merupakan salah satu industri kimia dasar yang
penting. Bahan – bahan ini hampir setingkat dengan asam sulfat dan amonia.
Peranannya sangat penting, sehingga dapat dikatakan tidak ada barang konsumsi
yang diperjualbelikan yang tidak bergantung pada klor dan alakli pada salah
satu tahap pembuatannya. Ketiga produk ini hampir seluruhnya dijual ke industri
dan digunakan untuk pembuatan sabun, deterjen, serat dan plastik, kaca,
petrokimia, pulp dan kertas, pupuk, bahan peledak, pelarut dan berbagai bahan
kimia lainnya. Soda abu, soda kaustik dan klor merupakan zat kimia yang sangat
penting dalam perindustrian dan kehidupan sehari-hari. Maka sebagai mahasiswa
teknik kimia perlu mempelajari dan mengulas tentang proses pembuatannya. Agar
dapat diaplikasikan di dunia industri nantinya.
6.1. Industri Soda Kaustik
1. Pengertian Soda kaustik
Dalam sebuah industri, industri
kimia kaustik soda atau NaOH memiliki peranan yang sangat penting dalam proses
produksi. Dalam pembuatan pulp dan kertas, tekstil, air minum, sabun dan
deterjen dan sebagai pembersih drain, bahan ini (kaustik soda) berguna sebagai
penetralisir sifat keasaman yang di akibatkan dalam pemakaian DDBS. Oleh
karenanya menjadikan kaustik soda sebagai bahan yang memiliki peranan sangat
penting dalam industri. Oleh karena itu, kami akan menjabarkan beberapa
kegunaan kaustik soda (NaOH) dalam suatu proses industri.
Kostik soda juga di kenal dengan NaOH.
Kostik merupakan basa kuat, natrium hidroksida murni berbentuk putih padat dan
tersedia dalam bentuk pelet, serpihan, butiran ataupun larutan jenuh
50%. Natrium hidroksida merupakan nama lain dari caustic soda, coustic
soda biasa diproduksi secara komersial melalui dua metode dasar yaitu sel
elektrolisis dan proses kimia. Kebanyakan produk soda kaustik dihasilkan dari
sel elektrolitik. Ada tiga jenis sel elektrolisis yaitu diafragma, merkuri, dan
membran . Bahan baku proses pembuatan caustic soda adalah garam, air, dan
listrik.
Caustic soda memiliki rumus kimia yaitu
NaOH yang bersifat basa, tidak berbau dan tidak berwarna . soda caustic
merupakan bahan kimia yang sangat korosif dan reaktif. larutan soda caustic
mudah bereaksi dengan logam seperti aluminium, magnesium, seng, timah, kromium,
perunggu, kuningan, tembaga, dan paduan mengandung logam.
Beberapa industri yang
menggunakan coustic soda antara lain yaitu pabrik sabun, detergen pulp dan
kertas, soda juga digunakan dalam alumina seperti industri minyak dan gas
serta tekstil.
Kaustic soda adalah bahan kimia komoditas
penting bagi industri pulp dan kertas. Pokok menggunakan dalam industri pulp
dan kertas termasuk memasak / pengolahan pulp Kraft, ekstraksi lignin selama
urutan pemutihan pulp, dan pembuatan on-situs natrium hipoklorit. Prosedur
pemutihan pulp umum melibatkan urutan pemutihan selama kotoran dan materi
berwarna pulp adalah teroksidasi dan diubah ke bentuk alkali larut, dan urutan
ekstraksi selama kotoran dihapus. Tahap Ekstraksi pada pulp hampir selalu
digunakan soda kaustik sebagai bahan baku ekstraksinya.
2. Sifat fisik dan kimia dari Produk Natrium hidroksida
a. Sifat fisik Natrium hidroksida (NaOH)
- berbentuk putih padat dan tersedia
dalam bentuk pelet, serpihan, butiran ataupun
larutan jenuh 50%.
- bersifat lembab cair
- secara spontan menyerap karbon
dioksida dari udara bebas.
- sangat larut dalam air dan akan
melepaskan panas ketika dilarutkan.
- larut dalam etanol dan metanol
- tidak larut dalam dietil eter dan
pelarut non-polar lainnya
- Larutan natrium hidroksida akan
meninggalkan noda kuning pada kain dan
kertas.
- Sangat basa, keras, rapuh dan
menunjukkan pecahan hablur.
- Titik leleh 318 °C
- titik didih 1390 °C.
- NaOH membentuk basa kuat bila
dilarutkan dalam air
- densitas NaOH adalah 2,1
- Senyawa ini sangat mudah
terionisasi membentuk ion natrium dan hidroksida
b. Sifat
kimia Natrium hidroksida (NaOH)
Dengan larutan natrium hidroksida,
(HCl)asam klorida dinetralkan dimana akan terbentuk garam dan air

6.2. Industri
Khlor
1. Pengertian Khlor
Pada awalnya klor ditemukan pada tahun
1774 oleh Scheele, yang awalnya disangka oksigen. Tetapi diberi nama Klor pada
tahun 1810 oleh Davy yang bersikeras bahwa zat ini adalah sebuah unsur. Saat di
temukan Klor bersenyawa terutama dengan natrium sebagai garam (NaCl), karnalit
dan silfit.
Sifat Klor sendiri yaitu termasuk unsur
halogen (pembentuk garam) dan diperoleh dari garam klorida dengan mereaksikan
zat oksidator atau lebih sering dengan proses elektrolisis. Merupakan gas
berwarna kuning kehijauan.
Yang akan kita bahas disini yaitu pembelajaran
tentang Industri klor dan alkali. Dapat membantu kita dalam proses pemahaman
tentang proses-proses di industri klor dan alkali. Mungkin bagi para
teman-teman dari kimia murni atau dari teknik kimia sudah tak asing lagi dengan
yang nama nya industri klor alkali ini, proses klor alkali adalah proses
elektrolisa garam(NaCl) menjadi gas klorin(Cl2), gas hidrogen(H2) dan NaOH.
(itu kalau produknya dipisahkan). Kalau produknya dicampur saja maka akan
menghasilkan sodium hypochloride atau sodium chlorate.
2. Sifat fisik dan kimia dari Produk Khlor
Klor dalam bahasa yunani adalah: Chloros,
(“hijau pucat"), adalah unsur kimia dengan simbol Cl . Dalam tabel
periodik, unsur ini termasuk kelompok halogen atau grup 17 .Dalam bentuk ion
klorida, unsur ini adalah pembentuk garam dan senyawa lain yang tersedia di
alam dalam jumlah yang sangat berlimpah dan diperlukan untuk pembentukan hampir
semua bentuk kehidupan, termasuk manusia. Dalam
bentuk gas, klorin berwarna kuning kehijauan, dan sangat beracun. Dalam bentuk
cair atau padat, klor sering digunakan sebagai oksidan, pemutih, atau
desinfektan.
Unsur-unsur halogen dapat diidentifikasi
melalui warna dan sifatnya. Misalnya Cl : berupa gas warna kuning kehijauan
pada suhu kamar, nonpolar, kelarutan dalam air kecil dan larut dalam pelarut
non polar seperti heksana.
Pemutih Klorin (bleaching agent)
mengandung larutan hipoklorit (NaClO). Ion ClO- merupakan suatu oksidator, daya
oksidasinya sama dengan klorin namun ion ClO- berbeda dengan Cl- sebab asam
hipoklorit. HClO adalah asam lemah dan ion ClO- adalah basa yang cukup kuat,
sedangkan Cl- mempunyai sifat netral dan merupakan basa konjugat dari HCl
kuat. Gambar diagram balok aliran proses
untuk industri Khlor- alkhali dapat dilihat di bawah :

disposal
\
Return to Market
Salt 50%NaOH
Gambar 6.1 Diagram balok aliran proses industri
Khlor - Alkhali
6.3. Proses Pembuatan Soda Kaustik dan Klor
Produksi soda kaustik dengan cara
elektrolitik sudah dikenal pada abad ke delapan belas, tetapi barulah pada
tahun 1890 soda kaustik diproduksi dengan cara lain. Sampai beberapa tahun
sebelum perang dunia I, kuantitas soda kaustik yang dihasilkan sebagai koproduk
klordari proses elektrolitik sudah boleh dikatakan dapat diabaikan bila
dibanding dengan yang dibuat dari soda abu dengan kaustisasi gamping. Bahan
yang digunakan dalam proses ini Natrium klorida (NaCl), Natrium karbonat
(Na2CO3), air dan bahan baku samping seperti Asam Sulfat (H2SO4), Mercury (Hg),
Hidrogen (H2).
Bahan –bahan di atas dapat di diolah dan
diproses dalam beberapa cara :
1. Diafragma sel
Menggunakan teknologi sel diafragma,
klorin, soda kaustik dan hidrogen diproduksi secara bersamaan. air garam jenuh
memasuki kompartemen anoda dari sel, di mana gas klor dibebaskan. Fungsi
diafragma adalah memisahkan air garam dari larutan kaustik (sel yang disebut
effluent) pada sisi katoda, yang juga di mana gas hidrogen dilepaskan.
2. Merkuri
sel
Menggunakan larutan NaCl jenuh dengan
garam padat, yang terlarut 70% kaustik langsung
3.
Membran sel
Teknologi sel Membran merupakan
perkembangan yang relatif baru. Ini berbeda dari teknologi diafragma sel dalam
bahwa solusi sekitar elektroda masing-masing dipisahkan oleh sebuah membran
daripada diafragma. Membran ini sangat selektif dan terutama memungkinkan
migrasi ion natrium dari ruang anoda ke ruang katoda. Air garam jenuh memasuki
kompartemen anoda sel dimana gas klor dibebaskan. Karena ion natrium hanya
dapat melewati membran ke katoda (air garam tidak dapat melewati membran), soda
kaustik (sel limbah cair) mengandung natrium klorida substansial kurang.
kemampuan garam penghapusan Tidak diperlukan seperti pada proses diafragma sel.
Klorin dan hidrogen yang dihasilkan dalam proses membran sel elektrokimia
meninggalkan pada tekanan sedikit lebih tinggi daripada tekanan atmosfer.
Setelah pendinginan pada penukar panas, gas dapat mengalami proses tambahan
dalam bentuk likuifaksi klorin, produksi atau produksi asam klorida hipoklorit.
Proses elektrolitik dari produksi
chlorine-caustic soda:
Umpan berupa garam NaCl bersama
air dimasukkan ke dalam tangki pencampur (brine Purifier) untuk
mendapatkan larutan garam, sehingga terjadi reaksi :

Dan pada bagian atas brine purifier
ditambahkan Na2CO3 sehingga
terjadi endapan, kemudian endapan di dasar tangki akan langsung
dikeluarkan pada bagian bawah tangki yang berupa kadar Ca,Mg, dan
Fe, sedangkan sisanya keluar dari bagian atasnya menuju ke filter.
Endapan yang mungkin masih tersisa disaring dengan filter, dan
diteruskan pada proses pemanasan dengan steam sebelum menuju diaphragma
sel, kemudian hasil dari penyaringan tadi diteruskan langsung
menuju diaphragma sel dimana pada proses ini menggunakan anoda dan katoda yang
dialiri arus DC (direct current / arus bolak balik) sebagai sumber energi, reaksi
utama yang terjadi yaitu :
Notasi sel
: Cl2, C NaCl
NaOH Fe, H2
+
anoda
- katoda
Reaksi sel :



Hasil samping dari proses diaphragma sel
berupa gas Cl2 dan gas H2 keluar dari
bagian atas diaphragma sel. Kemudian gas Cl2 akan diproses
lebih lanjut sedangkan NaOH yang keluar dari diaphragma sel dimasukkan
menuju evaporator untuk di pekatkan menjadi 50% NaOH, NaOH di evaporasi
menggunakan steam sehingga akan menghasilkan 50% NaOH.
Pada proses evaporator, Larutan sisa yang
tidak terbentuk menjadi 50% NaOH, diolah kembali untuk mendapatkan produk 70%
NaOH, dimana berlanjut pada proses centrifugasi dengan penambahan sisa
garam, kemudian di aduk pada tangki salurator sambil di murnikan dengan proses
penyaringan (filter) , setelah larutan murni, diletakkan pada tangki
konsentrasi (consentrat head feed tank) untuk mengatur kestabilan konsentrasi
pada larutan, setelah itu diteruskan menuju mercury sel, dengan terjadi
penambahan Hg, dimana pada proses ini terjadi reaksi :
Notasi sel Cl2, C
NaCl aq Na⁰
NaHg
+Anoda -
katoda
Reaksi sel





Setelah terjadi reaksi mercury sel menghasilkan gas samping yang berupa gas Cl2 yang
nanti akan diteruskan pada pembentukkan Cl2 liquid. Dan senyawa
NaHg yang akan diteruskan pada denuding tower (menara penguraian) dimana
terjadi pelepasan Hydrogen dan penambahan air, yang akan diolah dengan reaksi
yang terbentuk :

Pada reaksi ini terjadi pembentukkan NaOH
kembali, lalu dilakukan penyaringan dengan menggunakan filter press dimana akan
terbentuk produk 70% NaOH.
Pada proses hasil samping yang berupa Cl2 gas ( dari diaphagma
sel dan mercury sel) dimanfaatkan untuk membentuk Cl2 Liquid dengan
bantuan air yang kemudian dilanjutkan pada tempat tangki pengeringan, dimana
disini terjadi penambahan H2SO4 sebagai penyerap air
berlebih pada proses pengeringan, setelah Cl2 kering,
dibasahkan kembali dengan penambahan air dan kemudian di kompres dengan
kompresor dengan suhu -30 ⁰C, dimana akan didapat produk Cl2 yang
berupa cairan (liquid) yang dapat dimanfaatkan.
Produk yang dihasilkan dari industri khlor–alkali adalah gas khlor ( Cl2 ) dan soda
kostik ( NaOH ) secra bersama-sama, sebagai hasil dari penguaraian larutan
garam NaCl secara elektrolisa.
Permintaan akan
soda kostik tumbuh secara scepat pada Negara yang industrinya sedang berkembang
. Sedangkan perkembangan industri soda kostik secara keseluruhan ditentukan
oleh jumlah perimbangan produksi kedua bahan tersebut . karena gas khlor sangat
berbahaya apabila dibuang begitu saja, sehingga harus direncanakan dengan baik
masalah pemasaran kedua bahan tersebut.
Reaksi keseluruhan pembuatan soda kostik dan khlor :

Sebagai data tambahan :
Dasar produksi : 1 ton gas Cl2 , maka
NaCl : 1,3 ton
NaOh, 98% : 1,15 ton
H2 : 26 kg = 283 Nm3
6.4. Elektrolisa larutan NaCl
Proses elektrolisa
mempergunakan air laut sebagai bahan bakunya . dalam proses elektrolisa tersebut
khlorida diproduksi di anoda dan di
katoda harus dipisahkan agar tidak bercampur
kembali. Maka salah satu usaha adalah membuat suatu sel elektrolisa yang
mempu memisahkan bahan – bahan yang dimaksudkan
di atas yang dikenal dengan sel
diafragma .
Energi yang dipakai
pada proses sel elektrolisa air laut adalah hasil dari aliran arus dan potensil
dari sel . Secara teoritis tegangan yang
dibutuhkan untuk proses elektrolisa dapat diturunkan dari persamaan Gibbs-Helmholtz,
dimana digambarkan hubungan antara
energi listrik dan energi panas reaksi pada suatu sistim.
E = ( -
J Δ H/ nF ) + (
T dE/dT )
Dimana E :tegangan dekomposisi
Δ H :perubahan entalpi
J : ekivalensi listrik
T : temperature absolute
F ; konstanta Faraday
Panas reaksi untuk
elektrolisa garam dapat ditentukan dari panas pembentukan kompone-komponen dari reaksi keseluruhan atau
dari harga negatife perubahan panas
dalam sistim.
Reaksi keseluruhan :

Reaksi ini dapat dipecah menjadi beberapa reaksi pembentukan ,
sebagai berikut :



Didapatkan harga H
untuk keseluruhan reaksi = 53,4 kkal
jika H dimasuukan ke dalam persamaan
Gibbs –Helmholtz dan perubahan tegangan yang diakibatkan oleh perubahan temperatur yang diabaikan,
maka harga E setelah dihitung = 2,31 volt
Electrolisa
menggunakan Sel Diafragma
Diafragma yang dipergunakan
adalah jenis bahan yang mempunyai yang
mempunyai sifat permeabilitas dan diletakkan diantara anoda dan katoda. Sekat
tersebut akan menghalangi difusi dari produk.
Arus DC
dialirkan melalui sel agar supaya elektrolisa tercapai dan arahnya dari
anoda ke katoda yang berlawanan arah
dengan aliran electron.

6
3
8
4
5
.
Gambar 6.2: Sel elektrolisa dengan diafragma
Keterangan Gambar :
1. Anoda 5.
Katolit dan hidrogen
2. Katoda 6.
Umpan larutan garam
3. Diafragma 7. Gas khlor ( keluar )
4. Anolit dan Khlor 8.
Larutan soda kostik ( keluar )
9. Gas hidrogen
( keluar )
Reaksi yang terutama terjadi pada anoda :


Pada katoda :


Reaksi sel keseluruhan :

Potensial standar ion Cl - = 1,36 volt, dibandingkan dengan ion
hidroksil = 0,4 volt. Beberapa reaksi samping yang terjadi pada anoda
nmenyebabkan :
- pengotoran hasil
elektrolisa
- menurunkan
ketahanan anoda dan diafragma terhadap waktu
Apabila digunakan elektrolit grafit , maka reaksinya :

Gas khlor mempunyai kelarutan yang tertentu terhadap anolit dan
kesetimbangan dicapai dengan reaksi sebagai berikut :

Reaksi di atas akan menghasilkan asam dengan reaksi sebagai berikut
:


Reaksi pada sel dapat digambarkan sebagai berikut :


Removal of positive charge removal of negative charge
Catholyte become basic anolyte become acid
Pada katoda
evolusi dari hydrogen ekivalen dengan hilangnya
muatan positif maka katolit cenderung menjadi basa dan memperoleh muatan
negative. Pada anoda evolusi dari khlor
ekivalen dengan hilangnya muatan negative maka anolit akan menjadi asam dan
bermuatan positif.
Jika tak ada
pemisah antara larutan anoda dan katoda perbedaan keasaman dan perbedaan muatan
ini menyebabkan terjadinya difusi ion negative dari arah katoda ke anoda dan
difusi ion positif dari arah yang berlawanan, sehingga akan menjadi netral.
Larutan NaOH tetap
akan terjadi pada peristiwa di atas. Oleh karena itu dekat ( diafragma )
diperlukan agar supaya anolit tidak menjadi basa.
Dari persamaan (* )
kelarutan khlor menjadi lebih besar dalam larutan yang basa dan akan membentuk
natrium hipokhlorit yang akan berubah menjadi natrium hipokhlorat pada
temperature opersi di atas 400C . Untuk mengurangi difusi ion OH –
ke anoda , sebuah diafragma permeable akan memisahkan anolit dari katolit.
Diafragma tersebut akan memisahkan larutan alkali yang kuat dari asam lemah.
Diafragma merupakan
self regulating ( dapat mengalir
sendiri ) sebab sejumlah kecil dari difusi balik ( ion hidroksil dari katoda ke
anoda ) tergantung pada pH katolit dan pH anolit. Jika pH anolit naik difusi
balik akan berkurang aliran dari anoda ke katoda naik dan akan menurunkan pH
dari anolit ke harga normal ( semula ).
6.5 Efisiensi Sel
Dalam elektrolisa
larutan garam, tegangan dekomposisi secara teori dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan Gibbs-Helmholtz dari reaksi keseluruhan.
Tegangan dekomposisi secara teori pada umumnya adalah 2,25 volt
tegangan yang dibutuhkan sebenarnya 3,5 – 4,5 volt , jadi efisiensi sekitar 50
-60%
Efisiensi arus
bergantung pada antara lain :
Jenis
sel
Density
arus
Efisiensi arus
biasanya dihitung berdasarkan reaksi
katoda , untuk proses elektrolisa dengan larutan garam maka efisiensinya adalah
efisiensi arus dihitung berdasarkan
perbandingan jumlah soda kostik
atau perbandingan terhadap arus secara teori dengan arus yang sebenarnya.
η arus ( efisiensi arus ) = hasil
sesungguhnya / hasil reoritis ( seharusnya )
Untuk menghitung hasil teoritis :
Misal : arus x waktu = amper x detik = coulomb
Misal 1 grek ( gr
ekivalen ) ≈ 96500 coulomb
Jumlah arus yang digunakan 10.000 amper /jam
Grek / hasil teoritis = 10.000
amper x 1x 60 x 60 detik = …. …….grek
96500 coulomb/grek
Contoh perhitungan :
Proses elektrolisa
larutan garam menjadi NaOH yang menggunakan sel diafragma menghasilkan larutan
NaOH dengan kecepatan meninggalkan sel sebesar 35 lt/jam . Larutan hasil elektrolisa
ini dititrasi dengan HCl 0,1045 N, setiap 2 ml larutan NaOH masing-masing
memerlukan larutan HCl 0,1045 N sebesar 40,15 dan 40,48 ml. Pada elektrolisa
ini digunakan arus sebesar 2600 amper ( A ). Hitunglah efisiensi arus pada
proses ini ?
Penyelesaian soal :
Hasil analisis
titrasi dengan larutan HCl 0,1045N :
Setiap 2ml NaOH memerlukan
rata-rata= ( 40,15 + 40,48 ) ml HCl
2
=
40,315 ml HCl
Dengan menggunakan
rumus pengenceran V1 N1 = V2 N2
maka dapat ditentukan konsentrasi NaOH hasil elektrolisa
V1 x N1
= V2 x N2
2 ml x N1 = 40,315 ml x 0,1045 N
N1 =
2,1065 N ( grek / lt )
Ambil basis : 1 jam operasi
Dalam 1 lt hasil
ada 2,1065 grek, jadi dalam kecepatan 35 lt/jam ,maka ada :
35 x 2,1065
grek =
73,7275 grek ( hasil sesungguhnya )
Perhitungan arus yang dipakai pada proses elektrolisa :
Arus sebesar 2600 A
, dalam 1 jam operasi arus yang digunaka sebesar:
= 2600 Amp x 1 jam
= 2600 Amp x 3600
detik
= 9.360.000 Amp.
Detik = 9.360.000 coulomb
Jika 1grek ekivalen dengan 96500 coulomb , maka
=9.360.000 C /
96500 C/grek
= 96,9948 grek (
hasil teoritis )
Efisiensi arus = η arus = ( 73,7275 grek / 96,9948 grek )
x 100%
=
76,048 % ≈ 76%
6.6 Soal latihan / evaluasi untuk mahasiswa :
1.Apa yang akan terjadi jika larutan garam yang digunakan pada proses elektrolisa masih mengandung pengotor
?
2. Jelaskan usaha-usaha untuk memperbesar hasil pada proses
elektrolisa ?
3. Bagaimana bila terjadi kebocoran pada sel elektrolisa, apa yang
akan terjadi jelaskan ?
4.Sel diafragma dipakai
untuk mengelektrolisa larutan garam menjadi soda kostik ( api ). Kadar NaCl
dalam larutan umpan adalah 26% dan produk / hasil proses elektrolisa keluar sel
dengan kecepatan 36 lt/jam. Setelah dianalisa selain NaOH larutan masih
mengandung Na2CO3 0,14% , larutan tersebut dititrasi
dengan HCl 0,1045 N. Sebanyak 2ml larutan hasil ditritrasi dengan HCl dan ternyata memerlukan 40,15 ml dan 40,48 ml
larutan HCl.. Jika proses elektrolisa ini menggunakan aruis sebesar 2500 Amp
hitunglah efisiensi arus NaOH dan banyaknya arus yang hilang ?
Tidak ada komentar:
Posting Komentar