~
86
'"
Prosiding Pertemuan danPresentasi llmiah P3TM-Batan, Yogyakarta 14-15Juli1999
Buku II
~ ANALISIS GAS NITROGEN SECARA TIDAK LANGSUNG
DALAM
URANIUM
DIOKSIDA
Rachmat Pratomo, R.Didiek H, BambangSuwondo P3TM-Batan,.fl. BabarsariKatak Pas 1008,Yagyakarta55010
ABSTRAK ANAL/SIS GAS NITROGEN DALAM SERB UK URANIUM DIOKSIDA SECARA TIDAK LANGSUNG. Telah dilakukan analisis gas nitrogen yang telkandung dalam serbuk UO2 secara tidak langsung. Analisis dilakukan dengan menambahkan larutan asam nitrat pekat ke dalam serbuk UO2. Gas NO yang keluar dati reaksi diserap dan dioksidasi oleh larutan KMnO4. Selanjutnya bersama dengan gas NO2 yang ada dalam serbuk, diserap dengan larutan Saltzman dan dianalisis memakai UV-Vis. Hasil menunjukkan bahwa kadar total NO2 dati serbuk UO2 tipe A adalah :0,995,u Ug UO2, tipe B:2,271,u llg UO2, tipe C: 2,850,u Ug UO2 dan tipe D : 4,407 ,u Ilg UO2. Temyata tinggi kadar N2 pada waktu pembuatan serbuk UO2, akan menunjukkan tinggi kadar NO2 nya. Kesimpulannya, analisis tidak langsung jni dapat digunakan.
ABSTRACT, INDIRECT ANAL YSIS OF NITROGEN GAS ON URANIUM DIOXIDE. Analysis of the nitrogen gas concentration in uranium dioxide has been done. The uranium powder was dissolved in a HNO3 solution. The NO gas released from the uranium dioxide, was absorbed and oxidized by KMNO4 .The analysis of NO2 product was done by UV-Vis. The experiment proved that the total concentration of N2 gas in UO2 type A was 0,995.u I/g UO2, type B was 2,271 .u IIg UO2, type C was 2,850.u I/g UO2, and UO2 type D was 4,407.u IIg .It can be concluded that the higher of N2 concentration in the preparation of UO2 powder the higher the concentration of the NO2, and thus the indirect analysis could be used.
gasnitrogen.Hal ini disebabkankarenapadaproses tersebut banyak digunakan gas nitrogen, baik sebagaicampurangas hidrogen maupun sebagai V arakteristik serbuk uranium dioksida, meliputi .l""-sifat fisis clan sifat kimia akan mempengaruhi pendingin. Banyak sedikitnya gas nitrogen yang keberhasilansuatu serbuk uranium dioksida untuk dikandung dalam serbuk uranium dioksida akan mempengaruhisifat bahan. Makin banyak gas dapat dibuat sebagai elemen bahan bakar nuklir. nitrogen ada dalam serbuk, maka serbuk akan Sifat-sifat fisis tersebut meliputi ukuran butir, bersifat rapuh, mudah pecah, sebaliknya makin distribusi serbuk, densitasclan perbandinganO/U. Sedangkansifat kimia meliputijumlah tak murnian, sedikit jumlah gas nitrogen dalam serbuk, maka baik yang berupa gas, sepertinitrogen, hidrogen serbukakan lebih mampat. Perbedaanjumlah gas atau oksigen, clan yang berbentuklogam misalnya yang ada dalam serbuk uranium dioksida dapat boron, cadmium, aluminium ataubesi. Adanya tak dikendalikanpadaprosesreduksi. Pada proses reduksi akan terjadi reaksi murnian ini dapat terjadi karena kurang antara serbuk triuranium oktosida dengan gas sempurnanyaproses atau terjadinya tak mumian hidrogen pada suhu tinggi sebagaiberikut : pengotorselamaprosespembuatanserbukuranium dioksida. Proses pembuatan serbuk terdiri dari U30S+ 2 H2<::>3 UO2+ 2 H2O (1) beberapatahap: pelarutan,pemurnian,pengeringan, Beberapa faktor yang berpengaruhpada kalsinasiclanreduksi. reaksi reduksi ini antaralain adalah: Dalam penelitian ini titik berat 1. Suhu Reduksi permasalahannyaadalah pada analisis kadar gas Faktor ini berpengaruhterhadapharga konstanta nitrogen yang terkandung dalam serbuk uranium keseimbangan reaksinya, makin tinggi suhu dioksida. Proses reduksi merupakantahapanyang reaksi harga konstantanya makin besar paling besar kemungkinannyauntuk menyumbang pula.Tetapi faktor ini dibatasi oleh adanya
PENDAHULUAN
ISSN 0216-3128
Kimia Nuklir
Rachmat Pratomo, dkk
Prosiding Pertemuan dan Presenlasi Ilmiah P3TM-Balan, Yogyakarta 14-15 Juli 1999
Buku II
87
peristiwa sintering, sehingga dalam penelitian reduksidilakukanpadasuhu800°C.
Metode analisis untuk menentukan kandungan gas nitrogen dalam serbuk uranium dioksida dalam penelitian ini merupakan analisis 2. Waktukontak Pengaruhdari faktor ini adalah makin panjang tidak langsung.Artinya basil yang diperoleh tidak waktu kontakreaksi,maka reduksiakansemakin secara langsung menunjukkan kadar gas baik. Hal tersebut disebabkan karena makin nitrogennya dalam serbuk. Melainkan kadar gas panjang waktu kontak akanmenyebabkanmakin nitrogen ini diperolehdenganmenghitungdari data sempurna kontak kedua rase tersebut Tetapi yang diperoleh.Data yang diperolehmenunjukkan faktor inipun dibatasi oleh waktu optimum,dan jumlah kandungan gas nitrogen dalam serbuk uranium dioksida (UO2). Hasil ini dapat diperoleh untukpenelitianini waktu kontakadalah3 jam. dengan menangkapgas tersebut dengan larutan 3. Ukuran butir serbukU3Og khusus, yaitu larutan salztman.perhitungan dapat Serbukdenganukuranbutir yang lebih kecil akan dilakukan dengan adanya harga konstanta mempunyailuas bidangkontak yang lebih besar keseimbangangas NO2, yaitu sebesar log Kf = dibandingkandenganserbukdenganukuran butir -9,082. yanglebihbesar. Gas N02 yang di analisis merupakan jumlah daTi gas N02 yang dikandung oleh serbuk 4. Kemurniangas hidrogenyang dipakai Kemurnian ataukadargas hidrogenyang dipakai U02 dan gas NO yang terjadi daTi proses pelarutan akan berpengaruhpadakesempurnaanreaksinya, serbuk U02 dengan asam nitrat pekat. Dimana gas makin murni gas hidrogen yang dipakai reaksi tersebut dioksidasi terlebih dahulu menjadi gas N02 akan makin sempurna, untuk mengubah denganKMnO. menjadi gas N02kemurnian gas hidrogen ini dapat dilakukan Reaksi pelarutan serbuk U02 adalah sebagai berikut, 3U02 + 8HN03~ 3U02(N03)2+ 2NO + 4H20 (2) denganmencampurdengangas nitrogendengan perbandinganyang tertentupula. Seperti telah disebutkan didepan bahwa Sedangkan untuk menentukan jumlah gas N2, dapat kadar nitrogendalamserbukuraniumdioksidadapat dilakukan melalui persamaan keseimbangan. Reaksi dikendalikan dengan proses reduksi, hal tersebut keseimbangannya adalah : dapatdilakukandengancara: 2 N02 <=>N2+ 2 02. (3)
1.
Memvariasikadar hirogen denganmencampur Kandungan gas yang terdapat dalam serbuk gas nitrogen kedalamnya.Pada penelitian ini U02 terdiri daTi beberapa macam : CO2, H2O, CO, variasi dimulai dengan perbandingansebagai N2, O2 dan H2. Dari semua gas tersebut diatas pada berikut: waktu analisis akan langsung keluar daTi reaktor. Ii. 12.
% Hz I % Nz I
20 80
1 40 150 160 I I 60 I 50 I 40 I
2. Waktu pendinginan Pacta proses ini pendinginan dilakukan dengan dua tara yaitu pendinginandenganudara luar dan denganmengalirkangas nitrogenkedalarn reaktor untuk menggantikangas hidrogen. Pacta penelitian ini pengaruhpendinginantidak dilakukan. Pergantiangas hidrogenolehgas nitrogendilakukan pacta suhu yang sarna yaitu setelah suhu 300 °c. tercapai. Dengan proses reduksi diatas kita memperolehserbukuraniumdioksidadengankadar nitrogen yang berbeda-bedadan ini kita jadikan cuplikan untuk mencobamengembangkananalisis kadar gas nitrogendalam serbukuraniumdioksida. Sebagaihipotesa dapat disebutkanbahwa makin rendah kadar gas hidrogen (berarti kadar gas nitrogen makin besar) yang digunakan untuk mereduksi, akan menyebabkanmakin besarpula kandungan gas nitrogen dalam serbuk uranium dioksida.
Rachmat Pratomo, dkk
Sedangkan gas NO akan terlebih dahulu akan dioksidasi oleh KMnO. menjadi N02. Selanjutnya total gas N02 diserap oleh penyerap khusus yaitu larutan Salztrnan. Untuk menjaga agar semua gas N02 dapat terserap semuanya oleh larutan, maka perlu ditentukan terlebih dahulu kejenuhan larutan penyerap.tersebut. Hal ini dapat dilakukan dengan memakai penyerapan. Demikian juga jumlah larutan salztrnan sendiri dapat divariasi volumenya.
TATA
KERJA
Bahan
yang digunakan:
Serbukuranium dioksida sebagaicuplikan buatanBTP P3TM, Asam nitrat pekatpa, Air bebas mineral,Larutan KMnO40,1 N, Larutan Salztman, Gas hidrogenteknis,Gas nitrogen teknis, Gas LPG teknis,Gasargonpa
Alat-alat
yang digunaklan
ReduktorOpa/e Furnace,Seperangkatalat analisis, Spektro photometer UV -Vis
Kimia Nuklir
ISSN 0216-3128
88
Cara
Prosiding Perlemuan danPresentasi llmiah P3TM-Batan, Yogyakarla 14-15Juli 1999
Buku II
kerja
uranium dioksida yang dalam pembuatannya memakai perbandinganN2: H2 = 1 : 4 dan Membuat serbuk UO2 dari serbuk pemakaiangas argonyang ditambahkanke dalam UaOs dengan variasi H2/N2 reaktor belum dilakukan. Data dari percobaan 1. Serbuk U02 basil variasi H2/N2dimasukkan pendahuluan ini dapatdilihat pada tabel1. dalam reaktor Dari tabel 1 tersebut terlihat bahwa pada 2. Larutan HN03 pekat ditambahkanperlahan- percobaanyangpertamamengalamikegagalantotal. lahankedalamreaktor Sedangkanuntuk percobaanyang kedua kesulitan sedikit dapat diatasi. Pada percobaanselanjutnya 3. Pemanasdanpengadukandijalankan 4. Subuoperasidipertahankan sekitar80°c. kesulitan barulah dapat diatasi, sehingga dapat 5. Alirkan gas argon kedalam reaktor untuk memperolehbasil. Melihat basil analisis, temyata kadargasN02 yang terserapdalampenyerapke dua mengusirgasyang terjadi h :. Tunggu sampaiwaktukontaknya3 jam (padaT cukupkecil, yaitu0,006~Vgram.Dengankenyataan 80 °c.) ini dapat diambil kesimpulan bahwa kejenuhan 7 Pemanasdimatikan larutanpenyerapadapada penyerappertama,yaitu R v. Gas NO yang terjadi akan dioksidasi oleh sebesar0,070 ~Vgram 002. Alat analisis dapat KMn04 menjadi N02 dan akan diseraplarutan bekerjadenganbaikpadapanjanggelombangantara salztman 190 sampai 900 nano meter. Sedangkan untuk 0 J. Analisis kadar gas N02 denganUV-Vis dalam percobaandipakai panjang gelombang 545 nano meter. Hasil menunjukkan besamya simpangan tiap-tiap tingkat penyerapan baku0,07284,0,09135 clan0,00206(TabeI2). Tabel 2 dan Tabel 3 menunjukkan data HASIL DAN PEMBAHASAN analisispenyerapangas NO2 oleh larutan Salztman, dimana pelaksanaanpercobaandilakukan dengan Padaawal daTipenelitianini dimanabelum menambahkan aliran gas argon dari luar. Temyata adapenambahangas argonkedalamreaktordialami fungsi dari aliran gas argon tersebut, selain untuk beberapakesulitandalampelaksanaannya. Kesulitan menanggulangikesulitankarena adanyaarus balik tersebutterjadi pada akhir penelitian,dimana saat juga berfungsi untuk mendorong gas yang ada pemanasdimatikan dan mulai terjadi pendinginan. dalamreaktordan pipa atau slang menuju ketempat Pada waktu tersebut,akan terjadi arus balik baik penyerapan.Hal..inimengakibatkanjumlah gasyang larutan Salztman maupun larutan KMn04 masuk terserapakan bertambah clan ini akan merubah kedalam reaktor. Kesulitan tersebut dapat diatasi hargakejenuhangasN02 sepertiyang terteradalam denganjalan pendinginansecarabertahap.Artinya tabel1. Ontuk itu perlu adanyapenambahan jumlah pemanastidak lagsung dimatikan, tetapi suhunya tingkat yang tadinya dua menjadi tiga atau bahkan diturunkan perlahan lahan denganmengaturskala lebih. daTi pemanasnya. Tetapi untuk pelaksanaanini diperlukanwaktu yang cukuplama, selainitu dapat Tabel2. Hasil penyerapan NO2 ol.eh larutan Salztman.Dengan berat 4 gram 002 dan pula dibantu dengan membuka kran 'atas yang 100ml HN03 menghubungkanreaktor denganudaraluar. Karena adanya kesulitan ini, beberapa percobaan No. mengalamikegagalan. penyerapIII 1
Tabell. Penentuankejenuhanpenyerapanlarutan Salztman dengan berat 4 gram 002 dan volume 100ml HN03o No. 1
2 3 4
5
Kadar NO2,(1.11 tiap 9 UO2) penyerapII penyerapl
0,0007 0,0028
0,0552 0,0688 0,0703
Keterangan gagal
0,0009 0,0106 0,0071 0.0065
Sebagai percobaan pendilhuluan akan ditentukan dahulu sampai sejauhmana kejenuhan penyerapangas NO2 oleh larutan Salztman.Untuk itu percobaanhanya dilakukan untuk satu macam serbuk UO2 saja. Dalam hat ini dipakai serbuk
ISSN 0216-3128
2
3 4 5
0,316 0,411 0,473 0,519 0.495
0,248 0,367 0,452 0,491 0.483
0,0031 0,0015 0,0013 0,0026 0,0018
Pacta percobaan ini temyata kecepatan aliran gas argon berpengaruh terhadap jumlah gas NOz .Makin besar kecepatan aliran gas argon, jumlah gas NOz yang dapat diserap akan bertambah pula. Hal ini dapat terlihat pacta percobaan pertama, dimana jika dibandingkan dengan yang kedua, ketiga daDselanjutnya jumlahnya paling kecil. Pacta percobaan kedua kecepatan aliran kita tambah sedikit dan pacta percobaan ketiga kita tambah lagi. Sedangkan untuk percobaan keempat daD kelima
Kimia Nuklir
Rachmat Pratomo, dkk
..
Prosiding Pertemuan dan Presentasi llmiah' P3TM-Batan, Yogyakarta 14-15 Juli 1999
Buku11
dipakai kecepatan yang sarna dengan percobaan tiga. Pactapercobaan pendahuluan ini digunakan uranium dioksida yang tidak divariasi, karena disini kita baru akan mencari kejenuhan penyerapan larutan Salztman. Setelah kita ketahui berapa kebutuhan penyerapan, kecepatan aliran gas argon dan teknis pelaksanaannya, barulah kita menggunakan serbuk uranium yang divariasi kadar gas nitrogennya. Tabel 3. Hubungan antara kadar NO2 yang diserap larutan SaIztman dengan tipe serbuk VO2 berat 4 gram.
penyerap III I
0,008 0,003 0,005 0,002 0,003 .0,007 0,006 0.008 Keterangan: ripe A = PerbandinganN2iHz= 200;0/80% ripe B = PerbandinganNz/Hz= 400;0160% ripe C = PerbandinganNz/Hz= 500;0150% Tipe 0 = PerbandinganNzlHz= 600;0140%
89
kekurangannya. Untuk itu masih diperlukan adanya perbaikan dengan mencoba metoda lain. Antara lain untuk melepaskan gas NO2 dari serbuk tidak ditambahkan larutan asam nitrat, tetapi dengan memanaskan serbuk UO2 menjadi U3Og atau pelarut lainnya.
UCAP AN TERIMA
KASIH
Ucapan ini disampaikan kepada semua pihak yang telah turnt membantu jalannya penelitian ini sehingga terselesaikanpenenlitian ini.
DAFT AR PUST AKA 1. "Characterization of Uranium Dioxide II Oak Ridge National Laboratory, December 12 -13, 1961 TID 7637 2. "Fuel Elements Conference" Paris, November 18 -23, 1957. United States Atomic Energy Till 7546 Book 2. 3. "Fuel Elements Conference" Paris, November 18 -23,1957, United States Atomic Energy Till 7546 Book 1. 4. "Hand Book of Chemistry and Physics" Robert C. Weast, Ph.D., 51 st Edition.
Penelitian dilanjutkan dengan variasi serbuk uranium dioksidanya. Untuk memperoleh bahan ini dilakukan dengan mengubah kadar hidrogennya, dengan mencampur gas nitrogen. Perbandinganini dimulai daTi20% : 80% , 40% : 60, 50% : 50% dan60% : 40%. Denganmengubah TANYA JAWAB perbandinganini diharapkankadar nitrogen dalam serbukuraniumdioksida akanberbedapula. Hal ini terbukti dari tabel 3, bahwa makin naiknya harga Sumijanto > PadapenyerapanNO2denganlarutanSaltzmanI kadar N2 dalam serbuk, maka jumlah kadar NO2 dan II untuk 002 tipe A didapat basil :!: sarna. yang terserapoleh larutanSalztmanpun bertambah SedangkanpadaSaltzmanIII turun drastis.Apa pula, pada penelitian ini tidak dibandingkandengan perbedaan larutan Saltzman I, II, dan III SRM. sehinggadapatdemikian.
KESIMPULAN
Rachmat P. -<:>Maksud adanya tiga buah tabung adalah untuk menjaga kalau adanya gas NO2 yang
DAN SARAN.
Dengan melihat data yang diperoleh dari awal hingga akhir penelitian dapat disimpulkan bahwa analisis tidak langsung kadar N2 dalarn serbuk UO2 dengan metode penyerapan gas NO2 ini dapat digunakan. Hal ini terbukti dengan makin besarnya kadar N2 dalarn serbuk UO2, maka jumlah NO2 dalarn serbuk juga akan bertambah besar pula. Untuk tipe A diperoleh kadar NO2 total adalah 0,535 illig, tipe B = 2,271 illig, tipe C = 2,850 illig dan tipe D = 4,407 illig. Walaupun analisis ini sudah dapat memberikan hasil yang cukup baik, tetapi masih ada
Rachmat Pratomo, dkk
cukup banyak, sehingga tabung I akan menangkap NO2 sampai jenuh. Dan NO2 yang masih lolos dapat ditangkap oleh tingkat ke II. Pada percobaan, pada I hampir sarna dengan IL disebabkan karena ko'1Sentrasilarutan Saltzman sarna. Sahat Simbolon
> Bagaimana reaksi larutan Saltzman dengan N02? > Berapapanjanggelombangyang digunakan? > Bagaimanakurva kalibrasiyang digunakan?
Kimia Nuklir
ISSN 0216-3128
90
Buku II
» Bagaimanareaksipengusirangasnitrogen? Rachmat
p.
~ Pertanyaanini, sl!Yangsaar ini belum dapat dijawab,karenabelumsl!Yapelajari. ~ Panjang gelombang alar ini antara 190 900 nano. Pada penelitian dipakai 545 nanometer. ~ Pada percobaan ini kilo secara langsung memakai panjang gelombang 545 nanometer. ~ Reaksi pengusiran gas nitrogen adalah denganmelarutkanUO] denganHNOj.
ISSN 0216-3128
Kimia Nuklir
Prosiding Perlemuan danPresentasi llmiah P3TM-Batan, Yogyakarla 14-15Juli1999
Supriyanto ~ Dari judul penelitianyang dianalisis adalahgas nitrogensedangdalam kesimpulandiperolehgas NO2oApakahsudahdilakukankonversi?Mohon penjelasan. Rachmat P. -.t>-Pada makalah ini diketahui harga besaran log Kf = -9,082, sehingga untuk menghitung besarnya gas N] adalah dengan reaksi : 2NO] ~ N] + 20]0 Percobaan ini adalah analisis tidak langsung.
Rachmat Pratomo, dkk
