PROSES-PROSES OKSIDASI

PIROMETALURGI

Rozik B. Soetjipto Program Studi Teknik Metalurgi INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

1

PENGANTAR

Syarat utama agar logam dapat dihasilkan langsung dengan cara oksidasi senyawa sulfidanya adalah bahwa oksidanya relatif kurang stabil dibandingkan SO2. Hubungan kesetimbangan gas-gas dalam atmosfer SO2 adalah: S2 + O2 = SO2 (V.1) K= PSO2 ______________

P1/2.PO2 S2 Logam-logam yang memiliki ciri tersebut adalah Ag, Cu, Hg, Pb dan kelompok logam-logam platinum Sifat termodinamika ini dimanfaatkan dalam praktek, khususnya pada pirometalurgi tembaga. Ekstraksi Hg dari sinabar (HgS) telah dibahas pada proses ekstraksi sistem padat-gas

2

EKSTRAKSI TIMBAL DENGAN OKSIDASI LANGSUNG PbS

Timbal umumnya dihasilkan dari peleburan reduksi kalsin PbO di dalam tanur tegak Dalam skala kecil Pb dapat pula dihasilkan secara langsung dengn cara oksidasi mineral sulfidanya (galena: PbS), menghasilkan leburan Pb, yang dikenal sebagai Newnham Hearth Process atau Ore Hearth Process Reaksi Umum: PbS + O2 = Pb + SO2 (V.2)Dari Diagram Kellogg untuk Pb-S-O terlihat adanya daerah-daerah kestabilan senyawa-senyawa oksi-sulfat Pb (sulfat basa) sehingga reaksi pembentukan logamnya berlangsung secara bertahap melalui PbSO4.PbO, PbSO4.2PbO, PbSO4.PbO atau PbSO4.4PbO3

4

DIAGRAM KELOGG SISTEM Pb-S-O

5

Pada Diagram Kellogg (temperatur 900oC) terlihat bahwa oksidasi PbS menghasilkan logam disertai pelepasan SO2. Lokasi fasa-fasa yang berada dalam kesetimbangan selama pembentukan logam harus berada dekat dengn daerah dimana pSO2 antara 10-2 dan 1 atm. Pada temperatur operasi, reduksi sulfat dapat berlangsung melalui reaksi dengan PbS gas pada tekanan yang lebih rendah daripada tekanan keseimbangan dengan fasa PbS padat: (i) PbS(g) + 10(PbSO4.PbO) = 7(PbSO4.2PbO) + 4SO2 (ii) 2PbS(g) + (PbSO4.2PbO) = 5Pb + 3SO2 (iii) 3PbS(g) + (PbSO4.4PbO) = 8Pb + 4SO2 Pada 825oC dihasilkan timbal cair dengan aktivitas 1. Kondisi pembentukan timbal diperoleh dari pertimbangan reaksi (V.1): S2 + O2 = SO2

6

7

EKSTRAKSI TEMBAGA Tujuan utama proses ekstraksi tembaga melalui jalur pemanggangan oksidasi parsial peleburan matte converting adalah untuk memisahkan tembaga dari pengotor besi (Lihat Diagram Alir).

Pemanggangan oksidasi parsial Dimaksudkan untuk mengubah sebagian besar sulfida besi menjadi oksida dengan tetap mempertahankan tembaga sebagai sulfidanya (oksidasi selektif).Peleburan Matte - Peleburan matte adalah peleburan netral - Tujuannya memisahkan besi oksida yang terbentuk pada pemanggangan oksidasi parsial dari sulfida tembaga (Cu2S). Oleh karena itu sering dianggap sebagai proses pelelehan (melting), meskipun sesungguhnya terjadi reaksi kimia juga. Reaksi utama : xFeO + ySiO2 = (FeO)x(SiO2)y (terak) Reaksi samping: Cu2O + FeS = Cu2S + FeO

8

Pada proses peleburan matte terjadi pemerolehan kembali tembaga yang ikut teroksidasi pada proses pemanggangan, dan pemisahan dan pengikatan oksida besi ke dalam terak.

TermodinamikaFasa-fasa sulfida leleh yang dihasilkan pada ekstraksi tembaga dan nikel (matte) dapat dinyatakan secara ideal sebagai campuran sulfida-sulfida Cu2S, FeS dan dalam hal matte nikel, Ni3S2. Secara teoretik dianggap merupakan senyawa stoikiometrik antara logam-logam dengan sulfur (pada peleburan tembaga merupakan campuran antara Cu2S dengan FeS). Matte sesungguhnya merupakan senyawa non-stoikiometrik: Cu(2-x) dan Fe(1-y)S. Pada kenyataannya disamping Cu-Fe-S, juga mengandung O. Dalam matte sesungguhnya total Cu-Fe-S maksimum 95%-brt. Namun asumsi idealisasi senyawa tersebut secara termodinamika tidak menimbulkan kesalahan yang terlalu besar. Penelitian menunjukkan bahwa aktivitas sulfida-sulfida relatif konstan sepanjang selang komposisi yang cukup besar (di daerah komposisi stoikiometrik).9

Aktivitas-aktivitas logam dan sulfur secara terpisah bervariasi secara signifikan pada selang komposisi yang sama. K FeS = aFeS ______________

aFe.P1/2S2aCu2S KCu2S = ______________ a2Cu.P1/2S2

Persamaan Gibbs-Duhem (lihat termodinamika sistem lebur):NCudlnaCu + NSdln aS = 0 Nilai aS ditentukan oleh kesetmbangan antara fasa lebur dengan campuran gas-gas H2S/H2: pH2. aS pH2S _________ _______ H2S = H2 + S K= aS = K pH2S pH2 Jadi: NCudlnaCu = - NSdln pH2S/ pH210

Aktivitas logam ditentukan dengan integrasi persamaan tersebut dari logam murni sampai komposisi sulfida yang bersangkutan. Sistem Cu-S menunjukkan adanya daerah komposisi ketidak-larutan, antara Cu yang mengandung S dan Cu2S yang mengandung Cu. Hal ini berbeda dengan sistem Fe-S. Rosenqvist dan Hartwig (1958): Perilaku leburan matte pada selang temperatur 1135 1185oC mendekati keadaan ideal (Hk. Raoult)

KESETIMBANGAN ANTARA MATTE DENGN TERAK Komposisi matte sangat ditentukan oleh komposisi terak yang berada dalam kesetimbangan dan pSO2 dalam sistem. Unsur-unsur yang terlibat dalam peleburan matte Fe, Cu, S, O dan Si Si berupa SiO2 yang bereaksi dengan FeO membentuk terak, yang juga mengandung CaO dan Al2O3. Sejumlah kecil Si atau SiO2 mungkin juga larut dalam matte. Pemisahan matte dengan terak dpat terjadi di atas suatu konsentrasi tertentu. Pemisahan terbaik bila terak jenuh dengn silika.11

12

13

14

15

16

17

18

Garis isoaktivitas Cu2S pada pseudobiner Cu2S-Ni3S2 pada 1250oC

19

Penambahan Cu2S akan semakin menurunkan kelarutan antara matte dengan terak. Penambahan Cu dalam matte akan menurunkan kadar S dalam terak. Sifat saling melarut antara matte dengan terak dan oksida-oksida besi dan ketergantungannya pada pSO2 dan T ditentukan oleh termodinamika sistem. Misalnya antara matte, terak, magnetit padat dan atmosfer: FeS + 3Fe3O4(s) = 10FeO + SO2 Pembentukan FeO (slagging magnetit) makin baik bila: - aFeS >> - aFeO 25% kadang-kadang peleburan matte dapat dilakukan tanpa melalui pemanggangan oksidasi parsial. Peleburan menghasilkan matte yang mengandung hampir seluruh tembaga dan sebagian besi. Besi yang lain menjadi oksida yang masuk ke dalam terak. Kandungan Cu dalam matte: 20 60% (umumnya 30 50%Cu) Grade matte ditentukan oleh: - komposisi bijih/konsentrat - pertimbangan ekonomi Grade matte diatur pada waktu pemanggangan. Semakin intensif, semakin tinggi grade matte. Proses konverting Jenis konverter yang umum dipakai adalah Peirce Smith converter. Proses konverting dilakukan dalam dua tahap: 1st blow dan 2nd blow. Hasil 1st blow adalah lelehan Cu2S murni (white metal) Pada 2nd blow white metal dioksidasi menjadi Cu.21

KANDUNGAN S DAN O DALAM TEMBAGA BLISTER Komposisi kimia akhir tembaga dari tanur konversi ditentukan oleh interaksi S-O dalam larutan fasa logam. Karena S dihilangkan dengan cara oksidasi, tekanan parsial O2 dalam gas kesetimbangan akan naik, yang akibatnya akan menaikkan kandungan [O]Cu. Bila proses dihentikan logam akan mengandung S dan O yang akan bereaksi lebih lanjut pada waktu pendinginan.

22

23