Prosiding Presentasi llmiah Daur Bahan Bakor NuklirPEBN-BATAN, Jakarta 18-19Maret 1996ISSN 1410.1998

PENGOLAHAN LIMBAH RADIOAKTIF URANIUM CAIRDENGAN RESIN PENUKAR ION CAMPURAN

Supardi, Busron MasdukiP\lsat Penelitian Nuklir Yogyakarta

ABSTRAK

PENGOLAHAN LlMBAH RADIOAKTIF URANIUM CAIR DENGAN RESIN PENUKAR ION CAMPURAN.Limbah radioaktif uraniwn cair yang diolah berasal dari Instalasi Teknologi Proses PPNY yang aktivitasnya sekitar1,6308 x 10-4 gCi/ml (pemancar a) don kandllngan uraniwnnya sekitar 480 ppm F. Metode pengolahan limbahradioaktifuraniwn cair adalah pen\lkar ion cara terput\1S (batch) mengg\l1Iakan resin penukar kation m.-120 dan resinpenukar anion m.A-400. Par8lneter yang diteliti nntara lain variasi normalitas m-J03 untuk resin penukar ion (m. 120dan m.A 400), kecepalan pengad\lkan, lama pengad\lkan, pH limbah, clan perbandingan herat dari campuran resinpenukar kation/anion. Hasil penelitian men\l1Ijukk8l1 bahwa proses pemisaJlan U dengan penukar kation maupunanion diperoleh secara optimal padn kondisi konsentrasi m-JO) =0,5 N, pH=4, kecepalan pengadukan 225 rpm dalamkurun waktu 90 menit clan mengg\l1Iukan perbandingnn herat resin terhadap volum limbah U terhesar 5 g : 50 ml,dengan nilai efisiensi pemisaJlannyn (EF) sekitar 98.99 % dan faktor dekontaminasi (FD) untuk resin kation 100,01dan resin anion 58,87. Pengg\lnaan campllran resin kation dan anion tertinggi yaitu 2 :1 dapat mengitasilkan efisiensitertinggi yaitu 98,94 % deng8l1 nilai FD 67,20. Pengg\lnaan campuran resin tersebut lebih baik daripada penggunaanmasing-masing jenis resin itu sendiri.

ABSTRACT

LIQUID URANIUM RADIOACTIVE WASTE TREATMENT WITH MIXTURE ION EXCHANGE RESINS. Uraniumradioactive liquid waste which wa.f gemlrated from Process Technology Instalation in PPNY had the activity of1.6308 x 10-4 ".ci/ml (a enlitter) and uranium concentration of 480 ppm F. The method used was batch ionexchanger using cation exchanged resin (Amberlite IR-120), anion exchanged resin (lRA-400), and both of mixtureresin. The paranleter which wauld be im'e.ftigated was HNOJ concentration, speed and duration of agitation, pH afwaste solution and the ratio of specified (anion and cation exchanged) resin composition. The result revealed that theoptimal condition of U separation process using either cation or anion exchanged resin has been reached in theHNO3 concentration of 0.5 N, the pH of 4, the speed of 225 rpm within 90 minutes of agitation, with the use of resinto solution ratio 5 g ..50 mi. The separating efficiency factor (EF) obtained was abaout 98.99 % with the factor ofdecontamination (FD) of each cation and anion exchanged resin respectively was 100.01 and 58.87. The use of bothcation and anion echanged resin mixture of 2.. I ratio showed the best efficiency i.e. EF dan JiD values of 98.94 %and 67.20 respectively. The mixed resin usage pronlising to give better result then of each specified resin.

sekecil mungkin atau bahkan bila dapatdihilangkan sarna sekali. Disampimg itu bilakondisi laboratorium memungkinkan uraniumdapat dipungut kembali3.4 karena uraniumharganya mahal dan sangat banyak digunakandalam bahan bakar mtklir.

PENDAHULUAN.

Limbah radioaktif cair yang ditilnbulkanoleh InstaJasiTeknologi Proses PPNY jumlahnyasekitar 200 liter per tahun pada kondisi kegiatanpuncak. Aktivitas limbah terscbut sekitar 1,6308x 10-4 pCUml (pemancar 0.) daD kandunganuraniumnya sekitar 480 ppm. Pada kondisinonnal jumlahnya kurang dari 200 liter tiaptahunnya. Limbah tersebut di atas ditampungdalam beberapa drum daD jerigen plastikl yangditempatkan digudang limbah sebelum diolah ataudigunakan untuk penelitian. Limbah radioaktifuranium cair sangat berbahaya karena selainberacun juga mengandung nuklida aktif yangumur paronya sangat panjang, yaitu U-235mempunyai umur paruh 7,13 x 108 tahun daD U-238 mempunyai umur paruh 4,49 x 109 tahun.Oleh karena itu limbah tersebut harus dikeloladengan baik daD diolah dcngan cara yang tepafsupaya pencemaran lingkungannya dapat ditckan

Berdasarkan uraian di atas maka dicaripemecahan persoalan dengan tara penyerapanlimbah radioaktif uranium cair dengan resinpenukar ion buatan yaitu resin penukar anion daDresin penukar kation atau campuran kedua resintersebut di alas. Dipilihnya resin penukar ionsebagai bahan penyerap2.S.6 karena resinmempunyai struktur daD sifat-sifat dasar yangsangat baik untuk penyerapan. Kapasitaspenukaran ion2 merupakan sifat karak-teristik darizat penukar ion. Kapasitas penukaran ion inimemmjukkan banyaknya gugus ion yang terikatpada penukar ion tersebut untuk setiap hargasatuan berat. Dari percobaan laboratorium

308

Pro.riding Pre.renta.ri Ilmiah Dour Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta 18-19 Maret 1996

koefisien selektivitas daD efisicllsi penukar ion6dapat ditentukan.

larutan umpan ( 480 ppm kadar uraniumnya),serta larutan HNO) 6 N yang telah divariasi dari(0,5, I, 2,5, 4, dan 6) N. Berat resin penukar ionkering masing-masing divariasi dari (1, 2, 3, 4,dan 5)g. Dari masing-masing berat resindimasukkan kedalam erlenmeyer yang berisi 50ml larutan limbah lalu diaduk yang divariasi dati(10, 20, 30, 45, 60, 75, 90, 120, dan 150) menit.Didapat lama pengadukan terbaik, yangselanjutnya basil ini dicari pula kecepatanpengadukan terbaik yang divariasi dari (50, 75,100, 175,200,225,250,275,300,325,350, 375,dan 400) rpm. Dengan cara yang sarna dapatditentukan variasi pH terbaik dari pH 1, 2, 3, 4, 5,6, 7, 8, 9, dan 10. Perlakuan terakhir dengan caraperbandingan berat resin kation terhadap resinanion terbaik yang divariasi dari I: I, 1:2, 1 :3, 2: I,3:I,dan4:I.

Dalam proses penukar ion ada keuntungandan kerugian. Keuntungannya antara lain

a. mudah dioperasikanb. harga faktor dekontaminasinya cukup tinggi

hila dibandingkan cara kimia biasac. dibandingkan dengan proses ekstraksi pelarut.

pertukaran ion lebih efisiend. hila resin mengalami kejenuhan sementara

dapat diregenerasi, yaitu peng\lsiran kembaliion-ion dalam gugus nmgsional dcngan aSc1mbasa yang lebih kuat

EI R + Ex + ~ Ex R + EI+

BASIL DAN BABASAN

Dan tata kerja daD perlakuan selanjutnyadidapat beberapa tabel sebagai basil, kemudiandibahas seperti diterangkan dibawah ini.

Perlu diketahui bahwa faktor dekontaminasidising-kat FD (dalam satuan volum yang sarna)dan efisiensi disingkat EP.

dengan : EI= ion lawan dari elektroEx = ion lawan dari penukar ion,

R penukar ione. pemungutan radionuklida lebih selektif daD

kuantitatifKerugiannya an tara lain:a. harga mahal,b. harga peralatan mahal. Hal ini d(lpal diimbangi

karena resin pemlkar ion d(lp(lI diregenerasisehingga dapat dipakai beber(lpa kali.

c. stabilitas terhadap sultu terbatasOperasi pertukaran ion pada umumnya dilakukanpada suhu kamar. Uranium d(llam larutan dapalmembentuk senyawa UO2++ dan UO2(SO4) 2,,-2

,dimana n = 2,3.

Aktivitas limbah sebelum diolahFO=

Aktivitas limbah setelah diolah

(cacah mula-mula)-(cacah akhir)EP=Berdasarkan latar belakang masalah, tujuan

serta pendekat.1n cara pemecahannya maka dibuathipotesis bahwa resin penukar ion campurandalam perbandingan berat tel1entu lebih baik hasilserapannya dibandingkan dengan hasil serapandati masing-masing resin penukar ion.

(cacah mula-mula)

Resin yang digunakan disini yaitu resin IR-120 kering yaitu resin dikeringkan pada suhu110°C selama :i: 18 jam. Resin ini stabil padasuhu 110°C untuk garamnya, tapi di atas 100°Csecara periahan-lahan akan bereaksi dengan airdengan membcbaskan H2SO4.

TATA KERJA.

Pengaruh FD daD EP terhadap berat resindalam berbagai konsentrasi HNO) dapat dilihatpada t...bel I. Pada berat resin 5 g daD normaiitasHN03 = 0,5 N memberikan FD = 5,17 daD EP =88,11% yang terbaik. Kurang dari itu berarti adakotoran yang mengganggu proses pertukaran ion,sedang di atas 0,5 N efisiensinya semakin kecilkarena adanya pengurangan kapasitas resin.Baltkan kalau makin pekat larutan HNO) yangdigunakan daD akan mel1jadi rusak.

Bahan yang digtmakan anlara laina. larutan limbah dari ITP dcngan kandungan

uranium 480 ppmb. larutan asam nilrat (HNO) 96%.c. larutan NAOH 10 Md. resin penukar anion (IRA-400).e. resin penukar kation (IR-200)Alat yang digunakan anlarc1 Iclin : gelc1s bekcr,gelas erlenmeyer, planscl, Iclmpu pcngcring, daDalai cacah a,p latar rcnd:1h. Sclanjutnyamenyiapkan resin (IRA 400) dan (IR 120) untukdikeringkan masing-masing scbanyclk 500 g padapengering. Untuk resin IRA 400 pc1dc1 suhu 70°Cselama:i: 18 jam,untuk IR 120 pada suhu 110°Cselama:i: 18 jam. Disamping ilu jugc1 mcnyiapkan

Resin yang digunakan resin IRA-400 keringyaitu resin yang dikeringkan pada suhu 70°C

309

Prosiding Presentasi /lm;ah Daur Bahan Bakar Nuk/;rPEBN-BATAN. Jakarta 18-19Maret 1996

selama :t 18 jam. Resin anion dalam bcntuk basabebas mulai terurai pada suhu di alas 50°C,sedang garamnya stabil hingga suhu 100°C.Karena itu diambil suhu 70°C untukpengeringannya. Pada Tabel 2 ditunjukkan bahwaberat resin 5 g daD nornlalitas HNO) 0,5 Nmemberikan harga terbaik pada FD=5, I dan EP =

88,11 % .

Tabcl 2. Pengaruh konsentrasi HNO] (N) terhadapfaktor dekontaminasi (FD) dan efisiensipemisahan (EP) uranium dengan resinpenukar anion (IRA-400) pada berbagaibe rat (g) resin

N HNO30,000,501,002,504,006,000,000,501,002,504,006,000,000,501,002,504,006,000,000,501,002,504,006,000,000,501,002,504,00~Q-

--FD EP %1,46 70.742,39 70.912 07 70,951,72 70,841,63 70,821,55 70,771 59 70,813,10 87142,82 71 361,94 70,861,72 70,841,63 70,821,78 70,864,44 87,283,10 87,142,58 71,062,07 70,951,82 70,901,91 70,934,43 88,033,44 87,282,82 71,362,39 70,911,94 70,861,93 70,975,17 88,113,87 87,432,82 81,362,21 70,97~,-~L_~0-,-85-

Dan Tabel 3 dapat dilihat bahwa keccpatanpengadukan terbaik dcngan sistim tcrplltus batchpada kecepatan 225 rpm. lebih rcndah darikecepatan 225 rpm kontak yang terjadi belumsempuma/merata. Di alas kcccpatan 225 rpmbasil penyerapan cendemng tumn karcna butiranresin makin halus dan jllmlah pori-pori padapermukaan butiran makin scdikit. sehingga

310

Tabcl 3. Data FD dan EP dari pemisahan U

Prosiding Presentasi Ilmiah Daur Bahan Bakor NuklirPEBN-BA TAN. Jakarta /8- / 9 Maret /996

Senyawa uranium apabila dilamtkan dalamasam (dalam hat ini asam nitrat) akanmembentuk ion komplek yang mempunyai ikatanyang kuat. Apabila pH diperbesar lebih dari 4maka ikatan didalam uranium bentuk komplek iniakan makin kuat, sehingga akan mempersukarproses per-tukaran ion yang menyebabkanuranium yang terserap resin makin sedikit.Apabila pH diperkecil maka suasana terlalu asamakan dapat mengurangi kapasitas pertukaranresin penukar ion, bahkan dapat memsakkanresin seperti saat perendaman dengan lamtanHNO) .Berdasarkan basil penyerapan ion tersebutdi atas maka untuk selanjutnya akan dicobadengan resin campuran kation : anion sekitar 2: 1dengan variasi mulai dari 1:1, 1:2, 1:3,2:1,3:1,4:1.

Dari tabel 4 dapat dilihat bahwa lama peng-adukan terbaik adalah 90 menit dengan FD =43,05 dan BP = 96,57% untuk resin anion, untukresin kation FD = 79,69 dan BP = 96,95%.

Kurang daTi 90 menit berarti kontak yang terjadibelum sempuma. Di atas 90 menit daya serapresin akan turnn karena butiran resin makin halusdaD pori-pori permuka.'ln blltiran makin kecil.Apabila ter-laiu lama diadllk resin akan hancurdan rnsak.

Tabel 4. Data FD dan EP dari ckstraksi U padakecenatan oen2adukan 225 rom

No. Waktu{men it)

Pacta percobaan suhu kamar (280°C) didapathasil untuk resin kation IR 120 FD = 44,55 danEP = 96,07%, sedangkan untuk resin anion IRA400 didapat FD = 23,63 dan EP = 94,27%.

~,""I12.~~

1020304S607S90

~~ ~. ~.- 2dQ...

~~~

~~~~~

r-88~48I 92.41I 93.02

94.2795.1695.82

I 96.57i

95,16-

~!4oS

6Tabel 6. Pengaruh perbandingan berat dari

campur-an resin (Kation : Anion)terhadaD FD dan EP.

75,21 ~4hoS

I EP (%)-! 91,75

No.

~

120 31,15

94,89

150 16.62 I : I 15.251 :2

I

~21Tabel 5. Pengaruh pH limbah terlllldap

oenveran:tn re~in

:!..!.J.2

94,2728.461 : 32: 1

~~

j-IRA-400 ~ 3: J.

~

;;

~

6 67.25

94,47

-k

--~

~,

Ket : W = perbandingan berat kation : anion

~~1

JaDapat dilihat pada label 6 bahwa pada

perbandingan berat resin kation terhadap anion =2:1 memberikan hasil terbaik yaitu FD = 67,20dan EP = 98,94%. ini disebabkan kedua resin

saling menguatkan/membantu.iika perbandinganberat resin (kation : anion) < 2: 1 yaitu dari (I: I)sampai dengan (1:3) maka FD dan EP cenderungtetap yaitu EP sekitar 91 -94%. Ini disebabkanoleh makin banyak resin anion yang ditambahkan,makin banyak pula uranium yang terikat olehresin sehingga FD dan EP naik. Dalam hal initerdapat 2 hal yang berarti, yaitu (1) ion U dalambentuk anion sehingga erjadi pertukaran ion, daD(2) terjadi penyerapan ion U oleh resin anion.Karena uranium yang dipakai bermuatan positip,maka scbetulnya hanya resin kation yang mampumempertukarkan ionnya. Reaksi pertukarannyasebagai berikut :

1~.94 j 95.16

tl

I 31:42 I 94:28

991,03~9,79

Dan tabel 5 dapat dilihal bahwa pH limbahterbaik terhadap penyerapan resin kalion IR-120pada pH = 4 dimana FD = 47,23 dan BP =97,89%. Untuk resin anion IRA-400 pH = 4,FD=23,46 dan BP = 93,84cyo. Pada pH = 4

senyawa kompleks uranium akan me-ngalamiionisasi sehingga memudahkan proses per-lukaranion dengan resin pemlkar ion.Persamaan re.'\ksinya :

U02(No,n ~ U02 2,2 If' + 2 R- + U02 2+ + 2 NO}-"

+ 2 NO)'llOlRl + 2 IINO)

>

UO2R2 + 2 HNO32 fIR + UO2(NO3n <:

311

Pro.riding Pre.fenla.fi llmiah Dour Bahan Bakar NuklirPEBN-BATAN. Jakarta /8-/9 Maret /996

sedangkan resin anion tidak mampumempertukarkan ion dengan uranium. Jadididuga bahwa resin anion hanya mampumenyerap uranium dipennukaan saja. Sehinggabanyaknya uranium yang diserap aJeh resin anionini tidak sebanyak resin kation. SeJain itu karenapenelitian teriadi pacta pH 4 maka resin kationlebih reaktif bemlngsi sebagai pernukar ion jikadibandingkan dengan resin anion yang biasanyamembutultkan pH lebih tinggi yainl pH = 9 -11.

Hal tersebut didukung oJeh dat.1 FD dan EP yang

tinggi dengan kenaikannya yang relatif keciJ jikadigunakan variasi resin kation denganperbandingan berat resin (kation : anion) > 2: I.Jadi cukup perbandingan bernt = 2: I Sc1ja

berdasarkan tinjauan ekonomis.

3. Galkin, N.P and Sudarikov, B.N, "Technologyof Uranium", Israel Program for ScientificTranslation, Yerusalem, 1966.

4. Fischer S.A., "Effect of Gamma Radiation onIon Exchange Resins", USAEC Report RMD-2528, Research Laboratory Rohm and Haas Co,Feb. 1954.

5. Rukihati, "PemiSc'lhan Uranium dengan ResinPenukar Anion dan Penentuannya secaraSpektrometri", MIPA U.G.M 1974.

6. "Operation and Control of Ion ExchangeProcesses for Treatment of Radioactive Waste",Technical Report Series no. 74, Vienna, 1968.

7. Soeroto R, "Diktat Kuliah Pengolahan LimbahRadioaktif', BAT AN, 1985.

TANYAjAWABSIMPULAN.

Resin campuran (kation. : an.ion.) den.gan.perban-dingan berat (2: I) merupakan. penyerapterbaik karena dicapainya nilai optimal dari FD =

67,20 daD EP 98,94%. Nilai terscbut Icbih baikjika dj-bandingkan terlmdap nilai penycrapanresin anion IRA-400, yang menllnjukkan nilai FD= 23,46 dan EP = 93,84%. atallplln penyerapanresin kation IR-120 dengan FD = 47,23 dan EP -

97,89%.

1. Siti Amini.Bagaimana menurut pendapat Saudara, bila

variasi perbandingan resin kation/aniondilakukan terlehuh dabulu, kemudian barndilakukan optimasi kondisinya.

Supardi.Saya menyatakan kurang sependapat dengan

pernyataan dari penaya tersebut di atas. Halini, karena apabila dilakukan variasiperbandingan resin kation/anion terlebihdahulu, kemudian barn dilakukan optimasikondisinya, maka dengan perlakuan seperti ituakan mengakibatkan terlalu banyakperbandingan resin kation/anion yang harusdilakukan/dicoba. Dengan demikian akansemakin sulit untuk menentukan optimasinya.Saya berpendapat bahwa apabila variasiperbandingan berat resin kation/aniondilakukan paling akhir, maka kondisi yangdilakukan seperti ini akan dapatmemperlihatkan hasil dari masing-masing iondaD sifat kecenderungannya, sehingga untukmenentukan perbandingan berat resinkat ion/anion cenderung lebih cepat dan

tepat/akurat.

UCAPAN TERIMA KASIH.

Terima kasih diucnpknn oleh penulis kepndn

Sc1udara Tri Suyatno atns bnntunnnyn mulni dnri

awal hingga selesainya penelilinn ini. Demikinn

pula ucapan sernpa kepndn Sc1udnra yang bertugns

dibagian analisis.

DAFTAR PUSTAKA.

1. BAT AN," Ketentuan-ketentllan KeselamatanKerja Terhadap Radiasi", Badan Tenaga AtomNasional, Jakarta, 1958.

2. Robert Kumin & J. Myers, "Ion ExchangeResin",John Welly Sons, Inc, New York, 1958.

312