PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF CAIR DENGAN CARA …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File...
Transcript of PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF CAIR DENGAN CARA …digilib.batan.go.id/e-prosiding/File...
Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF CAIRDENGAN CARA SORPSI SIRKULER BERT AHAP
Sugeng Pumomo, Suryantoro, Hanafi K., MardiniPusat Teknologi Limbah Radioaktif
ISSN 0852 - 2979
ABSTRAKPENGOLAHAN LIMBAH RADlOAKTIF CAIR DENGAN CARA SORPSI SIRKULER
BERT AHAP. Telah dilakukan percobaan pengolahan limbah radioaktif cair dengan cara sorpsi sirkulerbertahap menggunakan 20 I gram zeolite yang ditempatkan dalam kolom berdiameter 3 cm. Lapisanzeolite mengisi kolom setinggi 18,5 cm. Umpan limbah berupa larutan Sr 2 glmL dengan laju aliI' 0, Im LIdet. Sorpsi Sr oleh zeolite diamati dengan menganalisis umpan dan beningan yang diperolehmenggunakan spektrofotmeter serapan atom. Hasil percobaan menunjukkan bahwa dengan 16 kalimengumpan ulang beningan melalui kolom, 88% Sr dapat terserap oleh zeolite. Hal ini merupakan capaianpenyerapan yang cukup berarti bila dibandingkan perlakuan dengan sekali perlaluan melalui kolom dandiharapkan dapat dilanjutkan dengan percobaan yang lebih mendekati kondisi pengolahan yangsebenarnya.
ABSTRACTRADIOACTIVE WASTE TREATMENT BY GRADUALLY CIRCULAR SORPTION. The
experiment of radioactive waste treatment by gradually circular sorption has been done by 20 I g zeolite in3 cm diameter column. Zeolite lining till up 18.5 cm colum. Feed waste is 2 g/mL Sr by tlowrate 0, ImLls. Monitoring of Sr sorption in zeolite are conducted by atomic absorption spectrophotometry analysisof feed waste and its effluent. The result show that 88% Sr have been sorbed in zeolite by 16 timerepeatedly feeding the effluent. This is a significant achievement appeal to one through waste feeding tothe column and expected to be continued by the experiment which close to real condition of treatment.
PENDAHULUAN
Pemberlakuan tarif pengolahan limbah radioaktif (PP No.6 Tahun 2001 dan PP No. 77
Tahun 2005) mengakibatkan perubahan kebijakan manajemen instalasi nuklir dalam penanganan
limbah yang ditimbulkannya. Oi sisi lain karakteristik lil11bah cair tersebut memungkinkan untuk
dikeJola tanpa harus terkena biaya pengolahan. Maka sejak tahun 2001 jumJah asupan limbah
radioaktif cair ke PTLR sangat sedikit atau bahkan tidak ada sama sekali. Untuk menekan biaya
pengolahan perlu diupayakan alternatif proses pengolahan yang ekonol11is dan efektif serta
memenuhi persyaratan keselamatan. Banyak proses pengolahan yang dapat dipilih. Oalam
makalah ini diuraikan percobaan pengolahan lil11bah yang didasarkan pada proses sorpsi. Proses
sorpsi membutuhkan relatif sedikit kOl11ponen bantu untuk berfungsi sebagai satu unit peralatan.
Disamping itu dapat dipilih sorben yang sesuai dengan karakteristik limbah ul11pan sehingga
dicapai sorpsi yang optimum dan l11enghasilkan efluen lil11bah dengan tingkat radioaktivitas yang
jauh menllfun. Dalam pelaksanaan percobaan, beningan yang diperoleh sebagai keluaran dari
kolom sorpsi diul11pankan kembali berulang-ulang selama sorben masih menunjukkan
penyerapan yang cukup berarti.
174
Hasi/ Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahul1 2006
TINJAUAN PUSTAKA
ISSN 0852 - 2979
Sorpsi aclalah proses pemisahan antar fase clari zat terlarut. Pacla peristiwa tersebut
terjacli perpinclahan zat terlarut (solut) clari pelarut (solven) ke penyerap (sorben). Pemisahan
solut an tar fase tergantung pacla afinitas relatif solven clan sorben terhaclap solut tersebut.
Afinitas tersebut merupakan fenomena molekuler clan merupakan fungsi clari sifat-sifat kimia,
fisika, clan mekanisme elektrostatik (ikatan hiclrogen, gaya Van cler Waals clan gay a Coulomb),
serta perpinclahan muatan clan perubahan ligan clengan ion logam. Gabungan clari faktor-faktor
tersebut clapat menunjukkan hubungan non linier antara konsentrasi solut clan konsentrasi solut
yang terserap. Sorbat/solut yang clengan kelarutan renclah (Iiofobik) cenclerung muclah cliserap.
Ditinjau clari lokasi pengikatan sorbat pacla sorben, proses sorpsi clibeclakan menjacli aclsorpsi;
climana proses pengikatan berlangsung pacla permukaan sorben clan absorpsi; bilamana sorbat
masuk keclalam sorben, Weber et. AI. mengajukan persamaan tentang clistribusi sorbat ataupun
kontaminan cli antara rase solven clan fase sorben clengan koefisien aktivitas (K):
VI' v2 =molar volum untuk fasa solven clan fasa sorben
J;,1; = koefisien aktivitas untuk rasa solven clan fa sa sorben
Pertukaran ion dapat dipandang sebagai subkatagori dari proses sorpsi dan dapat
disebut sebagai sorpsi ionik yang berlangsung karena adanya gaya tarik menarik
elektrostatik antar ion di dalam larutan dengan sorben setelah lepasnya atom atau ion
yang dapat dipertukarkan (exchangeable ion). Peristiwa yang akan terjadi; adsorpsi at au
absorpsi ditentukan oleh kedudukan exchangeable ion (pada daerah permukaan at au di
bagain dalam) dalam struktur molekul sorben. Sifat pertukaran ion dapat terjadi
manakala dalam struktur molekul bahan terdapat ion-ion utama yang menyusun
sedemikian sehingga untuk mempertahankan netralitas muatan listrik, pada permukaan
bahan diseimbangkan oleh ion-ion bebas yang berlawanan muatan. Ion dengan afinitas
lebih kuat akan menggantikan atom-atom logam dengan ikatan yang lebih lemah
afinitasnya dalam struktur molekul bahan.
Kemampuan bahan dalam mengikat atau mempertukarkan kation dinyatakan
sebagai kapasitas tukar kation, KTK. Barga KTK ditentukan oleh luas permukaan
sehingga semakin ha\tls serbuk suatu bahan akan mempunyai KTK semakin besar.
175
Hasi/ Penelilian dan Kegialan PTLR Tahull 2006 ISSN 0852 - 2979
Tanah liat (clay) mempunyai KTK lebih tinggi dari kebanyakan partikel anorganik lain
karena luas pelmukaannya yang sangat besar dan mempunyai sisi muatan negatif. Luas
permukaan koloidal clay sekurang-kurangnya 1000 x luas permukaan pasir kasar. KTK
clay bervariasi menurut keadaan mineraloginya; kaolinite 3-15, illite 10-40,
smectite/montmorillonite 80-150, palygorskite/attapulgite 20-30 meq/1 OOg, Ion-ion
berkompetisi ke sisi pertukaran dan menggantikan kation yang telah terikat, hal ini
disebut selektivitas pertukaran ion. Kation pengganti umumnya Na, Ca, Afinitas
penggantian tergantung muatan listrik, radius hidrasi, dan konfigurasi molekuker. Secara
umum kation-kation divalen lebih kuat diadsorpsi dari ion-ion mono val en dan lon-Ion
yang lebih kecil cenderung menggantikan kation-kation lebih besar.
Urutan penggantian kation: Na+ < Li+ < K+ < Rb+ < Cs+ < Mg2+ < Ca2+ < Ba2+ <
Cu2+ < A13+ < Fe3+ < Th4+. Urutan ini tidak berlaku mutlak. Kation dengan kekuatan
penggantian lebih rendah seperti Na+ pada konsentrasi tinggi dapat menggantikan kation-kation
yang lebih kuat. KTK juga sangat diperngaruhi oleh pH, pad a pH di bawah netral ion H+ siap
mengganti ion-ion logam, bila pH meningkat ion H+ kurang resisten untuk melakukan
penggantian.
Zeolite
Zeolite mempunyai caged structure. Kapasitas penukaran kation relatif tinggi ± 250
meq/IOOg dengan mayoritas ion pengganti berupa Ca2+, Na2+. Caged structure berfungsi sebagai
penapis molekuler. Ion-ion logam yang lewat akan dijerat dan ditangkap dengan mekanisme
penggantian ion. Lima macam zeolite di alam; analite, chabazite, clipnotilolite, erionite dan
modernite digunakan secara luas dalam pengolahan limbah termasuk pemurnian air yang
terkontaminasi radioaktif, penghilangan ammonium dari efluen pengolahan air limbah,
pemurnian air peri kanan, penyerap kontaminan gas dan adsorpsi logam-logam berat dalam air
limbah industri. Sangat baik mengadsorpsi arsen, timbal dan cadmium.
Penapis Molekulel'
Penapis molekuler adalah suat material yang mempunyai sifat adsorpsi selektif dapat
memisahkan komponen-komponen dari suatu campuran yang didasari oleh perbedaan bentuk dan
ukuran. Hal ini dikemukakan oleh McBain pad a 1932. penapis molekuler temasuk tanah liat,
kaca/gelas porus, arang porus, karbon aktif dan sebagainya.
176
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979
Zeolite adalah suatu kristal aluminosilkat dengan struktur rangka rantai silang terbuka
yang banyak, disusun oleh pembagian sudut tetrahedral dai Si04 dan AI04• zeolite pertama,
stilbite ditemukan Cronstedt pad a 1756 dimana mineral tersebut cepat melepas air pada
pemanasan da tampak mendidih. Nama zeolite berasal dari bahasa Yunani yang berarti batu
mendidih. Formula empiris zeolite: M2/nO.Ah03.XSi02.yH20. M menunjukkan kation yang
dapat dipertukarkan dengan valensi n, biasanya berupa ion golongan I atau II meskipun logam
lain, non logam dan kation ortanik dapat menyeimbangkan muatan negatif yang ditimbulkan
adanya AI dalam struktur. Kerangka dapat mempunyai sangkar atau saluran dengan ukuran
berbeda-beda yang biasanya terisi oleh air.
Selain Si4+ dan AI3+, ion lain dapat juga terdapat dalam kerangka zeolite. Unsure-unsur
1111 tidak perlu bersifat isoelektronik dengan Si4+ dan AI3+, tetapi harus dapat menglsl SISI
kerangka. Zeolite aluminosilikat menunjukkan muatan negatif pada struktur kerangkanya
sedangkan penapis molekuler lain bersifat netral.
Sifat Zeolite
Zeolite dengan ratio Sil AI rendah mempunyai kerangka anionic sangat kuat. Kation
pertukaran menjadikan medan elektrostatik local yang kuat dan berinteraksi dengan molekul
molekul polaritas tinggi seperti air. Kelakuan pertukarankation pada zeolite tergantung: sifat
kation, ukuran kation (hidrous atau anhydrous), dan muatan kation, temperatur, konsentrasi
kation dalam larutan, anion terkait dari kation dalam larutan, pelarut (umumnya pertukaran
berlangsung dalam larutan air, beberapa dalam solven organic) dan karakteristik struktur zeolite.
Pertukaran kation dalam zeolite dihantarkan dengan perubahan stabilitas, kelakuan
adsorpsi dan selektifita, aktivitas katalitik dan sifat-sifat lain. Oalam beberapa kasus penyerahan
kation yang lebih besar atau kecil akan menurunkan atau memperbesar terbukanya pori-pori.
Lokasi kation tersebut dalam kristal yang akan menentukan ukuran perubahan pori. Contoh: Na+
melllbentuk zeolite mempunyai dimensi pori efektif yang lebih kecil dari yang diharapkan untuk
pembukaan kerangka dengan 8 ring anggota. Jika ion tersebut diganti dengan K+ yang lebih
besar, diameter pori menurun sehingga hanya molekul polar yang sangat kecil yang akan
diadsorp. Jika Ca2+ digunakan menyeilllbangkan mllatan kerangka struktur zeolite pori-pori
efektif terbllka lebih besar/lebar dan hanya blltuh Ca2+ separuh dari jllmlah Na +. Ion-ion ini
menempati bagian kosong dari zeolite dan tidak Illengurangi diameter pori-pori efektif dengan 8
nng. Penapis molekuIer murni mempllnyai kerangka netral menunjukkan derajat tinggi sifat
hidrfobik dan tak punya kapasitas tukar kation.
177
Hasi/ Penelilian dan Kegialan PTLR Tahun 2006 ISSN 0852 - 2979
Penerapan yang sangat penting dari penapis molekuler adalah sebagai katalis. Zeolite
mengkombinasi keasaman tinggi dan selektivitas tajam, luas permukaan besar dan kestabilan
panas tinggi dan telah digunakan mengkatalisis berbagai reaksi hidrokarbon seperti cracking,
hidrocracking, alkilasi dan isomerisasi. Reaktifitas dan selektifitas zeolite sebagai katalis
ditentukan dengan sisi aktif yang diakibatkan oleh ketidak seimbangan muatan antara atom
silicon dan aluminium dalam kerangka. Setiap kerangka dengan atom aluminium menginduksi
terjadinya sisi potensial asam yang aktif. Tambahan silicon murni dan penapis molekuler AIP04
mempunyai sisi asam Bronstedt dimana keasaman lemah tampak disebabkan dengan adanya
terminal ikatan OH pada permukaan luar kristal.
Selektifitas bentuk atau rupa, termasuk selektifitas bentuk reaktan, selektifitas bentuk
produk atau selektifitas bentuklkeadaan transisi, memainkan perat sangat penting dalam katalisis
penapia molekuler. Saluran dan sangkar dalam penapis molekuler sam a dalam ukuran sampai
sedang terhadap molekul-molekul ukuran yang berbeda dari saluran dan sangkar mendorong
difusi reaktan-reaktan yang berbeda, produk atau spesies-spesies dalam keadaan transisi.
Kristalinitas yang tinggi dan struktur saluran regular merupakan pandangan dari katalis penapis
molekuler. Selektivitas bentuk reaktan menghasilkan dari difusivitas terbatas beberapa reaktan
yang tak dapat lewat secara efektif dan berdifusi dalam kristal. Selekivitas bentuk prodllk terjadi
manakala difusi lambat molekul produk tak dapat secara cepat meninggalkan kristal, dan
mengarah pad a reaksi sekunder. Bentuk selektivitas pada keadaan transisi terbatas adalah suatu
efek kinetik yang timbul dari lingkungan local di sekeliling sisi aktif. Tetapan kecepatan untllk
mekanisme reaksi tertentu jika perlu keadaan transisi terlalu besar/banyak untuk membentuk
secara slap.
PENUKAR ION ALAMIAH
Pad a 1756 Baron Cronstedt menemukan zeolite, komponen tanah liat yang dapat berfungsi
sebagai penukar ion dengan kandungan utama calsium/magnesium atau natium/kalium
alllminosilikat dengan formula umum (M,2+, M22+)O;Ab03.nSi02.ml-hO. Rangka inert
aluminosilikat mempunyai jaring muatan negatif yang diseimbangkan oleh ion logam alkali atau
alkali tanah yang kehilangan ikatan pada fractur dan channel daripada kisi kristal sehingga dapat
digantikan bila dihadapkan dengan antikation berlebihan. Struktur yang porus juga menjadikan
zeolite berfungsi sebagai clothrates dan penapis molekular. Material penukar ion yang lain
termasuk montmorillonite, glauconite, kaoline, dan talc. Semuanya mempunyai rantai tetrahedra
Si04 dimana tiap atom oksigen berbagi diantara dua tetrahedral sehingga menghasilkan jarring
tiga dimensi. AI dan logam lain dapat mengganti Si.
178
Hasi/ Peneli/iall dan Kegia/an PTLR Tahlll1 2006 ISSN 0852 - 2979
TAT A KERJA
A. PENYIAPAN BAHAN SORB EN (ZEOLITE)
I. Contoh zeolite digerus dengan lumpang akik kemudia diayak bertingkat.
2. Hasil ayakan -25 +50 mesh dikeringkan 4 jam dalam oven 110°C.
3. Setelah dingin, zeolite kering ditimbang 201 gram, dimasukkan dalam kolom
sorpsl.
4. Kolom dirangkaidengan labu reservoar menggunakan statif.
B. PENYIAPAN LARUTAN UMPAN Sr DAN PERCOBAAN SORPSI
I. Ditimbang XX gram Sr(N03)2, dilarutkan dengan akuades dalam labu takar 1,0
liter, diencerkan sampai tanda tera.
2. Larutan umpan Sr dimasukkan dalam labu reservoar, umpan dialirkan ke dalam
kolom sampai lapisan zeolite terendam dan laju alir efluen keluar kolom 0, I
mUdet dengan mengatur pembukaan tap labu reservoar dan tap kolom.
3. Efluen (keluaran kolom) ditampung sampai tuntas, dicuplik 10,0 mL (loop I)
untuk analisis dan lapisan zeolite dibilas dengan 200 mL akuades.
4. Efluen (pada langkah 3) dimasukkan kembali dalam labu reservoar dan dilakukan
percobaan sorpsi dengan mengulang langkah 2-3 (sebagai loop 2).
5. Pcrcobaan sorpsi dilakukan bcrulang-ulang hingga 20 loop.
C. ANALISIS CUPLIKAN
I. Cupl ikan etluen (loop 1-20) diencerkan dengan akuades hingga sesuai dengan
rentang konsentrasi pengukuran.
2. Di lakukan anal isis konsentrasi Sr menggunakan Spektrofotometer Serapan Atom.
HASIL
A. ANALISIS KONSENTRASI Sr DALAM UMPAN DAN EFLUEN.
I. DATA STAN OAR Sr I
Konsentrasi 2,03,04,05,06,07,08,0(ppm) Absorbansi
0,1810,2750,3550,4330,4860,5890,625
179
Hasil Penelitian dan Kegiatan PTLR Tahun 2006
2. DATA UMP AN DAN EFLUEN
ISSN 0852 - 2979
Loop AbsorbansiFactor pengenceranKonsentrasi (ppm)Umpan awal
1,446I.
1,4332.
1,4313.
1.2564.
1,2305.
1,0766.
0,9332507.
0,8538.
0,6449.
0,55910.
0,517II.
0,38612.
0,29013.
0,36514.
0,24115.
0,18416.
0,16417.
0,08710018.
0,06619.
0,06520.
0,052
3. DATA STANDAR Sr II
Konsentrasi 2,03,04,05,06,07,08,0(ppm) Absorbansi
0,0970,1480,1970,2400,2670,33 ]0,349
3. DATA UMPAN DAN EFLUEN II
Loop Abs.Konstr2:Sr(Z)/Abs.Konstr2:Sr(Z)/(FP= 150)
(ppm)2:Sr(U)(FP=XX)(pplll )2:Sr(U)
LSrZLSrZ
LSr.ULSr.u
Umpan
1,]66 4038,42 ],446awal I.
0,908 3129,360,22511,4332.
0,886 3051,850,24391,4313.
0,772 2650,170,33941.2564.
0,702 2403,520,39681,2305.
0,606 2065,270,47391,0766.
0,490 1656,540,56500,9337.
0,459 1547,320,58880,8538.
0,374 1247,820,65250,6449.
0,252 817,950,7419 0,55910.
0,189 595,970,78700,517
180
Hasi/ Pene/itian dan Kegiatan PTLR Tahzln 2006 /SSN 0852 - 2979
II. 0,150 458,560,81420,38612.
0,117 342,280,83670,29013.
0,089 249,620,85410,36514.
0,084 226,010,85850,24115.
0,059 137,920,8742 0,18416.
0,045 88,590,8827 0,16417.
0,047 95,640,8815 0,08718.
0,039 67,450,8861 0,06619.
0,036 56,880,8878 0,06520.
0,035 53,360,8884 0,052
PEMBAHASAN
Larutan umpan yang dipakai dalam percobaan mengandllng Sr 2 gram/L, hal didasarkan
atas pertimbangan praktis berkenaan dengan limit deteksi instrumen analisis yang digunakan.
Kadar Sr dalam eflllen yang telah melewati kolom sorpsi tampak berangsllr menllrun dari loop ke
loop. Ratio kadar Sr dalam Iarutan sebeillm dan setelah melewati kolom, pada loop I sid XX
mencapai harga > XX. Oari rangkaian tahap sorpsi (loop I sid 20) atall kllrva sorpsi (GambaI'
XX) tampak bahwa pada tahap-tahap awal lajll sorpsi relatif tinggi dan selanjutnya berangsur
menurlln. Prosentase Sr terserap optimal sampai pad a loop XX dengan capaian XX. Hasil
percobaan ini menllnjllkkan bahwa proses sorpsi sirkuler bertahap c1apat meningkatkan efektivitas
sorpsi clan c1iharapkan pola yang sama juga berlakll untuk konsentrasi lImpan yang renclah sesllai
tingkat radioaktivitas limbah sebenarnya. Untuk membllktikan hal tersebllt kiranya perlu
dilakllkan penelitian lanjllt c1engan c1esain percobaan yang lebih menclekati konclisi pengolahan
yang sebenarnya.
181