NaOH

Diagram industri khlor-alkali
batu kapur
amoniak
NaCl
karbon dioksida
proses elektrolisa
khlor
Cl2
pulp & kertas
pelarut
plastik
pestisida
pemucat
sanitasi
soda kostik
(NaOH)
sabun
rayon
pewarna
kertas
obat
makanan
karet
soda abu
sabun
gelas
obat
kertas
tekstil
fotografi
pertanian
natrium bikarbonat
gula
makanan
pewarna
keramik
petroleum
kulit
dll
obat
minuman
roti/kue
pemadam api
Soda kostik dan khlor
soda kostik ( NaOH) dan khlor (Cl2) adalah produk dari
proses elektrolisa larutan logam alkali atau dari lelehan khlorida.
Reaksi dan perubahan energi
 JH TdE
E

nF
dT
E = tegangan dekomposisi teoritis
∆H = perubahan entalpi reaksi
J = ekivalen elektrik untuk panas
T = suhu absolut
F = konstanta Faraday
n= bilangan ekivalen yg terlibat.
Pemurnian air garam (brine)
NaCl
NaOH
Na2CO3
H2O
NaOCl
BaCl2
air garam daur
ulang utk mengatur
pH
E1
R1
R2
PF1
R3
D1
PF2
DC
lumpur
D2
D3
D4
E2
Di R2 , penambahan NaOH dan Na2CO3 akan mengendapkan
ion-ion Ca 2+, Mg 2+, Fe 3+, dan Al 3+. Selain itu, terjadi penambahan ion Na +.
NaOCl yang ditambahkan di R3, akan mengeliminasi NH3 , sedangkan
BaCl2 akan mengeliminasi ion SO4-.
lar. NaCl
murni
Cara lain untuk pemurnian
air garam adalah dengan
penukar ion.
Brine Purification / Ion Exchange Unit
ELEKTROLISA LARUTAN GARAM
Reaksi kimia :
NaCl + H2O  NaOH + ½ H2 + ½ Cl2
Na + ½ Cl2  NaCl
H2 + ½ O2  H2O
Na + ½ O2 + ½ H2  NaOH
∆H = 407 kJ
∆H = 286 kJ
∆H = 469 kJ
Reaksi ini berlangsung secara elektrokimia, menggunakan sel yang
terdiri dari beberapa jenis (dan terus dikembangkan).
Beberapa jenis sel elektrokimia yang sudah dipakai di industri adalah :
1. Sel diafragma
2. Sel air raksa (merkuri) atau sel amalgam
3. Sel membran.
Sel diafragma
+
Cl2
−
H2
reaksi di anoda ( + ) :
reaksi di katoda ( - ) :
Cl -  ½ Cl2 + e -
2 H2O + 2 e-  H2 + OH -
katoda
baja
anoda karbon
air garam
jenuh
diafragma
asbes
Katoda biasanya dari baja, sedangkan anoda dari grafit
produk
cairan
Sel diafragma komersil
Cl2
H2
Katoda yang
dibuat dari
baja berlubang
dilapisi serat yg
berlaku sbg
membran
air garam
(brine)
sumber listrik
soda kostik
dalam larutan
air garam
Anoda “finger”,
dari grafit.
Diantaranya
diselipkan katoda.
Jika digunakan elektroda dari grafit, kemungkinan akan terjadi reaksi :
C + 4 OH-  CO2 + 2 H2O + 4 e- , oleh karena itu grafit diganti dengan
pelat platina yang dilapisi oksida dari grup VIII.
Karakteristik sel diafragma.
Kondisi operasi
konsentrasi air garam (brine) : 315 – 330 g/l
CaO : 5 ppm
pengotor
MgO : 0,8 ppm
SO4= : 0 – 0,3 g/l
suhu
: 90 – 105 oC
pH
: 10,5 – 11
konsentrasi produk : 12 – 14 % NaOH
14 – 16 % NaCl
Satuan elektrolisa : sel yang disusun seri
Catatan :
C = grafit
Me = logam
A = asbes
A + P = asbes + polimer
Sifat fungsional
EMF
: 2,95 – 3,8 V
arus
: 15 – 150 kA
rapat arus : 1,18 – 2,9 kA/m2
efisiensi arus : 93 – 98 %
konsumsi energi : 2200 – 2900 kWh / ton Cl2
C*
240 – 280 hari
anoda
Me* 5 tahun
umur
A*
4 – 5 bulan
katoda
A + P* 24 – 36 bulan
Diagram alir proses pembuatan soda kostik
menggunakan sel diafragma
G : generator
T : transfomator
R : rektifier
E1, E2 : pendingin
C : pengering
H2
E1
Cl2
H2O
E2
H2O
brine
G
T
H2SO4
96 – 98 %
C
R
larutan NaOH
dalam brine
asam sulfat
terhidrasi
reaksi di katoda ( - ) : 2 H2O + 2 e-  H2 + OH - ( 1 )
reaksi di anoda ( + ) : Cl -  ½ Cl2 + e -
(2)
dengan adanya reaksi tsb, kandunganNaCl menjadi berkurang, tetapi di ruang
katoda menjadi ‘kaya’ NaOH, karena terjadi migrasi ion Na+ (akibat terbentuknya
ion OH- di ruangan ini).
reaksi samping yg terjadi
di ruang anoda :
+
−
Cl2
H2
Cl2 + H2O  H+ + Cl- + HOCl  H+ + ClO- ( 3 )
2 H2O  O2 + 4 H+ + 4 e2 OH- + Cl2  ClO- + Cl- + H2O
(4)
(5)
ruang katoda
12 OH- + 12 ClO-  4 ClO3- + 8 Cl- + 3 O2 + 6 H2O + 12 e-
(6)
air garam
jenuh
produk
cairan
air garam
Katoda ( − )
Anoda (+)
2 H2O + 2 e-  H2 + OH −
2 H3O+ + 2 e-  H2
Cl −
OH−
katolit : basa
difusi
dicegah
terbentuk NaOH
Na+
difusi
difusi
2 H3O+
Na+
2 Cl −  Cl2 + 2 e
OH−
anolit : asam
Reaksi samping (5) dan (6) yang terjadi di ruang anoda disebabkan karena ada
ion OH- yang mengalir dari ruang katoda.
Reaksi yang menghasilkan ion khlorat ( ClO3- ) tidak dikehendaki, sehingga dicegah
dengan cara menghalangi aliran ion OH- dari katoda ke anoda.
Untuk mencegah ‘aliran’ ion OH- dari ruang katoda ke ruang anoda maka ruang
katoda dibuat lebih rendah, atau di’bawah’ ruang anoda.
Umpan air garam (brine) dimasukkan ke ruang anoda (anolit), sehingga akan
terjadi aliran kontinyu dari anoda ke katoda.
Sel Hooker jenis “S-3A”
Cl2
H2
air garam
masuk
NaOH
keluar
pipa umpan
air garam
(brine)
katoda
dilapisi asbes
konduktor
anoda
anoda grafit
Dengan konstruksi seperti sel Hooker ini,
aliran OH- dari ruang katoda ke ruang anoda
dapat dihindari
Cl2
umpan brine
H2
indikator brine
Sel diafragma Vorce
diafragma
saringan
katoda
anoda
NaOH
Penampang sel
sel Allen Moore
Sel elektrolisa dengan katoda air raksa
Dengan sel diafragma, soda kostik yang diperoleh konsentrasinya kecil dan
masih mengandung NaCl. Meskipun telah dipekatkan dan dimurnikan, kandungan
NaClnya tidak bisa kurang dari 2 – 3 %.
Untuk memperoleh kadar soda kostik (NaOH) yang lebih tinggi dan bebas NaCl,
maka digunakan sel elektrolisa dengan metode amalgam yang memakai dua sel :
sel elektrolisa dan sel dekomposer/pengurai
Sel elektrolisa dibuat dari bejana baja yang berbentuk persegi panjang,
dilapisi karet.
Gas khlor (Cl2) akan dihasilkan dari sel elektrolisa ini, sedangkan logam Nanya
akan bersenyawa dengan air raksa membentuk natrium-amalgam.
katoda ( - ) : air raksa
di sel elektrolisa
anoda ( + ) : grafit atau
lembaran titanium
dilapisi oksida grup VIII
ELEKTRODA
anoda (+) :
Na-amalgam
di dekomposer
(pengurai)
katoda ( - ) : grafit
Reaksi
Reaksi utama di sel elektrolisa :
Anoda ( + ) : 2 Cl −  Cl2 + 2 e –
Katoda ( – ) : Na + + nHg + e −
 NaHgn (n = 60 – 70 )
Reaksi yang terjadi di dekomposer :
Anoda ( + ) : 2 NaHgn  2 Na+ + 2n Hg + 2 e −
Katoda (–) : 2 H2O + 2 e−  H2 + 2 OH−
Reaksi dekomposisi amalgam keseluruhan :
2 NaHg + 2 H2O  2 NaOH + H2 + n Hg
di katoda tidak terbentuk gas H2, melainkan amalgam dijelaskan sbb :
potensial reduksi Na , Eo Na+║Na adalah – 2,71 Volt, sedangkan
Eo H+║H2 adalah 0,00 Volt , di larutan yang
sifatnya basa , Eo H2O║OH adalah – 0,83 Volt
Dengan demikian maka adanya Hg akan mengakibatkan terjadinya potensial lebih
(overpotensial) yang akan mereduksi : 2H+  H2
umpan air garam
H2
Cl2
(+)
Hg daur ulang
amalgam hasil elektrolisa
NaOH
katoda
 50 %
amalgam semidekomposisi
air bebas
ion
lar. NaOH encer
anoda
(−)
Sel elektrolisa
Sel galvanik
(decomposer)
Kondisi operasi
konsentrasi air garam (brine) : 300 – 320 g/l
CaO < 5 ppm
pengotor
MgO < 3 ppm
SO4= < 2 g/l
suhu
: 75 - 85 oC
pH
: 3-5
Kondisi yg harus dipenuhi untuk air raksa :
Na pada tempat masuk : 0,01 %
Na pada tempat keluar : 0,16 – 0,20 %
Jumlah Hg : 4,7 ton/sel
konsentrasi produk :
NaOH : 48 - 54 %
NaCl : 270 g/l
Cl2 : 0,5 g/l
NaCl < 50 ppm
Satuan elektrolisa : sel yang disusun seri
Sifat fungsional
EMF
: 4 – 4,5 V
arus
: 380 - 420 kA
rapat arus : 12 – 12,5 kA/m2
efisiensi arus : 95 – 97 %
konsumsi energi : 3300 – 3450 kWh / ton Cl2
jenis : DSA
anoda
jumlah : 40 - 45
umur : 3 – 6 tahun
Produksi pada saat beban penuh :
Cl2 : 13 – 14 ton/hari
NaOH : 15,6 ton/hari
H2 : 0,4 ton/hari
Sel air raksa (Hg) dan lingkungan
Setap ton produk gas Khlor, lebih kurang 300 gram Hg akan ter’cecer’ di limbah
pabrik. Usaha untuk mengurangi kebocoran Hg terus diupayakan, tetapi jumlah
minimum masih 5 – 10 gram/ton khlor.
Pabrik khlor di Spanyol yang menggunakan proses air raksa (Hg)
Pabrik Khlor dengan kapasitas 70 000 ton/tahun di Belanda yang menggunakan
proses air raksa. Bejana silinder adalah reaktor dekomposisi (decomposer), yang
dialiri air untuk menguraikan Na-amalgam, menghasilkan NaOH dan gas H2.
Air raksa hasil dekomposisi dialirkan kembali ke sel elektrolisa ( terletak di
belakang bejana).
Sel elektrolisa dengan membran.
garam
air
lar garam
pemurnian
biasa
lar garam
encer didaur ulang
+
pemurnian dengan
penukar ion
H2
Cl2
Na+
Cl−
OH−
membran selektif
air bebas ion
−
soda kostik
ke pemekatan
Pemekatan NaOH
(1). Untuk larutan soda kostik yang encer ( sekitar 9 – 10%), penguap
Kestner dapat menaikkan konsentrasi hingga14 – 16 %, Karena
penguapan ini memerlukan luas permukaan yang besar, maka penguap
Kestner terdiri dari kumpulan buluh (tube), dengan panjang yang cukup
untuk mengantisipasi buih yang terbentuk dari larutan NaOH.
(2). Penguapan di penguap multi tahap digunakan untuk memekatkan
larutan NaOH hingga konsentrasi sekitar 30 %. Pada penguapan ini
NaCl dan Na2CO3 dapat dipisahkan sebagai endapan.
(3). Penguapan di penguap vakum akan memekatkan larutan NaOH hingga
50% , dan/atau menggunakan kukus lewat panas karena titik didih
larutan NaOH tersebut 140 oC
(4). Untuk mengeringkan larutan yang lebih pekat dari 50 % , penguapan
dilakukan di pan terbuka, sehingga diperoleh NaOH basah dengan
kadar 70 %.
Asal larutan NaOH
Konsentrasi
rata2 (%)
Tahap pemekatan
yang dilakukan
Keterangan
1.Proses kostisasi
9 – 10
(1) , (2) , (3) , (4),
(5)
Tahap pertama dan kedua
untuk menghilangkan Na2CO3
2. Elektrolisa
Sel diafragma
12 – 15
(2) , (3) , (4), (5)
Tahap (2) dilakukan untyuk
menghilangkan NaCl.
20
(2) , (3) , (4), (5)
(4), (5)
Sel membran
Sel amalgam (Hg)
Dengan demikian maka untuk memperoleh
NaOH 50 % dari lar NaOH 16 %, harus
diuapkan air sebanyak :
Konsentrasi
NaOH ( % )
Jumlah air ( kg )
per 106 kg NaOH
9,6
1000
16
550
550  106
30
249
106
50
106
kg H2O
= 4,19 kg NaOH
Diagram alir pemekatan lar. NaOH 9 – 10 %
ke pompa
vakum
H2 O
H2O
C2
C1
E1
E2
E3
E5
E4
kukus
lewat
jenuh
kukus
tek.
rendah
D
lar. NaOH
encer
E1 : penguap Kestner
E2,E3,E4 : penguap multi tahap
E5 : penguap vakum
C1,C2 : kondensor
lumpur (Na2CO3,
Ca(OH)2, NaCl).
D : pengendap/pengkristal
PF : penyaring putar Oliver
B1 : pemekat
B2 : pan pelelehan
PF
B1
B2
lelehan
NaOH