Tankhouse Tembaga Diselimuti Kabut Asam: Begini Cara Menekannya dari Sumbernya

Setiap kilogram tembaga yang terlapis dalam sel electrowinning memproduksi sekitar 0,17 Nm³ O₂ (normal meter kubik oksigen per kg Cu) di anoda—angka yang resmi tercatat oleh 911metallurgist. Gelembung O₂ itu naik melalui elektrolit sulfurat–tembaga lalu pecah di permukaan, melepaskan droplet asam berukuran 0,5–30 µm ke udara (ResearchGate).

Hasilnya adalah aerosol asam yang menggerogoti struktur dan perangkat tankhouse sekaligus mengancam kesehatan pekerja. Emisi tak terkendali pernah diukur sekitar 1,6 mg H₂SO₄ per detik per m² bidang sel (ResearchGate). Dengan batas pajanan sulfuric‑acid mist yang sangat rendah—sekitar 0,2 mg/m³ TLV (threshold limit value, ambang pajanan) di banyak yurisdiksi—praktis targetnya harus jauh di bawah 1 mg/m³.

Ventilasi volume besar (dilusi ke <1 mg/m³) mahal energinya; satu studi kasus memperkirakan tambahan daya electrowinning sekitar 20% hanya untuk menggerakkan kipas sebesar itu (911metallurgist). Itu sebabnya kontrol di sumber menjadi wajib—antara penghalang mekanis (floating cover/balls, hood/coalescer) dan penekan kimia (surface‑active additives/surfactants) (ResearchGate).

Mekanisme pembentukan kabut asam

Droplet terbentuk saat gelembung O₂ pecah dan melontarkan jet cairan. Meski volume totalnya kecil, ukuran partikel mikro (0,5–30 µm) memudahkan aerosol melayang dan menyebar (ResearchGate). Dalam skala tankhouse, fluks emisi sekitar 1,6 mg H₂SO₄/det/m² dapat dengan cepat mendorong konsentrasi ruang di atas target jika hanya mengandalkan dilusi (ResearchGate).

Kategori kontrol di sumber

Pilihan utama terbagi dua: penghalang fisik di permukaan elektrolit vs bahan kimia penekan kabut. Dalam praktik modern, keduanya sering dipakai bersamaan (ResearchGate).

Penghalang fisik berbasis bola terapung

Bola plastik tahan kimia (umumnya HDPE, PP, PVC) yang mengapung membentuk selimut parsial di permukaan, mencegat jet cairan dan mengembalikan droplet terkoalesensi ke bak. Uji laboratorium menunjukkan bead berbentuk bola memberi penekanan terbaik untuk satu lapisan berkat daya apung yang memaksimalkan cakupan (ResearchGate).

Al Shakarji dkk. melaporkan satu lapisan bola HDPE menekan kabut lebih baik daripada PP, selisih sekitar 3,4%—HDPE yang lebih ringan memberi apung dan coverage lebih tinggi (ResearchGate). Secara kasar, floating balls saja bisa memangkas emisi puluhan persen pada kondisi mantap.

Plusnya: murah, inert, minim perawatan, tanpa biaya konsumabel dan tanpa mencemari elektrolit. Minusnya: celah antarsfera tetap membiarkan kabut lolos; dinamika gelembung tidak berubah; cakupan penuh sulit—umumnya 50–80% area permukaan—dan bola bisa mengganggu aliran atau menumpuk kotoran sehingga perlu pembersihan berkala.

Blanket mengambang dan penutup koalesensi

Alternatif lain adalah penutup permukaan semi-kontinu (lembar berlubang, geotekstil, atau penutup kaku/hood). Contoh spesifik adalah Bechtel’s electrode cap (US5609738): panel atap tankhouse tepat di atas permukaan elektrolit, dibuang ke scrubber. Secara teori, konfigurasi ini hampir meniadakan emisi—kabut mengembun di bawah penutup dan mengalir kembali ke tangki (patent).

Namun praktik menunjukkan sulit membuat segel sempurna. Laporan Smith (1980‑an) menyebut penutup masih bocor kabut dan kerap korosi ketika asam mengalir ke peralatan (patent). Venting pada penutup tertutup juga berisiko mengaspirasi kabut. Dalam uji, cap koalesensi menurunkan emisi ~90% ketika direkayasa cermat—dibanding 98% yang bisa dicapai surfaktan (ResearchGate).

Tanpa scrubbing aktif, atap tertutup tetap butuh kebocoran kecil untuk aliran udara sehingga aerosol keluar dari tepi (patent) (patent). Operasionalnya, kebocoran/air asam yang mengalir di penutup memicu korosi, dan sistem evakuasi kabut menambah biaya.

Rangkuman kinerja metode fisik

Lapisan tunggal bola HDPE memberi penurunan terukur (HDPE ~3–5% lebih baik dari PP pada cakupan setara, ResearchGate); lapisan kedua atau penutup menambah tangkapan. Namun penghalang saja tetap menyisakan emisi signifikan. Di tankhouse multi-sel, kombinasi media terapung dan koleksi over‑head lazimnya mendekati ~90–95% containment pada kondisi terbaik. Ventilasi volume tetap dibutuhkan untuk fraksi sisa.

Penekan kabut kimia berbasis surfaktan

Additives surfaktan (surface‑active) memodifikasi perilaku gelembung di permukaan. Mekanismenya: menurunkan tegangan permukaan elektrolit secara drastis dan mendorong pembentukan foam/film di permukaan (patent, ResearchGate). Tegangan lebih rendah membuat gelembung bergabung menjadi agregat lebih besar atau pecah lebih “jinak”; foam/film menahan asam sehingga droplet mengalir kembali ke bak.

Persyaratan klasik: menekan tegangan permukaan hingga sekitar separuh. Patent 3M 1980‑an menyatakan penekan yang efektif harus menghasilkan ≤35 dyn/cm (dyne per centimeter) pada konsentrasi rendah, dibanding ~70 dyn/cm air murni (patent). Dalam praktik, fluorokarbon surfaktan seperti 3M FC‑1100 dapat menurunkan tegangan elektrolit asam sulfat ke ~20–30 dyn/cm pada 0,005–0,01 wt% (50–100 ppm) (patent, patent). Surfaktan non‑fluor (alkyl sulfonates) juga memberi tegangan 20–40 dyn/cm pada dosis serupa (patent, patent).

Dengan surfaktan, elektrolit biasanya membentuk foam tipis; bahkan beberapa milimeter foam sudah memangkas aerosol secara drastis. Smith dkk. melaporkan foam “blanket” 20 mm di elektrolit EW tembaga menurunkan laju emisi aerosol ~98% (ResearchGate). Pada uji yang sama, coalescer mekanis saja memberi ~90%, sedangkan kombinasi surfaktan+coalescer mencapai ~96% (ResearchGate).

Jenis surfaktan dan formulasi non‑PFAS

Kelas fluorinated surfactants—produk legacy seperti 3M FC‑1100 (perfluoroalkyl karboksilat/sulfonat)—sudah puluhan tahun dipakai dan sangat surface‑active (ChemShi), namun kini menghadapi isu lingkungan (PFAS). Arus terkini beralih ke agen foaming non‑fluor: alkil/aryl‑sulfonate (mis. sodium dodecylbenzenesulfonate, diphenyl oxide disulfonate/Dowfax‑type) dan saponin alami (mis. glycyrrhizin dari akar licorice, ekstrak yucca atau quillaja) (patent, patent). Sumber patent dan industri menegaskan agen non‑fluor juga sangat efektif bila diaplikasikan tepat (patent, patent).

Satu formulasi terbaru menggabungkan diphenyl oxide sulfonate, asam asetat, dan ~6–10% ekstrak glycyrrhizin. Di lab, komposisi ini mencapai >99% penekanan dengan hanya 6–7,5 ppm biosurfaktan licorice aktual (ditambahkan sebagai ~25 ppm formulasi campuran) (patent). Sebaliknya, bubuk licorice tunggal butuh ~75 ppm untuk ~80% penekanan (patent), menegaskan sinergi kombinasi—menurunkan kebutuhan dosis ke kisaran hanya 2–6 ppm (patent).

Cara kerja penekan kabut

Mekanisme yang diamati (ResearchGate):

• Foam layer di permukaan: foam “longgar” (>10–20 mm, gelembung besar) maupun “padat” (<10 mm, gelembung kecil) sama‑sama meredam pecahnya gelembung sehingga droplet tidak terlempar ke udara (ResearchGate).
• Film permukaan tipis: beberapa additives menyebar sebagai lapisan tidak larut/immiscible yang menangkap jet/droplet dan mengarahkannya kembali ke tangki (ResearchGate).
• Peningkatan koalesensi droplet: tegangan permukaan lebih rendah membuat droplet kecil bergabung dan jatuh kembali sebelum menjadi aerosol halus.

Data operasional dan implikasi dosis

Di lapangan, operator EW umumnya mendosis hanya beberapa ppm penekan kabut. Data lab/plant menunjukkan setelah melewati ambang tertentu (beberapa ppm), penambahan lebih lanjut memberi penurunan manfaat (diminishing returns) (ResearchGate, patent). Al Shakarji dkk. menemukan penambahan fluorosurfaktan FC‑1100 hingga ~30 ppm “terlihat menurunkan” kabut asam, tetapi konsentrasi lebih tinggi memberi sedikit manfaat ekstra (ResearchGate).

Mereka juga melaporkan kombinasi FC‑1100 (30 ppm) dengan lapisan bola PE meningkatkan penekanan total sekitar 29% dibanding FC‑1100 saja (ResearchGate)—indikasi kuat sifat komplementer metode kimia dan fisik. Perlu dicatat, surfaktan dapat sedikit menurunkan current efficiency tembaga dan menaikkan cell voltage, serta menimbulkan foam (berisiko overflow bila tak terkendali). Karena itu pengumpanan presisi (ppm) menjadi kunci; pemakaian pompa dosing seperti dosing pump akurat memudahkan kontrol dosis rendah stabil (sering 1–10 ppm, patent) sembari tetap mengandalkan bola/penutup dan ventilasi untuk kepatuhan.

Perbandingan kinerja dan rancangan sistem

Kemanjuran: penekan kimia dapat memberi reduksi sangat tinggi. Data lab menunjukkan dosis beberapa ppm saja bisa memangkas aerosol 80–99% (ResearchGate, patent). Penghalang fisik saja cenderung menurunkan kabut lebih kecil—orde puluhan persen per lapisan. Bahkan coverage “balistik” sempurna oleh satu lapisan bola mungkin hanya mencegat ~30–50% letupan, sedangkan foam bisa mencegat hampir seluruh residu. Studi Smith: foam menurunkan ~98% vs penutup mekanis ~90% (ResearchGate). Uji Al Shakarji: bola + surfaktan ~29% lebih baik daripada surfaktan saja (ResearchGate), menegaskan sinergi; praktik terbaik adalah kombinasi.

Hasil kuantitatif: uji lab komposisi penekan organik menunjukkan emisi kabut H₂SO₄ (mg/m³ udara) turun >99% pada ~6 ppm biosurfaktan (patent). Pengukuran lapangan di tankhouse sering menunjukkan konsentrasi mendekati nol (<0,5 mg/m³) setelah surfaktan dipakai (dibanding beberapa mg/m³ tanpa kontrol). Batas pemerintah (sering ≈1 mg/m³ rata‑rata) umumnya tercapai setelah penambahan penekan. Sebaliknya, tanpa dosing surfaktan, bahkan tankhouse dengan penutup penuh bisa membutuhkan ventilasi sangat besar—ratusan ribu m³/menit—untuk menahan pajanan di bawah batas (911metallurgist).

Pertimbangan lingkungan dan kompatibilitas SX‑EW

Secara historis, banyak plant elektrolitik memakai surfaktan perfluorinasi (tipe PFOS) yang efektif namun kini diatur/dihentikan karena persistensi lingkungan. Praktik modern beralih ke formulasi bebas PFAS (alkil/aryl‑sulfonat, saponin hayati). Semua surfaktan harus kompatibel dengan rangkaian hidrometalurgi—tidak ikut terekstrak ke organik SX dan stabil di asam kuat (ChemShi, patent). Pemilihan additives menyeimbangkan biaya kimia vs penghematan energi (mis. pengurangan ventilasi) dan efek samping (foaming, dampak pada current efficiency).

Ringkasan keputusan teknis

• Floating balls: penghalang pasif berbiaya rendah; efektivitas skala cakupan dan daya apung. Beads HDPE memberi penekanan sedikit lebih tinggi (3–5% lebih) dibanding PP (ResearchGate). Sendirian tidak menghilangkan kabut, tetapi signifikan mengurangi beban ventilasi.
• Floating covers/coalescers: mampu menangkap kabut secara fisik namun kompleks dalam penyegelan; dapat mendekati ~90%+ containment bila direkayasa baik (ResearchGate), tetapi biasanya tetap dipadukan dengan ventilasi.
• Chemical suppressants: langkah tunggal paling kuat. Beberapa ppm fluorinated atau non‑fluor surfaktan (sering dengan asam organik atau biosurfaktan) menurunkan emisi >95% dalam uji dengan menekan tegangan permukaan ke ≤30 dyn/cm (~20–30 mN/m) (ResearchGate, patent, patent).
• Hybrid terbaik: dosis minimum efektif (mis. 2–10 ppm, patent) dikombinasikan penghalang fisik. Contoh: 30 ppm FC‑1100 + bola PE ≈29% lebih baik daripada 30 ppm FC‑1100 saja (ResearchGate). Sisa kabut ditangani ventilasi/LEL.

Kesimpulan: penghalang mengambang memberi reduksi moderat dan mudah diterapkan, tetapi surfaktan mencapai penekanan jauh lebih besar dengan mengubah fisika gelembung. Tegangan permukaan elektrolit yang ditekan ke kisaran ~20–30 mN/m (≤35 dyn/cm) membentuk foam/film yang menjebak droplet asam—membawa emisi turun ordo besaran hanya dengan beberapa ppm additives. Desain berbasis data menuntut dosing presisi rendah stabil—seperti lewat pompa dosing—ditambah penghalang fisik dan ventilasi untuk kepatuhan dan biaya minimum.

Sumber data: studi peer‑review dan laporan industri (mis. Al Shakarji dkk. 2013, Alfantazi dkk. 2004), serta pabrikan dan literatur paten (3M FC‑1100, paten suppression) yang dirujuk: ResearchGate, ResearchGate, ResearchGate, patent, patent, ChemShi, dan 911metallurgist.