Sifat-Sifat Padatan

BAB I.

SIFAT-SIFAT PADATAN

Beberapa sifat padatan yang penting dalam pemrosesan padatan diantaranya adalah:

1. Bentuk padatan (morfologi, particle shape).

2. Ukuran partikel padatan, meliputi:

• Partikel tunggal

• Campuran partikel dengan berbagai ukuran

3. Rapat massa

4. Kekerasan

1. BENTUK PADATAN

Secara umum dan yang paling mudah, bentuk padatan dinya

istilah sphericity, �s, yaitu kemiripan bentuk partikel terhadap bentuk bola.

Sphericity tidak tergantung da

luas bola yang mempunyai volume sama dengan volume partikel dibagi dengan

luas permukaan partikel tersebut,

pp

ps SD

v6=Φ

dimana: vp = volume satu partikel

sp = luas permukaan satu partikel

Dp = diameter ekivalen partikel, yaitu diameter bola yang mempunyai

volume sama dengan partikel tersebut.

Untuk partikel berbentuk bola dengan diameter

Kebanyakan padatan hasil pemecahan/kominusi (crushing) mempunyai

sphericity antara 0.6 sampai 0.8. Untuk partikel

cara abrasi/gesekan, sphericity

Tabel dibawah menunjukkan nilai sphericitydari berbag

padatan *):


Bentuk padatan (morfologi, particle shape).

Ukuran partikel padatan, meliputi:

Campuran partikel dengan berbagai ukuran

Secara umum dan yang paling mudah, bentuk padatan dinyatakan dalam

yaitu kemiripan bentuk partikel terhadap bentuk bola.

tidak tergantung dari ukuran partikel. Sphericity didefinisikan sebagai


luas permukaan partikel tersebut,

volume satu partikel

permukaan satu partikel

diameter ekivalen partikel, yaitu diameter bola yang mempunyai

volume sama dengan partikel tersebut.

Untuk partikel berbentuk bola dengan diameter Dp, maka �s = 1.


ntara 0.6 sampai 0.8. Untuk partikel-partikel yang dikecilkan dengan

cara abrasi/gesekan, sphericity-nya dapat mencapai 0.95.

Tabel dibawah menunjukkan nilai sphericitydari berbagai bentuk dan jenis


takan dalam

yaitu kemiripan bentuk partikel terhadap bentuk bola.

ukuran partikel. Sphericity didefinisikan sebagai


diameter ekivalen partikel, yaitu diameter bola yang mempunyai


partikel yang dikecilkan dengan

ai bentuk dan jenis

Universitas Gadjah Mada

2. UKURAN PARTIKEL

2.1. Partikel Tunggal.

Pada umumnya, ‘diameter’ merupakan istilah umum untuk menyatakan

ukuran sebuah partikel yang berukuran serbasama (equidimensional). Untuk

partikel yang tidak equidimensional (misalnya panjang pada satu sisinya tidak

sama dengan sisi yang lainnya), umumnya digunakan istilah ‘diameter ekivalen’

atau ‘diameter nominal’, yaitu diameter bola yang mempunyai volume sama

dengan volume partikel tersebut.

Jika volume suatu partikel bentuk tertentu = vp,, maka diameter bola dengan

volume sama (= diameter ekivalen dan partikel tersebut) adalah:

36

��

��

�= pp vDπ

Untuk partikel-partikel halus, biasanya sulit untuk menentukan volume

maupun luas permukaan satu partikel. Untuk kasus-kasus seperti ini, Dp biasanya

diestimasi dari hasil analisa ayak atau analisa mikroskopis.

2.2. Campuran partikel dengan berbagal ukuran

Dalam sebuah sampel partikel bermassa m, berukuran sama (Dp), tidak

ada permasalahan dengan ukuran partikel yang dapat mewakili sampel tersebut.

Jumlah partikel dalam sampel tersebut dengan mudah dapat dihitung sebagai,

ppvm

Nρ

= ; dimana vp, = volume masing-masing partikel berukuran Dp.

Luas permukaan partikel dalam sample adalah:

A = N.sp = spp D

mΦρ

.6dimana sp,= luas permukaan masing-masing partikel

berukuran Dp.

Bagaimana jika campuran partikel yang ada memiliki ukuran yang berbeda?

Bagaimana cara menghitung ukuran yang paling mewakili, serta menghitung

jumlah partikel dan luas permukaannya?

Untuk kasus semacam ini, campuran partikel biasanya dikelompokkan

kedalam fraksifraksi rentang ukuran tertentu (dengan asumsi rapat massa partikel

tetap). Pengelompokan kedalam rentang ukuran tertentu biasanya dilakukan

dengan pengayakan (untuk padatan kering), mikroskopis, atau pengambilan

gambar secara elektronik (particle imaging) dan teknik-teknik klasifikasi ukuran


partikel lain. Setiap kelompok ukuran partikel kemudian dianalisis massa atau

jumlahnya (tergantung dan data yang diperoleh).

Untuk analisis dengan pengayakan (akan dibahas tersendiri), data yang

umumnya diperoleh biasanya dalam bentuk hubungan antara fraksi massa dengan

rentang ukuran partikel.

Luas permukaan spesifik suatu campuran padatan.

Luas muka spesifik didefinisikan sebagai luas permukaan partikel persatuan

massa. Jika hasil analisa tiap kelompok ukuran partikel sudah diketahui, maka luas

spesifik campuran padatan adalah:

pnps

n

ppsppsppsw D

xD

xD

xD

xA

ρρρρ Φ+

Φ+

Φ+

Φ= .6.6.6.6

3

3

2

2

1

1

dimana:

Dpi = diameter rata-rata partikel dalam kelompok-i, biasanya diambil harga rata-

rata aritmatik antara diamater terkecil dan diamater terbesar DALAM

kelompok tersebut.

xi = fraksi massa partikel ukuran i.

n = jumlah kelompok partikel = jumlah inkremen partikel.

Adakalanya, sphericitydan rapat massa suatu partikel tergantung dan

ukurannya (misal: jika ukuran berubah, maka bentuk partikel juga ikut berubah;

ukuran berubah, porositas partikel berubah). Untuk kasus seperti ini, maka

perhitungan Aw, harus dikoreksi sebagai berikut:

�= Φ

=n

i pisipi

iw D

xA

1

6ρ

dimana �pi dan �si masing-masing adalah rapat massa dan sphericity partikel

dalam kelompok ukuran i. Untuk kasus diatas, data Iangsung antara ukuran partikel

dengan luas spesifiknya Iebih bermanfaat dan Iebih akurat.

Untuk beberapa jenis partikel mineral, hubungan antara ukuran partikel

rata-rata (ukuran berdasarkan hasil ayakan) dengan luas spesifiknya tersedia (lihat

gambar dibawah).

Dalam beberapa kasus, mungkin suatu bentuk partikel diketahul mirip

dengan partikelpartikel mineral yang ada pada gambar diatas, tetapi mempunyal

rapat massa yang berbeda. Dalam hal mi, luas spesifik partikel tersebut dapat

dihitung berdasarkan nilai

bola bola berdiameter sama

dihitung dengan,

(�= ��

�

�

��

××=

n

iavgsiw DnA

1

2

/ππ

avgi

sip D

xin�

=

=1

6ρ



berbeda. Dalam hal mi, luas spesifik partikel tersebut dapat

dihitung berdasarkan nilai ns, yaitu rasio luas spesifik partikel tersebut dengan luas

bola bola berdiameter sama (surface shape facto). Luas spesifik partikel dapat

) ��

�

�

��

pavg

i

Dx

36/ ρ



berbeda. Dalam hal mi, luas spesifik partikel tersebut dapat

yaitu rasio luas spesifik partikel tersebut dengan luas

. Luas spesifik partikel dapat

Gambar menunjukkan ni

mineral.

Diameter partikel rata-rata.

Ada beberapa definisi diameter rata

pengukuran kelompok partikel dalam campuran.

(a). Diameter rata-rata luas muka

Volume-surface mean diameter

dalam perhitungan luas spesifik campuran partikel,

sspw D

AΦ

=ρ

6

Dari persamaan diatas, A

Penyamaan kedua persamaan diatas menghasilkan:

( )�=

= n

ipii

s

DxD

1

/

1

(b). Diameter rata-rata aritmatik (arithmatic mean diameter

Didefinisikan sebagai diameter rata

partikel:

( ) (T

n

ii

n

ii

n

ipii

N N

DN

N

DND

�

�

�=

=

= == 1

1

1

)(

Gambar menunjukkan nilai ns pada berbagai ukuran partikel untuk beberapa

rata.

Ada beberapa definisi diameter rata-rata yang dapat dibuat berdasarkan

kelompok partikel dalam campuran.

rata luas muka-volume (volume-surface mean diameter

surface mean diameter didefinisikan sebagai diameter partikel mewakili

dalam perhitungan luas spesifik campuran partikel,

�=Φ

=n

i pi

i

sspw D

xD

A1

6ρ

Penyamaan kedua persamaan diatas menghasilkan:

tmatik (arithmatic mean diameter).

diameter rata-rata statistik berdasarkan jumlah (ban

)piD

pada berbagai ukuran partikel untuk beberapa

rata yang dapat dibuat berdasarkan hasil

surface mean diameter).

didefinisikan sebagai diameter partikel mewakili

rata statistik berdasarkan jumlah (banyaknya)


Dimana :

Ni = jumlah partikel dalam kelompok ukuran i, 3. pipv

ii Da

xN

ρ=

av = volume shape factor, untuk bentuk bola, av = (�/6)

NT = jumlah partikel total dalam sampel.

Jika data yang ada dalam bentuk fraksi massa tiap kelompok ukuran partikel, maka

diameter rata-rata aritmatik dapat dihitung dengan mensubstitusikan persamaan-

persamaan diatas. Deidak dengan asumsi av tidak tergantung ukuran, maka:

( )�

�

=

== n

ipii

n

ipii

N

Dx

DxD

1

3

1

2

/

)/(

(c). Diameter rata-rata massa (mass mean diameter)

Diameter rata-rata massa didefinisikan sebagai,

pi

n

iiw DxD .

1�

==

(d). Diameter rata-rata volume (volume-mean diameter).

Total volume partikel dalam sampel,

3

13

3 1.. v

n

i pi

i

p

vvT DDx

DaN��

�

�

��

�

�= �

=ρharus sama dengan jika dihitung dari masing-masing

fraksi, yaitu : ( ) ( ) .11

.. 3

.1

33

1 pi

ppiv

n

i pipv

ipiv

n

ii xDa

Dax

DaNρρρ

==��

�

�

��

�

�= ��

==

Sehingga, p

v

n

i pi

i

p

DDx

ρρ11 3

13 =��

�

�

��

�

��

=

atau, 3/1

3/1

��

�

�

��

�

�=

pii

vDx

D


Jumlah partikel dalam campuran padatan

Jumlah total partikel dalam suatu campuran padatan dapat dihitung dengan

menjumlahkan jumlah partikel pada setiap kelompok ukuran padatan:

31

31 .

1.1

vpv

n

i pi

i

pv

n

iiT

DaDx

aNN

ρρ=== ��

==

Analisis Ayak (Standard)

Ayakan standar digunakan untuk mengukur ukuran partikel (dan distribusi

ukurannya) pada rentang ukuran tertentu, antara sekitar 3 in sampai 0.0015 in (78 mm

sampai 38 p.m). Ruang terbuka (lubang) antara kawat ayakan disebut aperture

ayakan. Ukuran mesh didefinikan sebagai yaitu jumlah/banyaknya aperture per inch

tinier. Contoh: ayakan 20 mesh, artinya ayakan tersebut mempunyai aperture

berjumlah 20 setiap inch. Ukuran lubang sesungguhnya akan lebih kecil dari (1/20

inch), karena ketebalan kawat ayakan.

Salah satu seri ayakan standard yang sering dijumpai adalah Tyler mesh

standard screen. Set dari ayakan ini berdasarkan ukuran lubang ayakan 200-mesh.

Luas lubang dan suatu ayakan adalah dua kali luas lubang dan ayakan yang satu

tingkat lebih kecil (dibawahnya). Rasio ukuran dari dua ayakan standard Tyler yang

berurutan adalah 42 = 1.41. Misalnya, ukuran lubang ayakan 14 mesh = �12x ukuran

lubang ayakan 20 mesh.

Seringkali, jika diinginkan pengelompokan ukuran yang lebih rapat, dalam

sebuah ayakan standard Tyler disisipi ayakan lain yang berukuran diantaranya. Misal:

standar Tyler antara 14 dan 20 mesh (dengan ukuran lubang antara 1.168 mm dan

0.833 mm), disisipi ayakan 16 mesh (dengan ukuran lubang 0.991 mm). Perhatikan

bahwa ukuran lubang ayakan 16 mesh adalah 2x(J2x0.833 mm) = Jx 0.833 mm =

1.189 x 0.833 mm = 0.991 mm.

Tabel dibawah menunjukkan set ukuran ayakan standar Tyler.

3. RAPAT MASSA dan POROSITAS (VOIDAGE)

Dalam pemrosesan partikel, ada beberapa definisi tentang rapat massa

(densitas). Densitas untuk sebuah partikel tunggal akan berbeda dengan densitas

partikel tersebut jika berada dalam tumpukan

densitas kristal-kristal penyusun partikel tersebut (misal: partikel tunggal terbentuk dan

aglomerasi kristalkristal). Dalam hal in pembahasan dibatasi pada densitas partikel

tunggal (�p) dan densitas tumpukan partikel/densi

Densitas sebuah partikel tunggal

ukurannya. Sedangkan densitas sebuah tumpukan (be

tergantung pada ukuran dan bentuk (shape/morfologi) da

penyusunnya (lihat gambar dibawah).

3. RAPAT MASSA dan POROSITAS (VOIDAGE)



partikel tersebut jika berada dalam tumpukan (bulk), dan berbeda pula dengan

kristal penyusun partikel tersebut (misal: partikel tunggal terbentuk dan


) dan densitas tumpukan partikel/densitas bulk (�b).

nsitas sebuah partikel tunggal (�p) umumnya tetap dan tidak tergantung dan

ukurannya. Sedangkan densitas sebuah tumpukan (bed) partikel akan sangat

tergantung pada ukuran dan bentuk (shape/morfologi) dari partikel

at gambar dibawah).



(bulk), dan berbeda pula dengan

kristal penyusun partikel tersebut (misal: partikel tunggal terbentuk dan


) umumnya tetap dan tidak tergantung dan

) partikel akan sangat

partikel-partikel

Porositas tumpukan padatan tergantung pada ukuran dan bentuk partikel.

Gambar dibawah menunjukan porositas tumpukan berbagai bentuk padatan dalam

sebuah kontainer berdiameter D

Bentuk (shape) padatan secara kuantitatif dapat dinyatakan datam sphericity

factor. Sebagaimana dijelaskan pada gambar diatas, porositas tumpukan padatan

tergantung bentuk padatan, sehingga secara logis ada hubungan kuantitatif antara

sphericity dengan porositas tumpukan padatan. Gambar dibawah

hubungan antara sphericity dengan porositas (voidage) pada tumpukan padatan acak

dalam sebuah kolom bahan isian (packed column) yang berisi partikel padatan

berukuran seragam.



sebuah kontainer berdiameter Dc,




ositas tumpukan padatan. Gambar dibawah ini adalah contoh

dengan porositas (voidage) pada tumpukan padatan acak







adalah contoh

dengan porositas (voidage) pada tumpukan padatan acak


Tabel dibawah menun

sphericityuntuk beberapa padatan mineral (perhatikan bahwa simbol yang digunakan

dalam tabel berbeda dengan simbol yang sudah digunakan diatas).

Tabel dibawah menunjukkan nilai-nilai surface shape factor, volume factordan


dalam tabel berbeda dengan simbol yang sudah digunakan diatas).

nilai surface shape factor, volume factordan


Surface shape factor digunakan untuk mencari luas

padatan, i.e.

as = ka.x2; dimana x = ukuran linier nominal padatan

De= diameter bola.

Volume shape factor digunakan untuk menghitung volume suatu partikel

padatan,

as =fa.x3 ; dimana untuk

KEKERASAN

Kekerasan padatan merupakan faktor penting dalam pemrosesan

partikel, khususnya dalam proses reduksi ukuran (crushing dan grinding).

Kekerasan partikel akan menentukan jenis alat dan material pada alat yang

harus digunakan dalam proses reduksi uk

Kekerasan partikel mineral didefinisikan sebagai tahanan terhadap

gesekan (scratching), menunjukkan tingkat lain. Dibawah

biasanya dinyatakan dalam skala MOHS. Skala Mohs kekerasan relatif suatu

partikel terhadap partike

mineral-mineral yang dijadikan rujukan:

Mineral-mineral dengan skala Mohs lebih tinggi akan dapat menggesek (to

scratch) mineral dengan skala dibawahnya.

Beberapa tingkat kekerasan bahan

• Kuku jari (kering): 2.5

• Mata uang logam (tembaga): 3.0

• Enamel gigi: 5.0

• Gelas biasa: 5.8

Tabel dibawah menunjukkan skala kekerasan dan berbagai jenis padatan

/mineral.

Surface shape factor digunakan untuk mencari luas permukaan suatu partikel

dimana x = ukuran linier nominal padatan �De. Untuk bola: k


dimana untuk bola, fa= n/6




harus digunakan dalam proses reduksi ukuran/kominusi.


gesekan (scratching), menunjukkan tingkat lain. Dibawah ini urutan skala


partikel terhadap partikel mineral lain. Dibawah ini urutan skala

mineral yang dijadikan rujukan:

mineral dengan skala Mohs lebih tinggi akan dapat menggesek (to

scratch) mineral dengan skala dibawahnya.

Beberapa tingkat kekerasan bahan-bahan lain diantaranya:

(kering): 2.5

Mata uang logam (tembaga): 3.0


permukaan suatu partikel

. Untuk bola: ka =�I,






urutan skala dan


lain. Dibawah ini urutan skala Mohs dari

mineral dengan skala Mohs lebih tinggi akan dapat menggesek (to


Documents

Sifat-Sifat Padatan