bambwid@cbm.net.id

Studi pengaruh campuran larutan H2SO4-HCl

dan H2SO4-HNO3 terhadap perilaku korosi

baja karbon ASTM A620 dengan

metode imersi dan polarisasi Bambang Widyanto, Asep Ridwan Setiawan,

Reza Aghla Ardyan, Marlina Siagian Institut Teknologi Bandung, Program Studi Teknik Material, Bandung, 40132, Indonesia

Abstract Sulfuric acid (H2SO4), chloride acid (HCl), and nitric acid (HNO3) are often used in industrial

processes. The mixture of these acids generally used in textile industry. This mixture certainly affects the corrosion resistance of machine components. Observation related to corrosion in acid

mixture is rarely done. Therefore, this research is carried out to observe the corrosion behavior of

ASTM A620 carbon steel in H2SO4-HCl and H2SO4-HNO3 acid mixtures. Corrosion testing in

individual acid and acid mixture is carried out by immersion and polarization methods. In various

concentrations of H2SO4-HCl and H2SO4-HNO3 solutions, i.e. 0.1 M, 0.5 M, and 1 M, the corrosion

rate is lower than the corrosion rate of its individual acid in 1 M. H2SO4-HCl acid mixture cause

uniform and pitting corrosion to the carbon steel, while H2SO4-HNO3 acid mixtures cause only

uniform corrosion. XRD results for H2SO4-HCl are iron (Fe), hematite (Fe2O3), and magnetite

(Fe3O4), meanwhile for H2SO4-HNO3 is iron sulfate hydrate [Fe3(SO4)2(OH).5H2O]. Generally the

corrosion rate increases as the mixture concentration increased. However, H2SO4-HCl mixture with

variation concentration of HCl shows fluctuating trend. Based on this observation, the effect of acid mixture to machine components in industry can be represented. Keywords sulfuric acid, chloride acid, nitric acid, acid mixture, carbon steel

1. Pendahuluan Asam mineral seperti asam sulfat, asam

klorida, dan asam nitrat seringkali digunakan pada

industri tekstil. Konsentrasi asam yang umum

digunakan pada industri tekstil adalah H2SO4 1 M,

4,5 M, dan 5 M, HCl 4 M, serta HNO3 1,5 M, 4 M,

dan 8 M [1]. Pemrosesan pada industri tekstil umumnya dilakukan pada temperatur kamar, yaitu

sekitar 20oC [1]. Komponen mesin yang digunakan

pada industri ini umumnya terbuat dari baja karbon

yang akan terkorosi pada lingkungan asam. Literatur

mengenai pengaruh lingkungan campuran larutan

asam terhadap baja karbon masih jarang ditemui.

Karena itu, penelitian mengenai pengaruh campuran

larutan asam terhadap baja karbon perlu dilakukan.

Penelitian dimulai dengan melakukan studi

literatur dari jurnal ilmiah, buku teks, serta artikel

internet yang terkait dengan topik. Kemudian

dilakukan eksperimen serta karakterisasi sehingga diperoleh data penelitian.

Tujuan penelitian ini adalah untuk

menentukan pengaruh berbagai konsentrasi

campuran larutan H2SO4-HCl dan H2SO4-HNO3

terhadap laju korosi spesimen baja karbon dengan

metode imersi dan polarisasi. Melalui penelitian ini

juga dapat diketahui bentuk kerusakan spesimen

serta produk korosinya.

2. Metode

2.1 Material Pengujian korosi dengan metode imersi

dan polarisasi dilakukan dengan menggunakan

spesimen berupa pelat baja karbon sangat rendah

ASTM A620 [2] dengan komposisi 0,003% (C),

0,004% (Si), 0,003% (S), 0,008% (P), 0,07% (Mn),

0,01% (Ni), 0,01% (Cr), dan 99,8% (Fe). Spesimen

untuk pengujian metode imersi berbentuk persegi

panjang (40 mm x 20 mm x 1 mm) [3] sementara

spesimen untuk pengujian metode polarisasi

berbentuk persegi (10 mm x 10 mm x 1 mm) [4].

2.2 Larutan

Pengujian dengan metode imersi dan

polarisasi dilakukan dengan variasi konsentrasi

H2SO4, HCl, dan HNO3 sebesar 0,1 M, 0,5 M, dan 1

M. Larutan asam merupakan larutan analitis yang

diproduksi oleh Bratachem. Pada penelitian ini,

campuran larutan asam yang diamati adalah H2SO4-

HCl dan H2SO4-HNO3.

2.3 Prosedur

2.3.1 Metode imersi

Prosedur pengujian imersi dilakukan dengan mengacu kepada ASTM G1-03 [5] dan

G31-72 [3]. Spesimen dipotong dan dibersihkan

menggunakan amplas grade 320, 600, dan 1000

secara bertahap. Spesimen kemudian dicuci,

ditimbang berat awalnya, diimersi pada larutan

aqua dm, serta dikeringkan dengan aseton. Setelah

itu, dua buah spesimen diimersi dalam 100 ml

larutan asam selama 7 hari. Variasi larutan asam

yang digunakan ditunjukkan pada Tabel 1 dan Tabel

2. Gelas kimia ditutup dengan kaca arloji untuk

mencegah penguapan larutan dan pH larutan diamati setiap hari menggunakan pH-meter. Setelah

7 hari, pickling dilakukan pada salah satu spesimen

uji dengan menggunakan larutan HCl pekat, lalu

kemudian ditimbang berat akhirnya sehingga

diperoleh nilai laju korosinya. Sementara itu,

pemotongan penampang melintang dilakukan pada

spesimen lainnya untuk melihat bentuk korosi yang

terjadi. Larutan hasil pengujian disaring menggunakan kertas saring lalu dikeringkan

sehingga diperoleh produk korosi berupa bubuk.

Produk korosi ini kemudian dikarakterisasi dengan

menggunakan X-Ray Diffraction (XRD) sehingga

dapat diketahui senyawa dari produk korosi

tersebut.

Tabel 1 Matriks larutan tunggal

1 2 3 4 5 6

H2SO4 0.1 M 100

ml x x x x x

H2SO4 0.5 M x 100

ml x x x x

H2SO4 1 M x x 100

ml x x x

HCl 0.1 M /

HNO3 0.1 M x x x

100

ml x x

HCl 0.5 M /

HNO3 0.5 M x x x x

100

ml x

HCl 1 M /

HNO3 1 M x x x x x

100

ml

Tabel 2 Matriks campuran larutan

7 8 9 10 11

H2SO4 0.1 M x x 50

ml x x

H2SO4 0.5 M x x x 50

ml x

H2SO4 1 M 50

ml

50

ml x x

50

ml

HCl 0.1 M /

HNO3 0.1 M

50

ml x x x x

HCl 0.5 M /

HNO3 0.5 M x

50

ml x x x

HCl 1 M /

HNO3 1 M x x

50

ml

50

ml

50

ml

2.3.2 Metode polarisasi Prosedur pengujian polarisasi dilakukan

dengan mengacu kepada ASTM G5-94 [4] dan

G59-97 [6]. Spesimen dipotong, kemudian

dilakukan spot welding untuk menempelkan kawat

stainless steel pada spesimen. Spesimen kemudian

di-mounting lalu dibersihkan dengan menggunakan

amplas grade 600, 1000, dan 2000 secara bertahap.

Spesimen dipoles, dicuci, diimersi dalam aqua dm,

dan dikeringkan dengan aseton. Setelah itu,

spesimen dipasang pada bagian depan chamber dan

larutan asam dimasukkan ke dalam chamber.

Variasi larutan asam yang digunakan mengacu pada

Tabel 1 dan Tabel 2, namun volume larutan asam

tunggal yang digunakan sebesar 300 ml dan volume

campuran larutan asam untuk masing-masing asam

adalah sebesar 150 ml. Kemudian auxiliary

electrode (elektroda karbon) dan elektroda referensi

dipasang pada bagian atas chamber. Seluruh elektroda dihubungkan dengan kabel dari

potensiostat yang tersambung dengan komputer.

Sistem dibiarkan selama kurang lebih 1 jam, lalu

pengujian dimulai dengan menggunakan software

VersaStudio sehingga diperoleh kurva polarisasi.

Teknik Tafel extrapolation dilakukan dengan

menggunakan software OriginLab, yaitu dengan

cara menarik garis linier pada kurva polarisasi.

Melalui teknik ini dapat diperoleh nilai laju korosi

yang terjadi.

3. Hasil dan pembahasan 3.1 Hasil metode imersi

Laju korosi metode imersi diperoleh

melalui data berat spesimen yang hilang setelah

pengujian [3]. Pada larutan tunggal H2SO4, HCl,

dan HNO3, laju korosi meningkat seiring dengan

meningkatnya konsentrasi larutan, seperti

ditunjukkan pada Gambar 1. Sementara itu, laju

korosi campuran larutan H2SO4-HCl dan H2SO4-

HNO3 juga menunjukkan kenaikan seiring dengan

meningkatnya variasi konsentrasi larutan, seperti

ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 1 Laju korosi H2SO4, HCl, dan HNO3

Gambar 2 Laju korosi H2SO4-HCl dan H2SO4-HNO3

Jika laju korosi pada larutan asam tunggal

dan campuran asam ditinjau, maka ada beberapa hal

yang dapat dianalisa. Gambar 3 menunjukkan laju

korosi pada larutan H2SO4-HCl secara rinci. Pada

campuran larutan H2SO4-HCl, ketika konsentrasi

H2SO4 di bawah 1 M, nilai laju korosinya berada di

atas nilai laju korosi masing-masing komponen

pencampurnya yang menunjukkan adanya efek

sinergi. Pada campuran asam dengan konsentrasi

H2SO4 1 M, nilai laju korosinya berada di antara

nilai laju korosi masing-masing komponen

pencampurnya. Namun, nilai laju korosi pada

campuran asam lebih mendekati nilai laju korosi

pada larutan H2SO4. Hal ini menunjukkan bahwa

peran larutan H2SO4 lebih dominan dalam

mengkorosikan spesimen.

Gambar 3 Laju korosi H2SO4-HCl

Laju korosi pada larutan H2SO4-HNO3

secara rinci ditunjukkan pada Gambar 4. Pada

campuran larutan H2SO4-HNO3, ketika salah satu

asam ditahan 1 M dan asam lainnya divariasikan

pada kondisi 0,1 M, maka laju korosi campuran

larutan asam lebih tinggi dari laju korosi larutan

asam tunggal pada 0,1 M. Namun, laju korosi

campuran asam pada kondisi tersebut nilainya tetap

di bawah laju korosi larutan asam tunggal pada 1

M. Sementara itu, pada campuran larutan asam

yang keduanya berada di kondisi 1 M, laju

korosinya lebih rendah dibandingkan dengan laju

korosi larutan asam tunggal pada 1 M.

Gambar 4 Laju korosi H2SO4-HNO3

Secara umum, ketika dua larutan asam

dicampurkan, maka konsentrasi dari masing-masing

larutan asam akan mengalami penurunan. Hal ini

terjadi berdasarkan prinsip kelarutan. Secara kimia,

ketika suatu larutan asam dicampurkan dengan

larutan asam lainnya, sulit untuk menentukan penurunan konsentrasi yang terjadi secara pasti.

Tetapi nilai penurunan konsentrasi dapat diprediksi

dengan menggunakan prinsip kelarutan dalam air.

Penurunan konsentrasi ini yang menyebabkan laju

korosi pada campuran asam di kondisi 1 M nilainya

lebih rendah dibandingkan laju korosi masing-

masing asam pada kondisi 1 M.

3.2 Hasil metode polarisasi

Kurva polarisasi menunjukkan bahwa nilai

potensial korosi (Ecorr) semakin meningkat seiring

meningkatnya variasi konsentrasi campuran asam. Melalui Gambar 5 dapat disimpulkan bahwa lapisan

oksida paling mudah terbentuk pada campuran

larutan H2SO4 1 M + HCl 1 M. Sementara itu,

melalui Gambar 6 dapat disimpulkan bahwa lapisan

oksida paling mudah terbentuk pada campuran

larutan H2SO4 1 M + HNO3 1 M. Hal tersebut

membuktikan bahwa baja karbon lebih tahan

terhadap korosi pada campuran larutan asam dengan

konsentrasi masing-masing asam sebesar 1 M.

Gambar 5 Kurva polarisasi H2SO4-HCl

Gambar 6 Kurva polarisasi H2SO4-HNO3

Metode polarisasi dilakukan pada larutan

asam tunggal dan nilai laju korosinya diperoleh

dengan teknik Tafel extrapolation. Pada larutan

H2SO4 dan HNO3, laju korosi meningkat seiring

dengan meningkatnya konsentrasi larutan.

Sebaliknya, pada larutan HCl, laju korosi menurun

seiring meningkatnya konsentrasi larutan. Hal ini

dapat terjadi karena terbentuknya lapisan oksida stabil pada waktu tertentu dan pada konsentrasi

tertentu dari HCl.

Tabel 3 Data polarisasi

Larutan

Ecorr

terhadap

SCE

(V)

icorr

(μA/cm2)

Laju

Korosi

(mpy)

H2SO4 0.1 M -0,529 116,95 53,66

H2SO4 0.5 M -0,480 526,02 241,35

H2SO4 1 M -0,409 1049,54 481,56

HCl 0.1 M -0.517 99,54 45,67

HCl 0.5 M -0.489 89,33 40,99

HCl 1 M -0.436 45,92 21,07

HNO3 0.1 M -0,504 724,44 332,39

HNO3 0.5 M -0,347 4709,77 2160,98

HNO3 1 M -0,335 7516,23 3448,67

H2SO4 1 M +

HCl 0.1 M -0,497 106,66 48,94

H2SO4 1 M +

HCl 0.5 M -0,480 228,56 104,87

H2SO4 0.1 M

+ HCl 1 M -0,477 70,79 32,48

H2SO4 0.5 M

+ HCl 1 M -0,474 66,37 30,45

H2SO4 1 M +

HCl 1 M -0,406 64,42 29,56

H2SO4 1 M +

HNO3 0.1 M -0,451 3427,68 1572,72

H2SO4 1 M +

HNO3 0.5 M -0,399 3828,25 1756,51

H2SO4 0.1 M

+ HNO3 1 M -0,428 3784,43 1736,41

H2SO4 0.5 M

+ HNO3 1 M -0,405 3872,58 1776,85

H2SO4 1 M +

HNO3 1 M -0,397 4753,35 2180,98

Laju korosi pada campuran larutan H2SO4-

HCl dengan konsentrasi H2SO4 ditahan 1 M dan

konsentrasi HCl divariasikan, memiliki nilai yang

fluktuatif. Laju korosi naik pada konsentrasi HCl

0,5 M, lalu menurun pada konsentrasi HCl 1 M. Hal

ini dapat disebabkan karena lapisan oksida yang

terbentuk pada konsentrasi HCl 0,5 M tidak stabil

sedangkan pada konsentrasi HCl 1 M lebih stabil.

Namun, ketika konsentrasi HCl ditahan 1 M dan

konsentrasi H2SO4 divariasikan, nilai laju korosinya

cenderung turun namun tidak signifikan. Hal ini

dapat terjadi karena pada konsentrasi HCl 1 M

lapisan pasif yang terbentuk stabil. Nilai laju korosi

secara rinci ditunjukkan pada Tabel 3.

Sementara itu, laju korosi pada campuran

larutan H2SO4-HNO3 meningkat seiring

meningkatnya variasi konsentrasi larutan, namun

nilai laju korosinya lebih dekat ke larutan HNO3.

Tabel 3 menunjukkan bahwa pada pengujian dengan

waktu yang singkat, laju korosi tahap awal pada larutan tunggal HNO3 jauh lebih tinggi

dibandingkan pada larutan tunggal H2SO4. Hal ini

menyebabkan campuran asam yang mengandung

larutan tunggal HNO3 nilai laju korosinya jauh lebih

tinggi pula. Dapat disimpulkan bahwa penambahan

HNO3 dengan konsentrasi yang sedikit (0,1 M)

berpengaruh sangat signifikan terhadap kenaikan

nilai laju korosi tahap awal.

3.3 Pemotongan penampang melintang

Pada spesimen imersi dilakukan

pemotongan penampang melintang dan penampang tersebut diamati dengan mikroskop optik. Gambar 7

dan Gambar 8 menunjukkan titik pengamatan

(gambar kiri) dan penampang melintangnya (gambar

kanan). Garis kuning pada gambar kanan

menunjukkan ketebalan awal spesimen.

Gambar 7 Penampang melintang H2SO4 1 M + HCl 1 M

Gambar 8 Penampang melintang H2SO4 1 M + HNO3 1 M

Melalui Gambar 7 diketahui bahwa

campuran larutan H2SO4-HCl menyebabkan korosi

seragam dan korosi sumuran. Sementara itu, melalui

Gambar 8 diketahui bahwa campuran larutan H2SO4-HNO3 menyebabkan korosi seragam saja.

Pada penelitian ini, pemotongan penampang

melintang dilakukan pada spesimen yang

menggunakan campuran larutan asam dengan

masing-masing konsentrasi asam 1 M.

3.4 Hasil X-Ray Diffraction (XRD)

Gambar 9 Hasil XRD H2SO4 1 M + HCl 1 M

Pada campuran asam H2SO4 1 M + HCl 1

M, larutan hasil pengujian disaring dan dikeringkan

sehingga diperoleh produk korosi berupa bubuk

berwarna abu-abu kehitaman. XRD dilakukan untuk

menentukan senyawa dari produk korosi sehingga

diketahui senyawanya adalah besi (Fe), hematite (Fe2O3), dan magnetite (Fe3O4). Mekanisme

terbentuknya produk korosi tersebut adalah sebagai

berikut [7,8]:

Fe(OH)3 FeO(OH) + H2O (1) 2FeO(OH) Fe2O3 + H2O (2)

3Fe2O3 (s) + H2 2Fe3O4 (s) + H2O (3)

Fe(OH)3 merupakan hasil reaksi oksidasi

dari Fe(OH)2 [9]. Fe(OH)2 tersebut terbentuk dari

produk korosi FeCl2 yang mengalami reaksi

hidrolisis [9]. Fe(OH)3 kemudian bereaksi menjadi

FeO(OH), lalu bereaksi kembali menghasilkan

produk korosi Fe2O3 dan Fe3O4.

Gambar 10 Hasil XRD H2SO4 1 M + HNO3 1 M

Pada campuran asam H2SO4 1 M + HNO3

1 M, larutan hasil pengujian disaring dan

dikeringkan sehingga diperoleh produk korosi

berupa bubuk berwarna coklat kekuningan. Melalui

hasil XRD, diketahui bahwa senyawa dari produk

korosi tersebut adalah iron sulfate hydrate

[Fe3(SO4)2(OH)5.2H2O]. Produk korosi ini dapat

terbentuk dari reaksi sebagai berikut [10]:

6Fe

2+ + 4SO4

2- + 9H2O + 5/2 O2 2Fe3(SO4)2(OH)5.2H2O (4)

Pada produk korosi tidak ditemukan

adanya kandungan nitrogen. Hal ini dapat terjadi

karena ketika ion besi (Fe2+) bereaksi dengan ion nitrat (NO3-), maka akan terbentuk besi (II) nitrat

[Fe(NO3)2] yang memiliki kelarutan sangat tinggi di

fasa cair [11]. Hal ini menyebabkan besi (II) nitrat

terlarut kembali dan tidak dapat ditemukan pada

produk korosi. Selain itu, hasil reaksi reduksi dari

larutan HNO3 adalah gas NO [12]. Hasil yang

berupa gas ini membuat kandungan nitrogen tidak

dapat ditemukan dalam produk korosi berupa

bubuk.

4. Kesimpulan

Melalui metode imersi, laju korosi pada larutan

asam tunggal dan campuran larutan asam

nilainya meningkat seiring dengan peningkatan

variasi konsentrasi larutan.

Melalui metode polarisasi, secara umum laju

korosi pada larutan asam tunggal dan campuran

larutan asam nilainya meningkat seiring dengan

peningkatan variasi konsentrasi larutan, kecuali

pada larutan tunggal HCl dan seluruh campuran

larutan asam yang mengandung larutan HCl.

Campuran larutan H2SO4-HCl menyebabkan

korosi seragam dan korosi sumuran pada spesimen baja karbon, sementara campuran

larutan H2SO4-HNO3 hanya menyebabkan

korosi seragam. Hal ini dibuktikan melalui

pengamatan penampang melintangnya.

Produk korosi dari campuran larutan H2SO4 1

M + HCl 1 M adalah besi (Fe), hematite

(Fe2O3), dan magnetite (Fe3O4), sementara

produk korosi dari campuran larutan H2SO4 1

M + HNO3 1 M adalah iron sulfate hydrate.

Daftar Pustaka [1] Ducting Hose Oregon, Hydralink, available at:

hydralink.hydrasun.com/specification_sheets/E

OS05007.pdf, diakses 6 Juni 2015.

[2] Krakatau Steel, Cold rolled coil and sheet

products, available at: www.krakatausteel.com/

pdf/CRC_KS.pdf, diakses 27 November 2014. [3] ASTM G31-72, 2004, Standard practice for

laboratory immersion corrosion testing of metals.

[4] ASTM G5-94, 1999, Standard reference test method for making potentiostatic and potentiodynamic anodic polarization measurements.

[5] ASTM G1-03, 2003, Standard practice for preparing, cleaning, and evaluating corrosion test specimens.

[6] ASTM G59-97, 2004, Standard test method for conducting potentiodynamic polarization resistance measurements.

[7] Rust, 2015, available at:en.wikipedia.org/wiki/ Rust, diakses 22 Mei 2015.

[8] Iron (II,III) oxide, 2014, available at: en.wikip edia.org/wiki/Iron%28II,III%29oxide, diakses 22 Mei 2015.

[9] Revie, R. Winston dan Uhlig, Herbert H., 2008, Corrosion and Corrosion Control, an Introduction to Corrosion Science and Engineering, Fourth Edition, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey.

[10] Lunar and Planetary Institute, Sampling the oxidative weathering products and the potentially acidic permafrost on mars, 1988, available at: adsabs.harvard.edu/full/1988msrs .work...46B, diakses 23 Maret 2015.

[11] Wattanaphan, Pathamaporn, 2012, Studies and Prevention of Carbon Steel Corrosion and Solvent Degradation during Amine-based CO2 Capture from Industrial Gas Streams, Thesis, Faculty of Graduate Studies and Research, University of Regina, Regina.

[12] Wiersma, B. J. dan Subramanian, K. H., 2002, Corrosion Testing of Carbon Steel in Acid Cleaning Solutions (U). Westinghouse Savannah River Company, South Carolina.