Aluminium: Produksi, Sifat, dan Dampak Lingkungan
Aluminium adalah elemen ketiga paling banyak di kerak Bumi, menyusun sekitar 8% tanah dan batang. Oksigen dan silikon mendominasi sisanya, masing-masing 47% dan 28%. Di alam, aluminium hanya ada dalam senyawa dengan elemen seperti sulfur, silikon, dan oksigen. Aluminium logam murni hanya dapat diekstrak dari bijih alumina.
Logam aluminium dihargai karena ringan, kuat tinggi, non-magnetik, dan non-toksik. Ia mengkonduksi panas dan listrik, mencerminkan cahaya, dan mempertahankan kekuatan di suhu ekstrem tanpa menjadi rapuh. Lapisan oksigen tipis, tidak terlihat, segera terbentuk di permukaan, memberikan daya tahan korosi alami. Selain itu, aluminium adalah salah satu material yang paling banyak didaur ulang di seluruh dunia, dengan pengembalian ekonomi tinggi dari bahan baku daur ulang.
Latar Belakang
Senyawa aluminium telah digunakan selama ribuan tahun. Sekitar 5000 S.M., tukang kulit Persia menciptakan vessels keramik yang paling kuat dengan menambahkan alumina. Kuno Mesir dan Babilonia menggunakan garam aluminium dalam cat, kosmetik, dan obat. Tidak hingga awal abad kesembilan belas elemen ini diisolasi dalam bentuk murni. Karena kesulitan mengekstraksinya, aluminium tetap langka dan berharga seperti perak selama beberapa dekade.
Pada 1886, dua ilmuwan muda—Hall di Amerika Serikat dan Heroult di Prancis—secara independen mengembangkan proses peleburan elektrolisis Hall–Heroult, membuat produksi skala besar mungkin. Proses Bayer, dipatenkan pada 1888 oleh ahli kimia Austria Karl Bayer, menyaring bijih dan menjadi esensial untuk pertumbuhan industri. Pada 1884, AS menghasilkan 125 lb (60 kg) aluminium, berharga setara dengan perak. Pada 1995, pabrik AS menghasilkan 7,8 miliar lb (3,6 juta t) aluminium, sementara perak masih tujuh puluh lima kali lebih mahal per satuan.
Bahan Baku
Bijih paling berharga untuk menghasilkan aluminium murni adalah bauksit, yang mengandung 45–60% aluminium oksida bersama dengan pengotor seperti pasir, besi, dan logam jejak. Sementara beberapa deposit adalah batang keras, sebagian besar lunak, mudah ditambang dengan metode terbuka. Australia menyuplai lebih dari satu pertiga bauksit dunia. Kira-kira 4 lb (2 kg) bauksit diperlukan untuk menghasilkan 1 lb (0,5 kg) aluminium.
Soda kaustik (natrium hidroksida) melarutkan senyawa aluminium dalam bauksit, memisahkan dari pengotor. Bergantung pada komposisi bijih, jumlah kecil pati, kapur, atau natrium sulfida juga dapat ditambahkan.
Produksi aluminium melibatkan dua tahap utama: proses Bayer, yang menyaring bauksit menjadi alumina (Al₂O₃), dan proses Hall–Heroult, yang melebur elektrolitis alumina menjadi logam murni.
Kriolit (Na₃AlF₆) berfungsi sebagai elektrolit pada tahap peleburan. Secara historis ditambang di Greenland, kini disintesis. Fluorida aluminium ditambahkan untuk menurunkan titik leleh elektrolit.
Elektroda karbon menghantarkan arus listrik melalui elektrolit. Selama peleburan, karbon bereaksi dengan oksigen untuk membentuk CO₂. Kira-kira 0,2 kg karbon dikonsumsi per 2,2 kg aluminium yang dihasilkan. Beberapa karbon berasal dari produk samping pengolahan minyak, sisanya berasal dari batu bara.
Karena proses Hall–Heroult membutuhkan arus besar, ia mengonsumsi energi listrik yang signifikan. Produksi 1 kg aluminium biasanya membutuhkan 15 kWh listrik, yang mencakup sekitar satu per tiga dari biaya peleburan.
Proses Manufaktur
Produksi aluminium dibagi menjadi proses Bayer dan proses Hall–Heroult.
Proses Bayer
- 1. Bauksit dihancurkan secara mekanis dan dicampur dengan soda kaustik, kemudian digiling untuk menghasilkan slurry halus.
- 2. Slurry dipompa ke dalam digester—esensialnya pressure cooker—dipanaskan ke 110–270 °C di bawah 340 kPa selama 30 menit hingga beberapa jam. Soda kaustik tambahan memastikan peluruan lengkap senyawa aluminium.
- 3. Slurry panas, sekarang larutan sodium aluminate, melewati flash tank yang menurunkan tekanan dan memulihkan panas untuk digunakan kembali.
- 4. Dalam tangki penurunan, pengotor yang tidak larut merendam ke bawah sebagai “red mud.” Aluminium yang larut tetap dalam cairan.
- 5. Cairan jernis difilter melalui kain untuk menangkap partikel halus yang tersisa. Cuci filter menghasilkan alumina dan soda kaustik yang dapat digunakan kembali.
- 6. Kristal benih alumina hidrat diperkenalkan ke dalam serangkaian tangki presipitasi enam lantai. Saat larutan pendingin, kristal tumbuh dan merendam ke bawah.
- 7. Kristal dicuci, kemudian dibakar dalam tungku 1.100 °C untuk menghilangkan air terikat, menghasilkan alumina anhyd. Pendingin mengikuti tungku untuk membawa produk ke suhu ruangan.
Proses Hall–Heroult
Peleburan terjadi dalam pot reduksi steel yang dilapisi karbon. Elektroda atas adalah batang karbon yang digantung di atas aluminium cair. Pot diatur dalam baris (potlines) 50–200 unit, setiap baris menghasilkan 60.000–100.000 t aluminium per tahun. Pabrik典型 berisi dua atau tiga potline.
- 8. Di dalam setiap pot, alumina larut dalam kriolit cair pada 960–970 °C, membentuk elektrolit. Arus DC 4–6 V dan 100.000–230.000 A melewati, memecah ikatan Al–O. Oksigen bereaksi dengan batang karbon untuk membentuk CO₂; aluminium cair berkumpul di bawah.
- 9. Proses berkelanjutan: alumina ditambahkan saat ia terurai, sementara arus dan panas yang stabil menjaga campuran cair. Secara berkala, kerak yang terbentuk di atas dipecahkan untuk memungkinkan lebih banyak alumina. Aluminium yang disiram dikumpulkan dalam tempurung yang bergerak di sepanjang potline, mengumpulkan 4.000 kg logam murni 99,8%. Leleh kemudian dicetak dalam cetakan horizontal panjang, dikudungkan dengan air, dan dipotong menjadi ingot.
Byproducts and Waste
Alumina, produk samping dari proses Bayer, itu sendiri bernilai. Ia adalah material putih, bubuk yang digunakan dalam deterjen, pasta gigi, lampu floresan, keramik (gigi palsu, bujias, kaca mobil militer), kompuol pemoles, konverter katalitik, peledak, dan bahkan bahan bakar roket—setiap peluncuran shuttle mengkonsumsi 180.000 kg alumina. Sekitar 10% alumina yang diproduksi per tahun dijual untuk penggunaan alternatif ini.
Limbah utama dari pemurnian bauksit adalah “red mud.” Untuk setiap ton alumina yang dihasilkan, sekitar satu ton red mud dihasilkan. Meski mengandung besi, titan, soda, dan alumina sisa, tidak ada metode pemulihan yang hemat biaya. Biasanya disimpan dalam kolam hingga kering, kemudian ditaburi di atas tanah.
Peleburan juga menghasilkan gas rumah kaca. Pabrik AS memunturkan sekitar 5,5 juta t CO₂ dan 3.300 t perfluorokarbon per tahun. Selain itu, sekitar 120.000 t spent potlining (SPL)—dikelasifikasi sebagai berbahaya oleh EPA—dihapus setiap tahun. Fasilitas daur ulang SPL pertama dibuka pada 1996, mengonversi bahan menjadi kaca frit yang digunakan dalam tegel keramik, serat kaca, dan aspal shingle.
Masa Depan
Sebagian besar produsen aluminium AS tergabung dalam Voluntary Aluminum Industrial Partnership (VAIP), bekerjasama dengan EPA untuk menangani tantangan lingkungan. Penelitian saat ini berfokus pada pengembangan material elektroda iners untuk mengganti karbon. Komposit titanium-diborida-grafit yang menjanjikan dapat menghilangkan emisi gas rumah kaca dan mengurangi energi peleburan hingga 25% setelah dikomersialkan.
