Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

PEMURNIAN ZIRKON UNTUK BAHAN DASARREFRAKTORI BERBASIS ZIRKONIA 1

~.

31..Eko Sulistiyono2 daD Djusman Sajuti2

ABSTRAKPEMURNIAN ZIRKON UNTUK BAHAN DASAR REFRAKTORI BERBASIS ZIRKONIA. Pengembangan

bahan keramik cenderung menunjukkan peningkatan yang pesat. Keramik berbasis zirkonia merupakan salah satu jenis keramik yangdikembangkan. Pada penelitian ini telah dipelajari suatu jalur proses pembuatan serbuk zirkonia daTi zirkon teknis dengan melaluipendekatan proses: pelelehan alkali. pelarutan air -pelarutan asam khlorida -kalsinasi. Dari hasil akhir penelitian ini telah diperolehproduk zirkonia dengan kemumian (Zr,Hf )02 sekitar 95 % dan dengan struktur baddeleyite. Karakteristik produk tersebutdiperkirakan cocok sebagai bahan untuk refractori dengan aplikasi yang lebih baik.

ABSTRACTZIRCON PURIFICATION FOR ROW MATERIAL REFRACTORY BASE ON ZIRCONIA. Development of

ceramic material tend to increase. Basic ceramic zirconia is one of the ceramic material being development. This investigation wasundertaken to study the process of making zirconia from technical grade zircon with approach: alkali fusion -water dissolution -acidhydrochloric dissolution -calcination. The final investigation result obtained zirconia with purity ( Zr ,Hf )02 around 95 % and withbaddeleyite structure. The product characteristic possibly suitable a.o; material for refractory with hetter applicability.

Pulau Bangka, atau cadangan zirkon lainnya diPulau Kalimantan. Mineral zirkon akanmempunyai prospek yang cerah sebagai sumberutama zirkonia, jika bahan tersebut dapat

diproses dengan tepat.Pada penelitian ini telah dikembangkan

suatu proses pembuatan bahan dasar zirkoniadaTi konsentrat zirkon teknis menggunakanmetoda pelelehan kostik yang diikuti denganpelarutan air, pencucian asam dan kalsinasi.Pada dasarnya proses ini adalah untukmelepaskan ikatan komponen Sial dalammineral zirkon. Komponen SiOz dalam mineralzirko~ membentuk ikatan kimia yang kuatsehingga sehingga tidak dapat dipisahkan secarafisik maupun dilarutkan dengan menggunakanpelarut yang umum. Dengan menggunakanbantuan kostik soda (NaOH) daD proses padatemperatur roasting yang tinggi, maka ikatanSiO2 dapat lepas daTi mineral zirkon kemudianberikatan dengan NaOH. Dengan terlepasnyaikatan tersebut maka diperoleh suatu senyawayang akan lebih mudah untuk dilarutkan [2-4].Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

PENDAHULUANPengembangan bahan keramik akhir-

akhir ini cenderung menunjukkan peningkatanyang cukup pesat. Hal ini disebabkan olehkarena bahan keramik memiliki beberapakeunggulan, antara lain: tahan terhadapperlakuan termal , keausan clan korosi. Denganpengembangan bahan keramik tersebut makadiharapkan dapat dilakukan diversifikasipenggunaan untuk aplikasi teknik yang lebihbaik, sehingga mempunyai prospek yang cerahuntuk bersaing dengan paduan logam atau bahanlain. Misalnya dipakai untuk komponenotomotif, elektronik , sensor oksigen, peralatanpemotong, clan lain-lain [1].

Penggunaan keramik yang berunsurzirkonium telah lama dikenal, pada umumnyadigunakan sebagai bahan refraktori. Misalnyazirkon ( ZrSiO4) digunakan untuk bata tahan api.Dengan berkembangnya teknologi keramik,maka pengembangan keramik yang memakaimineral-mineral berunsur zirkoniummenunjukkan ke arab pengembangan bahankeramik yang berbasis zirkonia .Akan tetapipengembangan keramik yang berbasis zirkoniatidak lepas dari pengembangan prosespembuatan zirkonia. Hal ini karena sumberzirkonia seperti dari mineral baddeleyite( ZrO2) pada umumnya jarang ditemukan secarabebas di alam, melainkan berikatan secara kimiadengan unsur lain clan membentuk ikatan yangkompleks. Untuk memperoleh zirkonia bebasyang bermutu tinggi perlu dikembangkanteknologi pembuatan zirkonia secara sintetis darimineral yang ada, seperti zirkon atau kaldasit.Indonesia diketahui memiliki cadangan mineralzirkon yang cukup potensial seperti konsentratzirkon basil samping pada pengolahan timah di

ZrSiO4+4 NaOH --+ Na2ZrO3 +Na2SiO3 +2 H2O (1)

Hasil daTi proses roasting tersebut yang berupaNazZrO3 , NazSiO3 dan sisa NaOH dilarutkandalarn air. Pada pelarutan air ini NazSiOz dansisa NaOH dapat larut sedangkan NazZrO3 tidaklarut. Setelah dilakukan pencucian air makaresidu yang masih banyak terdapat unsurnatriumnya dicuci dengan larutan asarn encer,sehingga NazZrO3 terhidrolisa menjadi Zr(OH)4'Hasil daTi proses pencucian asam encer yangberupa zirkonium hidroksida dan zirkonia hidratdihilangkan airnya dengan proses kalsinasi suhu

tinggi.

I.Dipresentasikan pada Seminar Ilmiah PPSM 19962.Pusat Penelitian dan Pengembangan Metalurgi-LIPI, Serpong 41

kemurnian diatas 92 % daD pengotor yang adaberupa minerlil-mineral pyrophilliteAI2S40IO<OH)2 daD mineral iron manganese

garnet (Mn,Ca)3.(Fe,AI)2.(SiO4)3 .Komposisikimia dari bahan baku ditunjukkan pada tabel 1.

TEORI

a. Penyiapan bahan bakuPada percobaan ini menggunakan

bahan baku konsentrat zirko& teknis yang adadipasaran dengan kode ZPG ukuran 325 mesh.Hasil analisis dengan XRD menunjukkan bahwa

~

tidak larut selama proses pelarutan dengan air.Pencucian asam encer dilakukan dalam labu tigaleher berukuran 1000 mI, yang dipanaskan dialas magnetik stirrer hot plate. Untuk menjagakehilangan pelarut karena menguap maka pactalab~ dilengkapi dengan pendingin batik dG1D,~~f~tC'1nometer untuk mengukur temperr.t~zf1'ippercobaan memakai bahan baku sebanyak 50gram daD 500 mI pelarut. Asam yang digunakanadalah HCI dengan konsentrasi 0,25 N. Setelahproses selesai maka hasilnya dipisahkan denganfiltrasi. Filtrat yang diperoleh diukur pH nya daDsebagian dianalisa. Residu yang diperolehdikeringkan dalam oven selama satu malamkemudian ditimbang daD sebagian dianalisa.

Produk dari pencucian asam berupazirkonium hidroksida daD zirkonia hidrat, atauzirkonia yang mengandung air kristal, disampingunsur khlorida sisa. Untuk mengambil air kristaldaD unsur klorida maka dilakukan proseskalsinasi. Proses kalsinasi dilakukan pactatemperatur 500°C sampai 900°C selama tigajam, untuk melihat pengaruh temperaturterhadap proses kalsinasi. Kalsinasi dilakukandalam dapur sekap dengan krusibel porselin,sampel untuk kalsinasi masing-masing denganberat 10 gram. Setelah dilakukan kalsinasi makasampel dibiarkan dingin dalam ruangan tersebut,kemudian setelah dingin ditimbang daD sebagiandianalisa. Bagan alir percobaan secarakeseluruhan dapat ditunjukkan pacta gambar 1.

HASIL DAN PEMBAHASANa. Percobaan Roasting

Percobaan roasting zirkon padatemperatur 700oC dengan variasi waktu yaitudaTi satu jam sampai lima jam telah dilakukan.Hasil percobaan menunjukkan bahwa semakinlama proses dilakukan berat bahan semakinberkurang, seperti yang diperlihatkan pada label2. Hal ini disebabkan selama prosesdekoffi;Josisi dihasilkan air, yang selanjutnyamenguap

Bahan-bahan kimia yang digunakan adalahNaOH teknis daD HCl 37 %b. Penyiapan Percobaan

Pada penelitian ini proses dekomposisizirkon dilakukan dengan menggunakan pereaksiNaOH, pertimbangannya adalah jikamenggunakan pereaksi NaOH dapat dilakukanpada temperatur yang lebih rendah sehinggapenanganan akan lebih mudah daDmenguntungkan dipandang dari segi konservasienergi. Zirkon daD NaOH dengan komposisitertentu ( 500 gram zirkon daD 750 gram NaOH) dicampur sampai homogen, kemudiandimasukkan dalam krusibel besi berpenutup.Proses roasting dilakukan dalam suatu dapursekap pada temperatur 700oC , dengan wakturoasting yang bervariasi yaitu 1 jam , 2 jam , 3jam , 4 jam daD 5 jam. Kemudian prod ukroasting dikeluarkan dari dapur daD didinginkansecara mendadak dengan air. Setelah dinginproduk roasting tersebut ditimbang untukselanjutnya digerus sampai ukuran 200 mesh.

Produk roasting dengan ukuran 200mesh dilarutkan ke dalam air dingin selama duajam, dengan pemakaian air 200 mI tiap 10 grproduk roasting. Setelah proses pelarutan airselesai maka residu daD fiItratnya dipisahkandengan proses filtrasi. Filtrat yang telahdiperoleh diukur pH nya daD sebagian diambiluntuk dianalisa. Residu yang diperolehdikeringkan dalam oven selama satu malam,kemudian ditimbang daD sebagian dianalisa.Proses pelarutan air dilakukan dalam tigatahapan seri ( repulping ), derigan kata lainresidu pelarutan air tahap pertama dilarutkan lagipada tahap kedua, daD residu tahap keduadilarutkan lagi pada tahap ketiga. Prosespelarutan air pada tahap kedua daD ketigatersebut dilakukan dengan cara yang sarna

seperti pada tahap pertama.Setelah dilakukan pelarutan air selama

tiga tahap maka dilakukan proses pencuciandengan asam encer. Tujuan dari proses iniadalah untuk menghilangkan sisa natrium yang

42

Dari basil pelarutan air satu tahapterlihat bahwa kandungan pengotor Si clan Namasih cukup tinggi, namun penurunan Sidibanding dengan bahan baku awal cukup besar.Dari tabel 3. terlihat bahwa waktu roastingmenentukan kandungan pengotor Si clan Na,dimana semakin lama waktu roasting, kandunganpengotor Si semakin menurun sedangkan Nasemakin naik.

b. Percobaan Pelarutan Air.Percobaan pelarutan air dilakukan pacta

temperatur kamar, hal ini untuk mencegahterjadinya reaksi samping pembentukan endapanSiO2. Reaksi yang terjadi :

(2)

(3)

bahwa proses pelarutan air tahap II rnernpunyaikecenderungan yang sarna dengan prosespelarutan air tahap I.

~ada hasil pelarutan air tahap II terlihat bahwapenurunan kandungan pengotor Si cukup kecil,namun untuk pengotor Na penurunannya cukupberarti. Dengan melihat pada Tabel 4. terlihat

berkurang, sedangkan sebaliknya kandunganpengotor Na semakin bertambah. Sehingga dapatdiketahui bahwa waktu roasting sangatberpengaruh pacta proses pelarutan air. Denganberkurangnya kandungan Si dan naiknyakandungan Na menunjukkan bahwa prosespelelehan alkali semakin sempurna. Karena Siyang terikat dengan Zr ( ZrSiO4 ) dan Na yangterikat dengan Zr ( NazZrO3 ) sukar larut dalamaIr.

Pada pelarutan air lahar III terlihat bahwapenurunan kandungan pengotor Si dan Na sangatkecil ( untuk Si bisa dikatakan konstan ), hal inimenunjukkan bahwa proses pelarutan air sudahmendekati titik jenuh, sehingga untuk pelarutanair lahar selanjutnya tidak efektif. Dari label 5.terlihat bahwa proses pelarutan air lahar IIImempunyai kecenderungan yang sarna denganproses pelarutan air lahar I dan II.Kecenderunganya yaitu semakin lama wakturoasting maka kandungan pengotor Si semakin

43

Secara keseluruhan pengaruh waktu roastingsangat berpengaruh pacta kondisi proses, hal initerlihat daTi hasil rasio ZrlSi dan rasio Zr/Nayang menunjukkan kecenderungan yang sarna.Dapat dilihat pacta Gambar 2 dan 3 di lampiran.

pengotor yang acta terutarna Si dan Na, untuk itudilakukan proses pencucian asam. Hasil daripencucian asam memperlihatkan kecenderunganyang sarna yaitu semakin lama waktu roastingkadar pengotor Si cenderung turun daD kadarpengotor Na cenderung naik, seperti ditunjukkanditunjukkan pacta tabel 6.c. Percobaan Pencucian Asam

Dari basil percobaan pelarutan airsampai tahap ke tiga menunjukkanmasih ban yak

Dengan melihat basil analisa filtrat, terlihatbahwa semakin lama waktu roasting

memperlihatkan kecenderungan penurunankonsentrasi un sur. Hal ini menunjukkan bahwa

semakin lama waktu roasting unsur yang larutdalam filtrat semakin rendah. Dapat ditunjukkanpada tabel 7.

d. Percobaan KalsinasiDari hasil percobaan kalsinasi yang

ditunjukkan pada tabel 8 terlihat bahwa untukkalsinasi pada temperatur 500oC clan 700ocmenunjukkan proses belum sempurna, hal iniberlaku terhadap semua hasil roasting. Sehinggadari kalsinasi ini menunjukkan bahwa faktortemperatur kalsinasi sangat berperan terhadapproses kalsinasi. Pada temperatur 900oC

memperlihatkan proses kalsinasi yang cukupsempurna dengan LOI dibawah 0,30% clan ha,ilpercobaan ditunjukkan pada tabe19.

Hasil analisis XRD terhadap produkzirkonia ( sampel basil kalsinasi ) ditunjukkanpada gambar 5. Pola difraksi pada gambarterse but sesuai dengan struktur baddeleyite (ZrO2 ).

.t.t

e. Perbandingan Dengan Hasil PercobaanTerdahulu

Dengan membandingkan penelitianyang dilakukan ini dengan penelitiansebelumnya [5] terlihat bahwa untuktemperatur roasting yang sarna (700°C)menunjukkan peningkatan yang cukup berarti.Seperti terlihat pada gambar.2 dengan rasioZr/Si yang lebih tinggi. Pada percobaansekarang dengan penambahan NaOH 15 gr per10 gr sampel, rasio Zr/Si sebesar 38 ,sedangkan pada percobaan terdahulu rasioZr/Si dibawah 20. Apabila dibandingkandengan basil percobaan pada temperaturroasting 800°C, terlihat bahwa rasio Zr/Sipada percobaan ini lebih rendah. Tetapidengan penggunaan temperatur pada proses800°C tersebut, akan memerlukan krusibelkhusus, karena pemakaian krusibel besi akanmemberikan kontaminasi unsur Fe daDmengotori produk. Jadi faktor temperatur padaproses roasting sangat menentukan prosesselanjutnya.

Na20 sebesar 1,17 %, Fe203 sebesar 0,72% dan TiO2 sebesar 0,16 %.

3. Karakteristik produk zirkonia yangdihasilkan diperkirakan cocok sebagaibahan untuk refraktori (keramik) untukaplikasi teknik yang lebih baik, dibandingdengan pemakaian mineral zirkon secara

langsung.DAFTARPUSTAKA1. SOMIY A, S. et aI, Ceramic, in meyers,

R.A , (ed), Encyclopedia of PhysicalScience and Technology, Second Editions,vol. 3, AP- Harcourt Brace Javanovic,Publ.San Diego 1992.

2. KIRK OTHMER, Encyclopedia ofChemical Technology, Zirconium andZirconium Compounds, Fourth ed., JohnWiley and Sons, New York, Vol. 24, pp863 -092.

3. M BENEDICT, T.H PIGFORD ANDA. W. LEVI, Nuclear and ChemicalEngineering, Zirconium and Hafnium,Mc Graw Hill, Inc., 1981.

4. W.B BLUMENTAL, The ChemicalBehavior of Zirconium, D. Van NostradCompany, Inc., United States, 1958.

5. DJUSMAN SAJUTI, EKO SULISTIYONO dan YUSUF , PembuatanSerbuk Zirkonia dari mineral ZirkonDengan Metode Pelelehan Alkali danPerlakuan Basah., Seminar Nasional,Fisika Nasional dan Lingkungan1995/1996.

KESIMPULANTelah dipelajari proses pemurnian

zirkon untuk bahan dasar refraktori berbasiszirkonia. Dari serangkaian percobaan yangdilakukan dapat disimpulkan :1. Secara keseluruhan, daTi data basil

percobaan menunjukkan bahwa kondisisaat roasting (untuk proses dekomposisizirkon ) sampai batas tertentu sangatberpengaruh daD merupakan faktorpenentu terhadap kemurnian produk.

2. Dari basil penelitian ini telah diperolehproduk zirkonia dengan kandungan (Zr,Hi) Oz sebesar 95,67% dengan struktur

baddeleyite.Komposisi pengotor yangmasih tersisa adalah SiOz sebesar 1,34 %

DISKUSIHastono :Mengapa dalam percobaan tentang RoastingdaD Rasio hanya dilakukan pada maksimum 5jam. Bukankah untuk bahan refratori perInbahan yang lebih lama digunakan.

45

Eko Sulistiyono :1. Melepas ikatan SiO2 dalam ZrO2SiO2,

merubah sifat senyawa zirkon(ZrO2SiO2sehingga lebih mudah untuk dilarutkan.Partikel size sangat berpengaruh (dalampercobaan ini masih menggunakan ukuranpartikel 325 mesh)

2. Produk ZrO2 yang dihasilkan adalahBerddeleyite diatas 95%. Untuk bahankeramik maju (advance ceramic)komposisi ZrO2 adalah diatas 99,5%,bahan refraktori yang dihasilkan diatas95% memadai.

3. Struktur kristal belum dianalisa.4. Struktur yang diharapkan jangka pendek

tetragonal, jangka panjang (sasaran akhir)adalah cubic.

Eric Jonheri :Berapa % Hf dalam (Zr,Hf)O2. Karena antaraZr daD Hf mempunyai kmiripan sifat,sementara Hf mempunyai pengaruh negatif(sifat negatit)Eko Sulistiyono :Hf dalam (Zr,Hf)O2 kira-kira 1,4%Untuk kepentingan refraktori (keramik) Hftidak berpengaruh negatif

Eko Sulistiyono :Percobaan Roasting disini dimaksudkan untukmerubah sifat mineral Zirkon menjadi suatusenyawa barn sehingga akan. lebih mudahdilarntkan. Hasil percobaan menunjukkanbahwa waktu roasting dari satu jam ke dua jammenunjukkan peningkatan rasio Zr/Si,sedangkan dengan kenaikan waktu lebih daridua jam tidak memberikan peningkatan rasioyang berarti. Rasio Zr/Si sekitar 45 dianggapcukup memadai. Hasil percobaan pelarutan airterhadap produk roasting ini memperlihatkanselektivitas yang baik, SiO2 telah dapatdipisahkan dan diperoleh Zirkonia diatas 95%, sedangkan pertanyaan selanjutnya tidak adahubungan dengan proses roastingPardamean Sebayang :1. Apakah fungsi proses roasting? Apakah

partikel size tidak berpengaruh ?2. Hasil zrO2 yang telah diperoleh bila

dibandingkan dengan serbuk zrO2 yangada dipasaran, bagaimana. Apakahsaudara mempunyai standar komposisizrO2 untuk bahan baku keamik.

3. Struktur ZrO2 yang dihasilkan apakahmonocliric alan tetragonal alan cubic

4. Struktur apa yang diharapkan untuk bahanbaku keramik.

46

80

50

c:;s-N 40

0-iiicoa:

30

~/r i

20 .I I 'I I I I

.2 3 4 6

Waktu Roasting ( Jam)

1

Gambar 2. Hubungan Antara Raalo ZrlSI terhadapPerubahan Waktu Roa.tlng

30

20

tU~"';:=-r I

0'C;;

cda: 10

0

Gambar 3. Hubungan Antara Raslo Zr/Na TerhadapPerubahan Waktu Roasting

47

60.-(/)--N

.2 40C/)asa:

20

0

8 10 12 14 16

Penambahan NaOH (gram) per 10 gramsampel

Gambar 4. Hubungan Antara Rasio ZrlSi TerhadapPenambahan NaOH

48

49