Uploaded by Ade Hidayat

Froth Flotation

advertisement
Flotasi
Disusun oleh: Ade Hidayat
1. Pengantar
Flotalasi merupakan salah satu metode pengolahan mineral yang paling penting dan terus
mengalami perkembangan hingga saat ini. Teknik ini dapat digunakan untuk memisahkan
mineral dari bijih kualitas rendah dengan cara yang lebih ekonomis.
[Penerapannya di industry dan di Indonesia]
2. Prinsip Dasar Flotasi
Flotasi adalah proses pemisahan fisis-kimiawi berdasarkan perbedaan sifat permukaan antara
mineral yang diinginkan dengan mineral yang tidak diinginkan (gangue). Proses ini melibatkan 3
fasa (padat, cair, dan gas/buih) yang saling berinteraksi satu sama lain. Gambar 1 menunjukkan
prinsip dasar flotasi pada sel flotasi. Terdapat tiga mekanisme dalam proses flotasi:
(1) True flotation, yakni menempelnya zat-zat tertentu pada permukaan gelembung.
(2) Entrainment, yakni terbawanya zat-zat tertentu di dalam air oleh buih.
(3) Aggregation, yakni terjebaknya zat-zat secara fisis diantara partikel yang menempel di
permukaan gelembung.
Gambar 1. Prinsip Flotasi
True flotation merupakan mekanisme yang paling utama dan paling dominan dalam proses
flotasi. Mekanisme ini memanfaatkan perbedaan sifat fisis-kimiawi permukaan mineral. Untuk
meningkatkan efisiensi pemisahan, maka digunakan reagen flotasi. Reagen flotasi bertujuan
untuk menonjolkan perbedaan sifat permukaan mineral sehingga partikel mineral akan semakin
mudah untuk menempel pada permukaan gelembung dan terbawa ke permukaan sebagai buih.
Peristiwa entrainment dan aggregation tidak dapat dipisahkan dalam proses flotasi. Akibatnya,
mineral gangue dan pengotor dapat ikut terbawa sebagai hasil dan mengurangi efisiensi
pemisahan. Fase buih sangat berperan dalam meminimalkan pengaruh entrainment dan
aggregation. Hal tersebut dilakukan dengan cara membatasi material yang terbawa melalui
peristiwa entrainment dan aggregation. Sehingga, untuk memperoleh mineral dengan
kemurnian yang tinggi, jumlah hasil yang diperoleh akan cenderung sedikit. Kondisi operasi
harus disesuaikan agar nilai optimum antara kedua faktor tersebut dapat dicapai.
Proses flotasi hanya dapat diaplikasikan pada partikel mineral yang relatif halus. Partikel yang
terlalu besar akan mengurangi gaya adhesi antara partikel dengan gelembung yang
menyebabkan ia tidak dapat terangkut ke permukaan. Selain itu, partikel mineral harus bersifat
hidrofobik (menolak air) agar dapat menempel pada gelembung. Sifat inilah yang menjadi faktor
penting dalam optimasi proses flotasi (Petrus, 2011). Ketika mencapai permukaan, partikel
mineral akan tetap menempel pada gelembung hanya jika terbentuk fase buih yang stabil.
Stabilitas buih ini dapat dicapai dengan menambahkan reagen flotasi.
Pengaruh keberadaan reagen flotasi di dalam air terhadap permukaan mineral dapat dilihat
pada gaya-gaya yang bekerja pada permukaan mineral sebagaimana ditunjukkan Gambar 2.
Gambar 2. Sudut kontak antara gelembung udara dengan permukaan partikel padatan dalam
media cair
Pada kesetimbangan belaku:
γ𝑠/π‘Ž = γ𝑠/𝑀 + γ𝑀/π‘Ž cos πœƒ
(1)
Dimana Ξ³s/a, Ξ³s/w, dan Ξ³w/a berturut-turut merupakan energi permukaan antara padatan dengan
udara, padatan dengan air, dan air dengan udara. Sedangkan ΞΈ adalah sudut kontak antara
permukaan mineral dengan gelembung udara.
Gaya yang dibutuhkan untuk memutus hubungan antarmuka partikel padatan dengan
gelembung dikenal dengan kerja adhesi (Ws/a) yang secara matematis dapat dituliskan sebagai:
W𝑠/π‘Ž = γ𝑀/π‘Ž + γ𝑠/𝑀 βˆ’ γ𝑀/π‘Ž (2)
Jika dikombinasikan dengan persamaan 1 menjadi:
W𝑠/π‘Ž = γ𝑀/π‘Ž (1 βˆ’ cos πœƒ)
(3)
Semakin besar kontak antara partikel-gelembung akan membuat kerja adhesi semakin besar
pula, sehingga ketahanan sistem terhadap gangguan dari luar sistem pun semakin baik.
Hidrofobisitas suatu mineral pun semakin besar dengan meningkatnya sudut kontak yang
dimiliki. Selain dikenal dengan sebutan hidrofobik (benci air), istilah lain yang digunakan untuk
mineral dengan sudut kontak besar adalah aerofilik (suka udara).
Pada kenyataannya, sebagian besar mineral di alam tidak memiliki sifat hidrofobik. Sehingga,
reagen flotasi perlu ditambahkan ke dalam pulp untuk memodifikasi sifat permukaan mineral
dan membuatnya menjadi hidrofobik (atau aerofilik).
3. Reagen Flotasi
Reagen flotasi merupakan bahan kimia yang ditambahkan pada pulp untuk meningkatkan
efektifitas dan efisiensi proses flotasi. Berdasarkan fungsinya, reagen flotasi dapat
dikelompokkan menjadi beberapa jenis diantaranya; kolektor, pembuih (frothers), dan regulator
(modifier).
a) Kolektor
Kolektor merupakan bahan organik yang ditambahkan pada pulp untuk membuat permukaan
mineral menjadi hidrofobik sehingga lebih mudah menempel pada gelembung udara. Kolektor
akan teradsorpsi pada permukaan mineral selama rentang waktu tertentu dan membuat sifat
mineral menjadi cenderung menolak air (hidrofobik).
Kolektor dapat berupa senyawa ionik yang dapat terdisosiasi dalam air dan dapat pula berupa
senyawa non-ionik yang umumnya tidak larut dalam air. Sebagian kolektor ionik ada yang
bersifat amfoterik, artinya ia memiliki fungsi sebagai kation maupun anion tergantung pada
kondisi pH. Kolektor ionik merupakan jenis yang paling banyak digunakan dan dikembangkan
hingga saat ini. Gambar 3 menunjukkan klasifikasi berbagai jenis kolektor.
Gambar 3. Klasifikasi Kolektor (Glembotskii et al., 1972)
Akibat adanya pengaruh tarikan fisis, elektris, dan kimiawi, gugus polar pada molekul kolektor
akan melekat di permukaan mineral, sedangkan ujung-ujung nonpolar akan mengarah ke bulk
cairan dan menyebabkan partikel bersifat hidrofobik (Gambar 4). Pada prakteknya, kolektor
digunakan dalam jumlah yang sedikit agar dapat terbentuk satu lapisan tipis di permukaan
partikel mineral. Penggunaan kolektor yang berlebihan dapat menyebabkan mineral lain yang
tidak diinginkan ikut terbawa bersama gelembung, sehingga menurunkan selektivitas
pemisahan. Selain itu, jika terbentuk banyak lapisan kolektor di permukaan mineral, jumlah
ujung-ujung nonpolar yang mengarah ke bulk cairan akan berkurang. Hal ini justru dapat
menurunkan hidrofobisitas dan flotabilitas mineral.
Gambar 4. Adsorpsi kolektor di permukaan partikel mineral
Alih-alih menggunakan kolektor dalam jumlah berlebih, efisiensi flotasi dapat ditingkatkan
dengan memilih jenis kolektor yang tepat. Kolektor dengan rantai hidrokarbon yang panjang
dapat meningkatkan gaya tolak terhadap air. Namun, rantai karbon yang panjang akan
menurunkan kelarutannya dalam air dan menyebabkan adsorpsi berlebihan di permukaan
mineral. Untuk mengatasi hal ini, kolektor hendaknya dapat terion dengan baik di dalam air agar
terjadi penjerapan kimiawi di permukaan mineral. Selain itu, struktur rantai karbon bercabang
lebih disukai karena memiliki kelarutan yang lebih baik di dalam air.
Kolektor Anionik
Kolektor anionik paling banyak digunakan dalam proses flotasi mineral. Seperti namanya, anion
paling berperan dalam proses flotasi. Kolektor jenis ini diklasifikasikan ke dalam 2 kategori;
oksihidril dan sulfohidril.
Kolektor oksihidril umumnya merupakan asam organik atau sabun. Asam organik yang dimaksud
adalah senyawa dengan gugus karboksilat atau lebih dikenal sebagai asam lemak. Jenis yang
umum digunakan diantaranya adalah asam oleat dan asam linoleat. Garam dari asam lemak
(sabun) biasanya lebih disukai karena sifatnya yang dapat larut dalam air meskipun memiliki
rantai hidrokarbon yang panjang.
Senyawa karboksilat merupakan kolektor yang cukup kuat, namun memiliki selektivitas
yang rendah. Biasanya kolektor jenis ini digunakan untuk proses flotasi mineral kalsium,
barium, stronsium, magnesium, senyawa karbonat dari logam non-besi, dan garam dari
logam-logam alkali. (Finch and Riggs, 1986)
Senyawa sulfat dan sulfonat memiliki sifat yang mirip dengan asam lemak, namun lebih
jarang digunakan karena kekuatan kolektor yang rendah. Meski demikian, senyawa ini
memiliki tingkat selektivitas yang tinggi. Biasanya kolektor sulfat dan sulfonat digunakan
pada flotasi barit, celestit, flourit, apatit, khromit, kyanit, mika, kasiterit, dan skelit.
(Holme, 1986)
Kolektor sulfihidril merupakan jenis kolektor yang paling banyak digunakan karena memiliki sifat
yang sangat kuat dan selektivitas yang tinggi (Avotins et al. 1994). Kolektor jenis ini memiliki
gugus polar yang mengandung atom sulfur bervalensi dua (senyawa thiol). Xantogenat atau
xantat dan ditiofosfat merupakan kolektor sulfihidril yang paling sering dipakai dalam flotasi
mineral. Xantat dibuat dengan mereaksikan alkali hidroksida, alkohol dan karbon disulfida.
ROH + CS2 + KOH ↔ RO-CS-SK +H2O
Dimana R adalah gugus hidrokarbon yang biasanya mengandung enam atom karbon. Berbeda
dengan senyawa xantat, senyawa ditiofosfat memiliki atom fosfor berfalensi lima pada gugus
polarnya alih-alih atom karbon seperti pada senyawa xantat.
[Pembahasan detail mengenai kompleksitas dan karakteristik reaksi-reaksi kolektor xantat]
[Pembahasan singkat mengenai ditiofosfat dan campuran kolektor xantat-ditiofosfat-thiol]
Berbagai review terkait penggunaan kolektor xantat, ditiofosfat, kolektor-kolektor thiol,
maupun campuran kolektor tersebut dengan mineral sulfida telah dilakukan (Klimpel, 1986;
Woods and Richardson, 1986; Aplan and Chander, 1987; Crozier, 1991; Adkins and Pearse, 1992;
Bradshaw, 1997). Daftar beberapa kolektor sulfihidril (thiol) yang umum digunakan beserta
referensinya ditampilkan pada Tabel 1.
Tabel 1. Daftar Kolektor Sulfihidril (thiol) yang Umum Digunakan
Rentang
pH
Kegunaan
Referensi
O-alkil dithiokarbonat
(xantat)
8-13
Flotasi senyawa sulfida, mineral
teroksidasi seperti malasit,
cerusit, dan mineral elementer.
Leja
(1982);
Rao (1971)
Dialkil dithiofosfat
(Aerofloat)
4-12
Flotasi selektif tembaga dan
zink sulfide dari galena.
Mingione
(1984)
Dialkil dithiokarbamat
5-12
Sifatnya sama dengan xantat,
tapi harganya lebih mahal
Jiwu et al.
(1984)
Reagen/Kolektor
Formula
Isopropil dithiokarbamat
(Minerec 1661/Z-200)
Merkaptobensothiazol
(R404/425)
4-9
Flotasi selektif sulfide tembaga
dari pirit.
Ackerman
et al.
(1984)
4-9
Flotasi timbal teroksidasi dan
mineral tembaga.
Flotasi pirit pada pH 4-5
Fuerstena
u and
Raghavan
(1986)
Kolektor Kationik
Pada kolektor kationik, tolakan terhadap air dihasilkan oleh gugus kation dimana gugus polar
menempel pada atom nitrogen bervalensi lima (pentavalent), umumnya senyawa amin (Gefrert,
1986; Zachwieja,, 1994). Pasangan anion untuk kolektor jenis ini biasanya adalah halida atau –
dalam kasus yang lebih jarang – hidroksida, dimana gugus-gugus ini tidak berperan aktif bila
bereaksi dengan mineral.
Gambar 5. Kolektor Kationik
Berbeda dengan xantat, senyawa amin cenderung menempel (teradsopsi) ada permukaan
mineral karena gaya elektrostatik ujung polar dari kolektor dan lapisan bermuatan listrik di
permukaan mineral. Gaya tarik menarik ini tidak sekuat ikatan kimiawi yang dimiliki oleh
kolektor anionik, sehingga kekuatan kolektor kationik ini cenderung lebih rendah.
Kolektor kationik sangat sensitif terhadap perubahan pH; aktif pada kondisi pH sedikit asam dan
tidak aktif pada basa atau terlalu asam. Umumnya kolektor kationik digunakan untuk flotasi
senyawa oksida, karbonat, silikat, dan logam alkali tanah seperti barit, karnalit, sylvit. Senyawa
amin primer merupakan kolektor yang cukup kuat pada proses flotasi apatit, dan cukup selektif
dalam proses flotasi sedimen fosfat dari bijih calcareous.
b) Pembuih (Frothers)
Frothers merupakan agen flotasi yang ditambahkan untuk menstabilkan buih yang terbentuk
selama proses flotasi sehingga terjadi seleksi terhadap mineral yang terangkut oleh gelembung
dan meningkatkan kinetika flotasi.
Frothers secara kimia serupa dengan kolektor ionik, bahkan beberapa diantara kolektor ionik,
seperti senyawa oleat, merupakan frothers yang kuat. Namun, frothers yang terlalu kuat ini
dapat mengakibatkan buih menjadi terlalu stabil sehingga menyulitkan pada pemrosesan lebih
lanjut. Adapun permasalahan yang sering terjadi di banyak pabrik pemrosesan mineral adalah
terjadinya penumpukan buih di permukaan thickener. Frothers yang baik harus memiliki
kemampuan kolektor yang kecil dan dapat menghasilkan buih yang cukup stabil untuk
perpindahan gelembung dari sel flotasi hingga ke permukaan.
Pada dasarnya frothers merupakan reagen organik heteropolar surface-active yang dapat
teradsopsi ke permukaan gelembung. Molekul frothers akan menyelubungi bidang batas udaraair pada gelembung dengan ujung polar mengarah ke air dan ujung non polar mengarah ke udara.
Kemampuan ini dapat mengurangi tegangan muka pada gelembung udara dan membuatnya
lebih stabil.
Gambar 6. Adsorpsi frothers di permukaan gelembung
Frothers hendaklah memiliki kecenderungan untuk larut dalam air agar dapat terdistribusi
dengan merata pada larutan. Gugus-gugus yang memiliki peran penting pada frothers
diantaranya adalah hidroksil (-OH), karboksilat (-COOH), karbonil (-CO), amin (-NH2), dan sulfo (OSO2OH; -SO2OH).
Frothers yang memiliki gugus asam, amin, dan alkohol merupakan jenis yang paling mudah larut.
Alkohol (-OH) tidak memiliki kemampuan sebagai kolektor, hal ini membuatnya lebih unggul
dibandingkan dengan frothers jenis lain. Apabila kemampuan sebagai kolektor dan frothers
dimiliki oleh satu jenis reagen, maka pemisahan yang selektif akan sulit dicapai. Senyawa
karbonat memiliki sifat kolektor yang kuat, sedangkan senyawa amin dan sulfo memiliki sifat
kolektor yang lebih lemah.
Sebagian besar frothers sintetis merupakan senyawa alkohol dengan berat molekul besar. Hal
ini dikarenakan sifatnya yang sangat stabil dan lebih mudah dikontrol pada proses flotasi. Salah
satu contoh frothers sintetis yang banyak digunakan adalah methyl isobutyl carbinol (MIBC).
Selain itu, senyawa berbasis poligenol eter dan poliglikol eter juga termasuk frothers yang sangat
efektif, bahkan tak jarang ketiga jenis frothers ini digunakan secara bersamaan.
c) Regulator/Modifier
Regulator atau modifier digunakan dalam proses flotasi sebagai upaya untuk memodifikasi
kerja kolektor, baik dengan cara meningkatkan maupun mengurangi sifat enolak air yang
dihasilkannya pada permukaan mineral. Hal ini bertujuan untuk meningkatkan selektivitas
pemisahan mineral yang diinginkan. Regulator dapat dibedakan menjadi beberapa kelompok,
yakni; aktivator, depresan, dan pH modifier.
Aktivator
Reagen jenis ini meningkatkan hidrofobisitas permukaan mineral dengan membantu
kerja kolektor. Biasanya aktivator adalah garam mudah larut dimana ion-ionnya dapat
bereaksi dengan permukaan mineral. Proses yang terjadi ialah berupa pertukaran ion-ion
di permukaan mineral. Namun, penelitian lebih lanjut juga menjelaskan kerja aktivator
melibatkan oksidasi permukaan mineral, reduksi aktivator, pengendapan aktivator di
permukaan mineral, dan mekanisme pertukaran potensial (Wang et al, 1989)
Salah satu contoh umum ialah pemanfaatan aktivator tembaga sulfat (CuSO4) pada flotasi
spalerit. Mineral spalerit tidak dapat terflotasi dengan optimal saat menggunakan
kolektor xantat karena produk berupa zinc xantat yang mudah larut terbentuk dan
mengurangi hidrofobisitas permukaan mineral. Meskipun flotabilitas dapat ditingkatkan
dengan menggunakan xantat rantai panjang, pemanfaatkan tembaga sulfat sebagai
aktivator memberikan hasil yang jauh lebih baik. Aktivasi terjadi dengan terbentuknya
endapan tembaga sulfida di permukaan mineral spalerit. Tembaga sulfida ini kemudian
bereaksi dengan xantat menjadi tembaga xantat yang bersifat hidrofobik.
Oksida timbal, tembaga, dan zinc seperti cerussite, smithsonite, azurite dan malachite
tidak dapat diflotasi secara optimal menggunakan kolektor sulfihidril. Jenis aktivator yang
biasa digunakan untuk membantu proses flotasi mineral-mineral ini adalah natrium
sulfida (Na2S) atau natrium hidroksida (NaOH). Proses hidrolisis dan disosiasi natrium
sulfida akan menghasilkan OH-, S2-, dan HS-. Ion-ion tersebut dapat bereaksi dan
mengubah sifat permukaan mineral, sehingga dapat diflotasi menggunakan kolektor
sulfihidril. Proses ini dikenal pula denga istilah β€œsulfidisasi”. Berikut merupakan contoh
reaksi yang terjadi pada proses sulfidisasi cerussite:
Na2S + H2O  NaHS +NaOH
PbCO3 + 3 NaOH  H2O + Na2CO3 + NaHPbO2
NaHS + NaHPbO2  2NaOH + PbS
Jumlah natrium sulfida yang ditambahkan harus benar-benar dikontrol karena sifatnya
sebagai depresan kuat. Jika berlebih, natrium sulfida dapat mengurangi kemampuan
adsorpsi kolektor di permukaan mineral. Jumlah natrium sulfida yang dibutuhkan
dipengaruhi oleh pH. Sehingga, terkadang natrium hidrosulfida dipakai sebagai pengganti
natrium sulfida karena tidak terhidrolisis dan meningkatkan pH larutan.
Depresan
Depresan digunakan untuk menurunkan seletivitas fltasi dengan cara membuat mineral
tertentu menjadi hidrofilik, sehingga sulit terflotasi. Reagen ini berperan penting dalam
meningkatkan nilai ekonomis dari proses flotasi seperti pada proses pemisahan platina
dan nikel sulfida.
Depresan memiliki jenis yang beragam dan mekanisme kerja yang kompleks dan
bervariasi. Bahkan pada beberapa kasus, prosesnya tidak dapat dipahami secara
menyeluruh sehingga proses kontrol pemakaian depresan sangatlah sulit dibandingkan
dengan reagen jenis lain.
Slime merupakan contoh depresan yang terbentuk secara natural. Bijih mineral yang
sudah digiling cenderung sulit diflotasi karena adsorpsi kolektor ke permukaan mineral
terhambat oleh lapisan slime yang terbentuk. Oleh sebab itu, terkadang proses desliming
perlu dilakukan sebelum proses flotasi.
Depresan Anorganik
Depresan Polimerik
4. Faktor Penting dalam Proses Flotasi - jumat 12/5
a)
b)
c)
d)
Pengaruh pH
Potensial Pulp
Pembentukan Gelembung dan Kualitas Buih
Entrainment
5. Aspek Teknik Flotasi – sabtu, minggu 13-14/5
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
Pengujian Skala Lab
Pengujian Pilot-plant
Sirkuit Dasar Flotasi
Desain Diagram Alir
Fleksibilitas Sirkuit
Mesin Flotasi dan Kriteria dalam Pemilihan
Elektroflotasi
Flotasi-Aglomerasi
6. Praktik Flotasi di Pabrik – Senin 14/5
a) Persiapan Bijih dan Pulp
b) Reagen dan Conditioning
c) Proses Kontrol
7. Perkembangan Proses Pemisahan secara Flotasi – selasa 15/5
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
Flotasi Bijih Tembaga dan Oksida-Tembaga
Flotasi Bijih Seng-Timbal
Flotasi Bijih Seng-Tembaga dan Seng-Timbal-Tembaga
Flotasi Bijih Nikel
Flotasi Bijih Platina
Flotasi Bijih Besi
Flotasi Batubara