142 ISSN 0216 - 3128

SORPSI SENG PADA NA-BENTONIT

Pratomo Budiman SastrowardoyoPusat Teknologi Limbah Radioaktif- BATAN

ABSTRAK

Pratomo Budiman Sastrowardoyo

SORPSI SENG PADA NA-BENTONIT. Penelitian tentang sorpsi Zn dengan Na-bentonit sebagai calonbahan bufer pada sistem penyimpanan limbah radioaktif telah dilakukan. Seng digunakan dalam penelitianini sebagai model untuk unsur bervalensi II. Metode catu dengan pengocokan diadopsi untuk mempelajariisoterm sorpsi, pengaruh pH, karbonat dan EDTArerh~C DiJlanrmediasederhilna, aquades, sorpsiZn terjadi dengan afinitas yang besar. Isotherm sorpsi Freundlich diperlihatkan dengan koefisien distribusidan kapasitas '";;;;psTyang-tidggi. DapGididugabahwa tingginya sorpsi berkaitan dengan oleh adanyasumbangan dari pengendapan Zn(OHh(sj. Hal ini juga tampak pada kenaikan nilai Kd terhadap kenaikanpH. Adanya karbonat dalamfasa larutan meningkatkan koefisien distribution, yangjuga disumbangkan olehadanya pengendapan ZnCOJ(sj.Sementara itu adanya EDTA dalam larutan menurunkan nilai Kd. Model­model spesiasi disajikan pula dalam makalah ini, untuk memberikan tambahan penjelasan sorpsi Zn padaNa-bentonit dalam berbagai kondisi.

Kata kunci: sorpsi, seng, migrasi, limbah radioaktif, penyimpanan limbah

ABSTRACT

SORPTION OF ZINC ON NA-BENTONITE. The sorption of Zn radionuclides into Na-bentonite ascandidate for buffer material in the radioactive waste dispasal system has been performed. Zinc was used forthis study as a model for bivalence elements. Batch experiment was adopted to study sorption isotherm,influence of pH, carbonate and EDTA. In a simple media, pure water, Zn was retained with a high affinity.Freundlich sorption isotherm was shown, with high coefficient distribution and sorption capacities. It couldbe interpreted that the high sorption of Zn related to the contribution of Zn(OHh(sj precipitation. This isshown on the increasing of Kd value with the increasing of pH. The presence of carbonate in solutionincreased distribution coefficient, that also could be contributed by the ZnCOJ(sjprecipitattion. While thepresence of EDTA, decrease the distribution coefficient value. Speciation models was presented in thispaper, in order to explain better on Zn sorption in bentonite, in difference condition.

PENDAHULUAN

Di banyak negara, telah disepakati bahwa Na­benton it terkompaksi dipertimbangkan untukdigunakan sebagai calon buffer material dalamsistem penyimpanan limbah radioaktif. Mayoritasargumen yang mendukung, ialah karenakonduktivitas hidraulik yang rendah dan retardasiyang kuat terhadap migrasi radionuklida[lJ.Konduktivitas hidraulik Na-bentonit yang rendahdifungsikan untuk menghambat intrusi air tanah kedalam fasilitas penyimpanan, yang karena itu akanmenunda korosi canister limbah. Diperkirakanbahwa kemampuan tersebut turun sedikitnya setelahbeberapa ratus tahun. Dihipotesakan bahwa prosesselanjutnya ialah pelarutan radionuklida ke badanair tanah, diikuti pelepasannya ke lingkungan.Dalam kaitan ini kemudian fungsi isolasi benton itterhadap pelepasan radionuklida akan menonjol.Sepanjang transportnya di dalam buffer material,

radionuklida akan berinteraksi dengan mineral­mineral dalam bahan tersebut, yang terutama berupasmektit. Seperti telah banyak dikenal smektit

merupakan mineral major dalam benton it. Interaksiradionuklida-bentonit dapat dideskripsikan denganmekanisme sorpsi. Pengertian sorpsi mencakupsetiap proses fisiko-kimia perpindahan masa darifasa larutan ke fasa padatan, baik tak langsung(filtrasi molekuler, eksklusi ion) maupun langsung;secara reversibel (adsorpsi fisik, pertukaran ion)atau ireversibel (mineralisasi, presipitasii2J.Sejumlah penelitian berkaitan dengan migrasiradionuklida dalam benton it telah banyakdipublikasikan. Namun data yang ada lebih banyakdiperoleh untuk jenis Na-bentonit Wyoming (USA),dan Kunigel V I (Jepang) [3-9]. Sedangkanpenggunaan bentonit asal Indonesia, yangberpotensi untuk digunakan dalam sistempenyimpamin limbah di Indonesia, masih sangatlangka. Karena itu dalam penelitian ini digunakanbentonit asal Nanggulan Kulonprogo- Yogyakarta,yang merupakan jenis Ca-bentonit [10].

Dalam makalah ini dis~ikan sorpsi Zn padaNa-bentonit. Unsur Zn digunakan sebagai modelunsur valensi II. Radionuklida dari unsur valensi II

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

Pratomo Budiman Sastrowardoyo ISSN 0216 - 3128 143

tersebut banyak berasal dari hasil fisi dalam bahanbakar nuklir maupun hasil aktivasi neutron dalamreaktor [II]. Limbah yang mengandung radionuklidatersebut dapat dimasukkan ke dalam kategoriaktivitas tinggi atau aktivitas rendah dan sedang.Tidak banyak dilakukannya penelitian sorpsi Znpada bentonit tersebut, tetapi dapat dicatat adanyapenelitian untuk menghitung koefisien distribusisecara mekanistik sorpsi Zn pada bentonitWyoming [12,14]. Sedangkan pada penggunaanbenton it Nanggulan Kulonpogo -Yogyakarta, untukpenelitian-penelitian sorpsi meliputi sorpsi CO [IS],

dan Cs, Sr, Cd serta Pb [16].

Pengukuran-pengukuran sorpsi diawalidengan kondisi untuk larutan e1ementer, yaitupenggunaan media sederhana, air murni, untukisoterm sorpsi. Kemudian sebagai awal penggunaanair tanah dengan komposisi yang kompleks,penelitian dilanjutkan dengan pengaruh karbonatdan pengaruh EDTA dalam fasa larutan. Karbonatdipilih sebagai pengompleks anorganik, yangterdapat dalam hampir semua jenis air tanah.Sementara itu EDTA digunakan sebagai modelpengompleks organik semacam asam humus. Hasildari penelitian ini diharapkan dapat diintroduksi kedalam model migrasi radionuklida, yang kemudiandigunakan dalam pengkajian unjuk kerja engineeredbarrier pada sistem penyimpanan limbah radioaktif.

TATAKERJA

Bentonit asal Nanggulan Kulon ProgoYogyakarta, jenis kalsium-bentotit, digunakandalam penelitian ini. Komposisi kimia disajikanpada Tabel I [II]. Na-bentonit disiapkan denganperlakuan secara fisika dan kimia: yaitu pemanasan,Ca-bentonit dalam furnace pada 300 DCselama 2jam, yang dilanjutkan dengan perendaman dalamNaCI selama 24 jam; pencucian dengan aquadeshingga bebas cr, dan pengeringan dalam oven padaI 10 DC sedikitnya selama 24 jam sebelumpenggunaan. Prosedur penyediaan Na-bentonittersebut diadopsi dari S. Lumingkewas [17].

Larutan Zn 1000 ppm dalam 0,2 N HCI, yangtelah tersedia di lab BTPL-PTLR, disiapkan denganpengenceran 250 mL larutan Zn (E.Merck) ke dalam1000 mL. Larutan karbonat dibuat dengan pelarutan0,3974 g Na2CO) (E.Merck) dalam 100 mL,sedangkan larutan EDTA (y4') diperoleh denganpelarutan 1,3949 g CIOHI2N2Na)HOg.2H20(E.Merck) dalam 100 mL. Bahan-bahan lainmeliputi HNO) pekat, NaOH dan lain lain.

Peralatan utama yang digunankan meliputialat Spektrometri Serapan Atom (SSA), syringe

micro-filter 0,45 /lm, rolling shaker, serta botol­botol polietilena.

Teknik pengocokan sederhana dilakukanseperti dalam publikasi [18]. Masing-masing 0, I gNa-bentonit dikontakkan dengan IS mL larutanmengandung Zn2+,dengan pengocokan dalam botolpolietilena. Untuk percobaan isoterm sorpsi, Zn2+dilaksanakan pada konsentrasi 2-1000 ppm. Padapercobaan pengaruh pH, pengaruh pengomplekskarbonat dan EDTA, digunakan larutan Zn2+ padakonsentrasi 2 ppm (6xlO's N). Pengaturan pHdilakukan dengan penambahan HNO) atau NaOH.Pada percobaan pengaruh pengompleks, larutankarbonat dan EDTA masing-masing ditambahkanuntuk mencapai konsentrasi pengompleks dalamlarutan 4xl 0-4sid 5xlO,2 N.

Pengocokan dilakukan dengan bantuan alatrolling shaker pada 276 rpm, selama 6 hari. Lalupemisahan fasa padatan dan fasa cairan dilakukandengan bantuan syringe micro-filter 0,45 /lm. Kedalam 10 mL filtrat, ditambahkan 0,8 mL HNO)pekat, pengukuran konsentrasi dilaksanakan denganbantuan alat SSA pada panjang gelombang A. =398,8 nm.

Kuantifikasi sorpsi dilakukan denganpengukuran koefisien distribusi (Kd), yangdidefinisikan sebagai ratio konsentrasi radionuklidapada padatan, [Zn]5' dan dalam larutan padakesetimbangan, [ZnJi, [19]

Kd _ [Zn].- [Zn]1

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari percobaan isoterm sorpsi diperlihatkanadanya kenaikan konsentrasi Zn terserap pada Na­benton it terhadap konsentrasi Zn dalam larutan,hingga dicapai suatu nilai maksimum. Nilai tersebutdiadopsi sebagai suatu kapasitas, Co. dan diperolehCa = 2.76x10,1 eq/kg. Peny~ian dalam bentuk log(Gambar I) diperlihatkan bentuk linier, yang dapatdiinterpretasikan bahwa isoterm sorpsi mengikutisuatu aturan Freundlich. Hal tersebutmengindikasikan bahwa afinitas sorpsi Zn padatanah terjadi pada site sorpsi beraneka[l9]. Secaramatematis aturan Freundlich dapat ditulis sebagai:

atau dalam bentuk logaritmik :

log[Zn]. = logCa + n.logK + n.log[Zn].

dalam kaitan ini Ca dan K masing-masing ialahkapasitas sorpsi dan kesetimbangan sorpsi. Daripengukuran kemiringan diperoleh n = 0,70, dan daripenentuan intercept pada sumbu asal, sertamenggunakan nilai Ca di atas, diperoleh tetapan

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

144 ISSN 0216 - 3128 PratomoBudimanSastrowardoyo

kesetimbangan K = 72,3. Selanjutnya, dariperhitungan menggunakan persamaan (3), untukkonsentrasi Zn dalam larutan [Zn]1= lxlO-6 ek/L,diperoleh suatu koefisien distribusi Kd= 365 L/kg.

Pada pengaruh pH (Gambar 2) diperlihatkankenaikan sorpsi dari pH=2 hingga pH=5,dilanjutkan kurva mendatar hingga sekitar pH=I2,kemudiaan terjadi kenaikan. Nilai Kd yang rendahpada pH rendah dapat dijelaskan bahwa adanyakompetisi antara ion-ion H+dan Zn2+untuk tersorpsipada Na-bentonit. Dengan demikian penaikan nilaiKd pada kenaikan pH, berkaitan dengan penurunankonsentrasi ion H+. Selanjutnya dari survei terhadapdata termodinamik [2IJ, dapat diduga bahwakenaikan sorspi pada pH lebih tinggi, kemungkinanadanya sumbangan pengendapan Zn(OH)2(s),walaupun penggunaan Zn untuk percobaan ini ialahpada konsentrasi Zn = 2 ppm, (sekitar 6xlO-5 N)dengan Ksp = 1,58xlO"16pengendapan Zn(OH)2(s)dapat terjadi. Dengan demikian pada percobaanisoterm sorpsi, yaitu dengan penggunaankonsentrasi Zn yang lebih tinggi, sorpsi terjadidengan adanya sumbangan pengendapan Zn(OH)2(s)'

Interpretasi lebih lanjut, keberadaan Na­benton it sebagai bahan penyangga dalam suspensi,pH larutan dapat berkisar antara 6 hingga 11 [20J.Walaupun studi spesiasi belum dilakukanselengkapnya, namun layak diduga bahwa sorpsiterjadi melalui pembentukan spesi-spesi dalamlarutan Zn2+, ZnOH+, Zn(OHho, Zn(OH)3- danZn(OH)/- [2IJ. Keberadaan spesi-spesi tersebutberurut sesuai dengan kenaikan pH. Dengandemikian dikaitkan dengan masalah penyimpananlimbah. Gejala pengendapan Zn(OHhs) adalahsangat favourable bagi penghambatan migrasiradionuklida Zn.

Hasil percobaan pengaruh karbonat disajikanpada Gambar 3. Pada gambar tersebut diperlihatkanadanya kenaikan secara progresif nilai koefisien Kd,sebagai fungsi konsentrasi karbonat dalam larutan.Kenaikan yang terjadi ialah dengan faktor 300,untuk antara percobaan tanpa penambahan karbonat(pH=5,8) dengan konsentrasi karbonat 5xlO-2 N(pH=8,8). Dalam hal ini, dapat diabaikan pengaruhperubahan pH pada rentang konsentrasi karbonatdalam fasa larutan. Selanjutnya penjelasan yangdapat diajukan kaitannya dengan kenaikan nilai Kdterhadap kenaikan konsentrasi karbobnat ialahadanya sumbangan gejala pengendapan ZnC03(s),Ksp = IxlO-IO [2IJ. Dalam hal ini pustaka tidakditemukan adanya kompleks antara Zn dengankarbonat. Dengan demikian gejala kenaikan nilai Kddapat dijelaskan oleh adanya pengendapan ZnC03(s)'Dari fakta tersebut dapat dinyatakan bahwa adanyakarbonat dalam larutan dapat meningkatkan sorpsi,

yang merupakan faktor favourable tambahan untukretensi migrasi radionuklida. Seperti banyakdiketahui bahwa nilai koefisien distribusi sangattinggi pada konsentrasi karbonat yang biasa adadalam air tanah, yaitu sekitar 10-2sId 10-1N [20J.

Sebagai gambaran untuk suatu kondisilarutan alami, yang mengandung sejumlah anion,dari perhitungan spesiasi dapat diperlihatkanterbentuknya spesi-spesi yang sangat bervariasi(Gambar 4). Walaupun terdapat perbedaankonsentrasi Zn dalam fasa larutan: [Zn] total dalamperhitungan spesiasi ialah IxlO-s M, fenomenaspesiasi tersebut dapat diadopsi untuk percobaan­percobaan yang dilakukan pada percobaan ini, [Zn]=6xIO"5N. Dengan demikian pada kondisi air alamiproses sospsi Zn pada Na-bentonit, dapat terjadimelalui terbentuknya spesi-spesi tersebut.

Untuk pengaruh EDTA terhadap sorpsi Znpada Na-bentonit disajikan pada Gambar 5. NilaiKd turun terhadap kenaikan konsentrasi EDTA.Berdasarkan data termodinamik [21], dapatdijelaskan kemungkinan terjadinya spesi-spesiZny2-, ZnHY-, dan ZnOHy3-. Dengan y4- ialahbentuk (CIOH12N20St. Spesi kompleks yang terjadiialah berupa anion-anion, yang tidak terikat olehNa-bentonit. Sebagai pembanding dapatdianalogikan dengan penelitian yang dilakukan olehDavis dkk.[22J. Yaitu pada penggunaan EDTAbertanda 14C ditunjukan bahwa tidak ada spesikompleks Cd-EDT A tersorpsi pada kalsit.Kemungkinan aksi EDT A sebagai pengomplekssepit (chelating agent) terhadap Cd juga terjaditerhadap Zn. Sehingga adanya EDT A dalam larutanakan menurunkan sorpsi.

KESIMPULAN

Sorpsi Zn pada Na-bentonit memperlihatkanafinitas yang besar: kapasitas sorpsi dan koefisiendistribusi yang tinggi: Ca = 2.76xlO"1 eq/kg dan Kd= 365 l/kg, yang merupakan faktor favourable bagiretensi migrasi radionuklida Zn dalam sistemengineered barrier. Adanya karbonat dalam fasalarutan, memberikan kenaikan Kd. Sedangkanadanya EDTA, akan menyebabkan penurunan Kd.Sumbangan adanya pengendapan Zn(OH)2(s) padapH tinggi dalam larutan, serta ZnC03(s) padapenambahan karbonat, akan merupakan faktorfavourable tambahan. Sementara, yang perludiwaspadai ialah adanya EDT A dalam fasa larutanyang menurunkan nilai Kd. Dengan metodepengocokan sederhana, telah diperoleh data barudan penting tentang sorpsi pada buffer material,yang dapat disumbangkan untuk pengayaan bankdata tentang perilaku radionuklida dalam engineeredbarrier.

Prosiding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juli 2007

PratomoBudimanSastrowardoyo ISSN 0216 - 3128 /45

DAFTAR PUSTAKA

1. R. PUSH: Use of Clays as Buffer inRadioactive Repository, Lulea University,Lulea Swedia (1983).

2. I.G. McKinley, J. Haderrnann: Radionuclidesorption data base for Swiss safetyassesement, NAGRA-CEDRA, TR 84-40,Wurenlingen-Switcherland (1985).

3. M. Tsukamoto, T. Fujita, T. Ohe: SurfaceComplexation Modeling for Desorption ofActinide Sorption at the Buffer Material/Water Interface, J. Nucl. Mat. 248, 333(1997).

4. C.N. Hsu, K.P. Chang: Sorption andDesorption Behavior of Cesium on SoilComponents, Appl. Radiat Isotop 45 (4), 433(1994).

5. D.W. Oscarson, H.B. Hume, F. King:Sorption of Cesium on Compacted Bentonite,Clays Clay Mineral 42, 731 (1994).

6. T. Ohnuki, N. Kozai: Sorption Characteristicof Radioactive Cesium and Strontium onSmectite, Radiochim. Acta 66/67, 327(1994).

7. T. Shibutani, M. Yui, H. Yoshikawa:Sorption Mechanism of Pu, Am and Se onSodium-Bentonite, in Proceed 1th Symp. onthe Scientific Basis for Nuclear WasteManagement (A. Barkett and R.A. VanKonyenburg eds), Mat. Res Soc., Pittsburgh,Pensylvania(1994),725.

8. N. Kozai, T. Ohnuki, S. Muraoka: SorptionBehavior of Neptunium on Bentonite - Effectof Calcium ion on the Sorption, in Proceed17th Symp. on the Scientific Basis forNuclear Waste Management (A. Barkett andR.A. Van Konyenburg eds), Mat: Res Soc.,Pittsburgh, Pensylvania (1994), 102I.

9. H. Sato, T. Ashida, Y. Kohara, M. Yui: Studyof Ratardation Mechanism of3H, 99Tc, mCs,237Npand wAm in Compacted Bentonit, inProceed 16th Symp. on the Scientific Basisfor Nuclear Waste Management, (e.G.Interrante and R.T. PabaIan eds), Mat. ResSoc., Pittsburgh, Pensylvania (1993),403.

10. Brosur PT Anindya Yogyakarta

11. M. Benedict, T.H. Pigford, H.W. Levi:Nue/ear Chemical Engineering, 2nd Ed.,McGraw-HilI Book Company, New York,1981.

12. B. Baeyens, M.H. Bradbury: A Mechanisticdescription of Ni and Zn sorption on Na­montmorillonite. Part I: Titration and

sorption measurements, J. Cont. Hydrology27, pp. 199-222 (1997).

13. M.H. Bradbury, B. Baeyens: A mechanisticdescription of Ni and Zn sorption on Na­montmorillonite. Part II: Modelling. 1. Cont.Hydrology 27, 223-248, (1997).

14. M.H. Bradbury, B. Baeyens: Modelling thesorption of Zn and Ni on Ca­montmorillonite, Geochim. Cosmochim.Acta 63, 325-336 (1999).

15. Pratomo B. Sastrowardoyo: Sorpsi Kobaltpada Na-Bentonit, Prosiding - SeminarNasional Kimia dan Kongres NasionalHimpunan Kimia Indonesia, 758-764 (2006)

16. Pratomo B. Sastrowardoyo: BidangTeknologi Penyimpanan Lestari, Laporan­laporan terbatas PTLR Batan.

17. S. Lumingkewas: Konversi Ca-bentonitmenjadi Na-bentonit melalui teknikpertukaran ion, Thesis FMIP A UGM (82),Yogyakarta (1996).

18. M.O. Mecherri, P. Budiman Sastrowardoyo,Je. Rouchaud, M. Fedoroff: Study ofNeodymium Sorption on Orthose and Calcitefor Radionuclide Migration Modelling inGroundwater, Radiochim.Acta 50,169(1990).

19. B.M.W. Trapnell: Chemisorption,Butterworths Scientific Publ.( 1955).

20. PNC: Research and Development onGeological Disposal of High-LevelRadioactive Waste, PNC-TNI410 93-012,PNC Technical Report, Tokyo (1993).

21. W. Stumm, U. Morgan: Aquatic Chemistry:Chemical Equilibria and Rates in NaturalWater, John Wiley & Sons, Inc, New York( 1996).

22. JD. Davis, CC Fuller, AD Cook: Geochim.Cosmochim. Acta 51,1477 (1987).

Proslding PPI - PDIPTN 2007Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN

Yogyakarta, 10 Juri 2007