Prnceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsclan Teknologi MenuJu Era Tinggal Landas

Bandung, 8- 10 Oktober 1991PPTN-BATAN

KOEFISIEN TRANSFER MASSA DARI STRONSIUMDALAM BENTONIT

Fesalina Tjahjaningsih*, Boy Bul*** Pusat Teknologi Pengolahan Limbah Radioaktif - Badan Tenaga Atom Nasional

** Pusat Elemen Bahan Nuklir· Badan Tenaga Atom Nasional

ABSTRAK

KOEFISIEN TRANSFER MASSA DAHl STRONSIUM DALAM BENTONIT. Untukmempersiapkan calon tempat penyimpanan limbah radioaktif telah dilakukan penelitianmengenai daya serap bentonit Sr dengan menentukan koefisien transfer massa (k). Bentonityang digunakan dalam penelitian ini berasal dari Trenggalek. Pada percobaan pendahuluandibuat kurva kesetimbangan, kemudian ditentukan laju alir dengan mengalirkan larutan Srke bentonit sampai kesetimbangan tercapai. Dari hasil percobaan pada berbagai ukuran butirdidapat kurva kesetimbangan yang mempunyai laju alir sebagai berikut: 40 mesh = 3,9ml/mnt, 60 mesh = 4,1 ml/mnt, 100 mesh = 4,2 ml/mnt. Dari data diperoleh harga k relatifsarna yaitu sekitar 3x10-3 sampai 5xlO-3 m/mnt. Penyerapan semakin besar bila ukuran butirbentonit dan konsentrasi Sr dalam larutan sernakin besar. Dari hasil penelitian diperolehdaya serap bentonit antara 35% sampai 60%.Dengan demikian bentonit asal Trenggalek inidapat dipertimbangkan sebagai bahan urug.

AJBSTRACT

MASS TRANSFER COEFFICIENT OF ~TRONTIUM IN BENTONITE. The sorptionstudy is required for site selection in radioactive waste disposal. The sorption characteristicsof Bentonite from Trenggalek was measured throught the calculation of mass transfercoefficient (k). The equilibrium curves ofSr concentration in filtrate versus Sr concentrationon Bentonite were obtained. The flow rate of Sr solution was measured until the bentonitereach the equilibrium. The flow rate obtained in three difference sizes of bentonite were 3.9cc/minute for 40 mesh; 4.1 cc/minute for 60 mesh; 4.2 cc/minute for 100 mesh. The k value canbe calculated from the above data and it was relatively the same (3x10·3to 5x10·3) m/minute.Sorption of Sr on bentonite was proportional with the Sr concentration on solution andbentonite size. The sorption ofSr on Trenggalek bentonite was in the range of35 to 60 percentand this means that this material can be considered to use as backfil material.

PENDAHULUAN

Dalam rangka mempersiapkan tempat pe­nyimpanan akhir (penyimpanan lestari) hasilimobilisasi limbah radioaktif diperlukan peneli­tis.n yang menunjang rancang bangun yaitu pe­nelitian lapangan dan penelitian laboratorium.

Penelitian lapangan dilakukan denganmengadakan pemboran untuk mempelajari si­fat geologi,hidrologi dan sifat-sifat fisis mekanisse:rta formasi batuan. Penelitian laboratoriumlebih ditekankan pada sifat atau karakterisasitanah, lempung (clay) dan formasi batuan me­ngenai sorpsi serta transpor radionuklida kare­na pengaruh beberapa faktor, antara lain kena­iknn suhu, tekanan, komposisi kimia air tanah.

Lempung yang dipakai adalah bentonityang telah dipromosikan sebagai salah satucaJ.onyang dapat digunakan sebagai bahan urugdalam sistem penyimpanan akhir limbah radio­aktif di dalam tanah. Dalam penelitian ini

digunakan bentonit yang berasal dari Treng­galek.

Mekanisme adsorbsi teIjadi karena per­pindahan massa solute (adsorbat) dalam solventke adsorban. Sebagai solute digunakan larutanSr dan sebagai adsorban adalah bentonit.

Rumus umum untuk perpindahan massaadalah:

: = laju perpindahan massa, Aeff luas per­

mukaan efektif,!J. Cm= perbedaan konsentrasiSr dalam air dan bentonit, h = konstanta koe­fisien perpindahan massa.

Harga h dapat digunakan sebagai kriteriadalam menentukan bahan tersebut layak atautidak digunakan sebagai bahan urug.

229

Proceedings Seminar Reaktcr Nuklir dalam Penelitian Sainsdan Tekrwlogi Menuju Era Tinggal Landas

Berdasarkan rumus di atas, harga k dipenga­ruhi oleh luas permukaan adsorben dankon­sentrasi solute. Dalam penelitian ini kedua be­saran tersebut akan dipelajari. Untuk menen­tukan seberapa banyak Sr yang diserap olehbentonit, bisa dihitung dengan menggunakanrum us neraca massa.

Penurunan rum us neraca massa dapat dili­hat pada Gambar 1 di bawah ini.

LsXo

GsYo

LSXi

Gambar 1. Model Penyerapan Sr dalam Ben­tonit

Ls = banyaknya air yang terdapat dalam la­rutan, Os = berat bentonit dalam gram, X =

perbandingan berat antara solute dan air, Y =perbandingan berat antara solute dan bentonitDari gambar diperoleh :

Ls (Xo - Xl) = Os (YI - Yo)

atau

Substitusi persamaan (1) dan (2) didapat :

N = Os (YI - Yo)

= Ls (Xo - Xl)

BAHAN, ALATDANTATAKERJABahan- Larutan stronsium nitrat- Bentonit

Alat- Cawan filter (A)- Erlenmeyer (B)- Kran pengatur (C)- Manometer (D)

230

Bandung, 8 - 10 Oktcber .1991PPTN - BArAN

- Pompa vakum (E)- Tempat penampungan filtrat (F)- AAS (AtomicAbsorption Spectrometry)

~A ,

6 c ~""

!II \_-__-=l~--j 'L--L/I~ \--~ ~~ -'1',~\ 0 / I/ B \ \_

Gambar 2. Rangkaian pemlatan untuk me­nentukan harga k

Tata Kerja

Pembuatan kuva Kesetimbangan

Ke dalam setiap larutan Sr, yang secaraberturut-turut mempunyai konsentrasi 190,400, 700, 1130ppm, dimasukkan bentonit seba­nyak 10 gram. Campuran dibiarkan bersen­tuhan, dan kemudian konsentrasi Sr dianalisissampai diperoleh konsentrasi yang tetap.

Pemmtuan laju alir

Dipilih laju alir larutan Sr yang sesuai de­ngan penyerapan Sr bentonit dalam kurva kese­timbangan, dengan cara mengatur pembukaankran C. Waktu kontak dipilih sehingga setiapfiltrat yang keluar berada dalam keadaan kese­timbangan dengan Sr yang melekat dalam ben­tonit (Cs) sehingga memenuhi kurva kesetim­bangan. Kemudian diselidiki apakah laju nliryang digunakan sudah merupakan laju Hlirmaksimum, yaitu dengan cara menaikkan lajualir sedikit demi sedikit hingga kurva kesetim­bangan tidak dipenuhi lagi; laju alir maksimumyang dapat diambil adalah laju alir maksimumyang dapat memenuhi kurva kesetimbangan.

Penentuan harga k

Larutan Sr dengan konsentrasi tertentu(319,577, 913 ppm) dialirkan ke dalam bentonitukuran tertentu (40,60,100 mesh) dengan lajualir seperti di atas; setiap 5 menit filtrat ditam­pung dan dianalisis. Percobaan dihentikan sete­lah konsentrasi filtrat sarna dengan konsentrasiumpan.

Pro.~eding8 Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsdan Tekrwwgi Menuju Era Tinggal Landas

HASILPERCOBAAN DAN PEMBAHASAN

Dari pereobaan untuk membuat kurva ke­setimbangan, diperoleh data yang dapat dilihatpada Tabel 1. Dari data pada tabel 1 tersebut

Bandung, 8 -10 Oktober 1991PPTN - BATAN

Untuk menentukan laju alir yang sesuaidengan kondisi setimbang, lebih dahulu dapatdilakukan pereobaan pada alat yangdigunakan.Data yang diperoleh dapat dilihat pada Tabel2.

Tabel1. Kurva kesetimbangan

UkuranlarutanpengukurankurvaC1 x 104q"xIO

3

partikel

standarAASkalibrasi(glee)(glee)bentonit

(ppm)(ppm)

425""m

111008,02410,0308,172

6864,3845,4805,823

4392,6243,2804,224

2041,1921,4902,515

860,4920,6151,285

420""m

11052,57,609,508,72

655,04,165,206,13

417,52,403,104,44

192,51,121,402,65

84,00,400,601,3

150""m

1937,56,5208,1510,0752

557,53,4004,356,9503

335,01,9922,495,0004

142,50;8401,052,9505

55,00,3040,381,530

dibuat kurva kesetimbangan konsentrasi Sr da­lam filtrat (q) dan konsentrasi Sr dalam bento­nit (Ce) (Gambar 3).

.•.. ~"""•. 10·'·c •

....,.,

C)

>(

(.1

~~~,.w,,_,,_~.10 15

. _ CsX 103( gr/gr')

Gambar 3. Kurva kesetimbangan

Dari grafik terlihat bahwa kurva untukma!sing-masing ukuran butir berbeda; semakinkeeil ukuran butir bentonit, Cs semakin besarukuran yaitu Cs 425 ""m= 8,17 gig; Cs 250 ""m=8,7 glgj Cs .150""m= 10,075 gig.

Tabel 2. Data untuk laju alir

Ukuran butir WaktuVolume(""m)

(menit)(m!)425

519,5250

520,6150

521,2

Laju alir maksimum yang memenuhi kur­va kesetimbangan adalah laju alir yang sebesar­besarnya dimana kurva kesetimbangan dapatdipenuhi oleh Ce dan C1 karena dengan laju alirlebih besar, kurva kesetimbangan tidak akanterpenuhi, sedang dengan laju lebih rendah di­mana C1dan Cetidak berubah berarti tidak adamassa Sr yang dipindahkan dN/d8 = O.Laju aliruntuk ukuran 425 ""m: 19,5/5 = 3,9 ml/menitjukuran 250 ""m: 20,6/5 = 4,1 ml/menit; ukuran150 ""m21,2/5 = 4,2 mnl/menit.

Setelah laju alir yang tepat diperoleh makaanalisis dilakukan dengan rentang waktu 5 me­nit; dari pengolahan data diperoleh nilai h, dandalam bentuk grafik antara k dan Cs dapatdilihat pada Gambar 4 s/d 9

231

Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsdan Teknologi MenuJu Era Tinggal Landas

Bandung, 8 -10 Oktober 1'991PPTN - BKl'AN

I

j 61f

E'

'", 4S!

'"

319ppm 25~m 150/"m: I

"~tf3

2 3' 4CS1

10.30.5'~

1, 2 :, ; s- CS.JO-3 gr/gr

Gambar 4. Kurva k us Cs pada 425 !Am

C 6E

"-E 5

'"

I~ 4

'" 3

t 2

Gambar 5. Kurva k us Cs pada 250 !Am

Gambar 7. Kurva k us Os pad a 319 ppm

Gambar 8. Kurva k us Os pada 577 ppm

CE

" 7E

'" 6Io- 5

319 ppm 577ppm 955Ppm

\

Ce

'eo 7'

Gambar 6. Kurva k us Cs pada 150 !Am

232

Gambar 9. Kurva k us Os pada 955 ppm

Proceedings Seminar Reaktor Nuklir dalam Penelitian Sainsdan Tekrwwgi MenuJu Era Tinggal Landas

Dari grafik diperoleh data nilai k denganvariasi ukuran bentonit dan variasi konsentrasiyang dapat dilihat pada Tabel 3 dan 4.

Dari pengolahan data diperoleh nilai k, di­mana k merupakan fungsi waktu yang dapatdilihat dari grafik dengan pelonjakan k pada Cstertentu. Dari data nilai k yang terdapat pada'rabel 3 dan 4 terlihat bahwa nilai k antara3.10-3 sampai 5.10-3 m/menit, hanya penye­rapannya semakin besar bila ukuran bentonitsemakin kecil dan konsentrai Sr dalam larutansemakin besar.

Tabel 3. Data harga k variasi ukuran butir

Ukuran butir Cs . 10-3k.1O-3

!lm

gigm/menit

425

3,44,55,15

57,05

5

250

3,545,65

4,58,15

5

150

4,9547,25

510,875

5

Prosentase daya serap bentonit dapatdihitungdengan membagi konsentrasi Sr dalambentonit dengan konsentrasi Sr dalam umpandidapat antara 30% sampai 60%.

DAFTAR PUSTAKA

Bandung, 8- 10 Oktober 1991PPTN - BA:I'AN

Tabel 4. Data harga k variasi konsentrasi.,.

Konsentrasi Cs . 10-3k. 10-3ppm

gigm/menit

319

3,1533,40

34,80

3

5775,254

5,654

8,154,5

955

6,9047,60

410,70

4

KESIMPULAN

Diperoleh harga k antara 3.10-3 sampai5.10-3 m/menit. Penyerapan semakin besar bilaukuran bentonit semakin kecil dan konsentrasiSr dalam larutan semakin besar. Prosentasedaya serap antara 30% sampai 60%. Dengandemikian bentonit asal Trenggalek dapat di­pertimbangkan sebagai bahan urug (backfilmaterial).

UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terima kasih saya ucapkan kepadaSdri. Dewi Susilowati Staff BTPL-PTPLR. Sdr.Darwin Sitanggang dan Sdr. Mia Rahvi Achmadmahasiswa ITI Serpong yang telah melakukanpenelitian Laboratorium di BTPL-PTPLR, hing­ga penelitian ini bisa selesai dengan baik.

1. Alberty Robert A, Physical Chemistry, 6 edition, John Wiley & Sons Company, Inc.

2. Brown George Granger, Unit Operation., 4 printing, Modern Asia Edition (1978).

3. Gandadisastra, S., Tinjauan perkembangan bentonite untuk mas a kini dan yang akan datangdi Indonesia, Indonesia, PPTM (1984).

4. Mc Kay, H.AC., Principles of Radiochemistry, Applied Chemistry Division, AE.R.E, Harwell,Berkshire.

5. Perry Robert, H., Perry's Chemical Engineers Handbook, 6 edition, Mc Graw-Hill Company,Inc.

6. Soetrisno, Pemisahan Cs, Sr dan Co dalam limbah simulasi secara penukar kation., PPNY­BATAN, Yogyakarta.

7. Treyball. R. E., "Mass Transfer Operation" International Student Edition, Mc Graw Hill BookCo. (1955).

8. Ai Sutarsih., Penentuan luas permukaan spesifik dari beberapa serbuk, Skripsi UniversitasPajajaran Bandung (1984).

2;33