20236446 t20935 penentuan kapasitas

PENENTUAN KAPASITAS PANAS MATERIAL IRON ORE MENGANDUNG ILMENITE

Tesis Magister Ilmu Material

Tesis diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister dalam bidang Ilmu Material

YULISTIATI 63 04 000 293

PROGRAM PASCASARJANA PROGRAM STUDI ILMU MATERIAL

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS INDONESIA

2006

Penentuan kapasitas..., Yulistiati, FMIPA UI, 2006

LEMBAR PERSETUJUAN TESIS INI TELAH DISETUJUI OLEH :

Dr. Azwar Manaf, M.Met. Pembimbing I

Dr.-Ing.Ir. Bambang Suharno Pembimbing II

Dr. Muhammad Hikam, MSc. Penguji I

Dr.Ir. Johny Wahyuadi S, DEA Penguji II

Dr.Ir. Rudi Subagja Penguji III

Dr. Bambang Soegijono Ketua Program Studi Ilmu Material

Program Pascasarjana

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia

2006


ABSTRAK Oleh : Yulistiati Pembimbing : Dr. Azwar Manaf

Iron ore adalah suatu senyawa besi oksida yang digunakan sebagai bahan baku untuk pembuatan pelet atau pig iron sebagai feedstock untuk industri baja. Umumnya iron ore menjalani benefisiasi atau pengkayaan Fe melalui proses reduksi dalam suatu furnace. Agar proses dapat berjalan dengan tingkat efisiensi tinggi maka diperlukan nilai beberapa besaran fisis dalam material, seperti jenis senyawa, fraksi berat dan kapasitas panas. Pada penelitian ini telah dilakukan penentuan kapasitas panas sebagai fungsi temperatur Cp(T) dari iron ore dengan menggunakan kalorimeter DTA dan DSC. Tahapan investigasi diawali dengan validasi metode evaluasi dan instrumen. Untuk tahapan ini ditemukan bahwa penggunaan DTA untuk penentuan Cp(T) memerlukan faktor instrumen untuk kalibrasi data terukur. Tidak demikian halnya dengan DSC, data terukur dapat dikonversikan langsung untuk menentukan Cp(T). Iron ore yang digunakan sebagai objek penelitian adalah iron ore setelah pemanasan 4000C dengan waktu tahan 12 jam dan terdiri dari senyawa utama magnetite (Fe3O4), hematite (Fe2O3) dan ilmenite (FeTiO3) dengan fraksi berat masing-masing adalah 39.88%, 52.99% dan 7.13%. Dari nilai Cp(T) terukur untuk iron ore serta komposisi senyawanya, telah berhasil ditentukan kapasitas panas ilmenite sebagai fungsi temperatur sebagai berikut :

Cp(T) = a + b T + c T-2 J/mol.K dengan a = 747 1132 b = 2.27 2.70 c = (12.1 15.7) x 107 Kata Kunci : Iron Ore, Ilmenite, Kapasitas Panas, DTA/DSC


ABSTRACT By : Yulistiati Supervisor : Dr. Azwar Manaf Iron ore is a ferro oxides that used as raw materials for producing pellets and/or pig irons which are feedstock for steel industries. Generally, the beneficiation Fe of iron ore is necessary, and this may be carried out by a reduction process in the furnace. In order to obtain a process with high efficiency related properties of materials like type of the oxides, their weight fraction and heat capacity, etc should be determined. In this research, the heat capacity as a function of temperature, Cp(T) for iron ore was determined by means of Differential Thermal Analyzer (DTA) and Differential Scanning Calorimeter (DSC). The investigation was initiated by first to validate the method and instrument. It was found that for Cp(T) determination by DTA an instrument factor is needed and this requires a systematic study. On the other hand, measuring data from DSC can be directly converted to determine Cp(T). According to XRD analysis, the iron ore which was heat treated at 400C for 12 hours to contain hematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4) and ilmenite (FeTiO3) with weight fractions of 39,88%, 52,99% and 7,13% respectively. The Cp(T) for iron ore containing ilmenite was then successfully determined with the following equation:

Cp(T) = a + b T + c T-2 J/mol.K with a = 747 1132 b = 2.27 2.70 c = (12.1 15.7) x 107

Keywords : Iron Ore, Ilmenite, Heat Capacity, DTA/DSC


i

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr. Wb.

Alhamdulillah, puji syukur atas kehadirat dan karunia yang telah Allah

Subhana Wa Taala limpahkan. Pada akhirnya penulis dapat

menyelesaikan tugas penulisan tesis ini yang merupakan salah satu syarat

dari kelulusan Magister Ilmu Material di Program Pascasarjana

Universitas Indonesia dengan judul tesis adalah: Penentuan Kapasitas

Panas Material Iron Ore Mengandung Ilmenite.

Dalam perjalanan tugas penelitian ini penulis telah melalui berbagai

kendala yang tidak sedikit baik dari segi non teknis maupun dari segi di

dalam penelitian itu sendiri. Banyak hikmah yang didapat yang mungkin

saja belum tentu didapatkan di bangku pendidikan formal, apapun

kendala yang telah dihadapi pada akhirnya penulis telah sampai pada

tahap akhir tugas studi yang merupakan suatu kewajiban moral untuk

diselesaikan.

Akhirnya, penulis berharap Insya Allah tugas penulisan ini dapat

bermanfaat untuk para pemerhati di bidang yang terkait dengan penulisan

ini, walaupun masih jauh dari kesempurnaan. Dengan tangan dan fikiran

terbuka, penulis harapkan akan kritik dan saran yang membangun demi

memperbaiki penulisan ini hingga menjadi lebih baik.

Tidak berkurang ilmu seseorang dengan memberikan ilmunya kepada

orang lain, sebaliknya akan bertambah ilmu orang tersebut karena dia

telah tulus ikhlas memberikan pada orang lain. Amin.

Wassalamualaikum Wr.Wb.

Jakarta, Desember 2006

Penulis


ii

UCAPAN TERIMA KASIH

Dengan telah terselesaikannya tugas tesis ini, tentu saja tak lepas dari

rahmat dan keridhoan dari Allah Subhana Wa Taala, Raja diatas segala

kekuasaan. Serta bantuan dari orang-orang yang telah berjasa

memberikan dorongan, doa, dan bimbingan dengan tulus ikhlas. Untuk

itu penulis persembahkan ucapan terima kasih atas keindahan-keindahan

yang telah diberikan, kepada :

1. Bapak Dr. Bambang Soegijono, selaku Ketua Program Studi Ilmu

Material Program Pascasarjana Universitas Indonesia yang telah

memberikan pengarahan dan membantu penulis dalam penggunaan

fasilitas - fasilitas yang ada di Ilmu Material.

2. Bapak Dr. Azwar Manaf, M.Met. selaku pembimbing utama yang

sangat berusaha keras membantu penulis melalui arahan-arahannya

dan kedermawanan beliau dengan berbagai ilmu yang diberikan.

3. Bapak Dr.-Ing.Ir. Bambang Suharno, selaku pembimbing

pendamping yang sangat care semenjak penulis mengabdikan diri

dan bernaung di Dept.Metalurgi & Material FTUI serta atas

bantuan moril dan materil yang tidak sedikit.

4. Bapak Dr.Ir. Donanta Dhaneswara, MSi. pemberi dukungan moril

dan materil yang tidak pernah berhenti untuk menunjukan

keberadaannya.( Thanks for ur attention..... )

5. Bapak Dr. Ir. Johny Wahyuadi Soedarsono, DEA selaku staf

pengajar di Dept.Metalurgi & Material FTUI dan Ilmu Material

yang memberikan motivasi awal sehingga timbul kepercayaan

dalam diri untuk melanjutkan studi.

6. Staf pengajar di program studi ilmu material yang telah

memberikan banyak ilmu selama perkuliahan.

7. Bapak-bapak dan ibu-ibu staf pengajar Dept.Metalurgi & Material

FTUI, atas bantuan doanya (mohon maaf tidak dapat disebutkan

satu-persatu).


iii

8. Teman-teman karyawan di Dept.Metalurgi & Material FTUI, pak

Min, pak Mujirin, dewi, esti, sukma, nurhayati, ahmad mamad

ashari, deni, iyonk zul, para teknisi-teknisi lab. atas bantuan dan

waktunya untuk membantu tugas-tugas pekerjaan di Metalurgi.

9. Almarhum Bapak yang telah beristirahat dengan tenang di

peraduannya, Ibu tersayang yang telah berkorban segalanya demi

membesarkan anak-anaknya hingga menjadi orang-orang yang

berhasil dan terhormat, Mas Santo, Mbak Har, Umi, Robi, Nur, dan

Titik atas doa dan dukungannya.

10. Teman-teman matsui 2004 yang selalu membantu dan menjadikan

hidup ini jadi penuh warna atas kekompakan-nya : Tia my

soulmate, Titis film titis, Fira mak comblang yang selalu gagal,

Mbak Yunita, Sri, Tri yang masih pantas ikut SPMB, Bu Elda, ,

Novi, Pak Gunung, Hendri, Pak Erwan, Pak Nopry, Arju, Rukman,

Tedi, Angga si bungsu, Aria pemerhati rambut, Indra, Mas

Abdul, Pak Agung, Pak Agus yang menghilang, Kunar, Dhena,

Hubbi,. (Kapan kita vacation lagi.? ) 11. S3 Mania Pak Pri, Pak Erfan, terutama Mbak Yoven atas bantuan

revisi penulisan dan menemani penulis saat uji di lab. Ayo

jangan takut mencairkan hati masmo. 12. Mbak-mbak dan mas-mas di Ilmu Material : Mbak Siti, Mbak Lili,

Mas Suroto, Mas Eko, atas bantuannya guna memperlancar studi

penulis dalam urusan administrasi, terutama mas Eko yang selalu

setia menemani penulis di laboratorium sampai malam.

13. Agus Edi Pramono, ST sang katalis yang telah berhasil

mempertautkan hati penulis dengan.

14. And the lastOnly one who save in my heart: Mochammad

Masruchin, ST. Thanks for loving me, support, waiting for my

study, together we can live all of the timeInsya Allah.

Semoga Allah SWT membalas semua kebaikan yang telah diberikan.

Amin.


iv

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................ -

ABSTRAK ...................................................................................................... -

ABSTRACT .................................................................................................... -

KATA PENGANTAR .................................................................................... i

UCAPAN TERIMA KASIH ........................................................................... ii

DAFTAR ISI .................................................................................................. iv

DAFTAR TABEL ........................................................................................... vii

DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... viii

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang ................................................................. 1 I.2 Tujuan Penelitian .............................................................. 3 I.3 Ruang Lingkup Penelitian ................................................. 3 I.4 Kegunaan/Manfaat Penelitian ........................................... 3 I.5 Sistematika Penulisan ....................................................... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

II.1 Kondisi Geologi ................................................................ 5

II.2 Mineral Magnetite (Fe3O4) .............................................. 6

II.3 Mineral Hematite (Fe2O3) ................................................. 8

II.4 Mineral Ilmenite (FeTiO3) ................................................ 9

II.5 Kapasitas Panas (Cp) ........................................................ 12

II.5.1. Petunjuk Pengukuran Kapasitas Panas ................................................................................. 14

II.6 Differential Thermal Analysis (DTA) dan Differential Scanning Calorimetry (DSC) ........................ 16

II.7 Studi Literatur Yang Berkaitan Dengan Penelitian ........................................................................... 20

II.7.1. Pengukuran DTA Pada Sampel Permukaan Aerosil 8CB ...................................................... 20


v

II.7.2. Determinasi DSC dari Thermodinamika Ni Supercooled ......................................................... 23

II.7.3. Perhitungan Konfigurasi Kapasitas Panas Pada Material Alkali vs Alkaline-Earth Aluminasilicate Liquid ........................................ 26

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

III.1 Diagram Alir Penelitian .................................................... 31

III.2 Karakterisasi Bahan dan Alat Penelitian ........................... 32

III.2.1 Perlakuan Bahan Penelitian ................................... 32

III.2.2 Karakterisasi Bahan ............................................... 33

III.3 Peralatan Uji Sampel ......................................................... 33

III.3.1 X-Ray Diffractometer (XRD) ............................... 33

III.3.2 X-Ray Fluoresence (XRF) .................................... 33

III.3.3.Differential Thermal Analysis (DTA) dan Differential Scanning Calorimetry (DSC) ............. 34

III.3.4 Bahan dan Alat Penunjang Lainnya ...................... 34

III.4 Simulasi Penentuan Koefisien a, b, c Pada Kapasitas Panas ................................................................ 35

III.5 Validasi Menentukan Kapasitas Panas (Cp) .................................................................................... 35

BAB IV ANALISA HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.1 Komposisi Iron Ore .............................................................. 36 IV.2 Metode DTA dan DSC untuk Mengukur Kapasitas

Panas .................................................................................... 41

IV.2.1. Validasi Metode Dengan DTA ................................ 41

IV.2.2. Validasi Metode Dengan DSC ................................. 44

IV.3 Penentuan Kapasitas Panas dari Iron Ore ............................ 45 IV.4 Penentuan Kapasitas Panas dari Ilmenite ............................ 48 IV.5 Energi Yang Diperlukan Oleh Iron Ore Dengan dan

Tanpa Ilmenite ...................................................................... 50


vi

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan .......................................................................... 53

V.2 Saran .................................................................................... 54

DAFTAR ACUAN ......................................................................................... 55

LAMPIRAN


vii

DAFTAR TABEL

Tabel II.1. Kandungan Sifat Fisik Magnetite ................................................. 7

Tabel II.2. Kandungan Sifat Fisik Hematite .................................................. 9

Tabel II.3. Kandungan Kimia yang terdapat pada Ilmenite ........................... 11

Tabel II.4. Kandungan Sifat Fisik Ilmenite ................................................... 12

Tabel II.5. Komposisi (wt%) Material Yang Telah Diteliti ........................... 26

Tabel II.6. Relatif Entalpi Eksperimen (J/g) .................................................. 27

Tabel II.7. Koefisien Entalpi dan Kapasitas Panas untuk Fasa Glass dan

Liquid (J/mol.K) ........................................................................... 28

Tabel IV.1. Hasil Uji XRF Sampel Iron Ore Sebelum Pemanasan ............... 36

Tabel IV.2. d-Value Hasil Stripping Sampel Iron Ore Sebelum

Pemanasan ................................................................................... 37

Tabel IV.3. Refinement Hasil GSAS untuk Iron Ore T= 4000C, 12 Jam ...... 39

Tabel IV.4.Komposisi Iron Ore Pemanasan 4000C, Waktu Tahan 12 Jam ... 40

Tabel IV.5.Hasil Uji XRF Sampel Iron Ore Pemanasan 4000C, Waktu

Tahan 12 Jam ............................................................................... 41

Tabel IV.6. Nilai Cp(T) Iron Ore Dengan 3 Massa Berbeda ......................... 47

Tabel IV.7. Nilai Cp(T) Iron Ore Dengan 3 Massa Berbeda Pada

Berbagai Temperatur .................................................................. 48

Tabel IV.8. Nilai Cp(T) Ilmenite Dengan 3 Massa Berbeda Pada

Berbagai Temperatur .................................................................. 50


viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar II.1. Contoh Bentuk Magnetite ........................................................ 6

Gambar II.2. Contoh Bentuk Hematite .......................................................... 8

Gambar II.3. Contoh Bentuk Ilmenite ........................................................... 11

Gambar II.4. Eksekusi Analisa Kapasitas Panas T vs Waktu ........................ 14

Gambar II.5. Skema Uji Differential Thermal Analysis (DTA) .................... 17

Gambar II.6. Skema Uji Differential Scanning Calorimetry (DSC) .............. 18

Gambar II.7. Contoh Hasil Uji Differential Scanning Calorimetry (DSC) ... 19

Gambar II.8. Instrumen Kalibrasi DSC untuk Menentukan Cp ..................... 20

Gambar II.9. Kurva Thermal Analisis dari Aerosil A380 ............................. 21

Gambar II.10. Kurva DTA dari Komposit dan Bulk 8CB ............................. 22

Gambar II.11. Kurva DSC dari Komposit dan Bulk 8CB ............................. 22

Gambar II.12. Kurva DSC Eksperimen pada Kalorimetri ............................. 23

Gambar II.13. Kurva Plot Waktu Tahan, T vs Cooling Rate ......................... 24

Gambar II.14. Histogram Frekuensi Temp. Kristalisasi vs Undercooling..... 24

Gambar II.15. Kurva Plot Hasil Pengukuran Efek Panas Kristalisasi ........... 25

Gambar II.16. Perhitungan Kapasitas Panas dari CA, ACM dan NCK ......... 28

Gambar III.1. Diagram Alir Penelitian .......................................................... 31

Gambar IV.1. Hasil Uji XRD Sampel Iron Ore Sebelum Pemanasan ........... 37

Gambar IV.2. Hasil Uji XRD Iron Ore Pemanasan 4000C, 12 Jam .............. 38

Gambar IV.3. Grafik Hasil GSAS Iron Ore Pemanasan 4000C, 12 Jam ....... 39

Gambar IV.4. Validasi Uji DTA Dengan Sampel Alumina, m = 18.2. mg ... 42

Gambar IV.5. Validasi Uji DTA Dengan Sampel Alumina, m = 20.8. mg ... 42

Gambar IV.6. Validasi Uji DSC Dengan Sampel Alumina, m = 11.8. mg ... 44

Gambar IV.7. Validasi Uji DSC Dengan Sampel Alumina, m = 10. mg ...... 44


ix

Gambar IV.8. Fitting Grafik Cp(T) Iron Ore Pemanasan 4000C, 12 Jam,

m=10.2 mg ............................................................................. 46

Gambar IV.9. Fitting Grafik Cp(T) Iron Ore Pemanasan 4000C, 12 Jam,

m=11.6 mg ............................................................................. 46

Gambar IV.10. Fitting Grafik Cp(T) Iron Ore Pemanasan 4000C, 12

Jam, m=9.4 mg ....................................................................... 47


1

BAB I

PENDAHULUAN

I.1. Latar Belakang

Besi oksida adalah salah satu mineral alam dan merupakan logam tertua

yang terdapat di bumi, 3500 tahun yang lalu untuk pertama kalinya

digunakan sebagai obyek seni ornamen. Besi murni adalah logam yang

berbentuk lunak dan berwarna putih abu-abu, tetapi pada kenyataannya

besi murni tersebut agak sulit didapatkan. Kalaupun ada, biasanya

merupakan hasil dari ledakan batu-batu meteor yang berhamburan atau

jatuh ke bumi. Besi lebih banyak ditemukan dalam bentuk campuran atau

telah ber-ekstraksi dengan logam/unsur lain, misalnya besi oksida. Besi

yang mengandung bijih ini biasanya terdapat 20% sampai dengan 70%

atau bahkan lebih. [1]

Besi sangat diperlukan untuk kehidupan hewan dan tumbuhan. Pada

tubuh manusia terdapat 0,006% zat besi, terutama di dalam darah. Sel-sel

darah yang mengandung zat besi membawa oksigen dari paru-paru

sampai hampir ke seluruh tubuh. Kekurangan zat besi dapat

mengakibatkan lemahnya daya tahan tubuh manusia dan mudah

terinfeksi.

Beberapa manfaat besi yang dapat digunakan dalam kehidupan,

diantaranya adalah Besi powder biasanya digunakan pada : produk-

produk metalurgi, magnet, pusat frekuensi-tinggi, sparepart otomotif,

katalisator. Besi radioaktif (besi 59) digunakan untuk : dunia kedokteran,

biokimia dan penelitian di bidang metalurgi. Besi biru digunakan untuk :

cat, tinta printer, plastik, kosmetik (eye shadow), artist colors, laundry

blue, kertas pencelup, bahan-bahan pupuk, finishing pada mobil atau

aplikasi lainnya, industri modern. Besi hitam digunakan untuk : zat


2

pewarna, campuran polishing, metalurgi, kedokteran, tinta magnetik, fasa

ferrite dalam industri elektronik.[2]

Iron ore (bijih besi) merupakan logam yang bersumber dari permukaan

bumi, yang berisikan unsur besi yang sangat tinggi kadar besinya dan

bisa diperjual-belikan secara komersial. Iron ore dapat berubah menjadi

beberapa macam jenis yang dilakukan melalui berbagai proses. Salah

satu proses yang sangat dikenal adalah blast furnace, yaitu proses yang

memproduksi pig iron yang berisikan diantaranya 92 94% besi dan 3

5% karbon serta beberapa unsur unsur kecil lainnya. Pig iron terbatas

dalam penggunaannya, diantaranya adalah besi yang dicampur dengan

baja yang akan menghasilkan baja campuran ( steel alloys ), prosesnya

adalah besi yang dicampur dengan karbon dan ditambah dengan unsur

unsur lainnya seperti mangan dan nikel. [1]

Raw material juga dapat digunakan untuk memproduksi pig iron dalam

proses blast furnace seperti : iron ore (bijih besi), coke, sinter dan

limestone. Iron ore pada umumnya mengandung besi oksida diantaranya

magnetite (Fe3O4), hematite (Fe2O3), ilmenite (FeTiO3), limonite dan

material batuan lainnya. Logam logam lain yang biasanya dicampurkan

atau diekstraksi dengan besi untuk memproduksi macam macam baja,

adalah kromium, nikel, mangan, molibdenum dan titanium.[1]

Iron ore mempunyai kandungan mineral magnetite (Fe3O4) sebesar 72%

dan hematite (Fe2O3) sebesar 70%, dan besi merupakan elemen yang

sangat reaktif dan mudah teroksidasi (berkarat).[2]

Berdasarkan atas informasi yang di dapatkan bahwa material iron ore

yang berada di lokasi perbukitan di daerah Sukabumi Jawa Barat ini

terkandung mineral ilmenite (FeTiO3). Atas dasar informasi tersebut

penulis tertarik untuk meneliti lebih jauh karakterisasi mineral tersebut

dan mencoba untuk mencari nilai kapasitas panas (Cp) dari material iron

ore mengandung ilmenite (FeTiO3) dan mineral ilmenite (FeTiO3) itu


3

sendiri, dimana dalam buku literatur mineral tersebut belum diketahui

nilai Cp-nya. Untuk mencari nilai penentuan Cp ini penulis

menggunakan alat uji DTA (Differential Thermal Analysis) dan DSC

(Differential Scanning Calorimetry). Dengan alat uji ini akan dapat

diketahui kapasitas panas dari suatu material dengan kriteria dan cara-

cara tertentu.

I.2. Tujuan Penelitian

Maksud dan tujuan dilakukan penelitian ini adalah untuk :

1. Karakterisasi material iron ore mengandung ilmenite

2. Menentukan nilai kapasitas panas (Cp) teoritis pada material iron ore

mengandung ilmenite.

3. Menentukan nilai koefisien a, b, dan c pada model teoritis kapasitas

panas (Cp) dari material iron ore dan ilmenite.

4. Mempelajari kapasitas panas yang terjadi pada material iron ore

mengandung ilmenite dengan alat uji DTA dan DSC.

I.3. Ruang Lingkup Penelitian

Pada penelitian ini akan membahas tentang penentuan kapasitas panas

(Cp) material iron ore mengandung ilmenite. Penentuan kapasitas panas

ini dikondisikan agar tidak terjadi perubahan fasa atau kondisi

endothermic dan exothermic.

I.4. Kegunaan/Manfaat Penelitian

Mengetahui unsur atau senyawa yang terdapat pada material iron ore dan

menentukan kapasitas panas yang terjadi pada material tersebut, yang

nantinya akan berguna sebagai acuan reduksi yang menghasilkan Fe

(besi) murni pada proses blast furnace.


4

I.5. Sistematika Penulisan

Sistematika pembahasan dalam penulisan ini adalah sebagai berikut :

Bab I menjelaskan tentang latar belakang permasalahan, tujuan

penelitian, ruang lingkup dan manfaat penelitian.

Bab II menjelaskan tentang tinjauan pustaka yang berisi teori dasar yang

dipergunakan dalam penelitian ini.

Bab III menjelaskan tentang metode eksperimen, yaitu prosedur yang

dilakukan dalam eksperimen.

Bab IV menjelaskan tentang analisa dan pembahasan mengenai hasil

eksperimen.

Bab V menjelaskan tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian

dan hasil teoritis.


5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Kondisi Geologi

Endapan bijih besi terjadi karena proses sedimentasi, pelapukan

(weathering), erosi dan pencucian dari batuan vulkanik atau daratan.

Bijih besi terdiri dari batu pasir yang tertransportasikan dari pegunungan,

batas jurang, karang yang terjal melalui sungai atau abrasi batas pantai.

Penambahan dari endapan pasir besi dapat terjadi secara musiman,

dominan pada musim penghujan, aliran sungai yang membawa endapan

sedimen menuju laut dicuci dan kemudian terendapkan kembali di garis

pantai, akan tetapi kadang-kadang proses pencucian tidak berlangsung

sempurna karena jumlah sedimen yang mengalir begitu banyak, sehingga

endapan bijih pasir besi bercampur dengan lumpur (bila terjadi banjir,

dsb). Keadaan ini perlu dibantu dengan cara manual seperti bijih pasir

besi disemprot dengan air (water jet). Akhir-akhir ini, proses

pengendapan semakin berkurang karena banyaknya aktivitas manusia di

sekitar hulu sungai seperti pengambilan pasir sungai, proyek

pembangunan DAM untuk irigasi pertanian dan listrik yang secara tidak

langsung berperan besar dalam pengurangan proses pengendapan bijih

pasir besi, kemungkinan besar proses pengendapan bijih pasir besi yang

terjadi pada saat ini disuplai oleh erosi karang dan garis pantai.

Keterdapatan bijih pasir besi di Indonesia hampir tersebar di seluruh

kepulauan, terutama bagian barat dan timur pulau Sumatera tepatnya di

pulau Bangka (endapan timah dan mineral pengikutnya), pantai selatan

pulau Jawa, bagian barat pulau Kalimantan.

Berdasarkan endapan bijih pasir besi, kemungkinan terdapat perbedaan

dari karakter fisis kandungannya, karena waktu pengendapan yang

berbeda-beda dan sumber dari bijih pasir besi juga beragam sehingga


6

kemungkinan terjadi perbedaan (enrichment) dalam kandungan Fe, Mg,

Ti, dan lain-lain. Jenis endapan bijih pasir besi secara makrokopis

memiliki susunan mineral magnetite, hematite dan ilmenite, terbentuk

sebagai endapan placer (tersortir : karena proses mekanik dan gravitasi).

II.2. Mineral Magnetite ( Fe3O4 )

Mineral magnetite adalah magnet alami, yang mempunyai karakteristik

sebagai mineral istimewa. Magnetite termasuk dalam kelompok spinel

dimana formula standardnya adalah A(B)2O4. A dan B biasanya

digambarkan sebagai ion-ion logam yang struktur kristalnya agak

berbeda. Pada magnetite, Fe3O4 (Iron Oxide), logam A adalah Fe+2 dan

logam B adalah Fe+3; kedua-duanya mempunyai ion-ion logam yang

berbeda. Perpindahan elektron-elektron dari kedua material tersebut

mempunyai vektor atau bagian struktur besi yang berbeda. Vektor

elektrik termasuk daerah magnetik. Mineral magnetite berwarna hitam

dan mempunyai kekerasan berkisar antara 5.5 6.5, sistem kristal adalah

simetri dengan space group 4/m 3 2/m.[3] Gambar II.1 memperlihatkan

foto Kristal Magnetite.

Gambar II.1. Contoh bentuk Magnetite yang berada di Lokasi Mineville, Moriah Township, Mineville District, Essex Co., New York, USA. Foto hasil karya John H.

Betts 2000-2001. John Betts Fine Minerals http://johnbetts-fineminerals.com[4]

Mineral magnetite mempunyai kandungan kimianya sebagai berikut:[5]

1. Tingkat kemurnian sebesar 96% - 99.9%


7

2. Superparamagnetik yang mempunyai ukuran sebesar 10 mikron

tidak mempunyai memori magnetik.

Sementara kandungan fisik untuk magnetite yaitu :

1. Bentuk kandungan fisiknya menyerupai : gumpalan, terpotong-

potong, butiran-butiran dan macam-macam bentuk butiran-butiran

powder yang berukuran dibawah 0.020 mikron.

2. Standard terendah butiran-butiran magnetite yang berukuran mikron

menurut APS (d50) adalah 10 mikron, 18 mikron dan 63 mikron.

3. Iron ore hitam berukuran nanopartikel yang dijual secara komersial

ukurannya sangat kecil yaitu berukuran 20 nanometer.

4. Magnetite yang berbentuk butiran butiran dijual dengan harga

premium.

Mineral magnetite mempunyai kandungan nominal fisik sebagaimana

tercantum pada Tabel II.1.

Tabel II.1. Kandungan Sifat Fisik Magnetite[5] Bentuk Kilau Metalik

Keuletan Britel/Ulet

Tanda ID Ferromagnetik

Berat Jenis Solid (gm/cm3) 5.1

Lapisan Hitam

pH 7

Sifat Tembus Cahaya Tidak Tembus Cahaya

Kekerasan Mohs@20C 5.5 to 6.5

Kekuatan Kuat

Berat Spesifik 5.17 to 5.18

Warna Hitam keabu-abuan

Sistem Kristal Isometrik

Kekerasan Mohs 5.5 to 6.0

Bentuk Partikel Irregular

Bentuk Magnetik Ferri magnetic


8

II.3. Mineral Hematite ( Fe2O3 )

Mineral hematite umumnya berwarna abu-abu dan mempunyai rumus

kimia Fe2O3.

Mineral hematite mempunyai bentuk yang sangat unik, salah satunya

yang terdapat di Switzerland, seperti tercantum dalam Gambar II.2.

Gambar II.2. Contoh bentuk Hematite yang berada di Lokasi Tujetsch (Tavetsch),

Grischun (Grisons; Graubunden), Switzerland. Foto hasil karya John H. Betts 2000-2001. John Betts Fine Minerals http://johnbetts-fineminerals.com[4]

Hematite adalah kandungan bijih terpenting didalam besi dan berwarna

merah darah (dalam bentuk powder) yang tercampur baik yang berguna

sebagai pigmen. Hematite mempunyai sistem kristal trigonal ; bar 3 2/m.

Mineral ini ada yang berwarna abuabu perak cenderung kehitaman dan

merah cenderung kecoklatan.[3]

Mineral hematite mempunyai kandungan kimianya sebagai berikut:[5]

1. Komposisi besi (Fe2O3) = 50% 95%, kandungan besi = ~ 65%

67% yang kurang lebih mengandung 2% magnetik.

2. Tingkat kemurnian diatas 99.95%

Sementara kandungan fisik untuk hematite yaitu : hematite yang

membentuk gumpalan-gumpalan, potongan-potongan, butiran-butiran

dan macam-macam butiran yang berukuran dibawah 0.003 mikron (3

nanometer).


9

Mineral hematite mempunyai kandungan nominal fisiknya seperti

tercantum dalam Tabel II.2.

Tabel II.2. Kandungan Sifat Fisik Hematite[5] Berat Molekul (g/mol.) 159.69

Indeks Refraksi 3.042

Berat Jenis Terbesar (lbs./ft3) 147.

Titik Lebur (C) 1475- 1565

Titik Leleh (C) Decomposes

pH 7

Loss On Ignition 0.1- 0.3

Kekerasan Mohs @20C 5.5 to 6.5

Spesifik Area Permukaan (m2/g) 11

Spesifik Gravitasi 4.8- 5.26

Warna Seperti pemerah pipi

Sistem Kristal Hexagonal

Hematite berguna pada aplikasi kehidupan diantaranya : digunakan

dalam pembuatan coating, zat pewarna, karet, adesif, plastik, bahan

pembuat beton, iron ore dalam baja manufaktur, media densitas, dan

pemerah pipi.

II.4. Mineral Ilmenite ( FeTiO3 )

Ilmenite adalah mineral yang mengandung titanium oksida (TiO2) dalam

bentuk senyawa yang memiliki besi alami. Umumnya berbentuk pasir

hitam, berbau, berasa, tidak transparan (buram) yang hanya dapat dilihat

dengan mikroskop, tidak berkilau dan tidak mudah hancur pada

temperatur 200C. [5]

Mineral ilmenite dilihat dari segi ekonomi adalah mineral yang sangat

menarik. Nama ilmenite diberikan sesuai dengan ditemukannya di daerah


10

tersebut, yaitu suatu tempat disebut tipe lokalisasi, di Danau Ilmen di

pegunungan Ilmen, Miask di bagian utara Pegunungan Ural di Russia.

Ilmenite adalah mineral utama pada jenis bebatuan yang membeku akibat

dari gunung merapi dan proses konsentrasi lapisan yang terbentuk

disebut segregasi magmatik. Secara kristalisasi mineral yang dihasilkan

magma ini adalah mineral yang relatif muda dibandingkan dengan

mineral-mineral lain. Sebagai hasilnya, lapisan-lapisan mineral yang

keluar dari magma yang terdapat didalam ilmenite membentuk struktur

kristal yang sangat keras. Lapisan-lapisannya merupakan jenis batu besi

yang kaya mengandung unsur tambang Ti (titanium). Ilmenite juga

membentuk pegmatite dan beberapa batuan metamorfosis yang sangat

baik di dalam batuan sedimen yang terbentuk sebagai akibat dari cuaca

dan erosi. [3]

Sejak ditemukan, mineral ilmenite sangat berkembang pesat dan menjadi

mineral yang penting, karena adanya batuan titanium yang

dikandungnya. Pada saat itu titanium adalah logam yang sangat sedikit

digunakan dan tidak banyak orang yang mengetahui manfaat

penggunaannya. Pada tahun 1946 akhirnya diketahui bahwa mineral ini

sangat baik untuk digunakan secara komersial, maka dipertimbangkan

untuk membuat pusat laboratorium barang temuan. Sejak saat itu,

titanium menjadi logam yang kuat seperti-aluminium; karena mempunyai

komposisi yang bagus, non-korosi, baik pada temperatur yang ekstrim

(terutama pada titik lebur yang tinggi, 18000C) dan mempunyai kekuatan

atau ketahanan yang tinggi (lebih kuat dari baja dan dua kali lebih kuat

dari aluminium). Paduan titanium ditemukan di beberapa aplikasi pada

teknologi tinggi yaitu di dunia penerbangan, persenjataan, pada space

kendaraan dan implan di dunia kedokteran. [3]

Ilmenite tidak hanya bersumber dari titanium. Ada beberapa mineral

titanium yang sejenis diantaranya rutile, sphene, brookite, anatase,


11

pyrophanite, osbornite, ecandrewsite, geikielite, dan perovskite. [3]

Gambar II.3 memperlihatkan foto Kristal Ilmenite.

Gambar II.3. Contoh bentuk Ilmenite yang berada di Lokasi Martin Marietta

Quarry (11th Street Quarry), Hickory, Catawba Co., North Carolina. Foto hasil karya John H. Betts 2000-2001. John Betts Fine Minerals

http://johnbetts-fineminerals.com[4]

Secara umum ilmenit mempunyai beberapa kandungan kimia,

diantaranya tercantum dalam Tabel II.3.

Tabel II.3. Kandungan Kimia yang terdapat pada Ilmenite[5] No Nama Mineral Persentase (%)

1 Titanium Oksida (TiO2) 63.5 65.2

2 Khrom Oksida (Cr2O3) 0.07 0.12

3 Besi Oksida (Fe2O3) 28 30.6

4 Mangan Oksida (MnO) 1.25 1.35

Ilmenite juga mempunya sifat-sifat fisik seperti : ukuran nominalnya 30 x

270 mesh USS, ukuran butirannya dari 200 325 mesh. Ilmenit biasanya

dapat mensuplai sampai yang terkecil dengan ukuran D50 dari 1 mikron.

[5] Sifat-sifat fisik dari ilmenite tercantum dalam Tabel II.4.


12

Tabel II.4. Kandungan Sifat Fisik Ilmenite[5] Sifat Kelarutan Tidak Dapat Larut

Bentuk/Rupa Hitam

Berat Jenis Terbesar (kg/m3) 2400 2700

Reaktif Tidak Reaktif

Titik Lebur (C) 1050

Titik Didih (C) Tidak Diketahui

pH Netral

Konduktivitas Thermal @20C (cal/s-cm-C) -

Bersinar Tidak Bersinar

Warna Hitam

Berat Spesifik 4.3 to 4.6

Sudut yang Terbentuk (deg.) 30

Struktur Kristal Hexagonal

Kestabilan Bahan Kimia Stabil

II.5. Kapasitas Panas ( Cp )

Kapasitas panas adalah besaran fisis yang merupakan besaran panas yang

diperlukan untuk menentukan temperatur material 1 0C untuk setiap

gram-nya, antara lain :

C0gr

J .......... dtdQ

m1 Cp =

dimana : Q = energi panas yang diserap

m = massa sampel .......... (gr)

t = waktu pemanasan ......(s)

Kapasitas panas merupakan suatu sifat material yang penting terutama

kaitannya dalam proses yang melibatkan pemanasan seperti proses

peleburan. Dengan mengetahui kapasitas panas material dapat dihitung


13

besarnya panas yang perlu di suplai. Tentu saja dalam proses-proses

industri, Cp material berperan dalam menentukan heat balance

disamping mass balance, agar dalam penggunaan energi panas dengan

demikian biaya prosesnya menjadi optimal.

Penentuan kapasitas panas material dapat dilakukan dengan teknik

kalorimeter seperti Differential Thermal Analysis (DTA) dan Differential

Scanning Calorimetry (DSC).

Namun umumnya kapasitas panas material tidak konstan, tetapi suatu

nilai yang berubah dengan temperatur. Secara empirik mengikuti

Persamaan II.1.[6]

Cp(T) = a + b T + c T-2 .............. II.1

dimana : a, b, c adalah konstanta tergantung jenis material

Penggunaan kalorimeter untuk perubahan kapasitas panas melibatkan

konsekwensi dari perpindahan panas. Perbedaan essential antara DTA

dengan DSC adalah ada pada besaran terukur. Namun keduanya

mengukur besaran dari material yang dipanaskan dengan laju pemanasan

tertentu. DSC mengukur perubahan energi yang terjadi pada sampel

karena pemanasan dengan laju yang tetap sedangkan DTA mengukur

perbedaan temperatur yang terjadi antara sampel dan material referensi

sebagai akibat pemanasan pada laju yang tetap. Oleh karena pengukuran

kapasitas panas tidak dapat dilakukan secara langsung tetapi melalui

suatu proses manipulasi data maka perlu mengetahui faktor-faktor

instrumen yang mempengaruhi nilai kapasitas panas terukur.

Analisa kapasitas panas iron ore dilakukan dengan menggunakan

Differential Thermal Analysis (DTA) dan Differential Scanning

Calorimetry (DSC). DSC adalah teknik yang menjelaskan tentang variasi

heat flow yang masuk maupun yang keluar dari sampel, dimana


14

temperatur merupakan pengontrol aliran atmosfir. Perbedaan heat flow

untuk referensi dan sampel dijabarkan melalui fungsi temperatur atau

waktu, sementara sampel sebagai subyek pengontrol temperatur.[7]

Pada hukum I Thermodinamika, hukum konservatif energi yang

sederhana dinyatakan dengan hubungan energi dan panas. Dari kapasitas

panas ini dapat diturunkan perubahan entalpi yang memenuhi Persamaan

II.2.:[6]

H = m Cp(T) dT ............................II.2

II.5.1. Petunjuk Pengukuran Kapasitas Panas

Pengukuran kapasitas panas yang dilakukan dalam penelitian ini adalah

dengan menggunakan alat uji DTA dan DSC Shimadzu-50. DTA

dilakukan sebagai validasi untuk menentukan model teoritis dari

penentuan kapasitas panas iron ore mengandung ilmenite. Petunjuk dari

uji DSC ini dapat diterapkan pada uji DTA, yang dapat dilihat pada

Gambar II.4.[8]

T Temperatur konstan Kenaikan standard Temperatur konstan Temp Konstan t

Gambar II.4. Eksekusi Analisa Kapasitas Panas Antara Temperatur vs Waktu[8]

Pada gambar II.4 menjelaskan tentang eksekusi analisa kapasitas panas

yang dikehendaki melalui temperatur program. Pada saat temperatur

mengalami kenaikan dengan temperatur standard, sistem temperatur

dalam kondisi stabil.


15

Pengukuran aktual dari kapasitas panas ini mengikuti 3 konfigurasi

dibawah kondisi temperatur yang sama, yaitu :[8]

1. Pengukuran pertama krusibel kiri dan kanan dalam keadaan kosong

2. Krusibel sampel sebelah kiri dalam keadaan tanpa isi sampel atau

kosong + krusibel diisi material referensi, dalam hal ini material

referensi yang digunakan adalah dengan alumina dengan massa

dinotasikan dengan m0 [g].

3. Krusibel sampel sebelah kiri juga dalam keadaan kosong + sampel

yang belum diketahui kapasitas panas-nya atau sampel yang akan

diuji dalam penelitian ini, untuk massa dinotasikan sebagai m[g].

Tempat krusibel sampel dan krusibel sampel itu sendiri dinotasikan

dengan hsC dan h

rC , sementara material referensi dan sampel yang ingin

diuji dinotasikan dengan C0 dan C, maka dari 3 konfigurasi pengukuran

diatas dapat ditulis dengan Persamaan II.3 sampai dengan II.5.[8]

1 SCCh

rh

s = ...................... II.3 200 )( SCcmC

hr

hs =+ ...................... II.4

3)( SCmcCh

rh

s =+ ...................... II.5

dimana : S1, S2, S3 adalah pengukuran signal DTA atau DSC dalam

kondisi stabil.

Dari ketiga persamaan tersebut, dapat ditentukan formula untuk

menghitung kapasitas panas spesifik yaitu dapat dilihat pada Persamaan

II.6.[8]

=

12

1300

SSSSx

mCmC p ..................... II.6

dimana :

m0 = massa awal dari S2 (signal 2), sampel


16

standard/referensi

m = massa sampel dari S3 (signal 3), sampel uji

S1, S2, S3 = signal 1, signal 2, signal 3

Sementara untuk menentukan fraksi mol dari sampel, mengikuti metode

yang diusulkan oleh M.A. Bouhifd, dan kawan-kawan, menjadi

Persamaan II.7.[9]

Cp(T) = X1 Cp1(T) + X2 Cp2(T) + X3 Cp3(T) ...................... II.7

II.6. Differential Thermal Analysis ( DTA ) dan Differential

Scanning Calorimetry ( DSC )

Differential Thermal Analysis (DTA) adalah tehnik pengukuran pada

temperatur yang berbeda antara referensi dan sampel ( panas yang masuk

kedalam material ) sebagai fungsi waktu atau temperatur, dimana

atmosfir sebagai scanning temperatur. DTA memungkinkan untuk

mendeteksi transformasi yang terjadi untuk semua kategori material.[7]

Teori DTA adalah temperatur yang berbeda antara referensi dan sampel

yang dimonitor sebagai fungsi temperatur. Berikut ini disajikan skematik

dari DTA yang tercantum dalam Gambar II.5.[7]


17

Gambar II.5. Skema Uji Differential Thermal Analysis (DTA)[7]

Sementara Differential Scanning Calorimetry adalah tehnik penentuan

variasi keluar dan masuknya aliran panas pada sampel dimana atmosfir

sebagai scanning temperatur. Perubahan panas terjadi di saat transformasi

pada pemanasan dan pendinginan yang diberikan pada material;

banyaknya panas yang terjadi ditentukan oleh transformasi temperatur

pada alat DSC.

Teori DSC adalah aliran panas yang terjadi ke atau dari sampel pada

referensi dan sampel yang dimonitor sebagai fungsi temperatur atau

waktu, sementara panas yang dihasilkan pada sampel adalah dikontrol

oleh temperatur program.


18

Skematik dari DSC dapat dilihat pada Gambar II.6.

Gambar II.6. Skema Uji Differential Scanning Calorimetry (DSC)[7]

Perbedaan pengoperasian alat DTA dan DSC adalah sebagai berikut :[7]

DTA perbedaan temperatur yang terukur, amplifi (penguat) dan dicatat/disimpan.

DSC perbedaan temperatur yang dikontrol sebagai energi listrik pada referensi dan sampel yang disimpan pada temperatur yang sama.

Daerah puncak yang ditampilkan langsung membentuk panas yang di

konsumsi atau di produksi oleh sampel.


19

Sementara aplikasi pada DTA dan DSC adalah :[7]

Aplikasi DTA : - Dipakai untuk mendeteksi transisi atau perubahan pada temperatur dan sampel murni

Aplikasi DSC : - Determinasi yang penting untuk temperatur transisi

- Panas yang di determinasi pada campuran fasa

kristal dan derajat kristalisasi

- Mempelajari kinetik kristal

- Determinasi kapasitas panas

- Determinasi bentuk panas

- Sampel murni

Berikut contoh tipe dari kurva DSC, yang ditampilkan dalam Gambar

II.7.

Gambar II.7. Contoh Hasil Uji Differential Scanning Calorimetry (DSC)[7]

Sementara untuk mencari penentuan kapasitas panas mengikuti

instrumen standard kalibrasi dari DSC, tercantum dalam Gambar II.8.


20

Gambar II.8. Instrumen Kalibrasi DSC untuk Menentukan Cp[7]

II.7. Studi Literatur Yang Berkaitan Dengan Penelitian

II.7.1. Pengukuran DTA Pada Sampel Permukaan Aerosil 8CB

Pengukuran termal analysis yang diaplikasikan pada material komposit

aerosol dan 8CB (4-n-octyl-4-cyanobiphenyl) dimana material komposit

ini mempunyai fasa liquid crystal (LC). Densitas s pada silika (gram silika/cm3 dari LC) divariasikan dari 0.20 sampai dengan 12 g/cm3 pada

lapisan permukaan yang mempunyai struktur monomolekuler.

Karakteristik aerosil 8CB dilakukan dengan mencampurkan aerosol

dan larutan 8CB kedalam acetone atau karbon tetraklorida. Metode ini

memungkinkan untuk mendapatkan hasil densitas yang tinggi yaitu 12

g/cm3. Sampel diuapkan pada T = 348 0K selama 20 jam, hal ini

bertujuan untuk menghilangkan zat pelarutnya. Analisa TG dilakukan

bersamaan dengan pengukuran DTA dengan alat TGDTA 92 dengan

heating rate 2.5 atau 10 0K/menit. Sementara pengukuran dengan DSC


21

Perkin Elmer 7 temperaturnya antara 253 sampai dengan 333 0K, heating

rate 5 atau 10 0K/menit.[10]

Hasil yang didapatkan dari TG-DTA yaitu kehilangan massa pada T =

1073 0K sehingga menjadi lebih kecil dan relatif lambat. Hal ini

disebabkan karena air yang diserap di permukaan hilang pada T = 357 0K

dan ikatan air lebih kuat karena hidrogen pada gugus OH ataupun

karena oksigen ( sampai T = 540 0K ).[10]

Hasil uji TG DTA terlihat pada Gambar II.9.

Gambar II.9. Kurva Termal Analisis dari Aerosil A380[10]

Sementara untuk hasil pengukuran DTA, LC yang telah terlapisi aerosil

beberapa ada yang menyerap panas atau endotermik dan eksotermik yaitu

terjadinya interaksi antara adsorbat-adsorben. Temperatur maksimal dari

peak DTA untuk endotermik yaitu 300500 0K, lebih besar daripada

aerosil dan 8CB. Dekomposisi untuk oksidasi eksotermal terlihat pada

puncak P2. Temperatur P2 bertambah sedangkan P1 berkurang, hal ini

disebabkan karena bertambahnya densitas silika. Komposit aerosil 8CB

menunjukan adanya perubahan eksotermal pada T = 540 0K ( lihat P3 )

yang tidak dijumpai pada 8CB. Gambar II.10 menunjukan kurva DTA

untuk sampel komposit dan 8CB.


22

Gambar II.10. Kurva DTA dari Komposit dan Bulk 8CB[10]

Temperatur pada puncak maksimum berkurang dengan bertambahnya

densitas silika, tetapi hal ini tidak terlalu penting dibandingkan P1 dan

P2. Dari hasil yang terlihat pada P3 menunjukan terbentuknya ikatan

kimia baru dan perlu diperkuat lagi dengan pengukuran IR.

Eksperimen DSC digunakan untuk mengetahui kriteria fasa 8CB dalam

sampel komposit, terlihat pada Gambar II.11.

Gambar II.11. Kurva DSC dari Komposit dan Bulk 8CB

dengan Densitas Silika 1.9, 6.7 dan 6.9.[10]


23

Perubahan fasa dalam komposit dengan densitas silika rendah dan

menengah terlihat pada temperatur rendah dan apabila dibandingkan

dengan 8CB menunjukan bahwa silika memberikan efek permukaan

yang tidak beraturan.

Temperatur kristalisasi diturunkan kira-kira 3.8 0K untuk sampel dengan

densitas silika 1.9, dan kira-kira 7.6 7.9 0K untuk sampel dengan

densitas yang rendah.[10]

II.7.2. Determinasi DSC dari Thermodinamika Ni Supercooled

Teknik eksperimen dari supercooled Ni liquid dicari dengan pengukuran

DSC calorimeter. Kunci dari teknik ini adalah menghindari terjadinya

nukleasi yang heterogen yaitu dengan coating sampel pada permukaan

lapisan dengan menggunakan lapisan oksida tipis. Teknik yang dibangun

ini berguna untuk mengukur entalphy kristalisasi dan menghitung

kapasitas panas dan Gibbs energi dari Ni murni.[11]

Prosedur eksperimen yang dilakukan dengan 4 seri pengukuran yaitu

berat sampel 51, 83, 88, dan 99 mg. Pada Gambar II.12. menceritakan

awal mula kristalisasi sampel yang dilapisi NiO lebih rendah daripada

temperatur kesetimbangan untuk Ni murni.

Gambar II.12. Kurva DSC Eksperimen Dari Hasil Yang Dicapai

Pada Eksperimen Calorimetri[11]


24

Dari kurva menunjukan bahwa metode pelapisan oksida memungkinkan

dan dapat dilakukan untuk studi sifat termal dari supercooled melts

dengan menggunakan calorimetri.

Hasil pengukuran calorimetri pada Gambar II.13 dan II.14 menjelaskan

bahwa kristalisasi adalah proses aktivasinukleasi dan yang membuat

jadi penting adalah waktu tahan, yang artinya saat waktu berlalu antara

melewati kesetimbangan temperatur kristalisasi dan saat kristalisasi

mulai mengambil posisi. Ada beberapa korelasi antara waktu tahan yang

lambat dengan pendinginan cepat.

Gambar II.13. Kurva Plot Waktu Tahan, Gambar II.14. Histogram Frekuensi Pengukuran Waktu Yang Telah Lewat Temp.KristalisasivsUndercooling[11] Dengan Waktu Tahan. T vs Cooling Rate[11]

Sifat termodinamika dari Ni liquid dapat diturunkan dari hasil

calorimeter yang diperoleh. Pada Gambar II.15. menunjukan plot

pengukuran perubahan entalpi atau panas perubahan liquid-solid yaitu

HLS (T) versus perubahan temperatur, dituliskan dalam persamaan sebagai berikut :[11]

HLS (T) = 3.33T + 11845 J/mol ............................II.8


25

Gambar II.15. Kurva Plot Hasil Pengukuran Efek Panas Kristalisasi[11]

Dari termodinamika telah diketahui bahwa HLS berhubungan dengan kapasitas panas perubahan CpLS = CpL CpS, fusi panas laten pada titik melting Hm dan perubahan energi Gibbs GLS = GL GS dengan 3 ( tiga ) persamaan berikut :[11]

Dari persamaan II.7. temperatur tergantung pada fungsi termodinamik

yang siap dihitung yang terdapat pada literatur Hm = 17479.82 J mol-1 [13] sementara pada percobaan Hm = 17596 J mol-1. Perbedaan antara Hm percobaan dengan literatur berbeda 0.05%, hal ini sangat tidak signifikan. Sayangnya, karena perlakuan atau treatment yang

tidak sama maka temperatur kristalisasi tidak mungkin dilanjutkan

karena percobaan yang dilakukan akan menutupi seluruh interval

temperatur dan untuk menghasilkan temperatur yang lebih akurat

tergantung pada CpLS.[11]


26

Metode DSC yang dilakukan tidak mungkin dilakukan pengukuran

langsung untuk entalpi tetapi mengulang kembali dengan persamaan

Hm yang dapat digunakan untuk menghasilkan CpLS dan Hm bersama dengan literatur untuk HS (T) disamping untuk mendapatkan

fungsi termodinamika.[11]

II.7.3. Perhitungan Konfigurasi Kapasitas Panas Pada Material Alkali vs Alkaline-Earth Alumininasilicate Liquid

Kapasitas panas dari 3 (tiga) aluminosilicate glass dan liquid sudah di

determinasi dari pengukuran dropcalorimeter antara 400 dan 1800 0K.

Dua material yang mempunyai 4 sistem senyawa yaitu CaO-MgO-Al2O3-

SiO2 (CA dan ACM) dan 7 (tujuh) komponen produk (NCK) yang sudah

diteliti. Komposisi kimia dari masing-masing senyawa dapat dilihat pada

Tabel II.5.[9]

Tabel II.5. Komposisi ( wt% )a Material Yang Telah Diteliti[9]

a Rata-rata analisa dengan menggunakan Camebax elektron

mikroprobe. b Gram berat dari satu mol oksida c N adalah bilangan atom per gfw d Temperatur ruang densitas Archimedean dari glass.

Untuk relatif pengukuran entalpi, terdapat 5 gram material yang diletakan

dalam krusibel PtRh 15% dan pemanasan 1 jam pada temperatur T

sebelum dimasukan es calorimeter dimana entalpi relatif HT H273.15 atau


27

dinotasikan dengan H273 yang pendinginannya diukur selama 15 menit.

Setting alatnya dilakukan dalam 2 perbedaan, yaitu antara temperatur 400

dan 1100 0K, 900 dan 1800 0K, yang siap digunakan pada prosedur

eksperimen.[14,15] Biasanya, hasil yang tercantum pada temperatur

transisi dari glass (Tg) akan didefinisikan mengikuti bagian dari kurva

temperatur glass dan liquid. Oleh karena itu temperatur fiktif pada glass

yang ditampilkan dibentuk dalam calorimeter.[9]

Hasil eksperimen dari relatif entalpi dapat terlihat pada Tabel II.6.

Tabel II.6. Relatif Entalpi Eksperimen (J/g)[9]

a Kristalisasi sebagian pada sampel didalam furnace sebelum di dropping.

Sementara untuk pengukuran diplot dalam Gambar II.16., dan

perhitungan kapasitas panas mengikuti Persamaan II.8 :[9]

Cm =( HT H273 ) / ( T 273 ) . II.9


28

Gambar II.16. Perhitungan Kapasitas Panas dari CA, ACM dan NCK.

Tanda Panah Mengindikasikan Transisi Dari Garis Glass dan Solid dan Fitting Nilai dari Persamaan Entalpi Terdapat Pada Tabel II.7.[9]

Gambar II.16. menunjukan data calorimetri dengan skala yang luas,

tanpa bias fitting maka akan didapatkan hasil kapasitas panas yang

terbaik. Istimewanya, plot Cm didisplay sebagai transisi glass yang

dibuktikan dengan bentuk kurva yang tajam, yang mana tidak terdapat

plot relatif entalpi-nya, terlihat pada temperatur 870, 980 dan 1115 0K

untuk komposisi NCK, CA dan ACM.

Tabel II.7. Koefisien Entalpi dan Kapasitas Panas untuk Fasa Glass dan Liquid

(J/mol.K)[9]

a Deviasi rata-rata absolute pada data eksperimen dari fitting nilai dalam temperatur interval T Data pada Tabel II.7. untuk nilai koefisien entalpi dan kapasitas panas

didapatkan dari Persamaan II.9a dan b.[9]


29

...II.10a & II.10b

dimana R273 adalah konstan dan parameter-nya diatur hanya pada fasa

liquid. Untuk glass,dideterminasikan oleh HT H273 = 0, T = 2730K.

Persamaan II.9a dan b, didapat dari persamaan differential least-square

untuk mengukur entalpi relatif, terlihat dalam Persamaan II.10.[9]

. II.11

Dengan oksida sebagai komponen, kapasitas panas dari silicate dapat di

hitung dengan Persamaan II.11.[9]

= pii CxCp .... II.12. dimana xi adalah fraksi mol dari oksida i dan SC pi

adalah partial molar

dari kapasitas panas. Dengan diasumsikan menjadi komposisi

independent, dengan bergantung pada temperatur dapat terlihat pada

Persamaan II.9a.

Pengukuran calorimetri untuk titik melting dengan empat atau lebih

komponen oksida dikonfirmasi pada observasi yang berbeda antara alkali

dan alkalineearth aluminosilicate. Untuk bentuknya, konfigurasi

kapasitas panas yang mempunyai komposisi nonlinier bergantung

dengan korelasi pada bilangan koordinat oksigen dari elemen alkali yang

digabung dengan aluminium. Pada akhirnya, gabungan dari elemen-

elemen alkaliearth tidak dapat dirubah ketika ber-introduce dengan

Al2O3. Variasi ini konsisten dengan efek dari rangependek dari

konfigurasi titik melting silicate. Untuk lebih spesifik informasi ini dapat

digambarkan dari sisi struktur yang dipelajari atau simulasi computer.

Akhirnya, point yang dihasilkan pada interaksi bilangan biner lainnya,


30

yakni substansial dengan model thermochemical pada system yang

kompleks dari pengukuran dengan titik melting yang lebih simpel.


31

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

III.1. Diagram Alir Penelitian

Metode penelitian yang dilakukan mengikuti langkah-langkah sebagai

berikut :

Gambar III.1. Diagram Alir Penelitian

Material Iron Ore Sukabumi

Material Iron Ore Sebelum Pemanasan

Preparasi sampel (Penumbukan & pengayakan)

Karakterisasi XRF, XRD,GSAS

Validasi & Simulasi DTA Alumina, Besi, Besi Oksida

Analisa Hasil & Pembahasan

Kesimpulan

Menentukan model teoritis Cp dari hasil validasi & simulasi DTA

Uji DSC iron ore mengandung ilmenit

Material Iron Ore Pemanasan 4000C, 12 Jam

Mencari koefisien a,b,c kapasitas panas sampel iron ore dari hasil uji DSC


32

Penjelasan Diagram Alir Penelitian

Material iron ore asal Sukabumi awalnya adalah mineral alam berbentuk

batuan yang keras dan tidak beraturan, kemudian dihaluskan dengan

penumbukan dan pengayakan, dilanjutkan dengan pemisahan sampel,

yaitu : material sebelum dilakukan pemanasan dan sampel pemanasan

dengan temperatur 4000C selama 12 jam. Kedua sampel yang berbeda

perlakuan tersebut dikarakterisasi dengan menggunakan XRF, XRD dan

program software GSAS. Setelah itu dilakukan validasi dan simulasi

DTA dengan sampel standard, yaitu : Alumina (Al2O3), Besi (Fe) dan

Besi Oksida (Fe2O3), dimana hal ini dilakukan untuk menentukan model

teoritis dalam mencari nilai koefisien a, b, dan c dalam kapasitas panas

(Cp). Selanjutnya dilakukan uji DSC untuk sampel iron ore mengandung

ilmenite, yang dilanjutkan dengan mencari nilai koefisien a, b dan c

sampel iron ore (Fe3O4, Fe2O3) dan sampel ilmenite (FeTiO3). Hasil-hasil

uji kemudian di analisa dan dibahas yang akhirnya akan didapatkan

kesimpulan dari keseluruhan uji yang dilakukan.

III.2. Karakterisasi Bahan dan Alat Penelitian

III.2.1. Perlakuan Bahan Penelitian

Pada penelitian ini bahan atau material yang digunakan adalah mineral

alam iron ore (bijih besi) yang mengandung ilmenite yang berasal dari

daerah Sukabumi. Dimana awal mulanya adalah material tersebut masih

berbentuk batuan dan tidak beraturan, kemudian dipecahkan dan

ditumbuk dengan palu dan linggis. Selanjutnya dihaluskan dengan

ayakan berukuran 250 mesh dan dipanaskan pada temperatur 4000C

dengan waktu tahan 12 jam. Proses ini bertujuan agar sampel menjadi

lebih padat, keras, dan memiliki densitas yang tinggi. Sehingga dalam

proses ini homogenisasi komposisi bisa diharapkan.


33

III.2.2. Karakterisasi Bahan

Karakterisasi untuk melihat senyawa yang terbentuk pada mineral alam

iron ore Sukabumi menggunakan alat XRF dan XRD yang ditunjang

dengan program GSAS.

Karakterisasi untuk mengetahui kapasitas panas yang terjadi pada sampel

iron ore mengandung ilmenite dilakukan uji DSC dan DTA.

III.3. Peralatan Uji Sampel

III.3.1. X-Ray Diffractometer (XRD)

Alat uji XRD yang digunakan adalah menggunakan merk Phillips PW

3710/40kv yang berlokasi di Salemba, dengan sumbernya adalah Co-K dengan panjang gelombang (=1.78897 0A ) dengan selang waktu pengukuran selama 1 jam (60 menit). Spesifikasi pengukuran lebih

jelasnya dapat terlihat sesuai dengan urutan yang ditampilkan pada

output dari uji XRD, yaitu : tipe diffractometer adalah PW3710 Based,

anoda tube atau sumber anoda adalah CO, tegangan generator sebesar 40

kV, aliran generator sebesar 30 mA, alpha1 wavelength sebesar

1.788960A , alpha2 wavelength sebesar 1.79285

0A , mulai pengukuran

adalah 20.000 [02] dan pengukuran berakhir pada 99.980 [02].

III.3.2. X-Ray Fluoresence (XRF)

Alat uji XRF yang digunakan adalah merk JEOL Element Analyzer JSX-

3211 yang berlokasi di Salemba Jakarta. Untuk spesifikasi yang

tercantum dalam uji XRF adalah dimana pada kondisi akuisisi : tegangan

sebesar 30.0 kV, aliran gas mencapai 0.035 mA, waktu pengukuran

110.00 detik dan dalam kondisi vakum. Sementara standard pengukuran

dalam bentuk analisa kuantitatif dan kualitatif.


34

III.3.3. Differential Thermal Analysis (DTA) dan Differential

Scanning Calorimety (DSC)

Prosedur pengamatan dengan menggunakan Differential Thermal

Analysis (DTA-50) dan Differential Scanning Calorimetry (DSC-50)

Shimadzu mengikuti kondisi proses : Mula mula timbang krusibel

sampel kosong dan krusibel yang diisi sampel standard maupun sampel

yang akan diuji dengan massa yang sesuai, kemudian dilakukan

penempatan krusibel alumina/aluminium disebelah kiri dengan krusibel

alumina/aluminium disebelah kanan dalam keadaan kedua-duanya

kosong (tidak ada sampel). sebagai Signal 1 (S1), dilanjutkan dengan krusibel alumina/aluminium dalam kedaan tidak ada sampel (kosong)

berada disebelah kiri dan krusibel alumina/aluminium diisi dengan

sampel alumina standard berada di sebelah kanan. sebagai Signal 2 (S2), terakhir krusibel alumina/aluminium dalam kedaan tidak ada

sampel (kosong) berada disebelah kiri dan krusibel alumina/aluminium

diisi sampel iron-ore berada disebelah kanan. sebagai Signal 3 (S3).

Pada proses pengukuran ini alat alat penunjang yang digunakan adalah

udara sebagai atmosfir dengan kecepatan 20ml/menit, sementara

digunakan siklus air sebagai pendingin. Kecepatan pemanasan

100C/menit dengan temperatur awal adalah 300C dan temperatur

maksimum 4800C. Untuk mendeteksi temperatur T dan perbedaan

temperatur T ditempatkan termokopel tipe Dumbbell (Pt-Pt.10%

Rhodium), setelah itu dilakukan analisa terhadap hasil pengukuran

dengan TA-50 WSI.

III.3.4. Bahan dan Alat Penunjang Lainnya

Bahan dan alat penunjang lain dalam penelitian ini dapat disebutkan

sebagai berikut : Sampel standard Alumina, besi, besi oksida dan indium

sebagai sampel validasi untuk kalibrasi alat dan penentuan model teoritis


35

Cp. Alkohol 90% digunakan sebagai pembersih krusibel dan tutupnya,

dimana krusibel tersebut harus benar-benar dalam keadaan bersih

sehingga tidak mempengaruhi massa sampel berikutnya. Ayakan 250

mesh untuk menghaluskan material iron ore setelah ditumbuk atau

dihancurkan. Tungku pemanas tipe F6000 Barnstead Thermolyne Corp.

berfungsi sebagai mengeringkan sampel dari unsur-unsur air (H2O).

Timbangan elektronik Bosch SAE 200 digunakan sebagai menimbang

massa sampel untuk diuji DSC ataupun DTA. Cetakan press diameter 1

cm digunakan untuk menempatkan sampel yang dilanjutkan mencetak

sampel dengan mesin press Shimadzu MP50. Tabung quartz adalah

tabung tempat gas nitrogen, oksigen maupun argon sebagai atmosfir uji

DSC dan DTA. Pompa vakum sebagai pompa air pada alat uji DSC dan

DTA. Spatulla digunakan sebagai sendok pengambil sampel dan PC Intel

Pentium III berfungsi sebagai media pencetak hasil uji DSC dan DTA,

juga berfungsi sebagai pengolah data sampel.

III.4. Simulasi Penentuan Koefisien a, b, c Pada Kapasitas Panas

Simulasi penentuan nilai Cp dan koefisien a, b, c didapatkan dengan

menggunakan program kerja EXCEL. Persamaan yang didapatkan

dianggap merupakan persamaan regresi linier, sehingga penentuan Cp ini

dilakukan dengan Metode Regresi Linier dalam EXCEL. Hasil

perhitungan koefisien a, b, c dengan menggunakan EXCEL, dimana

sampel contoh simulasi menggunakan sampel standard alumina dengan

massa sampel yang berbeda dapat dilihat pada Bab IV dan Lampiran.

III.5. Validasi Menentukan Kapasitas Panas

Penentuan kapasitas panas ini dilakukan dengan menggunakan alat uji

DSC dan DTA. Dimana dari validasi ini digunakan untuk menentukan

model teoritis kapasitas panas dari iron ore dan ilmenite. Hasil-hasil uji

dan pembahasan dapat dilihat pada Bab IV.


36

BAB IV

ANALISA HASIL DAN PEMBAHASAN

IV.1. Komposisi Iron Ore

Sampel iron ore mengandung ilmenite mempunyai 2 macam perlakuan,

yaitu : sampel sebelum pemanasan, sampel dengan pemanasan pada

temperatur 4000C dengan waktu tahan 12 jam. Pada Tabel IV.1.

dicantumkan hasil analisis XRF terhadap sampel iron ore yang belum

dilakukan pemanasan.

Tabel IV.1. Hasil Uji XRF Sampel Iron Ore Sebelum Pemanasan

Num Atom/Chem.Formula

wt (%)

at/mole(%)

K-ratio Integral Intensitas

Standarddeviasi

1 13 Al2O3 3.0934 4.1328 0.0061712 401 0.6501 2 14 SiO2 3.0951 7.0169 0.0110119 878 0.3174 3 15 P2O5 0.3505 0.3363 0.0039113 172 0.2089 4 16 S 0.1092 0.4639 0.0010355 214 0.0516 5 20 CaO 0.1031 0.2503 0.0014608 166 0.0721 6 22 TiO2 9.2854 15.8307 0.0967070 18980 0.0626 7 24 Cr2O3 0.1739 0.1559 0.0020184 518 0.0474 8 25 MnO 0.3183 0.6113 0.0032334 835 0.0566 9 26 Fe2O3 83.4711 71.2018 0.6433570 183879 0.0704

Dari Tabel IV.1 terlihat bahwa senyawa-senyawa oksida yang tercantum

hanyalah merupakan asumsi yang diambil berdasarkan fasa stabil dari

unsur yang dideteksi oleh XRF. Misalnya saja antara TiO2 dan Fe2O3

adalah ketidakpastian apakah unsur Ti dan Fe terkandung dalam iron ore

sebagai 2 senyawa oksida atau antara Fe dan Ti membentuk suatu

senyawa tertentu. Dengan perkataan lain, komposisi senyawa kimia yang

ada dalam iron ore seperti tercantum dalam Tabel IV.1 tadi bersifat semi

kuantitatif. Dengan demikian masih diperlukan analisis lain seperti uji

XRD untuk memastikan senyawa pasti yang terdapat dalam iron ore.


37

Pola difraksi sinar X dalam iron ore sebelum pemanasan diperlihatkan

pada Gambar IV.1.

Grafik XRD Iron Ore Sukabumi Tanpa Pemanasan

050

100150

200250

300

0 20 40 60 80 100 120

2 teta

Inte

nsita

s

Gambar IV.1. Hasil Uji XRD Sampel Iron Ore Sukabumi Tanpa Pemanasan

Sementara hasil identifikasi puncak difraksi diperlihatkan pada Tabel

IV.2. Tabel IV.2. d-Value Hasil Stripping Sampel Iron Ore Sukabumi Sebelum Pemanasan Dibandingkan dengan d-Value ICDD

Peak

d-value Observasi

XRD

Fe2O3 ( 84 0306 ) Fe3O4 ( 82 1533 ) FeTiO3 ( 79 1838 ) FeO ( 77 2355 )

d-value ICDD

I h k l d-value ICDD I h k l d-value ICDD

I h k l d-value ICDD I h k l

1. 4.40627 4.848 100 111

2. 3.05111 2.9687 295 2 2 0

3. 2.75188 2.6991 999 1 0 4 2.7517 999 1 0 4

4. 2.57929 2.5442 684 1 1 0

5. 2.50867 2.5173 722 1 1 0 2.5317 999 3 1 1 2.4878 668 1 1 1

6. 2.31143 2.2912 19 0 0 6 2.424 77 2 2 2 2.3487 18 0 0 6

7. 2.11762 2.078 18 2 0 2 2.0992 201 4 0 0 2.1029 16 2 0 2 2.1545 999 2 0 0

8. 1.74301 1.8409 350 3 5 0

9. 1.74294 1.6944 415 1 1 6 1.714 86 4 2 2 1.728 453 1 1 6

10. 1.62571 1.6362 5 2 1 1 1.616 277 3 3 3 1.6269 25 2 1 2

11. 1.52739 1.5987 88 0 1 8 1.5058 256 1 2 4 1.5234 458 2 2 0

12. 1.49206 1.4859 268 2 1 4 1.4843 365 4 4 0 1.4689 256 3 0 0

13. 1.28143 1.2624 3 1 2 5 1.2805 69 5 3 3 1.2833 2 1 2 7 1.2992 164 3 1 1

Ternyata dari Gambar IV.1 maupun Tabel IV.2 terlihat bahwa paling

tidak ada 13 (tiga belas) puncak difraksi yang dapat diidentifikasi dari

nilai d ke-13 puncak difraksi. Dimana nilai d ini sangat persis sama


38

dengan nilai d dari senyawa Fe2O3 (PCPDFWIN #840306), Fe3O4

(PCPDFWIN #821533), FeTiO3 (PCPDFWIN #791838) dan FeO

(PCPDFWIN #772355).

Jadi dengan demikian jelaslah bahwa fasa-fasa mayor pada iron ore

terdiri dari besi oksida dan FeTiO3 dan terdapat sejumlah fasa-fasa minor

namun dengan fraksi < 4% ( Lihat pada Tabel IV.1.)

Namun pola difraksi sebagaimana terlihat pada Gambar IV.1 tidak cukup

baik untuk dianalisa lebih lanjut agar diperoleh data kuantitatif seperti

berat fasa, mengingat S/N (signal to noise) ratio yang relatif lebih kecil,

mungkin ini terjadi dikarenakan iron ore mengandung banyak air. Oleh

karena itu diambil inisiatif untuk memanaskan iron ore pada temperatur

relatif rendah ~ 400 0C untuk waktu relatif panjang ~ 12 jam dengan

tujuan agar diperoleh iron ore bebas air serta jumlah senyawa oksida

yang relatif lebih kecil. Pola difraksi dari iron ore yang telah mendapat

perlakuan seperti ini ditunjukan pada Gambar IV.2.

Grafik XRD Sampel Iron Ore Sukabumi Pemanasan 4000C, 12 Jam

050

100150200250300350400450

0 20 40 60 80 100 120

2 teta

Inte

nsita

s

Gambar IV.2. Hasil Uji XRD Sampel Iron Ore Sukabumi

Pemanasan 4000C, Waktu Tahan 12 Jam

Terlihat ada perbaikan dalam intensitas difraksi disamping nilai S/N ratio

yang relatif tinggi juga puncak-puncak difraksi bebas pelebaran dan


39

relatif tajam. Hasil analisis GSAS dari pola difraksi pada Gambar IV.2

diperlihatkan pada Gambar IV.3.

Gambar IV.3. Grafik Hasil GSAS Sampel Iron Ore

Pemanasan 4000C, Waktu Tahan 12 Jam

Iterasi menunjukan konvergen pada chi2 ~ 1.121 dan nilai wRp ~ 9.5%,

hal ini memenuhi kriteria untuk dapat diterima. Terlihat pada Tabel IV.3.

Tabel IV.3. Refinement Hasil GSAS Iron Ore Pemanasan 4000C, 12 Jam

1Iron Ore 400 -12 GENLES Version Win32 Dec 02 22:16:57 2006 Page 7 Restraint data statistics: No restraints used Powder data statistics Fitted -Bknd Average Bank Ndata Sum(w*d**2) wRp Rp wRp Rp DWd Integral Hstgm 1 PXC 1 3991 4457.6 0.0950 0.0765 0.1114 0.0931 1.836 0.902 Powder totals 3991 4457.6 0.0950 0.0765 0.1114 0.0931 1.836 No serial correlation in fit at 90% confidence for 1.909 < DWd < 2.091 Cycle1519 There were 3991 observations. Total before-cycle CHI**2 (offset/sig) = 4.4576E+03 ( 5.4124E+00) Reduced CHI**2 = 1.121 for 16 variables Reflection data statistics Histogram 1 Type PXC Nobs = 99 R(F**2) = 0.1479


40

Hasil residu antara kurva teoritik dan eksperimen sebagai kurva fitting

juga telah menunjukan tidak berupa pola difraksi atau dengan intensitas

rata-rata 2.

Berdasarkan analisa GSAS ini diketahui bahwa iron ore setelah

perlakuan memiliki fasa utama terdiri dari Fe2O3, Fe3O4 dan FeTiO3

dengan komposisi sebagaimana tertulis dalam Tabel IV.4.

Tabel IV.4. Komposisi Iron Ore Pemanasan 400 0C, Waktu Tahan 12 Jam

Senyawa Fraksi Berat ( wt% )

Fe2O3 52.99

Fe3O4 39.88

FeTiO3 7.13

Berdasarkan hasil tersebut dapat diperkirakan bahwa proses pemanasan

pada temperatur > 400 0C dapat menyebabkan oksidasi FeO menjadi

Fe3O4 dan Fe2O3. Sedangkan kandungan Ti yang ada dalam iron ore

berupa senyawa FeTiO3 atau dikenal sebagai ilmenite. Kandungan

ilmenite dalam iron ore hanya ~ 7.13%, meskipun relatif rendah namun

diyakini dapat mempengaruhi proses peleburan dan dengan demikian

akan mempengaruhi kapasitas panas iron ore.

Bila dibandingkan dengan hasil analisa XRF terhadap TiO2 yang nilainya

mencapai ~ 9.47%, hasil dari GSAS menunjukan nilai yang lebih kecil.

Dengan perkataan lain, bila iron ore hanya mengandung 3 senyawa

dengan fraksi FeTiO3 = 7.13 % maka untuk TiO2 dalam iron ore adalah

sebagai berikut :

Berat massa TiO2 X 7.13 % = 3.75 %

Berat massa FeTiO3


41

Perbedaan ini bisa saja terjadi karena GSAS tidak dapat mengidentifikasi

adanya fasa-fasa minor yang lain seperti Al2O3, SiO2 dan lainnya, dimana

berdasarkan pada Tabel IV.5 fraksi total fasa minor mencapai ~ 7%.

Tabel IV.5. Hasil Uji XRF Iron Ore Pemanasan 4000C, Waktu Tahan 12 Jam

Num Atom/Chem.Formula

wt (%)

at/mole(%)

K-ratio Integral Intensitas

Standarddeviasi

1 13 Al2O3 2.9050 3.8868 0.0059173 384 0.7199 2 14 SiO2 3.2378 7.3511 0.0117788 939 0.3510 3 15 P2O5 0.3240 0.3114 0.0036944 163 0.2301 4 20 CaO 0.1190 0.2894 0.0017262 196 0.0796 5 22 TiO2 9.4674 16.1646 0.1007796 19779 0.0693 6 24 Cr2O3 0.1142 0.1025 0.0013515 347 0.0526 7 25 MnO 0.2617 0.5033 0.0027105 700 0.0627 8 26 Fe2O3 83.5708 71.3909 0.6573398 187876 0.0780

Jadi jelaslah bahwa komposisi iron ore hasil GSAS belum menunjukan

nilai yang pasti.

IV.2. Metode DTA dan DSC untuk Mengukur Kapasitas Panas

IV.2.1. Validasi Metode Dengan DTA

Validasi metode yang dimaksud disini adalah untuk menguji tidak saja

nilai kapasitas panas pada sampel standard tetapi juga metode penentuan

koefisien kapasitas panas sebagai fungsi temperatur yaitu koefisien a, b,

c seperti yang tercantum dalam Persamaan II.1.

Untuk maksud tersebut maka digunakanlah sampel alumina murni

(Al2O3) sebagai alumina standard yang diambil datanya pada 2 nilai

massa yang berbeda. Pada Gambar IV.4. diperlihatkan hasil kalkulasi

nilai Cp(T) untuk Al2O3 dengan massa = 18.2 mg sedangkan untuk m =

20.8 mg diperlihatkan pada Gambar IV.5.


42

Grafik Cp(T) vs T Sampel AluminaDengan m = 18.2 mg

0.000

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

300.000 350.000 400.000 450.000 500.000 550.000 600.000 650.000 700.000

T (0K)

Cp(

T)

Grafik Cp(T) Literatur Grafik Cp(T) Data Grafik Cp(T) Eksperimen

Gambar IV.4. Validasi Uji DTA Dengan Sampel Alumina Massa = 18.2 mg


0.000

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

300.000 400.000 500.000 600.000 700.000 800.000

T (0K)

Cp(T

)

Cp(T) Literatur Cp(T) Data Cp(T) Eksperimen

Gambar IV.5. Validasi Uji DTA Dengan Sampel Alumina Massa = 20.8 mg

Untuk detil kalkulasi penentuan Cp(T) dijelaskan pada Lampiran IV.

Grafik Cp(T) data pada gambar tersebut merupakan konversi data dari

DTA menggunakan Persamaan II.6., sedangkan grafik Cp(T) data

eksperimen adalah plot Cp(T) dari Persamaan II.1. dengan konstanta a, b

dan c yang ditentukan melalui kalkulasi ( fitting-curve ). Plot Cp(T) hasil

fitting ini juga dibandingkan dengan nilai Cp(T) Al2O3 dari literatur.

Berdasarkan plot kedua kurva yaitu kurva fitting dan kurva Cp(T)


43

literatur terlihat ada perbedaan terutama pada temperatur relatif rendah

yaitu < 500 0K. Namun secara keseluruhan kedua kurva menunjukan

kecenderungan yang sama.

Demikian juga untuk sampel alumina kedua dengan massa = 20.8 mg

terjadi hal yang sama.

Perbedaan ini mengindikasikan adanya faktor instrumen yang perlu

dilibatkan dalam proses kalkulasi yang dalam hal ini belum dapat

ditentukan karena memerlukan suatu model perpindahan panas

sebagaimana model mass balance yang diusulkan oleh J.Yang[15]

Kegiatan validasi metode dengan menguji 2 sampel alumina standard

dengan massa berbeda tersebut, meskipun secara kuantitatif masih

terdapat perbedaan antara nilai literatur dan nilai kalkulasi, tetapi apabila

dilihat pada grafik mempunyai kecenderungan yang sama serta selisih

yang relatif rendah tersebut dapatlah ditentukan cara evaluasi data

dengan metode simulasi ini adalah valid. Sehingga dapat digunakan

untuk menentukan nilai Cp(T) pada berbagai jenis sampel. Hal ini dapat

dilihat dari nilai Cp(T) sampel standard dan nilai literatur sebagai berikut:

Untuk Al2O3 dengan massa = 18.2 mg Cp(T) = - 273.32 + 501.07 x 10-3 T + 514.85 x 105 T-2

Untuk Al2O3 dengan massa = 20.8 mg Cp(T) = 102.65 11.42 x 10-3 T + 101.71 x 105 T-2

Bandingkan dengan nilai Cp(T) literatur untuk Al2O3 [6]

Cp(T) Al2O3-Literatur = 114.8 + 12.80 x10-3 T + 35.4 x 105 T-2


44

IV.2.2. Validasi Dengan Metode DSC

Metode kalkulasi yang sama juga diterapkan pada alat ukur DSC, dimana

juga dilakukan uji dengan 2 (dua) massa sampel yang berbeda. Hasil uji

dapat dilihat pada Gambar IV.6 dan IV.7.


110.000115.000120.000125.000130.000

135.000140.000145.000150.000

350 450 550 650 750 850

Temperatur (0K)

Cp(

T)

Kurva Cp(T) Literatur Kurva Cp(T) Data Kurva Cp(T) Eksperimen

Gambar IV.6. Validasi Uji DSC Dengan Sampel Alumina Massa = 11.8 mg

Grafik Cp(T) vs T Sampel AluminaDengan m = 10 mg

110.000115.000120.000125.000130.000135.000140.000145.000150.000

350 450 550 650 750 850

T(0K)

Cp(

T)

Kurva Cp(T) Literatur Kurva Cp(T) Data Kurva Cp(T) Eksperimen

Gambar IV.7. Validasi Uji DSC Dengan Sampel Alumina Massa = 10 mg


45

Gambar IV.6 memperlihatkan perbandingan antara nilai Cp(T) untuk

alumina standard dengan massa = 11.8 mg dan nilai Cp(T) alumina pada

literatur. Berdasarkan pada plot grafik Cp(T) eksperimen dengan literatur

terlihat mempunyai perbedaan pada temperatur > 550 0K, hasil ini

ternyata merupakan kebalikan dari uji dengan DTA, tetapi secara

menyeluruh plot grafik tersebut mempunyai kecenderungan yang sama.

Sementara pada nilai koefisien konstanta a, b, c nilai Cp(T) eksperimen

lebih mendekati dengan literatur, seperti yang terlihat pada persamaan

berikut :

Untuk Al2O3 dengan massa = 11.8 mg Cp(T) = 154.98 42.33 x 10-3 T + 4.35 x 105 T-2

Nilai Cp(T) alumina literatur Cp(T)Al2O3-Literatur = 114.8 + 12.80 x10-3 T + 35.4 x 105 T-2

Sementara untuk Gambar IV.7. validasi dengan massa yang lebih kecil,

tampak ada faktor instrumen antara literatur dengan eksperimen. Hal ini

mungkin terjadi karena sampel mempunyai nilai yang lebih kecil dari

massa literatur.Tetapi dari plot grafik sudah menunjukan kecenderungan

yang sama. Dan untuk nilai koefisien konstanta a, b, c nilai Cp(T) adalah

sebagai berikut :

Untuk Al2O3 dengan massa = 10 mg Cp(T) = 135.09 20.07 x 10-3 T + 5.35 x 105 T-2

Nilai Cp(T) alumina literatur Cp(T)Al2O3-Literatur = 114.8 + 12.80 x10-3 T + 35.4 x 105 T-2

IV.3. Penentuan Kapasitas Panas (Cp) dari Iron Ore

Berturut-turut pada Gambar IV.7 sampai dengan IV.9. diperlihatkan hasil

pengukuran Cp(T) dari iron ore setelah melalui evaluasi persamaan II.6.

Nilai Cp(T) diukur sebanyak 3 (tiga) kali dengan variasi massa yaitu

masing-masing untuk m = 10.2 mg, m = 11.6 mg dan m = 9.4 mg.


46

Grafik Cp(T) vs T Sampel Iron Ore T=4000C,WT=12Jam,m=10.2 mg

80.00090.000

100.000110.000120.000130.000140.000150.000160.000170.000

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

T(0K)

Cp(

T)

Grafik Cp(T) Data Grafik Cp(T) Eksperimen

Gambar IV.8. Fitting Grafik Cp(T) Iron Ore Pemanasan 4000C,12 Jam,m=10.2 mg

Grafik Cp(T) vs T Sampel Iron Ore T=4000C,WT=12 Jam,m=11.6 mg

70.00080.00090.000

100.000110.000120.000130.000140.000150.000160.000

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

T(0K)

Cp(

T)




47

Grafik Cp(T) vs T Sampel Iron Ore T=4000C,WT=12 Jam,m=9.4 mg

80.00090.000

100.000110.000120.000130.000140.000150.000160.000170.000180.000

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

T(0K)

Cp(

T)



Secara kuantitatif, ketiga gambar menunjukan kecenderungan perubahan

yang sama dengan nilai Cp diantara 100 J/mol.K dan 140 J/mol.K, lalu

rentang temperatur antara 300 0K sampai dengan 773 0K yaitu rentang

temperatur maksimum yang memungkinkan oleh alat DSC-50 Shimadzu.

Adapun nilai persamaan Cp sebagai fungsi temperatur untuk ketiga

pengukuran adalah diringkas pada Tabel IV.6., yaitu sebagai berikut :

Tabel IV.6. Nilai Cp(T) Iron Ore Dengan 3 Massa Berbeda

Sampel Nomor

Range Temperatur ( 0K )

Massa( mg )

Nilai Cp(T) ( J/mol.K )

1 300 773 10.2 14.67 + 98.41 x 10-3 T + 129.27 x 105 T-2

2 300 773 11.6 7.53 + 94.23 x 10-3 T + 117.65 x 105 T-2

3 300 773 9.4 -19.99 + 132.63 x 10-3 T + 150.84 x 105 T-2

Ketiga sampel memang terlihat dari Tabel IV.6. tidak memberikan

persamaan Cp(T) yang persis sama, namun bila dihitung nilai Cp(T) pada

berbagai temperatur sebagaimana terlihat pada Tabel IV.7.


48

Tabel IV.7. Nilai Cp(T) Iron Ore 3 Massa Berbeda Pada Berbagai Temperatur T

( 0K ) Cp ( J/mol.K )

Sampel 1 Sampel 2 Sampel 3

300 187.83 166.52 187.40

400 134.83 118.75 127.33

500 115.58 101.71 106.66

600 109.62 96.75 101.49

700 109.94 97.50 103.63

800 113.60 101.30 109.68

1000 126.01 113.53 127.72

Maka pada dasarnya ketiga sampel memiliki nilai Cp yang mendekati

sama. Dengan perkataan lain tidak ditemukan perbedaan yang berarti dari

hasil pengukuran Cp iron ore tersebut. Pada literatur tidak ditemukan

nilai Cp(T) untuk iron ore, sehingga hal ini yang menyebabkan penulis

tidak dapat membandingkan nilai Cp eksperimen dengan literatur.

Kemungkinan hal ini terjadi karena komposisi iron ore tidak sama baik

dalam fraksi senyawa oksida penyusunnya maupun jenis senyawa

oksidanya.

Iron ore yang digunakan sebagai objek penelitian ini, sebagaimana

diungkapkan sebelumnya bahwa material ini memiliki 3 senyawa utama

berbeda terdapat ilmenite ( FeTiO3 ) disamping magnetite ( Fe3O4 ) dan

hematite ( Fe2O3 ). Jadi jelaslah hasil pengukuran tidak dapat

dibandingkan dengan hasil pengukuran dengan peneliti lain mengingat

komposisinya yang unik. Oleh karena itu nilai Cp(T) dari iron ore hasil

penelitian ini dapat dijadikan sebagai tambahan informasi baru terhadap

nilai Cp(T) dari iron ore yang pernah diteliti oleh peneliti lain.

IV.4. Penentuan Kapasitas Panas dari Ilmenite

Berdasarkan nilai Cp(T) iron ore terukur seperti diatas, maka nilai Cp(T)

dari ilmenite yang merupakan bagian dari iron ore yaitu merupakan salah

satu senyawa penyusun, maka Cp(T) dari ilmenite dapat ditentukan.


49

Untuk tujuan ini, diperlukan data hasil analisa GSAS terhadap pola

difraksi sampel serta nilai Cp(T) dari Fe2O3 dan Fe3O4.

Menurut M.A. Bouhifd, dan kawan-kawan, melalui penelitiannya

mengusulkan bahwa untuk material campuran dalam menentukan

kapasitas panas sebagai fungsi T diberikan pada Persamaan II.12. [11]

Maka berdasarkan model ini, Cp(T) iron ore dapat diselesaikan dengan

Persamaan II.7, menjadi :

CpIOR(T) = XFe2O3 CpFe2O3(T) + XFe3O4 CpFe3O4(T) + XFeTiO3 CpFeTiO3(T)

Melihat kembali hasil GSAS terhadap iron ore diketahui bahwa fraksi

berat masing-masing senyawa dalam iron ore adalah :

WFe2O3 = 52.99 %

WFe3O4 = 39.88 %

WFeTiO3 = 7.13 %

Atau fraksi mol masing-masing komponen dalam iron ore adalah

XFe2O3 = 0.59

XFe3O4 = 0.32

XFeTiO3 = 0.09

Nilai Cp(T) literatur untuk Fe2O3 dan Fe3O4, masing-masing adalah : [6]

Cp (T)Fe2O3 = 98.18 + 77.82 x 10-3 T 14.85 x 105 T-2

Cp (T)Fe3O4 = 91.55 + 201.67 x 10-3 T

Sedangkan nilai Cp(T) dari iron ore adalah sebagaimana yang tercantum

dalam Tabel IV.6. Melalui persamaan II.12. dan fraksi mol masing-

masing fasa dalam iron ore serta nilai Cp(T) literatur untuk Fe2O3 dan

Fe3O4, diperoleh nilai Cp(T) ilmenite sebagai berikut :

1. CpFeTiO3 (T) = 1132.22 + 2320.56 x 10-3 T + 1339 x 105T-2

2. CpFeTiO3 (T) = 1052.89 + 2274.11 x 10-3 T + 1209.89 x 105T-2

3. CpFeTiO3 (T) = 747.11 + 2700.78 x 10-3 T + 1578.67 x 105T-2


50

Dari hasil evaluasi penentuan Cp(T) untuk ilmenite, pada dasarnya ketiga

nilai tersebut memiliki persamaan yang hampir sama dan dengan

demikian nilai Cp adalah mirip. Hal ini menjadi jelas bila dibandingkan

ketiga nilai Cp tersebut di plot pada berbagai temperatur sebagaimana

terlihat pada Tabel.IV.8.

Tabel IV.8. Nilai Cp(T) Ilmenite 3 Massa Berbeda Pada Berbagai Temperatur

T ( 0K )

Cp ( J/m

20236446 t20935 penentuan kapasitas

Documents