Ekstraksi Titanium

I.          PENDAHULUAN

Titanium, yang dilambangkan dengan simbol Ti, merupakan logam transisi dan mempunyai nomor atom 22  dan berat atom 47,90. Titanium adalah logam yang paling melimpah keempat, yaitu sekitar 0,62% dari kerak bumi. Meski melimpah, titanium jarang ditemukan dalam bentuk logam murni. Kebanyakan titanium ditemukan dalam bentuk rutile atau titanium dioksida (TiO₂). Titanium umumnya terbentuk pada batuan igneous, sering ditemukan sebagai ilmenite (FeTiO₃) dan perovskite (CaTiO₃). Mineral Ilmenite (FeTiO₃) ini banyak dijumpai di pantai selatan pulau Jawa, Indonesia, dalam bentuk pasir besi. Untuk di luar Indonesia, Australia, Kanada, Cina, India, Norwegia, Afrika Selatan, dan Ukraina adalah negara penghasil konsentrat titanium terbesar. Di Amerika Serikat, titanium terutama diproduksi negara bagian Florida, Idaho, New Jersey, New York, dan Virginia. Meskipun titanium cukup melimpah, harga titanium tetap mahal dikarenakan pengolahannya hingga menjadi logam murni masih sulit dilakukan.

Untuk ilmenite sendiri mengandung hampir 53% TiO₂ (rutile) yang merupakan mineral penting untuk pengolahan titanium yang masih ada pengotor silika sekitar 10%, besi oksida, vanadium, niobium, tantalum, dan sedikit timah, kromium, dan senyawa molibdeum . Dalam bentuk magmatik, titanium berbentuk titanite (CaTi(SiO₄) yang mengandung silika. Rutiel-bering beach dapat ditambang jika mengandung TiO₂ sampai 0.3%. Dari beberapa bentuk bijih titanium hanya bijih ilmenite (FeTiO₃) dan rutile yang memiliki nilai ekonomis. Di bawah ini merupakan bentuk bijih titanium yang tersebar di seluruh dunia dengan kandungan TiO₂ yang berbeda-beda.

Tabel 1: Jenis mineral Titanium yang terdapat di kerak bumi

Ilmenite ditemukan berupa bijih dengan skala yang besar atau sebagai deposit alluvial sekunder (berupa pasir) yang mengandung mineral logam berat. Konsentrat ini mengandung kadar besi yang sangat tinggi dari bentuk segregasi hematite dan magnetite dari ilmenite. Besi dipisahkan dari permukaan ilmenite untuk mendapatkan TiO₂ dalam jumlah besar. Dibawah ini data mengenai komposisi deposit ilmenite dan penyebarannya di dunia.

Tabel 2: Komposisi deposit ilmenit (%).

Hampir 95% produksi ilmenite dan rutile diproduksi untuk menghasilkan pigmen TiO₂ yang digunakan pada manufaktur logam titanium dan pengelasan elektroda. Permintaan terhadap bahan baku dengan kandungan TiO₂ yang tinggi telah berkembang dengan adanya bahan baku sintetis dari TiO₂ dimana besi dipisahkan dari ilmenite. Beberapa produk sintetis tersebut berasal dari titanium slag (terak) dan rutile sintetis. Pada proses titanium slag, besi dipisahkan di electric arc furnace (EAF) pada temperatur 1200-1600 ⁰C, sehingga didapatkan pig iron yang bebas dari titanium dan selanjutnya titanium tersebut mengendap menjadi terak dengan kandungan TiO₂ sekitar 70-85% yang selanjutnya dapat diolah dengan asam sulfur. Sedangkan pada sintetis rutile, hanya sejumlah kecil deposit yang dapat diolah dan memiliki nilai ekonomis yang tinggi. Pada proses ini besi dipisahkan dari konsentrat ilmenite tanpa mengubah ukuran butir mineral untuk diproses selanjutnya pada fluidized-bed.

Saat ini, ribuan paduan titanium telah dikembangkan dan dapat dikelompokkan ke dalam empat kategori utama. Sifat mereka tergantung pada struktur kimia dasar mereka dan cara mereka dimanipulasi selama pembuatan. Beberapa elemen yang digunakan untuk membuat paduan meliputi aluminium, molibdenum, kobalt, zirkonium, timah, dan vanadium. Berikut ini adalah kategori paduan titanium:

§  Alpha phase alloy, memiliki kekuatan terendah tetapi formable dan weldable.

§  Alpha plus beta alloys, memiliki kekuatan yang tinggi.

§  Near alpha alloy, memiliki kekuatan yang sedang namun memiliki ketahanan mulur yang baik.

§  Beta phase alloy, memiliki kekuatan tertinggi dari paduan titanium yang lain, tetapi mempunyai daktilitas yang rendah.

Sifat Fisik

Titanium berwarna abu abu putih keperakan. Logam ini memiliki kerapatan 4510 kg/m³, berada  diantara aluminium dan stainless steel (bisa dikatakan sebagai logam ringan). Meski ringan, logam ini mempunyai kekuatan hampir sama dengan baja, ditambah mempunyai daktilitas yang tinggi. Bentuk titanium yang dikomersilkan (kemurnian 99,2%) memiliki ultimate tensile strength (UTS) sekitar 63.000 psi atau 434 Mpa. Logam ini memiliki kekerasan yang cukup tinggi, non-magnetik dan konduktor yang buruk. Selain itu, memiliki fatigue limit untuk batas pemakaian pada beberapa aplikasi. Logam ini memiliki allotrope dimorphic dengan bentuk alfa hexagonal yang dapat berubah menjadi bentuk beta body-centered cubic  pada temperatur 882⁰C. Ia memiliki titik leleh sekitar 3032 ° F (1667 ° C) dan titik didih 5948 ° F (3287 C) sehingga dapat dipakai sebagai logam refractori.

Gambar 1: Titanium berwarna abu abu putih keperakan

 

Sifat Kimia.

Sifat yang paling menonjol dari titanium adalah ketahanannya terhadap korosi yang hampir sama dengan platinum, mampu bertahan terhadap serangan asam, gas klorin, dan beberapa larutan garam. Titanium akan lebih tahan terhadap korosi apabila dipadu logam mulia, tetapi tidak dalam lingkungan asam dan gas asam dengan konsentrasi dan temperatur yang tinggi dan bahkan terus meningkat. Larutan titanium tidak larut dalam air, tetapi larut dalam larutan asam. Diagram pourbaix menunjukkan bahwa titanium merupakan logam reaktif secara termodinamik, tetapi kurang reaktif terhadap air dan udara. Logam ini membentuk lapisan pasif yang protektif ketika berada di lingkungan udara bertemperatur tinggi.

Titanium terbakar ketika dipanaskan di udara pada 610 ⁰C ataupun diatasnya membentuk titanium dioksida dan merupakan satu dari beberapa logam yang dapat terbakar dalam gas nitrogen murni membentuk titanium nitrit yang dapat menyebabkan kerapuhan/brittle.

Tabel 3:  Detail properties Titanium.

Tabel 4: Sifat korosi dari titanium murni yang dikomersilkan.

Keunggulan Titanium

·         Salah satu karakteristik Titanium yang paling terkenal bahwa titanium sama kuatnya dengan baja, tetapi hanya 60% dari berat baja.

·         Kekuatan fatik (fatigue strength) lebih tinggi daripada paduan aluminium.

·         Tahan pada suhu tinggi. Ketika temperatur pemakaian melebihi 150 C maka dibutuhkan titanium karena aluminium akan kehilangan kekuatannya seacara nyata.

·         Tahan korosi. Ketahanan korosi titanium lebih tinggi daripada aluminium dan baja.

·         Dengan rasio berat-kekuatan yang lebih rendah daripada aluminium, maka komponen-komponen yang terbuat dari titanium membutuhkan ruang yang lebih sedikit dibanding aluminium.

Aplikasi Titanium

·         Militer. Oleh karena kekuatannya, unsur ini digunakan untuk membuat peralatan perang (tank) dan untuk membuat pesawat ruang angkasa.

·         Industri. Beberapa mesin pemindah panas (heat exchanger) dan bejana bertekanan tinggi serta pipa tahan korosi memakai bahan titanium.

·         Kedokteran. Bahan implan gigi, penyambung tulang, pengganti tulang tengkorak, struktur penahan katup jantung menggunakan titanium.

·         Mesin. Titanium juga digunakan sebagai material pengganti untuk batang piston.

Gambar 2: Titanium digunakan untuk berbagai macam item, seperti rangka sepeda, implan pinggul, bingkai kacamata, dan anting-anting.

 II.            PROSES EKSTRAKSI TITANIUM

Untuk melakukan proses ekstraksi, Ada beberapa proses pada ekstraksi titanium menjadi TiO₂ pigment dilakukan dengan dua proses yaitu metode sulfat dan metode klorida. Namun, sebelumnya harus diilakukan proses  preparasi bijih.

1.      Ore Preparation

Diagram alir di bawah ini menggambarkan tentang preparasi bijih sebelum diproses.

Gambar 3: Pemrosesan bijih logam berat: a) dredger, b) sieve, c) bunker, d) Reichert cones, e) spirals, f) magnetic sparator, g) dryer, h) electrostatic sparator, i) shaking table, j) dry magnetic sparator, k) vertical belt conveyor, l) electrostatic sparator.

Banyak proses produksi bijih titanium dimulai dari pasir mineral berat. Ilmenite biasanya mengandung rutile dan zircon, sehingga produksi ilmenite selalu berkaitan dengan recovery logam-logam tersebut. Bahan baku pasir (raw sand) yang mengandung 3-10% mineral berat diperoleh dari wet dredging (a). setalah melalui proses (b), kemudian dimasukkan kedalam gravity concentration dalam beberapa proses dengan Reichert cones (d) atau spirals (e) untuk menghasilkan produk dengan kandungan 90-98%. Alat tersebut memisahkan mineral yang berat dan ringan (berat jenis 4.2-4.8 g/cm³ dan <3  g/cm³). Mineral magnetis (ilmenite) dipisahkan dari non magnetis (rutile, zircon, dan silikat) dengan dry atau wet separation (f). Tahap electrostatic separation (h) memisahkan mineral non konduktor yang berbahaya dari ilmenite. Mineral nonmagnetis mengalami proses hydromechanical (i) untuk menghilangkan mineral low-density yang tersisa. Recovery ilmenite dan leucoxenes dengan high-density magentic separation pada tahap akhir (j).

2.      Produksi Titanium Dioksida(TiO₂)

Titanium dioksida pigments (indikasi warna) diproduksi melalui dua proses yang berbeda, yaitu dengan metode sulfat dan metode klorida.

a)      Proses Sulfat

Metode sulfat digambarkan oleh gambar diagram alir berikut.

Gambar 4: Produksi TiO₂ dengan proses sulfat: a) Ball mill/dryer; b) Screen; c) Magnetic separator; d) Cyclone; e) Silo; f) Digestion vessel; g) Thickener; h) Rotary filter; i)Filter press; j) Crystallizer; k) Centrifuge; l) vacuum evaporator; m) Preheater; n) Stirred tank for hydrilysis, o) Cooler; p) Moore filters; q) Stirred tank for blaching, r) Stirred tank for doping; s) Rotary filter for dewatering; t) Rotary kiln; u) Cooler

Ø  Grinding

Titanium-bearing raw materials dikeringkan menjadi uap. Pengeringan umumnya untuk mencegah pemanasan dan reaksi prematur dengan asam sulfur.

Ø  Digestion

Mineral mentah dicampur dengan 80-98% H₂SO₄. Rasio asam sulfat tersebut dipilih agar rasio berat dari asam sulfat terhadap TiO₂ dalam suspensi antara 1.8-2.2(biasa disebut acid number) dengan suhu 50-70°C dan bentuk sulfat secara eksotermis menaikan suhu mencapai 170-220°C . Setelah mencapai suhu maksimum, maka akan mencapai kematuran. Digestion dapat dipercepat dengan menghembuskan udara saat suhu naik.

Ø  Dissolution and Reduction

Pada proses ini temperatur harus kurang dari 85°C untuk mencegah hydrolisis prematur. Udara dihembuskan kedalam untuk mencampur campuran selama dissolution. Besi trivalen dihidrolisasi bersama dengan senyawa titanium, diikutkan menjadi hydrat titanium oksida.

Ø  Clarification

Semua material padat yang tidak terurai harus diremove dari larutan. Metode ekonomis dengan preliminary settling pada thickener, diikuti dengan filtrasi sedimen dengan rotary vacuum filter. Dengan hal tersebut maka penambahan bahan kimia pada thickener harus dilakukan.

Ø  Crystallization

Larutan dari terak digestion mengandung 5-6% FeSO₄ dan dari digestion ilmenite 16-20% FeSO₄ setelah reduksi Fe^3+. Larutan harus didinginkan untuk mengkristalkan FeSO₄.7H₂O mengurangi muatan FeSO₄ dalam waste acid.

Ø  Hydrolisis

Hydrat Titanium oksida dan larutannya dipresipitasi dengan hyrolisis pada 94-110°C. Proses ini menghasilkan hydrolysate yang tidak memiliki warna, namun dipengaruhi oleh ukuran dan tingkat flocculation. TiO₂ yang dihasilkan adalah 93-96% dengan syarat acid number sekitar 1.8-2.2.

Ø  Purification of the Hydrolysate

Setelah proses hydrolisis fasa cair suspensi hydrate tatanium oksida mengandung 20-28% H₂SO₄ dan sejumlah sulfat tak larut. Hydrate disaring dari larutan dan dicuci dengan air atau dengan dilute acid. Kebanyakan dari pengotor dapat dihilangkan dengan reduksi(bleaching), untuk filter cake dilarutkan dengan dilute acid(3-10%) pada suhu 50-90°C . Setelah melalui proses penyaringan memiliki 5-10% H₂SO₄.

Ø  Doping of the Hydrate

Saat memproduksi TiO₂ dengan kemurnian yang tinggi, hidrat dipanaskan (calcined) tanpa penambahan aditif. Namun, untuk pembentukan pigment grades yang spesifik, hidrat harus diberikan perlakuan campuran alkali-metal dan asam fosfor sebagai mineralizers (<1%) sebelum dilakukannya kalsinasi. Untuk memproduksi pigmen rutile, harus ditambahkan rutile nuclei maksimal 10%. Contoh dari rutile nuclei adalah ZnO, Al₂O₃. Sb₂O₃ juga terkadang ditambahkan dengan kadar maksimal 3% untuk menstabilkan struktur Kristal.

Ø  Grinding

Setelah dikalsinasikan, proses selanjutnya adalah grinding. Proses grinding dapat dilakukan baik dengan wet grinding maupun dry grinding.

b)        Proses Klorida

Proses klorida digambarkan pada diagram  alir dibawah ini. 

Gambar 5: Flow diagram produksi TiO₂ melalui proses Klorida: a) mill; b) Silo; c) Fluidized-bed reactor; d) Cooling tower; e) Separation of metal cholrides; f) TiCl₄ condensation; g) Tank; i) Vanadium reduction; j) Distillation; k) Evaporator; l)  TiCl₄ superheater; n) Burner; o) Cooling coil; p) Filler; q) TiCl₂ purification; r) Silo; s) Gas purification; t) Waste-gas cleaning; u) Cl₂ liquefaction.

v  Chlorination

Titanium dapat diubah menjadi titanium tetraklorida dalam atmosfer yang rendah. Calcined petroleum coke biasanya digunakan sebagai pereduktor karena mempunyai kandungan abu yang sangat rendah. Dan karena kemampuan untuk menguapnya rendah, hanya sedikit HCl yang terbentuk.

v  Fixed-bed  chlorination method

Metode ini sudah jarang digunakan. Pada proses ini, tanah yang mengandung titanium dicampurkan dengan petroleum coke dan sebuah bahan pengikat (binder), dan kemudian membentuk briket.

v  Fluidized-bed chlorination method

Titaium, dengan ukuran sebesar pasir, dan petroleum coke, direaksikan dengan klorin dan oksigen di dalam brick-lined-fluidized-bed reactor (ada pada gambar di atas) pada temperatur 800-1200 ⁰C. Material mentahnya (titanium) harus sangat kering untuk menghindari pembentukan HCl. Magnesium klorida dan kalsium klorida dapat ditambahkan pada fluidized-bed-reactor karena mereka punya volatility yang rendah. Zirconium silikat juga dapat ditambahkan karena dapat diklorinisasikan sangat lambat pada temperatur tersebut.

v  Gas Cooling

Gas hasil reaksi sebelumnya kemudian didinginkan dengan TiCl₄ cair. Pada tahap pertama, gas didinginkan sedikit dibawah 300 ⁰C. Pada suhu tersebut, klorida dapat dipisahkan dari TiCl₄ dengan cara kondensasi atau sublimasi. Kemudian, gas yang kandungannya sebagian besar adalah TiCl₄ didinginkan sampai suhu dibawah 0^o C, yang membuat sebagian besar TiCl₄ terkondensasi. Sisa-sisa TiCl₄ dan gas klorida kemudian dihilangkan dengan cara scrubbing dengan unsur alkali.

v  Purification of TiCl₄

Klorida yang berada pada keadaan padat saat suhu ruang dapat dipisahkan dari TiCl₄ melalui cara evaporasi (distilling). Kemudian klorida yang terlarut dapat dihilangkan dengan pemanasan atau reduksi dengan metal powders, seperti Fe, Cu, maupun Sn.

3.      Pemurnian

Produksi titanium tetraklorida berdasarkan reaksi:

TiO₂ + 2Cl₂ + 2C à TiCl₄ + 2CO

Dari proses sulfat dan klorida, titanium tetraklorida yang terbentuk masih bersama pengotor lain (Metal klorida dari logam lain) sehingga perlu dimurnikan. Pada pembentukan titanium (IV) klorida, Klorida logam lain juga bisa terbentuk. Untuk memisahkannya, logam dimasukkan ke dalam tangki distilasi besar kemudian dipanaskan. Titanium (IV) klorida yang sangat murni bisa dipisahkan menggunakan distilasi fraksional pada atmosfer argon atau nitrogen, kemudian disimpan di dalam dry tanks. Tindakan ini menghilangkan klorida logam lain seperti besi, vanadium, zirkonium, silikon, dan magnesium.  Titanium (IV) klorida adalah klorida kovalen khas. Ini adalah cairan tak berwarna yang menguap di udara lembab karena bereaksi dengan air membentuk titanium (IV) oksida dan gas hidrogen klorida. Semuanya harus dijaga sangat kering untuk mencegah ini terjadi.

4.      Produksi spons

Reduksi  oleh natrium

Metode ini banyak digunakan di Inggris. Titanium (IV) klorida ditambahkan ke reaktor di mana natrium sangat murni telah dipanaskan sampai sekitar 550 ° C - semuanya berada pada suasana argon inert. Selama reaksi, temperatur meningkat sampai sekitar 1000 ° C.

Setelah reaksi selesai, dan semuanya telah didinginkan selama beberapa hari (sebuah inefisiensi dari proses batch), campuran dihancurkan dan dicuci dengan asam klorida encer untuk menghilangkan natrium klorida.

Reduksi  oleh magnesium

Metode digunakan di seluruh dunia. Metode ini mirip dengan menggunakan natrium, tapi kali ini reaksi adalah:

Titanium tetraklorida murni dipindahkan dalam bentuk cairan ke reaktor vessel stainless steel. Magnesium kemudian ditambahkan dan wadah dipanaskan sampai sekitar 2012 ° F (1.100 ° C). Argon dipompa ke dalam wadah sehingga udara akan dipindahkan dan kontaminasi oksigen atau nitrogen bisa dicegah. Magnesium bereaksi dengan klor menghasilkan magnesium klorida cair dan meninggalkan padatan titanium murni sejak karena leleh dari titanium lebih tinggi dari suhu reaksi. Magnesium klorida dipisahkan dari titanium dengan destilasi di bawah tekanan yang sangat rendah pada suhu tinggi.

Titanium padat dipindahkan dari reaktor melalui boring dan kemudian disiram dengan air dan asam klorida untuk menghilangkan sisa magnesium dan magnesium klorida. Produk yang dihasilkan adalah logam padat berpori yang disebut spons.

5.      Penciptaan Paduan

Spon titanium murni kemudian bisa diubah menjadi paduan yang lebih berguna melalui consumable-electrode arc furnace. Pada proses ini, spons dicampur dengan berbagai paduan dan logam tua (scrab metal). Proporsi spons yang tepat  untuk bahan paduan dirumuskan dalam laboratorium sebelum proses produksi dilaksanakan. Campuran spons dan paduan kemudian di-pressure hingga kompak, lalu dilas membentuk elektroda spons.

Elektroda spons kemudian ditempatkan di busur tanur vakum untuk dilebur. Dalam air dingin pada wadah tembaga, busur listrik digunakan untuk melebur elektroda spons untuk membentuk ingot. Semua udara di wadah dipindahkan (dibuat vakum) atau suasana penuh dengan argon untuk mencegah kontaminasi. Biasanya, ingot dilebur kembali satu atau dua kali lagi untuk menghasilkan ingot komersial. Di Amerika Serikat, ingot yang paling banyak diproduksi oleh metode ini beratnya sekitar 9.000 lb (4.082 kg) dan diameter 30 in (76,2 cm). Setelah ingot dibuat, ingot dipindahkan dari tungku dan menjalani pemeriksaan cacat. Permukaan dapat dikondisikan sesuai kebutuhan.

6.      Produk Sampingan / Limbah

Selama produksi titanium murni, sejumlah besar magnesium klorida dihasilkan. Senyawa ini segera didaur ulang dalam sel daur ulang segera setelah diproduksi. Sel daur ulang pertama-tama memisahkan logam magnesium, kemudian mengumpulkan gas klor. Kedua komponen ini digunakan kembali dalam produksi titanium.

  III.     KESIMPULAN

Titanium merupakan salah satu  elemen logam yang memiliki rasio kekuatan yang tinggi dibandingkan beratnya. Logam tersebut ringan, kuat dengan densitas yang rendah, ketika murni, cukup ulet(pada lingkungan bebas oksigen), lustrous, dan berwarna putih metalik. Titanium memiliki melting point (titik lebur) yang cukup tinggi yaitu diatas 1649  atau 3000  sehingga dapat dipakai sebagai logam refractori. Titanium juga resistan yang baik terhadap korosi, hampir sama dengan platinum, mampu bertahan terhadap serangan asam, gas klorin, dan beberapa larutan garam dan akan lebih tahan terhadap korosi apabila ditambahkan logam mulia, kecuali dalam lingkungan asam dan gas asam dengan konsentrasi yang tinggi dengan temperatur yang tinggi dan terus meningkat. Dan proses ekstraksinya dapat menggunakan proses sulfat dan klorida.

IV.     REFERENSI

1.      Habashi, Fathi. Handbook of Extractive Metallurgy volume 2. 1997. John wiley VHC: Germany.

2.      http://www.chemguide.co.uk/inorganic/extraction/titanium.html

3.      http://en.wikipedia.org/wiki/Titanium

4.      http://www.lipi.go.id/www.cgi?proyek&1264061640&1&&1036006099&2011

5.      http://www.chemguide.co.uk/inorganic/extraction/introduction.html

6.      http://www.madehow.com/Volume-7/Titanium.html