b1-
BukuII
334
SOLUSI ANALI~~IS TAK PERSAMJ\AN l..,IGRASI BENTON IT
Prosiding Pertemuan danPresentasi IImiah P3TM-BATAN Yogyakarta 14-15Juti1999
BERDIMENSI PADA PENENTUAN Sr-90 DALAM BAHAN URUG
.5 '>4
Herry Poernomo,Djo~:oSardjono, Supardi P3TM-BATAN. Yogyakarta ABSTRAH: SOLUSI ANALlSIS TA~: BERDIMENSI PADA PENENTUAN PERSAMAAN MIGRASI Sr-90 DALAM BAHAN URU(; BENTONIT. Telah dilakukan penentuan persamaan hubungan kecepatan migrasi 90Sr dalam kandidat bahan urug bentonit dengan parameter yang berpengaruh. Penelitian dilakukan dalam kolom terisi bentonit yang dialiri larutan Sr(NO3)2 0,1M berlanda 90Sr dl~ngan aktivitas : 8,47x10-5 .uCi/cm3. Parameter percobaan yaitu kecepatan alir linier influen pada kisaran fluktuasi kecepatan alir linier air tanah di PPTA Serpong V = 0.041 sd. 17,124 cmimenit dan variasi ukuran parlikel bentonit (dp) = 116,5 sd. 366,1 ,urn. Hasil percobaan menunjukkan bahwa hubungan antara kecepatan migrasi 90Sr (Vr) dengan V dan dp dapat dinyatakan dengan persamaan kelompok tak berdimensi sebagai hubungan antara Vr/ll dengan bilangan Reynold (Re) dan (Z/dp) pada kisaran 0,00091
ABSTRACT ANAL YSIS SOLUTION OF DIMENSIONLESS ON THE DETERMINA TION OF THE 90Sr MIGRATION EQUATIOfll IN THE BENTONITE BACKFILL MATERIAL. Detennination of the relation equation of the 90Sr migration velocity in the bentonite backfill material candidate to the influence variables has been done. The experiment was camed out in the column filled with bentonite throuyh ~'hich 0,1 M strontium nitrate solution labelled by 90Sr with the activity of 8. 47x 10-5,iJCi/cm wa;,. flown. The experiment variables were the influent linier flow velocity on fluctuation of the groundwater at the PPTA Setpong as V = 0.041 to 0.124 cm/minute and the variation bentonite ~article size dp = 116.5 to 366.1 ,urn. The experiment result was shown that the relation of the °Sr migration velocity to V and dp could be expressed by the equation of dimensionless group~,. as VrN to numbers of Reynold (Re) and Z/dp at the interval of 0.00091
density (Pb)dan penneabilitas(K) yang berlainan. Karakteristik fisis bentonit, peristiwa kimia fisis seperti adsorpsidan pertukaran ion dalam bahan D atapendukungdari desainpenyimpananlimbah urug bentonit berpengaruh pada kemampuan radioaktif tanah dangkal di PPTA Serpong menghambat migrasi radionuklida. Kemampuan menunjukkanbahwa Teratalaju alir linier air tanah media padat berpori untuk menghambatmigrasi Terataadalah0,05 cm/menit.Dengankemungkinan fluktuasi perubahan iklim lol<:alkarena pengaruh radionuklida biasanya dinyatakan dengan faktor iklim global, maka diprediksidapatterjadi fluktuasi retardasi (R). Faktor retardasi mempunyai peran kecepatan alir air tanah yarlg disebabkan oleh penting untuk digunakandalam pengkajian unjuk fluktuasi curah hujan, perubahan tekstur daD kerja penghalangrekayasa (engineered barrier) morfologi tanah,perubahanvegetasidaDbangunan sistempenyimpananlimbah radioaktif. Bentonit adalahbahan mineral alam yang di permukaan tanah. Berdasarkanpertimbangan tersebut, maka perlu diteliti pengaruh fluktuasi mempunyai kapasitas pertukaran kation clan aliran air tanah terhadap kecepatan migrasi plastisitasnyacukuptinggi, tahanpada suhu sampai dengan 200°C, konduktivitas hidrauliknya rendah radionuklidadalambahanurug. Selain itu kecepatanImigrasiradionuklida clan mudah tersuspensi dalam air. Rendahnya dalam bahan urug juga dipengaruhi oleh ukuran konduktivitashidraulik bentonitdimaksudkanuntuk menghambatintrusi air tanah ke wadah limbah, partikel bahan urug, karena ulkuran partikel yang dengan demikian akan menunda korosi wadah berbeda akan menghasilkan porositas (6), bulk limbah.
PENDAHULtJAN
ISSN 0216-3128
Pengolahan limbah
Radioaktif & Lingkungan
Herry Purnomo, dkk
ProsidingPerlemuandan Presenta1:i Ilmiah P3TM-BATANYogyakarla14-15Ju'i 1999
Berdasarkan pertimibangan tersebut, maka sejumlah penelitian khususnya yang berkaitan dengan migrasi radionuklid2l dalam bentonit telah dilakukan beberapa peneliti!l, 2,3,4) Radionuklida 9OSr salah satunya berasal dari basil belah bahan bakar nuklir dan merupakan basil pemisahan dalam fasilitas daur ulang bahan bakar, ~ang berupa limbah cair aktivitas tinggi, Unsur Sr adalah merupakan radionuklida yang mempunyai radiotoksisitas tertinggi dibandingkan dengan radionuklida lainnya" sehingga 9OSrsering digunakan sebagai indikator adanya pelepasan radionuklida dari wadah limbah ke bahan urug atau ke lingkungan.(5)
TEORI Peristiwa kimia fisis seperti adsorpsidaD pertukaranion dalambahanurog bentonitbiasanya dinyatakandengankoefisien distribusi (Kd), yaitu perbandingandistribusi solut dalam media sorpsi dengandistribusi solut dalam cairanpada keadaan setimbang.Penentuan koefisiendistribusisolutpada prosessinambungdalam kolom terisi unggundiam (fIXedbed) media padatberpori dinyatakandengan persamaan:(6) Kd =
te.Q.Co-tj.Q.ICj .--te.Q tj.QI Cj Pb.Vb
(1)
dengante= waktu kesetimbangan padasaat Ct/Co = I (detik), Q = debit aliran influen (mVdetik), tl = interval Waktll alir (detik), LCI = akumulasikonsentrasisolutdalam efluen sampaiCt = Co (cpm/ml), Pb = rapat massa curah (bulk density) bentonit (g/ml), Vb = volume unggun bentonitdalamkolom(cm3). Faktor retardasi ml~dia berpori dapat ditentukandenganmenggunaklm persamaansebagai berikut : (7,8,9) R = 1+ £Q.Kd
(2)
&
dengan R = faktor retardasi, & = porositas bentonit. Hubungan antara kecepatan migrasi radionuklida (V,) dengan kecepatan linier air tanah (V w)dinyatakan dengan persamaan 3(10)
Vr =~
TATA
(3)
R
KERJA
Bahan Bentonit dari Nanggulan Kulonprogo, simulasilimbah cair yang men,gandung pengemban
Herry Purnomo, dkk
335
Buku II
Sr(NO3)2 dengan konsentrasi 0, M dan dengan aktivitas 9OSr= 8,47xIO.s I1Ci/cm3,
Alat Oven, penggerus, pengayak, neraca analitis, peralatangelas, kolom gelas, penggaris, stopwatch, lampu pengering, pengaduk listrik, flowmeter, pompa dosis, alat cacah beta Ortec, piknometer,viskometer. Cara Kerja : PenggerusandaDpengayakanbentonit Bongkahan kecil bentonit dikeringkan dalam oven sampai diperoleh berat yang tetap, kemudiandigerus sampaidiperolehserbuk. Serbuk bentonit dimasukkandalam panci ayakan standar ASTM ISO 565-R20 yang disusun daTi atas ke bawah yaitu 20, 40, 60, 80, 100 clan 200 mesh. Mesinpengayakdihidupkanselama30 menit. Hasil pengayakan diambil daTi masing-masing panci ayakan, kemudian dihitung ukuran partikel menggunakan persamaan: Dp = [(DP1+ DpJ{(DpJ2+ (DpJ1/4]1/3
(4)
denganDp = diameterpartikel Terata(~m), Dp dan I
DP2 = masing-masing adalah diameter lubang saringan yang meloloskan partikel clan yang menahanpartikel(~m). Penentuan porositas
bentonit
Kolom gelasyang berisi bentonit dengan volume unggun tertentu misal Vb dialiri akuades yang dialirkan daTi buret melalui bagian bawah kolom. Pada saat aliran akuades tepat pada permukaanunggun bentonit dalam kolom, kran pada buret ditutup. Dicatat penguranganvolume akuadesdalam buret misal Vp, yang merupakan volume pori-pori partikel dan rongga antar partikel bentonit. Porositasbentonit (E) ditentukan dengan persamaan :
E = Vp I Vb
(5)
Penentuanrapat massacurah bentonit Akuades dialirkan daTi buret ke dalam wadahsilindris sampaitepat memenuhibagian atas wadah. Dicatat penguranganakuadesdalam buret misal Vu,yang merupakanvolume unggun. Serbuk bentonitdimasukkansecaracurah ke dalam wadah yang telah diketahuivolume wadah (Vu) dan berat wadah (Mk) sampai melebihi volume wadah. Kelebihanvolume serbukbentonitdiratakandengan cara diiris horisontaldenganpisautipis tepat pada bagian ataswadah.Kemudianwadah berisi serbuk
Pengolahan Limbah Radioaktif & Lingkungan
ISSN 0216-3128
ISSN
Prosiding Pertemuan danPresentasi llmiah P3TM-BA TANYogyakarta 14-15Juli 1999
BukuII
336
bentonitditimbang,misalberatnyaMh. Rapatmassa curahbentonit (Ph)ditentukandenganpersamaan: pb = (Mb -Mk) I Vu
(6)
Penjenuhan benton it dalam kolom Dialirkan akuades dari buret ke dalam kolom berisi bentonit dengan arab aliran daTi bawab kolom. Langkab di atas diteruskan sampai bentonit dalam kolom jenuh dengan air, artinya tercapai suatu kondisi yaitu aliran akuades masuk kolom sarna dengan aliran akuades keluar kolom. Hal ini dapat ditandai dengan kecepatan aliran yang konstan pactaflowmeter.
Penentuan konsentrasi
90Sr dalam efluen
Kolom gelas berdiameter 1,33 cm diisi bentonit denganukuran partikel tertentudan tinggi unggun bentonit dalam kolom 2 cm. Simulasi limbah cair yang mengandungpengembanSr(NO3)2 dengankonsentrasi0,I M dan denganaktivitas9OSr = 8,47xIO.s ~Ci/cm3 dialirkan ke dalam kolom melalui bagian bawah kolom pada kecepatanalir 0,055 cm3/menit. Larutan yang keluar kolom (efluen) ditampung dengan gelas ukur, diukur volumenya setiap 15 menit, kemudiandipindahkan ke dalam vial yangtelah diberi nomorurnt. Larutan dalam vial dicuplik sebanyak0,1 cm3,dimasukkan ke dalam planset yang telah diberi nomor urnt, kemudian dikeringkan menggunakan lampu pengering. Setelah kering masing-masingplanset dianalisis dengan alat cacah beta Ortec untuk mengetahuikonsentrasi9OSr dalam efluen.Langkah percobaan di atas dilakukan dengan variasi kecepatanalir influen 0,055 sd. 0,165 cm3/menit menggunakan bentonit dengan ukuran partikel 216,9 ~m. Langkah percobaan selanjutnya dilakukan dengan variasi ukuran partikel bentonit 116,5 sd. 366,1 ~m pada kecepatanalir influen 0,055cm3/menit.
BASIL
De = koefisien difusi efektif 9OSrdalam bentonit (cm2/detik),dk = diameterkolom (cm). Persamaan (7) diubah dengan analisis dimensimenjadi: Vr = B. VC1.ZC2.~C3.dpC4.pC5.DeC6dkc7
Persamaan8 diubah denganmenggunakan sistemMLt menjadi: Ut = B.(Ut)C1.Lc2.(M/Ut)C3.LC4.(M/L3)C5.(L2/t)C6.LC7
C5 = -C3
(13)
Dari persamaan(12) didapat: C3=-C1-C6+1
(14)
Dari persamaan(11) didapat: 1=C1+C2+C1+C6-1+C4-3C1-3C6+3+2C6+C7 (15) C4=C1-C2-C7-1
(16)
Harga C3, C4 dan C5 disubstitusikanke dalampersamaan(8) menjadi: Vr= B. ycl.ZC2.J,l(-C1-C6+1).dp(C1.c2-C7-1).p(C1..c6-1).DeC6.dkc7 (17) P-!!.:!!!!.. = B.(p"!'!!!!")cl.( Jl Jl
~)C2 dp
.(~)C6.(~)C1 Jl dp
(18)
Dengan manipulasi matematis ke-l, persamaan(18) menjadi:
(~~)=B~~a-l.F)Q.~1ai.~~C7 11
(~) V
pVnp
11
dp
11
(19)
dp
= B.(~)a.(~)C2.(~)C6.(~)C7 .u dp .u
(20) dp
Dengan manipulasi matematis ke-2 persamaan(20)menjadi: p
.(!. )C2.~a;~C7 .(!.)C7 dP p dPdP
(~)Cl (Y!.)= B.(R~a.(~)C2oiC1 .(&'Ja;.?~Cl
Penentuan persamaan hubungan kecepatan migrasi radionuklida 90Sr (Vr) dengan varia bel yang berpengaruh Secara matematis hubungan antara Vr dengan variabel-variabelyang berpengaruhdapat dituliskan denganpersamaansebagaiberikut:
(9)
Persamaan(9) dikelompokkanberdasarkan dimensinyamenjadi: M:O=C3+C5 (10) L : I = CI + C2 -C3 + C4 -3C5 + 2C6+ C7 (11) t:-I=-CI-C3-C6 (12) Ada 3 persamaandengan 7 bilangan tak diketahui,maka dipilih 3 bilangan yaitu C3, C4 dan C5 yangdinyatakandengan4 bilanganlainnya : Dari persamaan(10)didapat:
(!.)C7 (!!)=B(~ dPV
DAN PEMBABASAN
(8)
dP
v
dP
dp
(21) (22)
(Y!:) =B(Rqa.(~ t.(Sqa;.~.~C7 V
dp
dpZ
~ =B(Re)a.(~t.(Sc)a;~)Cl V
tip
Z
Bila percobaan dilakukan dengan menggunakankolom berdiameterdk, tinggi unggun dengan : f = fungsi, V = kecepataoalir influen bentonit Z, densitassolveD p, viskositas solveD .u (cm/menit),Z = tebal unggunbentonitdalam kolom tetap,maka C6 = 0 dan C7 = O. Dengandemikian (cm), .u = viskositas larutao pengembanSr(NO3)2 persamaan(24)disederhanakan menjadi: (g/cm/menit), dp = diameterpartikel bentonit (.urn), VrN = B.(Re)a.(Z/dp)b (25) p = densitaslarutao pengembanSr(NO3)2(g/cm3), Vr = f (V,2, ~I dp,P, De,dk)
0216-3128
(7)
Pengolahan Limbah Radioaktif & Lingkungan
Herry Purnomo, dkk
2.5
Prosiding Perlemuan danPresentasi llmiah P3TM-BATAN Yogyakarla 14-15Juli1999
BukuII
337
Pengaruh fluktuasi l<:ecepatanalir air tanah terhadap kecepatan migrasi 9OSr(Vr) dalam kandidat bahan urug bentonit dinY~ltakan pada tabel I. Fluktuasi kecepatan alir ail. tanah disimulasikan dengan kecepatan alir influen (V) pada kolom terisi bentonit. Nilai V dilakukan pada kisaran 0,041 sd. 0,124 cm/menit yang diambil daTi data kecepatan alir air tanah dangkal di PPTA Serpong 0,05 cm/menit. Perubahan nilai V yang dinyatakan dengan bilangan Re terhadap nilai Vr terdapat pada
tabel I. Tabell.
Gambar 2. Hubungan an/ara Z/dp dengan VrN
Pengaruh kecepatJln alir V terhadap kecepatan migrasi Vr pada ukuran partikel bentonit dp = 216,9 ~m
Hubungan antara kecepatan migrasi radionuklida 9OSrdengan variabel ukuran partikel kandidat bahan urug bentonit daD fluktuasi kecepatan alir tanah di PPTA Serpong pacta sistem penyimpanan limbah radioaktif tanah dangkal dapat dinyatakan dengan persamaan antar kelompok tak berdimensi sebagaiberikut : VrN = 1,29.(Re)O,oo.(dp/Z)O.43
j
(27)
Persamaan (27) berlaku pada flUktuasi kecepatan air tanah : 0,041 sd. 0,124 cm/menit atau pacta kisaran bilangan Reynold (Re) : 9,lxl0. 4
VrN
!
..
: 116,5 sd. 366,1 ~m atau bilangan
(Zldp) :
54,63 «Zldp )<171,67. 0
0,5
1
1,5
2
S5 ~.'
~
KESIMPULAN
Re, X E-3
":
"
=~~' 1. Hubungan antara Re dengan VrN Gambar Pengaruh ukuran partikel kandidat bahan urug bentonit (dp) terhadap kt:cepatan migrasi 9OSr (Vr) dalam kandidat bahan UnJlgbentonit dilakukan pada kisaran 116,5 sd. 366,1 ~m Perubahan nilai dp yang dinyatakan dengan bilaJlgan tak berdimensi (Z/dp) terhadap nilai Vr terdapat pada tabel2. Tabel2.
Pengaruh ukuran partikel bentonit dp terhadap kecepatan J;t1igrasiVr pada V =
0,041 cm/menit I No I Dp,(I.1m), Z/dp I Vr, (cm/menitl I 1
2
3 4
5
'I
366,1 275,8 216,9 116,5 165,5
I
54,63 72,52 92,21 120,85 171.67
0,00743 0,00558 0,00497 0,00462 000411
VrN
'
0;18122 0,13610 0,12122 0,11268 0,10024
Koefisien bilangan taJc berdimensi B dan pangkat bilangan tak berdimensi a dan b dari persarnaan (25) dihitung dengan tara regresi tinier dengan memasukkan nilai Re d:an 7/dp dari tabel 1 dan 2. Dengan memasukkan nilai B, a dan b ke dalarn persarnaan (25), maka diperoleh hubungan antara Vr dengan variabel V daD dp yang dinyatakan dengan persarnaan sebagai beril<:ut:
Herry Purnomo. dkk
Pengolahan limbah
Persamaan kecepatan migrasi Sr-90 dalam kandidat bahan urug bentonit (Vr) pada sistem penyimpanan limbah tanah dangkal pada fluktuasi kecepatan linier influen (V) atau yang mengacu kecepatan linier air tanah di PPTA Serpong : 0,041 sd. 0,124 cm/menit clan variasi ukuran partikel bentonit dp : 116,5 sd. 366, I ~m dapat dinyatakan dengan persamaan antar kelompok tak berdimensi : VrN = 1,29.(p.V.dp/~)o.06.(dp/Z)o.43 atau VrN = 1,29.Reo.O6.(dp/Z)o.43 Persamaan Vr/V = 1.29. Reo.06.(dp/Z)0.43 berlaku pada fluktuasi kecepatan air tanah : 0,041 sd. 0,124 cm/menit atau pada kisaran bilangan Reynold (Re) : 9,lxI0-4
UCAPAN
TERIMA
KASIH
Terima kasihkepadaSdr. Tri Suyatnoyang telah membantu merakit dan mengoperasikan peralatankolom percobaansertamelakukananalisis sampel.
Radioaktif & Lingkungan
ISSN 0216-3128
DAFTAR
Herry Poernomo
PUSTAKA
I. CONCA, J.L., ASHIDA, T., SATO, H., Apparent and Simple DiffiIsion Coefficient in Compacted Bentonite", Proceedings International Conference on High-Level Radioactive WasteManagement2, 1382-1389(1991). 2. LENEVEU, D.M., "Vault Submodel for the Second Interim Assesmentof the Canadian Conceptfor NuclearFuelWasteDisposal: PostClosure Phase",Atomic Energyof CanadaLtd., AECL-8383 (1986). 3. LOPEZ, R.S. and JOHNSON, L.H., "Vault Sealing Researchand Develop-ment for the Canadian Nuclear Fuel Waste Management", AECL-9053 (1986). 4. SASAKI, N., YUI, M., HARA, K., ISHIKAWA, H. and TSUBOYA, T., "Studies on Material Properties and Structural Mechanics of Engineered Barrier for HL W Geological Isolation", 138,189-201(1992). 5. IAEA, LaboratoryTraining Manual on the Use of Isotopesand Radiation in Animal Reseach, TechnicalReportSeriesNo. 60, Vienna(1969). 6. BAESLE, L., "Physicochimiede la Migration de CationsdansIe Sol", EuratomEur 141f, 1962. 7. AOKI, M.M.M, TAKlZAWA, M. and TAKAHASHI, M., "Ion Migration Through Bentonite/Zeolite and Bentonite/Quartz Sand Mixture", Waste Management 2, 495-501 (1984). 8. SCHNEIDER, K., "Site Investigation for Repositories for Solid Radioactive Wastes in Shallow Ground", TechnicalReportSeriesNo. 216, Vienna(1982). 9. CHAMP, D.R., MOLTYANER, G.L., YOUNG, J.L. and LAPCEVIC, P., A "Downhole Column Technique for Filed Measurementof Transport Parameter",AECL-8905(1985). 10.MORGAN, J.M., JAMISON, D.K. and STEVENSON, J.D., Ground Disposal of Radioactive Waste Conference2, 17-64, 303321,AECL nD-7628 (1962).
TANYA
Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN Yogyakarta 14-15Juli 1999
BukuII
338
JAWAB
Budi Sulistyo : ~ Dalam persamaan antar kelompok tak berdimensi ada faktor/dimensi dk, pada kenyataan di lapangan mestinya tidak ada, apakahnantinyajuga tidak pengaruh?
ISSN 0216-3128
:
~ Pengaruhdk pada percobaane~perimental hila diaplikasikan di lapangan relatif kecil sekali karena dispersi ke arah radial umumnyajauh lebih kecil daripada dispersi ke arah horizontal.Hal ini bisa didekatidari persamaan model migrasi polutan :
a2c ~
~
Ox
at
De---=R-
Ox
De=Dh+Dm.T dan
Dh=aV: dengan, De = koefisien difusi efektit Dh = koefisiendifusi hidrodinamik, Dm = koefisien difusi molekuler, T = tortnositas,a = dispersivitas,V = kecepatan linier superficial. J. Djati Pramana
~ Melihat variabel yang ditinjau, penulis mengambilvariabel-variabelfisis saja yaitu laju alir (N) dan ukuran partikel. Bagaimana hubungannyahila dikaitkan dengan kinetika reaksi, mengingat bentonit disamping sebagai adsorbent juga dapatsebagaipenukarion alam? Herry Poemomo
:
~ Pengaruhkinetika reaksi antara lain sudah bisa diwakili oleh faktor retardasi ~ E+ pb .Kd dengan, & = porositas K=
E
bentonit, ph = rapat massa curah bentonit, g/cm3, Kd = koefisien distribusi, cm3/g, (t; ph) mewaki/i peristiwa fisis, Kd mewaki/i proses pertukaran ion. Sukirno : ~ Apa tujuan penelitian ini (solusi tak berdirnensi, apa maksudnya)? ~ Berapa konsentrasi Sr-90, dan didapat daTi mana? ~ Dari parameter yang ada (partikel, kecepatan aliran dll.), yang sangat berpengaruh sekali kondisinya perlakuannya apa? Heny Poernomo : ~ Maksud so/usi tak berdimensi ada/ah menentukan hubungan kecepatan migrasi dengan perubah-perubah yang berpengaruh do/am bentuk persamaan antar ke/ompok tak berdimensi seperti bi/angan Re, dsb. ~ Konsentrasi Sr-90 adalah 8,47 x 10"5 ,uCi/cm3do/am larutan pengemban Sr(NO.sJ2 0,1 M Umpan Sr-90 didapat dari /imbah fasa air yang ado di gudang /imbah PLKL BK3 P3TM
~ Yang sangat berpengaruhseka/i ada/ah ukuran partike/ bahan urug bentonit (dp).
Pengolahan Limbah Radioaktif & Lingkungan
Herry Purnomo, dkk
