Prosiding Perlemuan danPresenta1:i llmiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999
'1j Buku II
173
PENGARUH K]~CEP AT AN PENGADUKAN DAN KECEP AT AN PENAMBAHAN NH40H PADA PENGENDAPAN CAMPURAN ThU NITRA T TEB~ADAP SIF AT -SIF AT FISIS SERBUK ThO2-
UaOs Hidayati, Endang Su:iiantini, Nurwijayadi, SetyoSulardi, Endang Nawangsih P3TM-Batan,J/. BabarsariKotak Pos1008. Yogyakarta55010
ABSTRAK PENGARUH KECEP,~TAN PENGADUKAN DAN KECEPATAN PENAMBAHAN NH40H PADA PENGENDAP,AN CAMPURAN Th-U NITRAT TERHADAP SIFAT-SIFAT FISIS SERB UK ThOrU30s. MOX (=Mixed Oxide) ada/ah salah satu bahan yang digunakan untuk pembuatan elemen ba,f<ar Reaktor Suhu Tinggi. Pada penelitian ini pembuatan MOX dilakukan dengan metode penf7endapan bersama larutan campuran Th+U nitrat dengan amonia. Pengendapan bersama dilakukan sampai pada pH 7, suhu 600C, perbandingan Th : U = 95 : 5%, serla konsentrasi umpan campuran 25 gI/. Pengendapan dilakukan dengan variasi kecepatan penambahan NH40H 2, 5, 10, 15, 25 dan 35 mllmenit. Sedangkan kecepatan pengadukan divariasi Grari 250, 500, 750, 1000, 1500 dan 2000 tpm. Hasil endapan dikeringkan kemudian dikalsinasi pada suhu 8000C. Hasilnya diana/isis sitat fisisnya. Dari hasil analisis dapat dilihat bahwa kE!Cepatan pengadukan maupun kecepatan penambahan NH40H sangat betpengaruh temadap sitar fisis serbuk ThOrU30s yang dihasilkan. Semakin tinggi kecepatan pengadukan, kerapatannya semakin besar, tUBS muka, jari-jari pori Terata serla volume pori totalnya semakin ke,:;-il. Sedangkan semakin besar kecepatan penambahan NH40H, kerapatannya juga semakin besar dan mencapai optimum pada kecepatan 15 cclmenit, kemudian sedikit menurun. Hasil yang baik diperoleh pada kecepatan penambahan NH40H 15 mIl menit dan kecepatGln pengadukan 1500 tpm. Pada kondisi ini diperoleh harga : rapat sejati (dengan CCI4) = 8,533 giml, rapat curah = 3,755 giml, rapat goyang = 4,662 glml, luas muka = 0,203 m2lg, total volumj~ pori = 0,231.10-3 mllg danjari-jari pori Terata 22,722 A.
ABSTRACT THE INFLUENCE OF STIRRING SPEED AND RA TE OF AMMONIA ADDITION ON THE COPRECIPITA TION TO MIXED Th+U ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF ThOz-U30s POWDERS. MaX (=M,ixed Oxide) was one of materials used for fabrication of fuel for High Temperature Reactor. In this research, MaX fabrication was prepared using coprecipitation of mixed Th-U nitrates and ammonia solutions. Coprecipitation was cam'ed to reach pH = 7, temperature 6d'c, Th : U ratio = 95% : 5% and Th + U feeding mixed concentration was 25 gll. It was cam'ed under the variation of rate of amonia addition of 2, 5, 10, 15 25 and 35 mllminute, while the variation of stim'ng speed of 250, 500, 750, 1000, 1500 and 2000 rpm. The precipitated result were' dried, then calcined at 80d'C. The calcined products were analysed their physical properlie;)'. The higher stim'ng speed, its true density was greater than, but its surface area, pore radius and total pore volume were smalfe thanr. While the higher of the rate of ammonia addition its density was greater and reached optimum on the 15 cclmenit speed, then decreased. The best result was obtained at the rate of ammonia addition of 15 mllminute and stim'ng speed of 1500 rpm. In this condition, it was resulted: true density (with CCI41 = 8.531 glml, bulk density = 3.755 glml, apparent density = 4.662 giml, surface area = 0.203 m Ig, total pore volume = O.2~t1.10-3 mllg and mean size of pore = 22.722 A.
(batubara,minyak bumi daDgas alam) yang selama ini telah digunakan secara besar-besaran S ejalan denganperkembang,an ilmu pengetahuan memberikandampakpencemaranlingkungan serta clanteknologi, kebijakan pemerintahIndonesia menyebabkankrisis energi. Untuk mengantisipasi yang telah diarahkan untuk membangunnegara adanya krisis energi, temyata energi nuklir industri, memberikan dampak kebutuhan energi merupakan energi altematif yang paling yang semakinmeningkat.Pemanfaatanenergi fosil memungkinkan mengingat cadangan uranium
PENDAHULUAN
Hidayati. dkk
Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
174
maupun Thorium sangat melimpah di Indonesia. Terutama Thorium yang harganya relatif murah daD merupakan hasil samping dari tambang timah di Bangka. Disamping itu, untuk menyongsong era globalisasi perlu efisiensi penggunaan bahan bakar fosil serta penyediaan energi altematif yang murah, agar mampu bersaing di pasar intemasional. Sampai saat ini, uranium lebih banyak digunakan sebagai bahan dasar untuk pembuatan elemen bakar reaktor nuklir, terutama bentuk oksidanya. Untuk menghemat pemakaian uranium, ThO2 maupun oksida campuran (MOX = Mixed Oxide) (Th+U)O2 , merupakan pilihan yang paling tepat terutama sebagai elemen bakar pada reaktor suhu tinggi. Pembuatan MOX bisa dilakukan dengan berbagai cara antara lain melalui metode sol-gel, proses pembuatan serbuk dengan pengendapan, pembuatan serbuk dengan metode pencampuran secara mekanik, dekomposisi langsung dari senyawa nitratnya, dsb.(2) Untuk menyiapkan bahan-bahan keramik yang mempunyai kerapatan sinter yang tinggi pada pembuatan MOX, perlu dipersiapkan metode yang tepat serta kondisi operasi yang terkontrol dengan baik. Pembuatan MOX melalui pembuatan serbuk dengan pengendapan mempunyai kelebihan yaitu hasilnya lebih homogen. Ada dua metode pengendapan yang telah diuji untuk memperoleh serbuk maupun pelet campuran ThO2-UO2kerapatan tinggi, yaitu penambahan larutan asam oksalat pada larutan nitratnya serta penambahan larutan amonia pada larutan nitratnya. Pengendapandengan oksalat memberikan basil kerapatannya lebih tinggi, namun endapan yang dihasilk~1ntidak "reproducible", daD endapannya merupakan senyawa kompleks UxThI-X (CzO4)2 dengan hidratnya bisa 1, 2, 3 dsb (2). Disamping itu, pengendapan dengan oksalat perlu persiapan pembuatan larutan umpan yang hanya mengandung U (IV)(3). Sedangkan pengendapan dengan hidroksida, serbuk yang diperoleh homogen, metodenya lebih sederhana serta basil endapannya sudah pasti, yaitu merupakan senyawa Th(OH)4 + (N~)2U2O7' walaupun kerapatannya sedikit lebih rendah dari pada pengendapan dengan oksalat. Untuk meningkatkan kl~rapatanpada basil endapan dengan hidroksida bisa dilakukan dengan menambahkan kandungan uranium dalam campuran. (6). Pada penelitian ini, untuk memperoleh serbuk ThO2-UO2, metode yang digunakan adalah dengan penambahan larutan amonia. Proses selanjutnya, seperti pada bagan di Gambar 1. Sifat-sifat kimia maupun fisika pelet campuran ThO2-UO2 sangat dipengaruhi oleh sifatsifat serbuk yang dihasilkan. Adapun basil serbuk ThO2-UO2 yang dihasilkan sangat dipengaruhi oleh
ISSN 0216-3128
Prosiding Perlemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarla 14-15Juli 1999
Buku II
kondisi operasi pada setiap tahap pembuatannya, terutamapadatahappengendapan. Th nilrat + U nitr;ot
Pengendapanbs-sarm (coprecipitation')
NH..OH
J Th(OH)..-ADU
4
~4-"-'-
600.C
ThOz-u.°a
4 ~~
Hz,SOD .C
Serbuk ThOz-UOz
Gambar 1. Proses pembuatan ThO2-UO2
serb uk campuran
Ada dua tahap dalarn pembentukan kristal (butiran), yaitu nukleasi (pembentukan inti) dan perturnbuhan kristal/butiran ("growth,,)(7). Nukleasi terjadi pacta tahap pengendapan, sedangkan pacta saat kalsinasi maupun reduksi hanya terjadi pertumbuhan kristal/butiran. Faktor-faktor yang sangat berpengaruh pacta tahap pengendapan, yaitu pH, suhu, kecepatan pengadukan, konsentrasi umpan 111+0 nitrat, konsentrasi ~OH, kelebihan ~OH dsb. Dalarn penelitian ini dicari kondisi optimum pengendapan terhadap sifat-sifat fisis serbuk 11102-0308 yang dihasilkan. Variabel yang akan diteliti yaitu kecepatan penarnbahan ~OH dan kecepatan pengadukan. Variable tersebut besar pengaruhnya terhadap hasil endapan maupun serbuk 11102-002 yang dihasilkan.
TATA KERJA Bahan Serbuktorium nitrat hasil ekstraksi(mumi nuklir), UNH. Merck, HNO3 pa., ~OH pa., gas nitrogen, air bebasmineral, kertas saring, medium untuk analisislarutanuranil nitrat dan torium nitrat (asamsulfat,asamfosfat,asamamido sulfonat,titan clarida, natrium asetat, etanol, monoklorasetat, xylenolange),larutanpenitrasiuraniumdan thorium (kalium bikromatdan EDTA)
Peralatan Satu rangkaian alat pengendapansecara batch yang dilengkapi flowmeter, Peralatangelas (gelasbeker,piring, pipet,dsb.), Alat penyaringdari
Teknologi Proses
Hidayati,dkk
Prosiding Pertemuan danPresentasi IImiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15.Juli1999
Buku II
175
menggunakan~OH encer(1%). Pencuciantidak menggunakanABM karenaABM mempunyaipH < 7. Endapan Th(0H)4 larut dalam sedikit asam (dalam larutan yang mempunyaipH<7). Apabila endapandicuci denganABM, padasaatpengeringan Carakelja endapanakan mencair kembali. Endapanmasing1. Dibuat larutanNH.OH del1gankonsentrasiIN masing dikeringkan pada suhu 50-60°C,kemudian 2. Dibuat larutanumpancarnpuranThorium nitrat dikalsinasimenjadisenyawaTh02-U3O8. + uranil nitrat denganperbandinganmol Th:U= Suhu kalsinasi endapan Th(0H)4-ADU 95% : 5% dalam larutan asam nitrat 0,2 N ditetapkan 800°C,agar reaksi yang terjadi selama dengankonsentrasi25 gil. kalsinasi berjalan dengan sempuma. Berdasarkan 3. Larutanumpanyang telah disiapkandiendapkan penelitian sebelumnya,yaitu analisis dengan alat dengan larutan NH.OH IN pada suhu 60°C Thermal Gravimetri Analyser (TGA), denganvariasi kecepatanpenambahan NH.OH : dekomomposisi thermal endapan Th(OH)~DU 2, 5, 10, 15, 25 daD35 ml/ menit serta variasi terjadi secara bertahap daD mulai suhu 600°C kecepatanpengadukan: :250,500, 750, 1000, senyawaTh(0H)4-ADU mulai sempumaberubah 1500daD2000rpm. menjadi senyawa Th02-U3O8. Adapun tujuan 4. Hasil endapanmasing-maiSing dicuci, disaring, kalsinasiyaitu untukmenghilangkanair yang terikat dikeringkan kemudian dikalsinasi pada suhu secarakimia (air kristal) maupunfisika (air yang 800°C. menempel), merubah senyawa Th(0H)4-ADU 5. Serbuk ThO2+ U3Osyang dihasilkan masingmenjadisenyawaoksida Thorium maupunuranium, masingdianalisissifat-sifatfisisnya. serta meningkatkankualitas endapannya.Semakin tinggi suhu kalsinasi,kenaikanharga kerapatannya semakinbesar,sertamenyebabkanpenurunanharga HASIL DAN PEMBAHA'.)AN luas mukanya(2).Pengukuranrapatcurah daDrapat Padapenelitian ini dilakukanpengendapan goyang basil endapan sebelum daD sesudah larutan campuranTh+U nitrat denganmemvariasi dikalsinasiadapadatabell, sbb. : kecepatan penambahan NlL1OH daD kecepatan pengadukan.Variabel tersebutsangatberpengaruh Tabell. Hasil pengukuranrapat curah daD rapat goyang endapan Th(0H)4 sebelum daD terhadap basil endapan YWrlgdihasilkan. Hila sesudahdikalsinasidengan variasi kecekecepatan penambahan ~OH lambat, patanpenambahan ~OH. terbentuknyalarutansuperjenuhakan lambat,reaksi nukleasi berjalan lebih sempurna,serta endapan yang terbentuk semakin ba!:us. Namun apabila terlalu lambat,waktu pengendapan yang diperlukan semakin banyak sehingga kurang efisien. Pada kecepatanpengadukanyang telah ditetapkan(500 rpm), kecepatanpenambahan~OH dicari yang optimum yaitu yang memberikan sifat-sifat fisis yang baik, antaralain kerapataIlyang tinggi, surface area yang sesuai dengan yang dipersyaratkan. Demikianjuga untuk kecepatarlpengadukan,dicari kondisi yang optimum. Hila kl:cepatanpengadukan Dari tabel 1 terlihat bahwahargakerapatan terlalu cepat, nukleasi kurang sempurna,endapan endapan sesudah kalsinasi naik karena selama yang terbentukakan semakinb;myak(butirankecil), pemanasanterjadi pertumbuhankristal, perubahan pertumbuhan butir tidak seragam. Hal ini rasa dari amorf ke kristalin, serta penyusunan disebabkan karena inti yan!~ terbentuk setelah kembali kisi-kisi kristal/butiranmenjadikristal yang nukleasiakanmengalamipertUlnbuhan. lebih sempurna.Aglomerasikemungkinanjuga bisa Pengendapanbersama dilakukan sampai terjadi selama pemanasan,apabila terjadi kontak pada pH 7, mengingatpada pH tersebutsenyawa antarpartikel. ADU telah terbentuksecarasempurna,sedangkan Hasil endapan yang telah dikalsinasi senyawa Th(OH)4 terbentuk sempurna pada pH dianalisis kerapatan, luas muka serta ukuran sekitar 6. Konsentrasi larutm umpan maupun porinya. Dari variasi kecepatan penambahan larutanpengendapmenggunakan kondisiyang telah ~OH daDkecepatanpengadukan,diperolehbasil optimum diperoleh pada penelitian sebelumnya yang disajikandalam tabel 2 daD3, sertagambar2 yaitu konsentrasicampuranTh-f-Unitrat 25 g/l serta dan3. ~OH 0,1 N. Hasil endap:mberupa senyawa Th(OH)4-ADU. Endapan dicuci dengan porselin, Tungku kalsinasi, pH meter, Termometer, Potensiometer, "Surface Area Analyser", alat pengukur Tarat curah, Tarat goyang dan Tarat sejati.
Hidayati, dkk
Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
,I{\\
176
Prosiding Pertemuan danPresentasi llmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Ju/i 1999
Buku II
Tabel 2. Sifat fisis ThO2-U3OS hasil kalsinasiendapanTh(OH)4-ADUyang diperolehpada variasikecepatanpenambahan NH4OH.
apabila kecepatanpenambahannyadinaikkan lagi, dengan kecepatanpengadukanyang sarna, maka endapanyang terbentukmenjadi kurang sempurna. Hal ini bisajuga dilihat dari datajari-jari pori rerata maupunvolume pori total yangrelatif kecil (tabel 2 daDgarnbar2) padakecepatanpenarnbahanN~OH 15 mI/menit daD semakin naik (endapansemakin porous) bila kecepatanpenarnbahnnyadiperbesar. Kecepatanpenarnbahan~OH juga berpengaruh pada kekasaranendapanyang diperoleh sertapada distribusi ukuran kristal primer dari endapannya. Dalarn penelitian ini distribusi ukuran partikelnya tidak ditentukankarenaalat Sedigrafnyarusak. Tabel3. Sifat fisis ThO2-U3OS basil kalsinasi endapanTh(OH)4-ADUyang diperolehpada berbagaivariasikecepatanpengadukan
Ka Ra Ra Lu Ja Vo Kon ISIpenge
,85 7,99 8,69 8,72 8,53 9,177 ,74 3,71 3,71 3,62 3,75 4,382 ,89 4,84 4,49 4,42 4,66 5,383 ,54 0,37 0,51 0,36 0,20 0,138 6,43 51,40 39,9351,2222,72 0,044 ,97 0,95 1,03 0,92 0,23 0,000308 apan seperti tabel 2.
Sedangkandari tabel3 clan gambar 3, dapat dilihat bahwa pada variasi kecepatan pengadukan, semakin tinggi kecepatan pengadukan, rapat sejatinya semakin besar. Hal ini disebabkan karena semakin tinggi kecepatan (intensitas) pengadukan, 2 5 10 15 25 35 homogenitas larutan lewat jenuh atau supersaturaKec.Penambahan NH4OH, mVmen tion semakin cepat terjadi, kecepatan nukleasi luas muka & Vol. pori jari-jaripori 40 3 meningkat, jumlah partikel yang terbentuk semakin meningkat, rata-rata ukuran partikel menurun, 2,5 '-5-~ distribusi ukuran partikel semakin tajam, namun 30 ..Iuas InIka, m2/g 2 dalam beberapa kasus kecepatan pertumbuhan butir -9-jari pori, A +vol. pori, E-3 ~g juga meningkat(8). Hal ini dapat dilihat juga pada 20 1,5 hasil pengukuran luas muka yang semakin menurun, ~~ jari-jari pori rerata semakin kecil serta volume pori ,-./ 0 totalnya yang semakin kecil juga. Dari variasi " -~ 0,5 kecepatan pengadukan, dipilih kondisi yang terbaik yaitu pada kecepatan 1500 rpm. Pada kondisi terse0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 but, harga kerapatannya tertinggi, luas mukanya Kec. ~IH40H, mVrnen terkecil, jari-jari pori reratanya juga terkecil serta Gambar2. Pengaruh kecepatan penambahan volume pori totalnya terkecil juga. Secara umum, kondisi pengendapan yang NH4OH ter)1adap sf/atfisis serbuk ThOr telah ditetapkan maupun yang diperoleh dari hasil UjOa optimasi percobaan,memberikan harga yang relatif Dari tabel 2 dan gambar 2 dapat dilihat bagus, yaitu harga luas muka yang < 6 m2/g serta
'
&
---
bahwa pada kondisi percobaan, semakin besar kecepatan penambahan ~OH, kerapatannya semakinbesarjuga kemudian mencapaioptimum pada kecepatan 15 mI/menit, kemudian sedikit menurun.Hal ini disebabkankarena semakincepat penambahan~OH, reaksi yang terjadi akan semakin cepat juga. Namun karena nukleasi mempunyaititik kritik, setelahmencapaioptimum ISSN 0216-3128
kerapatanyang mempunyai harga 8,720 giml. Harga luas muka serbuk campuran oksida yang < 6 m2/g menghasilkan harga rapat sinter yan~ dapat diterima. Bila harga luas mukanya> 15 m /g, akan memberikan efek dentrimental pada pembuatan peletnya (2).Sedangkan kerapatan teoritis ThO2 clan UO2 adalah 10,00 clan 10,96 giml. Untuk
Teknologi Proses
Hidayati,dklc
ProsidingPertemuandan Presenta.!:i IImiah P3TM-BATAN,Yogyakarta14-15 Juti 1999
Buku II
memperoleh serbuk campuran Th02 -002, endapan basil kalsinasi direduksi pa,da suhu 800°C dalam suasanagas hidrogen, sehingga basil kalsinasi yang kami peroleh masih bisa diharapkan mempunyai kerapatan yang lebih tinggi lagi. 10 8 6 4 2
0 500
750
1000
1500 2000
Kec.Pengadukan, rpm
KESIMP UlAN
CCI4)= 8,531 glml, rapat curah= 3,755 glml, rapat goyang= 4,662glml, luas muka = 0,203 m2/g,total volume pori = 0,231.10.3mVgdan jari-jari pori rerata22,722A.
DAFTAR PUSTAKA :
Kerapatan,giro!
250
177
I. BELLE,J., Uranium diobida, Properties and Nuclear Applications, United State Atomic EnergyComission,WashingtonD.C., (1961) 2. BELLE, "Thorium Dioxide, Properties and Nuclear Applications, US DOE ASNE, Washington,(1984). 3. BILINSKI,H., FUREDI,H., and TEZAK,B., CroatiaChemicaActa,35, 19-30,(1963) 4. COGLIATI, G., et all., Preparation of CeramicGrade Thorium-Uranium Oxide, Centro SUldi NucleariDella Casaccia,Rome,Italy, 1963. 5. CUTHBERT, F.L.; Thorium Production Technology, Addison-Wesley Publishing Company,USA, (1958) 6. KANNO, MA Y AYOSHI; et all, Journal of Nuclear Scienceand Technology,19 (II), 956958,Nov. (1982). 7. RYAN, JACK,L., and DHANPAT RAI, Inorg. Chem.,26,4140-4142, (1987) 8. SOHNEL, OTAKAR & GARSIDE, JOHN, Precipitation, Basic Principles and Industrial Application,Butterworth-HeinemanLtd, Jardan Hill, Oxford, (1992)
TANYAJAWAB Menik Rachmawati
Pada proses pengendapan bersama » Berapa batas minimal (bawah) clan maksimal campuranTh+O nitrat dengal1l ~OH, kecepatan (atas) dari alat pengukur pori clan butir/luas pengadukan maupun kecepatan penambahan muka ? N~OH sangat berpengaruhterhadapsifat fisis hasil serbuk Th02-O308yang dihasilkan.Semakinbesar Hidayati ~ Alat yang digunakan untuk mengukur luas kecepatanpenambahan ~OH, kerapatannyaakan muka,jari-jari pori rerata dan volumepori semakinbesar,yang diikuti denganluas muka,jari total adalah Surface Area Analyzer (SAA) pori serta volume pori totalnya semakinkecil dan Nova -1000. Alat ini mempunyaibatas untuk mencapai optimum pada kecepataIi penambahan pengukuran luas muka dari 0,01 sid 1000 N~OH 15 cc/menit, kemudian menurun. m2lg, sedangkan untuk pengukuran pori Sedangkansemakinbesar kec:epatanpengadukan, tidak disebutkanbatasannya. kerapatannyasemakinbesar, yang diikuti dengan luas muka, jari pori rerata sertavol. pori totalnya Sugondo semakinkecil. » Mohondijelaskanmekanismekorelasihubungan Dari variasi kecepatan penambahan antara kecepatan pengadukan clan kerapatan ~OH sertakecepatanpengadukan, diperolehhasil padatan. yang baik pada kecepatanpenambahan~OH 15 mVmenitdan kecepatanpengadukan1500 rpm. Pada kondisi ini diperolehharga : rapat sejati (dengan
Hidayati, dkk
Teknologi Proses
ISSN 0216-3128
178
BukuII
Hidayati -{>-Mekanisme hubungan antara kecepatan pengadukan dengan kerapatan padatan : Kecepatan pengadukan sangat berpengaruh terhadap homogenitas /arutan, kecepatan terjadinya supersaturasi, kecepatan pembentukan inti (nuk/easi), jum/ah partike/ yang terbentuk; distribusi ukuran partike/
ISSN 0216-3128
Teknologi Proses
Prosiding Pertemuan danPresentasi Ilmiah P3TM-BATAN, Yogyakarta 14-15Juli 1999
serlo kecepatan pertumbuhan butir. Variabe/-variabe/yang dipengaruhi o/eh kecepatan pengadukan tersebut sangat menentukanharga besaran sifat fisis dari endapanyang dihasi/kan, termasuk harga kerapatannya.
Hidayati,dkk
