Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah RadioaktifBATANPusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

PENGARUH GAY A KOMPAKSI PADA KUAT TEKAN PROD UK GELAS-ZEOLIT

YANG AKAN DIGUNAKAN UNTUK IMOBILISASI LIMBAH RADIOAKTIF

Akhmad khusyairiPusat Pengkajian Sistem Teknologi Pengawasan lnstalasi dan Bahan Nuklir-BAPETEN

ABSTRAK

PENGARUH GAYA KOMPAKSI PADA KUAT TEKAN PRODUK GELAS-ZEOLIT

YANG AKAN DlGUNAKAN UNTUK IMOBILISASI LIMBAH RADIOAKTIF. Energi nuklir dalampemanfaatannya tidak bisa terlepas dari pengelolaan limbah radioaktif yang dihasilkan. Sejauh ini yangmenjadi kendala dalam pengolahan limbah radioaktif adalah limbah dengan umur panjang. Dewasa ini telahbanyak dilakukan penelitian tentang pengelolaan limbah umur panjang, salah satu diantaranya adalah denganmetode imobilisasi. Dalam penelitian ini dimodelkan spesimen uji tekan yang terdiri dari kombinasi gelas danzeolit dengan bentuk geometri silinder. Bahan spesimen mempunyai ukuran mesh gelas dan zeolit masing­masing : 200 dan 100 mesh. Komposisi gelas/zeolit pada spesimen mempunyai perbandingan 1:3, dengangaya tekan cetak sebesar 3.1 ton, 4,7 ton dan 6.2 ton. Riset ini ditujukan untuk mengetahui pengaruhkomposisi gelas/zeolit terhadap kuat tekan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan menggunakan gayakompaksi sebesar 3.1 ton menghasilkan kuat tekan sebesar 683.175 kglcm2• Dari penelitian dapatdisimpulkan bahwa tekanan kompaksi memberikan pengaru pada kekuatan mekanik (kuat tekan) specimengelas/zeolit.

Kata kunci : Imobilisasi,limbah nuklir, waste management

ABSTRACT

THE INFLUENCE OF GLASS-ZEOLITE COMPACTION FORCE ON MECHANICSTRENGTH OF GLASS-ZEOLITE PRODUCTS THA T IS USED FOR IMMOBILIZEDRADIOACTIVE WASTE. The application of nuclear energy can not ignore radioactive waste management.So far, the problem of radioactive waste management is long-lived radioactive waste. Nowadays, there havebeen many researches on long-lived radioactive waste management; one of the methods isimmobilizationwith ceramic. In this research, strength testing specimens is made in which it is composed

from glass-zeolite in cylinder form. This research is intended to know the influence of compaction forceforming to the strength ness of glass-zeolite. The compaction force forming are 3, I ton, 4.7 ton and 6,2 ton.The result of the research show the strength ness of the specimen has approximate value about 730,341

Kglcm2• From this research can be concluded that the compaction force has effect to the strength ness ofspecimen.Key word: Immobilization, Nuclear waste, Waste Management

PENDAHULUAN

Industri energi nuklir, seperti industri­industri yang lain mempunyai kewajibandalam pengelolaan limbahnya. Limbahradioaktif dalam konsentrasi yang rendahdapat dilepas ke lingkungan dengan aman.Limbah radioaktif tidak seperti limbahberacun karena kandungan kimia ataubakteri. Sifat keradioaktifan limbah tersebut

tidak dapat dilenyapkan kecuali denganmenyimpannya sampai aktivitasnya meluruhke tingkat yang rendah dan aman biladilepas ke lingkungan.

Untuk menghindari bahaya akibatadanya limbah radioaktif umur panjang,maka perlu penanganan yang serius terhadaplimbah radioaktif tersebut. Limbah cair yangmengandung limbah radioaktif umurpanjang perlu diolah. Pengolahan limbahcair tersebut dapat dilakukan, salah satunyaadalah dengan sorbsi (penyerapan dan

195

penjeraban). Bahan-bahan yang biasanyadigunakan sebagai penyerap adalah bentonit,arang aktif, atau zeolit.

Zeolit alam mempunyai sifat sebagaipenukar ion, penyerap dan penyaringmolekul. Zeolit yang telah digunakan untukmenyerap limbah radioaktif perlu diproseslebih lanjut, agar limbah radioaktif tidakmenyebar (terdispersi ke lingkungan).Penambahan bahan pengikat (binder) padazeolit yang telah digunakan untukpenjerapan limbah radioaktif umur panjangyang kemudian dilakukan pemanasan(sinterring) dapat memberikan ikatan yangbaik antara zeolit dan gelas yang merupakansenyawa silikat.

Penelitian ini bertujuan untukmengetahui pengaruh tekanan kompaksipada saatforming spesimen gelas/zeolit padakomposisi perbandingan zeolitgelas 1:3 dan1:4, sehingga menghasilkan bahan

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah Radioaklif-BATANPusat Penelitian I1mu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

{}zH20:y>x

Blok bentuk primer kerangka zeolitadalah tetrahedral, pusat ditempati oleh atomsilikon (Si) atau atom aluminium (AI),dengan empat atom oksigen di sudut­sudutnya. Setiap atom oksigen menjadibagian dari dua tetrahedral. Tetrahedralmembentuk kerangka yang kontinyu.Subtitusi Si4+ oleh atom A13+ menentukan

muatan negatif kerangka, yang

pengungkung yang mempunyai kekuatantekan yang tinggi.

Penggunaan gelas silikat diharapkanakan memperbaiki kekuatan mekanis hasilimmobilisasi zeolit yang digunakan untukmenjerap limbah nuklir. Komposisicampuran gelas-zeolit akan berpengaruhterhadap kuat tekan produk. Tekanan cetakakan berpengaruh terhadap densitascampuran, sehingga akan menghasilkan kuattekan yang bervariasi. Okuran butir serbukjl;ga akan berpengaruh terhadap kuat tekanproduk.

TEORI

Gelas komersial utama adalah silikat,dengan struktur tetrahedral Si04 ditambahbeberapa ion modifikasi. Tiap atom silikondikelilingi 4 atom oksigen. Bila hanya adasilika (Si02), dan setiap atom oksigenmerupakan atom penghubung, gelas menjadikaku. Silika lebur, misalnya, sangat viskosmeskipun dipanaskan di daerah suhu dimanadia merupakan benda cairo Satuan strukturbersifat ganda dan struktur jaringannyaberikatan silang, silikat lebur sangat bergunadalam pemakaian tertentu karena nilaimuainya yang rendah. Akan tetapi, karenaviskositasnya yang tinggi maka sulitdibentuk. Gelas silikat umumnyamengandung pengubah jaringan. Pengubahini adalah oks ida, seperti CaO dan Na20,dan merupakan kation dalam struktur.

Zeo/it

Zeolit adalah sebuah kerangkaaluminosilikat yang struktumyamengandung rongga-rongga yang berisi airdan kation-kation yang dapat dipertukarkan.Rumus molekul zeolit dapat dituliskansebagai berikut:

Mxln {(Al02MSi02)y} zH20

Mxln kation dengan valensi n, dapatdipertukarkan, bukan kerangkakerangka alumino silikatair zeolit bukan kerangka

196

dikompensasi oleh kation monovalensi ataukation divalensi yang berlokasi sarna denganmolekul air dalam struktur kana!.

Zeolit mempunyai sifat-sifat sebagaiberikut :

a. Kristal yang mempunyai wama kebiru­biruan.

b. Mudah melakukan pertukaran ion darialkalinya dengan ion-ion lain.

c. Dapat bersifat sebagai absorbent danpengayak molekul.

d. Merupakan kristal yang agak lunak.e. Variasi berat jenis rata-rata adalah

2-2,4 glcm3f. Molekul air yang dikandungnya mudah

dilepaskan dengan pemanasan.

ImobilisasWemadatan

Imobilisasi adalah mengubah bentuklimbah menjadi bentuk padat untukmengurangi kemampuan pindah (migrasi)atau dispersi radionuklida yang ada dalamlimbah Untuk mengubah menjadi bentukpadatan perlu bahan matriks non radioaktif.Salah satu bahan matriks yang digunakanadalah gelas/keramik. Imobilisasi denganmenggunakan bahan matriks gelas/keramikdilakukan melalui beberapa tahap, antaralain preparasi serbuk, homogenisasicampuran, forming, heat treatment, produk,pengujian tekan.

a) Preparasi Serbuk

Kekuatan mekanik keramik ditentukan

oleh beberapa faktor, antara lain:

1. Ukuran butir2. Kemumian

3. Homogenitas4. Laju kenaikan suhu pemanasan

Semakin kecil ukuran butir akan

memberikan kekuatan mekanik yang baik.Selain ukuran butir, kekuatan mekanik jugaditentukan oleh kemumian dan komposisibahan penyusunnya.

b) Homogenisasi Campuran.

Homogenitas campuran bahan penyusunkeramik dapat mempengaruhi distribusikekuatan mekanis keramik. Homogenitascampuran yang baik akan memberikandistribusi kekuatan mekanis bahan yangbaik. Homogenisasi dapat ditempuh dengancara basah, agar dapat terlarut secarahomogen biasanya yang sering dipakaiadalah alkohol, karena selain mudah

melarutkan juga mudah menguap. Perekat

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATANPusat Pene/itian Jlmu Pengetahuan dan Teknologi-RlSTEK

ISSN 1410-6086

ditambahkan guna mempermudah padatahap forming. Bahan perekat yangdigunakan diharapkan dapat hilang padatahap pemanasan, sehingga keramik yangdihasilkan mempunyai sedikit pengotor.

c) Forming

Ada berbagai metode dalam prosespembentukan, antara lain:

• Penuangan• Teknologipenekanan• Ekstruksi

Penuangan dilakukan pada titik leburbahan, hasil dari proses ini memberikanproduk yang mempunyai sifat densitasrendah, porositas tinggi. Untuk bahankeramik tidak pemah dilakukanpembentukan dengan menggunakan metodepengecoran, karena pada bahan keramiktidak mempunyai fase cairo [I]

Teknologi penekanan ada dua metodeantara lain : metode single action dandouble action. Metode single actiondilakukan dengan menggunakan satu arahpenekanan. Sedangkan metode doubleaction dilakukan dari dua arah penekananyang berbeda [2]. Ekstruksi adalah suatumetode pembentukan dengan menggunakandua rol berputar (jarak tertentu sesuaidengan kebutuhan) dengan posisi porostetap, sehingga produk yang dihasilkanberupa lempengan dengan ketebalan tertentu[2]. Pada umumnya yang digunakan untukpembentukan keramik digunakan metodeteknologi penekanan.

d) Heat treatment

Ada dua metode yang sampai saat iniberkembang yaitu metode sintering danmetode hot isostatic press (HIP). Sinteringadalah pemanasan yang dilakukan padasuhu sekitar 2/3 dari titik lebur bahan matrik

yang dipakai. Sedangkan HIP adalahperlakuan pemanasan yang disertai denganmemberikan tekanan yang merata padasetiap titik ruang. [I]

Heat treatment dilakukan pada variasiwaktu dan holding time yang berbeda akanmenghasilkan produk yang mempunyaikekuatan mekanis yang berbeda pula. [2]e) Produk

Proses pendinginan akan berpengaruhterhadap kekuatan mekanis keramik. Lajupenurunan suhu yang tidak terlalu tinggidapat memberikan produk keramik yang

197

baik, karena temperature drop akanmenghasilkan cacad pada produk. Keramikmempunyai sifat konduksi panas yang jeleksehingga bila terjadi temperature drop akanterjadi retakan. [2]

j) Pengujian

Bagaimanapun baiknya suatu kristaldipersiapkan, pasti memiliki cacat-cacat kisiyang berkaitan dengan struktur kristaltersebut. Dengan mengamati sifat mekanik,akan diperoleh informasi sifat-sifat cacatkisi tersebut. Pada beberapa cabang industri,pengujian mekanik yang biasa dilakukanseperti uji tarik, kekerasan, impak, creep,dan fatik, digunakan bukan untukmempelajari keadaan cacatnya (defect state)tetapi untuk memeriksa kualitas produkyang dihasilkan berdasarkan suatu standarspesifikasi. [3]

Pengujian mekanik ditujukan untukmensimulasikan pola pembebanan yangakan dialami oleh material tersebut padakondisi operasi material keramik/kompositkeramik, biasanya adalah uji tekan dan torsi.

Pada pengujian tekan, beban tekandikenakan pada benda uji berbentuk silindersecara kontinyu. Diantara jaraklpanjangukur (gauge length) dipasang extensometer.Ketika benda uji diberikan pembebanan,beban F diukur dan dicatat secara otomatis,perubahan panjang yang diukur bersamaandengan pembebanan. Tegangan aksial cr

dalam benda uji dihitung dengan membagibeban F terhadap luas penampang A.

Fcr= ~,

A

Regangan aksial rata-rata dalam batangdapat diperoleh dari perubahan panjang 0yang diukur antara tanda-tanda ukur, denganmembagi 0 terhadap panjang ukur L.

c5

Regangan = E = L

Komposit keramik gelas-zeolit, yangdidominasi gelas mempunyaikecenderungan bersifat seperti bahan rapuhideal, karena ia hampir tidakmemperlihatkan keliatan. Bahan-bahanrapuh yang mengalami tekanan memilikidaerah awal yang Iinier kemudian diikutidengan suatu daerah di mana pemendekanbertambah lebih cepat daripada beban yangditambahkan [4].

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATANPusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RISTEK

ISSN 1410-6086

TAT A KERJA

Bahan

I. Zeolit, yaitu zeolit alam SukabumiJawa Barat ukuran butir 100 mesh.

2. Gelas silikat, digunakan gelas silikatyang berasal dari ]ampu TL bekas yangte]ah digerus dan dihaluskan denganukuran butir 200 mesh, dengankomposisi sebagai berikut:

Tabell. Komposisi ge]as silika dari lampuTL

Unsur Persen berat

SiOz79,44

Ah032,63

CaO4,47

MgO2,94

NazO]0,51

B203

0

3. Larutan Dextrin 5 %, digunakansebagai perekat sementara pada prosespencetakan sebe]um dilakukansintering.

Metode

Sete]ah preparasi serbuk sesuai dengankomposisi dan perbandingan berat.Pembuatan campuran dan pencetakandilakukan sebagai berikut :

]. Zeolit dan ge]as silikat dimasukkan keda]am cawan diaduk hingga merata.

2. Dengan menggunakan pipet ]5 m],ditambahkan larutan dextrin 5%

sebanyak 12 ml dan diaduk hinggamerata.

3. Sebelum dilakukan pemanasan bend auji ditimbang dengan menggunakantimbangan digital untuk menentukanbulk density-nya.

4. Benda uji dipanaskan kedalam ovendengan temperatur ]00 °c se]ama ] jam,hingga terbentuk granu]at-granulatkering.

5. Cetakan disiapkan dengan mengolesiminyak goreng secukupnya padadinding cetakan.

6. Granulat yang telah kering dimasukkanda]am cetakan, mula-mula di masukkanY2 bagian kemudian ketuk-ketuk dan

198

tusuk-tusuk dengan menggunakan lidi,setelah itu di masukkan kembali sisanyadan diketuk-ketuk lalu ditusuk-tusuk

dengan lidi.7. Campuran dalam cetakan diberikan

pembebanan dengan alat kompaksisebesar 3,1 ton, 4,7 ton dan 6,8 tondengan metode single action.

8. Spesimen dikeluarkan dari cetakandengan cara mendorongnya perlahan­lahan.

9. Spesimen dipanasi dalam oven se]ama]5 menit pada temperatur ]OO°C.

]O. Sinter dilakukan dalam furnace padatemperatur 675°C selama 1jam

] ]. Spesimen dibiarkan selama 24 jam didalam furnace sampai mencapaitemperatur kamar.

]2. Spesimen dilakukan penyesuaiandimensi sesuai dengan standarpengujian.

13. Uji tekan pada spesimen dilakukan.

Dari hasil uji tekan sesuai Tabel 2

Penambahan 1-.

Granulasi

Kalsinasi (100°C-IS')

Gambar 1. Diagram alir penelitian

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VIPusat Teknologi Limbah Radioaktif-BATANPusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-R1STEK

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian dilakukan denganmemberikan test speed sebesar 2,540mmIMIN, dan didapat datalnilai kuat tekanmaksimal (kg/cm2) yang ditunjukkan padaTabel2:

Tabel2. Data hasil uji tekan (kg/cm2)

ISSN 1410-6086

KomposisiT?

3,13 ton4,7 ton6,2 ton

1:03470.9720479595.2964536730.341

1:04511.3284251698.45549668.6369

Gambar 2. Tekanan Kompaksi 3,1 ton

Pengaruh Takanan KoltlJaksi pada Kuat Takan

Takanan KOItlJaksi (ton)

[. Korrposisi 1:3 _ KoltlJOsisi 1:4[

800

700

N6005~500

~ 400~ 300

~ 200

100o+-I-~--_- _23456

_ 511.3284251• 470.9720479

_ 698.45549

• 595.2964536

• 730.341_ 668.6369

Gambar 3. Tekanan Kompaksi 4,7 ton

Gambarl. Grafik Hasil Uji Tekan

Dari hasil uji tekan sesuai Tabel 2

didapat kekuatan mekanik spesimen, padakomposisi 1:3 mempunyai kecenderunganmeningkat seiring dengan semakin besamyatekanan kompaksi, kuat tekan terbesardihasilkan pada tekanan kompaksi 6,2 tonsebesar 730,341 kg/cm2• Hal ini terjadikarena semakin besar tekanan kompaksimemberikan tingkat kerapatan yang lebihbaik sehingga menghasilkan porositas yangrendah. Tingkat porositas yang rendahmemberikan dampak pada meningkatkankuat tekan spesimen.

Sedangkan hasil uji spesimen padakomposisi 1:4 menghasilkan tren!kecenderungan meningkat, pada tekanankompaksi 4,7 ton, menghasilkan kuat tekan698,45549 kg/cm2, namun pada tekanankompaksi 6,2 ton hasil uji tekan lebih kecildibandingkan pada spesimen hasil tekanankompaksi 4,7 ton. Hal ini menyimpang darikecenderungan yang terjadi pada spesimenkomposisi 1:3, untuk mengetahui penyebabdari penyimpanghan ini maka diperlukanpengamatan dengan menggunakanmiikroskop untuk mengetahui homogenitasspesimen.

199

Gambar 4. Tekanan Kompaksi 6,2 ton

Gambar 2 merupakan foto spesimendengan tekanan kompaksi 3,1 ton,Gambar 3 merupakan foto spesimendengan tekanan kompaksi 4,7 ton,sedangkan Gambar 4 merupakan fotospesimen dengan tekanan kompaksi 6,2 ton.Dari hasil pengamatan denganmenggunakan mikroskop maka dapat dilihatbahwa homogenitas pada spesimenkompaksi 6,2 ton lebih rendah

dibandingkan dengan homogenitasspesimen dengan kompaksi 4,7 ton,sehingga kuat tekan spesimen dengantekanan kompaksi 6,2 ton lebih rendah darispesimen dengan tekanan kompaksi 4,7 ton.Homogenitas campuran gelas/zeolit sangatberpengaruh terhadap kekuatan mekanik

Prosiding Seminar Nasional Teknologi Pengolahan Limbah VI

Pusat Teknologi Limbah RadioakJifBATANPusat Penelitian Ilmu Pengetahuan dan Teknologi-RiSTEK

ISSN 1410-6086

spesimen. Homogenitas campurandipengaruhi oleh kesempumaanpengadukan serta laju kompaksi pada saatforming.

KESIMPULAN

Hasil penelitian dapat disimpulkan bahwa:• Pada komposisi 1:3 dihasilkan kuat

tekan maksimal sebesar 730,341

kglcm2 pada tekanan kompaksi 6.2 ton.• Pada komposisi 1:3 dihasilkan kuat

tekan maksimal sebesar 698,45549kglcm2 pada tekanan kompaksi 4,7 ton

• Homogenitas campuran berpengaruhterhadap kuat tekan

• Secara umum tekanan kompaksimemberikan pengaruh pada kuat tekanspesimen, semakin besar tekanankompaksi semakin besar hasil uji tekan.

• Perlu dilakukan penelitian denganvariasi ukuran butir gelas dan zeolit

200

untuk mengetahui pengaruh ukuranbutir pada kuat tekan prod uk.

• Perlu dilakukan homogenisasi yangsempuma agar produk yang dihasilkanmempunyai kekuatan yang maksimal.

DAFT AR PUST AKA

1. Amstead, B.H. et.al., (Sriati Djaprie),Teknologi Mekanik, Erlangga, JakartaPusat, 1985.

2. Kusnanto, Catatan Mata KuliahTeknologi Keramik dan Komposit,Jurusan Teknik Nuklir, Fakultas Teknik,Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta,1999.

3. Smallman, R.E., Modern PhysicalMetalurgy, 4th ed., Butterworth & Co(Publishers) Ltd, 1985.

4. Soemono, Tegangan 1, Penerbit ITB,Bandung, 1989.

5. Dieter, G.E., Mechanical Metallurgy,3 rd ed., McGraw-Hili, Inc. 1986.