Ilmu di Balik Ekstraksi Alumina

Ekstraksi aluminium dari bauksit merupakan aspek integral dari ilmu pengetahuan dan teknik yang menjamin pasokan logam serbaguna ini. Karena banyak kegunaannya, penelitian tentang cara yang lebih efisien untuk memproduksinya telah dilakukan selama beberapa dekade.

Ekstraksi melibatkan pencernaan dengan natrium hidroksida panas, diikuti dengan pengendapan aluminium hidroksida dari larutannya dan kalsinasi berikutnya untuk menghasilkan alumina murni secara komersial.

Proses Bayer

Karl-Josef Bayer menemukan proses Bayer pada tahun 1887 dan hingga saat ini proses tersebut masih menjadi metode industri utama dalam memproduksi alumina. Bauksit yang dihancurkan dicampur dengan natrium hidroksida untuk membentuk larutan aluminat yang berfungsi sebagai titik awal untuk langkah-langkah pemrosesan lebih lanjut.

Filtrasi menghilangkan air bebas dan kotoran; filter cake kemudian dimasukkan ke dalam serangkaian kalsiner untuk dipanaskan pada suhu tinggi hingga semua air bebas dan kotoran kimiawi hilang, menghasilkan bubuk alumina untuk digunakan dalam berbagai proses aluminium seperti peleburan dan pengecoran.

Bijih besi digunakan dalam produksi logam lain, termasuk magnesium dan kalsium. Jika dikombinasikan dengan elemen lain, bijih besi dapat membentuk paduan untuk aplikasi spesifik seperti mesin pesawat terbang atau sel bahan bakar; selain itu, bijih besi juga berfungsi sebagai bahan pendukung dalam menciptakan katalis yang digunakan untuk mengendalikan reaksi kimia lainnya.

Aluminium tidak dapat diproduksi secara alami dan harus diekstraksi dari bijihnya dengan menggunakan berbagai teknik pemurnian. Dua proses ekstraksi utama adalah proses Bayer dan Hall-Heroult yang keduanya dimulai dengan bauksit sebagai bahan baku.

Bauksit adalah batuan berbutir kasar yang terbentuk secara alamiah yang mengandung sejumlah besar aluminium oksida (Al2O3). Alumina membentuk sebagian besar nilai komersialnya; mengekstraksi aluminium membutuhkan penggunaan energi yang ekstensif dan peralatan yang mahal; oleh karena itu, industri telah berinvestasi besar-besaran dalam teknologi pemurnian bauksit untuk memenuhi 30% total produksi dunia.

Proses Hall-Heroult

Aluminium sangat penting dalam banyak industri dan aplikasi, namun harus diekstraksi terlebih dahulu dari kondisi alaminya agar dapat digunakan. Hanya segelintir tempat di Bumi yang mengandung bentuk unsurnya di alam - terutama di bauksit - sehingga beberapa proses pemurnian harus dilakukan sebelum menghasilkan produk aluminium jadi yang digunakan secara luas di banyak aplikasi. Produsen aluminium sangat bergantung pada proses elektrokimia seperti Hall-Heroult dalam mengubah bahan mentah menjadi komoditas yang berharga; memahami reaksi kimia utama ini memberikan wawasan ke dalam industri yang sangat penting ini.

Proses Hall-Heroult bergantung pada pelarutan alumina secara elektrokimia untuk menghasilkan aluminium logam murni dan gas oksigen. Karena ini adalah proses yang sangat kompleks yang membutuhkan kontrol yang tepat untuk produksi yang efisien, suhu, arus, dan komposisi elektrolit harus dikelola dengan baik untuk hasil yang sukses.

Charles Martin Hall, yang saat itu berusia 20 tahun dan merupakan mahasiswa tahun pertama di Oberlin College, Ohio, mulai menyelidiki cara-cara memproduksi aluminium pada tahun 1880. Meskipun upaya awalnya menggunakan arus listrik untuk mengekstrak aluminium dari alumina gagal, pada tahun 1886 Hall membuat terobosan yang akan mengubah sejarah aluminium selamanya.

Dia melarutkan alumina ke dalam mineral kriolit dan menempatkan elektroda batang grafit ke dalam larutan tersebut. Dia kemudian mengalirkan arus listrik melalui elektroda untuk menghasilkan aluminium cair di sisi positif (katoda) sementara produksi gas oksigen terjadi di sisi negatif (anoda), dan Hall berhasil mengulangi proses ini dan akhirnya mendirikan Pittsburgh Reduction Company pada tahun 1888.

Proses Hall-Heroult telah lama digunakan sebagai metode industri utama untuk memproduksi aluminium. Meskipun boros energi, proses ini telah membuat langkah signifikan selama 110 tahun terakhir untuk mengurangi penggunaan listrik selama prosesnya dan menghasilkan gas karbon dioksida; yang pada gilirannya menimbulkan kekhawatiran sebagai gas rumah kaca. Meskipun demikian, upaya terus menerus telah dilakukan selama jangka waktu tersebut untuk menguranginya sebanyak mungkin.

Proses hidro-kimia

Bauksit, mineral alami yang kaya akan aluminium, memiliki permintaan yang terus meningkat dan aplikasi industri yang meluas, sehingga mendorong dilakukannya penyempurnaan berkelanjutan terhadap proses yang digunakan untuk mengubah unsur yang melimpah ini menjadi aluminium yang telah dimurnikan. Prosedur yang kompleks dan intensif energi ini bergantung pada berbagai faktor, termasuk lokasi cadangan, kedekatan sumber tenaga listrik untuk operasi peleburan, langkah-langkah efisiensi, dan komitmen terhadap praktik-praktik yang berkelanjutan.

Proses Bayer terdiri dari beberapa langkah: pencernaan dengan bahan soda api, pemisahan mineral yang mengandung aluminium dari larutan (disebut lumpur merah), pengendapan kristal natrium aluminat, dan akhirnya kalsinasi. Hasilnya, sebuah bahan penting dalam produksi aluminium: Alumina juga merupakan bahan baku yang sangat diperlukan dalam pembuatan refraktori dan abrasif yang dapat dicor.

Setelah proses Bayer, alumina dapat dikonversi menjadi aluminium murni dengan menggunakan proses elektrolitik Hall-Heroult. Proses ini berlangsung di dalam panci berlapis karbon yang dilengkapi dengan rendaman kriolit yang mengurangi titik leleh aluminium oksida; arus listrik melewati rendaman ini sementara oksigen dari udara berinteraksi dengan elektroda katoda untuk membentuk gas karbon dioksida dan aluminium cair di elektroda anoda; gas karbon dioksida kemudian dapat dikumpulkan di elektroda anoda sebagai gas karbon dioksida, menghasilkan gas karbon dioksida yang kemudian membentuk aluminium cair di anoda untuk digunakan oleh pengguna akhir; informasi lebih lanjut.

Diagram memberikan wawasan tentang reaksi elektrokimia yang terdiri dari proses Hall-Heroult. Sebuah persamaan untuk ekstraksi alumina memungkinkan kita untuk mengamati proses-proses utamanya:

Pelindian dengan asam klorida merupakan langkah awal dalam mengekstraksi bauksit. Pada konsentrasi dan rasio volume-massa/suhu reaksi yang ideal, laju pelindian mencapai puncaknya.

Dipompa ke dalam tangki pengendap, alumina kemudian mengendap dan berbiji untuk menghasilkan aluminium hidroksida padat, sebelum dipindahkan atau dipompa langsung ke dalam ruang peleburan untuk dipanaskan hingga aluminium logam meleleh darinya dan kemudian dituangkan ke dalam batangan yang kemudian dapat ditempa, digulung, digambar ke dalam berbagai bentuk atau ukuran untuk penggunaan tertentu.

Aluminium dapat digunakan dalam berbagai macam produk jadi, mulai dari mobil hingga pesawat terbang. Paduan aluminium juga memiliki sifat khusus untuk penggunaan tertentu, termasuk kekuatan, ketahanan terhadap korosi, dan konduktivitas - paduan ini kemudian dapat dilebur, dicor, atau ditarik menjadi lembaran untuk menghasilkan komponen untuk mesin modern, bahan bangunan, atau barang konsumen.

Proses oksidasi

Aluminium adalah salah satu dari tiga elemen paling melimpah di kerak bumi, tetapi tidak muncul secara alami sebagai bentuk murni. Sebaliknya, aluminium harus diekstraksi menggunakan proses elektrokimia canggih dari bahan baku utama bauksit agar dapat diproduksi secara komersial. Aluminium memainkan peran penting dalam banyak aplikasi industri di seluruh dunia.

Proses Hall-Heroult merupakan langkah integral dalam mengekstraksi aluminium. Metode ini melibatkan penggunaan arus listrik untuk memulai reaksi kimia yang memisahkan alumina dari aluminium oksida. Siswa harus mempelajari bagaimana metode ini beroperasi karena metode ini memberikan wawasan tentang kimia dan tantangan teknis yang terlibat.

Seperti halnya metode Bayer, proses ini dimulai dengan bauksit sebagai bahan bakunya; kaya akan aluminium oksida dan perlu dimurnikan menjadi logam murni. Meskipun merupakan proses yang intensif dan membutuhkan banyak sumber daya, proses ini telah memungkinkan industri di seluruh dunia untuk memanfaatkan aluminium.

Untuk memulai proses, bauksit harus dihancurkan dan dimurnikan terlebih dahulu untuk menghasilkan alumina (Al2O3), sebelum dicampur dengan kriolit (Na3AlF6) untuk menurunkan titik lelehnya dan meningkatkan konduktivitasnya. Setelah tercampur, campuran ini ditempatkan ke dalam pot karbon atau grafit sebagai sel elektrolit dan dialiri listrik; oksigen terbentuk di katoda sementara alumina direduksi menjadi aluminium cair di anoda.

Filtrasi dan sentrifugasi digunakan untuk memisahkan alumina dari larutannya, dan memompanya ke beberapa tangki pengendapan setinggi enam lantai di mana kristal biji padat alumina hidrat ditambahkan sebagai kristal biji padat untuk pengendapan. Setelah berada di dalam tangki-tangki ini, alumina diencerkan dengan air hingga konsentrasi untuk pengendapan dapat terjadi - kemudian diaduk dalam air untuk menghilangkan kotoran sebelum dipanaskan hingga sekitar 1.200 derajat Celsius untuk reaksinya; setelah selesai, alumina disaring lagi sebelum diaduk dengan uap menjadi bubur alumina untuk produksi.