Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003

LEMPUNG BERPILAR UNTUK KESELAMATANPENGELOLAAN LIMBAH RADIOAKTIF

ISSN 1693 - 7902

Husen Zarnroni, Tharnzil LasPusat Pengembangan Pengelolaan Limbah Radioaktif (P2PLR) - BAT AN

ABSTRAKLEMPUNG BERPILAR UNTUK KESELAMA TAN PENGELOLAAN LIMBAHRADIOAKTIF. Lempung berpilar (pillared clay) dapat digunakan tidak hanya untukbalifill material dalam sistim penyimpanan limbah radioaktif, tetapi juga sangatdiperlukan untuk bahan sorben dalam pengolahan limbah radioaktif aktivitas rendahdan sedang. Lempung berpilar dibuat dari bahan bentonit alam yang direaksikandengan ZrOCh.8H20. Identifikasi lempung berpilar diukur dengan spektrometer X-RayFluorescence dan kemampuan penyerapan oleh lempung berpilar terhadap radionuklidaCs-137 pada konsentrasi CsCI O,OIM, 0,05~ dan 0,1 M menghasilkan nilai Kd(koefisien distribusi) berturut-turut sebesar 1619 ml/g, 1133 ml/g dan 800 ml/g.Lempung berpilar mampu menyerap radionuklida Cs-137 dalam limbah aktivitasrendah. Dan bila digunakan sebagai backfill material, tidak hanya mampu menahanaliran air tanah, tapi juga mampu menahan lepasnya radionuklida ke lingkungansehingga terjamin keselamatan penyimpanan limbah radioaktifKata kunci : bentonit, pertukaran ion

ABSTRACTPILLARED CLAY FOR THE SAFETY OF RADIOACTIVE WASTESMANAGEMENT. Pillared clay (PILC) is used not only as backfill material inradioactive waste disposal system, but also as an important inorganic-sorbent fortreatment of low-and intermediate-level radioactive wastes. PILC is made from natural

bentonite and treated by ZrOCh.8H20. The identification of PILC was measured by X­Ray Fluorescence Spectrometry and the ion-exchange capacity against Cs-137 insimulated waste containing Cs-13 7 in carries of 0,0 1M, 0,05M and 0, I M CsCI, resultedin the distribution coefficient, Kd was of 1619 ml/g, 1133 ml/g and 800 ml/g,respectively. These results were showed that the PILC could also be useful for not onlyblocking the water movement, but also adsorbting of nuclide to protect the radionuclidemigration into the environment.Keywords: bentonite, ion exchanger

221

Seminar Tahunan Pengawasan Pcmanfaatan Tcnaga Nuklir - Jakarta, II Dcsembcr 2003

PENDAHULUAN

ISSN 1693- 7902

Minerallempung telah dikenal semenjak 200 tahun yang lalu, tetapi masyarakat

lebih mengenal manfaat lempung bahan baku pembuatan keramik. Mineral lempung,

bila dicampur dengan air akan membentuk pasta yang dapat dibentuk dalam berbagai

rupa, bila dipanaskan akan menjadi keras. Bentonit berasal dari abu gunung api

(vulcanic ash) yang membeku dalam berbagai kondisi hidrotermal, sehingga bentonit

suatu lokasi dengan warna dan tekstur yang sama mungkin berbeda dalam komposisi

kimia dengan bentonit yang diperoleh dari tempat lain yang disebabkan karena

kombinasi lempung material yang berupa partikel halus dengan berbagai impuritis. Hal

ini telah menyebabkan dikenalnya berbagai jenis bentonit seperti bentonit Wyoming,

Amerika, bentonit Suray Inggris dan bentonit Kunipia Jepang dan bentonit Trenggalek

Jawa Timur (6).

Bentonit di bidang Teknologi nuklir biasanya dimanfaatkan sebagai bahan

adsorbent dan sebagai bahan buffer material (bahan isian) pada penyimpanan limbah

tanah dangkal maupun penyimpanan tanah dalam. Bentonit sebagai bahan isian harus

mempunyai sifat yang sangat bagus sehingga dapat mengurangi migrasi radionuklida

dalam tanah. Bentonit mempunyai sifat mudah swelling apabila kena air. Bentonit yang

mudah mengalami swelling kurang bagus apabila digunakan sebagi bahan isian.

Swelling pada bentonit dapat dihindarkan dengan dibuat pilar diantara dua lapisan pada

bentonit. Bentonit yang sudah terpilar dikarakterisasi untuk dapat digunakan sebagai

bahan adsorbent, molecular sieving dan katalis.

Pada struktur zeolit atom Al dan Si berkoordinasi dengan seluruh atom oksigen

dalam bentuk tetrahedra silika atau alumina sedangkan atom Al akan bermuatan negatif

dan dinetralisir oleh logam alkali atau alkali tanah untuk mencapai struktur yang stabil.

Inilah yang membedakan zeolit dengan bentonit yang adalah senyawa alumino silikat

dengan struktur lapisan (layer),

DASAR TEOR!

Mineral lempung yang banyak diteliti adalah jenis kaolinit (Si4AI40IO)(OH)s,

monmorillonit dan illit mempunyai (Sis Al4 020)(OHkn H20. Struktur kristal

lempung adalah dua dimensi lapisan yaitu atom silika (lapisan silika) bentuk tetrahedra

dan atom aluminium (lapisan AI) dalam bentuk oktahedra. Tetrahedra silika terikat

222

Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003 [SSN 1693 - 7902

secara hexahedra Si406(OH)4 sedangkan oktahedra Al berikatan secara Ah(OH)4 yang

berikatan secara Van der Waals (fisik) membentuk lapisan alumino-silikat karena

kondisi terjadinya bentonit, memungkinkan terjadinya substitusi Si oleh Al (bentuk

tertrahedra), menyebabkan mineral lempung kekurang muatan - (negatif) yang

dinetralisir oleh logam alkali dan alkali tanah. Ion logam tersebut berada diantara

lapisan, sehingga dapat dipertukarkan dengan ion lain menyebabkan bentonit

mempunyai sifat penukar ion.

Monmorillonit dan illit mempunyai tiga lapisan struktur terdiri dari lapisan Si,

lapisan Al dan lapisan Si, diantara lapisan ini terisi oleh molekul air yang dan logam

alkali serta alkali tanah menyebabkan pergeseran jarak atom (swelling) sebagaimana

terlihat pada Gambar 1. Lapisan terse but akan bergabung dan sudut kisi tetrahedral

silika membentuk lapisan dengan lapisan hidroksil dari oktahedral, sehingga terbentuk 3

lapisan silikat "Lempung mineral" yaitu tetrahedral (Si)- oktahedral (AI) - tetrahedral

(Si). Atom-atom yang terikat pada masing-masing lapisan struktur montmorillonit

memungkinkan air akan memasuki antara unit lapisan, sehingga kisi akan mengembang.

Lapisanterahedral

LapisanOktahedra

--

Posisi

interlayer --

~ SIAl

0AI.Fe.Mg

00

@

OH

Kation(Ca2+ .Na2+)+nH20

Gambar 1. Kristal struktur montmorillonite (Grim,1968)

223

Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Dcscmber 2003 ISSN 1693 - 7902

Montmorillonit memiliki struktur yang membentuk lapisan-Iapisan. Ruang antar

lapisan-Iapisan tersebut biasanya ditempati oleh molekul air ataupun kation-kation yang

dapat dipertukarkan. Struktur yang demikian menyebabkan bentonit tidak begitu tahan

terhadap perlakuan suhu dan akan mengalarni kerusakan struktur pad a suhu 650°C.

Bentonit mudah mengalarni swelling apabila kontak dengan air. Guna menghindari

keduanya struktur yang berupa lapisan tersebut dapat diubah menjadi suatu bahan yang

memiliki struktur pori dua dimensi, yaitu dengan membentuk pilar-pilar antara lapisan­

lapisannya. Bentonit alarn dan bentonit berpilar (Garnbar 2). Pembentukan pilar ini

menyebabkan bentonit tidak mengalarni swelling, luas permukaannya menjadi besar

dari 100 m2/grarn menjadi sekitar 250 m2 /grarn dan mempunyai poros yang sarna.

Bahan yang digunakan sebagai bahan pilar biasanya inorganic poly cations bentuk

metal organic. Pillared Interlayer Lempung dibuat dengan beberapa senyawa inorganic

carnpuran hydroxy diantaranya, hydroxy-AI, hydroxy-Zr, hydroxy-Ti, hydroxy-Ni dan

hydroxy-Fe diutarnakan yang bermuatan positif.(2)

Dehydloflon-., Calcination

' .. :-----<) (;) () c:::> @@ @ c:::> () () C)

~\; ~--:. -.--a-.-B-e:=- ·c::::"Pillared Clay Hydration Dehyd ration-<:a Ie ina tion

.•.

_1.'1_ c:::> ~ c:::> ~·.I_.,." -- '~\,

_ Cation

Hydrated cation

_ Pillar

b. Bentonit berpilarClay layer

Gambar 2. Efek swelling pada bentonit dan bentonit berpilar(S)

224

Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desember 2003

TAT A KERJA

ISSN 1693 - 7902

Bentonit yang digunakan jenis Ca bentonit dengan ukuran 100 mesh yang sudah

dicuci dengan bersih dan dikeringkan pada suhu 90°C. Zirkonium yang digunakan dari

Merck dalam bentuk zirconyl chloride padat (ZrOCh.8H20). Pembuatan bentonit

berpilar dilakukan dengan menambahkan larutan polioksokation dari zirconyl chloride

(ZrOCh.8H20) dalam air pada suhu 90°C serlama 24 jam. Sebanyak 33 gram bentonit

yang sudah dikeringkan dilarutkan dalam air 1000 ml yang sudah mengandung zirconyl

chloride (ZrOCh.8H20) masing-masing sebanyak 0,01 M, 0,05 M, O,IM. Campuran

distirer selama 24 jam dan dipanaskan pada suhu 90°C. Setelah 24 jam campuran di

saring dan dicuci sampai bebas khlor dengan air demin, untuk menentukan sudah bebas

khlor atau belum digunakan 0, I M AgN03 . Bentonit yang sudah terpilar dikeringkan

dalam oven pada suhu 110°C. (Gambar 3) (2).

Bentonit yang sudah terpilar selanjutnya dikarakterisasi dengan X ray flouresensi.

Bentonit awal dan bentonit berpilar dibuat dalam bentuk matrik gelas dengan cara

ditambahkan lithium tetra borate kemudian dipanaskan pada suhu sekitar 1250°C

sampai terbentuk gelas. Analisis serapan cesium-I 37 menggunakan alat Liquid

Scintillation Analyser (LSA). Larutan yang mengandung Cs-137 sebanyak 20 ml

dimasukkan dalam vial polyetilene 25 ml yang berisi 0.1 gram bentonit berpilar. Sampel

diambil 10 ml kemudian di cacah dengan LSA.[7] Koefisien distribusi ditentukan

dengan rumus:

Kd = (Ao - At) VAt x W

Ao = Aktivitas radioaktiv awal

At = Aktivitas setelah kesetimbangan

V = Volume larutan awal

W = Berat bentonit

225

(I)

Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desembcr 2003 ISSN 1693 - 7902

Sedangkan untuk menentukan efisiensi penyerapan ditentukan dengan rumus:

Ef = Ao - At xI 00% (2)Ao

Ef = Efisiensi penyerapan

Ao = Aktivitas radioaktiv awal

At = Aktivitas setelah kesetimbangan

La ruta nZrOC12.8H20 O,lM

Hidrolisa dengan~I pengadukan selama

24 jam

Suspensi bentDniteCm0ntm 0 rillo nite)

'"'

La ruta n IPolioksokation •

I.•.

I Pengadukan 24 jam II

Pem isa han denga nfiltra si/se ntrifug a si

Pengeringan pad asuhu 50-120 C

I!

.•.

Ka lsina sina si pad asuhu 500 C Montm o rillo nitlb e rp lIa r

Gambar 3. Diagram alir preparasi montmorillonit berpilar

HASIL DAN PEMBAHASAN

HasH analisa penyerapan Cesium-I37 oleh benton it berpilar ditunjukkan dalam

Gambar 4. penyerapan dapat mencapai kesetimbangan setelah waktu kontak 1-2 jam

dengan efisiensi penyerapan 80 % .

226

Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir • Jakarta, II Desember 2003 ISSN 1693 - 7902

100

~ 80L'iij 60c,9! 40­1/1

10:UJ 20-

o

o 20 40 60

Waktu kontak (jam)

80

Gambar 4. Hubungan waktu kontak dengan efisiensi penyerapan

Efisiensi penyerapan pada bentonite berpilar 0,01 M dicapai maksimum pada pH 3

dengan efisiensi sebersar 89 % (Gambar 5) dan koefisien distribusi (Kd) sebesar

1619ml/g, -~ 100c[ 80

~ 60>-

a; 40Q,

'iij 20­cQ)

'iij 0 -,10:

UJ 0 2 4

pH

6 8

Gambar 5. Hubungan pH dengan efisiensi penyerapan bentonit berpilar 0,01 M

Efisiensi penyerapan pada bentonit berpilar 0,05 M dicapai maksimum pada pH 1

dengan efisiensi sebersar 85 % (Gambar 6) dan koefisien distribusi sebesar 1133 ml/g,

c:

[ 100~ 80~c: _ 60~ ~ 40.~ 20.~ 0CII

:n 0 2

.... -.4 6 8 10

pH

Gambar 3. Hubungan pH dengan efisie~si penyerapan bentonit berpilar 0,05 M

227

Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, 11 Oesember 2003 ISSN 1693 - 7902

Efisiensi penyerapan pada bentonit berpilar 0,1 M dicapai maksimum pada pH 3

dengan efisiensi sebesar 80 % (Gambar 4) dan koefisien distribusi sebesar 800 mUg.

-~~ 100cIV 80Q. I!4160>- C41 40Q.

'0 20c 41'iij 0t;:: W 0246810

pH

Gambar 6. Hubungan pH dengan efisiensi penyerapan bentonit berpilar 0,1 M

Bentonit berpilar dari 0,01 M, 0,05 M dan 0,1 M zircon memberikan hasil yang

cukup baik dalam penyerapan meskipun lebih rendah dari bentonit mumi karena

sebagian ruangan bentonit terisi oleh zircon. Semakin tinggi konsentrasi zircon yang

terserap dalam bentonit menyebabkan pula penurunan serapan bentonit terhadap

cesium-137.

Kenaikan jumlah zircon di dalam bentonit tidak mempengaruhi perbadingan Si/Al

dalam bentonit. Pada bentonit mumi perbandingan Si/AI adalah 3.6 sedangkan dalam

bentonit berpilar perbandingan Si/AI adalah 3.7. Sebagai perbandingan Lempung

standar menunjukkan perbandingan Si/Al adalah 2,62 sedangkan perbandingan Si/Al

adalah 2,84 untul Zr-PILC. Perbandingan ini menunjukkan secara struktur bentonit

tidak men galami perubahan juga menunjukkan Ca2+ dan Na+ yang menurun jumlahnya

demikian juga pada lempung standar dan Lempung-PILC banyak kation-kation (Ca 2+,

N a+) yang ada dalam layer tergantikan dengan zirkon. Zirkon yang berada dalam

bentonit membentuk pilar diantara dua lapisan sehingga bentonit mempunyai poms

yang tetap.

KESIMPULAN

Bentonit berpilar mempunyai kelebihan yaitu porosnya relatif seragam dan tidak

mengalami swelling. Besar koefisien distribusi bentonit berpilar berturut-turut 1614

mUg (gb. 4), 1133 mUg (gb. 5) dan 800 mUg (gb.6).

228

Seminar Tahunan Pengawasan Pemanfaatan Tenaga Nuklir - Jakarta, II Desem~r 2003

DAFT AR PUST AKA

ISSN 1693 - 7902

1. A. Dyer, N.D. James and N.l Terrill, Uptake of Cesium and Strontium

Radioisotopes onto Pillared Clays (1998);

2. A. Dyer, T. Gallardo and C.W. Roberts, Preparation and Properties of Clays

Pillared with Zirkonium and Their Use in HPLC Separation (1989);

3. J.T. KLOPOGGE, Synthesis of Smectite and Porous Pillared Clay Catalyst

(1997);

4. H.Y. Zhu, E.F. Vansant and lA. Xia and G.Q.Lu, Porosity and Thermal Stability

of Montmorillonite Pillared with Mixed oxides of Lanthanum, Calcium and

Aluminium (1996);

5. E.F. Vansant, Chemical Modification of oxide Surfaces, 1999;

6. Buku Laporan Tahunan Pertambangan Departemen Pertambangan dan Energi,

Tahun 1991-1995, diolah oleh PPTM, agustus 2000;

7. Thamzil Las, Use of Natural Zeolites for Nuclear Waste Treatment, 1989.

DISKUSI

Pertanyaan (Karnoyo, P2RR - BATAN) :

Suhu panas struktur bentonit 650 °c, pada suhu berapa swelling terjadi ?

Jawaban (Husein Zamroni, P2PLR - BATAN) :

Bentonite mengalami sucelling jika kontak dengan air. Proses swelling ini tidak

tergantung dari suhu tinggi.

229