termodinamika reduksi bijih besi

1.   Termodinamika Reduksi  Bijih Besi

Termodinamika menjawab apakah suatu reaksi di dalam proses reduksi bijih besi oleh reduktor batubara dapat berlangsung. Dengan melihat nilai perubahan energi bebas Gibbs standard (ΔG⁰) pada setiap kemungkinan reaksi yang terjadi, dapat diketahui apakah reaksi tersebut dapat berlangsung atau tidak. Jika nilai ΔG⁰ adalah negatif maka reaksi tersebut dikatakan berlangsung yang artinya adalah reaksi akan berlangsung ke arah produk. Sebaliknya ketika nilaiΔG⁰ adalah positif maka reaksi tidak berlangsung atau  reaksi akan berlangsung  ke arah reaktan.

Perubahan ΔG⁰ dapat diperhitungkan melalui persamaan sebagai berikut [Habashi., 1968] :

ΔG⁰ = ΔH⁰ – TΔS⁰ ...........................................................(1)

Pada persamaan (10) dapat dijelaskan bahwa ΔG⁰ adalah perubahan sejumlah energi entalpi standard (ΔH⁰) dikurangi dengan perubahan entropi standard (ΔS⁰) pada temperatur tertentu.

            Karakteristik bijih besi  yang dicirikan dengan sejumlah pengotor seperti SiO₂, Al₂O₃ dan Cr₂O₃ dapat mengganggu jalannya proses reduksi. Secara termodinamika pengotor-pengotor tersebut tidak dapat direduksi oleh CO walaupun temperatur reduksi dinaikkan, seperti yang ditunjukkan pada  Gambar 1

  Gambar 1 Diagram Ellingham untuk kestabilan SiO₂, Al₂O₃, Cr₂O₃, NiO dan CoO [Rosenqvist.,1983]

Pada Gambar 1 diperlihatkan bahwa garis kurva 2CO + O₂ = CO₂ (a) tidak akan bersinggungan dengan garis pembentukkan  SiO₂, Al₂O₃ dan Cr₂O₃. Hal ini mengindikasikan bahwa oksida-oksida tersebut tidak dapat direduksi oleh gas CO walaupun temperatur dinaikkan karena ΔG⁰selalu bernilai positif, seperti yang diperlihatkan pada persamaan reaksi berikut [Rosenvqist., 1983]:

SiO₂ + 2CO  → Si + 2CO₂     ΔG⁰₁₂₇₃    =  + 81,3 Kkal .............(2)

Al₂O₃ + 3CO  → 2Al + 3CO₂ ΔG⁰₁₂₇₃    =  + 66,35 Kkal ...........(3)

Cr₂O₃ + 3CO  → 2Cr + 3CO₂ ΔG⁰₁₂₇₃    =  + 190,1 Kkal ...........(4)

Jika pengotor tersebut membentuk ikatan dengan Fe dan ditambah  dengan kadarnya yang tinggi maka akan mengurangi reducibility pada bijih besi

Karakteristik bijih  besi  ditandai juga dengan kandungan logam pengotor seperti Ni dan Co. Adapun Ni dan Co yang masih dalam bentuk oksida dapat tereduksi oleh CO. Seperti yang diperlihatkan pada    Gambar 1. bahwa kurva oksidasi Ni dan Co berada diatas kurva (a),  sehingga ΔG⁰ reduksi NiO dan CoO oleh CO akan bernilai negatif, seperti   yang ditunjukkan pada persamaan berikut [Rosenvqist., 1983]:

NiO + CO → Ni + CO₂                      ΔG⁰_{1273 K} : - 12,55 Kkal .................(5)

CoO + CO→ Co + CO₂                     ΔG⁰_{1273 K} : - 6,57 Kkal ...................(6)

Berlangsungnya reduksi NiO dan CoO pada saat proses reduksi   akan menyebabkan terganggunya reduksi besi oksida oleh  CO Karena secara termodinamika afinitas CO akan lebih cenderung   mereduksi NiO dan CoO dibandingkan dengan Fe₃O₄ ataupun    FeO.  Seperti  yang diperlihatkan pada  persamaan berikut [Rosenvqist., 1983]:

3Fe₂O₃ + CO → 2Fe₃O₄ + CO₂          ΔG⁰_{1273 K}  = -24,19 Kkal ..........(7)

Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂              ΔG⁰_{1273 K} = - 4,46 Kkal ..............8)

FeO + CO → Fe + CO₂                      ΔG⁰_{1273 K} = +2,01 Kkal ..............(9)