90 316
Prosiding Pertenman don Presentasi llmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
Bllku 11
IMOBllJSASI LIMBAH CAIR TRANSURANRJM SIMULASI DENGAN POLIMER STIREN DIVINILBENZENA Herlan Martono, Wati PTPLR-BATAN, Kawasan PuspitekSerpong.
Tangerang 15310
ABSTRAK IMOBILISASI LIMBAH CAIR TRANSURANlUM SIMULASI DENGAN POLIMER STIREN DIVINILBENZENA. Polimer stiren divinilbenzenadigunakan untuk imobilisasi limbah cair transuranium (TRU) simulasi. Proses pilimerisasi dilakukan dengan mencampur stiren 97% berat, divinilbenzena 2% berat sebagai pengikat dan hidroperoksida 1% berat sebagai katalis, kemudian ditambah limbah TRU simulasi. Konsentrasi limbah dalam polimer dibuat bervariasi 0, 10, 20, 30 dan 40% berat. Proses polimerisasi secara eksotermis dengan waktu "curing"6-12 hari terjadi dalam tablinggelas berdiameter 1.40 cm dan panjangnya 12,50 cm. Hasil imobilisasi diuji kekuatan tekannya dengan kompaktor Paul Weber dan laju peillcutannya dengan alat soxhlet pada 10rfC selama 12jam. Makin tinggi kandungan limbah dalam polimer hasil imobilisasi. menaikkan beratjenis, kekuatan tekan dan laju peillcutannya. Polimer stiren divinilbenzena dengan kandungan limbah TRU 40% berat. kekuatan tekan 21.75 kN.cm-2 dan laju pelucutannya 46,27 x 10-4g.cm-2harrl sebagai hasil terbaik lmtuk dapat diuji ketahanannya terhadap radiasi.
ABSTRACT IMMOBILIZATION OF SIMULATED TRANSURANlUM LIQUID WASTE BY STYRENE DIVINYLBENZENE POLYMER. Styrene divinylbenzenepolymer was usedfor immobili=ationsimulated transuranic (TRU) liquid waste. Thepolymerization process was conducted with a mixture 97 weight % styrene, 2 weight % divinylbenzene as binder and 1 weight % hydroperoxide as catalyst and then added simulated TRU waste. The waste concentration in the polymerwere made various are 0, 10, 20, 30 and 40 weight %. The exothermicpolymerizationprocess with the "curing" time 6-12 days occured in the glass tube has 1AO cm in diameter and 12.50 cm in length. These immobilization products were tested it's compressive strength by Paul Weber compactor and it's leaching rate by soxhlet apparatus at 1OODC for 12 hours. The higher of waste loading in the polymer as immobili=ationproduct, the higher of density, compressive strength and leaching rate. Styrenedivinylbenzenepolymer contain 40 weifht % transuranic waste has compressive strength 21.75 kN.cm-2and leaching rate .+6.27x 10-4gcm- .day-l is the best product for further testing their radiation durability.
-,------
PENDAHULUAN
L
imbah transuranium cair (TRU) mengandung aktinida yang toksisitasnya tinggi clanberumur paruh panjang. Panas yang ditimbulkan karena peluruhan radionuklida dalam limbah cair TRU tidak setinggi limbah cair aktivitas tinggi sehingga imobilisasinya tidak perlu menggunakan gelas clan keramik yang tahan temperatur tinggi. Umur paruh aktinida yang jauh lebih panjang dibandingkan umur paruh radionuklida dalam limbah cair aktivitas rendah maka diperlukan pengelolaan limbah TRU sampai jutaan tahunYI Semen tidak sesuai untuk imobilisasi limbah TRU cairoHal ini karena semen setelah 300 tahun akan mengalami degradasi, sedangkan aktinida masih memberikan potensi dampak radiologis.
Herlan Martono dkk
Pemilihan bahan untuk imobilisasi limbah didasarkan atas kesederhana'an proses, ketahanannya terhadap kimia, fisika clan radiasi serta ketahanannya dalam jangka panjang.[21 Polimer merupakan bahan yang cocok untuk imobilisasi limbah cair TRU karena mempunyai umur panjang clansifat kimia (laju pelucutan) yang baik, sedangkan sifat fisikanya (titik lelehnya sekitar 400°C) cukup memadai serta tahan dalam jangka lama. Dari segi prosesnya dipilih polimer stiren divinilbenzena karena merupakan salah satu polimer yang reaksinya eksotermis sehingga proses sederhana. Reaksi polimerisasi dimulai dengan adanya radikal bebas yang terbentuk karena dekomposisi bahan yang tidak stabil oleh temperatur, radiasi maupun katalis. Radikal bebas dengan monomer akan mengadakan reaksi polimerisasi clan akhirnya jika radikal bebas
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan dun Presentasi llmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
bereaksi dengan radikal bebas terjadi reaksi terminasi yang menghasilkan polimer. Terbentuknya polimer melibatkan perubahan fase cair clanpasta menjadi padat yang disebut "curing" atau pengeringan. Proses ini teIjadi secara fisiska karena adanya penguapan pelarut atau dapat juga karena adanya perubahan kimiawi misal polimerisasi pembentukan ikatan silang. Polistiren merupakan polimer linier yang dihasilkan oleh proses radikal bebas daTimonomer stiren yang reaktif. Penambahan sedikit divinilbenzene ke stiren akan menghasilkan kopolimer dengan ikatan silang ("cross linking"), yang persamaan reaksinya dapat ditulis sebagai berikut :
c5~. ~~C~~t"~ stiren
C""', divinil-beruena
~>
Adanya ikatan silang akan menaikkan temperatur distorsi polimer, modulus elastisitas clan ketahanannya terhadap pelarut. Tujuan penelitian ini untuk mendapatkan altematif jenis polimer sebagai bahan imobilisasi limbah cair TRU yang dibuat secara pencampuran atau reaksi eksotermis.
TATA KERJA Bahan: Oksida-oksida CeOz, RuOz, FeO2, RhOz, MoQz, TeZO3, CrZO3, ZrOz clan TiOz dalam kemumian yang tinggi, buatan E. Merck. Stiren berupa cairan dengan beratjenis 0,91 glml, kemumian lebih besar 99%, buatan E. Merck. Divinilbenzena berupa cairan dengan berat jenis 0,91 glml, kemumian 65%, buatan E. Merck. Hidroperoksida (CgHI20z) berupa cairan dengan berat jenis 1 g/ml, kemumian 80%, buatan Fluka Chemika. Metode : Limbah cair TRU daTi proses olah ulang bahan bakar bekas "light water reactor" (LWR) dengan tingkat bakar ("burn-up") 31.000
ISSN 0216-3128
317
Bllku II
MWD/tHM[3],dibuat limbah simulasinya dengan mengganti persen berat PuOz 26%, UOz 26% clan AmZO30,50% dengan CeOz 52,50% berat(3). Oksida-oksida penyusun limbah TRU simulasi ditimbang sesuai dengan komposisinya yaitu : CeOz 52,50, RuOz 11, FeOz 9, RhOz 1,50, MoO33,90, TeZO37,80, CrZO37,80, ZrOz 1,30 clan TiOz5,20% beratl3]. Ke dalam tabling gelas reaksi dengan diameter 1,40 cm dimasukkan stiren 97, divinilbenzena2 clanhidroperoksida 1% berat. Ke dalam tabling gelas di alas, dimasukkan limbah TRU simulasi masing-masing dengan kandungan limbah 0, 10, 20, 30 clan 40% berat. Campuran didiamkan selama 6-12 hari sehingga mengeras membentuk polimer. Polimer stiren divinilbenzena yang dihasilkan dikeluarkan dari tabling kaca, kemudian dipotong-potong dengan panjang 1,40 cm clan selanjutnya dilakukan pengujian laju pelucutan clan kekuatan tekan. Pelucutan dilakukan dengan alai soxhlet pacta 100°C selama 12 jam dengan laju alir 300 ml/jam. Beda berat contoh sebelum clan setelah pelucutan merupakan kehilangan berat selama uji pelucutan. Sebelum ditimbang confab dipanaskan dalam oven pacta 11aoc kemudian didinginkan dalam eksikator dfinselanjutnya confab ditimbang sampai diperoleh berat tetap. Pengujian kekuatan tekan dilakukan dengan kompal-..1:or buatan "Paul Weber".
HASIL DAN PEMBAHASAN Stiren divinilbenzena yang tidak mengandung limbah TRU simulasi tidak berwama clantembus cahaya, sedangkan yang mengandung limbah TRU berwarna abu-abu. Hubungan kandungan limbah terhadap berat jenis polimer stiren divinilbenzena dapat dilihat pactaGambar 1. Makin besar kandungan limbah, makin besar berat jenisnya karena persentase unsur-unsur berat dalam stiren divinilbenzena makin besar. Terbentuknya ikatan silang akan mengakibatkan konstraksi volume sehingga berat jenis polimer makin besar. Hal ini akannampak pactapolimerisasi radiasi karena makin tinggi dosis radiasi akan menaikkan derajat polimerisasi, yang berarti terbentuknya ikatan silang makin banyak. Pacta percobaan ini polimerisasi terjadi secara eksotermis sehingga derajat polimerisasi dianggap sarna clan tidak berpengaruh terhadap kenaikan berat jenis.
Herlan Martono dkk
318
Prosiding Pertemuan dun Presentasi llmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
Buku 1/
kenaikan kandungan limbah menurunkan kekuatan tekannya.(7]
l.6Bmtjtlislg.cm.31 1.4
Pacta pereobaan laju pelueutan, dilakukan dengan alat soxhlet pacta temperatur 100oe selama 12 jam dengan laju alir air bebas mineral 300 mVjam. Laju pelueutan dihitung dengan persamaan
1.2 I 0.8 0.6 0,4
= Wo-W
R
s.t
O.Z
00
20 30 Kudllgu limbll1%1
10
40
dengan : R
Gambar 1. Pengaruh kandungan limbah terhadap beratjenis polimer stiren divinilbenzena.
Hubungan kandungan limbah terhadap kekuatan tekan polimer stiren divinilbenzena dapat dilihat pactaGambar 2. 25 Kekuatan tekulkN,cm.21 20
laju pelueutan g.em-z.harrl
W0
=
W t s
=
berat eontoh sebelum pelueutan berat eontoh setelah pelueutan lama pelueutan, 12jam = 0,50 han luas permukaan eontoh yang berbentuk silinder dengan jari-jari 0,70 em dan tinggi 1,40 em. Dari pereobaan daD perhitungan diperoleh laju pelueutan polimer stiren divinilbenzena sebagai fungsi kandungan limbah yang dapat dilihat pacta Gambar 3.
15 50 tail pelmtil
{g,cm.2!
10
40
..
30 00
10
Gambar 2.
ZO Kindungn Iimball%1
30
40 20
Pengaruh kandungan limbah terhadap kekuatan tekan polimer stiren divinilbenzena. 00
Kekuatan tekan polimer polistiren adalah 16.000 Ib.in,2 (=11,05 kN.em-\ poliester stiren 30.900 Ib.in,2(= 20,71 kN.em,2)daDepoksi 25.000 Ib.in-2(= 17,26 kN.em-2i4).Kekuatan tekan stiren divinilbenzena (14 kN.em,2) lebih besar dibandingkan kekuatan tekan polistiren, karena adanya ikatan silang pacta stiren divinilbenzena. Makin besar kandungan limbah, menaikkan kekuatan tekan polimer stiren divinilbenzena karena unsur-unsur limbah terkungkung diantara ikatan-ikatan dalam polimer sehingga merupakan "filler"YJ Kekuatan tekan polimer stiren divinilbenzena dengan kandungan limbah TRU 40% berat adalah 21,75 kN.em-z, lebih besar daTi pacta kekuatan tekan polimer epoksi akrilat 14,90 kN.em-z, poliester stiren 13,32 kN.em-z dengan kandungan limbah yang sarna dan dibuat seeara iradiasi sinar gamma.[7.8JPacta polimer poliester stiren yang dibuat seeara iradiasi sinar gamma,
Hertan Martono dkk
10
20 Kudungulimbal
30
40
(%1
Gambar 3. Pengaruh kandungan limbah terhadap laju pelucutan polimer stiren divinilbenzena.
Makin besar kandungan limbah menaikkan laju pelucutan karena konsentrasi unsur-unsur dalam rongga antara ikatan polimer makin besar sehingga perbedaan konsentrasi sebagai gaya dorong proses difusi menjadi lebih besar. Pelucutan polimer stiren divinilbenzena pacta temperatur tinggi tidak mengakibatkan rusaknya kerangka polimer, tetapi hanya terjadi difusi unsur-unsur yang terperangkap diantara kerangka ke dalam air. Laju pelucutan polimer stiren divinilbenzena dengan kandungan limbah TRU 40% berat adalah 46,27 x 10-4g.cm-z.harr\ lebih kecil dibandingkan laju pelucutan poliester stiren 3,48 x 10-3g.cmz.hari-Idan epoksi akrilat 4,28 x 10-1g.cm,z.harrl
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan dun Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April 1995
Buku II
dengan kandungan limbah yang sarna dan dibuat secara iradiasi sinar gamma.[7,S] Berdasarkan atas pertimbangan kekuatan tekan daDlaju pelucutan,maka penggunaan polimer stiren divinilbenzena untuk imobilisasilimbah TRU lebih baik dibandingkan dengan polimer epoksi akrilat daD poliester stiren. Proses pembuatan polimer stiren divinilbenzena lebihmenguntungkan karena prosesnya eksotermis, sedangkan polimer epoksi akrilat daDpoliester stirenperlu tenaga untuk proses "curing". Laju pelucutan polimer stiren divinilbenzena dengan kandungan limbah TRU 40% berat sebesar 46,27 x 10-4g.cm,2.harr' sangat kecil,[4]sehingga dapat dipertimbangkan sebagai basil yang terbaik pada imobilisasi ini. Untuk pemantapan basil tersebut selanjutnya perlu diuji ketahanannya terhadap radiasi alfa daD gamma. Polimer stiren divinilbenzena merupakan senyawa organik dengan rantai C yang stabil daD dapat terkena reaksi inti dengan partikel alfa yang dipancarkan oleh aktinida dalam limbah. Persamaan reaksi inti adalah sebagai berikut :[9] 6C'2 + 2He4-s015 + onl Reaksi inti mengakibatkan kerusakan polimer yang dapat dideteksi dari perubahan berat jenis, kekuatan tekan daD laju pelucutannya. Kenaikan kandungan limbah juga menaikkan laju paparan radiasi gamma yang dipancarkan oleh basil belah dalam limbah. Radiasi gamma mengakibatkan radiolisis polimer. Efek radiasi ini membatasi kandungan limbah dalam basil imobilisasi.
KESIMPULAN Makin tinggi kandungan limbah dalam polimer stiren divinil benzen, menaikkan berat jenis, kekuatan tekan daDlaju pelucutannya. Hal ini kartna unsur-unsur limbah berfungsi sebagai "filler" yang mengisi ruang dalam ikatan polimer stiren divinilbenzena.
319
DAFTAR PUSTAKA I. IAEA, "Characteristics of solidified High Level Waste products" (Technical Report Series No. 187), IAEA, Vienna (1979). 2. MENDELlE., "The Fixation of High Level Waste in Glasses", PNL Richland, PNL SA 129, Washington 99352, (1985). 3. LOmA, A., "Solidification of TRU Waste by Embedding into an Aluminium Silicate based Ceramic Matrix", Institute flier Nukleare Entsorgungstechnik (IN E), Karlsruhe (1984). 4. IAEA, "Immobilization of Low and Intermediate Level Radioactive Waste with Polymers" (Technical Reports Series No. 289), IAEA, Vienna (1988). 5. SENICH,GA and FLORIN, R.E., Radiation curing of Coating Rev. Macromol. Chern. Phys. C 24 [2](1986). 6. PNC, "Status of ffigh Level and TRU Waste", Power Reactor and Nuclear Fuel Development Corporation, Tokai, Japan (1986). 7. MARTONO, H., "Imobilisasi Limbah Cair Transuranium Simulasi Dengan Polimer Poliester Stiren Secara Iradiasi Sinar Gamma",' Laporan Hasil Penelitian 1993/1994, Pusat Teknologi Pengolahan Limbah Radioaktif (1994). 8. MARTONO, H., "Imobilosasi limbah cair transuranium simulasi dengan polimer epoksi akrilat secara iradiasi sinar gamma", Majalah BAT AN Vol. 26 No. 3/4 Juli/Oktober (1993). 9. PUSPODIKORO, S., Radionuklida, Bagian Teknik Nuklir, Universitas Gadjah Mada (1978).
-
Polimer stiren divinilbenzena dengan kandungan limbah TRU 40% berat, kekuatan tekannya 21,75 kN.cm-2 daD laju pelucutannya 46,27 x 10-4g,cm>2hari" sebagai basil terbaik. Selanjutnya basil tersebut perlu diuji ketahanannya terhadap radiasi alfa daDgamma yang dipancarkan oleh radionuklida dalam limbah.
ISSN 0216-3128
Herlan Martono dkk
Prosiding Pertemuan dun Presentasi l/miah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 April /995
Bllku II
320
komposisi 40%, bagaimana yang di alas 40%.
LAMPlRAN Tabell.
Berat jenis rerata (g.cm-\ kekuatan tekan rerata (kN.cm-2) daD laju pelucutan rerata (g.cm-2.harr1) sebagai fungsi kandungan limbah.
Kandunan Limb Beratjt:is (g.cm )
)%
20%
30%
40%
0,8380 1,2273 1,3027 1,4331 1,5489 14
Kekuatan tekan 2 (kN.cm- ) Laju pelufutan
10%
21
21,50
21,50
21,75
5,9254 32,389 43,8220 41,2344 46,2670
qo
(g.cm- .hari,l)
TANYA-JAWAB Sukarman A.: 1. Apakah pada pereobaan inijuga dilakukan pereobaan blanko pembuatan polimer tanpa aditif /imbahr don bagaimana sifat-sifatnya. 2. Mengapa tidak dilakukan pemeriksaan homogenitas distribusi partikel limbah dalam matriks polimer tersebut. Rerlan Martono : 1. Pereobaan blanko dilakukan yaitu pacta kandungan limbah 0% berat, berarti tanpa aditif limbah, sifat-sifatnya, kekuatan tekan stiren divinilbenzena dibanding polimer lain pacta halaman 7 daD data dalam lampiran (halaman 13 ) 2. Biasanya homogenitas bahan yang non aktif ditentukan dengan "a Iat density distribution". Kita tidak punya alat tersebut. Namun dari data kekuatan tekan dapat diketahui homogen daD tidaknya. Homogenitas dipengaruhi oleh komposisi daD porositas/homogenitas. Jika bahan sarna, maka komposisi sarna. Pacta pengulangan pereobaan jika data kekuatan mekanik bedanya besar maka actaporositas atau actaketidak homogen. lndro Yuwono : 1. Variasi konsentrasi limbah TRU terbesar yang dipilih maksimum 40%. Mengapa dalam kesimpulan diambil yang terbaik
Herlan Martono dkk
2. Laju pelueutan sebesar 46,27 x 10-4 gcm'2/hari apakah telah memenuhi syarat penyimpan limbah info Rerlan Martono : 1. Pacta kondisi 40% kekuatan tekan lebih besar daD laju pelueutan lebih keeil dibanding dengan kandungan limbah yang sarna dalam epoksi akrilat daD poliester stiren. Kandungan di atas 40% kalau diekstrapolasi kekuatan tekan makin baik, namun laju pelueutan makin besar. Namun tadi sudah dikatakan hasil40%, masih harus dievaluasi ketahanannya terhadap radiasi. Hal inimasih dimungkinkan juga untuk mengevaluasi dengan kandungan 50% (di atas 40%) jika hasil kandungan yang 40% masih baik. 2. Laju pelueutan polimer stiren divinilbenzena dengan orde 10-4g.em'2 hari'\ ini lebih keeil dibandingkan semen yang ordenya 10-3 g.em'2 hari,l. Laju pelueutan yang dilakukan seeara soxhlet pacta 100 °C daD ini memberikan angka keamanan yang eukup besar dibanding jika dilakukan dengan metode IAEA (seeara statik pacta temperatur kamar). Dengan metode IAEA, hasil laju pelindian akan lebih keeil lagi. Penentuan laju pelueutan seeara soxhlet ini bertujuan untuk pemilihan komposisi bahan yang baik, tidak untuk disposaVpenyimpanan. Supardi : Mengapa dipilih imobi/isasi dengan polimer, bukan dengan bituminisasi. Bila ditinjau, daTi teknik pelaksanaan don biayanya! Apa sebab ukuran sampel dibuat diameter 1,40 clanpanjang 12,50 em. Bagaimana hubungannyadengan ukuran sebenarnya, mohon dijelaskan. Rerlan Martono : Disamping laju pelueutan polimer lebih baik, polimer lebih tahan panas yaitu sampai 400 DC, sedangkan bitumen titik leleh antara (180 230°C).Jadi bitumen lebih mudah terbakar. Ukuran sam pel diameter 1,40 daD panjang 1,40 em. Karakteristik (berat jenis daD kekuatan tekan) mewakili ukuran skala besar, namun untuk uji pelueutan perlu dilakukan dalam skala besar untuk tujuan disposaVpenyimpanan.
-
ISSN 0216-3128
Prosiding Pertemuan dan Presentasi Ilmiah PPNY-BATAN Yogyakarta 25-27 Apri/1995
Buku 11
Bambang Guritno : Sejauh mana peranan kata/is (H2O1Jdalam proses po/imerisasi, mengingat disamping reaksi thermis, reaksi kata/itis juga dapat menyebabkan pembentukan Radikal Bebas ? ........ Bagaimana reaksinya ? ........ Herlan Martono
:
Katalis menyebabkan terbentuknya radikal bebas sehingga polimerisasi dapat terjadi. Peranan variasi kandungan katalis tidak dilakukan. Oleh karena pembuatan polimer ini sukar, maka komposisi bahan polimer clankatalis diambil dari
Pustaka.[7] Reaksinyadapat dilihat pada halaman 2..... Sukosrono : J. Mohon dapat dijelaskan ikatan apa yang terjadi pada po/imer stiren divinilbenzena
ISSN 0216-3128
321
terhadap limbah sehingga dapat terikat kompak. 2. Semakin tinggi /imbah yang di-imobilisasi semakin tinggi kuat tekan, berat jenis mampu laju pelucutannya, pada batasan berapa jumlah /imbah sehingga memenuhi persyaratan imobi/isasi (JAEA). Her/an Martono : 1. Unsur-unsur limbah terperangkap dalam rongga diantara ikatan polimer yang kovalen. 2. Batas limbah ditentukan dengan menggunakan bahan limbah yang radioaktif sesuai dengan kuantitas kandungan limbah. Kandungan limbah maksimum yang tidak mengakibatkan kerusakan karena radiasi merupakan jumlah kandungan limbah yang memenuhi persyaratan imobilisasi.
Herlan Martono dkk
