Pemrosesan magnesium

Pemrosesan magnesium, persiapan bijih magnesium untuk digunakan dalam berbagai produk.

Magnesium (Mg) adalah logam putih keperakan yang mirip dengan aluminium tetapi beratnya kurang dari sepertiga. Dengan kepadatan hanya 1,738 gram per sentimeter kubik, itu adalah logam struktural paling ringan yang dikenal. Ia memiliki struktur kristal heksagonal tertutup rapat (hcp), sehingga, seperti kebanyakan logam pada struktur ini, ia tidak memiliki daktilitas ketika bekerja pada suhu yang lebih rendah. Selain itu, dalam bentuknya yang murni, ia tidak memiliki kekuatan yang cukup untuk sebagian besar aplikasi struktural. Namun, penambahan elemen paduan meningkatkan sifat-sifatnya sedemikian rupa sehingga paduan magnesium cor dan tempa banyak digunakan, terutama di mana bobot ringan dan kekuatan tinggi penting.

Magnesium sangat reaktif dengan oksigen pada suhu tinggi; di atas 645 ° C (1.190 ° F) di udara kering, terbakar dengan cahaya putih terang dan panas yang intens. Untuk alasan ini, bubuk magnesium digunakan dalam teknik kembang api. Pada suhu kamar, film stabil dari magnesium hidroksida yang tidak larut dalam air terbentuk di permukaan logam, melindunginya dari korosi di sebagian besar atmosfer. Menjadi reaktan kuat yang membentuk senyawa stabil dengan klorin, oksigen, dan sulfur, magnesium memiliki beberapa aplikasi metalurgi, seperti dalam produksi titanium dari titanium tetraklorida dan desulfurisasi besi blast-furnace. Reaktivitas kimianya juga terbukti dalam senyawa magnesium yang memiliki aplikasi luas dalam industri, kedokteran, dan pertanian.

Sejarah

Magnesium namanya berasal dari magnesit, mineral magnesium karbonat, dan mineral ini pada gilirannya dikatakan berutang kepada deposit magnesit yang ditemukan di Magnesia, sebuah distrik di wilayah Yunani kuno Thessaly. Ahli kimia Inggris Humphry Davy dikatakan telah menghasilkan amalgam magnesium pada 1808 dengan cara elektrolisis magnesium sulfat yang lembab, menggunakan merkuri sebagai katoda. Namun, logam magnesium pertama diproduksi pada tahun 1828 oleh ilmuwan Prancis A.-A.-B. Bussy. Karyanya melibatkan pengurangan magnesium klorida cair dengan kalium logam. Pada tahun 1833, ilmuwan Inggris Michael Faraday adalah yang pertama memproduksi magnesium dengan elektrolisis magnesium klorida cair. Eksperimennya diulangi oleh ahli kimia Jerman Robert Bunsen.

Produksi industri pertama yang sukses dimulai di Jerman pada tahun 1886 oleh Aluminium und Magnesiumfabrik Hemelingen, berdasarkan elektrolisis karnalit cair. Hemelingen kemudian menjadi bagian dari kompleks industri IG Farbenindustrie, yang, selama tahun 1920-an dan 30-an, mengembangkan suatu proses untuk memproduksi sejumlah besar magnesium klorida cair dan pada dasarnya bebas air (sekarang dikenal sebagai proses IG Farben) serta teknologi. untuk elektrolisis produk ini menjadi logam magnesium dan klorin. Kontribusi lain oleh IG Farben adalah pengembangan berbagai paduan cor dan lunak, fluks pemurnian dan pelindung, produk magnesium tempa, dan sejumlah besar aplikasi pesawat terbang dan mobil. Selama Perang Dunia II, Dow Chemical Company dari Amerika Serikat dan Magnesium Elektron Limited dari Inggris memulai pengurangan elektrolit magnesium dari air laut yang dipompa dari Galveston Bay, Texas, dan Laut Utara di Hartlepool, Inggris. Pada saat yang sama di Ontario, Kanada, proses LM Pidgeon untuk mengurangi magnesium oksida dengan silikon secara termal dalam retort yang ditembakkan secara eksternal diperkenalkan.

Setelah perang, aplikasi militer kehilangan keunggulan. Dow Chemical memperluas pasar sipil dengan mengembangkan produk tempa, teknologi photoengraving, dan sistem perawatan permukaan. Ekstraksi tetap berdasarkan elektrolisis dan reduksi termal. Untuk proses ini dibuat penyempurnaan seperti pemanasan internal retort (proses Magnetherm, diperkenalkan di Perancis pada tahun 1961), ekstraksi dari batang magnesium klorida yang didehidrasi (diperkenalkan oleh perusahaan Norwegia Norsk Hydro pada 1974), dan peningkatan teknologi sel elektrolitik sekitar tahun 1970.

Pada 2019, Cina memproduksi sekitar 85 persen magnesium dunia, dan Rusia, Kazakhstan, Israel, dan Brasil memproduksi sebagian besar sisanya.

Bijih dan bahan baku

Unsur kedelapan yang paling berlimpah di alam, magnesium membentuk 2,4 persen dari kerak bumi. Karena reaktivitasnya yang kuat, ini tidak terjadi pada keadaan asli, melainkan ditemukan dalam berbagai senyawa dalam air laut, air asin, dan batu.

Di antara mineral bijih, yang paling umum adalah karbonat dolomit (senyawa magnesium dan kalsium karbonat, MgCO ₃ · CaCO ₃) dan magnesit (magnesium karbonat, MgCO ₃). Yang kurang umum adalah mineral hidroksida brucite, Mg (OH) ₂, dan carnallite mineral halida (senyawa magnesium dan kalium klorida dan air, MgCl ₂ · KCl · 6H ₂ O).

Magnesium klorida dapat diperoleh dari air asin yang terbentuk secara alami seperti Great Salt Lake (biasanya mengandung 1,1 persen berat magnesium) dan Laut Mati (3,4 persen), tetapi sejauh ini sumber terbesar adalah lautan di dunia. Meskipun air laut hanya sekitar 0,13 persen magnesium, itu merupakan sumber yang hampir tidak pernah habis.

Menambang dan berkonsentrasi

Baik dolomit maupun magnesit ditambang dan dipekatkan dengan metode konvensional. Carnallite digali sebagai bijih atau dipisahkan dari senyawa garam lain yang dibawa ke permukaan oleh penambangan larutan. Air asin yang mengandung magnesium terjadi secara terkonsentrasi di kolam besar oleh penguapan matahari.

Ekstraksi dan pemurnian

Pereaksi kimia yang kuat, magnesium membentuk senyawa yang stabil dan bereaksi dengan oksigen dan klorin baik dalam keadaan cair maupun gas. Ini berarti bahwa ekstraksi logam dari bahan baku adalah proses intensif energi yang membutuhkan teknologi yang disesuaikan. Produksi komersial mengikuti dua metode yang sangat berbeda: elektrolisis magnesium klorida atau reduksi termal magnesium oksida melalui proses Pidgeon. Elektrolisis pernah menyumbang sekitar 75 persen dari produksi magnesium dunia. Namun, pada awal abad ke-21, ketika Cina muncul sebagai produsen magnesium terkemuka di dunia, rendahnya biaya tenaga kerja dan energi di sana memungkinkan proses Pidgeon menjadi layak secara ekonomi meskipun kurang efisien daripada elektrolisis.

Elektrolisa

Proses elektrolitik terdiri dari dua langkah: persiapan bahan baku yang mengandung magnesium klorida dan pemisahan senyawa ini menjadi logam magnesium dan gas klorin dalam sel-sel elektrolit.

Dalam proses industri, umpan sel terdiri dari berbagai garam leleh yang mengandung magnesium klorida anhidrat (dasarnya bebas air), sebagian magnesium dehidrasi klorida, atau karnalit anhidrat. Untuk menghindari kotoran yang ada dalam bijih karnalit, karnalit buatan kering dihasilkan dengan kristalisasi terkontrol dari larutan yang mengandung magnesium dan kalium. Sebagian magnesium klorida yang didehidrasi dapat diperoleh melalui proses Dow, di mana air laut dicampur dalam flokulator dengan dolomit reaktif yang dibakar ringan. Magnesium hidroksida yang tidak larut mengendap ke dasar tangki pengendapan, yang dipompa sebagai bubur, disaring, dikonversi menjadi magnesium klorida melalui reaksi dengan asam klorida, dan dikeringkan dalam serangkaian langkah penguapan hingga 25 persen kadar air. Dehidrasi akhir terjadi selama peleburan.

Magnesium klorida anhidrat diproduksi dengan dua metode utama: dehidrasi air garam magnesium klorida atau klorinasi magnesium oksida. Dalam metode yang terakhir, dicontohkan oleh proses IG Farben, dolomit yang dibakar ringan dicampur dengan air laut dalam flokulator, di mana magnesium hidroksida diendapkan, disaring, dan dikalsinasi menjadi magnesium oksida. Ini dicampur dengan arang, dibentuk menjadi gumpalan dengan penambahan larutan magnesium klorida, dan dikeringkan. Gumpalan diisi ke dalam klorinator, tungku poros berlapis bata di mana mereka dipanaskan oleh elektroda karbon sekitar 1.000-1.200 ° C (1.800-2.200 ° F). Gas klorin yang dimasukkan melalui lubang intip di dalam tungku bereaksi dengan magnesium oksida untuk menghasilkan magnesium klorida cair, yang disadap secara berkala dan dikirim ke sel-sel elektrolitik.

Dehidrasi air garam magnesium dilakukan secara bertahap. Dalam proses Norsk Hydro, kotoran terlebih dahulu dihilangkan dengan presipitasi dan penyaringan. Air garam yang dimurnikan, yang mengandung sekitar 8,5 persen magnesium, terkonsentrasi dengan penguapan hingga 14 persen dan dikonversi menjadi partikel dalam menara prilling. Produk ini selanjutnya dikeringkan menjadi partikel bebas air dan dikirim ke sel-sel elektrolitik.

Sel-sel elektrolit pada dasarnya adalah bejana berlapis bata yang dilengkapi dengan berbagai katoda baja dan anoda grafit. Ini dipasang secara vertikal melalui kap sel dan sebagian terendam dalam elektrolit garam cair yang terdiri dari alkali klorida dimana magnesium klorida yang dihasilkan dalam proses yang dijelaskan di atas ditambahkan dalam konsentrasi 6 sampai 18 persen. Reaksi dasar adalah:

Temperatur pengoperasian bervariasi dari 680 hingga 750 ° C (1.260 hingga 1.380 ° F). Konsumsi daya adalah 12 hingga 18 kilowatt-jam per kilogram magnesium yang diproduksi. Klorin dan gas-gas lain dihasilkan di anoda grafit, dan logam magnesium cair mengapung ke atas bak garam, tempat ia dikumpulkan. Klorin dapat digunakan kembali dalam proses dehidrasi.

Pengurangan termal

Dalam produksi termal, dolomit dikalsinasi menjadi magnesium oksida (MgO) dan kapur (CaO), dan ini direduksi oleh silikon (Si), menghasilkan gas magnesium dan terak dikalsium silikat. Reaksi dasar, bersifat endotermik — yaitu, panas harus diterapkan untuk memulai dan mempertahankannya. Dengan magnesium mencapai tekanan uap 100 kilopascal (1 atmosfer) pada 1.800 ° C (3.270 ° F), kebutuhan panas bisa sangat tinggi. Untuk menurunkan suhu reaksi, proses industri beroperasi di bawah vakum. Ada tiga metode utama, berbeda dengan cara mereka memasok panas. Dalam proses Pidgeon, dolomit ditumbuk dan dikalsinasi dicampur dengan ferrosilicon ditumbuk halus, dibriket, dan diisi ke dalam retort baja nikel-kromium-silinder. Sejumlah retort dipasang secara horizontal dalam tungku berbahan bakar minyak atau gas, dengan tutupnya dan sistem kondensor terpasang yang memanjang keluar dari tungku. Setelah siklus reaksi pada suhu 1.200 ° C (2.200 ° F) dan di bawah tekanan yang berkurang dari 13 pascals, kristal magnesium (disebut mahkota) dikeluarkan dari kondensor, terak dievakuasi sebagai padatan, dan retort diisi ulang. Dalam proses Bolzano, briket dolomit-ferrosilikon ditumpuk pada sistem pendukung muatan khusus melalui mana pemanasan listrik internal dilakukan terhadap muatan. Reaksi lengkap membutuhkan waktu 20 hingga 24 jam pada 1.200 ° C di bawah 400 pascals.

Terak silikat dikalsium yang dihasilkan oleh proses di atas memiliki titik leleh sekitar 2.000 ° C (3.600 ° F) dan oleh karena itu hadir sebagai padatan, tetapi, dengan menambahkan alumina (aluminium oksida, Al ₂ O ₃) ke muatan, titik lebur dapat dikurangi menjadi 1.550–1.600 ° C (2.825–2.900 ° F). Teknik ini, digunakan dalam proses Magnetherm, memiliki keuntungan bahwa terak cair dapat dipanaskan langsung oleh arus listrik melalui elektroda tembaga berpendingin air. Reaksi reduksi terjadi pada 1.600 ° C dan tekanan 400-670 pascal. Magnesium yang diuapkan dikondensasi dalam sistem terpisah yang melekat pada reaktor, dan terak cair dan ferrosilicon disadap pada interval waktu tertentu.