LAMPIRAN A TUGAS KHUSUS Pengaruh Efisiensi Membran Sel Elektrolizer Elektrolizer hemi cal cal P lant lant pada C hem
A.1 Latar Belakang
Dalam industri pulp, chemical plant atau pabrik kimia adalah pabrik pendukung yang memproduksi bahan kimia untuk proses pemutihan pulp, pulp, cairan pemasak, dan water treatment . Chemical plant memiliki beberapa plant yang memproduksi berbagai jenis bahan kimia yang salah satunya adalah chlor alkali plant . Chlor alkali plant merupakan salah satu bagian dari chemical plant yang memproduksi NaOH 32%. Chlor alkali alkali merupakan salah satu proses yang penting dalam industri kimia. Konsumsi energi pada proses ini menjadi parameter penting yang akan berdampak pada biaya yang digunakan. Salah satu metode yang dapat digunakan untuk mengurangi konsumsi energi dalam pembuatan NaOH ini adalah dengan metode ion exchange membrane membrane (Budiarto, dkk., 2017). Secara umum, membran penukar ion terdiri dari polimer organik dengan ion grup yang tetap yang bermuatan negatif yaitu sulfonic acid (-SO (-SO3-) (pada bagian katoda) dan carboxylic acid (-CO (-CO2-) (pada bagian anoda) karena ion yang berpindah adalah ion Na +. Dengan adanya arus dalam sebuah cell yang yang beroperasi maka ion Na + akan bergerak melalui membran dari ruang anoda menuju katoda dengan berpindah dari satu ionic ionic grup yang bermuatan negatif ke ionic ionic grup bermuatan negatif lainnya. Sejalan dengan pergerakan ion Na +, molekul air juga akan ikut bergerak dengan arah yang sama dan pergerakan ini disebut Electro-Osmosis. Electro-Osmosis. Dalam proses pembentukan NaOH 32% diumpankan berupa NaCl melalui anode dan NaOH melalui katode. Tetapi dengan banyaknya impurities yang terbawa dari proses sebelumnya menyebabkan efisiensi dari membrane penukar ion ini berkurang. Selektifitas ion membrane yang tinggi menyebabkab ion i on lain yang bukan Na+ akan menyumbat pori-pori membran penukar ion tersebut. Sehingga Efisiensi dari membrane penukar ion berkurang yang akan berdampak pada produksi NaOH
LA-1
yang dihasilkan dan komsumsi energi yang tinggi. Oleh sebab itu akan dilakukan pembahasan mengenai pengaruh efisiensi membrane terhadap NaOH yang dihasilkan dan komsumsi energi serta garam dalam membrane sel elektrolizer.
A.2 Perumusan Masalah
Adapun rumusan masalah dari pengerjaan tugas khusus ini adalah sebagai berikut: 1. Perhitungan efisiensi membran sel elektrolizer pada Chlor Alkali Plant. 2. Apa pengaruh efisiensi membrane terhadap produksi NaOH 3. Apa pengaruh efisiensi membrane terhadap komsumsi energi dan garam
A.3 Tujuan
Adapun tujuan dari pengerjaan tugas khusus ini adalah sebagai berikut: 4. Mengetahui efisiensi membran sel elektrolizer pada Chlor Alkali Plant. 5. Mengetahui pengaruh efisiensi membrane terhadap produksi NaOH 6. Mengetahui pengaruh efisiensi membrane terhadap komsumsi energi dan garam
A.4
Manfaat
Adapun manfaat dari pengerjaan tugas khusus ini adalah sebagai berikut: 1. Mahasiswa mampu menentukan efisiensi membran sel elektrolizer pada Chlor Alkali Plant. 2. Mahasiswa mengetahui pengaruh efisiensi membrane terhadap produksi NaOH. 3. Mahasiswa mengetahui pengaruh efisiensi membrane terhadap komsumsi energi dan garam.
LA-2
A.5 Teori
Chemical plant merupakan pabrik terintegrasi yang didalamnya terdapat berbagai unit plant yang memproduksi berbagai macam bahan kimia. Chemical plant terbagi atas 2 bagian, yaitu Chlor Alkali dan Chlorine dioxide (www.tobapulp.com). Chlor alkali plant adalah plant yang memproduksi klorin (Cl 2) dan alkali, natrium hidroksida (NaOH) dengan elektrolisis larutan garam. Teknologi utama yang digunakan untuk produksi chlor alkali adalah merkuri, diafragma, dan elektrolisis sel membran, di mana umpan yang dimasukkan berupa NaCl yang akan menghasilkan caustic soda (NaOH) (European IPPC Berau, 2010). Chlor alkali plant memiliki peralatan utama berupa membran sel elekrolizer. Di dalam elektrolizer
terdapat sel anoda dan katoda yang dibatasi oleh sebuah
membran semipermeabel. Anoda terbuat dari titanium dan katoda terbuat dari nikel (tahan basa dan tidak reaktif) yang keduanya dilapisi dengan coating plant . Membran yang digunakan pada proses chlor alkali sel elektrolizer harus memiliki stabilitas bahan kimia yang baik jika digunakan dalam waktu yang lama. Membran yang digunakan berbahan perfluoropolymers. Membran ini memiliki sifat cation permeable selective. Sifat ini mengijinkan ion natrium bermuatan positif melewati membran dari anoda menuju katoda dan bercampur dengan hidrasi air, tetapi menolak dengan kuat lewatnya ion negatif seperti chloride dan ion hidroksil tertahan di dalam ion anoda. Pure brine (290-320 gpl NaCl) masuk ke anoda dan larutan NaOH 29-31% masuk ke katoda masing-masing menggunakan selang bagian bawah. Pada bagian anoda pure brine akan terelektrolisis menjadi ion Na+ dan Cl- sedangkan pada bagian katoda H2O terelektrolisis menjadi ion H+ dan OH -. Membran penukar ion yang berada ditengah hanya mengizinkan ion Na + lewat ke ruang katoda, ion Na + yang lewat selanjutnya akan bereaksi dengan ion hidroksida (OH -) dan membentuk caustic soda (NaOH). Ion Cl- pada bagian anoda akan dioksidasi menjadi gas klorin akibat dari kehilangan elektron dan ion H + yang berada pada bagian katoda direduksi menjadi gas hidrogen. Jadi, keluaran dari ruang anoda terdiri weak brine (200-260 gpl) dan gas klorin (Cl 2) sedangkan keluaran dari katoda merupakan larutan NaOH 32% dan gas hidrogen (H 2). Adapun alur dari proses pertukaran ion tersebut dapat kita lihat pada Gambar A.1
LA-3
Anolyte: Weak Brine (F4)
Catholyte (F3) NaOH
Katode
Anode Pure Brine (F1)
NaOH (F2)
Gambar A.1 Mekanisme Membran Cell Electrolyzer
Dari Standar Operasional Pabrik didapatkan, pabrik Toba Pulp Lestari menggunakan membrane merk Asahi Glass dengan jenis Flemion yang di produksi oleh
DuPont
yang
memiliki
efisiensi
sampai
95%.
Efisiensi
membrane
mempengaruhi jumlah produksi NaOH, dimana semakin tinggi efisiensi maka semakin tinggi produksi NaOH. Hal ini dapat kita lihat dari rumus berikut :
ᶯxnxtxI Massa NaOH yang dihasilkan = 670 (SOP PT. Toba Pulp Lestari., 2008) A.6 Pembahasan
Efisiensi membrane mempengaruhi jumlah produksi NaOH, dimana semakin tinggi efisiensi maka semakin tinggi produksi NaOH. Hal ini dapat kita lihat dari rumus berikut :
ᶯxnxtxI Massa NaOH yang dihasilkan = 670 (SOP PT. Toba Pulp Lestari., 2008)
LA-4
Keterangan :
ᶯ
= efisiensi membrane
n = Jumlah sel t = waktu I = kuat arus listrik
Berikut adalah perhitungan dari produksi NaOH dan Efisiensi membran Data diambil pada 02 September 2018 (data terlampir): Jumlah sel (n)
= 22 sel
Waktu (t)
= 1 hari ( 24 jam )
Kuat Arus Listrik (I) = 23,3 kA Massa NaOH yang dihasilkan = Konsentrasi NaOH x Laju Alir keluar NaOH (F3) = 412 gram/liter x 35,389 liter/hour = 14, 50 ton hari. Dari data diatas kita dapat mencari efisiensi membrane dengan rumus :
ᶯxnxtxI Massa NaOH yang dihasilkan = 670 Maka, Efisiensi membrane adalah
( ᶯ) = =
670 x massa NaOH x 100% n x t x I 670 x 14,50 22 x 23,3 x 24
= 79,405 %.
LA-5
x 100%
Dari Rumusan diatas, berikut adalah tabel efisiensi membran dalam jangka waktu 1 bulan dimulai dari 1 September 2018 sampai 1 Oktober 2018 Tabel A.1 Efisiensi Membran Bulan September Tanggal
1-Sep 2-Sep 3-Sep 4-Sep 5-Sep 6-Sep 7-Sep 8-Sep 9-Sep 10-Sep 11-Sep 12-Sep 13-Sep 14-Sep 15-Sep 16-Sep 17-Sep 18-Sep 19-Sep 20-Sep 21-Sep 22-Sep 23-Sep 24-Sep 25-Sep 26-Sep
Load (kA) 11.5 23.3 29.2 18.4 31.5 28.7 25.9 29.5 28.4 28.2 28.2 29.2 6.5 3.5 29.4 26.2 29.7 28.9 28.8 27.4 25.6 28.9 28.4 28.7 28.1 28.1
Voltage (Volt) 31 66.4 73.7 51 70.5 70.5 70.1 70.6 72.7 72.8 72.9 73.5 23.1 12.7 72.9 69.2 73.7 73.8 74 73.5 72.4 73.1 72.9 73.1 72.4 72.6
Number of Cell 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22 22
Time (hr) 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24 24
Efficiency of Membrane (%) 141.5601644 79.40547828 83.67828899 83.20239748 82.77831872 78.26216873 93.84098495 85.45712639 83.42942302 87.42538846 85.59067459 83.72929282 0 242.8469238 85.74358148 85.89372296 84.37510433 89.43092604 85.90032061 83.3553086 93.93239978 84.76664439 88.32106374 86.47561992 87.75191272 87.19062606
Dari tabel diatas dapat kita lihat bahwa rata-rata efisiensi dari membrane selama satu bulan diatas 80%. Pada tanggal 7 dan 21 September efisiensi mencapai 93%, sedangkan pada tanggal 01,13 dan 14 September terjadi shut down pada pabrik sehingga data efisiensi membrane tidak normal. Secara teori membran pada PT Toba Pulp Lestari, Tbk memiliki efisiensi sebesar >95%. Adapun penurunan efisiensi pada membran ini disebabkan oleh beberapa hal, salah satunya diakibatkan oleh
LA-6
penyumbatan ( sittering) pada bagian pori membran. Keberadaan ion Ca 2+ akan mengganggu efek difusivitas pada permukaan membran. Keberadaan Ca 2+ akan menyebabkan pori tertutup di mana ion Na + tidak bisa berpindah dari anoda menuju katoda. Pada sistem membran ini didapatkan driving force dari perpindahan ion Na + yaitu akibat perbedaan konsentrasi serta perbedaan muatan listrik yang mampu membuat ion Na+ dapat bergerak melalui membran menuju katode. Keberadaan ion Ca2+ harus dikontrol pada masukan pure brine, di mana konsentrasi Ca 2+ yang diinginkan adalah < 30 ppb. PT Toba Pulp Lestari, Tbk mengggunakan membran dari Du Pont dengan nama dagang Flemion. Flemion merupakan membran yang terbuat dari ion exchange polymers. Membran polimer ini bersifat permeable
di mana banyak kation dan
komponen polar, dengan ukuran dan propertis elektrokimia yang ditentukan dapat dibawa melalui polimer secara sempurna tetapi menolak anion dan komponen non polar. Membran yang biasa digunakan lebih permeabel terhadap 1 jenis komponen. Komponen ditransfer melalui membran akibat pengaruh dari driving force berupa perbedaan konsentrasi, potensial elektrokimia, dan tekanan hidrostatis. Pada membran terdapat 2 permukaan, di mana pada bagian sisi anode terbuat dari sulfonate dan pada bagian katode terbuat dari carboxylate. Pada bagian sisi anode, sulfonate memiliki resistensi yang rendah sehingga memungkinkan ion Na + dan Clmampu melewati membran. Akan tetapi, sisi katode yang terbuat dari carboxylate merupakan senyawaan dengan selektivitas transfer ion yang cukup tinggi. Oleh sebab itu membran yang digunakan dalam chlor alkali plant ini sudah sangat efektif. Di mana ketika ion Cl - menembus bagian sisi membran anode dan akan terhalang ketika melewati bagian sisi membran katode. Hal inilah yang membuat meningkatnya konsentrasi Na pada bagian keluaran dari ruang katode (Du Pont, 2006). Kandungan Ca yang > 30 ppb mengakibatkan terjadinya penyumbatan pada bagian pori dari membrane sehingga diperlukan adanya penggantian membrane. Penggantian
membrane
Penggantian Membran
dapat
meningkatkan
efisiensi
membrane
tersebut.
dapat dilakukan secara berkala tergantung dengan umur
membrane, berdasarkan data dari Toba Pulp Lestari membrane yang memiliki umur > 6 tahun dapat diganti karena memiliki efisiensi <80 % adapaun penggantian membrane yang diperlukan yaitu Membran no 10,13,21 dan 25. Penggantian
LA-7
membrane dapat berpengaruh terhadap biaya yang digunakan dalam Chemical Plant ini. Perubahan yang dapat kita lihat seperti produksi NaOH meningkat. Adapun perubahannya dapat kita lihat pada tabel produksi NaOH berikut :
Tanggal
Flow NaOH (m3/hr)
Concentration of NaOH (gpl)
Salt Consumption ton
Production of NaOH (ton)
1-Sep 2-Sep 3-Sep 4-Sep 5-Sep 6-Sep 7-Sep 8-Sep 9-Sep 10-Sep 11-Sep 12-Sep 13-Sep 14-Sep 15-Sep 16-Sep 17-Sep 18-Sep 19-Sep 20-Sep 21-Sep 22-Sep 23-Sep 24-Sep 25-Sep 26-Sep
32.356 35.389 47.939 29.283 52.287 44.252 47.567 48.773 45.321 47.272 46.205 46.803 -0.004 16.547 49.173 43.574 47.132 49.277 48.659 44.176 45.733 47.668 48.095 2/16/1900 49.237 47.362
396.5 412.0 401.7 412.0 393.0 400.0 402.7 407.3 412.0 411.0 411.7 411.7 0.0 404.8 404.0 407.0 419.0 413.3 400.7 407.4 414.4 405.0 411.0 415.3 394.7 407.7
26.7 27.7 28.7 21.8 32.7 32.7 32.7 29.7 27.7 26.7 28.7 30.7 0.0 14.9 27.7 27.7 26.7 29.7 36.6 29.7 29.7 33.7 32.7 31.7 30.7 31.7
12.83 14.58 19.26 12.06 20.55 17.70 19.15 19.87 18.67 19.43 19.02 19.27 0.00 6.70 19.87 17.73 19.75 20.37 19.50 18.00 18.95 19.31 19.77 19.56 19.43 19.31
LA-8
Adapun tampilan dalam bentuk grafik adalah sebagai berikut :
Production of NaOH 25 20 15 10
Production of NaOH
5 0
Gambar A.2 Grafik Produksi NaOH Sebelum Dilakukan Pencucian
Production of NaOH 30 25 20 15 Production of NaOH 10 5 0
Gambar A.3 Grafik Produksi NaOH Jika Dilakukan Pencucian Dari grafik diatas dapat kita lihat produksi NaOH yang meningkat diatas ratarata 20 ton/hari dan hamper sampai 25 ton/hari. Penggantian membrane dapat meningkatkan efisiensi membrane sehingga kuat arus listrik yang digunakan untuk memindahkan Na+ dapat juga berkurang. Teori ini dapat kita lihat dari rimus beriku:
ᶯxnxtxI Massa NaOH yang dihasilkan = 670 (SOP PT. Toba Pulp Lestari., 2008)
LA-9
Dari rumus diatas dapat kita lihat jika efisiensi meningkat maka produksi NaOH meningkat, sedangkan jika efisiensi meningkat maka kuat arus listrik yang digunakan menurun. Selain meningkatkan produksi NaOH dan mengurangi komsumsi energi. Penggantian Membran juga berdampak pada komsumsi garam di Chemical Plant. Hal ini dapat kita lihat dari perhitungan dibawah ini 2NaCl + 2H2O
2 NaOH + H2 + Cl2
Dik : Asumsi NaOH yang diinginkan 1 ton/day (1000kg/day)
m BM NaOH 1000 = 40
Mol =
= 25 kmol Dari persamaan reaksi diatas diketahui jika NaOH 25 kmol maka NaCl juga 25 kmol. Maka : Massa NaCl = Mol x BM NaCL = 25 kmol x 58,5 = 1462,5 kg/hari = 1,4625 ton/day. Dari perhitungan diatas didapatkan bahwa untuk menghasilkan NaOH 1 ton, maka dibutuhkan 1,462 ton NaCL. Berikut adalah table komsumsi garam pada Toba Pulp Lestari. Tabel A.2 Komsumsi garam pada bulan September Salt Consumption (ton)
26.7 27.7 28.7 21.8 32.7 32.7 32.7 29.7 27.7 26.7 28.7 30.7 0.0 14.9
Production of NaOH (ton) 12.83 14.58 19.26 12.06 20.55 17.70 19.15 19.87 18.67 19.43 19.02 19.27 0.00 6.70
LA-10
Salt Consumption (ton/ton NaOH) 2.08 1.90 1.49 1.81 1.59 1.85 1.71 1.49 1.48 1.37 1.51 1.59 0.00 2.22
27.7 27.7 26.7 29.7 36.6 29.7 29.7 33.7 32.7 31.7 30.7 31.7
19.87 17.73 19.75 20.37 19.50 18.00 18.95 19.31 19.77 19.56 19.43 19.31
1.39 1.56 1.35 1.46 1.88 1.65 1.57 1.75 1.65 1.62 1.58 1.64
Dari data diatas kita lihat ada beberapa perbandingan komsumsi garam dan produksi NaOH yang melebihi 1,462. Hal tersebut dapat diakibatkan oleh efisiensi membrane sehingga banyak Na+ yang tidak dapat melewati membrane sehingga Na+ kembali berikatan dengan Cl - dan dialirkan ke Weak Brine. Membran yang digunakan di pabrik Toba Pulp Lestari telah digunakan sejak Mei 2016, maka dapat dilihat penurunan efisiensi membrane telah berkurang sebanyak 15%. Maka lebih baik dilakukan penggantian membrane secara berkala agar produksi NaOH tetap terjaga >20 ton/hari dan jumlah kuat arus listrik tidak terlalu besar.
A.7 Kesimpulan dan Saran A.7.1 Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang didapatkan pada tugas ini adalah: 1. Didapatkan efisiensi membran secara aktual yaitu 79% dan secara teori sebesar >95%. 2. Keberadaan ion Ca 2+ pada membran sel mengakibatkan error pada peneracaan massa Na+ 3. Produksi NaOH akan semakin baik karena difusi Na+ dari anoda ke katoda akan semakin baik pada membrane efisiensi tinggi 4. Komsumsi energi pada setiap sel akan menurun sehingga biaya yang digunakan juga akan menurun pada membrane efisiensi tinggi 5. Komsumsi garam untuk tiap ton NaOH akan semakin menurun sehingga biaya pembelian garam juga akan menurun.
LA-11
A.7.2 Saran
Adapun saran yang dapat diberikan pada tugas khusus ini yaitu: 1. Disarankan melakukan pemeriksaan efisiensi membrane secara rutin 2. Dilakukan penggantian membran secara berkala untuk meningkatkan efisiensi dari membran yang digunakan. 3. Ditambahkan alat pengontrol Ca 2+ pada bagian alat ion exchanger untuk mendapatkan pure brine yang lebih murni dan bebas Ca 2+.
LA-12
DAFTAR PUSTAKA
Austin, G.T. Shreve, R.N. 1984.
Shreve’s Chemical Process Industries .
Mc Graw
Hill. New York Desinfectants
Chlorine
Dioxide.
2016.
Lenntech
B.V.
Tersedia
dari:
www.lenntech.com/processes/disinfection/chemical/disinfectantschlorinedioxide. htm Hydrogen
Chloride.
2016.
Encyclopaedia
Britannica.
Tersedia
dari:
www.britannica.com/science/hydrogen-chloride Klorin (Cl): Fakta, Sifat, Kegunaan dan Efek Kesehatannya. 2016. Tersedia dari: www.amazine.co/27082/klorin-cl-fakta-sifat-kegunaan-efek-kesehatannya/ National Center for Biotechnology Information. 2016. PubChem Compound Database;
CID=14798.
Tersedia
dari:
www.pubchem.
ncbi.nlm.nih.gov/compound/14798 PT Toba Pulp Lestari, Tbk. 2015. Tersedia dari: www.tobapulp.com/profile/visionmission. PT Toba Pulp Lestari, Tbk. 2015. Tersedia dari: www.tobapulp.com/profile/history Standard Operation Procedure. Chemical Plant. PT. Toba Pulp Lestari, Tbk Standard Operation Procedure. Chemical Plant. PT. Toba Pulp Lestari, Tbk Training & Development Center. 2002. Chemical Plant Lanjutan. PT. Toba Pulp
LA-13
LA-14
