KE DAFTAR ISI 72
ISSN 0216 - 3128
PEMUNGUTAN URANIUM DI DALAM DENGAN PELARUT ASAM NITRAT Boybul, Sutri Indaryati
Boybul, dkk.
KERAK
CaF2
dan lis Haryati
Pusat Teknologi Bahan Bakar Nuklir - BATAN
ABSTRAK PEMUNGUTAN URANIUM DARI KERAK CaF] DENGAN PELARUT ASAM NITRAT. Telah di!akukan penelitian pemungutan Uranium dari kerak CaF] menggunakan asam nitrat sebagai pelarut untuk memisahkan uranium dari kerak CaF] menjadi larutan urani! nitrat , pelarutan dengan pemanasan dan tanpa pemanasan. Pelarutan menggunakan variasi konsentrasi asam nitrat dari 0,5 M; 1,0 M ;3,0 M; 6,0 M ; dan 14,4 M. Larutan urani! nitrat hasi! pelarutan kerak CaF] dianalisis kadar uranium menggunakan titrasi metode Davies-Gray, kadar logam pengotor ditentukan dengan metode AAS dan ion F dengan ion selektif. Hasi! analisis kadar uranium berturut-turut 3,50 % ; 3.72 % ; 4,82 % ; 5,52 % ; dan 5,56 % untuk pelarutan dengan pemanasan. 3,53 %, 3,61 %,3,61 %; 3,41 % dan 3,52 % pelarutan tanpa pemanasan. Sedangkan kadar unsur-unsur pengotor Ca, AI, Mg, Fe, F. Cd, Cu, Cr, Co, Mn, Ni, dan Li berturut-turut 23750 ppm ; 400 ppm; 75 ppm; 50 ppm, 356 ppm, 1,63 ppm, 2,13 ppm, 12,50 ppm, 3,75 ppm, 3.13 ppm, 11,25 ppm, dan 0,81 ppm. Setelah di!akukan pemurnian larutan urani! nitrat dengan cara ekstraksi menggunakan TBP/Heksan di!anjutkan dengan reekstraksi menggunakan air bebas mineral pada suhu 70°C didapatkan larutan urani! nitrat yang cukup murni dengan kandungan unsur-unsur pengotor Ca, Mg, Fe, F, Cu, Mn, berturut-turut 2,08 ppm, 4,03 ppm, 1,99 ppm, 5,2 ppm, 0,17 ppm, 0,3/ ppm dan tidak terdeteksi untuk AI, Cd, Cr, Co, Ni, dan Li.
ABSTRACT RECOVERY OF URANIUM FROM CaFl CRUST USING NITRIC ACID SOLUTION. The recovery of uranium from CaF2 crust using nitric acid solution with and without heating has been investigated. The digestion used various concentration of nitric acid from 0.5 M; 1.0 M; 3.0 M; 6.0 M; and 14.4 M. Uranium of uranyl nitrate as the result of CaF2 crust digestion was analyzed using titration methods of Davies-Gray; the concentration of impurity's metal was determined using AAS methods and F ion was determined by means of selective ion. The analysis results of uranium were as follow: 3.50%; 3.72%; 4.82%; 5.52% and 5.56% for digestion with heating. 3.53%; 3.61%; 3.6/%; 3.4/% and 3.52% for digestion withollt heating. Whereas the impurities concentration ofCa, A, Mg, Fe, F, Cd. Cu, Cr, Co, Mn, Ni and Li elements were as follow: 23750 ppm; 400 ppm; 75 ppm; 50 ppm; 356 ppm; 1.63 ppm; 2./3 ppm; 12.50 ppm; 3.75 ppm; 3./3 ppm; 11.25 ppm; and 0.81 ppm. Then, the purification was performed by extraction using TBP/hexane followed by reextraction using demineralized water at the temperature of 70 OC resulted in a sufficiently pure solution of uranyl nitrate with the concentration of impurity elements ofCa, Mg, Fe, F, Cu, and Mn as follow 2.08 ppm; 4.03 ppm; 1.99 ppm; 5.2 ppm; 0.17 ppm; 0.31 ppm and the undetected of AI, Cd, Cr, Co, Ni and Li.
PENDAHULUAN
B
anyak dapat cara dilakukan, teknik produksi logam uranium yang salah satu diantaranya adalah proses reduksi kalsiotermik. Pada pembuatan logam uranium dari proses reduksi kalsiotermik UF4 selalu dihasilkan kerak CaF2 di samping hasil utama berupa regulus logam uranium. Kerak CaF2 tersebut kemungkinan masih mengandung uranium dengan kadar yang cukup tinggi, menurut data proses uranium yang terikat CaF2 4 - 6 % berat sehingga memungkinkan untuk
dipungut kembali menjadi bahan baku uranil nitrat U02 (N03)2. Logam uranium dapat dihasilkan melalui reaksi reduksi kalsiotermik UF4 dengan pereduksi logam Ca. Reaksi dilakukan pada suhu sekitar 4000 C dalam bejana tertutup yang disebut "bomb ". Campuran antara UF 4 dengan logam Ca berlebih dimasukkan ke dalam krusibel grafit yang bagian dalamnya dilapisi dengan suspensi CaF2• Pemberian suspensi CaF2 dimaksudkan agar hasil reaksi tidak menempel dengan kuat pada permukaan dalam krusibe1. Kemudian krusibel grafit tersebut dimasukkan ke dalam tungku secara vertikal.
Prosldlng PPI • PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 02]6-3]28
Boybul, dkk.
Tungku dibuat vakum terlebih dahulu, kemudian dialiri gas argon. Reduksi kalsiotermik dimulai dengan bantuan pemantik listrik, reaksi yang terjadi: UF4
+ 2 Ca ~
U + 2 CaF2 -Q
(I)
Karena reaksi yang terjadi eksotermis sehingga logam U yang terbentuk segera mencair dan mengumpul di dasar krusibel terpisah dari kerak CaF2 . Logam U yang membeku di bagian dasar "bomb" secara populer dikenal dengan nama regulus uranium.(2) Logam uranium yang dihasilkan dari proses kalsiotermik ini harus memenuhi spesifikasi seperti tercantum pada tabel I. (3) Sedangkan kerak CaF2 yang terbentuk yang diperkirakan masih mengandung uranium dengan kadar cukup tinggi sehingga perlu dipungut kembali. Dari data produksi logam uranium Sub Divisi produksi elelmen bakar nuklir PT. Batan Teknologi, uranium yang masih tertinggal di dalam kerak CaF2 sekitar 4 - 6 %. (3) Uranium yang terdapat di dalam kerak dapat berupa U logam bebas yang melekat pada serbuk CaF2 yang tidak sempat mengendap kebagian wadah krusibel sehiongga terpisah dari regulus logam uranium, dapat juga masih berupa serbuk UF4 yang belum bereaksi dengan logam Ca. Pemungutan uranium dari kerak CaF2 dilakukan dengan menggunakan pereaksi asam nitrat. Pada tahap awal kerak CaF2 dipanggang dalam tungku pemanas pada suhu gOOOCselama 2 jam, dan dilanjutkan pelarutan menggunakan HN03 pada suhu II0oC. Uranil nitrat yang dihasilkan dipisahkan dari endapan CaF2 dengan penyaringan menggunakan kertas saring, selanjutnya dimumikan dengan proses ekstraksi menggunakan pelarut TBP/Heksan (7 : 3) sehingga uranium akan terikat dengan TBP menjadi U-TBP dan unsur -unsur pengotor berada pada fasa airY) Kemudian fase organik (U-TBP) direekstraksi menggunakan air panas suhu 70°C untuk memisahkan uraniumnya, sehingga diperoleh larutan uranil nitrat dengan derajat kemumian nuklir.
ppm Unsur total unsur pengotor
$ 1500
Tabel1. Kandungan maksimum unsur -unsur tor dalam I-,...- --- -- ------. Maksimum, Maksimum, * * Mn ppm Li Ni Si 150,00 4,00 300,00 10,00 100,00 *) 1,00 *) *M~ )Fe Mo *) *) Unsur ppm
ProsJdlng
73
Untuk mengetahui kadar uranium dari proses pun gut ini digunakan metode penentuan uranium secara titrasi titrimetri dari Davies-Gray, sedang kandungan unsur logam pengotor diukur dengan AAS (Atomic Absorption Spektrofotometer) dan elektroda ion selektif F. (4,5.6) Adapun tujuan dari penelitian adalah memperoleh data pelarutan kerak CaF2 dengan pelarut asam nitrat dan data kelaikan proses pungut uranium dari kerak CaF2 untuk digunakan lagi sebagai umpan dalam bentuk uranil nitrat U02(N03h dan meningkatkan kemampuan operasional dalam pemungutan uranium dari kerak CaF2 tersebut.
TATAKERJA Bahan Kerak CaF2 , Asam nitrat, pa. , Air bebas mineral, pa. , Kalium dikromat, pa. , Asam amidosulfonat, pa. , Asam sulfat, pa. , Asam fospat, pa. , Vanadil sui fat, pa. , Ferro sulfat, pa. , Larutan standar AI, Ca, Cu, Co, Cr, Cd, Ni, Mg, Mn, Fe, Li, dan F Alat Lumpang , Mesin ayak dan ayakan 40 ~ , Alat-alat gelas untuk analisis , Tungku pemanas , Titroprosessor , Elektroda Pt , Elektroda ion selektif F , Elektroda pembanding, Hg/HgCl , Spektrofotometer serapan atom , Lampu katoda cekung, AI, Ca, Cu, Cr, Cd, Ni, Mg, Mn, Li, Fe dan Co Cara kerja: 1.
2.
Kerak CaF2 digerus menggunakan lumpang sampai halus, setelah halus diayak dengan ayakan ukuran 40 mikron dan dihomogenisasi selama 20 men it pada alat homogenisasi. Kemudian dipanggang di dalam tungku pada suhu gOOOCselama 2 jam, didinginkan, dan selanjutnya disimpan di dalam desikator. Ditimbang 1,00 gram serb uk CaF2, dilarutkan dalam HN03 dengan konsentrasi 0,5 M, 1M, 3M, 6M dan 14,4 M dengan volume masingmasing 50 mL. Pelarutan kerak CaF2 dilakukan dengan cara pemanasan pada suhu 110°C dan tanpa pemanasan sambil diaduk selama 2 jam. Kemudian endapan, dipisahkan dengan penyaringan menggunakan kertas saring, dan filtrat yang dihasilkan ditampung di dalam gelas piala. Setelah dingin dipindahkan kedalam labu ukur 50 mL dan ditepatkan
PPI • PDIPTN 2006
Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta. 10 Juli 2006
74
ISSN 0216-3128 sampai tanda batas dengan air bebas mineral.
3.
Kadar uranium dari masing-masing proses pelarutan tersebut di analisis dengan metode Davies-Gray, kadar pengotor dari larutan Konsentrasi uranil nitrat diukur dengan AAS dan kadar HN03 (M) 14,4 6,0 1,0 3,0 0,5 fluor diukur dengan potensiometer menggunakan elektroda ion spesifik untuk F. Larutan uranil nitrat hasil pelarutan kemudian dimumikan dengan cara diekstraksi dengan TBP/Heksan (7:3) selama 5 menit menggunakan labu ekstraksi, setelah itu dilanjutkan reekstraksi menggunakan air bebas mineral panas pada suhu 70°C. Kemudian larutan uranil nitrat yang dihasilkan dianalisis kadar uranium dan unsur-unsur pengotomya.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil penelitian pemungutan uranium dari kerak CaF2 menggunakan pereaksi asam nitrat pada berbagai konsentrasi, dengan pemanasan dan tanpa pemanasan ditampilkan pada tabel 2 dan tabel 3. Tabel
2. Data analisis uranium di dalam larutan uranil nitrat hasil pelarutan kerak CaF2 , pemanasan pada suhu 110°C dan tanpa pemanasan selama dua jam
Konsentrasi
1.112±0.015 0.722 0.706 0.682 0.704 ± 0.744 0.964 ± 1.104 ± 0.020 0.007 0.015 0.018 oemanasan ± 0.019 0.033 Tanoa0.700 oemanasan Kadar uranium ( g/L)
N03 (M)
Dari tabel 2. terlihat bahwa kadar uranium tertinggi didapatkan pada proses pelarutan menggunakan asam nitrat konsentrasi 6 M dan 14,4 M dengan pemanasan dimana uranium yang dihasilkan dengan pelarut tersebut memberikan hasil paling tinggi yaitu sebesar 1,104 glL dan 1,112 glL.
Tabel
Boybu/, dkk. 3.
Data
analisis
kadar
uranium
di dalam
kerak CaFz, pemanasan pad a suhu 110°C dan tanpa pemanasan selama dua jam 3,524,82 0.088 3,61 3,53 3,61 3,41 3,50 3,72 5,52 ±±±Kadar 0.102 0.098 0.074 0.035 ± CaF2 0.093 0.165 0.094 5,56 0.074 pemanasan (% berat) uranium dalam kerak Tanpa pemanasan
Ditinjau dari kadar uranium yang diperoleh dari proses pelarutan ini, bila dibandingkan dengan uranium yang terkandung di dalam kerak dari data proses sekitar 4 - 6 %, sedangkan kadar uranium dalam kerak CaF2 yang dipakai pada penelitian ini adalah 5,59 %. Sehingga dari data pemungutan diatas dapat diketahui efisiensi pemungutan uranium daTi kerak CaF2 seperti tercantum pada tabel 4 dan gambar 2. Dari data pada table 4 didapatkan efisiensi proses pemungutan uranium dari kerak CaF2 yang terbaik adalah pada proses pelarutan dengan asam nitrat 6,0 M dan 14,4 M dan dengan pemanasan yaitu sebesar 98,75 % dan 99.46 %. Uranil nitrat yang didapat dari proses pemungutan ini belum mumi, terutama kandungan Ca, AI, Mg, Fe dan F masih cukup tinggi. Untuk itu maka perlu dikenakan proses lebih lanjut yaitu pemumian dengan cara ekstraksi menggunakan TBP/Heksan. Kemudian dilanjutkan dengan reekstraksi menggunakan air panas 70°C untuk memisahkan uranil nitrat dari fasa organik. Pad a tabel 5 ditampilkan kadar unsur-unsur pengotor yang terdapat dalam tarutan uranil nitrat hasil pungut sebelum dilakukan pemumian.
Dari data hasil analisis kadar uranium di dalam larutan hasil pelarutan kerak didapatkan kandungan uranium dalam kerak CaF2 ditampilkan pada tabel 3 dan gambar I. Pelarutan CaF2 dengan pereaksi asam nitrat pada konsentrasi diatas tanpa pemanasan didapatkan kadar uranium yang hampir sarna antara sampel satu dengan lainnya, dimana kadar uranium yang diperoleh lebih kecil dari pelarutan dengan pemanasan. Hal ini disebabkan selama proses pelarutan kemungkinan tidak semua uranium larut menjadi uranil nitrat.
3
0.5
6
14.4
Konsentrasi HN03 (M) Gambar 1. Graflk kadar uranium da/am kerak CaF2 dengan berbagai konsenfrasi pelarut HNO.1
Prosiding PPI - PDIPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan - BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216-3128
Boybul, dkk. Tabel 4. Efisiensi pemungutan kerak CaF2 -
Uranium (%)
Efisiensi Pemungutan Pemanasan 64.58 64.58 66.55 61. 98.75 99.46 86.23 62.97 00 62.61 63,15 Tanpa pemanasan
Konsentrasi HNOJ (M)
Li Mn Cd Fe Cr AI
dari
(ppm)
75
Tabel 6. Kadar unsur-unsur pengotor larutan uranil nitrat pemurnian Kadar Kadar ttd ttd F Ni ttd Cu Co C a 0,31 2,08 1,99 5,20 0,17 4,03 (ppm) Mg Unsur Unsur
dalam setelah
i:;j'Pemanasan
Keterangan : ttd = tidak terdeteksi
100 , 1~")Tanpa pemanasan 80 •.. ~
60
::s Co
40
c
~
KESIMPULAN I.
20 o
3
0.5
Konsentrasi
6
14.4
HN03 (M)
Gambar 2. Efisiensi pemungutan uranium daTi kerak CaF2 pada berbagai konsentrasi HNOj
2.
3. Setelah dilakukan pemumian dengan ekstraksi menggunakan TBP/Heksan dan reekstraksi menggunakan air bebas mineral panas suhu 70°C diperoleh kandungan unsur unsur pengotor pad a tabel 6 berikut. Dari data pada tabel 6 terlihat bahwa terjadi penurunan yang sangat tajam untuk kadar unsurunsur pengotor AI, Ca, Fe, Mg, dan F bila dibandingkan dengan kadar unsur -unsur pengotor tersebut sebelum dilakukan proses pemumian. Sehingga kadar unsur-unsur pengotor yang terdapat dalam larutan uranil nitrat telah memenuhi spesifikasi sebagai bahan baku untuk bahan bakar nuklir dengan tingkat kemumian nuklir.
(ppm)
Tabel 5. Kadar unsur-unsur pengotor dalam larutan uranil nitrat hasil pungut sebelum pemurnian Kadar Kadar Cu Co 356 Ni FCga 23750,00 400,00 12,50 1,63 2,13 3,75 11,25 50,00 3,13 75,00 0,81 M (ppm) Unsur Unsur
Kadar uranium tertinggi sebesar 5,52 % dan 5,56 % didapatkan dari proses menggunakan asam nitrat 6 M dan 14,4 M pada suhu ± 110°C dan pengadukan dengan efisiensi pemungutan sebesar 98,75 % dan 99,46 %. Sehingga proses pemungutan uranium dari kerak CaF2 layak untuk dilakukan. Kadar unsur-unsur pengotor dalam larutan uranil nitrat hasil pelarutan cukup besar terutama Ca, AI, Fe, F dan Mg. Setelah dilakukan pemurnian menggunakan TBP/Heksan maka didapatkan larutan uranil nitrat yang memenuhi persyaratan untuk bahan bakar nuklir.
SARAN Penelitian ini masih merupakan penelitian awal, perlu dilanjunjutkan lagi terutrama untuk melihat apakah unsur pengotor AI, Ca dan F berpengaruh dalam pemumian uranium, karena dari hasil analisis kadar AI, Ca dan F yang tinggi dalam larutan uranil nitrat hasil pelarutan slag CaF2
DAFT AR PUST AKA 1.
SURIPTO, A. ,"Teknologi Fabrikasi Elemen Bakar Reaktor Riset Diklat Teknologi Insdustri Bahan Bakar Nuklir", Pusat Pendidikan dan Latihan BAT AN, 1988.
2.
NUKEM, GmBH,"Description of The Quality Control of Fuel Elemen Fabrication", part 3, 1982.
Prosidlng PPI - PDlPTN 2006 Pustek Akselerator dan Proses Bahan· BATAN Yogyakarta, 10 Juli 2006
ISSN 0216-3128
76
3.
ANONIM,"Laporan Produksi Sub Divisi Produksi Elemen Bakar Nuklir", PT. Batan Teknologi, 2002.
4.
DA VIES W, ORA Y W, "A Rapid And Specific Titrimetric Method For The Precise Determination of Uranium Using Iron (II) Sulphate as Reductant", Talanta II, 12031211, 1964.
5.
6.
Boybul. tlkk.
TANYAJAWAB Sri Wahyuningsih - Berapa besar masih terkandung didalam kerak ? Boybul - Kadar Uranium yang masih terkandlmg di dalam kerak CaF2 4-6% berat. atau sekitar /00 - /50 gram.
OUNANJAR," Teknik Analisis Merusak di Dalam SSAC", PUSDIKLAT, BATAN, Jakarta, 1994.
Giyatmi
ASTM ," 1973 Annual Book of ASTM Standards ", Part 3.2, pp. 2 - 4, Method 696-
- Kenapa menggunakan yang lebih reaktif ?
HN03,
apakah tidak ada
72.
Boybul - Menggunakan pelarut HNOJ, karena hasil yang diperoleh untuk proses selanjutnya berupa larutan uranil nitrat yang diekstraksi dan diperoleh uranil nitrat dengan kemurnian tinggi.
KE DAFTAR ISI
Proslding Pustek Akselerator
PPI - PDIPTN 2006 dan Proses Bahan - BATAN
Yogyakarta,
10 Juli 2006
