Dokumen tersebut membahas proses produksi soda kostik (NaOH) dan khlorin (Cl2) melalui proses elektrolisis larutan garam. Terdapat beberapa jenis sel elektrolisis yang digunakan seperti sel diafragma, sel amalgam, dan sel membran. Proses ini melibatkan reaksi kimia di katoda dan anoda untuk menghasilkan produk soda kostik, khlorin, dan hidrogen. Soda kostik kemudian dikonsentrasikan hingga konsentrasi tertent
3. batu kapur amoniak
NaCl
karbon dioksida
proses elektrolisa soda abu
khlor
Cl2
soda kostik
(NaOH)
natrium bikarbonat
sabun
rayon
pewarna
kertas
obat
makanan
karet
sabun gula
gelas makanan
obat pewarna
kertas keramik
tekstil petroleum
fotografi kulit
pertanian dll
obat
minuman
roti/kue
pemadam api
pulp & kertas
pelarut
plastik
pestisida
pemucat
sanitasi
Diagram industri khlor-alkali
4. Soda kostik dan khlor
soda kostik ( NaOH) dan khlor (Cl2) adalah produk dari
proses elektrolisa larutan logam alkali atau dari lelehan khlorida.
Reaksi dan perubahan energi
TdE
dT
J H
E
nF
E = tegangan dekomposisi teoritis
ΔH = perubahan entalpi reaksi
J = ekivalen elektrik untuk panas
T = suhu absolut
F = konstanta Faraday
n= bilangan ekivalen yg terlibat.
5. Pemurnian air garam (brine)
D1
NaOH
Na2CO3
NaOCl
BaCl2
lumpur
H2O
NaCl
R1
R2 R3
DC
PF1 PF2
D2
D3
D4
E1
E2
Di R2 , penambahan NaOH dan Na2CO3 akan mengendapkan
ion-ion Ca 2+, Mg 2+, Fe 3+, dan Al 3+. Selain itu, terjadi penambahan ion Na +.
NaOCl yang ditambahkan di R, akan mengeliminasi NH, sedangkan
33 BaClakan mengeliminasi ion SO-.
2 4
air garam daur
ulang utk mengatur
pH
lar. NaCl
murni
6. Brine Purification / Ion Exchange Unit
Cara lain untuk pemurnian
air garam adalah dengan
penukar ion.
7. ELEKTROLISA LARUTAN GARAM
Reaksi kimia :
NaCl + H2O NaOH + ½ H2 + ½ Cl2
Na + ½ Cl2
NaCl ΔH = 407 kJ
H2 + ½ O2
H2O ΔH = 286 kJ
Na + ½ O2 + ½ H2
NaOH ΔH = 469 kJ
Reaksi ini berlangsung secara elektrokimia, menggunakan sel yang
terdiri dari beberapa jenis (dan terus dikembangkan).
Beberapa jenis sel elektrokimia yang sudah dipakai di industri adalah :
1. Sel diafragma
2. Sel air raksa (merkuri) atau sel amalgam
3. Sel membran.
8. reaksi di katoda ( - ) :
2 H2O + 2 e- H2 + OH -
Sel diafragma
reaksi di anoda ( + ) :
+ −
diafragma
asbes
katoda
baja
anoda karbon
produk
cairan
air garam
jenuh
H2
Cl2
Cl - ½ Cl2 + e -
Katoda biasanya dari baja, sedangkan anoda dari grafit
9. Sel diafragma komersil
sumber listrik
Cl2
H2
air garam
(brine)
soda kostik
dalam larutan
air garam
Katoda yang
dibuat dari
baja berlubang
dilapisi serat yg
berlaku sbg
membran
Anoda “finger”,
dari grafit.
Diantaranya
diselipkan katoda.
Jika digunakan elektroda dari grafit, kemungkinan akan terjadi reaksi :
C + 4 OH- CO2 + 2 H2O + 4 e- , oleh karena itu grafit diganti dengan
pelat platina yang dilapisi oksida dari grup VIII.
10. Karakteristik sel diafragma.
Kondisi operasi Sifat fungsional
konsentrasi air garam (brine) : 315 – 330 g/l
CaO : 5 ppm
pengotor MgO : 0,8 ppm
= : 0 – 0,3 g/l
SO4
suhu : 90 – 105 oC
pH : 10,5 – 11
konsentrasi produk : 12 – 14 % NaOH
14 – 16 % NaCl
Satuan elektrolisa : sel yang disusun seri
EMF : 2,95 – 3,8 V
arus : 15 – 150 kA
rapat arus : 1,18 – 2,9 kA/m2
efisiensi arus : 93 – 98 %
konsumsi energi : 2200 – 2900 kWh / ton Cl2
C* 240 – 280 hari
anoda
Me* 5 tahun
umur
A* 4 – 5 bulan
katoda
A + P* 24 – 36 bulan
Catatan :
C = grafit
Me = logam
A = asbes
A + P = asbes + polimer
11. G : generator
T : transfomator
R : rektifier
E1, E2 : pendingin
C : pengering
G T R
E1
E2
C
larutan NaOH
dalam brine
H2O
H2O
H2SO4
96 – 98 %
Diagram alir proses pembuatan soda kostik
menggunakan sel diafragma
brine
H2
Cl2
asam sulfat
terhidrasi
12. reaksi di katoda ( - ) : 2 H2O + 2 e- H2 + OH - ( 1 )
reaksi di anoda ( + ) : Cl - ½ Cl2 + e - ( 2 )
dengan adanya reaksi tsb, kandunganNaCl menjadi berkurang, tetapi di ruang
katoda menjadi ‘kaya’ NaOH, karena terjadi migrasi ion Na+ (akibat terbentuknya
ion OH- di ruangan ini).
produk
cairan
+ −
air garam
jenuh
H2
ruang katoda
reaksi samping yg terjadi
di ruang anoda :
Cl2 + H2O H+ + Cl- + HOCl H+ + ClO- ( 3 )
Cl2
2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e- ( 4 )
2 OH- + Cl2
ClO- + Cl- + H2O ( 5 )
12 OH- + 12 ClO- 4 ClO3
- + 8 Cl- + 3 O2 + 6 H2O + 12 e-
( 6 )
13. Katoda ( − )
2 H2O + 2 e- H2 + OH −
Anoda (+)
2 H3O+ + 2 e- H2 2 H3O+ difusi
difusi
Na+ Na+
difusi Cl − 2 Cl − Cl+ 2 e
2 dicegah
OH− OH−
katolit : basa anolit : asam
terbentuk NaOH
air garam
Reaksi samping (5) dan (6) yang terjadi di ruang anoda disebabkan karena ada
ion OH- yang mengalir dari ruang katoda.
Reaksi yang menghasilkan ion khlorat ( ClO3
- ) tidak dikehendaki, sehingga dicegah
dengan cara menghalangi aliran ion OH- dari katoda ke anoda.
Untuk mencegah ‘aliran’ ion OH- dari ruang katoda ke ruang anoda maka ruang
katoda dibuat lebih rendah, atau di’bawah’ ruang anoda.
Umpan air garam (brine) dimasukkan ke ruang anoda (anolit), sehingga akan
terjadi aliran kontinyu dari anoda ke katoda.
14. H2
Sel Hooker jenis “S-3A”
konduktor
anoda
anoda grafit
air garam
masuk
pipa umpan
air garam
(brine)
katoda
dilapisi asbes
Cl2
NaOH
keluar
Dengan konstruksi seperti sel Hooker ini,
aliran OH- dari ruang katoda ke ruang anoda
dapat dihindari
15. umpan brine
saringan
katoda
NaOH
H2
Cl2
anoda
indikator brine
diafragma
Penampang sel
Sel diafragma Vorce
17. Sel elektrolisa dengan katoda air raksa
Dengan sel diafragma, soda kostik yang diperoleh konsentrasinya kecil dan
masih mengandung NaCl. Meskipun telah dipekatkan dan dimurnikan, kandungan
NaClnya tidak bisa kurang dari 2 – 3 %.
Untuk memperoleh kadar soda kostik (NaOH) yang lebih tinggi dan bebas NaCl,
maka digunakan sel elektrolisa dengan metode amalgam yang memakai dua sel :
sel elektrolisa dan sel dekomposer/pengurai
Sel elektrolisa dibuat dari bejana baja yang berbentuk persegi panjang,
dilapisi karet.
Gas khlor (Cl2) akan dihasilkan dari sel elektrolisa ini, sedangkan logam Nanya
akan bersenyawa dengan air raksa membentuk natrium-amalgam.
18. ELEKTRODA
di sel elektrolisa
di dekomposer
(pengurai)
katoda ( - ) : air raksa
anoda ( + ) : grafit atau
lembaran titanium
dilapisi oksida grup VIII
anoda (+) :
Na-amalgam
katoda ( - ) : grafit
19. Reaksi
Reaksi utama di sel elektrolisa :
Anoda ( + ) : 2 Cl − Cl2 + 2 e –
Katoda ( – ) : Na + + nHg + e − NaHgn (n = 60 – 70 )
Reaksi yang terjadi di dekomposer :
Anoda ( + ) : 2 NaHgn
2 Na+ + 2n Hg + 2 e −
Katoda (–) : 2 H2O+ 2 e− H2 + 2 OH−
Reaksi dekomposisi amalgam keseluruhan :
2 NaHg + 2 H2O 2 NaOH + H2 + n Hg
20. di katoda tidak terbentuk gas H2, melainkan amalgam dijelaskan sbb :
potensial reduksi Na , Eo Na+║Na adalah – 2,71 Volt, sedangkan
Eo H+║H2 adalah 0,00 Volt , di larutan yang
sifatnya basa , Eo H2O║OH adalah – 0,83 Volt
Dengan demikian maka adanya Hg akan mengakibatkan terjadinya potensial lebih
(overpotensial) yang akan mereduksi : 2H+ H2
21. umpan air garam
amalgam hasil elektrolisa
H2
(−)
(+)
NaOH
50 %
Cl2
katoda
anoda
air bebas
ion
Hg daur ulang
lar. NaOH encer
amalgam semidekomposisi
Sel elektrolisa Sel galvanik
(decomposer)
22. Kondisi operasi Sifat fungsional
konsentrasi air garam (brine) : 300 – 320 g/l
CaO < 5 ppm
pengotor MgO < 3 ppm
= < 2 g/l
SO4
suhu : 75 - 85 oC
pH : 3 - 5
Kondisi yg harus dipenuhi untuk air raksa :
Na pada tempat masuk : 0,01 %
Na pada tempat keluar : 0,16 – 0,20 %
Jumlah Hg : 4,7 ton/sel
konsentrasi produk :
NaOH : 48 - 54 %
NaCl : 270 g/l
Cl2 : 0,5 g/l
NaCl < 50 ppm
Satuan elektrolisa : sel yang disusun seri
EMF : 4 – 4,5 V
arus : 380 - 420 kA
rapat arus : 12 – 12,5 kA/m2
efisiensi arus : 95 – 97 %
konsumsi energi : 3300 – 3450 kWh / ton Cl2
jenis : DSA
anoda jumlah : 40 - 45
umur : 3 – 6 tahun
Produksi pada saat beban penuh :
Cl2 : 13 – 14 ton/hari
NaOH : 15,6 ton/hari
H2 : 0,4 ton/hari
23. Sel air raksa (Hg) dan lingkungan
Setap ton produk gas Khlor, lebih kurang 300 gram Hg akan ter’cecer’ di limbah
pabrik. Usaha untuk mengurangi kebocoran Hg terus diupayakan, tetapi jumlah
minimum masih 5 – 10 gram/ton khlor.
Pabrik khlor di Spanyol yang menggunakan proses air raksa (Hg)
24. Pabrik Khlor dengan kapasitas 70 000 ton/tahun di Belanda yang menggunakan
proses air raksa. Bejana silinder adalah reaktor dekomposisi (decomposer), yang
dialiri air untuk menguraikan Na-amalgam, menghasilkan NaOH dan gas H2.
Air raksa hasil dekomposisi dialirkan kembali ke sel elektrolisa ( terletak di
belakang bejana).
25. Sel elektrolisa dengan membran.
garam
lar garam
pemurnian
biasa
pemurnian dengan
penukar ion
soda kostik
ke pemekatan
Cl2
H2
air
OH−
Na+
Cl−
lar garam
encer di-daur
ulang
air bebas ion
+ −
membran selektif
26. Pemekatan NaOH
(1). Untuk larutan soda kostik yang encer ( sekitar 9 – 10%), penguap
Kestner dapat menaikkan konsentrasi hingga14 – 16 %, Karena
penguapan ini memerlukan luas permukaan yang besar, maka penguap
Kestner terdiri dari kumpulan buluh (tube), dengan panjang yang cukup
untuk mengantisipasi buih yang terbentuk dari larutan NaOH.
(2). Penguapan di penguap multi tahap digunakan untuk memekatkan
larutan NaOH hingga konsentrasi sekitar 30 %. Pada penguapan ini
NaCl dan Na2CO3 dapat dipisahkan sebagai endapan.
(3). Penguapan di penguap vakum akan memekatkan larutan NaOH hingga
50% , dan/atau menggunakan kukus lewat panas karena titik didih
larutan NaOH tersebut 140 oC
(4). Untuk mengeringkan larutan yang lebih pekat dari 50 % , penguapan
dilakukan di pan terbuka, sehingga diperoleh NaOH basah dengan
kadar 70 %.
27. Asal larutan NaOH Konsentrasi
rata2 (%)
Tahap pemekatan
yang dilakukan
Keterangan
1.Proses kostisasi 9 – 10 (1) , (2) , (3) , (4),
(5)
Tahap pertama dan kedua
untuk menghilangkan Na2CO3
2. Elektrolisa
Sel diafragma
Sel membran
Sel amalgam (Hg)
12 – 15
20
(2) , (3) , (4), (5)
(2) , (3) , (4), (5)
(4), (5)
Tahap (2) dilakukan untyuk
menghilangkan NaCl.
Konsentrasi
NaOH ( % )
Jumlah air ( kg )
per 106 kg NaOH
9,6 1000
16 550
30 249
50 106
Dengan demikian maka untuk memperoleh
NaOH 50 % dari lar NaOH 16 %, harus
diuapkan air sebanyak :
550 106
106
= 4,19
kg 2
H O
NaOH
kg
28. D
Diagram alir pemekatan lar. NaOH 9 – 10 %
H2O
lelehan
NaOH
lar. NaOH
encer
kukus
lewat
jenuh
kukus
tek.
rendah
E2 E3
E4
E5
E1
C1
C2
PF
B1 B2
ke pompa
vakum
E1 : penguap Kestner
E2,E3,E4 : penguap multi tahap
E5 : penguap vakum
C1,C2 : kondensor
D : pengendap/pengkristal
PF : penyaring putar Oliver
B1 : pemekat
B2 : pan pelelehan
H2O
lumpur (Na2CO3,
Ca(OH)2, NaCl).