PEMBUATAN SERBUK TEMBAGA DENGAN PROSES PENGENDAPAN ELEKTROLISIS METODE LECTROREFINING

AbstrakSerbuk tembaga merupakan salah satu bahan logam yang dapat digunakan untuk membuat komponen otomotif dan elektronika, serbuk tembaga juga dapat difungsikan sebagai pengganti tinta dalam penggunaan printer tiga dimensi. Dalam teknologi metalurgi serbuk, proses pembuatan suatu komponen melalui tahapan mixing, compacting dan sintering, sedangkan proses pembuatan serbuk tembaga dapat dilakukan dengan beberapa cara, diantaranya proses penghancuran secara mekanik, proses atomisasi, proses reaksi kimia, serta proses elektrolisis. Tujuan penelitian ini adalah membuat serbuk tembaga dengan ukuran berkisar 325 mesh ~ 400 mesh Proses pembuatan serbuk tembaga dilakukan dengan menggunakan parameter temperature elektrolit , tegangan elektrolit, interval waktu pengendapan, serta jarak katoda anoda. Proses elektrolisis dilakukan dengan cara melarutkan anoda tembaga lempengan, kemudian mengendapkan serbuk tembaganya ke katoda (plat stainless steels 304) dalam tangki bermedia elektrolit tembaga sulfat (Cu SO4) dan asam sulfat (H2 SO4). Kemudian penentuan ukuran partikel serbuk tembaga digunakan peralatan uji ayak. Penelitian ini menghasilkan serbuk tembaga dengan ukuran mesh 325 mesh ~ 400 mesh, sedangkan efisiensi arus anoda sebesar 90 % serta efisiensi arus katoda sebesar 86 %.Kata kunci: proses elektrolisis, metode electrorefining, serbuk tembaga1.PendahuluanSerbuk tembaga merupakan salah satu bahan logam yang digunakan untuk membuat komponen otomotif, elektronika dan juga sebagai bahan untuk produk

cat

yang bersifat konduktip. Dalam industri otomotif dan elektronika, pembuatan komponen dari serbuk tembaga dilakukan dengan teknologi metalurgi serbuk, dimana proses metalurgi serbuk terdiri dari tahapan tahapan mixing, compacting dan sintering (Subagja dkk, 1996). Teknologi ini dianggap lebih menguntungkan daripada teknologi pengecoran, keunggulan tersebut adalah : komponen yang dihasilkan lebih presisi, lebih ringan, efisiensi pemakaian bahan lebih tinggi, konsumsi energi lebih rendah, dan mudah untuk memvariasikan unsur pemadu pada saat pembuatan paduan.

Mixing compacting sinteringGambar 1. Tahapan proses metalurgi serbuk (Colton, 2009)Terlebih lagi dalam menghadapi teknologi manufaktur masa depan, dimana penggunaan three dimensional (3D) printing merupakan salah satu proses dari rapid prototyping (RP) yang sangat cepat perkembangannya. Pada printer tiga dimensi ini fungsi tinta dapat digantikan oleh beragam serbuk, berbahan polimer, keramik, sejenis karet, hingga logam seperti tembaga (Yudhi, 2009). Bahkan pada pengembangan berikutnya mengkombinasikan dua material serbuk dalam suatu komponen yang responsif terhadap lingkungan maupun aspek fisik lainnya. Kondisi inilah yang menjadi dasar untuk memformulasikan produk-produk smart material (material cerdas), contohnya pembuatan blade propeller yang geometrinya bisa berubah tergantung pada stimulasi lingkungan seperti temperature maupun parameter lainnya (Widyanto, 2008). Dari berbagai penelitian yang telah dilakukan oleh para ahli untuk pengembangan multimaterial rapid prototyping (RP), ditemukanlah mekanisme pendeposisi serbuk multi-material, konsep ini bernama sinter-deposisi multi material (MMD-Is), dimana salah satu teknik penyinteran serbuknya menggunakan energy laser untuk mengikatkan antar dua jenis partikel serbuk yang berbeda, seperti partikel tembaga (Cu) dan Nikel (Ni). Perilaku sinter dua jenis partikel serbuk dengan komposisi berbeda dapat bervariasi tergantung pada formasi larutan padat (kondisi sinter) yang berlaku khusus untuk tiap jenis material serbuknya (Widyanto, 2008).

Gambar 2. Skema rapid prototyping denganproses 3D printing (Yudhi. 2009)Sedangkan pembuatan serbuk tembaga dapat dilakukan dengan beberapa cara diantaranya adalah dengan: proses penghancuran secara mekanik, proses atomisasi, proses reaksi kimia, maupun proses pengendapan elektrolisis. Tujuan dilaksanakannya penelitian ini untuk membuat serbuk tembaga dengan menggunakan proses pengendapan elektrolisis metode electrorefining. Metode ini mempunyai keuntungan sebagai berikut: kondisi prosesnya fleksibel, penggunaan temperaturnya rendah, dan dapat menghasilkan partikel serbuk hingga 40 m, serta dapat mencapai 99,97 % ~ 99,99% tembaga murni (Popov dkk, 2002).

2.Tinjauan PustakaKemajuan teknologi dalam proses manufaktur merupakan kunci dari keberhasilan produk diterima oleh konsumen. Secara teknis, geometri produk manufaktur semakin beragam, kondisi inilah yang mendorong lahirnya proses baru seperti teknologi powder metallurgy (PM), bahkan penerapan teknologi rapid prototyping (RP) dalam proses produksi telah memberikan umpan balik terhadap penggunaan bentuk bahan baku dari teknologi powder metallurgy maupun rapid prototyping, yaitu berupa serbuk, bahkan bahan baku serbuk telah banyak diproduksi secara komersial. Faktor penting yang tidak bisa dipisahkan dari masalah serbuk adalah penentuan karakteristiknya, serbuk yang dihasilkan dari proses elektrolisis dengan metode electrorefining memilki bentuk permukaan kasar, dendritik. Untuk menghasilkan serbuk yang lebih halus maka periode penyerutan serbuk perlu dipercepat, karena dalam metode electrorefining, serbuk adalah hasil suatu pengintian dari anoda yang mana semakin lama waktu yang diendapkan maka serbuknya semakin besar. Hal tersebut telah dilakukan pada penelitian Percobaan Pembuatan Serbuk Tembaga Dalam Skala Pilot Plant, hasil penggukuran distribusi partikel dengan analisa ayakan mendapatkan ukuran rata-rata lebih besar dari 100 mesh, sedangkan serbuk lainnya mempunyai ukuran rata-rata lebih kecil 325 mesh (Subagja dkk, 1996). Pembuatan serbuk metode electrorefining sekaligus dapat menghasilkan serbuk dengan kemurnian tinggi (German, 1994 ; Hari, 1999; Upadhyaya, 2002 ; Oxtoby, 2003), sehingga sangat baik dalam mendukung industry elektronika khususnya dalam pembuatan kabel lstrik. Adapun parameter-parameter yang mempengaruhi hasil endapan serbuk antara lain, konsentrasi elektrolit, temperature elektrolit, rapat arus, kecepatan sirkulasi elektrolit, tegangan elektrolit. Produksi serbuk tembaga dengan proses pengendapan elektrolisis metode electrorefining mempunyai keuntungan sebagai berikut : kondisi proses fleksibel, kemurnian serbuknya tinggi, temperatur relatif rendah, prosesnya murah. Meskipun ada kekurangannya, yaitu butuh energi listrik besar, perlu material elektroda yang khusus (Huenert, 2005).

2.1.Proses Deposisi Elektrolisis MetodeElectrorefiningProses deposisi elektrolisis merupakan cara yang banyak digunakan secara luas dalam pembuatan serbuk tembaga, berilium, besi, serta nikel. Kesesuaian antara material kimia dengan kondisi fisik selama elektrodeposisi memungkinkan untuk melonggarkan endapan yang menempel pada katoda, sehingga mudah untuk diserut menjadi serbuk. Metoda ini pula dapat menghasilkan serbuk logam dengan kemurnian tinggi sehingga sangat baik untuk pengolahan metalurgi serbuk industry elektronika. Proses elektrolisis pembuatan serbuk tembaga mirip dengan proses elektrolisis pemurnian tembaga, dimana logam mentah tembaga, dicetak menjadi lempengan, yang digunakan sebagai anoda dalam sel elektrolisis yang mengandung larutan Cu SO4 dalam H2SO4 berair. Selama proses elektrolis tersebut unsur Bi, Sb dan As yang dibuang dengan cara regenerasi, sementara lumpur anodik dibuang dari sel elektrokimia dan dipindahkan untuk diproses lebih lanjut. Penting untuk diperhatikankan bahwa proses lanjut lumpur anoda memerlukan biaya yang paling tinggi dari semua biaya electrorefining. Seperti yang dijelaskan sebelumnya, tembaga hasil electrorefining adalah sebuah proses elektrolis dengan larutan anoda dan secara teori komposisi elektrolit seharusnya tidak berubah selama proses. Akan tetapi, pada sistem yang sebenarnya beberapa komposisi benar-benar berubah. Yang pertama, konsentrasi elektrolit asam selama melarutkan sejumlah tembaga anodik terjadi penurunan oksigen.

3.Metode Penelitian3.1.Bahan PenelitianBahan baku yang digunakan untuk dibuat serbuk dalam penelitian ini adalah lempengan tembaga dengan ukuran 200 mm x 150 mm x 8 mm, yang berfungsi sebagai anoda, sedangkan bahan katoda dari plat stainless steel 304. Media elektrolit yang digunakan larutan

tembaga sulfat CuSO4 dan larutan asam sulfat H2SO4. Sedangkan hasil dari pembuatan serbuk tembaga dianalisa untuk menentukan ukuran partikel serbuk dengan peralatan uji ayakan (sieve analysis mesh).

3.2.Peralatan PenelitianPeralatan yang digunakan dalam penelitian adalah satu perangkat sel elektrolisis, terdiri dari :

a. Bak pemroses, bahan PVC (360 x 210 x 200 mm)

b. Bak pemanas, bahan PVC (270 x 270 x 460 mm )

c. Bak penampung, bahan PVC (320 x 210 x 200 mm)

d. Katoda bahan stainless steel 304, (200 x 150 x 3 mm)

e. Anoda bahan tembaga, (200 x 150 x 8 mm)

f. Quartz heater (220 volt,1 Kw, 400 L, 2 p)

g. Power supply (50 A, 30 volt)

h. Circuit breaker (merk Domae, 3. P.C.4 OA)

i. Thermo-controller (merk IL-80 EN, 110 volt / 220 volt, 4000 C)

j. Multimeter merk Sanwa SP 10 D dengan ketelitian 0,005 Ampere.

k. Stopwatch.l. Termometer.

m. Neraca analitik untuk menimbang hasil serbuk tembaga.

3.3.Prosedur Pembuatan Serbuk Tembagaa.Persiapkan peralatan proses elektrolisis metode electrorefining.b. Persiapkan elektroda, jarak antara anoda dengan katoda, 30 mm (percb. 1)

c. Masukkan larutan tembaga sulfat CuSO4 dan larutan asam sulfat H2SO4 ke dalam (bak pemanas 25 % CuSO4 dan 120 % H2SO4).

d. Atur quartz heater pada temperatur 500 C (percobaan 1).

e. Masukan larutan ke bak sel elektrolisis, dengan membuka kran pipa.

f. Atur tegangan larutan melalui powersupply pada 2 volt

(percobaan 1).

g. Lakukan proses elektrolisis pada kondisi dan waktu yang telah ditentukan (percobaan 1 selama 20 menit).

h. Ambil/angkat katoda dari bak sel elektrolisis.

i. Lakukan penyerutan serbuk tembaga yang mengendap pada katoda setelah20 menit, masuk ke gelas penampung.

j. Lakukan penyerutan untuk katoda ke 2, 3, 4, masuk ke gelas penampung

k. Lakukan penyaringan serbuk basah.

l. Masukkan ke pengering, kemudian

panaskan sambil disemprot gas nitrogen m. Lakukan penggerusan bongkahan serbuk, hingga menjadi serbuk tembaga

4.Hasil dan Pembahasan4.1.Hasil Pengukuran Efisiensi Arus AnodaPengukuran efisiensi arus di anoda dilakukan dengan cara menimbang berat anoda tembaga untuk setiap interval waktu tertentu. Selisih berat antara waktu kemudian dibandingkan dengan berat tembaga yang seharusnya terlarut dari anoda secara teoritis.

4.2.Hasil Pengukuran Effisien Arus KatodaPengukuran efisiensi arus katoda dilakukan dengan cara menimbang berat serbuk tembaga yang dihasilkan selama proses, kemudian menentukan kadar airnya. Berat kering serbuk tembaga ditetapkan dari selisih berat serbuk basah dengan jumlah air yang terkadung didalam serbuk basah. Efisiensi arus katoda ditetapkan dengan cara membandingkan berat serbuk tembaga kering dengan berat serbuk tembaga yang seharusnya terbentuk pada katoda secara teoritis.

5.KesimpulanKesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian adalah menghasilkan satu set peralatan elektrolisis metode electrorefiningyang dapat digunakan untuk memproduksi serbuk tembaga. Hasil eksperimen pembuatan serbuk tembaga, diperoleh mesh serbuk

tembaga berkisar 325 mesh ~ 400 mesh, sedangkan efisiensi arus anoda sebesar 90 % serta efisiensi arus katoda sebesar 87 %.