Karakteristik, Ekstraksi dan Aplikasi Logam Mangan

Mangan merupakan unsur kimia dengan lambang Mn dan mempunyai nomor atomik 25. Mangan juga merupakan logam transisi, dengan konfigurasi elektron [Ar] 3d⁵ 4s². Berat atomiknya 54,938 gr, dengan massa jenis 7,21 gr/cm³. Titik leleh sekitar 1246^OC dan jari-jari atomik 127 pm. Struktur kristalnya adalah BCC. Mangan murni berwarna abu-abu keperakan.

Mangan adalah unsur yang sering ditemukan di bumi sebagai unsur murni, atau berikatan dengan besi. Sebagai unsur murni, mangan adalah logam yang penting dalam industri pembuatan baja tahan karat. Seperti besi, mangan juga berada dalam keadaan oksidasi beragam, namun yang paling banyak ditemukan adalah +2, +3, +4, +6, dan +7.

Kandungan mangan di bumi adalah sekitar 1000 bpj (0,1%) dari kerak bumi, membuatnya menjadi unsur terbanyak ke-12 yang ada. Tanah mengandung 7-9000 bpj mangan dengan rata-rata 440 ppm. Air laut hanya mengandung 10 bpj mangan. Mangan umum ditemui dalam mineral pirolusit (MnO₂) dan braunit (Mn₆SiO₁₂).

Pirolusit

Untuk mengolah mangan murni, dilakukan proses hidrometalurgi, yakni proses leaching dengan asam sulfat dan dilanjutkan proses elektrometalurgi, yakni proses elektrowinning guna mencapai kemurnian yang tinggi (~99%).

Aplikasi mangan murni sekarang sudah memudar, dimana mangan digunakan sebagai elektroda pada sel kering (baterai), namun sekarang perannya sudah mulai tergeser oleh teknologi lithium. Pada aplikasi lain, seperti kebutuhan akan mangan fosfat, mulai bisa digantikan dengan seng atau bahkan vanadium. Aplikasi terpenting lainnya pada mangan adalah dalam pembuatan kalium permanganat. Kalium permanganat merupakan agen oksidasi yang sangat kuat dengan alga dan bakteri, membuatnya dapat digunakan dalam pemurnian air mium dan pengolahan limbah. Larutan ini juga dapat digunakan sebagai agen penghilangan bau, seperti pada pembuangan pabrik cat, pabrik pengolahan ikan.

Jadi, penggunaan utama mangan adalah sebagai elemen paduan dengan logam lainnya, besi dan aluminum. Mangan memegang peranan penting dalam produksi besi baja karena kemampuannya dalam desulfurisasi, deoksidasi, dan pengaruhnya dalam karakteristik besi baja. 85-90% permintaan mangan di dunia digunakan sebagai elemen paduan. Sebagai contoh, salah satu faktor penting dalam pembuatan baja tahan karat yang rendah biaya adalah mangan.

Proses metalurgi mangan tidak berbeda jauh dengan proses metalurgi besi, kecuali butuh suhu yang lebih tinggi (lebih dari 1200^OC) untuk bisa mereduksi oksida mangan. Logam mangan pertama kali diproduksi dengan sebuah proses aluminotermik pada tahun 1898. DI awal abad 20, beberapa industri komersial mulai melirik produksi logam ini. Proses elektrolisis mangan mulai diperkenalkan pada tahun 1940 dan 14 tahun kemudian pabrik skala industri mulai didirikan. Mangan dihasilkan melalui elektrolisis larutan sulfat dan dijual dalam bentuk sebruk yang diambil dari pelepasan (stripping) deposit pada katoda. Elektrotermik mangan dengan kemurnian sekitar 93-98% pertama kali diproduksi dalam skala industri di Perancis.

Sedikit kandungan mangan akan meningkatkan kemampuan kerja (workability) baja pada suhu tinggi, karena mangan akan membentuk sulfida dengan titik lebur yang tinggi dan mencegah terbentuknya cairan sulfida besi pada batas butir. Jika kandungan mangan mencapai 4%, akan terjadi peningkatan pada sifat kerapuhan pada baja, namun dengan meningkatnya kandungan mangan, sifat kerapuhan ini akan menurun dan mencapai tingkat yag dapat diterima pada 8%. Baja dengan kandungan 8-15% mangan memiliki kekuatan tarik yang tinggi mencapai 863 MPa.

Sedangkan pada aluminum, kandungan mangan sekitar 1,5% meningkatkan ketahanan terhadap korosi karena pembentukan butir yang mampu menyerap pengotor yang menjadi penyebab korosi galvanis. Paduan aluminium 3004 dan 3104 yang tahan korosi dengan kandungan mangan 0,8-1,5% digunakan sebagai kaleng makanan dan minuman. Pada tahun 2000, lebih dari 1,6 juta ton paduan alumunium ini digunakan, dan dengan kandungan mangan 1%, berarti dibutuhkan 16.000 ton mangan.

Paduan antara besi dengan paduan utama mangan disebut ferromangan, dengan kriteria kandungan mangan minimal sekitar 30-80%. Paduan ini diproduksi dengan mencampurkan ore besi dan mangan, seperti hematit dan pirolusit dengan karbon dalam bentuk batu bara atau kokas. Pencampuran ini bisa dilakukan pada tanur tinggi atau sebuah tanur yang menyerupai tanur listrik, yakni submerged arc furnace. Oksida yang telah dimasukkan akan mengalami reduksi karbotermal pada tanur dan menghasilkan ferromangan. Ferromangan biasa digunakan sebagai deoksidasi pada produksi baja.

Mangan memiliki peranan penting dalam pembuatan baja karena menurunkan suhu dimana austenit berubah menjadi pearlit, dan menghindari terjadinya pengendapan sementit pada batas butir ferit, dan meningkatkan kehalusan pada struktur pearlit. Kekuatan dan ketangguhan baja tergantung pada ukuran butir dan fraksi volum yang mengandung pearlit. Elemen paduan, termasuk mangan juga berkontribusi pada pengerasan pada ferit, namun lebih terbatas dibandingkan dengan efek karbon, nitrogen, fosfor bahkan silikon.

Mangan juga meningkatkan respon baja terhadap pendinginan cepat karena efeknya pada suhu transformasi. Mangan juga lemah dalam pembentkan karbida. Kedua hal ini menjadi hal yang menguntungkan pada baja yang diberikan perlakuan panas secara khusus. Efek lain dari mangan adalah kemampuannya menstabilkan austenit pada baja, seperti juga nikel. Meski mangan tidak sekuat nikel dalam menciptakan kestabilan austenit, tetapi mangan memiliki keuntungan dari segi finansial, yakni jauh lebih ekonomis dibanding nikel. Untuk meningkatkan efek mangan pada pembentukan austenit juga dapat digunakan nitrogen, yang merupakan elemen pembentuk austenit.

Karakteristik, Ekstraksi dan Aplikasi Logam Besi

Besi merupakan unsur kimia dengan lambang Fe (Latin : ferrum) dan mempunyai nomor atomik 26. Besi merupakan logam pada deret logam transisi pertama, dengan konfigurasi elektron [Ar] 3d⁶ 4s². Berat atomiknya 55,845 gr, dengan massa jenis 7,874 gr/cm³. Titik leleh sekitar 1538^OC dan jari-jari atomik sebesar 126 pm. Struktur kristalnya adalah BCC (Body-Centered Cubic).

Besi adalah unsur yang paling banyak ditemukan di seluruh bumi, sebagai penyusun mayoritas dari inti dalam dan luar bumi, dan merupakan unsur terbanyak keempat pada kerak bumi, dengan kandungan sekitar 5% dari kerak bumi. Seperti logam transisi lainnya, besi berada pada keadaan oksidasi yang beragam, mulai dari -2 sampai +6, namun umumnya berada pada kondisi +2 dan +3.

Hematite

Besi umumnya ditemukan dalam mineral oksida, dimana yang terbanyak adalah Hematite (Fe₂O₃) dan Magnetite (Fe₃O₄). Unsur besi juga ditemukan pada meteoroid, dan  lingkungan dengan kadar oksigen rendah. Besi murni berwarna abu-abu perak berkilau, namun karena kereaktifannya dengan oksidasi dan air yang cukup tinggi, maka oksida besi akan berwarna coklat kemerahan, atau yang biasa disebut karat.

Besi telah digunakan oleh manusia, sejak zaman dahulu, meski yang pertama kali digunakan dalam sejarah manusia adalah paduan tembaga besi. Hal ini karena besi murni tidak dapat diperoleh melalui peleburan. Besi murni lunak dan dapat diperkuat dan diperkeras oleh pengotor dari proses peleburan, seperti kandungan tertentu karbon (0.2-2.0%) untuk memproduksi baja, yang memiliki ke  kerasan 1000 kali dibandingkan dengan besi murni.

Untuk memproduksi baja, bijih besi dihasilkan di tanur tinggi, dimana mineral besi direduksi dengan kokas menjadi besi tuang. Pemurnian berikutnya dengan peniupan gas oksigen untuk mereduksi kandungan karbon dan menjadi baja. Baja dan paduan besi karbon rendah adalah logam yang paling sering digunakan untuk kepentingan industri, karena besarnya jangkauan karakteristik yang bisa dicapai.

Besi juga merupakan contoh dari logam allotropi, yakni material yang memiliki berbagai fasa / struktur. Terdapat beberapa fasa besi, seperti α, γ, δ, ε dan β. Saat lelehan besi mencapai suhu 1538^OC, mencapai allotrop δ, dengan struktur kristal BCC.  Semakin dingin mencapai suhu 1394^OC, mencapai allotrop γ, biasa disebut austenit, dengan struktur kristal FCC. Pada suhu 912^OC, struktur kristalnya kembali menjadi BCC, atau allotrop α, biasa disebut ferit, dan pada suhu 770^OC besi akan melewati titik Curie, dimana besi akan menjadi magnetik. Pada tekanan diatas 10 GPa dan suhu diatas 800 K, maka fasa α akan berubah menjadi ε, dengan struktur HCP. Fasa β akan terbentuk pada suhu diatas 1500 K dan tekanan di atas 50 GPa.

Untuk proses pembuatan besi, umumnya melalui dua tahapan, kecuali produk yang diinginkan adalah besi tuang. Tahapan pertama adalah membuat pig iron dengan tanur tinggi, atau bisa direduksi langsung. Tahap kedua adalah membuat wrought iron atau baja dari pig iron menggunakan proses yang lebih lanjut.

Pada tanur tinggi, mineral besi yang biasanya berupa hematit dan magnetit direduksi dengan karbon (reaksi karbotermik) dengan suhu sekitar 2000^OC. Mineral besi, kokas, dan flux seperti batu kapur (yang digunakan untuk menghilangkan silikon dioksida) dimasukkan melalui bagian atas tanur, dengan udara panas ditiupkan melalui bagian bawah tanur. Kokas bereaksi dengan oksigen untuk menghasilkan karbon monoksida:

2 C + O₂ à 2 CO

Karbon monoksida bereaksi dengan hematit menjadi lelehan besi, serta menghasilkan karbon dioksida:

Fe₂O₃ + 3 CO à 2 Fe + 3 CO₂

Beberapa kandungan besi pada daerah bawah tanur yang bersuhu tinggi bereaksi langsung dengan kokas:

2 Fe₂O₃ + 3 C à 4 Fe + 3 CO₂

Flux digunakan untuk melelehkan pengotor pada besi, seperti silikon dioksdida dan silkat lainnya. Flux umumnya terdiri dari kalsium karbonat (limestone) dan kalsium-magnesium karbonat (dolomite). Dalam tanur, flux akan terdekomposisi menjadi oksida kalsium:

CaCO₃ à CaO + CO₂

Kemudian oksida kalsium akan bergabung dengan silikon dioksida untuk membentuk terak cair:

CaO + SiO₂ à CaSiO₃

Terak meleleh di dalam tanur, dan di bagian bawah tanur, lelehan terak akan mengambang diatas lelehan besi yang lebih padat, dan lubang pada kedua sisi tanur akan dibuka untuk mengeluarkan lelehan besi dan terak secara terpisah. Besi yang telah membeku, disebut pig iron dan terak dapat digunakan sebagai material pada konstruksi jalan atau meningkatkan tanah yang kurang mineral untuk agrikultur.

Namun, karena penggunaan kokas sekarang semakin diperketat dengan alasan lingkungan, maka terdapat alternatif lain untuk memproses besi. Salah satunya adalah dengan reduksi langsung. Proses ini mereduksi ore besi menjadi besi spons, yang cocok digunakan dalam pembuatan baja. Terdapat dua reaksi utama yang terjadi pada proses ini:

Gas alam (misalnya metana) dioksidasi oleh panas dan katalis:

2 CH₄ + O₂ à 2 CO + 4 H₂

Gas ini akan direaksikan dengan ore besi di tanur, menghasilkan besi spons:

Fe₂O₃ + CO + 2 H₂ à 2 Fe + CO₂ + 2 H₂O

Penghilangan silika dapat dilanjutkan berikutnya dengan menambahkan flux, semisal batu kapur.

Besi tuang yang masih memiliki kandungan 4-5% karbon terlarut dengan pengotor lainnya, masih bersifat keras dan rapuh. Besi tuang ini masih bisa diproses menjadi baja atau besi murni buatan, dengan berbagai macam proses, seperti konverter Bessemer, tanur terbuka (open hearth furnace), tanur oksigen (basic oxygen furnace) dan tanur listrik (electric arc furnace). Secara umum, tujuannya sama, yakni mengoksidasi kandungan karbon yang masih ada dalam besi tersebut. Di sisi lain, dapat juga dilakukan penambahan logam lain untuk membuat paduan baja. Tingkat kekerasan baja tergantung dari kandungan karbonnya, semakin tinggi kandungan karbon maka kekerasan akan meningkat dan kemampuan dibentuk akan menurun. Sifat dari baja dapat diatur dengan beberapa proses, seperti pemanasan (annealing) yang membuat baja lebih lunak, pengerjaan dingin (cold working) untuk meningkatkan kekerasan baja, pemanasan dan pendinginan cepat (quenching) untuk menghasilkan tingkat kekuatan, kekerasan dan kekakuan baja meningkat.

Aplikasi besi sangat luas dalam dunia manufaktur, karena kekuatannya tinggi dan biaya produksi yang relatif rendah dibanding logam lain. Karena besi murni cenderung lunak, maka yang sering digunakan adalah baja. Besi dan baja niasa digunakan dalam permesinan, bagian kendaraan, dan komponen struktur bangunan, seperti aplikasi rangka baja ringan yang dipakai di perumahan.

Banyaknya variasi karakteristik besi yang bisa dicapai melalui pemaduan dengan logam lain membuat logam ini memiliki jangkauan aplikasi yang luas baik dari segi fungsional maupun bertahan dalam lingkungan apapun.

Salah satu kelemahan besi dan baja, adalah besi murni, dan banyak paduannya sangat mudah mengalami korosi jika tidak dilakukan perlindungan spesifik. Bentuk perlindungan yang dapat dilakukan adalah dengan pengecatan, galvanisasi, pelapisan dengan plastik, atau proteksi katodik dengan logam lain.