studi eksperimental pemurnian garam nacl · pdf filepemisahan dan pemurnian. ... aktual dalam...

Setyopratomo, Siswanto, Ilham, Studi Eksperimental Pemurnian Garam

17

STUDI EKSPERIMENTAL PEMURNIAN GARAM

NACL DENGAN CARA REKRISTALISASI

Puguh Setyopratomo, Wahyudi Siswanto dan Heru Sugiyanto Ilham

Jurusan Teknik Kimia, Universitas Surabaya

Abstrak

Kristalisasi dari larutan dikategorikan sebagai salah satu prosespemisahan yang efisien. Secara umum, tujuan dari proses kristalisasiadalah menghasilkan produk kristal dengan kualitas seperti yangdiharapkan. Kualitas kristal yang dihasilkan dapat ditentukan dariparameter-parameter produk yaitu distribusi ukuran kristal),kemurnian kristal dan bentuk kristal. Salah satu syarat terjadinyakiristalisasi adalah terjadinya kondisi supersaturasi. Kondisisupersaturasi adalah kondisi dimana konsentrasi larutan berada diatas harga kelarutannya. Kondisi supersaturasi ini dapat dicapaidengan cara penguapan, pendingin atau gabungan keduanya. Terdapatdua phenomena penting pada proses kristalisasi yaitu pembentukaninti kristal (nukleasi) dan pertumbuhan kristal (crystal growth ). Daripenelitian didapatkan bahwa garam yang berasal dari tambakmempunyai kandungan NaCl sebesar 88,38 %. Melalui prosespencucian dan rekristalisasi maka kualitas garam tersebut dapatditingkatkan dengan meningkatnya kandungan NaCl hingga99,01 %.

Kata kunci : crystallization, purification, sodiun chloride

PENDAHULUANKristalisasi memegang peranan yang sangat penting dalam

industri kimia. Hal ini mengingat kurang lebih 70 % dari produk-produkkimia dihasilkan dalam bentuk padatan/kristal. euntungan darimenghasilkan produk dalam bentuk padatan antara lain adalah biaya

Unitas, Maret 2003 - Agustus 2003, Vol. 11 no.2

18

transportasi lebih murah, padatan lebih tahan terhadap kerusakan akibatterjadinya dekomposisi dan bentuk padatan lebih memudahkan dalampengepakkan dan penyimpanannya.

Kristalisasi dikatagorikan sebagai salah satu proses pemisahanyang efisien. Pada umumnya tujuan dari proses kristalisasi adalah untukpemisahan dan pemurnian. Adapun sasaran dari proses kristalisasi adalahmenghasilkan produk kristal yang mempunyai kualitas seperti yangdiinginkan. Kualitas kristal antara lain dapat ditentukan dari tigaparameter berikut yaitu : distribusi ukuran kristal (Crystal SizeDistribution, CSD), kemurnia kristal (crystal purity) dan bentuk kristal(crystal habit/shape).

Pada proses kristalisasi kristal dapat diperoleh dari lelehan (meltcrystallization) atau larutan (crystallization from solution). Dari keduaproses ini yang paling banyak dijumpai di industri adalah kristalisasidari larutan.

Tujuan penelitian ini adalah mempelajari efektifitas pemurniangaram NaCl dengan cara rekristalisasi.

TEORIMekanisme kristalisasi

Kristalisasi dari larutan terdiri dari dua phenomena yang berbeda: pembentukan inti kristal/nukleasi (nucleation) dan pertumbuhan kristal(crystal growth). Baik nukleasi maupun pertumbuhan kristal memerlukankondisi supersaturasi dari larutannya. Supersaturasi didefinisikan sebagaiperbedaan antara konsentrasi aktual dalam larutan dan konsentrasi dimanafasa cair secara termodinamik berkesetimbangan dengan fasa padat(kelarutan).


19

Keadaan supersaturasi dapat diperoleh dengan beberapa carayaitu : dengan perubahan suhu (pendinginan untuk sistem yang gradienkurva kelarutannya positif atau pemanasan untuk sistem yang gradienkurva kelarutannya negatif), dengan pemisahan pelarut (biasanya denganpenguapan) atau dengan penambahan bahan tertentu (drowning-outagent).

Pada diagram konsentrasi terhadap suhu , kelarutan suatu bahandigambarkan sebagai kurva kelarutan (solubility). Kelarutan suatu bahanada yang naik terhadap kenaikan suhu (gradien positif), tetapi ada jugayang turun terhadap kenaikan suhu (gradien negatif). Ada bahan yanggradien kurva kelarutannya sangan besar, tetapi juga ada yang gradienkurva kelarutannya kecil. Semua sifat-sifat tadi ikut menentukanpemilihan metode kristalisasi yang akan digunakan.

Daerah di bawah kurva solubility adalah daerah undersaturated,sehingga daerah ini dikatagorikan daerah stabil karena pada daerah initidak akan terjadi peristiwa pembentukan inti kristal (nukleasi). Kurvasupersolubility adalah batas dimana nukleasi spontan mulai terjadi.Daerah antara kurva solubility dan supersolubility disebut metastablezone. Kedudukan kurva supersolubility dapat bergeser tergantungbeberapa variabel proses, sehingga lebar daerah metastabil (metastablezone width) juga bisa berubah-ubah. Pada daerah metastabil ini bisaterjadi nukleasi sekunder. Daerah diatas kurva supersolubility disebutdaerah labil karena pada daerah ini nukleasi spontan pasti terjadi yangmengakibatkan konsentrasi turun dan membawa kondisi keluar daridaerah ini.


20

Nukleasi (nucleation)Nukleasi adalah terbentuknya inti kristal yang muncul dari

larutan. Teori nukleasi menyatakan bahwa ketika kelarutan dari larutantelah dilewati (supersaturated), molekul-molekul mulai mengumpul danmembentuk cluster. Cluster tersebut akhirnya akan mencapai ukurantertentu yang disebut critical cluster. Penambahan molekul lebih lanjutke critical cluster akan melahirkan inti kristal (nucleus). Untuk menjadiinti kristal yang stabil maka cluster harus mempunyai ketahanan terhadapkecenderungan unutk melarut kembali dan terorientasi pada latticetertentu. Klasifikasi nukleasi digambarkan dengan skema sebagaiberikut :

Gambar 1 : Skema Klasifikasi NukleasiNukleasi primer adalah nukleasi pada sistem yang tidak

mengandung kristal. Nukleasi spontan adalah nukleasi dalam larutanlewat jenuh yang terbebas dari padatan kristal adatu padatan lainnya.Sedangkan nukleasi heterogen adalah nukleasi dalam larutan lewat jenuhdi mana terdapat substansi padatan asing dalam larutan.

Kinetika nukleasi secara umum dapat digambarkan olehpersamaan empirik berikut :

( )bCNKB ∆= ………………………………(1)

Nukleasi

Sekunder(dipengaruhi oleh kristal)Primer

Heterogen(dipengaruhi partikel asing)

Homogen(spontan)


21

dimana :B : laju nukleasiKN : konstanta laju nukleasi∆C : supersaturasi (∆C = C – C* ; C* : kelarutan)b : konstanta empiris (umumnya : 2 – 5)

Pertumbuhan Kristal (crystal growth)Tahap berikutnya dalam proses kristalisasi adalah inti bertumbuh

menjadi lebih besar dengan penambahan molekul solut dari larutan lewatjenuh. Phenomena ini disebut pertumbuhan kristal (crystal growth).

Berthoud (1912) dan Valeton (1924) menggambarkan modelpertumbuhan kristal dengan model pertumbuhan dua tahap, yaitu prosesdifusi, di mana molekul solut berpindah dari bulk fase liquid ke permukaansolid, diikuti tahap reaksi orde satu, di mana molekul solut menyusundirinya dalam geometri kristal (crystal lattice). Daya dorong terjadinyakedua tahap ini adalah perbedaan konsentrasi, yang dapat ditunjukkanoleh persamaan sebagai berikut :

)( CiCAkddtdm

−⋅⋅= …………………….(2)dan

*)( CCiAkrdtdm

−⋅⋅= …………………….(3)di mana :

m : masa padatan yang terdeposit selama waktu tC : konsentrasi solut dalam larutanCi :konsentrasi solut pada bidang antarfasa kristal-larutanC* : konsentrasi jenuh kesetimbangankd : koefisien perpindahan massa difusikr : konstanta laju reaksi permukaan


22

Secara skematik model pertumbuhan dua tahap ini digambarkan padaGambar 3

C i

C*

C b

Cb - Ci = drivingforce untuk difusi

Ci - C* =driving forceuntuk integrasi

Konsentrasi

Stagnant Film Badan larutan

C R

Y S

T A

L

Gambar 2 : Driving Force Konsentrasi dalam Teori Difusi-reaksi

Persamaan (2) dan (3) sulit untuk diterapkan dalam prakteknyakarena mengandung konsentrasi antarfasa (interfacial) yang sulit diukur.Biasanya lebih disukai bentuk yang mengeliminasi mengeliminasi Cidengan menetapkan driving force overall, C - C*, yang lebih mudahdiukur. Persamaan umum untuk laju pertumbuhan kristal berdasarkandriving force overall tersebut adalah :

*)( CCbAKGdtdm

−⋅⋅= ..…………………(4)di mana KG adalah koefisien laju pertumbuhan kristal overall, yang jugadapat dituliskan dalam bentuk :

rkdkrkdk

GK +

⋅= …………………………...(5)


23

Nukleasi dan pertumbuhan kristal berlangsung secara simultan,dan keduanya seolah berkompetisi dalam mengontrol distribusi ukurankristal yang dideroleh. Karena pada nukleasi supersaturasi berorde lebihtinggi dari laju pertumbuhan kristal, maka kristalisasi pada tingkatsupersaturasi yang tinggi akan cenderung menghasilkan kristal dengandistribusi ukuran yang akan didominasi oleh ukuran yang kecil.

Pengotor (Impurities)Pengotor yang ada pada kristal terdiri dari dua katagori, yaitu

pengotor yang ada pada permukaan kristal dan pengotor yang ada didalam kristal. Pengotor yang ada pada permukaan kristal berasal darilarutan induk yang terbawa pada permukaan kristal pada saat prosespemisahan padatan dari larutan induknya (retention liquid). Pengotorpada permukaan kristal ini dapat dipisahkan hanya dengan pencucian.Cairan yang digunakan untuk mencuci harus mempunyai sifat dapatmelarutkan pengotor tetapi tidak melarutkan padatan kristal. Salah satucairan yang memenuhi sifat diatas adalah larutan jenuh dari bahan kristalyang akan dicuci,namun dapat juga dipakai pelarut pada umumnya yangmemenuhi kriteria tersebut. Adapun pengotor yang berada di dalam kristaltidak dapat dihilangkan dengan cara pencucian. Salah satu cara untukmenghilangkan pengotor yang ada di dalam kristal adalah dengan jalanrekristalisasi, yaitu dengan melarutkan kristal tersebut kemudianmengkristalkannya kembali. Salah satu kelebihan proses kristalisasidibandingkan dengan proses pemisahan yang lain adalah bahwa pengotorhanya bisa terbawa dalam kristal jika terorientasi secara bagus dalamkisi kristal.


24

METODOLOGIPada penelitian ini garam yang akan dimurnikan didapat dari

tambak. Garam tambak tersebut mula-mula dicuci terlebih dahulu denganlarutan jenuh garam NaCl. Tujuan dari pencucian ini adalah untukmemisahkan pengotor-pengotor yang ada pada permukaan kristal.Selanjutnya dibuat larutan jenuh dari garam yang telah dicuci tersebut.Larutan jenuh garam NaCl ini selanjutnya dipanaskan dari suhu kamarsampai titik didihnya di dalam kristaliser batch dengan volume 1,5 liter.Setelah mencapai titik didihnya pemanasan dilakukan terus sehinggaterjadi penguapan air dan kristalisasi garam dari larutan. Pemanasandilakukan dengan menggunakan oli pemanas yang berada di dalam jacketkristaliser. Selama proses kristalisasi dilakukan pengadukan padakecepatan 300 – 500 rpm dan pencatana suhu larutan dari waktu kewaktu. Pada akhir percobaan kristal yang terbentuk dipisahkan darilarutan induknya dengan cara penyaringan. Kristal yang telah terpisahkanselanjutnya dikeringkan dengan menggunakan udara sekitar. Selanjutnyadilakukan analisa kandungan pengotor (impurities) dari kristal yang sudahkering tersebut dengan metode spektrofotometri dan titrasikompleksometri. Dari hasil analisa kandungan impurities ini selanjutnyaditentukan kadar NaCl dalam garam. Pada tahap akhir dilakukanpengayakan terhadap kristal yang sudah kering untuk mengetahuidistribusi ukuran kristal dan rata-rata ukuran kristal. Dari harga rata-rata ukuran kristal ini dapat diketahui laju pertumbuhan kristalnya (crystalgrowth rate).

HASIL DAN DISKUSIKemurnian garam

Kadar NaCl dan pengotor dari umpan (garam tambak), garam


25

tambak tercuci dan garam hasil rekristalisasi dapat dilihat pada Tabel-1berikut :

Dari Tabel-1 di atas terlihat bahwa pencucian berperanan cukup besardalam meningkatkan kandungan NaCl karena pencucian dapatmenurunkan kadar pengotor. Hal ini menunjukkan bahwa cukup besarpengotor yang berada pada permukaan garam yang diperleh langsungdari tambak. Pada tahap berikutnya dengan rekristalisasi kandunganpengotor dapat diturunkan lagi sampai harga yang cukup kecil sehinggadidapatkan garam dengan kandungan NaCl mencapai 99,01 %. Padatahap rekristalisasi ini pengotor-pengotor yang berada /terperangkap didalam kristal akan terlepaskan dari kristal karena pelarutan kristal.Selanjutnya proses kristalisasi mempunyai selektifitas yang cukup tinggisehingga kadar pengotor yang masih berada dalam kristal yang dihasilkancukup kecil.

Laju Pertumbuhan Kristal (crystal growth rate)Salah satu phenomena yang penting dari kristalisasi adalah

pertumbuhan kristal. Tahap ini sangat berperanan dalam menghasilkandistribusi ukuran kristal. Menurut teori difusi-reaksi pertumbuhan kristaldapat dikontrol oleh tahap difusi atau reaksi. Jika tahap yang mengontroladalah tahap difusi maka laju pertumbuhan kristal dapat ditingkatkandengan meningkatkan laju pengadukan. Meningkatnya laju pengadukan

JENIS GARAM %

NaCl

%

MgCl2

%

MgSO4

%

CaSO4

%

Insoluble

Garam tambak 88,38 1,47 1,65 0,29 8,20

Garam tercucian 94,71 0,65 0,47 0,25 3,92

Garam kristalisasi 99,01 0,10 0,03 0,05 0,82


26

akan meningkatkan harga bilangan Reynold dari sistem dan akanmengurangi tebal lapisan film. Dengan menurunnya tebal lapisan filmini akan meningkatkan koefisien difusi zat terlarut (kd) maupun koefisienoverall (KG) yang berarti akan meningkatkan laju pertumbuhan kristal.

Tabel-2 berikut menyajikan data yang diperoleh dari percobaandengan kecepatan pengadukan yang berbeda. T nukleasi adalah menit(dihitung mulai awal percobaan) saat nukleasi pertama terjadi. SedangkanT akhir adalah menit pada saat percobaan dihentikan. Jadi selisih antaraT akhir dan T nukleasi adalah merupakan rentang waktu yang digunakanuntuk pertumbuhan kristal.

Tabel-2 : Laju Pertumbuhan Kristal

Kecepatan pengadukan

Diameter rata-rata kristal (µm)

T nukleasi 134 menit T akhir 230 menit

300 rpm

301,2

laju pertumbuhan kristal

3,2 (µm/menit)


400 rpm

296,2


2,8 (µm/menit)


500 rpm

294,0


2,5 (µm/menit)


27

Dari data percobaan yang disajikan dalam Tabel-2 di atas terlihatbahwa meningkatnya laju pengadukan tidak mengakibatkan meningkatnyalaju pertumbuhan kristal. Dengan demikian hasil ini menunjukkan bahwalaju pertumbuhan pada kristalisasi garam NaCl tidak dikontrol oleh tahapdifusi.

KESIMPULANKesimpulan yang dapat diambil adalah sebagai berikut :1. Pencucian berperanan cukup besar dalam meningkatkan kandungan

NaCl karena pencucian dapat menurunnkan kadar pengotor. Halini menunjukkan bahwa cukup besar pengotor yang berada padapermukaan garam yang diperleh langsung dari tambak

2. Dengan rekristalisasi kandungan pengotor dapat diturunkan lagisampai harga yang cukup kecil sehingga didapatkan garam dengankandungan NaCl mencapai 99,01 %.

3. Laju pertumbuhan pada kristalisasi garam NaCl tidak dikontrol olehtahap difusi.

DAFTAR PUSTAKADe Haas, M.P., 1999. Eutectic Freeze Crystallization. experimental

research on the separation of acid KNO3-HNO3-H2O-solutionin a 15 liter Cooled Disc Column Crystallizer. Laboratory ForProcess Equipment. TU Delft.

Geankoplis, C.J. 1993. Transport Processes and Unit Operations, edisi3, halaman 737-747. Prentice-Hall, Inc.

Industrial Crystallization and Precipitation Workshop.1998. The AJParker Cooperative Research Centre for Hydrometallurgy and TheTechnical University of Delft.


28

Kirt-othmer. 1991. Encyclopedia of Chemical Technology, Volume XXI,halaman 865-903. U.S.A. : John Willey and Sons.

Mc Cabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, Peter. 1976. Unit Operations ofChemical Engineering, edisi 5, halaman 894-899. New York :Mc Graw-Hill Book Company.

Mullin, J.W. 1993. Crystallization, 3rd edition. Butterworth-HeinemannLtd.

Sedivy, V.M.1993. Purification of Salt for Chemical and HumanConsumption. Krebs Swiss. Zurich. Swittzerland.

studi eksperimental pemurnian garam nacl · pdf filepemisahan dan pemurnian. ... aktual dalam...

Documents