TERMODINAMIKA Ilmu yg membahas tentang hubungan panas dan kerjaTujuan:

1. menerangkan suatu proses dapat berlangsung atau tidak pada temperatur dan tekanan tertentu

2. menerangkan suatu reaksi menyerap panas atau menghasilkan panas 3. membuat suatu neraca energi atau neraca panas sehingga dapat diketahui

berapa jumlah reduktor atau oksidator yang diperlukan

Tahap pembangunan pabrik ekstraksi :-thermodinamika : berhub dgn kemungkinan kelangsungan proses kimia serta keadaan akhir yg akan dicapai

-kinetika : mempelajari laju/ kec reaksi dan pengendaliannya.-transport fenomena : mempelajari ttg perpindahan massa dan kalor dr reaksi-perekayasaan : hub dgn perencanaan dan perancangan pembangunan peralatan/ reaktor dan sarana pendukung yg diperlukan utk merealisasikan proses yg direncanakan.

Peranan Thermodinamika:1. Tahap Preparasi : termodinamika diterapkan pd diagram kellogg diagram kesetimbangan logam-sulfur - oksigen2. Tahap Ekstraksi : termodinamika dipakai utk memperkirakan berlangsungnya proses redoks logam baik menggunakan reduktor C, H2, logam lainnya ( metallothermik) berdasar data kesetimbangan pembentukan oksida berbagai logam dpt dibentuk  diagram ellingham 4M/x + O2 = 2/x M2Ox3. Tahap pemurnian :-pd tahap ekstraksi reduksi mrpkn reaksi kimia yg sangat penting pd salah satumetode pemurnian scr pirometalurgi justru sebaliknya yaitu reaksi oksidasi.-pd metode ini unsur pengotor diubah mjd oksida yg secara fisik dpt dipisahkan dr logam utamanya baik sbg oksida leleh, padatan maupun dlm btk gas-diagram ellingham juga dpt utk menentukan penghilangan unsur tertentu dgn cara oksidasi selektif-proses pemurnian dilakukan utk menurunkan kandungan unsur2 pengotor-pemurnian dpt dilakukan dgn elektrolitic

1. Dasar - DasarThermodinamika1.Hukum Avogadropd 0 C dan 760 mmHg (STP), vol 1 mol gas = 22,415 Lt2. Boyle-gay lussacPV=nRTR: bilangan reynold = 0,082 Lt atm/ mol K = 8,3144 Nm/mol K= 8,3144 Joule/ mol K = 1,987 kalori/ mol K3. DaltonTekanan total gas yg tdk saling bereaksi mrpkn jml masing2 tekanan parsialnya.P = P1+P2+…Pn4. Divusi Graham

V= 1/√d = 1/√MV :difusi, d : kerapatan, M: berat molekul

HK Termodinamika IDalam suatu sistem dgn massa tetap energi tdk dpt diciptakan maupun dihancurkan tetapi dpt berubah ke btk lain.U = q – w               Vkonstan = ∆U = dW = PV + w’          Pkonstan ∆U=q-P∆V

Hk Termodinamika 2Adalah tdk mungkin membuat suatu mesin yg dpt merubah energi panas mjd kerja kecuali sebagian energi itu berpindah dr T tinggi ke T rendah.

Hk Termodinamika 3:Bahwa pertambahan entropi utk reaksi yg reversibel yg melibatkan kristal pdt sempurna pd 0 K adalah 0 (nernst 1906)Entropi semua kristal padat sempurna pd 0 K = 0 (planck)ENTROPISuatu fungsi keadaan yg mrpkn uk/keteraturan/ ketidakteratruran struktur atom suatu system.

Diagram Ellingham : diagram yg menggambarkan harga Δ˚G (energi bebas) pembentukan oksida berbagai unsur/ logam sebagai fungsi temperatur.Informasi yg terdpt didlmnya:-bila harga Δ˚G<0 mk reaksi berlangsung spontan, suatu oksida akan stabil-bila grafik perubahan energi bebas berada di bwh grs Δ˚G = 0 mk oksida logam akan stabil.

Diagram Pourbaix

Diagram potensial/pH atau sering disebut sebagai diagram Pourbaix bisa dianggap sebagi peta yang menunjukkan kondisi potensial (oxidizing power) dan pH (keasaman ataupun

kebasaan) untuk berbagai kemungkinan fase stabil dalam sistem elektrokimia. Garis batas diagram membagi area kestabilan untuk fase yang berbeda yang diturunkan dari persamaan Nerst.  Diagram Pourbaix dapat digunakan untuk memperkirakan apakah logam akan berada dalam kondisi terkorosi, imun ataukah dalam kondisi pasif. Namun, prediksi tentang laju korosi tidak dapat dilakukan dengan diagram Pourbaix ini.

Diagram Kellog

Untuk menentukan berapa banyak gas yang harus diberikan dalam proses roasting ini, agar membentuk senyawa oksida logam yang kita perlukan, maka diperlukan suatu perhitungan kesetimbangan yang melibatkan bentuk-bentuk oksida logam yang mungkin terjadi. Garis-garis grafik kesetingangan tersebut, diplot pada suatu grafik. Grafik tersebut dikenal dengan nama diagram Kellog

Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika 

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. Hukum Pertama Termodinamika 

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.  Hukum Kedua Termodinamika 

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. Hukum Ketiga Termodinamika 

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. 

Perbedaan unit operation dgn unit procesing :

Unit operation :Dasar : sifat fisikProduk : mineralFase : padatPersiapan : kominusi, sizingHasil : Consentrat, midling, tailingUnit Procesing:Dasar : sifat kimia, fisikproduk : metalfase : perubah , padat, cair, gaspersiapan : preparasi (fisik, kimia)hasil : L, S, gas

Tahapan Metalurgi ekstraksi:1. preparasi (fisik, kimia)-preparasi fisik : aglomeration yg terdiri dari : peletizing, sintering, briquieting-preparasi kimia : roasting, calcining2. ekstraksi metal-pyrometallurgi : menggunakan energi bahan bakar padat cair gas ( smelting, converting, retorting, fire refining)-hydrometalurgi : menggunakan reagen pelarut (leaching, presipitasi)-ellectrometalurgi : menggunakan energi listrik (electrothermik (peleburan dgn energi listrik), electrolisa dlm larutan air ( electro refining, electro winning, electro plating), fused salt electrolisis (electrolisa garam lebut)).3. Pemurnian

Perubahan fase-gas à liquid/liquid à gas (kondensasi)- gas à Solid / solid à gas (retorting)-liquid à solid/solid à liquid (smelting)

Peralatan tanur :-fixed bed (sintering), Fluidized bed (roasting), shaft furnace ( Fe, Pb blast furnace, lime), rotary kiln ( drying, kalsinasi), retort ( retorting), reverberatory furnace (matte smelting), electric furnace (electric matte smelting), cell utk electrolisa garam lebur

Urutan Ekstraksi :Bijih - Preparasi PBG - Konsentrat - Preparasi Ekstraksi - Metalurgi ekstraksi - LogamPreparasi EkstraksiTujuan :-pengeringan ( T : 110 C)-mengubah senyawa logam

-mengubah ukuran/ sifat fisik bijih / konsentrat agar sesuai dgn persyaratan proses selanjutnya

Pirometalurgi

PIROMETALURGISuatu proses yg dilakukan pd T tinggi .500 CTahapan :-preparasi (fisik, kimia) yg berlangsung dibwh ttk lelehnya.-ekstraksi logam berlangsung pd temp tinggi disertai peleburan, penguapan utk menghasilkan logam-pemurnian agar mudah dlm mengatur komposisi logam

prinsip ekstraksi pirometalurgi-berlangsungnya reaksi kimia yg menghasilkan logam dr senyawa-terbtknya 2 fase / lebih à logam yg dihasilkan dpt terpisah dr senyawa yg tdk dikehendaki.

Reaksi yg berlangsung : reduksi, oksidasi, netral (tanpa redoks)Proses reduksi:- Dalam ekstraksi metalurgi proses reduksi memegang peranan penting- Proses reduksi, proses pembentukan logam dr senyawa oksida dgn reduktor- Oksida logam ada yg terdpt dialam sbg bijih ttp ada juga berbtk senyawa lain/ sulfida.- Reduksi beberapa logam ada yg tjd pd T dibwh ttk lelehnya (NiO, FeO) sbg reduktor : C (batubara, kokas, H2, CH4)

Peleburan ReduksiDilakukan pd bijih/ konsentrat oksida utk menghasilkan logam digunakan reduktor ( karbon hidrogen)Reaksi :MO + CO à M + CO2Reaksi dgn C pdtMO+ C = M + COCO yg terbtk dpt mjd reduktor. Unsur pengotor ada kemungkinan ikut tereduksiXO + CO à X + CO2

Reduksi menghasilkan uap logam-Utk bbrp logam tertentu yg mpy tekanan uap relatif tinggi, ekstraksi dilakukan dg cara reduksi pdt menghasilkan uap logam tsb.-pemisahan antara pengotor + logam dpt dilakukan dgn mudah-uap logam yg didpt dikondensikanZnS + 3/2 O2 = ZnO + SO2ZnO + C = Zn + COYg dominanZnO+CO = Zn + CO2

Didlm tanur retort tjd reaksiCO2+C=2CODgn demikian gas yang dihasilkan dr proses restoring ini mrpkn campuran uap Zn, gas CO, CO2 dlm jml kecil.Peleburan netral-proses ini lebih dikenal sbg Matte Smelting atau Speiss Smelting tergantung senyawa logam yg dilebur-pengotor diupayakan mjd seng oksida (terak/slang) sedang logam berharga mjd fase leleh yg disebut matte/ speiss-matte : produk peleburan yg mrpkn logam2 sulfida ( Cu2SfeS, Ni2FeS)-Speiss : produk peleburan yg merupakan seng logam dgn arsenit (As) atau antimon ( Sb) (MxAsy) (MxSby)-pd peleburan netral tdk dilakukan penambahan oksidator maupun reduktorMSn M’S + GM : logam berharga, M’ : logam tdk berharga, G : pengotor-Bila M’ mudah dioksidasi dr M mk bila dilakukan pemanggangan oksidasi partial :MS(n-n’)M’S + n’M’O + G-krn oksida logam bersifat basa, mk M’O membutuhkan fluk asam (SiO2) shg dpt membentuk silikat-G dpt bersifat asam / basa-M’O dan G masuk ke terak-Dlm pemanggangan partial: selalu dijaga agar tdk semua M’S teroksidasi mjd M’O sebab dlm roasting MS dpt teroksidasi mjd MO, mk dlm peleburan matte dpt diubah kembali mjd MS.

METALOTERMIK- Proses peleburan reduksi suatu oksida logam dgn menggunakan logam lain sbg reduktor.- Metode ini dilakukan bila logam yg direduksi sangat stabil, shg tdk dpt direduksi oleh karbon, kecuali pd temp yg sangat tinggi/ oleh hydrogen, demikian juga logam membtyk karbida tdk mungkin dihasilkan dgn reduktor karbon.Keuntungan : sifat reaksi dr pembentukan oksida2 Al2O3 dan SiO2 eksotermik, shg keb kalor utk peleburan sebag besar tercukupi dari reaksinyaKerugian :Reduktor sangat mahal shg penggunaan terbatas pd logam2 yg bernilai tinggi.Cth :Cr2O3 +2Alà2Cr + Al2O32MgO + Si à 2Mg +SiO2Proses OksidasiTujuan :Mengubah senyawa sulfida (matte) logam pengotor mjd oksidaà msk ke terakSebagai oksidator digunakan udaraCth : Pada proses convertingPeleburan SulfidasiPeleburan utk mendptkan matte ttp umpannya senyawa oksida. Pd bijih nikel à min garnieriteNiO+CaS = NiS(matte) + CaO

XCaO + ySiO2 = (CaO)x(SiO2)y (terak)Matte dilakukan converting à hslnya bukan logam ttp tetap matte, dgn kandungan nikel tinggiPeleburan PresipitasiProses ekstraksi berdasarkan reaksi pendesakan yaitu reaksi antara logam sulfida dgn logam lainMS + M’ = M +M’SPbS+Fe(scrap) = Pb+FeS (peleburan timbal)Sb2S3+3Fe=2Sb+3FeS (peleburan antimon)Peleburan semprotProses scr simultan, dr pemanggangan oksidasi partial-peleburan matte yg dilakukan dlm 1 reaktorKonsntrat tembaga nikel berbutir hls disemprotkan bersama udara yg diperkaya oksigen.Dlm reactor mula2 tjd proses pemanggangan       (msh pdt). Kalsin (hsl pemanggangan) akan melebur àmatteKeuntungan:Penggunaan kalor lebih effisien.

KALSINASIPemanasan pd T

Tujuan :

- Penguraian karbonat

MCO3(p) à MO(p) + CO2 (g)

M : Zn, Fe, Ag, Pb, Cd, Mn, Mg, Ca

ΔGT = ΔGT˚ + RT In PCO2

- Penghilangan air kristal dan penguraian hidroksida

M(OH)2 = MO +H2O

ΔGT˚ = - RT ln PH2O

- Desagregasi bijih kompak

proses penguraian mekanis bijih yg sangat kompak dan penguraian senyawa organik

Cth : M3O4 (misal Fe3O4) sangat kompak (porositasnya rendah), jk direduksi dgn gas CO reaksi diffusi gas lamban, mk Fe3O4 dipanaskan dan didinginkan mendadak (quenching) shg timbul retakan2 yg mudah diterobos gas CO. Jk pd peleburan Fe3O4 (magnetit) yg dikandung oleh bijh < 40% tdk perlu Quenching.

Diagram fasa

Diagram Fasa adalah diagram yang menampilkan hubungan antara temperatur dimana terjadi perubahan fasa selama proses pendinginan dan pemanasan yang lambat.

Diagram fasa secara umum dipakai ada 3 jenis :

1.      Diagram fasa tunggal/Uner ( 1 komponen/Komposisi sama dengan Paduan )

2.      Diagram fasa Biner ( 2 komponen unsur dan temperatur)

3.      Diagram fasa Terner ( 3 komponen unsur dan temperatur)