2.1 Metode ProduksiIndustri adalah bidang usaha/perusahaan yang menghasilkan barang atau jasa bernilai ekonomi, melalui pemanfaatan sejumlah tertentu jenis sumber daya (bahan mentah/bahan baku, teknologi, informasi, manusia, dan modal). Dari pengertian diatas dapat diketahui bahwa setiap industri baik industri kimia maupun industri lainnya akan selalu mempertimbangakan waktu, mutu, biaya dan lingkungan dalam prosesnya. Atas dasar pertimbangan itulah proses elektrolisis sel membran sering kali digunakan di banyak industri. Elektrolisis dengan sel membrane merupakan proses yang paling ramah lingkungan karena mengkonsumsi energi secara minimum, bebas polusi dan menghasilkan kualitas produk baik.2.2 Spesifikasi Bahan Baku

Pada proses elektrolisis dengan sel membran, bahan baku yang digunakan yaitu garam (NaCl), Air, natrium karbonat (Na2CO3) serta asam klorida (HCl). Spesifikasi bahan baku dalam industri kaustik soda dengan elektrolisis sel membrane adalah sebagai berikut:

a. Sifat Fisik

Sifat FisikBahan Baku UtamaBahan Baku Tambahan

Natrium CloridaAirNatrium CarbonatAsam Klorida

Fasa Padat Cair Padat Cair

Rumus Molekul NaCl H2O Na2CO3 HCl

Berat Molekul (g/mol) 58,45 18,0153 10636,5

Titik Lebur, 1 atm (0C) 800,4 0 8510 27,32 (larutan 38%)

Titik Didih, 1 atm (0C) 1413 100 - 110 (larutan 20,2%)

Densitas (g/ml) 1,13 0.998 2,533 1,18

Kapasitas Panas

(cal/mol C)1,8063 4184 4,3350 -

Panas Penguapan 40.810

cal/mol

40.7

kJ/mol

7.000

cal/mol

-

Entalpi Pembentukan

Standar (kJ/mol)

- 286.0 --

Tabel 2.1 sifat fisik bahan bakub. Sifat kimia

Natrium Klorida (NaCl):

Dengan perak nitrat membentuk endapan perak klorida

NaCl + AgNO3 NaNO3 + AgCl

Asam Klorida (HCl)

Hidrogen klorida (HCl) adalah asam monoprotik, yang berarti bahwa ia dapat berdisosiasi melepaskan satu H+ hanya sekali. Dalam larutan asam klorida, H+ ini bergabung dengan molekul air membentuk ion hidronium, H3O+:HCl + H2O H3O+ + Cl

Ion lain yang terbentuk adalah ion klorida, Cl. Asam klorida oleh karenanya dapat digunakan untuk membuat garam klorida, seperti natrium klorida. Asam klorida adalah asam kuat karena ia berdisosiasi penuh dalam air.

Natrium Karbonat (Na2CO3)

CO2 murni dapat diperoleh dari melakukan pemanasan natrium bikarbonat pada persamaan berikut:

2 NaHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O2.3 Spesifikasi ProdukIndustri Kaustik Soda mengahasilkan Natrium Hidroksida, Cl2 (l) dan H2 (g) . Berikut karakteristik dari ketiganya.

Natrium hidroksida (NaOH)

Natrium hidroksida ( Na OH), juga dikenal sebagai soda kaustik atau sodium hidroksida, adalah sejenis basa logam kaustik. Natrium Hidroksida terbentuk dari oksida basa natrium oksida dilarutkan dalam air. Natrium hidroksida membentuk larutan alkalin yang kuat ketika dilarutkan ke dalam air. Ia digunakan di berbagai macam bidang industri, kebanyakan digunakan sebagai basa dalam proses produksi bubur kayu dan kertas, tekstil, air minum, sabun dan deterjen. Natrium hidroksida adalah basa yang paling umum digunakan dalam laboratorium kimia. Natrium hidroksida murni berbentuk putih padat dan tersedia dalam bentuk pelet, serpihan, butiran ataupun larutan jenuh 50%. Ia bersifat lembap cair dan secara spontan menyerap karbon dioksida dari udara bebas. Ia sangat larut dalam air dan akan melepaskan panas ketika dilarutkan. Ia juga larut dalam etanol dan metanol, walaupun kelarutan NaOH dalam kedua cairan ini lebih kecil daripada kelarutan KOH. Ia tidak larut dalam dietil eter dan pelarut non-polar lainnya. Larutan natrium hidroksida akan meninggalkan noda kuning pada kain dan kertas.Sifat-Sifat NaOH

Berikut adalah sifat-sifat fisik dari kaustik soda atau NaOHa.SIfat FisikNatrium Hidroksida

Nama SistematisNatrium Hidroksida

Nama LainSoda Kaustik

Sifat

Rumus MolekulNaOH

Massa molar39,9971 g/mol

Penampilan zat padat putih

Densitas2,1 g/cm3, padat

Titik leleh 318C (591 K)

Titik didih1390C (1663 K)

Kelarutan dalam air111 g/100 ml (20C)

Kebasaan (pKb)-2,43

Tabel 2.2 sifat fisik NaOH Klor (Cl2 ) dan Hidrogen (H2)a. Sifat FisikSifat FisikKlorHidrogen

FasaGasGas

Rumus Molekul Cl2 H2

Berat Molekul 71 gr/mol1,00794 gr/mol

Titik Lebur,1 atm 171,6 K14,01 K

Titik Didih,1 atm 239,11 K20,28 K

Densitas 3,2 gr/ml0,08988 gr/ml

Kapasitas Panas

33,949

Jmol1K128,836

Jmol1K1

TABEL 2.3 sifat fisik Cl2 dan H2b. Sifat Kimia

Hidrogen (H2)

Hidrogen terbakar menurut persamaan kimia:

H2(g) + O2(g) 2H2O(l)2.4 Proses Elektrolisis dengan Sel MembranTerdapat beberapa tahapan proses dalam pembuatan kaustik soda ini, diantaranya : tahap pemurnian bahan baku, proses utama, tahap pengolahan akhir.

1. Pemurnian Bahan Baku

Tahap pemurnian bahan baku merupakan tahap awal dari proses ini. Tahap pemurnian bahan baku meliputi pencampuran, pengendapan pengotor, penyaringan pengotor, penukaran ion.

a. Pencampuran Garam (97,7%) dilarutkan bersama air proses dan garam lemah recycle pada suhu 90,6oC ke dalam tangki pencampur untuk mendapatkan larutan garam konsentrasi 27%. Larutan garam jenuh keluar dari tangki pencampur memiliki suhu 67,1oC memasuki tangki pengendap, suhu operasi yang baik untuk pengendapan adalah diatas 60oC.b. Pengendapan Pengotor

Larutan garam dari tangki pencampur memasuki tangki pengendap untuk diendapkan pengotornya, diantaranya CaSO4, MgSO4, CaCl2, MgCl2 menggunakanNa2CO3 dan NaOH dengan reaksi sebagai berikut:CaSO4 + Na2CO3 CaCO3 + Na2SO4MgSO4 + 2NaOH Mg(OH)2 + Na2SO4CaCl2 + Na2SO4 CaSO4 + 2NaClMgCl2 + 2NaOH Mg(OH)2 + 2NaClCaCl2 + Na2CO3 CaCO3 + 2NaClReagen dan pengotor bereaksi membentuk endapan dan dikeluarkan dari dasar tangki. Pemberian reagen dilakukan dengan kadar berlebih untuk mendapatkan hasil yang optimum. Sekitar 60% dari pengotor yang mengendap keluar dari bagian bawah tangki pengendap, sedangkan larutan lainya keluar dari bagian atas clarifier menuju ke filter.c. Penyaringan (Filtrasi)

Endapan yang masih tersisa seluruhnya difilter dalam filter press.d. Penukaran Ion

Selama proses sedimentasi tidak semua ion bereaksi dengan reagen dan dan akan terdapat ion-ion yang tidak diinginkan sehingga diperlukan perlakuan lebih lanjut agar NaCl yang akan di elekrolisis terbebas dari pengotor impuritis. Karena itu digunakan resin untuk mengikat ion-ion tersebut. Larutan NaCl dilewatkan pada resin. Resin yang mengikat kation disebut resin kation dan resin yang mengikat anion disebut resin anion. Reaksi penukaran ion yang terjadi adalah:Resin kation : R-H + A- R-A + H+

Resin anion : R-OH B+ R-B + OHProses diatas terjadi secara reversible sehingga bila resin sudah jenuh, atau tidak bisa menangkap atau mengikat ion mineral positif/negative, bisa diregenerasi kembali. Regenerasi dilakukan dengan mereaksikan kembali resin dengan asam-basa yaitu NaOH dan H2SO4 sehingga ion mineral positif yang sudah terikat di resin akan terlepas lagi. Reaksi regenerasi sebagai berikut:2(R-A) + H2SO4 2(R-H) + A2SO42R-B + NaOH R-OH + NaB2. Proses Utama

Proses utama merupakan tahapan inti dari industri soda kaustik ini. Proses ini terdiri dari pengasaman dan elektrolisis.a. Penambahan HCl (Pengasaman)

Penambahan HCl dilakukan untuk mengurangi terjadinya pembentukan chlorate pada sel elektrolisa, larutan masuk anoda diasamkan hingga pH 4.b. Elektrolisa

Larutan yang keluar dari resin penukar ion sebelum memasuki sel elektrolisa akan dipanaskan terlebih dahulu. Proses elektrolisa menggunakan titanium sebagai sel anoda dan nikel sebagai sel katoda yang dialiri arus DC (direct current) sebagai sumber energi.Pada anoda feed masuk adalah larutan garam, ion Cl- pada NaCl teroksidasi dan membuntuk Cl2 sedangkan ion Na+ kehilangan pasangan dan bergerak menuju katoda. Pada katoda feed masuk adalah H2O dan NaOH recycle, ion H+ dari H2O tereduksi menjadi H2 sehingga ion OH- kehilangan pasangan. Ion Na+ dan OH- ini selanjutnya bertemu dan membentuk NaOH. Dihasilkan larutan NaOH yang dihasilkan 32%.Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :Anode

Ionisasi : NaCl Na+ + Cl-

2Cl- l2 (g) + 2e- KatodeIonisasi : H2O H+ + OH-

2 H+ + 2 e H2 (g)Reaksi elektrolisis larutan garam (NaCl) secara keseluruhan dapat dituliskan sebagai berikut:2NaCl + 2H2O 2NaOH +Cl2(g) + H2(g)Antara sel anoda dan katoda dibatasi oleh membran, yaitu nafion yang hanya dapat dilalui oleh ion positif.

Hasil samping dari proses elektrolisa ini berupa gas chlorine (Cl2) dan gas Hydrogen (H2). Gas Cl2 diproses lebih lanjut menjadi Cl2 liquid, sedangkan gas H2 diblower ke udara karena jumlahnya relatif sedikit.Larutan keluar anoda di recycle kembali menuju tangki pencampur. Sedangkan larutan keluar katoda mengandung NaOH 32%, 10% direcycle kembali sebagai umpan dan sebagian yang lain diproses lebih lanjut untuk mendapatkan NaOH 50%.3. Pengolahan Akhira. Evaporasi

Untuk menghasilkan NaOH 50% maka diperlukan tahap selanjutnya yaitu evaporasi. NaOH 32% yang keluar dari sel elektrolisa memasuki evaporator. NaOH di evaporasi menggunakan steam sehingga NaOH 50% keluar. NaOH 50% kemudian didinginkan melalui beberapa tahap pendinginan, pertama ditukarkan panasnya dengan feed katoda sehingga suhunya turun, larutan ini kemudian didinginkan kembali menggunakan air pendingin dan ditampung ke dalam tangki penampung.b. Evaporasi Akhir

Kaustik 50% yang 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.c. Penyelesaian Kaustik dalam PeriukWalaupun 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 pompa sentrifugal yang menyalurkan bahan meleleh itu ke dalam drum-drum baja yang dapat menampung 320 kg atau ke dalam mesin penyerpih.

4. Proses Pengolahan Produk SampingProses ini dilakukan untuk megolah Cl2 berfasa gas menjadi Cl2 yang berfasa cair. Proses tersebut terdiri dari:a. PendinginanGas Cl2 keluar dari bagian atas anoda masih mengandung H2O yang terikut dan sedikit O2 untuk mendapatkan Cl2 liquid dengan kemurnian 99,65% kandungan air harus dihilangkan terlebih dahulu. Dimana Gas Cl2 didinginkan menggunakan brine hingga suhunya mencapai 10oC pada suhu ini campuran gas Cl2 telah berada pada dua fase. Campuran gas-liquid ini kemudian dipisahkan dalam flash separator, produk atas dari flash separator berupas gas yang memiliki kandungan Cl2 sekitar 99,65.b. Pengeringan

Setelah didinginkan, gas klor dikeringkan dengan asam sulfat di dalam menara pembasuh. Sampai pada menara asam sulfat ini, klor basah itu harus ditangani dengan menggunakan bahan yang tahan, seperti poliester, polivinil klorida, dan lain-lain.c. Pemampatan dan Pencairan Klor

Untuk mendapatkan Cl2 liquid, gas Cl2 terlebih dahulu dinaikan tekananya, kemudian dikondensasikan. Kompresi dilakukan dalam dua stage, kompresi pertama tekanan Cl2 gas 1 atm dinaikan tekananya menjadi 4 atm, dan didapatkan suhu keluar kompresor 154oC. Selanjutnya dilakukan pendinginan dari gas Cl2 untuk meringankan beban kompresor ke dua, gas Cl2 didinginkan menggunakan brine hingga suhu 50oC. Kompresi yang kedua menaikan tekanan gas Cl2 dari tekanan 4 atm menjadi tekanan 6 atm. Gas Cl2 keluar dari kompresor kedua pada suhu 93oC, kemudian didinginkan dengan air pendingin hingga suhu 45oC, dan dikondensasikan sehingga menjadi liquid hingga suhu 8oC.Pada elektrolisa ini terjadi reaksi samping. Reaksi samping yang terjadi yaitu pembentukan Chlorate (NaClO3) reaksi pembentukan chlorate :H2O + Cl2 HClO + HCl

HClO + 3NaOH NaClO3 + 2NaCl + 3H2OPerpindahan ion yang terjadi dalam elektrolisa juga tidak sempurna, sekitar 5% ion Cl- lolos menuju katoda (Uhde), dan sekitar 5% ion OH- lolo menuju anoda, membentuk NaOH dan kemudian membentuk chlorate.

Reaksi samping lain yang terjadi adalah sebagian dari H2O di anoda juga teroksidasi dengan reaksi:H2O 2H+ + O2 + 2e-

Reaksi ini menghasilkan gas O2 yang akan keluar dari bagian atas anoda, dan ion H+ yang akan menuju ke katoda, kemudian ion H+ bereaksi dengan OH- manjadi H2O (back mixing).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

GAMBAR 2.3 Block diagram pembuatan NaOH