242 ISSN 0216-3128 A. Ninik Bintarti. dkk

PENGOLAHAN LIMBAHMEMBRAN EMULSI

URANIUM MEMAKAI METODA

A. Ninik Bintarti, Bambang EUB, Jati PramonoP3TM- BATAN, JI. Babarsari Kotak Pas 1008, Yogyakarta 55010

ABSTRAK

PENGOLAHAN L/MBAH URANIUM MEMAKAI METODA MEMBRAN EMULSI. Telahdilakukan proses pengolahan uranium (U) daTi bahan bakar bekas simulasi. Pengolahandilakukan dengan cara ekstraksi memakai metoda membran emulsi. Sebagai pelarut digunakantributil fosfat (Tap) dengan pengencer kerosin dan sulfaktan span-80 sebagai zat pementappada pembentukan membran emulsi. Sebagai fasa internal digunakan larutan Na2CO3 pH 10-11. Sebagai umpan adalah larutan uranium dan ruthenium dalam HNO3 dan sebagai pemecahmembran dipakai butanol. Membran untuk ekstraksi mempunyai susunan yang terdiri daTisulfaktan span-80 5% volume, Tap 10% volume, keosin 35% volume, dan larutan Na2CO3 50%volume. Dari berbagai variasi waktu ekstraksi, kecepatan pengadukan dan keasaman umpan,diperoleh kondisi optimum pemisahan uranium adalah waktu ekstraksi 5 menit, kecepatanpengadukan 800 tpm dan keasaman umpan 2 M. Kondisi ini memberi faktor pisah membran U-Ru 5,5 dan efisiensi uranium 26 %.

ABSTRACT

TREA TMENT OF URANIUM WASTE by EMULSION MEMBRANE METHODS. Research ofthe treatment process of uranium (U) from a simulated spent fuel had been done. The treatmentwas carried out by extraction using membrane emulsion methods. Tributyl phosphate (TBP) asa solvent was diluted by kerosene and surfactant span-80 was used as an emulgator in formingemulsion membrane. Sodium carbonate solution was used as intemal phase at pH 10-11. Thefeed was a mixture of U and Ru in HNO3 and the membrane splitter was butanol. The emulsionmembrane for extraction consisted surfactant 5% volume, TBP 10% volume, kerosene 35%volume, and Na2CO3 50% volume. Under various conditions such as extraction time, rotationspeed of mixing and acidity of the feed was given the optimum condition to uranium separation.were the extraction time of 5 minutes, the speed of stirring 800 rpm., and the acidity of the feed2 M. This condition gave the separation factor of membrane U-Ru 5.5 and efficiency of uranium26%.

ditujukan untuk memperkecil jumlah uraniumsebelum dilimbahkan dengan proses ekstraksimemakai teknik membran emulsi, yaitu melakukanekstraksi sekaligus re-ekstraksi (" Stripping j.Emulsi sendiri merupakan sistem, baik zatterdispersi maupun zat pendispersinya cair.<I)Ekstraksi memakai metoda membran biasa disebutdengan LSM (Liquid Surfactant Membrane) ataumetode membran cair yang diharapkan dapatmemberikan hasil yang lebih baik untuk pemisahanuranium terhadap ruthenium pacta pengolahan sisaumpan produksi radioisotop, limbah pengolahanuranium dan memperkecil hasil-hasil belah padapengolahan uranium dari bahan bakar bekas yangjuga mengandung unsur-unsur aktinida. Untukgambaran perbandingan uranium terhadapruthenium untuk reaktor jenis PWR adalah U = 9,54x 10s g/~g dan Ru = 1,9 X 103 g/~g, untu.k jenis

PENDAHULUAN

P engOlahan uranium perlu dilakukan untukmemisahkan dari pengotomya, yang salah

satunya adalah ruthenium (Ru) dengan maksuduntuk memperkecil jumlahnya. Hal ini dilakukanterhadap limbah pengolahan uranium, ataupengolahan uranium sisa umpan pruduksiradioisotop dan bahan bakar bekas yang telahmengandung hasil belah dan masih banyakuraniumnya. Bahan bakar bekas yang sudah banyakmengandung hasil belah harus diolah untukmengambil uraniumnya karena masih mengandung95% U yang belum terbakar dari uranium yangmula-mula ada.(I)

Pengambilan uranium dari bahan bakarbekas biasanya dijalankan dengan proses ekstraksicair-cair menggunakan pelarut TBP.(2) Penelitian ini

Prosiding Pertemuan dan Presentasi IImiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

..

Dalam ekstraksi memakai metoda membran emulsidikenal koefisien distribusi ekstraksi (KdEks) clanjuga koefisien distribusi "stripping" (Kdstrip).

Membran emulsi sesudah dipakai untukmengekstraksi U dilanjutkan dengan prosespeme~ahan membran dengan butanol untukmemisahkan rasa air internal yang telahmengandung zat terlarut dari rasa organiknya. KadarU clan Ru dalam rasa air ekstemal clan internalselanjutnya dianalisis menggunakan alat pendarsinar X.

Pada penelitian ini dipakai larutan umpansimulasi yang mengandung U dan Ru, untuk

menguji kemampuan membran, ditinjau parameterkecepatan pengadukan, waktu pengadukan padaproses ekstraksi, dan keasaman umpan. Untukmelihat keberhasilan proses pemisahan ~itinjaufaktor pisah (FP) yaitu perbandingan antara Kd"Stripping" U terhadap Kd "Stripping" Ru dan jugaefisiensi U ("U) yaitu perbandingan U yangterambil dalam rasa air internal terhadap U mula-mula dalam umpan.

TATA KERJA

Bahan dan alat

Bahan yang digunakan adalah UNH.RuCI3. TBP. Kerosin. Span-gO, Na2CO3. HNO3Butanol dan aquades. Sedangkan alat yangdipergunakan adalah magnetic stilTer. pengadukberkecepatan tinggi. neraca analitic pH meter, XRFdan alat-aJat gelas.

Metoda.

Pembuatan membran emulsia. Dibuat campuran rasa organik 10 ml terdiri dari

TBPdan span-SO dalam kerosin, % TBP divariasidari 5, 10, 15 dan 20 % vol. Perbandingan rasaorganik terhadap rasa air internal I : 1 'denganrasa air internallarutan Na2CO3.

b, Percobaan No. I dipilih % vol. TBP yangmemberikan hasil kestabilan membran yangrelatif paling lama. Percobaan berikutnya adalahvariasi pH rasa air internal dari S, 9, 10, 11 dan12.

c, Percobaan selanjutnya adalah variasi waktuemulsifikasi dari 5, 10, 15,20, 25, dan 30 menitdengan % vol TBP dari hasil percobaan No.1,dan pH rasa air internal dari percobaan No.2 yangtcrbaik.

Proses ekstraksia. Umpan sebanyak 10 ml yang mengandung U

5000 ppm dan Ru 325 ppm dengan keasamanumpan 1 M diekstraksi dalam membran sebanyak

LMFBR mengandung U = 8,56 x 10s g/J.!g dan Ru =

3,37 X 103 g!J.!g, untuk HTGR mengandung U =

5,44 x 104 g!J.!g dan Ru = 3,9 x 103 g!J.!g, semua

untuk waktu pendinginan 150 hari.(2)

Pada proses ekstraksi akan terbentuk

komplek yang dapat berupa kation atau anion yangakan berasosiasi dengan kation atau anion lain,

sehingga dihasilkan komplek yang bermuatan.

Komplek ini akan terekstrak ke dalam rasa organik

sehingga akan terdistribusi kc dalam rasa organik

dan rasa air. Kelarutannya ditentukan oleh sifat

komplek logamnya. Apabila komplek mengandunggugus organik yang berukuran besar, maka

kelarutannya akan lebih besar dalam rasa organik.(3)

Dalam rasa organik kemungkinan akan terjadi

interaksi an tara zat tcrlarut dengan ekstraktan yang

akan berpengaruh pada konmsentrasi komplek

dalam rasa organik, yang kemudian akan

mempengaruhi efisiensi zat terlarut. Apabila

konsentrasi ekstraktan diperbcsar maka dapat terjadi

polimerisasi secara cepat sehingga menurunkan

efisiensi zat terlarut.

Pcmbcntukan mcmbran cmulsi dibutuhkan

surfaktan, yaitu zat ketiga sebagai zat pemantap

supaya emulsi tidak segera pecah dan terpisah lagi

karena surfaktan akan mcmbungkus butir-butir

cairan terdispersi dengan suatu lapisan tipis,

sehingga butir-butir dapat bergabung menjadi suatu

rasa kontinyu. Dipilih jenis emulsi air dakam

minyak (AIM) dengan surfaktan yang mempunyai

nilai HLB (Hydrophyle Lopophyle Balance) 3 -6,

untuk mendapatkan emulsi ini, dipilih surfaktan

span-SO yang mempunyai HLB 4,3.(3) Span-SO

sendiri merupakan surfaktan non ionik dari

campuran bermacam-macam ester (Sorbitan, mono,

di, Iri oleal rRCOOR ']), komponen meta sorbitol

(R 'OH) at au asam oleat (R 'COOH) dan air .(4) Pada

umumnya span-SO disebut sorbitan saja. Span-SO

mengalami dekomposisi dalam rasa air internal yang

akan memberikan kestabilan pada emulsi.

Pad a proses ekstraksi memakai teknik

membran cair, maka zat terlarut yang berada dalam

rasa air eksternal (umpan) akan diambil masuk ke

rasa air internal dalam membran sesudah dilakukan

kontak beberapa saat ant!\ra umpan dengan

membran. Zat terlarut masuk melalui LSM memakai

TBP sebagai pelarut secara difusi.(S)

Ion-ion U dan Ru diekstraksi memakai

pelarut TBP dengan kemungkinan reaksi yang

terjadi adalah sebagai berikut :

UO2(NO3}2+ 2 TBP -+ UO2(NO3)2. 2TBP (1)

H++ NO3" + TBP -+ HNO3. TBP (2)

RUO+3 + 3 HNO3. TBP -+ RuO(NO3}3. 3TBP + 3 H+ (3)

Dari persamaan di atas terlihat bahwa kecepatan

ekstraksi V sebanding dengan [VO;+] dan [TBP].

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

244 ISSN 0216-3128 A. Ninik Bin/ar/i. dkk

5 10 15 20 25 30Waktu Pengadukan, menit

Gambar 2. Hubungan waktu pengadukan terhadapefisiensi re-ekstraksi (Er)

10 ml, diaduk dengan kecepatan 600 rpmdikenakan waktu pengadukan dari 5, 10, 15, 20,25 dan 30 men it. Sesudah pengadukan didiamkansebentar sampai kira-kira tercapaikesetimbangan, sesudah itu kedua rasadipisahkan. Fasa membran dipecah denganpemanasan, pengadukan atau dengan dibeributanol beberapa teres sampai terpisah menjadidua rasa untuk dipisahkan rasa air internal darirasa organiknya. Umpan mula-mula, rasa aireksternal sesudah ekstraksi clan rasa air internalsesudah pemecahan membran dianalisis clanditentukan waktu pengadukan yang relatif baikuntuk ekstraksi.

b. Pekerjaan a diulangi dengan variasi kecepatanpengadukan dari 400, 600, 800, 1.000 clan 1.200rpm dengan waktu pengadukan yang relatif baiksebagai hasil percobaan No. I.

c. Pekerjaan a diulangi dengan variasi keasamanumpan dari I, 2, 3, 4 dan 5 M HNO3 denganwaktu dan kecepatan pengadukan yang terbaikdari hasil percobaan a clan b.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada percobaan pembuatan membrandiperoleh bahwa membran dari rasa organik yangterdiri dari 10% volume TBP, 5% volume Span-gO,pH rasa air internal 10-11, waktu emulsifikasi 20men it, kecepatan pengadukan 9.000 rpm danperbandingan rasa air terhadap organik I: 1mempunyai kestabilan membran yang paling lama.

Gambar 3. Hubungan waktu pengadukan terhadapfaktor pisah U-Ru dan efisiensi ekstraksiuranium

Pada saat pengadukan mencapai 5 menitakan memberikan hasil pemisahan V terhadap Rurelatif baik, yang dapat ditandai dengan melihatbesamya faktor pisah V-Ru clan efisiensi total V,bersama-sama dibandingkan dengan hasilpemisahan untuk waktu pengadukan yang lain.Vntuk pertambahan waktu pengadukan yangmemberikan hasil pemisahan yang cenderungmenurun, mungkin ini disebabkan ada sebagian darifilm pelindung butir-butir terdispersi yang robekkarena terkena tenaga pengadukan yng terlalu lamasehingga ada sebagian dari rasa air internal yangkeluar dan bergabung dengan rasa air ekstemal clanmengakibatkan volume rasa air internal berkurang.Hal yang sebaliknya dapat juga terjadi yaitu rasa airekstemal masuk ke rasa membran sehingga hasil

pengadukan merupakan campuran homogen yangmemberikan dampak waktu pisah antara membrandengan rasa air ekstemallebih lama.

Penelitian pengaruh waktupengadukan.

Dari gambar 1, 2 clan 3 dapat diamatibahwa waktu pengadukan berpengaruh terhadapefisiensi ekstraksi (E.), efisiensi re-ekstraksi (EJ,faktor pisah clan efisiensi total (Ea). Padapertambahan waktu pengadukan memperlihatkanhasil ekstraksi dan re-ekstraksi yang agak menurun ,begitu pula dengan efisiensi total uranium.

50

---::--~

l 40

j 30.-20

~.!w 10

r--; --"" ~~ ~

~

0

Penelitian pengaruh kecepatanpengadukan

Oari gambar 4, 5, dan 6 dapat dilihat bahwa

kecepatan pengadukan berpengaruh terhadapefisiensi ekstraksi (Ec), efisiensi re-ekstraksi (E,),

faktor pisah dan efisiensi total (Et). Kecepatan

5 10 15 20 25 30

Wak1u Pengadukan, menit

Gambar I. Hubungan waktu pengadukan terhadapefisiensi ekstraksi (Ee)

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan T eknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

A. Ninik Bintarti, dkk ISSN 0216-3128 245

pengadukan perlu diberikan untuk berlangsungnyaproses ekstraksi yang membutuhkan kontak yanglebih baik antara rasa air ekstemal dengan rasamembran. Dalam proses ekstraksi diperlukan tenagauntuk mencampur kedua rasa clan tenaga inidiperoleh dengan cara pengadukan yang akanmemberikan aliran kepada sistem.

dengan pelarut. Kontak kedua rasa akan semakinefektif jika kecepatan pengadukan bertambah besardan pada kecepatan 800 rpm memberikan hasilpemisahan relatif baik berdasarkan harga efisiensitotal uranium dan faktor pisah U-Ru. Untukkenaikan kecepatan yang lebih tinggi lagi, hasilpemisahan cenderung menurun dan yangmenyebabkan mungkin adalah ada sebagian darifilm pelindung butir-butir terdispersi yang rusakterkena pengadukan yang semakin cepat.

Penelitian pengaruh keasamanumpan.

100

t~~.~.~

£w

80

u60

pu- -40Gambar 4. Hubungan kecepatan pengadukan

terhadap efisiensi ekstraksi 20

01 2 3 4 5

Keasaman Umpan, M '.

Gambar 7, Hubungan keasaman umpan terhadapefisiensi ekstraksi (Ee) .-

40u

l

ixa:

2";;'"w

'\30

20

Ru1050

l 40I 30

a: 20

j 10If;

0

l;!."0 "400 600 600 1000 1200

Kecepatan Pengadukan , !pm

Gambar 5. Hubungan kecepatan pengadukanterhadap efisiensi re-ekstrak.ri

Cu

2205 ,- '

;/ ;.;..-"" :::-:~~~;;~~~~z EI. U-', U-Ru-~~ ' ",

,

3

Keasaman Umpan. M

Galnbar 8. Hubungan keasaman umpan terhadapefisiensi re-ekstraksi

15.;./

~ 3n:~

~ 2If

10 7 30

h~~

1 ,

II

~ 4r'

5

m

~~c~2c:3

l:

0600 800 1000 1200

Kecepatan Pengadukan. rpm

Gambar 6. Hubungan kecepatan pengadukanterhadap faktor pisah U-Ru don efisiensitotal uranium

Secara fisis disebutkan sistem diberitegangan geser dan kontak kedua rasa terjadi padasaat tegangan geser mengalahkan tegangan antarmuka kedua rasa, sehingga umpan tersebar masukkc rasa membran dan tcrjadilah kontak zat terlarut

0400

1 2 3 4 5

Keasaman Umpan. M

Gambar 9. Hubungan keasaman umpan terhadapfaktor pisah U-Ru don eflsiensi totaluranium

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar IImu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta, 25 -26 Juli 2000

246 ISSN 0216-3128 A. Ninik Bin/or/i. dkk

Membrane Process., Ind. Eng. Chem. Res.,pp.32. 143 -147. (1993).

5. HA YWOI{I{,)'i. 11.(;., UUI{NS. W.A.,Extraction of Uranium from Wed ProcessPhosphoric Acid By Liquid Membrane., Sep.Sci. Technol.(1983).

6. Y. MORI., H VEMAE., S.HtBINO.,W.EGUCHI., " Proper Condition of the

Surfactant Liquid Membrane for The Recoveryand Concentration of Cr(VI) Irom AqueousSulfuric Acid Solution"., ICE. January (1990).

7. ANIRUDDHA., J.SHERE and H. MICHAELCHEUNG" "Effect of Preparation Parameters onLeakege ill Liquid Surfactant MembraneSystem"" Dep. Of Chemical Engineering TheUniversity of Akron" Ohio., (1988).

Dari gambar 7, 8 dan 9 dapat dilihat bahwakonsentrasi HNO3 dalam larutan umpan dapatmempengaruhi hasil-hasil ekstraksi dun rc-l.'kstruksiU. Dari konsentrasi HNO3 1 M hingga 5 M, makaada kenaikan efisiensi ekstraksi karena kekuatanionik (Il) semakin besar, sedangkan meningkatnyakekuatan ionik me-nyebabkan koefisien aktivasi (y)uranium berkurang, sehingga berakibat efisiensiekstraksi naik. Sebaliknya re-ekstraksi sesudah 3 Mcenderung menurun dan hal ini mungkin disebabkanada sebagian HNO3 ikut terekstrak oleh TBPmembentuk komplek TBP-nitrat. Disamping itupad a keasaman umpan yang tinggi menyebabkanmembran cepat rusak selama proscs ekstraksi,sehingga hasilnya menurun atau proses ekstraksitidak dapat berlangsung.Dari gambar 7, 8 dan 9 dipilih keasaman umpan 2M karena memberikan hasil pemisahan re.latif baikdengan melihat efisiensi total uranium 26% danfaktor pisah U-Ru 5,5.

TANYA JAWABKESIMPULAN

Dari hasil percobaan dan pembahasandapat disimpulkan bahwa pad a pengamatan ketigavariabel yang telah diteliti diperoleh kondisi yangrelatif baik yaitu waktu pengadukan 5 mcnit,kecepatan pengadukan 800 rpm dan keasaman 2 Mmcmberikan faktor pisah U-Ru 5,5 dan efisiensiuranium 26 %.

UCAPAN TERIMA KASIH

Ucapan terima kasih disampaikan kepadasdri. Amin Kusmiyatun, mahasiswa STTLYogyakarta yang telah membantu dalampelaksanaan penelitian ini

DAFTAR PUSTAKA

Dwi Wahini Nurhayati» Kenapa keasaman umpan semakin tinggi

memberikan effisiensi semakin besar ?» Apa yang menyebabkan effisiensi ekstraksi

menurun setelah pengadukan lebih dari 5 menit ?

A.Ninik Bintarti..:;.. Pada keasaman yang .\'emakin tinggi maka

kekuatan ionik (,u) makin tinggi yang

menyebabkan koefisien aktivitas (y) menurunsehingga efisiensi semakin besar don bisa

dijelaskan sbb,:9 Jika ion logam Mn+ don solven S' :

9 Mn+ + mS' -+ MSnHukum aksi massa harga k dalam aktivitas(a) = yconsentrasi,

a MSn yMSn ~~K,\& = a Mn+ .as- = yMR+:yS:-'lMn+ 1s- r

Hukum Limit Deye-Hackel : log Yi = -0,509

Zj 2 Y,u..:;.. Pada waktu pengadukan lebih dari 5 menit,

mungkin sudah ado sebagian film antarmuka sebagai pelindung mekanik yang rusak

sehingga efisiensi ekstraksi menurun

1. JOHANES. H., Pengantar Kimia Koloid danKimia Pemukaan., UGM Press., Yogyakarta

.(1973).2. LONG. J T.. " Engineering for Nuclear Fuel

Reprocessing"., ANS., Oak Ridge Tenese.

(1978)3. MOH. ANIF ., Emulsi., Fak. Famasi UGM

Yogyakarta (1982).4. ABOU-NEMEH and VAN PATHE-GEN.,

Membran Recycling in The Liquid Surfactant

Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah Penelitian Dasar Ilmu Pengetahuan dan Teknologi NuklirP3TM-BATAN Yogyakarta. 25 -26 Juli 2000