Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi /IISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

PENGARUH TEMPERATUR DAN PENAMBAHANNa2CO3 TERHADAP PROSES PELEPASAN lKATAN KIMIA

SiOrAI203 DALAM PASIR KUARSA-S 3-6

Eko Sulistiyono daD Djusman SajutiPuslitbang Metalurgi -LIPI

ABSTRAK

PENGARUH TEMPERATUR DAN PENAMBAHAN Na2CO3 TERHADAP PROSES PELEPASAN lKATAN

KIMlA SiO2.A~O3 DALAM PASIR KUARSA. Telah dilakukan percobaan pelepasan ikatan kimia antara AI2O) dan SiO2 pada

pasir kuarsa dari daerah Pantai Bedagai (Sumatera Utara), sebagai suatu langkah awal dari penelitian pembuatan mineral silika

sintetis dari sumber daya mineral domestik. Tujuan penelitian adalah membuat silika murni dari pasir kuarsa dengan proses basah,

untuk bahan baku industri kimia berbasis white carbon sebagai substitusi impor. Hasil penelitian terbaik dicapai pada kondisi

penambahan 60 % berat natrium karbon at, temperatur roasting 11 OOoC, dalam dua tahap pencucian yang dilakukan dengan HCI

2 N selama 5jam. Produk yang diperoleh berupa silika murni berkadar SiO2 89,20 % dengan kandungan komponen pengotor TiO2

0,01 %. Fe2O) 0,06 %, LO! 10,73 %, dan praktis telah bersih dari komponen A12O), CaO, Na20, dan ~O. Produk dengan

komposisi demikian sesuai untuk bahan baku industri kimia pertanian, cat, tinta cetak, plastik, kertas, pasta gigi, obat-obatan, dan

kosmetik.

ABSTRACTEFFECT OF TEMPERATURE AND Na2CO3 ADDITION ON THE BREAKING OFTHE SiO2-A~O3 CHEMICAL

BOND IN THE STRUCTURE OF QUARTZ SAND. The experiments for breaking the chemical bond between AI o and SiO2 3 2

in the structure of quartz sand from Pantai Bedagai areas have been carried out, as a preliminary stage of synthetic silicasproductIon from domestic minerals. The aimed of the investigation was making pure silicas from quartz sand by wet process fo'chemical industries raw material as an import substitution. The best result has been obtained is pure silicas with 89.20 % SiO ,0.01 % TiO2' 0.06 % FeP3' 10.73 % LOI, and practice free of AI2O3' CaO, Na20, and K20 components. This produ~tcomposition has in the market specification for the some products which can be used for agricultural chemical, paints, printinginks, plastics, paper, toothpaste, medicines, and cosmetics. The process conditions to achieve it are 60 % additional weight ofNa2CO" roasting temperature of 1,100 °C and through two steps of washing by 2 N HCI for 5 hours.

PENDAHULUAN Tabel 1 : Data impor produk pasir kuarsa Tabun 1994

Data daTi Departemen Pertambangan daD Energi[ 1-3 J menunjukkan jumlah produksi pasir kuarsa yangdipasa!kan di dalam negeri cenderung meningkat daritabunketabun(1989: 167.200 too, 1991: 190.500too,dan1993: 300.000 ton). Sampai saat ini pemanfaatannya untukpabrik semen portland (77,80 %), botol pecah belah ( 10,90%), kaca lembaran (9,10 %), daD bahan refraktori (2,20%). Produsen utama pasir kuarsa tersebut adalah daerah

Belitung/Bangka.Penggunaan pasir kuarsa tidak hanya terbatas

untuk kepentingan tersebut namun dapat dimanfaatkanpada berbagai keperluan lain misalnya sebagai bahanbaku proses peleburan reduksi yang menghasilkansilikon metalurgi, pasir cetak, daD white carbon. Sampaisaat ini bahan baku industri tersebut umumnya belumdapat dihasilkan dari sumber daya mineral kuarsa yangada di Indonesia, daD kebanyakan masih tergantung daTiimpor. Menurut data statistik tabun 1994 [ 4 J , total imporproduk pasir kuarsa telah mencapai 35 juta US$.

Sumber daya pasir kuarsa alam di Indonesia cukupmelimpah. Di daerah Kalimantan saja, jumlah cadangan

tidak kurnng dari satu miliar ton yang masih membutuhkanpeningkatan mutu. Untuk diversifikasi pemanfaatan pasirkuarsa ill agar dapat memberikan nilai tarnbah makadiperlukan upaya untuk mengubah pasir kuarsa menjadibeberapa produk barn yang memenuhi persyaratantertentu, daD umurnnya memerlukan kemurnian SiO2 diatas 98 %.

Kadar silika dari pasir kuarsa yang ada diIndonesia sangat bervariasi, berkisar antara 60 -98 %

213Eko Sulistiyono don Djusman Sajuti

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktoher1998 ISSN1410-2897

sehingga reaksi dapat berlangsung dengan lebihsempurna nantinya. Penggerusan dilakukan secara keringdalam suatu jar-mill selama 4 jam daD hasilnyaditunjukkan pada Tabel 3.

Jmnlah komponen yang terdeteksi berkisar sekitar93 % saja, sehingga masih perlu ditentukan kandungan

komponen-komponen lainnya seperti unsur natrium ataukalium. Melihat komposisi kimia tersebut, adakecendemngan bahwa Al2O3 bukan mempakan suatukomponen bebas, tetapi terikat dengan SiO 2 membentuksuatu senyawa alumina silikat.

Untuk menentukan mineral pengotor yangterkandung di dalam pasir kuarsa tersebut telah dilakukanpengamatan dengan difraksi sinar-X yang dilakukan di

Puslitbang Metaiurgi.LIPI.Dari analisis pola difraksi sinar-X yang

ditunjukkan pada gambar 1, diketahui bahwa mineralpengotor yang dominan di dalam pasir kuarsa yangdigunakan pada penelitian ini adalah bempa plagioklasjenis albit dengan mmus kimia(Na, Ca)AlS~O8

SiO2 dengan beberapa pengotor antara lain Al2O3' Fe2O3'CaD, TiO2' Na2O, atau K20. Pengotor-pengotor tersebutpada umumnya bernpa oksida logam yang membentukikatan kimia kompleks.

Pada penelitian terdahulu telah dilakukan prosespencucian asam terhadap pasir kuarsa dari PantaiBedagai (Sumatera Utara) [5] , dan basil yang diperolehhanya dapat melarntkan pengotor besi saja. Hal inimenunjukkan indikasi bahwa pengotor selain besimembentuk ikatan senyawa kompleks yang stabil. Untukmemecah ikatan yang stabil dalam senyawa komplekstersebut diperlukan bahan aditif tertentu yang mampumenarik ikatan kompleks menjadi suatu senyawa barnyang mudah dilepas ikatannya. Hasil analisis XRDmemperlihatkan ikatan kompleks tersebut didominasi olehsenyawaantara SiO2 dan Al2O3 bempa mineral plagioklasjenis albit [6].

Ikatan antara SiO2 yang bernpa unsur asam danAl2 o 3 bersifat amfoter, maka di perlukan bahan aditif yangmempunyai sifat basa tinggi [7]. Oksida dengan sitar basatinggi yang diperkirakan sesuai adalah Na2O, karena disamping pertimbangan faktor harga yang lebih murahdibanding ~ o juga temperatur proses akan lebih rendahdibandingjika menggunakan CaO. Ikatan yang telbentukakan lebih mudah diuraikan [8] dibanding denganpemakaian CaD yang membentuk CaSiO3 yang stabil.

Dalam tulisan ini akan dipaparkan basil penelitiandiversifikasi produk untuk substitusi impor, yaitupembuatan white carbon (senyawa kimia silikat dan silikahidrat) sebagai bahan bakU dalam industri kimia [9].

METODOLOGI

Citra EPMA yang dilakukan di PuslitbangMetalurgi-LIPI, serta distribusi dari unsur-unsur Na, Ca,AI, dan Si dari contoh pasir kuarsa yang digunakan daIampenelitian ini ditunjukkan pada gambar 2 dan 3. Dari

Bahan Baku

Pasir kuarsa yang dipakai dalam percobaan ini

berasal dati daerah Pantai Bedagai (Sumatera Utara)

dengan komposisi kimia seperti ditunjukkan pacta Tabel2. Analisis kimia dilakukan dengan menggunakan XRF

di Puslitbang Metalurgi-LIPI. Di samping itu, dari anaJisis

ayak diketahui lebih dati 92 % berat SiO2 berada pacta

fraksi yang cukup kasar (-12+40 mesh). Tetapi pada fraksi

tersebut diikuti juga denganjumlah kandungan pengotor

yang cukup besar.

Tabel 2. Komposisi klmia bahan baku pasir kuarsa perfrak.~i ukuran

',. -Pasir kuarsa perIn dihaluskan terlebih dahulu

sebelum digunakan sebagai umpan proses roasting, Gambar 2. Citra EPMA daTi contoh pasir kuan;a

Eko Sulistiyono dan Djusman Sajuti214

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

Komposisi kimia pasir kuarsa setelah digerus selama 4 jamTabel 3.

Fraksl %I (mesh) Berat Si F 0 Si

+40 5,49 82,12 8,74 1,90 0,20 5,61 4,71 4,45 4,16-40+70 50,44 81,81 9,25 2,14 0,23 51,36 45,78 46,08 45,25-70+140 24,82 79,57 10,80 2,54 0,28 24,58 26,31 26,85 27,07

-140 1925 7702 1228 276 032 1845 2320 2262 2352Urn an 100 8035 10 19 235 026 100 100 100 100

pemetaan unsur-unsur tersebut dapat disimpulkanbahwa contoh adalah berupa plagioklas (gambar 2) dan

kuarsa (gambar 3).

gas COJ yang dapat menumpahkan lelehan.-Setelah proses roasting selesai, krusibel segeradikeluarkan dan didinginkan secara mendadak denganair dingin atau diletakkan di atas batu es.-Produk roasting dikeluarkan dari krusibel dan digerus,untuk selanjutnya dilakukan pencucian dengan 200 rnlHCI 2 N selama lima jam pada temperatur sekitar 95°C

(mendidih).-Setelah proses pencucian selesai, kemudian residu

disaring.-Residu yang diperoleh ditimbang dan dilakukaIikarakterisasi.

Adapun diagram aim ditunjukkan pada gambar 4

p..lr Ko.r..

Gambar 3. Distribusi dari unsur-unsur Na, Ca, AI, dan Si didalam contoh pasir kuarsa

Gambar 4. Diagram alur percobaan pembuatan silikamumi dati pa.o:ir ku~ dengan proses basahMineral pengotor yang dominan adalab

plagioklas jenis albit (Na,Ca)AlSi)Os' Untuk dapatmemisahkan/melepaskan ikatan kimia SiO2-AI2O) yangada di dalam mineral plagioklas ini, maka terbadap pasirkuarsa tersebut perlu dilakukan suatu proses perlakuanawal terlebih dabulu,

BASIL DAN PEMBABASAN

Proses Roasting pada Temperatur 900°C

Hasil percobaan pada kondisi temperatur 900°Cmenunjukkan reaksi peruraian berlangsung bam sampai

Prosedur Percobaan

Urutan pengerjaan percobaan ini adalah sebagai

Tabel 4. Hasil Roasting dan Pelarutan

Berat Bahan Baku(eram)

Berat Produk (gram)No

SetelahPelarutan

34,9728,7624,2518,97

Na1CO3 PasirKuarsa

34282216

Setetah

~~8.4533,14~29,12

berikut.-Pasir kuarsa yang telah dihaluskan ditambah NazCO)dengan perbandingan tertentu (15, 30, 45, dan 60 %bemt),kemudian dicampur sampai homogen.-Campuran homogen tersebut dimasukkan ke dalamkrusibel platina, selanjutnya diletakkan di dalam muffle.furnace daD dipanaskan pada temperatur 900-1 100°Cselama dua jam. Kenaikan temperatur di jaga sedemikiansehingga tidak menimbulkan gejolak (yang berasal dari

6121824

234

215Eko Sulistiyono dan Djusman Sajuti

Prosiding Perlemuan Ilmiah Sains Materi IIISerpong, 20 -21 Oktober 1998 ISSN1410-2897

Tabel 8. Hasil Roasting dan Pelarutan

Berat Bahan Baku

(gram)Berat Produk (gram}

No

tahap dissosiasi natrium karbonat, dengan terbentuknyagelembung gas CO2, daD ini ditandai oleh meng-gelembungnya sampel. Produk yang dihasilkan berupasuatu serbuk putih yang ringan.

Hasil analisis terhadap produk setelah pelarutanmenunjukkan bahwa kandungan komponen SiO2 danAl2O) tidak mengalarni perubahan yang berarti. Hal inimemberi indikasi bahwa reaksi peruraian silikat danalumina belum berlangsung. Penambahan natriumkarbonat belum berpengaruh terhadap proses peruraian.

Set"'"Pelanltanl

N..co, PairKuarsa

SsebhRoal1ing

Sot"'"Pdandan W

6121824

34282216

~~

~27.49

~~~23,67

~~~14.78

234

.Umpan pada pelarutan tahap II adaIah 20 gram sampelproduk pelarutan tahap I.Tabel 5. Hasil Analisis Kimia untuk Produk Setelah

PelarutanTabel 9. Hasil Analisis Kimia untuk Produk Setelah

PelarutanTahap I

Tabe\ 6. Hasil Roasting dan Pelarutan

Berat Bahan Baku(~m)

Berat Produk (gram)No

Setelah

Roasting

37,98

~~

28,78

SetelahPelarutan

35,8829,2624,1523,97

Na,CO) PasirKuarsa

34282216

Na Kampa,l,l Ok,ldo / % be.o!}SIO AI.O. No 0 CoO K.O TIO. Fe O. LOI74'3 III' '.31 2" 2.04 ND 01' '13

! "84 '74 1141 2'2 1-'5 ND .15 4"7. 15 ".3. 8.35 257 .81 2. 7.3"82 2. 7.32 .52 022 ND ND 2271

TabelO. Hasil Analisis Kimia untuk Produk SetelahPelarutan Tahap II

No K_oslslOk,l'o/~'.o!}110 AJ.O. N..O CoO K 0 TIO. P..O. LOI

I 7'.2' ",55 7.1' 2" 2." 1.03 124 .."-71.1 '.13 172 2." 1.35 115 1.2' 5.'3

74' ".2' 2,53 2 " 1,55 1,17 I' 1,'4I 4 1'.1' NO NO NO NO 001 I." II 73 I

pada lOOOOC belum terjadi proses peruraian makapercobaan selanjutnya dilakukan pada temperaturllOOOC.

6

12

1&

24

234

Proses Roasting pad a Temperatur lOOOoC

Pada kondisi temperntur lOOOoC reaksi peruraianCO2 telah berlangsung dengan cukup sempurna, hat iniditandai oleh adanya penyusutan volume daTi sampel.Produk yang dihasilkan dari proses roasting adalahpadatan berwarna putih. Setelah dilakukan prosespelarutan, diperoleh serbuk putih dengan kandunganNa2O yang lebih tinggi dibandingkan terhadap produkpada temperntur 900°C.

Kadar Al2O3 yang diperoleh masih cukup tinggi.Hal ini menunjukkan bahwa pada temJx:rntur lOOOOC telahterjadi proses pengikatan Na2O dalam SiO2 daDSiO2.AI2O3. Reaksi peruraian daTi senyawa SiO2oAl2O3belum berlangsung sempurna, atau dengan perkataanlain, penambahan natrium karbonat belum membeTikanpengaruh secara berarti terhadap proses peruraian.

Karena pada kondisi temperatur 900°C maupun

Tabel 7. Hasil Analisis Kimia uotuk Produk SetelahPelarutao

Komnosi..i Oksida ( % beta! )SiD. AI.O. Na.O CaD K,o TiO. Fo.O. WI

I n,S3 10,29 S,97 277 0,51 0,17 0,51 3,95I 2 68,78 9,96 14,38 2,47 1,90 0,12 042 1,97

3 7005 9,13 II,S3 1,971,490,24 lIS 4,074 57,89 9,62 19,68 2,36 I,SO O,IS 1,42 6,SI

---"" -" .~, ...'-216 Eko Sulistiyono dan Djusman Sajuti

Proses Roasting pada Temperatur ll00oC

Hasil percobaan pada kondisi temperatur 11 ()()oC

menunjukkan bahwa jumlah penambahan natrium

karbonat sangat berpengaruh terhadap proses pelepasan

ikatan SiO2-Al2O3.Selama proses pelarutan, ada kecendernngan

bahwa konsentrasi Na2O berperan dalam proses

pelepasan ikatan, dimana N~O pada konsentrasi yang

rendah berikatan dengan unsur yang ada membentuk

ikatan yang stabil dan pada konsentrasi yang tinggi N~O

dapat melepas ikatan SiO2-AI2O3 membentuk suatusenyawa barn yang mudah dilepas ikatannya. Hal ini

ditunjukkan dari masih banyaknya unsur natrium pada

produk setelah pencucian tahap kedua terhadap

penambahan natrium karbonat sebesar 15 %, 30 0/0, clan

45 %. Sementara itu dengan penambahan natrium

karbonat 60 % maka praktis tidak terdapat unsur natrium

dalam produk setelah pencucian tahap krona.Pada penambahan natrium karbonat 150/0, 30 %,

dan 45 % menunjukkan bahwa reaksi pelepasan ikatan

antara SiO2 dan Al2O3 tidak tercapai. Hal ini dapat diamati

dari kandungan Al2O) dalam produk pencucian yang

masih tinggi, betbeda jika dilakukan dengan penambahan

natrium karbonat 60 % dimana produk pencucian praktis

telah bebas dari kandungan Al2O3.Pola difraksi sinar-X dari produk yang di-hasilkan

Prosiding Pertemuan llmiah Sains Materi III.\'erpong, 20- 21 Oktober 1998 ISSN 1410-2897

daTi penelitian irn, setelah dilakukan kalsinasi padatemperatur 800°C selama 2 jam, ditunjukkan padagambar 5.

2 e ( deg.

Gambar 5. PoJa difraksi sinar-X dari produkKeterangan: IX adaJah SiO,

13 adalah NaCaAl,Si,O"y adalah Na.Al.Si,O,.. 12 H10

DAFTARPUSTAKADari pola difraksi sinar -x terlihat bahwa masih

terdapat sejumlah kecil unsur tidak terdeteksi analisakimia dengan XRF yaitu AI, Na dan Ca yang berikatanmembentuk senyawa yang kompleks. Rendahnyapuncak-puncak SiO2 ' menunjukkan bahwa belumsempurnanya pembentukan kristal SiO2 .Hal inidisebabkan oleh kemungkinan proses plarutan asam daDkalsinasi belum optimal. Oleh karena itu dilakukanpenelitian yang lebih Ian jut tentang pengaruh senyawakompleks terhadap sifat bahan.

KESIMPULAN

[ 1 ]. Bunga Rampai Bahan Galian dan Air Bawah Tanah,Kanwil DPE Prop. Swnatern Ufam. Edisi ll, Medan,

(1992)[2]. Pert am bang an dan Energi Indonesia, Buku

Tahunan, (1993)[3]. Pertambangan dan Energi, No.4, tIm. 18, 1993.[4]. Anonim , "Statistik Perdagangan Luar Negeri

Indonesia", Impor, Jilid I, Biro Pusat Statistik, Jakarta,(1994)

[5]. DJUSMANSAJundanRUSTlADIPURAWIARDI,"Percobaan Pemumian dan Peningkatan Motu PasirKuarsa", Proseding, Seminar Material '97,Puslitbang Metalurgi -LIPI, Serpong, Agustus,(1997)

[6]. Anonim,"JCPDS",International Centre forDiffraction Data, 1601 Parklone , Swarthmore, PA1~81, USA, (1986)

[7] KIRK OTHMER, "Encyclopedia of ChemicalTechnology", 4th editions, John Wiley and Sons,Inc., Canada.

[8] QUENEAU, P.B. and BERTHOLD, C.E., "Silica inHydrometallurgy: an overview", Can. Met. Quart.,25 (3), (1986) 201

[9] HASEGAWA, H. (Editor)," Filler Book", ShiraishiKogyoKaisha,Ltd., (1972) 19

Telah dipelajari pengaruh temperatur danpenambahan N~CO3 terhadap proses pelepasan ikatankimia SiOrAl2O3 dalam pasir kuarsa. Dari serangkaianpercobaan yang dilakukan dapat disimpulkan sebagaiberikut.-Temperatur daD jumlah penambahan natriumkarbonat merupakan dua faktoryang perin diperhatikanuntuk berlangsungnya proses pelepasan ikatan kimiaSiOrAl2O3 dalam pasirkuarsa.-Pada kondisi temperatur 900°C proses yang terjadibarn berupa reaksi pelepasan gas CO2, pada lOOOoCberlangsung reaksi penggabungan Na2O dalam senyawaSiO2 daD SiOrAI2O3' Hal ini ditandai dengan adanya

217Eko Sulistiyono dan Djusman Sajuti