Upload
anggia-murni-dewi
View
300
Download
10
Embed Size (px)
Citation preview
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 ( bubur kertas ). Metoda pembuatan pulp yang digunakan
diperusahaan adalah proses kraft, dimana bahan baku yang digunakan 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,
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 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 Ion Exchange
Membrane. Ion Exchange Membrane ( selaput penukar ion ) yang mencegah mengalirnya ion Cl -
keruang katoda dan mencegah sebagian besar ion OH- keruang anoda, namun mampu
meloloskan Na+.
Ion OH- yang dihasilkan di katoda berikatan dengan ion Na+ dan air membentuk larutan
NaOH 32% yang meninggalkan cell sebagai produk. Tetapi tidak semua ion OH- yang dihasilkan
dari katoda meninggalkan ruang katoda melalui Discharge Nozzle. Medan listrik yang terjadi
diantara Anoda dan Katoda memberikan Driving Force kepada ion OH- untuk menuju anoda.
Back Migration ion OH- ini sebagian besar dapat dicegah oleh Ion Exchange Membrane. Fraksi
ini 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. Ketika gas hidrogen dan NaOH terbentuk
diruang katoda, produk ini mengalir keluar Elektrolyzer. Di pipa tee diluar elektrolyzer,
campuran – campuran fasa tersebut dipisahkan. Gas Hidrogen terkumpul disebelah atas dalam
sebuah Header dengan tekanan 300 - 350 mm H20 dan mengalir keluar cellroom menuju battery
limits. Caustic jatuh dari tee dan mengalir menuju Caustic Circulation Tank.
Rancangan sirkuit elektrolisa didesain memenuhi kapasitas produksi NaOH 100% 130
ton/hari, berdasarkan Current Density 3,75 KA/m2 dan Caustic Current Efficiency 94 - 96%.
Area elektrolyzer terdiri dari 34 set monopolar Membrane Gap Cell ( MGC ) Elektrolyzer
dipasang secara seri. Masing – masing Elektrolyzer mempunyai 20 single Anode Compartment
( kompartemen Anoda Tunggal ) 20 single Cathode Compartment dan 20 membrane Operating
Current Density dari ke 20 cell Elektrolyzer akan sebesar 2,75 KA/m2. Temperatur catholyte
( caustic yang keluar ) dan anolyte ( brine yang keluar ) keluar dari Elektrolyzer akan dijaga
pada 88 - 900C dan 85 – 870C. Rancangan Sirkuit berikut dipilih untuk kapasitas produksi
maksimal NaOH 130 ton/hari, berdasarkan current density 3,75 KA/m2 dan caustic current
efficiency 96%.
Brine umpan dan NaOH umpan yang mengalir ke Cellroom langsung menuju ke 34
elektrolyzer. Aliran Brine dan NaOH ke masing – masing elektrolyzer dikontrol oleh rotameter.
Brine dan NaOH masuk ke elektrolyzer dari bawah/dasar sewaktu aliran naik menuju ruang
anoda dan cathoda, Cl2 diproduksi di anoda.
4.1.2 Tujuan
1. Mengetahui pengaruh feed brine dan feed caustic yang masuk dalam Elektrolyzer
2. Mengetahui kondisi optimum pH pada feed brine yang masuk dalam Elektrolyzer
3. Mengetahui efisiensi membrane dalam penukaran ion pada proses Elektrolisa
4. Untuk mengetahui fungsi cathode dan anode 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.
NaOH yang dihasilkan memiliki konsentrasi 32% dengan temperatur 900C, lalu
didinginkan sampai temperature 750C. 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 dijumper
c. Pastikan jumper switch bekerja dengan baik
d. Pastikan posisi jumper switch sudah benar dengan melihat waterpas pada posisi
kiri, kanan, dan depan
Pastikan dudukan katoda/anoda adapter arm telah center dengan dudukan
intercell, dilakukan dengan meletakkan busbar plate
Pasang copper anoda adapter arm dan copper katoda adapter arm.
Bersihkan dengan amplas pada sisi bawah dan berikan grase
Pastikan dudukan copper anoda ( katoda ) adapter arm dengan anoda
( katoda ) adapter arm dan dudukan intercell tidak ada gab
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 dijumper
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 dijumper jika voltage mendekati 0, jumper
switch bekerja dengan baik
5. Naikkan flow caustic
6. Tunggu 30 menit sampai habis free Cl2 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 dijumper
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 circuitnya 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 Cl2 / anolyte header
3. Stop aliran brine dan caustic ke elektrolyzer yang akan diganti
4. Pisahkan elektrolyzer dari H2 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 Jump-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 Jumper switch dari elektrolyzer
tersebut
17. Diskoneksi bus anti-sag support beam
4.2.2 Feed 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 Feed 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 disana.
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 kekontroler 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 Satuan
NaOH 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 konstan 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 di bawah ini:
2Na+ + 2Cl 2Na+ + Cl2 + 2e-
Sementara 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 dalam 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 OH-
dari catholyte melalui membrane menuju anolyte. Migrasi ini terjadi karena ion OH-
yang 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 Vige Grip Unit
Prihal Satuan
Rheostat 35/37
Waktu pemanasan 25 detik
Waktu pendinginan 40 detik
Arus listrik/current 36-38 ampere
Tegangan listrik/voltage 2 volts
Temperatur jepitan 3000C
Tenaga tekanan 20 lb
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 Operation 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