-
Hanifah Nur Azizah 13/348290/TK/40870
PROSES PEMBUATAN SODA API (NaOH)
Bahan baku utama yang digunakan dalam proses pembuatan NaOH
adalah sebagai berikut : Larutan garam NaCl Air Na2CO3 Listrik
Selain itu, ada bahan samping untuk pembuatan NaOH yaitu : Asam
sulfat (H2SO4) Merkuri (Hg)
Ada bermacam macam proses pembuatan NaOH dari NaCl, antara lain:
1. Sel Diafragma 2. Sel Merkuri 3. Sel Membran
URAIAN PROSES
Sebelum dimasukkan ke dalam sel elektrolisis, air garam terlebih
dahulu harus melalui proses pemurnian karena mengandung pengotor
seperti senyawa-senyawa kalsium, besi, dan magnesium. Pemisahan
pengotor dapat dilakukan dengan menggunakan resin penukar ion. Akan
tetapi, proses ini memerlukan biaya yang besar untuk pembelian dan
regenerasi resin.Oleh karena itu digunakan senyawa kimia yaitu
Na2CO3 yang lebih murah. Pada sel membran dilakukan pengolahan
tambahan dengan fosfat. Tahap-tahapnya adalah sebagai berikut. 1.
Pengendapan
Tahap awal dari pemurnian air garam adalah pengendapan kalsium
dan ion magnesium sebagai kalsium karbonat (CaCO3) dan magnesium
hidroksida (Mg(OH)2)dengan menggunakan natrium karbonat dan natrium
hidroksida. Logam (besi, titanium, molibdenum, nikel, kromium,
vanadium, tungsten) juga dapat diendapkan sebagai hidroksida.
2. Penyaringan Pengotor yang berupa endapan dihilangkan dengan
sedimentasi, filtrasi, atau
kombinasi dari keduanya. Air garam murni harus mengandung
idealnya [Ullmann, 1996]: Ca:
-
a. Proses Elektrolisis dengan Sel Diafragma Pada tahun 1890-an,
suatu proses baru untuk produksi soda kaustik dan klorin
dikembangkan dan penggunaannya berkembang dengan cepat,yaitu
pembuatan natrium hidroksida dan klorin dari larutan garam secara
elektrolisis. Soda kaustik dan klorin dapat bereaksi membentuk
natrium hipoklorit (NaClO), dengan reaksi lebih lanjut untuk
menghasilkan natrium klorat (NaClO3) pada temperatur operasi diatas
400C. Untuk mencegah hal tersebut, maka ruang katode dan anode
dipisahkan menggunakan sekat yang disebut diafragma, sehingga sel
ini dinamakan sel diafragma (Gambar 1). Teknik utama untuk
elektrolisis di Amerika Serikat ialah sel diafragma.
Sel diafragma juga menjaga bercampurnya gas hydrogen dan gas
klor, karena kedua gas tersebut dapat menyebabkan terjadinya
ledakan apabila bercampur. Sel diafragma terbuat dari suatu selaput
berpori yang dapat dilalui ion-ion, namun tetap dapat menahan
percampuran produk.
Sel diafragma yang lama menggunakan anode grafit dan katode
berupa kotak baja dengan sisi yang berpori. Apabila digunakan
elektrode grafit, maka akan terjadi reaksi berikut. C(s) + 4
OH-(aq)CO2(g) + 2 H2O(l) + 4e- Dengan demikian, anoda harus diganti
secara rutin.
Diafragma terbuat dari bahan yang mempunyai sifat permeabilitas,
seperti asbes atau fluorocarbon yang ditempatkan pada selaput
berpori. Awalnya, diafragma yang digunakan terbuat dari asbes.
Diafragma itu kemudian tersumbat karena pemakaian dan ini akan
terlihat dari penurunan voltase. Diafragma itu harus diganti secara
berkala. Sel yang menggunakan anode yang terbuat dari titanium yang
dilapisi platinum, ruthenium, iridium jarang menyebabkan diafragma
tersumbat sehingga sel dapat beroperasi selama 12-24 bulan tanpa
pergantian diafragma.
Pada pertengahan tahun 1980-an, dikembangkan diafragma yang
bebas dari asbes, yaitu polimer fluorocarbon, terutama PTFE
(politetrafluoroetilena). Diharapkan bahwa diafragma yang
dikembangkan tersebut dapat memperpanjang umur pemakaian diafragma
dan dapat mengatasi keberatan para pencinta lingkungan mengenai
adanya kemungkinan asbes yang masuk ke lingkungan.
Gambar 1 Sel Diafragma
-
Pada elektrolisis dengan menggunakan sel diafragma, arus DC
dialirkan melalui sel agar elektrolisa larutan natrium klorida dan
arahnya dari anoda ke katoda, yang berlawanan arah dengan aliran
electron. Reaksi terutama yang terjadi pada anode 2Cl-(aq)Cl2(g) +
2e- Eooks = - 1,36 V 2 H2O(l) O2(g) + 4H+(aq) + 4e- Eooks = - 1,23
V Dan reaksi di katode 2 H2O (l) + 2e-H2(g) + 2OH- (aq) Eored = -
0,83 V 2Na+ (aq) + 2e- 2Na (s) Eored = - 2,71 V
Dari harga potensial reduksi di atas, reaksi keseluruhan yang
terjadi di katode dan anode: Oksidasi : 2 Cl- (aq) Cl2 (g) + 2 e-
Eooks = - 1,36 V
Reduksi : 2 H2O (l) + 2 e-H2 (g) + 2 OH- (aq) Eored = - 0,83 V 2
NaCl(aq) + 2 H2O(aq) H2(g)+ Cl2(g) + 2 NaOH(aq) Eosel = - 2,19
V
Dalam sel diafragma, perhatikan bahwa permukaan larutan sengaja
dibuat lebih
tinggi dalam kompartemen anode dari pada dalam katode. Hal ini
bertujuan untuk meminimumkan migrasi OH- melalui diafragma ke
anode, dimana ion tersebut dapat bereaksi dengan klorin yang sedang
dihasilkan atau klorin akan mengalami disproporsionasi dalam
keadaan basa. Dalam larutan alkali, Cl2 akan terdisproporsionasi
menghasilkan ClO dan Cl. Cl2 + OH-ClO- + Cl-+ H+
Pada sel diafragma, hasil dari ruangan katode merupakan suatu
campuran, yaitu 10 -12% NaOH dan 14-16% NaCl (aq). Untuk
pengiriman, larutan ini perlu dipekatkan terlebih dahulu, biasanya
sampai 50% dan ini menelan banyak energi, biarpun menggunakan
evaporator efek ganda. Untuk menghasilkan 1 ton kaustik 50% air
yang harus diuapkan mecapai 2600 kg. Walaupun garam tidak terlalu
larut dalam larutan kaustik, ion klorida yang masih tertinggal
sedikit itu tidak dapat diterima bagi industri pemakainya (seperti
industri dalam pembuatan rayon). Natrium klorat juga merupakan
masalah jika kaustik itu hendak digunakan pada pembuatan gliserin,
natrium sulfat, natrium hidrosulfat, dan bahan kimia lainnya.
Larutan dari ruangan katode dipekatkan dengan penguapan air agar
konsentrasi NaOH bertambah dan pemurnian NaOH dilakukan dengan
pengkristalan NaCl (p). Hasil akhir dalam proses klor alkali
tersebut adalah 50% NaOH (aq) dengan sekitar 1% NaCl berupa
pengotoran. Cl2 (g) dapat mengandung sekitar 1,5% O2 (g) disebabkan
proses oksidasi.
Hukum kimia mensyaratkan bahwa setiap mol klorin yang dihasilkan
melalui elektrolisis larutan garam diiringi dengan dua mol natrium
hidroksida. Karena kebutuhan akan kedua produk tidak beribang
secara deal, maka harga kedua komoditas ini berfluktuasi. Suatu
produk samping dari reaksi ini adalah hidrogen. Hidrogen dapat
-
bereaksi langsung dengan klorin menghasilkan hidrogen klorida
gas dengan kemurnian tinggi. Selain itu, hidrogen dapat direaksikan
dengan nitrogen menghasilkan ammonia.
b. Proses Elektrolisis dengan Sel Merkuri
-
Suatu proses elektrolisis dalam industri klor-alkali yang
menghasilkan NaOH (aq) dengan kemurnian yang lebih tinggi
dibandingkan dengan sel diafragma adalah sel merkuri. Dalam
elektrosis tersebut, anodenya terbuat dari grafit atau titanium,
tetapikatodenya adalah kolam aliran raksa (merkuri). Katode merkuri
mempunyai overpotensial yang lebih tinggi untuk mereduksi H2O
menjadi OH- menjadi H2(g).Reduksi yang terjadi adalah Na+ (aq)
menjadi Na(l) yang larut dalam merkuri membentuk suatu amalgam
(paduan raksa natrium) berupa 0,5% Na. Ion Cl- yang berasal dari
larutan garam NaCl mengalami oksidasi di anoda menghasilkan gas
Cl2. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : Katode : 2Na+(aq)
+ 2e-2Na(l) (dalam Hg) Anode : 2Cl-(aq) Cl2(g)+ 2e-
NaHg masuk ke dalam denuder. Denuder adalah bejana berbentuk
silindris diisi dengan bola-bola grafitdiimpregnasi dengan logam
transisi (seperti Fe atau Ni). Di dalam denuder ditambahkan air,
kemudian natrium almagam mengalami hidrolisis. Reaksinya adalah
sebagai berikut : 2Na(l) (dalam Hg)+ 2H2O H2(g) + 2NaOH (aq) +
Hg(l) Hg(l) yang dihasilkan kemudian dikembalikan lagi ke dalam sel
elektrolisis. Bila untuk proses tersebut digunakan air dalam jumlah
yang tepat, maka hasilnya ialah NaOH 50% dengan kandungan garam
yang sangat rendah (30 ppm).
Sel merkuri kiranya banyak member keuntungan daripada sel
diafragma, terutama
karena dapat menghasilkan NaOH dengan kemurnian tinggi tanpa
prosedur lanjutan yang terlalu banyak. Satu kerugian yang penting
adalah bhwa sel merkuri memerlukan voltase yang lebih tinggi
(kira-kira 4,5 V) dibandingkan sel diafragma dan juga memerlukan
energi listrik yang cukup banyak, yaitu sekitar 3100 kWh/ton Cl2
dalam sebuah sel merkuri, dibandingkan dengan 2700 kWh dalam sel
diafragma. Kerugian lain yang cukup serius dari sel merkuri ini
adalah perlunya pengendalian limbah merkuri ke lingkungan. Sebelum
adanya pengaturan lingkungan, dilaporkan kehilangan merkuri sekitar
200 g Hg tiap metric ton Cl2yang diproduksi. Dewasa ini kehilangan
merkuri ini
Gambar 2. Sel Raksa
-
dibatasi sampai 0,28 g Hg tiap metric ton Cl2 dalam pabrik lama
dan setengah dari jumlah ini dalam pabrik baru. Sekitar 25% dari
produksi klor-alkali di Amerika Serikat dibuat melalui proses sel
merkuri, tetapi preentase ini kelihatannya tidak akan meningkat
sebab kesulitan dalam hal pengendalian limbah merkuri.
c. Proses Elektrolisis dengan Sel Membran
Membran pertukaran ion pertama kali dikembangkan pada awal
1970-an oleh Du
Pont (Nafion), diikuti oleh Asahi Glass (Flemion).Proses
elektrolisis larutan garam (brine) dengan menggunakan sel membran
merupakan teknologi termodern dalam industri klor alkali. Beberapa
jenis polimer dikembangkan untuk digunakan sebagai membran dalam
industri tersebut. Du Pont mengembangkan polimer asam
perfluorosulfonat (Nafion), sedangkan Ashai menggunakan membran
berlapis banyak yang terdiri dari polimer asam perfluorosulfonat
yang dilapisi pada satu sisinya dengan polimer asam
perfluorokarboksilat.Untuk memberikan kekuatan mekanik membran,
membran umumnya diperkuat dengan PTFE
(polytetrafluoroethylene)serat.
Dalam sel membran tersebut, ruang anoda dan ruang katoda
dipisahkan oleh suatu membran yang dapat dilalui oleh kation (ion
positif) atau disebut juga membran penukar kation.Membran penukar
kation tersebut memiliki peranan penting yaitumenjadi media yang
memungkinkan terjadinya perpindahan ion-ion natrium (Na+) dari
ruang anoda ke ruang katoda. Namun, membran tersebut mencegah
mengalirnya ion Cl-ke ruang katoda dan mencegah sebagian besar ion
OH- ke ruang anoda sehingga soda kostik yang dihasilkan tidak
bercampur dengan larutan garam.
-
Sel membran beroperasi dengan menggunakan larutan garam yang
lebih pekat dan menghasilkan produk yang lebih murni dan lebih
pekat (28% NaOH yang mengandung 50 ppm NaCl; dan produk dengan 40%
NaOH pun akhir-akhir ini dikabarkan ada).Larutan garam natrium
klorida jenuh yang mengandung ion-ion Na+ and Cldialirkan ke dalam
ruang anoda, sedangkan pada ruang katoda diisi air murni.Suatu arus
searah (DC) kemudian dialirkan melalui sel tersebut.
Gambar 3. Sel Membran
Pada anoda, ion-ion klorida (Cl) dalam larutan garam (NaCl)
mengalami oksidasi menjadi gas klorin (Cl2), sedangkan pada katoda
ion-ion hydrogen (H+) dalam air mengalami reduksi menjadi gas
hydrogen (H2). Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut : Katode
: 2 H+ + 2 e H2 (g) Anode : 2Cl- Cl2+ 2e-
Selanjutnya, ion-ion natrium (Na+) yang berpindah dari anoda ke
katoda bereaksi dengan ion-ion hidroksida (OH) menghasilkan soda
api (NaOH) dengan konsentrasi 32-35%. Untuk mencapai konsentrasi
soda api 50%, larutan kaustik yang diproduksi harus dipekatkan
dengan penguapan (terkonsentrasi di vaporizer). Reaksi elektrolisis
larutan garam (NaCl) secara keseluruhan dapat dituliskan sebagai
berikut:
2NaCl + 2H2O 2NaOH+Cl2 + H2
Karena gas klorin (Cl2) bersifat korosif, anoda harus dibuat
dari logam yang tidak reaktif seperti titanium, sementara katoda
dapat dibuat dari nikel.
Proses pemurnian NaOH Evaporasi dan Pemisahan Garam
Pada sel diafragma, dihasilkan 11% NaOH dan 15% NaCl. Untuk
pengiriman, larutan tersebut perlu dipekatkan terlebih dahulu di
dalam evaporator efek berganda yang
-
tabung-tabungnya terbuat dari nikel. Sebagian besar garam itu
terkristalisasi ke luar dan dapat dipisahkan untuk kemudian
didaur-ulangkan. Hasil akhir dari proses klor-alkali ini adalah 50%
NaOH(aq) dengan sekitar 1% NaCl berupa pengotor. Bila kandungan
NaCl sebesar 1% tidak menjadi masalah, larutan 50% ini dapat
langsung dikirim sebagai produk dengan kepekatan komersial standar.
Sel membran menghasilkan kaustik yang jauh lebih pekat dibandingkan
sel diafragma (28%-40%), sedangkan kandungan klornya sedikit
sehingga produk ini tidak banyak memerlukan evaporasi dan perlakuan
lain. Demikian pula untuk sel merkuri, tidak diperlukan evaporasi
untuk membuat produk dengan konsentrasi 50%.
Dalam proses sel merkuri, kaustik soda 50% yang diperoleh
langsung dari dekomposer/denuder biasanya dipompa ke menara
pendingin, kemudian menuju sistem pembuangan merkuri dan kemudian
menuju ke bagian penyimpanan akhir. Dalam beberapa kasus kaustik
dipanaskan sebelum filtrasi. Metode yang paling umum untuk
menghilangkan merkuri dari soda kaustik adalah pelat (atau daun)
filter dengan precoat karbon. Dalam kondisi normal, merkuri-sel
kaustik soda (NaOH sebagai 100%) mengandung 20-100 ppm natrium
klorida dan 40-60 g Hg / kg NaOH.
Evaporasi Akhir Kaustik 50% yamg sudah didinginkan dan
diendapkan atau kaustik yang telah
dimurnikan secara khusus dapat dipekatkan dengan menggunakan
evaporator akhir efek-tunggal agar menjadi NaOH 70 sampai 75%
dengan menggunakan uap bertekanan 500 sampai 600 kPa. Kaustik yang
sangat pekat ini harus ditangani dengan pipa yang dipanasi dengan
pipa uap agar tidak mengalami pembekuan.Larutan itu lalu diteruskan
ke periuk penyelesaian.
Penyelesaian Kaustik dalam Periuk
Gambar 4. Skema Konversi Kimia pada Industri Klor-Alkali
-
Walaupun penyelesaian kaustik 50% itu dulu dilakukan di dalam
periuk-periuk besi tuang dengan menggunakan pemanasan langsung,
efisiensi kalornya cukup rendah sehingga dewasa ini cara ini
dilakukan hanya untuk kaustik 70 sampai 75% saja. Suhu akhirnya
adalah 5000C sampai 6000C dan ini menguapkan airnya sampai
kira-kira 1% yang tertinggal.Periuk-periuk besi ini sekarang
digantikan dengan evaporator.Cara ini juga untuk konsentrasi di
atas 50%.Kaustik anhidro yang panas itu diolah dengan belerang agar
kandungan besinya mengendap dan keluar.Produk ini dipompakan dengan
pompasentrifugal yang menyalurkan bahan meleleh itu ke dalam
drum-drum baja yang dapat menampung 320 kg atau ke dalam mesin
penyerpih.
Pemurnian kaustik secara Khusus Pengotor yang tidak dikehendaki
dalam kaustik 50% adalah besi klorida, NaCl,
dan NaClO3.Penyingkiran besi-besi biasanya dilakukan dengan
mengolah kaustik itu dengan 1% berat serbuk kalsium karbonat dan
menyaring campuran yang dihasilkan. Klorida dan klorat dikeluarkan
dengan meneteskan kaustik 50% itu ke dalam kolom larutan ammonia
50%. Pengolahan ini menghasilkan kaustik yang hampir bebas sama
sekali dari klorida dan klorat seperti yang dihasilkan dari proses
raksa.(Gambar 4).
Perbedaan Antara Ketiga Macam Sel Elektrolisis Merkuri Diafragma
Membran Kualitas dari soda kaustik
Tinggi, hanya mengandung
-
Keunggulan dan kelemahan dari masing masing proses adalah
sebagai berikut: 1. Sel Diafragma
Sel diafragma memiliki keunggulan antara lain : Beroperasi pada
tegangan yang lebih rendah dibandingkan sel merkuri Dapat
beroperasi dengan air garam kurang murni daripada yang dibutuhkan
oleh
sel membrane Sel diafragma memiliki kelemahan yaitu bila
menggunakan diafragma asbes, proses diafragma pada dasarnya
menimbulkan masalah lingkungan. Asbes merupakan bahan beracun,
menyebabkan kanker paru-paru dan asbestosis, dan tumor ganas pada
paru-paru.
2. Sel Merkuri Sel merkuri memiliki keunggulan yaitu
menghasilkan NaOH pekat dengan kemurnian tinggi sehingga tidak
memerlukan prosedur lanjutan lebih banyak. Adapun kelemahannya sel
merkuri antara lain : Sel merkuri memerlukan voltase yang lebih
tinggi (kira-kira 4,5 V) dibandingkan
sel diafragma (3,5 V) dan juga menggunakan energi listrik yang
cukup banyak, yaitu sekitar 3100 kWh/t (kilo Watt tons per metric
ton) dibandingkan dengan 2700 kWh/t dalam sel diafragma.
Merkuri mempunyai dampak negatif terhadap lingkungan. Tragedi
yang dikenal dengan Minamata Disease (penyakit Minamata),
berdasarkan penelitian ditemukan penduduk di sekitar kawasan
tersebutmemakan ikan yang berasal dari laut sekitar Teluk Minamata
yangmengandung merkuri yang berasal dari buangan sisa industri
plastik. Gejala keanehan mental dan cacat saraf mulai
tampakterutama pada anak-anak.Semua komponen merkuri baik dalam
bentuk metil dan bentuk alkil yangmasuk ke dalam tubuh manusia
secara terus menerus akanmenyebabkan kerusakan permanen pada otak,
hati, dan ginjal.
3. Sel Membran Sel membran memiliki keunggulan antara lain :
Dapat memproduksi larutan soda kaustik murni dan menggunakan
listrik kurang dari proses lainnya (2200-2500 kWh/t).
Proses membran tidak menggunakan bahan yang sangat beracun
seperti merkuri dan asbes.
Sel membran memiliki kelemahan yaitu : Air garam memasuki sel
membran harus dengan kemurnian sangat tinggi sehingga sering
membutuhkan langkah pemurnian mahal tambahan sebelum
elektrolisis.
Daftar Pustaka
https://heruagungsaputra.files.wordpress.com/2013/07/industri-klor-alkali.docx
diakses pada 21 Maret 2015 pukul 19.55 WIB
http://en.wikipedia.org/wiki/Chloralkali_process diakses pada 21
Maret 2015 pukul 20.01 WIB