Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan Limbah VPusat Teknologi Limbah Radioaktif - SATAN

.SORPSI KADMIUM PADA Na-BENTONIT

Pratomo Budiman Sastrowardoyo, Teddy SumantryPusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN

ISSN 1410-6086

ABSTRAK

SORPSI KADMIUM PADA NA-BENTONIT. Penelitian tentang sorpsi Cd dengan Na-bentonit sebagaicalon bahan bufer pada sistem penyimpanan limbah radioaktif telah dilakukan. Kadmium digunakandalam penelitian ini sebagai model untuk unsur bervalensi II. Metode catu dengan pengocokan diadopsiuntuk mempelajari isoterm sorpsi, pengaruh karbonat dan pengaruh EDT A terhadap sorpsi. Dalammedia sederhana, aquades, sorpsi Cd terjadi dengan afinitas yang besar. Isotherm sorpsi Freundlich 2tahap diperlihatkan dengan koefisien distribusi dan kapasitas sorpsi yang tinggi. Adanya karbonatdalam fasa larutan tidak memberikan pengaruh berarti terhadap sorpsi. Sementara itu adanya EDTAdalam larutan menurunkan nilai Kd.

ABSTRACT

SORPTION OF CADMIUM ON NA-BENTONITE. The sorption of Cd radionuclide into Na-bentonite ascandidate for buffer material in the radioactive waste disposal system has been performed. Cadmiumwas used for this study as a model for bivalence elements. Batch experiment was adopted to studysorption isotherm, influence of carbonate and influence of EDTA. In a simple media, pure water, Cd wasretained with a high affinity. Two stages Freundlich sorption isotherm was shown, with high coefficientdistribution and sorption capacities. It is shown that the presence of carbonate in solution was not affectsignificantly to the sorption. While the presence of EDT.A:,decrease the distribution coefficient value.

Kata kunci: sorpsi, kadmium, migrasi, limbah radioaktif, penyimpanan limbah

PENDAHULUAN

Telah disepakati di banyak negarabahwa natrium bentonit dalam bentuk

terkompaksi dipertimbangkan untuk digunakansebagai calon buffer material pada sistempenyimpanan limbah radioaktif. Hal initerutama karena konduktivitas hidraulik yangrendah serta retardasi yang tinggi terhadapmigrasi radionuklida [1]. Fungsi konduktivitashidraulik pada Na-bentonit adalah untukmenghambat intrusi air tanah ke dalam fasilitaspenyimpanan, yang karenanya akan menundakorosi canister limbah. Diperkirakan bahwakemampuan tersebut turun sedikitnya setelahratusan tahun. Proses dihipotesakanselanjutnya ialah pelarutan radionuklida kebadan air tanah, diikuti pelepasannya kelingkungan. Dalam kaitan ini kemudian fungsiisolasi bentonit terhadap migrasi radionuklidaakan menonjol. Sepanjang transportnya didalam buffer material, radionuklida akanberinteraksi dengan mineral-mineral dalambahan tersebut, yang terutama adalah smektit.Seperti telah banyak dikenal smektitmerupakan mineral major dalam bentonit.Interaksi radionuklida-bentonit dapatdideskripsikan dengan mekanisme sorpsi.Pengertian sorpsi mencakup setiap prosesfisiko-kimia perpindahan masa dari fasa larutanke fasa padatan, baik tak langsung (filtrasimolekuler, eksklusi ion) maupun langsung;

95

secara reversibel (adsorpsi fisik, pertukaranion) atau ireversibel (mineralisasi, presipitasi)[2]. Sejumlah penelitian berkaitan denganmigrasi radionuklida dalam bentonit telahbanyak dipublikasikan. Namun data yang adalebih banyak diperoleh untuk jenis Na-bentonitWyoming (USA), dan Kunigel V1 (Jepang) [3­9]. Sedangkan penggunaan benton it asalIndonesia, yang berpotensi untuk digunakandalam sistem penyimpanan limbah diIndonesia, masih sangat langka. Karena itudalam penelitian ini digunakan benton it asalNanggulan Kulonpogo- Yogyakarta, yangmerupakan jenis Ca-bentonit [10]. PadaGambar 1 disajikan skema mineralmontmorillonite, merupakan 'mineral majordalam bentonit [11].

Dalam makalah ini disajikan sorpsi Cdpada Na-bentonit. Unsur Cd digunakansebagai model unsur valensi II. Radionuklidadari unsur valensi II terse but banyak berasaldari hasil fisi dalam bahan bakar nuklir maupunrasil aktivasi neutron dalam reaktor [12].Limbah yang mengandung radionuklidaiersebut dapat dimasukkan ke dalam kategoriaktivitas tinggi atau aktivitas rendah dansedang. Tidak banyak dilakukannya penelitiansorpsi Cd pada bentonit tersebut. Tetapi dapatdicatat adanya penelitian untuk menghitungkoefisien distribusi secara mekanistik sorpsi Cdpada bentonit Wyoming [13-15]. Sedangkan

ProsidingSeminar Teknologi Pengelolaan Limbah VPusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN

ISSN 1410-6086

pada penggunaan benton itKulonpogo-Yogyakarta, untukpenelitian sorpsi meliputi sorpsi[17], serta Cs, Sr, dan Pb [18].

Nanggulanpenelitian­

Co [16], Zn

tanah. Sementara itu EDT A digunakan sebagaimodel pengompleks organik semacam asamhumus. Hasil dari penelitian ini diharapkandapat diintroduksi ke dalam model migrasiradionuklida, yang kemudian akan digunakandalam pengkajian unjuk kerja engineeredbarrier pada sistem penyimpanan limbahradioaktif.

.IS;

60.1io .••*',1.••••

Gambar 1. Skema struktur montmorillonite,mineral major dalam benton it,

Andrews et aI., 1996 [11]

Pengukuran-pengukuran sorpsidiawali dengan kondisi untuk larutanEJe,llC::lter,yai\u pengg1maan media sederhana(air mum i) untu.< isoterm sorpsi. Untukmengawali penggunaan air tanah dengankomposisi yang kompleks, penelitiandilanjutkan dengan pengaruh karbonat danpengaruh EDTA dalam fasa larutan. Karbonatdipilih sebagai model pengompleks anorganik,yang terdapat dalam hampir semua jenis air

1,p'

60iDh.~.plaa.

40 "10M

J.\J •. F.tDl)erMcan

40·1011

TATAKERJA

Bentonit asal Nanggulan Kulon ProgoYogyakarta, jenis kalsium-bentotit, digunakandalam penelitian ini. Komposisi kimia disajikanpada Tabel 1 [10]. Na-bentonit disiapkandengan prosedur yang diadopsi dari pustaka

[19]. Larutan Cd2+ yan~ digunakan mencakup 2jenis: yaitu larutan Cd +1000 ppm dalam 0,2 NHCI, yang telah tersedia (dari E.Merck); danlarutan Cd2+ 0,1 N, yang dibuat denganmelarutkan 0,9164 9 CdCb (Aldrich) dalam 100ml. Larutan karbonat dibuat denganmelarutkan 0,3974 9 Na2COJ (E.Merck) dalam100 ml. Larutan EDT A (y4) diperoleh denganmelarutkan 1,3949 9 ClOHI;>N2NaJHOa.2H20(E.Merck) dalam 10C ml. Bahan-bahan lainmeliputi HNOJ pekat, NaOH dll.

Peralatan utama yang digunankanmeliputi alat Spektrometri Serapan Atom(SSA), syringe micro-filter 0,45 ~lm, rollingshaker, serta botol-botol polietilena.

Tabel1. Komposisi kimia bentonit asal Nanggulan Kulon Progo Yogyakarta [10].

No Parameter KomposisiMethods

1

Si02 84,79Gravimetri

2

AI203 undetectableSSA

3

Fe203 undetectableSSA

4

CaO 3,22kompleksometri

5

MgO 0,40SSA

6

Free Acid 0,08Titrimetri

7

pH (10% larutan) 6,5Elekrometri

8

Loss on ignition 13,29Gravimetri

Teknik pengocokan sederhanadilakukan seperti dalam publikasi [20J. Kontak15 ml larutan Cd2+ dengan 0,1 9 Na-bentonitdilaksanakan dalam botol polietilena. Padapercobaan isoterm sorpsi, dilakukan variasikonsentrasi Cd2+ pada 2-1000 ppm (tahap 1),serta pada konsentrasi 2300 dan 4600 ppm(tahap 2). Pada percobaan pengaruhpengompleks karbonat dan EDT A, digunakan

96

[Cd2+] = 2 ppm (6x10·5 N). Pada percobaanpengaruh pengompleks, laru!an karbona! danEDT A masing-masing ditambahkan untukmencapai konsentrasi pengompleks dalamlarutan 1x10-4 - 5xlO'2 N.

Pengocokan dilakukan denganbantuan alat rolling shaker pada 276 rpm,selama 6 hari. Lalu pemisahan fasa padatandan fasa cairan dilakukan dengan bantuan

(1)

Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan limbah VPusat Teknologi Limbah Radioaktlf - SATAN

syringe micro-filter 0,45 Jlm. Penambahan 0,8

ml HN03 pekat ke dalam 10 ml filtrat,diperlukan untuk pengukuran konsentrasidengan alat SSA, pada panjang gelombang f.. =228,8 nm.

Kuantifikasi sorpsi dilakukan denganpengukuran koefisien distribusi (Kd), yangdidefinisikan sebagai ratio konsentrasiradionuklida pada padatan, [Cd]s, dan dalamlarutan pad a kesetimbangan, [Cd]I, [2]

Kd_[Cd],- [Cd r

ISSN 1410-6086

beraneka [21]. Secara umum isotermFreundlich dapat ditulis sebagai:

10g[Cd]. = a + n.log[Cd 1 (2)

dalam kaitan ini Ca dan K masing-masing ialahkapasitas sorpsi dan kesetimbangan sorpsi.Hasil pengukuran kemiringan dan penentuanintercept dirangkum pada Tabel 2. Denganpersamaan (2), untuk konsenlrasi Cd dalam

larutan [Cd]1 = 1x 10-6 ek///) diperoleh suatukoefisien distribusi Kd = 1x10 I/kg.

I.O~~02

o

Gambar 2. Isolerm sorpsi Cd padaNa-benlonit, bentuk log

HASIL DAN PEMBAHASAN

Oari percobaan isoterm sorpsi, padapenggunaan konsentrasi· awal Cd2+ sampaidengan 1000 ppm diperlihatkan adanya

kenaikan konsentrasi Cd2+ terse rap ~ada Na­benton it terhadap konsentrasi Cd + dalamlarutan. Pada penggunaan konsentrasi Cd2+lebih tinggi, dicapai nilai sorpsi maksimum,yang diadopsi sebagai suatu kapasitas, Ca,

dan diperoleh Ca = 2,65 eq/kg. Pada Gambar.2 disajikan bentuk log isoterm sorpsi.Oiperlihatkan adanya 2 kurva linier berbeda,yang diinterpretasikan isoterm sorpsi mengikuliaturan Freundlich dalam 2 lahap. lotermFreundlich mengindikasikan bahwa afinitassorpsi Cd pada tanah terjadi pada site sorpsi

Y - 0,38 X + O,~9

1.01·~O~ I.O~~OI

Tabel 2. Parameter isoterm Freundlich untuk sorpsi kadmium pada Na-bentonit

INo Parameter Tahap 1Tahap 2--1

Kemiringan, n 0,380,58

2

tntercept, a 0,591,49

3

Koefisien distribusi, Kd 1x106 ek/kg-

Pada [Cd2+]1= 1x1 0-6 N

Oari pengamatan pH, diperlihatkannilai pH sekitar 2 untuk konsentrasi Cd2+ tinggidan sekitar 8 untuk konsentrasi Cd2+, Sepertiyang biasanya nilai Kd turun terhadapkonsentrasi Cd2+ dalam larutan, selanjutnyadapat diduga kemungkinan turunnya nilai Kdtersebut berkaitan dengan kompetisi antaraion-ion H+ dan Cd2+, Seperti dinyatakan dalambanyak pustaka, bahwa dalam kondisi adanyaNa-bentonit dalam suspensi, pH larutan dapatberkisar antara 6 hingga 11 [22]. Walaupunstudi spesiasi belum dilakukan selengkapnya,namun layak diduga bahwa pada kondisi­kondisi pH tersebut sorpsi terjadi melaluipembentukan spesi-spesi dalam larutanberupa Cd2+, Cd(OH)+ dan Cd(OHh [23],Selain itu kemungkinan terjadinya

97

pengendapan CO(OH)2(S) pada konsentrasiCd2+ dapat memberikan kontribusi bagi sorpsiunsur tersebut.

Percobaan pengaruh karbonatdisajikan pada Gambar 3, yangmemperlihatkan adanya kenaikan nilai Kd,hingga [COll = 1x10·3 N, kemudian turunsebagai fungsi penambahan karbonat dalamlarutan. Oalam hal ini pH larutan naik dari 7,0pada [COll = 1x1 0-4 N hingga pH = 8,3 pada[COll = 1x10·3 N. Penjelasan yang dapatdiajukan ialah bahwa pada penambahankarbonat, selain spesi-spesi Cd2+, Cd(OH)' danCd(OH)2, terdapat kemungkinan terbentuknyaspesi CdC03 pada penambahan karbonattinggi [23]. Tanpa muatan positif, CdC03rt,erupakan spesi yang kurang terseorpsi.

Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan Limbah VPusat Teknologi Limbah Radioaktif - BATAN

Belum ada penjelasan bahwa nilai Kd rendahpad a penambahan [CO/l dibawah 1x10'3 N.Sedangkan sebab penurunan nilai Kd setelahmelampaui [CO/l = 1x1Q'3 N dapat berasaldari kenaikan [CdC03J. Dibandingkan tanpapenambahan karbonat, nilai Kd pada padapenambahan karbonat sedikit turun dengansuatu faktor 4. Secara umum dapat dinyatakanbahwa penambahan karbonat tidak banyakberpengaruh terhadap sorpsi Cd pad a Na­bentoni!.

ISSN 1410-6086

Cd pad a Na-bentoni!. Sedangkan adanyaEDTA, akan menyebabkan penurunan Kd.

..S1

Sum bang an adanya pengendapanCd(OHh(s) pada pH tinggi dalam larutan, sertaCdC03(s) pada penambahCln karbonat, akanmerupakar. faktor favourable tambahan.Sementara, yang perlu diwaspadai ialahadanya EDTA dalam fasa larutan yangmenurunkan nilai Kd. Dengan metodepengocokan sederhana, telah diperoleh databaru dan penting tentang sorpsi pada buffermaterial, yang dapat disumbangkan untukpengayaan bank data tentang perilakuradionuklida dalam engineered barrier.

DAFT AR PUST AKA

1. PUSH, R.: Use of Clays as Buffer inRadioactive Repository, Lulea University,Lulea Swedia (1983).

2. McKinley, I.G., Hadermann, J.,:Radionuclide sorption data base for Swisssafety assesement, NAGRA-CEDRA, TR84-40, Wurenlingen-Switcherland (1985).

3. Tsukamoto, M., Fujita, T., Ohe, T.:Surface Complexation Modeling forDesorption of Actinide Sorption at theBuffer Material/ Water tnterface, J. Nucl.Mat. 248, 333 (1997).

4. Hsu, C.N., Chang, K.P.: Sorption andDesorption Behavior of Cesium on SoilComponents, Appl. Radial Isotop 45 (4),433 (1994).

5. Oscarson, D.W., Hume, H.B., King, F.:Sorption of Cesium on CompactedBentonite, Clays Clay Mineral 42, 731(1994).

6. Ohnuki, T. Kozai, N.: SorptionCharacteristic of Radioactive Cesium andStrontium on Smectite, Radiochim. Acta66/67,327 (1994).

Gambar 4. Pengaruh EDTA terhadapsorpsi Cd pada Na-bentonit

1.0E+06

<>

I DE+04 /\-;n

~"o <>~

I DE ~O2

10['00

I OE·OS

I 01. 0·'10E·oJJ OE·O~101'·01

(lIeUJ·J

Gambar 3. Pengaruh karbonat terhadapsorpsi Cd pada Na-bentonit

Untuk pengaruh EDT A terhadapsorpsi Cd pada Na-bentonit disajikan padaGambar 5. Nilai Kd turun terhadap kenaikankonsentrasi EDT A. Berdasarkan datatermodinamik [23]. dapat dijelaskankemungkinan terjadinya spesi-spesi Cdy2. danCdyO·. Dengan y4. ialah bentuk (ClOHI2N20et.Spesi kompleks yang terjadi ialah berupaanion-anion, yang tidak terikat oleh Na­bentoni!. Sebagai pembanding dapatdianalogikan dengan penelitian yang dilakukanoleh Davis dkk. [24]. Yaitu pada penggunaanEDTA bertanda 14C, ditunjukan bahwa tidakada spesi kompleks Cd-EDTA tersorpsi padakalsit. Kemungkinan aksi EDT A sebagaipengompleks sepit (chelating agent) terhadapCd juga terjadi terhadap Cd. Sehingga adanyaEDTA dalam larutan akan menurunkan sorpsi.

KESIMPULAN

Sorpsi Cd pada Na-bentonit mengikutiisoterm Freundlich dalam 2 tahap. Afinitassorpsi yang besar merupakan faktor favourab/~bagi retensi migrasi radionuklida Cd dalamsistem engineered barrier. Yaitu dengankapasitas sorpsi dan koefisien distribusi yangtinggi: Ca = 2,65 eq/kg dan Kd = 1x1 06 J/kg,Adanya karbonat dalam fasa larutan, tidakmemberikan pengaruh berarti terhadap sorpsi

98

2

-5 -4 -J

log IY'J

-2 -1

_i

Prosiding Seminar Teknologi Pengelolaan Limbah VPusat Teknologi Limbah Radioaktlf - BATAN

7.. Shibutani, T., Yui, M., Yoshikawa, H.:Sorption Mechanism of Pu, Am and Se onSodium-Bentonite, in Proceed 17'h Symp.on the Scientific Basis for Nuclear Waste

Management (A. Barkett and RA VanKonyenburg eds), Mat. Res Soc.,Pittsburgh, Pensylvania (1994), 725.

8. Kozai, N., Ohnuki, T., Muraoka, S.:Sorption Behavior of Neptunium onBentonite - Effect of Calcium ion on theSorption, in Proceed 17'h Symp. on theScientific Basis for Nuclear WasteManagement (A. Barkett and R.A. VanKonyenburg eds), Mat. Res Soc.,Pittsburgh, Pensylvania (1994), 1021.

9. Sato, H., Ashida, T., Kohara, Y., Yui, M.:Study of Ratardation Mechanism of 3H,

99Tc• 137CS, 237Np and 241Am inCompacted Bentonit, in Proceed 16thSymp. on the Scientific Basis for NuclearWaste Management, (C.G. Interrante andR.T. Pabalan eds), Mat. Res Soc.,Pittsburgh, Pensylvania (1993), 403.

10. Brosur PT Anindya Yogyakarta11. Andrews, J.E., Brindlecombe, P., Jickells.

T.D., Liss, P.S., An Introduction toEnvironmental Chemistry, Blackwell,Oxford, Chapter 3, pp. 46-113 (1996).

12. Benedict, M., Pigford, T.H., Levi, H.W.:Nuclear Chemical Engineering, 2nd Ed.,McGraw-Hili Book Company, New York,1981.

13. Baeyens, B., Bradbury, M.H.: AMechanistic description of Ni and Cdsorption on Na-montmorillonite. Part I:Titration and sorption measurements, J.Cont. Hydrology 27, pp. 199-222 (1997).

14. Bradbury, M.H., Baeyens, B.: Amechanistic description of Ni and Cdsorption on Na-montmorillonite. Part 1/:

99

ISSN 1410-6086

Modelling. J. Cont. Hydrology 27, 223­248, (1997).

15. Bradbury M.H., Baeyens, B.: Modellingthe sorption of Cd and Ni on Ca­montmorillonite, Geochim. Cosmochim.Acta 63, 325-336 (1999).

16. Pratomo B. Sastrowardoyo: Sorpsi Kobaltpada Na-Bentonit, Prosiding - SeminarNasional Kimia dan Kongres NasionalHimpunan Kimia Indonesia, 758-764(2006).

17. Pratomo B. Sastrowardoyo: Sorpsi Sengpada Na-Bentonit, Makalah disiapkan kePPI-PDIPTN, PTAPB Yogyakarta, 10 Juli2007.

18. Pratomo B. Sastrowardoyo, BidangTeknologi Penyimpanan Lestari, Laporan­laporan terbatas PTLR Batan.

19. Lumingkewas, S.: Konversi Ca-bentonitmenjadi Na-bentonit melalui teknikpertukaran ion, Thesis FMIPA UGM (S2),Yogyakarta (1996).

20. Mecherri, M.a., P. BudimanSastrowardoyo, Rouchaud, JC., Fedoroff,M.: Study of Neodymium Sorption onart hose and Calcite for RadionuclideMigration Modelling in Groundwater,Radiochim.Acta 50,169 (1990).

21. Trapnell, B.M.W.: Chemisorption,Butterworths Scientific Publ.(1955).

22. PNC: Research and Development onGeological Disposal of High-LevelRadioactive Waste, PNC-TN1410 93-012,PNC Technical Report, Tokyo (1993).

23. Stumm, w., Morgan, J.J.: AquaticChemistry: Chemical Equilibria and Ratesin Nalural Water, John Wiley & Sons, Inc,New York (1996).

24. Davis, J.D., Fuller, C.C., Cook, A.D.:Geochim. Cosmochim. Acta 51, 1477(1987).