METALURGI (PENGOLAHAN LOGAM)

 
METALURGI (PENGOLAHAN LOGAM)

Ilmu pengetahuan dan teknologi dalam pengolahan bijih sampai menjadi logam dinamakan metalurgi. Proses pengolahan logam dari bijinya melibatkan tahap pengolahan awal atau pemekatan, reduksi logam dan pemurnian (refining) logam.
1. Pengolahan awal (Pemekatan)
Pemekatan bijih bertujuan untuk memisahkan mineral dari pengotornya sehingga diperoleh kadar bijih tinggi. Pemekatan dapat dilakukan melalui dua teknik pemisahan, yaitu pemisahan secara fisis dan pemisahan secara kimia. Pemisahan secara fisis terdiri dari : 
v Pemisahan pengapungan (flotation separation)
v Pemisahan gaya berat (gravity separation)
v Pemisahan magnetik (magnetic separation)
v Pemisahan pencairan (liquation separation)
v Pemisahan amalgam (amalgams separation).
Pemisahan secara kimia terdiri dari : 
v Proses pelindian (leaching),
v Proses pemanggangan (roasting),
Pada Proses ini dibahas menggunakan pemekatan tembaga dari bijihnya melalui cara pengapungan (flotasi), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Pada proses ini, bijih dihancurkan menjadi serbuk, kemudian dicampurkan dengan zat pengapung, dan udara dialirkan hingga berbusa. Zat pengapung berupa surfaktan (memiliki ujung polar dan nonpolar), misalnya saponin.

Gambar 1. Proses pemekatan dengan cara flotasi.

Partikel-partikel yang terbasahi oleh air seperti pengotor berada di dasar tanki. Adapun partikel yang tidak terbasahi menempel pada busa dan mengapung di atas permukaan tanki.
2. Proses Reduksi
Setelah bijih tembaga dipekatkan (tembaga sulfida), kemudian direduksi dengan cara pemangggangan. Reaksi yang terjadi:
2CuS(s) + 3O₂(g) → 2CuO(s) + 2SO₂(g)
Pemanggangan bersifat eksoterm sehingga setelah pemanggangan dimulai tidak perlu ditambahkan panas lagi. Untuk memperoleh logam tembaga dilakukan dengan cara reduksi tembaga oksida dengan karbon sebagai reduktor :

	∆
CuO(s) + C(s)	→	Cu(g) + CO(g)

Uap logam tembaga meninggalkan reaktor dan terkondensasi menjadi cair, yang selanjutnya memadat. Hidrogen dan logam aktif, seperti natrium, magnesium, dan aluminium juga digunakan sebagai reduktor jika karbon yang dipakai tidak cocok. Hasil reduksi pada tahap ini dinamakan tembaga blister yang kemurniannya mencapai 98%. Untuk kebutuhan penghantar listrik, tembaga harus dimurnikan melalui elektrolisis (Gambar 2).

Gambar 2. Pemurnian tembaga menggunakan elektrolisis.

3. Pemurnian
Pemurnian logam kasar sangat penting ditinjau dari dua aspek. Pertama adanya pengotor mengakibatkan logam yang bersangkutan tidak dapat dimanfaatkan sesuai yang diinginkan, misalnya adanya arsenik dalam persentase yang sangat kecil sebagai pengotor, umumnya dalam tembaga, mengakibatkan penurunan sifat konduktivitas listrik 10-20%. Kedua adanya pengotor dalam logam itu sendiri sangat berharga, misalnya perak merupakan hasil samping dari metalurgi timbel dan tembaga.
Metode untuk pemurnian logam kasar meliputi pemurnian elektrolitik misalnya untuk tembaga, oksadasi pengotor yang harus dipisahkan misalnya untuk besi, distilasi logam dengan titik didih rendah seperti raksa, zink dan nikel, zone refining (pemurnian zona)

Gambar 2.1. Bagan metode pemurnian besi kasar
Zona refining merupakan teknik pemurnian logam dengan hasil kemurnian yang sangat tinggi (Gambar 2.1). teknik ini berdasarkan pada kenyataan bahwa pengotor lebih mudah larut dalam fase cairan daripada fase padatan. Dalam proses ini batangan logam yang akan dimurnikan di lewatkan secara perlahan kedalam kumparan pemanas listrik yang mengakibatkan logam meleleh dan pengotor larut di dalam fase lelehan logam. Batangan logam bergerak terus maju dan ketika keluar dari kumparan pemanas maka bagian ujung luar menjadi dingin dan segera memadat kembali, sedangkan pengotor akan tetap tertinggal larut dalam zona pelelehan didalam kumparan pemanas.
Ada dua macam metalurgi yaitu Metalurgi Extraksi (Extrative Metalurgi), Proses Bahan Galian (PBG). Metalurgi extraksi terdiri dari tiga macam yaitu
1.Hidrometalurgi
Proses Hidrometalurgi adalah suatu proses metalurgi, dimana dilakukan pemakaian suatu zat kimia yang cair untuk dapat melarutkan suatu partikel tertentu. Hidrometalurgi dapat juga diartikan sebagai proses ekstraksi metal dengan larutan reagen encer (< 1 gram/mol) dan pada suhu < 100 ºC. Dalam proses peluluhan senyawanya yaitu logam larut dan lepas dari bijinya oleh air sehingga terbentuk larutan logam tersebut dalam air. Larutan ini dapat dimurnikan setelah itu senyawa logam murninya dapat direduksi langsung menjadi logamnya sedangkan jika terbentuk endapan dapat dipisahkan melalui penyaringan.
Larutan hasil peluluhan dapat diregenarasi dan dipakai kembali untuk proses peluluhan. Tembaga dapat diluluhkan oleh asam sulfat bersama oksigen, emas oleh larutan sianida bersama oksigen. Menurut persamaan reaksi berikut :
2CuFeS_(s) + H₂SO_{4 (}aq) + 4O_{2 (g)} → 2CuSO_{4 (aq)} + Fe₂O_{3 (s)} + S _(s) + H₂O _(l)
Biji tembaga Larutan Peluluh
Au_(s) + 2CN^- ₍aq) + O_{2 (g)} + 2H₂O _(l) → [Au(CN)₂]^- _(aq) + 4OH^- _(aq)
(Biji emas) (Larutan Peluluh)
Setelah larutan ion logamnya terbentuk maka ion logamnya direduksi dengan logam lain yang lebih reaktif. Untuk kedua ion logam diatas dipakai masing-masing logam besi dan zink sebagai reduktor, menurut persamaan reaksi sebagai berikut :
CuSO_{4 (aq)} + Fe _(s) → FeSO_{4 (aq)} + Cu _(s)
2[Au(CN)₂]^- _(aq) + Zn _(s) → 2Au_(s) + [Zn(CN)₄]^- _(aq)
Logam-logam yang banyak mendapat perhatian adalah nikel (Ni), magnesium (Mg), besi (Fe) dan mangan (Mn). Hidrometalurgi memberikan beberapa keuntungan:
1. Bijih tidak harus dipekatkan, melainkan hanya harus dihancurkan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil.
2. Pemakaian batubara dan kokas pada pemanggangan bijih dan sekaligus sebagai reduktor dalam jumlah besar dapat dihilangkan.
3. Polusi atmosfer oleh hasil samping pirometalurgi sebagai belerang dioksida, arsenik (III) oksida, dan debu tungku dapat dihindarkan.
4. Untuk bijih-bijih peringkat rendah (low grade), metode ini lebih efektif.
5. Suhu prosesnya relatif lebih rendah.
6. Reagen yang digunakan relatif murah dan mudah didapatkan.
7. Produk yang dihasilkan memilki struktur nanometer dengan kemurnian yang tinggi.
Pada prinsipnya hidrometalurgi melewati beberapa proses yang dapat disederhanakan tergantung pada logam yang ingin dimurnikan. Salah satu yang saat ini banyak mendapat perhatian adalah logam mangan dikarenakan aplikasinya yang terus berkembang terutama sebagai material sel katodik pada baterai isi ulang. Bateria ion litium konvensional telah lama dikenal dan diketahui memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Namum jika katodanya dilapisi lagi dengan logam mangan oksida maka kapasitas penyimpanan energi baterai tersebut menjadi jauh lebih besar.
Kondisi yang baik untuk hidrometalurgi adalah :
1. Metal yang diinginkan harus mudah larut dalam reagen yang murah.
2. Metal yang larut tersebut harus dapat “diambil” dari larutannya dengan mudah dan murah.
3. Unsur atau metal lain yang ikut larut harus mudah dipisahkan pada proses berikutnya.
4. Mineral-mineral pengganggu (gangue minerals) jangan terlalu banyak menyerap (bereaksi) dengan zat pelarut yang dipakai.
2.Pirometalurgi
Melibatkan reaksi kimia yang dilaksanakan pada temperatur tinggi.Misalnya dalam smelting(peleburan atau pelelehan),reduksi mineral menghasilkan lelehan logam yang dapat dipisahkan dari batuan yang tidak diinginkan.Dalam proses reduksi ini biasanya dipakai karbon atau logam lain.Oksida-oksida hasil pemanggangan biji sulfide atau hasil kalsinasi biji karbonat tersebut umumnya direduksi dengan peleburan oleh karbon,menurut persamaan reaksi
ZnO_(s) + C_(s) → Zn_(s) + CO_(g)
Biasanya,pemekatan biji tidak sampai memisahkan secara sempurna batuan-batuan pengotor yang tidak diinginkan dari mineralnya.batuan-batuan pengotor dipisahkan dalam proses peleburan dengan penambahan pereaksi flux untuk menghasilkan slag (ampas bijih)yang berupa cairan pada temperatur proses dalam tungku.Sebagian besar slag adalah silikat misalnya:
Lelehan logam dan slag membentuk lapisan yang terpisah dalam tungku sehingga dapat dpisahkan.slag dapat dipadatkan sebagai massa mirip gelas(glassy) untuk dibuang atau dipakai pada pembuatan semen Portland.Metode pirometalurgi diterapkan untuk produksi tembaga,zink,dan besi.
Elektrometalurgi merupakan suatu proses reduksi mineral atau pemurnian logam yang menggunakan energi listrik.Natrium dan aluminium diproduksi menurut metode elektrometalurgi.
Natrium
Natrium merupakan logam alkali yang paling banyak dibutuhkan untuk keperluan industri.seperti logam-logam alkali yang lain,natrium tidak ditemukan dalam keadaan murni di alam karena reaktivitasnya yang sangat tinggi.Logam putih keperakan ini dalam pabrik biasanya diproduksi secara elektrometalurgi menurut proses Downs (gambar 2.2)yaitu dengan mengelekrolisis lelehan natrium klorida (titik leleh -801c).
Elektrolisis ini dikerjakan dalam sebuah sel silindrik dengan anode grafit dipasang ditengah(sentral) dan katode baja dibuat mengelilingi anode.untuk menurunkan suhu elektrolisis,ditambahkan kalsium klorida (titik leleh 600c) sebagai campuran.campuran 33%cacl2-67% nacl ternyata mampu menurunkan titik leleh menjadi 580c.kedua elektroda dipisahkan dengan diafragma ayakan baja slindrik sehingga lelehan natrium yang terbentuk mengapung pada bagian atas katode dan tidak bersentuhan dengan gas klorin yang terbentuk pada ruang anode.Natrium cair yang mengandung-0,2% logam kalsium didinginkan hingga 110% agar logam kalsium memadat dan terkumpul di dasar wadah sehingga natrium cair dapat dipompa ke dalam wadah pencetak dingin tempat logam natrium memadat.persamaan reaksi elektrolisnya adalah:
Aluminium
Logam aluminium juga diproduksi secara elektrometalurgi sumber utama aluminium berasal dari mineral bauksit yaitu suatu hidrat aluminium oksida Al2O3nH2O.Bauksit berisi sebagian besar silica,SiO2 bauksit dilakukan dengan proses Bayer yang berdasarkan pada perbedaan sifat asam-basa dari oksida-oksida yang bersangkutan.Oksida aluminium bersifat amfoterik,besi (III)oksida bersifat basa,dan silica relatif inert atau sedikit asam.Biji bauksit digerus dengan larutan panas natrium hidroksida dengan tekanan tinggi untuk melarutkan