EFISIENSI CELL MEMBRANE DALAM MIGRASI ION PADA PROSES ELEKTROLYZER DI CHLOR ALKALI SECTION PT.LONTAR PAPYRUS PULP AND PAPER INDUSTRY 4.1 Pendahuluan 4.1.1 Latar Belakang
PT.Lontar Papyrus Pulp and Paper Industry merupakan salah satu perusahaan yang bergerak dalam industri pulp industri pulp ( bubur kertas ). Metoda pembuatan pulp yang digunakan diperusahaan adalah proses kraft , dimana bahan baku yang digunakan adalah adalah Acasia Mangium yang diperoleh dari HTI PT.WKS. Disamping pembuatan pulp PT.Lontar Papyrus Pulp and Paper Industry juga memproduksi bahan chemical yang mendukung proses pembuatan pulp pembuatan pulp,, seperti NaOH, Cl2, H2 dan lainnya. Pembuatan bahan ± bahan chemical tersebut diproses pada departemen CMP ( Chemical Making Plant ), seksi CA ( Chlor Alkali Section ). Pada seksi Chlor Alkali Section bahan dasar garam yang berasal dari Australia diproses dengan meleburkan kristal ± kristal garam menjadi brine ( air garam ) yang akan diproses selanjutnya menjadi NaOH, Cl2 dan H2 pada NaOH pada NaOH treatment . Pada seksi NaOH treatment , brine yang dikirim akan diproses menggunakan alat Membrane Gab Cell Elektrolyzer . Elektrolyzer merupakan salah satu proses menghasilkan produk dengan merubah energi listrik menjadi energi kimia yang menggunakan menggunakan Ion Exchange -
Membrane. Membrane. Ion Exchange Membrane ( selaput penukar ion ) yang mencegah mengalirnya ion Cl -
keruang katoda dan mencegah sebagian besar ion OH keruang anoda, anoda, namun mampu +
meloloskan Na . -
+
Ion OH yang dihasilkan di katoda berikatan katoda berikatan dengan ion Na dan air membentuk larutan -
NaOH 32% yang meninggalkan cell sebagai cell sebagai produk. Tetapi tidak semua ion OH yang dihasilkan dari katoda meninggalkan ruang katoda melalui Discharge Nozzle. Nozzle. Medan listrik yang terjadi -
diantara Anoda dan Katoda memberikan memberikan Driving Force kepada ion OH untuk menuju anoda. anoda. -
Back Migration ion OH ini sebagian besar dapat dicegah oleh Ion oleh Ion Exchange Membrane. Membrane. Fraksi ini mengalami Back mengalami Back Migration menembus membrane dikonsumsi dalam reaksi ± reaksi samping -
( by produck reaction ). Fraksi dari ion OH yang meninggalkan Elektrolyzer dalam bentuk
NaOH produk disebut Caustic Current Efficiency. Efficiency. Ketika gas hidrogen dan NaOH terbentuk diruang katoda, katoda, produk ini mengalir keluar Elektrolyzer . Di pipa tee diluar elektrolyzer , campuran ± campuran fasa tersebut dipisahkan. Gas Hidrogen terkumpul disebelah atas dalam sebuah Header sebuah Header dengan dengan tekanan 300 - 350 mm H20 dan mengalir keluar cellroom keluar cellroom menuju battery limits. limits. Caustic jatuh dari tee dan mengalir menuju Caustic Circulation Tank . Rancangan sirkuit elektrolisa didesain memenuhi kapasitas produksi NaOH 100% 130 2
ton/hari, berdasarkan Current Density 3,75 KA/m dan Caustic Current Efficiency 94 - 96%. Area elektrolyzer terdiri elektrolyzer terdiri dari 34 set monopolar Membrane Gap Cell ( MGC ) Elektrolyzer dipasang secara seri. Masing ± masing Elektrolyzer masing Elektrolyzer mempunyai mempunyai 20 single Anode single Anode Compartment ( Compartment ( kompartemen Anoda kompartemen Anoda Tunggal ) 20 single Cathode Compartment dan Compartment dan 20 membrane Operating 2
Current Density dari ke 20 cell Elektrolyzer akan Elektrolyzer akan sebesar 2,75 KA/m . Temperatur catholyte ( caustic yang keluar ) dan anolyte ( brine yang keluar ) keluar dari Elektrolyzer dari Elektrolyzer akan akan dijaga pada 0
0
88 - 90 C dan 85 ± 87 C. Rancangan Sirkuit berikut dipilih untuk kapasitas produksi maksimal 2
NaOH 130 ton/hari, berdasarkan current density 3,75 KA/m dan caustic current efficiency 96%. Brine umpan dan NaOH umpan yang mengalir ke Cellroom langsung menuju ke 34 elektrolyzer . Aliran Brine Aliran Brine dan NaOH ke masing ± masing elektrolyzer elektrolyzer dikontrol dikontrol oleh rotameter . Brine dan NaOH masuk ke elektrolyzer dari bawah/dasar sewaktu aliran naik menuju ruang anoda dan cathoda, cathoda, Cl2 diproduksi di anoda. anoda. 4.1.2 Tujuan
1. Mengetahui pengaruh feed pengaruh feed brine dan feed dan feed caustic yang masuk dalam Elektrolyzer dalam Elektrolyzer 2. Mengetahui kondisi optimum pH pada feed pada feed brine yang masuk dalam Elektrolyzer dalam Elektrolyzer 3. Mengetahui efisiensi membrane dalam penukaran ion pada proses Elektrolisa 4. Untuk mengetahui fungsi cathode dan anode pada Elektrolyzer pada Elektrolyzer 4.1.3 Manfaat
Dengan pelaksanaan Praktek Kerja Lapangan ini, penulis mendapatkan pengalaman kerja dan menambah serta meningkatkan keterampilan dalam menggunakan alat dan proses khususnya pada proses Elektrolyzer sehingga dapat dijadikan modal untuk bekerja kelak. 4.1.4 Ruang Lingkup
Fokus permasalahan dalam laporan praktek kerja lapangan ini terletak pada NaOH unit , dengan bahasan meliputi efektifitas cell membrane dalam migrasi ion pada proses Elektrolyzer. Lokasi dan waktu Praktek Kerja Lapangan Penelitian dilakukan di PT.Lontar Papyrus Pulp and Paper Industry, kecamatan Tebing Tinggi, kabupaten Tanjung Jabung Barat, Provinsi Jambi, tepatnya pada : Departemen : Chemical Plant Seksi : Chlor Alkali Section Unit : NaOH Unit Pelaksanaan Praktek Kerja Lapangan berlangsung selama 3 bulan dari 1 Maret 2010 sampai dengan 31 Mei 2010 4.2 Tinjauan Pustaka 4.2.1 Membrane Gap Cell Elektrolyzer
MGC Elektrolyzer akan memproduksi Cl2, NaOH dan H2 dari larutan brine jika diberi energi dalam bentuk listrik arus searah. Oleh karena itu proses ini adalah proses elektrolisa dan merupakan salah satu bentuk dari reaksi elektrokimia. Sel didefinisikan sebagai suatu ruang yang mengandung elekroda dan elektrolit . Untuk reaksi elektrokimia dari larutan NaCl, sebuah sel harus terdiri dari komponen utama sebagai berikut :
A. Elekroda positif, disebut Anoda B. Elektrolit didalam ruang anoda yaitu larutan NaCl dengan konsentrasi 287,4 gpl, disebut Anolyte C. Elektroda negatif disebut katoda D. Elektrolit didalam ruang katoda yaitu larutan NaOH dengan konsentrasi 29,15 %, disebut Catholyte E. Membrane dengan bahan kain linem digunakan untuk mengaja anolyte dari catholyte tetap terpisah. Sebuah elektrolyzer merupakan suatu rakitan dari dua atau lebih sel kedalam satu unit operasi. Sebagaimana namanya MGC ( Membrane Gap Cell ) Elektrolyzer , anoda dan katoda dari masing ± masing sel hanya dipisahkan oleh ketebalan membrane. Reaksi elektrokimia berlangsung dalam bentuk elektrolisa dari NaCl dan air menghasilkan Cl2, H2, dan NaOH sesuai dengan stoikhiometri berikut : 2 NaCl(aq) + 2 H2O(aq) = 2 NaOH(aq) + Cl2(g) + H2(g) Reaksi keseluruhan diatas dapat dipecahkan menjadi reaksi ± reaksi yang terjadi dikatoda dan anoda. 2 H2O(l) + 2 e- = H2(g) + 2 OH- ( terjadi di katoda ) +
-
2 Na + 2 OH = 2 NaOH(aq) -
-
2 Cl = Cl2(aq) + 2 e ( terjadi di anoda ) Didalam sel elekrolisa komersial bukan hanya pada pembentukan produk, tetapi juga pada pemisahan produk ( elektrolit ) didalam sel . Membrane Gab Cell Elektrolyzer menggunakan membrane penukaran ion untuk mengefektifan pemisahan ini. Membrane penukar ion mencegah lewatnya ion Cl- keruang katoda dan mencegah lewatnya
-
+
sebagian besar ion OH keruang anoda. Membrane hanya memberikan ion Na untuk lewat dan membawa arus dari anoda ke katoda. -
+
Ion OH yang diproduksi dikatoda akan bergabung dengan ion Na membentuk larutan NaOH yang meninggalkan sel elektrolisa sebagai produk. Tetapi tidak semua -
ion OH yang diproduksi tersebut meninggalkan ruang katoda, melalui nozzle buang, sebagai NaOH. Medan listrik yang terbentuk antara anoda dan katoda memberikan gaya dorong untuk memindahkan ion ke anoda. Tetapi sebagaian besar back migration -
-
dari ion OH tersebut dapat dicegah oleh membrane penukar ion. Fraksi dari ion OH
yang berhasil menembus membrane menuju ruang anoda akan dikonsumsi dalam bentuk hasil samping didalam anolyte. Kemampuan membrane didalam mencegah back migration akan berkurang sesuai umur membrane. Larutan garam murni dari storage tank dialirkan ke sel elektrolisa, dimana arus AC ( bolak ± balik ) diubah menjadi DC ( searah ) oleh Rectifier . Larutan garam dengan konsentrasi 290 ± 310 gpl diumpankan bersama NaOH 32% kedalam elektrolyzer sehingga dihasilkan anolyte, gas klor dikutub positif, dikutub negative NaOH dan H2. 0
NaOH yang dihasilkan memiliki konsentrasi 32% dengan temperatur 90C, lalu 0
didinginkan sampai temperature 75 C. NaOH ini disimpan dalam storage tank. Selama proses elektrolisa berlangsung pada elektrolyzer berkemungkinan masuknya pengotor ± pengotor yang dapat menghambat kinerja dari perangkat elektrolyzer , antara lain resin yang terbawa oleh brine, besi ± besi kecil yang tidak bersih selama proses assembly, dan yang lain ± lain, sehingga ada salah satu sisi katoda atau anoda bahkan bisa juga membrane yang bocor. Dengan demikian maka diperlukan adanya pergantian dari elekrolyzer yang rusak ataupun bocor, dengan tujuan untuk melepaskan satu elektrolyzer dari circuit cell dengan benar tanpa mengganggu produksi. Langkah yang pertama kali diambil adalah jumper switch, dimana arus listrik yang mengalir dipindahkan ke jumper switch tanpa mengganggu produksi ke elektrolyzer yang lain. Adapun langkah ± langkah jumper switch antara lain sebagai berikut :
I. Pemasangan jumper switch a. Pasang anti sag support beam pada elektrolyzer ( tidak dipasang jika hanya perbaikan line caustic / line brine ) b. Angkut dan angkat jumper switch dengan vertical elektrolyzer lifting rig keposisi elektrolyzer yang akan di jumper c. Pastikan jumper switch bekerja dengan baik d. Pastikan posisi jumper switch sudah benar dengan melihat waterpas pada posisi kiri, kanan, dan depan y
Pastikan dudukan katoda/anoda adapter arm telah center dengan dudukan intercell , dilakukan dengan meletakkan busbar plate
y
Pasang copper anoda adapter arm dan copper katoda adapter arm. Bersihkan dengan amplas pada sisi bawah dan berikan grase
y
Pastikan dudukan copper anoda ( katoda ) adapter arm dengan anoda ( katoda ) adapter arm dan dudukan intercell tidak ada gab
y
Jika ada gab dapat dialigment dengan warm gear / jack jumper switch
e. Pasang selang cooling water katoda / anoda distributor pada busbar in dan out dan selang anoda / katoda adapter arm in dan out f. Kencangkan kedudukan koper anoda / katoda adapter arm dengan baut g. Pasang selang suplai angin dan dua selang water inlet serta selang water outlet . Sebelum dipasang selang tersebut terlebih dahulu drain angin dan udara sampai tidak ada impuritisnya h. Buka valve water supplay sampai 20 ± 30 gpm
i. Pastikan langkah a s/d h dilakukan dengan benar II. Pengoperasian jumper switch A. Switch closed 1. Purging N2 kedalam elektrolyzer melalui valve sample point gas H2 dan Cl2 2. Naikkan flow brine pada elektrolyzer yang akan di jumper 3. Lakukan jumpering dengan langkah ± langkah berikut : Buka valve suplai angin ke jumper switch sampai tekanan 90 ± 110 psi. Operasikan switch dari posisi switch open keposisi closed . Pastikan switch ke 1, 2, 3 dan 4 didalam jumper switch bekerja dengan baik. Tutup valve suplai angin dan drain sisanya. 4. Check voltage elektrolyzer yang di jumper jika voltage mendekati 0, jumper switch bekerja dengan baik 5. Naikkan flow caustic 6. Tunggu 30 menit sampai habis free Cl 2 dalam anolyte 7. Selama jumper switch masih posisi closed ( beroperasi ), lakukan pengontrolan air pendingin, pastikan air pendingin outlet jumper switch tidak terlalu panas. Kontrol / jam. B. Switch open 1. Pastikan kondisi elektrolyzer siap untuk di start 2. Pastikan kembali water inlet bekerja dengan baik dan water outlet tidak panas lagi. Jika panas tambah flow water inlet secukupnya 3. Buka suplai angin sampai tekanan 90 ± 110 psi
4. Lakukan pengoperasian swicth keposisi OPEN 5. Check voltage elektrolyzer yang di jumper 6. Tutup suplai angin dan drain sisanya 7. Biarkan jumper switch tetap berada pada elektrolyzer sampai dengan 1 hari III. Pelepasan jumper switch Lakukan seperti layaknya pemasangan, hanya saja yang dilakukan adalah pelepasan. Usahakan jumper swicth jika telah terlepas dipindahkan pada posisi elektrolyzer yang lain yang mempunyai indikasi mencurigai, bila perlu lakukan pemasangan jumper switch dan standby kan. Setelah melakukan jumper switch, maka dapat dilakukan pelepasan elektrolyzer yang rusak dari circuit nya karena arus listrik sudah dialihkan ke jumper switch dan diteruskan ke line normal elektrolyzer tanpa mengganggu proses produksi berlangsung. Adapun langkah dari pelepasan dari elektrolyzer yang rusak adalah sebagai berikut : 1. Pasang jumper switch secara lengkap 2. Pisahkan elektrolyzer dari Cl 2 / anolyte header 3. Stop aliran brine dan caustic ke elektrolyzer yang akan diganti 4. Pisahkan elektrolyzer dari H 2 header 5. Stop PURGIN 6. Drain elektrolyzer 7. Lakukan disconnection / pelepasan feed brine flange, feed caustic flange, anolyte outlet flange, catholyte outlet flange dan intercell bus lifting distributor bus 8. Angkat elektrolyzer dengan vertical elektrolyzer lifting rig / overhead crane
9. Lakukan flushing dengan DI WATER Setelah pelepasan satu set elektrolyzer maka dilakukan assembly untuk menggantikan elektrolyzer yang telah dibuka. Adapun langkah - langkah pemasangan assembly elektrolyzer antara lain sebagai berikut : 1. Semua bagian sudah siap, membrane telah direndam dalam DI water, katoda dan anoda telah dilakukan greasing dan gasketing , proses assembly telah lengkap 2. Current distributor Aligment Fixture telah siap 3. Bersihkan area 4. Pasang Back bulkhead pada current distributor Aligment fixture 5. Pasang top dan bottom guide rod insulator 6. Pasang bulkhead insulator 7. Pasang current distributor assembly kanan 8. Pasang cathode end spacer 9. WD-40 pada cathode kanan 10. Pasang cathode kanan ( mesh menghadap keatas ) 11. Pasang anode manifold end spacer dengan shimp 12. Pasang membrane yang telah direndam dalam 2 % caustic, sisi CATH pada membrane menghadap kebawah 13. Pasang anode kanan, mesh menghadap kebawah 14. Pasang current distributor assembly kiri
15. Pasang manifold seal ring / manifold ring pada anode kanan 16. Pasang anode kiri, mesh menghadap keatas 17. Pasang manifold spancer ( spancer pertama dengan page valve ) pada cathode kanan 18. Pasang membrane 19. WD-40 pada cathode kiri 20. Pasang cathode kiri, mesh menghadap kebawah 21. Pasang current distributor assembly kanan 22. Pasang manifold seal ring / manifold ring pada cathode kiri 23. WD-40 pada cathode kanan 24. Pasang cathode kanan, mesh menghadap keatas 25. Pasang manifold spacer ( spacer pertama dengan punge valve ) pada anode kiri 26. Pasang membrane yang telah direndam dalam 2 % caustic, sisi CATH pada membrane menghadap kebawah 27. Pasang anode kanan, mesh menghadap kebawah 28. Pasang current distributor assembly kiri 29. Ulangi step 15 ± 21 30. Ulangi step 22 ± 28 31. Pasang feed/dischange bulkhead dengan bulkhead insulator 32. Pasang manifold stud
33. Pasang feed end discharge manifold 34. Pasang tie rod assembly 35. Lakukan pengencangan / torque 36. Pasang blind storage flange untuk sealing moisture 37. Lakukan re-torque 38. Pasang bus Anti-sag support Assembly Setelah assembly selesai dan telah dites kebocorannya maka dilakukan pemasangan kembali pada circuit yang telah dilepas. Adapun langkah ± langkah pemasangan elektrolyzer pada circuit adalah sebagai berikut : 1. Bersihkan dan berilah grase pada distributor bus 2. Drain elektrolyzer 3. Angkat elektrolyzer keposisi pemasangan menggunakan vertical elektrolyzer lifting ring / overhead crase 4. Lakukan proses penyambungan kembali terhadap anolyte outlet flange, catholyte outlet flange, caustic feed flange, brine feed flange dan intercell bus distributor bus 5. Lakukan connection suplai N2 dan udara 6. Isi elektrolyzer dengan caustic dan brine sampai overflow pada keran sample point masing ± masing caustic dan brine 7. Start PURGING N2 dan udara 8. Atur ulang caustic dan brine, tunggu sampai kondisi star up tercapai, kemudian naikkan flow feed brine
9. Lakukan J ump-in / posisi OPEN 10. Check voltage, pastikan voltagenya lebih rendah atau sama dengan yang lama 11. Stop purging 12. Lakukan analisa orsat 13. Stop suplai angin 14. Check kondisi operasi 15. Turunkan flow cooling water secukupnya biarkan online hingga katoda dan anoda adapter dilepas 16. Pastikan setelah satu hari baru dilakukan pelepasan J umper switch dari elektrolyzer tersebut 17. Diskoneksi bus anti-sag support beam 4.2.2 F eed Brine
Aliran feed brine kemasing ± masing Elektrolyzer dimonitor oleh sebuah rotameter dan laju aliranya dikontrol dengan kran manual. Brine umpan masuk pada bagian bawah masing ± masing ruang anolyte. Selama brine mengalir keatas secara kontinyu didalam ruang anolyte, selama waktu itu pula brine dielektrolisa, dan depleted brine keluar dari Membrane Gap Cell Elektrolyzer . Selama operasi normal, sangat penting untuk menjaga konsentrasi NaCl didalam brine umpan dan laju alirannya ke masing ± masing Elektrolyzer. Jika tidak, maka depleted brine yang keluar dari Elektrolyzer akan tidak pada konsentrasi yang benar dan dapat merusak membrane. Hanya brine yang sangat murni boleh diumpankan kedalam Membrane Gap Cell Elektrolyzer selama operasi normal, jika tidak, performansi akan sangat terganggu.
Impurities terlarut didalam brine umpan, kalau berada dalam anolyte dapat berdifusi kedalam membrane, dalam jumlah yang kecil mungkin tidak berbahaya, tetapi ada resiko kemungkinan bereaksi dengan NaOH membentuk senyawa ± senyawa yang tak larut dalam suasana basa didalam permukaan membrane sel katoda. Pengendapan senyawa ± senyawa tak terlarut tersebut kedalam sisi membrane akan merusak membrane secara permanen. Berkurangnya efisiensi membrane secara perlahan ± lahan seiring dengan masa pakai adalah normal dan biasanya merupakan akumulasi impurities secara perlahan didalam membrane selama periode waktu yang panjang. 4.2.3 F eed caustic
Produk NaOH dengan persen berat yang diinginkan kembali, secara grafity dari header pengumpul di cellroom ke tangki sirkulasi NaOH yang biasanya terletak disebuah pit diluar tidak jauh dari cellroom. Ukuran tangki sirkulasi NaOH biasanya membolehkan kapasitas aliran yang luas antara level cairan yang normal dan overflow, berdasarkan laju alir produk rancangan. Sebagian NaOH yang berasal dari Elektrolyzer direcycle oleh pompa sirkulasi NaOH ke heater / cooler NaOH dan kembali ke Elektrolyzer sebagai feed caustic. Air bebas ion diinjeksikan kedalam NaOH yang kembali kecellroom untuk menjaga neraca air Elektrolyzer . Produk NaOH dipompa keevaporator atau tanki penyimpanan sebelum air bebas ion ditambahkan kealiran resirkulasi. Dalam hal emergency shut down , emergency power tersedia untuk pompa sirkulasi. Pengontrol motor harus diletakkan ditempat yang masih dapat dijangkau apabila pit -nya kebanjiran. Kran pengontrol pompa produksi juga sebaiknya diletakkan d isana. Aliran NaOH produk normalnya dikontrol oleh sebuah sistem pengontrol level yang masih dipasang ditangki sirkulasi NaOH . Sebuah pipa pembuangan ( optimal ) dapat dipasang untuk mengirim NaOH berkhlorida tinggi kesebuah vesel penyimpanan alternatif jika diinginkan. Kandungan khlorida yang tinggi terjadi selama shut down disebabkan naiknya perpindahan melalui membrane. Sebagian besar NaOH yang dipompa dari tanki sirkulasi NaOH diencerkan dengan air bebas ion sebelum
dipanaskan/didinginkan dan kembali ke Elektrolyzer. Lajualir recycle yang tinggi bertujuan untuk menjaga temperatur cell dan memperkecil perbedaan konsentrasi ( concentration gradient ) didalam cell . Air bebas ion, normalnya pada kontrol aliran dan set point, harus diubah jika produksi cellroom diubah guna menjaga konsentrasi produk tetap konstan. Sistem ini terdiri dari dua kontroler yang dihubungkan seri untuk menjamin bahwa batas ± batas temperatur umpan NaOH ke Elektrolyzer tetap terpelihara, ketika mencapai kontrol temperatur NaOH yang kembali dari Elektrolyzer . Sistem pengontrol ganda ini sangat berguna terutama dalam start-up dan shut down untuk mencapai temperatur cell secara benar. Sensor temperatur pada pipa outlet NaOH ( catholyte ) mengirim sinyal kekontroler pertama, yang pada gilirannya akan mengirim sinyal output ke kontroler kedua berdasarkan hasil yang diinginkan ( misalnya : lebih banyak steam untuk pemasaran ), kontroler kedua lalu mengirim sebuah sinyal output kekonverter yang kemudian mengirim sebuah sinyal ke steam/cooling water solenoid control valve. Tetapi sebelum mengirim sinyal, kontroler kedua melihat sinyal output dari kontroler pertama dan menentukan apakah sinyal yang diinginkan berada dalam batas ± batas yang diinginkan untuk temperatur NaOH umpan, berdasarkan pada kondisi yang ada seperti ditunjukkan oleh transmitter temperatur kedua ( misalnya : NaOH umpan telah berada pada temperatur maksimum yang diizinkan ). Jika temperatur NaOH umpan telah berada pada batas maksimum atau minimumnya, kontroler kedua mengatur sinyal aktual kekran pengontrol steam/air pendingin yang bersesuaian. Adapun spesifikasi feed caustic yang masuk kedalam elektrolyzer ketika star up adalah sebagai berikut : Tabel 4.1 Spesifikasi caustic ketika star up Spesifikasi
NaOH
Satuan
30 ± 32 %
Fe
1 ppm
Hg
10 ppb
Cl-
50 ppm
NaClO3
40 ppm
SO4
30 ppm
Ni
1 ppm
Ca + Mg
0,5 ppm
SiO2
40 ppm
Al
<>
Metal + Pb
<>
Setelah meninggalkan heater/cooler , NaOH yang kembali ke Elektrolyzer biasanya dikontrol oleh sebuah kran pengonrol oleh sebuah kran pengontrol tekanan untuk menjaga tekanan suplai yang ko nstan kemasing ± masing rotameter Elektrolyzer . 4.2.4 Pertukaran ion ( migrasi ion )
Cell Elektrolisa bukan hanya pada pembentukan produk, tetapi juga pada pemisahan produk. Elektrolyzer menggunakan membrane penukaran ion untuk mengefektifkan pemisahan ini. Membrane pada Elektrolyzer berfungsi sebagai penukar ion untuk -
mengefektifkan pemisahan. Membrane penukar ion mencegah lewatnya ion Cl keruang -
katoda dan mencegah lewatnya sebagian besar ion OH keruang anoda. Membrane +
hanya membiarkan ion Na untuk lewat dan membawa arus dari anoda kekatoda. Ion OH- yang diproduksi dari katoda akan bergabung dengan ion Na+ membentuk -
larutan NaOH ( produk ) yang meninggalkan sel elektrolisa. Tidak semua ion OH yang diproduksi meninggalkan ruang katoda, melalui nozzle buang sebagian NaOH. Dengan adanya bantuan medan listrik yang terbentuk antara anoda dan katoda memberikan -
gaya dorong untuk memindahkan ion OH keanoda. Tetapi sebagian besar back -
-
migration dari ion OH tersebut dapat dicegah oleh membrane penukar ion. Ion OH
yang menghasil menembus membrane menuju ruang anoda akan dikonsumsi dalam reaksi samping didalam anolyte.
4.2.5 Membrane
Membrane adalah kain tipis yang merupakan salah satu komponen utama dari elektrolyzer , dimana membrane berfungsi untuk menjaga anolyte dan catolyte tetap terpisah. Membrane terbuat dari linem yang berukuran 1,575 x 1,143 dengan ketebalan dibawah 1 mm. Membrane yang dipakai pada elektrolyzer ini berasal dan dibuat dari Amerika ( Dupont/Napion ) dengan tipe N966TX/NA CATHMD atau Jepang ( Asain ) dengan ISO yang telah diakui. Membrane buatan Amerika yang terbuat dari bahan linem ini dengan standar pemakaian 3 tahun. Akan tetapi membrane ini dapat bertahan sampai 4 tahun bahkan lebih. Pemakaian membrane dapat bertahan dengan baik apabila pemasangan dan pemeliharaan dengan benar sesuai dengan petunjuk operasi dari sebuah pabrik. Ada banyak sistem sel dikenal dan digunakan untuk serta memiliki beberapa karakteristik umum. Dengan demikian, secara umum, sel - sel elektrolisis yang digunakan untuk produksi kaustik dan klorin terdiri dari kompartemen, ditetapkan sebagai kompartemen anoda dan katoda. Anoda wadah melayani untuk dekomposisi elektrolisis dari air garam air, seperti larutan NaCl menurut persamaan d i bawah ini: 2Na+ + 2Cl 2Na+ + Cl2 + 2eSementara di kompartemen katoda, elektrolisis air terjadi sesuai dengan persamaan di bawah ini: -
-
2 H2O( l ) + 2 e H2(g) + 2 OH
Ion natrium dari kompartemen anolyte menggabungkan dengan ion hidroksil yang dihasilkan dalam kompartemen katolyte dihasilkan dalam pembentukan suatu larutan sodium hidroksida air seperti yang ditunjukkan da lam persamaan +
-
Na + OH NaOH Selama bertahun - tahun, diafragma berpori digunakan untuk memisahkan kompartemen anoda dan katoda. Diafragma berfungsi untuk memisahkan sel produk
gas dan air garam diizinkan mengalir dari anoda ke kompartemen - kompartemen katoda. Transportasi air garam di diafragma yang disediakan jalur listrik untuk migrasi ke ion natrium kompartemen katoda. Produk kaustik terbentuk dalam kompartemen katoda adalah terbatas pada konsentrasi 12% dan telah terkontaminasi dengan garam yang dihasilkan dari aliran air garam di diafragma. Produk kaustik dengan konsentrasi rendah kemudian dipekatkan dengan penguapan kristalisasi untuk nilai komersial yang mengandung 50% kaustik, garam terkontaminasi dengan 1%. Dalam beberapa tahun terakhir, sel membran telah dikembangkan, di mana diafragma berpori telah digantikan dengan bahan membran. Ini mengizinkan transportasi ion natrium dari kompartemen anoda ke katoda kompartemen, tapi mencegah pengalihan solusi air garam. Perkembangan ini telah menyediakan sarana untuk produksi kaustik dengan konsentrasi yang tinggi. Penggunaan membran-sel elektrolitik dilengkapi tidak menyebar luas di masa lalu karena masalah yang dihadapi dengan stabilitas membran dan dengan efisiensi saat ini dan daya relatif rendah dibandingkan dengan sel diafragma konvensional. Upaya upaya terbaru telah menghasilkan perkembangan yang signifikan memperbaiki membran fokus perhatian baru pada sel elektrolitik membrane dilengkapi untuk produksi kaustik oleh elektrolisis air garam. Dengan demikian, baru - baru ini diumumkan oleh Asahi Chemical Industry Co, Ltd, yang pertama di dunia membran dilengkapi klor-alkali plant komersial dengan kapasitas produksi tahunan sebesar 40.000 metrik ton telah dimasukkan ke dalam operasi pada tahun 1975. Membran yang digunakan dalam sistem kimia Asahi, seperti yang dilaporkan pada presentasi abovereferenced, adalah membran asam karboksilat yang perfluoro dibandingkan dengan sebelumnya direkomendasikan perfluoro membran asam sulfonat, menyediakan operasi stabil pada efisiensi arus tinggi. Faktor-faktor efesiensi ekonomi dalam operasi sel membran adalah pencapaian hidup membran panjang, pencapaian efisiensi yang tinggi saat ini, realisasi drop tegangan rendah pada kepadatan yang tinggi saat ini dan produksi dengan konsentrasi
tinggi kaustik di sel. Tingkat pencapaian faktor-faktor ini tergantung pada karakteristik fisik bahan membran yang spesifik dan akan berbeda dengan kondisi operasi. Pemeliharaan kepadatan yang tinggi saat ini mengurangi modal investasi plant ( pabrik ) asli dan biaya penggantian membran. Demikian pula, produk konsentrasi tinggi mengurangi modal dan biaya operasi peralatan penguapan yang diperlukan untuk membawa produk kaustik sampai dengan konsentrasi komersial. Drop tegangan rendah dan efisiensi yang tinggi saat ini mengurangi kebutuhan energi yang sebagian besar dari total biaya produksi. Tingginya biaya bahan membran dan biaya pemeliharaan yang terkait dengan penggantian membran membutuhkan pencapaian hidup membran panjang. Pengembangan membran yang cukup besar telah dilakukan dengan, terutama, berbagai formulasi asam sulfonat perfluoro dan resin jenis asam karboksilat perfluoro. Masing - masing formulasi membran memiliki sifat tertentu yang berbeda dengan kondisi operasi. Bahan membran tertentu mungkin memiliki karakteristik yang sangat baik efisiensi arus pada konsentrasi kaustik 40%, tetapi mungkin memiliki kehidupan yang pendek di bawah kondisi ini. Akibatnya, kondisi operasi dan komersial sel bahan membran yang digunakan saat ini merupakan suatu kompromi yang bertujuan untuk pencapaian biaya produk terbaik dicapai. Ekonomi dari sebuah acara instalasi membran sel khas yang kebutuhan energi account sebesar 50 % dari total biaya produksi. Modal investasi dan nilai penggantian membran menjadi 25% dan 8%, masing-masing, dari total biaya produksi. Dari angka - angka ini, dapat dilihat bahwa produksi kaustik dan klorin oleh membran sel elektrolisis merupakan energi dan modal yang relatif proses yang sangat intensif. Modifikasi untuk proses elektrolisis menghasilkan penghematan energi dan modal, karena itu penting dikemukakan. Kini telah ditemukan bahwa penghematan yang signifikan dapat dicapai dengan menggunakan sistem instan untuk produksi kaustik, dimana dalam setidaknya satu sel dari sistem elektrolisis membran-dilengkapi, solusi kaustik konsentrasi yang relatif
rendah diproduksi secara elektrolisis dari NaCl yang mengandung air garam. Kaustik konsentrasi tinggi yang diinginkan tersebut kemudian diproduksi oleh electrolyzing air garam dalam tahap kedua menggunakan encer kaustik diproduksi dalam tahap pertama sebagai pengganti air. Pementasan ini hasil produksi kaustik konsumsi energi yang lebih rendah / ton kaustik diproduksi di comparion untuk sistem seni sebelumnya dengan peningkatan simultan dalam kehidupan rata-rata dipekerjakan membran dan penurunan investasi modal. Dalam produksi hidroksida logam alkali dan klorin oleh elektrolisis suatu larutan air garam logam alkali dalam kompartemen anoda dari sistem multi- sel kompartemen dan elektrolisis air dalam kompartemen katoda dari sistem, dimana kompartemen sel dipisahkan oleh diafragma membrane jenis yang memungkinkan migrasi ion logam alkali dari anoda ke katoda kompartemen, perbaikan yang terdiri menyediakan sistem sel dimana dalam setidaknya satu sel dari sistem, sebuah konsentrasi logam alkali hidroksida relatif rendah solusi yang dihasilkan, dimana paling tidak satu sel lain dari sistem, sebuah alkali logam relatif tinggi konsentrasi larutan hidroksida dihasilkan dengan menyediakan kompartemen katoda sel ini, sebagai pengganti air, dengan konsentrasi larutan alkali logam hidroksida relatif rendah diproduksi dalam sel lainnya. Dengan menggunakan produksi stagewise dari kaustik konsentrasi, diinginkan relatif tinggi, rata-rata konsumsi energi per unit berat hidroksida logam alkali berkurang secara signifikan dibandingkan dengan konsumsi daya tunggal tahap memproduksi kaustik sistem elektrolisa. Selain itu, kehidupan membran keseluruhan meningkat selama hidup membran digunakan dalam sistem tunggal tahap elektrolisis. Sistem ini menggabungkan penghematan energi dengan efisiensi yang tinggi saat ini dan diinginkan parameter operasi tanpa mengorbankan kelebihannya. Kehilangan efisiensi didalam sel membrane sehubungan dengan migrasi ion OHdari catholyte melalui membrane menuju anolyte. Migrasi ini terjadi karena ion OHyang bermuatan negatif tertarik keanoda yang bermuatan positif dan juga karena -
gradien konsentrasi ion OH melewati membrane.
Performansi sel membrane menurun setelah periode operasi tertentu. Sebab ± sebab utamanya meliputi akumulasi zat ± zat pengotor brine dalam membrane, kondisi ± kondisi operasi yang tidak stabil, erosi pada permukaan membrane dan lobang pada membrane. Zat ± zat pengotor yang tinggi akan menyebabkan tersumbatnya membrane dengan endapan ± endapan hidroksida yang akan mengurangi kemampuan separasi membrane. Zat ± zat pengotor yang paling umum untuk dihindarkan adalah seperti kalsium, magnesium, besi, nikel, silikat alumunium, mangan, stronsium dan barium. Disamping hal ± hal tersebut, performansi sel membrane dapat menurun apabila terjadi kebocoran. Kebocoran pada membrane dapat disebabkan pemakaian Load ( energi ) yang naik turun, adanya benda asing yang masuk kedalam elektrolyzer ( Contohnya resin, besi ± besi kecil diwaktu pemasangan yang kurang bersih ), kadar TSS ( total suspensed solid ) pada feed brine yang terlalu tinggi, current ( penghantar listrik ) pada elektrolyzer yang rusak. Akibat yang ditimbulkan apa bila bocor diantaranya adalah Voltase pemakaian pada cell tersebut tinggi, dan pH serta kadar klorat ( NaClO3 ) pada anolyte tinggi. Dengan demikian demi untuk mengefesiensikan biaya produksi maka membrane yang telah mengalami kerusakan atau kebocoran dapat di pakai kembali. Adapun langkah ± langkahnya adalah sebagai berikut : 1. Membrane yang mempunyai kerusakan kecil/berlubang dapat diperbaiki dengan cara dilapisi ( dilakukan pemanasan ) dengan menggunakan lembaran kecil film Nafion 117 Sulfonic dengan menggunakan alat Roemac Heat Sealer . Membrane yang dapat diperbaiki hanya dengan kerusakan / lubang diameter <> 2. Bersihkan sampai kering area ± area kerusakan yang akan diperbaiki, kira ± kira berukuran 6 x 6 inc. 3. Bersihkan area tersebut dengan Aceton atau dengan udara kering. 4. Potong tambalan ( lapisan film Nafion 117 Sulfonic ) untuk ukuran yang dibutuhkan.
5. Hidupkan power Vige Grip Unit dengan setting : Tabel 4.2 Standar setting
V ige
Grip Unit
Prihal
Satuan
35/37
Rheostat Waktu pemanasan
25 detik
Waktu pendinginan
40 detik
Arus listrik/current
36-38 ampere
Tegangan listrik/voltage
2 volts
Temperatur jepitan
300 C
Tenaga tekanan
20 lb
0
6. Letakkan jepitan diatas dan dibawah area yang bocor secra perlahan tutup jepitan ( tetapi tidak ditekan ) untuk mengecheck posisi, 7. Letakkan secara langsung diatas area yang rusak. 8. Letakkan kapton sheet 2 x 4 inc diatas potongan dan dibawah membrane untuk memproteksi membrane dari jepitan. 9. Secara hati ± hati letakkan kembali potongan keposisi yang tepat, jepitan kapton dan membrane sesuai dengan kebutuhan. 10. Tekan/clamp jepitan dan tekan push ON , maka akan terlihat indikasi lampu pemanas hidup ( heating ) kemudian lampu pendingin hidup ( cooling ). Pada saat lampu pendingin mati, perbaikan membrane sudah selesai. 11. Lepaskan jepitan dan check hasil perbaikan / hasil tambalan. DAFTAR PUSTAKA
Dennis.E.Bihary.1994. MGC Elektrolyzer Assembly and Operat ion Manual.Chardon.USA
Ir.Basuki Suhardi.2002.Bahan Training Chlorine Plant.PT.LPPPI.Jambi Peter Atkins.1997. Kimia. fisik, 6th edition.WH Freeman and Company. New York Safrizal.2002.Bahan Training Brine Unit.PT.LPPPI.Jambi
