EFISIENSI CELL MEMBRANE DALAM MIGRASI ION PADA PROSES

ELEKTROLYZER DI CHLOR ALKALI SECTION

PT.LONTAR PAPYRUS PULP AND PAPER INDUSTRY

4.1 Pendahuluan

4.1.1 Latar Belakang

PT.Lontar Papyrus Pulp and Paper Industry merupakan salah satu perusahaan yang

bergerak dalam industri pulp ( bubur kertas ). Metoda pembuatan pulp yang digunakan

diperusahaan adalah proses kraft, dimana bahan baku yang digunakan adalah Acasia Mangium

yang diperoleh dari HTI PT.WKS. Disamping pembuatan pulp PT.Lontar Papyrus Pulp and

Paper Industry juga memproduksi bahan chemical yang mendukung proses pembuatan pulp,

seperti NaOH, Cl2, H2 dan lainnya. Pembuatan bahan – bahan chemical tersebut diproses pada

departemen CMP ( Chemical Making Plant ), seksi CA ( Chlor Alkali Section ). Pada seksi

Chlor Alkali Section bahan dasar garam yang berasal dari Australia diproses dengan meleburkan

kristal – kristal garam menjadi brine ( air garam ) yang akan diproses selanjutnya menjadi

NaOH, Cl2 dan H2 pada NaOH treatment.

Pada seksi NaOH treatment, brine yang dikirim akan diproses menggunakan alat

Membrane Gab Cell Elektrolyzer. Elektrolyzer merupakan salah satu proses menghasilkan

produk dengan merubah energi listrik menjadi energi kimia yang menggunakan Ion Exchange

Membrane. Ion Exchange Membrane ( selaput penukar ion ) yang mencegah mengalirnya ion Cl -

keruang katoda dan mencegah sebagian besar ion OH- keruang anoda, namun mampu

meloloskan Na+.

Ion OH- yang dihasilkan di katoda berikatan dengan ion Na+ dan air membentuk larutan

NaOH 32% yang meninggalkan cell sebagai produk. Tetapi tidak semua ion OH- yang dihasilkan

dari katoda meninggalkan ruang katoda melalui Discharge Nozzle. Medan listrik yang terjadi

diantara Anoda dan Katoda memberikan Driving Force kepada ion OH- untuk menuju anoda.

Back Migration ion OH- ini sebagian besar dapat dicegah oleh Ion Exchange Membrane. Fraksi

ini mengalami Back Migration menembus membrane dikonsumsi dalam reaksi – reaksi samping

( by produck reaction ). Fraksi dari ion OH- yang meninggalkan Elektrolyzer dalam bentuk

NaOH produk disebut Caustic Current Efficiency. Ketika gas hidrogen dan NaOH terbentuk

diruang katoda, produk ini mengalir keluar Elektrolyzer. Di pipa tee diluar elektrolyzer,

campuran – campuran fasa tersebut dipisahkan. Gas Hidrogen terkumpul disebelah atas dalam

sebuah Header dengan tekanan 300 - 350 mm H20 dan mengalir keluar cellroom menuju battery

limits. Caustic jatuh dari tee dan mengalir menuju Caustic Circulation Tank.

Rancangan sirkuit elektrolisa didesain memenuhi kapasitas produksi NaOH 100% 130

ton/hari, berdasarkan Current Density 3,75 KA/m2 dan Caustic Current Efficiency 94 - 96%.

Area elektrolyzer terdiri dari 34 set monopolar Membrane Gap Cell ( MGC ) Elektrolyzer

dipasang secara seri. Masing – masing Elektrolyzer mempunyai 20 single Anode Compartment

( kompartemen Anoda Tunggal ) 20 single Cathode Compartment dan 20 membrane Operating

Current Density dari ke 20 cell Elektrolyzer akan sebesar 2,75 KA/m2. Temperatur catholyte

( caustic yang keluar ) dan anolyte ( brine yang keluar ) keluar dari Elektrolyzer akan dijaga

pada 88 - 900C dan 85 – 870C. Rancangan Sirkuit berikut dipilih untuk kapasitas produksi

maksimal NaOH 130 ton/hari, berdasarkan current density 3,75 KA/m2 dan caustic current

efficiency 96%.

Brine umpan dan NaOH umpan yang mengalir ke Cellroom langsung menuju ke 34

elektrolyzer. Aliran Brine dan NaOH ke masing – masing elektrolyzer dikontrol oleh rotameter.

Brine dan NaOH masuk ke elektrolyzer dari bawah/dasar sewaktu aliran naik menuju ruang

anoda dan cathoda, Cl2 diproduksi di anoda.

4.1.2 Tujuan

1. Mengetahui pengaruh feed brine dan feed caustic yang masuk dalam Elektrolyzer

2. Mengetahui kondisi optimum pH pada feed brine yang masuk dalam Elektrolyzer

3. Mengetahui efisiensi membrane dalam penukaran ion pada proses Elektrolisa

4. Untuk mengetahui fungsi cathode dan anode pada Elektrolyzer

4.1.3 Manfaat

Dengan pelaksanaan Praktek Kerja Lapangan ini, penulis mendapatkan pengalaman

kerja dan menambah serta meningkatkan keterampilan dalam menggunakan alat dan proses

khususnya pada proses Elektrolyzer sehingga dapat dijadikan modal untuk bekerja kelak.

4.1.4 Ruang Lingkup

Fokus permasalahan dalam laporan praktek kerja lapangan ini terletak pada NaOH

unit, dengan bahasan meliputi efektifitas cell membrane dalam migrasi ion pada proses

Elektrolyzer.

Lokasi dan waktu Praktek Kerja Lapangan

Penelitian dilakukan di PT.Lontar Papyrus Pulp and Paper Industry, kecamatan

Tebing Tinggi, kabupaten Tanjung Jabung Barat, Provinsi Jambi, tepatnya pada :

Departemen : Chemical Plant

Seksi : Chlor Alkali Section

Unit : NaOH Unit

Pelaksanaan Praktek Kerja Lapangan berlangsung selama 3 bulan dari 1 Maret

2010 sampai dengan 31 Mei 2010

4.2 Tinjauan Pustaka

4.2.1 Membrane Gap Cell Elektrolyzer

MGC Elektrolyzer akan memproduksi Cl2, NaOH dan H2 dari larutan brine jika

diberi energi dalam bentuk listrik arus searah. Oleh karena itu proses ini adalah proses

elektrolisa dan merupakan salah satu bentuk dari reaksi elektrokimia.

Sel didefinisikan sebagai suatu ruang yang mengandung elekroda dan elektrolit.

Untuk reaksi elektrokimia dari larutan NaCl, sebuah sel harus terdiri dari komponen

utama sebagai berikut :

A. Elekroda positif, disebut Anoda

B. Elektrolit didalam ruang anoda yaitu larutan NaCl dengan konsentrasi 287,4

gpl, disebut Anolyte

C. Elektroda negatif disebut katoda

D. Elektrolit didalam ruang katoda yaitu larutan NaOH dengan konsentrasi 29,15

%, disebut Catholyte

E. Membrane dengan bahan kain linem digunakan untuk mengaja anolyte dari

catholyte tetap terpisah.

Sebuah elektrolyzer merupakan suatu rakitan dari dua atau lebih sel kedalam satu

unit operasi. Sebagaimana namanya MGC ( Membrane Gap Cell ) Elektrolyzer, anoda

dan katoda dari masing – masing sel hanya dipisahkan oleh ketebalan membrane.

Reaksi elektrokimia berlangsung dalam bentuk elektrolisa dari NaCl dan air

menghasilkan Cl2, H2, dan NaOH sesuai dengan stoikhiometri berikut :

2 NaCl(aq) + 2 H2O(aq) = 2 NaOH(aq) + Cl2(g) + H2(g)

Reaksi keseluruhan diatas dapat dipecahkan menjadi reaksi – reaksi yang terjadi

dikatoda dan anoda.

2 H2O(l) + 2 e- = H2(g) + 2 OH- ( terjadi di katoda )

2 Na+ + 2 OH- = 2 NaOH(aq)

2 Cl- = Cl2(aq) + 2 e- ( terjadi di anoda )

Didalam sel elekrolisa komersial bukan hanya pada pembentukan produk, tetapi

juga pada pemisahan produk ( elektrolit ) didalam sel. Membrane Gab Cell Elektrolyzer

menggunakan membrane penukaran ion untuk mengefektifan pemisahan ini. Membrane

penukar ion mencegah lewatnya ion Cl- keruang katoda dan mencegah lewatnya

sebagian besar ion OH- keruang anoda. Membrane hanya memberikan ion Na+ untuk

lewat dan membawa arus dari anoda ke katoda.

Ion OH- yang diproduksi dikatoda akan bergabung dengan ion Na+ membentuk

larutan NaOH yang meninggalkan sel elektrolisa sebagai produk. Tetapi tidak semua

ion OH- yang diproduksi tersebut meninggalkan ruang katoda, melalui nozzle buang,

sebagai NaOH. Medan listrik yang terbentuk antara anoda dan katoda memberikan

gaya dorong untuk memindahkan ion ke anoda. Tetapi sebagaian besar back migration

dari ion OH- tersebut dapat dicegah oleh membrane penukar ion. Fraksi dari ion OH-

yang berhasil menembus membrane menuju ruang anoda akan dikonsumsi dalam

bentuk hasil samping didalam anolyte. Kemampuan membrane didalam mencegah back

migration akan berkurang sesuai umur membrane.

Larutan garam murni dari storage tank dialirkan ke sel elektrolisa, dimana arus

AC ( bolak – balik ) diubah menjadi DC ( searah ) oleh Rectifier. Larutan garam dengan

konsentrasi 290 – 310 gpl diumpankan bersama NaOH 32% kedalam elektrolyzer

sehingga dihasilkan anolyte, gas klor dikutub positif, dikutub negative NaOH dan H2.

NaOH yang dihasilkan memiliki konsentrasi 32% dengan temperatur 900C, lalu

didinginkan sampai temperature 750C. NaOH ini disimpan dalam storage tank.

Selama proses elektrolisa berlangsung pada elektrolyzer berkemungkinan

masuknya pengotor – pengotor yang dapat menghambat kinerja dari perangkat

elektrolyzer, antara lain resin yang terbawa oleh brine, besi – besi kecil yang tidak

bersih selama proses assembly, dan yang lain – lain, sehingga ada salah satu sisi katoda

atau anoda bahkan bisa juga membrane yang bocor. Dengan demikian maka diperlukan

adanya pergantian dari elekrolyzer yang rusak ataupun bocor, dengan tujuan untuk

melepaskan satu elektrolyzer dari circuit cell dengan benar tanpa mengganggu

produksi. Langkah yang pertama kali diambil adalah jumper switch, dimana arus listrik

yang mengalir dipindahkan ke jumper switch tanpa mengganggu produksi ke

elektrolyzer yang lain. Adapun langkah – langkah jumper switch antara lain sebagai

berikut :

I. Pemasangan jumper switch

a. Pasang anti sag support beam pada elektrolyzer ( tidak dipasang jika hanya

perbaikan line caustic / line brine )

b. Angkut dan angkat jumper switch dengan vertical elektrolyzer lifting rig

keposisi elektrolyzer yang akan dijumper

c. Pastikan jumper switch bekerja dengan baik

d. Pastikan posisi jumper switch sudah benar dengan melihat waterpas pada posisi

kiri, kanan, dan depan

Pastikan dudukan katoda/anoda adapter arm telah center dengan dudukan

intercell, dilakukan dengan meletakkan busbar plate

Pasang copper anoda adapter arm dan copper katoda adapter arm.

Bersihkan dengan amplas pada sisi bawah dan berikan grase

Pastikan dudukan copper anoda ( katoda ) adapter arm dengan anoda

( katoda ) adapter arm dan dudukan intercell tidak ada gab

Jika ada gab dapat dialigment dengan warm gear / jack jumper switch

e. Pasang selang cooling water katoda / anoda distributor pada busbar in dan out

dan selang anoda / katoda adapter arm in dan out

f. Kencangkan kedudukan koper anoda / katoda adapter arm dengan baut

g. Pasang selang suplai angin dan dua selang water inlet serta selang water

outlet. Sebelum dipasang selang tersebut terlebih dahulu drain angin dan

udara sampai tidak ada impuritisnya

h. Buka valve water supplay sampai 20 – 30 gpm

i. Pastikan langkah a s/d h dilakukan dengan benar

II. Pengoperasian jumper switch

A. Switch closed

1. Purging N2 kedalam elektrolyzer melalui valve sample point gas H2 dan Cl2

2. Naikkan flow brine pada elektrolyzer yang akan dijumper

3. Lakukan jumpering dengan langkah – langkah berikut : Buka valve suplai

angin ke jumper switch sampai tekanan 90 – 110 psi. Operasikan switch dari

posisi switch open keposisi closed. Pastikan switch ke 1, 2, 3 dan 4 didalam

jumper switch bekerja dengan baik. Tutup valve suplai angin dan drain

sisanya.

4. Check voltage elektrolyzer yang dijumper jika voltage mendekati 0, jumper

switch bekerja dengan baik

5. Naikkan flow caustic

6. Tunggu 30 menit sampai habis free Cl2 dalam anolyte

7. Selama jumper switch masih posisi closed ( beroperasi ), lakukan

pengontrolan air pendingin, pastikan air pendingin outlet jumper switch

tidak terlalu panas. Kontrol / jam.

B. Switch open

1. Pastikan kondisi elektrolyzer siap untuk di start

2. Pastikan kembali water inlet bekerja dengan baik dan water outlet tidak panas

lagi. Jika panas tambah flow water inlet secukupnya

3. Buka suplai angin sampai tekanan 90 – 110 psi

4. Lakukan pengoperasian swicth keposisi OPEN

5. Check voltage elektrolyzer yang dijumper

6. Tutup suplai angin dan drain sisanya

7. Biarkan jumper switch tetap berada pada elektrolyzer sampai dengan 1 hari

III. Pelepasan jumper switch

Lakukan seperti layaknya pemasangan, hanya saja yang dilakukan adalah

pelepasan. Usahakan jumper swicth jika telah terlepas dipindahkan pada posisi

elektrolyzer yang lain yang mempunyai indikasi mencurigai, bila perlu lakukan

pemasangan jumper switch dan standby kan.

Setelah melakukan jumper switch, maka dapat dilakukan pelepasan elektrolyzer

yang rusak dari circuitnya karena arus listrik sudah dialihkan ke jumper switch dan

diteruskan ke line normal elektrolyzer tanpa mengganggu proses produksi berlangsung.

Adapun langkah dari pelepasan dari elektrolyzer yang rusak adalah sebagai berikut :

1. Pasang jumper switch secara lengkap

2. Pisahkan elektrolyzer dari Cl2 / anolyte header

3. Stop aliran brine dan caustic ke elektrolyzer yang akan diganti

4. Pisahkan elektrolyzer dari H2 header

5. Stop PURGIN

6. Drain elektrolyzer

7. Lakukan disconnection / pelepasan feed brine flange, feed caustic flange, anolyte

outlet flange, catholyte outlet flange dan intercell bus lifting distributor bus

8. Angkat elektrolyzer dengan vertical elektrolyzer lifting rig / overhead crane

9. Lakukan flushing dengan DI WATER

Setelah pelepasan satu set elektrolyzer maka dilakukan assembly untuk

menggantikan elektrolyzer yang telah dibuka. Adapun langkah - langkah pemasangan

assembly elektrolyzer antara lain sebagai berikut :

1. Semua bagian sudah siap, membrane telah direndam dalam DI water, katoda dan

anoda telah dilakukan greasing dan gasketing, proses assembly telah lengkap

2. Current distributor Aligment Fixture telah siap

3. Bersihkan area

4. Pasang Back bulkhead pada current distributor Aligment fixture

5. Pasang top dan bottom guide rod insulator

6. Pasang bulkhead insulator

7. Pasang current distributor assembly kanan

8. Pasang cathode end spacer

9. WD-40 pada cathode kanan

10. Pasang cathode kanan ( mesh menghadap keatas )

11. Pasang anode manifold end spacer dengan shimp

12. Pasang membrane yang telah direndam dalam 2 % caustic, sisi CATH pada

membrane menghadap kebawah

13. Pasang anode kanan, mesh menghadap kebawah

14. Pasang current distributor assembly kiri

15. Pasang manifold seal ring / manifold ring pada anode kanan

16. Pasang anode kiri, mesh menghadap keatas

17. Pasang manifold spancer ( spancer pertama dengan page valve ) pada cathode

kanan

18. Pasang membrane

19. WD-40 pada cathode kiri

20. Pasang cathode kiri, mesh menghadap kebawah

21. Pasang current distributor assembly kanan

22. Pasang manifold seal ring / manifold ring pada cathode kiri

23. WD-40 pada cathode kanan

24. Pasang cathode kanan, mesh menghadap keatas

25. Pasang manifold spacer ( spacer pertama dengan punge valve ) pada anode kiri

26. Pasang membrane yang telah direndam dalam 2 % caustic, sisi CATH pada

membrane menghadap kebawah

27. Pasang anode kanan, mesh menghadap kebawah

28. Pasang current distributor assembly kiri

29. Ulangi step 15 – 21

30. Ulangi step 22 – 28

31. Pasang feed/dischange bulkhead dengan bulkhead insulator

32. Pasang manifold stud

33. Pasang feed end discharge manifold

34. Pasang tie rod assembly

35. Lakukan pengencangan / torque

36. Pasang blind storage flange untuk sealing moisture

37. Lakukan re-torque

38. Pasang bus Anti-sag support Assembly

Setelah assembly selesai dan telah dites kebocorannya maka dilakukan

pemasangan kembali pada circuit yang telah dilepas. Adapun langkah – langkah

pemasangan elektrolyzer pada circuit adalah sebagai berikut :

1. Bersihkan dan berilah grase pada distributor bus

2. Drain elektrolyzer

3. Angkat elektrolyzer keposisi pemasangan menggunakan vertical elektrolyzer lifting

ring / overhead crase

4. Lakukan proses penyambungan kembali terhadap anolyte outlet flange, catholyte

outlet flange, caustic feed flange, brine feed flange dan intercell bus distributor

bus

5. Lakukan connection suplai N2 dan udara

6. Isi elektrolyzer dengan caustic dan brine sampai overflow pada keran sample point

masing – masing caustic dan brine

7. Start PURGING N2 dan udara

8. Atur ulang caustic dan brine, tunggu sampai kondisi star up tercapai, kemudian

naikkan flow feed brine

9. Lakukan Jump-in / posisi OPEN

10. Check voltage, pastikan voltagenya lebih rendah atau sama dengan yang lama

11. Stop purging

12. Lakukan analisa orsat

13. Stop suplai angin

14. Check kondisi operasi

15. Turunkan flow cooling water secukupnya biarkan online hingga katoda dan anoda

adapter dilepas

16. Pastikan setelah satu hari baru dilakukan pelepasan Jumper switch dari elektrolyzer

tersebut

17. Diskoneksi bus anti-sag support beam

4.2.2 Feed Brine

Aliran feed brine kemasing – masing Elektrolyzer dimonitor oleh sebuah

rotameter dan laju aliranya dikontrol dengan kran manual. Brine umpan masuk pada

bagian bawah masing – masing ruang anolyte. Selama brine mengalir keatas secara

kontinyu didalam ruang anolyte, selama waktu itu pula brine dielektrolisa, dan depleted

brine keluar dari Membrane Gap Cell Elektrolyzer.

Selama operasi normal, sangat penting untuk menjaga konsentrasi NaCl didalam

brine umpan dan laju alirannya ke masing – masing Elektrolyzer. Jika tidak, maka

depleted brine yang keluar dari Elektrolyzer akan tidak pada konsentrasi yang benar

dan dapat merusak membrane.

Hanya brine yang sangat murni boleh diumpankan kedalam Membrane Gap Cell

Elektrolyzer selama operasi normal, jika tidak, performansi akan sangat terganggu.

Impurities terlarut didalam brine umpan, kalau berada dalam anolyte dapat berdifusi

kedalam membrane, dalam jumlah yang kecil mungkin tidak berbahaya, tetapi ada

resiko kemungkinan bereaksi dengan NaOH membentuk senyawa – senyawa yang tak

larut dalam suasana basa didalam permukaan membrane sel katoda. Pengendapan

senyawa – senyawa tak terlarut tersebut kedalam sisi membrane akan merusak

membrane secara permanen. Berkurangnya efisiensi membrane secara perlahan – lahan

seiring dengan masa pakai adalah normal dan biasanya merupakan akumulasi

impurities secara perlahan didalam membrane selama periode waktu yang panjang.

4.2.3 Feed caustic

Produk NaOH dengan persen berat yang diinginkan kembali, secara grafity dari header

pengumpul di cellroom ke tangki sirkulasi NaOH yang biasanya terletak disebuah pit

diluar tidak jauh dari cellroom. Ukuran tangki sirkulasi NaOH biasanya membolehkan

kapasitas aliran yang luas antara level cairan yang normal dan overflow, berdasarkan

laju alir produk rancangan.

Sebagian NaOH yang berasal dari Elektrolyzer direcycle oleh pompa sirkulasi NaOH

ke heater / cooler NaOH dan kembali ke Elektrolyzer sebagai feed caustic. Air bebas

ion diinjeksikan kedalam NaOH yang kembali kecellroom untuk menjaga neraca air

Elektrolyzer. Produk NaOH dipompa keevaporator atau tanki penyimpanan sebelum air

bebas ion ditambahkan kealiran resirkulasi. Dalam hal emergency shut down,

emergency power tersedia untuk pompa sirkulasi. Pengontrol motor harus diletakkan

ditempat yang masih dapat dijangkau apabila pit-nya kebanjiran. Kran pengontrol

pompa produksi juga sebaiknya diletakkan disana.

Aliran NaOH produk normalnya dikontrol oleh sebuah sistem pengontrol level yang

masih dipasang ditangki sirkulasi NaOH. Sebuah pipa pembuangan ( optimal ) dapat

dipasang untuk mengirim NaOH berkhlorida tinggi kesebuah vesel penyimpanan

alternatif jika diinginkan. Kandungan khlorida yang tinggi terjadi selama shut down

disebabkan naiknya perpindahan melalui membrane. Sebagian besar NaOH yang

dipompa dari tanki sirkulasi NaOH diencerkan dengan air bebas ion sebelum

dipanaskan/didinginkan dan kembali ke Elektrolyzer. Lajualir recycle yang tinggi

bertujuan untuk menjaga temperatur cell dan memperkecil perbedaan konsentrasi (

concentration gradient ) didalam cell. Air bebas ion, normalnya pada kontrol aliran dan

set point, harus diubah jika produksi cellroom diubah guna menjaga konsentrasi produk

tetap konstan.

Sistem ini terdiri dari dua kontroler yang dihubungkan seri untuk menjamin bahwa

batas – batas temperatur umpan NaOH ke Elektrolyzer tetap terpelihara, ketika

mencapai kontrol temperatur NaOH yang kembali dari Elektrolyzer. Sistem pengontrol

ganda ini sangat berguna terutama dalam start-up dan shut down untuk mencapai

temperatur cell secara benar.

Sensor temperatur pada pipa outlet NaOH ( catholyte ) mengirim sinyal kekontroler

pertama, yang pada gilirannya akan mengirim sinyal output kekontroler kedua

berdasarkan hasil yang diinginkan ( misalnya : lebih banyak steam untuk pemasaran ),

kontroler kedua lalu mengirim sebuah sinyal output kekonverter yang kemudian

mengirim sebuah sinyal ke steam/cooling water solenoid control valve. Tetapi sebelum

mengirim sinyal, kontroler kedua melihat sinyal output dari kontroler pertama dan

menentukan apakah sinyal yang diinginkan berada dalam batas – batas yang diinginkan

untuk temperatur NaOH umpan, berdasarkan pada kondisi yang ada seperti ditunjukkan

oleh transmitter temperatur kedua ( misalnya : NaOH umpan telah berada pada

temperatur maksimum yang diizinkan ). Jika temperatur NaOH umpan telah berada

pada batas maksimum atau minimumnya, kontroler kedua mengatur sinyal aktual

kekran pengontrol steam/air pendingin yang bersesuaian.

Adapun spesifikasi feed caustic yang masuk kedalam elektrolyzer ketika star up

adalah sebagai berikut :

Tabel 4.1 Spesifikasi caustic ketika star up

Spesifikasi Satuan

NaOH 30 – 32 %

Fe ≤ 1 ppm

Hg ≤ 10 ppb

Cl- ≤ 50 ppm

NaClO3 ≤ 40 ppm

SO4 ≤ 30 ppm

Ni ≤ 1 ppm

Ca + Mg ≤ 0,5 ppm

SiO2 ≤ 40 ppm

Al <>

Metal + Pb <>

Setelah meninggalkan heater/cooler, NaOH yang kembali ke Elektrolyzer biasanya

dikontrol oleh sebuah kran pengonrol oleh sebuah kran pengontrol tekanan untuk

menjaga tekanan suplai yang konstan kemasing – masing rotameter Elektrolyzer.

4.2.4 Pertukaran ion ( migrasi ion )

Cell Elektrolisa bukan hanya pada pembentukan produk, tetapi juga pada pemisahan

produk. Elektrolyzer menggunakan membrane penukaran ion untuk mengefektifkan

pemisahan ini. Membrane pada Elektrolyzer berfungsi sebagai penukar ion untuk

mengefektifkan pemisahan. Membrane penukar ion mencegah lewatnya ion Cl- keruang

katoda dan mencegah lewatnya sebagian besar ion OH- keruang anoda. Membrane

hanya membiarkan ion Na+ untuk lewat dan membawa arus dari anoda kekatoda.

Ion OH- yang diproduksi dari katoda akan bergabung dengan ion Na+ membentuk

larutan NaOH ( produk ) yang meninggalkan sel elektrolisa. Tidak semua ion OH- yang

diproduksi meninggalkan ruang katoda, melalui nozzle buang sebagian NaOH. Dengan

adanya bantuan medan listrik yang terbentuk antara anoda dan katoda memberikan

gaya dorong untuk memindahkan ion OH- keanoda. Tetapi sebagian besar back

migration dari ion OH- tersebut dapat dicegah oleh membrane penukar ion. Ion OH-

yang menghasil menembus membrane menuju ruang anoda akan dikonsumsi dalam

reaksi samping didalam anolyte.

4.2.5 Membrane

Membrane adalah kain tipis yang merupakan salah satu komponen utama dari

elektrolyzer, dimana membrane berfungsi untuk menjaga anolyte dan catolyte tetap

terpisah. Membrane terbuat dari linem yang berukuran 1,575 x 1,143 dengan ketebalan

dibawah 1 mm. Membrane yang dipakai pada elektrolyzer ini berasal dan dibuat dari

Amerika ( Dupont/Napion ) dengan tipe N966TX/NA CATHMD atau Jepang ( Asain )

dengan ISO yang telah diakui. Membrane buatan Amerika yang terbuat dari bahan

linem ini dengan standar pemakaian 3 tahun. Akan tetapi membrane ini dapat bertahan

sampai 4 tahun bahkan lebih. Pemakaian membrane dapat bertahan dengan baik apabila

pemasangan dan pemeliharaan dengan benar sesuai dengan petunjuk operasi dari

sebuah pabrik.

Ada banyak sistem sel dikenal dan digunakan untuk serta memiliki beberapa

karakteristik umum. Dengan demikian, secara umum, sel - sel elektrolisis yang

digunakan untuk produksi kaustik dan klorin terdiri dari kompartemen, ditetapkan

sebagai kompartemen anoda dan katoda. Anoda wadah melayani untuk dekomposisi

elektrolisis dari air garam air, seperti larutan NaCl menurut persamaan di bawah ini:

2Na+ + 2Cl 2Na+ + Cl2 + 2e-

Sementara di kompartemen katoda, elektrolisis air terjadi sesuai dengan

persamaan di bawah ini:

2 H2O( l ) + 2 e- H2(g) + 2 OH-

Ion natrium dari kompartemen anolyte menggabungkan dengan ion hidroksil yang

dihasilkan dalam kompartemen katolyte dihasilkan dalam pembentukan suatu larutan

sodium hidroksida air seperti yang ditunjukkan dalam persamaan

Na+ + OH - NaOH

Selama bertahun - tahun, diafragma berpori digunakan untuk memisahkan

kompartemen anoda dan katoda. Diafragma berfungsi untuk memisahkan sel produk

gas dan air garam diizinkan mengalir dari anoda ke kompartemen - kompartemen

katoda. Transportasi air garam di diafragma yang disediakan jalur listrik untuk migrasi

ke ion natrium kompartemen katoda. Produk kaustik terbentuk dalam kompartemen

katoda adalah terbatas pada konsentrasi 12% dan telah terkontaminasi dengan garam

yang dihasilkan dari aliran air garam di diafragma. Produk kaustik dengan konsentrasi

rendah kemudian dipekatkan dengan penguapan kristalisasi untuk nilai komersial yang

mengandung 50% kaustik, garam terkontaminasi dengan 1%.

Dalam beberapa tahun terakhir, sel membran telah dikembangkan, di mana

diafragma berpori telah digantikan dengan bahan membran. Ini mengizinkan

transportasi ion natrium dari kompartemen anoda ke katoda kompartemen, tapi

mencegah pengalihan solusi air garam. Perkembangan ini telah menyediakan sarana

untuk produksi kaustik dengan konsentrasi yang tinggi.

Penggunaan membran-sel elektrolitik dilengkapi tidak menyebar luas di masa lalu

karena masalah yang dihadapi dengan stabilitas membran dan dengan efisiensi saat ini

dan daya relatif rendah dibandingkan dengan sel diafragma konvensional. Upaya -

upaya terbaru telah menghasilkan perkembangan yang signifikan memperbaiki

membran fokus perhatian baru pada sel elektrolitik membrane dilengkapi untuk

produksi kaustik oleh elektrolisis air garam. Dengan demikian, baru - baru ini

diumumkan oleh Asahi Chemical Industry Co, Ltd, yang pertama di dunia membran

dilengkapi klor-alkali plant komersial dengan kapasitas produksi tahunan sebesar

40.000 metrik ton telah dimasukkan ke dalam operasi pada tahun 1975. Membran yang

digunakan dalam sistem kimia Asahi, seperti yang dilaporkan pada presentasi

abovereferenced, adalah membran asam karboksilat yang perfluoro dibandingkan

dengan sebelumnya direkomendasikan perfluoro membran asam sulfonat, menyediakan

operasi stabil pada efisiensi arus tinggi.

Faktor-faktor efesiensi ekonomi dalam operasi sel membran adalah pencapaian

hidup membran panjang, pencapaian efisiensi yang tinggi saat ini, realisasi drop

tegangan rendah pada kepadatan yang tinggi saat ini dan produksi dengan konsentrasi

tinggi kaustik di sel. Tingkat pencapaian faktor-faktor ini tergantung pada karakteristik

fisik bahan membran yang spesifik dan akan berbeda dengan kondisi operasi.

Pemeliharaan kepadatan yang tinggi saat ini mengurangi modal investasi plant

( pabrik ) asli dan biaya penggantian membran. Demikian pula, produk konsentrasi

tinggi mengurangi modal dan biaya operasi peralatan penguapan yang diperlukan untuk

membawa produk kaustik sampai dengan konsentrasi komersial. Drop tegangan rendah

dan efisiensi yang tinggi saat ini mengurangi kebutuhan energi yang sebagian besar dari

total biaya produksi. Tingginya biaya bahan membran dan biaya pemeliharaan yang

terkait dengan penggantian membran membutuhkan pencapaian hidup membran

panjang.

Pengembangan membran yang cukup besar telah dilakukan dengan, terutama,

berbagai formulasi asam sulfonat perfluoro dan resin jenis asam karboksilat perfluoro.

Masing - masing formulasi membran memiliki sifat tertentu yang berbeda dengan

kondisi operasi. Bahan membran tertentu mungkin memiliki karakteristik yang sangat

baik efisiensi arus pada konsentrasi kaustik 40%, tetapi mungkin memiliki kehidupan

yang pendek di bawah kondisi ini. Akibatnya, kondisi operasi dan komersial sel bahan

membran yang digunakan saat ini merupakan suatu kompromi yang bertujuan untuk

pencapaian biaya produk terbaik dicapai.

Ekonomi dari sebuah acara instalasi membran sel khas yang kebutuhan energi

account sebesar 50 % dari total biaya produksi. Modal investasi dan nilai penggantian

membran menjadi 25% dan 8%, masing-masing, dari total biaya produksi.

Dari angka - angka ini, dapat dilihat bahwa produksi kaustik dan klorin oleh

membran sel elektrolisis merupakan energi dan modal yang relatif proses yang sangat

intensif. Modifikasi untuk proses elektrolisis menghasilkan penghematan energi dan

modal, karena itu penting dikemukakan.

Kini telah ditemukan bahwa penghematan yang signifikan dapat dicapai dengan

menggunakan sistem instan untuk produksi kaustik, dimana dalam setidaknya satu sel

dari sistem elektrolisis membran-dilengkapi, solusi kaustik konsentrasi yang relatif

rendah diproduksi secara elektrolisis dari NaCl yang mengandung air garam. Kaustik

konsentrasi tinggi yang diinginkan tersebut kemudian diproduksi oleh electrolyzing air

garam dalam tahap kedua menggunakan encer kaustik diproduksi dalam tahap pertama

sebagai pengganti air. Pementasan ini hasil produksi kaustik konsumsi energi yang lebih

rendah / ton kaustik diproduksi di comparion untuk sistem seni sebelumnya dengan

peningkatan simultan dalam kehidupan rata-rata dipekerjakan membran dan penurunan

investasi modal.

Dalam produksi hidroksida logam alkali dan klorin oleh elektrolisis suatu larutan

air garam logam alkali dalam kompartemen anoda dari sistem multi-sel kompartemen

dan elektrolisis air dalam kompartemen katoda dari sistem, dimana kompartemen sel

dipisahkan oleh diafragma membrane jenis yang memungkinkan migrasi ion logam

alkali dari anoda ke katoda kompartemen, perbaikan yang terdiri menyediakan sistem

sel dimana dalam setidaknya satu sel dari sistem, sebuah konsentrasi logam alkali

hidroksida relatif rendah solusi yang dihasilkan, dimana paling tidak satu sel lain dari

sistem, sebuah alkali logam relatif tinggi konsentrasi larutan hidroksida dihasilkan

dengan menyediakan kompartemen katoda sel ini, sebagai pengganti air, dengan

konsentrasi larutan alkali logam hidroksida relatif rendah diproduksi dalam sel lainnya.

Dengan menggunakan produksi stagewise dari kaustik konsentrasi, diinginkan relatif

tinggi, rata-rata konsumsi energi per unit berat hidroksida logam alkali berkurang secara

signifikan dibandingkan dengan konsumsi daya tunggal tahap memproduksi kaustik

sistem elektrolisa. Selain itu, kehidupan membran keseluruhan meningkat selama hidup

membran digunakan dalam sistem tunggal tahap elektrolisis. Sistem ini menggabungkan

penghematan energi dengan efisiensi yang tinggi saat ini dan diinginkan parameter

operasi tanpa mengorbankan kelebihannya.

Kehilangan efisiensi didalam sel membrane sehubungan dengan migrasi ion OH-

dari catholyte melalui membrane menuju anolyte. Migrasi ini terjadi karena ion OH-

yang bermuatan negatif tertarik keanoda yang bermuatan positif dan juga karena

gradien konsentrasi ion OH- melewati membrane.

Performansi sel membrane menurun setelah periode operasi tertentu. Sebab – sebab

utamanya meliputi akumulasi zat – zat pengotor brine dalam membrane, kondisi –

kondisi operasi yang tidak stabil, erosi pada permukaan membrane dan lobang pada

membrane. Zat – zat pengotor yang tinggi akan menyebabkan tersumbatnya membrane

dengan endapan – endapan hidroksida yang akan mengurangi kemampuan separasi

membrane. Zat – zat pengotor yang paling umum untuk dihindarkan adalah seperti

kalsium, magnesium, besi, nikel, silikat alumunium, mangan, stronsium dan barium.

Disamping hal – hal tersebut, performansi sel membrane dapat menurun apabila

terjadi kebocoran. Kebocoran pada membrane dapat disebabkan pemakaian Load

( energi ) yang naik turun, adanya benda asing yang masuk kedalam elektrolyzer

( Contohnya resin, besi – besi kecil diwaktu pemasangan yang kurang bersih ), kadar

TSS ( total suspensed solid ) pada feed brine yang terlalu tinggi, current ( penghantar

listrik ) pada elektrolyzer yang rusak. Akibat yang ditimbulkan apa bila bocor

diantaranya adalah Voltase pemakaian pada cell tersebut tinggi, dan pH serta kadar

klorat ( NaClO3 ) pada anolyte tinggi.

Dengan demikian demi untuk mengefesiensikan biaya produksi maka membrane

yang telah mengalami kerusakan atau kebocoran dapat di pakai kembali. Adapun

langkah – langkahnya adalah sebagai berikut :

1. Membrane yang mempunyai kerusakan kecil/berlubang dapat diperbaiki dengan

cara dilapisi ( dilakukan pemanasan ) dengan menggunakan lembaran kecil film

Nafion 117 Sulfonic dengan menggunakan alat Roemac Heat Sealer. Membrane

yang dapat diperbaiki hanya dengan kerusakan / lubang diameter <>

2. Bersihkan sampai kering area – area kerusakan yang akan diperbaiki, kira – kira

berukuran 6 x 6 inc.

3. Bersihkan area tersebut dengan Aceton atau dengan udara kering.

4. Potong tambalan ( lapisan film Nafion 117 Sulfonic ) untuk ukuran yang

dibutuhkan.

5. Hidupkan power Vige Grip Unit dengan setting :

Tabel 4.2 Standar setting Vige Grip Unit

Prihal Satuan

Rheostat 35/37

Waktu pemanasan 25 detik

Waktu pendinginan 40 detik

Arus listrik/current 36-38 ampere

Tegangan listrik/voltage 2 volts

Temperatur jepitan 3000C

Tenaga tekanan 20 lb

6. Letakkan jepitan diatas dan dibawah area yang bocor secra perlahan tutup jepitan

( tetapi tidak ditekan ) untuk mengecheck posisi,

7. Letakkan secara langsung diatas area yang rusak.

8. Letakkan kapton sheet 2 x 4 inc diatas potongan dan dibawah membrane untuk

memproteksi membrane dari jepitan.

9. Secara hati – hati letakkan kembali potongan keposisi yang tepat, jepitan kapton

dan membrane sesuai dengan kebutuhan.

10. Tekan/clamp jepitan dan tekan push ON, maka akan terlihat indikasi lampu

pemanas hidup ( heating ) kemudian lampu pendingin hidup ( cooling ). Pada saat

lampu pendingin mati, perbaikan membrane sudah selesai.

11. Lepaskan jepitan dan check hasil perbaikan / hasil tambalan.

DAFTAR PUSTAKA

Dennis.E.Bihary.1994. MGC Elektrolyzer Assembly and Operation Manual.Chardon.USA

Ir.Basuki Suhardi.2002.Bahan Training Chlorine Plant.PT.LPPPI.Jambi

Peter Atkins.1997.Kimia. fisik, 6th edition.WH Freeman and Company. New York

Safrizal.2002.Bahan Training Brine Unit.PT.LPPPI.Jambi